Речь в статье пойдет про свинцово-кислотные аккумуляторные батареи как наиболее часто используемые в качестве стартерных батарей на мото- и автотехнике.
История
Явление возникновения разности потенциалов на металлических электродах, опущенных в раствор, было открыто более 200 лет назад и, как это часто бывает, совершенно случайно. Многие физические и химические процессы не прогнозируются на бумаге, открываются спонтанно, их зачастую считают незначительными и даже вредными. И вдруг они находят колоссальное практическое применение, и пора уже ученым скрести себе затылок, чтобы придумать вменяемое теоретическое обоснование уже внедренному в жизнь открытию.
В 1801 году французский ученый Николя Готеро проводил опыты по изучению веществ, которые образуются в растворе при пропускании через него электрического тока. Им было замечен и описан факт, что на электродах еще некоторое время остается разность потенциалов, когда как ток через раствор уже не пропускают. То есть система «электроды+раствор» как бы накапливает заряд при пропускании через нее электрического тока, а потом готова этот заряд отдать, и эти циклы могут совершаться многократно.
Открытие не осталось незамеченным, и многие ученые начали проводить эксперименты, меняя материалы электродов, состав растворов, расположение электродов в растворе. Первого практического успеха добился французский физик Гастон Планте в 1859 году, представив публике первый перезаряжаемый свинцово-кислотный аккумулятор. Изобретение представляло собой две свинцовые полосы с проложенной между ними льняной тканью в качестве сепаратора-диэлектрика. Свинцовые полосы накручивались спирально на деревянный сердечник, вся конструкция помещалась в банку с раствором серной кислоты. В следующем году Гастон Планте представил несколько соединенных последовательно банок, что позволило накапливать кратно больший заряд. Таким образом возник принцип формирования «аккумуляторной батареи», используемый по настоящее время. Слово «батарея» заимствовано у артиллеристов, означает соединение нескольких устройств для более эффективного их действия вместе. Аккумуляторная батарея Планте нашла и первое практическое применение - использовалась для питания освещения железнодорожных вагонов, когда поезд стоял на стации.
Устройство продолжало совершенствоваться, и в 1881 году опять же французский инженер-химик Камиль Альфонс Фор предложил изготавливать один из электродов в виде решетки из свинцовой сетки, в которую помещалась паста из оксида свинца, серной кислоты и воды, паста затем высушивалась. Конструкция представляла собой пластину и была более проста в массовом производстве, а главное – значительно увеличивала емкость аккумулятора.
Собственно, так сформировались основные принципы устройства свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, применяемые и по сей день. Это батарея из последовательно соединенных банок, в каждой банке два электрода: положительный – это пластина с оксидом свинца, отрицательный – пластина из губчатого свинца, пластины разделены диэлектрическим сепаратором, собраны в блоки и помещены в водный раствор серной кислоты. Все последующие открытия были направлены на увеличение емкости, срока службы, способности быстро отдавать и принимать заряд, возможности работать в различных условиях, уменьшение габаритов и массы, но основной принцип устройства не меняется.
Как работает свинцово-кислотный аккумулятор?
Принцип работы – это электрохимические реакции диоксида свинца на одном электроде и чистого свинца на другом электроде в водном растворе серной кислоты. При разряде аккумулятора электрод с пластиной, содержащей оксид свинца, становится катодом, то есть «положительно заряженным», электрод из чистого свинца – анодом, то есть приобретает знак «минус». При процессе заряда аккумулятора электроды меняют полярность на противоположную. Активные вещества, израсходованные в течении разряда, восстанавливаются при заряде аккумулятора.
В настоящее время общепринятой считается теория «двойной сульфатации». «Двойной», поскольку сульфат свинца образуется как на положительном электроде, так и на отрицательном. Данная теория в настоящее время наиболее близка к результатам экспериментов. Согласно ей, обратимая электрохимическая реакция в свинцовом аккумуляторе описывается уравнением:
При подключении к аккумулятору внешней нагрузки реакция идет слева направо: из оксида свинца, чистого свинца и серной кислоты образуется сульфат свинца и вода. Аккумулятор при этом отдает энергию во внешнюю цепь. Во время заряда аккумулятора реакция течет в обратном направлении, справа налево: из сульфата свинца и воды образуется оксид свинца, свинец и серная кислота. При этом идет процесс превращения электрической энергии в химическую энергию активных веществ.
При разряде аккумулятора расходуется серная кислота и образуется относительно более легкая вода. Поэтому плотность электролита падает. При заряде имеет место обратное явление.
Противоречия теории «двойной сульфатации»
Теория «двойной сульфатации» кажется красивой и полностью характеризующей процессы, протекающие в аккумуляторе, однако это не совсем так. У исследователей нет единого мнения относительно того, являются ли вещества из уравнения теории «двойной сульфатации» первично образующимися или это продукты вторичных реакций. Не полностью понятны процессы, идущие на положительном электроде, даже не совсем ясно, какие там образуются вещества при разряде аккумулятора. При этом на положительном электроде в реакции вступают как положительно заряженные, так и отрицательно заряженные ионы, что не согласуется с теорией протекания электрического тока в электролитах. Оксид свинца, прекрасно вписывающийся в химическое уравнение, на практике невозможно получить полностью соответствующим формуле РО2. Не до конца изучен механизм «саморазряда» аккумулятора и другие вопросы. Некоторые исследователи полагают, что в недрах аккумулятора протекает несколько десятков химических реакций, часть из реакций течет даже без участия серной кислоты.
Поэтому вопросы «теории аккумулятора», несмотря на более чем двухсотлетнее изучение, в настоящее время не считаются полностью разрешенными и закрытыми. И это как раз тот случай, когда явление массово используется человеком в различных сферах, но стройного научного объяснения, увы, пока не имеет.
Почему наибольшее распространение получили свинцово-кислотные аккумуляторы?
Действительно, в мире из всех производимых аккумуляторов примерно половина - свинцово-кислотные. Основные причины такого выбора:
1. Значительная емкость и способность быстро отдавать большой импульсный ток при относительно небольших размерах и весе;
2. Относительно низкий саморазряд по сравнению с другими типами аккумуляторов;
3. Сравнительно невысокая стоимость производства. А значит и стоимость для потребителя;
4. Привлекательный ресурс – около 300-500 глубоких циклов. Но именно ресурс свинцово-кислотных аккумуляторов и является основным поводом для их критики, совершенствования и стимулом для поиска новых типов аккумуляторов.
Приветствуются комментарии, лайки и репосты!
