Будова та принцип роботи свинцево-кислотного акумулятора

Коли металевий електрод (наприклад, зі свинцю) занурюється в електроліт (наприклад, сірчану кислоту), в електроліті розчиняються іони металу. Дані іони металу позитивно заряджені і залишають електрони на електроді. Внаслідок цього електрод має електричний потенціал. Це протидіє подальшому розчиненню іонів, таким чином виникає баланс між розчиненням і осадженням іонів металу при поглинанні електронів.

Подібним чином поводиться електрод з PbO2, тільки в цьому випадку відбувається перетворення заряджених іонів свинцю (Pb²⁺ та Pb⁴⁺). Різні електроди мають різний потенціал, таким чином, виникає напруга акумуляторів як різниця даних потенціалів. У зарядженому свинцевому акумуляторі позитивний електрод головним чином складається з діоксиду свинцю (PbO2), негативний електрод - із чистого свинцю (Pb). В якості електроліту служить розведена сірчана кислота (H2SO4 плюс H2O).

Перенесення струму здійснюється за допомогою іонної електропровідності. У водному розчині молекули сірчаної кислоти розщеплюються на позитивно заряджені іони водню (H⁺) та негативно заряджені іони кислотного залишку (SO4²⁻). Розщеплення є передумовою для провідності електроліту і для проходження зарядного чи розрядного струму.

Заряд батареї

Батарея заряджається під час руху, коли генератор постачає достатню кількість зарядного струму. Розряджена батарея може також заряджатися за допомогою зарядного пристрою.

Під час процесу заряду позитивний електрод свинцевого акумулятора пов'язаний з позитивним полюсом, негативний електрод - з негативним полюсом джерела постійної напруги (генератор або зарядний пристрій). Процес заряду - на відміну від процесу розряду, який описуватиметься пізніше, - запускається при подачі електричної енергії, таким чином, всі акумулятори досягають після заряджання вищого енергетичного рівня. На рисунках нижче схематично зображені процеси, що відбуваються між окремими частинками маси електродів та електролітом.

Джерело зарядної напруги забезпечує в акумуляторі перенесення заряду від позитивного електрода до негативного. Він спонукає до впливу електрони негативного електрода. При цьому на даному електроді з позитивного двоатомного свинцю (Pb2) виникає - при розщепленні молекули сульфату свинцю - свинець (Pb) "з нульовим значенням" (металевий). Негативно заряджені іони кислотного залишку (SO4²⁻), що одночасно звільнилися, переходять з негативного електрода в електроліт.

На позитивному електроді при переносі електронів позитивний двоатомний свинець (Pb²⁺) перетворюється на позитивний чотирихатомний свинець (Pb⁴⁺). При цьому сульфат свинцю (PbSO4) розщеплюється електрохімічно в результаті прикладеної зарядної напруги. Позитивний чотирихатомний свинець з'єднується з киснем, вилученим із води (H2O), у діоксид свинцю (PbO2). Іони сульфату, що одночасно звільнилися під час процесу окислення на позитивному електроді (SO4²⁻ з сульфату свинцю PbSO4), та іони водню (H⁺ з води) переходять в електроліт.

Рівняння реакції процесу заряду наступне:

Внаслідок процесу зарядки підвищується кількість іонів водню (H⁺) та іонів сульфату (SO4²⁻) в електроліті. Це означає, що сірчана кислота (H2SO4) утворюється знову, причому щільність електроліту ρ збільшується (у зарядженому акумуляторі зазвичай ρ = 1,28 кг/л). Це відповідає вмісту сірчаної кислоти приблизно 37 %. Тому шляхом вимірювання щільності електроліту можна визначити рівень заряду батареї.

Заряд завершений, після того як:

• сульфат свинцю (PbSO4) на позитивному електроді перетворився на діоксид свинцю (PbO2),

• сульфат свинцю (PbSO4) на негативному електроді - в металевий свинець (Pb);

• зарядна напруга, а також густина електроліту ρ при подальшому заряді вже не збільшуються.

Газовиділення

Завдяки процесу заряду електрична енергія перетворюється в хімічну енергію і зберігається. Якщо заряд продовжується після повного заряду, продовжується розкладання води. На позитивній пластині утворюється кисень (О2), на негативній пластині - водень (H2). Цей процес називається газовиділенням. Іноді потрібне додавання води.

Перезарядження можна скоротити, наприклад, обмеживши час заряду.

Заряд батареї дуже залежить від режиму роботи транспортного засобу (наприклад, пробка, зупинка, початок руху або спокійний рух). Генератор приводиться в дію двигуном, виробництво енергії генератором збільшується зі зростанням частоти обертання двигуна. Тому, наприклад, при тривалому часі очікування в пробці або перед світлофором при холостому ході двигуна частота обертання генератора відповідно нижче і, як наслідок, нижче зарядний струм. Відсутність тривалих поїздок негативно впливає на баланс електроенергії. Якщо, навпаки, є можливість здійснювати тривалі подорожі дорогами чи автобанами, частота обертання двигуна в середньому сягає верхнього діапазону, і зарядний струм, відповідно, вище.

Розряд (споживання струму)

Напрямок струму та електрохімічні процеси відбуваються при розряді батареї зворотньо заряду. Якщо обидва полюси однієї батареї з'єднані один з одним за допомогою споживача (наприклад, лампа розжарювання), електрони в результаті наявної різниці потенціалів двох полюсів (6-кратна напруга акумулятора) переходять від негативного електрода через споживач до позитивного електрода.

За допомогою переходу електронів позитивний чотирихатомний свинець (Pb⁴⁺) позитивного електрода перетворюється на позитивний двоатомний свинець (Pb²⁺), а з'єднання раніше позитивного чотирихатомного свинцю переривається на атомі кисню (О).

Вивільнені в результаті цього атоми кисню з'єднуються з іонами водню (H⁺), які вилучаються із сірчаної кислоти (H2SO4), у воду (H2O). Щільність електроліту зменшується. При розрядженій батареї вона практично завжди нижча за ρ = 1,12 кг/л. Це відповідає вмісту приблизно 17% сірчаної кислоти.

На негативному електроді в результаті переходу електронів з металевого свинцю (Pb) до позитивного електрода також утворюється двоатомний позитивний свинець (Pb²⁺). Подвійні негативно заряджені іони кислотного залишку (SO4²⁻) із сірчаної кислоти з'єднуються з двоатомним позитивним свинцем обох електродів. Таким чином, в результаті розрядки на обох електродах виникає сульфат свинцю (PbSO4).

Рівняння реакції процесу розряду наступне:

Обидва електроди знову досягли вихідного стану: хімічна енергія, збережена в акумуляторі, знову перетворюється на електричну енергію за допомогою процесу розряду.