При времени разряда свыше трех часов отличие внутренних сопротивлений не сказывается на разрядных характеристиках различных типов пластин. Для более короткого времени разряда величина внутреннего сопротивления в значительной степени влияет на разрядные характеристики (рис. p074):
100 Ач аккумулятор OPzS за 10 минут отдает ток 100 А;
100 Ач аккумулятор Vb за то же время отдает 170 А.
2.2.1. ТИПЫ ПЛАСТИН АККУМУЛЯТОРОВ
Пластины аккумуляторов бывают поверхностные и пастированные.
Поверхностный электрод состоит из свинцовой пластины на поверхности которой электрохимическим способом формируется слой активной массы (рис. p012).
Аккумуляторы с поверхностными пластинами содержат относительно большую долю свинца по отношению к активной массе. Они используются в моделях GroE фирмы VARTA.
Пастированные электроды подразделяются на решетчатые (намазные), коробчатые, стержневые (рис. p079) и панцирные (рис. p078). Основой пастированных пластин является решетка-токовод.
При циклической работе аккумуляторов с большим содержанием сурьмы в материале решетки сурьма переходит в раствор в результате коррозии решетки положительного электрода. Осаждаясь на активной массе отрицательного электрода сурьма способствует выделению водорода и увеличивает скорость коррозии свинца. Такой процесс называется сурьмяным отравлением аккумулятора.
Осыпание активной массы и внутреннее сопротивление аккумулятора при использовании кальциевых решеток несколько больше, чем в случае свинцово-сурьмяных. Разрушение пластин преимущественно происходит при заряде аккумулятора и является одним из важнейших факторов ограничивающих ресурс аккумулятора. Для уменьшения осыпания в активную массу вводят волокнистые материалы, например, фторопласт и используют нетканные маты из стекловолокна прижатые к пластинам.
Сульфатация пластин -- результат хранения аккумулятора в недозаряженном состоянии. Образующийся при этом плохо растворимый в воде сульфат свинца ограничивает емкость аккумулятора и способствует выделению водорода при заряде. Для восстановления емкости аккумулятора с сульфатированными электродами его заполняют электролитом низкой плотности или даже дистиллированной водой и заряжают малыми токами (примерно в сто раз меньше номинального зарядного тока).
2.2.2. МАТЕРИАЛ ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА
Ухудшение электрических характеристик аккумулятора и выход из строя обусловлены коррозией решетки и оползанием активной массы положительного электрода. Срок службы аккумулятора определяется, в первую очередь, типом положительных пластин и условиями эксплуатации.
В аккумуляторном производстве используется как чистый свинец, так и сплавы содержащие сурьму, которая неоднозначно воздействует на эксплуатационные характеристики аккумуляторов.
Положительное воздействие сурьмы связано с тем, что положительные электроды с легированными сурьмой решетками выдерживают более сильные циклические зарядно-разрядные нагрузки. Наличие сурьмы способствует более прочному электрическому контакту активного материала с решеткой, в то время, как в бессурьмянистых решетках активная масса полностью отслаивается и отпадает уже после нескольких циклов разряда-заряда. Поэтому все изготовители аккумуляторных батарей применяют в решетке положительных пластин сплавы содержащие 1...10% сурьмы (см. рис. p069). В тяговых батареях используют сплав содержащий более 4% сурьмы.
Следующим преимуществом решеток, выполненных из содержащих сурьму сплавов, является то, что на них не возникает блокирующего эффекта, который часто наблюдается в случае с бессурьмянистыми пластинами. Блокирующий эффект состоит в образовании токонепроводящих прослоек между решеткой и активным материалом. Это, в свою очередь, может привести к большим колебаниям емкости даже на новых батареях.
Отрицательный эффект заключается в том, что увеличение содержания сурьмы увеличивает ток постоянного подзаряда и относительное его увеличение во время эксплуатации аккумуляторов (см. рис. p071).
Между двумя крайностями -- обычным и бессурьмянистым сплавами -- располагается ряд малосурьмянистых сплавов.
Уменьшение содержания сурьмы ниже 3% вызывает образование кристаллических структур материалов решеток, которые приводят к быстрому образованию трещин. Это делает невозможным изготовление качественных решеток.
Фирме VARTA удалось разработать сплавы, которые даже при очень малом содержании сурьмы имеют очень тонкую структуру и, поэтому, могут использоваться для изготовления качественных решеток. При этом выполняется и такое требование, как неподверженность этого сплава повышенной коррозии. Для этих сплавов при изменении содержания сурьмы от 6% до 1,6% срок службы увеличивается в 5 раз [7].
По сравнению с сурьмянистыми сплавами других производителей преимущество сплавов фирмы VARTA состоит в том, что в аккумуляторах с такими решетками не возникают блокирующие эффекты, мешающие при заряде и разряде, а стойкость при циклических нагрузках хотя и меньше, по сравнению с обычными сплавами, но отличается от них незначительно. Это убедительно демонстрирует рис. p069.
Аккумуляторы, в которых используются малосурьмянистые сплавы имеют достаточно низкий ток подзаряда, что объясняется специальными добавками к активной массе. На практике саморазряд аккумуляторов с большим содержанием сурьмы доходит до 2...3% в месяц.
Из выше сказанного следует, что малосурьмянистые сплавы представляют собой выгодный компромисс, в котором недостатки сурьмы практически полностью исключены.
С другой стороны, остаются все преимущества которые дает сурьма обеспечивая стойкость к циклическим нагрузкам и безупречное поведение при заряде и разряде.
Применение мало- или бессурьмянистых сплавов значительно уменьшает разложение воды, однако, неизбежно происходит некоторый расход воды на газообразование, как неотъемлемое свойство свинцовых аккумуляторов. Поэтому свинцовые аккумуляторы не могут изготавливаться полностью герметичными, как щелочные.
Даже герметизированные свинцовые аккумуляторы, которые внешне выглядят полностью закрытыми, имеют клапан, который дает возможность газу выходить наружу. В герметизированных аккумуляторах потеря воды настолько незначительна в расчете на срок службы, что не требуется ее восполнения.
В отличие от герметизированных свинцовые стационарные аккумуляторы больших размеров, изготавливаемые из мало- или бессурмянистых сплавов, сконструированы таким образом, что позволяют долив воды. Такие аккумуляторы получили название "малоуходные".
В малоуходных аккумуляторах в процессе перезаряда происходит распыление электролита с выделением газов. Часть электролита разбрызгивается через вентиляционные отверстия, т.е. теряется. Уменьшение расхода жидкого электролита достигается использованием клапанов пропускающих газы, но задерживающих жидкость. В аккумуляторах используются пружинные и гидрофобные (гидрофобный [гр. hydor вода, влага + гр. phobos страх, боязнь] испытывающий слабое взаимодействие с водой) клапаны. Для увеличения интервалов между работами по уходу за аккумуляторами фирмы VARTA используются пробки с каталитическими насадки (см. рис. p072).
Они выполняются в виде ввинчивающихся пробок, закрывающих заливочное отверстие. Гидрофобные пористые фильтры пропускают газы, но не пропускают водный электролит. Эти насадки содержат в себе металлические катализаторы. Образующийся в аккумуляторах водяной пар конденсируется каталитическим (катализ [гр. katalysis разрушение] -- возбуждение химической реакции или изменение ее скорости небольшими добавками веществ (катализаторов) состав которых в реакции не меняется) путем и стекает в аккумулятор.
Вопрос обслуживания свинцовых аккумуляторов сводится к вопросу о расходе воды. В этом смысле переход к закрытым аккумуляторам был шагом вперед, поскольку в открытых аккумуляторах 95% потерь воды происходит за счет испарения. Определенный расход воды имеется за счет электролитического разложения воды, который в известных пределах неизбежен.
2.2.3. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
Широкое распространение переносной аппаратуры, источников бесперебойного питания и другой мобильной техники потребовало разработки более удобных в эксплуатации герметизированных аккумуляторов. Герметизация затруднена тем, что при работе или хранении аккумуляторов может происходить выделение газов. Особенно интенсивное выделение газов (водорода и кислорода) наблюдается:
в конце заряда;
при перезаряде;
при переполюсовке вследствие глубокого разряда.
Важным условием хорошей герметизации является плотное химически- и термостойкое соединение конструктивных элементов. Особое значение имеет герметизация выводов -- контакта металлических токовыводящих элементов и неметаллических изоляционных материалов.
В аккумуляторах фирмы VARTA (см. рис. p080) с целью получения минимального сопротивления внутренняя часть вывода (3) выполнена из меди. Снаружи он покрыт свинцом (6). Конструкция вывода обеспечивает герметичность соединения с корпусом (4) за счет зажимаемых элементами конструкции резиновых прокладок (5). Защитный чехол (2) механически защищает место соединения вывода с токоведущими проводниками (1).
Для выпуска образующихся газов внутренняя полость аккумулятора должна сообщаться с атмосферой. Отрицательные последствия газовыделения -- необходимость долива воды из-за ее разложения, вредное влияние на обслуживающий персонал и увеличение коррозионной активности атмосферы.
Частичная герметизация возможна при рекомбинации газов по кислородному циклу. Здесь используется тот факт, что при заряде аккумулятора сначала на положительном электроде выделяется кислород, а позднее на отрицательном -- водород. Правда, в таких аккумуляторах ограничены зарядные и разрядные токи из-за недопустимости большого газовыделения.
Внутренняя циркуляция кислорода представляет собой последовательность реакций, в результате которых ионы кислорода, образующиеся на положительном электроде, перемещаются к отрицательному, соединяются с водородом и образуют воду. В свинцовых аккумуляторах такая реакция возможна благодаря использованию "связанного" электролита. "Связанный" электролит имеет внутри поры позволяющие ионам газов свободно перемещаться от одного электрода к другому.
Для связывания электролита существует два метода:
использование пористого материала, например, стекловолокна пропитанного электролитом;
использование гелеобразного электролита.
Стекловолокно, пропитанное дозированным количеством серной кислоты, образует пористую систему капиллярные силы которой удерживают электролит. Электролит дозируется таким образом, чтобы мелкие поры были заполнены, а крупные оставались пустыми. Через незаполненные поры и свободное пространство в аккумуляторе возможно свободное перемещение газа.
В гелеобразном электролите соответствующий раствор серной кислоты содержит примерно 6% силикагеля. Перед заполнением аккумулятора такое желе интенсивно перемешивают и оно становится текучим. После заполнения аккумулятора в результате застывания геля образуется много пор, которые распространяются в разных направлениях и способствуют свободному движению газообразного кислорода.
В герметизированных аккумуляторах VARTA со связанным электролитом используются стекловолоконные маты с дополнительными сепараторами. Желеобразный электролит применяется совместно с обычными сепараторами. Использование желеобразного электролита имеет те преимущества, что при цикличной работе аккумулятора мала разница концентрации электролита в верхней и нижней части аккумулятора.
Высокие аккумуляторы с сорбированным электролитом производители рекомендуют использовать в стационарных условиях "лежа", чтобы ограничить высоту сепаратора.
2.2.4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАТАРЕЙНЫХ УСТАНОВОК
Для успешной эксплуатации аккумуляторных батарей важно, чтобы в выпрямителях, используемых для заряда, были реализованы все требования, которые предъявляют к заряду аккумуляторов (см. гл. 3).