Вопрос. Характеристики АКБ.

Электродвижущая сила.

ЭДС аккумулятора представляет собой разность электродных потенциалов, измеренную при разомкнутой внешней цепи. Электродный потенциал при ра­зомкнутой внешней цепи состоит из равновесного электродного потенциала и потенциала поляризации. Равновесный электродный потенциал характеризует состояние электрода при отсутствии переходных процессов в электрохимиче­ской системе. Потенциал поляризации определяется как разность между потен­циалом электрода при заряде и разряде и его потенциалом при разомкнутой внешней цепи. Электродная поляризация сохраняется в аккумуляторе и при отсутствии тока после отключения на­грузки от зарядного устройства. Это связано с диффузионным процессом выравнивания концентрации электро­лита в порах электродов и пространст­ве аккумуляторных ячеек. Скорость диффузии невелика, поэтому затуха­ние переходных процессов происходит в течение нескольких часов и даже су­ток в зависимости от температуры электролита. Учитывая наличие двух составляющих электродного потенци­ала при переходных режимах, разли­чают равновесную и неравновесную ЭДС аккумулятора.

Равновесная ЭДС свинцового акку­мулятора зависит от химических и фи­зических свойств активных веществ и концентрации их ионов в электролите.

На величину ЭДС влияет плотность электролита и очень незначительно темпе­ратура. Изменение ЭДС в зависимости от ;тампературы составляет менее

3·10^-4 В/град. Зависимость ЭДС от плотности электролита в диапазоне 1,05-1,30 г/см³ выглядит в виде формулы:

Е=0,84+р,

где Е - ЭДС аккумулятора, В;

р - приведенная к температуре 5°С плотность электролита, г/см'.

С повышением плотности электролита ЭДС возрастает (рис 3.1). При рабочих плотностях электролита 1,07-1,30 г/см³ ЭДС не дает точного представления о степени разряженности аккумулятора, так как ЭДС разряжен­ного аккумулятора с электролитом большей плотности будет выше.

ЭДС не зависит от количества заложенных в аккумулятор активных матери­алов и от геометрических размеров электродов. ЭДС аккумуляторной батареи увеличивается пропорционально числу последовательно включенных аккуму­ляторов m: Е_АКБ = m Е_А.

Плотность электролита в порах электродов и в моноблоке одинакова у акку­муляторов, находящихся в состоянии покоя. Этой плотности соответствует ЭДС покоя. Вследствии поляризации пластин и изменения концентрации электроли­га в порах электродов относительно концентрации электролита в моноблоке, ЭДС при разряде меньше, а при заряде больше ЭДС покоя. Основной причиной изменения ЭДС в процессе разряда или заряда является изменение плотности электролита, участвующего в электрохимических процессах.

Рис. 3.1. Изменение равновесной ЭДС и элек­тродных потенциалов свинцового аккумулято­ра в зависимости от плотности электролита:

1- ЭДС; 2 - потенциал положительного электро­да; 3 - потенциал отрицательного электрода.

Напряжение.

Напряжение аккумулятора отличается от его ЭДС на величину падения на­пряжения во внутренней цепи при прохождении разрядного или зарядного то­ка. При разряде напряжение на выводах аккумулятора меньше ЭДС, а при за­ряде больше.

Разрядное напряжение

U_p = E – I_p· r = E – E_n – I_p· r_o ,

где En - ЭДС поляризации, В;

I_р - сила разрядного тока, А;

r- полное внутреннее сопротивление, Ом;

r_o - омическое сопротивление аккумулятора, Ом. Зарядное напряжение

U_з = E + I_з · r = Е + Е_n + I_з · r_o ,

где I_з - сила зарядного тока, А.

ЭДС поляризации связана с изменением электродных потенциалов при про­хождении тока и зависит от разности концентраций электролита между элект­родами и в порах активной массы электродов. При разряде потенциалы элект­родов сближаются, а при заряде раздвигаются.

При постоянной силе разрядного то­ка в единицу времени расходуется оп­ределенное количество активных ма­териалов. Плотность электролита уменьшается по линейному закону (рис. 3.2, а). В соответствии с изменением плотности электролита уменьшается ЭДС и напряжение аккумулятора. К концу разряда сернокислый свинец за­крывает поры активного вещества электродов, препятствуя притоку электролита из сосуда и увеличивая электросопротивление электродов.

Равновесие нарушается и напряжение начинает резко падать. Аккумуляторные батареи разряжаются только до конечного напряжения Uк.p., соответствующего перегибу разрядной характеристики Up=f(τ). Разряд прекращается, хотя актив­ные материалы израсходованы не полностью. Дальнейший разряд вреден для аккумулятора и не имеет смысла, так как напряжение становится неустойчивым.

Рис. 3.2. Характеристики свинцового аккумулятора:

а - разрядная, б - зарядная .

После отключения нагрузки напряжение аккумулятора повышается до значе­ния ЭДС, соответствующего плотности электролита в порах электродов. Затем в течение некоторого времени ЭДС возрастает по мере выравнивания концентра­ции электролита в порах электродов и в объеме аккумуляторной ячейки за счет диффузии. Возможность повышения плотности электролита в порах электродов во время непродолжительного бездействия после разряда используется при пу­ске двигателя. Пуск рекомендуется осуществлять отдельными кратковременны­ми попытками с перерывами в 1-1,5 мин. Прерывистый разряд способствует так­же лучшему использованию глубинных слоев активных веществ электродов.

В режиме заряда (рис. 3.2, б) напряжение Uз на выводах аккумулятора воз­растает вследствие внутреннего падения напряжения и повышения ЭДС при увеличении плотности электролита в порах электродов. При возрастании на­пряжения до 2,3 В активные вещества восстанавливаются. Энергия заряда идет на разложение воды на водород и кислород, которые выделяются в виде пу­зырьков газа. Газовыделение при этом напоминает кипение. Его можно умень­шить за счет снижения к концу разряда величины зарядного тока.

Часть положительных ионов водорода, выделяющихся на отрицательном электроде, нейтрализуются электронами. Избыток ионов накапливается на по­верхности электрода и создает перенапряжение до 0,33 В. Напряжение в конце заряда повышается до 2,6-2,7 В и при дальнейшем заряде остается неизменным. Постоянство напряжения в течение 1-2 ч заряда и обильное газовыделение яв­ляются признаками конца заряда.

После отключения аккумулятора от зарядного устройства напряжение падает до значения ЭДС, соответствующе­го плотности электролита в порах, а затем снижается, пока выравниваются плотности электролита в порах пла­стин и в аккумуляторном сосуде.

Напряжение на выводах аккумуля­торной батареи при разряде зависит от силы разрядного тока и температуры электролита.

При увеличении силы разрядного тока Iр напряжение снижается быст­рее вследствие большей разности концентраций электролита в аккумуляторном сосуде и в порах электродов, а также большего внут­реннего падения напряжения в бата­рее. Все это приводит к необходимости более раннего прекращения разряда батареи. Во избежание образования на электродах крупных нерастворимых кристаллов сульфата свинца разряд батарей прекращают при конечном на­пряжении 1,75 В на одном аккумулято­ре.

При понижении температуры увели­чивается вязкость, удельное электросопротивление электролита и умень­шается скорость диффузии электро­лита из аккумуляторного сосуда в по­ры активных веществ электродов

Внутреннее сопротивление.

Полным внутренним сопротивлением АКБ называют сопротивление, оказываемое прохождению через АКБ постоянного разрядного или зарядного тока:

r = r₀ + E_П / I_Р = r₀ + r_П ,

где r₀ – омическое сопротивление электродов, электролита, сепараторов и вспомогательных токоведущих деталей (мосты, борны, перемычки); r_П – сопротивление поляризации, которое появляется вследствие изменений электродных потенциалов при прохождении электрического тока.

Рис. 3.3. Зависимость удельной электропро­водности электролита от плотности при тем­пературе 20°С.

Электропро­водность электролита (при постоянной температуре) в значительной степени зависит от его плотности (рис. 3.3). Поэтому при прочих равных условиях лучшими пусковыми свойствами обладают аккумуляторы с плотностью электролита 1.2 – 1.3 г/см³.