Die elektromotorische Kraft einer Batterie ist EMF. Batterie ems. Elektromotorische Kraft der Batterie

Ich spreche Kuvalda meinen aufrichtigen Dank aus (Kuvalda.spb.ru Evgeniy Yuryevich Ushkalov)
dass du mich unterstützt und ermutigt hast: die alten Zeiten abzuschütteln, mich zu erinnern,
dass ich schließlich Physiker und Chemiker bin, und um das Alte aufzugreifen:

Zunächst halte ich es für meine Pflicht, darauf hinzuweisen, dass die nachstehenden Überlegungen (trotz meiner Bemühungen) auf Grundlagenwissenschaften basieren und daher noch einiger Mühe zum Verständnis bedürfen. Wer sich diese Mühen nicht machen möchte, sowie wer Spannung und Kapazität verwechselt, dem sei die Lektüre nicht empfohlen – pass auf dich auf!

Aus Gründen der Klarheit der Darstellung und um den Text nicht mit zu komplexen Konzepten der Thermodynamik und chemischen Kinetik zu überladen, die weit über den Rahmen allgemeiner Lehrveranstaltungen in Physik und Chemie an technischen Universitäten hinausgehen, erlaube ich mir einige (in jedem Fall richtige) Vereinfachungen ), was (auf keinen Fall) der Wahrheit widersprechen wird - ich entschuldige mich im Voraus bei den Perfektionisten. Genaue Berechnungen kann jeder selbst durchführen – die gesamte notwendige Literatur ist in jeder wissenschaftlichen und technischen Bibliothek verfügbar

Verwirrung

Meine Diskussionen auf den Seiten der UAZ-Konferenz haben deutlich gezeigt, dass nicht alle Teilnehmer an der Motorisierung des Landes klar verstehen, was eine Batterie ist. Um es richtig zu verstehen, werde ich versuchen, die Konzepte zu definieren, mit denen ich mich befassen werde.

Batterie

Ein Satz von sechs in Reihe geschalteten Zellen (Dosen). Im Text werden die Wörter „Batterie“ und „Batterie“ synonym verwendet.
Eine Zelle, auch „Glas“ genannt, ist ein elementares Element einer Batterie, bestehend aus mindestens (tatsächlich mehr als 10) einem Paar aktiver Pb-PbO2-Platten, die mit Elektrolyt gefüllt sind.

Stromspannung

Was wird an den Batteriepolen gemessen, indem ein Tester oder ein Spannungsmesser angeschlossen wird? Armaturenbrett. Ausschließlich äußeres Merkmal. Hängt von vielen Faktoren ab, sowohl außerhalb der Batterie als auch intern.

Im Allgemeinen ist die Spannung der einzige normalerweise gemessene Wert, der mit der Batterie in Zusammenhang steht. Es ist unmöglich, etwas anderes richtig zu messen. Noch Kapazität. Weder ist die wirkliche Strömung. Weder Innenwiderstand noch EMF

EMF

Rein intern Merkmal Zellen Der Akku, der leider die dramatischsten Auswirkungen hat äußere Erscheinungen Batterie

Die Größe der EMK wird durch den Gleichgewichtszustand der Reaktion der Hauptreagenzien bestimmt. In unserem Fall ist es Pb+PbO2+2H2SO4(-)+2H(+) = 2PbSO4+2H2O.

Seine formale Bestimmung ist ziemlich schwierig – dies erfordert die Verwendung komplexer thermodynamischer Berechnungen des thermodynamischen Zustands des Systems, aber in Maschinenbau In der Praxis wird eine technische Formel verwendet, die dies gewährleistet technische Präzision für Bleibatterien im Bereich der Elektrolytdichten 1,1–1,3 kg/l E=0,85+P wobei P die Elektrolytdichte ist.

Wenn wir damit die EMF bei einer standardmäßigen Autobatterie-Elektrolytdichte von 1,27 bestimmen, erhalten wir einen Wert von 2,12 V pro Zelle oder 12,7 V pro Batterie.
Für Perfektionisten. Es ist sinnlos, hier nach Maßen zu suchen – wie in den meisten Formeln für vereinfachte technische Berechnungen.

In praktischer Hinsicht wird uns diese Formel dennoch nützlich sein.
Mit der Genauigkeit, die uns hier interessiert, beeinflussen keine anderen Faktoren die Größe der EMF. Die Abhängigkeit der EMF von der Temperatur wird in Tausendstel Volt pro Grad geschätzt, was natürlich vernachlässigt werden kann.
Alle Legierungszusätze und andere Dinge verbessern Silber wirklich Leistungsmerkmale(Stabilität erhöhen, Lebensdauer erhöhen, Innenwiderstand verringern), aber keinen Einfluss auf die EMF haben.

Bei einer modernen Batterie lässt es sich leider nur indirekt und mit bestimmten Annahmen messen. Nehmen wir beispielsweise an, dass die Leckströme Null sind (d. h. die Batterie ist außen sauber und trocken, weist keine Risse oder Undichtigkeiten im Inneren zwischen den Bänken auf, dass sich keine Metallsalze im Elektrolyten befinden) und der Widerstand der Messung Gerät ist unendlich).

Um mit der für uns interessanten Genauigkeit zu messen, genügt es, einfach die Batterie von allen Verbrauchern zu trennen (Klemme entfernen) und ein Digitalmultimeter zu verwenden (hier muss man bedenken, dass die Genauigkeitsklasse der meisten dieser Geräte dies nicht zulässt). uns, den wahren Wert zu bestimmen, sodass sie nur für relative Messungen geeignet sind).

Innenwiderstand

Eine Größe, die für unsere Wahrnehmung der Realität der Batterie eine Schlüsselrolle spielt.
Ihm bzw. seiner Vergrößerung ist es zu verdanken, dass alle mit der Batterie verbundenen Probleme auftreten.

Einfach ausgedrückt kann dies als ein Widerstand mit einem bestimmten Widerstandswert dargestellt werden, der in Reihe mit der Batterie geschaltet ist:

Eine Größe, die nicht berührt oder gemessen werden kann. Es kommt darauf an Designmerkmale Batterie, Kapazität, Entladungsgrad, Vorhandensein von Sulfatierung der Platten, interne Brüche, Elektrolytkonzentration und -menge und natürlich Temperatur. Leider hängt der Innenwiderstand nicht nur von „mechanischen“ Parametern ab, sondern auch von der Stromstärke, mit der die Batterie betrieben wird.

Je größer die Batterie, desto geringer ist der Innenwiderstand. Eine neue 70-100-Ah-Batterie hat einen Innenwiderstand von etwa 3-7 mOhm (unter normalen Bedingungen).

Mit sinkender Temperatur nimmt die Austauschgeschwindigkeit chemischer Reaktionen ab und der Innenwiderstand nimmt dementsprechend zu.

Die neue Batterie hat den niedrigsten Innenwiderstand. Sie wird hauptsächlich durch die Gestaltung stromführender Elemente und deren Widerstand bestimmt. Während des Betriebs beginnen sich jedoch irreversible Veränderungen anzusammeln – die aktive Oberfläche der Platten nimmt ab, es tritt Sulfatierung auf und die Eigenschaften des Elektrolyten ändern sich. Und der Widerstand beginnt zu wachsen.

Leckstrom

In jedem Batterietyp vorhanden. Passiert intern Und extern.

Innere Der Leckstrom ist gering und beträgt bei einer modernen 100-Ah-Batterie etwa 1 mA (entspricht etwa einem Kapazitätsverlust von 1 % pro Monat). Sein Wert wird durch die Reinheit des Elektrolyten, insbesondere den Grad der Verunreinigung mit Metallsalzen, bestimmt.

Zu beachten ist, dass die externen Ableitströme durch das Bordnetz des Fahrzeugs deutlich höher sind als die internen Ableitströme einer funktionstüchtigen Batterie.

Prozesse

Wer nicht „eingehen“ möchte, kann diesen Abschnitt überspringen und direkt mit dem Abschnitt fortfahren

Batterie schwach

Beim Entladen der Batterie entsteht durch die Ablagerung von SO4 auf den Platten ein Strom, wodurch die Elektrolytkonzentration abnimmt und der Innenwiderstand allmählich ansteigt.

Entladeeigenschaften der Batterie.
Die obere Kurve entspricht dem zehnstündigen Entladestrom
Unten - drei Uhr

Bei vollständiger Entladung wird nahezu die gesamte aktive Masse in Bleisulfat umgewandelt. Deshalb ist ein längerer Aufenthalt im entladenen Zustand schädlich für die Batterie. Um eine Sulfatierung zu vermeiden, ist es notwendig, die Batterie so schnell wie möglich aufzuladen.

Gleichzeitig nimmt die EMF der Zelle umso weniger ab, je mehr Elektrolyt sich in der Batterie befindet (im Verhältnis zur Bleimasse). Bei einer zu 50 % entladenen Batterie beträgt der Abfall der EMK etwa 1 %. Darüber hinaus variiert die „Reserve“ an Elektrolyt von Hersteller zu Hersteller, sodass die Reduzierung der EMF sowie die Dichte des Elektrolyten unterschiedlich sein werden.

Aufgrund der leichten EMF-Abnahme ist es nahezu unmöglich, den Entladungsgrad der Batterie allein durch Messung der Spannung zu bestimmen (hierfür gibt es Laststecker, die einen erheblichen Strom einstellen). Insbesondere bei Verwendung eines handelsüblichen Spannungsmessers (das Gerät ist kein Voltmeter im eigentlichen Sinne, sondern ein Spannungsanzeiger) des Autos.

Der maximale Strom, den eine Batterie liefern kann, hängt hauptsächlich von der aktiven Oberfläche der Platten und ihre Kapazität von der aktiven Bleimasse ab. Allerdings könnten dickere Platten noch weniger effektiv sein, da „die inneren Bleischichten schwer zu aktivieren sind“. Außerdem ist zusätzlicher Elektrolyt erforderlich.
Je poröser es dem Hersteller gelingt, die Platte herzustellen, desto mehr Strom kann sie liefern.

Daher liefern alle mit ähnlicher Technologie gebauten Batterien ungefähr die gleichen Startströme, schwerere Batterien können jedoch bei vergleichbarer Größe eine größere Kapazität bieten.

Laden des Akkus

Der Batterieladevorgang besteht aus der elektrochemischen Zersetzung von PbSO4 an den Elektroden unter dem Einfluss von Gleichstrom externe Quelle.
Der Ladevorgang einer vollständig entladenen Batterie ähnelt dem Entladevorgang, als ob er „auf den Kopf gestellt“ würde.

Der Ladestrom wird zunächst nur durch die Fähigkeit der Quelle, den erforderlichen Strom zu erzeugen, und den Widerstand der stromführenden Elemente begrenzt. Theoretisch wird es nur durch die Kinematik des Auflösungsprozesses (die Geschwindigkeit, mit der Reaktionsprodukte aus dem Kern entfernt werden) begrenzt. Wenn sich die Schwefelsäuremoleküle dann „auflösen“, nimmt der Strom ab.

Wenn Nebenprozesse vernachlässigt werden könnten, würde der Strom bei vollständig geladener Batterie Null werden. Der Akku nimmt keine Ladung mehr an. Leider gibt es in einer echten Batterie immer Leckstrom und Wasser. Um den Leckstrom auszugleichen, wird eine ständige Nachladung der Batterie durchgeführt.

Standardmäßig wird empfohlen, eine Blei-Säure-Batterie über eine Spannungsquelle zu laden.
Die empfohlene Ladespannung pro Zelle (laut VARTA) beträgt ca. 2,23V bzw. 13,4V für die gesamte Batterie. Eine höhere Ladespannung führt zu einer schnelleren Ladungsakkumulation, erhöht aber gleichzeitig die Menge des zersetzten Wassers.

Legende:
Eine „überladene“ Batterie verschlechtert sich und verliert an Kapazität.
Tatsächlich verschlechtern sich Ni-Cd-Akkus (sie verlieren an Kapazität), wenn sie über einen längeren Zeitraum überladen werden, was bei Blei-Akkus nicht der Fall ist. Bleibatterien verlieren beim Laden mit hohen Spannungen lediglich Wasser (es ist das Wasser, das verdampft) – in weiten Grenzen ist der Vorgang durch einfaches Hinzufügen von Wasser vollständig umkehrbar. Bei längerem Nachladen mit der „richtigen“ Spannung (2,23 V) entsteht kein Wasserverlust.

Zum Glück verschlechtert sich eine Blei-Säure-Batterie im Erhaltungslademodus nicht. Im Gegenteil, diese Regelung wird dringend gefördert und empfohlen. Daher befinden sich Blei-Säure-Batterien im Auto (und in allen anderen Fällen der industriellen Nutzung) im Dauerlademodus mit Spannungen im Bereich von 2,23 – 2,4 V pro Zelle.

Die Abbildung zeigt, dass sich bei einer Verdoppelung der Überspannung an der Batterie der Ladestrom verzehnfacht, was zu unnötigem Wasserverbrauch und vorzeitigem Ausfall der Batterie führt.

Für eine moderne Batterie liegt der optimale Ladestrom bei etwa 15 mA (was genau einer Ladespannung von 2,23 V pro Zelle entspricht). Mit einem solchen Strom hat das während der Elektrolyse zersetzende Wasser „Zeit“, sich in der Lösung zu rekombinieren, und geht nicht verloren – das heißt, der Prozess kann (im technischen Sinne) unbegrenzt fortgesetzt werden.

Üben

Batteriespannung

Viele Menschen verwirren Stromspannung an einer Batterie mit der EMK der Batterie. Wie bereits erwähnt, hängen diese Größen zusammen, sind jedoch nicht identisch. Dabei spielt der innere Widerstand eine enorme Rolle.

Beim Entladen beispielsweise mit Starterströmen, die mit ca. 400 A bezeichnet werden, ergibt sich aus einem Innenwiderstand von 4 mOhm nach dem Ohmschen Gesetz ein Spannungsabfall von 1,6 V, durch den Polarisationswiderstand kommen noch einmal 0,5 V hinzu – und das ist genau das Richtige Beginn der Entladung. Die angegebenen Daten beziehen sich auf Neubatterien mit einer Kapazität von ca. 100 Ah. Bei älteren, veralteten Batterien oder Batterien mit geringerer Kapazität sind die Verluste größer. Bei einer 50-Ah-Batterie des gleichen Typs ist der Verlust etwa doppelt so hoch.

Beim Laden über einen Generator (der vorgibt, eine Spannungsquelle zu sein, in Wirklichkeit aber eine vom Regler erdrosselte Stromquelle ist) muss die Spannung den Bedingungen des Schnellladens entsprechen und wird vom Relaisregler bestimmt.

Da die durchschnittliche Kilometerleistung des Fahrzeugs nicht ausreicht, um die Batterie vollständig aufzuladen, wird ein Kompromissspannungswert angewendet, der etwas höher ist als der optimale Erhaltungsladewert von 2,23 V pro Zelle oder 13,38 V pro Batterie, aber etwas niedriger als die Schnellladespannung von 2,4 V (14,4 V pro Batterie). Der optimale Wert liegt bei 13,8–14,2 V. Gleichzeitig bleiben die Wasserverluste akzeptabel und die Batterie wird bei einer durchschnittlichen Kilometerleistung einigermaßen voll aufgeladen.

Die Alterung (Entladung) der Batterie führt dazu, dass die Spannung, die sie unter Last liefern kann, aufgrund großer Verluste im Innenwiderstand sinkt, obwohl ihr Wert ohne Last nahezu identisch mit dem Neuwert (voll geladen) bleibt ). Daher ist es praktisch unmöglich, den Zustand der Batterie einfach mit einem Voltmeter zu bestimmen.

Verschiedene Batterietypen können unterschiedliche Elektrolytdichten haben. In diesem Fall kann sich die EMF (und dementsprechend die Spannung einer offenen Batterie) bei verschiedenen Batterien geringfügig unterscheiden. Dabei kann eine entladene Batterie mit höherer Elektrolytdichte einen höheren Spannungswert erzeugen als eine voll geladene Batterie mit geringerer Elektrolytdichte.

Legende:
Die Spannung an der Batterie hängt von der Temperatur ab.
Die Spannung einer abgeklemmten Batterie ist praktisch unabhängig von der Temperatur. Der Innenwiderstand und die Menge der gespeicherten Energie hängen davon ab. Der Anlasser dreht aufgrund des großen Spannungsabfalls am Innenwiderstand schlecht und die Begrenzung der Anlasserbetriebszeit ist auf die verringerte Batteriekapazität aufgrund der verminderten Aktivität chemischer Reaktionen zurückzuführen.

Batterieanschluss

Es war dieses Thema, das mich dazu zwang, diese groß angelegte Arbeit anzunehmen. Die hier vorgestellten Schlussfolgerungen basieren auf den oben dargelegten Argumenten. Praktische Schlussfolgerungen bedürfen keiner Argumentation.

Legende 1
Autobatterien können nicht parallel geschaltet werden, da in diesem Fall die Batterie mit einer höheren Spannung die Batterie mit einer niedrigeren Spannung ständig nachlädt. Dementsprechend wird einer ständig aufgeladen und der andere entladen.

Diese Legende enthält mehrere sachliche und konzeptionelle Fehler.

Eine Batteriezelle besteht aus mehreren Paaren (oder mehreren Dutzend Paaren) Platten, wobei die mittleren Platten parallel angeordnet sind, um die effektive Oberfläche des Elements zu vergrößern. Parallelität ist also das Herzstück der Batterietechnologie.

Die Spannung an der Batterie im unbelasteten Zustand entspricht bedingt ihrer EMK.
Bekanntlich hängt die Größe der EMF praktisch nicht von äußeren oder inneren Parametern ab, mit Ausnahme der Dichte des Elektrolyten. Dieser Wert ist unabhängig von der Batteriekapazität, der Porosität der Elektrode, Legierungszusätzen oder dem Material der stromführenden Teile. Es hängt auch schwach vom Entladungsgrad der Batterie ab. Daher ist die Spannung von zwei Leitungen Autobatterien, Einhaltung der Standards wird immer in der Nähe sein. Der durch die Ungenauigkeit der Elektrolytdichte (1,27-1,29 nach GOST, VARTA-Toleranzen sind eine Größenordnung kleiner) entstehende technologische Unterschied lässt sich leicht ermitteln (siehe oben) und beträgt 0,02 V, also 20 mV.

Wenn wir davon ausgehen, dass zum Zeitpunkt des Ladestopps (Abstellen des Motors) beide Batterien vollständig geladen sind, beträgt die maximal mögliche Potenzialdifferenz an ihren Anschlüssen 20 mV, unabhängig von Zustand, Hersteller usw.

Selbst wenn wir davon ausgehen, dass Batterien unterschiedlicher Klassen verwendet werden (z. B. Automobil- und Industriebatterien mit einer Elektrolytdichte von 1,25), beträgt die Potentialdifferenz in diesem Fall nur etwa 40 mV. Bei einer voll geladenen Batterie ergibt sich ein Elektrolysestrom in der Größenordnung von 3-5 mA, was in etwa dem Leckstrom einer nicht sehr guten Batterie entspricht.

Die Entladung durch solche Ströme ist für die Batterie unbedeutend und eine Wiederaufladung findet nicht statt.

Stellen Sie sich nun eine Situation vor, in der zwei Batterien mit deutlich unterschiedlicher Kapazität parallel geschaltet sind.

Zu Beginn des Ladevorgangs, wenn der Strom durch die Fähigkeiten des Generators begrenzt ist, kann man davon ausgehen, dass er proportional zur aktiven Fläche der Platten auf die Batterien aufgeteilt wird. Das heißt, der Ladezustand der Batterien ist bei unvollständiger Ladung ungefähr gleich (kurze Laufleistung). Das System verhält sich wie eine große Batterie, die keine Zeit zum Aufladen hatte.

Legende 2
In importierten Autos werden spezielle Relais verwendet, um Batterien von Zusatzgeräten (Hilfsgeräten) anzuschließen, um sie nicht parallel zu schalten (Legende 1).

Völliger Unsinn, wenn man das oben Gesagte bedenkt. Dieses Relais dient einem viel prosaischeren Zweck. Wenn das elektrische System des Fahrzeugs stark belastet ist zusätzliche Ausrüstung(z. B. ein Fernseher, leistungsstarke Musik, ein Kühlschrank usw.) besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Batterie leer wird. Um nach einem erlebnisreichen Tag in der Natur mit Musik noch losfahren zu können, wird die Starterbatterie abgeschaltet und so einer Tiefentladung vorgebeugt.
Es gibt einen alten Witz über unsere Polizisten, die, nachdem sie genug vom Radar hatten, sich nur noch „eine Zigarette anzündeten“:

Dieser Effekt ist also viel bedeutender als „Aufladungen“.

Praktische Schlussfolgerungen

Es ist möglich, Batterien parallel zu schalten, beachten Sie jedoch die folgenden Empfehlungen.

• Sie sollten keine Batterien unterschiedlicher Klassen (z. B. Automobil- und Industriebatterien) sowie unterschiedlicher Bauart (z. B. Tropen- und Arktisbatterien) verwenden, da diese Elektrolyte unterschiedlicher Dichte verwenden.
• Bei längerer Standzeit lohnt es sich, die Batterien nicht nur von den Verbrauchern, sondern auch untereinander zu trennen.

Der Akku ist eines der komplexesten Geräte modernes Auto. In ihm laufen ständig viele elektrochemische und physikalische Prozesse ab, die miteinander verbunden und weitgehend durch den Einfluss äußerer Faktoren bestimmt sind. Und wie jedes komplexe Gerät erfordert es eine entsprechende Pflege mit entsprechender Qualifikation.

Autoenthusiasten interessieren sich größtenteils für rein praktische Fragen. Zum Beispiel: Warum sorgt die Batterie nicht dafür, dass der Motor nach zwei Saisons wieder einwandfrei läuft? Warum hielt die Batterie nur zwei Jahre und nicht fünf oder acht Jahre, obwohl das Auto aufgrund von Benzinmangel 3.000 km pro Jahr zurücklegte? Was ist zu tun, damit die Batterie lange hält und nicht im ungünstigsten Moment ausfällt? Und wie viel Zeit sollte man dafür aufwenden und sollte man nicht jeden Tag daran herumbasteln? Und viele andere ähnliche Fragen.

Um diese Fragen zu beantworten, müssen Sie nicht nur vorgefertigte Empfehlungen und Anleitungen nutzen, sondern auch über ein gewisses Maß an Wissen über Batterien verfügen.

Batterien werden wie andere chemische Energiequellen intensiv untersucht und verbessert, aber viele Veröffentlichungen sind für Autoenthusiasten oft nicht zugänglich und das Verständnis einer Reihe von Themen erfordert eine spezielle Fachausbildung. In vielen Zeitschriftenartikeln, Handbüchern, Empfehlungen, Anleitungen etc. Neben bedingungslos korrekten und nützlichen Informationen gibt es viel Subjektivität, und in einigen Fällen sind leider Missverständnisse, Unwissenheit und Unternehmensinteressen der Autoren sichtbar (insbesondere in der Zeitschrift „Behind the Wheel“).

Dieses Handbuch hat ein sehr einfaches Ziel: dem Autoenthusiasten grundlegende Kenntnisse über die Pflege der Batterie zu vermitteln. Wir haben versucht, komplexe theoretische Berechnungen und Formeln zu vermeiden. Allerdings können theoretische Angaben nicht völlig ausgeschlossen werden.

Ohne das Verständnis der grundlegenden Prozesse, die in der Batterie unter bestimmten Bedingungen ablaufen, ist es unmöglich, optimale Taktiken für die Pflege der Batterie zu entwickeln reale Bedingungen Betrieb

(der Batterie selbst) vermeiden Sie ärgerliche Fehler, selbst wenn Sie eine Vielzahl richtiger Empfehlungen anwenden.

Wir verstehen, dass auch dieses Handbuch nicht ohne Mängel ist, haben aber versucht, die bekannten Fakten, verschiedenen Techniken und durchgeführten Arbeiten in einer logischen Reihenfolge darzustellen

Batterie. Wir hoffen, dass das im Handbuch enthaltene Material dem Autoenthusiasten bei der Pflege der Batterie hilft.

2.1. Konzepte und Definitionen

Die Batterie ist eine reversible Stromquelle. Es ist in der Lage, zuvor gespeicherte Energie an die Last im externen Stromkreis abzugeben. An Autos Es sind Batterien eingebaut, die aus sechs in Reihe geschalteten Batterien bestehen. Sie können große Entladeströme liefern und gehören zur Klasse der Starter Batterien. Dies spiegelt sich in der Batteriekennzeichnung wider. Beispielsweise enthält eine 6ST-55-Batterie 6 Starterbatterien, die Nennenergiekapazität beträgt 55 Amperestunden.

Lassen Sie uns einige grundlegende Konzepte und Definitionen vorstellen, die eine Batterie in verschiedenen Betriebsmodi charakterisieren.

Die elektromotorische Kraft (EMF) ist die Differenz der Elektrodenpotentiale bei offenem Stromkreis. Die EMK der Batterie hängt von der Temperaturdichte des Elektrolyten und der Zusammensetzung der aktiven Masse der Platten ab. EMF wird in Volt ausgedrückt und normalerweise mit dem Buchstaben bezeichnet E . EMF kann mit einem Voltmeter mit einem hohen Innenwiderstand von mehr als 20 kOhm gemessen werden.

Die statische EMK (E0) ist die EMK einer Batterie, die längere Zeit (mehr als 2-3 Stunden) ohne Last bleibt.

Die EMK einer Batterie unter Last unterscheidet sich von der EMK im Ruhezustand. Dies liegt daran, dass beim Stromfluss durch den Stromkreis an den Elektroden und im Elektrolyten irreversible physikalische und chemische Prozesse auftreten, die mit Energieverlust verbunden sind. Einer davon ist der Prozess der Polarisierung.

Polarisations-EMK ( Ep ) ist die EMK der Batterie bei Vorliegen einer Polarisierung der Platten.

En ist immer auf die Strömung gerichtet.

Beim Laden ist die EMK der Batterie gleich der Summe aus der statischen EMK und der Polarisations-EMK:

E = E0 + En ,

und beim Laden

E = E0 - Ep .

Größe E Dies wird als dynamische EMK oder einfach als EMK der Batterie bezeichnet.

Wenn in einem geschlossenen Gleichstromkreis Verbraucher an die Batterie angeschlossen sind, wird die Beziehung zwischen der EMK, dem durch den Stromkreis fließenden Strom und dem Stromkreiswiderstand durch das Ohmsche Gesetz bestimmt:

E = I (R + r), (1)

Wo E - EMF, V;

ICH - Stromstärke im Stromkreis, A;

R - aktiver Widerstand des externen Stromkreises, Ohm;

R - der Gesamtwiderstand des Stromkreisabschnitts innerhalb der Stromquelle selbst, Ohm.

Ausdruck (1) kann wie folgt umgeschrieben werden:

E = IR + Ir , (2)

diese. Die Batterie-EMK gleicht den Spannungsabfall am externen Stromkreis aus U=IR und der Spannungsabfall innerhalb der Stromquelle selbst über ihren gesamten Innenwiderstand Ur=I*r .

Größe U=I*R ist die Batteriespannung. Dabei handelt es sich um die Spannung an den Batteriepolen, mit der Stromverbraucher betrieben werden.

Aus Gleichung (2) geht hervor, dass sich die Spannung der Batterie im Betrieb ändert U immer weniger als EMF, seitdem

U = E - Ur .

Wenn eine Batterie verschleißt, erhöht sich ihr Innenwiderstand. Dies ist einer der Gründe für die niedrige Spannung an den Batteriepolen unter Last. wenn Ur zunimmt. Ähnlich verhält es sich bei einer entladenen Batterie.

Unterscheiden Ladespannung, gleich

Uе = E + Iз*r ,

und Entladespannung:

Uð - E - Ið*r ,

Wo Ich von - Ladestrom, A;

IP - Entladestrom, A;

r ist der Innenwiderstand der Batterie, Ohm.

Normaler Ladestrom - Wert Ladestrom (A ).

numerisch gleich 0,1 Batteriekapazität, ausgedrückt in Amperestunden.

Der Innenwiderstand der Batterie setzt sich aus dem Widerstand der Elektroden, des Elektrolyten und dem durch die Separatoren (Abstandshalter zwischen den Platten) verursachten Widerstand zusammen. Der Innenwiderstand ist kein konstanter Wert. Sie hängt von der Gestaltung der Elektroden, dem Zustand der aktiven Masse, der Dichte des Elektrolyten und der Temperatur ab. Ein voll geladener Akku hat einen deutlich geringeren Innenwiderstand als ein entladener Akku. Dies erklärt sich dadurch, dass die elektrische Leitfähigkeit der aktiven Masse einer geladenen Batterie höher ist als die einer entladenen.

Die Batteriekapazität ist die Menge an Strom, die die Batterie speichern oder abgeben kann.

Die Kapazität hängt von der Größe des Entladestroms ab. Die Batteriekapazität ist definiert als ein Wert, der dem Produkt aus Gleichstrom und Zeit bei einem 20-stündigen Entlademodus auf eine Spannung von 1,7 V entspricht:

Q20 = Ip*tp = Ip*20 (A*h),

Wo IP - die Größe des Entladestroms,

tр - Entladezeit.

Entladestromkapazität Qр - Nennkapazität der Batterie im entladenen Zustand:

Qp = Ip*tp ,

Wo IP - Entladestromwert, A;

tp - Entladezeit.

Ladekapazität der Batterie – charakterisiert die Strommenge, die die Batterie während des Ladevorgangs erhält:

Qз = Iз * tз ,

wobei Qз die Ladekapazität ist, A*h;

Ich von - Ladestrom, A;

tз - Ladezeit, h.

Moderne Batterien haben einen Kapazitätswirkungsgrad von 0,85.

Energiekapazität – charakterisiert die Fähigkeit der Batterie, in einer bestimmten Zeit elektrische Arbeit zu leisten.

Gemessen in Wattstunden.

Entladeenergiekapazität:

Ap = Up * Ip * tp ,

Mittendrin akademisches Jahr Viele Wissenschaftler benötigen die EMK-Formel für verschiedene Berechnungen. Experimente mit , erfordern auch Informationen über die elektromotorische Kraft. Aber für Anfänger ist es nicht so einfach zu verstehen, was es ist.

Formel zum Finden von EMK

Schauen wir uns zunächst die Definition an. Was bedeutet diese Abkürzung?

EMF oder elektromotorische Kraft ist ein Parameter, der die Arbeit aller Kräfte nichtelektrischer Natur charakterisiert, die in Stromkreisen wirken, in denen die Stromstärke, sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom, über die gesamte Länge gleich ist. In einem miteinander verbundenen leitenden Stromkreis entspricht die EMF der Arbeit dieser Kräfte, um eine einzelne positive (positive) Ladung entlang des gesamten Stromkreises zu bewegen.

Die folgende Abbildung zeigt die EMK-Formel.

Ast bezeichnet die Arbeit äußerer Kräfte in Joule.

q ist die übertragene Ladung in Coulomb.

Äußere Kräfte- Dies sind die Kräfte, die Ladungen in der Quelle trennen und letztendlich eine Potentialdifferenz an ihren Polen bilden.

Die Maßeinheit für diese Kraft ist Volt. Es wird in Formeln mit dem Buchstaben bezeichnet « E".

Nur wenn in der Batterie kein Strom fließt, ist die elektromotorische Kraft gleich der Spannung an den Polen.

Induktions-EMK:

Induktions-EMK in einem Stromkreis mitNdreht sich:

Beim Fahren:

Elektromotorische Kraft Induktion in einem Stromkreis, der sich in einem Magnetfeld mit einer Geschwindigkeit drehtw:

Wertetabelle

Eine einfache Erklärung der elektromotorischen Kraft

Nehmen wir an, dass unser Dorf einen Wasserturm hat. Es ist vollständig mit Wasser gefüllt. Nehmen wir an, dass es sich um eine gewöhnliche Batterie handelt. Der Turm ist eine Batterie!

Das ganze Wasser wird einen starken Druck auf den Boden unseres Turms ausüben. Aber es wird nur dann stark sein, wenn diese Struktur vollständig mit H 2 O gefüllt ist.

Je weniger Wasser vorhanden ist, desto schwächer ist der Druck und desto geringer ist der Druck des Baches. Nachdem wir den Wasserhahn geöffnet haben, werden wir feststellen, dass die Reichweite des Strahls mit jeder Minute abnimmt.

Und folglich:

1. Spannung ist die Kraft, mit der Wasser auf den Boden drückt. Das ist Druck.
2. Nullspannung ist die Unterseite des Turms.

Mit der Batterie ist alles beim Alten.

Zunächst schließen wir die Energiequelle an den Stromkreis an. Und wir schließen es entsprechend. Wir legen zum Beispiel den Akku in eine Taschenlampe ein und schalten sie ein. Zunächst fällt uns auf, dass das Gerät hell brennt. Nach einiger Zeit lässt die Helligkeit merklich nach. Das heißt, die elektromotorische Kraft nahm ab (sie trat im Vergleich zum Wasser im Turm aus).

Nehmen wir als Beispiel einen Wasserturm, dann ist der EMF eine Pumpe, die ständig Wasser in den Turm pumpt. Und es endet nie dort.

EMK einer galvanischen Zelle - Formel

Die elektromotorische Kraft einer Batterie kann auf zwei Arten berechnet werden:

• Führen Sie Berechnungen mit der Nernst-Gleichung durch. Es ist notwendig, die Elektrodenpotentiale jeder im GE enthaltenen Elektrode zu berechnen. Berechnen Sie dann die EMK mithilfe der Formel.
• Berechnen Sie die EMF mithilfe der Nernst-Formel für die gesamte stromerzeugende Reaktion, die während des GE-Betriebs auftritt.

Mit diesen Formeln ist es daher einfacher, die elektromotorische Kraft der Batterie zu berechnen.

Wo werden verschiedene Arten von EMF eingesetzt?

1. Piezoelektrisch wird beim Dehnen oder Komprimieren eines Materials verwendet. Es wird zur Herstellung von Quarz-Energiegeneratoren und verschiedenen Sensoren verwendet.
2. Die Chemikalie wird in Batterien verwendet.
3. Induktion tritt auf, wenn ein Leiter ein Magnetfeld durchquert. Seine Eigenschaften werden in Transformatoren, Elektromotoren und Generatoren genutzt.
4. Thermoelektrizität entsteht, wenn Kontakte verschiedener Metallarten erhitzt werden. Es hat seine Anwendung in Kühlaggregaten und Thermoelementen gefunden.
5. Photoelektrisch wird zur Herstellung von Fotozellen verwendet.

Zweck von Starterbatterien
Theoretische Grundlagen der Transformation chemische Energie zu elektrisch
Batterie schwach
Batterieladung
Verbrauch der wichtigsten strombildenden Reagenzien
Elektromotorische Kraft
Innenwiderstand
Lade- und Entladespannung
Batteriekapazität
Batterieenergie und Leistung
Selbstentladung der Batterie

Zweck von Starterbatterien

Die Hauptfunktion der Batterie ist der zuverlässige Motorstart. Eine weitere Funktion ist ein Energiepuffer bei laufendem Motor. Tatsächlich sind neben den traditionellen Verbrauchertypen viele zusätzliche Servicegeräte aufgetaucht, die den Fahrerkomfort und die Verkehrssicherheit verbessern. Die Batterie gleicht das Energiedefizit bei Fahrten im Stadtverkehr mit häufigen und langen Stopps aus, wenn der Generator nicht immer die nötige Leistung erbringen kann, um alle eingeschalteten Verbraucher vollständig zu versorgen. Die dritte Betriebsfunktion ist die Stromversorgung bei ausgeschaltetem Motor. Allerdings kann eine längere Nutzung von Elektrogeräten bei abgestelltem (oder laufendem) Motor geparkt werden Leerlauf), führt zu einer Tiefentladung der Batterie und einem starken Abfall ihrer Starteigenschaften.

Die Batterie ist auch für die Notstromversorgung vorgesehen. Bei Ausfall des Generators, Gleichrichters, Spannungsreglers oder Bruch des Generatorriemens muss dieser den Betrieb aller Verbraucher gewährleisten, die für eine sichere Fahrt zur nächsten Tankstelle erforderlich sind.

Daher müssen Starterbatterien folgende Grundvoraussetzungen erfüllen:

Stellen Sie den für den Betrieb des Anlassers erforderlichen Entladestrom bereit, d. h. einen niedrigen Innenwiderstand für minimale interne Spannungsverluste innerhalb der Batterie.

Bieten benötigte Menge versucht, den Motor mit einer festgelegten Dauer zu starten, d. h. um über die erforderliche Reserve an Starterentladungsenergie zu verfügen;

über ausreichend hohe Leistung und Energie bei möglichst geringer Größe und geringem Gewicht verfügen;

Halten Sie eine Energiereserve bereit, um Verbraucher zu versorgen, wenn der Motor nicht läuft oder im Notfall (Reservekapazität);

Halten Sie die für den Anlasserbetrieb erforderliche Spannung aufrecht, wenn die Temperatur innerhalb der angegebenen Grenzen fällt (Kaltstartstrom);

Halten Sie die Funktionsfähigkeit bei erhöhten Temperaturen (bis zu 70 °C) lange aufrecht Umfeld;

Erhalten Sie eine Ladung, um die Kapazität wiederherzustellen, die zum Starten des Motors und zum Betreiben anderer Verbraucher vom Generator verwendet wird, während der Motor läuft (Ladung empfangen);

Erfordert keine spezielle Benutzerschulung oder Wartung während des Betriebs;

Sie verfügen über eine den Betriebsbedingungen entsprechende hohe mechanische Festigkeit.

Halten Sie die angegebenen Leistungsmerkmale im Betrieb über einen langen Zeitraum ein (Lebensdauer);

Besitzen Sie eine unbedeutende Selbstentladung;

Haben Sie niedrige Kosten.

Theoretische Grundlagen der Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie

Eine chemische Stromquelle ist ein Gerät, in dem aufgrund des Ablaufs räumlich getrennter chemischer Redoxreaktionen deren freie Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Aufgrund der Art ihrer Arbeit werden diese Quellen in zwei Gruppen eingeteilt:

Primäre chemische Stromquellen oder galvanische Zellen;

Sekundärquellen oder elektrische Batterien.

Primärquellen erlauben nur eine einmalige Nutzung, da die bei ihrer Entladung entstehenden Stoffe nicht in ursprüngliche Wirkstoffe umgewandelt werden können. Eine vollständig entladene galvanische Zelle ist in der Regel für weitere Arbeiten ungeeignet – sie ist eine irreversible Energiequelle.

Sekundäre chemische Stromquellen sind reversible Energiequellen – nach einer beliebig tiefen Entladung kann ihre Funktionsfähigkeit durch Aufladen vollständig wiederhergestellt werden. Dazu genügt die Durchleitung einer Sekundärquelle elektrischer Strom in die entgegengesetzte Richtung zu der Richtung, in der es während der Entladung floss. Während des Ladevorgangs werden die bei der Entladung entstehenden Stoffe in die ursprünglichen Aktivstoffe umgewandelt. Dabei erfolgt immer wieder die Umwandlung der freien Energie der chemischen Stromquelle in elektrische Energie (Batterieentladung) und die umgekehrte Umwandlung der elektrischen Energie in die freie Energie der chemischen Stromquelle (Batterieladung).

Der Stromdurchgang durch elektrochemische Systeme ist mit den dabei ablaufenden chemischen Reaktionen (Umwandlungen) verbunden. Daher besteht ein Zusammenhang zwischen der Menge einer Substanz, die eine elektrochemische Reaktion eingegangen ist und Umwandlungen durchgemacht hat, und der Menge an verbrauchter oder freigesetzter Elektrizität, die von Michael Faraday festgestellt wurde.

Nach dem ersten Gesetz von Faraday ist die Masse einer Substanz, die an einer Elektrodenreaktion beteiligt ist oder aus deren Auftreten resultiert, proportional zur Strommenge, die durch das System fließt.

Nach dem zweiten Gesetz von Faraday stehen die Massen der reagierten Substanzen bei gleicher Strommenge, die durch das System fließt, als ihre chemischen Äquivalente zueinander in Beziehung.

In der Praxis unterliegt eine geringere Stoffmenge einer elektrochemischen Veränderung als nach den Faradayschen Gesetzen – wenn Strom fließt, treten zusätzlich zu den elektrochemischen Hauptreaktionen auch parallele oder sekundäre (Neben-)Reaktionen auf, die die Masse der Produkte verändern. Um den Einfluss solcher Reaktionen zu berücksichtigen, wurde das Konzept der Stromeffizienz eingeführt.

Die Stromabgabe ist der Anteil der durch das System fließenden Strommenge, der für die betrachtete elektrochemische Hauptreaktion verantwortlich ist.

Batterie schwach

Die an der Stromerzeugung beteiligten Wirkstoffe einer geladenen Bleibatterie sind:

Die positive Elektrode enthält Bleidioxid (dunkelbraun);

Auf der negativen Elektrode befindet sich Schwammblei (grau);

Elektrolyt ist eine wässrige Lösung von Schwefelsäure.

Einige Säuremoleküle in einer wässrigen Lösung werden immer in positiv geladene Wasserstoffionen und negativ geladene Sulfationen dissoziiert.

Blei, die aktive Masse der negativen Elektrode, löst sich teilweise im Elektrolyten und oxidiert in der Lösung unter Bildung positiver Ionen. Die dabei freigesetzten überschüssigen Elektronen verleihen der Elektrode eine negative Ladung und beginnen, sich entlang des geschlossenen Abschnitts des äußeren Stromkreises zur positiven Elektrode zu bewegen.

Positiv geladene Bleiionen reagieren mit negativ geladenen Sulfationen unter Bildung von Bleisulfat, das wenig löslich ist und sich daher auf der Oberfläche der negativen Elektrode ablagert. Während des Batterieentladevorgangs wandelt sich die aktive Masse der negativen Elektrode von Bleischwamm in Bleisulfat um, wobei sich die Farbe von Grau nach Hellgrau ändert.

Das Bleidioxid der positiven Elektrode löst sich im Elektrolyten in viel geringerer Menge auf als das Blei der negativen Elektrode. Bei der Wechselwirkung mit Wasser dissoziiert es (zerfällt in Lösung in geladene Teilchen – Ionen) und bildet vierwertige Bleiionen und Hydroxylionen.

Die Ionen verleihen der Elektrode ein positives Potenzial und werden durch Zugabe von Elektronen, die über den externen Stromkreis von der negativen Elektrode kamen, zu zweiwertigen Bleiionen reduziert

Ionen interagieren mit Ionen und bilden Bleisulfat, das sich aus dem oben genannten Grund auch auf der Oberfläche der positiven Elektrode ablagert, wie dies auch auf der negativen der Fall war. Mit fortschreitender Entladung wandelt sich die aktive Masse der positiven Elektrode von Bleidioxid in Bleisulfat um und verändert ihre Farbe von dunkelbraun nach hellbraun.

Beim Entladen der Batterie werden die aktiven Materialien sowohl in der positiven als auch in der negativen Elektrode in Bleisulfat umgewandelt. Dabei wird Schwefelsäure zu Bleisulfat verbraucht und aus den freigesetzten Ionen entsteht Wasser, was zu einer Abnahme der Dichte des Elektrolyten beim Entladen führt.

Batterieladung

Der Elektrolyt beider Elektroden enthält geringe Mengen Bleisulfat und Wasserionen. Unter dem Einfluss der Spannung der Gleichstromquelle, in deren Stromkreis die zu ladende Batterie angeschlossen ist, kommt es im Außenstromkreis zu einer gerichteten Bewegung der Elektronen in Richtung des Minuspols der Batterie.

Die zweiwertigen Bleiionen an der negativen Elektrode werden durch die einfallenden zwei Elektronen neutralisiert (reduziert), wodurch die aktive Masse der negativen Elektrode in Metallschwammblei umgewandelt wird. Die verbleibenden freien Ionen bilden Schwefelsäure

An der positiven Elektrode geben zweiwertige Bleiionen unter dem Einfluss des Ladestroms zwei Elektronen ab und oxidieren zu vierwertigen. Letztere verbinden sich durch Zwischenreaktionen mit zwei Sauerstoffionen zu Bleidioxid, das an der Elektrode freigesetzt wird. Die und-Ionen bilden ebenso wie die der negativen Elektrode Schwefelsäure, wodurch die Dichte des Elektrolyten beim Laden zunimmt.

Wenn die Umwandlungsprozesse der Stoffe in den aktiven Massen der positiven und negativen Elektroden abgeschlossen sind, ändert sich die Dichte des Elektrolyten nicht mehr, was als Zeichen für das Ende der Batterieladung dient. Bei weiterer Ladungsfortsetzung kommt es zum sogenannten Sekundärprozess – der elektrolytischen Zersetzung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Sie werden in Form von Gasblasen aus dem Elektrolyten abgegeben und erzeugen einen starken Siedeeffekt, der auch als Zeichen für das Ende des Ladevorgangs dient.

Verbrauch der wichtigsten strombildenden Reagenzien

Um bei entladenem Akku eine Kapazität von einer Amperestunde zu erreichen, ist es notwendig, dass an der Reaktion Folgendes beteiligt ist:

4,463 g Bleidioxid

3,886 g Schwammblei

3.660 g Schwefelsäure

Der gesamte theoretische Materialverbrauch zur Erzeugung von 1 Ah (spezifischer Materialverbrauch) Strom beträgt 11,989 g/Ah und die theoretische spezifische Kapazität beträgt 83,41 Ah/kg.

Bei einer nominalen Batteriespannung von 2 V beträgt der theoretische spezifische Materialverbrauch pro Energieeinheit 5,995 g/Wh und die spezifische Energie der Batterie beträgt 166,82 Wh/kg.

In der Praxis ist es jedoch unmöglich, die am Stromerzeugungsprozess beteiligten aktiven Materialien vollständig zu nutzen. Ungefähr die Hälfte der Oberfläche der aktiven Masse ist für den Elektrolyten unzugänglich, da sie als Grundlage für den Aufbau eines voluminösen porösen Gerüsts dient, das die mechanische Festigkeit des Materials gewährleistet. Daher beträgt der tatsächliche Ausnutzungsgrad der aktiven Massen der positiven Elektrode 45–55 % und der negativen Elektrode 50–65 %. Darüber hinaus wird als Elektrolyt eine 35-38 %ige Schwefelsäurelösung verwendet. Daher ist der Wert des tatsächlichen spezifischen Materialverbrauchs viel höher und die tatsächlichen Werte der spezifischen Kapazität und der spezifischen Energie viel niedriger als die theoretischen.

Elektromotorische Kraft

Die elektromotorische Kraft (EMF) einer Batterie E ist die Differenz ihrer Elektrodenpotentiale, gemessen bei offenem externen Stromkreis.

EMF einer Batterie bestehend aus n in Reihe geschalteten Batterien.

Es ist notwendig, zwischen der Gleichgewichts-EMK der Batterie und der Nichtgleichgewichts-EMK der Batterie während der Zeit vom Öffnen des Stromkreises bis zur Herstellung eines Gleichgewichtszustands (Zeitraum des Übergangsprozesses) zu unterscheiden.

Die Messung der EMF erfolgt mit einem hochohmigen Voltmeter (Innenwiderstand mindestens 300 Ohm/V). Dazu wird ein Voltmeter an die Pole der Batterie oder Batterie angeschlossen. In diesem Fall darf kein Lade- oder Entladestrom durch den Akkumulator (Batterie) fließen.

Die Gleichgewichts-EMK einer Bleibatterie hängt wie bei jeder chemischen Stromquelle von den chemischen und physikalischen Eigenschaften der am Stromerzeugungsprozess beteiligten Substanzen ab und ist völlig unabhängig von der Größe und Form der Elektroden sowie der Menge an aktiven Massen und Elektrolyt. Gleichzeitig ist in einer Blei-Säure-Batterie der Elektrolyt direkt am Strombildungsprozess an den Batterieelektroden beteiligt und ändert seine Dichte je nach Ladezustand der Batterien. Daher ist die Gleichgewichts-EMK wiederum eine Funktion der Dichte

Die Änderung der Batterie-EMK als Funktion der Temperatur ist sehr gering und kann während des Betriebs vernachlässigt werden.

Innenwiderstand

Der Widerstand, den die Batterie dem in ihr fließenden Strom (Laden oder Entladen) entgegensetzt, wird üblicherweise als Innenwiderstand der Batterie bezeichnet.

Der Widerstand der aktiven Materialien der positiven und negativen Elektroden sowie der Widerstand des Elektrolyten ändern sich je nach Ladezustand der Batterie. Darüber hinaus hängt der Elektrolytwiderstand ganz wesentlich von der Temperatur ab.

Daher hängt der ohmsche Widerstand auch vom Ladezustand der Batterie und der Temperatur des Elektrolyten ab.

Der Polarisationswiderstand hängt von der Stärke des Entladestroms (Ladestroms) und der Temperatur ab und gehorcht nicht dem Ohmschen Gesetz.

Der Innenwiderstand einer einzelnen Batterie und selbst einer Batterie, die aus mehreren in Reihe geschalteten Batterien besteht, ist unbedeutend und beträgt im geladenen Zustand nur wenige Tausendstel Ohm. Während des Entladevorgangs ändert es sich jedoch erheblich.

Die elektrische Leitfähigkeit der aktiven Massen nimmt bei der positiven Elektrode um etwa das 20-fache und bei der negativen Elektrode um das 10-fache ab. Abhängig von seiner Dichte ändert sich auch die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten. Mit zunehmender Dichte des Elektrolyten von 1,00 auf 1,70 g/cm3 steigt seine elektrische Leitfähigkeit zunächst auf den Maximalwert und nimmt dann wieder ab.

Wenn sich die Batterie entlädt, sinkt die Elektrolytdichte von 1,28 g/cm3 auf 1,09 g/cm3, was zu einer Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit um fast das 2,5-fache führt. Dadurch erhöht sich der ohmsche Widerstand der Batterie beim Entladen. Im entladenen Zustand erreicht der Widerstand einen Wert, der mehr als doppelt so hoch ist wie im geladenen Zustand.

Neben dem Ladezustand hat auch die Temperatur einen wesentlichen Einfluss auf den Widerstand von Batterien. Mit sinkender Temperatur steigt der spezifische Widerstand des Elektrolyten und wird bei einer Temperatur von -40 °C etwa 8-mal größer als bei +30 °C. Auch der Widerstand der Separatoren steigt mit abnehmender Temperatur stark an und erhöht sich im gleichen Temperaturbereich fast um das Vierfache. Dies ist der entscheidende Faktor für die Erhöhung des Innenwiderstands von Batterien niedrige Temperaturen.

Lade- und Entladespannung

Die Potentialdifferenz an den Polklemmen des Akkumulators (der Batterie) beim Laden oder Entladen bei Vorhandensein von Strom im externen Stromkreis wird üblicherweise als Spannung des Akkumulators (der Batterie) bezeichnet. Das Vorhandensein eines Innenwiderstands der Batterie führt dazu, dass ihre Spannung beim Entladen immer kleiner als die EMF und beim Laden immer größer als die EMF ist.

Beim Laden einer Batterie muss die Spannung an ihren Anschlüssen um den Betrag der internen Verluste größer sein als ihre EMK.

Zu Beginn des Ladevorgangs kommt es zu einem Spannungssprung um die Höhe der ohmschen Verluste im Inneren der Batterie und dann zu einem starken Spannungsanstieg aufgrund des Polarisationspotentials, der hauptsächlich durch einen schnellen Anstieg der Dichte des Elektrolyten in den Poren verursacht wird die aktive Masse. Als nächstes kommt es zu einem langsamen Spannungsanstieg, der hauptsächlich auf einen Anstieg der EMK der Batterie aufgrund einer Erhöhung der Dichte des Elektrolyten zurückzuführen ist.

Nachdem die Hauptmenge des Bleisulfats in PbO2 und Pb umgewandelt wurde, kommt es durch den Energieaufwand zunehmend zur Zersetzung von Wasser (Elektrolyse). Durch die im Elektrolyten auftretenden überschüssigen Mengen an Wasserstoff- und Sauerstoffionen erhöht sich die Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Elektroden weiter. Dies führt zu einem schnellen Anstieg der Ladespannung und damit zu einer Beschleunigung des Wasserzersetzungsprozesses. Die entstehenden Wasserstoff- und Sauerstoffionen interagieren nicht mit den aktiven Materialien. Sie verbinden sich zu neutralen Molekülen und werden in Form von Gasblasen aus dem Elektrolyten freigesetzt (an der positiven Elektrode wird Sauerstoff freigesetzt, an der negativen Elektrode wird Wasserstoff freigesetzt), wodurch der Elektrolyt „kocht“.

Setzt man den Ladevorgang fort, sieht man, dass der Anstieg der Elektrolytdichte und der Ladespannung praktisch zum Stillstand kommt, da fast das gesamte Bleisulfat bereits reagiert hat und die gesamte der Batterie zugeführte Energie nur noch für die Batterie aufgewendet wird Auftreten eines Nebenprozesses - der elektrolytischen Zersetzung von Wasser. Dies erklärt die Konstanz der Ladespannung, die als eines der Zeichen für das Ende des Ladevorgangs dient.

Nach dem Stoppen des Ladevorgangs, d. h. nach Abschalten der externen Quelle, sinkt die Spannung an den Batterieklemmen stark auf den Wert ihrer Nichtgleichgewichts-EMK oder auf den Wert der ohmschen internen Verluste. Dann kommt es zu einer allmählichen Abnahme der EMF (aufgrund einer Abnahme der Dichte des Elektrolyten in den Poren der aktiven Masse), die so lange anhält, bis die Elektrolytkonzentration im Volumen der Batterie und den Poren der aktiven Masse vollständig ausgeglichen ist , was der Herstellung einer Gleichgewichts-EMF entspricht.

Wenn eine Batterie entladen ist, ist die Spannung an ihren Anschlüssen um den Betrag des internen Spannungsabfalls kleiner als die EMK.

Zu Beginn der Entladung sinkt die Batteriespannung stark um den Betrag der ohmschen Verluste und der Polarisation, die durch eine Abnahme der Elektrolytkonzentration in den Poren der aktiven Masse, also der Konzentrationspolarisation, verursacht werden. Darüber hinaus nimmt während eines stationären Entladevorgangs die Dichte des Elektrolyten im Batterievolumen ab, was zu einem allmählichen Abfall der Entladespannung führt. Gleichzeitig ändert sich das Verhältnis des Bleisulfatgehalts zur Aktivmasse, was ebenfalls zu einem Anstieg der ohmschen Verluste führt. Dabei verschließen Partikel aus Bleisulfat (die im Vergleich zu den Partikeln aus Blei und Bleidioxid, aus denen sie entstanden sind, etwa das dreifache Volumen haben) die Poren der aktiven Masse und verhindern so den Durchtritt des Elektrolyten in die Tiefe die Elektroden.

Dies führt zu einer Erhöhung der Konzentrationspolarisation, was zu einem schnelleren Abfall der Entladespannung führt.

Wenn die Entladung aufhört, steigt die Spannung an den Batterieklemmen schnell um den Betrag der ohmschen Verluste an und erreicht den Wert der Nichtgleichgewichts-EMK. Eine weitere Änderung der EMF aufgrund des Ausgleichs der Elektrolytkonzentration in den Poren der aktiven Massen und im Volumen der Batterie führt zu einer allmählichen Einstellung des EMF-Gleichgewichtswerts.

Die Batteriespannung beim Entladen wird hauptsächlich von der Temperatur des Elektrolyten und der Stärke des Entladestroms bestimmt. Wie bereits erwähnt, ist der Widerstand eines Bleiakkus (Batterie) unbedeutend und beträgt im geladenen Zustand nur wenige MilliOhm. Bei Starter-Entladeströmen, deren Stärke 4-7 Mal höher ist als die Nennkapazität, hat der interne Spannungsabfall jedoch einen erheblichen Einfluss auf die Entladespannung. Der Anstieg der ohmschen Verluste mit sinkender Temperatur geht mit einem Anstieg des Elektrolytwiderstands einher. Darüber hinaus steigt die Viskosität des Elektrolyten stark an, was den Prozess seiner Diffusion in die Poren der aktiven Masse erschwert und die Konzentrationspolarisierung erhöht (d. h. es erhöht den Spannungsverlust innerhalb der Batterie, indem die Konzentration des Elektrolyten in der Batterie verringert wird). Poren der Elektroden).

Bei einem Strom von mehr als 60 A ist die Abhängigkeit der Entladespannung von der Stromstärke bei allen Temperaturen nahezu linear.

Der Durchschnittswert der Batteriespannung beim Laden und Entladen wird als arithmetisches Mittel der in gleichen Zeitintervallen gemessenen Spannungswerte ermittelt.

Batteriekapazität

Die Batteriekapazität ist die Strommenge, die die Batterie erhält, wenn sie auf die angegebene Endspannung entladen wird. In praktischen Berechnungen wird die Batteriekapazität üblicherweise in Amperestunden (Ah) ausgedrückt. Die Entladekapazität kann durch Multiplikation des Entladestroms mit der Entladedauer berechnet werden.

Die Entladekapazität, für die die Batterie ausgelegt und vom Hersteller angegeben ist, wird als Nennkapazität bezeichnet.

Ein wichtiger Indikator ist darüber hinaus auch die Kapazität, die dem Akku beim Laden verliehen wird.

Die Entladekapazität hängt von einer Reihe konstruktiver und technologischer Parameter der Batterie sowie ihren Betriebsbedingungen ab. Die wichtigsten Designparameter sind die Menge an aktiver Masse und Elektrolyt, die Dicke und die geometrischen Abmessungen der Batterieelektroden. Die wichtigsten technologischen Parameter, die die Batteriekapazität beeinflussen, sind die Formulierung aktiver Materialien und deren Porosität. Auch die Betriebsparameter Elektrolyttemperatur und Entladestrom haben einen wesentlichen Einfluss auf die Entladekapazität. Ein allgemeiner Indikator für die Effizienz einer Batterie ist der Nutzungsgrad aktiver Materialien.

Um eine Kapazität von 1 Ah zu erhalten, sind, wie oben angegeben, theoretisch 4,463 g Bleidioxid, 3,886 g Bleischwamm und 3,66 g Schwefelsäure erforderlich. Der theoretische spezifische Verbrauch der aktiven Massen der Elektroden beträgt 8,32 g/Ah. In realen Batterien liegt der spezifische Verbrauch an Aktivmassen bei einem 20-stündigen Entlademodus und einer Elektrolyttemperatur von 25 °C zwischen 15,0 und 18,5 g/Ah, was einem Ausnutzungsgrad der Aktivmassen von 45-55 % entspricht. Folglich übersteigt der praktische Verbrauch an aktiver Masse die theoretischen Werte um das Zweifache oder mehr.

Der Nutzungsgrad der aktiven Masse und damit der Wert der Entladekapazität wird durch folgende Hauptfaktoren beeinflusst.

Porosität der aktiven Masse. Mit zunehmender Porosität verbessern sich die Bedingungen für die Diffusion des Elektrolyten in die Tiefe der aktiven Masse der Elektrode und die wahre Oberfläche, auf der die stromerzeugende Reaktion abläuft, nimmt zu. Mit zunehmender Porosität steigt die Entladungskapazität. Das Ausmaß der Porosität hängt von der Partikelgröße des Bleipulvers und der Rezeptur zur Herstellung der Aktivmassen sowie von den verwendeten Zusatzstoffen ab. Darüber hinaus führt eine Erhöhung der Porosität zu einer Verringerung der Haltbarkeit aufgrund der Beschleunigung des Zerstörungsprozesses hochporöser Aktivmassen. Daher wird der Porositätswert von den Herstellern nicht nur unter Berücksichtigung hoher kapazitiver Eigenschaften ausgewählt, sondern auch unter Berücksichtigung der erforderlichen Haltbarkeit der Batterie im Betrieb. Derzeit gilt eine Porosität im Bereich von 46–60 % als optimal, abhängig vom Einsatzzweck der Batterie.

Elektrodendicke. Mit abnehmender Dicke nimmt die ungleichmäßige Belastung der äußeren und inneren Schichten der aktiven Masse der Elektrode ab, was zur Erhöhung der Entladungskapazität beiträgt. Bei dickeren Elektroden werden die inneren Schichten der aktiven Masse nur sehr wenig beansprucht, insbesondere beim Entladen mit hohen Strömen. Mit zunehmendem Entladestrom nehmen daher die Kapazitätsunterschiede von Batterien mit unterschiedlich dicken Elektroden stark ab.

Porosität und Rationalität des Separatormaterialdesigns. Mit zunehmender Porosität des Separators und der Höhe seiner Rippen nimmt die Elektrolytversorgung im Zwischenelektrodenspalt zu und die Bedingungen für seine Diffusion verbessern sich.

Elektrolytdichte. Beeinflusst die Batteriekapazität und deren Lebensdauer. Mit zunehmender Dichte des Elektrolyten nimmt die Kapazität der positiven Elektroden zu, während die Kapazität der negativen Elektroden, insbesondere bei negativen Temperaturen, aufgrund der Beschleunigung der Passivierung der Elektrodenoberfläche abnimmt. Eine erhöhte Dichte wirkt sich auch negativ auf die Lebensdauer der Batterie aus, da Korrosionsprozesse an der positiven Elektrode beschleunigt werden. Daher wird die optimale Elektrolytdichte basierend auf der Gesamtheit der Anforderungen und Bedingungen ermittelt, unter denen die Batterie betrieben wird. Beispielsweise beträgt die empfohlene Arbeitselektrolytdichte für Starterbatterien, die in gemäßigten Klimazonen betrieben werden, 1,26–1,28 g/cm3 und für Gebiete mit heißem (tropischem) Klima 1,22–1,24 g/cm3.

Die Stärke des Entladestroms, mit dem die Batterie für eine bestimmte Zeit kontinuierlich entladen werden muss (charakterisiert den Entlademodus). Entladungsmodi werden üblicherweise in lange und kurze Entladungsmodi unterteilt. Im Langzeitbetrieb erfolgt die Entladung bei geringen Strömen über mehrere Stunden. Zum Beispiel 5-, 10- und 20-Stunden-Entladungen. Bei Kurz- oder Starterentladungen ist der Strom um ein Vielfaches größer als die Nennkapazität der Batterie und die Entladung dauert mehrere Minuten oder Sekunden. Mit zunehmendem Entladestrom nimmt die Entladerate der Oberflächenschichten der aktiven Masse stärker zu als die der tiefen. Infolgedessen erfolgt das Wachstum von Bleisulfat an den Porenmündungen schneller als in der Tiefe, und die Pore wird mit Sulfat verstopft, bevor ihre Innenoberfläche Zeit zum Reagieren hat. Durch das Aufhören der Diffusion des Elektrolyten in die Pore stoppt die Reaktion darin. Je höher also der Entladestrom, desto geringer ist die Batteriekapazität und desto geringer ist die Ausnutzung der aktiven Masse.

Zur Beurteilung der Starteigenschaften von Batterien wird deren Kapazität auch durch die Anzahl intermittierender Starterentladungen (z. B. Dauer 10-15 s mit Pausen dazwischen von 60 s) charakterisiert. Die Kapazität, die die Batterie bei intermittierenden Entladungen liefert, übersteigt die Kapazität bei kontinuierlicher Entladung mit demselben Strom, insbesondere im Starter-Entlademodus.

Derzeit wird in der internationalen Praxis zur Beurteilung der Kapazitätseigenschaften von Starterbatterien das Konzept der „Reserve“-Kapazität verwendet. Sie charakterisiert die Batterieentladezeit (in Minuten) bei einem Entladestrom von 25 A, unabhängig von der Nennkapazität der Batterie. Nach Ermessen des Herstellers ist es zulässig, den Wert der Nennkapazität bei einem 20-Stunden-Entlademodus in Amperestunden oder durch Reservekapazität in Minuten einzustellen.

Elektrolyttemperatur. Mit abnehmender Geschwindigkeit nimmt die Entladekapazität der Batterien ab. Der Grund dafür ist eine Erhöhung der Viskosität des Elektrolyten und seines elektrischen Widerstands, wodurch die Diffusionsgeschwindigkeit des Elektrolyten in die Poren der aktiven Masse verlangsamt wird. Darüber hinaus beschleunigen sich mit sinkender Temperatur die Passivierungsprozesse der negativen Elektrode.

Der Temperaturkoeffizient der Kapazität a gibt die prozentuale Änderung der Kapazität bei einer Temperaturänderung von 1 °C an.

Bei der Prüfung wird die im Langzeitentladebetrieb erzielte Entladekapazität mit dem bei einer Elektrolyttemperatur von +25 °C ermittelten Wert der Nennkapazität verglichen.

Bei der Bestimmung der Kapazität im Langzeitentladungsmodus sollte die Elektrolyttemperatur gemäß den Anforderungen der Normen im Bereich von +18 °C bis +27 °C liegen.

Die Parameter der Starterentladung werden anhand der Entladedauer in Minuten und der Spannung zu Beginn der Entladung beurteilt. Diese Parameter werden im ersten Zyklus bei +25 °C (Test für trocken geladene Batterien) und in den Folgezyklen bei Temperaturen von -18 °C bzw. -30 °C ermittelt.

Ladungsgrad. Mit zunehmendem Ladegrad steigt unter sonst gleichen Bedingungen die Kapazität und erreicht ihren Maximalwert, wenn die Akkus vollständig geladen sind. Dies liegt daran, dass bei unvollständiger Ladung die Menge der aktiven Materialien auf beiden Elektroden sowie die Dichte des Elektrolyten nicht ihre Maximalwerte erreichen.

Batterieenergie und Leistung

Die Batterieenergie W wird in Wattstunden ausgedrückt und durch das Produkt ihrer Entladekapazität (Ladekapazität) und der durchschnittlichen Entladespannung (Ladespannung) bestimmt.

Da sich die Batteriekapazität und ihre Entladespannung mit Änderungen der Temperatur und des Entlademodus ändern, nimmt die Batterieenergie bei sinkender Temperatur und steigendem Entladestrom noch deutlicher ab als ihre Kapazität.

Beim Vergleich chemischer Stromquellen, die sich in Kapazität, Design und sogar im elektrochemischen System unterscheiden, sowie bei der Bestimmung von Verbesserungsrichtungen wird der Indikator für die spezifische Energie verwendet – Energie pro Masseneinheit der Batterie oder ihres Volumens. Bei modernen wartungsfreien Blei-Starterbatterien beträgt die spezifische Energie im 20-Stunden-Entlademodus 40-47 Wh/kg.

Die Energiemenge, die eine Batterie pro Zeiteinheit liefert, wird als Leistung bezeichnet. Sie kann als Produkt aus Entladestrom und durchschnittlicher Entladespannung definiert werden.

Selbstentladung der Batterie

Unter Selbstentladung versteht man die Abnahme der Batteriekapazität bei geöffnetem externen Stromkreis, also bei Inaktivität. Dieses Phänomen wird durch Redoxprozesse verursacht, die spontan sowohl an der negativen als auch an der positiven Elektrode ablaufen.

Die negative Elektrode ist aufgrund der spontanen Auflösung von Blei (negative aktive Masse) in einer Schwefelsäurelösung besonders anfällig für Selbstentladung.

Die Selbstentladung der negativen Elektrode geht mit der Freisetzung von Wasserstoffgas einher. Die Geschwindigkeit der spontanen Auflösung von Blei nimmt mit zunehmender Elektrolytkonzentration deutlich zu. Eine Erhöhung der Elektrolytdichte von 1,27 auf 1,32 g/cm3 führt zu einer Steigerung der Selbstentladungsrate der negativen Elektrode um 40 %.

Das Vorhandensein von Verunreinigungen verschiedener Metalle auf der Oberfläche der negativen Elektrode hat einen sehr signifikanten (katalytischen) Effekt auf die Erhöhung der Selbstauflösungsrate von Blei (aufgrund einer Verringerung der Überspannung der Wasserstoffentwicklung). Fast alle Metalle, die als Verunreinigungen in Batterierohstoffen, Elektrolyten und Separatoren vorkommen oder als spezielle Additive eingebracht werden, tragen zu einer erhöhten Selbstentladung bei. Wenn sie auf die Oberfläche der negativen Elektrode gelangen, erleichtern sie die Bedingungen für die Freisetzung von Wasserstoff.

Einige der Verunreinigungen (Metallsalze mit variabler Wertigkeit) fungieren als Ladungsträger von einer Elektrode zur anderen. Dabei werden Metallionen an der negativen Elektrode reduziert und an der positiven Elektrode oxidiert (dieser Selbstentladungsmechanismus wird auf Eisenionen zurückgeführt).

Die Selbstentladung des positiven Aktivmaterials ist auf die auftretende Reaktion zurückzuführen.

2PbO2 + 2H2SO4 -> PbSCU + 2H2O + O2 T.

Auch die Geschwindigkeit dieser Reaktion nimmt mit steigender Elektrolytkonzentration zu.

Da die Reaktion unter Freisetzung von Sauerstoff abläuft, wird ihre Geschwindigkeit maßgeblich von der Sauerstoffüberspannung bestimmt. Daher erhöhen Zusatzstoffe, die die Möglichkeit der Sauerstoffentwicklung verringern (z. B. Antimon, Kobalt, Silber), die Geschwindigkeit der Selbstauflösungsreaktion von Bleidioxid. Die Selbstentladungsrate von positivem Aktivmaterial ist um ein Vielfaches niedriger als die Selbstentladungsrate von negativem Aktivmaterial.

Ein weiterer Grund für die Selbstentladung der positiven Elektrode ist die Potentialdifferenz zwischen dem Material des Stromleiters und der aktiven Masse dieser Elektrode. Die durch diese Potentialdifferenz entstehende galvanische Mikrozelle wandelt bei Stromfluss das Blei der Ableitung und das Bleidioxid der positiven Wirkmasse in Bleisulfat um.

Eine Selbstentladung kann auch auftreten, wenn die Außenseite der Batterie verschmutzt oder mit Elektrolyt, Wasser oder anderen Flüssigkeiten gefüllt ist, die die Möglichkeit einer Entladung durch die elektrisch leitende Folie zwischen den Batteriepolen oder ihren Brücken bieten. Diese Art der Selbstentladung unterscheidet sich nicht von einer herkömmlichen Entladung mit sehr geringen Strömen bei geschlossenem äußeren Stromkreis und kann leicht beseitigt werden. Dazu müssen Sie die Oberfläche der Batterien sauber halten.

Die Selbstentladung von Batterien hängt maßgeblich von der Temperatur des Elektrolyten ab. Mit sinkender Temperatur nimmt die Selbstentladung ab. Bei Temperaturen unter 0 °C hört es bei neuen Batterien praktisch auf. Daher empfiehlt es sich, Akkus im geladenen Zustand bei niedrigen Temperaturen (bis -30 °C) zu lagern.

Im Betrieb bleibt die Selbstentladung nicht konstant und nimmt gegen Ende der Lebensdauer stark zu.

Eine Verringerung der Selbstentladung ist möglich, indem die Überspannung der Sauerstoff- und Wasserstoffemissionen an den Batterieelektroden erhöht wird.

Dazu ist es zunächst erforderlich, möglichst reine Materialien für die Herstellung von Batterien zu verwenden, den mengenmäßigen Gehalt an Legierungselementen in Batterielegierungen zu reduzieren und ausschließlich zu verwenden

reine Schwefelsäure und destilliertes (oder bei anderen Reinigungsmethoden nahezu reines) Wasser zur Herstellung aller Elektrolyte, sowohl während der Produktion als auch während des Betriebs. Durch die Reduzierung des Antimongehalts in der Legierung von Stromleitungen von 5 % auf 2 % und die Verwendung von destilliertem Wasser für alle Prozesselektrolyte wird beispielsweise die durchschnittliche tägliche Selbstentladung um das Vierfache reduziert. Durch den Ersatz von Antimon durch Kalzium können Sie die Selbstentladungsrate weiter reduzieren.

Auch der Zusatz von organischen Stoffen – Selbstentladungshemmern – kann helfen, die Selbstentladung zu reduzieren.

Die Verwendung einer gemeinsamen Abdeckung und versteckter Verbindungen zwischen den Elementen verringert die Selbstentladungsrate durch Leckströme erheblich, da die Wahrscheinlichkeit einer galvanischen Kopplung zwischen weit auseinander liegenden Polanschlüssen erheblich verringert wird.

Unter Selbstentladung versteht man manchmal den schnellen Kapazitätsverlust aufgrund eines Kurzschlusses im Inneren der Batterie. Dieses Phänomen wird durch direkte Entladung durch leitende Brücken erklärt, die zwischen gegenüberliegenden Elektroden gebildet werden.

Der Einsatz von Umschlagseparatoren in wartungsfreien Batterien

eliminiert die Möglichkeit von Kurzschlüssen zwischen gegenüberliegenden Elektroden während des Betriebs. Diese Möglichkeit bleibt jedoch aufgrund möglicher Gerätestörungen während der Massenproduktion bestehen. Typischerweise wird ein solcher Defekt in den ersten Betriebsmonaten festgestellt und die Batterie muss im Rahmen der Garantie ausgetauscht werden.

Typischerweise wird der Grad der Selbstentladung als Prozentsatz des Kapazitätsverlusts pro ausgedrückt fester Zeitraum Zeit.

Die aktuellen Selbstentladungsstandards werden auch durch die Starterentladespannung bei -18 °C nach der Prüfung charakterisiert: Inaktivität für 21 Tage bei einer Temperatur von +40 °C.

ELEKTROMOTIVE KRAFT

Elektromotorische Kraft (EMF) der Batterie (E 0) nennt man die Differenz seiner Elektrodenpotentiale, gemessen bei offenem Außenkreis im stationären (Gleichgewichts-)Zustand, das heißt:

E 0 = φ 0 + + φ 0 - ,

Wo φ 0 + Und φ 0 - bzw. die Gleichgewichtspotentiale der positiven und negativen Elektroden bei offenem externen Stromkreis, V.

Batterie-EMK, bestehend aus N in Reihe geschaltete Batterien:

E 0b = n×E 0.

Das Elektrodenpotential ist im Allgemeinen definiert als die Differenz zwischen dem Potential der Elektrode beim Entladen oder Laden und ihrem Potential im Gleichgewichtszustand ohne Strom. Es ist jedoch zu beachten, dass der Zustand der Batterie unmittelbar nach dem Abschalten des Lade- oder Entladestroms nicht im Gleichgewicht ist, da die Elektrolytkonzentration in den Poren der Elektroden und im Zwischenelektrodenraum nicht gleich ist. Daher bleibt die Elektrodenpolarisierung in der Batterie auch nach Abschalten des Lade- oder Entladestroms noch recht lange erhalten. In diesem Fall charakterisiert es die Abweichung des Elektrodenpotentials vom Gleichgewichtswert j 0 aufgrund des Diffusionsausgleichs der Elektrolytkonzentration in der Batterie vom Moment des Öffnens des externen Stromkreises bis zur Einstellung eines stationären Gleichgewichtszustands.

φ = φ 0 ± ψ

Das „+“-Zeichen in dieser Gleichung entspricht der Restpolarisation j nach Ende des Ladevorgangs das Zeichen „–“ – nach Ende des Entladevorgangs.

Man muss also unterscheiden Gleichgewichts-EMK (E 0)Batterie und Nichtgleichgewichts-EMF, oder besser gesagt NRC ( U 0) der Batterie während der Zeit vom Öffnen des Stromkreises bis zur Herstellung eines Gleichgewichtszustands (der Zeitraum des Übergangsprozesses):

E 0 = φ 0 + - φ 0 - = Δφ 0 (12)

U 0 = φ 0 + -φ 0 - ± (ψ + - ψ -) = Δφ 0 ± Δψ (13)

In diesen Gleichheiten:

Δφ 0 – die Differenz der Gleichgewichtspotentiale der Elektroden, (V);

Δψ – Unterschied im Polarisationspotential der Elektroden, (V).

Wie in Abschnitt 3.1 angegeben, wird die Größe der Nichtgleichgewichts-EMK bei fehlendem Strom im externen Stromkreis im Allgemeinen als Leerlaufspannung (OCV) bezeichnet.

EMF oder NRC wird mit einem hochohmigen Voltmeter (Innenwiderstand von mindestens 300 Ohm/V) gemessen. Dazu wird ein Voltmeter an die Pole der Batterie oder Batterie angeschlossen. In diesem Fall darf kein Lade- oder Entladestrom durch den Akkumulator (Batterie) fließen.

Wenn wir die Gleichungen (12 und 13) vergleichen, sehen wir, dass sich die Gleichgewichts-EMF vom NRC durch den Unterschied in den Polarisationspotentialen unterscheidet.

Δψ = U 0 - E 0

Parameter Δψ wird positiv sein, nachdem der Ladestrom abgeschaltet wird ( U 0 > E 0) und negativ nach dem Abschalten des Entladestroms ( U 0< Е 0 ). Im ersten Moment nach dem Abschalten des Ladestroms Δψ beträgt ca. 0,15–0,2 V pro Akku und nach Abschalten des Entladestroms 0,2–0,25 V pro Akku, abhängig vom Modus des vorherigen Lade- bzw. Entladevorgangs. Im Laufe der Zeit Δψ Im absoluten Wert sinkt er auf Null, wenn die Übergangsprozesse in den Batterien, die hauptsächlich mit der Diffusion des Elektrolyten in den Poren der Elektroden und im Zwischenelektrodenraum verbunden sind, abklingen.

Da die Diffusionsgeschwindigkeit relativ gering ist, kann die Abklingzeit transienter Prozesse je nach Stärke des Entladestroms (Ladestroms) und Temperatur des Elektrolyten zwischen mehreren Stunden und zwei Tagen liegen. Darüber hinaus wirkt sich eine Temperaturabnahme deutlich stärker auf die Abschwächungsrate des Übergangsprozesses aus, da bei einem Absinken der Temperatur unter null Grad (Celsius) die Diffusionsrate um ein Vielfaches abnimmt.

Gleichgewichts-EMK einer Bleibatterie ( E 0) hängt wie jede chemische Stromquelle von den chemischen und physikalischen Eigenschaften der am Stromerzeugungsprozess beteiligten Stoffe ab und ist völlig unabhängig von der Größe und Form der Elektroden sowie der Menge der aktiven Massen und des Elektrolyten . Gleichzeitig ist in einer Blei-Säure-Batterie der Elektrolyt direkt am Strombildungsprozess an den Batterieelektroden beteiligt und ändert seine Dichte je nach Ladezustand der Batterien. Daher ist die Gleichgewichts-EMF, die wiederum eine Funktion der Elektrolytdichte ist, auch eine Funktion des Ladezustands der Batterie.

Um den NRC aus der gemessenen Elektrolytdichte zu berechnen, verwenden Sie die empirische Formel

U 0 = 0,84 + d e

wobei „d e“ die Dichte des Elektrolyten bei einer Temperatur von 25 °C in g/cm3 ist;

Wenn es nicht möglich ist, die Elektrolytdichte in Batterien zu messen (z. B. bei offenen VL-Batterien ohne Stecker oder geschlossenen VRLA-Batterien), kann der Ladezustand anhand des NRC-Werts im Ruhezustand, also frühestens, beurteilt werden nach 5-6 Stunden nach Abschalten des Ladestroms (Abstellen des Automotors). Der NRC-Wert für Batterien mit einem Elektrolytstand, der den Anforderungen der Bedienungsanleitung entspricht, mit unterschiedlichen Ladegraden bei unterschiedlichen Temperaturen ist in der Tabelle angegeben. 1

Tabelle 1

Die Änderung der Batterie-EMK als Funktion der Temperatur ist sehr unbedeutend (weniger als 3·10 -4 V/Grad) und kann beim Betrieb von Batterien vernachlässigt werden.

INNERER WIDERSTAND

Als Widerstand wird üblicherweise der Widerstand bezeichnet, den eine Batterie dem darin fließenden Strom (Laden oder Entladen) entgegensetzt innerer Widerstand Batterie