Ako zatvorite vanjski krug napunjene baterije, pojavit će se električna struja. U ovom slučaju dolazi do sljedećih reakcija:

na negativnoj ploči

na pozitivnoj ploči

gdje e - naelektrisanje elektrona je

Na svaka dva potrošena molekula kiseline formiraju se četiri molekula vode, ali se u isto vrijeme troše dva molekula vode. Stoga se na kraju formiraju samo dva molekula vode. Zbrajanjem jednadžbi (27.1) i (27.2) dobijamo konačnu reakciju pražnjenja:

Jednačine (27.1) - (27.3) treba čitati s lijeva na desno.

Kada se baterija isprazni, olovni sulfat se formira na pločama oba polariteta. Sumpornu kiselinu troše i pozitivne i negativne ploče, dok pozitivne ploče troše više kiseline od negativnih. Na pozitivnim pločama formiraju se dva molekula vode. Koncentracija elektrolita opada kada se baterija isprazni, dok se u većoj mjeri smanjuje na pozitivnim pločama.

Ako promijenite smjer struje kroz bateriju, tada će se smjer kemijske reakcije obrnuti. Proces punjenja baterije će započeti. Reakcije naelektrisanja na negativnoj i pozitivnoj ploči mogu se predstaviti jednadžbama (27.1) i (27.2), a ukupna reakcija se može prikazati jednadžbom (27.3). Ove jednačine sada treba čitati s desna na lijevo. Prilikom punjenja, olovni sulfat na pozitivnoj ploči se redukuje u olovni peroksid, na negativnoj ploči - u metalno olovo. U tom slučaju nastaje sumporna kiselina i povećava se koncentracija elektrolita.

Elektromotorna sila i napon baterije ovise o mnogim faktorima, od kojih su najvažniji sadržaj kiseline u elektrolitu, temperatura, struja i njen smjer te stepen napunjenosti. Odnos između elektromotorne sile, napona i struje može se napisati

san kako slijedi:

pri otpustu

gdje E 0 - reverzibilni EMF; E p - EMF polarizacije; R - unutrašnji otpor baterije.

Reverzibilni EMF je EMF idealne baterije, u kojoj se eliminišu sve vrste gubitaka. U takvoj bateriji energija primljena tokom punjenja se u potpunosti vraća pri pražnjenju. Reverzibilni EMF zavisi samo od sadržaja kiseline u elektrolitu i temperature. Može se analitički odrediti iz topline formiranja reaktanata.

Prava baterija je u uslovima bliskim idealnim ako je struja zanemarljiva, a trajanje njenog prolaska je takođe kratko. Takvi uslovi se mogu stvoriti balansiranjem napona baterije sa nekim eksternim naponom (naponski standard) pomoću osjetljivog potenciometra. Napon mjeren na ovaj način naziva se napon otvorenog kola. Blizu je reverzibilnoj emf. U tabeli. 27.1 prikazane su vrijednosti ovog napona, koje odgovaraju gustoći elektrolita od 1.100 do 1.300 (odnosi se na temperaturu od 15 ° C) i temperaturi od 5 do 30 ° C.

Kao što se vidi iz tabele, pri gustini elektrolita od 1.200, što je uobičajeno za stacionarne baterije, i temperaturi od 25°C, napon baterije sa otvorenim krugom je 2.046 V. Tokom pražnjenja, gustina elektrolita blago opada. Odgovarajući pad napona u otvorenom kolu je samo nekoliko stotinki volta. Promjena napona otvorenog kola uzrokovana promjenom temperature je zanemarljiva i od više je teorijskog interesa.

Ako određena struja prolazi kroz bateriju u smjeru punjenja ili pražnjenja, napon baterije se mijenja zbog unutrašnjeg pada napona i promjene EMF-a uzrokovane sporednim kemijskim i fizičkim procesima na elektrodama i u elektrolitu. Promjena EMF-a baterije, uzrokovana ovim nepovratnim procesima, naziva se polarizacija. Glavni uzroci polarizacije u bateriji su promjena koncentracije elektrolita u porama aktivne mase ploča u odnosu na njegovu koncentraciju u ostatku volumena i rezultirajuća promjena koncentracije olovnih jona. Prilikom pražnjenja, kiselina se troši, kada se puni, stvara se. Reakcija se odvija u porama aktivne mase ploča, a dotok ili uklanjanje molekula kiseline i jona se odvija difuzijom. Potonje se može dogoditi samo ako postoji određena razlika u koncentraciji elektrolita u području elektroda i u ostatku volumena, koja je podešena u skladu sa strujom i temperaturom, što određuje viskoznost elektrolita. Promjena koncentracije elektrolita u porama aktivne mase uzrokuje promjenu koncentracije iona olova i EMF. Prilikom pražnjenja, zbog smanjenja koncentracije elektrolita u porama, EMF se smanjuje, a tijekom punjenja, zbog povećanja koncentracije elektrolita, EMF se povećava.

Elektromotorna sila polarizacije je uvijek usmjerena prema struji. Zavisi od poroznosti ploča, struje i

temperatura. Zbir reverzibilnog EMF-a i polarizacionog EMF-a, tj. E 0 ± E P , predstavlja EMF baterije pod trenutnom ili dinamičkom EMF. Kada se isprazni, manji je od reverzibilne emf, a kada je napunjen veći. Napon baterije pod strujom razlikuje se od dinamičke EMF samo po vrijednosti unutrašnjeg pada napona, koji je relativno mali. Stoga, napon baterije pod naponom također ovisi o struji i temperaturi. Utjecaj potonjeg na napon baterije tijekom pražnjenja i punjenja je mnogo veći nego kod otvorenog kruga.

Ako se krug baterije otvori za vrijeme pražnjenja, napon baterije će se polako povećati na napon otvorenog kruga zbog kontinuirane difuzije elektrolita. Ako otvorite krug baterije tokom punjenja, napon baterije će se polako smanjivati ​​na napon otvorenog kruga.

Nejednakost koncentracija elektrolita u području elektroda i u ostatku volumena razlikuje rad prave baterije od idealne. Kada se napuni, baterija se ponaša kao da sadrži jako razrijeđen elektrolit, a kada se napuni kao da sadrži vrlo koncentriran elektrolit. Razrijeđeni elektrolit se stalno miješa s koncentriranijim, pri čemu se oslobađa određena količina energije u obliku topline, koja bi se, uz jednake koncentracije, mogla iskoristiti. Kao rezultat toga, energija koju daje baterija tokom pražnjenja je manja od energije primljene tokom punjenja. Gubitak energije nastaje zbog nesavršenosti hemijskog procesa. Ova vrsta gubitka je glavna u bateriji.

Unutrašnji otpor baterijeTora. Unutrašnji otpor se sastoji od otpora pločastog okvira, aktivne mase, separatora i elektrolita. Potonji čini najveći dio unutrašnjeg otpora. Otpor baterije se povećava tokom pražnjenja i smanjuje tokom punjenja, što je posledica promene koncentracije rastvora i sadržaja sulfata.

veo u aktivnoj masi. Otpor baterije je mali i uočljiv samo pri velikoj struji pražnjenja, kada unutrašnji pad napona dosegne jednu ili dvije desetine volta.

Samopražnjenje baterije. Samopražnjenje je kontinuirani gubitak hemijske energije pohranjene u bateriji zbog sporednih reakcija na pločama oba polariteta, uzrokovanih slučajnim štetnim nečistoćama u korištenim materijalima ili nečistoćama koje se unose u elektrolit tokom rada. Od najveće praktične važnosti je samopražnjenje uzrokovano prisustvom u elektrolitu raznih metalnih spojeva koji su elektropozitivniji od olova, kao što su bakar, antimon itd. Metali se oslobađaju na negativnim pločama i formiraju mnoge kratkospojene elemente sa olovnim pločama. . Kao rezultat reakcije nastaju olovni sulfat i vodik, koji se oslobađa na kontaminiranom metalu. Samopražnjenje se može otkriti blagim ispuštanjem gasa na negativnim pločama.

Na pozitivnim pločama dolazi i do samopražnjenja zbog normalne reakcije između baznog olova, olovnog peroksida i elektrolita, što rezultira stvaranjem olovnog sulfata.

Samopražnjenje baterije se uvijek događa: kako s otvorenim krugom, tako i s pražnjenjem i punjenjem. Zavisi od temperature i gustine elektrolita (slika 27.2), a sa povećanjem temperature i gustine elektrolita povećava se samopražnjenje (gubitak naelektrisanja na temperaturi od 25°C i gustini elektrolita od 1,28 se uzima kao 100%). Gubitak kapaciteta nove baterije zbog samopražnjenja je oko 0,3% dnevno. Kako baterija stari, samopražnjenje se povećava.

Abnormalna sulfacija ploče. Olovni sulfat se formira na pločama oba polariteta sa svakim pražnjenjem, kao što se može vidjeti iz jednačine reakcije pražnjenja. Ovaj sulfat ima

fina kristalna struktura i struja punjenja se lako obnavljaju u metal olova i olovni peroksid na pločama odgovarajućeg polariteta. Stoga je sulfatizacija u ovom smislu normalna pojava koja je sastavni dio rada baterije. Abnormalna sulfatizacija se javlja kada su baterije previše ispražnjene, sistematski nedovoljno napunjene ili ostavljene u ispražnjenom stanju i neaktivne tokom dužeg vremenskog perioda, ili kada rade na pretjerano visokoj gustini elektrolita i na visokim temperaturama. U ovim uvjetima, fini kristalni sulfat postaje gušći, kristali rastu, uvelike šireći aktivnu masu i teško ih je oporaviti kada se napune zbog velike otpornosti. Ako je baterija neaktivna, temperaturne fluktuacije doprinose stvaranju sulfata. Kako temperatura raste, mali kristali sulfata se rastvaraju, a kako se temperatura smanjuje, sulfat polako kristalizira i kristali rastu. Kao rezultat temperaturnih fluktuacija, nastaju veliki kristali na račun malih.

Kod sulfatiranih ploča, pore su začepljene sulfatom, aktivni materijal se istiskuje iz rešetki, a ploče se često iskrivljuju. Površina sulfatiranih ploča postaje tvrda, hrapava i kada se trlja

Materijal ploča između prstiju je poput pijeska. Tamnosmeđe pozitivne ploče postaju svjetlije, a na površini se pojavljuju bijele mrlje sulfata. Negativne ploče postaju tvrde, žućkastosive. Kapacitet sulfatirane baterije je smanjen.

Početna sulfatizacija može se eliminirati dugim punjenjem svjetlosnom strujom. Uz jaku sulfatizaciju, potrebne su posebne mjere da se ploče vrate u normalu.

Strana 2 od 26

1.3. Osnovne električne karakteristike baterija

Elektromotorna sila i napon . Elektromotorna sila (EMF) je razlika potencijala između pozitivne i negativne elektrode baterije kada je vanjski krug otvoren.
Veličina emf ovisi uglavnom o potencijalima elektroda, odnosno o fizičkim i kemijskim svojstvima tvari od kojih su napravljene ploče i elektrolit, ali ne ovisi o veličini ploča baterije.
EMF kiselinske baterije također ovisi o gustini elektrolita. Teorijski i praktično je utvrđeno da se EMF baterije sa dovoljnom tačnošću za praksu može odrediti formulom
E=0,85 + g,
gdje je g gustina elektrolita na 15°S, g/cm3 .
Za kiselinske startne baterije, u kojima se gustoća elektrolita kreće od 1,12 do 1,29 g/cm 3 , EMF se shodno tome mijenja sa 1,97 na 2,14 V .
Gotovo je nemoguće izmjeriti EMF sa apsolutnom tačnošću. Međutim, u praktične svrhe, EMF se može približno i prilično precizno izmjeriti voltmetrom koji ima visok unutrašnji otpor (najmanje 1000 oma na 1 V). U tom slučaju, mala količina struje će proći kroz voltmetar.
Napon baterije je razlika potencijala između pozitivne i negativne ploče sa zatvorenim vanjskim krugom, koji uključuje bilo koji potrošač struje, odnosno kada struja prolazi kroz bateriju. U ovom slučaju, očitanja voltmetra pri mjerenju napona uvijek će biti manja nego pri mjerenju EMF-a, a ta razlika će biti to veća, što više struje prolazi kroz bateriju.
EMF i napon zavise od brojnih faktora. EMF varira s gustinom i temperaturom elektrolita. Napon, zauzvrat, ovisi o EMF-u, veličini struje pražnjenja (opterećenja) i unutrašnjem otporu baterije.
Ovisnost EMF baterije od gustine elektrolita (koncentracija otopine H2SO4) je data u nastavku:

Gustina elektrolita na 25°S,
g/cm 3 .................................... 1,05 1,10 1,15 1 ,20 1,25 1,28 1,30
H2SO4, %.................................. 7,44 14,72 21,68 27,68 33,8 37,4 39,7
EMF baterije, V.......... 1.906 1.960 2.005 2.048 2.095 2.125 2.144
Iz ove zavisnosti može se vidjeti da s povećanjem koncentracije sumporne kiseline raste i EMF. Iz ovoga, međutim, ne proizlazi da se za postizanje veće EMF može pretjerano povećati gustoća elektrolita. Utvrđeno je da starterske baterije rade prilično dobro kada je gustina elektrolita u njima 1,27 - 1,29 g/cm 3. Osim toga, elektrolit sa gustinom od 1,29 g/cm 3 ima najnižu tačku smrzavanja.
Kada se temperatura elektrolita promijeni, mijenja se i EMF baterije. Dakle, s promjenom temperature elektrolita od +20 ° C do -40 ° C, EMF baterije se smanjuje sa 2,12 na 2,096 V. U mnogo većoj mjeri, s promjenom temperature elektrolita, napon se mijenja, jer ne ovisi samo o EMF-u, već i o unutrašnjem otporu baterije, koji se značajno povećava s padom temperature.
Između EMF, napona, unutrašnjeg otpora i veličine struje pražnjenja postoji sljedeća veza:
U=E-Ir,
gdje U- voltaža;
E- e. d.s. baterija;
I je vrijednost struje pražnjenja;
r je unutrašnji otpor baterije.
Iz ove formule se može vidjeti da pri konstantnoj vrijednosti EMF-a, mjerene sa otvorenim krugom, napon baterije opada kako se struja koja se daje tokom procesa pražnjenja povećava.
unutrašnji otpor. Unutrašnji otpor baterije je relativno mali, ali u slučajevima kada se baterija prazni velikom strujom, na primjer, pri pokretanju motora starterom, unutrašnji otpor svake baterije je vrlo značajan.
Unutrašnji otpor je zbir otpora elektrolita, separatora i ploča. Glavna komponenta je otpor elektrolita, koji se mijenja s temperaturom i koncentracijom sumporne kiseline.
Ovisnost specifičnog otpora elektrolita gustine 1,30 g/cm 3 o temperaturi prikazana je u nastavku:

Temperatura, °S Otpornost elektrolita Ohm cm
+ 40 0,89
+ 25 1,28
+ 18 1,46
0 1,92
– 18 2,39
Kao što se može vidjeti iz gornjih podataka, sa smanjenjem temperature elektrolita sa +40°C na -18°C, otpornost se povećava za 2,7 puta. Najnižu vrijednost otpornosti ima elektrolit gustine 1,223 g/cm 3 na 15°C (30% rastvora H2SO4 po masi).
Druga komponenta otpora u bateriji je otpor separatora. To uglavnom zavisi od njihove poroznosti. Separatori su napravljeni od električno izolacionog materijala, čije su pore ispunjene elektrolitom, koji određuje električnu provodljivost separatora.
S tim u vezi, moglo bi se pretpostaviti da će se s promjenom temperature otpor separatora promijeniti u istom omjeru kao i otpor elektrolita, ali to nije sasvim točno. Neke vrste separatora, na primjer, separatori od mikroporoznog ebonita (mipore) nisu osjetljivi na promjene temperature.
Treći faktor uključen u ukupnu količinu unutrašnjeg otpora elementa je aktivna masa i mreže pozitivnih i negativnih ploča.
Otpor negativne ploče olovne spužve neznatno se razlikuje od otpornosti materijala za rešetku, dok otpornost pozitivne ploče olovnog peroksida premašuje otpor rešetke za 10.000 puta. Za razliku od otpora elektrolita, otpor rešetke opada sa smanjenjem temperature. Ali s obzirom na činjenicu da je otpor elektrolita mnogo puta veći od otpora ploča, smanjenje njihovog otpora sa padom temperature vrlo malo kompenzira ukupno smanjenje otpora elektrolita.
Na otpor ploča utiče stepen napunjenosti baterije. Tokom procesa pražnjenja, otpor ploča se povećava, jer olovni sulfat formiran na pozitivnim i negativnim pločama gotovo ne provodi električnu struju.
U poređenju sa drugim tipovima akumulatora, kiseli akumulatori imaju relativno nizak unutrašnji otpor, što određuje njihovu široku upotrebu kao starter akumulatora u motornim vozilima.
Kapacitet. Kapacitet baterije je količina električne energije koju potpuno napunjena baterija može isporučiti pri datom načinu pražnjenja, temperaturi i konačnom naponu. Kapacitet se mjeri u amper-satima i određuje se formulom
c=ipp,
gdje WITH– kapacitet, Ah ;
IP je jačina struje pražnjenja, i ;
tp– vrijeme pražnjenja, h .
Vrijednost kapaciteta baterije uglavnom je određena sljedećim faktorima: način pražnjenja (struja pražnjenja), koncentracija elektrolita i temperatura. Baterije sa načinima prinudnog pražnjenja daju manji kapacitet nego kada se prazne s dužim načinima rada (mala struja).
Do smanjenja kapacitivnosti u režimima prisilnog pražnjenja dolazi iz sljedećih razloga.
Tokom pražnjenja, transformacija aktivne mase ploča u olovni sulfat se događa ne samo na površini ploča, već i unutar njih. Ako se pražnjenje provodi slabom strujom i polako, tada elektrolit ima vremena da prodre u duboke slojeve aktivne mase, a voda nastala kao rezultat reakcije u porama ima vremena da se pomiješa s glavninom elektrolit. U režimima prisilnog pražnjenja, koncentracija sumporne kiseline u elektrolitu unutar ploča je značajno smanjena, svježi elektrolit nema vremena da prodre duboko u aktivnu masu, reakcija se odvija uglavnom na površini ploča, budući da su pore začepljeni i donji slojevi aktivne mase gotovo da ne učestvuju u reakciji. Istovremeno, kao rezultat značajnog povećanja unutrašnjeg otpora baterije, napon na njegovim terminalima naglo opada.
Međutim, nakon što se baterija isprazni u režimu pojačanja, može se ponovo isprazniti nakon kratke pauze. Ovo služi kao jasna potvrda da smanjenje kapaciteta baterije pri pražnjenju velikom količinom struje nastaje kao rezultat nepotpune upotrebe aktivne mase ploča.
Osim veličine struje pražnjenja, na kapacitet baterije značajno utiče i koncentracija elektrolita, koja određuje potencijal ploča, električni otpor elektrolita i njegov viskozitet, što zauzvrat utiče na sposobnost elektrolita. da prodre u duboke slojeve aktivne mase ploča.
Tijekom pražnjenja gustoća elektrolita se smanjuje i na kraju pražnjenja nedovoljna količina kiseline ulazi u aktivnu masu ploča, zbog čega napon baterije pada i njeno daljnje pražnjenje postaje nemoguće. Što je veća razlika između koncentracija elektrolita izvan ploča i elektrolita u porama aktivne mase, to je intenzivniji proces prodiranja kiseline u pore ploča. U tom smislu, upotreba elektrolita veće gustoće, čini se, trebala bi povećati kapacitet. Ali u stvarnosti, pretjerano visoka gustoća ne dovodi do povećanja kapaciteta, jer povećanje gustoće elektrolita neizbježno dovodi do povećanja viskoznosti elektrolita, zbog čega se proces prodiranja elektrolita u dubinu aktivna masa ploča se pogoršava, a napon na terminalima baterije opada.
Utvrđeno je da najveći kapacitet ima akumulatorska baterija sa gustinom elektrolita od 1,27 - 1,29 g/cm 3 .
Kapacitet baterije zavisi i od temperature. Kako temperatura pada, kapacitivnost se smanjuje, a kako temperatura raste, raste. To se objašnjava činjenicom da se s padom temperature povećava viskoznost elektrolita, zbog čega ulazi u ploče u nedovoljnim količinama.
Vrijednosti viskoziteta elektrolita sa gustinom od 1,223 g/cm 3 u zavisnosti od temperature su date u nastavku:
Temperatura, °C........... +30 +25 +20 +10 0 - 10 - 20 - 30
apsolutni viskozitet,
pz(poise)...................... 1.596 1.784 2.006 2.600 3.520 4.950 7.490 12.200
Kapacitet pozitivne i negativne ploče ne mijenja se u istoj mjeri s promjenama temperature. Ako je pri običnoj temperaturi kapacitivnost elementa ograničena pozitivnim pločama, onda je na niskim temperaturama negativna, jer kako temperatura opada, kapacitet negativne ploče opada u mnogo većoj mjeri od pozitivne.
U posljednje vrijeme kapacitet punjivih baterija na niskim temperaturama značajno je povećan upotrebom tanjih sintetičkih separatora visoke poroznosti (do 80%) i aditiva, tzv. dilatatora, aktivnoj masi negativnih ploča, koji joj daju veća poroznost.
Pored načina pražnjenja, koncentracije elektrolita i temperature, kapacitet baterije zavisi od njenog radnog veka, od perioda skladištenja tokom kojeg je baterija bila neaktivna, od prisustva štetnih nečistoća itd. Kapacitet nove baterije koja ulazi u rad prvi put (u garantnom roku) raste, kako se ploče formiraju, nakon čega ostaje konstantan određeni period, a zatim počinje postepeno da pada. Gubitak kapaciteta baterije na kraju njenog radnog vijeka objašnjava se smanjenjem poroznosti negativnih ploča i gubitkom aktivne mase pozitivnih ploča.
Ako je napunjena baterija dugo vremena bila neaktivna, onda kada se isprazni, dati kapacitet će biti znatno manji. To je zbog prirodnog fenomena samopražnjenja kada je baterija u stanju mirovanja.

Da li je moguće precizno procijeniti stepen napunjenosti baterije prema EMF-u?

Elektromotorna sila (EMF) baterije je razlika u potencijalima njene elektrode, mjerena otvorenim vanjskim krugom:

E = φ+ – φ–

gdje su φ+ i φ– potencijali pozitivne i negativne elektrode s otvorenim vanjskim krugom.

EMF baterije koja se sastoji od n serijski povezanih baterija:

Zauzvrat, potencijal elektrode u otvorenom krugu općenito se sastoji od ravnotežnog elektrodnog potencijala, koji karakterizira ravnotežno (stacionarno) stanje elektrode (u odsustvu prolaznih procesa u elektrohemijskom sistemu) i potencijala polarizacije.

Ovaj potencijal se općenito definira kao razlika između potencijala elektrode tokom pražnjenja ili punjenja i njenog potencijala u ravnotežnom stanju u odsustvu struje. Međutim, treba napomenuti da stanje baterije odmah nakon isključivanja struje punjenja ili pražnjenja nije ravnotežno zbog razlike u koncentraciji elektrolita u porama elektroda i međuelektrodnom prostoru. Dakle, polarizacija elektrode ostaje u bateriji dosta dugo čak i nakon što se struja punjenja ili pražnjenja isključi i karakterizira u ovom slučaju odstupanje potencijala elektrode od ravnotežne vrijednosti zbog prolaznog procesa, tj. do difuzijskog izjednačavanja koncentracije elektrolita u bateriji od trenutka otvaranja vanjskog kola do uspostavljanja ravnotežnog stabilnog stanja u bateriji.

Hemijska aktivnost reagenasa sakupljenih u elektrohemijskom sistemu baterije, a samim tim i promena EMF baterije veoma malo zavisi od temperature. Kada se temperatura promijeni od -30°C do +50°C (u radnom opsegu za bateriju), elektromotorna sila svake baterije u bateriji mijenja se za samo 0,04 V i može se zanemariti tokom rada baterije.

Sa povećanjem gustine elektrolita, EMF se povećava. Na temperaturi od + 18 ° C i gustoći od 1,28 g / cm3, baterija (što znači jedna banka) ima EMF od 2,12 V. Šestoćelijska baterija ima EMF od 12,72 V (6 × 2,12 V = 12 .72 V).

Po EMF-u je nemoguće precizno proceniti stepen napunjenosti baterije.
EMF ispražnjene baterije s većom gustoćom elektrolita bit će veći od EMF-a napunjene baterije, ali s nižom gustoćom elektrolita. Vrijednost EMF-a zdrave baterije ovisi o gustoći elektrolita (njegovom stupnju napunjenosti) i varira od 1,92 do 2,15 V.

Tokom rada baterija, mjerenjem EMF-a može se otkriti ozbiljan kvar na akumulatoru (kratki spoj ploča u jednoj ili više banaka, prekid spojnih provodnika između banaka i sl.).

EMF se mjeri voltmetrom visokog otpora (unutrašnji otpor voltmetra nije manji od 300 Ohm/V). Tokom mjerenja, voltmetar je spojen na terminale baterije ili baterije. U tom slučaju, struja punjenja ili pražnjenja ne smije teći kroz akumulator (akumulator)!

***
Elektromotorna sila (EMF) je skalarna fizička veličina koja karakterizira rad vanjskih sila, odnosno bilo koje sile neelektričnog porijekla koje djeluju u kvazistacionarnim DC ili AC krugovima.
EMF se, kao i napon, mjeri u voltima u Međunarodnom sistemu jedinica (SI).

Namjena starter akumulatora
Teorijske osnove za pretvaranje hemijske energije u električnu
Pražnjenje baterije
Punjenje baterije
Potrošnja glavnih strujnih reagensa
Elektromotorna sila
Unutrašnji otpor
Napon pri punjenju i pražnjenju
Kapacitet baterije
Energija i baterija
Samopražnjenje baterije

Namjena starter akumulatora

Glavna funkcija baterije je pouzdano pokretanje motora. Druga funkcija je bafer energije kada motor radi. Uostalom, uz tradicionalne tipove potrošača, pojavilo se mnogo dodatnih servisnih uređaja koji poboljšavaju udobnost vozača i sigurnost u prometu. Baterija nadoknađuje nedostatak energije pri vožnji u gradskom ciklusu sa čestim i dugim zaustavljanjima, kada generator ne može uvijek osigurati izlaznu snagu neophodnu za potpuno napajanje svih uključenih potrošača. Treća radna funkcija je napajanje kada je motor ugašen. Međutim, produžena upotreba električnih uređaja dok miruje s isključenim motorom (ili motorom u praznom hodu) će uzrokovati duboko pražnjenje akumulatora i dramatično smanjiti njegove startne performanse.

Baterija je takođe dizajnirana za napajanje u nuždi. U slučaju kvara na generatoru, ispravljaču, regulatoru napona, ili u slučaju pucanja remena generatora, mora osigurati rad svih potrošača potrebnih za bezbjedno kretanje do najbližeg servisa.

Dakle, starter akumulatori moraju ispunjavati sljedeće osnovne zahtjeve:

Osigurati struju pražnjenja potrebnu za rad startera, odnosno imati nizak unutrašnji otpor za minimalne unutrašnje gubitke napona unutar baterije;

Osigurati potreban broj pokušaja pokretanja motora sa zadatim trajanjem, odnosno imati potrebnu rezervu energije pražnjenja startera;

Imaju dovoljno veliku snagu i energiju uz najmanju moguću veličinu i težinu;

Imati rezervu energije za napajanje potrošača kada motor ne radi ili u nuždi (rezervni kapacitet);

Održavajte napon neophodan za rad startera kada temperatura padne u određenim granicama (struja hladnog skrolovanja);

Održavati dugotrajno performanse na povišenoj (do 70 "C) temperaturi okoline;

Primite naplatu za obnavljanje kapaciteta iskorištenog za pokretanje motora i napajanje drugih potrošača iz generatora dok motor radi (prihvatanje punjenja);

Ne zahtijevaju posebnu obuku korisnika, održavanje tokom rada;

Imaju visoku mehaničku čvrstoću koja odgovara radnim uslovima;

Održavati navedene karakteristike performansi dugo vremena tokom rada (vek trajanja);

Poseduju blago samopražnjenje;

Imajte nisku cijenu.

Teorijske osnove za pretvaranje hemijske energije u električnu

Hemijski izvor struje je uređaj u kojem se, zbog pojave prostorno odvojenih redoks hemijskih reakcija, njihova slobodna energija pretvara u električnu energiju. Prema prirodi posla, ovi izvori se dijele u dvije grupe:

Primarni hemijski izvori struje ili galvanske ćelije;

Sekundarni izvori ili električni akumulatori.

Primarni izvori dozvoljavaju samo jednokratnu upotrebu, jer se supstance koje nastaju tokom njihovog pražnjenja ne mogu pretvoriti u originalne aktivne materije. Potpuno ispražnjena galvanska ćelija, u pravilu, nije pogodna za daljnji rad - to je nepovratan izvor energije.

Sekundarni hemijski izvori struje su reverzibilni izvori energije - nakon proizvoljno dubokog pražnjenja, njihov učinak se može u potpunosti obnoviti punjenjem. Da biste to učinili, dovoljno je proći električnu struju kroz sekundarni izvor u smjeru suprotnom od onog u kojem je tekla tijekom pražnjenja. Tokom procesa punjenja, supstance nastale tokom pražnjenja će se pretvoriti u originalne aktivne materijale. Tako se slobodna energija hemijskog izvora struje više puta pretvara u električnu energiju (pražnjenje baterije) i obrnuto pretvaranje električne energije u slobodnu energiju hemijskog izvora struje (punjenje baterije).

Prolazak struje kroz elektrohemijske sisteme povezan je sa hemijskim reakcijama (transformacijama) koje se dešavaju u ovom slučaju. Stoga, između količine tvari koja je ušla u elektrohemijsku reakciju i pretrpjela transformacije i količine potrošene ili oslobođene električne energije u ovom slučaju, postoji veza koju je ustanovio Michael Faraday.

Prema prvom Faradejevom zakonu, masa supstance koja je ušla u reakciju elektrode ili nastala kao rezultat njenog nastanka proporcionalna je količini električne energije koja je prošla kroz sistem.

Prema drugom Faradejevom zakonu, sa jednakom količinom električne energije koja prolazi kroz sistem, mase reagovanih supstanci povezane su jedna s drugom kao njihovi hemijski ekvivalenti.

U praksi, manja količina tvari podliježe elektrohemijskoj promjeni nego prema Faradayevim zakonima - pri prolasku struje, pored glavnih elektrohemijskih reakcija, nastaju i paralelne ili sekundarne (sporedne) reakcije koje mijenjaju masu proizvoda. Da bi se uzeo u obzir uticaj takvih reakcija, uvodi se koncept strujnog izlaza.

Izlaz struje je onaj dio količine električne energije koja je prošla kroz sistem, a koja predstavlja glavnu elektrohemijsku reakciju koja se razmatra.

Pražnjenje baterije

Aktivne supstance napunjene olovne baterije koje učestvuju u procesu stvaranja struje su:

Na pozitivnoj elektrodi - olovni dioksid (tamno smeđi);

Na negativnoj elektrodi - spužvasto olovo (sivo);

Elektrolit je vodena otopina sumporne kiseline.

Neki molekuli kiseline u vodenoj otopini uvijek su disocirani na pozitivno nabijene vodikove ione i negativno nabijene sulfatne ione.

Olovo, koje je aktivna masa negativne elektrode, djelimično se otapa u elektrolitu i oksidira u otopini da formira pozitivne ione. Višak elektrona koji se istovremeno oslobađa daju negativan naboj elektrodi i počinju se kretati duž zatvorenog dijela vanjskog kola do pozitivne elektrode.

Pozitivno nabijeni olovni joni reagiraju s negativno nabijenim sulfatnim ionima i formiraju olovni sulfat, koji ima malu topljivost i stoga se taloži na površini negativne elektrode. U procesu pražnjenja baterije, aktivna masa negativne elektrode pretvara se iz spužvastog olova u olovni sulfat s promjenom sive boje u svijetlosivu.

Olovni dioksid pozitivne elektrode otapa se u elektrolitu u mnogo manjoj količini nego olovo negativne elektrode. U interakciji s vodom, disocira (razlaže se u otopini na nabijene čestice - ione), formirajući tetravalentne olovne ione i hidroksilne ione.

Joni daju elektrodi pozitivan potencijal i, spajanjem elektrona koji su došli kroz vanjski krug iz negativne elektrode, reduciraju se na dvovalentne ione olova.

Joni stupaju u interakciju s ionima i formiraju olovni sulfat, koji se iz navedenog razloga također taloži na površini pozitivne elektrode, kao što je bio slučaj i na negativnoj. Aktivna masa pozitivne elektrode pri pražnjenju pretvara se iz olovnog dioksida u olovni sulfat sa promjenom svoje boje od tamno smeđe u svijetlosmeđu.

Kao rezultat pražnjenja baterije, aktivni materijali i pozitivne i negativne elektrode pretvaraju se u olovni sulfat. U tom slučaju sumporna kiselina se troši za stvaranje olovnog sulfata, a iz oslobođenih iona nastaje voda, što dovodi do smanjenja gustoće elektrolita tijekom pražnjenja.

Punjenje baterije

Obje elektrode sadrže male količine olovnog sulfata i vodenih jona u elektrolitu. Pod utjecajem napona istosmjernog izvora, u čije je kolo priključena punjiva baterija, u vanjskom kolu uspostavlja se usmjereno kretanje elektrona do negativnog terminala baterije.

Dvovalentni joni olova na negativnoj elektrodi neutraliziraju se (oporavljaju) dolazna dva elektrona, pretvarajući aktivnu masu negativne elektrode u spužvasto metalno olovo. Preostali slobodni joni formiraju sumpornu kiselinu

Na pozitivnoj elektrodi, pod dejstvom struje punjenja, dvovalentni ioni olova daju dva elektrona, oksidišući se u četvorovalentne. Potonji, povezujući se kroz međureakcije s dva iona kisika, formiraju olovni dioksid koji se oslobađa na elektrodi. Ioni i, baš kao i na negativnoj elektrodi, formiraju sumpornu kiselinu, zbog čega se gustoća elektrolita povećava tijekom punjenja.

Kada se završe procesi transformacije tvari u aktivnim masama pozitivne i negativne elektrode, gustoća elektrolita prestaje da se mijenja, što je znak kraja punjenja baterije. Daljnjim nastavkom punjenja dolazi do takozvanog sekundarnog procesa - elektrolitičke razgradnje vode na kisik i vodik. Izdvajajući se od elektrolita u obliku mjehurića plina, stvaraju efekat njegovog intenzivnog ključanja, što ujedno služi i kao znak završetka procesa punjenja.

Potrošnja glavnih strujnih reagensa

Da bi se dobio kapacitet od jednog amper sata kada se baterija isprazni, potrebno je da u reakciji učestvuju:

4,463 g olovnog dioksida

3,886 g spužvastog olova

3.660 g sumporne kiseline

Ukupna teorijska potrošnja materijala za dobijanje 1 Ah (specifična potrošnja materijala) električne energije biće 11,989 g/Ah, a teoretski specifični kapacitet - 83,41 Ah/kg.

Uz nazivni napon baterije od 2 V, teoretska specifična potrošnja materijala po jedinici energije je 5,995 g/Wh, a specifična energija baterije 166,82 Wh/kg.

Međutim, u praksi je nemoguće postići punu upotrebu aktivnih materijala koji učestvuju u procesu stvaranja struje. Otprilike polovina površine aktivne mase je nedostupna elektrolitu, jer služi kao osnova za izgradnju volumetrijskog poroznog okvira koji osigurava mehaničku čvrstoću materijala. Dakle, stvarna stopa iskorištenja aktivnih masa pozitivne elektrode iznosi 45-55%, a negativne 50-65%. Osim toga, kao elektrolit se koristi 35-38% otopina sumporne kiseline. Stoga je vrijednost stvarne specifične potrošnje materijala mnogo veća, a stvarne vrijednosti specifičnog kapaciteta i specifične energije mnogo niže od teoretskih.

Elektromotorna sila

Elektromotorna sila (EMS) baterije E je razlika u njenim elektrodnim potencijalima, mjerena s otvorenim vanjskim krugom.

EMF baterije koja se sastoji od n serijski povezanih baterija.

Potrebno je razlikovati ravnotežni EMF baterije i neravnotežni EMF baterije u vremenu od otvaranja kola do uspostavljanja ravnotežnog stanja (period procesa tranzicije).

EMF se mjeri voltmetrom visokog otpora (unutrašnji otpor ne manji od 300 Ohm/V). Da biste to učinili, voltmetar je spojen na terminale baterije ili baterije. U tom slučaju, struja punjenja ili pražnjenja ne bi trebala teći kroz akumulator (bateriju).

Ravnotežni EMF olovne baterije, kao i bilo kojeg izvora kemijske struje, ovisi o kemijskim i fizičkim svojstvima tvari uključenih u proces stvaranja struje i potpuno je nezavisan od veličine i oblika elektroda, kao i od količina aktivnih masa i elektrolita. Istovremeno, u olovnoj bateriji, elektrolit je direktno uključen u proces stvaranja struje na elektrodama baterije i mijenja svoju gustoću ovisno o stupnju napunjenosti baterija. Dakle, ravnotežni emf, koji je opet funkcija gustoće

Promjena EMF baterije sa temperaturom je vrlo mala i može se zanemariti tokom rada.

Unutrašnji otpor

Otpor koji baterija daje struji koja teče unutar nje (punjenje ili pražnjenje) obično se naziva unutrašnji otpor baterije.

Otpor aktivnih materijala pozitivne i negativne elektrode, kao i otpor elektrolita, mijenjaju se ovisno o stanju napunjenosti baterije. Osim toga, otpor elektrolita u velikoj mjeri ovisi o temperaturi.

Dakle, omski otpor također ovisi o stanju napunjenosti baterije i temperaturi elektrolita.

Otpor polarizacije zavisi od jačine struje pražnjenja (punjenja) i temperature i ne poštuje Ohmov zakon.

Unutrašnji otpor jedne baterije, pa čak i baterije koja se sastoji od nekoliko serijski povezanih baterija, je beznačajan i iznosi samo nekoliko hiljaditih delova oma u napunjenom stanju. Međutim, tokom procesa pražnjenja se značajno mijenja.

Električna provodljivost aktivnih masa smanjuje se za pozitivnu elektrodu oko 20 puta, a za negativnu elektrodu za 10 puta. Električna provodljivost elektrolita također varira s njegovom gustinom. Sa povećanjem gustoće elektrolita sa 1,00 na 1,70 g/cm3, njegova električna provodljivost prvo raste do svoje maksimalne vrijednosti, a zatim ponovo opada.

Kako se baterija prazni, gustoća elektrolita opada sa 1,28 g/cm3 na 1,09 g/cm3, što dovodi do smanjenja njene električne provodljivosti za skoro 2,5 puta. Kao rezultat toga, omski otpor baterije se povećava kako se prazni. U ispražnjenom stanju, otpor dostiže vrijednost koja je više od 2 puta veća od njegove vrijednosti u napunjenom stanju.

Pored stanja napunjenosti, temperatura ima značajan uticaj na otpornost baterija. Sa smanjenjem temperature, specifični otpor elektrolita raste i na temperaturi od -40 °C postaje približno 8 puta veći nego na +30 °C. Otpor separatora također naglo raste sa padom temperature i u istom temperaturnom rasponu raste skoro 4 puta. Ovo je odlučujući faktor u povećanju unutrašnjeg otpora baterija na niskim temperaturama.

Napon pri punjenju i pražnjenju

Razlika potencijala na polnim terminalima baterije (akumulatora) u procesu punjenja ili pražnjenja u prisustvu struje u vanjskom kolu obično se naziva napon baterije (akumulatora). Prisutnost unutrašnjeg otpora baterije dovodi do činjenice da je njen napon tokom pražnjenja uvijek manji od EMF-a, a pri punjenju je uvijek veći od EMF-a.

Kada se baterija puni, napon na njenim terminalima mora biti veći od EMF-a za iznos unutrašnjih gubitaka.

Na početku punjenja dolazi do skoka napona za količinu omskih gubitaka unutar baterije, a zatim do oštrog porasta napona zbog polarizacionog potencijala, uzrokovanog uglavnom brzim povećanjem gustoće elektrolita u porama aktivne mase. Zatim dolazi do sporog porasta napona, uglavnom zbog povećanja EMF baterije zbog povećanja gustine elektrolita.

Nakon što se glavna količina olovnog sulfata pretvori u PbO2 i Pb, troškovi energije sve više uzrokuju razgradnju vode (elektrolizu), a višak iona vodonika i kiseonika koji se pojavljuju u elektrolitu dodatno povećava potencijalnu razliku suprotnih elektroda. To dovodi do brzog povećanja napona punjenja, što uzrokuje ubrzanje procesa razgradnje vode. Rezultirajući joni vodika i kisika ne stupaju u interakciju s aktivnim materijalima. Oni se rekombinuju u neutralne molekule i oslobađaju se iz elektrolita u obliku mjehurića plina (kiseonik se oslobađa na pozitivnoj elektrodi, vodik se oslobađa na negativnoj), uzrokujući da elektrolit "kipi".

Ako nastavite s procesom punjenja, možete vidjeti da se povećanje gustine elektrolita i napona punjenja praktički zaustavlja, budući da je gotovo sav olovni sulfat već reagirao, a sva energija koja se dovodi u bateriju sada se troši samo na bočni proces - elektrolitička razgradnja vode. Ovo objašnjava konstantnost napona punjenja, što je jedan od znakova završetka procesa punjenja.

Nakon prestanka punjenja, odnosno isključivanja eksternog izvora, napon na terminalima baterije naglo pada na vrijednost njenog neravnotežnog EMF-a, odnosno na vrijednost omskih unutrašnjih gubitaka. Zatim dolazi do postupnog smanjenja EMF-a (zbog smanjenja gustine elektrolita u porama aktivne mase), koje se nastavlja sve dok se koncentracija elektrolita u zapremini baterije i porama aktivne mase potpuno ne postigne. izjednačen, što odgovara uspostavljanju ravnotežnog EMF-a.

Kada je baterija prazna, napon na njenim terminalima je manji od EMF-a za vrijednost unutrašnjeg pada napona.

Na početku pražnjenja napon baterije naglo pada za količinu omskih gubitaka i polarizacije zbog smanjenja koncentracije elektrolita u porama aktivne mase, odnosno koncentracijske polarizacije. Dalje, tokom stabilnog (stacionarnog) procesa pražnjenja, gustina elektrolita se smanjuje u zapremini baterije, uzrokujući postepeno smanjenje napona pražnjenja. Istovremeno dolazi do promjene omjera sadržaja olovnog sulfata u aktivnoj masi, što također uzrokuje povećanje omskih gubitaka. U tom slučaju čestice olovnog sulfata (imaju otprilike tri puta veći volumen u odnosu na čestice olova i njegovog dioksida od kojeg su nastale) zatvaraju pore aktivne mase, što sprječava prolazak elektrolita u dubinu elektroda. .

To uzrokuje povećanje koncentracijske polarizacije, što dovodi do bržeg smanjenja napona pražnjenja.

Kada se pražnjenje zaustavi, napon na terminalima baterije brzo raste za iznos omskih gubitaka, dostižući vrijednost neravnotežnog EMF-a. Daljnja promjena EMF-a zbog usklađivanja koncentracije elektrolita u porama aktivnih masa i u zapremini baterije dovodi do postepenog uspostavljanja vrijednosti ravnotežnog EMF-a.

Napon baterije tokom njenog pražnjenja određen je uglavnom temperaturom elektrolita i jačinom struje pražnjenja. Kao što je već spomenuto, otpor olovnog akumulatora (baterije) je zanemariv i u napunjenom stanju iznosi samo nekoliko miljoma. Međutim, pri strujama pražnjenja startera, čija je jačina 4-7 puta veća od nazivne kapacitivnosti, unutrašnji pad napona ima značajan uticaj na napon pražnjenja. Povećanje omskih gubitaka sa padom temperature povezano je s povećanjem otpora elektrolita. Osim toga, viskoznost elektrolita naglo raste, što otežava njegovu difuziju u pore aktivne mase i povećava polarizaciju koncentracije (odnosno, povećava gubitak napona unutar baterije zbog smanjenja elektrolita koncentracija u porama elektroda).

Pri struji većoj od 60 A, ovisnost napona pražnjenja o jačini struje je gotovo linearna pri svim temperaturama.

Prosječna vrijednost napona baterije tokom punjenja i pražnjenja određuje se kao aritmetička sredina vrijednosti napona mjerenih u jednakim vremenskim intervalima.

Kapacitet baterije

Kapacitet baterije je količina električne energije primljene iz baterije kada se isprazni do postavljenog konačnog napona. U praktičnim proračunima, kapacitet baterije se obično izražava u amper-satima (Ah). Kapacitet pražnjenja može se izračunati množenjem struje pražnjenja sa trajanjem pražnjenja.

Kapacitet pražnjenja za koji je baterija projektovana i koji je naveo proizvođač naziva se nazivni kapacitet.

Osim toga, važan pokazatelj je i kapacitet koji se javlja bateriji prilikom punjenja.

Kapacitet pražnjenja zavisi od niza dizajnerskih i tehnoloških parametara baterije, kao i od uslova njenog rada. Najznačajniji projektni parametri su količina aktivne mase i elektrolita, debljina i geometrijske dimenzije elektroda baterije. Glavni tehnološki parametri koji utječu na kapacitet baterije su formulacija aktivnih materijala i njihova poroznost. Radni parametri - temperatura elektrolita i jačina struje pražnjenja - također imaju značajan utjecaj na kapacitet pražnjenja. Uopšteni pokazatelj koji karakteriše efikasnost baterije je stepen iskorišćenja aktivnih materijala.

Da bi se dobio kapacitet od 1 Ah, kao što je gore navedeno, teoretski je potrebno 4,463 g olovnog dioksida, 3,886 g spužvastog olova i 3,66 g sumporne kiseline. Teoretska specifična potrošnja aktivnih masa elektroda je 8,32 g/Ah. U stvarnim baterijama, specifična potrošnja aktivnih materijala u 20-satnom režimu pražnjenja i temperaturi elektrolita od 25 °C je od 15,0 do 18,5 g/Ah, što odgovara stopi iskorištenja aktivne mase od 45-55%. Posljedično, praktična potrošnja aktivne mase premašuje teorijske vrijednosti 2 ili više puta.

Na stepen iskorišćenosti aktivne mase, a samim tim i na vrednost kapaciteta pražnjenja utiču sledeći glavni faktori.

Poroznost aktivne mase. Sa povećanjem poroznosti, poboljšavaju se uvjeti za difuziju elektrolita u dubinu aktivne mase elektrode i povećava se prava površina na kojoj se odvija reakcija stvaranja struje. Sa povećanjem poroznosti, kapacitet pražnjenja se povećava. Vrijednost poroznosti ovisi o veličini čestica olovnog praha i recepturi za pripremu aktivnih masa, kao i o korištenim aditivima. Štoviše, povećanje poroznosti dovodi do smanjenja trajnosti zbog ubrzanja procesa uništavanja visoko poroznih aktivnih masa. Stoga, vrijednost poroznosti odabiru proizvođači, uzimajući u obzir ne samo visoke kapacitivne karakteristike, već i osiguravajući potrebnu izdržljivost baterije u radu. Trenutno se smatra da je poroznost optimalna u rasponu od 46-60%, ovisno o namjeni baterije.

Debljina elektroda. Sa smanjenjem debljine, smanjuje se neravnomjerno opterećenje vanjskih i unutarnjih slojeva aktivne mase elektrode, što doprinosi povećanju kapaciteta pražnjenja. Za deblje elektrode, unutrašnji slojevi aktivne mase se vrlo malo koriste, posebno pri pražnjenju velikim strujama. Stoga, s povećanjem struje pražnjenja, razlike u kapacitetu baterija s elektrodama različite debljine naglo se smanjuju.

Poroznost i racionalnost dizajna materijala separatora. Sa povećanjem poroznosti separatora i visine njegovih rebara, povećava se dovod elektrolita u međuelektrodni razmak i poboljšavaju se uslovi za njegovu difuziju.

gustina elektrolita. Utiče na kapacitet baterije i njen vijek trajanja. S povećanjem gustoće elektrolita, kapacitivnost pozitivnih elektroda raste, a kapacitet negativnih, posebno na negativnim temperaturama, opada zbog ubrzanja pasivizacije površine elektrode. Povećana gustoća također negativno utječe na vijek trajanja baterije zbog ubrzanja procesa korozije na pozitivnoj elektrodi. Stoga se optimalna gustina elektrolita postavlja na osnovu ukupnosti zahtjeva i uslova u kojima baterija radi. Tako, na primjer, za starter akumulatore koji rade u umjerenoj klimi preporučuje se radna gustoća elektrolita od 1,26-1,28 g/cm3, a za područja s toplom (tropskom) klimom 1,22-1,24 g/cm3.

Jačina struje pražnjenja kojom se baterija mora kontinuirano prazniti za određeno vrijeme (karakterizira način pražnjenja). Načini pražnjenja uvjetno su podijeljeni na duge i kratke. U dugotrajnim načinima rada, pražnjenje se javlja s malim strujama nekoliko sati. Na primjer, pražnjenja od 5, 10 i 20 sati. Kod kratkih ili starterskih pražnjenja jačina struje je nekoliko puta veća od nominalnog kapaciteta baterije, a pražnjenje traje nekoliko minuta ili sekundi. S povećanjem struje pražnjenja, brzina pražnjenja površinskih slojeva aktivne mase raste u većoj mjeri nego dubokih. Kao rezultat toga, rast olovnog sulfata u ustima pora događa se brže nego u dubinama, a pore su začepljene sulfatom prije nego što njena unutrašnja površina ima vremena da reagira. Zbog prestanka difuzije elektrolita u pore, reakcija u njoj prestaje. Dakle, što je struja pražnjenja veća, to je manji kapacitet baterije, a time i faktor iskorištenja aktivne mase.

Za procjenu startnih kvaliteta baterija, njihov kapacitet karakterizira i broj povremenih pražnjenja startera (na primjer, trajanje od 10-15 s s prekidima između njih od 60 s). Kapacitet koji baterija ispušta tokom povremenih pražnjenja premašuje kapacitet tokom neprekidnog pražnjenja istom strujom, posebno u režimu pražnjenja startera.

Trenutno se u međunarodnoj praksi procjene kapacitivnih karakteristika starterskih baterija koristi koncept "rezervnog" kapaciteta. Karakterizira vrijeme pražnjenja baterije (u minutama) pri struji pražnjenja od 25 A, bez obzira na nazivni kapacitet baterije. Po nahođenju proizvođača, dozvoljeno je podesiti vrijednost nazivnog kapaciteta pri 20-satnom načinu pražnjenja u amper-satima ili rezervnom kapacitetu u minutama.

temperatura elektrolita. Sa njegovim smanjenjem, kapacitet pražnjenja baterija se smanjuje. Razlog tome je povećanje viskoznosti elektrolita i njegovog električnog otpora, što usporava brzinu difuzije elektrolita u pore aktivne mase. Osim toga, s padom temperature ubrzavaju se procesi pasivizacije negativne elektrode.

Temperaturni koeficijent kapacitivnosti a pokazuje promjenu kapacitivnosti u postocima za promjenu temperature od 1 °C.

Tokom ispitivanja, kapacitet pražnjenja dobijen u režimu dugotrajnog pražnjenja upoređuje se sa nominalnom vrednošću kapaciteta utvrđenom na temperaturi elektrolita od +25 °C.

Temperatura elektrolita pri određivanju kapaciteta u režimu dugotrajnog pražnjenja u skladu sa zahtjevima standarda treba biti u rasponu od +18 °C do +27 °C.

Parametri pražnjenja startera procjenjuju se trajanjem pražnjenja u minutama i naponom na početku pražnjenja. Ovi parametri se određuju u prvom ciklusu na +25°C (test za suhe baterije) iu narednim ciklusima na temperaturama od -18°C ili -30°C.

Stepen napunjenosti. Sa povećanjem stepena napunjenosti, pod jednakim uslovima, kapacitet se povećava i dostiže svoju maksimalnu vrednost kada su baterije potpuno napunjene. To je zbog činjenice da s nepotpunim punjenjem količina aktivnih materijala na obje elektrode, kao i gustoća elektrolita, ne dostižu svoje maksimalne vrijednosti.

Energija i baterija

Energija baterije W izražena je u vat-satima i određena je proizvodom njenog kapaciteta pražnjenja (punjenja) sa prosječnim naponom pražnjenja (punjenja).

Budući da se kapacitet baterije i njen napon pražnjenja mijenjaju s promjenom temperature i načina pražnjenja, sa smanjenjem temperature i povećanjem struje pražnjenja, energija baterije opada čak i značajnije od njenog kapaciteta.

Prilikom međusobnog upoređivanja hemijskih izvora struje, koji se razlikuju po kapacitetu, dizajnu, pa čak i u elektrohemijskom sistemu, kao i pri određivanju pravaca njihovog poboljšanja, koriste se specifičnim energetskim indikatorom, odnosno energijom po jedinici mase baterije ili njegov volumen. Za moderne olovne starterske akumulatore bez održavanja, specifična energija za 20-satno pražnjenje je 40-47 Wh/kg.

Količina energije koju baterija daje u jedinici vremena naziva se njenom snagom. Može se definirati kao proizvod veličine struje pražnjenja i prosječnog napona pražnjenja.

Samopražnjenje baterije

Samopražnjenje se naziva smanjenjem kapaciteta baterije s otvorenim vanjskim krugom, odnosno s neaktivnošću. Ova pojava je uzrokovana redoks procesima koji se spontano javljaju i na negativnim i na pozitivnim elektrodama.

Negativna elektroda je posebno osjetljiva na samopražnjenje zbog spontanog rastvaranja olova (negativna aktivna masa) u otopini sumporne kiseline.

Samopražnjenje negativne elektrode je praćeno evolucijom plinovitog vodika. Brzina spontanog rastvaranja olova značajno raste sa povećanjem koncentracije elektrolita. Povećanje gustine elektrolita sa 1,27 na 1,32 g/cm3 dovodi do povećanja stope samopražnjenja negativne elektrode za 40%.

Prisustvo nečistoća različitih metala na površini negativne elektrode ima vrlo značajan (katalitički) učinak na povećanje brzine samorastvaranja olova (zbog smanjenja prenapona evolucije vodika). Gotovo svi metali koji se nalaze kao nečistoće u sirovinama baterija, elektrolitima i separatorima, ili uneseni u obliku posebnih aditiva, doprinose povećanju samopražnjenja. Dolazeći na površinu negativne elektrode, olakšavaju uslove za evoluciju vodonika.

Neke nečistoće (soli metala s promjenjivom valentnošću) djeluju kao nosioci naboja s jedne elektrode na drugu. U ovom slučaju se ioni metala reduciraju na negativnoj elektrodi i oksidiraju na pozitivnoj (ovaj mehanizam samopražnjenja pripisuje se ionima željeza).

Samopražnjenje pozitivnog aktivnog materijala je zbog napredovanja reakcije.

2PbO2 + 2H2SO4 -> PbSCU + 2H2O + O2 T.

Brzina ove reakcije također se povećava s povećanjem koncentracije elektrolita.

Budući da se reakcija odvija oslobađanjem kisika, njena brzina je u velikoj mjeri određena prenaponom kisika. Stoga će aditivi koji smanjuju potencijal za evoluciju kisika (na primjer, antimon, kobalt, srebro) povećati brzinu reakcije samorastvaranja olovnog dioksida. Brzina samopražnjenja pozitivnog aktivnog materijala je nekoliko puta manja od brzine samopražnjenja negativnog aktivnog materijala.

Drugi razlog za samopražnjenje pozitivne elektrode je razlika potencijala između materijala kolektora struje i aktivne mase ove elektrode. Galvanski mikroelement koji nastaje kao rezultat ove potencijalne razlike pretvara olovo kolektora struje i olovni dioksid pozitivne aktivne mase u olovni sulfat kada struja teče.

Samopražnjenje se također može dogoditi kada je vanjski dio baterije prljav ili preplavljen elektrolitom, vodom ili drugim tekućinama koje omogućavaju pražnjenje kroz elektroprovodljivi film koji se nalazi između terminala baterije ili njenih kratkospojnika. Ova vrsta samopražnjenja se ne razlikuje od uobičajenog pražnjenja po vrlo malim strujama sa zatvorenim vanjskim krugom i može se lako eliminirati. Da biste to učinili, održavajte površinu baterija čistom.

Samopražnjenje baterija u velikoj mjeri ovisi o temperaturi elektrolita. Sa smanjenjem temperature, samopražnjenje se smanjuje. Na temperaturama ispod 0°C za nove baterije, praktično prestaje. Stoga se preporučuje skladištenje baterija u napunjenom stanju na niskim temperaturama (do -30 °C).

Tokom rada, samopražnjenje ne ostaje konstantno i naglo se povećava pred kraj radnog vijeka.

Smanjenje samopražnjenja moguće je povećanjem prenapona emisije kisika i vodika na elektrodama baterije.

Da bi se to postiglo, potrebno je, prije svega, koristiti najčistije moguće materijale za proizvodnju baterija, smanjiti kvantitativni sadržaj legirajućih elemenata u legurama baterija, koristiti samo

čiste sumporne kiseline i destilovane (ili bliske njoj čistoće kod drugih metoda prečišćavanja) vode za pripremu svih elektrolita, kako tokom proizvodnje tako i tokom rada. Na primjer, zbog smanjenja sadržaja antimona u trenutnoj leguri olova sa 5% na 2% i upotrebe destilovane vode za sve procesne elektrolite, prosječno dnevno samopražnjenje se smanjuje za 4 puta. Zamjena antimona kalcijumom omogućava dalje smanjenje stope samopražnjenja.

Dodavanje organskih tvari - inhibitora samopražnjenja - također može doprinijeti smanjenju samopražnjenja.

Upotreba zajedničkog poklopca i skrivenih interkonekcija značajno smanjuje stopu samopražnjenja zbog struja curenja, budući da je vjerovatnoća galvanske sprege između daleko razmaknutih terminala polova značajno smanjena.

Samopražnjenje se ponekad naziva brzim gubitkom kapaciteta zbog kratkog spoja unutar baterije. Ovaj fenomen se objašnjava direktnim pražnjenjem kroz provodne mostove formirane između suprotnih elektroda.

Upotreba separatora omotača u baterijama bez održavanja

eliminiše mogućnost kratkih spojeva između suprotnih elektroda tokom rada. Međutim, ova vjerovatnoća ostaje zbog mogućih kvarova u radu opreme tokom masovne proizvodnje. Obično se takav kvar otkrije u prvim mjesecima rada i baterija se mora zamijeniti pod garancijom.

Obično se stepen samopražnjenja izražava kao procenat gubitka kapaciteta tokom određenog vremenskog perioda.

Samopražnjenje je također karakterizirano trenutnim standardima naponom pražnjenja startera na -18 °C nakon testa: neaktivnost 21 dan na temperaturi od +40 °C.

Napon baterije, zajedno sa kapacitetom i gustoćom elektrolita, omogućava vam da izvučete zaključak o stanju baterije. Po naponu akumulatora u automobilu možete procijeniti stepen njegove napunjenosti. Ako želite biti svjesni statusa svoje baterije i pravilno se brinuti o njoj, onda svakako morate naučiti kako kontrolirati napon. Štaviše, prilično je lako. A mi ćemo pokušati na pristupačan način objasniti kako se to radi i koji su alati potrebni.

Prvo morate odlučiti o konceptima napona i elektromotorne sile (EMF) akumulatora automobila. EMF osigurava protok struje kroz kolo i osigurava razliku potencijala na priključcima napajanja. U našem slučaju, ovo je automobilski akumulator. Napon baterije je određen razlikom potencijala.

EMF je vrijednost koja je jednaka radu utrošenom na pomicanje pozitivnog naboja između terminala izvora napajanja. Vrijednosti napona i elektromotornih sila su neraskidivo povezane. Ako u bateriji nema elektromotorne sile, tada neće biti napona na njenim terminalima. Takođe treba reći da napon i EMF postoje bez prolaska struje u kolu. U otvorenom stanju nema struje u krugu, ali je elektromotorna sila i dalje pobuđena u bateriji i postoji napon na terminalima.

Obje veličine, emf i napon akumulatora, mjere se u voltima. Također je vrijedno dodati da elektromotorna sila u akumulatoru automobila nastaje zbog toka elektrohemijskih reakcija unutar njega. Ovisnost EMF-a i napona baterije može se izraziti sljedećom formulom:

E = U + I*R 0 gdje je

E je elektromotorna sila;

U je napon na terminalima baterije;

I je struja u kolu;

R 0 - unutrašnji otpor baterije.

Kao što se može shvatiti iz ove formule, EMF je veći od napona baterije za količinu pada napona unutar njega. Da ne biste punili glavu nepotrebnim informacijama, da to pojednostavimo. Elektromotorna sila baterije je napon na terminalima baterije bez uzimanja u obzir struje curenja i vanjskog opterećenja. Odnosno, ako izvadite bateriju iz automobila i izmjerite napon, tada će u takvom otvorenom krugu biti jednak EMF-u.

Mjerenja napona vrše se instrumentima kao što su voltmetar ili multimetar. U bateriji, EMF vrijednost ovisi o gustini i temperaturi elektrolita. Sa povećanjem gustine elektrolita, povećavaju se i napon i EMF. Na primjer, pri gustoći elektrolita od 1,27 g / cm 3 i temperaturi od 18 C, napon baterije baterije je 2,12 volti. A za bateriju koja se sastoji od šest ćelija, vrijednost napona će biti 12,7 volti. Ovo je normalni napon akumulatora automobila koji je napunjen i nije pod opterećenjem.

Normalan napon akumulatora automobila

Napon na akumulatoru automobila bi trebao biti 12,6-12,9 volti ako je potpuno napunjen. Mjerenje napona baterije omogućava vam brzu procjenu stepena napunjenosti. Ali pravo stanje i propadanje baterije od napona ne može se znati. Da biste dobili pouzdane podatke o stanju baterije, morate provjeriti njegovu stvarnu i provesti test pod opterećenjem, o čemu će biti riječi u nastavku. Savjetujemo vam da pročitate materijal o tome kako.

Međutim, uz pomoć napona uvijek možete saznati stanje napunjenosti baterije. Ispod je tabela stanja napunjenosti baterije koja prikazuje napon, gustinu i tačku smrzavanja elektrolita, u zavisnosti od napunjenosti baterije.

			Stepen napunjenosti baterije,%
Gustoća elektrolita, g/cm. kocka (+15 gr. Celzijusa)	Napon, V (u odsustvu opterećenja)	Napon, V (sa opterećenjem od 100 A)	Stepen napunjenosti baterije,%	Tačka ledišta elektrolita, gr. Celzijus
1,11	11,7	8,4	0	-7
1,12	11,76	8,54	6	-8
1,13	11,82	8,68	12,56	-9
1,14	11,88	8,84	19	-11
1,15	11,94	9	25	-13
1,16	12	9,14	31	-14
1,17	12,06	9,3	37,5	-16
1,18	12,12	9,46	44	-18
1,19	12,18	9,6	50	-24
1,2	12,24	9,74	56	-27
1,21	12,3	9,9	62,5	-32
1,22	12,36	10,06	69	-37
1,23	12,42	10,2	75	-42
1,24	12,48	10,34	81	-46
1,25	12,54	10,5	87,5	-50
1,26	12,6	10,66	94	-55
1,27	12,66	10,8	100	-60

Savjetujemo vam da povremeno provjeravate napon i po potrebi punite bateriju. Ako napon akumulatora padne ispod 12 volti, potrebno ga je napuniti iz mrežnog punjača. Njegov rad u ovom stanju je veoma obeshrabren.

Rad baterije u ispražnjenom stanju dovodi do povećanja sulfatizacije ploča i, kao rezultat, pada kapaciteta. Osim toga, to može dovesti do dubokog pražnjenja, što je slično smrti kalcijumskih baterija. Za njih je 2-3 duboka pražnjenja direktan put do deponije.

Pa, sada o tome kakav alat treba vozaču za kontrolu napona i stanja baterije.

Alati za praćenje napona akumulatora automobila

Sada kada znate koliki je normalni napon akumulatora automobila, hajde da pričamo o njegovom merenju. Za kontrolu napona potreban vam je multimetar (koji se naziva i tester) ili običan voltmetar.

Da biste mjerili napon multimetrom, morate ga prebaciti u način mjerenja napona, a zatim priključiti sonde na terminale baterije. Akumulator se mora ukloniti iz automobila ili iz njega ukloniti terminale. To jest, mjerenja se vrše na otvorenom krugu. Crvena sonda ide na pozitivni terminal, crna na negativni terminal. Displej će pokazati vrijednost napona. Ako pomiješate sonde, neće se dogoditi ništa loše. Samo multimetar će pokazati negativnu vrijednost napona. Više o članku pročitajte na priloženom linku.

Postoji i takav uređaj kao što je teretna viljuška. Oni također mogu mjeriti napon. Da biste to učinili, utikač za opterećenje ima ugrađen voltmetar. Ali mnogo zanimljivije za nas je to što utikač za opterećenje omogućava mjerenje napona baterije u zatvorenom krugu s otporom. Na osnovu ovih očitavanja možete procijeniti stanje baterije. Zapravo, teretna viljuška stvara imitaciju pokretanja motora automobila.

Da biste izmjerili napon pod opterećenjem, spojite priključke utikača za opterećenje na terminale baterije i uključite opterećenje na 5 sekundi. U petoj sekundi pogledajte očitanja ugrađenog voltmetra. Ako je napon pao ispod 9 volti, onda je baterija već otkazala i treba je zamijeniti. Naravno, pod uslovom da je baterija potpuno napunjena iu otvorenom krugu proizvodi napon od 12,6-12,9 volti. Na radnoj bateriji, kada se primijeni opterećenje, napon će prvo pasti negdje do 10-10,5 volti, a zatim početi lagano rasti.

Šta treba zapamtiti?

U zaključku, evo nekoliko savjeta koji će vas spasiti od grešaka pri radu baterije:

• povremeno mjerite napon baterije i redovno (jednom svaka 3 mjeseca) punite je iz mrežnog punjača;
• održavajte alternator, ožičenje i regulator napona automobila u dobrom stanju kako biste pravilno napunili bateriju kada putujete. Vrijednost struje curenja mora se redovno provjeravati. i njegovo mjerenje opisano je u članku kao referenca;
• provjerite gustinu elektrolita nakon punjenja i pogledajte gornju tabelu;
• održavajte bateriju čistom. Ovo će smanjiti struju curenja.

Pažnja! Nikada nemojte kratko spajati terminale akumulatora automobila. Posljedice će biti tužne.

To je sve što sam htio reći o naponu akumulatora automobila. Ako imate dopune, ispravke i pitanja, napišite ih u komentarima. Sretan vijek trajanja baterije!

Objavljeno u