Щелочные аккумуляторы принцип действия

Содержание

КАК УСТРОЕН АККУМУЛЯТОР АКБ
Щелочные аккумуляторы: принцип работы, преимущества и недостатки
Принцип работы
Особенности щелочных аккумуляторов
Плюсы и минусы
Где используются
Замена электролита
Приготовление раствора электролита
Щелочной аккумулятор.
Как выполняется зарядка
История возникновения простой щелочной батарейки
Как устроена батарейка
Плюсы и минусы щелочных батареек
Заключение
Щелочной аккумулятор
Щелочные АКБ имеют низкую эффективность и свои минусы, о которых не говорят
§43. Щелочные аккумуляторы, принцип действия и устройство
- Похожие статьи

КАК УСТРОЕН АККУМУЛЯТОР АКБ

На сто процентов заряженный аккумулятор имеет э. д. с. около 1,45 В. Вследствие огромного внутреннего сопротивления его напряжение при разряде существенно меньше этого значения, а при заряде существенно больше. При разряде напряжение аккму-лятора достаточно стремительно падает до 1,3 В, а потом медлительно миниатюризируется до 1 В (рис. 164); при всем этом напряжении разряд следует прекращать. Среднее расчетное напряжение при разряде составляет 1,25 В. Разряжать щелочные батареи ниже установленного конечного напряжения нельзя, потому что это приведет к невозвратной потере емкости и уменьшению срока службы.

При заряде напряжение с 1,55 В стремительно подымается до 1,75 В, а потом медлительно увеличивается до 1,8 В. Заряд щелочного аккума ведут до того времени, пока не будет сообщено требуемое количество ампер-часов (согласно паспортным данным). Заряд щелочного аккума осуществляется током, равным одной четвертой его номинальной емкости, при всем этом аккуму сообщается 150 % емкости.

Щелочные аккумуляторы: принцип работы, преимущества и недостатки

Для многих устройств нужно питание. Для этой цели используются щелочные батареи. Они включают в свою конструкцию два электрода и водянистый состав, использующий щелочь. Такие элементы питания имеют срок эксплуатации, достигающий 25 лет. Разработка допускает возможность ускоренной зарядки.

Разрядка может обеспечивать завышенную мощность.

Принцип работы

Щелочные батареи могут различаться зависимо от веществ, которые употребляются для электролитов и для пластинок. Более действенными числятся никель-кадмиевые либо никель-железные батареи.

Тут употребляется щелочной электролит, имеющий в своём составе гидроксиды калия и лития, применение которого содействует повышению ёмкости батареи. Он также улучшает разрядные свойства аккума.

Положительный электрод представляет собой смесь последующих частей:

гидрат закиси никеля;
графитовый порошок, в который добавлена окись бария.

Отрицательный электрод, соответственно, изготовлен из незапятнанного кадмия либо железа. Его также делают с внедрением гидрата закиси 1-го из этих металлов.

Электроды изготовлены с внедрением мелкоячеистой металлической сетки. На неё нанесены активные вещества, которые созданы для взаимодействия с электролитом.

Щелочные батареи имеют преимущество перед кислотными, состоящее в том, что они допускают перезарядку. Почти всегда её длительность составляет 6 часов. Если выполнялось длительное хранение в разряжённом состоянии, то время зарядки возрастает — оно может продолжаться до 12 часов.

Щелочные аккумуляторные батареи выпускают в древесном либо железном корпусе. Они могут состоять из нескольких аккумов. При смене электролита необходимо исходить из объёма воды, требуемой для 1-го устройства и помножить на их количество.

Особенности щелочных аккумуляторов

На никель-кадмиевых имеется обозначение «НК» дальше после тире указана ёмкость в ампер-часах. К примеру, если написано «НК-13», то речь идёт об аккуме рассматриваемого типа, который обеспечивает ёмкость, равную 13 А/час. У таких устройств положительный полюс замкнут на корпус.

Если стоит обозначение «НЖ», то речь идёт о никель-железной батарее. Через тире после этих букв указана ёмкость. К примеру, у аккума «НЖ-45» она составляет 45 А/час. В отличие от кадмиевых, у стальных на корпус замкнут отрицательный электрод.

Плюсы и минусы

Внедрение щелочных аккумов позволяет применить последующие их плюсы:

Эти устройства размеренно работают в критериях отрицательных температур. После того, как станет холоднее -25, при охлаждении на каждый градус ёмкость будет уменьшаться на 0,5%.
Если часто производить сервис, то щелочные батареи в 12В либо другие будут исправно служить в течение многих лет.
Исключена возможность неожиданного пропадания тока. Это свойство полезно, например, при применении щелочных автомобильных аккумуляторов.
Такие батареи характеризуются небольшим весом и компактными размерами.
У них незначительный самопроизвольный разряд.

Щелочные АКБ имеет определённые недостатки:

Они имеют относительно небольшой коэффициент полезного действия. Обычно он бывает равен 50%-55%. Для сравнения нужно учитывать, что у кислотных аккумуляторов этот показатель достигает 80%.
Такие батареи имеют эффект памяти, который способен существенно ухудшить характеристики.

В процессе применения наблюдается большой разброс рабочего напряжения. Например, щелочной аккумулятор 12В, создает разность потенциалов, которая может находиться в пределах 10-17,5 В.

Где используются

Такие аккумуляторы имеют широкое применение. Их используют для следующих целей:

на железнодорожных локомотивах;
для погрузочных механизмов при работе на складе;
применяется для работы различных видов сигнализации;
используются для проведения запуска силовых агрегатов.

Существуют щелочные аккумуляторы, которые активно используются в различных видах портативной техники. Они могут применяться, например, для обеспечения работы электроинструментов, пультов управления телевизором и других целей.

Замена электролита

Использование щелочных аккумуляторов рассчитано на долгие и длительные годы. Однако он обеспечивает высокое качество работы только при условии правильного обслуживания. Необходимой операцией является регулярная замена электролита.

Об особенностях работы щелочных батарей рассказано в ролике:

Её следует проводить после осуществления 100-150 циклов зарядки и разрядки щелочных аккумуляторных батарей. Процедура заключается в следующем:

Нужно провести разрядку аккумулятора до того времени, пока напряжение на его выходах не станет меньше 1 В.
Ранее используемый электролит нужно аккуратно слить в заранее подготовленную ёмкость.
Выполняя эту операцию требуется периодически производить лёгкое встряхивание. Оно необходимо для того, чтобы на стенках не оставались загрязнения.
После полного удаления электролита необходимо тщательно его промыть. Для этого можно использовать дистиллированную или слегка подщелоченную воду. При всем этом нужно встряхивать батарею для улучшения качества очистки.
Сразу после завершения промывки щелочного аккумулятора проводят заливку нового раствора. После чего составу дают отстояться в течение двух часов.
После чего нужно проверить плотность раствора и убедиться, что она соответствует требуемой. По мере надобности щелочной раствор нужно долить.
Закрывают крышки аккумулятора.

В процессе работы нельзя делать перерыв, в результате которого батарея внутри станет сухой. Это может стать причиной коррозии элементов щелочных автомобильных аккумуляторных батарей.

Приготовление раствора электролита

Щелочной аккумулятор.

Для щелочного аккумулятора его можно делать на основе твёрдых или жидких щелочей. Чтобы приготовить из отдельных компонентов, нужно сделать следующее:

Нужно подготовить раствор едкого калия. У него должна быть плотность, равная 1,19-1,21 г/куб. см.
На каждый литр добавляют 20 г едкого лития и аккуратно перемешивают.
Делают раствор едкого натрия из расчёта 1,17-1,19 г/куб.см.
В него добавляют едкого лития по 20 г на литр.

Из этих компонентов делают электролит необходимого для щелочных АКБ состава.

Как выполняется зарядка

Подготовка щелочной АКБ к работе, почти всегда требует 6 часов. Однако для этого допускается применение различных режимов работы:

6 часов будет заряжаться при условии использования номинальной силы тока.
Если в первые два часа её превысить вдвое, а остаток делать при соблюдении обычного режима, то время может сократиться на несколько часов.
Усиленный вариант выполняется, если при обычной силе тока увеличить время подзарядки вдвое.

Для зарядки щелочного аккумулятора идеальнее всего использовать стандартный режим. При его применении износ батареи будет минимальным. Процедура зарядки предполагает выполнение следующих действий:

Нужно обеспечить получение необходимой силы тока.
К источнику подключают клеммы батареи.
Производится включение тока.
Нужно прождать необходимое время, в течение которого выполняется зарядка щелочной батареи. При всем этом важно убедиться, что перегрев не возникает. Обычно температура не должна превышать 45 градусов.

После завершения подзарядки аккумулятор отключают от источника энергии.

История возникновения простой щелочной батарейки

Изобретателями щелочных аккумуляторов считают Томаса Эдисона и Вольдемара Джангера. Оба специалиста работали независимо друг от друга. Первой компанией, которая произвела промышленное внедрение, стала Duracell.

Она обеспечила поставку щелочных элементов питания для портативной техники тех пор. Рассматриваемые батареи в то время конкурировали с солевыми, но значительно превосходили их по своим характеристикам.

Как устроена батарейка

В ней используется катод, который содержит в себе следующие вещества:

7%-10% графита;
25%-30% раствор калия гидроксида;
65%-75% диоксид марганца;
1% составляет связующие компоненты.

В качестве щелочи может использоваться также гидроксид лития или натрия. Для изготовления анода применяют очищенный цинк с добавками, предохраняющими от коррозии. Раньше для этой цели брали свинец и ртуть, теперь перешли к применению в этом качестве висмута и алюминия.

Конструкция такого щелочного аккумулятора содержит в себе следующие элементы:

Внутренняя часть батарейки содержит цинковую пасту, которая представляет собой порошок. Такая форма обеспечивает более эффективную работу по сравнению с солевыми батареями.
Цинк находится в смеси со специальным гелем. Он вырабатывает отрицательный потенциал. Стержень из латуни снимает этот заряд на внешний вывод.
Катод из диоксида марганца, перемешанный с графитовым загустителем отделяется от цинковой пасты с помощью специального состава.
Положительный потенциал выводится на стальной стакан, имеющий никелевое покрытие. Он изолирован от оболочки батарейки.

В процессе использования образуется незначительное количество газа. Его давление сдерживается особой прокладкой. Предохранителем служит специальная мембрана. Если газа много, она лопается, и он проходит наружу.

В этом видео рассматриваются алкалиновые батарейки:

Батарейки отличаются по форме. Некоторые сделаны в виде цилиндра, другие являются плоскими. Последние также называют таблеточными. Они применяются для портативных устройств, например, для наручных часов.

Такие источники питания дают напряжение от 1,5 до 9 В. Ёмкость рассматриваемых батарей обычно не превосходит 3000 мА/час. В отдельных случаях этот параметр может быть больше.

Плюсы и минусы щелочных батареек

Такие щелочные аккумуляторы предоставляют следующие преимущества:

Долгий срок службы.
Доступная стоимость, которая сочетается с высоким качеством работы.
Большой выбор типов батареек и размеров.
Низкий риск протекания батарейки.
Небольшой уровень саморазряда.

При их применении пользователь столкнётся с такими недостатками:

Качественные батарейки могут стоить значительно дороже.
Нужна особая процедура утилизации, так в составе есть вещества, которые могут нанести вред экологии.

Такие источники тока получили широкое распространение благодаря своему качеству.

Заключение

Щелочные элементы питания обеспечивают электроэнергией большое количество устройств. При соблюдении правил эксплуатации они будут служить в течение многих лет. Покупая щелочной аккумулятор для определённого устройства, нужно следить, чтобы он соответствовал необходимым параметрам.

Щелочной аккумулятор

Щелочной аккумулятор состоит из стального никелированного сосуда, блоков положительных и отрицательных пластин (рис. 184) и электролита. В качестве электролита для этих аккумуляторов применяется раствор щелочи — едкого кали КОН в дистиллированной воде.

Щелочные АКБ имеют низкую эффективность и свои минусы, о которых не говорят

Рис. 184. Пластины щелочного аккумулятора

Пластины аккумулятора изготовлены в виде пакетов из тонкой никелированной стали и заполнены активной массой. Стенки пакетов имеют большое количество отверстий (перфорированные) для лучшего соприкосновения активной массы с электролитом. Как и в кислотных аккумуляторах, отрицательные пластины вставлены между положительными и отделены одна от другой сепараторами. Зависимо от состава активной массы отрицательных пластин щелочные аккумуляторы разделяют на два типа: железоникелевые и кадмиево-никелевые. В незаряженном состоянии активная масса положительных пластин состоит из гидрата закиси никеля Ni(OH)2 с примесью мелкого графита, а активная масса отрицательных пластин—из гидрата закиси железа Fe(OH)2 в железоникелевом аккумуляторе или гидрата закиси кадмия Cd(OH)2 с примесью гидрата закиси железа в кадмиевоникелевом аккумуляторе. В процессе заряда аккумулятора происходит окисление активной массы положительных пластин, гидрат закиси никеля переходит в гидрат окиси никеля Ni(OH)3.

Активная масса отрицательных пластин восстанавливается в виде порошкового (губчатого) железа Fe или смеси кадмия Cd и железа в губчатом состоянии. При разряде аккумулятора происходит переход к первоначальному составу пластин: активная масса положительных пластин превращается в гидрат закиси никеля NI(ОН)2, а активная масса отрицательных пластин окисляется соответственно в гидрат закиси железа Fe(OH)2 или гидраты закиси кадмия Cd(OH)2 и железа Fe(OH)2. Для полного использования отрицательных пластин положительные пластины щелочного аккумулятора должны содержать вдвое больше активной массы. Поэтому пакеты с активной массой положительных пластин делаются толще, чем отрицательных, и положительных пластин в аккумуляторе устанавливают на одну больше. При заряде напряжение аккумулятора вначале быстро возрастает до 1,6 В, а затем увеличивается до 1,8— 1,85 В в конце заряда. Полностью заряженный аккумулятор после отключения от источника тока имеет э. д. с, равную примерно 1,45 В, т. е. значительно ниже, чем у кислотного аккумулятора.

Вследствие более высокого внутреннего сопротивления щелочного аккумулятора его напряжение при разряде составляет 1,3—1,1 В. При напряжении аккумулятора 1 —1,1 В разряд следует прекратить. Щелочные аккумуляторы имеют ряд преимуществ перед кислотными: большая механическая прочность, меньшая чувствительность к значительным разрядным токам, длительный срок службы и поболее простое обслуживание. Недостатками щелочных аккумуляторов являются низкие коэффициенты отдачи по емкости (70 — 71%) и по энергии (55—60%), малое напряжение элемента (в среднем 1,2 В вместо 2 В у кислотного аккумулятора) и повышенные габаритные размеры и масса. Кроме того, при низких наружных температурах, если не утеплить щелочные аккумуляторы, то их емкость резко снижается.

Электродвижущая сила одного кислотного или щелочного аккумулятора и, следовательно, отдаваемая им мощность весьма малы. Поэтому на тепловозах устанавливаются аккумуляторные батареи, состоящие из многих аккумуляторов, соединенных по определенной схеме.

§43. Щелочные аккумуляторы, принцип действия и устройство

Устройство. Наиболее распространены никель-железные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы. Их широко применяют на э. п. с, тепловозах и пассажирских вагонах. На тепловозах устанавливают аккумуляторную батарею 46ТПНЖ-550, состоящую из 46 последовательно соединенных никель-железных аккумуляторов емкостью 550 А-ч [буква Т — означает, что батарея установлена на тепловозах; П — тип положительных пластин (панцирные)].

Для тепловозов применяют усовершенствованные аккумуляторы ТПНЖК (буква К означает, что электроды комбинированные). На электровозах отечественной постройки применяют батарею 42НК-125, состоящую из 42 последовательно соединенных никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 125 А*ч, а на электропоездах — батарею 90НК-55, состоящую из 90 последовательно соединенных никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 55 А*ч, на электровозах ЧС — батареи 40NKT-120 и 40NKT-160, состоящие из 40 последовательно соединенных никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 120 и 160 А-ч. Номинальное напряжение всех щелочных аккумуляторов 1,2 В.

В никель-железных и никель-кадмиевых аккумуляторах активная масса положительного электрода в заряженном состоянии состоит из гидрата окиси никеля NiOOH, к которому добавляют графит и окись бария. Графит увеличивает электропроводность активной массы, а окись бария — срок службы электрода. Активная масса отрицательного электрода никель-железного аккумулятора состоит из порошкового железа Fe и его окислов с добавкой сернокислого никеля и сернистого железа, а никель-кадмиевого аккумулятора — из смеси порошков кадмия Cd и железа Fe. Электролитом служит 20 %-ный раствор едкого калия КОН с примесью моногидрата лития (20—30 г/л).

Эта примесь увеличивает срок службы аккумулятора.

Промышленность выпускает никель-железные аккумуляторы (НЖ) и никель-кадмиевые (НК). Оба электрода в этих аккумуляторах изготовляют в виде стальных никелированных рамок (рис. 162 и 163), в пазы которых впрессованы наполненные активной массой пакеты (ламели) из никелированной жести с большим количеством мелких отверстий для доступа электролита к активной массе. В аккумуляторах НК каждая отрицательная пластина расположена между двумя положительными, в аккумуляторах НЖ каждая положительная пластина — между двумя отрицательными.

Для предотвращения короткого замыкания между ними устанавливают сепараторы, выполненные в виде эбонитовых стержней или полихлорвиниловых сеток. В аккумуляторах ТПНЖ и ТПНЖК применяют панцирные положительные пластины. Каждая такая пластина заключена в специальный панцирь (чехол). Корпус, в который помещают пластины и электролит, также изготовляют из никелированной жести. Он имеет приваренную крышку с отверстиями для выводных штырей, для выхода газов

Рис. 162. Полублоки отрицательных и положительных пластин (а) и вид (б) никель-железного аккумулятора ТПНЖ, применяемого на тепловозах: 1— выводной штырь; 2 — шпилька; 3— положительные пластины; 4— ламели; 5 — сепараторы; 6 — отрицательные пластины; 7 — корпус; 8 — резиновый чехол; 9 — отверстие с пробкой для заливки электролита

Рис. 163. Полублоки положительных и отрицательных пластин (а) и вид (б) никель-кадмиевого аккумулятора НКН-100 для э.п.с: 1 — отрицательные пластины; 2 — соединительный мостик; 3 — выводной штырь; 4 — положительные пластины; 5 — отверстие с пробкой для заливки электролита; 6 — крышка; 7 — сепаратор; 8 — корпус; 9 — резиновый чехол

и заливки электролита. Для придания корпусу механической прочности стенки его выполняют гофрированными. Корпус помещают в резиновый чехол, обеспечивающий изоляцию аккумуляторов друг от друга и от ящика, в каком устанавливают батарею.

Разряд и заряд. При разряде щелочного аккумулятора гидрат окиси никеля NiOOH на положительном электроде, взаимодействуя с ионами электролита, переходит в гидрат закиси никеля Ni(OH)2, а железо или кадмий отрицательного электрода превращается соответственно в гидрат окиси железа Fe(ОН)2 или гидрат окиси кадмия CdOН2. Между электродами возникает разность потенциалов около 1,45 В, обеспечивающая протекание тока по внешней цепи и внутри аккумуляторов.

При заряде аккумулятора под действием электрической энергии, подводимой от внешнего источника тока, происходит окисление активной массы положительных пластин, сопровождаемое переходом гидрата закиси никеля Ni (ОН)2 в гидрат окиси никеля NiOOH. В то же время активная масса отрицательных пластин восстанавливается с образованием железа Fe или кадмия Cd. Электрохимические реакции при разряде и заряде никель-железного аккумулятора могут быть выражены уравнением

2Ni(OOH) + 2KOH + Fe ? 2Ni(OH)₂ + 2KOH + Fe(OH)₂

2Ni(OOH) + 2KOH + Cd ? 2Ni(OH)₂ + 2KOH + Cd(OH)₂

Номинальный разрядный ток численно равен 0,2 С_ном, максимальный при запуске дизеля— (3-4) С_ном, зарядный ток — 0,25 С_ном, где С_ном — номинальная емкость.

Положительным качеством щелочного аккумулятора будет то, что все компоненты, образующиеся в процессе заряда и разряда, практически нерастворимы в электролите и не вступают в какие-либо химические реакции. Электролит в процессе электрохимических реакций не расходуется, поэтому плотность его не изменяется. Это позволяет обходиться сравнительно небольшими количествами электролита, что делает эти аккумуляторы более компактными, чем кислотные.

Для правильной работы никель-железного аккумулятора отрицательный электрод (губчатое железо) обязан иметь большую массу, чем положительный (гидрат окиси кадмия). Поэтому отрицательных пластин берут на одну больше, чем положительных. В сборном блоке никель-железного аккумулятора крайние пластины отрицательные; они электрически соединены с корпусом. В никель-кадмиевых аккумуляторах, наоборот, положительная активная масса должна занимать больший объем, чем отрицательная.

Поэтому у них крайние пластины положительные и электрически соединены с корпусом.

Полностью заряженный аккумулятор имеет э. д. с. около 1,45 В. Вследствие большого внутреннего сопротивления его напряжение при разряде значительно меньше этого значения, а при заряде значительно больше. При разряде напряжение аккму-лятора довольно быстро падает до 1,3 В, а затем медленно уменьшается до 1 В (рис. 164); при всем этом напряжении разряд следует прекращать. Среднее расчетное напряжение при разряде составляет 1,25 В. Разряжать щелочные аккумуляторы ниже установленного конечного напряжения нельзя, потому что это приведет к безвозвратной потере емкости и уменьшению срока службы.

При заряде напряжение с 1,55 В быстро поднимается до 1,75 В, а затем медленно повышается до 1,8 В. Заряд щелочного аккумулятора ведут до того времени, пока не будет сообщено требуемое количество ампер-часов (согласно паспортным данным). Заряд щелочного аккумулятора осуществляется током, равным одной четвертой его номинальной емкости, при всем этом аккумулятору сообщается 150 % емкости.

Выделение газа у щелочных аккумуляторов не является признаком конца заряда, однако при бурном газовыделении необходимо уменьшить зарядный ток. Щелочные аккумуляторы лучше перезарядить, чем недозарядить, потому что неполные заряды способствуют преждевременному выходу их из строя. Повышение

Рис. 164. Кривые напряжения щелочного аккумулятора при заряде и разряде

температуры выше 45 °С также приводит к разрушению активной массы электродов.

Особенности эксплуатации. Уход за щелочными аккумуляторами в принципе такой же, как и за кислотными. Необходимо периодически проверять уровень электролита и степень заряжен-ности аккумулятора. Аккумуляторы должны содержаться в чистоте и периодически заряжаться.

Щелочные аккумуляторы имеют ряд преимуществ перед кислотными. Они могут долгое время находиться в полузаряженном и даже в полностью разряженном состоянии, что совершенно недопустимо для кислотных. Кроме того, щелочные аккумуляторы не выходят из строя вследствие действия низких температур. Щелочные аккумуляторы имеют большую перегрузочную способность, т. е. могут работать с большими токами при разрядах и зарядах. Благодаря большому внутреннему сопротивлению кратковременное короткое замыкание и глубокие разряды не выводят из строя эти аккумуляторы.

Для них характерны большая механическая прочность (аккумулятор не боится тряски, вибраций, ударов), большая, чем у кислотных, энергия на единицу массы (удельная энергия), больший срок службы и срок хранения.

У щелочных аккумуляторов саморазряд при отключенном состоянии очень мал (после 9 мес хранения они теряют лишь 20 % емкости). В то же время у кислотных аккумуляторов суточный саморазряд составляет около 0,5—0,7 % емкости, т. е. в течение месяца они теряют 15—21 % емкости. При эксплуатации щелочных аккумуляторов не происходит вредных выделений паров и газов, что характерно для кислотных аккумуляторов. По указанным причинам они в эксплуатации значительно надежнее, чем кислотные, и требуют значительно меньшего ухода.

Однако щелочные аккумуляторы имеют ряд недостатков. Напряжение щелочного аккумулятора при разряде значительно ниже (почти на 40 %), чем кислотного, вследствие чего при одном и том же напряжении количество аккумуляторов в щелочной батарее будет больше, чем в кислотной. Внутреннее сопротивление щелочного аккумулятора значительно выше, чем у кислотного, следовательно, его напряжение, особенно при больших токах разряда, падает гораздо быстрее и при очень интенсивном разряде аккумуляторной батареи резко уменьшается.