Blybatteri

Blybatteri  är en typ av batteri som har blivit utbredd på grund av dess måttliga kostnad, goda resurser (från 500 cykler eller mer) och höga effekttäthet. Huvudapplikationer: startbatterier i fordon, nödströmkällor , standby-strömkällor. Strängt taget kallas en battericell ett batteri , men i vardagsspråk kallas ett batteri för ett batteri (oavsett hur många celler det har).

Ett laddningsbart batteri som består av blybatterier förkortas också som ett batteri (syrabatteri) [2] .

Klassificering

AGM (från engelskan.  absorbent glass mat ) - ett batteri i vilket elektrolytabsorberande glasfibermattor är installerade mellan plattorna som separatorer. Dessa separatorer hindrar inte bara plattorna från att kortslutas om de går sönder, den svampiga designen av separatorerna håller elektrolyten i dem genom kapillärverkan, och elektrolyten läcker inte ut ur batteriet under några omständigheter. Sådana svampseparatorer förhindrar genom att hålla elektrolyten dess skiktning (stratifiering), vilket förlänger batteriets livslängd. Syrekombinationscykeln fungerar även i AGM-batterier, vilket har både fördelar och nackdelar. På grund av rekombinationen av syre i AGM-batterier är vattenförbrukningen mindre än i enkla batterier [2] .

EFB (från engelska  enhanced flooded battery , improved bulk battery) - ett batteri med fritt stänkande flytande elektrolyt, plattor med ökad tjocklek jämfört med enkla batterier (samma plattor som i AGM) och med en tätare design av separatorer jämfört med enkla batterier. Bland annat EFB har glasfiberseparatorer (liknande AGM). EFB-batterier upptar en mellanposition mellan enkla batterier och AGM-batterier [2] .

Historik

Blybatteriet uppfanns 1859-1860 av Gaston Plante , en anställd av Alexandre Becquerels laboratorium [3] . 1878 förbättrade Camille Faure sin design genom att föreslå att batteriplattorna skulle täckas med rött bly . Den ryske uppfinnaren Benardos applicerade svampig blybeläggning för att öka kraften hos de batterier han använde i sitt svetsarbete .

Hur det fungerar

Funktionsprincipen för blybatterier är baserad på de elektrokemiska reaktionerna av bly och blydioxid i en vattenlösning av svavelsyra .

När ett externt lastbatteri ansluts till elektroderna börjar en elektrokemisk reaktion av interaktion mellan blyoxid och svavelsyra, medan metalliskt bly oxideras till blysulfat (i den klassiska versionen av batteriet). Studier utförda i Sovjetunionen visade att minst ~ 60 olika reaktioner inträffar när batteriet laddas ur, varav cirka 20 fortsätter utan medverkan av elektrolytsyra [4] .

Under urladdningen reduceras blydioxid vid katoden [4] [5] och bly oxideras vid anoden . Omvända reaktioner uppstår under laddning. När batteriet laddas om, efter att blysulfatet är slut, börjar elektrolysen av vatten, medan syre frigörs vid anoden (positiv elektrod) och väte vid katoden .

Elektrokemiska reaktioner (från vänster till höger - vid urladdning, från höger till vänster - vid laddning):

• Reaktioner vid katoden (urladdning):

• Reaktioner vid anoden (urladdning):

Med en öppen extern krets ackumuleras fria elektroner på anoden, som attraherar joner från elektrolyten . I ett tunt lager nära anoden bildas ett elektriskt fält, vilket förhindrar åtkomst av joner till elektroden. När den negativa laddningen ackumuleras, växer potentialskillnaden på ett så tunt lager, tillgången av negativa joner till anoden saktar ner, jämvikt upprättas och laddningen slutar ackumuleras på anoden. En liknande situation uppstår vid katoden: katodens positiva laddning attraherar joner , trycker jonerna åt sidan , reaktionen saktar ner. När den externa kretsen är sluten strömmar anodelektronerna till katoden och neutraliserar den positiva laddningen på den, vilket bidrar till att kemiska reaktioner på elektroderna återupptas.

När batteriet laddas ur från elektrolyten förbrukas svavelsyra och relativt lättare vatten frigörs, elektrolytens densitet minskar. Vid laddning sker den omvända processen. I slutet av laddningen, när mängden blysulfat på elektroderna sjunker under ett visst kritiskt värde, börjar processen med vattenelektrolys att dominera. Gasformigt väte och syre frigörs från elektrolyten i form av bubblor - den så kallade "kokningen" under överladdning. Detta är ett oönskat fenomen, vid laddning bör det undvikas om möjligt, eftersom vatten i detta fall irreversibelt förbrukas, elektrolytens densitet ökar och det finns risk för en explosion av de resulterande gaserna . Därför minskar de flesta laddare laddningsströmmen när batterispänningen ökar. Vattenförluster fylls på genom att tillsätta destillerat vatten till batterierna vid service av batteriet (vissa bilbatterier har inga öppnings-/avskruvningspluggar) [6] .

Enhet

Ett bly-syra batterielement består av elektroder och separerande porösa plattor gjorda av ett material som inte interagerar med syra, vilket hindrar elektroderna (separatorerna) från att stänga, som är nedsänkta i en elektrolyt . Elektroderna är platta galler av metalliskt bly. Pulver av blydioxid ( ) pressas in i cellerna i dessa gitter - i anodplattorna och metalliskt bly - i katodplattorna (här, när batteriet laddas, anses dess positiva elektrod vara anoden, eftersom när batteriet är urladdat , den blir katoden, - som elektroden till vilken elektronernas rörelse riktas under extern krets). Användningen av pulver ökar gränssnittet mellan elektrolyt och fast material, vilket ökar batteriets elektriska kapacitet.

Elektroderna, tillsammans med separatorer, är nedsänkta i en elektrolyt, som är en vattenlösning av svavelsyra . Destillerat vatten används för att framställa en sur lösning .

Elektrolytens elektriska ledningsförmåga beror på koncentrationen av svavelsyra och är vid rumstemperatur maximal vid en massfraktion av syra på 35 % [7] , vilket motsvarar en elektrolytdensitet på 1,26 g/cm³. Ju större elektrolytens ledningsförmåga är, desto lägre är batteriets inre resistans , och följaktligen desto lägre energiförlust på det. Men i praktiken, i områden med kallt klimat, används också högre koncentrationer av svavelsyra, upp till 1,29–1,31 g/cm³, detta beror på att när koncentrationen minskar på grund av urladdningen kan elektrolyten frysa , och när det fryser bildar det is som kan spricka battericeller och skada det svampiga materialet på plattorna.

Det finns experimentella utvecklingar av batterier, där blygaller ersätts med plattor av sammanflätade kolfiberfilament , täckta med en tunn blyfilm. I det här fallet används en mindre mängd bly, fördelat över en stor yta, vilket gör det möjligt att göra batteriet inte bara kompakt och lätt, allt annat lika, utan också mycket mer effektivt - förutom större effektivitet, det laddas mycket snabbare än traditionella batterier [8] .

I batterier som används i hushålls -UPS , larmsystem etc., förtjockas den flytande elektrolyten med en vattenhaltig alkalisk lösning av natriumsilikater ( ) till ett degigt tillstånd. Det är de så kallade gelbatterierna (GEL), som har lång livslängd. En annan version är med porösa glasfiberseparatorer (AGM), som tillåter strängare laddningslägen [9] .

Elektriska och driftsparametrar

• Den specifika begränsande teoretiska energiförbrukningen är cirka 133 Wh / kg .
• Specifik energiförbrukning: 25-40 W h / kg [10] .
• EMF för ett laddat batteri är 2,11-2,17 V , driftspänningen är 2,1 V (3 eller 6 batterier ger så småningom standarden 6,3 V respektive 12,6 V i batteriet ) [4] .
• Spänningen för ett helt urladdat batteri är 1,75-1,8 V. De kan inte laddas ur under [4] .
• Drifttemperatur: -40 °C till +40 °C.
• Verkningsgraden är cirka 80-90% (enligt laddnings-urladdningsströmmen). Energieffektivitet 70-80 % [10] .

Applikation

Oftast används blybatterier som en del av ett batteri med en nominell spänning på 4, 6 och 12 V , mindre ofta med en annan spänning, en multipel av 2 volt . Separata tvåvoltselement används nästan aldrig. Industrin producerar alternativ för service (hälla elektrolyt, destillerat vatten, övervaka elektrolytens densitet, byta ut den) och underhållsfria batterier (i ett förseglat fodral utesluts elektrolytspill vid lutning och vändning). Servicebara batterier kan tillverkas torrladdade (utan elektrolytfyllda), vilket ökar deras hållbarhet och inte kräver periodiskt underhåll under lagring, elektrolyt fylls på innan batteriet tas i drift.

• 8V 3,5Ah blybatterier UPS _

• 12 V blybatteri med en kapacitet på 7 Ah och en avbrottsfri hushållsströmkälla där det används

• En variant av ett brukbart blybatteri för motor- och traktorutrustning i ett ebonithölje , i sådana batterier var det till och med möjligt att byta ut ett separat defekt batteri

• Underhållsfritt blybatterialternativ för bil- och traktorutrustning, ingen tillgång till påfyllningshalsarna på batteriburkarna

• tZero Blybatterier för elektriska fordon

• Blysyra ubåtsbatterier

Prestandaegenskaper

• Nominell kapacitet , visar mängden elektricitet som detta batteri kan ge. Den anges vanligtvis i amperetimmar, och mäts vid urladdning med en liten ström (1/20 av märkkapaciteten, uttryckt i Ah) [11] .
• Startström (för bilbatterier ). Det kännetecknar förmågan att leverera höga strömmar vid låga temperaturer. Mestadels mätt vid -18°C (0°F) i 30 sekunder. Olika mättekniker skiljer sig åt (främst i den tillåtna ändspänningen) och ger därför olika resultat [12] .
• Reservkapacitet (för bilbatterier ) - kännetecknar den tid under vilken batteriet kan leverera en ström på 25 A till en slutspänning på 10,5 V enligt GOST R 53165-2008 [13] .

Exploatering

Under drift av "servade" batterier (med öppningslock på banker) i en bil, vid körning på ojämna vägar, uppstår oundvikligen elektrolytläckage från under locken till batterihöljet. Genom den elektriskt ledande, icke-torkande, på grund av hygroskopicitet , elektrolytfilmen uppstår en gradvis självurladdning av batteriet. För att undvika djup självurladdning är det nödvändigt att periodiskt neutralisera elektrolyten genom att torka av batterihöljet, till exempel med en svag lösning av bakpulver eller tvättsåpa utspädd i vatten till konsistensen av flytande gräddfil. Dessutom, särskilt i varmt väder, avdunstar vatten från elektrolyten; också minskar mängden vatten i elektrolyten när batteriet laddas på grund av dess elektrolys. Förlusten av vatten ökar elektrolytens densitet, vilket ökar spänningen över batteriet. Med en betydande vattenförlust kan plattorna exponeras, vilket samtidigt ökar självurladdningen och orsakar batterisulfatering. Därför är det nödvändigt att övervaka elektrolytnivån och vid behov fylla på med destillerat vatten.

Dessa åtgärder, tillsammans med att kontrollera fordonet för parasitiska strömläckage i dess elektriska utrustning och periodisk uppladdning av batteriet, kan avsevärt förlänga batteriets livslängd.

Drift av ett blybatteri vid låga temperaturer

När omgivningstemperaturen sjunker försämras batteriparametrarna, men till skillnad från andra typer av batterier är denna minskning relativt liten för blybatterier, vilket leder till att de används i stor utsträckning inom transporter. Empiriskt tror man att ett blybatteri tappar ~1% av sin kapacitet för varje grad av temperaturfall från +20 °C. Det vill säga, vid en temperatur på -30 ° C kommer ett blybatteri att visa ungefär 50 % kapacitet.

Minskningen av kapacitans och strömutgång vid låga temperaturer beror främst på en minskning av hastigheten för kemiska reaktioner ( Arrhenius lag ). Det enda sättet att öka uteffekten är att värma det kalla batteriet, som tillval - med en inbyggd värmare (6ST-190TR-N).

Ett urladdat batteri i kallt väder kan svälla på grund av frysning av elektrolyten med låg densitet (nära 1,10 g/cm 3 ) och bildandet av iskristaller, vilket leder till irreversibel skada på blyplattorna inuti batteriet.

Låga elektrolyttemperaturer påverkar batteriets prestanda och laddnings-urladdningsegenskaper negativt [14] :

• vid temperaturer från 0 °C till −10 °C påverkar en minskning av laddnings- och urladdningsegenskaperna inte nämnvärt batteriets prestanda;
• vid temperaturer från -10 ° C till -20 ° C minskar strömmen i startläget och laddningen försämras;
• vid temperaturer under -20 °C ger batterierna ingen tillförlitlig motorstart och kan inte ta laddning från generatorn.

På grund av det större interna motståndet som finns i moderna batterier av sluten typ (de så kallade "underhållsfria", förseglade, förseglade) vid låga temperaturer jämfört med konventionella batterier (öppen typ), är dessa frågor ännu mer relevanta för dem [15 ] .

För drift av fordon vid mycket låga temperaturer är batterikonstruktioner med intern elektrisk uppvärmning utformade [16] .

Lagring

Blysyrabatterier bör endast förvaras i laddat tillstånd. Vid temperaturer under -20 °C ska batterierna laddas med en konstant spänning på 2,45 volt per cell en gång om året i 48 timmar. Vid rumstemperatur - 1 gång på 8 månader med en konstant spänning på 2,35 volt per cell i 6-12 timmar. Förvaring av batterier över 30°C rekommenderas inte.

Ett lager av smuts, salter och en elektrolytfilm på ytan av batterihöljet skapar en ledare för ström mellan elektroderna och leder till självurladdning av batteriet, med en djupurladdning börjar sulfatering av plattorna med bildandet av en tätare sulfat, som då reagerar sämre och svårare än det sulfat som bildas vid normal drifturladdning, vilket är orsaken till kapacitetsbortfallet. Därför måste batteriets yta hållas ren. Att förvara blybatterier i urladdat tillstånd leder till en snabb förlust av deras prestanda.

Vid långtidslagring av batterier och urladdning av dem med höga strömmar (i startläge), eller med en minskning av batterikapaciteten, är det nödvändigt att utföra kontroll- och träningscykler, det vill säga urladdning med strömmar av ett nominellt värde .

När du förbereder batteriet för vinterförvaring, vilket är viktigt för fordon som inte används under den kalla årstiden, rekommenderar experter från det äldsta laboratoriet av NIIAE följande åtgärder:

1. Ladda batteriet ordentligt och helt. 2. Applicera fett på batteriets positiva pol (endast teknisk vaselin är tillåten, eftersom den har neutral syra, och du bör inte i något fall använda litol, fett etc., eftersom de har en liten surhet och med tiden sådana smörjmedel korrodera utgångsterminalernas batteri), eftersom elektrolytfilmen kan absorbera fukt från atmosfären, vilket kan leda till ökad självurladdning. 3. Förvara batterier i kylan vid en temperatur på 0-10 ° C, eftersom självurladdningen är mycket lägre vid låga temperaturer. Fruset vatten skadar batteriplattorna, så förvara inte batterier vid temperaturer under 0 °C.

Om du behöver resa i kallt väder bör du flytta batteriet till ett uppvärmt rum, och inom 7-9 timmar (till exempel över natten) kommer det att komma till ett tillstånd som är lämpligt för att starta motorn.

Slitage av blybatterier

Vid användning av teknisk svavelsyra och icke-destillerat vatten accelereras självurladdning , sulfatering , förstöring av plattor och en minskning av batterikapaciteten [17] .

De huvudsakliga slitageprocesserna för blybatterier är:

• sulfatering av plattor [4] , som består i bildandet av stora kristaller av blysulfat , vilket förhindrar uppkomsten av reversibla strömbildande processer;
• elektrodkorrosion , det vill säga elektrokemiska processer för oxidation och upplösning av elektrodmaterialet i elektrolyten, vilket orsakar utsläpp av elektrodmaterialet;
• svag mekanisk hållfasthet eller dålig vidhäftning av den aktiva massan till elektrodgallren, vilket leder till att den aktiva massan faller [4] [18] ;
• krypning och fällning av den aktiva massan av positiva elektroder, förknippad med lossning, brott mot likformighet [4] .

Även om ett batteri som har gått sönder på grund av fysisk förstörelse av plattorna inte kan repareras hemma, har kemiska lösningar och andra metoder beskrivits i litteraturen för att "avsulfatera" plattorna. En enkel, men fylld med ett fullständigt misslyckande av batterimetoden innebär användning av en lösning av magnesiumsulfat [4] . En lösning av magnesiumsulfat hälls i sektionerna, varefter batteriet laddas ur och laddas flera gånger. Blysulfat och andra rester av den kemiska reaktionen faller till botten av burkarna, detta kan leda till en kortslutning av elementet, så det är tillrådligt att skölja de behandlade burkarna och fylla dem med en ny elektrolyt med nominell densitet. Detta gör att du kan förlänga enhetens livslängd något.

Återvinning

Återvinning för denna typ av batteri spelar en viktig roll, eftersom blyet i batterierna är en giftig tungmetall och orsakar allvarliga skador när de släpps ut i miljön. Bly och dess salter måste återvinnas för att kunna återanvändas.

Bly från uttjänta batterier används för hantverkssmältning, till exempel vid tillverkning av fiskeredskapsvikter , jaktskott eller vikter . Den hantverksmässiga utvinningen av bly från batterier skadar allvarligt både miljön och smältverkens hälsa, eftersom bly och dess föreningar transporteras över hela området med ångor och rök [19] [18] .

Se även

• bil batteri
• årsstämma
• IUoU batteriladdningsmetod
• lastgaffel

Anteckningar

1. ↑ Kurzukov N. I., Yagnyatinsky V. M. Uppladdningsbara batterier. Kort referens // M .: OOO "Bokförlaget "Bakom ratten"". - 2008. - 88 s., ill. ISBN 978-5-9698-0236-0 . (sid. 15).
2. ↑ 1 2 3 RUVDS, 15/07, 2021 .
3. ↑ Bertrand Gille Histoire des techniques. — Gallimard, koll. "La Pleiade", 1978, ISBN 978-2070108817 .
4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Blybatterier. Exploatering: Sanning och fiktion. Arkiverad 25 oktober 2011 på Wayback Machine
5. ↑ N. Lamtev. Hemgjorda batterier. Moskva: State Publishing House for Radio Issues, 1936. . Hämtad 21 oktober 2011. Arkiverad från originalet 5 november 2014. (obestämd)
6. ↑ Hur man öppnar ett bilbatteri: gör batteriet servicebart  (ryska) , AkkumulyatorAvto.ru  (2 augusti 2017). Arkiverad från originalet den 12 augusti 2018. Hämtad 12 augusti 2018.
7. ↑ Elektrisk ledningsförmåga x vattenlösningar av svavelsyra och temperaturkoefficient vid . chemport.ru. Hämtad 1 juli 2018. Arkiverad från originalet 1 juli 2018. (obestämd)
8. ↑ http://auto.lenta.ru/news/2006/12/19/battery/ Arkiverad 9 januari 2007 på Wayback Machine Amerikanerna lättade och minskade batterierna
9. ↑ Batterier för avbrottsfri strömförsörjning. Artiklar för företaget "OOO New System" (otillgänglig länk) . aegmsk.ru. Hämtad 12 augusti 2018. Arkiverad från originalet 12 augusti 2018. (obestämd) 
10. ↑ 1 2 Blybatteri. Batteriets enhet och princip för drift. . www.eti.su Hämtad 1 juli 2018. Arkiverad från originalet 1 juli 2018. (ryska)
11. ↑ GOST 26881-86 Metod för att testa blybatterier . Tillträdesdatum: 15 oktober 2011. Arkiverad från originalet den 6 november 2014. (obestämd)
12. ↑ En kort analytisk genomgång av befintliga metoder för att uppskatta kapaciteten hos HIT och enheter som implementerar dessa metoder (otillgänglig länk) . Hämtad 21 oktober 2011. Arkiverad från originalet 4 mars 2016. (obestämd) 
13. ↑ GOST R 53165-2008, 2009 .
14. ↑ Manual, 1983 , sid. 70.
15. ↑ Järnvägstransport. - 2011. Nr 12. - s.35. (inte tillgänglig länk) . Datum för åtkomst: 13 december 2015. Arkiverad från originalet 22 december 2015. (obestämd) 
16. ↑ Manual, 1983 , sid. 21-23.
17. ↑ Blybatterier: sanning och fiktion (enligt Alex_Soroka) . Eltransport . Hämtad 27 oktober 2021. Arkiverad från originalet 27 oktober 2021. (ryska)
18. ↑ 1 2 Kochurov, 2009 .
19. ↑ Blyförgiftning | ProfMedik Medical Portal . profmedik.ru (22 februari 2016). Hämtad 4 februari 2017. Arkiverad från originalet 5 februari 2017. (ryska)

Litteratur

• Kashtanov V. P. , Titov V. V. , Uskov A. F. et al. Blystartbatterier. Förvaltning. - M . : Military Publishing House, 1983. - S. 21-23, 176. - 148 sid.
• GOST 15596-82  : Kemiska strömkällor. Termer och definitioner // Elektroteknik. Termer och definitioner: Del 2: Lör. standarder. — M.  : Standardinform, 2005.
• GOST R 53165-2008  : Bly-syrastartbatterier för fordonsutrustning. Allmän specifikation : (IEC 60095-1:2006) = Bly-syra lagringsstartbatterier för motortraktorer. allmänna specifikationer. - M.  : Standardinform, 2009.
• Kochurov, A. A. Om motsägelser i teorin om driften av ett blybatteri  : [ arch. 3 mars 2017 ] / A. A. Kochurov (kandidat för tekniska vetenskaper, prof.); Ryazan Military Automobile Institute // Proceedings of the 65th International Scientific and Technical Conference of Association of Automotive Engineers (AAI) "Priorities for the Development of Domestic Automotive Tractor Building and Training of Engineering and Scientific Personal" of the International Scientific Symposium "Automotive Tractor" Byggnad-2009": [ arch. 16 oktober 2016 ] / lör. förberedelse organisationskommitté för praktikanten. vetenskaplig sympos. "Autotraktor byggnad-2009" under det allmänna. ed. prof., dok. tech. Sciences S. V. Bakhmutova. - M .  : MAMI, 2009. - Bok. 1. - S. 169-179. — 462 sid. - ISBN 978-5-94099-077-2 .
• Gumelev, V. Yu. Naturen av förstörelsen av de positiva elektroderna i blybatterier  : [ arch. 24 oktober 2015 ] / V. Yu. Gumelev, A. A. Kochurov // Forskning inom området naturvetenskap: zhurn. - 2013. - Nr 3.

Länkar

• Yavruyan, H. K. Metod för att föra ett ackumulatorbatteri i funktionsdugligt skick  : SU 1173468: USSR författares certifikat / H. K. Yavruyan, F.I. Kukov, V. G. Chernov. - Sovjetunionens statliga kommitté för uppfinningar och upptäckter, 1985.
• Yavruyan, Kh K. Om det rationella arbetssättet för sura blybatterier [Text  : Sammanfattning av avhandlingen som lämnats in för graden av kandidat för tekniska vetenskaper]: författarens sammandrag. diss. … cand. tech. Vetenskaper / Ministeriet för högre. och avg. specialist. utbildning av RSFSR. Gorkij. yrkeshögskola in-t im. A. A. Zhdanova. - Gorkij, 1960. - 9 sid.
• Det första inhemska AGM-batteriet för bilar är AKOM ULTIMATUM. Stort hänsynslöst test  : [ arch. 15 juli 2021 ] // RUVDS.com företagsblogg. - 2021. - 15 juli.
• Återvinningsladdning av AGM-bilbatterier efter en djupurladdning med exemplet Topla Stop&Go AG60  : [ arch. 24 juli 2021 ] // RUVDS.com företagsblogg. - 2021. - 23 juli.
• Varför är blybatterier så svåra att ladda?  : [ arch. 31 augusti 2021 ] // RUVDS.com företagsblogg. - 2021. - 30 augusti.
• Upptäck hur bilbatterier fungerar  :   [eng.]  : video. – Vetenskap, 2010.
• Blybatterier  : Fördelar och nackdelar med syrabatterier: video. — Autoportal, 2020.

• Blybatterier. Utnyttjande. Sanning och fiktion.  : [ arch. 1 september 2016 ] // Soft-Press Publishing House (Ukraina). - 2016. - 1 september.

Ordböcker och uppslagsverk	stor kines Stor norsk Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	GND : 4007096-7 J9U : 987007561154605171 LCCN : sh93003488 NKC : ph184913