Химические источники тока. Свинцовые (кислотные) аккумуляторы

Министерство образования  и науки РФ

Уфимский государственный  авиационный технический университет

Кафедра общей химии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контролируемая  самостоятельная работа студента по химии

на тему:

«Химические источники тока.

Свинцовые (кислотные) аккумуляторы»

 

 

 

 

                                      

 

                                                                                           Выполнил:

                                                                                                 студент 1 курса

                                                                                               факультета АП

                                                                                                     группы ЭСиС-117

                                                                                             Соколов К.В.

                                                                                            Проверила:

                                                                                        Кутнякова      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уфа – 2008

Содержание:

 

1. Химические источники тока  (общее понятие)                                              3
2. Свинцовые  (кислотные)  аккумуляторы.                                                      6
1. . История создания.                                                                                      6
2. . Электрохимические и другие физико-химические процессы.            7

            а) Токообразующие  реакции                                                              7

      б) Особенности  разряда и заряда                                                              9

2.3.   Конструкция   и   технология   свинцовых   аккумуляторов              11

        а) Конструкция электродов                                                                    11

        б) Конструкция аккумуляторов                                                             13

2.4. Характеристики                                                                                       14

      а) Общие  разрядные   и   зарядные   характеристики                           14

2.5. Дальнейшее совершенствование свинцовых аккумуляторов              17

3. Pb – металл, входящий в состав электрода ХИТ                                          21

Список литературы                                                                                              27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Химические  источники тока (общее понятие).

 

Химические источники  тока (ХИТ) – это устройства, вырабатывающие электрическую энергию за счёт прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительных реакций.

Первые ХИТ были созданы в XIX в. (Вольтов столб, 1800г.; элемент Даниела — Якоби, 1836г.; Лекланше элемент, 1865г., и др.). До 60-х гг. XIX в. ХИТ были единственными источниками электроэнергии для питания электрических приборов и для лабораторных исследований.

Основу ХИТ составляют два электрода (один — содержащий окислитель, другой — восстановитель), контактирующие с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила (ЭДС), соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие ХИТ основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на отрицательном электроде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи (создавая разрядный ток) к положительному электроду, где участвуют в реакции восстановления окислителя.

В зависимости от эксплуатационных особенностей и от электрохимической системы (совокупности реагентов и электролита) ХИТ делятся на:

- гальванические элементы (обычно называются просто элементами), которые, как правило, после израсходования реагентов (после разрядки) становятся неработоспособными, и

- аккумуляторы, в которых реагенты регенерируются при зарядке — пропускании тока от внешнего источника.

Такое деление условно, так как некоторые элементы могут быть частично заряжены. К важным и перспективным ХИТ относятся топливные элементы (электрохимические генераторы), способные длительно непрерывно работать за счёт постоянного подвода к электродам новых порций реагентов и отвода продуктов реакции. Конструкция резервных химических источников тока позволяет сохранять их в неактивном состоянии 10—15 лет.

С начала ХХв. производство ХИТ непрерывно расширяется в связи с развитием автомобильного транспорта, электротехники, растущим использованием радиоэлектронной и другой аппаратуры с автономным питанием. Промышленность выпускает ХИТ, в которых преимущественно используются окислители PbO2, NiOOH, MnO2 и др., восстановителями служат Pb, Cd. Zn и др. металлы, а электролитами — водные растворы щелочей, кислот или солей.

Основные характеристики ряда ХИТ приведены в таблице. Лучшие характеристики имеют разрабатываемые ХИТ на основе более активных электрохимических систем. Так, в неводных электролитах (органических растворителях, расплавах солей или твёрдых соединениях с ионной проводимостью) в качестве восстановителей можно применять щелочные металлы. Топливные элементы позволяют использовать энергоёмкие жидкие или газообразные реагенты.

Характеристики химических источников тока

Тип источника тока	Состояние разработ-ки*		Электро-химичес-ая  система	Разряд-  ное напря-  жение, В			Удельная энергия, Вт·ч/кг		Удельная мощность, Вт/кг			Другие показатели
									Номи- нальн-ая		Макси- Мальная
Гальванические элементы												Сохранность, годы
Марганцевые солевые		А	(+) MnO2  |  NH4Cl, ZnCl2 | Zn(-)	1,5-1,0			20-60	2-5		20		1-3
Марганцевые щелочные		А	(+)MnO2| KOH | Nn(-)	1,5-1,1			60-90	5		20		1-3
Ртутно-цинковые		А	(+)HgO | KOH  |  Zn	1,3-1,1			110-120	2-5		10		3-5
Литиевые неводные		Б	(+) (C) | SOCl2, LiAlCl4 | Li(-)	3,2-2,6			300-450	10-20		50		1-5
Аккумуляторы												Срок службы, циклы
Свинцовые кислотные		А	(+)PbO2 | H2SO4 | Pb(-)			2,0-1,8	25-40	4		100		300
Кадмиево- и железо-никелевые щелочные		А	(+)NiOOH | KOH | Cd, Fe(-)			1,3-1,0	25-35	4		100		2000
Серебряно-цинковые		А	(+)Ag2O AgO | KOH | Zn(-)			1,7-1,4	100-120	10-30		600		100
Никель-цинковые		Б	(+)NiOOH | KOH | Zn(-)			1,6-1,4	60	5-10		200		100-300
Никель-водородные		Б	(+)NiOOH | KOH | H2(Ni) (-)			1,3-1,1	60	10		40		1000
Цинк-воздушные		В	(+)O2(C) | KOH | Zn(-)			1,2-1,0	100	5		20		(100)
Серно-натриевые		В	(+)SnaO• 9Al2O3| Na(-)			2,0-1,8	200	50		200		(1000)
Топливные элементы												Ресурс работы, ч
Водородно-кислородные		Б	(+)O2(C,Ag) | KOH | H2(Ni)(-)		0,9-0,8		—	—		30-60		1000-5000
Гидразино-кислородные		Б	(+)O2(C,Ag) | KOH | N2H4(Ni)(-)		0,9-0,8		—	—		30-60		1000-2000

* A — серийное производство, Б  — опытное производство, В —  в стадии разработки (характеристики  ожидаемые).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Свинцовые  (кислотные)  аккумуляторы.

Свинцовый аккумулятор  является наиболее распространенным в настоящее время вторичным ХИТ. Мировое производство только одних стартерных батарей превышает 100 млн. шт. в год. Ежегодно на изготовление свинцовых аккумуляторов расходуется 2 млн. тонн свинца, т. е. более половины всего мирового производства. Широкое распространение этих аккумуляторов обусловлено их дешевизной, надежностью в работе и хорошими показателями. Они обладают высоким и стабильным напряжением, мало меняющимся с температурой и с токами нагрузки. Ресурс аккумуляторов составляет несколько сотен зарядно-разрядных циклов, а для некоторых типов превышает тысячу циклов.

На основе свинцовых аккумуляторов выпускают  стартерные (емкостью от 5 до 200 А-ч), тяговые (от 40 до 1200 А-ч) и стационарные батареи (от 40 до 5000 А-ч). Свинцовые аккумуляторы используются также для различных радиоэлектронных устройств и для аппаратуры связи.

 

2.1 История создания

Первый действующий  образец свинцового аккумулятора, созданный в 1859 г. французским исследователем Г. Планте, состоял из двух свинцовых листов, разделенных полотняным сепаратором, свернутых в спираль и вставленных в банку с серной кислотой. При первом заряде на положительном электроде электрохимически образовывался поверхностный слой двуокиси свинца. Для увеличения емкости аккумулятора проводился многократный его заряд и разряд; при этом происходило развитие поверхности электродов. Такую операцию Планте назвал формированием электродов. В 1880 г. К- Фор предложил изготавливать электроды путем намазки на свинцовые листы пасты из окислов свинца и серной кислоты. За счет этого была значительно повышена емкость электродов. В 1881 г. Э. Фолькмар предложил использовать в качестве основы пастированных пластин не листы, а свинцовую решетку; впоследствии, по патенту Дж. Селона, свинцовая решетка была заменена решеткой из более жесткого свинцово-сурьмяного сплава.

В 80-х годах XIX в. в промышленно  развитых странах уже было налажено серийное производство свинцовых аккумуляторов. Этому способствовало распространение электрических генераторов, вырабатывающих электроэнергию для заряда аккумуляторов (до этого аккумуляторы заряжались от батарей первичных элементов). В первой половине XX в. технология изготовления свинцовых аккумуляторов была усовершенствована, что привело к улучшению их характеристик. Начиная с 1920 г. в отрицательных электродах стали применяться расширители, что способствовало резкому повышению ресурса.

В 70-е годы были созданы  новые варианты аккумуляторов, не требующих ухода при эксплуатации, а также герметизированные аккумуляторы.

 

2.2 Электрохимические  и другие физико-химические процессы 

а) Токообразующие  реакции

Заряженный отрицательный  электрод свинцового аккумулятора содержит губчатый свинец, положительный — двуокись свинца РbО2; электролитом служит раствор серной кислоты. Токообразующие реакции описываются уравнениями:

(при используемых  концентрациях серная кислота  диссоциирует практически только на ионы Нˉ и HSO7ˉ)

Таким образом, при разряде аккумулятора расходуется серная кислота, а на обоих электродах образуется малорастворимый сульфат свинца. Представления о таком механизме реакции были высказаны еще в 1883 г. Дж. Гладстоном и А. Трайбом в их теории «двойной сульфатации».

Напряжение разомкнутой цепи (в вольтах) свинцового аккумулятора совпадает с термодинамическим значением ЭДС и равно при 25 °С:

 

(с точностью ±0,002 В), где aH2SO4 — активность серной кислоты и aH2O — активность воды.

Зависимости активностей серной кислоты и воды, а также значений ЭДС от концентрации   серной   кислоты   приведены в табл. 9.1. В данной главе будут использованы массовые доли (проценты) g — количество серной кислоты (в граммах) в 100 г раствора. Часто концентрацию раствора серной кислоты определяют путем измерения его плотности.

Таблица   9.1

Активность  серной кислоты и воды и термодинамические  значения ЭДС свинцового аккумулятора в растворах серной кислоты разной концентрации (при 25 °С)

 

Плотность раствора. т/м3	Концентрация		Активность		ЭДС ЕТ, В
	массовая доля g, %	молярная с. моль/л	серной кислоты  aH2SO4	воды aH2O
1,050	8	0,86	0,0069	0,96	1,922
1,078	12	1,32	0,021	0,94	1,951
1,106	16	1,81	0,060	0,91	1,979
1,136	20	2,32	0,159	0,88	2,005
1,167	24	2,86	0,424	0,84	2,031
1,200	28	3,43	1,14	0,78	2,059
1,231	32	4,03	3,28	0,72	2,088
1,264	36	4,66	10,8	0,65	2,121
1,300	40	5,31	34,6	0,57	2,154
1,334	44	6,00	118	0,48	2.190