Свинцово-кислотные аккумуляторы: принцип работы и основные компоненты

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора: электрохимические реакции

Основу функционирования свинцово-кислотного аккумулятора составляют обратимые электрохимические реакции между свинцовыми электродами и сернокислотным электролитом.

Разряд аккумулятора: преобразование химической энергии в электрическую

При подключении нагрузки на электродах происходят следующие процессы:

• Отрицательный электрод (анод) из губчатого свинца (Pb) окисляется, отдавая электроны:
  Pb → Pb²⁺ + 2e⁻

• Положительный электрод (катод) из диоксида свинца (PbO₂) восстанавливается, принимая электроны:
  PbO₂ + 4H⁺ + SO₄²⁻ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O

• В результате на обоих электродах образуется сульфат свинца (PbSO₄), а концентрация серной кислоты в электролите снижается.

Заряд аккумулятора: восстановление исходных веществ

При подаче внешнего напряжения реакции протекают в обратном направлении:

• На катоде сульфат свинца превращается обратно в диоксид свинца:
  PbSO₄ + 2H₂O → PbO₂ + H₂SO₄ + 2H⁺ + 2e⁻

• На аноде сульфат свинца восстанавливается до чистого свинца:
  PbSO₄ + 2e⁻ + 2H⁺ → Pb + H₂SO₄

• В процессе заряда плотность электролита повышается за счет образования серной кислоты.

Основные компоненты свинцово-кислотного аккумулятора

Конструкция АКБ включает несколько ключевых элементов, каждый из которых выполняет важную функцию.

Электроды: анод и катод

• Отрицательный электрод изготавливается из пористого губчатого свинца (Pb), обеспечивающего высокую площадь контакта с электролитом.

• Положительный электрод состоит из диоксида свинца (PbO₂), обладающего высокой окислительной способностью.

• Оба электрода имеют решетчатую структуру для улучшения проводимости и удержания активной массы.

Электролит: серная кислота и вода

• Рабочая среда аккумулятора представляет собой раствор серной кислоты (H₂SO₄) с плотностью 1,22–1,28 г/см³ (в заряженном состоянии).

• При разряде концентрация кислоты снижается, а при заряде – восстанавливается.

Сепаратор: разделение электродов

• Предотвращает короткое замыкание между пластинами.

• Изготавливается из пористого материала (полиэтилен, стекловолокно), пропускающего ионы, но не проводящего ток.

Корпус: защита от внешних воздействий

• Выполняется из прочного пластика, устойчивого к кислотам и механическим повреждениям.

• В необслуживаемых АКБ корпус герметичен, в обслуживаемых – имеет пробки для контроля уровня электролита.

Классификация свинцово-кислотных аккумуляторов

В зависимости от конструкции и назначения выделяют несколько типов АКБ.

Обслуживаемые и необслуживаемые аккумуляторы

• Обслуживаемые требуют периодической проверки уровня и плотности электролита.

• Необслуживаемые (AGM, GEL) герметичны и не нуждаются в доливе воды.

Традиционные и современные модификации

• Классические (жидкостные) – с жидким электролитом, требуют регулярного обслуживания.

• AGM (Absorbent Glass Mat) – электролит удерживается в стекловолоконных матах, что повышает виброустойчивость.

• GEL (гелевые) – электролит загущен силикагелем, что снижает риск утечек и увеличивает срок службы.

Заключение: плюсы и ограничения технологии

Свинцово-кислотные аккумуляторы остаются востребованными благодаря простоте конструкции, высокой мощности и относительно низкой стоимости. Однако они обладают ограниченным сроком службы (3–7 лет), чувствительны к глубоким разрядам и требуют соблюдения правил эксплуатации. Современные модификации (AGM, GEL) частично устраняют эти недостатки, расширяя сферу применения данной технологии.