Свинцовая батарея

Свинцовая батарея

12-вольтовая автомобильная аккумулятор
Конкретная энергия	35–40 WH / кг
Плотность энергии	80–90 WH / L
Конкретная сила	180 Вт / кг
Эффективность заряда/разрядки	50–95%
Энергия/потребительская цена	7 ( SLD ) до 18 ( FLD ) WH /US $
Ставка самоубийства	3–20%/месяц
Цикл долговечности	<350 циклов
Номинальное напряжение ячейки	2.1 V
Интервал температуры заряда	Мой. −35 ° C, макс. 45 ° C.

- Ведущая аккумулятор это тип аккумулятора, впервые изобретенной в 1859 году французским физиком Гастоном Планзе . Это первый тип аккумуляторной батареи, когда -либо создаваемых. По сравнению с современными аккумуляторами, свинцово-кислотные батареи имеют относительно низкую плотность энергии . Несмотря на это, они способны поставлять высокие токи . Эти функции, наряду с их низкой стоимостью, делают их привлекательными для использования в автомобилях, чтобы обеспечить высокий ток, необходимый для стартовых двигателей . Ведущие батареи страдают от относительно короткого срока службы цикла (обычно менее 500 циклов) и общей продолжительности жизни (из-за «двойного сульфата» в сброшенном состоянии), а также длительное время зарядки.

Поскольку они недороги по сравнению с новыми технологиями, широко используются батареи свинцовой кислоты, даже когда ток Surge не важен, а другие конструкции могут обеспечить более высокую плотность энергии. В 1999 году продажи батареи с свинцом составляли 40–50% стоимости от батарей, проданных по всему миру (за исключением Китая и России), что эквивалентно рыночной стоимости производства составляет около 15 миллиардов долларов США . Крупные конструкции свинцовой кислоты широко используются для хранения в резервных питаниях в башен сотовых телефонов с высокой доступностью, , экстренной энергосистемах таких как больницы, и автономные энергосистемы . Для этих ролей модифицированные версии стандартной ячейки могут использоваться для улучшения времени хранения и сокращения требований к техническому обслуживанию. Гелевые клетки и поглощенные батареи стеклянной маты распространены в этих ролях, которые вместе известны как батареи VRLA (регулируемый клапаном) .

В заряженном состоянии химическая энергия батареи хранится в разности потенциалов между металлическим свинцом на отрицательной стороне и PBO ₂ на положительной стороне.

История

Основная статья: История батареи

Французский ученый Николас Гаутерот, отмеченный в 1801 году, что провода, которые использовались для экспериментов по электролизу, сами обеспечат небольшое количество «вторичного» тока после того, как основная батарея была отключена. В 1859 году свинцово-кислотная батарея Гастона Планзе была первой батареей, которая могла быть заряжена путем прохождения обратного тока через него. Первая модель Planté состояла из двух свинцовых листов, разделенных резиновыми полосками, и свернутые в спираль. Его батареи впервые использовались для питания огней в вагонах поезда, останавливались на станции. В 1881 году Камилла Альфонс Форе изобрела улучшенную версию, которая состояла из решетки свинцовой сетки, к которой прижала паста оксида свинца, образуя тарелку. Этот дизайн был легче в массовой продукции. Ранним производителем (с 1886) батарей-свинцовой кислоты был Анри Тюдор .

Использование гелевого электролита вместо жидкости позволяет использовать батарею в разных положениях без утечки. Гель -электролитные батареи для любого положения были впервые использованы в конце 1920 -х годов, а в 1930 -х годах портативные эфирные радиостанции позволили устанавливать ячейку вертикально или горизонтально (но не перевернуты) из -за конструкции клапана. В 1970-х годах была разработана регулируемая клапана свинцовая аккумуляторная батарея (VRLA или «запечатанный»), включая современные типы поглощенного стеклянного коврика (AGM), что позволяет работать в любом положении.

В начале 2011 года было обнаружено, что батареи свинцовой кислоты на самом деле использовали некоторые аспекты относительности для функции, а в меньшей степени жидкие металлические и расплавленные батареи, такие как CA-SB и SN-BI, также используют этот эффект.

Электрохимия

Увольнять

Полностью разряжен: две идентичные пластинки сульфата свинца и разбавленная серная кислота раствор

В сброшенном состоянии как положительные, так и отрицательные пластины становятся свинцовыми (II) сульфатом ( PBSO
₄ ), и электролит теряет большую часть своей растворенной серной кислоты и становится главным образом водой.

Отрицательная реакция пластин

PB (S) + HSO ⁻
₄ (aq) → pbso
₄ (s) + h ⁺
(Aq) + 2e ⁻

Выпуск двух электронов проводимости придает свинцовому электроду отрицательный заряд.

По мере того, как накапливаются электроны, они создают электрическое поле, которое привлекает ионы водорода и отталкивает ионы сульфата, что приводит к двойному слою вблизи поверхности. Ионы водорода скринируют заряженный электрод из раствора, который ограничивает дальнейшую реакцию, если заряд не разрешается вытекать из электрода.

Положительная реакция плиты

PBO
₂ (s) + HSO ⁻
₄ (aq) + 3 ч ⁺
(Aq) + 2e ⁻ → PBSO
₄ (s) + 2 часа
₂ O (L)

Использование металлической проводимости PBO
₂ .

Общая реакция может быть написана как

PB (S) + PBO
₂ (s) + 2 часа
₂ так
₄ (aq) → 2 pbso
₄ (s) + 2 часа
₂ O (L) $E_{cell}^{\circ }=2.05{\text{ V}}$

Чистая энергия, выпущенная на моль (207 г) PB (S), преобразована в PBSO
₄ (s) составляет приблизительно 400 кДж, что соответствует образованию 36 г воды. Сумма молекулярных масс реагентов составляет 642,6 г/моль, поэтому теоретически клетка может произвести два фардея заряда (192 971 кулона ) из 642,6 г реагентов, или 83,4 ампер-часах на килограмм для 2-вольтовой ячейки (или 83,4 ампер-часов на килограмм для 2-вольтовой ячейки (или 83,4 ампер. 13.9 Ампер-часов на килограмм для 12-вольтовой батареи). Это составляет 167 ватт-часа на килограмм реагентов, но на практике свинцовая клетка дает только 30–40 Вт в часах за килограмм батареи из-за массы воды и других составляющих.

Зарядка

Полностью заряженная: положительная пластина диоксида свинца, отрицательная пластина и концентрированная водная серная кислота

В полностью заряженном состоянии отрицательная пластина состоит из свинца, а положительной пластиной является диоксид свинца . Раствор электролита имеет более высокую концентрацию водной серной кислоты, которая хранит большую часть химической энергии.

Загрузка зарядки с высоким напряжением генерирует кислород и водородным газом путем электролиза воды , который пузырится и теряется. Конструкция некоторых типов свинцово-кислотной батареи позволяет осматривать уровень электролита и увенчан чистой водой, чтобы заменить любое, что было потеряно таким образом.

Влияние уровня заряда на точку замерзания

Из-за депрессии замерзания электролит с большей вероятностью замерзает в холодной среде, когда аккумулятор имеет низкую зарядку и соответственно низкую концентрацию серной кислоты.

Ионное движение

Во время выписки, h ⁺
производится на отрицательных пластинах перемещается в раствор электролита, а затем потребляется на положительных пластинах, в то время как HSO ⁻
₄ потребляется на обеих пластинах. Обратное происходит во время заряда. Это движение может быть электрически управляемым протоновым потоком ( механизм Grotthuss ) или диффузией через среду или по потоку жидкой среды электролита. Поскольку плотность электролитов выше, когда концентрация серной кислоты выше, жидкость будет иметь тенденцию циркулировать путем конвекции . Следовательно, жидкая среда клетка имеет тенденцию к быстрому разряду и быстро заряжается более эффективно, чем иначе, и в противном случае, гелевая клетка.

Измерение уровня заряда

Ареометр может использоваться для проверки удельной тяжести каждой ячейки в качестве меры его состояния заряда.

Поскольку электролит принимает участие в реакции заряда, эта батарея имеет одно основное преимущество перед другими химическими показателями: относительно просто определить состояние заряда, просто измеряя удельный вес электролита; Конкретный гравитация падает, когда батарея разряжается. Некоторые конструкции батареи включают простой ареометр с использованием цветных плавающих шариков с различной плотностью . При использовании в дизельных электрических подводных лодках специфическая гравитация регулярно измерялась и записана на доске в контрольной комнате, чтобы указать, насколько дольше лодка может оставаться погруженной.

Напряжение с открытым кругом батареи также может использоваться для оценки состояния заряда. Если соединения с отдельными ячейками доступны, то можно определить состояние заряда каждой ячейки, что может предоставить руководство относительно состояния здоровья батареи в целом; В противном случае может быть оценено общее напряжение батареи.

Напряжения для общего использования

Зарядка аккумулятора IUO -это трехэтапная процедура зарядки для батарей для свинцовой кислоты. Номинальное напряжение батареи в свинцовой кислоте составляет 2,2 В для каждой ячейки. Для одной ячейки напряжение может варьироваться от 1,8 В, загруженного при полном разряде, до 2,10 В в открытой цепи при полном заряде.

Напряжение плавания варьируется в зависимости от типа аккумулятора (затопленные ячейки, гель -электролит, поглощенный стеклянный коврик ) и варьируется от 1,8 В до 2,27 В. Напряжение выравнивания и напряжение зарядки для сульфатированных ячеек может варьироваться от 2,67 В до почти 3 В (Только до тех пор, пока не будет протекать ток заряда). Конкретные значения для данной батареи зависят от рекомендаций по проектированию и производителям и обычно даются при базовой температуре 20 ° C (68 ° F), что требует регулировки для условий окружающей среды. IEEE Standard 485-2020 (впервые опубликовано в 1997 году) является рекомендуемой отрасли для определения размеров свинцовых аккумуляторов в стационарных приложениях.

Строительство

Тарелки

Внутренний вид небольшого свинцового аккумулятора от электрическим отменом с мотоцикла

Ячейка свинца может быть продемонстрирована с использованием листовых свинцовых пластин для двух электродов. Тем не менее, такое строительство производит только около одного ампер для пластин размером с грузоподъемность, и всего в течение нескольких минут.

Гастон Планзе нашел способ обеспечить гораздо большую эффективную площадь поверхности. В дизайне Planté были сформированы положительные и отрицательные тарелки из двух спиралей свинцовой фольги, разделенной листом ткани и свернуты. Первоначально клетки имели низкую пропускную способность, поэтому был необходим медленный процесс «формирования» для корродирования свинцовой фольги, создания диоксида свинца на пластинах и шероховатости для увеличения площади поверхности. Первоначально этот процесс использовал электричество из основных батарей; Когда генераторы стали доступны после 1870 года, стоимость производства батарей значительно снизилась. Планшеты по -прежнему используются в некоторых стационарных применениях, где пластины механически приводят к увеличению площади их поверхности.

В 1880 году Камилла Альфонс Форе запатентовала метод покрытия свинцовой сетки (которая служит текущим проводником) с пастой из оксидов свинца, серной кислоты и воды, с последующей фазой отверждения, в которой пластинки подвергались воздействию мягкого тепла в среда высокой влажности. Процесс отверждения изменил пасту в смесь сульфатов свинца, которая прилипала к свинцовой пластине. Затем, во время начального заряда батареи (называемого «образованием»), вылеченная паста на пластинах была преобразована в электрохимически активный материал («активная масса»). Процесс Faure значительно сократил время и стоимость производства свинцовых аккумуляторов и дал значительный увеличение емкости по сравнению с аккумулятором Planté. Метод Faure все еще используется сегодня, с лишь инкрементными улучшениями для вставки композиции, отверждением (что все еще выполняется с помощью пар, но теперь является очень плотно контролируемым процессом), а также структуру и состав сетки, к которой применяется паста.

Сетка, разработанная Faure, имела чистый свинец с соединительными шатунами свинца под прямым углом. Напротив, современные сетки структурированы для улучшения механической прочности и улучшения потока тока. В дополнение к различным схемам сетки (в идеале все точки на пластине равноудаляют от проводника питания), современные процессы также применяют один или два тонких тонких стекловолоконных ковриков на сетку, чтобы более равномерно распределить вес. И в то время как Фаре использовал чистый свинец для своих сетей, в течение года (1881) они были заменены сплавами в сурьме (8–12%), чтобы дать структурам дополнительную жесткость. Тем не менее, сетки высокой юстиции имеют более высокую эволюцию водорода (которая также ускоряется как возраст батареи) и, следовательно, более высокие затраты на отстранение отдела и более высокие затраты на техническое обслуживание. Эти проблемы были определены UB Thomas, и мы в 1930 -х годах мы сталкиваемся с Bell Labs и в конечном итоге привели к разработке сплавов сетей с лидерскими сетками в 1935 году для резервных энергоснабжения в телефонной сети в США. Связанные исследования привели к разработке свинца Селеневые сплавы в Европе несколько лет спустя. Как сплава, так и сплавы с свинцовым, так и свинцовым сеением по-прежнему добавляют сурьму, хотя и в гораздо меньших количествах, чем более старые сетки высокой администрации: сетки с свинцом-кальцие имеют 4–6% сурьму, в то время как сетки свинца-селена имеют 1–2%. Эти металлургические улучшения придают сетке больше прочности, что позволяет ей носить больший вес и, следовательно, больше активного материала, и поэтому пластины могут быть толще, что, в свою очередь, способствует сроку службы батареи, поскольку для проливания будет больше материала, доступного до того, как станет батарея. непригодный. Сетки с сплавами высокой юстиции по-прежнему используются в батареях, предназначенных для частых велосипедов, например, в приложениях для начала моторики, где необходимо компенсировать частые расширения/сокращение пластин, но где не является существенным, поскольку токи заряда остаются низкими. С 1950 -х годов батареи, предназначенные для нечастого велосипедного применения (например, резервных батарейных батарей), все чаще имеют сетки сплавов свинцового или кальча или свинцового сеения, поскольку они имеют меньшую эволюцию водорода и, следовательно, более низкие накладные расходы. Сетки с сплава с свинцом-кальциум дешевле (таким образом, клетки имеют более низкие затраты на предварительные рамки), и имеют более низкую частоту самодействия, и более низкие потребности в поливах, но имеют немного более низкую проводимость, механически слабее (и, следовательно, требуют большей сурьмы компенсировать) и более сильно подвержены коррозии (и, следовательно, более короткой продолжительности жизни), чем клетки с сетчаты с сплава свинцового сплава.

Эффект открытого круга-это драматическая потеря срока службы батареи, которая наблюдалась, когда кальций заменил сурьму. Это также известно как свободный эффект от сурьмы.

Современный подход

Современная паста содержит углеродный черный , фиксатор Blanc ( сульфат бария ) и лигносульфонат . Blanc Fixe действует как кристалл семян для реакции сульфата свинца . Blanc Fixe должна быть полностью рассеяна в пасте, чтобы он был эффективным. Лигносульфонат предотвращает образование отрицательной пластины с твердой массой во время цикла разгрузки, вместо этого позволяя образовать длинные иглы, подобные дендритам . Длинные кристаллы имеют большую площадь поверхности и легко превращаются обратно в исходное состояние при зарядке. Углеродный черный противодействует влиянию ингибирования образования, вызванного лигносульфонатами. Диспперт -конденсат нафталинового конденсата является более эффективным расширителем, чем лигносульфонат, и ускоряет образование. Этот диспергатор улучшает дисперсию сульфата бария в пасте, уменьшает время гидросета, приводит к более устойчивой к поломке пластины, уменьшает мелкие частицы свинца и тем самым улучшает характеристики обработки и вставки. Он продлевает срок службы батареи за счет увеличения напряжения на конечном итоге. Сульфонарованный нафталин требует от одной трети до половины количества лигносульфоната и стабилен до более высоких температур.

После высыхания пластины укладываются подходящими сепараторами и вставляются в контейнер для ячейки. Затем альтернативные пластины составляют чередующиеся положительные и отрицательные электроды, а в ячейке позже связаны друг с другом (отрицательными до отрицательными, положительными до положительными) параллельно. Сепараторы препятствуют прикосновению к тарелкам друг друга, что в противном случае представляло собой короткий замыкание. В затопленных и гелевых клетках сепараторы являются изолирующими рельсами или шпильками, ранее из стекла или керамики, а теперь и пластика. В клетках AGM сепаратор является самим стеклянным ковриком, а стойка с тарелками с разделителями сжимается перед вставкой в ​​ячейку; Оказавшись в ячейке, стеклянные коврики слегка расширяются, эффективно запирая пластины на месте. В многоклеточных батареях ячейки затем связаны друг с другом последовательно, либо через разъемы через клеточные стенки, либо через мост над клеточными стенками. Все внутриклеточные и межклеточные соединения принадлежат одному и тому же свинцовому сплаву, что и в сетках. Это необходимо для предотвращения Гальваническая коррозия .

Батареи с глубоким циклом имеют другую геометрию для их положительных электродов. Положительный электрод - это не плоская пластина, а ряд цилиндров или пробирков свинцового оксида или трубок, натянутых рядом, поэтому их геометрия называется трубчатой ​​или цилиндрической. Преимущество этого-повышенная площадь поверхности в контакте с электролитом, с более высокими токами разряда и заряда, чем ячейка с плоской пластиной того же объема и глубины. Клетки для трубчальных электродов имеют более высокую плотность мощности , чем ячейки с плоской пластиной. Это делает трубчатые/цилиндрические геометрические пластины, особенно подходящие для высокопрочных применений с ограничениями веса или пространства, таких как вилочные погрузчики или для начальных морских дизельных двигателей. Однако, поскольку трубки/цилиндры имеют менее активный материал в том же объеме, они также имеют более низкую плотность энергии, чем ячейки с плоской пластиной, и менее активный материал на электроде также означает, что они имеют меньше материала, доступного для срыва до того, как ячейка станет непригодным. Трубчатые/цилиндрические электроды также более сложны для производства равномерно, что делает их более дорогими, чем ячейки с плоской пластиной. Эти компромиссы ограничивают диапазон применений, в которых трубчатые/цилиндрические батареи имеют смысл для ситуаций, когда существует недостаточно места для установки более высоких (и, следовательно, больших) единиц плоской пластины.

Около 60% веса автомобильного свинцового аккумулятора в виде свинцовой кислоты, оцениваемой около 60 a · ч, являются свинцовыми или внутренними частями из свинца; Баланс - электролит, сепараторы и дело. Например, в типичной батарее 14,5 кг (32 фунта) насчитывается около 8,7 кг (19 фунтов).

Сепараторы

Разделители между положительными и отрицательными пластинами предотвращают короткие зациклы через физический контакт, в основном через дендриты («деревья»), а также посредством выброса активного материала. Разделители позволяют поток ионов между пластинами электрохимической ячейки с образованием замкнутой цепи. Древесина, резина, стеклянное волокно, целлюлоза и ПВХ или полиэтиленовый пластик использовались для изготовления сепараторов. Древесина была первоначальным выбором, но он ухудшается в кислотном электролите.

Эффективный сепаратор должен обладать ряд механических свойств, включая проницаемость , пористость, распределение пор по размерам, удельную площадь поверхности , механическую конструкцию и прочность, электрическое сопротивление , ионную проводимость и химическую совместимость с электролитом. В эксплуатации сепаратор должен обладать хорошей устойчивостью к кислоте и окислению . Площадь сепаратора должна быть немного больше, чем площадь пластин, чтобы предотвратить замыкание материала между пластинами. батареи Сепараторы должны оставаться стабильными над рабочим диапазоном температуры .

Впитывающий стеклянный коврик

В конструкции поглощенного стеклянного коврика (AGM) разделители между пластинами заменяются стеклянным волокном , пропитанным в электролите. В ковке достаточно всего достаточно электролита, чтобы сохранить его намокнуть, и если аккумулятор проколота, электролит не вытекает из ковриков. Основная цель замены жидкого электролита в затопленной батареи на полу насыщенного стекловолокна состоит в том, чтобы существенно увеличить перенос газа через сепаратор; Водород или кислород, производимый во время перезарядки или заряда (если ток заряда чрезмерный) способен свободно проходить через стеклянный коврик и уменьшать или окислять противоположную пластину, соответственно. В затопленной ячейке пузырьки газа плавают до вершины батареи и теряются в атмосфере. Этот механизм для газа, образующегося для рекомбинирования, и дополнительного преимущества полу насыщенной ячейки, не обеспечивающей существенной утечки электролита при физической проколе аккумуляторного корпуса, позволяет полностью запечатать батарею, что делает их полезными в портативных устройствах и аналогичных ролях. Кроме того, батарея может быть установлена ​​в любой ориентации, хотя, если она установлена ​​вверх ногами, то кислота может быть взорвана через вентиляционное отверстие избыточного давления.

Чтобы снизить скорость потери воды, кальций спланирован с тарелками; Тем не менее, наращивание газа остается проблемой, когда батарея глубоко или быстро заряжена или разряжена. Чтобы предотвратить чрезмерное давление корпуса батареи, батареи AGM включают в себя односторонний клапан выдувания и часто называют «свинцово-кислотой» или VRLA, или VRLA.

Еще одним преимуществом дизайна AGM является то, что электролит становится материалом сепаратора и является механически прочным. Это позволяет сжиманию стека пластин в оболочке аккумулятора, слегка увеличивая плотность энергии по сравнению с версиями жидкости или геля. AGM -батареи часто показывают характерную «выпуклость» в своих оболочках при встроении в общие прямоугольные формы, из -за расширения положительных пластин.

Мат также предотвращает вертикальное движение электролита внутри батареи. Когда нормальная влажная клетка хранится в разряженном состоянии, более тяжелые кислотные молекулы имеют тенденцию оседание до дна аккумулятора, что приводит к стратификации электролита. Когда аккумулятор используется затем, большая часть тока течет только в этой области, а нижняя часть пластин имеет тенденцию изнашиваться быстро. Это одна из причин, по которой обычная автомобильная батарея может быть разрушена, оставив ее хранить в течение длительного периода, а затем используется и перезаряжается. Мат значительно предотвращает эту стратификацию, устраняя необходимость периодически встряхивать батареи, варить их или запустить «заряд выравнивания» через них, чтобы смешать электролит. Стратификация также приводит к тому, что верхние слои аккумулятора становятся почти полностью водой, что может заморозить в холодную погоду; AGM значительно менее восприимчивы к повреждению из-за низкотемпературного использования.

В то время как клетки AGM не позволяют поливать (обычно невозможно добавлять воду без бурения отверстия в батарее), их процесс рекомбинации в основном ограничен обычными химическими процессами. Водородной газ даже диффундирует прямо через сам пластиковый корпус. Некоторые обнаружили, что выгодно добавлять воду в аккумулятор AGM, но это должно быть сделано медленно, чтобы вода смешивала по всей батарее через диффузию. Когда свинцовая аккумулятор теряет воду, его кислотная концентрация увеличивается, значительно увеличивая скорость коррозии пластин. Клетки AGM уже имеют высокое содержание кислоты в попытке снизить скорость потери воды и увеличить резервное напряжение, и это приводит к более короткому сроку службы по сравнению с затопленной батареей свинцовой и антиронией. Если напряжение открытой цепи AGM -клеток значительно выше 2,093 вольт или 12,56 В для батареи 12 В, то он имеет более высокое содержание кислоты, чем затопленная клетка; Хотя это нормально для батареи AGM, это нежелательно для долгого срока службы.

Клетки AGM, которые преднамеренно или случайно завышены, будут иметь более высокое напряжение в открытом круге в соответствии с потерей воды (и увеличивалась концентрация кислоты). Один усилитель перезарядки будет электролизом 0,335 грамма воды на клетку; Часть этого освобожденного водорода и кислорода будет рекомбинировать, но не все.

Желевые электролиты

Основная статья: батарея VRLA § Гель батарея

В течение 1970-х годов исследователи разработали герметичную версию или гелевую батарею , которая смешивает гелевой агент кремнезема в электролите ( батареи свинцовой кислоты на силикагеле, используемые в портативных радиостанциях с начала 1930-х годов, не были полностью запечатаны). Это преобразует ранее жидкий внутренний интерьер ячеек в полу-пасту, обеспечивая многие из тех же преимуществ, что и AGM. Такие конструкции еще менее восприимчивы к испарению и часто используются в ситуациях, когда возможно мало или нет периодического обслуживания. Гелевые клетки также имеют более низкие точки замораживания и более высокие точки кипения, чем жидкие электролиты, используемые в обычных влажных клетках и AGM, что делает их подходящими для использования в экстремальных условиях.

Единственным недостатком конструкции геля является то, что гель предотвращает быстрое движение ионов в электролите, что снижает подвижность носителей и, следовательно, всплеск возможности тока. По этой причине гелевые ячейки чаще всего встречаются в приложениях для хранения энергии, таких как автономные системы.

«Без обслуживания», «герметично» и «VRLA» (регулируемая свинцовая кислота клапана)

Основная статья: батарея VRLA

И гелевые, и AGM -конструкции герметизированы, не требуют полива, могут использоваться в любой ориентации и использовать клапан для выброса газа. По этой причине оба конструкции можно назвать без технического обслуживания, герметично и VRLA. Тем не менее, довольно распространено находить ресурсы, в которых говорится, что эти термины относятся к тому или иному из этих проектов, особенно.

В регулируемом клапане батареи свинцовой кислоты (VRLA) водород и кислород, продуцируемые в клетках, в основном рекомбинируют в воду. Утечка минимальна, хотя какой -то электролит все еще убегает, если рекомбинация не может быть в курсе эволюции газа. Поскольку батареи VRLA не требуют (и невозможны) регулярной проверки уровня электролита, их называли батареями без технического обслуживания . Тем не менее, это в некоторой степени неправильно: клетки VRLA требуют поддержания. Поскольку электролит теряется, ячейки VRLA «высыхают» и теряют способность. Это может быть обнаружено, принимая регулярные измерения внутреннего сопротивления , проводимости или импеданса . Регулярное тестирование показывает, требуется ли более вовлеченное тестирование и обслуживание. Недавние процедуры технического обслуживания были разработаны, позволяющие «регидратацию», часто восстанавливая значительные количества потерянных мощностей.

Типы VRLA стали популярными на мотоциклах примерно в 1983 году, Потому что кислотный электролит поглощается в сепаратор, поэтому он не может пролить. Сепаратор также помогает им лучше противостоять вибрации. Они также популярны в стационарных приложениях, таких как телекоммуникационные участки, из -за их небольшого следа и гибкости установки.

Приложения

Большинство мировых аккумуляторов в свинцовой кислоте-это автомобильные батареи, освещение и зажигание (SLI), с приблизительно 320 миллионами единиц, поставляемых в 1999 году. В 1992 году при изготовлении батарей было использовано около 3 миллионов тонн свинца.

Влажные ячейки (стационарные) аккумуляторы, предназначенные для глубоких разрядов, обычно используются в крупных резервных питаниях для телефонных и компьютерных центров, хранения энергии сетки и автономных электроэнергетических систем без сети. Ведущие аккумуляторы используются в аварийном освещении и для питания насосов отстойника в случае отказа от питания .

Туроковые (движительную) батареи используются в тележках для гольфа и на других электромобилях с аккумулятором . Большие свинцовые батареи также используются для питания электродвигателей на дизельных электрических (обычных) подводных лодках используются в качестве аварийной мощности на ядерных подводных лодках при погружении, а также . Регулируемые клапанами батареи свинцовой кислоты не могут пролить свой электролит. Они используются в резервных питаниях для сигнализации и небольших компьютерных систем (особенно в непрерывных расходных материалах ), а также для электрических скутеров , электрических инвалидных колясок , электрифицированных велосипедов , морских применений, электромобилей с батареей или микро- гибридных транспортных средств и мотоциклов. Многие электрические вилочные погрузчики используют свинцовые аккумуляторы, где вес используется как часть противовеса. Ведущие аккумуляторы использовались для подачи напряжения накаливателя (нагревателя), с 2 В, общими в ранних вакуумной трубки приемниках (клапана).

шахтеров, Портативные батареи для фаров как правило, имеют две или три ячейки.

Цикл

Начальные батареи

Основная статья: Автомобильная батарея

Ведущие аккумуляторы, предназначенные для запуска автомобильных двигателей, не предназначены для глубоких разрядов. Они имеют большое количество тонких пластин, предназначенных для максимальной площади поверхности, и, следовательно, максимальной выходной мощности, что может быть легко повреждено глубокими разрядами. Повторные глубокие разряды приведут к потере мощности и, в конечном счете, при преждевременном сбое, поскольку электроды распадаются из -за механических напряжений , возникающих при велосипеде. Начальные батареи, содержащиеся на непрерывном заряде поплавки Поэтому начальные батареи должны быть открыты, но регулярно заряжаются (по крайней мере один раз в две недели), чтобы предотвратить сульфатирование .

Начальные батареи легче, чем батареи с глубоким циклом того же размера, потому что более тонкие и более легкие ячейки не распространяются до нижней части корпуса аккумулятора. Это позволяет свободному распаданному материалу упасть с пластин и собирать на дне ячейки, продлевая срок службы батареи. Если этот рыхлый мусор поднимается достаточно, то он может коснуться дна пластин и вызвать сбой ячейки, что приводит к потере напряжения батареи и емкости.

Глубокие батареи

Основная статья: батарея глубокого цикла

Специально разработанные клетки с глубоким циклом гораздо менее подвержены деградации из-за езды на велосипеде и необходимы для применений, в которых батареи регулярно разряжаются, такие как фотоэлектрические системы, электромобили ( вилочный погрузчик , гольф-корзина , электромобили и другие), и и другие), и и другие Беспрерывные источники питания . Эти батареи имеют более толстые пластины, которые могут обеспечить меньше пикового тока , но могут противостоять частым разряду.

Некоторые батареи предназначены как компромисс между стартером (высокий уровень) и глубоким циклом. Они могут быть сброшены в большей степени, чем автомобильные батареи, но меньше, чем батареи с глубоким циклом. Они могут упоминаться как батареи «морской/автодом» или «досуговые батареи».

Быстрый и медленный заряд и сброс

Ток заряда должен соответствовать способности батареи поглощать энергию. Использование слишком большого тока заряда на небольшой аккумуляторе может привести к кипению и вентиляции электролита. На этом изображении корпус аккумулятора VRLA вылетел из -за высокого давления газа, разработанного во время перезарядки.

Емкость свинцовой батареи не является фиксированным количеством, но варьируется в зависимости от того, насколько быстро она разряжается. Эмпирическая связь между скоростью выписки и пропускной способностью известна как закон Пекерта .

Когда аккумулятор заряжается или разряжается, изначально влияют только реагирующие химические вещества, которые находятся на границе раздела между электродами и электролитом. Со временем заряд, хранящийся в химических веществах на границе раздела, часто называемый «заряд раздела» или «поверхностный заряд», распространяется путем диффузии этих химических веществ на протяжении всего объема активного материала.

Рассмотрим аккумулятор, который был полностью разряжен (например, когда вы оставляете автомобильный свет на ночь, тока примерно 6 ампер). Если он дается быстрый заряд только в течение нескольких минут, пластины аккумулятора заряжаются только рядом с интерфейсом между пластинами и электролитом. В этом случае напряжение аккумулятора может подняться до значения, близкого к напряжению зарядного устройства; Это приводит к значительному снижению зарядного тока. Через несколько часов этот заряд интерфейса будет распространяться на объем электрода и электролита; Это приводит к заряду интерфейса настолько низким, что его может быть недостаточным для запуска автомобиля. Пока напряжение зарядки остается ниже напряжения газа (около 14,4 вольт в обычной свинцовой аккумуляторе), повреждение аккумулятора маловероятно, и со временем аккумулятор должен вернуться к номинально заряженному состоянию.

Сульфатирование и десульфация

Сульфатированные пластины из батареи 12-В 5-а-а-а-а-а-

Ведущие аккумуляторы теряют способность принимать заряд при слишком долгое выбросы из-за сульфатирования , кристаллизации сульфата свинца . Они генерируют электричество посредством химической реакции с двойной сульфатом. Диоксид свинца и свинца, активные материалы на пластинах аккумулятора, реагируют с серной кислотой в электролите с образованием сульфата свинца . Сульфат свинца сначала образуется в тонко разделенном, аморфном состоянии и легко возвращается к свинцу, диоксиду свинца и серной кислоте, когда аккумулятор перезаряжается. По мере того, как батареи проходят через многочисленные разряды и заряды, некоторые сульфат свинца не рекомбинируются в электролит и медленно преобразуются в стабильную кристаллическую форму, которая больше не растворяется при перезарядке. Таким образом, не весь свинец возвращается на пластины аккумулятора, и количество полезного активного материала, необходимого для выработки электроэнергии, со временем снижается.

Сульфатирование происходит в свинцово-кислотных батареях, когда они подвергаются недостаточной зарядке во время нормальной работы. Это препятствует перезарядке; Сульфатные отложения в конечном итоге расширяются, взломали тарелки и разрушая аккумулятор. В конце концов, большая часть площади батареи не может подать ток, что емкость батареи значительно снижается. Кроме того, часть сульфата (сульфата свинца) не возвращается в электролит в качестве серной кислоты. Считается, что крупные кристаллы физически блокируют электролит от входа в пор пластин. Белое покрытие на тарелках может быть видно в батареях с чистыми чехлами или после демонтажа батареи. Батареи, которые сульфалированы, показывают высокое внутреннее сопротивление и могут обеспечить лишь небольшую долю нормального тока разряда. Сульфатирование также влияет на цикл зарядки, что приводит к более длительному времени зарядки, менее эффективной и неполной зарядке и более высокой температуре батареи.

Батареи SLI (запуска, освещение, зажигание; например, автомобильные батареи) страдают наибольшим ухудшением, потому что транспортные средства обычно не используются в течение относительно длительных периодов времени. Глубокие циклы и мотив батареи мощности подвергаются регулярному контролируемому перезарядке, в конечном итоге сбой из-за коррозии положительных сетей, а не сульфатирования.

Сульфатирование можно избежать, если аккумулятор полностью заряжается сразу после цикла разрядки. Не существует известных независимо подтвержденных способов обращения сульфата. Существуют коммерческие продукты, претендующие на достижение десульфации с помощью различных методов, таких как зарядка импульса, но нет рецензируемых публикаций, подтверждающих их претензии. Профилактика сульфата остается лучшим курсом действий, периодически полностью заряжая свинцовые батареи.

Стратификация

Типичная свинцовая батарея содержит смесь с различными концентрациями воды и кислоты. Серная кислота имеет более высокую плотность, чем вода, что вызывает кислоту, образующуюся на пластинах во время зарядки, течь вниз и сбора на дне батареи. В конце концов смесь снова достигнет равномерной композиции путем диффузии , но это очень медленный процесс. Повторные циклы частичной зарядки и разгрузки увеличат стратификацию электролита, снижая емкость и производительность батареи, поскольку отсутствие кислоты на верхней предельной активации пластины. Стратификация также способствует коррозии на верхней половине пластин и сульфатирование на дне.

Периодическая перегрузка создает газообразные продукты реакции на пластине, вызывая токи конвекции, которые смешивают электролит и разрешают стратификацию. Механическое перемешивание электролита будет иметь такой же эффект. Батареи в движущихся транспортных средствах также подвергаются выплескиваниям и брызгам в ячейках, поскольку автомобиль ускоряется, тормоза и повороты.

Безопасность

Аккумулятор в свинцовой кислоте после взрыва, показывающий хрупкий перелом в коленях

Чрезмерная зарядка вызывает электролиз , излучение водорода и кислорода. Этот процесс известен как «газом». Влажные ячейки имеют открытые вентиляционные отверстия, чтобы высвобождать любой производимый газ, а аккумуляторы VRLA полагаются на клапаны, установленные для каждой ячейки. Каталитические колпачки доступны для затопленных клеток для рекомбинирования водорода и кислорода. Клетка VRLA обычно рекомбирует любой водород и кислород, продуцируемый внутри клетки, но неисправность или перегрев могут привести к созданию газа. Если это произойдет (например, при перегрузке), то клапан вентиляется на газ и нормализует давление, создавая характерный кислый запах. Тем не менее, клапаны могут провалиться, например, если накапливаются грязь и мусор, что позволяет нарастать давление.

Накопленный водород и кислород иногда зажигают во внутреннем взрыве . Сила взрыва может привести к разрыву корпуса аккумулятора или привести к тому, что его вершина вылетела, распыляет кислоту и фрагменты корпуса. Взрыв в одной ячейке может зажечь любую горючую газовую смесь в оставшихся клетках. Аналогичным образом, в плохо вентилируемой области, соединение или отключение замкнутого цепи (например, нагрузка или зарядное устройство) к терминалам батареи также может вызвать искры и взрыв, если какой -либо газ был вентилируется из ячеек.

Отдельные ячейки внутри батареи также могут короткий замыкание , вызывая взрыв.

Клетки батарей VRLA обычно набухают, когда внутреннее давление поднимается, тем самым давая предупреждение пользователям и механикам. Деформация варьируется от ячейки к ячейке и является наибольшей на концах, где стены не поддерживаются другими клетками. Такие переизведиванные батареи должны быть тщательно изолированы и отброшены. Персонал, работающий рядом с батареями с риском взрыва, должен защищать свои глаза и открыть кожу от ожогов из -за опрыскивания кислоты и огня, надев щит для лица , комбинезон и перчатки. Использование очков вместо лицевого экрана жертвует безопасностью, оставляя лицо, подвергающееся воздействию возможных летающих кислот, фрагментов корпуса или батареи, и нагревать от потенциального взрыва.

Среда

Экологические проблемы

Согласно отчету 2003 года под названием «Получение лидера», благодаря экологической защите и экологическому центру Энн -Арбор, штат Мичиган, батареи транспортных средств на дороге содержали около 2 600 000 метрических тонн (2 600 000 тонн; 2900 000 коротких тонн) лидерства) лидерства) Полем Некоторые свинцовые соединения чрезвычайно токсичны. Долгосрочное воздействие даже крошечных количеств этих соединений может вызвать повреждение головного мозга и почек, нарушения слуха и проблемы с обучением у детей. Авто промышленность использует более 1 000 000 метрических тонн (980 000 длиной тонны; 1100 000 коротких тонн) свинца каждый год, причем 90% ходят в обычные батареи с свинцовым автомобилем. В то время как переработка свинца является хорошо известной отраслью, более 40 000 метрических тонн (39 000 тонн; 44 000 тонн) заканчиваются на свалках каждый год. Согласно федеральному инвентаризации токсического выпуска, в процессе добычи и производства выпускаются еще 70 000 метрических тонн (69 000 длинных тонн; 77 000 тонн).

Предпринимаются попытки разработать альтернативы (особенно для автомобильного использования) из -за опасений по поводу экологических последствий ненадлежащего утилизации и операций по выводу свинца , среди других причин. Альтернативы вряд ли вытесняют их для таких приложений, как запуск двигателя или резервные энергосистемы, поскольку батареи, хотя и тяжелые, недорогими.

Переработка

Смотрите также: переработка аккумулятора

Рабочий переработчик расплавленного свинца в заводе по переработке батареи

По данным Совета по аккумулятору, отраслевая группа, переработка батареи в свинцовой кислоте является одной из самых успешных программ переработки в мире. В Соединенных Штатах 99% всего свинца аккумулятора было переработано в период с 2014 по 2018 год. США Тем не менее, документы Администрации по охране окружающей среды с 1982 года показали, что ставки варьируются от 60 до 95%.

Свинцование очень токсично для людей, и утилизация его может привести к загрязнению и загрязнению людей, что приводит к многочисленным и длительным проблемам со здоровьем. Один рейтинг определяет утилизацию батареи с акидкой в ​​качестве наиболее смертоносного промышленного процесса в мире с точки зрения утраченных годов жизни, скорректированных по инвалидности , что является соблюдением от 2 000 000 до 4 800 000 лет, погибших индивидуальной человеческой жизни, потерянного во всем мире.

Священные участки перерыва батареи сами стали источником загрязнения свинца, и к 1992 году EPA выбрало 29 таких участков для его суперфонда , с 22 в его национальном списке приоритетов. очистки

Эффективная система контроля загрязнения является необходимостью для предотвращения выбросов свинца. Непрерывное улучшение заводов по переработке аккумулятора и конструкции печи требуется, чтобы идти в ногу со стандартами выбросов для плавиц для свинца.

Добавки

Химические добавки использовались с тех пор, как батарея-свинцовая кислота стала коммерческим предметом, чтобы уменьшить накопление сульфата свинца на пластинах и улучшить состояние батареи при добавлении в электролит вентилируемой свинцовой аккумуляции. Такие методы лечения редко, если вообще когда -либо эффективны.

Два соединения, используемые для таких целей, - это соли Epsom и EDTA . Соли Epsom уменьшают внутреннее сопротивление в слабой или поврежденной батарее и могут позволить небольшое количество продленного срока службы. ЭДТА может быть использована для растворения сульфатных отложений с широко разряженными пластинами. Тем не менее, растворенный материал затем больше не доступен для участия в обычном цикле заряда, поэтому аккумулятор, временно возрожденная с EDTA, будет иметь снижение ожидаемой продолжительности жизни. Остаточная ЭДТА в клетках свинцовой кислоты образует органические кислоты, которые ускоряют коррозию свинцовых пластин и внутренних разъемов.

Активные материалы изменяют физическую форму во время заряда/разрядки, что приводит к росту и искажению электродов, а также проливание электродов в электролит. Как только активный материал выпал из пластин, его нельзя восстановить в положении какой -либо химической обработкой. Аналогичным образом, внутренние физические проблемы, такие как треснутые пластины, корродированные разъемы или поврежденные разделители, не могут быть восстановлены химически.

Проблемы с коррозией

Коррозия внешних металлических частей батареи свинцового кислота является результатом химической реакции терминалов батареи, заглушек и разъемов.

Коррозия на положительном терминале вызвана электролизом из -за несоответствия металлических сплавов, используемых при изготовлении терминала батареи и кабельного разъема. Белая коррозия обычно представляет собой кристаллы сульфата свинца или цинка . Алюминиевые разъемы коррозируют в алюминиевом сульфате . Медные разъемы производят синие и белые кристаллы коррозии. Коррозия терминалов батареи может быть уменьшена путем покрытия терминалов с вазели или коммерчески доступным продуктом, созданным для этой цели.

Если аккумулятор переполнен водой и электролитом, то тепловое расширение может вывести часть жидкости из вентиляционных отверстий батареи в верхнюю часть батареи. Это решение может затем реагировать с помощью свинца и других металлов в разъеме батареи и вызывать коррозию.

Электролит может просачиваться от пластикового уплотнения, где клеммы аккумулятора проникают в пластиковый корпус.

Кислотные пары, которые испаряются через вентиляционные крышки, часто вызванные перегрузкой и недостаточной вентиляцией батареи, могут позволить вспышкам серной кислоты накапливаться и реагировать с открытыми металлами.

Смотрите также

• Автомобильная батарея
• Батарея
• Сравнение коммерческих типов батареи
• Сухой ячейка
• История батареи
• Список размеров аккумуляторов
• Список типов аккумуляторов
• Серебряная батарея
• Ультрабаттер
• Закон Пеукерта
• Литий-ионная батарея
• Vanadium extrox аккумулятор
• Батарея натрия
• Батарея натрия -сальфура

Внешние ссылки

Общий

• magnalabs.com , сульфатация батареи
• reuk.co.uk , десульфация батареи
• reuk.co.uk , свинцово-кислотные батареи
• Cbcdesign.co.uk , DC Supply (апрель 2002 г.)
• comcast.net , технические детали малого и среднего значения о свинцовых батареях

• BtteryCouncil.org (BCI), торговая организация производителей батарей ведущих аккумуляторов.
• Batteryfaq.org , FAQ автомобильного и глубокого цикла аккумулятора
• atsdr.cdc.gov , свинец (PB) Токсичность: ключевые понятия | ATSDR - Environmental Medicine и Environment Security Tevlement - CSEM -исследования в области экологической медицины (CSEM), Агентство по реестру токсичных веществ и заболеваний
• Alton-Moore.net , свинцово-кислотный батарея Desulfator (Home Power #77 июня/июль 2000 г.)]