Кислотные аккумуляторы: применение, уход, плюсы и минусы
Свинцовые (кислотные) аккумуляторы — наиболее распространенный тип аккумуляторов, который используется уже более 150 лет. Несмотря на существование более современных литий-ионных и никель-металл-гидридных аккумуляторов, свинцовые аккумуляторы по-прежнему пользуются спросом благодаря своей высокой мощности, надёжности и доступности.
Содержание
История
Краткая история свинцовых (кислотных) аккумуляторов:
• Изобретение свинцового аккумулятора связано с именем французского физика Гастона Планте. В 1859 году он создал первый практически работоспособный свинцовый аккумулятор.
• Планте предложил использовать в аккумуляторе пластины из свинца и оксида свинца в кислотном электролите. Это позволило значительно увеличить емкость аккумулятора.
• Вскоре после изобретения Планте свинцовые аккумуляторы начали применяться в телеграфной связи и первых электрических подводных лодках.
• В начале XX века свинцовые аккумуляторы стали широко использоваться в электротранспорте — трамваях и электромобилях.
• До сих пор свинцовые аккумуляторы остаются наиболее распространенным типом аккумуляторов для автомобилей благодаря надежности, мощности и низкой стоимости.
• Однако в последнее время на рынке появляются перспективные альтернативы свинцовым аккумуляторам: литий-ионные, никель-металл-гидридные и другие. Это может привести к снижению доли свинцовых аккумуляторов в ближайшие десятилетия.
Таким образом, несмотря на то что история свинцовых аккумуляторов насчитывает почти 160 лет, они по-прежнему являются одним из основных типов аккумуляторов. Однако, возможно, впереди у них больше эволюция, чем революция.
Основные принципы работы кислотных аккумуляторов
Химическая реакция
В свинцовом аккумуляторе используются две реакции:
При разрядке:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
Свинец и оксид свинца в кислотном электролите реагируют, образуя сульфат свинца и воду.
При зарядке:
2PbSO4 + 2H2O → Pb + PbO2 + 2H2SO4
Происходит обратная реакция с образованием свинца и оксида свинца.
Электроды и электролит
В свинцовом аккумуляторе:
• Электродами являются:
- Отрицательный электрод из свинца.
- Положительный электрод из оксида свинца.
• Между электродами находится электролит — серная кислота.
При разрядке электроны перетекают из свинца в оксид свинца, а при зарядке — в обратном направлении.
Напряжение
Номинальное напряжение свинцового аккумулятора составляет около 2 вольт на один элемент. Это определяется потенциалом электрохимических реакций.
При подключении нескольких элементов получается более высокое напряжение. Так, автомобильный аккумулятор — это сборка из 6 или 12 элементов с напряжением 12 или 24 вольта.
Структура кислотных аккумуляторов
Структура свинцового аккумулятора включает следующие основные компоненты:
Электроды
Это отрицательный электрод из свинца и положительный электрод из оксида свинца. Электроды имеют форму пластинок или решеток и помещены внутрь аккумулятора.
Электролит
В качестве электролита используется концентрированный раствор серной кислоты. Электролит заполняет пространство между электродами и обеспечивает ионную проводимость.
Корпус
Корпус аккумулятора изготавливается из пластика или абаки и предназначен для размещения и фиксации электродов и электролита.
Сепараторы
Между электродами устанавливаются сепараторы, изготовленные из полипропиленовой сетки. Они предотвращают короткое замыкание электродов, но пропускают ионы электролита.
Крышка
На корпус устанавливается герметичная крышка, которая обеспечивает защиту внутренних компонентов от внешних воздействий.
Выводы
К крышке крепятся выводы — положительный и отрицательный. По ним осуществляется подключение к электрической цепи.
Таким образом, каждая деталь в структуре свинцового аккумулятора имеет важное значение для его работоспособности.
Применение кислотных аккумуляторов
Свинцовые аккумуляторы находят широкое применение:
- Автомобильные аккумуляторы. Основное применение свинцовых аккумуляторов — в качестве источников энергии для запуска двигателей и питания электрических цепей автомобилей. Их надежность, высокая мощность и низкая стоимость делают незаменимыми для автоиндустрии.
- Промышленные аккумуляторы. Свинцовые аккумуляторы используются для резервного и аварийного питания промышленного оборудования, генерации энергии, бесперебойного питания USB. Обычно промышленные аккумуляторы имеют большие размеры и емкость.
- Резервные источники питания. Свинцовые аккумуляторы — основа резервных источников питания в системах энергоснабжения, UPS, системах аварийного освещения. Благодаря низкой стоимости и длительному сроку службы они остаются популярным выбором.
- Электроинструмент. Свинцовые аккумуляторы используются в электроинструменте — дрели, отвертки, шуруповерты работают от них. Аккумуляторы обеспечивают высокую мощность и ударность для данного типа инструментов.
Таким образом, широкий спектр применения свинцовых аккумуляторов объясняется их надежностью, долгим сроком службы и низкой ценой. Однако в некоторых областях их начинают вытеснять более перспективные альтернативы.
Преимущества и недостатки кислотных аккумуляторов
Преимущества свинцовых (кислотных) аккумуляторов
• Долгий срок службы — обычно 3-5 лет для автомобильных аккумуляторов, до 10 лет для промышленных.
• Высокая мощность — способны обеспечить большой пиковый ток для запуска двигателя.
• Высокая энергоёмкость по отношению к цене.
• Надёжность при условии правильной эксплуатации и технического обслуживания.
• Относительная простота в эксплуатации.
Недостатки свинцовых аккумуляторов
• Низкая энергоплотность (отношение энергоёмкости к массе).
• Низкое быстродействие из-за большого внутреннего сопротивления.
• Эксплуатация требует соблюдения мер предосторожности и защиты из-за токсичности свинца и серной кислоты.
• Короткий срок хранения при разряде.
• Загрязнение окружающей среды при изготовлении и утилизации.
• Низкая температурная характеристика.
Таким образом, свинцовые аккумуляторы объединяют в себе, с одной стороны, доступность и надёжность, а с другой — токсичность, невысокую производительность и экологичность.
Альтернативные технологии
Возможные альтернативы свинцовым (кислотным) аккумуляторам:
Литий-ионные аккумуляторы:
• Высокая энергоемкость и энергоплотность.
• Быстрая зарядка и разрядка.
• Отсутствие памяти эффекта.
• Длительный срок службы.
Недостатки: высокая стоимость, повышенная пожароопасность.
Никель-металл-гидридные аккумуляторы:
• Высокая мощность.
• Длительный срок службы и хранения.
• Безопасность в эксплуатации.
Недостатки: меньшая энергоемкость по сравнению с литий-ионными.
Гелий-кислородные аккумуляторы:
• Экстремально высокая энергоплотность.
• Отсутствие эффекта саморазряда.
• Безопасные и нетоксичные материалы.
Недостатки: пока только на стадии разработки, чрезвычайно дорогие.
Таким образом, литий-ионные и никель-металл-гидридные аккумуляторы уже становятся реальной альтернативой свинцовым аккумуляторам благодаря лучшим характеристикам. Гелий-кислородные аккумуляторы могли бы революционизировать область, но пока остаются в области научных исследований.
Уход и обслуживание кислотных аккумуляторов
Вот несколько рекомендаций по уходу и обслуживанию свинцовых аккумуляторов:
Правильное использование и зарядка
• Стараться использовать весь заряд аккумулятора, чтобы избежать саморазряда.
• Использовать зарядное устройство с адаптивным режимом зарядки.
• Периодически проводить повторный заряд для восстановления аккумуляторных ячеек.
Проверка и замена электролита
• Регулярно проверять уровень и плотность электролита, доливать дистиллированную воду если необходимо.
• Раз в 1-2 года заменять электролит, если он потемнел или стал густым.
Очистка и обслуживание корпуса аккумулятора
• Регулярно чистить и смазывать клеммы и выводы аккумулятора.
• Периодически очищать корпус аккумулятора от накипи и грязи.
• Проверять плотность уплотнений корпуса, заменять при необходимости.
Также важно помнить, что свинцовый аккумулятор и электролит — вещества токсичные. Работать с аккумулятором нужно в резиновых перчатках, защитные очки и маска для лица — желательны.
Правильный уход продлит срок службы свинцового аккумулятора. Регулярно проверяйте его состояние и своевременно проводите необходимое техобслуживание.
Заключение
Таким образом, хотя свинцовые (кислотные) аккумуляторы и имеют существенные недостатки — низкую энергоплотность, токсичность и опасность для окружающей среды — они по-прежнему занимают лидирующие позиции во многих сферах благодаря своей низкой стоимости и высокой мощности. Однако в долгосрочной перспективе литий-ионные и никель-металл-гидридные аккумуляторы, вероятнее всего, продолжат вытеснять традиционные свинцовые аккумуляторы из-за своих преимуществ.