"Радио Всем", №8, апрель, 1929 год, стр. 217-218

Свинцовые аккумуляторы и их болезни

Я. К.

Часто приходится слышать от радиолюбителей жалобы: «Тратишь столько денег на аккумулятор, а он так быстро портится». Многих из этих жалоб не было бы, если бы все радиолюбители ясно представляли себе сущность процессов, происходящих в аккумуляторах, и необходимость определенного ухода за ними для того, чтобы нормальное течение этих процессов не нарушалось. Объяснение этих процессов мы и попытаемся дать в предлагаемых статьях.

Аккумулятором мы называем такой источник тока, который способен возобновлять свою истощенную электрическую энергию, черпая ее у какого-нибудь внешнего источника электричества. Восстановление энергии аккумулятора выражается в накоплении на электродах продуктов электрического распада. В свинцовом аккумуляторе это накопление состоит в том, что отрицательная пластина (катод) по окончании зарядки будет покрыта губчатым металлическим свинцом, — массой серо-металлического вида, а положительная пластина (анод) покрыта перекисью свинца (Pb₂O₅)¹) черного цвета, нестойким (легко разрушающимся) веществом, обладающим большой электропроводностью. После нормального разряда электроды (анод и катод) имеют совершенно другой внешний вид и химический состав. Анод превращается из черного в бурый, состоящий из двуокиси свинца (PbO₂) с электропроводностью в 22 раза меньшей, чем у перекиси свинца (Pb₂O₅). На катоде же образуется слой темносерого почти черного цвета, так называемого недокислого сернокислого свинца, обладающего большой проводимостью.

Рис. 1.

Если мы построим кривые разряда и зарядки, при некотором одинаковом зарядном и разрядном токе аккумулятора, причем горизонтальная ось (рис. 1) указывает время в часах, а вертикальная — напряжение в вольтах, то мы увидим, что эти кривые не совпадают между собой и площадь между ними выражает потерю энергии на цикл зарядки и разряда. Площадь дает разность энергии, пропущенной через аккумулятор при зарядке и отданной им при разряде. Эта потерянная энергия составляет примерно 20—30% всей энергии, пропущенной через аккумулятор при зарядке.

Теперь мы попробуем выяснить вопрос: «а что же собственно происходит при зарядке и разряде? Какие химические процессы при этом совершаются в аккумуляторе?»

Французский ученый Фери сравнительно недавно внес в этот вопрос полную ясность. Заряженный свинцовый аккумулятор, — это система из губчатого свинца на катоде и перекиси свинца Pb₂O₅ на аноде, погруженная в раствор серной кислоты (рис. 2). При разряде происходит следующее: свинец на катоде разъедается серной кислотой и дает на нем слой недокислого сернокислого свинца. Водородный же ион кислоты (остаток кислоты после соединения ее со свинцом), освободившись, направляется к аноду, отнимает от перекиси часть кислорода и превращает ее в двуокись свинца (PbO₂), сам же дает воду (H₂O) (рис. 3). При зарядке, наоборот, водородный ион разлагающейся воды направляется к катоду и, отнимая «SO₄», восстанавливает металлический свинец, а сам дает серную кислоту. Кислородный же ион окисляет двуокись свинца PbO₂ на аноде в перекись Pb₂O₅ (рис. 2).

Рис. 2.	Рис. 3.

В этой части процесс разряда является нормальным и дает возможность легко вновь зарядить аккумулятор. Но если мы доведем разряд аккумулятора до напряжения ниже 1,85—1,80 в., то процесс разряда вступает в следующую стадию, протекающую очень быстро и ведущую в дальнейшем к большим трудностям при новой зарядке. Дело в том, что напряжение в 1,78 в. соответствует точке перелома, ниже которой невозможно существование соединения недокислого сернокислого свинца (Pb₂SO₄). Именно это соединение, как мы знаем, образуется на катоде при нормальном разряде аккумулятора. Если разность потенциалов между электродами падает ниже 1,85—1,80 в., то это значит, что соединение Pb₂SO₄ легко восстанавливающееся до металлического свинца, при зарядке, переходит в трудно растворимое, почти не проводящее, белого цвета соединение сернокислого свинца (PbSO₄). Этот процесс носит название «сульфации». Процесс этот гибельный для аккумулятора, так как ведет к необходимости удаления с электродов этого слоя сернокислого свинца, а следовательно, к уменьшению массы электродов, уменьшает продолжительность жизни аккумулятора и лишает процесс возобновления заряда аккумулятора присущей ему простоты.

Для лучшего уяснения процессов зарядки и разряда аккумуляторов приводим следующую таблицу.

Стадия	Зарядка	Разряд
	Занимает короткое время
1-я.	Разность потенциалов на пластинах поднимается до 2,1 вольт.	Сперва разность потенциалов быстро падает до 1,9 в.
	Занимает наибольшую часть
2-я.	Разность потенциалов медленно возрастает приблиз. до 2,2 в.	Разность потенциалов медленно убывает прибл. до 1,85 в.
	Занимает сравнительно небольшое время
3-я.	Разность потенциалов довольно быстро возрастает до 2,5—2,6 в.	Разность потенциалов быстро падает и стремится к нулю.

Мы специально довольно подробно освещаем процесс разряда, чтобы всем радиолюбителям стало ясно, что ни в коем случае нельзя доводить аккумуляторы до 3-й стадии разряда, т. е. до напряжения ниже 1,8 в. Чтобы закончить с теорией зарядки и разряда мы должны остановиться на влиянии саморазряда аккумуляторов. Свинцовый аккумулятор обычного типа даже при хорошем содержании теряет не менее 1% своего заряда в сутки. Аккумуляторы же загрязненные разряжаются гораздо быстрее. Современные аккумуляторы за месяц отдыха дают 40—60% потерь (в величине запасенной энергии).

После всего сказанного о причинах «сульфации» нам нетрудно будет разобраться и в явлении саморазряда. Все тот же исследователь Фери объясняет это явление следующим образом. Кислород воздуха растворяется в электролите аккумулятора (т. е. в растворе серной кислоты), обогащает верхние слои по сравнению с более глубоким, и благодаря этому непосредственно на катоде начинают протекать процессы, которые должны были бы иметь место при нормальном разряде с участием, содержащего кислород, анода. А именно: металлический свинец катода начинает разъедаться серной кислотой в присутствии кислорода, образовывая слой недокислого сернокислого свинца, а затем в последующей стадии этот процесс саморазряда становится уже губительным, образуя из Pb₂SO₄ соединение сернокислого свинца PbSO₄. Это соль белого цвета, известная всем, кто с грустью убеждается, что аккумулятор не работает из-за того, что оставили его c кислотой, но без периодической зарядки на долгий срок.

Рис. 4.

При таком объяснении явления саморазряда понятен предложенный тем же Фери новый метод расположения электродов в аккумуляторе. Он предложил катод класть горизонтально на дно аккумуляторного сосуда (рис. 4) и тем самым предохранить катод от действия кислорода вообще, и в особенности устранить указанный выше недостаток, именно, что при вертикальном положении катода он пересекает слои электролита с разным содержанием кислорода. Действительно, при горизонтальном положении катода на дне аккумуляторного сосуда скорость саморазряда во много раз уменьшается. Обычный аккумулятор теряет весь свой заряд в 4 месяца, а аккумулятор Фери с горизонтальным расположением катода к концу этого срока сохраняет до 83% своего прежнего заряда. Еще важно то, что этот последний аккумулятор, оставленный без зарядки даже на 2 года, удается вновь также просто зарядить и пустить в работу. Одним словом, Фери удалось, очевидно, во-первых, совершенно правильно объяснить процесс сульфации и, во-вторых, указать пути для уничтожения этой серьезнейшей болезни аккумуляторов — саморазряда.