Источники электроэнергии: зависимость газовыделения в cвинцово-кислотных аккумуляторах от микроструктуры электродов

источник электроэнергии

Процесс разряда свинцово-кислотного аккумулятора в рабочем режиме и при хранении сопровождается не только уменьшением концентрации серной кислоты, но и активностью выделения в атмосферу ядовитых газов. Это в значительной степени зависит от технического состояния микроструктуры электродов аккумулятора.

Состояние электродов cвинцово-кислотных аккумуляторов характеризуется прежде всего их пористостью. Пористая структура, как известно, обеспечивает доступ электролита в глубину электрода. Средний диаметр пор положительного электрода составляет 1 …2 мкм, отрицательного — 10 мкм.

Пока батарея не работает, концентрация электролита по всей поверхности электродов одинакова. При включении батареи на рfзряд (увеличение тока нагрузки) концентрация электролита в приэлектродном слое начинает изменяться, и распределение концентрации становится неравномерным: с увеличение тока разряда время поляризации и величина сопротивления поляризации уменьшаются.

Таким образом, вследствие этой неравномерности плотности тока изменяется сопротивление поляризации по высоте электрода: в верхней части оно уменьшается, а в нижней -увеличивается. Выяснение связи между величиной поляризации и скоростью электродного процесса позволяет изучить электрохимические процессы, а также понять кинетику и механизм окислительно-восстановительных реакций, которые происходят в аккумуляторе при различных режимах работы (при разряде и заряде аккумулятора).
В ходе разряда аккумулятора пористость электродов уменьшается, потому что удельный объем сульфата свинца больше удельных объемов свинца и двуокиси свинца. У электродов, которые отработали около 200 циклов, визуально, даже без средств микроскопии, можно выделить характерные участки: более рыхлые агломераты в центральной части электрода и более плотные мелкозернистые структуры по периферии электродов. В верхней части электродов плотные структуры занимают приблизительно 1/5 их поверхности, а в нижней части электродов — приблизительно 1 /4 часть поверхности.

Экспериментальные исследования показывают, что в верхней и центральной частях токоотводов cвинцово-кислотных аккумуляторов плотность тока в рабочем режиме (при всех токах разряда) значительно больше, чем в нижней части. Неравномерность распределения плотности тока по высоте электродов значительно увеличивается с ростом разрядного тока (особенно в импульсном режиме). Наиболее интенсивно неравномерность плотности тока наблюдается именно в верхней трети токоотвода.
Пассивация поверхности электродов в большой степени характерна для их периферийных частей. Таким образом, утрату емкости аккумулятора (и его КПД) можно объяснить, с одной стороны, уменьшением рабочей поверхности электродов, с другой — за счет последующего эксплуатационного уменьшения пористости и даже возможного сползания отработанной активной массы (в том числе и от тряски аккумулятора).

Неравномерность распределения плотности тока по высоте токоотводов содействует более интенсивному использованию его активной массы в верхней и центральной частях, т.е. интенсивной ее выработке, что может вызвать ее сползание в процессе работы. В то же время из-за пониженной плотности тока активная масса токоотвода в нижней его части используется не более чем на 30…40% от плотности тока в верхней части токоотвода, и, таким образом, наблюдается неодновременная выработка активной массы токоотводов по их высоте. В этой связи представляет интерес к конструкции токоотводов с точки зрения технологии их изготовления.

Самым эффективным методом повышения энергии аккумулятора в стартерном режиме разряда является увеличение поверхности электродов за счет использования для электродов более тонких пластин. По этому пути идет большинство зарубежных фирм-изготовителей аккумуляторов. Недостатком этого метода является то, что при плохом состоянии автомобильных дорог (как, например, на Украине и в России) возможно разрушение пластин от тряски на дорогах. Чтобы это предупредить, можно использовать для изготовления сеток стойкие к коррозии и механическим воздействиям сплавы.

Повышение энергии в стартерном режиме аккумулятора может быть также достигнуто за счет увеличения пористости активных масс. В этом случае улучшаются условия диффузии электролита в глубине активной массы электрода, на которой протекает создающая ток реакция. Но при этом нужно помнить, что метод повышения пористости за счет увеличения содержания сульфата в пасте хоть и содействует увеличению емкости, но сокращает срок годности аккумулятора. Поэтому обязательным требованием изготовления добротных источников тока является безукоризненное исполнение принятой рецептуры паст и установленной технологии изготовления электродов. Поверхность активных масс пластин cвинцово-кислотных аккумуляторов в заряженном состоянии должна быть не меньше 55% для положительных пластин и 65% для отрицательных пластин от общей их площади. Одновременное увеличение пористости и сроков службы электродов возможно за счет добавления в состав паст полимерных материалов и поросоздающих веществ, а также добавления в электролит фосфорнокислого кобальта.

Наибольшее влияние на состояние пористости электродов оказывает электролит. Плотность электролита снижается обычно при разряде аккумулятора и сульфатации электродов. При снижении плотности электролита увеличивается внутреннее сопротивление пластин электродов и снижается емкость аккумулятора. Повышение плотности электролита происходит при выпаривании воды во время перезарядки аккумулятора или вследствие доливания в аккумулятор электролита, а не воды. В случае повышения плотности электролита больше допустимой величины ускоряется разрушение активного вещества и решеток электродов, а также ускоряется сульфатация активного вещества. Все это приводит к снижению емкости аккумулятора и срока его эксплуатации.