Автомобильный Аккумулятор изнутри

Автомобильные аккумуляторы вырабатывают электричество за счет реакции серной кислоты на свинцовых пластинах, которые тонут под жидкостью. Перед тем как вы отправитесь в магазин купити акумулятор хотелось не много рассказать, какой он изнутри, из чего состоит и по какому принципу работает.

В качестве первого электрохимического примера рассмотрим современные свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторы. Принципы их работы концептуально схожи с принципами работы большинства электрохимических устройств.

Свинцово-кислотная батарея была изобретена более 150 лет назад и значительно усовершенствована благодаря детальному пониманию ее внутренней химии.

Один электрод в основном состоит из свинца (химический символ Pb) плюс несколько других металлов, добавленных для улучшения его характеристик. Другой электрод-свинец, покрытый оксидом свинца, известным как литарж. Электролит представляет собой серную кислоту (H 2 SO 4) в воде.

Раствор серной кислоты в воде можно рассматривать как диссоциирующий на составляющие его ионы 2H + и SO 4 = .

Химия разряда на аноде растворяет некоторое количество свинца и помещает последующие положительные ионы свинца в раствор (поскольку электроны образуются в аноде и текут во внешнюю цепь).

Анод: анод изготовлен из чистого свинца. Принцип анодной реакции таков.

Ионы свинца Pb ++ заряжаются дважды, соединяются с сульфат-Ионом из серной кислоты и в основном выпадают в осадок, так как сульфат свинца лишь слабо растворим в воде:

Удаление сульфат-ионов из раствора означает, что они больше не точно соответствуют концентрации ионов водорода, и избыток ионов Н + мигрирует через электролит к катоду.

В случае свинцово-кислотного элемента реакции вблизи анода дают напряжение около 0,36 В, а вблизи катода — еще 1,69 в при общем напряжении элемента около 2,0 В. Существует также потеря напряжения на электролите, называемая Омическими потерями, которую мы проигнорировали, потому что она объясняется законом Ома. Это происходит только тогда, когда ток вытягивается из батареи.

Катод: катод в основном изготовлен из листа свинца, покрытого пастой из оксида свинца (PbO 2 ). Во время разряда катод получает электроны от внешней цепи, которые, в свою очередь, помогают преобразовать оксид свинца в его малорастворимый сульфат, большая часть которого остается на поверхности катода. В целом, это представляет собой первичные реакции:

Как катодные, так и анодные реакции удаляют ионы свинца и сульфат-ионы из электролита и тем самым истощают заряд. Аккумулятор можно заряжать несколько сотен раз, подавая обратное напряжение, превышающее 2,0 В на ячейку. В конце концов, повторное растворение и растворение сульфата свинца приводит к образованию мусора,который падает на дно клетки и смертельно сокращает ее.

Автомобильный аккумулятор имеет шесть свинцово-кислотных элементов последовательно и весит около 25 кг. Он может выдавать 200-300 а при напряжении около 12 В в течение нескольких минут. Основная причина его большого веса заключается в том, что он содержит свинец, плотность которого более чем в 11 раз превышает плотность воды. Этот факт важен для будущего использования свинцово-кислотных аккумуляторов в качестве накопителей энергии.

Как: нам нужна массовая плотность бензина, чтобы вычислить его объемную плотность накопления энергии. Это 740 кг / м3 или 0,740 кг/л.
Решите: энергетическое содержание составляет 46 500 × 25 [кДж/кг] [кг] = 1,2 × 10 6 кДж . Для объемной плотности накопления энергии 46 500 × 0,740 [кДж/кг][кг/л] = 34 400 кДж / л.
Свойство свинцово-кислотная батарея бензин масса 25 кг 25 кг энергия 3000 кДж 1,2 × 10 5 кДж массовое накопление энергии 120 кДж/кг 46 500 кДж/кг объемное накопление энергии 250 кДж/л 34 400 кДж / л Мощность 5 кВт обычно >100 кВт.

Значение элемента масса батареи 25 кг энергосодержание 3000 кДж массовое накопление энергии 120 кДж/кг объемная плотность накопления энергии 250 кДж / л Мощность 5 кВт.

В табличной форме вы можете легко увидеть проблему для полностью электрического автомобиля, который использует обычные батареи. В принципе, свинцово-кислотная батарея слишком тяжелая и имеет слишком мало запасенной энергии, чтобы конкурировать с бензином (отсюда и компромиссное решение гибридных бензиновых / электрических автомобилей).

Свинцово-кислотная батарея имеет в своем распоряжении 8-10 ватт-часов на фунт химической энергии. Другие типы высокоэнергетических батарей разрабатываются в этой стране, и американская компания Ford Motor Company утверждает, что новая батарея, которую они разработали, имеет стоимость около 150 ватт-часов на фунт энергии.

Такая батарея значительно увеличила бы расстояние, которое электромобиль мог бы преодолеть до того, как возникла бы необходимость в подзарядке батареи. Эта батарея имеет жидкие электроды из металлического натрия и серы, которые разделены твердым электролитом, состоящим в основном из оксида алюминия. Батарея работает при температуре 250 ° -300°C, и поскольку вся система герметична, доливка не требуется.

Батарея по-прежнему является лабораторным проектом, но следует отметить, что материалы, из которых изготовлена батарея, находятся в свободном доступе.
В качестве контраста по размерам был разработан ряд перезаряжаемых серебряно-кадмиевых кнопочных батарей для микроэлектроники и т. д., Самая маленькая из которых имеет емкость 250 мАч.
Закон Ома: электрический ток управляется ЭДС и ограничен электрическим сопротивлением.
7.7.3 Быстрая Перезарядка.

Теперь предположим, что ваш автомобильный аккумулятор разрядился, и теперь вы запускаете свой автомобиль с помощью соединительных кабелей и хорошей батареи. (Схема для этого обсуждается в главе 8 .) Вы ведете машину в течение нескольких минут, а затем паркуете ее, но просто для того, чтобы убедиться, что в батарее еще есть немного “сока”, вы пытаетесь снова завести машину. Это работает. Вы идете в дом. Через несколько часов вы возвращаетесь к своей машине, но она не заводится. Что пошло не так?

Во время этой пятиминутной поездки вы заряжали аккумулятор, увеличивая плотность ионов вблизи электродов, но не в объеме электролита. Когда вы запустили машину, чтобы проверить ее на «сок», вы истощили многие из этих ионов вблизи электрода.

И многочасовое ожидание давало ионам, оставшимся вблизи электрода, достаточно времени, чтобы распространиться на большую часть электролита, давая довольно равномерную и довольно низкую плотность ионов даже вблизи электродов. Таким образом, когда вам нужна была высокая плотность ионов вблизи электродов, их там не было, и аккумулятор не заводил машину.

Профиль плотности ионов для автомобильного аккумулятора, первоначально разряженного: (а) после быстрой зарядки, (Б) после быстрой зарядки и периода ожидания, чтобы плотность ионов “расслабилась” до более равномерного распределения.

На практике в электролите всегда имеется много ионов. Истинным ограничением способности свинцово-кислотного элемента обеспечивать электроэнергию является количество ионов Pb и PbO2 на электродах, контактирующих с электролитом. Химические реакции превращают их в PbSO 4 на поверхностях электродов, поэтому новые ионы Pb и PbO 2 должны диффундировать на поверхности электродов, чтобы обеспечить новый реакционноспособный материал.

Этот относительно медленный процесс ограничивает количество энергии, которое может обеспечить автомобильный аккумулятор.Зарядные устройства обеспечивают, возможно, от 2 до 6 или даже 12 ампер; этого недостаточно, чтобы завести автомобиль.

Вы должны использовать зарядное устройство, чтобы создать «заряд» на самой батарее, прежде чем вы сможете запустить автомобиль. Обратите внимание, что хороший автомобильный аккумулятор теряет почти 1% своего “заряда” в день из-за химических реакций, не вызывающих тока на электродах; именно поэтому батареи в конечном итоге разряжаются, даже когда они отключены.