Қорғасын аккумляторлары

Қорғасын аккумляторлары

Қорғасын аккумляторлары екіншілік тоқ көзі ретінде кең сұранысқа ие. Электрлік және эксплуатациялық параметрлерінің әртүрлілігі тағайындалуына байланысты электродтық пластина конструкциясы мен технологиялық  ерекшеліктерімен қамтамасыз етіледі. Қоспалы пластиналар мен кеңінен қолданылатын стартерлі аккумляторлар ұсынылған зертханалық жұмыста зерттеледі.

Электродтардың электрохимиялық және эксплуатациялық қасиеттері олардың дайындалу технологиясына тәуелді. Пасталық пластиналармен жаншылатын стартерлі батареялардың көпшілігі қазіргі кезде тұрақтылығымен ерекшеленетін ұнтақты технология бойынша дайындалады. Паста дайындау үшін бастапқы шикізат рөлін  жұқа дисперсті тотыққан қорғасын ұнтағы атқарады, оның құрамында 60-75 % PbO , сондай ақ тығыздығы 1,20-1,40г /см3 H2SO4 ерітіндісі және су  бар.  Пастадағы компоненттердің өзара әрекеттесуі нәтижесінде үшнегізді қорғасын сульфаты, сонымен қатар PbO қабатымен қапталған және сырты 3PbO•PbSO4 • H2O пастасының бөлшектері түзіледі.

Тек қана оң пластинаға сәйкес сурико –глетті технология өзінің мағынасын жоғалтқан жоқ; масса бойынша 1:1 қатынастағы сурик және глет қоспасынан паста дайындалады. Сонымен қатар ( 1:2) қорғасын ұнтағы мен сурико қоспасы қолданылады. Екі жағдайда да технологиялардың артықшылығы бәрінінен бұрын пластинаны формалау сатысында байқалады, яғни қорғасынның жоғары тотығуы мен пастаның жоғары электрөткізгіштігінің қысқаруы айтарлықтай байқалады.

Оң және теріс пластиналардың формалау ұзақтығы өлшемділігіне байланысты қойылады. Электродты пластиналарды формалауды бірге өндірген тиімді.

Әр элементарлық жағдайға ( қорғасын екі валенттіден металдық күйге дейін катодтық тотықсыздануы және оның қорғасынның диоксидіне дейін анодты тотығуы) қарамастан екі белгідегі пластиналарды формалау процесі күрделілігімен және аралық сатының қосылуымен ерекшеленеді. Соның ішінде теріс электрод үшін маңыздысын сумен өзара әсерлесетін PbO және 3PbO•PbSO4 • H2O реакциясы құрайды:

PbO + H2O→Pb2+ + 2OH- ,

3PbO•PbSO4 • H2O + 2 H2O→4 Pb 2+ + SO42- + 6OH-,

Pb 2+ Pb дейін катодтық тотықсыздану сәйкесінше Pb 2+ +2e‒→Pb реакциясы бойынша, сонымен қатар қышқылдағы тұздың еріткіштігімен PbSO4 түзілуі арқылы өтеді.

Электродтық құрылымы, сонымен қатар өз кезегінде бастапқы активті массаның фазалық құрамына және формалау шарттарына әсер ететін қасиеті аралық реакцияның жылдамдығының қатнасына қатты тәуелді.

Бірініші сатыда оң пластиналарды формалау кезінде PbSO4 құрылымымен күкірт қышқылымен қорғасын оксидінің және үшнегізді қорғасын сульфатының өзара әрекеттесуі болады, сонымен қатар PbO және 3PbO•PbSO4 • H2O біртіндеп қорғасын диоксидіне дейін электртотығуы жүреді. Екінші сатысында PbSO4 PbO2 дейін анодты тотығады. Процесс PbO2 полиморфизм әсерінен күрделенеді: PbO2 α және β түзілуі параллельді өтеді, бірақ олардың пластина қалыңдығы мен бетіндегі қатнасы біркелкі емес және пастаның бастапқы құрамы мен басқа да факторларға байланысты формалау шартына тәуелді.

Формалаудың максималды эффективтілігіне 1,07 – 1,15 г/см3 тығыздықтағы H2SO4 ерітіндісімен пластиналардың қалыңдығына байланысты қолдану, 30-600С температурада,  20 А/м2 ток тығыздығы қолдану кезінде жетеді, бірақ бұл процестің аз жылдамдығы кезінде өндіріс шарттарына қолданады. Сондықтан формалаудың сатылы режимі көп қолданылады.

Бірінші сатыдағы ток тығыздығын 200 А/м2 және одан да жоғары құрайды, содан кейін формалаудың үш және төрт сатылы екіншлік өңделетін режимі түсіреді.

Жұмыстың мақсаты – стартерлі қорғасын аккумляторларының пасталық пластиналардың жасалуының принципиалды технологиялық схемаларымен танысу; разрядау және формалау жағдайындағы зарядты разрядты электрлік сипаттамаларын алу, сонымен қатар активті массалардың қолдану коэффициентін табу, аккумляторлардың разрядталу кезінде күкірт қышқылының концентрацияларының кернеу мен сыйымдылыққа әсерін анықтау. Берілген шарт бойынша зерттеу барысында қорғасын аккумляторларының бір немесе бірнеше макетін дайындау жұмыс нұсқаларының қатарының құрамына кіреді.

Жұмыс жүргізу әдістемесі

Жұмыс үш сатыдан тұрады: пластина дайындау, пластинаны формалау және аккумлятордың жиналған макетін сынау.

Электродтық пластина дайындау. Қорғасын аккумляторының электродты блок макеті екі теріс және бір оң электродтан тұрады. Оны дайындау үшін қорғасын торының жиынтығы және пастаның бастапқы компонентін қолданады. Қорғасын күшән құймаларынан  құйылған ( 5% Sb ), 8x4,5 см өлшемді торлардың  12-18 ұяшығы бар; осыдан да ұсағырақ ұяшықты торларды қолдануға болады. Оң электродты торлардың қалыңдығы 0,2  см , теріс- 0,12 см. Пластина торларын дайындар алдында әр белгіні өлшеу қажет. Оң электродты пластинаны дайындаумен басталады.

Пастаны фарфорлы чашкада таңдалынып алынған жұмыс нұсқасы бойынша рецептпен дайындайды. Пастаның компоненттерін біркелкі жағдайға келгенше мұқият араластырады. Содан соң пластинаға жағады;  бұл орерация өндіріс жағдайында конвейер құрамына кіретін жаққыш машинамен жүзеге асырылады. Ол үшін торды пасталау кезінде ылғалды өзіне сіңіретін тығыз емес қағазбен жабылған  шыныға қояды. Пастаны активті масса мен тор талшықтарның арасында саңылау қалмау үшін шпательмен жоғарыдағыдай тәсілмен жағады. Пластинаның басқа бетінде қалған ақауларды жою үшін торды айналдырып, шпательмен жөндейді. 

Содан соң пластинаның бетін резеңкелі валиктің көмегімен тегістейді және активті массаны қосымша тығыздайды. Пастаның тығыздалуымен қатар ылғалдың жойылуы бірге жүреді. Бұл кезде қағазға жаңа оралған пластина тығыз матаның немесе шұға бөлшегінің бетінде жату керек. Бұл операция заводта прокаттау немес нығыздау машиналарының көмегімен өндірілетін,  өндірістік икемдеуге немесе платинаны нығыздауға ұқсайды.

Ұнтақ тәрізді қорғасын және оның оксиді улы екенін естен шығармаған жөн.

Сол себепті ұнтақтармен және пасталармен жүргізілетін операциялардың барлығы тартқыш шкафта жүргізіледі. Пастаның қалдықтарын арнайы ыдыстарға жинайды. Бұл жұмысты орындап болған соң қолды міндетті түрде мұқият жуу қажет, ал жұмыс орнын ылғалды шүберекпен ұнтақтың қалдықтарын толығымен сүрту қажет.

Ұнтақты технология тәсілімен өндірілген пластиналарды міндетті түрде 20 минут бойы 130 0 С- кептіру қажет, ал егер температура 60-70 0 С болса, 1 сағаттан кем емес кептіреміз. Кептіру барысында паста шытынамау және отыру салдарынан талшықтан ауып кетпеу үшін пластинаны тығыздығы 1,05 г/см3 аммоний карбонаты ерітіндісімен толығымен өңдейді. Пластинаны 40-60 секундқа ерітіндіге салады, нәтижесінде активті масса бетінде келесі реакциядағындай  10-30 мкм қалыңдықтағы қорғасын карбонатының қабаты түзіледі.

PbO + ( NH4)2 CO3→PbCO3 + NH3 + H2O

Егер активті массаны сурико глетті технологиямен дайындаса, пластинаны кептімейді, себебі активті массаның бөліктері формалау кезінде торлардан үгітіліп кетеді.  Дайын пластинаны өлшейді және оны тығыздығы 1,15 г/см3 күкірт қышқылы ерітіндісінде араластырады. Бұл мақсатта  бочканы қолданған жөн, себебі кейіннен пластиналар формаланады.

Теріс электродты пастаны дайындау технологиясы , пластина жағу сияқты, жоғарыда көрсетілген оң пластинаға ұқсас.

Пастамен жұмыс жасау кезінде қауіпсіздік шаралары да ұқсас болып келеді.

Пастамен жұмыс істеу кезінде қауіпсіздік шараларын сақтау керек. Біркелкі пасталанған және жақсы тығыздалған пластиналарды кептірмеуге болады. Өлшеуден кейін оны сульфатация мен кейінгі фомалау сіңірілуі үшін күбіге батырады.

Пластиналарды формалау. Жұмыста аккумлятор өндірісінде кең қолданылатын оң және теріс пластиналарды бірге формалау әдісі қолданылады.

Формалауды бастағанға дейін жаңа дайындалған пластиналар 1 сағат (тоқсыз) электролитте ұсталу қажет. Бұл жұмысты атқару күкірт қышқылымен реакция нәтижесіндегі қорғасын оксиді мүмкіндігінше үшнегізді қорғасын сульфатына келесі реакция бойынша толығымен өтеді:

4 PbO+H2SO4 →3 PbO∙PbSO4∙H2O

Кейіннен анодтық поляризация кезінде қорғасын сульфаты қорғасын диоксидіне дейін тотығады ( оң электродта формалау) және катодтық поляризация кезінде кеуекті қорғасынға дейін тотықсызданады ( теріс электродта формалау)

Формалау режимі жұмыс нұсқасымен анықталады.  Формалау жолында электрод потенциалы сияқты ұяшықтағы жалпы кернеу де өлшенеді.

«Кернеу-уақыт» тәуелділігін алу үшін тіркегіш вольтметр қолданылады.

Электрод потенциалын жоғары омды вольтметр көмегімен кадмий электродына қатысты салыстырмалы түрде өлшеу қабылданған. Кадмийлі электрод өзекше түрде болады, яғни бір-бірінен бірнеше ара қашықтықтарына төсемемен оралған жіңішке резеңкелі сақина кигізілген. Мұндай құрылғы салыстырмалы  электродқа қауіпсіз аз тұйықталуды (замыкание) тудыратын оны тығыз қысылған  пластина кеңістігіне потенциалды өлшеуге мүмкіндік береді, сонымен қатар электродтың ара қашықытығын үнемі қамтамасыз етеді.

Мұндай әдіспен потенциалды өлшеу дәлдігі үлкен емес, яғни кадмий электроды сияқты толығымен күкірт қышқылына айналмаған (Е= - 0,40 В ). Дегенмен бұл жағдайда, қорғасын аккумляторын эксплуатациялау кезіндегі сияқты, бірнеше өлшеу қателігінің болуы маңызды емес. Кадмий электродының өлшеу аралығы үзілісінде күкірт  қышқылының сол концентрациясы сақталады.

Потенциал өлшеу жиілігі есеппен процестің жалғасуымен анықталады, яғни «потенциал-уақыт » қисығында 10-12 нүкте  түсірілгенше. Өлшеу аралығы бірдей болмауы мүмкін, олар «потенциал-уақыт » қисығының сипаттамсына байланысты, өздігінен жазылатын диаграмма лентасында сызылған: қаншалықты кернеу өгерсе, соншалықты потенциал жиі өлшенеді.

Формалау жолында электрод ара қашықтығы бірдей болуы керек. Сонымен қатар параллельді жалғасқан теріс платинамен жалғасу сымының сенімді болуын қамтамасыздандыру маңызды. Осы және басқа да жағдайлар электрод аралығында ток таралуына және пластиналарды формалаудың біркелкі сатысын анықтауға тікелей әсер етеді. Аяқталғаннан соң пластинаның сыртқы түрі бойынша шешім шығаруға болады: оң пластина біркелкі тұйық қоңыр, ал теріс пластина- сұр болуы керек.

Сонымен қатар « оң электрод потенциалы-уақыт » қисығында оттектің анодтық түзілуіне жауап беретін горизантальды аудан пайда болу қажет. Екі пластинада энергиялық газ бөліну формалауды аяқтаудың сенімді белгісін атқара алмайды, оттек пен сутек күшейтілген заряд шартындағы сияқты  процесс соңына дейін біраз уақыт ұзақ жылдамдықпен түзіледі. Формалау мәндері жазып алынады.

Пластинаны формалау кезінде электролит бетіндегі газ бөліну нәтижесінен қышқыл тұман түзіледі. Ол күкірт қышқылының ұсақ тамшыларынан құралады. Қышқыл тұманды төмендету үшін электродқа көбіктүзгіш қосады, мысалы сұйық сульфат –спиртті концентратының 1,10 г/см3 тығыздыққа дейінгі сумен араластырылған. Қалыпты жұмыс жағдайын қамтамасыз ету үшін бак тарқыш шкафта болуы шарт.

Аккумлятор макетін сынау және жинау.

Формлаудан соң электродтық пластиналарды бактан алады және электролитті ағызып жібереді. Содан соң оларды жумастан және кептірместен электрод блогын жинайды. Оң пластинаны ортаға орналастырады, мипорлы және мипласты сепараторларды электродтың арасына тегіс беттік теріс пластинаға орналастырады. Блокты резеңкелі сақинамен бекітіп, тығыздығы 1,28 г/см3 болатын күкірт ышқылына толтырылған аккумляторлық ыдысқа түсіріледі. Бұл операциялардың барлығы кеуекті қорғасынның тотығуын болдырмауүшін нақты және жылдамдығын жоғалтусыз жүргізілуі керек. Осындай тәсілмен жиналған аккумлятор макетін сәйкес жұмыс нұсқасында келтірілген тоқ тығыздығында разрядтайды. Разрядталған кернеу өздігінен жазатын вольтметр лентасында тіркеледі.

Макетті разрядтау кезіндегі соңғы кернеу 1,60 В, оның кернеуі 1,75 В болатын өндірістік үлгідегі қорғасын стартерлі батареясына қарағанда төменірек.

Разрядтау аяқталғаннан соң әр электродтың активті заттарының пайдалану коэффициенті анықталады. Бұл мақсатпен әр белгідегі торға жағылған ативті массадан бастап пластинаның теориялық сыйымдылығы анықталады.

Акумлятордың фактілік разрядтау сыйымдылығының электродтың теориялық сыйымдылығындағы қатнасы ізделетін аумақты береді. Есептеуге қажетті мәндер 2 кестеге енгізіледі.

2 кесте. Электодтың активті  массасын есептеуге қажетті берілген  мәндер.

Белгілер: 1-оң пластика; 2- теріс пластина.

Төменде көрсетілетін үш варианттың біреуімен орындалады. Бірінші, аралсқан технологиямен пластина дайындайтын барынша қысқа нұсқа келтірілген, сонымен қатар формалаудың жылдамдатылған режимі. Активті массаның пайдалану коэффициенті бұл жағдайда төменірек. Екінші нұсқа жалғыз ұнтақты технологияны және қазіргі заманауи технологияға жақындайтындай формалау режимінің ұзақтығы бойынша орташа болатын технологияны қарастырады.Бұл нұсқадағы жұмысты орындау үшін көп уақыт қажет. Үшінші нұсқаға сәйкес үш аккумлятор макетін дайындау қажет, яғни оның электрлік қаситетіне электролит концентрациясының әсерін сезу үшін. Бұл нұсқа уақыт бойынша ұзақ болып саналады. Жұмыс нұсқаға сәйкес 2-3 күнге есептелген.

І нұсқа. Араласқан технология бойынша дайындалған аккумлятор макетін жылдамдата сынау.

Жұмыс мазмұнына кіреді: оң электрод үшін сурико-глетті технологияны қолданумен қорғасын аккумляторының макетін дайындау және теріс үшін – ұнтақты технология; электордтың жылдамдатылған  фомалауы; жылдамдатылған режим тогында жиналған макет разряды.

Оң электордта дайындалған пастаның құрамы:

1:1 қатнастағы сурика глетті  қоспа                                50 г

H2SO4 ( тығыздығы 1,20 г/см3)                                        6 см3

Суды араласқан пастаға оған қалыпты консистенция бергенге дейін ақырындап қосады- паста бар мүмкіндігінше жетерліктей жабысқақ және қатты қою болмау керек.

Сонымен қатар үшкомпонентті пастаға, яғни жылдам формалануымен ерекшеленуімен қызығушылық танытады ( Pb3O4  - 45 %, PbO -45 %, қорғасын ұнтағы - 10% ).

Екі теріс пластина дайындау үшін пластинаның құрамы:

Қорғасын ұнтағы                                                                   50 г

BaSO4                                                                                      0,3 г

Малма (дубитель)  БНФ                                                        0,2 г

H2SO4 ( тығыздығы 1,20 г/см3)                                             6 см3