Säurebatterien; damit es nicht mehr ekelhaft ist zu lesen, was die Leute über sie schreiben

Ich habe versehentlich einen Artikel mit Kommentaren dazu gesehen, und so begann die Wut in mir über die Unwissenheit der Leute auf dem Gebiet der Säurebatterien (Blei bei gewöhnlichen Leuten) zu kochen, die ich nicht aushalten konnte, und entschied mich, an „Geeks“ zu schreiben (wie sich herausstellt, reicht es nicht aus, ein teures Telefon zu kaufen). kurzer Artikel über Batterien. Mit der Berücksichtigung jener Fehler, die meine Augen ständig trüben und einen aufrichtigen Wunsch hervorrufen, sie zu korrigieren.

Beginnen wir mit dem Namen. Ich sehe sehr oft, dass die drei Buchstaben AK alles nennen, was aufgeladen werden kann, absolut jede Batterie. Besonders drei Buchstaben nennen Leute gerne Batterien wie Li-Ion. In der Tat ist die Batterie eine Abkürzung für wiederaufladbare Säurebatterie. Sie bedeuten nur einen Batterietyp - Blei-Säure. Aus heutiger Sicht verursacht dieser Name eine gewisse kognitive Dissonanz, weil im Moment ist die Bedeutung des Wortes "Batterie", d.h. Eine galvanische Zelle, die nicht aufgeladen werden kann, hat auf das Wort "Batterie" umgeschaltet. Und es stellt sich heraus, dass aufgrund des Wortes "wiederaufladbar" ein Akku geladen werden kann und aufgrund des Wortes "Akku" wie ein Akku, der nicht aufgeladen werden kann. In Wirklichkeit ist die Batterie nur ein Stromkreis aus galvanischen Zellen und hat mit dem Wort „Batterie“ nur die Wurzel gemeinsam.

Als nächstes wenden wir uns einigen Mythen zu, nämlich dem Hauptmythos - die Batterie für das Auto weist einige signifikante Unterschiede zur Batterie für die USV auf. Und Sie können sie nicht sowohl dort als auch dort verwenden.

Aus chemischer Sicht ist jede Batterie genau gleich . Wie sind sie angeordnet? Sehr kurz - wenn die Batterie aufgeladen ist, ist eine Elektrode ein Bleigitter mit einer PbO ₂ -Paste und das zweite das gleiche Gitter mit einer Schwammbleipaste. Der Elektrolyt ist eine Schwefelsäurelösung. Während der Entladung wird PbO ₂ reduziert und bildet unter Wechselwirkung mit Schwefelsäure PbSO ₄ . Blei an der anderen Elektrode oxidiert und bildet wieder PbSO ₄ . Am Ende der Entladung haben wir beide Gitterplatten mit (mehr oder weniger) Bleisulfat gefüllt. Beim Laden der Batterie findet eine Elektrolyse statt und Blei und Metallblei werden wieder aus Bleisulfat gebildet. Hier muss natürlich betont werden, dass die Elektroden nicht gleich sind und ihre Polarität nicht verwechselt werden darf. Bereits in der Produktionsphase werden der Elektrodenbeschichtung geeignete Additive zugesetzt, um ihre Betriebseigenschaften zu verbessern. Darüber hinaus sind Additive, die für eine Elektrode nützlich sind, für eine andere schädlich. In sehr alten Zeiten, irgendwo zu Beginn des letzten Jahrhunderts, war es unter den Bedingungen einfacher Batterien wahrscheinlich zulässig, die Batterie versehentlich oder aus irgendeinem Grund umzukehren, und es funktionierte einige Zeit danach. Dass es jetzt gültig ist, bezweifle ich.

In einer 12-V-Batterie befinden sich 6 solcher Zellen und in einer 6-V-Batterie 3. usw. Viele Menschen werden durch den Wert der Spannung an Batterien in die Irre geführt. Darüber hinaus sind die Werte der Nennspannung, Ladung, Entladung. Einerseits werden die Batterien als 12 V bezeichnet (und 6 V, 24 V haben meiner Meinung nach gelegentlich sogar 4 V), aber bei den gleichen Batterien für die USV gibt der Hersteller eine Spannung über 13,5 V an.

Zum Beispiel:


Hier sehen wir, dass im erzwungenen Modus die Ladespannung bis zu 15 V betragen kann.

Die Spannungskurve an der Batterie erklärt alles:



Links sehen wir die Spannung für die Batterie von 12 Zellen (24 V nominal), 6 (12 V nominal) und, am nützlichsten, für eine Zelle. Dort sind auch Bereiche unerwünschter Spannungen während des Entladens / Ladens vermerkt. Aus der Kurve können wir schließen:

1 Spannung 12V, 24V usw. sind nominal und zeigen nur die Anzahl der galvanischen Zellen (durch Teilen durch zwei) in der Batterie. Dies ist nur ein Name für die Bequemlichkeit.

2 Die Ladespannung kann 2,5 V / Zelle erreichen, was 15 V für eine 12-V-Batterie entspricht.

3 Die Spannung einer geladenen Batterie wird bei einem Wert von 2,1-2,2 V / Zelle als akzeptabel angesehen, was 12,6-13,2 V für eine 12-V-Batterie entspricht.

Theoretisch kann die Batterie bis zu 2,4 V / Zelle oder sogar etwas höher aufgeladen werden, jedoch wirkt sich eine solche Aufladung sowohl auf den Zustand der Elektroden als auch auf die Elektrolytkonzentration nachteilig aus. Einmal, bevor ich verschrottet wurde, lud ich die 12-V-Batterie leicht auf ca. 14,5 V (Ich erinnere mich nicht an den genauen Wert).

Der Autor des Artikels, mit dem ich angefangen habe, entschied, dass die Ladespannung einer Autobatterie und einer Batterie einer USV unterschiedlich sind. Dies ist nicht wahr, sie haben den gleichen Elektrodentyp und die gleiche Schwefelsäurekonzentration im Elektrolyten (vor langer Zeit experimentell ausgewählt, um maximale Spannung und minimale Selbstentladung bereitzustellen). Was passiert jedoch in der Batterie, warum kann sie nicht aufgeladen werden, wenn der Spannungswert zu hoch ist?

Warum muss ich einer Autobatterie Wasser hinzufügen, aber keine USV-Batterie? Diese Fragen ermöglichen es uns, reibungslos in den Spannungsabbaubereich von Wasser zu gelangen. Wie ich oben geschrieben habe, tritt beim Laden des Akkus eine Elektrolyse auf. Es wird jedoch nicht der gesamte Strom für die Umwandlung von PbSO ₄ in PbO ₂ und Pb aufgewendet. Ein Teil des Stroms wird unweigerlich für die Zersetzung von Wasser aufgewendet, das einen wesentlichen Teil des Elektrolyten ausmacht:

2H ₂ O = 2H ₂ + O ₂

Eine theoretische Berechnung ergibt für diese Reaktion einen Spannungswert von ca. 1,2V. Ich erinnere Sie daran, dass die Spannung an der Zelle, wenn die Ladung offensichtlich mehr als 2 V beträgt. Glücklicherweise beginnt sich aktives Wasser erst oberhalb von 2 V zu zersetzen, und in der Industrie, um daraus Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen, wird der Prozess überhaupt bei 2,1 bis 2,6 V (bei erhöhter Temperatur) durchgeführt. Wie dem auch sei, hier kommen wir zu dem Schluss, dass am Ende des Batterieladeprozesses der Prozess der Zersetzung von Wasser im Elektrolyten in Zellen unvermeidlich sein wird . Der entstehende Sauerstoff und Wasserstoff verschwinden einfach aus der Reaktionssphäre. Über sie existieren folgende Mythen:

1. Wasserstoff ist extrem explosiv! Laden Sie den Akku auf und verlieren Sie zumindest den Raum, in dem er sich befand!

Tatsächlich ist Wasserstoff beim Elektrolyseprozess im Vergleich zum Raumvolumen vernachlässigbar. Wasserstoff explodiert in einer Konzentration von 4% in Luft. Wenn wir davon ausgehen, dass die Elektrolyse in einem Raum mit einer Größe von 3 * 3 * 3 Metern oder 27 Metern Kubikmeter durchgeführt wird, müssen wir den Raum mit 27 * 0,04 = 1,1 Metern Kubikmeter füllen. Wasserstoff. Um diese Menge an H2 zu erhalten, wäre es notwendig, ca. 49 Mol Wasser oder 884 Gramm davon. Wenn jemand eine Elektrolyse beobachtet hat, wird er verstehen, wie viel dies ist. Oder versuchen Sie es mit der Zeit. Mit der Stromstärke beim Standardladen für große Batterien bei 6 A gibt die Faraday-Gleichung die Zeit an, die erforderlich ist, um diese Wasserstoffmenge zu erhalten, bereits 437 Stunden oder 18,2 Tage. Um den Raum bis zu einer explosiven Konzentration mit Wasserstoff zu füllen, müssen Sie das Laden für zweieinhalb Wochen vergessen! Aber selbst wenn dies geschieht, steigt die Schwefelsäurekonzentration einfach an, bis ihre Lösung einen zu hohen Widerstand für eine miserable 12-V-Aufladung erreicht und die Stromstärke vernachlässigbar wird. Und Wasserstoff wird einfach verschwinden.

Es ist sehr selten, dass Explosionen direkt in den Körpern großer Batterien auftreten, da der freigesetzte Wasserstoff aus irgendeinem Grund den begrenzten Raum nicht verlassen kann. Aber in diesem Fall gibt es nichts Schreckliches - meistens reicht eine Explosion nur für eine kleine Verformung des oberen Körperteils aus, nicht aber für das Brechen von Bleiverbindungen. Und der Akku kann auch nach solchen Schäden noch funktionieren.

2. Während der Elektrolyse kann sich tödlich giftiger und nicht weniger explosiver Schwefelwasserstoff bilden!

Nicht unser, der Mythos tauchte von Zeit zu Zeit in englischen Beiträgen auf. Theoretisch ist es natürlich möglich, eine so große Spannung anzulegen und so zu erzeugen ein so großer Strom, dass an der Kathode der Prozess der Reduktion des Sulfations beginnt. Die Spannung hierfür ist ausreichend, und die Rückgewinnungsprodukte haben keine Zeit, von der Elektrode weg zu diffundieren, und die Rückgewinnung wird weiter gehen. Eine Aufladung innerhalb eines Dutzend oder drei Volt und mit einer Strombegrenzung von 6A ist dazu jedoch kaum möglich. Einmal habe ich den Prozess der Reduktion von Sulfat zu SO _{2 beobachtet} , ja, es ist möglich; Klassenkameraden haben während des Experiments fälschlicherweise etwas falsch gemacht. Das ist aber sehr selten, weil dort war die Schwefelsäurekonzentration merklich höher als die in der Batterie verwendete, es gab ein anderes Design der Elektrode und ihres anderen Materials, und natürlich waren die Spannung und der Strom exorbitant. Und SO _{2 ist} nicht H ₂ S.

3. Während der Elektrolyse werden Arsen und Antimon aus dem Material der Gitter zu giftigem Arsin und Stibin reduziert!

In der Tat enthalten Gitter relativ viel Antimon, Arsen in modernen Gittern ist wahrscheinlich überhaupt nicht vorhanden. Wenn die Batterie in Betrieb ist, ist das Gitter, in dem die Wiederherstellung erfolgt, d.h. Kathode, kann nicht zerstört werden. Selbst in irgendeiner Weise stibine auffallen, würde er sofort mit PbSO4 interagieren und es zu Metall reduzieren.

Hier gibt es jedoch einige praktische Belästigungen. Gasförmiger Wasserstoff und Sauerstoff können Elektrolyttröpfchen mitreißen und ein Schwefelsäureaerosol erzeugen. Ein Aerosol aus Schwefelsäure, auch konzentriert, ist für eine Person nicht gefährlich und verursacht einfach einen Husten. Schwefelsäure ist jedoch ein Albtraum für Stoffe und Papier. Es ist sogar eine kleine Menge Schwefelsäure wert, um auf die Kleidung zu gelangen, und dort erscheinen Löcher, oder der Stoff platzt an dieser Stelle. In einer Woche, wenn es viel Säure gibt, in einem Monat, aber die Kleidung wird verfallen.

Es lohnt sich also nicht, sich aus Haushaltssicht über die Gasentwicklung Gedanken zu machen, oder es lohnt sich, aber Sie müssen sich auf das Schwefelsäureaerosol konzentrieren.

Das Wasser begann sich in Wasserstoff und Sauerstoff zu zersetzen, es wird im Elektrolyten immer weniger. Wie geht es weiter? Wenn es sich um eine Batterie handelt, in die der Elektrolyt einfach in Form einer Flüssigkeitsschicht gegossen wird, beginnt die Selbstentladung aufgrund einer Erhöhung der Schwefelsäurekonzentration zuzunehmen. Interessanterweise geht dies mit einem leichten Spannungsanstieg (Säurekonzentrationsanstieg) an der Zelle einher. Deshalb müssen Autobesitzer die Schwefelsäurekonzentration in ihren Batterien ständig überwachen (mit einem Hydrometer) und dort Wasser nachfüllen. Das Auffüllen des Wassers ist ein notwendiger Bestandteil des Wartungsprozesses einer Batterie. Bis auf einen ihrer Typen, und wir werden jetzt darüber sprechen.

Es ist sicherlich unpraktisch, eine Batterie zu haben, in der eine Schicht von Ätzmitteln, die in Bezug auf Metalle oder Flüssigkeiten baumelt, und daher seit langer Zeit Versuche unternommen wurden, die Flüssigkeit direkt loszuwerden, fast in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Es ist übrigens nicht so, dass die Schwefelsäureschicht direkt um die Elektroden spritzte. In der Realität ist es selbst in kostengünstigen Modellen gut zwischen den Elektroden und den sie umgebenden Separatoren verteilt. Die erste Option war also die Verwendung von Glasfaser. Es reicht aus, nur die Elektroden mit Glasfaser zu umgeben, die mit Schwefelsäure gesättigt ist, und die meisten Probleme werden gelöst. Dieser Batterietyp wird als AGM (absorbierende Glasmatte) bezeichnet und die überwiegende Mehrheit dieser Batterien für USV. Obwohl solche Batterien mit kleinem Formfaktor häufig als solche positioniert werden, die in jeder Position betrieben werden können, kann man dem nicht vollständig zustimmen. Das Öffnen der Abdeckung einer billigen AGM-Standardbatterie zeigt, dass dort keine speziellen Abdeckungen vorhanden sind und daher nur Kapillarkräfte verhindern, dass der Elektrolyt herausfließt. Ich bin mir fast sicher, dass nach nur einer Ladung Schwefelsäure unter Gasdruck aus der AGM-Batterie austritt.

Der zweite gebräuchliche Typ ist interessanter, dies ist der sogenannte Gel-Batterien. Und sie stellen sich dank der folgenden heraus. Wenn lösliche Silikate angesäuert werden, wird Kieselsäure freigesetzt:

Na ₂ SiO ₃ + H ₂ SO ₄ = Na ₂ SO ₄ + SiO ₂ + H ₂ O.

Wenn sich die anfängliche Silikatlösung in der Qualität nicht unterscheidet, wird Kieselsäure in Form einer Glasmasse freigesetzt. Wenn sie jedoch ausreichend rein ist, fällt Kieselsäure in Form eines schönen Stücks eines einheitlichen durchscheinenden Gels aus. Das Verfahren zur Herstellung von Gelbatterien basiert darauf - eine einfache Zugabe von Silikaten zum Elektrolyten bewirkt, dass dieser sich zu einer gelartigen Masse verfestigt. Dementsprechend gibt es von dort nichts zu lecken und die Batterie kann wirklich in jeder Position betrieben werden. Der Gelbildungsprozess selbst erhöht die Kapazität der Batterie nicht und verbessert nicht ihre Qualität. Die Hersteller verwenden sie jedoch bei der Herstellung von Modellen höchster Qualität. Daher sind diese Batterien von hoher Qualität und höherer Kapazität. Es ist interessant, dass in beiden Fällen der Elektrolytträger in der einen oder anderen Form SiO 2 ist.

Beide Batterietypen werden zu der prächtigen VRLA-Ventil-Blei-Säure-Batterie kombiniert, die in der USV verwendet wird. Formal gelten sie in jeder Position als wartungsfrei und ausnutzbar, dies ist jedoch nicht ganz richtig. Darüber hinaus haben viele bereits den Effekt festgestellt, dass buchstäblich ein paar ml Wasser eine scheinbar leere Batterie aus der USV zum Leben erwecken. Dies geschieht, weil diese Batterien nicht tropfengeschützt vor der Elektrolyse von Wasser im Elektrolyten sind und daher austrocknen. Alles passiert genauso wie bei großen Batterien. Die teuersten und kühlsten wartungsfreien Batterien enthalten jedoch einen Katalysator für die Rekombination der freigesetzten Gase zurück ins Wasser, und jetzt ist ihr Gehäuse wirklich vollständig dicht. Ich mache Sie darauf aufmerksam, dass AGM- und GEL-Batterien wirklich auslaufsicher und wartungsfrei sein können, aber möglicherweise auch keine Sauerstoff- und Wasserstoff-Rekombinationskatalysatoren enthalten. Dann muss der Benutzer trotz des scheinbar fortschrittlichen Designs entweder häufiger neue Batterien kaufen oder Wasser mit einer Spritze nachfüllen.

Ich möchte ein paar Worte zu den Entladungsmodi hinzufügen. Batteriehersteller geben an, welcher Strom für ein bestimmtes Modell maximal zulässig ist. Sie müssen jedoch verstehen, dass die Batterie nur eine Mischung aus Chemikalien ist und EMF ausschließlich auf chemischem Wege erzeugt wird. Dies ist kein Kondensator, der nach elektrohydraulischer Analogie mit einem bestimmten mechanischen Gefäß (mit einer flexiblen Membran) verglichen werden kann. Obwohl die Batterien sehr große Ströme erzeugen können, werden sie in der Realität am besten nur bei niedrigen Strömen verwendet, die entladen und geladen werden. USVs, die für kleine Batterieladungen ausgelegt sind, werden daher bei der Arbeit mit großen Batterien im schonendsten Modus aufgeladen. Jedoch weit weg von einem Tag. Es ist interessant zu beachten, dass der Hersteller umso mehr Batterien bevorzugt nacheinander sammelt, je höher die Leistung der USV ist. Hier ist alles logisch - große Entladeströme kleine Batterien halten sehr schlecht stand.

Zusammenfassend:

1. Kleine und große Batterien sind identisch aufgebaut.

2. Für die überwiegende Mehrheit der Batterien jeder Größe ist das Nachfüllen von Wasser ein notwendiger Bestandteil der routinemäßigen Wartung.

3. Nur wenige der teuren Batteriemodelle enthalten einen Gasrekombinationsmechanismus und können als wirklich wartungsfrei bezeichnet werden.

4. Der Wasserstoff an sich, der während eines Ladevorgangs (und dies entspricht einem konstanten Betrieb in der USV) einer Batterie freigesetzt wird, ist keine signifikante Bedrohung oder ein signifikantes Problem.

5. Sie müssen sehr vorsichtig mit der Batterie arbeiten und vermeiden, dass auch nur die kleinsten Tropfen Elektrolyt verschüttet werden oder dass Sie Ihre Kleidung verlieren.

6. Entladen und Laden mit geringen Strömen sind die am meisten bevorzugten Betriebsarten der Batterie.