Свинцево-кислотний акумулятор

Свинцевий акумулятор винайшов у 1859-1860 роках Гастон Планте, співробітник лабораторії Олександра Беккереля. У 1878 році Камілл Фор удосконалив його конструкцію, покривши пластини акумулятора свинцевим суриком .

Акумулятори характеризуються такими параметрами:
- Електрорушійна сила зарядженого акумулятора 2,1—2,3 В;
- Електрорушійна сила розрядженого акумулятора 1,7—1,8 В;
- ККД до 80%;
- термін служби (кількість циклів заряд-розряд) 300—800;
- Саморозряд на добу 1—2%

Хоча свинцево-кислотний акумулятор може мати найвищу ємність при температурах понад 30^оС, але тривала експлуатація при таких умовах скорочує функціональність акумулятора.[1]

В залежності від потрібної напруги і загальної ємності акумулятори збирають з кількох елементів. Тому у більшості випадків акумулятор виконується у вигляді послідовного (або паралельного) з'єднання кількох "елементів"[2] — кожен з яких забезпечує напругу у 2 В і складається з кількох груп свинцевих пластин вкритих окисом свинцю і кислотою. Свинцева решітка покрита окисом свинцю називають пластиною. Кожен свинцевий елемент, який є групою пластин, має по дві клеми на позитивній стороні елемента, і на негативній. Пластини елемента акумулятора виконують зі свинцю і його двоокису, а роль електроліту належить сірчаній кислоті. Пластини з металевого свинцю мають негативний заряд, а пластини, покриті двоокисом (перекисом) свинцю — позитивний заряд. Пластини чергують таким чином, щоб між пластинами зі свинцю розташовувалися пластини з покриттям з двоокису свинцю. Щоб запобігти короткому замиканню між позитивними і негативними пластинами через фізичний контакт їх розмежовують або/або: сеператорами у вигляді листів або загортають у матеріал з волокнами скловолокна, а потім у пластикову оболонку. Пластини поміщають в контейнер (зазвичай з пластика) і заливають водним розчином кислоти.

Акумулятори мають аварійний клапан через який у небезпечних ситуаціях скидається надлишок газу (так званий "герметизований акумулятор").

У гель-свинцевих акумуляторах застосовують гелеподібний електроліт.

Під час розряду акумулятора в результаті реакції відбувається вихід води, а на пластинах обох типів утворюється сірчанокислий свинець. Через розбавлення водою розчину сірчаної кислоти падає її концентрація і різниця потенціалів між виводами. Оскільки сірчанокислий свинець володіє низькою питомою провідністю — зростає внутрішній опір акумулятора.[3] Електрохімічні реакції (зліва направо — при розряді, зправа наліво — при заряді):

• Реакції на аноді:

${\displaystyle PbO_{2}+SO_{4}^{2-}+4H^{+}+2e^{-}\longrightarrow PbSO_{4}+2H_{2}O}$

• Реакції на катоді:

${\displaystyle Pb+SO_{4}^{2-}-2e^{-}\longrightarrow PbSO_{4}}$

Для заряду свинцево-кислотного акумулятора його пластини відповідно до полярності підключають до зарядного пристрою — виникає зворотна хімічна реакція. В результаті цього з електроліту поглинається вода, збільшуючи концентрацію кислоти, на негативній пластині виділяється металевий свинець, а на позитивній — його двоокис.

Стартерні автомобільні акумулятори використовують для швидкої подачі струму для того щоб запустити двигун і для живлення іншого електрообладнання, а акумулятор глибокого заряду-розряду забезпечує постійну подачу струму протягом тривалого періоду часу. Стартерні автомобільні акумулятори розроблено для запуску автомобільних двигунів і не призначені для глибокого розряду. Вони мають велике число тонких пластин за для максимальної площі поверхні і, отже, максимального вихідного струму, тому можуть бути легко пошкоджені при глибокому розряді. Акумулятори глибокого заряду-розряду використовуються в найрізноманітніших засобах пересування: поїздах, човнах, автонавантажувачах, гольф-карах, електричних транспортних засобах і спеціально розроблені для глибокого розряду-заряду, і тому набагато менш сприйнятливі до деградації. Напруга у акумуляторах глибокого заряду-розряду від 2 до 48 вольт.[2]

Глибокий розряд або постійні часткові розряди свинцево-кислотних акумуляторів неприпустимі, тому що при цьому виникає сульфатація пластин, вона розлога, на їх поверхні виникають білі кристали сірчанокислого свинцю, які не розчинні в електроліті сірчаної кислоти.

Сульфатація також виникає при недостатньому рівні розчину кислоти, коли пластини лише частково заповнені електролітом.

Глибока сульфатація призводить до підвищеного виділення газу в акумуляторі, через що він може, за відсутності захисного пристрою, вибухнути.[3]

Автомобільний акумулятор після вибуху

Слід зазначити, що неглибока сульфатація завжди супроводжує функціонування працездатного акумулятора, в той час як глибока сульфатація може призвести до повного виходу пристрою з ладу.

До переваг свинцево-кислотних акумуляторів належать: довговічність, невелика вартість, надійність, низький внутрішній опір і відсутність ефекту "пам'яті".

До недоліків: велика маса; використання отруйних речовин; неможливість розряду акумулятора при температурі нижче -40°С і заряду при 0°С; неможливість зберігання пристрою в розрядженому стані; в окремих випадках — виділення газів при неправильній експлуатації; значний саморозряд, що досягає 1% протягом 24 годин.[3]

Акумуляторні свинцево-кислотні батареї із зарядом в 1 А·год/батарея забезпечують силу струму набагато меншу, ніж у лужних. Свинцево-кислотні акумулятори мають вищу робочу напругу в порівнянні з лужними акумуляторами.[1] Але вони мають нижчі питомі енергетичні характеристики та значно менший ресурс при циклічності до вичерпання запасеної ємності. Ці батареї частіше використовуються для роботи в буферному режимі, при якому вони зберігають працездатність до 10–12 років.[1]

Великий досвід їх застосування в системах безперебійного живлення, телекомунікації, охоронних і сигнальних, а також постійне вдосконалювання самих джерел струму дозволяють розраховувати на стабільність сфери їх використання в найближчі роки.[1]

• Акумуляторні лужні батареї
• Літій-іонний акумулятор
• AGM