В свинцово-кислотном аккумуляторе электролит является не только электропроводной средой для переноса зарядов, но и непосредственно участвует в реакции. Поэтому количество серной кислоты в растворе должно быть достаточным для полноценного протекания реакции и в то же время не быть избыточным, чтобы не вызывать преждевременную потерю емкости аккумулятора и коррозию токоведущих деталей. Необходимый объем электролита в аккумуляторе рассчитывается при разработке его конструкции. Недостаток или избыток кислоты может быть вызван изменением как уровня раствора так и его плотности. Под корректировкой электролита подразумевается приведение в соответствие параметров уровня и плотности раствора серной кислоты в аккумуляторах.
Уровень электролита
Как мы уже разбирали, в процессе заряда свинцово-кислотного аккумулятора происходит безвозвратная потеря воды за счет ее электролитического разложения. Еще три десятилетия назад при производстве токоведущих деталей всех свинцовых аккумуляторов использовались преимущественно свинцовые сплавы с добавкой сурьмы (Pb-Sb). При всех своих достоинствах сурьма имеет и существенные недостатки, а именно - она способствует газовыделению и, соответственно, повышенному расходу воды. Также сурьма влияет на саморазряд аккумулятора, существенно ускоряя этот процесс. Это заставило производителей автомобильных стартерных батарей перейти на свинцовые сплавы с добавкой кальция. Причем вначале из таких сплавов делали только отрицательные токоотводы, что привело к появлению т.н. гибридных аккумуляторов (Pb-Sb-Ca). Но достаточно быстро перешли на свинцово-кальциевые сплавы и для положительных токоведущих деталей (Ca-Ca). Также "поумнело" и зарядное оборудование - повысилась стабильность зарядного напряжения, появилась возможность применять сложные режимы заряда с автоматическим отключением. Все это позволило существенно уменьшить расход воды при эксплуатации в классических свинцовых аккумуляторах, но полностью исключить это явление пока невозможно.
Итак, типичные причины падения уровня электролита в классических свинцово-кислотных аккумуляторах:
Необходимо понимать, что причины могут комбинироваться, усиливая друг друга и, тем самым, ускорять падение уровня электролита. Например, при повышенном зарядном напряжении могут нагреваться электроды, от которых в свою очередь нагреется электролит и, соответственно, увеличится интенсивность испарения воды из раствора.
Уровень электролита в общем случае должен быть на 20-25 мм выше верхних кромок электродов. Однако, в зависимости от конструкции и назначения аккумулятора эта величина может быть другой - в руководствах по эксплуатации обычно указывают значение этого параметра для каждой конкретной батареи. С уровнем электролита ниже минимально допустимого все понятно, а если говорить об уровне выше максимальной отметки, то это ограничение обычно является следствием возможного выплескивания электролита из пробок аккумуляторов при тряске или заряде. С точки зрения работы электродов повышенный уровень электролита не несет негативных последствий.
Если моноблок (бак) аккумулятора прозрачный, то измерение уровня производится визуально по имеющимся отметкам. Если непрозрачный, то уровень измеряется с использованием прозрачной пластмассовой или стеклянной трубки.
Плотность электролита
Плотность электролита - это показатель количества серной кислоты в растворе. Очевидно, что чем больше кислоты в электролите - тем выше его плотность. Номинальная плотность для конкретного аккумулятора, также как и объем электролита, определяется его конструкцией. Под номинальной плотностью электролита подразумевается ее величина в полностью заряженном аккумуляторе при температуре плюс 20-25 градусов. Для автомобильных стартерных батарей это обычно 1,28 кг/л, для промышленных тяговых батарей - 1,27 кг/л, а для тяжелых стационарных эта величина обычно составляет 1,24 кг/л.
Плотность электролита измеряется ареометром (денсиметром). Существует несколько разновидностей таких приборов, цена которых прямо пропорциональна точности их измерения. Поплавковые ареометры (1 и 2) дешевые, неприхотливые и надежные, но точность их измерения оставляет желать лучшего. Оптический рефрактометр (3) более точный и дорогой прибор, но менее удобен в использовании и требует бережного отношения. Электронный ареометр (4) очень точный и удобный прибор, но крайне высокая стоимость делает его практически недоступным для личного пользования.
При изначально правильной плотности электролита в новом исправном аккумуляторе, ее корректировка в процессе эксплуатации не требуется - корректируется только уровень электролита доливкой воды. В результате электрохимических реакций основа кислоты, сульфат-ион, не теряется. Испаряемость серной кислоты из водного раствора практически отсутствует. Поэтому все естественные потери обычно сводятся к пренебрежимо малому выносу мелкодисперсной фракции кислоты при газовыделении в процессе заряда. Ситуации, при которых возникает необходимость в корректировании плотности электролита:
- Изначальное несоотвествие плотности электролита. Является следствием неправильно проведенного процесса первичного заряда батарей (формирования) либо неправильно приготовленного электролита. Для новых, залитых электролитом батарей, это дефект изготовителя, но может быть и ошибкой эксплуатанта при активации сухозаряженных аккумуляторов.
- Ошибочная корректировка. Является следствием неправильной оценки состояния аккумулятора с последующей добавкой электролита.
- Длительная эксплуатация аккумулятора (более 5-7 лет, в основном это касается промышленных батарей).
- Изменение условий эксплуатации. Например, аккумулятор из неотапливаемого помещения переводится для эксплуатации в помещение с комнатной температурой, либо наоборот.
Как же определить, нужно или нет ли корректировать плотность электролита в аккумуляторе? Во-первых, важно убедиться в исправности аккумулятора (ЭДС должна соответствовать номинальному значению). Во-вторых, если это требуется, необходимо выполнить корректировку уровня улектролита, как описано выше. И, в-третьих, необходимо провести полный заряд аккумулятора, а в идеале - выравнивающий заряд. Спустя 2-3 часа после завершения заряда измеряется плотность электролита в аккумуляторе:
- Если измеренное значение плотности превышает номинальное, то в аккумулятор доливается дистиллированная вода (наиболее распространенный случай).
- Если измеренное значение плотности ниже номинального, то в аккумулятор добавляется электролит с плотностью, превышающей номинальное значение.
При доливке нет необходимости в проведении сложных расчетов количества добавляемой жидкости. Проще и надежнее выполнять доливку постепенно, малыми порциями, периодически проверяя плотность получившегося в аккумуляторе раствора.
Необходимо помнить, что проверять величину плотности электролита в аккумуляторе сразу же после доливки бессмысленно, поскольку разница в плотности не позволит получить корректный результат - раствор будет неоднородным и его нужно перемешать в аккумуляторе. Самым простым и удобным способом перемешивания является включение аккумулятора в заряд на короткое время - в процессе газовыделения электролит хорошо перемешивается и раствор становится однородным. Корректировку можно проводить непосредственно в процессе заряда и не забывать о температурной поправке: при понижении или повышении температуры электролита на 1 градус его плотность соответственно повышается или понижается на 0,007 кг/л.
Для приготовления электролита требуемой плотности необходимо разбавлять дистиллированной водой электролит, имеющий плотность выше требуемой. Например, для получения электролита, плотностью 1,23 кг/л необходимо долить дистиллированную воду в электролит, плотностью 1,28 кг/л. Разумеется, использовать для этого только кислотостойкие емкости. Выше уже было сказано, что лучше доливать малыми порциями, периодически проверяя плотность получившегося раствора. При приготовлении электролита из концентрированной серной кислоты необходимо кислоту заливать в дистиллированную воду, а не наоборот.
P.S. В предыдущей статье мы рассматривали герметичные свинцовые аккумуляторы (AGM и GEL), появившиеся как решение проблемы газовыделения и потери воды при заряде. Корректировка электролита в них не предусматривается как самой идеологией, так и конструкцией. Как правило, если герметичный аккумулятор потерял воду (высох), то скорее всего, положительные токоотводы имеют глубокую коррозию и не обладают нормальной проводимостью. Поэтому, даже если добавить воду, т.е. таким образом восстановить проводимость электролита и получить ЭДС, то электрические характеристики такого аккумулятора будут очень низкими.
Задавайте любые, интересующие Вас вопросы, касающиеся свинцово-кислотных аккумуляторов. С удовольствием разберем их в следующих статьях.