Аккумуляторы с пастированными электродами

Большинство яхтсменов и владельцев катеров используют для электропитания бортовых приборов и навигационных огней свинцово-кислотные стартерные аккумуляторные батареи емкостью от 100 до 300 А·ч. Однако они дефицитны, и, как правило, срок их службы не превышает два — три года. Если же в процессе эксплуатации батареи подвергаются глубоким разрядам, то к этот срок резко сокращается и часто не превышает одного сезона.

Главной причиной быстрого выхода из строя батареи является коррозия решетки положительного электрода. Идея создания батареи с пастированными электродами, как легко заменяемого модуля, со сроком эксплуатации, равным сроку службы автомобиля (два — три года) зародилась в промышленноразвитых странах и для их условий вполне приемлема. Именно по этой причине от батареи стремятся получить высокие удельные характеристики энергоотдачи в ущерб долговечности. Использование подобных батарей для отечественной практики мало приемлемо для автотранспорта и совершенно не приемлемо для яхт и катеров.

Технология изготовления и ремонта пастированных электродов трудоемка и экологически небезопасна. В то же время мало кто знает, что существуют так называемые поверхностные электроды или, как их еще называют, электроды Планте. Они состоят из свинцовой основы с большой площадью поверхности, на которой электрохимическим способом наносится активная масса. Для анодов — это двуокись свинца, а для катодов — губчатый свинец. Причем в процессе формирования активным становится лишь тонкий слой, образованный из свинца, толщиной не более 0,1 мм. Остальная «сердцевина» состоит из неактивного свинца, который первое время выполняет только роль токоотвода. В случае частичного осыпания двуокиси свинца на положительном электроде оголившийся свинец в процессе работы, «залечивая рану», постепенно превращается в двуокись свинца, уменьшая тем самым толщину основы. Таким образом, чем толще тело основы, тем большей долговечностью обладает электрод и батарея в целом. На практике стремятся получить развернутую поверхность пластин не менее чем в восемь раз превышающую видимую. В этом случае долговечность батареи составляет от 15 до 25 лет, что уже соизмеримо со сроком службы плавучего средства. Таким образом, есть смысл специально проектировать такие батареи, делать их необходимых размеров и веса, на яхтах они могут быть использованы в качестве балласта.


Первая батарея подобного типа, изготовленная французским ученым Гастоном Планте в 1859 г., требовала длительного процесса формирования электродов: несколько месяцев, а отдельные экземпляры — даже несколько лет. Этот недостаток в 1896 г. удалось преодолеть ученому Лукасу. Для сокращения времени формирования электродов до нескольких дней он предложил добавлять в электролит вещества, которые при электролизе вызывают повышенную коррозию свинца. В качестве таких веществ могут быть использованы хлораты, перхлораты, соли азотной кислоты, бихроматы, гидроксиламин и многие другие.

Наибольшее распространение получила хлоратно-перхлоратная технология. Формировать анод можно с использованием в качестве второго электрода либо основы катода, либо свинцового «манекена». Катод непосредственно из свинца не формируется и может быть получен с предварительно отформированного анода.

При создании электродов непосредственно в батарее необходимо помнить, что по окончании процесса электролит с коррозионными добавками следует заменить на чистый требуемой плотности, перед его заливкой батарею надо тщательно промыть.

Процесс формирования электродов осуществляется при плотности тока 0,09 А/дм² в следующей последовательности. Источник тока подсоединяют к батарее в обратной полярности, т. е. положительный выводной провод источника питания подсоединен к отрицательному полюсу батареи и наоборот. На этом этапе состояние свинца положительного электрода остается неизменным, в то время как свинец отрицательного электрода будет постепенно электрохимическим путем преобразовываться в PbO₂. При преобразовании существует краткая переходная фаза, в которой участок внешней поверхности PbO₂ превращается в PbO₄. Длительность первой фазы составляет 30—40 ч.

Во второй фазе процесса источник питания подсоединен к батарее в прямой полярности (положительный провод к положительному полюсу). При подаче электрического тока PbO₂ отрицательного электрода электрохимически преобразуется в PbO₄. Одновременно металлический свинец положительного электрода постепенно преобразуется в PbO₂, это сопровождается также краткой переходной стадией превращения его в PbO₄.

После того как весь PbO₂ отрицательного электрода был преобразован в PbO₄, непрерывная подача электрического тока вызовет постепенное преобразование PbO₄ в активный или «губчатый» свинец. В течение этого времени будет продолжаться преобразование свинца положительного электрода в PbO₂. Длительность процесса протекания второй фазы составляет также 30—40 ч.


Губчатый свинец отрицательного электрода а воздухе активно окисляется. Опытные формировщики извлекали электрод из электролита плоскогубцами, и в результате сильного разогрева свинца происходило его оплавление до каплеобразного состояния, что свидетельствовало о качестве формирования. Поэтому для возможности хранения катода на воздухе его частично разряжают или покрывают защитной пленкой.

При ориентировочном расчете емкости батареи следует помнить, что с одного квадратного дециметра поверхности электрода можно получить емкость 1,6 А·ч.

Будет рационально, если функцию изготовления заказных долговечных аккумуляторов возьмет на себя солидный кооператив. Автор может оказать необходимое содействие в разработке технологических инструкций, чертежей оснастки и батарей.

В качестве примера рассмотрим ремонт аккумуляторной батареи 6СТ60 в эбонитовом моноблоке с использованием электродов Планте.

Основной причиной выхода из строя аккумуляторной батареи является коррозия положительных электродов, долговечность же отрицательных электродов в 2—3 раза выше, при ремонте чаще всего требуется только подпрессовка разбухшей активной массы. Поэтому рекомендую использовать сочетание поверхностных анодов и пастированных катодов.


Ширина стандартных банок эбонитового моноблока батареи 6СТ60 составляет 34,3^+0,5_—0,8 мм в нижней части и 39,8±0,3 в верхней (в зоне размещения бареток блоков электродов).

Толщина стандартных пастированных отрицательных электродов в зоне намазки 1,7±0,1 мм и в зоне ушка 1,6±0,1.

Стандартный сепаратор из мипласта размерами 148(±1)Х144(±1) мм имеет толщину 1,3±0,5 мм.

При аккуратной разборке борн и перемычки могут быть использованы старые. При повреждении их не сложно отлить из свинцового сплава, содержащего 6÷8 % сурьмы. На рис. 1 и 2 приведены их размеры, а на рис. 3 — размеры спаянного блока электродов.

Для сборки батареи напряжением 12 В понадобится шесть блоков электродов или по шесть положительных к отрицательных полублоков.

Общий вид основы поверхностного электрода показан на рис. 4, а его основные геометрические размеры приведены на рис. 5. Схема взаимного расположения положительных и отрицательных электродов, а также сепараторов ясна из рис. 6.

В отличие от сборки стандартной батареи, в новой батарее сепараторы должны быть установлены ребрышками в сторону отрицательных электродов.

Формирование поверхностных электродов производят до их пайки в полублоки в сернокислом электролите плотностью 1,07—1,09. На 1 л электролита добавляют 11—12 г перхлората калия (KClO₄). Батарейное формирование электродов недопустимо, так как наличие в батарее перхлората калия приведет к ее преждевременному выходу из строя из-за коррозии.

Для получения основы свинцового электрода мною был использован литейный автомат УСОТ-1C, форма кокильного литья которого изготовлена под сдвоенную основу свинцового электрода. Автомат был модернизирован для увеличения дозы подаваемого расплава. Отливка с обрезкой скрапа (прибыльной и литниковой частей) производилась в автоматическом режиме.


Применение поверхностных положительных электродов, изготовленных способом кокильного литья, позволило получить в стандартном эбонитовом моноблоке аккумуляторную батарею, которая имела емкость в режиме 20-часового разряда 50 А·ч (по сравнению с 60 А·ч стандартной батареи). Однако ток в режиме короткого стартерного разряда (450 А) был намного больше, чем в стандартной батарее (200 А).

Это явление объясняется тем, что электрохимические процессы при коротких режимах разряда носят ярко выраженный «поверхностный» характер.

Для любительского изготовления основ электродов удобно получать большую развернутую поверхность методом прокатки на профильных вальцах или штамповкой. При этом емкость батареи может быть существенно увеличена, так как нет технологических ограничений, накладываемых способом кокильного литья.

Батарея с использованием поверхностных анодов и пастированных катодов может служить 7—8 лет. При создании батареи только с поверхностными электродами ее долговечность может быть доведена до 20—25 лет.