В качестве примера рассмотрим готовый к употреблению свинцовый аккумулятор. Он состоит из решетчатых свинцовых пластин, одни из которых заполнены диоксидом свинца, а другие - металлическим губчатым свинцом. Пластины погружены в 35-40%раствор H2SO4; при этой концентрации удельная электропроводность раствора серной кислоты максимальна.
При работе аккумулятора - при его разряде - в нем протекает окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой металлический свинец окисляется:
2-
Pb + SO4= PbSO4 + 2e-
А диоксид свинца восстанавливается:
2-
Pb + SO4 + 4H+ + 2e- = PbSO4 + 2H2O
Электроны, отдаваемые атомами металлического свинца при окислении, принимаются атомами свинца PbO2при восстановлении; электроны передаются от одного электрода к другому по внешней цепи.
Таким образом, металлический свинец служит в свинцовом аккумуляторе анодом и заряжен отрицательно, а PbO2служит катодом и заряжен положительно.
Во внутренней цепи (в растворе H2SO4) при работе аккумулятора происходит перенос ионов. Ионы SO42-движутся к аноду, а ионы H+ - к катоду. Направление этого движения обусловлено электрическим полем, возникающим в результате протекания электродных процессов: у анода расходуются анионы, а у катода - катионы. В итоге раствор остается электронейтральным.
Если сложить уравнения, отвечающие окислению свинца и восстановлению PbO2, то получится суммарное уравнение реакции,
протекающей в свинцовом аккумуляторе при его работе (разряде):
2-
Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O
Э.д.с. заряженного свинцового аккумулятора равна приблизительно 2В. По мере разряда аккумулятора материалы его катода (PbO2) и анода (Pb) расходуются. Расходуется и серная кислота. При этом напряжение на зажимах аккумулятора падает. Когда оно становится меньше значения, допускаемого условиями эксплуатации, аккумулятор вновь заряжают.
Для зарядки (или заряда) аккумулятор подключают к внешнему источнику тока (плюсом к плюсу и минусом к минусу). При этом ток протекает через аккумулятор в направлении, обратном тому, в котором он проходил при разряде аккумулятора. В результате этого электрохимические процессы на электродах "обращаются". На свинцовом электроде теперь происходит процесс восстановления
2-
PbSO4 + 2e- = Pb + SO4
т.е. этод электрод становится катодом. На электроде из PbO2 идет процесс окисления
PbSO4 + 2H2O = PbO2 + 4H+ + 2e-
следовательно этот электрод является теперь анодом. Ионы в растворе движутся в направлениях, обратных тем, в которых они перемещались при работе аккумулятора.
Складывая два последние уравнения, получим уравнение реакции, протекающей при зарядке аккумулятора:
2-
2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO4
Нетрудно заметить, что этот процесс противоположен тому, который протекает при работе аккумулятора: при зарядке аккумулятора в нем вновь получаются вещества, необходимые для его работы.
Свинцовые аккумуляторы обычно соединяют в батарею, которую
помещают в моноблок из эбонита, термопласта, полипропилена,
полистирола, полиэтилена, асфальтопековой композиции, керамики
или стекла.
Одной из важнейших характеристик аккумулятора является
срок службы или ресурс-наработка (число циклов). Ухудшение
параметров аккумулятора и выход из строя обусловлены в первую
очередь коррозией решетки и оползанием активной массы
положительного электрода. Срок службы аккумулятора определяется
в первую очередь типом положительных пластин и условиями
эксплуатации.
Совершенствование свинцовых аккумуляторов идет по пути
изыскания новых сплавов для решеток (например свинцово- кальциевых), облегченных и прочных материалов корпусов
(например, на основе сополимера пропилена и этилена), улучшения
качества сепараторов.
ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Серебряно-цинковые.
Обладают хорошими электрическими характеристиками, имеют малую массу и объем. В них электродами служат оксиды серебра Ag2O, AgO (катод) и губчатый цинк (анод); электролитом служит раствор KOH.
При работе аккумулятора цинк окисляется, превращаясь в ZnO и Zn(OH)2, а оксид серебра восстанавливается до металла. Суммарную реакцию, протекающую при разряде аккумулятора, можно приближенно выразить уравнением:
AgO + Zn = Ag + ZnO
Э.д.с. заряженного серебряно-цинкового аккумулятора приближенно равна 1,85 В. При снижении напряжения до 1,25 В аккумулятор заряжают. При этом процессы на электродах "обращаются": цинк восстанавливается, серебро окисляется - вновь получаются вещества, необходимые для работы аккумулятора.
Кадмиево-никелевые и железно-никелевые.
КН и ЖН весьма сходны между собой. Основное их различие состоит в материале пластин отрицательного электрода; в аккумуляторах КН они кадмиевые, а в аккумуляторах ЖН - железные. Наиболее широкое применение имеют аккумуляторы КН.
Щелочные аккумуляторы в основном выпускаются с ламельными электродами. В них активные массы заключены в ламели - плоские коробочки с отверстиями. Активная масса положительных пластин заряженного аккумулятора в основном состоит из гидротированного оксида никеля (Ш) Ni2O3 x H2O или NiOOH. Кроме того, в ней содержится графит, добавляемый для увеличения электропроводности. Активная масса отрицательных пластин аккумуляторов КН состоит из смеси губчатого кадмия с порошком железа, а аккумуляторов ЖН - из порошка восстановленного железа. Электролитом служит раствор гидроксида калия, содержащий небольшое количество LiOH.
Рассмотрим процессы, протекающие при работе аккумулятора КН. При разряде аккумулятора кадмий окисляется.
Cd + 2OH- = Cd(ОН)2 + 2е-
А NiOOH восстанавливается:
2NiOOH + 2H2O + 2e- = 2Ni(ОН)2 + 2ОН-
По внешней цепи при этом происходит перенос электронов от кадмиевого электрода к никелевому. Кадмиевый электрод служит анодом и заряжен отрицательно, а никелевый - катодом и заряжен положительно.
Суммарную реакцию, протекающую в аккумуляторе КН при его работе, можно выразить уравнением, которое получится при сложении двух последних электрохимических уравнений:
2NiOOH + 2H2O + Cd = 2NI(OH)2 + CD(OH)2
Э.д.с. заряженного кадмиево-никелевого аккумулятора равна приблизительно 1,4 В. По мере работы (разряда) аккумулятора напряжение на его зажимах падает. Когда оно становится ниже 1В, аккумулятор заряжают.
При зарядке аккумулятора электрохимические процессы на его электродах "обращаются". На кадмиевом электроде происходит восстановление металла
Cd(OH)2 + 2e- = CD + 2OH-
На никелевом - окисление гидроксида никеля (П):
2Ni(OH)2 + 2OH- = 2NiOOH + 2H2O + 2e-
Суммарная реакция при зарядке обратна реакции, протекающей при разряде:
2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 = 2NiOOH + 2H2O + Cd
ГЕРМЕТИЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Особую группу никель-кадмиевых аккумуляторов составляют герметичные аккумуляторы. Выделяющийся в конце заряда кислород окисляет кадмий, поэтому давление в аккумуляторе не повышается. Скорость образования кислорода должна быть невелика, поэтому аккумулятор заряжают относительно небольшим током.
Герметичные аккумуляторы подразделяются на дисковые,
цилиндрические и прямоугольные.
Герметичные прямоугольные никель-кадмиевые аккумуляторы
производятся с отрицательными неметаллокерамическими электродами из оксида кадмия или с металлокерамическими кадмиевыми электродами.
ГЕРМЕТИЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Широко распространенные кислотные аккумуляторы,
выполненные по классической технологии, доставляют много хлопот
и оказывают вредное влияние на людей и аппаратуру. Они наиболее
дешевы, но требуют дополнительных затрат на их обслуживание,
специальных помещений и персонал.
АККУМУЛЯТОРЫ ТЕХНОЛОГИИ "DRYFIT"
Наиболее удобными и безопасными из кислотных аккумуляторов
являются абсолютно необслуживаемые герметичные аккумуляторы
VRLA (Valve Regulated Lead Acid) произведенные по технологии
"dryfit". Электролит в этих аккумуляторах находится в желеобразном состоянии. Это гарантирует надежность аккумуляторов и безопасность их эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Деордиев С.С.
Аккумуляторы и уход за ними.
К.: Техника, 1985. 136 с.
2. Электротехнический справочник.
В 3-х т. Т.2. Электротехнические изделия и устройства/под
общ. ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И. Н. Орлов) и др. 7 изд. 6испр. и доп.
М.: Энергоатомиздат, 1986. 712 с.
3. Н.Л.Глинка.
Общая химия.
Издательство "Химия" 1977.
4. Багоцкий В.С., Скундин А.М.
Химические источники тока.
М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.