Принцип работы щелочного аккумулятора

Сравнение кислотных и щелочных тяговых аккумуляторных батарей

АККУМУЛЯТОР — химический источник тока, который после разряда обладает возможностью заряда (преобразования электрической энергии в химическую) путем пропускания через него электрического тока обратного направления. Мы рассматриваем две электрохимические системы аккумуляторов, свинцовую (кислотную) и никель-железную (щелочную):

Свинцовый аккумулятор состоит из двух блоков пластин погруженных в электролит (25-29%-ный водный раствор серной кислоты). Положительные пластины представляют собой трубчатые цилиндры из нетканых материалов, заполненных активной массой — диоксидом свинца PbO₂ (панцирный электрод) или свинцовые каркасы, заполненные активной массой, также диоксидом свинца PbO2 (намазной электрод), отрицательные — представляют собой свинцовые каркасы, заполненные активной массой, состоящей из губчатого свинца (намазной электрод). После изготовления пластины подвергаются электролитической обработке — формовке. При разряде происходит химическая реакция, в результате которой активная масса положительной и отрицательной пластин переходит в сернистое соединение свинца PbSO4 с выделением воды, что уменьшает концентрацию электролита, его проводимость и снижает э. д. с. аккумулятора. При снижении плотности электролита до 1.14-1.13 г/см 3 разряд следует прекратить во избежание сульфитации пластин — образования на них нерастворимого сернистого свинца.

При заряде через аккумулятор проходит ток, имеющий направление, противоположное току разряда. Происходит обратная химическая реакция и на электродах восстанавливается диоксид свинца и губчатый свинец. Во избежание сульфитации аккумулятор необходимо содержать в заряженном состоянии, периодически проверять уровень, плотность электролита, напряжение под нагрузкой. Токообразующий процесс в свинцовом аккумуляторе описывается реакцией: Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ — 2PbSO₄ + 2H₂O. Увеличив плотность электролита, можно повысить емкость аккумулятора, но при этом ресурс аккумулятора резко снижается. КПД кислотного аккумулятора составляет 0,75-0,8.

Никель-железный аккумулятор состоит из двух блоков, расположенных в сосуде с электролитом (водный раствор едкого калия КОН или едкого натра NaOH, с добавлением едкого лития LiOH). Пластины представляют собой стальные рамки с вставленными в них стальными перфорированными коробочками, заполненными активной массой (ламельный тип электродов). Активная масса отрицательных пластин состоит из губчатого железа, положительных пластин — из гидрата окиси никеля Ni(OH)₃. Гидрат окиси никеля при разряде переходит в гидрат закиси никеля, а губчатое железо — в гидрат закиси железа. При заряде реакция идет в обратном направлении — происходит восстановление массы электродов. Концентрация электролита в процессе разряда и заряда остается неизменной. 2NiOOH + Fe + 2H₂O — 2Ni(OH)₂ + Fe(OH)₂. КПД щелочного аккумулятора составляет 0,5-0,6.

Для более наглядного сравнения эксплуатационных характеристик свинцовых и никель-железных аккумуляторных батарей возьмем две батареи близкие по параметрам, применяемые на самом распространенном Российском электропогрузчике ЭП-103КО: 36ТНЖ-300ВМП У2 и 40V5PzS350Ah. Щелочная батарея производится на Великолукском и Курском аккумуляторных заводах, кислотная – на заводе Elhim-Iskra JSC (Болгария), под торговой маркой Елхим-Искра. Стоимость щелочной батареи 36ТНЖ-300 составляет в среднем 160 000,00 рублей, а кислотной батареи 40V5PzS350Ah в среднем 100 000,00 рублей. Цены как правило меняются в течение времени, но кислотная батарея в любом случае будет дешевле щелочной.

Стоимость любой аккумуляторной батареи находится в прямой зависимости от стоимости сырья, из которого производятся элементы ее конструкции и компоненты активной массы. Для заливки щелочной АКБ потребуется 140кг калиево-литиевого электролита, плотностью 1,19-1,21 г/см 3 . Стоимость электролита составляет, в среднем, 75,0 руб./кг. Итого в сумме 10 500,00 руб.

Для заливки кислотной АКБ потребуется 110кг сернокислотного электролита, плотностью 1,28 г/см 3 . Стоимость электролита составляет около 45,0 руб./кг. Итого в сумме 4 950,00 руб. При этом следует учитывать, что щелочной электролит подлежит полной замене не реже одного раза в год, поскольку он теряет свои электролитические свойства в процессе эксплуатации. Кислотный электролит заливается один раз и на весь срок эксплуатации батареи. Кислотные аккумуляторы имеют меньшее внутреннее сопротивление, и, следовательно, более высокий КПД, чем щелочные. Поэтому, при ее зарядке расходуется меньше электроэнергии. Что бы зарядить кислотную батарею, требуется отдать ей количество электричества, эквивалентное 130% емкости, для щелочной батареи, ввиду более высокого внутреннего сопротивления, этот показатель составляет 170%. Справедливости ради надо отметить, что с другой стороны высокое внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов делает их более устойчивыми к коротким замыканиям.

Читать еще: Турецкие аккумуляторы inci aku отзывы

При сравнении щелочной и кислотной батареи одинаковой емкости (350А*ч) экономия электроэнергии составляет

54% на одну батарею за смену. Вывод, чем интенсивнее используется техника с кислотными АКБ, тем более ощутимой будет экономия. Для заряда щелочных батарей необходимо использовать устройства с зарядной характеристикой IU, т. е., со стабилизированной токовой характеристикой. Такой профиль заряда требует применения сложных электронных схем и более мощного трансформатора. Как следствие, такие агрегаты стоят в несколько раз дороже, чем устройства с зарядной характеристикой Wa, применяемой для тяговых кислотных батарей с жидким электролитом. Конкретная цена на зарядные устройства ЕлПулскКар для различных типов батарей зависит от мощности силы тока заряда, но, в любом случае зарядные устройства ЕлПулсКар для кислотных батарей стоят дешевле.

Щелочной аккумулятор имеет ряд положительных по сравнению с кислотным аккумулятором отличий:

он отличается высокой выносливостью;
он сохраняет работоспособность в течение длительного срока;
он не восприимчив к физическому воздействию;
он сохраняет работоспособность даже при очень длительных простоях при отрицательных температурах;
он хорошо держит неожиданные нагрузки;
он хорошо переносит короткие замыкания;
он может очень большой промежуток времени храниться абсолютно разряженным, что категорически недопустимо в случае с кислотными батареями.

ВЫВОД: в качестве тяговых аккумуляторов, в подавляющем большинстве случаев, свинцовые батареи имеют неоспоримые преимущества перед щелочными.

Особенности эксплуатации щелочных аккумуляторных батарей

Характеристики щелочных аккумуляторов

Типы аккумуляторов	Номинальная емкость, А-ч	Номинальное напряжение, В
НК-28	28	1,25
НЖ-22	22	1,25
НК-55	55	1,25
НЖ-45	45	1,25
НК-80	80	1,25
НЖ-60	60	1,25

В условном обозначении типа аккумулятора буквы означают электрохимическую систему аккумулятора:

«НК» — никель-кадмиевая;
«НЖ» — никель-железная;
Цифры после букв — номинальную емкость аккумулятора в ампер-часах.

Характеристики щелочных аккумуляторных батарей

Типы батарей	Количество аккумуляторов в батарее	Номинальная емкость, А-ч	Номинальное напряжение, В
10НК-28КТ	10	28	12,50
10НЖ-22КТ	10	22	12,50
17НК-28К	17	28	21,25
17НЖ-22К	17	22	21,25
4НК-55КТ, 4НК-55К	4	55	5,00
4НЖ-45КТ, 4НЖ-45К	4	45	5,00
5НК-55К	5	55	6,25
5НЖ-45К	5	45	6,25
10НК-55К	10	55	12,50
10НЖ-45К	10	45	12,50
4НК-80КТ	4	80	5,00
4НЖ-60КТ	4	60	5,00
5НК-80КТ	5	80	6,25
5НЖ-60КТ	5	60	6,25
10НК-80К	10	80	12,50
10НЖ-60К	10	60	12,50

Введение в эксплуатацию аккумуляторов и батарей, не бывших в эксплуатации или хранившихся в разряженном состоянии без электролита:

Перед пуском в эксплуатацию аккумуляторы, как единично работающие, так и комплектуемые в батареи, подвергнуть растренировке с целью получения номинальной емкости;
С поверхности аккумуляторов и батарей удалите чистой ветошью пыль и соль, проверьте правильность последовательного соединения аккумуляторов в батарее и плотно затяните гайки межэлементных соединений. Следы ржавчины на деталях, не покрытых лаком, снимите ветошью, смоченной в керосине;
Аккумуляторы залейте электролитом, дайте постоять не менее 2 ч (для пропитки пластин) и проверьте вольтметром напряжение на каждом из них. В случае отсутствия напряжения на аккумуляторе оставьте его еще на 10 ч, после чего вновь проверьте напряжение. В случае отсутствия его — аккумулятор замените;
После 2-часовой пропитки проверьте уровень электролита над пластинами аккумуляторов, который должен быть не менее 5 и не более 12 мм над краем пластин.

Строгое соблюдение уровня электролита (не более 12 мм) требуется для предупреждения выплескивания электролита из аккумулятора во время заряда.

Примечание. Для уменьшения уровня электролита в аккумуляторе пользуйтесь резиновой грушей.

После установления уровня электролита аккумуляторам сообщите три тренировочных цикла токами согласно таблице.

Типы аккумуляторов	Заряд		Разряд
Типы аккумуляторов	Время, ч	Ток, А	Ток, А	Конечное напряжение, В
НЖ-22	6	5,5	2,8	1,0
НК-28		7,0	2,8
НЖ-45		11,2	5,5
НК-55		14,0	5,5
НЖ-60		15,0	8,0
НК-80		20,0	8,0

Напряжение в конце разряда должно быть не менее одного вольта на худшем аккумуляторе. Если отданная емкость будет не ниже номинальной, аккумуляторы могут быть пущены в эксплуатацию.

Примечание. Рекомендуется для улучшения качества аккумуляторов перед пуском в эксплуатацию сменить электролит на свежий.

Читать еще: Нет зарядки аккумулятора ваз 2114 инжектор причины

Иногда аккумуляторы после длительного бездействия имеют временное снижение емкости. В этих случаях после контрольного цикла дайте заряд нормальным режимом, а разряд производите в течение восьми часов при постоянной силе тока, не обращая внимания на напряжение аккумуляторов.

В конце разряда нормальную силу тока поддерживайте с помощью внешнего источника тока. Для этого аккумуляторы подключите к зарядному агрегату так, чтобы положительный полюс аккумулятора был соединен с минусом зарядного устройства, а отрицательный – с плюсом. После такого глубокого разряда дайте заряд током нормального режима в течение 16 ч и аккумуляторы направьте в эксплуатацию. Последующие заряды производите в течение 6 ч нормальным током в каждой батарее.

Введение в эксплуатацию аккумуляторов и батарей, хранившихся залитыми электролитом

Аккумуляторы, хранившиеся с электролитом не больше одного года, вводите в эксплуатацию без смены электролита (при условии его соответствия требованиям настоящей инструкции).

При более длительном хранении электролит смените. Введение в эксплуатацию производите как аккумуляторы, не бывшие в эксплуатации.

Заряд щелочных аккумуляторов и батарей

Заряд производите от любого источника постоянного тока. Автоматический заряд без постоянного контроля параметров обеспечивают автоматические зарядные устройства серии УЗПС.
Для включения на заряд однотипные аккумуляторы или батареи соедините последовательно. Количество соединенных аккумуляторов определяется напряжением источника тока и напряжением аккумулятора в конце заряда. У исправного и правильно включенного аккумулятора напряжение при нормальном зарядном токе должно быть:

в начале заряда 1,40 В. 1.45 В;
в конце заряда 1,75 В — 1,85 В.

При эксплуатации аккумуляторов и батарей применяйте следующие режимы заряда:

Нормальный – 6ч нормальным током;
Усиленный – 12 ч нормальным током, он сообщается:

при вводе в действие;
через каждые 10 циклов, а при нерегулярной работе один раз в месяц;
после смены электролита;
после глубоких разрядов ниже допустимых конечных напряжений, а также после разрядов слабыми токами, чередующимися с перерывами в течение 16 и более часов.

Никель – кадмиевые и никель-железные аккумуляторы можно заряжать более слабым током, соответственно увеличивая время заряда, однако снижать ток более чем на половину не рекомендуется.

ВНИМАНИЕ! Заряды слабыми токами ухудшают работу щелочных аккумуляторов, а поэтому применяйте их в случае крайней необходимости.
Не допускайте повышение температуры электролита при заряде выше 45° С для составных электролитов, и выше 35° С для электролитов без добавки лития едкого. В случае повышения температуры выше указанной прервите заряд и дайте аккумуляторам остыть.
Заряд аккумуляторов зимой на открытом воздухе при температуре ниже минус 10° С (до минус 30° С) производите нормальной силой тока в течение 7 ч. В случае необходимости заряжать аккумуляторы ниже минус 30° С их утеплите, закрыв войлоком, брезентом или другим материалом.

Примечание. Никель – железные аккумуляторы заряжать при температуре ниже минус 10° С не рекомендуется.

Во время заряда не допускайте выплёскивания электролита. Перед зарядом через каждые 10 циклов проверьте и доведите уровень электролита до норм.Проверьте отсутствие замыкания между стенками соседних аккумуляторов в результате возможного раздутия корпусов. При наличии замыкания напряжение батарей будет значительно ниже номинального.Для обнаружения замкнутых аккумуляторов производите замер зазоров между ними и замер их напряжений. У соприкасающихся аккумуляторов немедленно отверните пробки. Если после устранения замыкания зазор между аккумуляторами меньше 3 мм, изолируйте их листом тонкого эбонита, винипласта или резины.После устранения замыкания аккумуляторов сообщите им усиленный заряд.

Зарядные устройства для тяговых аккумуляторов

Щелочной аккумулятор

Щелочной элемент питания — марганцево-цинковый гальванический элемент питания, в котором в качестве катода используется диоксид марганца, анода — порошкообразный цинк, а в качестве электролита — раствор щёлочи, обычно гидроксида калия.

Содержание

История изобретения

Впервые использовать щелочной электролит в химических источниках тока предложили независимо друг от друга Вальдемар Джангнер ( англ. ) в 1899 году и Томас Эдисон в 1901 году [1] [2] . Они использовали щелочной электролит в никель-кадмиевых аккумуляторах.

В марганцево-цинковых элементах питания щелочной электролит впервые применил канадский инженер Льюис Урри (англ.) русск. в середине 1950-х годов, работавший в Union Carbide ( англ. ) , выпускавшей элементы питания под маркой «Eveready». Льюис Урри использовал наработки Томаса Эдисона [3] . В 1960 году Урри вместе с Карлом Кордешем и Полом Маршалом получил патент на конструкцию щелочного элемента [4] .

Читать еще: Плохая масса на аккумуляторе

Характеристики

Типичные характеристики щелочного элемента питания [5] [6] :

ЭДС элемента: 1,5 В;
Удельная энергия: 65—90 Вт∙ч/кг;
Удельная мощность: 100—150 кВт/м³;
Рабочая температура: -30. +55 °С.

Химические процессы

На аноде проходят реакции окисления цинка. Вначале образуется гидроксид цинка:

Zn + 2OH − → Zn(OH)₂ + 2e −

Который затем разлагается на оксид цинка и воду.

На катоде, в свою очередь, происходят реакции восстановления оксида марганца (IV) в оксид марганца (III):

В целом, химические процессы внутри элемента при использовании KOH в качестве электролита можно описать следующим уравнением:

Zn + 2KOH + 2MnO₂ + 2e − → 2e − + ZnO + 2KOH + Mn₂O₃

В отличие от солевого элемента, в щелочном электролит в процессе разрядки батареи практически не расходуется, а значит, достаточно малого его количества. Поэтому в щелочном элементе в среднем в 1,5 раза больше диоксида марганца.

Конструкция

По конструкции щелочной элемент похож на солевой, но основные части в нём расположены в обратном порядке. Анодная паста (3) в виде цинкового порошка, пропитанного загущённым щелочным электролитом, располагается во внутренней части элемента и имеет отрицательный потенциал, который снимается латунным стержнем (2). От активной массы, диоксида марганца, смешанного с графитом или сажей (5), анодная паста отделена сепаратором (4), также пропитанным электролитом. Положительный вывод, в отличие от солевого элемента, выполнен в виде стального никелированного стакана (1), а отрицательный — в виде стальной тарелки (9). Оболочка (6) изолирована от стакана и предотвращает короткое замыкание, которое может возникнуть при установке нескольких элементов в батарейный отсек. Прокладка (8) воспринимает давление газов, образующихся при работе. Выделение газов в щелочном элементе значительно меньше, чем в солевом, поэтому объём камеры для их сбора тоже меньше. Для предотвращения взрыва батареи при неправильном использовании (например, коротком замыкании), в ней имеется предохранительная мембрана (7). При превышении давления газов происходит разрыв мембраны и разгерметизация элемента — результатом обычно становится течь электролита.

Для увеличения срока хранения в ранних конструкциях элементов производилось амальгамирование цинкового порошка, однако такой способ продления срока хранения элементов делает элементы опасными для использования в быту. Поэтому в современные элементы вводят специальные органические ингибиторы коррозии.

Производство

Хранение и эксплуатация

Срок хранения щелочного элемента больше, чем у солевого, за счёт герметичной конструкции, также он не столь требователен к условиям хранения.

В отличие от солевых элементов щелочные могут работать при большем разрядном токе. Кроме того, отсутствует эффект «усталости» элемента, когда после работы на большой нагрузке происходит значительное падение напряжения на выводах элемента, и для восстановления его работоспособности требуется определённое время «отдыха». Однако при коротком замыкании или установке в неверной полярности также возможна течь электролита.

Области применения

Щелочной элемент имеет то же рабочее напряжение, что и обычный марганцево-цинковый при большей ёмкости, разрядном токе, сроке хранения и рабочем диапазоне температур. Щелочные элементы выпускаются в тех же типоразмерах, что и солевые, и потому могут применяться в тех же приборах, например, в фонарях, электронных игрушках, переносных магнитофонах и т.д. Однако за счёт лучших разрядных характеристик возможно применение их как в устройствах, потребляющих значительный ток (фотовспышки, радиоуправляемые модели), так и в устройствах, потребляющих относительно небольшой ток в течение длительного времени (электронные часы).

Сравнение солевых и щелочных элементов

Благодаря такой конструкции, у щелочного элемента есть следующие особенности:

Отсутствие расхода электролита, а значит меньшее его количество, необходимое для работы
Анодом является порошкообразный цинк, а не цинковый стакан, поэтому реакция идёт на значительно большей поверхности.
Меньше газовыделение, благодаря чему элемент можно делать полностью герметичным.

Отсюда можно выделить следующие преимущества и недостатки:

Оценка статьи:

Загрузка...