Саморазряд свинцового аккумулятора

Саморазрядом называют снижение ёмкости аккумуляторов при разомкнутой внешней цепи, то есть при их бездействии.

 

Это явление вызвано окислительно-восстановительными процессами, самопроизвольно протекающими как на отрицательном, так и на положительном электродах аккумулятора.

 

Саморазряду особенно подвержен отрицательный электрод, вследствие самопроизвольного растворения свинца (отрицательной активной массы) в растворе серной кислоты по реакции

 

Pb + H₂SO₄ → PbSO₄ + H₂ ↑

 

Как видно из уравнения реакции, саморазряд отрицательного электрода сопровождается выделением газообразного водорода. Скорость самопроизвольного растворения свинца существенно возрастает с повышением концентрации электролита. Так, например, повышение плотности электролита с 1,27 до 1,32 г/см³ приводит к росту скорости саморазряда отрицательного электрода на 40 % [5].

 

Наличие примесей различных металлов на поверхности отрицательного электрода свинцового аккумулятора оказывает весьма значительное влияние (каталитическое) на увеличение скорости саморастворения свинца, вследствие снижения перенапряжения выделения водорода. Практически все металлы, встречающиеся в виде примесей в аккумуляторном сырье, электролите и сепараторах, или вводимые в виде специальных добавок, способствуют повышению саморазряда. Попадая на поверхность отрицательного электрода, они облегчают условия выделения водорода.

 

Часть примесей (соли металлов с переменной валентностью) действуют, как переносчики зарядов с одного электрода на другой. В этом случае ионы металлов восстанавливаются на отрицательном электроде и окисляются на положительном электроде (такой механизм саморазряда приписывается ионам железа).

 

Саморазряд положительного активного материала обусловлен протеканием реакции:

 

2PbO₂ + 2H₂SO₄ → PbSO₄ + 2H₂O + O₂ ↑

 

Скорость данной реакции также возрастает с ростом концентрации электролита.

Так как приведённая выше реакция протекает с выделением кислорода, то скорость её в значительной степени определяется кислородным перенапряжением. Поэтому добавки, снижающие потенциал выделения кислорода (например: сурьма, кобальт, серебро), будут способствовать росту скорости реакции саморастворения двуокиси свинца. Следует отметить, что скорость саморазряда положительного активного материала в несколько раз ниже скорости саморазряда отрицательного активного материала.

 

Другой причиной саморазряда положительного электрода является разность потенциалов материала токоотвода и активной массы этого электрода. Возникающий вследствие этой разности потенциалов гальванический микроэлемент превращает при протекании тока свинец токоотвода и двуокись свинца положительной активной массы в сульфат свинца.

 

Саморазряд может возникать также, когда аккумулятор снаружи загрязнён или залит электролитом, водой или другими жидкостями, которые создают возможность разряда через электропроводную плёнку, находящуюся между полюсными выводами аккумуляторной батареи. Этот вид саморазряда не отличается от обычного разряда очень малыми токами при замкнутой внешней цепи и легко устраним. Для этого необходимо содержать поверхность батарей в чистоте.

Саморазряд батарей в значительной мере зависит от температуры электролита. Эта зависимость показана на Рис. 27, где видно, что с понижением температуры саморазряд уменьшается. При отрицательных температурах у новых батарей он практически прекращается. Поэтому хранение аккумуляторных батарей рекомендуется в заряженном состоянии при низких температурах (до –30ºС).

 

Из Рис. 28 также видно, что в процессе эксплуатации саморазряд не остаётся постоянным и к концу срока службы резко усиливается.

 

Анализ приведённых выше электрохимических составляющих саморазряда показывает, что его снижение возможно за счёт повышения перенапряжения выделения кислорода и водорода на аккумуляторных электродах.

 

Для этого необходимо использовать возможно более чистые материалы для производства аккумуляторов, уменьшать количественное содержание легирующих элементов в аккумуляторных сплавах, использовать только чистую серную кислоту и дистиллированную (или близкую к ней по чистоте при других методах очистки) воду для приготовления всех электролитов, как при производстве, так и при эксплуатации батарей.

 

Например, благодаря снижению содержания сурьмы в сплаве токоотводов с 5 % до 2 % и использовании дистиллированной воды для всех технологических электролитов, среднесуточный саморазряд снижается в четыре раза. Замена сурьмы на кальций позволяет ещё больше снизить скорость саморазряда (Рис. 28). Снижению саморазряда могут также способствовать добавки органических веществ – ингибиторов саморазряда.

 

Применение общей крышки и скрытых межэлементных соединений в значительной степени снижает скорость саморазряда от токов утечки, так как вероятность гальванической связи между далеко отстоящими полюсными выводами значительно снижается.

 

Иногда саморазрядом называют быструю потерю ёмкости вследствие короткого замыкания внутри одного из аккумуляторов батареи. Однако, фактически в данном случае мы имеем дело с прямым разрядом, через короткозамкнутые токопроводящие мостики, образовавшиеся между разноименными электродами.

 

Применение сепараторов-конвертов в аккумуляторах исключает возможность образования коротких замыканий между разноименными электродами в процессе эксплуатации. Однако, такая вероятность остаётся, вследствие возможных сбоев в работе оборудования при массовом производстве. Обычно такой дефект выявляется в первые месяцы эксплуатации, и аккумуляторная батарея с дефектом подлежит замене по гарантии.

 

Обычно скорость саморазряда выражают в процентах потери ёмкости за установленный период времени.

 

x = [(C – C_n) / n ·C] ·100 %

 

где С и С_n – ёмкости аккумуляторной батареи соответственно до и после бездействия, приведённые к 25°С; n – продолжительность бездействия (суток).

 

Действующими в настоящее время стандартами саморазряд характеризуется также напряжением стартерного разряда после бездействия в течение трёх недель (21 сутки) при температуре +40ºС.

РАСХОД ВОДЫ

Расход воды характеризует скорость разложения воды, входящей в состав электролита, при перезаряде аккумуляторной батареи. Расход воды при перезаряде открытых батарей на специальном стенде при постоянном напряжении 14,4 ± 0,05 В и температуре электролита +40ºС за три недели (21 сутки) не должен быть более 4 г. на 1 А·ч фактической ёмкости для батарей с малым расходом воды (L) и не более 1 г. на 1 А·ч для батарей с очень малым расходом воды (VL).

 

Снижение расхода воды осуществляется благодаря повышению перенапряжения выделений кислорода и водорода на аккумуляторных электродах так же, как и снижение саморазряда. Для этого необходимо применение возможно более чистых материалов для производства аккумуляторных батарей. Для снижения расхода воды требуется применение свинца с содержанием примесей не выше чем у свинца марки С1 для производства свинцового порошка, уменьшение количественного содержания легирующих элементов в аккумуляторных сплавах, использование аккумуляторной серной кислоты высшего сорта и дистиллированной (или близкую к ней по чистоте при других методах очистки) воды для приготовления всех электролитов, как при производстве, так и при эксплуатации батарей.

 

Проверяют величину расхода воды при стендовых испытаниях батарей, взвешивая батарею до начала испытаний и после перезаряда при напряжении 14,4 В при температуре +40ºС в течение 504 часов. Полученную разницу в массе батареи делят на величину фактической ёмкости при 20-часовом режиме разряда.

 

Величина расхода воды батареи характеризует возможное время эксплуатации батареи при штатных условиях работы системы электрооборудования (зарядное напряжение 14,0-14,2 В при нормальных условиях для средней климатической зоны с максимальной температурой в летние месяцы не более +30ºС) и среднем пробеге автомобиля не более 20-25 тысяч километров в год. Например, известно, что при таких условиях современные батареи нормального исполнения могут работать без доливки воды от 12 до 15 месяцев, батареи исполнения L (с малым расходом воды) от 28 до 36 месяцев, а батареи исполнения VL (с очень малым расходом воды) от 48 до 60 месяцев и даже больше.