Bude drôt generovať viac tepla? prečo? (odpor medi 0,017 Ohm x mm2/m, železa 0,10 Ohm x mm2/m, niklu 0,40 Ohm x mm2/m.)
2. Nichrómová špirála s dĺžkou 5 ma prierezom 0,5 mm2 je pripojená k napäťovej sieti 110 V. Nájdite aktuálny výkon špirály. (Odpor nichrómu 1,1 Ohm x mm2/m.)
3. Elektrický sporák s výkonom 800 W sa zapne na 5 hodín. Určte spotrebu energie (vo watthodinách a kilowatthodinách).
4. K akej premene energie dochádza pri činnosti generátora elektrického prúdu?
1. Na akom spsobe prenosu tepla je zaloen ohrev pevnch ltok?A. Tepelná vodivosť.B. Konvekcia B. Žiarenie. Aký druh prenosu teplasprevádzaný prenosom hmoty A. Tepelná vodivosť B. Žiarenie B. Konvekcia 3. Ktorá z nasledujúcich látok má najvyššiu tepelnú vodivosť?A. Kožušina. B. Strom. B. Oceľ 4. Ktorá z uvedených látok má najnižšiu tepelnú vodivosť A. Piliny. B. Olovo. B. Meď.5. Vymenujte možný spôsob prenosu tepla medzi telesami oddelenými bezvzduchovým priestorom A. Tepelná vodivosť B. Konvekcia B. Vyžarovanie 6. Kovová rukoväť a drevené dvierka budú na dotyk rovnako teplé pri teplote...A.nad telesnou teplotou.B. pod telesnú teplotu B. rovná telesnej teplote 7. Čo sa stane s teplotou telesa, ak absorbuje toľko energie, koľko vyžaruje A. Teleso sa zohreje. Telo sa ochladí.B. Telesná teplota sa nemení.8. Akým spôsobom dochádza k prenosu tepla v kvapalinách A. Tepelná vodivosť B. Konvekcia B. Žiarenie.9. Ktorá z nasledujúcich látok má najmenej A. Vzduch. B. Liatina. B. Hliník10. Merná tepelná kapacita vody je 4200 (J/kg*0С). To znamená, že...A.na ohrev vody s hmotnosťou 4200 kg o 1 °C je potrebné množstvo tepla rovnajúce sa 1 J.B. na ohrev vody s hmotnosťou 1 kg na 4200 °C je potrebné množstvo tepla rovnajúce sa 1 J.B Na ohrev vody s hmotnosťou 1 kg na 1 °C je potrebných 11. Merné spalné teplo paliva ukazuje, koľko coA. spaľovanie paliva je B. úplné spálenie paliva.B. s úplným spaľovaním paliva s hmotnosťou 1 kg.12. K odparovaniu dochádza...A.pri akejkoľvek teplote.B. pri teplote varu B. pri určitej teplote pre každú kvapalinu.13. Za prítomnosti vetra dochádza k vyparovaniu...A.rýchlejšie.B. pomalšie.B. rovnakou rýchlosťou ako pri jeho neprítomnosti.14. Môže byť účinnosť tepelného motora 100%, ak sa trenie medzi pohyblivými časťami tohto stroja zníži na nulu?A. Áno. B. č.15. Z ktorého pólu magnetu vychádzajú siločiary magnetického poľa?A. Zo severu. B. Z juhu. B. Z oboch pólov.16. Teleso nabité záporným nábojom je privedené do gule nenabitého elektroskopu bez toho, aby sa ho dotklo. Aký náboj získajú listy elektroskopu A. Negatívne. B. Pozitívne. B. Žiadne.17. Môže atóm vodíka alebo akákoľvek iná látka zmeniť svoj náboj o 1,5-násobok náboja elektrónu?A. Áno. B. č.18. Aký obraz sa vytvára na ľudskej sietnici? A. Zväčšené, skutočné, prevrátené.B. Zmenšené, skutočné, prevrátené.V. Zväčšené, imaginárne, priame.G. Zmenšené, imaginárne, priame.19. Čo meria ampérmeter?A) Elektrický odpor vodičovB) Napätie na póloch zdroja prúdu alebo na niektorom úseku obvoduC) Intenzita prúdu v obvodeD) Výkon elektrického prúdu20. Difúzia je: A) Proces zvyšovania teploty B) Jav, pri ktorom dochádza k vzájomnému prenikaniu molekúl jednej látky medzi molekulami druhej C) Jav, pri ktorom teleso prechádza z pevného do kvapalného skupenstva D) Proces zvýšenie hustoty telesa 21. Vzorec účinnosti:A) ŋ= Аn* 100%АɜB) ŋ= Аɜ * 100%АnВ) ŋ= Аn * Аɜ100%D) ŋ= Аn * Аɜ * 100%22. Čo hovorí Archimedov zákon?A) Vztlaková sila pôsobiaca na teleso ponorené v kvapaline sa rovná hmotnosti kvapaliny vytlačenej týmto telesomB) Vztlaková sila pôsobiaca na teleso ponorené v kvapaline sa rovná rýchlosti ponorenie tohto telesa do kvapalinyC) Vztlaková sila pôsobiaca na teleso ponorené v kvapaline sa rovná hustote tohto telesa D) Vztlaková sila pôsobiaca na teleso ponorené v kvapaline sa rovná hmotnosti tohto telesa23. Čo deyA) krok24. VnútornéA) len B) len C) len D) z tém25. Ktoré z nasledujúcich látok sú vodiče a) guma; b) meď, c) plast; d) sklo.26. Telo sa zelektrizuje až vtedy, keď...... náboj.a) nadobudne; b) stratí; c) zisky alebo straty.27. Ktoré z nasledujúcich látok sú dielektriká a) guma; b) meď; c) roztok kyseliny sírovej; d) oceľ.28. Pravdepodobne nabité telesá ........, a opačne nabité - ......a) ...odpudzujú, ...priťahujú, b) ...priťahujú, ...odpudzujú.29. Elektrický prúd sa nazýva...A. Pohyb elektrónov po vodiči.B. Usporiadaný pohyb elektrónov po vodiči.V. Usporiadaný pohyb protónov pozdĺž vodiča.G. Usporiadaný pohyb nabitých častíc.D. Pohyb elektrických nábojov po vodiči.30. Aká premena energie nastáva pri prevádzke elektrického mlynčeka na kávu Elektrická energia sa premieňa...A. Na chemické oddelenie. B. K mechanickému. B. Do svetlej miestnosti. G. Interné
K akej premene energie dochádza pri prevádzke elektrického prúdu, keď svieti reklamná neónová lampa? Elektrická energia sa premieňa na...A. Chemické
B. Mechanické
V. Svetovája
G. Interné
medzi žiarenia, vytvorené radiátor centrálny kúrenie, A žiarenia horiaca sviečka?
3) k akým energetickým premenám dochádza, keď svieti baterka?
4) V akom hmotnom prostredí sa svetlo šíri najväčšou rýchlosťou?
5) Prečo tiene ani pri jednom zdroji svetla nie sú nikdy úplne tmavé?
6) Prečo je v miestnosti svetlo aj vtedy, keď do jej okien nedopadá priame slnečné svetlo?
7) prečo sú v hmle a prašnom vzduchu viditeľné lúče svetla zo svetiel áut?
8) Prečo nevidíme tvár šermiara, ktorý sa pozerá cez jemné pletivo, ale šermiar dobre vidí všetky predmety cez pletivo?
10) Prečo sa sklo na výrobu zrkadla brúsi a leští so špeciálnou starostlivosťou?
11) uhol dopadu lúča = 60. Aký je uhol odrazu lúča?
12) Uhol dopadu lúča je 25. Aký je uhol medzi dopadajúcim a odrazeným lúčom?
13) Uhol medzi dopadajúcim a odrazeným lúčom je 50. Pod akým uhlom dopadá svetlo do zrkadla?
Chlapci, prosím pomôžte)
1.5. Charakteristiky nabíjania a vybíjania batérie
Hlavnými charakteristikami batérie sú nabíjanie a vybíjanie. Proces, pri ktorom sa chemická energia premieňa na elektrickú energiu, sa nazýva výboj, opačný proces sa nazýva náboj.
Po úplnom obnovení účinných látok sa hustota elektrolytu prestane zvyšovať. To znamená koniec nabíjania batérie. Na konci nabíjania sa tiež začína proces rozkladu vody na kyslík a vodík, ktorý sa vyznačuje výskytom bubliniek plynu na povrchu elektrolytu.
Vybíjacie charakteristiky batérie sú závislosťou zmeny emf, napätia a hustoty elektrolytu batérie pri konštantnom vybíjacom prúde od doby nabíjania (obr. 1.2).
Keď sa batéria zapne na vybitie, napätie na jej svorkách náhle klesne o hodnotu J p R a
v dôsledku poklesu napätia batérie (pozri obr. 1.2)
Ryža. 1.2 Charakteristiky výtoku
U p = E a - I p R a ,
kde I p je vybíjací prúd; R a - vnútorný odpor
Absorpcia kyseliny sírovej, ku ktorej dochádza počas vybíjania, a uvoľňovanie vody namiesto toho spôsobuje zníženie koncentrácie elektrolytu umiestneného v póroch platní, v dôsledku čoho batéria emf E a , a tým aj napätie postupne klesá. Najprv najdostupnejšie povrchové vrstvy aktívnej hmoty prechádzajú chemickými premenami, potom sa chemické reakcie rozšíria do najhlbších vrstiev platní. Navyše síran olovnatý PbSO 4, na ktorý sa pri vybíjaní premieňa aktívna hmota dosiek, zaberá väčší objem ako východiskové materiály (PbO 2 a Pb) a usadený na vnútorných povrchoch pórov zužuje ich priečny oddiele. Tieto dve okolnosti spomaľujú difúziu elektrolytu do platní a ku koncu vybíjania jeho koncentrácia v póroch platní a s tým aj emf batérie rýchlo klesajú, majú tendenciu k nule a značná časť aktívnej hmoty ležiacej hlboko v doskách sa ešte nepoužil. V tomto prípade dochádza k nevratným procesom a sulfatácia batérie sa výrazne zrýchli, takže batériu nie je možné vybiť pod 1,7 V.
Ak sa vybitá batéria vypne, jej EMF sa bude postupne zvyšovať. Toto obnovenie emf sa nazýva "zvyšok" batérie.
Hustota elektrolytu klesá, keď výboj prebieha podľa zákona priamky, pretože pri konštantnom vybíjacom prúde bude množstvo kyseliny sírovej nahradené vodou za jednotku času v dôsledku chemických reakcií rovnaké. Príznaky, ktoré určujú koniec výboja:
1. Znížte napätie na hraničnú hodnotu (1,7 V na prvok).
2. Zníženie hustoty elektrolytu na určité minimum ( 1,15 g/cm 3).
Charakter závislosti vybíjacieho napätia batérie od času je ovplyvnený teplotou elektrolytu a silou vybíjacieho prúdu. Keď teplota klesne (pod 0 °C), viskozita a merný odpor elektrolytu sa prudko zvýši. Ten sa v teplotnom rozsahu +30...40 o C zvyšuje 20 - 30 krát. So zvyšujúcou sa viskozitou sa rýchlosť difúzie znižuje.
Charakteristika 3-nabíjacej batérie - závislosť zmien hustoty elektrolytu, emf a napätia batérie pri konštantnom nabíjacom prúde od doby nabíjania (obr. 1.3).
Na začiatku nabíjania sa nabíjacie napätie prudko zvýši vo vzťahu k emf o hodnotu poklesu napätia na vnútornom odpore. Potom sa napätie pomaly zvyšuje, čo je spôsobené zvýšením emf v dôsledku zvýšenia hustoty elektrolytu. Chemická reakcia, ku ktorej dochádza pri nabíjaní, vracia aktívnu hmotu platní do pôvodného stavu. Pri týchto reakciách sa namiesto absorbovanej vody uvoľňuje kyselina sírová, v dôsledku čoho sa zvyšuje hustota elektrolytu. Na konci nabíjania sa v podstate všetok síran olovnatý premení na peroxid olovnatý na kladných elektródach a olovenú špongiu na záporných elektródach. Chemické reakcie sa zastavia a v dôsledku toho sa prestane zvyšovať napätie a hustota elektrolytu. Ďalší prechod prúdu spôsobuje už len rozklad vody na vodík a kyslík, ktoré sa energeticky uvoľňujú vo forme bublín. Prebíjanie batérie má škodlivý vplyv na platničky.
Obrázok 1.3. Charakteristiky nabíjania batérie
1. Napätie batérie dosiahlo maximálnu hodnotu a prestalo sa zvyšovať.2.Hustota elektrolytu dosiahla maximum a prestala sa zvyšovať.
3. Plynové bubliny sa intenzívne uvoľňujú (batéria „vrie“)
Princíp fungovania. Batéria sa nazýva chemický zdroj prúdu, ktorý je schopný v sebe akumulovať (akumulovať) elektrickú energiu a podľa potreby ju odovzdávať do vonkajšieho okruhu. Elektrická energia sa akumuluje v batérii, keď ňou prechádza prúd
externý zdroj (obr. 158, a). Tento proces, tzv nabitie batérie, je sprevádzaná premenou elektrickej energie na chemickú energiu, v dôsledku čoho sa samotná batéria stáva zdrojom prúdu. Pri vybití batérie (obr. 158, b) dochádza k spätnej premene chemickej energie na elektrickú energiu. Batéria má oproti galvanickému článku veľkú výhodu. Ak je prvok vybitý, stane sa úplne nepoužiteľným; batéria je rovnaká. po vybití sa dá dobiť a bude slúžiť ako zdroj elektrickej energie. Podľa typu elektrolytu sa batérie delia na kyslé a alkalické.
Na rušňoch a elektrických vlakoch sa najviac využívajú alkalické batérie, ktoré majú podstatne dlhšiu životnosť ako kyselinové. Kyslé batérie TN-450 sa používajú len na dieselových lokomotívach majú kapacitu 450 Ah, menovité napätie - 2,2 V. Batéria 32 TN-450 pozostáva z 32 batérií zapojených do série; písmeno T znamená, že batéria je nainštalovaná na lokomotíve, písmeno H znamená typ kladných dosiek (roztierateľné).
Zariadenie. V kyselinovej batérii sú elektródy olovené platne potiahnuté takzvanými aktívnymi hmotami, ktoré interagujú s elektrolytom počas elektrochemických reakcií počas procesu nabíjania a vybíjania. Aktívna hmota kladnej elektródy (anódy) je peroxid olovnatý PbO 2 a aktívna hmota zápornej elektródy (katódy) je čisté (špongiové) olovo Pb. Elektrolytom je 25-34% vodný roztok kyseliny sírovej.
Doštičky batérie môžu mať povrchový alebo rozprestretý dizajn. Dosky s povrchovým typom sú odliate z olova; ich povrch, na ktorom prebiehajú elektrochemické reakcie, je zväčšený v dôsledku prítomnosti rebier, drážok a pod. Používajú sa v stacionárnych batériách a niektorých batériách v osobných automobiloch.
V batériách dieselových lokomotív sa používajú dosky typu spread (obr. 159, a). Takéto platne majú jadro zo zliatiny olova a antimónu, v ktorom je usporiadaných množstvo článkov vyplnených pastou.
Po naplnení doskových buniek pastou sú pokryté olovenými plátmi s veľkým počtom otvorov. Tieto pláty zabraňujú vypadávaniu aktívnej hmoty z plátov a zároveň nebránia prístupu k elektrolytu.
Východiskovým materiálom na výrobu pasty pre pozitívne platne je olovený prášok Pb a pre negatívne platne - práškový peroxid olovnatý PbO 2, ktorý sa zmieša s vodným roztokom kyseliny sírovej. Štruktúra aktívnych hmôt v takýchto doskách je porézna; vďaka tomu sa elektrochemických reakcií zúčastňuje nielen povrch, ale aj hlboké vrstvy elektród batérie.
Na zvýšenie pórovitosti a zníženie zmršťovania aktívnej hmoty sa používa grafit, sadze, kremík, sklenený prášok, síran bárnatý a iné inertné materiály tzv. expandéry. Nezúčastňujú sa elektrochemických reakcií, ale sťažujú zlepovanie častíc olova a jeho oxidov (spekanie) a tým zabraňujú zníženiu pórovitosti.
Roztierateľné platne majú veľkú kontaktnú plochu s elektrolytom a sú ním dobre nasýtené, čo pomáha znižovať hmotnosť a veľkosť batérie a umožňuje získať vysoké prúdy pri vybíjaní.
Pri výrobe batérií sa dosky podrobujú špeciálnym cyklom nabíjania a vybíjania. Tento proces sa nazýva lisovanie batérie. V dôsledku lisovania sa pasta kladných dosiek elektrochemicky premení na peroxid (dioxid) olovnatý PbO 2 a získa hnedú farbu. Negatívna platňová pasta sa pri formovaní zmení na čisté Pb olovo, ktoré má poréznu štruktúru, a preto sa nazýva hubovité; negatívne platne zošednú.
Niektoré batérie používajú kladné platne škrupinového typu. V nich je každá pozitívna platňa uzavretá v špeciálnom plášti (puzdre) vyrobenom z ebonitu alebo sklolaminátu. Škrupina spoľahlivo drží aktívnu hmotu platne pred vypadnutím pri trasení a otrasoch; na spojenie aktívnej hmoty dosiek s elektrolytom sú v plášti vytvorené horizontálne štrbiny široké asi 0725 mm.
Aby nedochádzalo ku skratovaniu platničiek cudzími predmetmi (sonda na meranie hladiny elektrolytu, prístroj na dopĺňanie elektrolytu a pod.), sú platničky v niektorých batériách prekryté sieťkou z polyvinylchloridu.
Na zvýšenie kapacity je v každej batérii nainštalovaných niekoľko kladných a záporných dosiek; dosky s rovnakým názvom sú paralelne spojené do spoločných blokov, ku ktorým sú privarené výstupné kolíky. Bloky kladných a záporných dosiek sú zvyčajne inštalované v nádobe ebonitovej batérie (obr. 159,b) tak, že medzi každými dvoma
platne jednej polarity boli umiestnené s platňami druhej polarity. Záporné platne sú umiestnené na okrajoch batérie, pretože kladné platne sú pri inštalácii na okrajoch náchylné na deformáciu. Dosky sú od seba oddelené separátormi vyrobenými z mikroporézneho ebonitu, polyvinylchloridu, sklenenej plsti alebo iného izolačného materiálu. Separátory zabraňujú možnosti skratu medzi doskami, keď sa deformujú.
Dosky sú inštalované v nádobe batérie tak, aby medzi ich spodnou časťou a dnom nádoby zostal voľný priestor. V tomto priestore sa hromadí olovený sediment (kal), ktorý vzniká odpadávaním spotrebovanej aktívnej hmoty platní počas prevádzky.
Vybiť a nabiť. Keď je batéria vybitá (obr. 160, a) kladné ióny H 2 + a záporné ióny zvyškov kyseliny
S0 4 -, na ktoré sa rozkladajú molekuly kyseliny sírovej H 2 S0 4 elektrolyt 3, smerujú podľa kladných
1 a záporných 2 elektród a so svojimi aktívnymi hmotami vstupujú do elektrochemických reakcií. Medzi elektródami je
potenciálny rozdiel asi 2 V, zabezpečujúci prechod elektrického prúdu pri uzavretom vonkajšom okruhu. Ako výsledok
elektrochemické reakcie, ktoré vznikajú pri interakcii vodíkových iónov s peroxidom olovnatým PbO 2 pozitívny
elektróda a ióny síranového zvyšku S0 4 - s olovom Pb negatívnej elektródy vzniká síran olovnatý PbS0 4 (síran olovnatý), na ktorý sa premieňajú povrchové vrstvy aktívnej hmoty oboch elektród. Zároveň pri týchto reakciách vzniká určité množstvo vody, takže koncentrácia kyseliny sírovej klesá, teda klesá hustota elektrolytu.
Batéria sa môže teoreticky vybíjať, kým sa aktívne hmoty elektród úplne nepremenia na síran olovnatý a nevyčerpá sa elektrolyt. V praxi sa však vypúšťanie zastaví oveľa skôr. Síran olovnatý vznikajúci pri výboji je biela soľ, ktorá je zle rozpustná v elektrolyte a má nízku elektrickú vodivosť. Preto sa výboj neuskutočňuje až do konca, ale iba do okamihu, keď asi 35% aktívnej hmoty prejde na síran olovnatý. V tomto prípade je výsledný síran olovnatý rovnomerne distribuovaný vo forme drobných kryštálov v zostávajúcej aktívnej hmote, ktorá si stále zachováva dostatočnú elektrickú vodivosť na zabezpečenie napätia medzi elektródami 1,7-1,8 V.
Vybitá batéria je nabitá, t.j. pripojená k zdroju prúdu s napätím vyšším ako je napätie batérie. Pri nabíjaní (obr. 160, b) sa kladné ióny vodíka pohybujú na zápornú elektródu 2 a záporné ióny zvyšku kyseliny sírovej S0 4 sa presúvajú na kladnú elektródu 1 a vstupujú do chemickej interakcie so síranom olovnatým PbS0 4, pričom pokrývajú obe elektródy. Počas elektrochemických reakcií, ku ktorým dochádza, sa síran olovnatý PbS0 4 rozpúšťa a na elektródach sa opäť vytvárajú aktívne hmoty: peroxid olovnatý PbO 2 na kladnej elektróde a hubovité olovo Pb na zápornej. Súčasne sa zvyšuje koncentrácia kyseliny sírovej, t.j. zvyšuje sa hustota elektrolytu.
Elektrochemické reakcie počas vybíjania a nabíjania batérie možno vyjadriť rovnicou
Pb02 + Pb + 2H2S04? 2PbS04 + 2H20
Čítaním tejto rovnice zľava doprava dostaneme proces vybíjania sprava doľava - proces nabíjania.
Menovitý vybíjací prúd sa číselne rovná 0,1 C NOM, maximum pri štartovaní naftového motora (režim štartéra) je približne 3 C NOM, nabíjací prúd je 0,2 C NOM, kde C NOM je menovitý výkon.
Plne nabitá batéria má napr. d.s. asi 2,2 V. Napätie na jeho svorkách je približne rovnaké, keďže vnútorný odpor batérie je veľmi malý. Pri vybíjaní napätie batérie pomerne rýchlo klesá na 2 V a potom pomaly klesá na 1,8-1,7 V (obr. 161), pri tomto napätí sa vybíjanie zastaví, aby nedošlo k poškodeniu batérie. Ak je vybitá batéria po určitú dobu neaktívna, jej napätie sa obnoví na priemernú hodnotu 2 V. Tento jav sa nazýva „zvyšok“ batérie. Pri zaťažení takto „odpočinutého“ akumulátora napätie rýchlo klesá, tzv Meranie napätia batérie bez zaťaženia neposkytuje správny úsudok o stupni vybitia.
Pri nabíjaní napätie batérie rýchlo stúpne na 2,2 V a potom pomaly stúpne na 2,3 V a nakoniec celkom rýchlo opäť stúpne na 2,6 – 2,7 V. Pri 2,4 V sa začnú objavovať plynové bubliny, ktoré vznikajú v dôsledku rozkladu vody na vodík a kyslík. Pri 2,5 V obe elektródy vyžarujú silný prúd plynu a pri 2,6-2,7 V začne batéria vrieť, čo slúži ako znak konca nabíjania. Po odpojení akumulátora od zdroja nabíjacieho prúdu jeho napätie rýchlo klesne na 2,2 V.
Starostlivosť o batérie. Kyslé batérie rýchlo strácajú kapacitu alebo sa dokonca stanú úplne nepoužiteľnými
nesprávne použitie. Dochádza v nich k samovybíjaniu, v dôsledku čoho strácajú svoju kapacitu (cca 0,5-0,7 % za deň). Aby sa kompenzovalo samovybíjanie, nečinné batérie sa musia pravidelne nabíjať. Keď sú elektrolyt, ako aj kryty batérie, ich svorky a medzičlánkové spoje kontaminované, dochádza k zvýšenému samovybíjaniu, ktoré rýchlo vybíja batériu.
Batéria by mala byť vždy čistá a kontakty by mali byť pokryté tenkou vrstvou technickej vazelíny, aby boli chránené pred oxidáciou. Pravidelne je potrebné kontrolovať hladinu elektrolytu a stav nabitia batérií. Batérie sa musia pravidelne nabíjať. Skladovanie nenabitých batérií je zakázané. Pri nesprávnom používaní batérií (vybíjanie pod 1,8-1,7 V, systematické podbíjanie, nesprávne nabíjanie, dlhodobé skladovanie nenabitého akumulátora, znížená hladina elektrolytu, nadmerná hustota elektrolytu) dochádza k poškodeniu ich platní, tzv. sulfatácia. Tento jav spočíva v prechode jemne kryštalického síranu olovnatého, ktorý pri vybíjaní pokrýva platne, na nerozpustné hrubokryštalické chemické zlúčeniny, ktoré sa po nabití nepremenia na peroxid olovnatý PbO 2 a olovo Pb. V tomto prípade sa batéria stane nepoužiteľná.
Účel štartovacích batérií
Teoretické základy premeny chemickej energie na elektrickú energiu
Slabá batéria
Nabitie batérie
Spotreba hlavných prúdotvorných činidiel
Elektromotorická sila
Vnútorný odpor
Nabíjacie a vybíjacie napätie
Kapacita batérie
Energia a napájanie batérie
Samovybíjanie batérie
Účel štartovacích batérií
Hlavnou funkciou batérie je spoľahlivé štartovanie motora. Ďalšou funkciou je zásobník energie pri bežiacom motore. Spolu s tradičnými typmi spotrebiteľov sa skutočne objavilo mnoho doplnkových servisných zariadení, ktoré zlepšujú pohodlie vodiča a bezpečnosť premávky. Batéria kompenzuje energetický deficit pri jazde v mestskom cykle častými a dlhými zastávkami, kedy generátor nedokáže vždy poskytnúť výkon potrebný na plné napájanie všetkých zapnutých spotrebičov. Treťou prevádzkovou funkciou je napájanie pri vypnutom motore. Dlhodobé používanie elektrických spotrebičov pri odstavenom motore s vypnutým motorom (alebo motorom na voľnobeh) však vedie k hlbokému vybitiu batérie a prudkému zníženiu jej štartovacích vlastností.
Batéria je určená aj na núdzové napájanie. Ak zlyhá generátor, usmerňovač, regulátor napätia alebo sa pretrhne remeň generátora, musí zabezpečiť prevádzku všetkých spotrebičov potrebných na bezpečný presun do najbližšieho servisu.
Štartovacie batérie teda musia spĺňať tieto základné požiadavky:
Zabezpečte vybíjací prúd potrebný na prevádzku štartéra, to znamená, že má nízky vnútorný odpor pre minimálne straty vnútorného napätia vo vnútri batérie;
Poskytnite požadovaný počet pokusov o naštartovanie motora s nastaveným trvaním, to znamená, že máte potrebnú rezervu energie vybíjania štartéra;
Mať dostatočne vysoký výkon a energiu s minimálnou možnou veľkosťou a hmotnosťou;
Majte rezervu energie na napájanie spotrebiteľov, keď motor nebeží alebo je v núdzi (rezervná kapacita);
Udržujte napätie potrebné na prevádzku štartéra, keď teplota klesne v rámci špecifikovaných limitov (studený štartovací prúd);
Zachovať prevádzkyschopnosť po dlhú dobu pri zvýšených (až 70 "C) okolitých teplotách;
Prijať nabitie na obnovenie kapacity použitej na naštartovanie motora a napájanie ostatných spotrebičov z generátora počas chodu motora (prijať nabíjanie);
Nevyžaduje špeciálne školenie používateľa alebo údržbu počas prevádzky;
Majú vysokú mechanickú pevnosť zodpovedajúcu prevádzkovým podmienkam;
Zachovať špecifikované výkonové charakteristiky po dlhú dobu počas prevádzky (životnosť);
Majú bezvýznamné samovybíjanie;
Mať nízke náklady.
Teoretické základy premeny chemickej energie na elektrickú energiu
Chemický zdroj prúdu je zariadenie, v ktorom sa v dôsledku výskytu priestorovo oddelených redoxných chemických reakcií ich voľná energia premieňa na elektrickú energiu. Podľa povahy ich práce sú tieto zdroje rozdelené do dvoch skupín:
Primárne chemické zdroje prúdu alebo galvanické články;
Sekundárne zdroje alebo elektrické batérie.
Primárne zdroje umožňujú len jednorazové použitie, keďže látky vznikajúce pri ich vypúšťaní nie je možné premeniť na pôvodné aktívne látky. Úplne vybitý galvanický článok je spravidla nevhodný pre ďalšiu prácu - je to nevratný zdroj energie.
Sekundárne chemické zdroje prúdu sú reverzibilné zdroje energie - po ľubovoľne hlbokom vybití je možné nabíjaním úplne obnoviť ich funkčnosť. K tomu stačí, aby cez sekundárny zdroj prešiel elektrický prúd v opačnom smere, než ktorým tiekol pri výboji. Počas procesu nabíjania sa látky vzniknuté pri vybíjaní premenia na pôvodné aktívne materiály. Takto sa voľná energia chemického zdroja prúdu opakovane premieňa na elektrickú energiu (vybitie batérie) a spätná premena elektrickej energie na voľnú energiu chemického zdroja prúdu (nabíjanie batérie).
Prechod prúdu cez elektrochemické systémy je spojený s chemickými reakciami (transformáciami), ku ktorým dochádza. Existuje teda vzťah medzi množstvom látky, ktorá vstúpila do elektrochemickej reakcie a prešla transformáciou, a množstvom spotrebovanej alebo uvoľnenej elektriny, ktorú stanovil Michael Faraday.
Podľa prvého Faradayovho zákona je hmotnosť látky, ktorá vstupuje do elektródovej reakcie alebo je výsledkom jej výskytu, úmerná množstvu elektriny prechádzajúcej systémom.
Podľa druhého Faradayovho zákona pri rovnakom množstve elektriny prechádzajúcej systémom sú hmotnosti zreagovaných látok vo vzájomnom vzťahu ako ich chemické ekvivalenty.
V praxi podlieha elektrochemickým zmenám menšie množstvo látky ako podľa Faradayových zákonov – pri prechode prúdu dochádza okrem hlavných elektrochemických reakcií aj k paralelným alebo sekundárnym (vedľajším) reakciám, ktoré menia hmotnosť produktov. Aby sa zohľadnil vplyv takýchto reakcií, bol zavedený koncept efektívnosti prúdu.
Aktuálny výstup je tá časť množstva elektriny prechádzajúcej systémom, ktorá zodpovedá za hlavnú uvažovanú elektrochemickú reakciu.
Slabá batéria
Aktívne látky nabitej olovenej batérie, ktoré sa podieľajú na procese generovania prúdu, sú:
Kladná elektróda obsahuje oxid olovnatý (tmavohnedý);
Na zápornej elektróde je špongiové olovo (sivé);
Elektrolyt je vodný roztok kyseliny sírovej.
Niektoré molekuly kyseliny vo vodnom roztoku sú vždy disociované na kladne nabité vodíkové ióny a záporne nabité síranové ióny.
Olovo, ktoré je aktívnou hmotou zápornej elektródy, sa čiastočne rozpúšťa v elektrolyte a oxiduje v roztoku za vzniku kladných iónov. Prebytočné elektróny uvoľnené v tomto prípade udelia elektróde záporný náboj a začnú sa pohybovať pozdĺž uzavretej časti vonkajšieho obvodu ku kladnej elektróde.
Kladne nabité olovené ióny reagujú so záporne nabitými síranovými iónmi za vzniku síranu olovnatého, ktorý je málo rozpustný, a preto sa ukladá na povrchu zápornej elektródy. Počas procesu vybíjania batérie sa aktívna hmota negatívnej elektródy premení z olova na síran olovnatý so zmenou farby zo šedej na svetlošedú.
Oxid olovnatý kladnej elektródy sa rozpúšťa v elektrolyte v oveľa menšom množstve ako olovo zápornej elektródy. Pri interakcii s vodou disociuje (v roztoku sa rozpadá na nabité častice - ióny), pričom vytvára štvormocné ióny olova a hydroxylové ióny.
Ióny dodávajú elektróde kladný potenciál a pridaním elektrónov, ktoré prešli vonkajším obvodom zo zápornej elektródy, sa redukujú na dvojmocné ióny olova.
Ióny interagujú s iónmi za vzniku síranu olovnatého, ktorý sa z vyššie uvedeného dôvodu usadzuje aj na povrchu kladnej elektródy, ako tomu bolo v prípade zápornej elektródy. Ako výboj postupuje, aktívna hmota kladnej elektródy sa premieňa z oxidu olovnatého na síran olovnatý, čím sa mení jej farba z tmavohnedej na svetlohnedú.
Keď sa batéria vybíja, aktívne materiály v kladnej aj zápornej elektróde sa premenia na síran olovnatý. V tomto prípade sa kyselina sírová spotrebováva na síran olovnatý a z uvoľnených iónov vzniká voda, čo vedie k zníženiu hustoty elektrolytu pri vybíjaní.
Nabitie batérie
Elektrolyt oboch elektród obsahuje malé množstvo síranu olovnatého a iónov vody. Vplyvom napätia zdroja jednosmerného prúdu, v obvode ktorého je zapojená nabíjaná batéria, vzniká vo vonkajšom obvode smerový pohyb elektrónov smerom k zápornému pólu batérie.
Dvojmocné ióny olova na zápornej elektróde sú neutralizované (redukované) prichádzajúcimi dvoma elektrónmi, čím sa aktívna hmota zápornej elektródy mení na kovové olovo. Zostávajúce voľné ióny tvoria kyselinu sírovú
Na kladnej elektróde pod vplyvom nabíjacieho prúdu dvojmocné ióny olova odovzdávajú dva elektróny, ktoré oxidujú na štvormocné. Posledne menované, ktoré sa kombinujú medziľahlými reakciami s dvoma iónmi kyslíka, vytvárajú oxid olovnatý, ktorý sa uvoľňuje na elektróde. Ióny a, rovnako ako ióny zápornej elektródy, tvoria kyselinu sírovú, v dôsledku čoho sa počas nabíjania zvyšuje hustota elektrolytu.
Po dokončení procesov transformácie látok v aktívnych hmotách pozitívnych a negatívnych elektród sa hustota elektrolytu prestane meniť, čo je znakom konca nabíjania batérie. Pri ďalšom pokračovaní náboja dochádza k takzvanému sekundárnemu procesu - elektrolytickému rozkladu vody na kyslík a vodík. Vychádzajú z elektrolytu vo forme plynových bublín a vytvárajú efekt intenzívneho varu, ktorý tiež slúži ako znak konca nabíjacieho procesu.
Spotreba hlavných prúdotvorných činidiel
Na získanie kapacity jednej ampérhodiny pri vybitej batérii je potrebné, aby sa reakcie zúčastnili:
4,463 g oxidu olovnatého
3,886 g špongiového olova
3,660 g kyseliny sírovej
Celková teoretická spotreba materiálov na výrobu 1 Ah (merná spotreba materiálov) elektrickej energie bude 11,989 g/Ah a teoretická špecifická kapacita bude 83,41 Ah/kg.
Pri nominálnom napätí batérie 2 V je teoretická merná spotreba materiálu na jednotku energie 5,995 g/Wh a špecifická energia batérie bude 166,82 Wh/kg.
V praxi však nie je možné dosiahnuť plné využitie aktívnych materiálov zúčastňujúcich sa procesu generovania prúdu. Približne polovica povrchu aktívnej hmoty je pre elektrolyt neprístupná, pretože slúži ako základ pre konštrukciu objemnej poréznej konštrukcie, ktorá zabezpečuje mechanickú pevnosť materiálu. Preto je skutočný koeficient využitia aktívnych hmôt kladnej elektródy 45-55% a zápornej elektródy 50-65%. Okrem toho sa ako elektrolyt používa 35-38% roztok kyseliny sírovej. Preto je hodnota skutočnej mernej spotreby materiálov oveľa vyššia a skutočné hodnoty mernej kapacity a špecifickej energie sú oveľa nižšie ako teoretické.
Elektromotorická sila
Elektromotorická sila (EMF) batérie E je rozdiel v jej elektródových potenciáloch, meraný, keď je vonkajší obvod otvorený.
EMF batérie pozostávajúcej z n batérií zapojených do série.
Je potrebné rozlišovať medzi rovnovážnym EMF batérie a nerovnovážnym EMF batérie v čase od otvorenia obvodu po nastolenie rovnovážneho stavu (obdobie procesu prechodu).
EMF sa meria vysokoodporovým voltmetrom (vnútorný odpor najmenej 300 Ohm/V). Na tento účel je na svorky batérie alebo batérie pripojený voltmeter. V tomto prípade by cez akumulátor (batériu) nemal pretekať nabíjací ani vybíjací prúd.
Rovnovážne EMP olovenej batérie, ako každého chemického zdroja prúdu, závisí od chemických a fyzikálnych vlastností látok, ktoré sa zúčastňujú procesu generovania prúdu, a je úplne nezávislé od veľkosti a tvaru elektród, ako aj od množstvo aktívnych hmôt a elektrolytu. Zároveň sa v olovenej batérii elektrolyt priamo zúčastňuje procesu tvorby prúdu na elektródach batérie a mení svoju hustotu v závislosti od stupňa nabitia batérií. Preto je rovnovážny EMF, ktorý je zase funkciou hustoty
Zmena emf batérie ako funkcia teploty je veľmi malá a počas prevádzky ju možno zanedbať.
Vnútorný odpor
Odpor, ktorý poskytuje batéria prúdu, ktorý v nej preteká (nabíjanie alebo vybíjanie), sa zvyčajne nazýva vnútorný odpor batérie.
Odpor aktívnych materiálov kladných a záporných elektród, ako aj odpor elektrolytu sa mení v závislosti od stavu nabitia batérie. Okrem toho odpor elektrolytu veľmi výrazne závisí od teploty.
Ohmický odpor preto závisí aj od stavu nabitia batérie a teploty elektrolytu.
Polarizačný odpor závisí od sily vybíjacieho (nabíjacieho) prúdu a teploty a nespĺňa Ohmov zákon.
Vnútorný odpor jednej batérie a dokonca aj batérie pozostávajúcej z niekoľkých batérií zapojených do série je zanedbateľný a pri nabití dosahuje len niekoľko tisícin ohmu. Počas procesu vybíjania sa však výrazne mení.
Elektrická vodivosť aktívnych hmôt klesá pre kladnú elektródu približne 20-krát a pre zápornú elektródu 10-krát. Elektrická vodivosť elektrolytu sa tiež mení v závislosti od jeho hustoty. Keď sa hustota elektrolytu zvýši z 1,00 na 1,70 g/cm3, jeho elektrická vodivosť sa najprv zvýši na maximálnu hodnotu a potom sa opäť zníži.
Ako sa batéria vybíja, hustota elektrolytu klesá z 1,28 g/cm3 na 1,09 g/cm3, čo vedie k takmer 2,5-násobnému zníženiu jej elektrickej vodivosti. V dôsledku toho sa pri vybíjaní zvyšuje ohmický odpor batérie. Vo vybitom stave odpor dosahuje hodnotu viac ako 2-krát vyššiu ako je jeho hodnota v nabitom stave.
Okrem stavu nabitia má na odolnosť batérií výrazný vplyv aj teplota. S klesajúcou teplotou merný odpor elektrolytu rastie a pri teplote -40 °C je približne 8-krát väčší ako pri +30 °C. Odpor separátorov tiež prudko rastie s klesajúcou teplotou a v rovnakom teplotnom rozsahu sa zvyšuje takmer 4-krát. To je určujúci faktor pri zvyšovaní vnútorného odporu batérií pri nízkych teplotách.
Nabíjacie a vybíjacie napätie
Potenciálny rozdiel na pólových svorkách akumulátora (batérie) počas nabíjania alebo vybíjania za prítomnosti prúdu vo vonkajšom obvode sa zvyčajne nazýva napätie akumulátora (batérie). Prítomnosť vnútorného odporu batérie vedie k tomu, že jej napätie pri vybíjaní je vždy menšie ako EMF a pri nabíjaní je vždy väčšie ako EMF.
Pri nabíjaní batérie musí byť napätie na jej svorkách väčšie ako jej emf o množstvo vnútorných strát.
Na začiatku nabíjania dôjde k skoku napätia veľkosťou ohmických strát vo vnútri batérie a potom k prudkému zvýšeniu napätia v dôsledku polarizačného potenciálu, spôsobenému najmä rýchlym zvýšením hustoty elektrolytu v póroch batérie. aktívna hmota. Ďalej dochádza k pomalému zvýšeniu napätia, najmä v dôsledku zvýšenia emf batérie v dôsledku zvýšenia hustoty elektrolytu.
Potom, čo sa hlavné množstvo síranu olovnatého premení na PbO2 a Pb, výdaj energie čoraz viac spôsobuje rozklad vody (elektrolýza). To vedie k rýchlemu zvýšeniu nabíjacieho napätia, čo spôsobuje zrýchlenie procesu rozkladu vody. Výsledné vodíkové a kyslíkové ióny neinteragujú s aktívnymi materiálmi. Rekombinujú sa na neutrálne molekuly a uvoľňujú sa z elektrolytu vo forme plynových bublín (kyslík sa uvoľňuje na kladnej elektróde, vodík sa uvoľňuje na zápornej elektróde), čo spôsobuje „varenie“ elektrolytu.
Ak budete pokračovať v procese nabíjania, môžete vidieť, že nárast hustoty elektrolytu a nabíjacieho napätia sa prakticky zastaví, pretože takmer všetok síran olovnatý už zreagoval a všetka energia dodávaná do batérie sa teraz minie iba na výskyt vedľajšieho procesu - elektrolytický rozklad vody. To vysvetľuje stálosť nabíjacieho napätia, ktorá slúži ako jeden zo znakov ukončenia procesu nabíjania.
Po zastavení nabíjania, teda po vypnutí externého zdroja, napätie na svorkách batérie prudko klesne na hodnotu jej nerovnovážneho EMF, alebo na hodnotu ohmických vnútorných strát. Potom dochádza k postupnému znižovaniu EMF (v dôsledku poklesu hustoty elektrolytu v póroch aktívnej hmoty), ktorý pokračuje až do úplného vyrovnania koncentrácie elektrolytu v objeme batérie a pórov aktívnej hmoty. , čo zodpovedá nastoleniu rovnovážneho EMF.
Keď je batéria vybitá, napätie na jej svorkách je menšie ako emf o veľkosť vnútorného poklesu napätia.
Na začiatku vybíjania napätie batérie prudko klesá o veľkosť ohmických strát a polarizáciu spôsobenú poklesom koncentrácie elektrolytu v póroch aktívnej hmoty, teda koncentračnou polarizáciou. Ďalej, počas procesu vybíjania v ustálenom stave (stacionárne), hustota elektrolytu v objeme batérie klesá, čo spôsobuje postupné znižovanie vybíjacieho napätia. Zároveň sa mení pomer obsahu síranu olovnatého v aktívnej hmote, čo spôsobuje aj nárast ohmických strát. V tomto prípade častice síranu olovnatého (ktoré majú približne trojnásobný objem v porovnaní s časticami olova a jeho oxidu, z ktorých vznikli) uzatvárajú póry aktívnej hmoty, čím bránia prechodu elektrolytu do hĺbky elektródy.
To spôsobuje zvýšenie polarizácie koncentrácie, čo vedie k rýchlejšiemu poklesu vybíjacieho napätia.
Keď sa vybíjanie zastaví, napätie na svorkách batérie sa rýchlo zvýši o veľkosť ohmických strát a dosiahne hodnotu nerovnovážneho EMF. Ďalšia zmena EMF v dôsledku vyrovnania koncentrácie elektrolytu v póroch aktívnych hmôt a v objeme batérie vedie k postupnému nastoleniu rovnovážnej hodnoty EMF.
Napätie batérie pri vybíjaní je určené najmä teplotou elektrolytu a silou vybíjacieho prúdu. Ako je uvedené vyššie, odpor oloveného akumulátora (batérie) je nepatrný a v nabitom stave je len niekoľko miliOhmov. Avšak pri vybíjacích prúdoch štartéra, ktoré sú 4-7 krát vyššie ako menovitá kapacita, má vnútorný pokles napätia významný vplyv na vybíjacie napätie. Nárast ohmických strát s klesajúcou teplotou je spojený so zvýšením odporu elektrolytu. Okrem toho sa prudko zvyšuje viskozita elektrolytu, čo komplikuje proces jeho difúzie do pórov aktívnej hmoty a zvyšuje koncentračnú polarizáciu (to znamená, že zvyšuje stratu napätia vo vnútri batérie znížením koncentrácie elektrolytu v póry elektród).
Pri prúde vyššom ako 60 A je závislosť vybíjacieho napätia od sily prúdu pri všetkých teplotách takmer lineárna.
Priemerná hodnota napätia batérie počas nabíjania a vybíjania sa určuje ako aritmetický priemer hodnôt napätia meraných v rovnakých časových intervaloch.
Kapacita batérie
Kapacita batérie je množstvo elektriny prijatej z batérie, keď je vybitá na určené konečné napätie. V praktických výpočtoch sa kapacita batérie zvyčajne vyjadruje v ampérhodinách (Ah). Vybíjaciu kapacitu je možné vypočítať vynásobením vybíjacieho prúdu dobou vybíjania.
Kapacita vybíjania, pre ktorú je batéria navrhnutá a udávaná výrobcom, sa nazýva nominálna kapacita.
Okrem toho je dôležitým ukazovateľom aj kapacita batérie pri nabíjaní.
Vybíjacia kapacita závisí od množstva konštrukčných a technologických parametrov batérie, ako aj od jej prevádzkových podmienok. Najvýznamnejšími konštrukčnými parametrami sú množstvo aktívnej hmoty a elektrolytu, hrúbka a geometrické rozmery elektród batérie. Hlavnými technologickými parametrami ovplyvňujúcimi kapacitu batérie je zloženie aktívnych materiálov a ich pórovitosť. Na vybíjaciu kapacitu majú významný vplyv aj prevádzkové parametre - teplota elektrolytu a vybíjací prúd. Všeobecným ukazovateľom charakterizujúcim účinnosť batérie je miera využitia aktívnych materiálov.
Na získanie kapacity 1 Ah, ako je uvedené vyššie, je teoreticky potrebných 4,463 g oxidu olovnatého, 3,886 g hubovitého olova a 3,66 g kyseliny sírovej. Teoretická merná spotreba aktívnych hmôt elektród je 8,32 g/Ah. V reálnych batériách sa merná spotreba aktívnych materiálov pri 20-hodinovom režime vybíjania a teplote elektrolytu 25 °C pohybuje od 15,0 do 18,5 g/Ah, čo zodpovedá miere využitia aktívnych hmôt 45 – 55 %. V dôsledku toho praktická spotreba aktívnej hmoty prekračuje teoretické hodnoty 2 alebo viackrát.
Mieru využitia aktívnej hmoty, a teda aj hodnotu výbojovej kapacity, ovplyvňujú nasledujúce hlavné faktory.
Pórovitosť aktívnej hmoty. So zvyšujúcou sa pórovitosťou sa zlepšujú podmienky pre difúziu elektrolytu do hĺbky aktívnej hmoty elektródy a zvyšuje sa skutočný povrch, na ktorom prebieha prúdotvorná reakcia. So zvyšujúcou sa pórovitosťou sa zvyšuje kapacita výboja. Veľkosť pórovitosti závisí od veľkosti častíc oloveného prášku a receptúry na prípravu aktívnych hmôt, ako aj od použitých prísad. Okrem toho zvýšenie pórovitosti vedie k zníženiu trvanlivosti v dôsledku zrýchlenia procesu deštrukcie vysoko poréznych aktívnych hmôt. Preto hodnotu pórovitosti vyberajú výrobcovia s prihliadnutím nielen na vysoké kapacitné charakteristiky, ale aj na zabezpečenie potrebnej životnosti batérie v prevádzke. V súčasnosti sa za optimálnu považuje pórovitosť v rozsahu 46-60% v závislosti od účelu batérie.
Hrúbka elektródy. S klesajúcou hrúbkou sa znižuje nerovnomerné zaťaženie vonkajšej a vnútornej vrstvy aktívnej hmoty elektródy, čo napomáha k zvýšeniu kapacity výboja. Pri hrubších elektródach sa vnútorné vrstvy aktívnej hmoty využívajú veľmi málo, najmä pri vybíjaní vysokými prúdmi. Preto so zvyšujúcim sa vybíjacím prúdom sa rozdiely v kapacite batérií s elektródami rôznej hrúbky prudko zmenšujú.
Pórovitosť a racionalita konštrukcie materiálu separátora. S nárastom pórovitosti separátora a výšky jeho rebier sa zvyšuje zásoba elektrolytu v medzielektródovej medzere a zlepšujú sa podmienky pre jeho difúziu.
Hustota elektrolytu. Ovplyvňuje kapacitu batérie a jej životnosť. So zvyšujúcou sa hustotou elektrolytu sa zvyšuje kapacita kladných elektród a kapacita záporných, najmä pri záporných teplotách, klesá v dôsledku zrýchlenia pasivácie povrchu elektródy. Zvýšená hustota tiež negatívne ovplyvňuje životnosť batérie v dôsledku zrýchlenia koróznych procesov na kladnej elektróde. Preto je optimálna hustota elektrolytu stanovená na základe súhrnu požiadaviek a podmienok, v ktorých je batéria prevádzkovaná. Napríklad pre štartovacie batérie pracujúce v miernom podnebí je odporúčaná hustota pracovného elektrolytu 1,26-1,28 g/cm3 a pre oblasti s horúcim (tropickým) podnebím 1,22-1,24 g/cm3.
Sila vybíjacieho prúdu, ktorým sa musí batéria nepretržite vybíjať po danú dobu (charakterizuje režim vybíjania). Režimy vybíjania sa konvenčne delia na dlhé a krátke. V dlhodobých režimoch sa výboj vyskytuje pri nízkych prúdoch niekoľko hodín. Napríklad 5-, 10- a 20-hodinové výboje. Pri krátkych alebo štartovacích vybitiach je prúd niekoľkonásobne väčší ako menovitá kapacita batérie a vybíjanie trvá niekoľko minút alebo sekúnd. S rastúcim výbojovým prúdom sa rýchlosť výboja povrchových vrstiev aktívnej hmoty zvyšuje vo väčšej miere ako hlbokých. V dôsledku toho dochádza k rastu síranu olovnatého v ústí pórov rýchlejšie ako v hĺbke a pór je upchaný síranom skôr, než jeho vnútorný povrch stihne zareagovať. V dôsledku zastavenia difúzie elektrolytu do póru sa reakcia v ňom zastaví. Čím vyšší je teda vybíjací prúd, tým nižšia je kapacita batérie, a teda nižšia miera využitia aktívnej hmoty.
Na posúdenie štartovacích vlastností batérií je ich kapacita charakterizovaná aj počtom prerušovaných vybití štartéra (napríklad trvajúcich 10-15 s s prestávkami medzi nimi 60 s). Kapacita, ktorú batéria dodáva pri prerušovanom vybíjaní, prevyšuje kapacitu pri nepretržitom vybíjaní rovnakým prúdom, najmä v režime vybíjania štartéra.
V súčasnosti sa v medzinárodnej praxi hodnotenia kapacitných charakteristík štartovacích batérií používa pojem „rezervná“ kapacita. Charakterizuje dobu vybíjania batérie (v minútach) pri vybíjacom prúde 25 A bez ohľadu na nominálnu kapacitu batérie. Podľa uváženia výrobcu je možné nastaviť hodnotu nominálnej kapacity pri 20-hodinovom režime vybíjania v ampérhodinách alebo rezervnou kapacitou v minútach.
Teplota elektrolytu. S jej znižovaním klesá vybíjacia kapacita batérií. Dôvodom je zvýšenie viskozity elektrolytu a jeho elektrického odporu, čo spomaľuje rýchlosť difúzie elektrolytu do pórov aktívnej hmoty. Okrem toho, keď teplota klesá, procesy pasivácie negatívnej elektródy sa zrýchľujú.
Teplotný koeficient kapacity a vyjadruje percentuálnu zmenu kapacity pri zmene teploty o 1 °C.
Pri testovaní sa výbojová kapacita získaná v režime dlhodobého výboja porovnáva s hodnotou menovitej kapacity stanovenou pri teplote elektrolytu +25 °C.
Pri určovaní kapacity v režime dlhodobého vybíjania by v súlade s požiadavkami noriem mala byť teplota elektrolytu v rozmedzí od +18 °C do +27 °C.
Parametre štartovacieho výboja sa posudzujú podľa trvania výboja v minútach a napätia na začiatku výboja. Tieto parametre sa stanovujú v prvom cykle pri +25 °C (test pre batérie nabité nasucho) a v ďalších cykloch pri teplotách -18 °C alebo -30 °C.
Stupeň nabitia. So zvyšujúcim sa stupňom nabitia, ak sú ostatné veci rovnaké, sa kapacita zvyšuje a dosahuje maximálnu hodnotu, keď sú batérie úplne nabité. Je to spôsobené tým, že pri neúplnom nabití nedosahuje množstvo aktívnych materiálov na oboch elektródach, ako aj hustota elektrolytu svoje maximálne hodnoty.
Energia a napájanie batérie
Energia batérie W je vyjadrená vo watthodinách a je určená súčinom jej vybíjacej (nabíjacej) kapacity a priemerného vybíjacieho (nabíjacieho) napätia.
Keďže kapacita batérie a jej vybíjacie napätie sa mení so zmenami teploty a režimu vybíjania, pri poklese teploty a zvýšení vybíjacieho prúdu klesá energia batérie ešte výraznejšie ako jej kapacita.
Pri porovnávaní chemických zdrojov prúdu, ktoré sa líšia kapacitou, dizajnom a dokonca aj elektrochemickým systémom, ako aj pri určovaní smerov ich zlepšenia, sa používa ukazovateľ špecifickej energie - energia na jednotku hmotnosti batérie alebo jej objemu. Pre moderné bezúdržbové olovené štartovacie batérie je merná energia pri 20-hodinovom režime vybíjania 40-47 W h/kg.
Množstvo energie dodávanej batériou za jednotku času sa nazýva jej výkon. Dá sa definovať ako súčin vybíjacieho prúdu a priemerného vybíjacieho napätia.
Samovybíjanie batérie
Samovybíjanie je zníženie kapacity batérie pri otvorenom vonkajšom okruhu, teda počas nečinnosti. Tento jav je spôsobený redoxnými procesmi, ktoré sa vyskytujú spontánne na negatívnych aj pozitívnych elektródach.
Záporná elektróda je obzvlášť náchylná na samovybíjanie v dôsledku spontánneho rozpustenia olova (záporná aktívna hmota) v roztoku kyseliny sírovej.
Samovybíjanie zápornej elektródy je sprevádzané uvoľňovaním plynného vodíka. Rýchlosť spontánneho rozpúšťania olova sa výrazne zvyšuje so zvyšujúcou sa koncentráciou elektrolytu. Zvýšenie hustoty elektrolytu z 1,27 na 1,32 g/cm3 vedie k zvýšeniu rýchlosti samovybíjania zápornej elektródy o 40 %.
Prítomnosť nečistôt rôznych kovov na povrchu negatívnej elektródy má veľmi významný vplyv (katalytický) na zvýšenie rýchlosti samorozpúšťania olova (v dôsledku poklesu prepätia vývoja vodíka). Takmer všetky kovy, ktoré sa nachádzajú ako nečistoty v batériových surovinách, elektrolytoch a separátoroch, alebo ktoré sa používajú ako špeciálne prísady, prispievajú k zvýšenému samovybíjaniu. Dostávajú sa na povrch zápornej elektródy a uľahčujú podmienky na uvoľňovanie vodíka.
Niektoré z nečistôt (soli kovov s premenlivou mocnosťou) pôsobia ako nosiče náboja z jednej elektródy na druhú. V tomto prípade sú kovové ióny redukované na zápornej elektróde a oxidované na kladnej elektróde (tento mechanizmus samovybíjania sa pripisuje železitým iónom).
Samovybíjanie pozitívneho aktívneho materiálu je spôsobené prebiehajúcou reakciou.
2Pb02 + 2H2SO4 -> PbSCU + 2H2O + O2T.
Rýchlosť tejto reakcie sa tiež zvyšuje so zvyšujúcou sa koncentráciou elektrolytu.
Pretože reakcia prebieha s uvoľňovaním kyslíka, jej rýchlosť je do značnej miery určená prepätím kyslíka. Preto prísady, ktoré znižujú potenciál vývoja kyslíka (napríklad antimón, kobalt, striebro), zvýšia rýchlosť samorozpúšťacej reakcie oxidu olovnatého. Rýchlosť samovybíjania pozitívneho aktívneho materiálu je niekoľkonásobne nižšia ako rýchlosť samovybíjania negatívneho aktívneho materiálu.
Ďalším dôvodom samovybíjania kladnej elektródy je potenciálny rozdiel medzi materiálom prúdového vodiča a aktívnou hmotnosťou tejto elektródy. Galvanický mikročlánok vznikajúci ako výsledok tohto rozdielu potenciálov premieňa olovo spodného vodiča a oxid olovnatý kladnej aktívnej hmoty na síran olovnatý, keď preteká prúd.
Samovybíjanie môže nastať aj vtedy, keď je vonkajšia strana batérie znečistená alebo naplnená elektrolytom, vodou alebo inými tekutinami, ktoré vytvárajú možnosť vybitia cez elektricky vodivú fóliu umiestnenú medzi svorkami batérie alebo jej prepojkami. Tento typ samovybíjania sa nelíši od bežného vybíjania s veľmi nízkymi prúdmi pri uzavretom vonkajšom okruhu a možno ho ľahko eliminovať. Aby ste to dosiahli, musíte udržiavať povrch batérií čistý.
Samovybíjanie batérií do značnej miery závisí od teploty elektrolytu. Keď teplota klesá, samovybíjanie sa znižuje. Pri teplotách pod 0 °C pre nové batérie sa prakticky zastaví. Preto sa odporúča skladovať batérie v nabitom stave pri nízkych teplotách (do -30 °C).
Počas prevádzky nezostáva samovybíjanie konštantné a ku koncu svojej životnosti sa prudko zvyšuje.
Zníženie samovybíjania je možné zvýšením prepätia emisií kyslíka a vodíka na elektródach batérie.
K tomu je potrebné v prvom rade použiť na výrobu batérií čo najčistejšie materiály, znížiť kvantitatívny obsah legujúcich prvkov v zliatinách batérií, používať len
čistá kyselina sírová a destilovaná (alebo jej čistotou blízka inými metódami čistenia) voda na prípravu všetkých elektrolytov počas výroby aj počas prevádzky. Napríklad znížením obsahu antimónu v zliatine prúdových vodičov z 5 % na 2 % a použitím destilovanej vody pre všetky procesné elektrolyty sa priemerné denné samovybíjanie zníži 4-krát. Nahradením antimónu vápnikom môžete ďalej znížiť rýchlosť samovybíjania.
K zníženiu samovybíjania môže prispieť aj pridanie organických látok – inhibítorov samovybíjania.
Použitie spoločného krytu a skrytých prepojení medzi prvkami výrazne znižuje rýchlosť samovybíjania zo zvodových prúdov, pretože pravdepodobnosť galvanického spojenia medzi široko rozmiestnenými pólovými svorkami je výrazne znížená.
Niekedy samovybíjanie označuje rýchlu stratu kapacity v dôsledku skratu vo vnútri batérie. Tento jav sa vysvetľuje priamym výbojom cez vodivé mostíky vytvorené medzi protiľahlými elektródami.
Použitie oddeľovačov obálok v bezúdržbových batériách
eliminuje možnosť skratu medzi protiľahlými elektródami počas prevádzky. Táto možnosť však zostáva kvôli možným poruchám zariadenia počas sériovej výroby. Zvyčajne sa takáto chyba zistí v prvých mesiacoch prevádzky a batériu je potrebné vymeniť v rámci záruky.
Stupeň samovybíjania sa zvyčajne vyjadruje ako percento straty kapacity počas určitého časového obdobia.
Súčasné normy samovybíjania charakterizuje aj vybíjacie napätie štartéra pri -18 °C po testovaní: nečinnosť 21 dní pri teplote +40 °C.
Typy elektrických batérií
Batérie sú neoddeliteľnou súčasťou každého systému zameraného na výrobu alternatívnych druhov energie.
Doposiaľ najrozšírenejšie sú elektrochemické batérie elektrickej energie, v ktorých k premene chemickej energie na elektrickú energiu pri vybití batérie dochádza chemickou reakciou. Pri nabíjaní batérie prebieha chemická reakcia v opačnom smere.
Okrem elektrochemických batérií možno elektrinu skladovať v kondenzátoroch a solenoidoch (tlmivkách).
V nabitom kondenzátore je energia uložená vo forme energie dielektrického elektrického poľa. Vzhľadom na to, že merná energia akumulovaná kondenzátorom je veľmi malá (prakticky od 10 do 400 J/kg) a doba možného skladovania energie v dôsledku jej úniku je krátka, tento typ akumulátora energie sa používa iba v prípadoch kde je potrebné odovzdať elektrickú energiu spotrebiteľovi na veľmi krátky čas s krátkou trvanlivosťou.
V solenoide sa elektrická energia akumuluje vo forme energie magnetického poľa. Preto sa tento typ úložného zariadenia nazýva elektromagnetický. Čas výstupu energie elektromagnetických batérií sa však zvyčajne meria nie v sekundách, ale v zlomkoch sekundy.
Nabíjanie batérie vyžaduje externý zdroj energie a počas procesu nabíjania môže dochádzať k energetickým stratám. Po nabití môže batéria zostať v stave pripravenosti (v nabitom stave), ale aj v tomto stave môže dôjsť k strate určitej energie náhodným rozptylom, únikom, samovybíjaním alebo inými podobnými javmi. Pri uvoľnení energie z batérie môže dôjsť aj k energetickým stratám; Navyše, niekedy je nemožné získať späť všetku nahromadenú energiu. Niektoré batérie sú navrhnuté tak, aby zachovali určitú zvyškovú energiu.
Vlastnosti batérie
Hlavnou charakteristikou batérie je jej elektrická kapacita. Jednotkou merania tejto kapacity je ampérhodina (Ah), nesystémová jednotka merania elektrického náboja.
Na základe fyzikálneho významu je 1 ampérhodina elektrický náboj, ktorý prechádza prierezom vodiča jednu hodinu, keď je v ňom prúd 1 ampér. Teoreticky je nabitá batéria s udávanou kapacitou 1 Ah schopná poskytnúť prúd 1 ampér po dobu jednej hodiny (alebo napr. 0,1 A po dobu 10 hodín alebo 10 A po dobu 0,1 hodiny).
V praxi sa kapacita batérie počíta na základe 20-hodinového vybíjacieho cyklu na konečné napätie, ktoré je pre autobatérie 10,8 V. Napríklad nápis na štítku batérie „55 Ah“ znamená, že je schopná dodať prúd 2,75 ampéra po dobu 20 hodín a napätie na svorkách neklesne pod 10,8 V.
Príliš veľký vybíjací prúd batérie má za následok menej efektívne dodávanie energie, čo nelineárne znižuje prevádzkový čas batérie pri tomto prúde a môže viesť k prehriatiu.
Výrobcovia batérií niekedy v technických špecifikáciách uvádzajú uloženú energiu vo Wh ako kapacitu. Pretože 1 W = 1 A * 1 V, potom ak je uložená energia 720 Wh, môžeme túto hodnotu vydeliť hodnotou napätia (povedzme 12 V) a získať kapacitu v ampérhodinách (v našom príklade 720 Wh / 12 V = 60 Ah).
Olovené akumulátory
V nabitom stave anóda (záporná elektróda) takejto batérie pozostáva z olova a katóda (kladná elektróda) pozostáva z oxidu olovnatého PbO2. Obe elektródy sú vyrobené porézne, takže plocha ich kontaktu s elektrolytom je čo najväčšia. Konštrukcia elektród závisí od účelu a kapacity batérie a môže byť veľmi rôznorodá.
Chemické reakcie počas nabíjania a vybíjania batérie sú znázornené vzorcom
РbO2 + Рb + 2Н2SO4<—>2РbSO4 + Н2О
Na nabitie batérie je teoreticky potrebná špecifická energia 167 W/kg. Rovnaké číslo teda vyjadruje jeho teoretickú hranicu špecifickej skladovacej kapacity. Skutočná akumulačná kapacita je však oveľa menšia, takže pri vybití batéria zvyčajne produkuje elektrickú energiu približne 30 W/kg. Faktory spôsobujúce pokles skladovacej kapacity sú jasne uvedené na obr. 1. Účinnosť batérie (pomer energie prijatej pri vybíjaní k energii spotrebovanej pri nabíjaní) sa zvyčajne pohybuje v rozmedzí 70 % až 80 %.
Obr.1. Teoretická a skutočná merná akumulačná kapacita oloveného akumulátora
Rôznymi špeciálnymi opatreniami (zvýšenie koncentrácie kyseliny na 39 %, použitie plastových konštrukčných dielov a medených spojovacích dielov a pod.) sa v poslednom čase podarilo zvýšiť mernú akumulačnú kapacitu na 40 Wh/kg a ešte o niečo viac.
Z vyššie uvedených údajov vyplýva, že špecifická akumulačná kapacita olovenej batérie (a tiež, ako sa ukáže neskôr, iných typov batérií) je výrazne nižšia ako u primárnych galvanických článkov. Táto nevýhoda je však zvyčajne kompenzovaná
- možnosť viacnásobného nabíjania a v dôsledku toho približne desaťnásobné zníženie nákladov na elektrinu získanú z batérie,
- schopnosť skladať batérie s veľmi vysokou energetickou náročnosťou (v prípade potreby napr. až 100 MWh).
Každý cyklus nabíjania a vybíjania je sprevádzaný niektorými ireverzibilnými procesmi na elektródach, vrátane pomalého hromadenia neredukovateľného síranu olovnatého v hmote elektród. Z tohto dôvodu po určitom počte (zvyčajne približne 1000) cyklov batéria stráca schopnosť normálneho nabíjania. To sa môže stať aj vtedy, ak sa batéria dlhší čas nepoužíva, pretože proces elektrochemického vybíjania (pomalé samovybíjanie) prebieha v batérii aj vtedy, keď nie je pripojená k externému elektrickému obvodu. Olovená batéria zvyčajne stráca 0,5 % až 1 % svojej kapacity za deň v dôsledku samovybíjania. Na kompenzáciu tohto procesu používajú elektroinštalácie neustále dobíjanie pri pomerne stabilnom napätí (v závislosti od typu batérie pri napätí od 2,15 V do 2,20 V).
Ďalším nezvratným procesom je elektrolýza vody („varenie“ batérie), ku ktorej dochádza na konci procesu nabíjania. Stratu vody je možné jednoducho kompenzovať dolievaním, ale uvoľnený vodík spolu so vzduchom môže viesť k vytvoreniu výbušnej zmesi v batériovom priestore alebo priestore. Aby sa predišlo riziku výbuchu, musí byť zabezpečené primerané a primerané vetranie.
Iné typy batérií
V posledných 20 rokoch sa objavili hermeticky uzavreté olovené batérie, ktoré používajú skôr rôsolovitý elektrolyt ako tekutý. Takéto batérie je možné inštalovať v ľubovoľnej polohe a navyše vzhľadom na to, že pri nabíjaní nevyžarujú vodík, môžu byť umiestnené v akejkoľvek miestnosti.
Okrem olovených batérií sa vyrába viac ako 50 druhov batérií, založených na rôznych elektrochemických systémoch. V elektrárňach sa pomerne často používajú alkalické (s elektrolytom vo forme roztoku hydroxidu draselného KOH) nikel-železné a nikel-kadmiové batérie, ktorých emf je v rozmedzí od 1,35 V do 1,45 V a špecifická akumulačná kapacita je v rozmedzí od 15 W h/kg do 45 W h/kg. Sú menej citlivé na kolísanie teploty okolia a menej náročné na prevádzkové podmienky. Majú tiež dlhú životnosť (zvyčajne od 1000 do 4000 cyklov nabitie-vybitie), ale ich napätie sa pri vybíjaní mení v širšom rozsahu ako olovené batérie a ich účinnosť je o niečo nižšia (od 50 % do 70 %).
V lítium-iónových batériách sa anóda skladá z karbidu lítia Li x C 6 obsahujúceho uhlík v nabitom stave a katóda je vyrobená z oxidu lítia a kobaltu Li 1-x CoO 2. Ako elektrolyt sa používajú tuhé lítiové soli (LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4 alebo iné) rozpustené v kvapalnom organickom rozpúšťadle (napríklad éteri). Do elektrolytu sa zvyčajne pridáva zahusťovadlo (napríklad organokremičité zlúčeniny), ktoré mu dodáva rôsolovitý vzhľad. Elektrochemické reakcie počas vybíjania a nabíjania pozostávajú z prechodu lítiových iónov z jednej elektródy na druhú a prebiehajú podľa vzorca
Li x C6 + Li 1-x CoO2<—>C6 + LiCoO2
Vonkajší tvar lítium-iónových batériových článkov môže byť plochý (podobne ako štvoruholníkové dosky) alebo valcový (s valcovanými elektródami). Vyrábajú sa aj batérie, ktoré používajú iné anódové a katódové materiály. Jednou z dôležitých oblastí vývoja je vývoj rýchlonabíjacích batérií.
Existuje mnoho ďalších typov batérií (celkovo asi 100). Napríklad v napájacích systémoch lietadiel, kde by mala byť hmotnosť zariadenia čo najmenšia, sa používajú strieborno-zinkové batérie so špecifickou akumulačnou kapacitou v priemere 100 Wh/kg. Najvyššie EMF (6,1 V) a najvyššiu špecifickú akumulačnú kapacitu (6270 Wh/kg) majú lítium-fluórové batérie, ktoré však ešte nie sú sériovo vyrábané.
Primárne galvanické články sú vhodné pre dlhodobú prevádzku a batérie je možné použiť ako na dlhodobú prevádzku, tak aj na pokrytie krátkodobej a prerušovanej záťaže. Kondenzátory a tlmivky sa používajú predovšetkým na pokrytie impulzných záťaží a na vyrovnanie výkonu pri rýchlych zmenách záťaže. Na vyrovnanie výkonu dodávaného do elektrickej siete veternými a solárnymi elektrárňami možno použiť kombinácie batérií s ultrakondenzátormi.
Rozsah použitia niektorých akumulačných zariadení z hľadiska trvania záťaže a výstupného výkonu je charakterizovaný na obr. 2.
