Свинцо́во-кисло́тный аккумуля́тор — тип аккумуляторов, получивший широкое распространение ввиду умеренной стоимости, неплохого ресурса (от 500 циклов и более), высокой удельной мощности. Основные области применения: стартерные аккумуляторные батареи в транспортных средствах, аварийные источники электроэнергии, резервные источники энергии. Строго говоря, аккумулятором называется один элемент аккумуляторной батареи, но в просторечии «аккумулятором» называют аккумуляторную батарею (сколько бы в ней ни было элементов).

Аккумуляторная батарея, состоящая из свинцово-кислотных аккумуляторов, также сокращённо именуется АКБ (автомобильная кислотная батарея).

Свинцово-кислотные аккумуляторы содержат около 85 % всего используемого в мире свинца, из-за чего представляют значительную опасность.

Классификация

AGM (от ) — аккумулятор, в котором между пластинами установлены абсорбирующие электролит маты из стекловолокна в роли сепараторов. Эти сепараторы не только предупреждают короткое замыкание пластин в случае их разрушения, губчатая конструкция сепараторов удерживает электролит за счёт капиллярных сил, и электролит не вытекает из батареи ни при каких обстоятельствах. Такие губчатые сепараторы, удерживая электролит, предупреждают его расслоение (стратификацию), что продлевает срок службы аккумулятора. Также в аккумуляторах AGM работает цикл рекомбинации кислорода, что имеет как преимущества, так и недостатки. За счёт рекомбинации кислорода в аккумуляторах AGM расход воды меньше, чем в простых АКБ.

EFB (от , улучшенная наливная батарея) — аккумуляторная батарея со свободно плещущимся жидким электролитом, пластинами повышенной толщины в сравнении с простыми АКБ (такие же пластины, как в AGM) и c более плотной в сравнении с простыми АКБ конструкцией сепараторов. Среди прочих, у EFB встречаются сепараторы из стекловолокна (подобно AGM). Аккумуляторные батареи EFB занимают промежуточное положение между простыми АКБ и батареями AGM.

История Свинцовый аккумулятор изобрёл в 1859—1860 годах Гастон Планте, сотрудник лаборатории Александра БеккереляBertrand Gille Histoire des techniques. — Gallimard, coll. «La Pléiade», 1978, .. В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, предложив покрывать пластины аккумулятора свинцовым суриком. Русский изобретатель Николай Бенардос применил покрытие губчатым свинцом для увеличения мощности батарей, которые использовал в своих работах со сваркой.

Принцип действия

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.

При подключении к аккумулятору внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца (в классическом варианте аккумулятора). Проведённые в СССР исследования показали, что при разряде аккумулятора протекает как минимум ~60 различных реакций, порядка 20 из которых протекают без участия кислоты электролитаСвинцовые аккумуляторы. Эксплуатация: Правда и вымыслы. .

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора после исчерпания сульфата свинца начинается электролиз воды, при этом на аноде (положительный электрод) выделяется кислород, а на катоде — водород.

Электрохимические реакции при разряде (при заряде идут те же реакции, но в обратную сторону): на катоде:

PbO2 + SO4^{2-}\ + 4 H^{+}\ + 2 e^- -> PbSO4 + 2 H2O.

на аноде:

Pb + SO4^{2-}\ -> 2 e^- + PbSO4.

При разомкнутой внешней цепи на аноде накапливаются свободные электроны, которые притягивают из электролита ионы H+. В тонком слое вблизи анода формируется электрическое поле, которое препятствует доступу ионов SO4^2- к электроду. По мере накопления отрицательного заряда разность потенциалов на таком тонком слое растёт, доступ отрицательных ионов к аноду замедляется, устанавливается равновесие, и заряд прекращает накапливаться на аноде. Аналогичная ситуация происходит на катоде: положительный заряд катода притягивает ионы SO4^2-, оттесняя ионы H+, реакция замедляется. При замыкании внешней цепи электроны анода перетекают на катод и нейтрализуют положительный заряд на нём, что способствует возобновлению химических реакций на электродах.

При разряде аккумулятора из электролита расходуется серная кислота и выделяется относительно более лёгкая вода, плотность электролита падает. При заряде происходит обратный процесс. В конце заряда, когда количество сульфата свинца на электродах снижается ниже некоторого критического значения, начинает преобладать процесс электролиза воды. Газообразные водород и кислород выделяются из электролита в виде пузырьков — так называемое «кипение» при перезаряде. Это нежелательное явление, при заряде его следует по возможности избегать, так как при этом вода необратимо расходуется, нарастает плотность электролита и есть риск взрыва образующихся газов. Поэтому большинство зарядных устройств снижает зарядный ток при повышении напряжения аккумулятора. Потери воды восполняют доливкой в аккумуляторы дистиллированной воды при обслуживании аккумуляторной батареи (некоторые автомобильные батареи не имеют открывающихся/отвинчивающихся пробок).

Устройство Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов и разделительных пористых пластин, изготовленных из материала, не взаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов (сепараторов), которые погружены в электролит. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В ячейки этих решёток запрессованы порошки диоксида свинца (PbO2) — в анодных пластинах и металлического свинца — в катодных пластинах (здесь анодом при заряде аккумулятора считается положительный его электрод, ибо при разряде аккумулятора — он становится катодом, — как электрод к которому направлено движение электронов во внешней цепи). Применение порошков увеличивает поверхность раздела электролит — твердое вещество, тем самым увеличивает электрическую ёмкость аккумулятора.

Электроды вместе с сепараторами погружены в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты. Для приготовления раствора кислоты применяют дистиллированную воду.

Электрическая проводимость электролита зависит от концентрации серной кислоты и при комнатной температуре максимальна при массовой доле кислоты , что соответствует плотности электролита Чем больше проводимость электролита, тем меньше внутреннее сопротивление аккумулятора, и, соответственно, ниже потери энергии на нём. Однако на практике в районах с холодным климатом применяются и более высокие концентрации серной кислоты, до потому что при снижении концентрации из-за разряда электролит может замёрзнуть с образованием льда, который повреждает губчатый материал пластин и может разорвать банки аккумулятора.

Существуют экспериментальные разработки аккумуляторов, где свинцовые решетки заменяют пластинами из переплетённых нитей углеродного волокна, покрытых тонкой свинцовой плёнкой. При этом используется меньшее количество свинца, распределённого по большой площади, что позволяет изготовить аккумулятор не только компактным и лёгким, при прочих равных параметрах, но и значительно более эффективным — помимо большего КПД, заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторовАмериканцы облегчили и уменьшили аккумуляторы .

В аккумуляторах, применяемых в бытовых ИБП, систем охранной сигнализации и др. жидкий электролит загущают водным щелочным раствором силикатов натрия (Na2SiO3) до пастообразного состояния. Это так называемые гелевые аккумуляторы (GEL), имеющие длительный ресурс. Другой вариант исполнения − с пористыми сепараторами из стеклоткани (AGM), допускающими более жёсткие режимы заряда.

Электрические и эксплуатационные параметры Удельная предельная теоретическая энергоёмкость около 133 Удельная энергоёмкость: 25—40 . ЭДС одного заряжённого аккумулятора рабочее напряжение (3 или 6 аккумуляторов в итоге дают в батарее стандартные или соответственно). Напряжение полностью разряженного аккумулятора Ниже разряжать их нельзя. Рабочая температура: от КПД около (по току заряда-разряда). КПД по энергии .

Применение Чаще всего свинцово-кислотные аккумуляторы применяются в составе аккумуляторной батареи с номинальным напряжением 4, 6 и , реже с другим напряжением, кратным . Отдельные двухвольтовые элементы почти не применяются. Промышленность выпускает варианты обслуживаемых (заливание электролита, дистиллированной воды, контроль плотности электролита, его замена) и необслуживаемых аккумуляторных батарей (в герметичном корпусе, исключается проливание электролита при изменений наклонах и переворачиваниях). Обслуживаемые аккумуляторные батареи могут выпускаться сухозаряженными (без залитого электролита), что увеличивает их срок хранения и не требует периодического обслуживания при хранении, заливка электролита производится перед вводом батареи в эксплуатацию.

Эксплуатационные характеристики Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной ёмкости, выраженной в А·ч). Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев измеряется при в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются (главным образом, допускаемым конечным напряжением) поэтому дают различные результаты. Резервная ёмкость (для автомобильных аккумуляторов) — характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток до конечного напряжения согласно ГОСТ Р 53165-2008.

Эксплуатация

При эксплуатации «обслуживаемых» аккумуляторов (с открываемыми пробками на банках) на автомобиле при движении по неровной дороге неизбежно происходит просачивание электролита из-под пробок на корпус аккумулятора. Через электропроводную не высыхающую, из-за гигроскопичности, плёнку электролита происходит постепенный саморазряд аккумулятора. Во избежание глубокого саморазряда необходимо периодически нейтрализовать электролит протиранием корпуса аккумулятора, например, слабым раствором пищевой соды или разведённым в воде до консистенции жидкой сметаны хозяйственным мылом. Кроме того, особенно в жаркую погоду, происходит испарение воды из электролита; также количество воды в электролите уменьшается при перезаряде аккумулятора за счёт её электролиза. Потеря воды увеличивает плотность электролита, увеличивая напряжение на аккумуляторе. При существенной потере воды могут оголиться пластины, что одновременно увеличивает саморазряд и вызывает сульфатацию батареи. Поэтому необходимо следить за уровнем электролита и при необходимости доливать дистиллированную воду.

Эти меры вместе с проверкой автомобиля на паразитную утечку тока в его электрооборудовании и периодической подзарядкой аккумулятора могут существенно продлить срок эксплуатации аккумуляторной батареи.

Работа свинцово-кислотного аккумулятора при низких температурах По мере снижения окружающей температуры параметры аккумулятора ухудшаются, однако, в отличие от прочих типов аккумуляторов, у свинцово-кислотных аккумуляторов это снижение относительно мало, что и обуславливает их широкое применение на транспорте. Эмпирически считается, что свинцово-кислотный аккумулятор теряет отдаваемой ёмкости при снижении температуры на каждый градус от То есть, при температуре свинцово-кислотный аккумулятор покажет примерно ёмкости.

Снижение ёмкости и токоотдачи при низких температурах обусловлено, в первую очередь, снижением скорости химических реакций (закон Аррениуса). Единственным способом повышения отдаваемой ёмкости является подогрев холодной батареи, как вариант — встроенным подогревателем (6СТ-190ТР-Н).