Оловно-киселинна батерия: работеща, конструкция и зареждане / разреждане

Почти всяко преносимо и ръчно устройство се състои от батерия. Батерията е устройство за съхранение, където се съхранява енергия, за да се осигури захранването, когато е необходимо. В този модерен свят на електрониката се предлагат различни видове батерии, сред които оловно- киселинна батерия обикновено се използва за високо захранване. Обикновено оловните акумулатори са по-големи по размер с твърда и тежка конструкция, те могат да съхраняват голямо количество енергия и обикновено се използват в автомобили и инвертори.

Дори след като се конкурират с литиево-йонните батерии, търсенето на оловно-киселинни батерии се увеличава всеки ден, тъй като те са по-евтини и лесни за управление в сравнение с литиево-йонните батерии. Според някои пазарни проучвания Индийският пазар на оловно-киселинни батерии се очаква да нарасне при CAGR от над 9% през 2018-24. Така че има огромно търсене на пазара в автоматизацията, автомобилостроенето и потребителската електроника. Въпреки че по-голямата част от електрическото превозно средство се доставя с литиево-йонни батерии, но все пак има много електрически двуколки, които използват оловни киселини за захранване на автомобила.

В предишния урок научихме за литиево-йонните батерии, тук ще разберем работата, конструкцията и приложенията на оловните батерии. Също така ще научим за рейтингите за зареждане / разреждане, изискванията и безопасността на оловните батерии.

Изграждане на оловно-киселинна батерия

Какво представлява оловно-киселинна батерия? Ако нарушим името Оловно-киселинна батерия, ще получим Оловно-киселинна и Батерийна. Оловото е химичен елемент (символът е Pb, а атомният номер е 82). Това е мек и ковък елемент. Знаем какво е киселина; той може да дари протон или да приеме електронна двойка, когато реагира. И така, батерията, която се състои от олово и безводна водопроводна киселина (понякога погрешно наричана като оловен пероксид), се нарича оловна батерия.

Сега каква е вътрешната конструкция?

Оловно-киселинна батерия се състои от следните неща, можем да я видим на изображението по-долу:

Оловно-киселинна батерия се състои от плочи, сепаратор и електролит, твърда пластмаса с твърд каучуков калъф.

В батериите плочите са два вида, положителни и отрицателни. Положителната се състои от оловен диоксид, а отрицателната се състои от гъба олово. Тези две плочи са разделени с помощта на сепаратор, който е изолационен материал. Тази цялостна конструкция се съхранява в твърда пластмасова кутия с електролит. На електролита е вода и сярна киселина.

Твърдата пластмасова кутия е една клетка. Магазин с една клетка обикновено 2.1V. Поради тази причина 12V оловно-киселинна батерия се състои от 6 клетки и осигурява 6 x 2.1V / клетка = 12.6V обикновено.

Сега какъв е капацитетът за съхранение на заряда?

Той е силно зависим от активния материал (количеството електролит) и размера на плочата. Може да сте виждали, че капацитетът за съхранение на литиева батерия е описан в mAh или милиамперчасов час, но в случай на оловно-киселинна батерия това е Amp час. Ще опишем това в следващия раздел.

Работа на оловно-киселинна батерия

Работата на оловната киселина е свързана с химията и е много интересно да се знае за нея. Има огромни химически процеси, участващи в състоянието на зареждане и разреждане на оловно-киселинна батерия. Разредените молекули сярна киселина H ₂ SO _{4 се} разпадат на две части, когато киселината се разтвори. Той ще създаде положителни йони 2H + и отрицателни йони SO ₄ -. Както казахме по-рано, два електрода са свързани като плочи, анод и катод. Анодът улавя отрицателните йони, а катодът привлича положителните йони. Това свързване в анод и SO ₄ - и катод с 2H + обменни електрони и което допълнително реагира с H2O или с водата (разредена сярна киселина, сярна киселина + вода).

Батерията има две състояния на химическа реакция, зареждане и разреждане.

Зареждане на оловна батерия

Както знаем, за да заредим батерията, трябва да осигурим напрежение, по-голямо от напрежението на терминала. Така че за зареждане на 12,6V батерия може да се приложи 13V.

Но какво всъщност се случва, когато зареждаме оловно-киселинна батерия?

Е, същите химични реакции, които описахме преди. По-конкретно, когато батерията е свързана със зарядното устройство, молекулите на сярната киселина се разбиват на два йона, положителни йони 2H + и отрицателни йони SO ₄ -. Водородът обменя електроните с катода и става водород, този водород реагира с PbSO ₄ в катода и образува сярна киселина (H ₂ SO ₄) и олово (Pb). От друга страна, SO ₄ - обменят електрони с анод и стават радикални SO ₄. Този SO ₄ реагира с PbSO ₄ на анода и създава оловен пероксид PbO ₂ и сярна киселина (H ₂ SO ₄). Енергията се съхранява чрез увеличаване на гравитацията на сярна киселина и увеличаване на потенциалното напрежение на клетката.

Както е обяснено по-горе, по време на процеса на зареждане в анода и катода протичат следните химични реакции.

На катода

PbSO ₄ + 2e ^- => Pb + SO ₄ ^2-

На анод

PbSO ₄ + 2H ₂ O => PbO ₂ + SO ₄ ^2- + 4H ^- + 2e ^-

Комбинирайки по-горе две уравнения, общата химическа реакция ще бъде

2PbSO ₄ + 2H ₂ O => PbO ₂ + Pb + 2H ₂ SO ₄

Има различни методи, приложими за зареждане на оловно-киселинната батерия. Всеки метод може да се използва за специфични оловни батерии за специфични приложения. Някои приложения използват метод за зареждане с постоянно напрежение, други приложения използват метод с постоянен ток, докато зареждането с гъделичкане също е полезно в някои случаи. Обикновено производителят на батерии осигурява подходящия метод за зареждане на специфичните оловно-киселинни батерии. Постоянното токово зареждане обикновено не се използва при зареждане с оловно-кисели батерии.

Най-често използваният метод за зареждане, използван в оловно-киселинната батерия, е метод за зареждане с постоянно напрежение, който е ефективен процес по отношение на времето за зареждане. При пълен цикъл на зареждане напрежението на заряда остава постоянно и токът постепенно намалява с увеличаването на нивото на зареждане на батерията.

Разряд на оловно-кисели батерии

Разреждането на оловно-киселинна батерия отново е свързано с химични реакции. Сярната киселина е в разредена форма с типично съотношение 3: 1 с вода и сярна киселина. Когато натоварванията са свързани в плаките, сярната киселина отново паузи в положителни йони 2Н + и отрицателни йони SO ₄. Водородните йони реагират с PbO ₂ и карат PbO и водата H ₂ O. PbO започват да реагират с H ₂ SO ₄ и създават PbSO ₄ и H ₂ O.

От другата страна SO ₄ - йоните обменят електрони от Pb, създавайки радикал SO _4, който допълнително създава PbSO _4, реагиращ с Pb.

Както беше обяснено по-горе, по време на процеса на заустване при анода и катода протичат следните химични реакции. Тези реакции са точно противоположни на реакциите на зареждане:

На катода

Pb + SO ₄ ^2- => PbSO ₄ + 2e ^-

На анода:

PbO ₂ + SO ₄ ^2- + 4H ^- + 2e ^- => PbSO ₄ + 2H ₂ O

Комбинирайки по-горе две уравнения, общата химическа реакция ще бъде

PbO ₂ + Pb + 2H ₂ SO ₄ => 2PbSO ₄ + 2H ₂ O

Поради обмена на електрони през анода и катода, електронен баланс в плочите е засегнат. След това електроните преминават през товара и батерията се разрежда.

По време на това разреждане гравитацията на разредената сярна киселина намалява. В същото време потенциалната разлика на клетката намалява.

Рисков фактор и електрически рейтинги

Оловно-киселинната батерия е вредна, ако не се поддържа безопасно. Тъй като батерията генерира водороден газ по време на химичния процес, е много опасно, ако не се използва във вентилираната зона. Също така, неточното зареждане сериозно уврежда батерията.

Какви са стандартните оценки на оловно-киселинна батерия?

Всяка оловно-киселинна батерия е снабдена с фиш за стандартен ток на заряд и разряд. Обикновено 12V оловно-киселинна батерия, която е приложима за автомобилното приложение, може да варира от 100Ah до 350Ah. Този рейтинг се определя като степен на разреждане с период от 8 часа.

Например, батерия 160Ah може да осигури 20A захранващ ток към товара за 8 часа от интервала. Можем да изтеглим повече ток, но не е препоръчително да го правим. Чрез изтегляне на повече ток от максималния ток на разреждане за 8 часа ще се повреди ефективността на батерията и вътрешното съпротивление на батерията също може да бъде променено, което допълнително увеличава температурата на батерията.

От друга страна, по време на фазата на зареждане трябва да внимаваме за полярността на зарядното устройство, то трябва да бъде правилно свързано с полярността на батерията. Обратната полярност е опасна за зареждането на оловната батерия. Готовото зарядно устройство се предлага с измервател на напрежение за зареждане и ток на зареждане с опция за управление. За зареждане на батерията трябва да осигурим по-голямо напрежение от напрежението на батерията. Максималният ток на зареждане трябва да бъде същият като максималния ток на захранване при 8-часови разрядни разряди. Ако вземем същия пример 12V 160Ah, тогава максималният захранващ ток е 20A, така че максималният безопасен ток на зареждане е 20A.

Не трябва да увеличаваме или осигуряваме голям ток на зареждане, тъй като това ще доведе до топлина и повишено производство на газ.

Правила за поддръжка на оловни батерии

1. Поливането е най-пренебрегваната функция за поддръжка на наводнените оловно-киселинни батерии. Тъй като презареждането намалява водата, трябва да го проверяваме често. По-малко вода създава окисляване в плочите и намалява продължителността на живота на батерията. Добавете дестилирана или йонизирана вода, когато е необходимо.
2. Проверете за вентилационните отвори, те трябва да бъдат усъвършенствани с гумени капачки, често гумените капачки се залепват с отворите твърде плътно.
3. Зареждайте оловно-киселинни батерии след всяка употреба. Дълъг период без презареждане осигурява сулфатиране в плочите.
4. Не замразявайте батерията и не я зареждайте над 49 градуса по Целзий. При студена околна среда батериите трябва да бъдат напълно заредени, тъй като напълно заредените батерии са по-безопасни от празните батерии по отношение на замръзването.
5. Не разреждайте батерията дълбоко под 1,7 V на клетка.
6. За да съхранявате оловно-киселинна батерия, тя трябва да бъде напълно заредена, след което електролитът трябва да бъде източен. Тогава батерията ще изсъхне и ще може да се съхранява дълго време.