Различие кислотных и щелочных аккумуляторов. Преимущества и недостатки

23.11.2017

Работа на складах, в шахтах, да и просто в замкнутых помещениях зачастую невозможна без электротранспорта, поскольку требования к качеству воздуха не позволяют применять транспортные средства на двигателях внутреннего сгорания. Составной частью любого электротранспорта, определяющей его автономность, мощность и стоимость эксплуатации, является аккумулятор как источник энергии. На рынке присутствуют несколько различных систем аккумуляторов, различающихся по номинальному напряжению аккумуляторного элемента, величине допустимого разрядного и зарядного тока, поэтому еще на этапе закупки оборудования необходимо совершить взвешенный выбор, определяющий значительные капитальные затраты. Наиболее часто стоит проблема выбора между щелочными и свинцовыми аккумуляторами, которые за десятилетия с момента их разработки уже заслужили себе репутацию надежных устройств.

Для того, чтобы определиться с преимуществами и недостатками этих систем, необходимо рассмотреть процессы, происходящие в них.

Кислотный свинцовый аккумулятор

Положительный электрод заряженного аккумулятора содержит диоксид свинца PbO2, а отрицательный – губчатый свинец. Электролитом является раствор серной кислоты. Процесс, протекающий при разряде аккумулятора, можно описать уравнением

PbO2 + Pb + 2 H2SO4 = 2 PbSO4 + 2 H2O.

При зарядке процесс протекает в обратном направлении

2 PbSO4 + 2 H2O = PbO2 + Pb + 2 H2SO4,

и в конце заряда на электродах кроме основных реакций образования активных веществ начинают протекать побочные – выделение водорода на отрицательном электроде и кислорода – на положительном. Напряжение полностью заряженного аккумулятора составляет 2,07…2,11 В.

Как видно из уравнений, описывающих химические процессы заряда/разряда, в процессе разряда концентрация кислотного электролита уменьшается, а при зарядке наоборот – увеличивается. Из этого следует, при снижении температуры электролит разряженного аккумулятора может замерзнуть, что приведет к разрушению батареи. Снижение концентрации и соответствующее увеличение сопротивления электролита при разряде приводит к уменьшению энергоэффективности аккумулятора в конце разряда. Также стоит отметить, что конечный продукт разряда обоих электродов – это неэлектропроводный сульфат свинца, а значит, при разряде на величину емкости, большую определенного значения, увеличивается вероятность отслоения кристаллов сульфата и необратимого снижения емкости аккумулятора. К увеличению размеров кристалла и их осыпанию с электродов могут приводить повышенная температура; увеличенная скорость образования, что наблюдается при превышении величины допустимого разрядного тока; перекристаллизация в результате длительного контакта сульфата свинца с раствором серной кислоты, что встречается при хранении даже частично разряженных аккумуляторов.

Щелочные аккумуляторы

Наибольшее распространение в качестве тяговых среди щелочных аккумуляторов получили никель-кадмиевые и никель-железные элементы. В обоих типах положительный электрод содержит нестехиометрический оксид-гидроксид никеля NiOOH. Отрицательный электрод содержит либо смесь кадмия с железом, либо губчатое железо. Электролитом служит раствор щелочи – гидроксид натрия или калия. Разряд аккумулятора сопровождается протеканием реакций

2 Ni(OOH) + Cd + 2 Н2О = 2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2

или

2 Ni(OOH) + Fe + 2 Н2О = 2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2.

При зарядке на электродах проходят процессы в обратном направлении. Кроме того, на положительном электроде в процессе зарядки происходит побочный процесс выделения кислорода. На отрицательном электроде побочный процесс выделения водорода начинает протекать после набирания: на железе – 50 % емкости, а на кадмии – 80 % емкости. Напряжение свежезаряженных аккумуляторов составляет 1,25…1,45 В.

Поскольку в процессах заряда/разряда электролит не расходуется, то его концентрация не изменяется, что приводит к большей морозоустойчивости щелочных аккумуляторов. Однако большее разложение воды по сравнению с кислотным аккумулятором требует реализации циклов рекомбинации с участием выделяющихся газов и регулярного долива воды. Также щелочь чрезвычайно интенсивно поглощает углекислый газ из окружающей среды, что приводит к снижению электропроводности электролита из-за карбонизации и необходимости периодической замены электролита. Кроме этого, щелочной электролит имеет меньшую электропроводность и более высокую стоимость.

Вещества, образующиеся при разряде электродов, имеют достаточно высокую проводимость, поэтому щелочные аккумуляторы менее чувствительны к превышению токов заряда/разряда и не склонны к осыпанию с электродов, в результате чего аккумуляторы имеют большой ресурс и выдерживают до 2000…3000 циклов разряд/заряд (для свинцовых кислотных тяговых аккумуляторов – порядка 1500 циклов). Такие аккумуляторы с щелочным электролитом могут переносить даже кратковременные короткие замыкания, тогда как свинцовый аккумулятор практически гарантированно выйдет из строя. Вместе с тем, гидроксид никеля имеет склонность к переходу в другие модификации, что приводит к появлению такого фактора, как «эффект памяти» – после перерывов в процессе разряда или неполного разряда емкость аккумулятора снижается, поэтому такие аккумуляторы требуют вначале полного «доразряда». Также свежеобразованный оксид-гидроксид имеет повышенную активность, поэтому в первый час после окончания процесса зарядки батарея может потерять до 10 % своей емкости.

Кроме повышенного ресурса щелочные аккумуляторы обладают большей механической прочностью. В то время как свинец является достаточно мягким и ломким материалом, а корпус свинцовых аккумуляторов из-за агрессивности серной кислоты изготавливают из полимерных материалов, что делает его хрупким и чувствительным к ударам и вибрации, в щелочных аккумуляторах электроды устанавливают в стальных рамках, а корпуса изготавливают из стальной жести.

Все вышесказанное позволяет выделить такие преимущества обоих типов аккумуляторов.

Кислотные аккумуляторы:

  • имеют более высокое номинальное напряжение;
  • характеризуются низким саморазрядом;
  • не имеют «эффекта памяти»;
  • имеют более низкую стоимость всех компонентов;
  • просты конструктивно;
  • просты в эксплуатации.

Щелочные аккумуляторы:

  • имеют более высокие удельные энергетические характеристики (из-за меньшего веса компонентов);
  • мало чувствительны к коротким замыканиям и перегрузкам по току;
  • допускают возможность хранения в разряженном состоянии;
  • имеют высокую механическую прочность и вибростойкость;
  • менее чувствительны к низким температурам.
ООО «СЛ-ЭНЕРГИЯ» © 2018