Lyijyakku

Lyijyakku  on eräänlainen akku , josta on tullut laajalle levinnyt maltillisten kustannustensa, hyvien resurssiensa (alkaen 500 jaksosta tai enemmän) ja suuren tehotiheyden vuoksi. Pääsovellukset: ajoneuvojen käynnistysakkut , hätävirtalähteet, varavirtalähteet . Tarkkaan ottaen yhtä akkukennoa kutsutaan akuksi , mutta puhekielessä akkua kutsutaan akuksi (riippumatta siitä, kuinka monta kennoa siinä on).

Lyijyakuista koostuvaa ladattavaa akkua kutsutaan myös lyhenteeksi akku (happoakku) [2] .

Luokitus

AGM ( englanniksi  absorbent glass mat ) - akku, jossa elektrolyyttiä absorboivat lasikuitumatot on asennettu levyjen väliin erottimina. Nämä erottimet eivät ainoastaan ​​estä levyjä oikosulusta, jos ne rikkoutuvat, vaan erottimien sienimäinen rakenne pitää elektrolyytin niissä kapillaaritoiminnalla, eikä elektrolyytti vuoda akusta missään olosuhteissa. Tällaiset sieni-erottimet estävät elektrolyyttiä pitämällä sen kerrostumisen (kerroitumisen), mikä pidentää akun käyttöikää. Hapen rekombinaatiosykli toimii myös AGM-akuissa, jolla on sekä etuja että haittoja. AGM-akkujen hapen rekombinaatiosta johtuen vedenkulutus on pienempi kuin yksinkertaisissa akuissa [2] .

EFB ( englanninkielisestä  parannetusta tulvitusta akusta , parannettu bulk-akku) - akku, jossa on vapaasti roiskuvaa nestemäistä elektrolyyttiä, paksumpia levyjä verrattuna yksinkertaisiin akkuihin (samat levyt kuin AGM:ssä) ja tiheämmällä erottimilla verrattuna yksinkertaisiin akkuihin. Muun muassa EFB:issä on lasikuituerottimet (samanlaiset kuin AGM). EFB-akut ovat yksinkertaisten akkujen ja AGM-akkujen välissä [2] .

Historia

Lyijyakun keksi vuosina 1859-1860 Gaston Plante , Alexandre Becquerelin laboratorion työntekijä [3] . Vuonna 1878 Camille Faure paransi sen suunnittelua ehdottamalla akun levyjen peittämistä punaisella lyijyllä . Venäläinen keksijä Benardos levitti sienimäistä lyijypinnoitetta lisäämään hitsaustyössään käyttämiensä akkujen tehoa .

Kuinka se toimii

Lyijyakkujen toimintaperiaate perustuu lyijyn ja lyijydioksidin sähkökemiallisiin reaktioihin rikkihapon vesiliuoksessa .

Kun ulkoinen kuorma-akku kytketään elektrodeihin, alkaa sähkökemiallinen vuorovaikutusreaktio lyijyoksidin ja rikkihapon välillä, kun taas metallinen lyijy hapettuu lyijysulfaatiksi (akun klassisessa versiossa). Neuvostoliitossa tehdyt tutkimukset osoittivat, että akun purkautuessa tapahtuu vähintään ~ 60 erilaista reaktiota, joista noin 20 tapahtuu ilman elektrolyyttihapon osallistumista [4] .

Purkauksen aikana lyijydioksidi pelkistyy katodilla [4] [5] ja lyijy hapettuu anodilla . Latauksen aikana tapahtuu käänteisiä reaktioita. Kun akku ladataan, lyijysulfaatin loppumisen jälkeen alkaa veden elektrolyysi , samalla kun happea vapautuu anodilla (positiivinen elektrodi) ja vetyä katodilla .

Sähkökemialliset reaktiot (vasemmalta oikealle - purkaessa, oikealta vasemmalle - latauksen aikana):

. .

Avoimessa ulkoisessa piirissä anodille kerääntyy vapaita elektroneja, jotka houkuttelevat ioneja elektrolyytistä . Ohut kerroksessa lähellä anodia muodostuu sähkökenttä, joka estää ionien pääsyn elektrodille. Kun negatiivinen varaus kertyy, potentiaaliero näin ohuella kerroksella kasvaa, negatiivisten ionien pääsy anodille hidastuu, tasapaino muodostuu ja varaus lakkaa kerääntymästä anodille. Samanlainen tilanne tapahtuu katodilla: katodin positiivinen varaus houkuttelee ioneja , työntäen ionit sivuun , reaktio hidastuu. Kun ulkoinen piiri on suljettu, anodielektronit virtaavat katodille ja neutraloivat sen positiivisen varauksen, mikä edistää kemiallisten reaktioiden uudelleen alkamista elektrodeilla.

Kun akku tyhjenee elektrolyytistä, rikkihappoa kuluu ja suhteellisen kevyempää vettä vapautuu, elektrolyytin tiheys pienenee. Latauksen aikana tapahtuu päinvastainen prosessi. Varauksen lopussa, kun lyijysulfaatin määrä elektrodeilla laskee alle tietyn kriittisen arvon, veden elektrolyysiprosessi alkaa hallita. Kaasumaista vetyä ja happea vapautuu elektrolyytistä kuplien muodossa - niin sanottu "kiehuminen" ylilatauksen aikana. Tämä on ei-toivottu ilmiö, jota kannattaa mahdollisuuksien mukaan välttää latauksen aikana, koska tällöin vettä kuluu peruuttamattomasti, elektrolyytin tiheys kasvaa ja syntyy syntyvien kaasujen räjähdysvaara . Siksi useimmat laturit vähentävät latausvirtaa akun jännitteen kasvaessa. Vesihäviöitä korvataan lisäämällä akkuihin tislattua vettä akkua huollettaessa (joissakin auton akuissa ei ole avaus-/irrotustulppia) [6] .

Laite

Lyijyakkuelementti koostuu elektrodeista ja erottavista huokoisista levyistä, jotka on valmistettu materiaalista, joka ei ole vuorovaikutuksessa hapon kanssa, mikä estää elektrolyyttiin upotettuja elektrodeja (erottimia) sulkeutumasta . Elektrodit ovat litteitä metallista lyijyä. Lyijydioksidijauhetta ( ) puristetaan näiden ritilöiden kennoihin - anodilevyihin ja metalliseen lyijy - katodilevyihin (tässä akun latautuessa sen positiivista elektrodia pidetään anodina, koska akun tyhjentyessä , siitä tulee katodi, - elektrodina, johon elektronien liike ohjataan ulkoisen piirin aikana). Jauheiden käyttö lisää elektrolyytin ja kiinteän aineen rajapintaa, mikä lisää akun sähköistä kapasiteettia.

Elektrodit yhdessä erottimien kanssa upotetaan elektrolyyttiin, joka on rikkihapon vesiliuos . Tislattua vettä käytetään happoliuoksen valmistukseen .

Elektrolyytin sähkönjohtavuus riippuu rikkihapon pitoisuudesta ja on huoneenlämpötilassa suurin hapon massaosuudella 35 % [7] , mikä vastaa elektrolyytin tiheyttä 1,26 g/cm³. Mitä suurempi elektrolyytin johtavuus, sitä pienempi akun sisäinen vastus ja vastaavasti sitä pienempi energiahäviö siinä. Käytännössä alueilla, joilla on kylmä ilmasto, käytetään kuitenkin myös korkeampia rikkihappopitoisuuksia, jopa 1,29–1,31 g / cm³, mikä johtuu siitä, että kun pitoisuus laskee purkauksen vuoksi, elektrolyytti voi jäätyä. , ja jäätyessään se muodostaa jäätä, joka voi rikkoa akkukennoja ja vahingoittaa levyjen sienimäistä materiaalia.

On olemassa kokeellisia akkukehityksiä, joissa lyijyristikko korvataan ohuella lyijykalvolla peitetyillä lomitetuilla hiilikuitufilamenteilla . Tässä tapauksessa käytetään pienempää määrää lyijyä, joka on jakautunut suurelle alueelle, mikä mahdollistaa akun paitsi kompaktin ja kevyen, muiden asioiden ollessa yhtäläisen, myös paljon tehokkaamman - suuremman tehokkuuden lisäksi latautuu paljon nopeammin kuin perinteiset akut [8] .

Kotitalouksien UPS :issä , hälytysjärjestelmissä jne. käytetyissä akuissa nestemäinen elektrolyytti sakeutetaan natriumsilikaattien ( ) alkalisella vesiliuoksella tahnamaiseen tilaan. Nämä ovat niin sanottuja geeliakkuja (GEL), joilla on pitkä käyttöikä. Toinen versio on huokoisilla lasikuituerottimilla (AGM), jotka mahdollistavat ankarammat lataustilat [9] .

Sähkö- ja toimintaparametrit

Sovellus

Useimmiten lyijyakkuja käytetään osana akkua, jonka nimellisjännite on 4, 6 ja 12 V , harvemmin eri jännitteellä, 2 voltin kerrannainen . Erillisiä kahden voltin elementtejä ei käytetä lähes koskaan. Teollisuus tuottaa vaihtoehtoja huolletuille (elektrolyytin kaataminen, tislattu vesi, elektrolyytin tiheyden seuranta, sen vaihto) ja huoltovapaille akuille (suljetussa kotelossa elektrolyytin roiskeet eivät ole mahdollisia kallistettaessa ja käännettäessä). Huollettavia akkuja voidaan valmistaa kuivalla (ilman elektrolyytillä täytettynä), mikä lisää niiden säilyvyyttä eikä vaadi säännöllistä huoltoa varastoinnin aikana, elektrolyytti täytetään ennen akun käyttöönottoa.

Suorituskykyominaisuudet

Hyödyntäminen

Kun autossa käytetään "huollettuja" akkuja (joissa on aukeavat kannet) epätasaisilla teillä ajettaessa elektrolyyttiä tihkuu väistämättä korkkien alta akkukoteloon. Sähköä johtavan, ei-kuivuvan, hygroskooppisuudesta johtuen elektrolyyttikalvon kautta tapahtuu akun asteittainen itsepurkautuminen. Syvän itsepurkauksen välttämiseksi on tarpeen ajoittain neutraloida elektrolyytti pyyhkimällä akun kotelo esimerkiksi heikolla ruokasoodaliuoksella tai pesusaippualla, joka on laimennettu veteen nestemäisen hapankerman konsistenssiin. Lisäksi, varsinkin kuumalla säällä, vesi haihtuu elektrolyytistä; myös veden määrä elektrolyytissä pienenee, kun akku ladataan sen elektrolyysin vuoksi. Veden hävikki lisää elektrolyytin tiheyttä ja lisää akun jännitettä. Merkittävällä vesihäviöllä levyt voivat paljastua, mikä samanaikaisesti lisää itsepurkautumista ja aiheuttaa akun sulfatoitumista. Siksi on tarpeen seurata elektrolyyttitasoa ja tarvittaessa lisätä tislattua vettä.

Nämä toimenpiteet yhdessä ajoneuvon sähkölaitteiden loisvirtavuotojen varalta ja akun ajoittainen lataamisen kanssa voivat pidentää merkittävästi akun käyttöikää.

Lyijyakun käyttö matalissa lämpötiloissa

Ympäristön lämpötilan laskiessa akkuparametrit heikkenevät, mutta toisin kuin muun tyyppisissä akuissa, tämä lasku on lyijyakkujen osalta suhteellisen pientä, mikä johtaa niiden laajaan käyttöön liikenteessä. Empiirisesti uskotaan, että lyijyakku menettää ~ 1 % lähtökapasiteetistaan ​​jokaista lämpötilan pudotusta kohti +20 °C:sta. Eli -30 °C :n lämpötilassa lyijyakun kapasiteetti on noin 50 % .

Kapasitanssin ja virran tehon pieneneminen matalissa lämpötiloissa johtuu ensisijaisesti kemiallisten reaktioiden nopeuden hidastumisesta ( Arrheniuksen laki ). Ainoa tapa lisätä tehoa on lämmittää kylmää akkua lisävarusteena - sisäänrakennetulla lämmittimellä (6ST-190TR-N).

Tyhjentynyt akku voi turvota kylmällä säällä matalatiheyksisen elektrolyytin (lähes 1,10 g/cm 3 ) jäätymisen ja jääkiteiden muodostumisen vuoksi, mikä johtaa peruuttamattomiin vaurioihin akun sisällä oleviin lyijylevyihin.

Alhaiset elektrolyytin lämpötilat vaikuttavat haitallisesti akun suorituskykyyn ja lataus-purkausominaisuuksiin [14] :

Nykyaikaisten suljettujen akkujen (ns. huoltovapaiden, sinetöityjen, sinetöityjen) suuremman sisäisen resistanssin vuoksi alhaisissa lämpötiloissa verrattuna perinteisiin (avoin tyyppisiin) akkuihin, nämä ongelmat ovat heille vieläkin tärkeämpiä [15 ] .

Ajoneuvojen käyttöä varten erittäin alhaisissa lämpötiloissa suunnitellaan akkumalleja, joissa on sisäinen sähkölämmitys [16] .

Tallennus

Lyijyakkuja tulee säilyttää vain ladattuina. Alle -20 °C: n lämpötiloissa akkuja tulee ladata vakiojännitteellä 2,45 volttia per kenno kerran vuodessa 48 tunnin ajan. Huoneenlämmössä - 1 kerta 8 kuukaudessa vakiojännitteellä 2,35 volttia per kenno 6-12 tunnin ajan. Akkujen säilytystä yli 30°C:ssa ei suositella.

Akkukotelon pinnalla oleva kerros likaa, suoloja ja elektrolyyttikalvoa luo johtimen elektrodien välille ja johtaa akun itsepurkautumiseen, syväpurkauksella levyjen sulfatoituminen alkaa akun muodostumisesta. tiheämpää sulfaattia, joka sitten reagoi vähemmän ja vaikeammin kuin normaalin käyttöpurkauksen aikana muodostuva sulfaatti, mikä on syy kapasiteetin menetykseen. Siksi akun pinta on pidettävä puhtaana. Lyijyakkujen varastointi tyhjentyneenä johtaa nopeaan suorituskyvyn heikkenemiseen.

Akkujen pitkäaikaisessa varastoinnissa ja niiden purkamisessa suurilla virroilla (käynnistystilassa) tai akun kapasiteetin pienentyessä on tarpeen suorittaa ohjaus- ja koulutusjaksot, eli purkaus-lataus nimellisarvoisilla virroilla .

Kun valmistellaan akkua talvisäilytystä varten, mikä on tärkeää ajoneuvoille, joita ei käytetä kylmänä vuodenaikana, NIIAE:n vanhimman laboratorion asiantuntijat suosittelevat seuraavia toimia:

1. Lataa akku kunnolla ja täyteen. 2. Sivele rasvaa akun positiiviseen napaan (vain tekninen vaseliini on sallittu, koska sen happamuus on neutraali, eikä missään tapauksessa saa käyttää litolia, rasvaa tms., koska niissä on lievä happamuus ja ajan mittaan tällaisia ​​voiteluaineita syövyttää akun lähtönapoja), koska elektrolyyttikalvo pystyy imemään kosteutta ilmakehästä, mikä voi johtaa lisääntyneeseen itsepurkaukseen. 3. Säilytä akkuja kylmässä 0-10 °C:n lämpötilassa, koska itsepurkautuminen on paljon alhaisempaa matalissa lämpötiloissa. Jäätynyt vesi vahingoittaa akkulevyjä, joten älä säilytä akkuja alle 0 °C:n lämpötilassa.

Jos joudut matkustamaan kylmällä säällä, siirrä akku lämmitettyyn huoneeseen ja 7-9 tunnin kuluessa (esim. yön yli) se tulee moottorin käynnistämiseen sopivaan tilaan.

Lyijyakkujen kuluminen

Teknistä rikkihappoa ja tislaamatonta vettä käytettäessä itsepurkautuminen, sulfatoituminen , levyjen tuhoutuminen ja akun kapasiteetin pieneneminen nopeutuvat [17] .

Lyijyakkujen tärkeimmät kulumisprosessit ovat:

Vaikka levyjen fyysisen tuhoutumisen vuoksi vioittunutta akkua ei voida korjata kotona, kirjallisuudessa on kuvattu kemiallisia liuoksia ja muita menetelmiä levyjen "desulfatointiin". Yksinkertainen, mutta täynnä akkumenetelmän täydellinen epäonnistuminen sisältää magnesiumsulfaattiliuoksen käytön [4] . Magnesiumsulfaattiliuos kaadetaan osiin, minkä jälkeen akku puretaan ja ladataan useita kertoja. Lyijysulfaatti ja muut kemiallisen reaktion jäännökset putoavat tölkkien pohjalle, mikä voi johtaa elementin oikosulkuun, joten on suositeltavaa huuhdella käsitellyt tölkit ja täyttää ne uudella nimellistiheyksisellä elektrolyytillä. Näin voit pidentää laitteen käyttöikää jonkin verran.

Kierrätys

Tämän tyyppisten akkujen kierrätyksellä on tärkeä rooli, koska akkujen sisältämä lyijy on myrkyllistä raskasmetallia ja aiheuttaa vakavaa haittaa joutuessaan ympäristöön. Lyijy ja sen suolat on kierrätettävä, jotta niitä voidaan käyttää uudelleen.

Kuluneiden akkujen lyijyä käytetään käsiteolliseen sulatukseen, esimerkiksi kalastusvälinepainojen , metsästyshaulien tai painojen valmistukseen . Lyijyn käsiteollinen talteenotto akuista vahingoittaa vakavasti sekä ympäristöä että sulattojen terveyttä, koska lyijyä ja sen yhdisteitä kulkeutuu koko alueelle savun ja savun mukana [19] [18] .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. Kurzukov N. I., Yagnyatinsky V. M. Ladattavat akut. Lyhyt viite // M .: OOO "Kirjakustantaja "Ratin takana"". - 2008. - 88 s., ill. ISBN 978-5-9698-0236-0 . (s. 15).
  2. 1 2 3 RUVDS, 15/07, 2021 .
  3. Bertrand Gille Histoire des tekniikat. — Gallimard, coll. "La Plejade", 1978, ISBN 978-2070108817 .
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 Lyijyakut. Hyödyntäminen: Totuus ja fiktio. Arkistoitu 25. lokakuuta 2011 Wayback Machinessa
  5. N. Lamtev. Kotitekoiset akut. Moskova: Valtion Radio-julkaisujen kustantaja, 1936. . Haettu 21. lokakuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 5. marraskuuta 2014.
  6. Auton akun avaaminen: akun tekeminen huollettavaksi  (venäjäksi) , AkkumulyatorAvto.ru  (2. elokuuta 2017). Arkistoitu alkuperäisestä 12. elokuuta 2018. Haettu 12. elokuuta 2018.
  7. Sähkönjohtavuus x rikkihapon vesiliuokset ja lämpötilakerroin . chemport.ru. Haettu 1. heinäkuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 1. heinäkuuta 2018.
  8. http://auto.lenta.ru/news/2006/12/19/battery/ Arkistoitu 9. tammikuuta 2007 Wayback Machinessa Amerikkalaiset kevensivät ja pienensivät akkuja
  9. Paristot keskeytymättömään virransyöttöön. Yrityksen "OOO New System" artikkelit (pääsemätön linkki) . aegmsk.ru. Haettu 12. elokuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 12. elokuuta 2018. 
  10. 1 2 Lyijyakku. Akun laite ja toimintaperiaate. . www.eti.su Haettu 1. heinäkuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 1. heinäkuuta 2018.
  11. GOST 26881-86 Menetelmä lyijyakkujen testaamiseen . Käyttöpäivä: 15. lokakuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 6. marraskuuta 2014.
  12. Lyhyt analyyttinen katsaus olemassa oleviin menetelmiin HIT:n kapasiteetin arvioimiseksi ja näitä menetelmiä toteuttaviin laitteisiin (pääsemätön linkki) . Haettu 21. lokakuuta 2011. Arkistoitu alkuperäisestä 4. maaliskuuta 2016. 
  13. GOST R 53165-2008, 2009 .
  14. Käsikirja, 1983 , s. 70.
  15. Rautatieliikenne. - 2011. Nro 12. - s. 35. (linkki ei saatavilla) . Käyttöpäivä: 13. joulukuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 22. joulukuuta 2015. 
  16. Käsikirja, 1983 , s. 21-23.
  17. Lyijyakut: totuus ja fiktio (Alex_Sorokan mukaan) . Sähköinen kuljetus . Haettu 27. lokakuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 27. lokakuuta 2021.
  18. 1 2 Kochurov, 2009 .
  19. Lyijymyrkytys | ProfMedik lääketieteen portaali . profmedik.ru (22. helmikuuta 2016). Haettu 4. helmikuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 5. helmikuuta 2017.

Kirjallisuus

Linkit