Физико-химические процессы в аккумуляторных батареях

Основные особенности конструкции. В элементах АБ активная масса отрицательного и положительного электродов состоит соответственно из металла и металлического соединения, которые механически закреплены на решетке или гребенке. Она выполнена обычно из того же металла, что отрицательный электрод. Между собой разнополярные электроды разобщены с помощью неметаллического (пластмассового, полимерного) сепаратора. Все аккумуляторные элементы расположены в пластмассовом корпусе и залиты раствором кислотного или щелочного электролита. Элементы имеют внешние разнополяр­ные электрические выводы и соединяются между собой, как правило, по схеме последовательного включения. Корпус АБ обычно снабжен вентиляционным устройством для выхода испаряющихся (газообразных) продуктов реакции. Типичная конструкция АБ показана на рис. 1.3.

Известны также герметичные конструкции АЕ с малым количеством электролита, полностью адсорбированного в порах электродов. В этих АБ не требуются вентиляционные приспо­собления.

5 10 4 11 6

Рис. 1.3. Устройство свинцово-кислотной АБ: 1- сепаратор; 2 и 3 - блоки положительных и отрицательных пластин электродов; 4 - соединительная шина; 5 и 6 - положительный и отрицательный выводы; 7 -предохра­нительный щиток; 8 - собирательный мостик (баретка); 9 -опорный выступ; 10 - крышка секции; 11 - пробка заливного отверстия; 12 -моноблок (эбонитовый корпус с электро­литом)

Электрохимические процессы. Принцип работы аккумулятор­ного элемента состоит в электрохимическом взаимодействии двух активных веществ (электродов), помещенных в электролит, при подключении внешнего электрического сопротивления (цепи нагрузки) к разнополярным электродам. Электролит участвует в токообразующей реакции и служит средой для перемещения положительных и отрицательных ионов, замыкающих цепь тока на внутреннем участке аккумулятора.

Электрохимические процессы обратимы. При разряде AБ на сопротивление нагрузки в аккумуляторных элементах проис­ходит токообразующая электрохимическая реакция, которая сопровождается расходом (преобразованием) активных веществ электродов. Процесс заряда АБ при подключении ее к вне­шнему источнику электроэнергии сопровождается восстановлением химического состава активных веществ электродов в результате протекания электрического тока в направлении, обратном току разряда.

При разомкнутой внешней цепи обмен электрическими зарядами между электродами не происходит. Вблизи поверхнос­ти электродов (на границе раздела «твердый электрод - жидкий электролит») идут промежуточные реакции окисления и восста­новления химических веществ с отдачей электронов и образова­нием ионов. Недостаток электронов на одном электроде приводит к появлению на нем положительного заряда, избыток электронов на другом электроде обусловливает его отрицатель­ный заряд. Образуется разность электрических потенциалов, которая при разомкнутой цепи нагрузки равна ЭДС АБ.

Далее кратко рассмотрим работу основных типов кислотных и щелочных АБ, опуская промежуточные химические реакции.

Схема устройства свинцово-кислотного элемента АБ представлена на рис. 1.16. Положительный электрод изготовлен из двуокиси свинца PbO₂, отрицательный электрод-- из губчатого свинца РЬ. Электролитом служит водный раствор серной кислоты H₂SO₄. Стехиометрическое уравнение результирующей реакции в этой АБ имеет вид

причем при заряде эта реакция идет справа налево, а при разряде слева на право.

В качестве примера щелочной АБ рассмотрим никель-кадмиевый элемент, схема устройства которого приведена на рис. 1.17. Положительный электрод в этой АБ выполнен из гидрооксида никеля (гидрата закиси никеля NiOOH), упакованного в ламелях из мелкоперфорированных стальных лент. Для повышения электропроводности активной массы электрода в нее добавляют особо чистый графит. Активная масса отрицательного электрода содержит губчатый кадмий Cd (в заряженном состоянии аккумулятора) или гидрооксид кадмия Cd(OH)₂ (в разряженном состоянии). Для предотвращения слипания частиц Cd в плотную массу вводят в электрод небольшое количество добавки из оксида железа. В качестве щелочного электролита используют водный раствор гидроокиси калия КОН.

Стехиометрическое уравнение итоговой зарядно-разрядной реакции в ни­кель-кадмиевой АБ имеет вид

Cd + 2NiOOH + 2H₂О ↔ 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂,

причем вправо стрелка указывает направление реакции разряда, а влево - заряда.