Принцип работы свинцового кислотного аккумулятора основан на протекании в электролите токообразующей электрохимической реакции между положительными и отрицательными электродами, разделенными друг от друга для исключения короткого замыкания сепараторами.

При этом [1, 2, 3], сепараторы обеспечивают необходимый для протекания токообразующей реакции запас электролита, условия его диффузии и конвекции в межэлектродном пространстве, фиксируют зазор между электродами и исключают вероятность их сдвига при тряске и вибрации, препятствуют разбуханию отрицательных электродов и оплыванию активной массы положительных электродов. Для этого на сторонах сепараторов, обращенных к положительным электродам, выполнены вертикальные ребра, высота которых, как правило, превышает половину толщины электрода, а на сторонах, обращенных к отрицательным электродам, могут выполняться ребра высотой 0,2 –0,3 мм.

Экспериментально, на примере аккумуляторов 6МТС-9, 3МТС-18,      6СТ-50, установлено, что объем электролита, сосредоточенный в порах электродов, сепараторов и междуэлектродном пространстве, для разных типов аккумуляторов составляет от 45 до 55% от общего объема электролита аккумулятора и согласно выполненным расчетам обеспечивает лишь 55 – 60% отдаваемой аккумулятором емкости. В связи с этим, для обеспечения номинальной емкости аккумулятора в процессе разряда обязательным является использование свободного электролита 1, расположенного в моноблоке аккумулятора сверху – над электродами, и 2, расположенного в пространстве между вертикальными ребрами электродов 4 и боковыми стенками моноблока 3 (рисунок 1).

а                                                                                                              б

а – схема аккумуляторной батареи традиционной конструкции; б – схема аккумуляторной батареи с сепараторами-конвертами; 1 – свободный электролит, расположенный в моноблоке аккумулятора сверху – над электродами; 2 – свободный электролит, расположенный в пространстве между вертикальными ребрами электродов и боковыми стенками моноблока; 3 – боковые стенки моноблока аккумулятора; 4 – блоки электродов аккумулятора

Рисунок 1 – Распределение электролита в объеме моноблока аккумулятора

В свинцовых кислотных аккумуляторах, имеющих сепараторы с вертикальными ребрами, плотность электролита в приэлектродном слое между поверхностью электродов и поверхностью сепараторов по высоте распределяется неравномерно. Это обусловлено ухудшением условий диффузии свежего электролита при разряде аккумулятора из верхнего – надэлектродного слоя и объема между вертикальными ребрами электродов и боковыми стенками моноблока [4]. При таком устройстве сепараторов диффузия свежего электролита к поверхности электродов в большей степени осуществляется из верхнего слоя, ограничивая его доступ из объема между вертикальными ребрами электродов и боковыми стенками моноблока, что приводит к снижению плотности электролита в междуэлектродном пространстве по отношению к плотности свободного электролита верхнего слоя.

Ухудшение условий диффузии электролита снижает электрические характеристики аккумуляторов. Например, снижается величина и время сохранения заданных параметров отдаваемого тока I_р, А, в режиме форсированного (I_р равен или больше 3С_ном) и короткого (I_р равен или меньше С_ном) разрядов [5], а также происходит деформация электродов при разряде аккумулятора из-за их неравномерного нагружения, в результате коррозии неравномерно разрушаются решетки положительных электродов (рисунок 2) [6].

При этом понижение температуры окружающего воздуха до отрицательных значений приводит к большему снижение величины отдаваемого под нагрузкой тока.

  а                                                                              б

а – блок электродов аккумуляторов батареи 6СТ-55 «VARTA»; б – схема разрушения положительных электродов свинцовых аккумуляторов: h − высота аккумуляторного электрода; А − участок, на котором токоотвод не имеет разрушений; В − участок местных разрушений токоотвода; С – участок сплошного разрушения токоотвода

Рисунок 2 – Характер разрушения электродов свинцового аккумулятора

Выполненные исследования показали, что улучшить условия протекания диффузионных процессов электролита в процессе работы аккумулятора, обусловленных различием плотности электролита в межэлектродном пространстве и объемах свободного электролита, можно в случае изменения устройства сепараторов, в частности изменением расположения ребер на их поверхности.

В исследовательских целях были изготовлены и испытаны сепараторы, у которых ребра располагались вертикально, наклонно (с углом наклона 45^о и 20^о) и горизонтально (рисунок 3).

          а                                         б                                             в                                           г

а – сепаратор, ребра которого расположены наклонно; б – сепаратор, ребра которого расположены горизонтально; в – сепаратор, ребра которого расположены вертикально; г – емкость для испытания сепараторов

Рисунок 3 – Образцы испытуемых сепараторов

Методика исследований заключалась в следующем.

Образец испытуемого сепаратора помещался в емкость (рисунок 3, г), одна из стенок которой была выполнена прозрачной (из органического стекла), таким образом, чтобы ребра сепаратора плотно прижимались к прозрачной стенке. После этого в емкость заливался электролит низкой плотности (ρ = 1,05 – 1,10 г/см³) до уровня, превышающего верхнюю грань сепаратора на3 мм.

Затем брался электролит повышенной плотности (ρ = 1,20 – 1,27 г/см³), в котором предварительно, для придания окраски, растворялся марганцовокислый калий (KMnO₄), и дополнительно заливался в емкость с установленным сепаратором до уровня, превышающего верхнюю грань сепаратора на3 см.

С момента заливки электролита повышенной плотности в емкость весь процесс диффузии электролита из верхнего – надэлектродного слоя и пространства между вертикальными гранями сепаратора и боковыми стенками емкости в пространство между сепаратором и прозрачной стенкой емкости регистрировался на видеокамеру (рисунок 4).

Эффективность протекания диффузионных процессов при разном исполнении ребер сепараторов оценивалась по времени полного заполнения электролитом повышенной плотности пространства между сепаратором и прозрачной стенкой емкости и равномерности его заполнения.

Испытания проводились в двух температурных режимах – при температуре электролита 20^оС и температуре электролита минус 12^оС.

а                                                        б                                                           в

а – диффузия электролита при вертикальном расположении ребер сепаратора;
б – диффузия электролита при наклонном расположении ребер сепаратора;
в – диффузия электролита при горизонтальном расположении ребер сепаратора

Рисунок 4 – Фотографии режимов испытаний образцов сепараторов

Установлено, что при вертикальном расположении ребер сепаратора процесс диффузии электролита повышенной плотности в пространство между сепаратором и прозрачной стенкой емкости осуществляется в основном из верхнего – надэлектродного слоя электролита. При этом не обеспечивается равномерность его поступления ко всей поверхности сепаратора, особенно по высоте (рисунок 4, а).

При наклонном расположении ребер сепаратора процесс диффузии электролита повышенной плотности в пространство между сепаратором и прозрачной стенкой емкости осуществляется одновременно как из верхнего – надэлектродного слоя, так и из пространства между вертикальными гранями сепаратора и боковыми стенками емкости. При этом обеспечивается равномерность его поступления ко всей поверхности сепаратора (рисунок 4, б).

Вместе с тем установлено (рисунок 5), что на скорость диффузии свежего электролита в приэлектродное пространство существенно влияет величина угла наклона ребер сепараторов. Так установлено, что при величине угла 45 градусов (образец №1) при прочих равных условиях скорость диффузии электролита наибольшая. Однако величину угла наклона ребер сепаратора следует выбирать с учетом расстояния между ребрами и размера сепаратора.

При горизонтальном расположении ребер сепаратора процесс диффузии электролита повышенной плотности в пространство между сепаратором и прозрачной стенкой емкости осуществляется только из пространства между вертикальными гранями сепаратора и боковыми стенками емкости. При этом также обеспечивается достаточно высокая равномерность его поступления ко всей поверхности сепаратора рисунок (4, в).

образец 1 – сепаратор с наклонными ребрами (угол наклона ребер 45^о); образец 2 – сепаратор с вертикальными ребрами; образец 3 – сепаратор с наклонными ребрами (угол наклона ребер 20^о); образец 4 – сепаратор с горизонтальными ребрами

Рисунок 5 – Зависимость скорости диффузии электролита от устройства сепараторов

Следует отметить, что для обеспечения надежной диффузии свежего электролита к участкам поверхности электродов, расположенным ближе к вертикальной осевой линии электрода, ребра, расположенные на правой половине сепаратора смещены вдоль осевой линии относительно ребер его левой половины, что обеспечивает равномерность работы активной массы всей поверхности электрода при разряде. При этом смещение ребер правой половины сепаратора относительно ребер его левой половины на величину, равную половине расстояния между ребрами вдоль осевой линии сепаратора, способствует снижению сопротивления диффузии свежего электролита.

Таким образом, результаты исследования показали, что при оснащении аккумуляторов свинцовых стартерных батарей сепараторами с наклонными ребрами за счет улучшения диффузии электролита в приэлектродное пространство можно ожидать улучшения ряда электрических характеристик. Например, величины и продолжительности отдаваемого тока в режиме короткого и форсированного (стартерного) режима разряда, характерного для работы батарей при электростартерном пуске двигателя, а также повышения резервной емкости.

Результаты выполненных экспериментальных исследований позволили предложить конструкцию свинцового аккумулятора [7] с улучшенными электрическими характеристиками (рисунок 6).

а                                                                                                 б

а – схема свинцового аккумулятора; б – схема сепаратора; 1 – блок отрицательных электродов; 2 – блок положительных электродов;
3 – электролит; 4 – сепаратор; 5 – моноблок; 6, 7 – объемы свободного электролита; 8, 9 – ребра сепаратора

Рисунок 6 – Схема свинцового аккумулятора с улучшенными электрическими характеристиками

Свинцовый аккумулятор (рисунок 6, а) состоит из блока отрицательных электродов 1 и блока положительных электродов 2, которые разделены между собой сепараторами 4 и помещены в моноблок 5 с электролитом 3.

На поверхности сепараторов 4 на сторонах, обращенных к положительным электродам, наклонно – под острым углом α к его вертикальной осевой линии (рисунок 6, б) выполнены ребра 8 и 9, которые расположены симметрично на левой и правой половине поверхности сепаратора со смещением относительно друг друга вдоль осевой линии.

Предлагаемое устройство сепараторов (рисунок 6, б) обеспечивать равномерный доступ свежего электролита к активной массе по всей поверхности положительных электродов как из верхнего надэлектродного слоя 3 электролита, так и из боковых объемов 6 моноблока 5 (рисунок 6, а), в результате чего улучшаются электрические характеристики свинцового стартерного аккумулятора.

1. Акимов, С. В. Электрооборудование автомобилей [Текст]: учебник для автодор. вузов / С.В. Акимов, Ю.П. Чижков. – М. : ЗАО «КЖИ «За рулем», 2003. – 384 с.
2. Курзуков, Н. И. Стртерный аккумулятор на автомобиле [Текст] /          Н. И. Курзуков. – Nikkel Ltd, 2009. – 96 с.
3. Русин, А. И. Свинцовые аккумуляторы [Текст] : справочное пособие / А.И. Русин, Л.Д. Хегай. – Санкт-Петербург, 2009. – 215 с.
4. Гумелёв В.Ю., Кочуров А.А. Характер разрушения положительных электродов свинцовых аккумуляторов // Исследования в области естественных наук. 2013. № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://science.snauka.ru/2013/03/4181 (дата обращения: 31.07.2014).
5. Варыпаев, В. Н. Химические источники тока [Текст]: уч. пособие /      В.Н. Варыпаев, М.А. Дасоян, В.А. Никольский; под ред. В. Н. Варыпаева. –    М. : Высш. школа., 1990. – 240 с.
6. Кочуров, А. А. Теоретические основы решения проблемы увеличения сроков службы аккумуляторных батарей при хранении и повышения эффективности способов их восстановления [Текст] / А.А. Кочуров,             Н.П. Шевченко, В.Ю. Гумелев. – Рязань : РВАИ, 2009. – 249 с.
7. Пат. 128400 Российская Федерация, МПК Н01М 10/12. Свинцовый аккумулятор [Текст] / А. А. Кочуров; заявл. 15.01.13; опубл. 20.05.2013, бюл. №14.

Все статьи автора «Гумелёв Василий Юрьевич»