Физические законы, применяемые в работе аккумуляторных батарей

Принято считать, что основные принципы работы, использующиеся и по сей день, были открыты в конце XVIII века итальянским физиком и естествоиспытателем Алессандро Вольтой (1745−1827). Именно тогда, работая в университете города Павия, он заинтересовался «животным электричеством», открытым несколькими годами ранее его соотечественником Луиджи Гальвани (в его честь электрохимические элементы питания часто называют гальваническими). Вольта доказал, что именно ток, вырабатываемый при контакте двух различных металлов, вызывает наблюдавшееся сокращение мышц в лягушачьих лапках. Этим он опроверг предположение Гальвани о том, что электричество вырабатывается в мышцах. Для того, чтобы доказать свою точку зрения, он поместил две пластины медную (Сu) и цинковую (Zn) в раствор серной кислоты (H₂SO₄). Вследствие химической реакции, происходящей между цинком и серной кислотой, на цинке образуется излишек электронов. Цинк заряжается отрицательно и является отрицательным полюсом. Раствор и медная пластинка, в него погруженная, заряжаются положительно. В результате возбуждается ЭДС, равная примерно одному вольту, которая сохраняется все время, пока цепь не замкнута.

Если замкнуть цепь, пойдет ток и внутри элемента усиленно начнет выделяться водород, покрывающий поверхность пластинок слоем пузырьков. Этот слой уменьшает напряжение на полюсах элемента. Такое явление носит название поляризации. Чем больше ток, тем сильнее поляризация и тем быстрее уменьшается напряжение элемента. Эта конструкция и стала первой батареей, вырабатывающей электричество за счет химического взаимодействия двух металлов в растворе. В 1800 г. он усовершенствовал ее, создав свой знаменитый «вольтов столб», первый источник постоянного тока. Он представлял собой 20 пар кружочков, изготовленных из двух различных металлов, проложенных кусочками кожи или ткани, смоченных в соляном растворе. В знак признания заслуг итальянского ученого, его именем была названа единица электрического напряжения — вольт.

Другие экспериментаторы обратили внимание на полученные результаты. Они усовершенствовали вольтов столб, создав новые типы батарей. Первый значительный прорыв был совершен французом Гастоном Плантэ. В 1859 г. он провел интересный опыт, внешне похожий на то, что проделал Вольта. В его гальваническом элементе в качестве электродов использовались свинцовые пластины, а электролитом являлась разбавленная серная кислота. Плантэ подключил к элементам источник постоянного тока, и некоторое время заряжал батарею. После этого прибор стал сам вырабатывать электричество, выдавая почти всю энергию, потраченную на зарядку. Причем подзаряжать его можно было много раз. Именно так и появился тот самый свинцовый аккумулятор.

В основе принципа действия различных типов аккумуляторов лежит явление электролиза, где используется его важное свойство — обратимость. Электролиз — изменение химического состава раствора при прохождении через него электрического тока, обусловленное потерей или присоединением электронов ионами.

Электрическим аккумулятором называют устройство, преобразующее электрическую энергию в химическую, которая в случае надобности может быть вновь преобразована в электрическую энергию. Процесс превращения в аккумуляторе электрической энергии в химическую называется зарядом аккумулятора. Обратный процесс превращения химической энергии в электрическую называется разрядом аккумуляторов. При заряде электрическая энергия подводится к аккумулятору от постороннего источника постоянного тока; при разряде запасенная химическая энергия аккумулятора преобразуется в электрическую, и во внешней цепи, подключенной к аккумулятору, появляется ток. Поэтому аккумуляторы относятся к химическим источникам электрического тока.

Аккумулятор как источник электрической энергии характеризуют следующие основные показатели: э. д. с, емкость, максимальный ток и внутреннее сопротивление.

Эдс аккумулятора, не включенного на нагрузку, составляет в среднем 2 Вольта. Она не зависит от величины аккумулятора и размера его пластин, а определяется различием активных веществ положительных и отрицательных пластин.

В небольших пределах эдс может изменяться от внешних факторов, из которых практическое значение имеет плотность электролита, т. е. большее или меньшее содержание кислоты в растворе.

Электродвижущая сила разряженного аккумулятора, имеющего электролит высокой плотности, будет больше эдс заряженного аккумулятора с более слабым раствором кислоты. Поэтому о степени заряда аккумулятора с неизвестной начальной плотностью раствора не следует судить на основании показаний прибора при измерении эдс без подключенной нагрузки.

Аккумуляторы имеют внутреннее сопротивление, которое не остается постоянным, а изменяется во время заряда и разряда в зависимости от химического состава активных веществ. Одним самым очевидным фактором сопротивления батареи является электролит. Поскольку сопротивление электролита зависит не только от его концентрации, но и от температуры, то и сопротивление аккумулятора зависит от температуры электролита. С увеличением температуры сопротивление уменьшается.

Наличие сепараторов также повышает внутренней сопротивление элементов.

Другим фактором, увеличивающим сопротивление элементов, является сопротивление активного материала и решеток. Кроме того, на сопротивление аккумуляторной батареи влияет степень заряда. Сульфат свинца, образующийся во время разряда как на положительных, так и на отрицательных пластинах, не проводит электричества, и его присутствие значительно повышает сопротивление прохождению электрического тока. Сульфат закрывает поры пластин, когда последние находятся в заряженном состоянии, и таким образом препятствует свободному доступу электролита к активному материалу. Поэтому, когда элемент заряжен, сопротивление его оказывается меньше, чем в разряженном состоянии.

ь Емкостью аккумулятора называют количество электричества, выраженное в ампер-часах (А-ч), которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при разряде до минимально допустимого напряжения на его выводах. Емкость определяется как произведение тока в амперах на время разряда в часах этим током. Например, если аккумулятор при токе разряда 10 А может работать 10 ч, то его емкость равна 10 А х 10 ч = 100 А-ч. Емкость аккумулятора зависит от размеров пластин, длительности времени разряда, величины разрядного тока, температуры и других факторов.