Принцип работы свинцовых батарей

Поскольку правильная работа солнечной энергосистемы на 100% зависит от работы аккумуляторной батареи в полностью заряженном, постоянно уравниваемом состоянии, стоит рассмотреть простую химическую схему того, почему это так и что система должна делать для поддержания этих условий.

Физическая конструкция батареи довольно проста. Она состоит из внешнего пластикового корпуса, положительной пластины из перекиси свинца, отрицательной пластины из чистого свинца и жидкого раствора воды и кислоты, называемого электролитом.

На этой схеме показана конструкция одной ячейки свинцово-кислотной батареи. Она производит около 2 вольт. Когда 6 из этих элементов соединены вместе таким образом, что их напряжение суммируется, образуется 12-вольтовая батарея.

Термин "батарея" происходит от старой военной терминологии, когда группа крупных орудий, таких как пушки или минометы, была скомпонована в группу. Эта группа орудий называлась "пушечной батареей", и её военный эффект был намного больше, чем эффект одиночной пушки или миномета. Современные электрические батареи также более эффективны при совместном использовании нескольких электрохимических элементов.

На следующем рисунке поясняется, что происходит при извлечении электричества из батареи. Формулы, a, b и c, являются символическим выражением той же информации, что и описания слов.

(а). На положительной пластине: Перекись свинца и серная кислота производят сульфат свинца, воду и кислород.

(b). На отрицательной пластине: Свинец и серная кислота производят сульфат свинца и водород.

(с).Кислород уравнения а и водород уравнения b объединяются для образования воды, что можно показать, соединив эти два уравнения.

Итак, что происходит, когда электричество выводится из батареи? Ответ на этот вопрос изложен выше в уравнении (с). Две молекулы кислоты в электролите в сочетании со свинцовыми материалами положительных и отрицательных пластин образуют две молекулы воды и две молекулы сульфата свинца.

Таким образом, электричество становится доступным для использования вне батареи, когда внутри нее образуется молекула воды. Это и есть "маленький секрет" индустрии аккумуляторов. Свинцово-кислотные батареи, по сути, являются обратимыми "водяными топливными элементами". Вопрос в том, сколько раз этот процесс может быть цикличным. Ответ поразит вас.

Вот что происходит с напряжением при разряде батареи.

Как видно из графика, как только нагрузка подключается к батарее, ее напряжение немного падает. Затем напряжение стабилизируется и остается постоянным в течение длительного времени, прежде чем снова падает в конце.

Первое падение напряжения указывает на то, что химические изменения, о которых мы говорили ранее, начали происходить. Длительный, стабильный период напряжения указывает на то, что эти химические реакции протекают достаточно быстро, чтобы обеспечить необходимое количество электроэнергии для питания нагрузок, и что имеется достаточно материалов для химических процессов, которые могут произойти. Когда напряжение начинает падать ближе к концу времени разряда, это означает, что в электролите заканчивается кислота, необходимая для реакции с пластинами, и настало время заряжать батарею.

На самом деле, в батарее происходит две вещи, которые вызывают падение напряжения. Во-первых, мы должны помнить, что делает напряжение в первую очередь. Напряжение - это просто электрическая "разность потенциалов", указывающая на " физическую " химическую разность " между положительной и отрицательной пластинами. Когда мы начинали, положительная пластина была на 100% перекисью свинца, а отрицательная - на 100% чистым свинцом. По мере прохождения электрического разряда сульфат свинца оседает на обеих пластинах в виде молекул воды, "стекающей" в электролит. Таким образом, батарейные пластины теряют свою "химическую разницу", поскольку один и тот же материал, сульфат свинца, накапливается на обоих из них. Как только "химическая разница" медленно исчезает, исчезает и "электрическая разница". И исчезновение "электрической разницы" - это падение напряжения.

Вот что происходит, когда разряжается батарея. Итак, что произойдет, когда батарея снова зарядится? На следующем графике показано, что происходит с напряжением при зарядке аккумулятора.

 Таким образом, напряжение начинается с "М" и будет немного возрастать по мере заряда. Степень его повышения зависит от состояния батареи и мощности применяемого заряда. Затем он очень медленно поднимается через "N", пока не достигнет "O". Это основное зарядное плато, и большую часть времени во время зарядки будет проходить именно здесь. При "O" напряжение начинает расти быстрее, пока не достигнет "P", что является самым высоким значением напряжения, которое может быть достигнуто. После "P" напряжение может слегка упасть до "R", что указывает на завершение процесса зарядки.

Когда электричество подается на батарею, чтобы начать процесс зарядки, молекулы воды начинают расщепляться, образуя водород и кислород. Но это только первый шаг. Если эти газы просто выходят наружу, батарея НЕ заряжается.

Кислород должен смешиваться со свинцом на положительной пластине для получения перекиси свинца, и эти заново образованные молекулы перекиси свинца должны механически соединиться с другим имеющимся материалом - перекисью свинца. Водород должен оставаться в электролите в виде заряженного иона и удалять ионы сульфатов из обеих пластин для восстановления формы серной кислоты. Только когда эти два процесса происходят после разрушения молекулы воды, аккумулятор действительно "заряжается".

Из графика видно, что напряжение свинцово-кислотной батареи приближается к 15,2 вольт по окончании процесса зарядки. Точка "P" на графике указывает на то, что в пластинах нет сульфатных ионов и что 100% химикатов были изменены по сравнению с последним разрядом.

Если процесс зарядки останавливается до достижения точки "Р", это означает, что некоторые ионы сульфатов все еще остаются в пластинах. Если по какой-либо причине не удастся поднять напряжение до конечного уровня, зарядка НЕ завершится.

Это еще один "маленький секрет" индустрии аккумуляторов. Ограничивая напряжение, подаваемое большинством зарядных устройств до 14,6 вольт, они знают, что батареи будут работать только в течение определенного количества циклов, поскольку небольшое количество сульфатных ионов (специально) остается в пластинах в конце каждого заряда.

Таким образом, повторная неполная зарядка приводит к выходу из строя большинства батарей. Свинцово-кислотная батарея, заряженная до конечного уровня напряжения в конце каждого цикла зарядки, может легко работать в течение 5000 циклов зарядки и разрядки, что составляет более 15 лет службы. Это способ продлить срок службы ваших аккумуляторов на очень долгое время.