Основные принципы работы
Свинцовый аккумулятор — это электрохимический источник тока,
основанный на обратимых реакциях окисления и восстановления свинца и его
соединений в водном растворе серной кислоты. Основной элемент состоит из
двух электродов: положительного (PbO₂) и отрицательного (Pb),
погружённых в электролит — водный раствор H₂SO₄.
Электрохимическая реакция разряда записывается следующим образом:
На аноде (Pb):
$$
\ce{Pb + SO4^{2-} -> PbSO4 + 2e^-}
$$
На катоде (PbO2):
$$
\ce{PbO2 + 4H^+ + SO4^{2-} + 2e^- -> PbSO4 + 2H2O}
$$
Общая реакция разряда:
$$
\ce{Pb + PbO2 + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O}
$$
При зарядке реакции протекают в обратном направлении, восстанавливая
активные материалы электродов до исходного состояния.
Конструкция и материалы
Электроды:
- Положительный: диоксид свинца (PbO₂), активная
масса которого формируется из порошкообразного PbO₂, связующего вещества
и пористой структуры, обеспечивающей доступ электролита.
- Отрицательный: губчатый свинец (Pb), часто с
добавками Ca или Sb для улучшения механических и электрохимических
свойств.
Электролит:
- Водный раствор серной кислоты с концентрацией обычно 30–38%.
Концентрация изменяется в процессе работы аккумулятора, что отражается
на плотности электролита и используется для контроля состояния
заряда.
Сепараторы:
- Изоляционные, но пористые материалы (например, стекловолокно или
полиэтилен), предотвращающие короткое замыкание между электродами, но
позволяющие ионам перемещаться свободно.
Электрохимические свойства
Напряжение элемента:
- Номинальное напряжение свинцового аккумулятора составляет 2,0 В.
Напряжение полностью собранной батареи определяется количеством
последовательно соединённых элементов.
Ёмкость:
- Зависит от массы активного материала электродов и состояния
электролита. Реальная ёмкость на 20–100 ч режимах разряда отличается
из-за кинетики реакций и сопротивления.
Влияние температуры:
- Повышение температуры ускоряет электрохимические реакции, но снижает
срок службы из-за коррозии свинца и деградации сепараторов.
- При низких температурах наблюдается снижение ёмкости и увеличение
внутреннего сопротивления.
Циклическая работа и
деградация
Свинцовые аккумуляторы способны выдерживать сотни циклов
заряд–разряд, однако со временем происходят необратимые процессы:
- Сульфатация: образование кристаллов PbSO₄ крупного
размера на электродах, препятствующих эффективному взаимодействию с
электролитом.
- Коррозия положительного электрода: разложение
решётки PbO₂, особенно при перезарядке.
- Выпадение активного материала: разрушение
механической структуры электродов и осыпание PbO₂ или PbSO₄ на дно
корпуса.
Режимы эксплуатации
- Глубокий разряд: уменьшает срок службы, ускоряет
сульфатацию. Используется только при необходимости большой ёмкости.
- Поддерживающий заряд (float): применяется для
стационарных аккумуляторов, поддерживает напряжение на уровне 2,25–2,30
В на элемент при полной зарядке, минимизируя коррозию.
- Импульсный заряд: кратковременные токи высокого
значения ускоряют растворение PbSO₄ и помогают восстановлению ёмкости,
но требуют контроля температуры.
Контроль состояния
- Измерение плотности электролита: изменение
плотности пропорционально степени заряда.
- Напряжение на клеммах: позволяет оценить состояние
заряда и внутреннее сопротивление.
- Визуальный осмотр электродов: выявление осыпания
активного вещества и разрушения сепараторов.
Применение
Свинцовые аккумуляторы широко применяются в автомобильной технике,
системах аварийного питания (UPS), энергохранилищах и солнечных
электростанциях благодаря высокой надёжности, способности работать при
пульсирующих нагрузках и относительно низкой стоимости. Ограничения
включают большой вес, токсичность свинца и чувствительность к глубоким
разрядам.
Перспективы развития
Разрабатываются улучшенные сплавы свинца с кальцием, антимонием или
серебром для уменьшения коррозии и увеличения циклов службы. Применяются
новые технологии сепараторов и пастообразных электродов, а также системы
рекомбинации газов, что позволяет повысить эффективность и снизить
потерю воды при эксплуатации.