Сульфатация аккумуляторов

Сульфатация аккумуляторов 

    Положительные пластины приобретают светло-коричневую окраску, на поверхности пластины возникают  белые пятна. Отрицательные пластины становятся беловато-серыми и набухают.

    Так как сульфат занимает значительно  больший объём, чем активная масса у не разряженных пластин, то с увеличением количества сульфата (когда не принимаются меры к его устранению) возникает выпучивание ячеек отрицательных пластин, а положительные пластины вследствие возникающих и неравномерно прогрессирующих механических напряжений внутри пластины начинают коробиться.

    Сульфатация аккумулятора вызывает значительное повышение  сопротивления активной массы пластин и, следовательно, общего сопротивления аккумулятора. Вследствие этого напряжение засульфатированного аккумулятора в начале заряда может повыситься даже до   3В и более при нормальном зарядном токе. При этом аккумулятор сразу начинает «кипеть».

    При очень глубокой сульфатации, когда  сульфат образует сплошную корку  на поверхности пластин, аккумулятор  может полностью потерять проводимость, поскольку сам сульфат – непроводник.

    Процесс сульфатации усугубляется, когда  несколько причин действуют одновременно. Рассмотрение возможных причин сульфатации начнем с тех, которые можно назвать внешними причинами. Это – температура, удаленный вес и уровень раствора серной кислоты в аккумуляторе. 

    Колебание температуры. На свинцовые аккумуляторы не столь вредное влияние оказывает пониженная или повышенная температура раствора серной кислоты (а следовательно, температура аккумулятора в целом), как ее колебание. Дело в том, что сульфат свинца обладает сравнительно малой растворимостью в растворе серной кислоты. Интенсивность этой растворимости сильно повышается вместе с ростом температуры. При повышении температуры часть сульфата, находящегося на пластинах, растворяется, а при последующем охлаждении сульфат начинает выпадать из раствора и оседать на пластинах. Выпадающий из раствора сульфат в основном будет оседать на тех местах поверхности пластин, где уже имеются мелкие частички кристаллического сульфата. При повторяющемся колебании температуры раствора этот процесс тоже будет повторяться, в результате чего мелкие частички сульфата будут постепенно превращаться в крупные кристаллы сернокислого свинца (сульфата), которые при обычном заряде не восстанавливаются. Емкость аккумулятора в этом случае понижается не только за счет уменьшения количества активной массы, которая принимала участие при разряде и заряде, а теперь, превратившись в крупно кристаллический сульфат, стала инертной. Емкость аккумулятора понижается также еще и потому что активная масса, лежащая под крупными кристаллами, не может принимать активного участия в реакциях, сопровождающих процессы заряда и разряда.

    Для процесса образования сульфата под  влиянием колебания температуры раствора характерно, что крупные кристаллы сульфата образуются медленно и не столько на поверхности пластин, сколько в глубине пор активной массы. Это особенно вредно отражается на положительных пластинах, износ которых в связи с этим ускоряется. 

    Повышенная плотность раствора серной кислоты. Между тем в некоторых случаях обслуживающий персонал при обнаружении аккумуляторов с пониженной плотностью раствора серной кислоты, не задумываясь над причинами такого понижения, доливает в аккумулятор раствор серной кислоты вместо воды. Этого делать нельзя, так как понижение удельного веса раствора у некоторых аккумуляторов чаще всего связано с явлением частичной сульфатации и требует не доливки раствора серной кислоты, а лечения аккумулятора – устранения начавшейся сульфатации.

    При очередном уравнительном или  контрольном разряде у такого аккумулятора плотность раствора серной кислоты обычно оказывается значительно  выше, чем у других аккумуляторов.

    Присутствие чрезмерно большого количества сульфата препятствует нормальной диффузии раствора серной кислоты, возникает неравномерность в распределении сульфата в слое активной массы пластин и нормальное восстановление его при последующем заряде не достигается. 

    Пониженный  уровень раствора серной кислоты в  аккумуляторах. Раствор серной кислоты должен всегда покрывать пластины так, чтобы их верхняя часть не оголялась. Если вследствие недосмотра или течи аккумуляторного сосуда уровень раствора серной кислоты длительное время понизится настолько, что верхняя часть пластин окажется на открытом воздухе, то эта часть пластины через некоторое время может прийти в негодность вследствие глубокого саморазряда (сульфатации), а затем под влиянием оставшейся в порах серной кислоты может просто подвергнуться разрушению.

    Если  пребывание части пластины на воздухе было кратковременным, то после доливки воды до нормального уровня такие пластины можно привести в нормальное состояние. При длительном нахождении на воздухе особенно страдают минусовые пластины, активная масса которых превращается в жидкую кашицу, выползающую через перфорацию и падающую на дно сосуда.

    Длительное  пребывание аккумуляторов в разряженном  или недозаряженном состоянии. Заряд  разряженных аккумуляторов необходимо начать не позднее как через 12 и  в крайнем случае 24 ч после окончания разряда.

    Но  если разряженные на 50% или, тем более, полностью разряженные аккумуляторы оставлять долгое время без заряда, то возникает сульфатация аккумуляторов. Особенно интенсивен процесс сульфатации губчатого свинца у отрицательных пластин. Здесь множество мельчайших частичек этого свинца (неиспользованного при разряде) вследствие большой поверхности соприкосновения с кислотой постепенно сульфатируются. При этом происходит внешне малозаметное выделение водорода. Чем выше температура и плотность раствора серной кислоты, тем этот процесс протекает с большей интенсивностью. В глубине пор активной массы пластин кристаллы сульфата растут. Из мелкозернистого он превращается все больше в крупнокристаллический, почти не поддающийся восстановлению при последующих нормальных зарядах.

    Глубокая  сульфатация, в результате которой аккумуляторы потеряли от 40 до 50% своей номинальной емкости, имела место на ряде аккумуляторных установок предприятий электросвязи вследствие систематического недозаряда аккумуляторов, работающих в режиме постоянного подзаряда. Дело в том, что на этих установках наблюдалось частое прекращение подачи электроэнергии из электросети. Это каждый раз приводило к выключению буферного выпрямительного устройства, из-за чего нагрузку на себя принимала буферная аккумуляторная батарея.

    Батарея, естественно, при этом частично разряжалась. С появлением напряжения в сети начинало работать буферное выпрямительное устройство, которое поддерживало на аккумуляторах  напряжение порядка 2,13 – 2,15В.

    При возобновлении буферной работы напряжение на батарее обслуживающий персонал не повышал, и аккумуляторная батарея, несколько разрядившаяся (перерывы в подаче энергии чаще были не очень длительными), получала заряд током, который сравнительно быстро уменьшал свою величину.

    Батарея могла бы в конце концов восстановить полностью отданную во время аварийного разряда емкость, если бы для этого  было предоставлено время. Но в действительности она не получала полного заряда, так как по истечении короткого времени возникал опять перерыв в подаче электроэнергии из сети. Выпрямитель, вновь переставав работать, и батарея опять сама питала аппаратуру, работая в режиме разряда. Когда работа буферного выпрямителя возобновлялась, батарея получала некоторый подзаряд, но, не успев зарядиться до конца, ей приходилось вновь разряжаться на нагрузку. Таким образом, батарея почти все время находилась в недозаряженном состоянии. Длительное же, исчисляемое месяцами, пребывание аккумуляторов не только в разряженном, но и в недозаряженном состоянии, ведет к потере емкости из-за возникновения крупнокристаллического сульфата в активной массе пластин обеих полярностей.

    Уместно будет помнить то, что после  любого разряда глубокого или  не глубокого, кратковременного, но большим  током или же длительного малым током – при всех       условиях батарея должна быть заряжена, чтобы получить полное восстановление не должна подвергаться вновь существенным разрядам.

    Длительное  пребывание аккумуляторов в разряженном  состоянии по своим результатам  подобно состоянию, когда аккумуляторы получают систематические недозаряды. У недозаряженного аккумулятора остается в активной массе некоторое количество сульфата свинца. Если недозаряды будут повторяться при каждом заряде, то кристаллы сульфата по своей величине и по количеству будут непрерывно расти. Бороться с недозарядами легко – надо соблюдать важнейшее для аккумуляторов правило: заряд аккумуляторов должен быть полным и должен проверяться по всем признакам – по количеству полученной при разряде и возвращенной при заряде емкости (с учетом коэффициента отдачи), по длительному постоянству напряжения и плотности раствора электролита в конце заряда, а когда заряд ведется до напряжений выше 2,4 В на аккумулятор еще и по равномерному газированию («кипению») пластин обеих полярностей. 

    Частые глубокие разряды. На основании экспериментальных данных определены величины емкости, которые можно снять с аккумулятора при разряде током разной    величины. Это одна из основных электрических характеристик свинцового аккумулятора. Второй важный показатель – это конечное напряжение при разряде. Для режимов более длинных (меньший ток разряда) конечное напряжение выше (1,8 В), а для режимов коротких оно ниже (1,75 В) при нормальной плотности и температуре раствора серной кислоты. Эти данные в настоящее время введены в ГОСТ 825 – 61 с указанием, применительно к каким температурам и плотностям раствора серной кислоты они определены.

    При повышенных разрядных токах напряжение в большей степени, чем при  обычных режимах разряда, зависит от температуры и плотности раствора серной кислоты.

    При эксплуатации аккумуляторов в режиме заряд – разряд наилучшие результаты для предохранения аккумуляторов  от сульфатации получают, если снимается  с них систематически емкость  не превышает 75 – 80% от номинальной.

    У аккумуляторной батареи, используемой в буферном режиме, емкость должна быть по возможности скорее восстановлена и батарея тут же переводится в режим заряда. 

    Частые  заряды током большой  величины. При заряде аккумуляторов током большой величины не весь сульфат на пластинах успевает разложиться, потому что электрохимические реакции тем и отличаются, что они требуют определенного (и по сравнению с обычными химическими реакциями довольно большого) времени для их осуществления. При большой силе зарядного тока признаки конца заряда (постоянство напряжения и удельного веса раствора серной кислоты) могут наступить до того, как закончится полное восстановление сульфата на пластинах обеих полярностей.

    В порах активной массы пластин  при больших зарядных токах сильно и интенсивно повышается плотность раствора серной кислоты. В концентрированном растворе сульфат, не разлагаясь, легко растворяется, а при последующем разряде в связи с уменьшением его концентрации в порах сульфат выпадает из раствора в виде кристаллов, которые при обычном заряде не переходят в губчатый свинец и двуокись свинца. Таким образом, количество активной массы уменьшается, емкость аккумулятора тоже. Интенсивности протекания этих вредных для аккумулятора процессов способствует и то, что при заряде большими токами температура аккумулятора повышается значительно больше, чем при разряде токами той же величины. 

    Способы устранения сульфатации. Дело в том, что при нормальной плотности раствора серной кислоты растворимость сульфата очень мала. Но если плотность раствора серной кислоты почему-либо повышена, например, если в аккумулятор доливают не воду, а раствор кислоты (к этому иногда неосмотрительно прибегает обслуживающий персонал, чтобы «подогнать» отстающий аккумулятор, не выяснив предварительно причин ненормального понижения плотности раствора), то растворимость сульфата возрастет. Особенно резко возрастает такая растворимость при повышении температуры раствора серной кислоты. Последующее снижение температуры аккумулятора вызывает выпадение сульфата из раствора в виде сравнительно крупных кристаллов. При повторении таких колебаний температуры процесс сульфатации аккумуляторных пластин будет прогрессировать.

    Для того чтобы предупредить в этих условиях образование большого количества сульфата, устранение которого потребовало бы специальных мер, лучше практиковать регулярно проводимые в порядке профилактики уравнительные заряды.

    Устранение  ненормальной сульфатации посредством  перезаряда аккумуляторов слабым током. Аккумуляторы, которые надо лечить, чтобы устранить ненормальную сульфатацию, должны быть предварительно тщательно обследованы для установления того, что причина сульфатации не в загрязнении раствора серной кислоты. Иначе все описываемые способы устранения сульфатации могут оказаться безрезультатными, а вся проделанная работа, которая требует много сил и большого времени, напрасной.

    Ненормальная  сульфатация сопровождается перекристаллизацией мелкозернистого, рассредоточенного по всей активной массе сульфата в кристаллы крупной величины. При заряде аккумулятора первым этапом является переход сульфата из пластин в раствор, где уже он подвергается химическому разложению. Интенсивное растворение тем слабее, чем меньше поверхность кристаллов по сравнению с их массой. В связи с этим переход сульфата в раствор и, следовательно, сам процесс десульфатации – это процесс относительно медленный, и потому его надо вести, посылая в аккумулятор очень длительное время (исчисляемое многими сутками) ток небольшой величины. 

    Короткое  замыкание в аккумуляторах. Короткое замыкание в аккумуляторах - это электрическое соединение пластин разной полярности. Короткое замыкание может быть непосредственным и может возникнуть в результате электрического соединения разнополюсных пластин посредством какого-либо постороннего проводящего тела. Если короткое замыкание сильное, то может обнаружиться нагревание отводов у отдельных пластин.

    Во  время разряда у аккумулятора, имеющего короткое замыкание, напряжение пониженное и в процессе разряда  величина его продолжает снижаться  быстрее, чем у других аккумуляторов, а конечное напряжение, соответствующее данному режиму разряда, наступает к моменту, когда у других аккумуляторов оно еще намного выше предельно допустимого значения. Если продолжать разряд аккумулятора с коротким замыканием, то напряжение может понизиться до нуля. Температура раствора серной кислоты может быть повышенная.

    При заряде аккумулятора, имеющего короткое замыкание, наблюдается пониженное напряжение, которое растет слабо или совсем не растет, удельный вес раствора серной кислоты повышается медленнее, чем у других аккумуляторов. К концу заряда батареи, когда все ее аккумуляторы интенсивно «кипят» (при заряде до напряжений, превышающих – 2,4 В), у аккумулятора с коротким замыканием выделение газов может быть очень слабым или отсутствовать совсем. Как и при всех ранее упомянутых состояниях (покой, разряд), так и при заряде температура раствора обычно несколько повышена. 

    Коробление  пластин. Короткие замыкания, возникающие вследствие коробления пластин и через шлам, сильно повреждают аккумуляторы, поэтому следует подробнее остановиться на причинах их возникновения и способах устранения.

    Короткое  замыкание возникает при сильном короблении положительных пластин. Покоробившаяся пластина вызывает столь сильное давление на сепарацию, что она разрушается и не препятствует уже непосредственному соединению разнополюсных пластин. Надо сказать, что это одно из наиболее трудно устранимых коротких замыканий. 

    Аккумуляторный  шлам. Небольшой осадок, который может тонким слоем покрывать дно аккумуляторного сосуда, вполне допустим, и состоит чаще всего из двуокиси свинца с примесью сульфата. Неправильно организованный режим эксплуатации и плохой уход могут вызвать образование непомерно высокого слоя шлама. Причинами этого могут быть сильные и частые перезаряды, чрезмерно глубокие разряды, короткие замыкания, повышенная сульфатация, загрязненность раствора серной кислоты. Действие этих явлений проявляется в ускорении отпадания активной массы пластин, и особенно у положительных. 

    Переполюсовка аккумуляторов. Переполюсовка отдельных аккумуляторов, входящих в состав данной батареи, возможна в том случае, когда эти аккумуляторы обладают значительно меньшей емкостью, чем все остальные. Это так называемые «отстающие» аккумуляторы, не доведенные до нормы (например, частично засульфатированные аккумуляторы, аккумуляторы с более холодным раствором серной кислоты). В процессе разряда напряжение у таких аккумуляторов понижается быстрее и может достигнуть нуля.

    При продолжающемся разряде батареи  разрядный ток, проходящий через эти аккумуляторы, уже становится для них зарядным током, но он заряжает их в обратном направлении. Положительные пластины становятся отрицательными, а отрицательные пластины – положительными.

    В процессе такой переполюсовки в  активной массе пластин обеих полярностей создаются короткозамкнутые элементы. Объем активных масс сильно увеличивается. У отрицательных пластин вследствие этого ячейки сильно набухают. Это может привести к разрыву тонкой свинцовой сетки, которая формируется, теряет прочность и приобретает коричневую окраску.

    Если  понижение емкости отдельных  аккумуляторов замечено рано, то можно  не допустить переполюсовки. Переполюсовка возникает только тогда, когда обслуживающий персонал не замечает чрезмерного понижения (ниже, например, 1,75 В) напряжения на отдельных аккумуляторах во время разряда на нагрузку. Если своевременно прекратить прохождение тока через такие аккумуляторы, то переполюсовка не наступит.

    Если  переполюсовка уже произошла, то аккумулятор надо тщательно обследовать, чтобы устранить замеченные ненормальности и определить состояние пластин обеих полярностей.