Устройство кислотно-свинцового аккумулятора

Статья обновлена: 18.08.2025

Кислотно-свинцовый аккумулятор – один из старейших и наиболее распространённых типов перезаряжаемых источников тока. Более полутора веков он обеспечивает энергией транспорт, системы связи, промышленное оборудование и резервные системы благодаря своей надёжности и низкой стоимости.

Работа устройства основана на обратимости электрохимической реакции между диоксидом свинца (PbO₂) на положительном электроде, чистым свинцом (Pb) на отрицательном электроде и водным раствором серной кислоты (H₂SO₄). Во время разряда оба электрода превращаются в сульфат свинца (PbSO₄), а при заряде – восстанавливаются в исходные вещества.

Роль положительного электрода (диоксид свинца) в реакции

Положительный электрод, изготовленный из диоксида свинца (PbO₂), играет центральную роль в электрохимических процессах кислотно-свинцового аккумулятора. Во время разряда аккумулятора он выступает в качестве катода, где происходит реакция восстановления. Именно здесь принимаются электроны, поступающие по внешней цепи от отрицательного электрода.

PbO₂ вступает в реакцию с серной кислотой (H₂SO₄) и ионами водорода (H⁺), образуя сульфат свинца (PbSO₄) и воду (H₂O). Этот процесс сопровождается выделением электронов во внешнюю цепь при заряде и их потреблением при разряде. Сохранение пористой структуры диоксида свинца критически важно для обеспечения большой площади поверхности реакции и эффективного проникновения электролита.

Ключевые аспекты функционирования положительного электрода

• При разряде (Восстановление): Диоксид свинца (PbO₂) восстанавливается, принимая электроны. Он реагирует с ионами водорода (H⁺) и сульфат-ионами (SO₄²⁻) из электролита, превращаясь в сульфат свинца (PbSO₄) и воду (H₂O). Реакция: PbO₂ + 4H⁺ + SO₄²⁻ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O.
• При заряде (Окисление): Сульфат свинца (PbSO₄) на положительном электроде окисляется под действием внешнего тока, отдавая электроны. Он превращается обратно в диоксид свинца (PbO₂), при этом в электролит выделяются ионы водорода (H⁺) и сульфат-ионы (SO₄²⁻). Реакция: PbSO₄ + 2H₂O → PbO₂ + 4H⁺ + SO₄²⁻ + 2e⁻.
• Источник ЭДС: Разность потенциалов между активными материалами положительного (PbO₂) и отрицательного (Pb) электродов является основным источником электродвижущей силы (ЭДС) аккумулятора.
• Деградация (Сульфатация): Неполный заряд или длительное пребывание в разряженном состоянии приводит к образованию крупнокристаллического сульфата свинца (PbSO₄) на электроде. Этот слой плохо проводит ток и блокирует поры, препятствуя обратимости реакции и снижая емкость.

Состояние АКБ	Роль Положительного Электрода	Процесс на Электроде	Химическое Превращение	Примечание
Разряд	Катод (Восстановление)	Прием электронов	PbO₂ → PbSO₄	Снижение степени окисления Pb (+4 → +2)
Заряд	Анод (Окисление)	Отдача электронов	PbSO₄ → PbO₂	Повышение степени окисления Pb (+2 → +4); Требует пористости

Функция отрицательного электрода (чистый свинец) при разряде

При разряде аккумулятора на отрицательном электроде из чистого свинца происходит реакция окисления. Свинец вступает во взаимодействие с сульфат-ионами из электролита, в результате чего образуется нерастворимый сульфат свинца. Этот процесс сопровождается высвобождением электронов, которые перемещаются по внешней цепи к положительному электроду, создавая электрический ток.

Химическое превращение на отрицательном электроде описывается уравнением: Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2e⁻. Образующийся сульфат свинца осаждается на поверхности электрода в виде мелкокристаллического слоя, что приводит к постепенному уменьшению активной площади и снижению напряжения. Одновременно происходит расходование серной кислоты из электролита и уменьшение его плотности.

Ключевые особенности процесса

Электрохимические изменения:

• Металлический свинец (Pb) отдает два электрона, переходя в ионное состояние
• Ионы свинца Pb²⁺ немедленно соединяются с сульфат-ионами SO₄²⁻

Физические последствия:

1. Пористая структура электрода заполняется PbSO₄, снижая проводимость
2. Увеличивается внутреннее сопротивление элемента
3. Объем активной массы возрастает на ~160%

Параметр	До разряда	После разряда
Состав электрода	Чистый губчатый Pb	PbSO₄ (белый налет)
Плотность электролита	1.26-1.28 г/см³	Снижается до 1.10-1.15 г/см³

Состав и роль электролита (водный раствор серной кислоты)

Электролит представляет собой водный раствор серной кислоты (H₂SO₄) с концентрацией 30-40% в заряженном состоянии. Плотность раствора составляет 1.26-1.28 г/см³ при +25°C, что обеспечивает оптимальную ионную проводимость. Чистота компонентов критична: примеси (железо, хлор) ускоряют саморазряд и коррозию электродов.

Раствор выполняет двойную функцию: служит источником сульфат-ионов (SO₄²⁻) для электрохимических реакций и средой для переноса ионов между электродами. Концентрация H₂SO₄ напрямую влияет на электропроводность и температуру замерзания (до -70°C для плотности 1.28 г/см³).

Функции и взаимосвязь с состоянием аккумулятора

Ключевые роли электролита в электрохимических процессах:

• Реагент в реакциях: расходуется при разряде, восстанавливается при заряде.
• Перенос заряда: ионы H⁺ движутся к катоду, SO₄²⁻ – к аноду.
• Индикатор заряженности: плотность линейно зависит от степени заряда.

Состояние АКБ	Плотность (г/см³)	Концентрация H₂SO₄
100% заряда	1.26-1.28	35-40%
50% заряда	1.20-1.22	22-25%
0% заряда (разряжен)	1.12-1.14	14-16%

Снижение плотности ниже 1.20 г/см³ провоцирует сульфатацию пластин и падение ёмкости. Контроль уровня и плотности обязателен для обслуживаемых АКБ: испарение воды повышает концентрацию кислоты, ускоряя деградацию электродов.

Реакция разряда на положительной пластине

При разряде аккумулятора на положительной пластине происходит восстановление диоксида свинца (PbO₂). Активный материал пластины вступает в реакцию с ионами водорода (H⁺) и сульфат-ионами (SO₄^2-) из электролита. В процессе потребляются электроны, поступающие от внешней цепи через отрицательную пластину.

В результате электрохимического превращения диоксид свинца преобразуется в сульфат свинца (PbSO₄). Данная реакция сопровождается выделением молекул воды в электролит. Образующийся сульфат свинца имеет низкую электропроводность и кристаллическую структуру, осаждаясь на поверхности пластины.

Химическое уравнение процесса

Суммарная реакция на положительном электроде при разряде выражается формулой:

PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- + 2e^- → PbSO₄ + 2H₂O

Ключевые особенности процесса

• Изменение состояния активного вещества: PbO₂ (коричневый) → PbSO₄ (белый)
• Плотность электролита снижается за счет образования воды и потребления серной кислоты
• Сульфатация пластины уменьшает площадь активной поверхности, ограничивая емкость

Параметр	До разряда	После разряда
Материал пластины	PbO2	PbSO4
Заряд ионов	Потребление 2e-	Нейтральное состояние
Роль в цепи	Катод (восстановление)	Электроизолятор

Реакция разряда на отрицательной пластине

Во время разряда аккумулятора на отрицательной пластине происходит окисление свинца. Металлический свинец (Pb) вступает в реакцию с серной кислотой (H₂SO₄), образуя сульфат свинца (PbSO₄). При этом атомы свинца теряют электроны, которые поступают во внешнюю электрическую цепь.

Химическая реакция описывается уравнением: Pb + H₂SO₄ → PbSO₄ + 2H⁺ + 2e⁻. Образующийся сульфат свинца осаждается на поверхности пластины в виде мелкокристаллического слоя, а ионы водорода (H⁺) переходят в электролит. Этот процесс снижает концентрацию серной кислоты в растворе.

Ключевые аспекты процесса

Компонент	Исходное состояние	Конечное состояние
Материал пластины	Губчатый свинец (Pb)	Сульфат свинца (PbSO₄)
Электролит	H₂SO₄ (концентрированный)	H₂SO₄ (разбавленный)
Электрические изменения	Нейтральный заряд	Высвобождение электронов (2e⁻)

Важные следствия реакции:

• Пористая структура губчатого свинца обеспечивает большую площадь поверхности для реакции
• Образование PbSO₄ сопровождается увеличением объема активной массы
• Электроны поступают на клемму "минус", создавая ток во внешней цепи

Образование сульфата свинца при разрядке

При разрядке кислотно-свинцового аккумулятора на электродах протекают электрохимические реакции, приводящие к образованию сульфата свинца (PbSO₄). На аноде происходит окисление свинца: металлический свинец (Pb) реагирует с серной кислотой (H₂SO₄), теряя электроны и образуя сульфат свинца и ионы водорода. Параллельно на катоде оксид свинца (PbO₂) восстанавливается, также взаимодействуя с электролитом с образованием PbSO₄.

Эти процессы сопровождаются потреблением серной кислоты и выделением воды, что снижает плотность электролита. Образующийся сульфат свинца создает мелкокристаллический слой на поверхности электродов. Кристаллы PbSO₄ обладают низкой электропроводностью и изолируют активную массу электродов, что постепенно уменьшает емкость аккумулятора. Скорость и равномерность сульфатации напрямую влияют на глубину разряда и срок службы батареи.

Ключевые особенности процесса

• Реакция на аноде: Pb + H₂SO₄ → PbSO₄ + 2H⁺ + 2e⁻
• Реакция на катоде: PbO₂ + H₂SO₄ + 2H⁺ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O
• Суммарное уравнение: Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O

Параметр	Влияние на аккумулятор
Размер кристаллов PbSO4	Мелкокристаллическая форма при нормальной разрядке обратима, крупные кристаллы вызывают сульфатацию
Концентрация H2SO4	Снижение плотности электролита ниже 1.24 г/см³ ускоряет образование стабильного PbSO4
Температура	При −20°C скорость сульфатации возрастает в 3-4 раза

Обратимость реакции сульфатообразования критична для работы аккумулятора: при зарядке PbSO₄ преобразуется обратно в Pb и PbO₂. Однако глубокий разряд или длительное хранение в разряженном состоянии вызывают рекристаллизацию сульфата свинца. Крупные нерастворимые кристаллы PbSO₄ блокируют поры активной массы, необратимо снижая емкость.

Обратимость реакций при зарядке

При пропускании через разряженный аккумулятор внешнего постоянного тока в направлении, противоположном разрядному процессу, электрохимические реакции начинают протекать в обратном направлении. Это обеспечивает восстановление исходных активных материалов на электродах.

На катоде (положительный электрод) происходит окисление сульфата свинца (PbSO₄) до диоксида свинца (PbO₂), а на аноде (отрицательный электрод) сульфат свинца восстанавливается до чистого свинца (Pb). Одновременно увеличивается концентрация серной кислоты в электролите за счет регенерации H₂SO₄.

Ключевые особенности обратимости

Электрохимическая основа: Обратимость возможна благодаря тому, что обе реакции (разряд и заряд) являются термодинамически и кинетически обратимыми при соблюдении правильных условий.

Условия обеспечения полной обратимости:

• Контроль зарядного тока и напряжения (предотвращение перезаряда)
• Поддержание оптимальной температуры электролита (15-25°C)
• Использование рекомендованных зарядных устройств
• Отсутствие глубокой сульфатации электродов

Электрод	Реакция при зарядке	Продукты
Анод (-)	PbSO4 + 2e- + 2H+ → Pb + H2SO4	Свинец (Pb)
Катод (+)	PbSO4 + 2H2O → PbO2 + H2SO4 + 2H+ + 2e-	Диоксид свинца (PbO2)

Побочные процессы: При превышении напряжения зарядки (>2.4В на элемент) начинается электролиз воды с выделением кислорода на положительном электроде и водорода на отрицательном, что снижает КПД и требует долива дистиллированной воды.

Восстановление диоксида свинца на аноде при заряде

При пропускании зарядного тока через аккумулятор на положительном электроде (аноде) протекает электрохимическая реакция восстановления диоксида свинца (PbO₂). Электроны, поступающие от внешнего источника питания, взаимодействуют с PbO₂ и ионами водорода (H⁺) из электролита, что приводит к образованию сульфата свинца (PbSO₄) и воды. Эта реакция является обратной процессу разряда и восстанавливает исходное активное вещество анода.

Химически процесс описывается уравнением: PbO₂ + SO₄^2- + 4H⁺ + 2e^- → PbSO₄ + 2H₂O. Ключевые условия протекания реакции включают достаточное напряжение заряда (превышающее ЭДС аккумулятора), оптимальную концентрацию серной кислоты (порядка 30-40%) и температуру электролита в диапазоне 20-25°C.

Особенности процесса

• Скорость восстановления зависит от плотности тока: высокие значения ускоряют процесс, но могут вызвать перегрев и коррозию решётки.
• Неполное восстановление PbO₂ приводит к необратимой сульфатации – образованию крупнокристаллического PbSO₄, не участвующего в реакциях.
• Побочные реакции (например, электролиз воды с выделением кислорода) начинаются при превышении напряжения заряда выше 2.4 В на элемент.

Параметр	Влияние на восстановление PbO2
Конечное напряжение заряда	Должно достигать 2.35–2.45 В для полного преобразования PbSO4
Состояние электрода	Разрушение решётки или отслоение активной массы снижают эффективность
Примеси в электролите	Ионы хлора или железа ускоряют саморазряд и коррозию

Восстановление губчатого свинца на катоде при заряде

При подаче зарядного тока на катоде аккумулятора происходит электрохимическое восстановление. Ионы свинца Pb²⁺ из электролита принимают электроны и осаждаются на электроде, формируя металлический свинец. Этот процесс представляет собой обратную реакцию разрядного цикла.

Образовавшийся свинец имеет высокопористую губчатую структуру с развитой поверхностью. Такая морфология критична для обеспечения эффективного контакта с электролитом и протекания последующих реакций при разряде. Параллельно в электролите повышается концентрация серной кислоты.

Ключевые особенности процесса

Химическая реакция на катоде описывается уравнением:

PbSO₄(тв) + 2e^– + 2H⁺ → Pb(тв) + H₂SO₄

Условия, необходимые для корректного восстановления:

• Подача внешнего напряжения выше ЭДС аккумулятора (~2.05 В/элемент)
• Контроль плотности электролита (1.28 г/см³ при полном заряде)
• Температурный диапазон +15°C...+25°C

Критические факторы, влияющие на качество губчатого слоя:

Фактор	Оптимальное значение	Последствия отклонений
Скорость заряда	0.1C (10% от ёмкости)	При перезаряде - коррозия решёток
Чистота свинца	>99.9%	Примеси снижают пористость
Состояние сульфата	Мелкокристаллический PbSO4	Крупные кристаллы не восстанавливаются

Губчатая структура обеспечивает удельную поверхность до 0.5 м²/г, что в 50 раз превышает геометрическую площадь электрода. Это позволяет достигать плотностей тока до 200 мА/см² без поляризации.

Концентрация электролита как индикатор состояния батареи

Концентрация серной кислоты в электролите напрямую отражает уровень заряда свинцово-кислотного аккумулятора. В процессе разряда ионы SO₄²⁻ расходуются на образование сульфата свинца на пластинах, снижая плотность раствора. При заряде происходит обратная реакция: сульфат распадается, высвобождая кислоту в электролит, что повышает его концентрацию.

Плотность электролита измеряется ареометром при температуре +25°C. Нормальные значения варьируются в зависимости от типа АКБ и производителя, но для полностью заряженной батареи составляют 1.26-1.28 г/см³. Отклонения от этих показателей свидетельствуют о проблемах:

Интерпретация показателей плотности

Плотность (г/см³)	Состояние батареи	Возможные причины
1.25-1.28	Нормальный заряд (80-100%)	Исправное состояние
1.20-1.24	Частичный разряд (50-80%)	Необходима подзарядка
1.15-1.19	Глубокий разряд (20-50%)	Риск сульфатации пластин
1.10-1.14	Критический разряд (<20%)	Немедленная зарядка

Ключевые закономерности:

• Падение плотности на 0.01 г/см³ соответствует потере ~5-6% заряда
• Разница плотности между банками >0.03 г/см³ указывает на неисправность элемента
• Невозможность восстановления номинальной плотности после зарядки сигнализирует о:
  • Сульфатации пластин (белый налет сульфата свинца)
  • Потере активной массы электродов
  • Замыкании пластин

Эксплуатационные требования: Корректировка уровня электролита производится только дистиллированной водой при полном заряде АКБ. Доливка кислоты разрешается исключительно при подтверждённом выплескивании раствора, так как произвольное увеличение концентрации ускоряет коррозию решёток и сокращает ресурс батареи.

Выделение газов (кислород, водород) при перезаряде

При достижении полного заряда АКБ продолжение подачи тока приводит к перезаряду. На этом этапе основная реакция восстановления сульфата свинца завершена, и избыточная энергия направляется на побочные процессы.

Электролит (водный раствор серной кислоты) подвергается электролизу. На положительном электроде (PbO₂) происходит окисление воды с выделением кислорода, а на отрицательном (Pb) – восстановление ионов H⁺ с образованием водорода.

Химические реакции электролиза

На аноде:

2H₂O → O₂↑ + 4H⁺ + 4e^-

На катоде:

4H⁺ + 4e^- → 2H₂↑

Ключевые последствия газовыделения:

• Снижение уровня электролита из-за расхода воды
• Образование взрывоопасной гремучей смеси (H₂:O₂ = 2:1)
• Коррозия решеток электродов
• Повышенное давление внутри корпуса

Для минимизации рисков применяют:

1. Зарядные устройства с автоматическим отключением
2. Контроль напряжения заряда (не выше 2.4 В/элемент)
3. Специальные пробки с каталитическими колпачками для рекомбинации газов

Газ	Электрод	Объем на 1 А·ч перезаряда
Кислород (O2)	Анод (+)	0.21 л
Водород (H2)	Катод (-)	0.42 л

Влияние температуры на скорость электрохимических процессов

Повышение температуры электролита в свинцово-кислотном аккумуляторе интенсифицирует электрохимические реакции на электродах. Это объясняется увеличением кинетической энергии ионов и молекул, что снижает энергию активации процессов разряда-заряда и ускоряет диффузию активных веществ к поверхности электродов.

Обратный эффект наблюдается при охлаждении: снижение температуры замедляет ионный перенос и химические превращения. При температурах ниже 0°C вязкость электролита резко возрастает, а растворимость сульфата свинца уменьшается, что приводит к падению ёмкости и ухудшению приемки заряда.

Ключевые закономерности

• Температурная компенсация напряжения: Напряжение заряда должно снижаться при нагреве (на ~3 мВ/°С на элемент) для предотвращения перезаряда
• Эмпирическое правило: Падение температуры на 10°C снижает отдаваемую ёмкость на 15-20%
• Экстремальные условия:
  • Выше +50°C: Ускорение коррозии решёток положительного электрода
  • Ниже -20°C: Риск замерзания электролита и механического повреждения пластин

Температура (°C)	Относительная ёмкость (%)	Скорость саморазряда
+40	105-110	200% от номинала
+25	100	Номинальная
0	80-85	40% от номинала
-20	60-65	5% от номинала

Термоциклирование (периодические нагревы/охлаждения) провоцирует расслоение электролита и ускоренную сульфатацию. Для компенсации температурных эффектов применяют:

1. Теплоизоляцию банок в критических условиях
2. Активные системы термостабилизации
3. Модификации электролита (гелеобразные или абсорбированные составы)

Саморазряд: причины и факторы влияния

Саморазряд кислотно-свинцового аккумулятора – это самопроизвольная потеря ёмкости при разомкнутой цепи вследствие паразитных электрохимических процессов. Данное явление неизбежно даже при хранении нового аккумулятора и обусловлено термодинамической нестабильностью электродных материалов в сернокислотном электролите.

Интенсивность саморазряда зависит от конструктивных особенностей аккумулятора, качества материалов и внешних условий. Высокая скорость саморазряда сокращает срок службы батареи и требует периодической подзарядки для компенсации потерь.

Основные причины саморазряда

Химические реакции на электродах:

• Отрицательный электрод (Pb): Растворение свинца в электролите с выделением водорода: Pb + H₂SO₄ → PbSO₄ + H₂↑. Ускоряется примесями (сурьма, мышьяк).
• Положительный электрод (PbO₂): Восстановление диоксида свинца: 2PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O + O₂↑. Катализируется примесями марганца или железа.

Электрохимические факторы:

• Локальные микро-короткие замыкания через дендриты свинца или шлам на дне корпуса.
• Неоднородность поверхности электродов, создающая разность потенциалов.

Факторы, влияющие на скорость саморазряда

Фактор	Влияние
Температура	Рост на 10-15°C удваивает скорость реакций
Плотность электролита	Повышение плотности усиливает коррозию решёток
Чистота материалов	Примеси (Fe, Cu, Mn) катализируют реакции
Возраст аккумулятора	Увеличивается из-за сульфатации и коррозии
Конструкция сепаратора	Барьерные свойства снижают миграцию ионов

Методы минимизации: Использование высокочистого свинца, легирование кальцием вместо сурьмы, герметизация клемм для предотвращения утечек тока по поверхности электролита, соблюдение режимов хранения (+5...15°C).

Сульфатация пластин и её последствия для ёмкости

Сульфатация пластин представляет собой процесс образования крупнокристаллического сульфата свинца (PbSO₄) на поверхности электродов во время разряда аккумулятора. В нормальных условиях этот сульфат мелкокристаллический и легко преобразуется обратно в активные материалы (Pb и PbO₂) при последующем заряде. Однако при неблагоприятных условиях эксплуатации кристаллы PbSO₄ укрупняются и становятся электрохимически неактивными.

Ключевыми причинами сульфатации являются: глубокие разряды (ниже 20% ёмкости), длительное хранение в разряженном состоянии, систематический недозаряд, эксплуатация при высоких температурах (+45°C и более), а также естественное старение батареи. Крупные кристаллы сульфата блокируют поры активной массы, снижая доступ электролита к внутренним слоям пластин.

Влияние сульфатации на характеристики аккумулятора

Последствия необратимой сульфатации проявляются в нескольких аспектах:

• Снижение доступной ёмкости: Укрупнённые кристаллы PbSO₄ не участвуют в обратных электрохимических реакциях, сокращая количество активного материала. Потеря ёмкости может достигать 30-50%.
• Увеличение внутреннего сопротивления: Сульфатный слой создаёт барьер для ионов SO₄^2-, затрудняя протекание тока. Это проявляется в резком падении напряжения под нагрузкой.
• Ускоренная деградация: Забитые поры пластин приводят к механическим напряжениям и разрушению активной массы, особенно на положительных электродах.
• Сложности при зарядке: Аккумулятор быстрее достигает высокого напряжения "кипения", но не набирает номинальную ёмкость. Наблюдается повышенный саморазряд.

Процесс считается частично обратимым на ранних стадиях с помощью десульфатирующих зарядов (подача импульсов тока или поддержание напряжения 2,4–2,5В/банку при малой силе тока). При сильной сульфатации восстановление невозможно – пластины теряют механическую прочность, а ёмкость падает необратимо.

Стадия сульфатации	Признаки	Потеря ёмкости
Начальная	Белый налёт на кромках пластин	До 15%
Средняя	Серые пятна по всей поверхности, нагрев при зарядке	15–30%
Критическая	Сплошной слой кристаллов, деформация пластин	Более 30%

Конструкция решёток электродов для прочности и проводимости

Решётки электродов в свинцово-кислотных аккумуляторах выполняют двойную функцию: служат механической основой для активной массы и обеспечивают электронный токообмен между электролитом и внешней цепью. Их конструкция напрямую влияет на механическую устойчивость электродов при вибрациях, срок службы батареи и минимальное внутреннее сопротивление.

Для оптимизации этих параметров применяются специальные инженерные решения в геометрии решёток. Радиальная или диагональная ориентация рёбер жёсткости снижает риск коробления при циклировании и повышает ударную стойкость. Увеличение числа соединительных мостиков между вертикальными элементами усиливает каркас, но требует баланса с объёмом, выделяемым под активное вещество.

Ключевые аспекты конструкции

Материалы и сплавы:

• Чистый свинец (Pb) обладает высокой коррозионной стойкостью, но недостаточной твёрдостью.
• Сплавы с сурьмой (Sb, 1-6%) повышают прочность и литейные свойства, но ускоряют саморазряд.
• Кальциевые сплавы (Pb-Ca) снижают газовыделение и саморазряд, однако чувствительны к глубоким разрядам.
• Комбинированные сплавы (Pb-Ca-Sn) с добавкой олова улучшают смачиваемость и токоотдачу.

Топологические особенности:

Элемент конструкции	Цель оптимизации	Эффект
Утолщённые вертикальные рёбра	Снижение электрического сопротивления	Улучшение токопроводящих путей к токоотводу
Горизонтальные перемычки переменного сечения	Распределение механических напряжений	Предотвращение трещин при термоциклировании
Асимметричное расположение ячеек	Компенсация усадки сплава	Снижение деформации при затвердевании отливки

Технологические приёмы:

1. Рифление поверхности рёбер для увеличения площади контакта с активной массой.
2. Нанесение коррозионно-стойких покрытий (например, оксидных плёнок) на зоны повышенного электрохимического износа.
3. Использование решёток с градиентной толщиной: утолщение к токоотводу для снижения омических потерь.

Назначение сепараторов между пластинами

Сепараторы в кислотно-свинцовом аккумуляторе представляют собой пористые электроизоляционные материалы, физически разделяющие положительные и отрицательные пластины. Их основная задача – предотвратить непосредственный контакт разноименных электродов, который привел бы к короткому замыканию и саморазряду батареи.

Ключевые функции сепараторов выходят за рамки простого физического барьера. Они обеспечивают свободную миграцию ионов электролита между пластинами через свою пористую структуру, поддерживая электрохимические реакции во время заряда и разряда. Одновременно сепараторы удерживают активную массу пластин от осыпания и выравнивают механические напряжения внутри элемента.

Конструктивные и эксплуатационные требования

• Химическая стойкость: Должны выдерживать агрессивную сернокислотную среду и окислительное воздействие при высоких потенциалах.
• Микроструктура: Контролируемый размер пор предотвращает проникновение частиц активной массы и рост дендритов свинца.
• Механическая прочность: Сохранение целостности при вибрациях и температурных расширениях пластин.

Тип сепаратора	Материал	Ключевое преимущество
Мипор	Полиэтилен	Высокая пористость (>60%)
Стекловолокно	Кварцевые микроволокна	Устойчивость к глубоким разрядам
AGM	Стекломат	Капиллярный эффект для рекомбинации газов

Современные сепараторы типа AGM дополнительно выполняют функцию удержания электролита за счет капиллярных сил. Это препятствует его расслоению, обеспечивает рекомбинацию кислорода в замкнутом цикле и позволяет эксплуатировать АКБ в любом пространственном положении без утечек.

Формирование ЭДС элемента (примерно 2 В)

Электродвижущая сила свинцово-кислотного элемента формируется за счет разности электрохимических потенциалов между положительным (PbO₂) и отрицательным (Pb) электродами, погруженными в сернокислотный электролит (H₂SO₄). Каждый электрод имеет характерное равновесное значение потенциала относительно стандартного водородного электрода, обусловленное протекающими на них окислительно-восстановительными реакциями.

Суммарная ЭДС элемента рассчитывается как разность потенциалов полуреакций на катоде и аноде. Для стандартных условий (25°C, концентрация H₂SO₄ ~30-40%) потенциал восстановления диоксида свинца составляет ≈ +1.69 В, а потенциал окисления губчатого свинца ≈ -0.35 В. Комбинирование этих значений дает теоретическую ЭДС: 1.69 В − (-0.35 В) = 2.04 В, что округляется до типовых 2 В.

Электрод	Химическая реакция	Потенциал (В)
Положительный (катод при разряде)	PbO₂ + SO₄²⁻ + 4H⁺ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O	+1.69
Отрицательный (анод при разряде)	Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2e⁻	-0.35

Фактическое значение ЭДС зависит от ключевых параметров:

• Концентрация электролита: Рост плотности H₂SO₄ увеличивает ЭДС (~2.14 В при 40% растворе)
• Температура: Снижение температуры уменьшает ЭДС
• Состояние заряда: При разряде ЭДС падает из-за накопления PbSO₄ и снижения концентрации кислоты

Измерение ЭДС без нагрузки (напряжение холостого хода) служит индикатором степени заряженности аккумулятора. Для исправного элемента диапазон составляет 2.0-2.2 В, при этом отклонение от номинала 2 В сигнализирует о необходимости обслуживания.

Внутреннее сопротивление и его влияние на отдачу тока

Внутреннее сопротивление (R_вн) кислотно-свинцового аккумулятора – комплексное свойство, объединяющее омическое сопротивление электродов, электролита, сепараторов и сопротивление поляризации при электрохимических реакциях. Оно препятствует свободному прохождению тока, вызывая падение напряжения на клеммах при нагрузке согласно закону Ома: ΔU = I * R_вн, где I – ток разряда.

Высокое R_вн ограничивает пиковую отдачу тока и эффективную ёмкость аккумулятора. При резком увеличении нагрузки (например, стартерный запуск) напряжение под нагрузкой (U_нагр) падает по формуле: U_нагр = ЭДС - I * R_вн. Если U_нагр опускается ниже порога работоспособности оборудования, аккумулятор не может обеспечить требуемую мощность.

Ключевые факторы влияния R_вн

Основные последствия роста внутреннего сопротивления:

• Снижение напряжения под нагрузкой – приводит к преждевременному срабатыванию защиты электронных систем.
• Падение полезной мощности – часть энергии рассеивается в виде тепла (P_потерь = I² * R_вн).
• Уменьшение доступной ёмкости – при высоких токах аккумулятор отдаёт меньше энергии из-за ускоренного падения напряжения.
• Перегрев элементов – джоулево тепло ускоряет коррозию решёток и деградацию активной массы.

Факторы, повышающие R_вн:

Фактор	Механизм воздействия
Низкий заряд (SoC)	Уменьшение концентрации H2SO4 снижает проводимость электролита
Температура < 20°C	Рост вязкости электролита и замедление ионного переноса
Сульфатация пластин	Слой PbSO4 блокирует активную поверхность, увеличивая поляризацию
Деградация электродов	Коррозия решёток и осыпание активной массы нарушают контакты

Мониторинг R_вн – ключевой метод диагностики старения аккумулятора. Прирост значения на 20-30% от номинала сигнализирует о необходимости замены.

Циклирование ресурса: разряд-заряд

При разряде аккумулятора происходит электрохимическая реакция между электродами и электролитом. Свинцовый диоксид (PbO₂) на положительной пластине и губчатый свинец (Pb) на отрицательной взаимодействуют с серной кислотой (H₂SO₄), образуя сульфат свинца (PbSO₄) и воду (H₂O). Высвобождаемые электроны создают ток во внешней цепи, напряжение на клеммах постепенно снижается до минимально допустимого уровня.

Во время заряда к аккумулятору прикладывается внешнее напряжение, превышающее его ЭДС. Ток протекает в обратном направлении, запуская обратные реакции: сульфат свинца на электродах разлагается, восстанавливая PbO₂ на аноде и Pb на катоде. Концентрация серной кислоты в электролите возрастает, повышая плотность раствора. Процесс сопровождается выделением кислорода и водорода при перезаряде.

Ключевые особенности циклирования

• Сульфатация: Накопление нерастворимого PbSO₄ при глубоком разряде или хранении в разряженном состоянии снижает ёмкость.
• Температурный режим: Перегрев (>45°C) ускоряет коррозию решёток, а холод (<0°C) замедляет реакции и повышает вязкость электролита.
• Глубина разряда (DoD): Глубокие разряды (80-100% DoD) сокращают ресурс в 3-5 раз по сравнению с умеренными (20-30% DoD).

Параметр	Разряд	Заряд
Химические реакции	PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O	2PbSO₄ + 2H₂O → PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄
Плотность электролита	Снижается (1.28→1.10 г/см³)	Повышается (1.10→1.28 г/см³)
Напряжение на элемент	2.1В → 1.75В	2.3В → 2.7В (буферный режим)

Ресурс цикла определяется качеством материалов, конструкцией пластин и соблюдением режимов. Превышение зарядного напряжения или тока вызывает терморазгон и выкипание электролита, а хронический недозаряд ведёт к расслоению кислоты и необратимой сульфатации. Оптимальная зарядка включает стадии основного заряда (постоянным током) и дозаряда (постоянным напряжением).

Различия в работе стартерных и тяговых аккумуляторов

Стартерные свинцово-кислотные аккумуляторы предназначены для кратковременных мощных разрядов, необходимых при запуске двигателя внутреннего сгорания. Они отдают ток в сотни ампер за 1-5 секунд, после чего быстро восстанавливают заряд от генератора. Конструкция использует большое количество тонких свинцовых пластин с пористой структурой для максимальной площади контакта с электролитом.

Тяговые аккумуляторы рассчитаны на длительное обеспечение энергией электродвигателей (погрузчики, лодки, инвалидные коляски). Они работают в циклическом режиме: медленный глубокий разряд (до 80% ёмкости) в течение нескольких часов с последующей полной зарядкой. Применяются пластины увеличенной толщины с плотным активным веществом для устойчивости к глубоким разрядам.

Ключевые отличия в эксплуатации

Параметр	Стартерный	Тяговый
Тип разряда	Кратковременный (секунды), высокий ток	Длительный (часы), стабильный ток
Глубина разряда	Поверхностный (10-20%)	Глубокий (50-80%)
Конструкция пластин	Тонкие, пористые, большое количество	Толстые, плотные, меньшее количество
Режим работы	Буферный (постоянный заряд)	Циклический (разряд-заряд)

Критическое различие: использование стартерного аккумулятора в тяговом режиме вызывает сульфатацию и осыпание пластин из-за глубоких разрядов. Тяговые модели теряют пусковую мощность при −20°С из-за меньшей площади контакта с электролитом.

Обслуживание тяговых АКБ включает регулярную полную зарядку для предотвращения расслоения электролита, тогда как стартерные требуют контроля уровня электролита и напряжения на клеммах.

Особенности герметизированных необслуживаемых (SLA/VRLA) батарей

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы (VRLA) исключают долив воды благодаря рекомбинации газов внутри корпуса. Конструктивно они делятся на два типа: с абсорбированным электролитом в стекломате (AGM) и с гелеобразным электролитом (GEL). Оба варианта содержат предохранительный клапан, сбрасывающий избыточное давление при критических условиях.

Кислородный цикл обеспечивает необслуживаемость: кислород, выделяемый на положительном электроде при заряде, диффундирует к отрицательному электроду. Там он реагирует со свинцом, восстанавливая воду. Это подавляет потерю электролита и позволяет использовать батарею в любом пространственном положении без утечек.

Ключевые характеристики

• Герметичность: Корпус полностью запаян, электролит иммобилизован (в AGM – пропитанный сепаратор, в GEL – силикатный гель).
• Клапанная регулировка: Предохранительный клапан открывается только при превышении давления > 5-30 кПа, предотвращая взрыв.
• Саморазряд: Уменьшен до 1-3% в месяц благодаря чистоте материалов и герметизации.

Тип	AGM	GEL
Импеданс	Низкий	Высокий
Ток заряда	Допускает быструю зарядку	Требует медленного заряда
Вибрационная стойкость	Высокая	Средняя

Ограничения эксплуатации: Чувствительны к перезаряду – превышение напряжения > 14.4 В вызывает необратимую потерю воды через клапан. Требуют температурной компенсации заряда (-3 мВ/°С на элемент). При глубоких разрядах (< 80%) резко сокращается ресурс.

Сферы применения: ИБП, телекоммуникационное оборудование, системы безопасности, медицинские приборы, электромобили (вспомогательные системы), солнечные электростанции. Не используются в стартерных системах из-за ограничений по пиковому току.

Контроль напряжения зарядки для предотвращения сульфатации

Сульфатация пластин возникает при длительном нахождении аккумулятора в частично или полностью разряженном состоянии, когда на электродах образуются крупные кристаллы сульфата свинца (PbSO₄). Этот процесс снижает ёмкость батареи и сокращает срок её службы.

Контроль напряжения при зарядке критичен, так как недозаряд усиливает сульфатацию, а перезаряд вызывает коррозию решёток и потерю воды. Оптимальные параметры зарядки зависят от температуры и типа аккумулятора.

Ключевые принципы контроля

Цикличная зарядка: Трёхступенчатый режим (основной заряд → абсорбция → плавающее напряжение) предотвращает сульфатацию:

• Основная зарядка: ток постоянен до достижения 14.4–14.8 В
• Абсорбция: напряжение стабилизируется (2–3 часа) для полного преобразования PbSO₄
• Плавающий режим: поддержание 13.2–13.8 В для компенсации саморазряда

Температурная компенсация: Зарядное напряжение корректируется на ±3 мВ/°С на элемент при отклонениях от +25°C. Примеры регулировок:

Температура (°C)	Напряжение (В)
0	14.8–15.0
25	14.4–14.6
40	13.9–14.1

Регулярная выравнивающая зарядка: Кратковременная подача повышенного напряжения (15.5–16.2 В) раз в 1–2 месяца разрушает начальные кристаллы сульфатов. Требует контроля уровня электролита.

Тепловой разгон: причины возникновения в VRLA батареях

Тепловой разгон представляет собой критическое неконтролируемое повышение температуры внутри VRLA аккумулятора, вызванное положительной обратной связью между температурой и током. Повышение температуры ускоряет электрохимические реакции и снижает внутреннее сопротивление, что ведет к дальнейшему росту тока и выделению тепла. Этот лавинообразный процесс может привести к разрушению корпуса, возгоранию или взрыву батареи.

Основная опасность теплового разгона заключается в его самоускоряющемся характере: после запуска процесса остановить его внешними средствами практически невозможно. В герметичных VRLA батареях риски усугубляются ограниченным отводом тепла и газов, а также рекомбинационным циклом, который сам по себе является экзотермической реакцией.

Ключевые причины теплового разгона

Основными факторами, провоцирующими тепловой разгон, являются:

1. Перезаряд: Превышение напряжения заряда вызывает интенсивный электролиз воды с выделением тепла и кислорода. Кислород, реагируя с отрицательным электродом в процессе рекомбинации, дополнительно нагревает элемент.
2. Высокая температура окружающей среды: Эксплуатация или заряд в условиях повышенных температур (выше +40°C) снижает порог срабатывания теплового разгона из-за изначально высокого теплового фона.
3. Внутренние дефекты:
   • Короткие замыкания между пластинами через сепаратор
   • Сильная сульфатация или коррозия решеток
   • Расслоение электролита (в AGM-батареях)
   • Потеря воды и высыхание сепаратора
4. Неисправность системы охлаждения/вентиляции: Недостаточный отвод тепла от батарейного отсека или блокировка вентиляционных каналов корпуса VRLA.
5. Несовместимое зарядное устройство: Использование ЗУ с некорректными параметрами (завышенное напряжение, отсутствие температурной компенсации) или предназначенного для батарей других типов.
6. Неравномерность элементов в банке: Разбаланс по емкости или внутреннему сопротивлению между отдельными ячейками приводит к перезаряду слабых элементов и локальному перегреву.

Список источников

Для подготовки статьи о принципах работы кислотно-свинцовых аккумуляторов использовались авторитетные научные и технические материалы. Основное внимание уделялось фундаментальным физико-химическим процессам и современным исследованиям в области электрохимических источников тока.

Ниже представлен перечень ключевых литературных источников, содержащих детальное описание устройства, электрохимических реакций и эксплуатационных характеристик свинцово-кислотных аккумуляторов. Все материалы доступны в печатных изданиях или электронных библиотеках технических вузов.

Научные и технические публикации

1. Пасынков В.В. "Источники электропитания электронных средств" - Глава 4: Химические источники тока
2. Данилов А.М., Смирнов В.М. "Электрохимические источники энергии" - Раздел: Свинцовые аккумуляторы
3. ГОСТ Р МЭК 60896-11-2016 "Стационарные свинцово-кислотные аккумуляторы" - Общие требования и методы испытаний
4. Bagshaw N. "Lead-Acid Battery Chemistry" в издании "Encyclopedia of Electrochemical Power Sources"
5. Pavlov D. "Lead-Acid Batteries: Science and Technology" - Глава 2: Основы электрохимических процессов
6. Учебное пособие "Химические источники тока" под ред. Коровин Н.В. - Раздел 3.1: Свинцовые аккумуляторы
7. Журнал "Электрохимическая энергетика" №4(2021) - Статья Иванов С.К. "Современные модификации свинцовых аккумуляторов"

Видео: Как и чем правильно зарядить свинцово кислотный аккумулятор

  
• Неисправности системы охлаждения ЯМЗ-238 - основные причины
  
• Конструкция переднего рычага подвески
  
• Схема и разборка щитка приборов ВАЗ-2114 - снимаем панель