Принцип действия аккумуляторов

У заряженного аккумулятора активная масса положительных пластин представляет собой гидрат окиси никеля Ni(OH)₃, а отрицательных – чистое железо Fe или кадмий Gd.

При разряде (рис. 2.4, а) гидрат окиси никеля на положительных пластинах переходит в неполный гидрат окиси никеля NiOOH. При этом в электролит переходят отрицательные ионы гидроксильной группы ОН^-. На пластинах остаются положительные заряды. При соприкосновении с электролитом отрицательных пластин положительные ионы железа Fe²⁺ или кадмия Gd²⁺ переходят в раствор, оставляя на пластинах избыточные отрицательные заряды 2е^-. При этом активная масса отрицательных пластин, взаимодействуя с подходящими к ним ионами ОН^-, превращается в гидрат окиси железа Fe(OH)₂ или гидрат окиси кадмия Gd(OH)₂. В результате возникающих при этом электрических преобразований химическая энергия переходит в электрическую. Между электродами возникает ЭДС, равная примерно 1,25 В, обеспечивающая протекание тока во внешней цепи и внутри аккумулятора.

При заряде аккумулятора (рис. 4, б) под действием электрической энергии, подводимой от внешнего источника, гидрат закиси никеля Ni(OH)₂ превращается в гидрат окиси никеля Ni(OH)₃, а отрицательные ионы ОН^- переносятся с отрицательных пластин на положительные. В то же время активная масса отрицательных пластин под действием положительных ионов Fe²⁺ или Gd²⁺ восстанавливается с образованием железа или кадмия.

Рис. 2.4. Процесс разряда и заряда аккумулятора

Токообразующие электрохимические реакции при разряде и заряде никель-железного аккумулятора могут быть представлены следующим выражением:

2NiOOH + Fe + 2H₂O 2Ni(OH)₂ + Fe(OH)₂, (2.1)

а для никель-кадмиевого аккумулятора:

2NiOOH + Gd + 2H₂O 2Ni(OH)₂ + Gd(OH)₂. (2.2)

Стрелка ← соответствует режиму заряда, а → режиму разряда.

В процессе указанных реакций электролит КОН не расходуется, поэтому плотность его при работе щелочного аккумулятора почти не изменяется. Это позволяет обходиться сравнительно небольшим количеством электролита, что делает щелочной аккумулятор более компактным. Все компоненты, образующиеся в процессе заряда и разряда аккумулятора, практически не растворимы в электролите и не вступают в какие-либо побочные химические реакции.

На рис. 2.5 приведены графики изменения напряжения при заряде (зависимость 1 для никель-железного аккумулятора, зависимость 2 для никель-кадмиевого) и при разряде (зависимость 3). Графики приведены для номинальных значений зарядного тока, численно равного одной четвертой номинальной емкости, и номинального разрядного тока, равного одной пятой номинальной емкости.

При подключении аккумуляторов на заряд для достижения нормального зарядного тока необходимо установить напряжение 1,5…1,55 В. Напряжение поляризации (минимальное напряжение, при котором начинается разложение воды электролита) никель-железного аккумулятора совпадает с указанным значением, что приводит к появлению фиктивной ЭДС, приводящей к необходимости увеличивать напряжение заряда. Затем по мере накопления емкости напряжение плавно увеличивают до конечного значения 1,7…1,75 В.

Напряжение поляризации никель-кадмиевого аккумулятора выше, поэтому его заряд протекает сначала при плавном повышении напряжения, а после примерно пятидесяти процентной заряженности его необходимо увеличивать до конечного зарядного 1,75…1,8 В (зависимость 2). Отсюда следует, что никель-кадмиевые аккумуляторные батареи доливают водой реже, чем никель-железные.

Анализируя химические реакции преобразования активных масс, можно сделать вывод о том, что чем больше окислена масса положительных пластин и ближе к чистому металлу отрицательных, тем больше ЭДС аккумулятора. Разряжать аккумулятор до выравнивания химического состава масс на обоих электродах недопустимо, так как это приводит к необратимым процессам в активной массе и отказу аккумулятора. Поэтому при разряде аккумулятора нормальным током минимальное разрядное напряжение должно быть не ниже 1 В.

3. КИСЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР РzS(M)-350P