Лекция №4. Лекция 4. Щелочные аккумуляторы План лекции Классификация щелочных аккумулятор ов

• Название: Лекция 4. Щелочные аккумуляторы План лекции Классификация щелочных аккумулятор ов
• Дата: 23.05.2019
• Размер: 141.5 Kb.
• Имя файла: Лекция №4.doc
• Тип: Лекция; #78382

Лекция №4. Щелочные аккумуляторы
План лекции:

1. 
   Классификация щелочных аккумуляторов
   
2. 
   Аккумуляторные помещения
   
3. 
   Новые перспективные химические источники тока
   

1. 
   Классификация щелочных аккумуляторов
   

Щелочные аккумуляторы используют в переносной аппаратуре и на подвижных объектах. По составу активных масс пластин щелочные аккумуляторы бывают никелъ-железные (НЖ), никель-кадмиевые (НК) и серебряно-цинковые (СЦ). Наибольшее распространение получили НЖ- и НК-аккумуляторы. По устройству они мало отличаются друг от друга. В стальном никелированном сосуде находятся блоки положительных и отрицательных пластин, разделенных сепараторами. Пластины имеют одинаковую конструкцию и различаются только активной массой. Они состоят из стальной обоймы, в которую вставляются пакеты (ламели) из стальной никелированной ленты с от­верстиями. В пакеты запрессована активная масса. Для отрицательных пластин это железный порошок Fe, а для положительных—гидроксида никеля Ni(OH)3, для лучшей электропроводности перемешанный с графитом. Уравнение химической реакции, происходящей в аккуму­ляторе при заряде и разряде:

В НЖ-аккумуляторе число отрицательных пластин на одну больше, чем положительных. Крайние (отрицательные) пластины касаются корпуса, и он сообщается с отрицательным полюсом аккумулятора. Электролитом служит раствор едкого кали КОН или натрия NaOH, в воде имеющий плотность 1,21 г/см³, с добавкой едкого лития LiOH. Для аккумуляторов этого типа используют обозначение: НЖ-45 (НЖ озна­чает электрохимическую систему, а 45–емкость аккумулятора, А·ч).

В никель-кадмиевых аккумуляторах активная масса отрицательных пластин состоит из губчатого кадмия. Положительные пластины в них идентичны пластинам НЖ-аккумуляторов. В НК-аккумуляторах положи­тельные пластины крайние. Они касаются корпуса, вследствие чего он сооб­щается с положительным полюсом.

Обозначение НК-аккумуляторов этой конструкции такое же, как и никель-железных.

В переносной аппаратуре с небольшим потреблением энергии широко используют малогабаритные герметичные никель-кадмиевые аккуму­ляторы. Их выпускают в трех конструктивных вариантах: дисковые, ци­линдрические и прямоугольные. Эти аккумуляторы обладают небольшой емкостью С=0,06...1,5А·ч. Особенностью таких аккумуляторов является поглощение ими газов, выделяемых активными массами электродов при заряде. Однако скорость поглощения газов мала, и давление в акку­муляторе значительно возрастает, что может привести к деформации и даже разрыву корпуса. При этом зарядный ток I_з < 0,1С_н. Герметичные аккумуляторы маркируются таким образом: 7Д0,1, где 7–число после­довательно соединенных аккумуляторов в батарее; Д–тип конструкции (дисковый); 0,1 – емкость, А·ч.

Электрические характеристики. Электродвижущая сила у заря­женных никель-железных аккумуляторов 1,5 В, у разряженных 1,3 В, а у НК-аккумуляторов соответственно 1,4 и 1,27 В.

Напряжение аккумуляторов в конце заряда U_з = 1,8 В. При нормаль­ном разряде напряжение снижается до U_рк = 1,0 В, при кратковременном режиме до U_рк = 0,5 В. Среднее напряжение разряда U_р = 1,27 В.

Емкость аккумуляторов определяется размером и числом пластин и мало зависит от тока разряда и температуры электролита. Для щелочных аккумуляторов отдача по емкости η_с = 0,65, отдача по энергии η_w = 0,5.

Внутреннее сопротивление заряженного аккумулятора, Ом, r_вн = 0,35/С_н, а разряженного аккумулятора r_вн = (1,5...2)0,35/С_н.

Саморазряд щелочных аккумуляторов за 30 суток хранения при температуре 20°С составляет 30–50 % номинальной емкости.

Щелочные аккумуляторы, за исключением герметичных никель- кадмиевых, поставляются с завода-изготовителя сухими, без электролита, который заливают перед зарядкой. Первичным заряд аккумуляторов осуществляется в течение 12 ч током Э_з = С_н/4, а эксплуатационный заряд таким же током—в течение 6 ч. Номинальным разряд аккумулятора длится 8 ч. По основным электрическим характеристикам (E, U, r_вн, η_w) щелочные аккумуляторы уступают кислотно-свинцовым, но допускают большие разрядные токи, менее чувствительны к короткому замыканию, обладают более высокой механической прочностью.
2. Аккумуляторные помещения
Для размещения аккумуляторных батарей оборудуют специальные помещения, называемые аккумуляторными. Не разрешается размещать в одном помещении кислотно-свинцовые и щелочные аккумуляторы. Размеры аккумуляторной зависят от типа и числа аккумуляторов. Необходимо, чтобы высота аккумуляторного помещения была 3 м, в отдельных случаях допускаются более низкие потолки, но не менее 2,4 м. Пол в аккумуляторной, выполняемый на бетонном основании, должен быть строго горизонтальным. Сверху на пол наносят два слоя специального электролитоупорного асфальта или один слой асфальта, и на него укладывают метлахские плитки. Потолки и стены следует тщательно оштукатурить и покрыть электролитоупорной краской.

Стеллажи в аккумуляторной расположены так, чтобы обеспечивался свободный доступ к аккумуляторам для их текущего обслуживания и ремонта. Расстояние между стеллажами должно быть не менее 1 м. Аккумуляторные батареи размещают так, чтобы исключалась возможность одновременного случайного прикосновения к двум токоведущим частям, имеющим разность потенциалов более 250 В. Для проводки в акку­муляторных помещениях используют кабель в полихлорвиниловой оболочке с медными жилами в резиновой изоляции или шинопроводы. Кабели укладывают в металлические трубы под полом аккумуляторной. Концы труб, выходящие из-под пола, заливают гудроном.

При работе аккумуляторы выделяют водород и кислород, образуя взрывоопасную гремучую смесь. Для устранения гремучей смеси акку­муляторные оборудуют приточно-вытяжной вентиляцией, которая должна обеспечивать 5–10-кратный обмен воздуха в час в зависимости от числа и типа аккумуляторов и от размеров помещения. Вентиляционная установка находится вне аккумуляторной и осуществляет приток подогретого воздуха по металлическому или шлакобетонному коробам, размещаемым на высоте 1,5 м от пола. Отверстия делают на противоположной стенке: вверху для удаления легких газов (водорода) и внизу для удаления тяжелых газов (кислорода). Затем вытяжные короба в виде шахты или трубы выводят наверх, так, чтобы они возвышались над крышей не менее чем на 1,5 м.

Аккумуляторное помещение рекомендуется отапливать калориферным устройством, подающим теплый воздух через вентиляционный канал. Применяется также водяное или паровое центральное отопление. Для нормальной работы аккумуляторов температура в помещении должна быть не ниже +10°С.

В дневное время используют естественное освещение. Для исключения нагрева аккумуляторов от прямого попадания солнечных лучей оконные стекла делают матовыми или покрывают их тонким слоем светлой краски. В темное время суток применяют искусственное освещение с освещен­ностью не менее 40 лк. В аккумуляторной устанавливают газонепрони­цаемые, взрывобезопасные светильники, исключающие взрыв газов. Выключатели и розетки для переносных ламп устанавливают перед входом в аккумуляторное помещение.

Для исключения попадания вредных газовых выделений от аккуму­ляторов в соседние помещения аккумуляторная отделяется тамбуром с дверями, открывающимися наружу. Площадь тамбура должна быть не менее 1,5 м² и обеспечивать свободное открывание внутренней двери при закрытой входной. Рядом с аккумуляторной размещается помещение кислотной для хранения кислоты, дистиллированной воды, запасных частей и принадлежностей для приготовления электролита. В этом помещении имеется также водопроводный кран для промывки аккумуляторов и инструментов.

При попадании на кожу или одежду серной кислоты ее необходимо нейтрализовать 10 %-ным раствором соды или нашатырного спирта. Лица, обслуживающие аккумуляторы, должны иметь диэлектрические перчатки, фартуки и галоши.

Обычно аккумуляторные размещают на первом этаже рядом с помещением для выпрямителей.
3. Новые перспективные химические источники тока
Малоуходные кислотно-свинцовые аккумуляторы. Начиная с 1970-х гг. выпускаются малоуходные (малообслуживаемые), требующие незначительного ухода, и герметизированные или необслуживаемые аккумуляторные батареи.

Малоуходными называются закрытые аккумуляторы, изготовленные по классической технологии с жидким электролитом, но требующие мень­ших затрат на обслуживание. Среди ведущих фирм мира по производству таких аккумуляторов можно отметить Sonnenschein, HOPPECKE (Германия), COSLIGHT, CASIL (Китай), Oldham France (Франция), FIAMM (Италия), YUASA (Великобритания), CSB (Япония/Тайвань).

Малообслуживаемые аккумуляторы требуют доливки воды 1 раз в 2–6 лет в зависимости от активных масс электродов. Конструктивной особенностью является возможность заливки электролита с некоторым запасом, а прозрачный корпус позволяет легко определять и контро­лировать его уровень.

Основное преимущество малообслуживаемых аккумуляторов, изго­товленных по технологии с жидким электролитом, –увеличенный по сравнению с герметизированными аккумуляторами срок службы.

В малоуходных аккумуляторах в процессе перезаряда происходит распыление электролита с выделением газов. Уменьшение расхода жидкого электролита достигается использованием клапанов, пропускающих газы, но задерживающих жидкость. Для увеличения интервалов между работами по уходу за аккумуляторами некоторые фирмы используют пробки с каталитическими насадками. Например, фирма Hoppecke использует AquaGen, которые представляют собой специальные пробки, вмонтированные в крышки аккумуляторов. Эти насадки содержат в себе металлические катализаторы (катализатор–вещество, небольшие добав­ки, которого ускоряют химическую реакцию или изменяют ее скорость). Образующийся в аккумуляторах водяной пар конденсируется и стекает в аккумулятор.

Герметизированные кислотно-свинцовые аккумуляторы. Благодаря развитию технологии производства аккумуляторов удалось избавиться от жидкого электролита и уменьшить выделение газов. Это позволило создать необслуживаемые аккумуляторы.

Герметизированными называются аккумуляторы в герметичном корпусе, не требующие обслуживания и дополнительной доливки воды в течение всего срока службы.

Преимуществом герметизированных аккумуляторов является то, что они могут устанавливаться в стойках питаемой аппаратуры, в закрытых помещениях с естественной вентиляцией, а также в одном помещении с работающим персоналом. Отсутствие необходимости в отдельном акку­муляторном помещении и принудительной вентиляции значительно сокращает затраты на установку и обслуживание аккумуляторов.

К достоинствам герметизированных свинцово-кислотных акку­муляторных батарей относятся невысокая стоимость, малый саморазряд. При правильных условиях заряда и разряда они могут выдерживать 800–1000 циклов. Однако эти аккумуляторы имеют самую низкую удельную емкость и очень чувствительны к глубоким циклам разряда, что приводит к сокращению срока службы.

В настоящее время активно внедряются герметизированные акку­муляторы, выполненные по технологиям DryfitwAGM (абсорбирован­ный электролит).

В них используются два основных способа «связывания» электролитов:

– перевод в гелеобразное состояние (Gelled Electrolite — GEL);

– пропитка жидким электролитом пористого заполнителя, например стекловолокна (технология абсорбированного электролита Absorptive Glass Mat–AGM);

Технология GEL, разработанная в конце 50-х гг., предусматривает в качестве загустителя добавки в электролит: силикагель, алюмогель, сульфат кальция и др. Перед заполнением аккумулятора такое желе интенсивно пе­ремешивают, и оно становится текучим. После заполнения аккумулятора в результате застывания геля образуется много пор, которые способст­вуют свободному движению газообразного кислорода.

Технология AGM, разработанная в конце 70-х годов, использует пропи­танный жидким электролитом пористый заполнитель из стекловолокна. Микропоры этого материала заполнены электролитом не полностью. Свободный объем используется для рекомбинации газов.

Кроме того, применяются различные гибридные технологии, исполь­зующие один или несколько способов улучшения параметров аккумуля­торов. Сравнение параметров, изготовленных по GEL- и AGM-техноло­гиям, аккумуляторов показывает некоторые преимущества последних, особенно при больших токах, что обусловлено как самой конструкцией, так и другими технологическими усовершенствованиями.

Применение особо чистых материалов, отсутствие доступа атмосфер­ного кислорода и загрязнения поверхности аккумуляторов кислотой существенно уменьшили саморазряд аккумуляторов, что увеличило их срок хранения.

В качестве электролита для аккумуляторных батарей применяют раствор серной кислоты в дистиллированной воде многократного очи­щения. Корпуса герметизированных аккумуляторов изготавливают из облегченных, прочных и пожаробезопасных материалов, стойких к длительному воздействию серной кислоты.

Совершенствование свинцовых аккумуляторов идет по пути изыс­кания новых сплавов для решеток, облегченных и прочных материалов корпусов, улучшения качества сепараторов.

Разработаны такие материалы для изготовления пластин, как медно­кальциевые сплавы, покрытые оксидом свинца, титановые, алюминиевые и медные решетки. В таких аккумуляторах используют электроды с малым содержанием сурьмы — не более 3 %.

Применение мало- или бессурьмянистых сплавов значительно уменьшает разложение воды, однако неизбежно происходит некоторый расход воды на газообразование, как неотъемлемое свойство свинцовых аккумуляторов. Поэтому свинцовые аккумуляторы не могут изготавливаться полностью герметичными, как щелочные. Все герметизированные свинцовые аккумуля­торы имеют регулирующий клапан для сброса избыточного давления, который дает возможность стравливать газ. Практически клапан откры­вается лишь при нарушении правил эксплуатации, а потеря воды настолько незначительна в расчете на срок службы, что не требуется ее восполнение.

Особенно интенсивное выделение газов (водорода и кислорода) наблю­дается в конце заряда, при перезаряде и при переполюсовке вследствие глубокого разряда. В таких аккумуляторах зарядные и разрядные токи ограничены из-за недопустимости большого газовыделения и создания избыточного давления.

Частичная герметизация возможна при рекомбинации газов по кислородному циклу. Скорость газовыделения при заряде на положительном и отрицательном электродах неодинакова: кислород выделяется на положительном электроде раньше, чем на отрицательном выделяется водород. «Связанный» электролит имеет внутри поры, позволяющие ионам кислорода свободно перемещаться от положительного электрода к отрицательному. На отрицательном электроде происходит реакция соединения кислорода с водородом с образованием воды: 2e-+2H+1/2O₂= H₂O.

Существенное значение для эксплуатации герметизированных свин­цовых аккумуляторов имеет оптимальный режим заряда. Предпочтителен заряд при постоянном напряжении, значение которого не должно намного превышать напряжение разомкнутой цепи (НРЦ).

Герметизированные аккумуляторы перекрывают диапазон емкостей от 1 до 12000 А·ч.

Для получения достаточно больших значений напряжения или разрядных токов отдельные аккумуляторы соединяются последовательно или параллельно в батареи. Промышленность выпускает моноблочные батареи, содержащие в одном корпусе несколько последовательно соединенных банок. Напряжение таких батарей соответствует одному из предусмотренных стандартом значений: 2, 4, 6, 12 В и более элементов в моноблоке.

Совершенствование конструкции источников питания направлено на обеспечение максимальной емкости при минимальных размерах, расши­рение температурного диапазона работы и увеличение срока службы. В настоящее время имеются десятки разных видов конструкций аккумуля­торов, в которых фирмы-изготовители старались достичь оптимального сочетания этих характеристик.

Аккумуляторы, используемые для питания переносной аппаратуры можно разделить в зависимости от их электрохимической системы на четыре основных вида: никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-металл-гидридные (Ni-MH), литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Pol).

Герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы предлагают идеальное решение для особенно больших токовых нагрузок. Они дают высокую стабильность напряжения при перезарядке, имеют быстрое время зарядки и выдерживают более 1000 зарядно-разрядных циклов.

У никель-кадмиевого элемента положительная пластина состоит из гидроксида никеля, а отрицательная — из гидроксида кадмия. Две пластины изолированы разделителем, который увлажнен электролитом.

Выпускаются никель-кадмиевые аккумуляторы на небольшие емкости в пределах 0,03...50 Ач, удельная энергия 40...60 Втч/кг и до 150 кВтч/дм³. Этот тип аккумуляторов характеризуется значительным саморазрадом. Аккумулятор теряет около 10 % своей емкости в течение первых 24 часов, в дальнейшем саморазряд снижается.

Никель-металл-гидридные (Ni-MH) аккумуляторы. Эти аккуму­ляторы появились в результате замены кадмиевого электрода на электрод из сплавов никеля с металлами редкоземельной группы, способных к ад­сорбции (поглощению) и десорбции (отдаче) его при перемене полярности.

Аккумуляторы этой системы безопасны для окружающей среды, они не содержат экологически вредного материала—кадмия. Современные Ni-МН аккумуляторы имеют большую плотность энергии, чем у Ni-Cd аккумуляторов и емкость их значительно выше. Эти аккумуляторы недоро­гие, хотя их цена выше, чем Ni-Cd. Характеристики современных акку­муляторов приведены в табл. 4.1.

Они характеризуются стабильной работой в широком диапазоне температур (-20 до +60^оС), не обладают таким ярко выраженным «эффектом памяти», как Ni-Cd, т.е. их можно заряжать после частичного разряда без потери емкости. Достаточно в качестве профилактики периодически дожидаться их полного разряда. Во всех аккумуляторах этой марки предусмотрены предохранительные клапаны.

Однако Ni-MH аккумуляторы плохо переносят низкие температуры, к тому же они чувствительны к перегреву и перезарядке. Эти аккумуляторы по сравнению с Ni-Cd выделяют значительно большее количество тепла во время заряда и требуют реализации более сложного алгоритма для обнаружения момента полного заряда. Рекомендуемый ток разряда для Ni-MH аккумуляторов значительно меньше, чем для Ni-Cd. Так изготови­тели рекомендуют ток нагрузки от 0,5 C до 1,0 C—номинальной емкости. Этот недостаток некритичен, если требуемый ток нагрузки низок. Для потребителей, требующих высокого тока нагрузки или имеющих импульсную нагрузку, рекомендуются Ni-Cd аккумуляторы.

Таблица 4.1
Характеристики современных аккумуляторов


Саморазряд Ni-MH аккумуляторов в 1,5 раза выше, чем у Ni-Cd (до 30% в месяц). Применение гидридных материалов, улучшающих связывание водорода для уменьшения саморазряда, обычно приводит к уменьшению емкости аккумулятора.

При правильном использовании срок службы Ni-Cd и Ni-МН акку­муляторов примерно два года.

В настоящее время наиболее перспективными считаются литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы. Отличаются эти типы аккумуляторов различным агрегатным состоянием электролита. В первых используется жидкий электролит—раствор фторсодержащих солей лития типа LiPF₆ в смеси карбонатов, например этиленкарбоната. В Li-Pol аккумуляторах — загущенные гелевые и твердые электролиты, представляющие собой органическую или неорганическую полимерную матрицу с солями лития.

Их основные преимущества: полное отсутствие «эффекта памяти» и очень маленький вес при большой емкости. Li-Ion аккумуляторы устойчивы к длительному хранению и имеют малый саморазряд (менее 1 % в год). Они обладают стабильностью разрядного напряжения и высо­ким напряжением разряда (до 3,6 В).

Но Li-Ion аккумуляторы хуже переносят низкие температуры (начиная с -20°С). К тому же они боятся ударов, сильные сотрясения приводят к значительным потерям емкости. Еще одним недостатком является довольно сложная технология их изготовления и, следовательно, они значительно дороже своих предшественников.

В Li-Ion аккумуляторах нет электродов из металлического лития и его сплавов. Литий внедрен в материал анодной массы, т.е. образует соединение внедрения. В процессе разряда происходит деинтеркаляция (извлечение) лития, перенос иона Li+ к положительному электроду и интеркаляция (внедрение) его в активное вещество катода. При разряде происходит обратный процесс. Наиболее распространенным материалом отрицательного электрода Li-Ion аккумуляторов является углерод. Ве­дутся интенсивные разработки аккумуляторов с применением более сов­ременных материалов.

Ресурс работы Li-Ion аккумуляторов вдвое больше, чем у других— до 4 лет.

Первоначальная концепция литий-полимерных (Li-Pol) аккуму­ляторов основана на использовании твердого электролита на полимерной основе. Эта идея предусматривает технологичность в производстве и соответственно низкую цену. Плотность энергии этого типа аккумулятора еще больше, т. е. примерно в три раза выше, чем у никель-кадмиевого аккумулятора, а саморазряд значительно ниже [14].

Так как данная конструкция использует твердый электролит и реализуется набором различных пленок, можно получать очень гибкие конструктивные формы до 1 мм толщиной.

Твердый электролит, по сравнению с жидким и гелеобразным, имеет ряд преимуществ. Во-первых, в новой конструкции исключена воз­можность утечки электролита и нет осаждения изолирующего слоя на поверхности электродов, что приводит к сокращению времени работы аккумулятора. Во-вторых, отсутствие пожароопасного жидкого электролита значительно повышает безопасность использования таких аккумуляторов.

Li-Pol аккумуляторы обладают большим количеством зарядных циклов, при этом они не теряют своих качеств при низких температурах. Недостаток литий-полимерного аккумулятора в том, что он не допускает больших разрядных токов.