Substancat aktive të pllakave pozitive dhe negative kanë potenciale të caktuara në lidhje me elektrolitin. Dallimi midis këtyre potencialeve përcakton EMF të baterisë, e cila nuk varet nga sasia e substancës aktive në pllaka. EMF e një baterie varet kryesisht nga dendësia e elektrolitit, kjo varësi përcaktohet nga formula empirike:
ku d është dendësia e elektrolitit në poret e masës aktive të pllakave. Tensioni i baterisë gjatë karikimit është më i madh se vlera EMF me vlerën e rënies së tensionit të brendshëm:
U З = E + I З ∙ r 0,
ku r 0 është rezistenca e brendshme e baterisë, dhe në shkarkim, respektivisht:
U P = E - I P ∙ r 0.
Për një bateri të shkarkuar me acid plumbi, dendësia është d = 1.17, pastaj E = 0.85 + 1.17 = 2.02 V. Për një bateri të ngarkuar, d = 1.21, pastaj E = 0.85 + 1.21 = 2, 06 V => EMF e një bateria e shkarkuar kur ngarkesa është e fikur nuk ndryshon shumë nga EMF e një baterie të ngarkuar. Kur ngarkoni baterinë, voltazhi i tij i ngarkimit është 2.3 - 2.8 V. Tensioni i shkarkimit është afërsisht 1.8 V.
Kapaciteti i baterisë me acid plumbi
Kapaciteti nominal përcaktohet me një shkarkesë dhjetë-orëshe në një tension prej 1.8 V, në një temperaturë elektroliti prej 25 ° C. Kapaciteti i vlerësuar i një baterie me acid plumbi është 36 A / h. Ky kapacitet korrespondon me rrymën e shkarkimit I P = Q / 10 = 3.6 A.
Nëse ndryshoni rrymën e shkarkimit I P dhe temperaturën e elektrolitit, atëherë kapaciteti i tij gjithashtu do të ndryshojë. Një rritje e temperaturës së ambientit kontribuon në një rritje të kapacitetit, por në një temperaturë prej 40 ° C, pllakat pozitive prishin dhe vetë-shkarkimi i baterisë rritet ndjeshëm, prandaj, për funksionimin normal të baterisë, temperatura duhet të jetë ruhet në + 35 ° C - 15 ° C.
Kapaciteti nominal në një temperaturë prej 25 ° C dhe shkarkim dhjetë-orësh përcaktohet nga formula:
ku P t është faktori i shfrytëzimit të masës aktive të baterisë,%;
T është temperatura aktuale e elektrolitit gjatë shkarkimit.
Llojet e baterive me acid plumbi
Bateritë e palëvizshme shënohen me shkronjat C, SK, SZ, SZE, CH dhe të tjera:
C - bateri e palëvizshme;
K - akumulatori që lejon shkarkimin afatshkurtër;
З - bateri e mbyllur;
E - ena e zezakut;
H - akumulator me pllaka të suvatuara.
Numri që vendoset pas përcaktimit të shkronjës nënkupton numrin e baterisë:
C -1 - 36 A / h;
C -4 - 4 x 36 A / h;
te tjera ...
Llojet e baterive alkaline
Shënimi Н - Ж (Nikel - Hekur), Н - К (Nikel - Kadmium), С - Ц (Argjend - Zink). Forca elektromotore (EMF) e baterive N - W është: E З = 1.5 V; E Р = 1.3 V. EMF e baterive N - K është: E З = 1.4 V; E P = 1.27 V. Tensioni mesatar i ngarkimit është U Z = 1.8 V; shkarkimi U R = 1 V.
SISTEMET E FURNIZIMIT TOW FUQIS
Dispozitat e përgjithshme
Furnizimi me energji i pajisjeve të automatizimit dhe komunikimit të palëvizshëm në transportin hekurudhor kryhet nga burime të rrymës direkte me tension të vlerësuar, për shembull, 24, 60, 220 V, etj.; burime me një tension të vlerësuar prej 60 V - për shkëmbimet telefonike automatike, pajisjet e ndërrimit të telegrafit; burimet me një tension prej 220 V - për furnizimin me energji të pajisjeve të komunikimit, motorët e daljes, etj. Burimet aktuale që kanë një tension të caktuar nominal zakonisht kryhen në formën e pajisjeve të pavarura të përfshira në kompleksin e përgjithshëm të instalimit të furnizimit me energji elektrike të një shtëpie komunikimi, një posti EC ose një objekti tjetër ku ndodhen furnizimet e centralizuara të energjisë.
Sistemet kryesore të furnizimit me energji elektrike përfshijnë sisteme energjetike autonome, tampon, pa bateri dhe të kombinuara (Fig. 2.1). Sistemi autonom është krijuar për të fuqizuar pajisjet portative dhe të palëvizshme të automatizimit dhe komunikimit, dhe pjesa tjetër - për të fuqizuar pajisjet e palëvizshme.
Oriz. 2.1 Bllok -diagrami i sistemeve të furnizimit me energji
Sistemi autonom i furnizimit me energji elektrike
Sistemi i furnizimit me energji elektrike nga qelizat kryesore përdoret kryesisht për të siguruar funksionimin e pajisjeve portative (stacione radio, pajisje matëse, etj.). Për të furnizuar pajisje të palëvizshme, një sistem autonom i furnizimit me energji elektrike përdoret në vendet ku nuk ka rrjete të rrymës alternative. Sistemi i furnizimit me energji nga bateritë sipas metodës "ngarkim-shkarkim" (Fig. 2.2) ka për qëllim rastet kur energjia nga rrjetet e rrymës alternative furnizohet në mënyrë të parregullt. Thelbi i kësaj metode të furnizimit me energji elektrike është se për secilën gradim të tensionit ka një ndreqës të veçantë dhe dy (ose më shumë) bateri magazinimi. . Pajisjet mundësohen nga një bateri, dhe tjetra karikohet nga ndreqësi ose ngarkohet në rezervë. Sapo bateria të shkarkohet në një gjendje të caktuar, ajo shkëputet dhe lidhet me një ndreqës për karikim, dhe një bateri e ngarkuar lidhet për të fuqizuar pajisjet. Me këtë metodë, bateritë më shpesh ngarkohen në një mënyrë aktuale konstante. Kapaciteti i baterive përcaktohet në bazë të kohëzgjatjes së furnizimit me energji të pajisjeve për 12-24 orë, prandaj bateritë janë shumë të rënda dhe për instalimin e tyre, kërkohen dhoma të mëdha të pajisura posaçërisht. Jeta e shërbimit të baterive të tilla është 6-7 vjet, pasi ciklet e ngarkimit dhe shkarkimit të thellë dhe të shpeshtë çojnë në shkatërrimin e shpejtë të pllakave. Nevoja për monitorim të vazhdueshëm të proceseve të ngarkimit dhe shkarkimit çon në kosto të larta operative.
Figura 2.2. Diagrami i sistemit të furnizimit me energji të baterisë sipas metodës "ngarkim-shkarkim":
F - ushqyes; SHPT - autobus AC; ЗШ - karikimi i gomave; Goma me brinjë RSh; 1, 2, 3 - grupe baterish
Disavantazhet e listuara, së bashku me efikasitetin e ulët të instalimit (30-45%), kufizojnë përdorimin e kësaj mënyre. Përparësitë e metodës përfshijnë mungesën e valëzimit të tensionit në ngarkesë dhe mundësinë e përdorimit të burimeve të ndryshme aktuale për karikim.
Sistemi i fuqisë tampon
Me një sistem të tillë energjie, paralel me ndreqësin UZ dhe ngarkesa përfshin një bateri të rimbushshme GB(fig. 2.3). Në rast të një dështimi në rrjetin AC ose dëmtimit të ndreqësit, furnizimi i mëtejshëm i energjisë në ngarkesë sigurohet nga bateria pa ndërprerje në furnizimin me energji. Bateria e rimbushshme siguron një kopje rezervë të besueshme të burimeve të energjisë elektrike, dhe, përveç kësaj, së bashku me filtrin e energjisë, siguron zbutjen e nevojshme të valëzimit. Me një sistem tampon të furnizimit me energji, dallohen tre mënyra të funksionimit: rryma mesatare, ngarkesa e pulsuar dhe e vazhdueshme e rrjedhjes.
Me modalitetin aktual të mesëm(fig. 2.4) ndreqës UZ, lidhur paralelisht me baterinë GB, siguron një rrymë konstante I në pavarësisht ndryshimit të rrymës I n në ngarkesë R n. Kur rryma e ngarkesës I n është e vogël, ndreqësi furnizon ngarkesën dhe ngarkon baterinë e ruajtjes me rrymën I 3, dhe kur rryma e ngarkesës është e madhe, ndreqësi së bashku me baterinë, e cila shkarkohet nga rryma I p, furnizon ngarkesa Gjatë ngarkimit, tensioni në secilën bateri të baterisë rritet dhe mund të arrijë 2.7 V, dhe gjatë shkarkimit zvogëlohet në 2 V. Për të zbatuar këtë mënyrë, mund të përdoren ndreqësit më të thjeshtë pa pajisje kontrolli automatik. Rryma e ndreqësit llogaritet bazuar në sasinë e energjisë elektrike (amper-orë) të shpenzuar për fuqizimin e ngarkesës gjatë ditës. Kjo vlerë duhet të rritet me 15-25% për të kompensuar humbjet që ekzistojnë gjithmonë kur ngarkoni dhe shkarkoni bateritë.
Disavantazhet e modalitetit përfshijnë: pamundësinë për të përcaktuar dhe vendosur me saktësi rrymën e kërkuar të ndreqësit, pasi natyra aktuale e ndryshimit të rrymës së ngarkesës nuk dihet kurrë saktësisht, gjë që çon në nën -ngarkim ose mbingarkesë të baterive; jetëgjatësia e shkurtër e baterisë (8-9 vjet) e shkaktuar nga ciklet e ngarkimit dhe shkarkimit të thellë; luhatje të konsiderueshme të tensionit përgjatë ngarkesës, pasi voltazhi në secilën bateri mund të ndryshojë nga 2 në 2.7 V.
Në modalitetin e ngarkimit të rrjedhës së pulsit(Fig. 2.5) rryma e ndreqësit ndryshon papritur në varësi të tensionit në bateri GВ. Në këtë rast, ndreqësi UZ siguron energji për ngarkesën R n së bashku me baterinë G V ose ushqen ngarkesën
Figura 2.3 - Diagrami i sistemit të furnizimit me energji tampon
Figura 2.4 - Mënyra mesatare aktuale:
a - diagram; b - diagrami i rrymave; в - varësitë e rrymave dhe tensioneve në kohë; I З dhe I Р - respektivisht, rrymat e ngarkimit dhe shkarkimit të baterisë së ruajtjes
Figura 2.5 - Mënyra e ngarkimit të rrjedhës së pulsit:
a - diagram; b - diagrami i rrymave dhe tensioneve; c, d - varësitë e rrymave dhe tensioneve në kohë
dhe rimbush baterinë. Rryma maksimale e ndreqësit është vendosur pak më e lartë se rryma që ndodh në orën e ngarkesës maksimale, dhe rryma minimale e ngarkesës I B max është më pak se rryma minimale e ngarkesës I n.
Supozoni se në pozicionin fillestar, ndreqësi furnizon rrymën minimale. Bateria është e shkarkuar dhe tensioni bie në 2.1 volt për qelizë. Stafetë Rçliron armaturën dhe shmang rezistencën R me kontakte . Rryma e daljes së ndreqësit rritet papritmas deri në maksimum. Nga kjo pikë e tutje, ndreqësi furnizon ngarkesën dhe ngarkon baterinë. Gjatë procesit të karikimit, tensioni në bateri rritet dhe arrin 2.3 V për qelizë. Stafeta përsëri aktivizohet R, dhe rryma e ndreqësit bie në minimum; bateria fillon të shkarkohet. Pastaj ciklet përsëriten. Kohëzgjatja e intervaleve kohore të rrymës maksimale dhe minimale të ndreqësit ndryshon në përputhje me ndryshimin e rrymës në ngarkesë.
Përparësitë e mënyrës përfshijnë: thjeshtësinë e sistemit për rregullimin e rrymës në daljen e ndreqësit; kufij të vegjël të ndryshimit të tensionit në bateri dhe ngarkesë (nga 2.1 në 2.3 V për qelizë); rritje e jetës së baterisë deri në 10-12 vjet për shkak të cikleve më pak të thellë të ngarkimit dhe shkarkimit. Kjo mënyrë përdoret për të fuqizuar pajisjet e automatizimit.
Në modalitetin e ngarkimit të rrjedhshëm(Fig. 2.6) ngarkesa R n fuqizohet plotësisht nga ndreqësi UZ Bateri e ngarkuar GB merr nga ndreqësi një rrymë të vogël konstante të notimit, e cila kompenson vetë-shkarkimin. Për të zbatuar këtë mënyrë, është e nevojshme të vendosni tensionin në daljen e ndreqësit në shkallën prej (2.2 ± 0.05) V për secilën bateri dhe ta mbani atë me një gabim jo më shumë se ± 2%. Në këtë rast, rryma e rimbushjes për bateritë acide I p = (0.001-0.002) C n dhe për bateritë alkaline I p = 0.01 C N. Prandaj, për
Figura 2.6 - Mënyra e karikimit me rrjedhje të vazhdueshme:
a - diagram; b - diagrami i rrymave; в - varësitë e rrymave dhe tensioneve në kohë
Për të përfunduar këtë mënyrë, ndreqësit duhet të kenë pajisje të sakta dhe të besueshme të stabilizimit të tensionit. Dështimi për ta bërë këtë do të rezultojë në mbingarkesë ose shkarkim të thellë dhe sulfatim të baterive.
Përparësitë e mënyrës përfshijnë: efikasitet mjaft të lartë të instalimit, të përcaktuar vetëm nga ndreqësi (η = 0.7 ÷ 0.8); jetëgjatësi e gjatë e baterisë, duke arritur 18-20 vjet për shkak të mungesës së cikleve të ngarkimit dhe shkarkimit; stabiliteti i tensionit të lartë në daljen e ndreqësit; kosto më të ulëta të funksionimit përmes automatizimit dhe mirëmbajtjes së thjeshtuar të baterisë.
Bateritë janë të ngarkuara normalisht dhe nuk kërkojnë monitorim të vazhdueshëm. Mungesa e cikleve të ngarkimit dhe shkarkimit dhe rryma e duhur e notimit zvogëlojnë sulfatimin dhe lejojnë periudha të zgjatura midis mbingarkesave dhe shkarkimeve të kontrollit.
Disavantazhi i mënyrës është nevoja për të komplikuar pajisjet e furnizimit për shkak të elementeve të stabilizimit dhe automatizimit. Mënyra përdoret në pajisjet për fuqizimin e pajisjeve të komunikimit.
Qëllimi i baterive starter
Bazat teorike të shndërrimit të energjisë kimike në energji elektrike
Shkarkimi i baterisë
Karikimi i baterisë
Konsumimi i reagentëve kryesorë që formojnë rrymë
Forca elektromotore
Rezistenca e brendshme
Tensioni i ngarkimit dhe shkarkimit
Kapaciteti i baterisë
Energjia dhe fuqia e baterisë
Vetë-shkarkimi i baterisë
Qëllimi i baterive starter
Funksioni kryesor i baterisë është të fillojë me besueshmëri motorin. Një funksion tjetër është tamponi i energjisë kur motori është në punë. Në të vërtetë, së bashku me llojet tradicionale të konsumatorëve, janë shfaqur shumë pajisje shtesë shërbimi që përmirësojnë komoditetin e shoferit dhe sigurinë në trafik. Bateria kompenson deficitin e energjisë kur ngasni në ciklin e qytetit me ndalesa të shpeshta dhe të gjata, kur gjeneratori nuk mund të sigurojë gjithmonë fuqinë e nevojshme për të furnizuar plotësisht të gjithë konsumatorët e ndezur. Funksioni i tretë i punës është furnizimi me energji kur motori është i fikur. Sidoqoftë, përdorimi i zgjatur i pajisjeve elektrike gjatë parkimit me një motor pa punë (ose motor boshe) çon në një shkarkim të thellë të baterisë dhe një rënie të mprehtë të karakteristikave të tij të fillimit.
Bateria është projektuar edhe për furnizim me energji emergjente. Në rast të një gjeneratori, ndreqësi, dështimi të rregullatorit të tensionit ose thyerjes së rripit të gjeneratorit, ai duhet të sigurojë funksionimin e të gjithë konsumatorëve të nevojshëm për lëvizje të sigurt në stacionin më të afërt të shërbimit.
Pra, bateritë fillestare duhet të plotësojnë kërkesat themelore të mëposhtme:
Siguroni rrymën e shkarkimit të kërkuar për funksionimin e motorit, domethënë, keni një rezistencë të ulët të brendshme për humbjet minimale të tensionit të brendshëm brenda baterisë;
Siguroni numrin e kërkuar të përpjekjeve për të ndezur motorin me një kohëzgjatje të caktuar, domethënë të keni rezervën e nevojshme të energjisë për shkarkimin e motorit;
Të ketë një fuqi dhe energji mjaft të madhe me madhësinë dhe peshën më të vogël të mundshme;
Keni një rezervë energjie për fuqinë e konsumatorëve kur motori nuk është në punë ose në rast emergjence (kapaciteti rezervë);
Ruani tensionin e kërkuar për funksionimin e motorit kur temperatura bie brenda kufijve të specifikuar (rrymë e ftohtë e fikjes);
Ruani performancën për një kohë të gjatë në temperaturën e ngritur të ambientit (deri në 70 "C);
Pranoni një pagesë për të rikthyer kapacitetin e konsumuar për ndezjen e motorit dhe fuqizimin e konsumatorëve të tjerë nga gjeneratori ndërsa motori është në punë (pranimi i ngarkesës);
Mos kërkoni trajnim special të përdoruesve, mirëmbajtje gjatë funksionimit;
Të ketë forcë të lartë mekanike që korrespondon me kushtet e funksionimit;
Ruani karakteristikat e specifikuara të performancës për një kohë të gjatë gjatë funksionimit (jeta e shërbimit);
Të zotërojë vetë-shkarkim të parëndësishëm;
Keni një kosto të ulët.
Bazat teorike të shndërrimit të energjisë kimike në energji elektrike
Një burim aktual kimik është një pajisje në të cilën, për shkak të rrjedhës së reaksioneve kimike redoks të ndara në hapësirë, energjia e tyre e lirë shndërrohet në energji elektrike. Nga natyra e punës, këto burime ndahen në dy grupe:
Burimet kryesore të rrymës kimike ose qelizat galvanike;
Burimet dytësore ose akumulatorët elektrikë.
Burimet parësore mund të përdoren vetëm një herë, pasi substancat e formuara gjatë shkarkimit të tyre nuk mund të shndërrohen në materiale fillestare aktive. Një qelizë galvanike e shkarkuar plotësisht, si rregull, është e papërshtatshme për punë të mëtejshme - është një burim i pakthyeshëm energjie.
Burimet sekondare të rrymës kimike janë burime të kthyeshme të energjisë - pas një shkarkimi arbitrar të thellë, performanca e tyre mund të rikthehet plotësisht duke u ngarkuar. Për ta bërë këtë, mjafton të kalosh një rrymë elektrike përmes burimit dytësor në drejtim të kundërt me atë në të cilin ai rrjedh gjatë shkarkimit. Në procesin e ngarkimit, substancat e formuara gjatë shkarkimit do të kthehen në materiale aktive origjinale. Kjo është mënyra se si energjia falas e një burimi aktual kimik konvertohet në mënyrë të përsëritur në energji elektrike (shkarkimi i baterisë) dhe shndërrimi i kundërt i energjisë elektrike në energji falas të një burimi aktual kimik (ngarkesa e baterisë).
Kalimi i rrymës përmes sistemeve elektrokimike shoqërohet me reaksionet kimike (transformimet) që ndodhin gjatë këtij procesi. Prandaj, ekziston një lidhje midis sasisë së një substance që ka hyrë në një reaksion elektrokimik dhe ka pësuar transformime dhe sasisë së energjisë elektrike të konsumuar ose lëshuar gjatë kësaj, e cila u krijua nga Michael Faraday.
Sipas ligjit të parë Faraday, masa e një substance që ka hyrë në një reaksion elektrodë ose është marrë si rezultat i rrjedhës së saj është proporcionale me sasinë e energjisë elektrike të kaluar në sistem.
Sipas ligjit të dytë Faraday, me një sasi të barabartë të energjisë elektrike të kaluar nëpër sistem, masat e substancave të reaguara lidhen me njëra -tjetrën si ekuivalentët e tyre kimikë.
Në praktikë, një sasi më e vogël e lëndës pëson ndryshime elektrokimike sesa sipas ligjeve të Faraday - kur kalon rryma, përveç reaksioneve kryesore elektrokimike, ndodhin edhe reagime paralele ose dytësore (anësore), të cilat ndryshojnë masën e produkteve. Për të marrë parasysh ndikimin e reagimeve të tilla, u prezantua koncepti i efikasitetit aktual.
Efikasiteti aktual është ajo pjesë e sasisë së energjisë elektrike që kalon përmes sistemit që bie në pjesën e reaksionit kryesor elektrokimik në shqyrtim.
Shkarkimi i baterisë
Substancat aktive të një baterie të ngarkuar me acid plumbi që marrin pjesë në procesin e formimit aktual janë:
Në elektrodën pozitive - dioksid plumbi (kafe e errët);
Në elektrodën negative - plumbi sfungjer (gri);
Elektroliti është një zgjidhje ujore e acidit sulfurik.
Disa nga molekulat e acidit në një tretësirë ujore janë gjithmonë të ndara në jone hidrogjeni të ngarkuar pozitivisht dhe jone sulfate të ngarkuar negativisht.
Plumbi, i cili është masa aktive e elektrodës negative, tretet pjesërisht në elektrolit dhe oksidohet në tretësirë për të formuar jone pozitive. Elektronet e tepërta të lëshuara në këtë rast i japin një ngarkesë negative elektrodës dhe fillojnë të lëvizin përgjatë një pjese të mbyllur të qarkut të jashtëm në elektrodën pozitive.
Jonet e plumbit të ngarkuar pozitivisht reagojnë me jonet e sulfatit të ngarkuar negativisht për të formuar sulfat plumbi, i cili ka pak tretshmëri dhe për këtë arsye depoziton në sipërfaqen e elektrodës negative. Në procesin e shkarkimit të baterisë, masa aktive e elektrodës negative shndërrohet nga plumbi sfungjer në sulfat plumbi me një ndryshim nga gri në gri të lehta.
Dioksidi i plumbit të elektrodës pozitive shpërndahet në elektrolit në një sasi shumë më të vogël sesa plumbi i elektrodës negative. Kur bashkëvepron me ujin, ai shkëputet (zbërthehet në tretësirë në grimca të ngarkuara - jone), duke formuar jone plumbi tetravalent dhe jone hidroksil.
Jonet i japin një potencial pozitiv elektrodës dhe, duke i bashkuar elektronet që vijnë përmes qarkut të jashtëm nga elektroda negative, reduktohen në jonet e plumbit dyvalent.
Jonet ndërveprojnë me jonet për të formuar sulfat plumbi, i cili për arsyen e mësipërme depozitohet gjithashtu në sipërfaqen e elektrodës pozitive, siç ishte rasti me atë negativ. Masa aktive e elektrodës pozitive gjatë shkarkimit shndërrohet nga dioksidi i plumbit në sulfat plumbi me një ndryshim në ngjyrën e tij nga kafe e errët në kafe të lehta.
Si rezultat i shkarkimit të baterisë, materialet aktive të elektrodave pozitive dhe negative shndërrohen në sulfat plumbi. Në këtë rast, acidi sulfurik konsumohet për formimin e sulfatit të plumbit dhe uji formohet nga jonet e lëshuara, gjë që çon në një ulje të densitetit të elektrolitit gjatë shkarkimit.
Karikimi i baterisë
Në elektrolit, të dy elektrodat përmbajnë sasi të vogla të sulfatit të plumbit dhe joneve të ujit. Nën ndikimin e tensionit të burimit të rrymës direkte, në qarkun e të cilit është përfshirë bateria e ngarkuar, një lëvizje e drejtuar e elektroneve në terminalin negativ të baterisë është vendosur në qarkun e jashtëm.
Jonet dyvalente të plumbit në elektrodën negative neutralizohen (zvogëlohen) nga dy elektronet në hyrje, duke e shndërruar masën aktive të elektrodës negative në plumb metalik sfungjer. Jonet e lira të mbetura formojnë acid sulfurik
Në elektrodën pozitive, nën veprimin e një rryme ngarkimi, jonet plumbale dyvalente japin dy elektrone, duke u oksiduar në ato tetravalent. Ky i fundit, i kombinuar përmes reaksioneve të ndërmjetme me dy jone oksigjeni, formon dioksid plumbi, i cili lirohet në elektrodë. Jonet dhe, ashtu si në elektrodën negative, formojnë acid sulfurik, si rezultat i të cilit dendësia e elektrolitit rritet gjatë ngarkimit.
Kur proceset e transformimit të substancave në masat aktive të elektrodave pozitive dhe negative kanë mbaruar, dendësia e elektrolitit ndalon të ndryshojë, gjë që është një shenjë e përfundimit të ngarkesës së baterisë. Me vazhdimin e mëtejshëm të ngarkesës, ndodh i ashtuquajturi proces dytësor - dekompozimi elektrolitik i ujit në oksigjen dhe hidrogjen. Duke u dalluar nga elektroliti në formën e flluskave të gazit, ato krijojnë efektin e vlimit të tij intensiv, i cili shërben gjithashtu si një shenjë e përfundimit të procesit të karikimit.
Konsumimi i reagentëve kryesorë që formojnë rrymë
Për të marrë një kapacitet prej një amper-ore kur bateria është e shkarkuar, është e nevojshme që pjesët e mëposhtme të marrin pjesë në reagim:
4.463 g dioksid plumbi
3.886 g plumb sfungjer
3.660 g acid sulfurik
Konsumi i përgjithshëm teorik i materialeve për marrjen e 1 Ah (konsumi specifik i materialeve) të energjisë elektrike do të jetë 11.989 g / Ah, dhe kapaciteti specifik teorik - 83.41 Ah / kg.
Me një tension nominal të baterisë prej 2 V, konsumi teorik i materialit specifik për njësi të energjisë është 5.995 g / Wh, dhe energjia specifike e baterisë do të jetë 166.82 Wh / kg.
Sidoqoftë, në praktikë, është e pamundur të arrihet përdorimi i plotë i materialeve aktive që marrin pjesë në procesin e formimit aktual. Përafërsisht gjysma e sipërfaqes së masës aktive është e paarritshme për elektrolitin, pasi shërben si bazë për ndërtimin e një kornize poroze volumetrike që siguron forcën mekanike të materialit. Prandaj, shkalla e shfrytëzimit real të masave aktive të elektrodës pozitive është 45-55%, dhe negative 50-65%. Përveç kësaj, një zgjidhje e acidit sulfurik 35-38% përdoret si elektrolit. Prandaj, vlera e konsumit real specifik të materialeve është shumë më e lartë, dhe vlerat reale të kapacitetit specifik dhe energjisë specifike janë shumë më të ulëta se ato teorike.
Forca elektromotore
Forca elektromotore (EMF) e baterisë E është diferenca midis potencialeve të elektrodës së saj, e matur me një qark të jashtëm të hapur.
EMF e një baterie e përbërë nga n bateri të lidhura në seri.
Isshtë e nevojshme të bëhet dallimi midis EMF ekuilibrit të baterisë dhe EMF jo të ekuilibrit të baterisë gjatë kohës nga hapja e qarkut deri në krijimin e një gjendje ekuilibri (periudha e procesit kalimtar).
EMF matet me një voltmetër me rezistencë të lartë (rezistenca e brendshme prej të paktën 300 Ohm / V). Për ta bërë këtë, një voltmetër është i lidhur me terminalet e baterisë ose baterisë. Në këtë rast, asnjë rrymë ngarkimi ose shkarkimi nuk duhet të rrjedhë përmes akumulatorit (baterisë).
EMF ekuilibër i një akumulatori të plumbit, si çdo burim aktual kimik, varet nga vetitë kimike dhe fizike të substancave që marrin pjesë në procesin e formimit të rrymës dhe nuk varet aspak nga madhësia dhe forma e elektrodave, si dhe mbi sasinë e masave aktive dhe elektrolitit. Në të njëjtën kohë, në një bateri me acid plumbi, elektroliti është i përfshirë drejtpërdrejt në procesin e formimit aktual në elektrodat e baterisë dhe ndryshon densitetin e tij në varësi të gjendjes së ngarkimit të baterive. Prandaj, EMF ekuilibër, i cili nga ana tjetër është një funksion i densitetit
Ndryshimi në EMF i baterisë nga temperatura është shumë i vogël dhe mund të neglizhohet gjatë funksionimit.
Rezistenca e brendshme
Rezistenca e baterisë ndaj rrymës që rrjedh brenda saj (karikimi ose shkarkimi) quhet rezistencë e brendshme e baterisë.
Rezistenca e materialeve aktive të elektrodave pozitive dhe negative, si dhe rezistenca e elektrolitit, ndryshojnë në varësi të gjendjes së ngarkimit të baterisë. Për më tepër, rezistenca e elektrolitit varet shumë nga temperatura.
Prandaj, rezistenca ohmike varet gjithashtu nga gjendja e ngarkimit të baterisë dhe temperatura e elektrolitit.
Rezistenca e polarizimit varet nga fuqia e rrymës së shkarkimit (ngarkimit) dhe temperaturës dhe nuk i bindet ligjit të Ohmit.
Rezistenca e brendshme e një baterie dhe madje edhe e një baterie e përbërë nga disa bateri të lidhura në seri është e papërfillshme dhe në një gjendje të ngarkuar është vetëm disa të mijtat e Ohmit. Sidoqoftë, gjatë shkarkimit, ai ndryshon ndjeshëm.
Përçueshmëria elektrike e masave aktive zvogëlohet për një elektrodë pozitive me rreth 20 herë, dhe për atë negative - 10 herë. Përçueshmëria elektrike e elektrolitit gjithashtu ndryshon në varësi të densitetit të tij. Me një rritje të densitetit të elektrolitit nga 1.00 në 1.70 g / cm3, përçueshmëria e tij elektrike së pari rritet në vlerën e saj maksimale, dhe pastaj zvogëlohet përsëri.
Ndërsa bateria është e shkarkuar, dendësia e elektrolitit zvogëlohet nga 1.28 g / cm3 në 1.09 g / cm3, gjë që çon në një ulje të përçueshmërisë elektrike të saj me gati 2.5 herë. Si rezultat, rezistenca omike e baterisë rritet me shkarkimin. Në gjendjen e shkarkuar, rezistenca arrin një vlerë më shumë se 2 herë më të lartë se vlera e saj në gjendjen e ngarkuar.
Përveç gjendjes së ngarkimit, temperatura ka një efekt të rëndësishëm në rezistencën e baterive. Me një ulje të temperaturës, rezistenca specifike e elektrolitit rritet dhe në një temperaturë prej -40 ° С bëhet rreth 8 herë më e lartë se në +30 ° С. Rezistenca e ndarësve gjithashtu rritet ndjeshëm me uljen e temperaturës dhe në të njëjtën gamë të temperaturës rritet me gati 4 herë. Ky është faktori përcaktues në rritjen e rezistencës së brendshme të baterive në temperatura të ulëta.
Tensioni i ngarkimit dhe shkarkimit
Dallimi i mundshëm në terminalet pole të baterisë (baterisë) në procesin e karikimit ose shkarkimit në prani të rrymës në qarkun e jashtëm zakonisht quhet tension i baterisë (baterisë). Prania e rezistencës së brendshme të baterisë çon në faktin se tensioni i saj gjatë shkarkimit është gjithmonë më i vogël se EMF, dhe gjatë ngarkimit është gjithmonë më i lartë se EMF.
Kur ngarkoni baterinë, tensioni në terminalet e tij duhet të jetë më i madh se EMF -ja e tij nga sasia e humbjeve të brendshme.
Në fillim të ngarkimit, ekziston një kërcim i tensionit nga sasia e humbjeve ohmike brenda baterisë, dhe më pas një rritje e mprehtë e tensionit për shkak të potencialit të polarizimit, e shkaktuar kryesisht nga një rritje e shpejtë e densitetit të elektrolitit në poret të masës aktive. Më tej, ndodh një rritje e ngadaltë e tensionit, kryesisht për shkak të një rritje të EMF të baterisë për shkak të një rritje të densitetit të elektrolitit.
Pasi sasia kryesore e sulfatit të plumbit të shndërrohet në PbO2 dhe Pb, konsumi i energjisë gjithnjë e më shumë shkakton dekompozimin e ujit (elektrolizë) .Sasia e tepërt e joneve të hidrogjenit dhe oksigjenit që shfaqen në elektrolit rrit më tej ndryshimin potencial midis elektrodave të kundërta. Kjo çon në një rritje të shpejtë të tensionit të ngarkimit, i cili përshpejton dekompozimin e ujit. Jonet e hidrogjenit dhe oksigjenit që rezultojnë nuk ndërveprojnë me materialet aktive. Ato rikombinohen në molekula neutrale dhe lirohen nga elektroliti në formën e flluskave të gazit (oksigjeni lëshohet në elektrodën pozitive, hidrogjeni në atë negativ), duke bërë që elektroliti të "ziejë".
Nëse vazhdoni procesin e karikimit, mund të shihni që rritja e densitetit të elektrolitit dhe tensionit të ngarkimit praktikisht ndalet, pasi pothuajse i gjithë sulfati i plumbit tashmë ka reaguar, dhe e gjithë energjia e furnizuar me baterinë tani shpenzohet vetëm në procesi anësor - dekompozimi elektrolitik i ujit. Kjo shpjegon gjithashtu qëndrueshmërinë e tensionit të karikimit, i cili shërben si një nga shenjat e përfundimit të procesit të karikimit.
Pas ndalimit të ngarkesës, domethënë shkëputjes së burimit të jashtëm, tensioni në terminalet e baterisë bie ndjeshëm në vlerën e EMF -it të tij jo të ekuilibruar, ose në vlerën e humbjeve të brendshme ohmike. Pastaj ka një rënie graduale të EMF (për shkak të një rënie të densitetit të elektrolitit në poret e masës aktive), e cila vazhdon deri në përqendrimin e elektrolitit në vëllimin e baterisë dhe poret e masës aktive është plotësisht i barabartë, që korrespondon me krijimin e një EMF ekuilibër.
Kur bateria është e shkarkuar, voltazhi në terminalet e tij është më i vogël se EMF me vlerën e rënies së tensionit të brendshëm.
Në fillim të shkarkimit, tensioni i baterisë bie ndjeshëm nga vlera e humbjeve ohmike dhe polarizimit për shkak të një rënie në përqendrimin e elektrolitit në poret e masës aktive, domethënë polarizimin e përqendrimit. Më tej, me një proces shkarkimi të qëndrueshëm (të palëvizshëm), dendësia e elektrolitit në vëllimin e baterisë zvogëlohet, duke shkaktuar një rënie graduale të tensionit të shkarkimit. Në të njëjtën kohë, ka një ndryshim në raportin e përmbajtjes së sulfatit të plumbit në masën aktive, e cila gjithashtu shkakton një rritje të humbjeve ohmike. Në këtë rast, grimcat e sulfatit të plumbit (i cili ka rreth tre herë vëllimin në krahasim me grimcat e plumbit dhe dioksidit të tij, nga të cilat ato u formuan) mbyllin poret e masës aktive, gjë që parandalon kalimin e elektrolitit në thellësia e elektrodave.
Kjo shkakton një rritje të polarizimit të përqendrimit, duke çuar në një rënie më të shpejtë të tensionit të shkarkimit.
Kur shkarkimi përfundon, tensioni në terminalet e baterisë rritet shpejt me sasinë e humbjeve ohmike, duke arritur vlerën e EMF jo të ekuilibrit. Një ndryshim i mëtejshëm në EMF për shkak të barazimit të përqendrimit të elektrolitit në poret e masave aktive dhe në vëllimin e baterisë çon në një vendosje graduale të vlerës së EMF ekuilibër.
Tensioni i baterisë gjatë shkarkimit të tij përcaktohet kryesisht nga temperatura e elektrolitit dhe fuqia e rrymës së shkarkimit. Siç u përmend më lart, rezistenca e një baterie me plumb-acid (bateri) është e papërfillshme dhe në një gjendje të ngarkuar është vetëm disa miliohms. Sidoqoftë, në rrymat e shkarkimit të motorit, forca e të cilave është 4-7 herë më e lartë se vlera e kapacitetit nominal, rënia e tensionit të brendshëm ka një efekt të rëndësishëm në tensionin e shkarkimit. Rritja e humbjeve ohmike me uljen e temperaturës shoqërohet me një rritje të rezistencës së elektrolitit. Për më tepër, viskoziteti i elektrolitit rritet ndjeshëm, gjë që ndërlikon procesin e shpërndarjes në poret e masës aktive dhe rrit polarizimin e përqendrimit (domethënë, rrit humbjen e tensionit brenda baterisë për shkak të një rënie në përqendrimin e elektrolitit në poret e elektrodave).
Në një rrymë prej më shumë se 60 A, varësia e tensionit të shkarkimit nga fuqia aktuale është praktikisht lineare në të gjitha temperaturat.
Vlera mesatare e tensionit të baterisë gjatë ngarkimit dhe shkarkimit përcaktohet si mesatarja aritmetike e vlerave të tensionit të matur në intervale të rregullta.
Kapaciteti i baterisë
Kapaciteti i baterisë është sasia e energjisë elektrike e tërhequr nga bateria kur ajo shkarkohet në tensionin e caktuar përfundimtar. Në llogaritjet praktike, kapaciteti i baterisë zakonisht shprehet në orë amper (Ah). Kapaciteti i shkarkimit mund të llogaritet duke shumëzuar rrymën e shkarkimit me kohëzgjatjen e shkarkimit.
Kapaciteti i shkarkimit për të cilin është projektuar bateria dhe i cili tregohet nga prodhuesi quhet kapacitet nominal.
Përveç tij, një tregues i rëndësishëm është edhe kapaciteti i dhënë baterisë gjatë ngarkimit.
Kapaciteti i shkarkimit varet nga një numër i parametrave të projektimit dhe teknologjik të baterisë, si dhe kushtet e funksionimit të tij. Parametrat më të rëndësishëm të projektimit janë sasia e masës aktive dhe elektrolitit, trashësia dhe dimensionet gjeometrike të elektrodave të baterisë. Parametrat kryesorë teknologjikë që ndikojnë në kapacitetin e baterisë janë formulimi i materialeve aktive dhe poroziteti i tyre. Parametrat e funksionimit - temperatura e elektrolitit dhe rryma e shkarkimit - gjithashtu kanë një ndikim të rëndësishëm në kapacitetin e shkarkimit. Treguesi i përgjithësuar që karakterizon efikasitetin e baterisë është shkalla e përdorimit të materialeve aktive.
Për të marrë një kapacitet prej 1 Ah, siç u tregua më lart, teorikisht nevojiten 4.463 g dioksid plumbi, 3.886 g plumb sfungjer dhe 3.66 g acid sulfurik. Konsumi specifik teorik i masave aktive të elektrodave është 8.32 g / Ah. Në bateritë reale, konsumi specifik i materialeve aktive në një mënyrë shkarkimi 20-orëshe dhe një temperaturë elektroliti prej 25 ° C është nga 15.0 në 18.5 g / Ah, që korrespondon me një normë përdorimi të masave aktive prej 45-55%. Rrjedhimisht, konsumi praktik i masës aktive tejkalon vlerat teorike me 2 ose më shumë herë.
Faktorët kryesorë të mëposhtëm ndikojnë në shkallën e përdorimit të masës aktive, dhe, rrjedhimisht, në vlerën e kapacitetit të shkarkimit.
Poroziteti i masës aktive. Me një rritje të porozitetit, kushtet për shpërndarjen e elektrolitit në thellësinë e masës aktive të elektrodës përmirësohen dhe sipërfaqja e vërtetë në të cilën ndodh reagimi i formimit të rrymës rritet. Me një rritje të porozitetit, kapaciteti i shkarkimit rritet. Sasia e porozitetit varet nga madhësia e grimcave të pluhurit të plumbit dhe formulimi për përgatitjen e masave aktive, si dhe nga aditivët e përdorur. Për më tepër, një rritje e porozitetit çon në një ulje të qëndrueshmërisë për shkak të një përshpejtimi të procesit të shkatërrimit të masave aktive shumë poroze. Prandaj, vlera e porozitetit zgjidhet nga prodhuesit duke marrë parasysh jo vetëm karakteristikat e larta kapacitive, por edhe duke siguruar qëndrueshmërinë e kërkuar të baterisë në punë. Aktualisht, poroziteti optimal konsiderohet të jetë në intervalin 46-60%, në varësi të qëllimit të baterisë.
Trashësia e elektrodave. Me një rënie të trashësisë, pabarazia e ngarkimit të shtresave të jashtme dhe të brendshme të masës aktive të elektrodës zvogëlohet, gjë që kontribuon në një rritje të kapacitetit të shkarkimit. Për elektroda më të trasha, shtresat e brendshme të masës aktive përdoren shumë pak, veçanërisht kur shkarkohen me rryma të larta. Prandaj, me një rritje të rrymës së shkarkimit, ndryshimet në kapacitetin e baterive me elektroda me trashësi të ndryshme ulen ndjeshëm.
Poroziteti dhe racionaliteti i modelit të materialit ndarës. Me një rritje të porozitetit të ndarësit dhe lartësisë së brinjëve të tij, furnizimi me elektrolit në hendekun interelektrod rritet dhe kushtet për përhapjen e tij përmirësohen.
Dendësia e elektrolitit. Ndikon në kapacitetin e baterisë dhe jetëgjatësinë e saj. Me një rritje të densitetit të elektrolitit, kapaciteti i elektrodave pozitive rritet, dhe kapaciteti i atyre negative, veçanërisht në temperatura negative, zvogëlohet për shkak të përshpejtimit të pasivizimit të sipërfaqes së elektrodës. Dendësia e rritur gjithashtu ndikon negativisht në jetën e baterisë duke përshpejtuar proceset gërryese në elektrodën pozitive. Prandaj, dendësia optimale e elektrolitit përcaktohet bazuar në grupin e kërkesave dhe kushteve në të cilat funksionon bateria. Kështu, për shembull, për bateritë fillestare që veprojnë në një klimë të butë, dendësia e rekomanduar e punës e elektrolitit është 1.26-1.28 g / cm3, dhe për zonat me një klimë të nxehtë (tropikale), 1.22-1.24 g / cm3.
Fuqia e rrymës së shkarkimit me të cilën bateria duhet të shkarkohet vazhdimisht për një kohë të caktuar (karakterizon mënyrën e shkarkimit). Mënyrat e shkarkimit ndahen në mënyrë konvencionale në të gjata dhe të shkurtra. Në mënyrat afatgjata, shkarkimi ndodh me rryma të ulëta për disa orë. Për shembull, shifrat 5, 10 dhe 20-orëshe. Me shkarkime të shkurtra ose fillestare, fuqia aktuale është disa herë kapaciteti nominal i baterisë, dhe shkarkimi zgjat për disa minuta ose sekonda. Me një rritje të rrymës së shkarkimit, shkalla e shkarkimit të shtresave sipërfaqësore të masës aktive rritet në një masë më të madhe sesa ato të thella. Si rezultat, rritja e sulfatit të plumbit në gojët e poreve ndodh më shpejt se në thellësi, dhe poret janë të bllokuara me sulfat para se sipërfaqja e saj e brendshme të ketë kohë për të reaguar. Për shkak të përfundimit të përhapjes së elektrolitit në pore, reagimi në të ndalet. Kështu, sa më e lartë të jetë rryma e shkarkimit, aq më i ulët është kapaciteti i baterisë dhe, rrjedhimisht, faktori i shfrytëzimit të masës aktive.
Për të vlerësuar cilësitë fillestare të baterive, kapaciteti i tyre karakterizohet gjithashtu nga numri i shkarkimeve të ndezura të ndezësit (për shembull, kohëzgjatja 10-15 s me intervale 60 s midis tyre). Kapaciteti i dhënë nga bateria gjatë shkarkimeve me ndërprerje tejkalon kapacitetin gjatë shkarkimit të vazhdueshëm me të njëjtën rrymë, veçanërisht në mënyrën e shkarkimit të motorit.
Aktualisht, në praktikën ndërkombëtare të vlerësimit të karakteristikave kapacitare të baterive ndezëse, përdoret koncepti i kapacitetit "rezervë". Karakterizon kohën e shkarkimit të baterisë (në minuta) në një rrymë shkarkimi prej 25 A, pavarësisht nga kapaciteti nominal i baterisë. Sipas gjykimit të prodhuesit, lejohet të vendosni vlerën e kapacitetit nominal për një mënyrë shkarkimi 20-orëshe në amper-orë ose sipas kapacitetit rezervë në minuta.
Temperatura e elektrolitit. Me uljen e tij, kapaciteti i shkarkimit të baterive zvogëlohet. Arsyeja për këtë është një rritje e viskozitetit të elektrolitit dhe rezistencës së tij elektrike, e cila ngadalëson shkallën e shpërndarjes së elektrolitit në poret e masës aktive. Përveç kësaj, me një rënie të temperaturës, proceset e pasivizimit të elektrodës negative përshpejtohen.
Koeficienti i temperaturës së kapacitetit a tregon ndryshimin e kapacitetit në përqindje kur temperatura ndryshon me 1 ° C.
Gjatë testeve, kapaciteti i shkarkimit i marrë gjatë mënyrës së shkarkimit afatgjatë krahasohet me vlerën e kapacitetit nominal të përcaktuar në një temperaturë elektroliti +25 ° C.
Temperatura e elektrolitit kur përcaktohet kapaciteti në një mënyrë shkarkimi afatgjatë në përputhje me kërkesat e standardeve duhet të jetë në rangun nga +18 ° С deri +27 ° С.
Parametrat e shkarkimit të motorit vlerësohen nga kohëzgjatja e shkarkimit në minuta dhe nga tensioni në fillim të shkarkimit. Këta parametra përcaktohen në ciklin e parë në +25 ° C (kontrolloni për bateritë me ngarkesë të thatë) dhe në ciklet pasuese në temperaturat -18 ° C ose -30 ° C.
Shkalla e ngarkimit. Me një rritje të gjendjes së ngarkimit, të gjitha gjërat e tjera janë të barabarta, kapaciteti rritet dhe arrin vlerën e tij maksimale kur bateritë janë plotësisht të ngarkuara. Kjo është për shkak të faktit se me një ngarkesë jo të plotë, sasia e materialeve aktive në të dy elektrodat, si dhe dendësia e elektrolitit, nuk arrijnë vlerat e tyre maksimale.
Energjia dhe fuqia e baterisë
Energjia e baterisë W shprehet në Watt-orë dhe përcaktohet nga produkti i kapacitetit të shkarkimit (ngarkimit) të tij nga tensioni mesatar i shkarkimit (ngarkimit).
Meqenëse kapaciteti i baterisë dhe tensioni i shkarkimit të tij ndryshojnë me një ndryshim në temperaturën dhe mënyrën e shkarkimit, me një rënie të temperaturës dhe një rritje të rrymës së shkarkimit, energjia e baterisë zvogëlohet edhe më shumë sesa kapaciteti i saj.
Kur krahasojnë burimet aktuale kimike që ndryshojnë në kapacitet, dizajn dhe madje edhe në sistemin elektrokimik, si dhe kur përcaktojnë drejtimet e përmirësimit të tyre, ata përdorin treguesin specifik të energjisë - energjinë për njësinë e masës së baterisë ose vëllimin e saj. Për bateritë moderne të motorit pa plumb pa mirëmbajtje, energjia specifike me një normë shkarkimi 20-orëshe është 40-47 Wh / kg.
Sasia e energjisë e lëshuar nga bateria për njësi të kohës quhet fuqia e saj. Mund të përcaktohet si produkt i vlerës së rrymës së shkarkimit dhe tensionit mesatar të shkarkimit.
Vetë-shkarkimi i baterisë
Vetë-shkarkimi quhet një rënie në kapacitetin e baterive me një qark të jashtëm të hapur, domethënë me pasivitet. Ky fenomen shkaktohet nga proceset redoks që ndodhin spontanisht si në elektrodat negative ashtu edhe ato pozitive.
Elektroda negative është veçanërisht e ndjeshme ndaj vetë-shkarkimit për shkak të shpërbërjes spontane të plumbit (masë aktive negative) në një zgjidhje të acidit sulfurik.
Vetë-shkarkimi i elektrodës negative shoqërohet me evolucionin e gazit të hidrogjenit. Shkalla spontane e shpërbërjes së plumbit rritet ndjeshëm me rritjen e përqendrimit të elektroliteve. Një rritje e densitetit të elektrolitit nga 1.27 në 1.32 g / cm3 çon në një rritje të shkallës së vetë-shkarkimit të elektrodës negative me 40%.
Prania e papastërtive të metaleve të ndryshëm në sipërfaqen e elektrodës negative ka një efekt shumë domethënës (katalitik) në rritjen e shkallës së vetë-shpërbërjes së plumbit (për shkak të një ulje të mbitensionit të evolucionit të hidrogjenit). Pothuajse të gjithë metalet e gjetura në formën e papastërtive në lëndët e para të baterisë, elektrolit dhe ndarës, ose të prezantuara në formën e aditivëve të veçantë, kontribuojnë në një rritje të vetë-shkarkimit. Pasi janë në sipërfaqen e elektrodës negative, ato lehtësojnë kushtet për evolucionin e hidrogjenit.
Disa nga papastërtitë (kripërat e metaleve me valencë të ndryshueshme) veprojnë si bartës të ngarkesave nga një elektrodë në tjetrën. Në këtë rast, jonet metalikë zvogëlohen në elektrodën negative dhe oksidohen në atë pozitive (një mekanizëm i tillë i vetë-shkarkimit i atribuohet joneve të hekurit).
Vetë-shkarkimi i materialit aktiv pozitiv shkaktohet nga reagimi.
2PbO2 + 2H2SO4 -> PbSCU + 2H2O + О2 T.
Shkalla e këtij reagimi gjithashtu rritet me rritjen e përqendrimit të elektroliteve.
Meqenëse reagimi vazhdon me evolucionin e oksigjenit, shkalla e tij përcaktohet kryesisht nga mbitensioni i oksigjenit. Prandaj, aditivët që zvogëlojnë potencialin e evolucionit të oksigjenit (për shembull, antimon, kobalt, argjend) do të rrisin shkallën e reagimit të vetë-shpërbërjes së dioksidit të plumbit. Shkalla e vetë-shkarkimit të materialit aktiv pozitiv është disa herë më e ulët se shkalla e vetë-shkarkimit të materialit aktiv negativ.
Një arsye tjetër për vetë-shkarkimin e elektrodës pozitive është ndryshimi i mundshëm midis materialit të kolektorit aktual dhe masës aktive të kësaj elektrode. Mikroelementi galvanik që rezulton nga ky ndryshim potencial konverton plumbin e kolektorit aktual dhe dioksidit të plumbit të masës aktive pozitive në sulfat plumbi kur rrjedh rryma.
Vetë-shkarkimi mund të ndodhë edhe kur pjesa e jashtme e baterisë është e ndotur ose e përmbytur me elektrolit, ujë ose lëngje të tjera, të cilat krijojnë mundësinë e shkarkimit përmes një filmi përçues elektrik të vendosur midis terminaleve të poleve të baterisë ose kërcyesve të saj. Ky lloj i vetë-shkarkimit nuk ndryshon nga shkarkimi i zakonshëm me rryma shumë të vogla me një qark të jashtëm të mbyllur dhe eliminohet lehtësisht. Për ta bërë këtë, mbajeni sipërfaqen e baterive të pastra.
Vetë-shkarkimi i baterive varet shumë nga temperatura e elektrolitit. Vetë-shkarkimi zvogëlohet me uljen e temperaturës. Në temperatura nën 0 ° C, bateritë e reja praktikisht e ndalojnë atë. Prandaj, ruajtja e baterive rekomandohet në gjendje të ngarkuar në temperatura të ulëta (deri në -30 ° C).
Gjatë funksionimit, vetë-shkarkimi nuk mbetet konstant dhe rritet ndjeshëm deri në fund të jetës së shërbimit.
Një rënie në vetë-shkarkimin është e mundur për shkak të një rritje të mbitensionit të oksigjenit dhe evolucionit të hidrogjenit në elektrodat e baterisë.
Për këtë, është e nevojshme, së pari, të përdorni materialet më të pastra të mundshme për prodhimin e baterive, për të zvogëluar përmbajtjen sasiore të elementeve të aliazhit në lidhjet e baterive, për të përdorur vetëm
acid sulfurik i pastër dhe ujë i distiluar (ose afër tij në pastërti me metoda të tjera të pastrimit) për përgatitjen e të gjithë elektroliteve, si gjatë prodhimit ashtu edhe gjatë operimit. Për shembull, për shkak të uljes së përmbajtjes së antimonit në aliazhin e çezmave aktuale nga 5% në 2% dhe përdorimin e ujit të distiluar për të gjithë elektrolitet teknologjikë, shkarkimi mesatar ditor i vetes zvogëlohet me 4 herë. Zëvendësimi i antimonit me kalcium mund të zvogëlojë më tej shkallën e vetë-shkarkimit.
Shtimi i substancave organike - frenuesit e vetë -shkarkimit - gjithashtu mund të kontribuojë në një ulje të vetë -shkarkimit.
Përdorimi i një mbulese të zakonshme dhe lidhjeve të fshehura ndër-elementore zvogëlon ndjeshëm shkallën e vetë-shkarkimit nga rrymat e rrjedhjes, pasi mundësia e bashkimit galvanik midis terminaleve të polit të largët është zvogëluar ndjeshëm.
Vetë-shkarkimi quhet ndonjëherë humbje e shpejtë e kapacitetit për shkak të një qarku të shkurtër brenda baterisë. Ky fenomen shpjegohet me një shkarkim të drejtpërdrejtë përmes urave përcjellëse të formuara midis elektrodave të kundërta.
Aplikimi i ndarësve të zarfit në bateri pa mirëmbajtje
eliminon mundësinë e qarqeve të shkurtra midis elektrodave të kundërta gjatë funksionimit. Sidoqoftë, kjo mundësi mbetet për shkak të keqfunksionimeve të mundshme të pajisjeve gjatë prodhimit në masë. Në mënyrë tipike, një defekt i tillë zbulohet në muajt e parë të funksionimit dhe bateria duhet të zëvendësohet me garanci.
Në mënyrë tipike, shkalla e vetë-shkarkimit shprehet si përqindje e humbjes së kapacitetit gjatë një periudhe të caktuar kohe.
Vetë -shkarkimi karakterizohet gjithashtu nga standardet aktuale nga tensioni i shkarkimit të motorit në -18 ° C pas testit: pasiviteti për 21 ditë në një temperaturë prej +40 ° C.
EMF e baterisë (forca elektromotore) ky është ndryshimi në potencialet e elektrodave në mungesë të një qarku të jashtëm. Potenciali i elektrodës është shuma e potencialit të elektrodës së ekuilibrit. Karakterizon gjendjen e elektrodës në qetësi, domethënë mungesën e proceseve elektrokimike dhe potencialin e polarizimit, i cili përcaktohet si ndryshimi potencial i elektrodës gjatë ngarkimit (shkarkimit) dhe në mungesë të një qarku.
Procesi i difuzionit.
Për shkak të procesit të difuzionit, barazimit të densitetit të elektrolitit në zgavrën e trupit të baterisë dhe në poret e masës aktive të pllakave, polarizimi i elektrodës mund të mbahet në bateri kur qarku i jashtëm është shkëputur.
Shkalla e shpërndarjes varet drejtpërdrejt nga temperatura e elektrolitit; sa më e lartë të jetë temperatura, aq më shpejt zhvillohet procesi dhe mund të ndryshojë shumë në kohë, nga dy orë në ditë. Prania e dy përbërësve të potencialit të elektrodës gjatë mënyrave kalimtare çoi në ndarjen në ekuilibër dhe jo-ekuilibër EMF e baterisë.
Në ekuilibër EMF e baterisë ndikon në përmbajtjen dhe përqendrimin e joneve të substancave aktive në elektrolit, si dhe vetitë kimike dhe fizike të substancave aktive. Roli kryesor në madhësinë e EMF luhet nga dendësia e elektrolitit dhe temperatura praktikisht nuk ndikon në të. Varësia e EMF nga dendësia mund të shprehet me formulën:
Ku E është EMF e baterisë (V)
P është dendësia e elektrolitit e reduktuar në një temperaturë prej 25 gr. C (g / cm3) Kjo formulë është e vërtetë kur dendësia e punës e elektrolitit është në rangun prej 1.05 - 1.30 g / cm3. EMF nuk mund të karakterizojë drejtpërdrejt shkallën e rrallimit të baterisë. Por nëse e matni atë në terminalet dhe e krahasoni me atë të llogaritur për nga dendësia, atëherë është e mundur, me një shkallë probabiliteti, të gjykoni gjendjen e pllakave dhe kapacitetit.
Në qetësi, dendësia e elektrolitit në poret e elektrodave dhe zgavra e monobllokut janë të njëjta dhe të barabarta me EMF në qetësi. Kur lidhni konsumatorët ose një burim ngarkese, polarizimi i pllakave dhe përqendrimi i elektrolitit në poret e elektrodave ndryshojnë. Kjo çon në një ndryshim në EMF. Kur karikohet, vlera e EMF rritet, dhe kur shkarkohet, zvogëlohet. Kjo është për shkak të një ndryshimi në densitetin e elektrolitit, i cili është i përfshirë në proceset elektrokimike.
FORCA ELEKTROMOTIVE
Forca elektromotore (EMF) e baterisë (E 0) quhet ndryshimi i potencialeve të elektrodës së tij, i matur me një qark të jashtëm të hapur në një gjendje të palëvizshme (ekuilibri), domethënë:
E 0 = φ 0 + + φ 0 - ,
ku φ 0 + dhe φ 0 - respektivisht - potencialet e ekuilibrit të elektrodave pozitive dhe negative me një qark të jashtëm të hapur, V.
EMF e baterisë, e përbërë nga n bateri të lidhura në seri:
E 0b = n × E 0.
Potenciali i elektrodës në përgjithësi përcaktohet si ndryshimi midis potencialit të një elektrode gjatë shkarkimit ose ngarkimit dhe potencialit të tij në një gjendje ekuilibri në mungesë të rrymës. Sidoqoftë, duhet të theksohet se gjendja e baterisë menjëherë pas fikjes së rrymës së ngarkimit ose shkarkimit nuk është ekuilibër, pasi përqendrimi i elektrolitit në poret e elektrodave dhe hapësirës intelektrodike nuk është i njëjtë. Prandaj, polarizimi i elektrodave mbetet në bateri për një kohë mjaft të gjatë edhe pas fikjes së rrymës së ngarkimit ose shkarkimit. Në këtë rast, ajo karakterizon devijimin e potencialit të elektrodës nga vlera e ekuilibrit j 0 për shkak të barazimit të difuzionit të përqendrimit të elektrolitit në bateri, nga momenti i hapjes së qarkut të jashtëm deri në vendosjen e një gjendjeje ekuilibri stacionare.
φ = φ 0 ± ψ
Shenja "+" në këtë ekuacion korrespondon me polarizimin e mbetur y pas përfundimit të procesit të ngarkimit, shenja " -" - pas përfundimit të procesit të shkarkimit.
Kështu, duhet dalluar EMF ekuilibër (E 0) bateri dhe EMF joekuilibruese, ose më mirë NRC ( U 0) të baterisë gjatë kohës nga hapja e qarkut deri në krijimin e një gjendjeje ekuilibri (periudha e procesit kalimtar):
E 0 = φ 0 + - φ 0 - = Δφ 0 (12)
U 0 = φ 0 + -φ 0 - (ψ + - ψ -) = Δφ 0 ± Δψ (13)
Në këto barazi:
Δφ 0 - diferenca midis potencialeve të ekuilibrit të elektrodave, (V);
Δψ Differenceshtë ndryshimi potencial i polarizimit të elektrodave, (V).
Siç tregohet në seksionin 3.1, madhësia e EMF jo -ekuilibruese në mungesë të rrymës në qarkun e jashtëm quhet përgjithësisht tension i qarkut të hapur (OPV).
EMF ose NRC matet me një voltmetër me rezistencë të lartë (rezistenca e brendshme prej të paktën 300 Ohm / V). Për ta bërë këtë, një voltmetër është i lidhur me terminalet e baterisë ose baterisë. Në këtë rast, asnjë rrymë ngarkimi ose shkarkimi nuk duhet të rrjedhë përmes akumulatorit (baterisë).
Nëse krahasojmë ekuacionet (12 dhe 13), do të shohim që EMF ekuilibër ndryshon nga QKR nga ndryshimi në potencialet e polarizimit.
Δψ = U 0 - E 0
Parametri Δψ do të jetë pozitive pasi të fikni rrymën e karikimit ( U 0> E 0) dhe negative pas fikjes së rrymës së shkarkimit ( U 0< Е 0 ) Në momentin e parë pas fikjes së rrymës së karikimit Δψ është afërsisht 0.15-0.2 V për bateri, dhe pasi të fikni rrymën e shkarkimit 0.2-0.25 V për bateri, në varësi të mënyrës së ngarkimit ose shkarkimit të mëparshëm. Me kalimin e kohes Δψ në vlerë absolute, zvogëlohet në zero ndërsa proceset kalimtare në bateri prishen, të shoqëruara kryesisht me shpërndarjen e elektrolitit në poret e elektrodave dhe hapësirën intelektrodike.
Meqenëse shkalla e shpërndarjes është relativisht e ulët, koha e kalbjes së proceseve kalimtare mund të jetë nga disa orë në dy ditë, në varësi të fuqisë së rrymës së shkarkimit (ngarkimit) dhe temperaturës së elektrolitit. Për më tepër, një rënie e temperaturës ndikon në shkallën e prishjes së procesit kalimtar shumë më fort, pasi me një rënie të temperaturës nën gradë zero (Celsius), shkalla e difuzionit zvogëlohet disa herë.
EMF ekuilibër i një akumuluesi të plumbit ( E 0), si çdo burim aktual kimik, varet nga vetitë kimike dhe fizike të substancave që marrin pjesë në procesin e formimit të rrymës dhe nuk varet aspak nga madhësia dhe forma e elektrodave, si dhe nga sasia e masave aktive dhe elektrolit. Në të njëjtën kohë, në një bateri me acid plumbi, elektroliti është i përfshirë drejtpërdrejt në procesin e formimit aktual në elektrodat e baterisë dhe ndryshon densitetin e tij në varësi të gjendjes së ngarkimit të baterive. Prandaj, EMF ekuilibër, i cili, nga ana tjetër, është një funksion i densitetit të elektrolitit, do të jetë gjithashtu një funksion i gjendjes së ngarkimit të baterisë.
Për të llogaritur NRC me densitetin e matur të elektrolitit, përdorni formulën empirike
U 0 = 0.84 + d e
ku "d e" është dendësia e elektrolitit në një temperaturë prej 25 ° C në g / cm 3;
Kur nuk është e mundur të matni densitetin e elektrolitit në bateri (për shembull, në bateri të hapura VL pa priza ose në bateri të mbyllura VRLA), gjendja e ngarkimit mund të gjykohet nga vlera e NRC në pushim, domethënë jo më herët se pas 5-6 orësh pas fikjes së rrymës së karikimit (ndalimi i motorit të makinës). Vlera LRC për bateritë që kanë një nivel elektroliti që plotëson kërkesat e manualit të funksionimit, me shkallë të ndryshme ngarkimi në temperatura të ndryshme, është dhënë në Tabelën. 1
Tabela 1
Ndryshimi në EMF i baterisë nga temperatura është shumë i parëndësishëm (më pak se 3 · 10 -4 V / deg) dhe gjatë funksionimit të baterive të magazinimit mund të neglizhohet.
Rezistenca e brendshme
Zakonisht quhet rezistenca e siguruar nga bateria ndaj rrymës që rrjedh brenda saj (karikimi ose shkarkimi) rezistenca e brendshme bateri.
Forca elektromotore
Forca elektromotore (EMF) e baterisë E është diferenca midis potencialeve të elektrodës së saj, e matur me një qark të jashtëm të hapur.
EMF e një baterie e përbërë nga n bateri të lidhura në seri.
Isshtë e nevojshme të bëhet dallimi midis EMF ekuilibrit të baterisë dhe EMF jo të ekuilibrit të baterisë gjatë kohës nga hapja e qarkut deri në krijimin e një gjendje ekuilibri (periudha e procesit kalimtar). EMF matet me një voltmetër me rezistencë të lartë (rezistenca e brendshme prej të paktën 300 Ohm / V). Për ta bërë këtë, një voltmetër është i lidhur me terminalet e baterisë ose baterisë. Në këtë rast, asnjë rrymë ngarkimi ose shkarkimi nuk duhet të rrjedhë përmes akumulatorit (baterisë).
EMF ekuilibër i një akumulatori të plumbit, si çdo burim aktual kimik, varet nga vetitë kimike dhe fizike të substancave që marrin pjesë në procesin e formimit të rrymës dhe nuk varet aspak nga madhësia dhe forma e elektrodave, si dhe mbi sasinë e masave aktive dhe elektrolitit. Në të njëjtën kohë, në një bateri me acid plumbi, elektroliti është i përfshirë drejtpërdrejt në procesin e formimit aktual në elektrodat e baterisë dhe ndryshon densitetin e tij në varësi të gjendjes së ngarkimit të baterive. Prandaj, EMF ekuilibër, i cili nga ana tjetër është një funksion i densitetit
Ndryshimi në EMF i baterisë nga temperatura është shumë i vogël dhe mund të neglizhohet gjatë funksionimit.
Tensioni i ngarkimit dhe shkarkimit
Dallimi i mundshëm në terminalet pole të baterisë (baterisë) në procesin e karikimit ose shkarkimit në prani të rrymës në qarkun e jashtëm zakonisht quhet tension i baterisë (baterisë). Prania e rezistencës së brendshme të baterisë çon në faktin se tensioni i saj gjatë shkarkimit është gjithmonë më i vogël se EMF, dhe gjatë ngarkimit është gjithmonë më i lartë se EMF.
Kur ngarkoni baterinë, tensioni në terminalet e tij duhet të jetë më i madh se EMF -ja e tij nga sasia e humbjeve të brendshme. Në fillim të ngarkimit, ekziston një kërcim i tensionit nga sasia e humbjeve ohmike brenda baterisë, dhe më pas një rritje e mprehtë e tensionit për shkak të potencialit të polarizimit, e shkaktuar kryesisht nga një rritje e shpejtë e densitetit të elektrolitit në poret të masës aktive. Më tej, ndodh një rritje e ngadaltë e tensionit, kryesisht për shkak të një rritje të EMF të baterisë për shkak të një rritje të densitetit të elektrolitit.
Pasi sasia kryesore e sulfatit të plumbit të shndërrohet në PbO2 dhe Pb, konsumi i energjisë gjithnjë e më shumë shkakton dekompozimin e ujit (elektrolizë) .Sasia e tepërt e joneve të hidrogjenit dhe oksigjenit që shfaqen në elektrolit rrit më tej ndryshimin potencial midis elektrodave të kundërta. Kjo çon në një rritje të shpejtë të tensionit të ngarkimit, i cili përshpejton dekompozimin e ujit. Jonet e hidrogjenit dhe oksigjenit që rezultojnë nuk ndërveprojnë me materialet aktive. Ato rikombinohen në molekula neutrale dhe lirohen nga elektroliti në formën e flluskave të gazit (oksigjeni lëshohet në elektrodën pozitive, hidrogjeni në atë negativ), duke bërë që elektroliti të "ziejë".
Nëse vazhdoni procesin e karikimit, mund të shihni që rritja e densitetit të elektrolitit dhe tensionit të ngarkimit praktikisht ndalet, pasi pothuajse i gjithë sulfati i plumbit tashmë ka reaguar, dhe e gjithë energjia e furnizuar me baterinë tani shpenzohet vetëm në procesi anësor - dekompozimi elektrolitik i ujit. Kjo shpjegon gjithashtu qëndrueshmërinë e tensionit të karikimit, i cili shërben si një nga shenjat e përfundimit të procesit të karikimit.
Pas ndalimit të ngarkesës, domethënë shkëputjes së burimit të jashtëm, tensioni në terminalet e baterisë bie ndjeshëm në vlerën e EMF -it të tij jo të ekuilibruar, ose në vlerën e humbjeve të brendshme ohmike. Pastaj ka një rënie graduale të EMF (për shkak të një rënie të densitetit të elektrolitit në poret e masës aktive), e cila vazhdon deri në përqendrimin e elektrolitit në vëllimin e baterisë dhe poret e masës aktive është plotësisht i barabartë, që korrespondon me krijimin e një EMF ekuilibër.
Kur bateria është e shkarkuar, voltazhi në terminalet e tij është më i vogël se EMF me vlerën e rënies së tensionit të brendshëm.
Në fillim të shkarkimit, tensioni i baterisë bie ndjeshëm nga vlera e humbjeve ohmike dhe polarizimit për shkak të një rënie në përqendrimin e elektrolitit në poret e masës aktive, domethënë polarizimin e përqendrimit. Më tej, me një proces shkarkimi të qëndrueshëm (të palëvizshëm), dendësia e elektrolitit në vëllimin e baterisë zvogëlohet, duke shkaktuar një rënie graduale të tensionit të shkarkimit. Në të njëjtën kohë, ka një ndryshim në raportin e përmbajtjes së sulfatit të plumbit në masën aktive, e cila gjithashtu shkakton një rritje të humbjeve ohmike. Në këtë rast, grimcat e sulfatit të plumbit (i cili ka rreth tre herë vëllimin në krahasim me grimcat e plumbit dhe dioksidit të tij, nga të cilat ato u formuan) mbyllin poret e masës aktive, gjë që parandalon kalimin e elektrolitit në thellësia e elektrodave. Kjo shkakton një rritje të polarizimit të përqendrimit, duke çuar në një rënie më të shpejtë të tensionit të shkarkimit.
Kur shkarkimi përfundon, tensioni në terminalet e baterisë rritet shpejt me sasinë e humbjeve ohmike, duke arritur vlerën e EMF jo të ekuilibrit. Një ndryshim i mëtejshëm në EMF për shkak të barazimit të përqendrimit të elektrolitit në poret e masave aktive dhe në vëllimin e baterisë çon në një vendosje graduale të vlerës së EMF ekuilibër.
Tensioni i baterisë gjatë shkarkimit të tij përcaktohet kryesisht nga temperatura e elektrolitit dhe fuqia e rrymës së shkarkimit. Siç u përmend më lart, rezistenca e një baterie me plumb-acid (bateri) është e papërfillshme dhe në një gjendje të ngarkuar është vetëm disa miliohms. Sidoqoftë, në rrymat e shkarkimit të motorit, forca e të cilave është 4-7 herë më e lartë se vlera e kapacitetit nominal, rënia e tensionit të brendshëm ka një efekt të rëndësishëm në tensionin e shkarkimit. Rritja e humbjeve ohmike me uljen e temperaturës shoqërohet me një rritje të rezistencës së elektrolitit. Për më tepër, viskoziteti i elektrolitit rritet ndjeshëm, gjë që ndërlikon procesin e shpërndarjes në poret e masës aktive dhe rrit polarizimin e përqendrimit (domethënë, rrit humbjen e tensionit brenda baterisë për shkak të një rënie në përqendrimin e elektrolitit në poret e elektrodave). Në një rrymë prej më shumë se 60 A, varësia e tensionit të shkarkimit nga fuqia aktuale është praktikisht lineare në të gjitha temperaturat.
Vlera mesatare e tensionit të baterisë gjatë ngarkimit dhe shkarkimit përcaktohet si mesatarja aritmetike e vlerave të tensionit të matur në intervale të rregullta.