Страница 6 из 7
Для уменьшения пассивации положительного электрода депассиваторы использовать не выгодно. Для улучшения степени использования положительной активной массы увеличивают ее пористость и меняют условия разряда. Диоксид свинца существует в двух модификациях. Удельная емкость при использовании β-PbO2 в 1,5–1,8 раза выше, чем для α-PbO2. При высоких концентрациях кислоты и повышенных плотностях тока эта разница еще выше. Различия связаны с тем, что истинная поверхность порошкообразной β-PbO2 существенно выше, чем у α-PbO2, причем модификации по-разному покрываются солью. На β-модификации формируются крупные кристаллы сульфата и сплошной изолирующей пленки не образуется. Кристаллохимическое сродство между решетками α-PbO2 и сульфата свинца способствует отложению плотного тонкого слоя пассивирующей пленки. При циклировании α-PbO2 постепенно переходит в β-PbO2.
Широкое применение свинцовых аккумуляторов обусловливает необходимость рассмотрения причин возможных их неисправностей.
Коррозия решеток положительных пластин из-за неустойчивости свинца при высоких анодных потенциалах. Во время зарядов – разрядов поверхность свинцовой решетки периодически обнажается из-за объемных изменений при переходе диоксида свинца в сульфат и обратно и контактирует с кислотой. Окисление металла происходит и под действием выделяющегося на оксиде кислорода, который проникает в кристаллическую решетку PbO2 и способствует дальнейшему окислению свинца. Для предотвращения коррозии свинец легируют сурьмой, серебром, добавками мышьяка, кальция, таллия и др. Введенные компоненты изменяют структуру свинца, делают ее более мелкозернистой. Продукты коррозии полностью экранируют межкристаллитное пространство от коррозионно-активных веществ и предохраняют металл от дальнейшего разрушения. Кроме этого, добавки сурьмы, серебра и мышьяка улучшают адгезию анодно-образующихся пленок к металлу.
Оплывание положительной активной массы уменьшается при низких плотностях тока разряда, при повышении температуры и понижении концентрации H2SO4. Оплывание резко увеличивается при попадании в активную массу положительной пластины следов BaSO4. Из-за изоморфности кристаллов PbSO4 и BaSO4 при разряде PbO2 на частицах BaSO4 растут «друзы» кристаллов сульфата свинца. Кристаллы оксида свинца опадают на дно аккумулятора и не участвуют в последующем токообразующем процессе.
Оплывания положительной активной массы предотвращают разделением линий производства положительных и отрицательных пластин, плотной сборкой блока пластин, применением дополнительных сепараторов, а также введением в пасту фторопласт или синтетических волокон.
Вредная сульфатация отрицательных пластин. Сульфатация проявляется в «плавающей» емкости при разряде и преждевременном выделении газа при заряде. Отрицательные пластины покрываются сплошным твердым слоем PbSO4. Причина вредной сульфатации – поляризация пластин из-за адсорбции поверхностно-активных загрязнений при длительном хранении незаряженного аккумулятора. Ей способствуют систематические недозаряды аккумулятора и повышенный саморазряд. Восстановление пластин, покрытых плотным сульфатом, проводят длительными, многократными зарядами током малой величины в разбавленной серной кислоте.
Короткие замыкания положительных и отрицательных пластин. Предотвратить их можно применением мелкопористой сепарации, а также созданием на дне аккумуляторных емкостей шламового пространства.
Саморазряд свинцовых кислотных аккумуляторов достигает 30 % в месяц и обеспечивается самопроизвольно протекающими химическими реакциями:
Саморазряд увеличивается в присутствии добавок серебра и сурьмы, снижающих перенапряжение выделения газов на электродах. Легирование решеток пластин серебром используют при производстве стартерных аккумуляторов. Способствует саморазряду возникновения коротких замыканий, присутствие в электролите не устойчивых к восстановлению или окислению ионов, например Fe3+/Fe2+.
Помимо кислотных аккумуляторов находят применение и щелочные, которые по сравнению со свинцовыми имеют определенные преимущества и недостатки.
К щелочным аккумуляторам относятся никель-железные (НЖ) и никель-кадмиевые (НК) аккумуляторы ламельного типа [2–4]. Никель-железные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы, в которых использованы электрохимические системы ⊖ Fe | NaOH | NiOOH ⊕ и ⊖ Cd | KOH | NiOOH ⊕ по сравнению со свинцовыми кислотными аккумуляторами, имеют более низкие разрядные напряжения и КПД. Они дороже, хуже работают при низких температурах, имеют более низкие разрядные токи и большие внутренние сопротивления, которые увеличиваются к концу разряда. Долговечность и прочность конструкций, простота обслуживания ламельных щелочных аккумуляторов являются теми преимуществами, которые обусловили их производство. Щелочные аккумуляторы используют на электрокарах, тягачах, для освещения железнодорожных вагонов, запуска дизелей тепловозов, питания аппаратуры и т.п.
Никелево-железные аккумуляторы в основном выпускаются в ламельном исполнении. Активная масса в них заключена в ламе-ли – плоские стальные коробочки с перфорированными стенками. Никель-кадмиевые аккумуляторы выпускают как в ламельном, так и безламельном исполнении с электродами на пористой основе или с прессованными электродами. Выпускаются и комбинированные аккумуляторы с ламельными или металлокерамическими положительными электродами и прессованными отрицательными.
Основные реакции в никель-железных и никель-кадмиевых аккумуляторах выражаются уравнениями:
ЭДС аккумуляторов зависит от активностей воды и 2NiOOH.
Заряд НЖ и НК аккумуляторов протекает в твердой фазе с участием ионов электролита на границе раздела фаз.
Оксидно-никелевый электрод готовится из гидроксида никеля и графита. Гидроксид никеля растворяется плохо, концентрация ионов никеля в электролите мала. Заряд электрода протекает в твердой фазе. Соединения никеля, более богатые кислородом, проводят ток лучше гидроксида. При анодной поляризации ионы ОН-подходят поверхности зерен гидроксида, отнимают водород и превращаются в воду:
Образующийся при заряде NiOOH является полупроводником p-типа с дырочной проводимостью. В начале заряда NiOOH накапливается в решетке гидроксида никеля (II) и искажает ее. При накоплении кислорода в большем количестве, чем необходимо для образования NiOOH, формируется твердый раствор соединений никеля. Активный материал представляет собой нестехиометрический оксид, содержащий в решетке Ni3+, Ni4+, OH– и O2-.. Могут образовываться разные модификации NiOOH (β и γ), которые отличаются по физическим свойствам, структуре и вкладу в заряд-разрядные характеристики. При хранении γ-NiOOH имеет меньший саморазряд, но его разряд проходит при менее положительных потенциалах, чем β-NiOOH.