Вопрос. Принцип действия, устройство и конструктивные схемы АКБ.

Химическим источником тока называется устройство, в котором за счет протекания пространственно разделенных окиспитльно-восстановительных химических реакций их свободная энергия преобразуется в электрическую.

По xарактеру работы эти источники делятся на две группы:

• первичные химические источники тока или гальванические элементы;

Первичные источники допускают только однократное использование, так как вещества, образующиеся при их разряде не могут быть превращены в исходные активные материалы. Полностью разряженный гальванический элемент, как правило, к дальнейшей работе непригоден − он является необратимым источником энергии.

Вторичные химические источники тока являются обратимыми источни­ками энергии — после как угодно глубокого разряда их работоспособность можно полностью восстановить путем заряда. Для этого через вторичный источник достаточно пропустить, электрический ток в направлении, обратном тому, в котором он протекал при разряде. В процессе заряда образовавшиеся при разряде вещества, превращаются в первоначальные активные материалы. Так происходит многократное превращение свободной энергии химического источника тока в электрическую энергию (разряд аккумулятора) и обратное превращение электрической энергии в свободную энергию химического источника тока (заряд аккумулятора).

Прохождение тока через электрохимические системы связано с происходящими при этом химическими реакциями (превращениями). Поэтому между количеством вещества, вступившего в электрохимическую реакцию и подвергшегося превращениям, и количеством затраченного или высвободившегося при этом электричества существует зависимость, которая была установлена Майклом Фарадеем.

Согласно первому закону Фарадея масса вещества, вступившего в электродную реакцию или получившегося в результате ее протекания (Δm), пропорциональна количеству электричества (q), прошедшего через систему:

Δm = k_э q = k_э I t ,

где I- сила тока, проходящего через электрохимическую систему;

t- время, в течении которого проходит ток;

k_э- коэффициент пропорциональности, который называется электрохимическим эквивалентом и характеризует количество вещества, прореагировавшего при прохождении через систему единицы электрического заряда.

Согласно второму закону Фарадея, при равном количестве прошедшего через систему электричества массы прореагировавших веществ относятся между собой как их химические эквиваленты А (А = m_А / Z, где m_А- атомный вес вещества, Z- заряд иона):

Δm₁ / А₁ = Δm₂ / А₂ = const.

На практике этот закон не соблюдается, так как параллельно основным электрохимическим реакциям идут побочные. Это учитывает параметр Bm- выход по току:

Bm = (q_i / Σq) 100%.

где q_i- количество электричества, расходуемого на основную реакцию;

Σq- общее количество прошедшего через систему электричества.

Свинцовые аккумуляторы являются вторичными химическими источниками тока, которые могут использоваться многократно. Активные материалы, израсходованные в процессе разряда, восстанавливаются при последующем заряде.

Химический источник тока представляет собой совокупность реагентов (окислителя и восстановителя) и электролита. Восстановитель (отрицательный электрод) электрохимической системы в процессе токообразующей реакции от­дает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восста­навливается. Электролитом, как правило, является жидкое химическое соеди­нение, обладающее хорошей ионной и малой электронной проводимостью.

В свинцовом аккумуляторе в токообразующих процессах участвуют двуокись свинца (диоксид свинца) РЬО₂ (окислитель) положительного электрода, губчатый свинец РЬ (восстановитель) отрицательного электрода и электролит (водный раствор серной кислоты H₂SО₄). Активные вещества электродов представляют собой относительно жесткую пористую электронопроводящую массу с диаметром пор 1,5 мкм у PbO₂ и 5-10 мкм у губчатого свинца. Объемная пористость активных веществ в заряженном состоянии - около 50%.

Часть серной кислоты в электролите диссоциирована на положительные ионы водорода Н⁺ и отрицательные ионы кислотного остатка SO₄^2-. Губчатый свинец при разряде аккумулятора выделяет в электролит положительные ионы .(двухвалентного свинца РЬ²⁺. Избыточные электроны отрицательного электрода по внешнему участку замкнутой электрической цепи перемещаются к положитепьному электроду, где восстанавливают четырехвалентные ионы свинца РЬ⁴⁺ до двухвалентного свинца РЬ²⁺. Положительные ионы свинца РЬ²⁺ соединяются с отрицательными ионами кислотного остатка SO₄^2-, образуя на обоих электродах сернокислый свинец PbSО₄ (сульфат свинца).

При подключении аккумулятора к зарядному устройству электроны движутся к отрицательному электроду, нейтрализуя двухвалентные ионы свинца РЬ²⁺. На электроде выделяется губчатый свинец РЬ. Отдавая под влиянием напряжения внешнего источника тока по два электрона, двухвалентные ионы свинца РЬ²⁺ у положительного электрода окисляются в четырехвалентные ионы РЬ⁴⁺. Через промежуточные реакции ионы РЬ⁴⁺. соединяются с двумя ионами кислорода и образуют двуокись свинца PbO₂,

Химические реакции в свинцовом аккумуляторе описываются уравнением:

разряд

РЬО₂ + 2H₂SО₄ + РЬ2PbSО₄ + 2Н₂О.

заряд

R_Н

●

I ●

+ ─

Pb → Pb²⁺

Pb⁴⁺→ Pb²⁺

↑

Pb O₂ H₂ SO₄ + H₂ O

↓ ↓ ↓

H⁺ ← 2O^2– 2H⁺ SO₄^2-

↓

H₂ O

Pb SO₄

Рис. 2.1. Процесс разряда аккумулятора.

Содержание в электролите серной кислоты и плотность электролита уменьшаются при разряде и увеличиваются при заряде. По плотности электролита судят о степени разряженности свинцового аккумулятора:

100 (p_З - p₂₅)

ΔС_р = ,

p_З - p_р

где ΔСр - степень разряженности аккумулятора, %;

Рз ^и Рр ~ плотность электролита соответственно полностью заряженного и полностью разряженного аккумулятора при температуре 25°С, г/см²;

p₂₅- измеренная плотность электролита, приведенная к температуре 25°С, г/см³.

Расход кислоты у положительных электродов больше, чем у отрицательных. Если учитывать количество воды, образующейся у положительных электродов, то количество кислоты, необходимое для них в течение разряда, в 1,6 раза больше, чем для отрицательных. При разряде происходит незначительное увеличение объема электролита, а при заряде - уменьшение (около 1 см³ на 1 А·ч). На 1 А·ч электрической емкости расходуется: при разряде - свинца 3,86 г, диоксида свинца 4,44 г, серной кислоты 3,67 г, а при заряде - воды 0,672 г, сульфата свинца 11,6 г.