УДК 539.211

СОПРОТИВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА

Гумелёв Василий Юрьевич
Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище (военный инсти-тут) имени генерала армии В.Ф. Маргелова
канд. техн. наук

Аннотация
Рассмотрены результаты экспериментального исследования изменения сопротивления конструкционных элементов положительного электрода аккумулятора свинцовой стартерной батареи при ее хранении с залитым электролитом.

Ключевые слова: активная масса, положительный токоотвод, решетка токоотвода, свинцовый аккумулятор, сопротивление, электрод


RESISTANCE OF STRUCTURAL ELEMENTS THE POSITIVE ELECTRODE

Gumelev Vasiliy Yuryevich
Ryazan high airborne command school (the military institute) name of the General of the army V. Margelov
candidate of technical Sciences

Abstract
Considered the results of the experimental study of the change in resistance of structural elements of the positive electrode accumulator of lead starter batteries during storage filled with electrolyte.

Keywords: active mass, electrode, grille arrestor, lead-acid accumulator, resistance, the positive lead arrestor


Рубрика: Физика

Библиографическая ссылка на статью:
Гумелёв В.Ю. Сопротивления конструкционных элементов положительного электрода // Исследования в области естественных наук. 2013. № 9 [Электронный ресурс]. URL: http://science.snauka.ru/2013/09/5705 (дата обращения: 29.04.2017).

В работе представлены результаты исследования изменения сопротивления конструкционных элементов положительного электрода аккумуляторов свинцовой стартерной батареи.

В рабочем режиме электрода контакт по его поверхности (главным образом по поверхности активной массы) осуществляется с помощью электролита. Из-за пористой структуры активной массы фактически ее рабочей поверхностью являются как геометрическая поверхность электрода, так и часть объема активной массы (истинная поверхность).

Измерения сопротивлений конструкционных элементов электродов проводились для подконтрольной группы аккумуляторов. Перед непосредственным извлечением электродов аккумуляторы стартерных свинцовых батарей 6СТ-75заряжались зарядным током IЗАР = 7,5 А, кроме случая (группа №6 а) оговоренного в таблице 1.

Измерения выполнялись с помощью электрического цифрового моста Щ306-1, позволяющего измерять сопротивления в пределах от 10-4 до 106 Ом, что вполне удовлетворяет требованиям эксперимента. Для исключения влияния сопротивления, площади и ЭДС измерительного контакта на результаты экспериментальных исследований применялись методы многократных ( m=5) и относительных измерений.

Влияние ЭДС, образующейся при наличии в области контакта остатков свободного электролита, учитывалось измерениями сопротивления сухих электродов и электродов с остатками электролита (влажных).

Как показали исследования, при приложении медных контактов измерительного моста к активной массе происходит рост сопротивления со временем (в течение секунд) из-за образования ЭДС и запорного слоя вследствие протекания измерительного тока.

Т а б л и ц а 1 – Результаты измерений сопротивлений структурных элементов аккумуляторных электродов


группы хранения

Заданное допустимое снижение плотности электролита, DrК,

г/см3

Сопротивление по поверхности поло-жительной активной массы (при сухом контакте) RPAM/+, Ом

Сопротивление при механическом удалении поверхностного слоя активной массы (при сухом контакте)

RAMO+, Ом

Сопротивление положительного токоотвода при механическом

удалении поверхностного слоя (при сухом контакте) RT+, 10-4 Ом

Сопротивление по поверхности положительной активной массы через электролит с r=1,26, г/см3 (жидкий контакт) RPAM/(+), Ом

1 (при

заряде от штатного устройства для подзаряда малыми токами)

0

0,92

0,45

88

1,2

1а (при заряде от устройства для компенсации саморазряда – пат. № 2006133)

0

0,81

0,46

89

1,1

2

0,02

1,1

0,49

88

1,4

3

0,04

1,6

0,53

89

2,0

4

0,06

1,9

0,41

88

2,2

5

0,08

2,6

0,57

81

3,8

6

0,10

2,7

0,62

102

4,2


(аккумуляторы разряжены)

0,10

4,6

0,71

88

7,7

Измерения при одинаковом времени выдержки позволяют измерять сопротивления с разбросом в пределах 20 % (рисунок 1).

Площадь контакта определяется конфигурацией контактных наконечников и усилием прижима. Таким образом, наибольшее влияние на погрешность измерений оказывают аппаратурные факторы, учтённые при проведении эксперимента: усилие прижима, подготовка измерительного контакта, площадь прижима, определяемая состоянием участка измеряемой поверхности.

Подбор усилия прижима показывает, что, в соответствии с рисунком 1, повторяемость результатов находится в пределах от 10 до 20 %, не более. Установленная погрешность измерения значительно меньше величины изменений сопротивления электродов в зависимости от условий эксплуатации, в частности, от срока и режима хранения аккумулятора, и не влияет на достоверность полученных результатов.


1 – минимальная величина сопротивления при i-ом замере; 2 – максимальная величина сопротивления при j-ом замере

Рисунок 1 – Изменение величины измеряемого сопротивления активной

массы положительного электрода по времени

Надо заметить, что измерения сопротивлений конструкционных элементов положительного электрода представляют существенные методические и экспериментальные сложности.

Измерения проводились для каждого элемента положительного электрода: токоотвода, активной массы и их поверхностных слоев. Токоотводы исследовались путем механической очистки их поверхности до металла и измерения сопротивления при размещении контактов электрического цифрового моста Щ306-1, показанном в соответствии с рисунком 2.


1 – токоотвод; 2 и 3-места размещения контактов при измерении сопротивления; 2 – геометрический центр токоотвода

Рисунок 2 – Размещение контактов при измерении сопротивления токоотводов положительных электродов

Измерения сопротивления активной массы проводились с размещением контактов в пределах одной ячейки активной массы в соответствии с рисунком 3 и с размещением контактов в разных ячейках.


1 – токоотвод; 2 – активная масса; 3 – места размещения контактов

Рисунок 3 – Размещение контактов при измерении сопротивления

по поверхности активной массы

За ячейку активной массы электрода считаем её часть, ограниченную вертикальными и горизонтальными жилками токоотвода. Значение сопротивления активной массы зависит от подготовки площадки для контакта. Для измерения объёмного сопротивления активной массы ее поверхностный слой удаляется механическим способом.

Приложением контактов к объему активной массы и к очищенной от окислов поверхности токоотвода в соответствии с рисунком 4 измерялось сопротивление переходного слоя «активная масса – токоотвод». Так как замена электролита при измерениях по контакту каким-либо способом на данном этапе работы не представляется возможным, то изменения сопротивлений конструкционных элементов положительных электродов отражают только феноменологические зависимости, в которых проявляется влияние физических процессов на сопротивление положительного электрода аккумулятора.


1 - токоотвод; 2 - активная масса; 3 - места размещения контактов; 4 - зачищенная поверхность токоотвода

Рисунок 4 – Размещение контактов при измерении сопротивления

переходного слоя между активной массой и токоотводом

В ходе исследования были проведены измерения сопротивлений конструкционных элементов положительных электродов аккумуляторов, хранившихся с залитым электролитом при различных режимах. Результаты измерений для подконтрольной группы аккумуляторов сведены в таблицу 1.

При всех исследуемых режимах хранения величина объёмного сопротивления токоотводов находится в пределах 9×10-3 Ом и меньше на несколько порядков сопротивления других конструкционных элементов положительного электрода. Только при полном разрушении решётки электрода объёмное сопротивление токоотвода становится равным объёмному сопротивлению активной массы. Значит, объёмное сопротивление токоотводов незначительно влияет на ухудшение характеристик аккумулятора.

Объёмное сопротивление активной массы положительного электрода для аккумуляторов подконтрольной группы (таблица 1) R+AMO, измеренное при сухом контакте, составляет в среднем от 0,4 до 0,7 Ом. Измеренное по поверхностному слою активной массы сопротивление (при сухом контакте) R+/PAM составляет от 0,82 до 4,6 Ом (таблица 1).

Наибольший интерес представляло сопротивление переходного слоя между активной массой и токоотводом, так как именно на этом участке протекает процесс коррозии положительного токоотвода.

Приложение контактов к объему активной массы и к очищенной от окислов поверхности токоотвода показало, что данное сопротивление не превышает объёмного сопротивления активной массы при всех подконтрольных режимах хранения аккумуляторов. Приложение контактов к баретке положительного полублока электродов и к объему активной массы в различных ячейках положительного электрода существенных изменений в величинах измеряемого сопротивления не показало. Это значит, что сопротивление переходного слоя «токоотвод – активная масса» R+CAM значительно меньше объемного сопротивления активной массы.

Для ячейки активной массы положительного электрода предлагается эквивалентная схема замещения в соответствии с рисунком 5.

Согласно схеме величина сопротивления поверхности активной массы R+PAM, Ом, определяется как:

R+PAM=(R+/PAM – R+AMO)/2
(1)

где R+/PAM и R+AMO – измеренные величины сопротивления по поверхностному слою ячейки активной массы положительного электрода и её объёмного сопротивления, соответственно, Ом (таблица 1)


Рисунок 5 – Эквивалентная схема сопротивления ячейки активной массы положительного электрода

Величины сопротивлений поверхности ячейки активной массы R+PAM для электродов аккумуляторов подконтрольной группы, хранившихся с различной степенью заряженности, вычисленные из выражения (1) по результатам измерений (таблица 1), изменяются в пределах от 0,2 до 1,9 Ом.

Результаты измерений сопротивлений других конструкционных элементов положительных электродов аккумуляторов подконтрольной группы представлены в таблице 1.

Результаты эксперимента показывают, что чем больше срок службы аккумуляторов и меньше заданная степень заряженности, тем больше за время хранения возросла величина разности поверхностного сопротивления активной массы положительного электрода D R+PAM, Ом, вычисленная по формуле:

DR+PAM = R+2PAM - R+1PAM,

где R+2PAM и R+1PAM – средние величины сопротивления поверхностного слоя активной массы положительного электрода перед началом и по окончании эксперимента, соответственно, Ом.

Проведёнными измерениями было установлено, что средняя величина разности сопротивлений поверхностного слоя активной массы наиболее значительно возрастает в зависимости от срока службы и заданного режима хранения (от 3 до 6 раз по сравнению со средней величиной разности объемных сопротивлений активной массы положительного электрода после и перед постановкой на испытания).

Основываясь на данных таблицы 1 можно утверждать, что величина сопротивления положительного полублока свинцового аккумулятора rE+ определяется выбранной при хранении степенью заряженности, а также сроком хранения аккумулятора. Сопротивление положительных полублоков электродов подвергается наименьшему изменению (увеличению) при хранении полностью заряженных аккумуляторов. По результатам измерений у аккумуляторов групп хранения №1 (подзаряд малыми токами от штатного устройства для подзаряда малыми токами) и №1а (хранение с подзарядом от устройства для компенсации саморазряда патент №2006133 РФ) сопротивления поверхности и объема активной массы возросли на наименьшую величину.

По величинам значения сопротивлений можно записать в виде неравенства:

R+PAM > R+AMO >> R+CAM > R+T. (2)

Часть неравенства (2) R+PAM > R+AMO выполняется только для аккумуляторов, у которых процессы старения, судя по их техническому состоянию, уже имеют значительное место, а у новых аккумуляторов возможно, что и R+PAM
£ R+AMO.

Эквивалентная схема сопротивлений положительного электрода представлена согласно рисунку 6.


RST – полное (суммарное) сопротивление решетки токотвода электрода;
RPAM t-T – тангенциальная составляющая поверхностного сопротивления активной массы, действующая вдоль ее геометрической поверхности;
RPAM t -CAM – тангенциальная
составляющая поверхностного сопротивления активной массы, действующая вдоль ее истинной поверхности.

1 – протекание тока при прямом контакте поверхности активной массы с токоотводом; 2 – протекание тока при контакте поверхности с токоотводом через переходный слой

Рисунок 6 – Эквивалентная схема сопротивлений положительного электрода

Из эквивалентной схемы сопротивлений электрода (рисунок 6) и неравенства 2 с учётом порядка величины сопротивлений отдельных конструкционных элементов положительного электрода можно с достаточной достоверностью предложить для определения величины rEi+, Ом, сопротивления i-го положительного электрода следующее выражение:

rEi+ = R+PAMi + R+AMOi. (3)

Внутреннее сопротивление свинцового аккумулятора
r0,
Ом, можно представить в виде:

r0=rE+rC+rEL, (4)

где rE – сопротивление электродов аккумулятора, Ом;

rC – сопротивление пропитанных электролитом сепараторов, Ом;

rEL – суммарное сопротивление электролита верхнего слоя и придонного слоя, Ом.

Из выражений (3) и (4):

r0 = rE+ + r
, (4)

где r = rC + rE-, Ом.

rC – сопротивление аккумуляторных сепараторов, Ом;

rE- – сотротивление отрицательных электродов аккумулятора.

Расчет величины сопротивления аккумуляторных сепараторов rC, зависящей от количества сепараторов, пористости материала, из которого они изготовлены, срока службы аккумулятора, режима его разряда, плотности и температуры электролита [1, 2], представлен в работе [1].

Согласно проведённого анализа состояния вопроса [1, 2] и полученных результатов эксперимента возрастание величины r оказывает значительно меньшее влияние на суммарный рост величины внутреннего сопротивления аккумулятора (rconst), чем увеличение сопротивления положительного полублока электродов.

Выражение (4) можно преобразовать и представить в виде:

r0=r+(rE1+×rE2+×…rEn+)/(rE2+×…rEn++rE1+×rE3+×…rEn++rE1+×rE2+×…rE(n-1)+)

при n=1,2,...n,

где
rEi+ = R+PAMi + R+AMOi, Ом

n – количество электродов в положительном полублоке аккумулятора, шт.

Так как замена электролита при измерениях по контакту каким-либо способом на данном этапе работы не представляется возможным, то изменения сопротивлений конструкционных элементов положительных электродов отражают феноменологические зависимости, в которых проявляется влияние физических процессов на его сопротивление.

Наибольшую роль при работе положительного электрода свинцового аккумулятора играет объемное сопротивление активной массы, а её поверхностное сопротивление, увеличиваясь, экранирует электролит от зарядообразующих участков (каналов) активной массы, тем самым уменьшает площадь рабочей поверхности положительного электрода и, соответственно, ёмкость аккумулятора. Причиной увеличения поверхностного сопротивления активной массы является изменение её элементного состава. В результате возрастает внутреннее сопротивление аккумулятора, что было и подтверждено экспериментальными исследованиями. Увеличение поверхностного сопротивления активной массы положительного аккумуляторного электрода определяется режимом и сроком хранения аккумулятора и отражает протекание процессов старения в свинцовом аккумуляторе.

Анализ результатов исследования атомарного состава [3] и сопротивлений конструкционных элементов положительного электрода позволяют сделать следующие выводы, уточняющие физико-химические процессы старения свинцового стартерного аккумулятора:

- величина площади поверхности положительного аккумуляторного электрода, принятая при расчете сульфатированной поверхности полублока электродов, должна быть рассмотрена в сторону уменьшения;

- увеличение сопротивления поверхностного слоя положительной активной массы (макроповерхности) вследствие сульфатации маловероятно, а «зашлаковывания» пор в аккумуляторных электродах не происходит;

- примеси могут оказывать влияние на техническое состояние аккумулятора в нескольких, хотя и маловероятных вариантах. Возможно образование диэлектрических пятен на поверхности и «отключение» этих участков от участия в зарядообразовании. Микропримеси могут, окисляясь, образовывать диэлектрические пленки на границах зерен активной массы, тем самым уменьшая ее проводимость. В целом трудно объяснить увеличение сопротивления активной массы влиянием микропримесей из-за их, в основном, металлической природы и малой концентрации;

- отсутствие существенного изменения состава активной массы положительного электрода при значительном изменении сопротивления макроповерхности подтверждает, что его проводимость имеет каналовый характер (гипотеза о каналовом характере проводимости положительного электрода свинцового аккумулятора подробно рассмотрена в работе [4]), а зарядообразование и токообмен с электролитом происходят на участках активной массы, занимающих небольшую часть поверхности.
Результаты исследований атомарного состава, согласно которым в зарядообразовании участвует не более 1/5 части площади поверхности активной массы положительного электрода, и результаты теоретического исследования, согласно которых площадь поверхности положительного электрода в 5 раз [4] больше площади поверхности отрицательного, соответствуют друг другу. Это позволяет утверждать, что в пределах 80 % поверхности положительной активной массы в реакциях зарядо- и токообразования не участвует.


Библиографический список
  1. Агуф И.А. Некоторые вопросы теории пористого электрода и процессы, протекающие в свинцовом аккумуляторе//Сборник работ по химическим источникам тока/Л.: Энергия.-1968.-Вып.3.-С. 87-100.
  2. Основы электрооборудования самолетов и машин/Под ред. А.Н. Ларионова. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1955.-384 с.
  3. Гумелёв В.Ю. Атомарный состав поверхности электродов свинцовых аккумуляторов. // Ис-следования в области естественных наук. – № 7 (19) Июль 2013 [Электронный ресурс]. URL: http://science.snauka.ru/2013/07/5207
  4. Гумелев, В.Ю. Рациональный режим хранения свинцовых стартерных батарей, основанный на результатах исследования процессов старения их аккумуляторов [Текст]: дис. … канд. техн. наук : 20.02.17 : защищена 01.06.01 : утв. 20.07.01 / Гумелев Василий Юрьевич. – Рязань, 2001. – 257 с.


Все статьи автора «Гумелёв Василий Юрьевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: