Оловно-киселинна батерия

Оловно-киселинната батерия е вид акумулатор, в който електродите се състоят от олово и оловен двуокис и електролит от разредена сярна киселина. Това е най-старата многократно презареждаща се батерия, която може да съхранява и отдава електрическа енергия. Въпреки малкото съотношение на енергия / тегло т.е. енергийна плътност, батерията допуска голям разряден ток без да се поврежда.

Оловно-киселинен акумулатор за моторни превозни средства 12 V, 300 A, 36 A.h

Това тяхно свойство заедно с ниската им цена ги прави подходящи за използването в моторните превозни средства, за да захранват с големи стойности на тока стартерите на двигателите.

История

През 1854 г. немският лекар и физик Вилхелм Йозеф Синстеден (Wilhelm Josef Sinsteden) изработва първата оловно-киселинна батерия. Той поставя две големи оловни плочи, които не се допират, в буркан, пълен с разредена сярна киселина. Чрез свързване на източник на напрежение и често разреждане и зареждане (формиране) той достига след определено време до измерим капацитет. На една от плочите се образува оловен двуокис, а на другата – чисто олово.

През 1859 г. френският физик Гастон Планте (Gaston Planté) значително подобрява оловно-киселинната батерия на Синстеден като я подсилва чрез спирално подреждане на оловни плочи и така изобретява и създава първия оловно-киселинен акумулатор. Тази конструкция все още се използва днес за автомобилни оловно-киселинни акумулатори.

В индустрията първоначално не се използват достатъчно клетки за съхранение на електроенергия, това се промени само двадесет години по-късно. През 1866 г. Вернер фон Сименс разработва електрически генератор и търсенето на начини за съхраняване на електрическа енергия се увеличава бързо. През 1880 г. оловно-киселинната батерия е разработена решително от френския инженер Камил Алфонс Фауре (Camille Alphonse Faure) и акумулаторът достига висок капацитет само след няколко цикъла на зареждане (образуване) поради покритието му с оловен прах и сяра.

Схематично представяне на структурата на оловно-киселинна батерия

Електрохимия

Принцип на работа на оловно-киселинните батерии се основава на електрохимическата реакция между оловото Pb и оловния двуокис PbO₂ в сернокисела среда от поставената в акумулатора сярна киселина H₂SO₄. В заредено състояние всяка клетка съдържа електроди от чисто олово и оловен двуокис.

При разредено състояние двата електрода се превръщат в оловен сулфат (PbSO₄) и електролитът изгубва разтворената си сярна киселина и се превръща основно във вода. От реакцията на сярната киселина и водата се получава дисоцииране на сярната киселина (dissoziierte Schwefelsäure):

$\mathrm {H_{2}SO_{4}+2\,H_{2}O\rightleftharpoons 2\,H_{3}O^{*}+SO_{4}^{2-}}$

Начинът на действие на оловно-киселинната акумулаторна батерия може да бъде представен от химичните процеси, протичащи по време на зареждането и разреждането ѝ като източник на електрически ток.

По време на отдаване на енергия (разреждане) се извършват следните химични процеси:

Схематично представяне на реакциите на разреждане

Отрицателен полюс:

$\mathrm {Pb+SO_{4}^{2-}\longrightarrow PbSO_{4}+2\,e^{-}}$

Положителен полюс:

$\mathrm {PbO_{2}+SO_{4}^{2-}+4\,H^{+}+2\,e^{-}\longrightarrow PbSO_{4}+2\,H_{2}O}$

При захранване с енергия (зареждане от източник) процесите протичат в обратна посока.

Цялостната реакция при разреждане и зареждане:

$\mathrm {Pb+PbO_{2}+2\,H_{2}SO_{4}\rightleftharpoons 2\,PbSO_{4}+2\,H_{2}O}$

В посока надясно в тази формула се отдава енергия от оловно-киселинната акумулаторна батерия и тя се разрежда, а наляво се захранва енергийно и се зарежда.

От електрохимичните еквиваленти се изчислява заряд от 2*F = 2*96485 [A*s] (F – константа на Фарадей) за „електрическата енергия“. Това съответства на оловна батерия с капацитет 53,6 [A*h].

От електрохимичната серия от напрежения сега може да се изчисли потенциалната разлика, т. е. в крайна сметка възниква електрическо напрежение.

$\mathrm {Pb+SO_{4}^{2-}\longrightarrow PbSO_{4}+2\,e^{-}} \quad |-0{,}36~\mathrm {V}$

$\mathrm {PbO_{2}+SO_{4}^{2-}+4\,H^{+}+2\,e^{-}\longrightarrow PbSO_{4}+2\,H_{2}O} \quad |+1{,}68~\mathrm {V}$

$E_{\mathrm {Ges} }^{0}=1{,}68~\mathrm {V} -(-0{,}36~\mathrm {V} )=2{,}04~\mathrm {V}$

Саморазреждане:

Оловно сулфатна плоча (от дясно)

Оловният двуокис PbO₂ е нестабилeн в разтвор на сярна киселина H₂SO₄. Оловото Рb е от IV валентност, реагира със сулфатната група SO₄ и се образува оловен сулфат PbSO₄, вода H₂0 и кислород O₂.

$\mathrm {2\,PbO_{2}+2\,H_{2}SO_{4}\longrightarrow 2\,PbSO_{4}+2\,H_{2}O+O_{2}}$

Пренапрежението на водорода, което прави възможно зареждането на оловно-киселинните батерии, забавя този процес.

Понеже клетките с течен електролит в повечето оловно-киселинни батерии са отворени, зареждането с по-високи напрежения генерира кислород и водород от електролизата на водата, създавайки експлозивна смес, която при наличието на искра може да се възпламени. Киселинният електролит е корозивен.

Клетките обикновено не са изработени от чисто олово, а съдържат и малки количества антимон, калай, калций или сплав от селен, така че плоскостта на материала да има допълнителна здравина и да се улесни процеса на производство.

Приложение и характеристики

Съвременните оловно-киселинни батерии са най-масово използваните акумулаторни батерии поради приемливата им ниска цена и добри експлоатационни качества. Те са основните подобни средства използвани в автомобилния транспорт и като аварийни източници на електроенергия в телефонни централи, системи за сигурност, непрекъсваеми токозахранвания (UPS) и др. Поради възможността да се произвеждат акумулатори с различно напрежение и различен капацитет, както и да бъдат свързвани при експлоатация по определен начин, много голямо е разнообразието от изходни напрежения и продължителност от време за използване като средство за стартиране или авариен режим.

Литература

• Chapter 16: Alvin Sakind, George Zuris: Lead-Acid Batteries. In: Thomas B. Reddy (Hrsg.): Linden's Handbook of Batteries. 4. Auflage. McGraw-Hill, New York 2011, ISBN 978-0-07-162421-3
• Karl-Joachim Euler: Sinsteden – Planté – Tudor. Zur Geschichte des Bleiakkumulators. Gesamthochschule Kassel, Kassel 1980, OCLC 918271350.
• Heinz Wenzl: Batterietechnik / Optimierung der Anwendung – Betriebsführung – Systemintegration. Expert-Verlag, Renningen-Malmsheim 2002, ISBN 3-8169-1691-0.
• D. A. J. Rand, P. T. Moseley, J. Garche, C. D. Parker: Valve-regulated Lead-Acid Batteries. Elsevier, 2004, ISBN 0-444-50746-9.
• Kapitel 2.1. Der Bleiakkumulator. In: P. Birke, M. Schiemann: Akkumulatoren: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft elektrochemischer Energiespeicher, H. Utz Verlag, München 2013, ISBN 978-3-8316-0958-1, S. 68–119.
• Chapter 8 Lead-Acid Batteries. In: Dell, Rand: Understanding Batteries, Royal Society of Chemistry, 2001, ISBN 0-85404-605-4, S. 100–125.

Вижте също

• Акумулатор