Типы кислотно-свинцовых аккумуляторных батарей
Без подготовки разобраться в разновидностях кислотно-свинцовых аккумуляторов не так просто: неспециалист, к примеру, редко знает, что означают аббревиатуры SLA, AFG, AGM и прочие.
Кислотно-свинцовый аккумулятор, как система пластин в растворе серной кислоты между двумя свинцовыми электродами – довольно популярная и надежная конструкция автономного источника питания, известная с начала XX века. В настоящее время существует несколько основных типов кислотно-свинцовых аккумуляторов.
Подразделение типов свинцовых батарей по конструкции и состоянию электролита
По конструкции кислотно-свинцовые аккумуляторы можно разделить на:
Батареи со свободным электролитом подразделяются на обслуживаемые и необслуживаемые (есть ещё промежуточный тип – «малообслуживаемые»). Их особенности:
Батареи VRLA, в которых электролит имеет гелевую (тип GEL) или абсорбированную консистенцию (тип AGM), более устойчивы к низким температурам и способны долго держать зарядку. При их зарядке обеспечение вентиляции в помещении не требуется. На энергетических объектах могут применяться также аккумуляторы AGM глубокого разряда (обеспечивающие 200-400 циклов разряда до 100 %).
Аббревиатура AGM расшифровывается как «абсорбирующие маты из стекла». Отсеки корпуса такого аккумулятора заполняются пористой субстанцией из стекловолокна, пропитываемой раствором серной кислоты. В такой конструкции электролит находится в батарее в «связанном» состоянии. При этом поры заполняются электролитом не полностью, есть свободный объём, в котором должен рекомбинироваться газ.
Подразделение по функциональному назначению. Области применения
С точки зрения области применения свинцово-кислотные аккумуляторы можно разделить на:
Поскольку свинцово-кислотные аккумуляторы используются с начала XX века, связанная с ними теория очень развита. Совершенствуются химические процессы, разрабатываются технологии, которые позволяют электролиту держать заряд дольше. Чтобы купить аккумулятор для автомобиля, покупателю не нужно разбираться в технологиях изготовления батарей, которые со временем усложняются. Однако знание типов аккумуляторов и их особенностей поможет при выборе. Если вам сложно разобраться в многообразии батарей, вы можете воспользоваться помощью наших консультантов.
Аккумуляторы. Виды химии и конструкции. Sb/Sb, Sb/Ca, Ca/Ca, Silver, GEL, AGM, VRLA, EFB.
Итак, по химии:
малосурьмянистые (Sb/Sb) – это обычная старая-дедовская свинцовая батарея с добавками в пластины сурьмы.
+ не боятся глубоких разрядов
+ легко зарядить даже при плотности электролита практически «до воды».
— подвержены наибольшему саморазряду,
— выкипанию воды из раствора электролита.
Технология Ca/Ca – пришла на смену классической малосурьмянистой (Sb/Sb).
Использования кальция в качестве легирующей добавки позволяет избегать выкипания. При достижении заряда, батарея «перестает брать ток». Это дает возможность делать необслуживаемые аккумуляторы. Благодаря технологии Ca/Ca аккумулятор становится также более устойчив к саморазряду в состоянии бездействия и характеризуется высокими стартовыми токами
+ высокие стартовые токи при любых погодных условиях (лично мне устойчивость к разряду гораздо важнее).
+ снижение саморазряда на 30 % и расхода воды на 80% по сравнению с малосурьмянистыми.
— неустойчивость к глубоким разрядам. Разряжать Сa/Сa ниже границы чем 70% заряда не рекомендуется. Кальциевые батареи, пережившие хотя бы 1 полный разряд (ниже 10,8 В), теряют до 50% своей емкости!
Сульфат кальция не растворяется в воде, а в электролите он растворяется с большим трудом. Поэтому, при глубоких разрядах сульфат кальция заклеивает поры (закупорка пластин) и затрудняет последующий заряд:
При КТЦ, если разряжать, то не ниже 11,8В (при этом с риском не вернуть назад прежнюю ёмкость АКБ) или 12В (неглубокий КТЦ), т.к. 11,8В НРЦ (Напряжение Разомкнутой Цепи) на кальциевом АКБ говорит о 0% его SOC (State_of_Charge), напряжение 100% заряженного АКБ составляет 12,8В.
Если плотность электролита аккумуляторной батареи составляет менее 1,17 г/см3 (SOC составляет менее 25%, что соответствует напряжению менее 12В), то такая батарея подлежит замене новой, так как в этом случае восстановить нормальное функционирование аккумуляторной батареи с помощью ее заряда уже невозможно (!).
Заряжать кальциевый АКБ нужно не выше 14,4В и зарядным током не более 10% от номинальной ёмкости АКБ (справедливо при +20С внешней температуры).
Технология Sb/Ca или Гибридная — в отрицательные электроды добавляется кальций, а в положительные – сурьма
+ Наличие кальция в пластинах снижает выкипание воды из электролита, что приводит к увеличению срока службы аккумуляторной батареи.
+ устойчивы к глубокому саморазряду (? т.е. сами глубоко не разряжаются или глубокий разряд не несет фатальных последствий?)
+ высокий цикл разрядов-зарядов по сравнению с сурьмянистой технологией;
+ Свинцовые пластины становятся крепкими, и батарея приобретает очень важное свойство – виброустойчивость. (? не видел чтобы пластины гнулись при штатной эксплуатации)
Гибридные батареи являются золотой серединой. Они довольно стойки к глубоким разрядам, при этом значительно меньше подвержены выкипанию и саморазряду по сравнению с малосурьмянистыми.
Кальциевые и гибридные аккумуляторы в гораздо меньшей степени подвержены выкипаемости еще и потому, что состав их свинца обеспечивает свойства своеобразной «самовыключаемости» — они перестают принимать ток, когда заряжены на 95-97 %
Позволяет пластины делать более тонкими, благодаря чему количество их увеличивается.
Расчетный срок службы до 5 лет (до 5 лет — МАЛОВАТО!)
Технология Ca/Ca + Silver – дороже, но лишена недостатков батарей предыдущих типов.
+ являются полностью необслуживаемыми,
+ характеризуются высокими стартовыми токами,
+ высокими показателями тока холодной прокрутки,
+ низким уровнем саморазряда,
+ устойчивостью пластин к коррозии,
+ длительным сроком эксплуатации (более 5 лет),
+ увеличенным сроком хранения без подзарядки.
— дороже.
Теперь по конструкции:
VRLA — Valve Regulated Lead Acid — Свинцово-кислотная с клапаном или «обычные» — Один аккумулятор состоит из блока положительных и отрицательных пластин, которые вместе создают напряжение 12 В. Пластины состоят из свинцовых решеток, которые заполнены активным электролитом. Положительные пластины изготовлены из двуокиси свинца, отрицательные — из чистого свинца. Между ними установлен сепаратор. Он разделяет пластины, предотвращая замыкание, но электролит может проходить через его мельчайшие поры. Электролит — это токопроводящая жидкость, которая примерно состоит из 37% концентрированной серной кислоты и 63% дистиллированной воды.
Разрушение свинцовых пластин является неизбежным результатом при реакции электролиза. А если это так, то замедлить этот процесс и предотвратить внутреннее замыкание цепи — главная задача.
AGM (Absorbent Glass Mat) — электроды представляют из себя сетку в обмазке, скрученную в рулон, между электродами — стекломат, конструкция схожа с конденсаторами. Такая конструкция позволяет уменьшить толщину электродов без потери общей прочности и риска осыпания обмазки, соотв., увеличить площадь электродов и уменьшить расстояние между ними. Следствие — уменьшение внутреннего сопротивления — увеличение пускового тока. Электролит ЖИДКИЙ, но не вытекает поскольку находится в адсорбированном состоянии в особых стекловолоконных матах, облегающих пластины. Блоки пластин в таких АКБ плотно прижаты друг к другу, что помогает гораздо лучше удерживать активную массу на их решетках, чем в обычных стартерных батареях. обеспечивают в три раза больше циклов разряда-заряда, а их пусковая мощность процентов на 30 выше, чем у традиционных батарей.
+ обеспечивают в три раза больше циклов разряда-заряда,
+ пусковая мощность процентов на 30 выше, чем у традиционных батарей.
+ Не боится глубокого разряда. Даже среднестатистический аккумулятор AGM должен выдержать, как минимум, две сотни полных разрядок (на ноль), не менее пятисот разрядов до 50% и тысячу на 20-30%.
+ Не боятся механического повреждения
+ Разрешена транспортировка и эксплуатация практически в любом положении.
+ Срок службы AGM составляет от 5 до 12 лет (при обязательном соблюдении правил зарядки).
+ Нейтральны к высокой температуре окружающей среды (например, в подкапотном пространстве автомобиля).
— Данный тип батарей весьма чувствителен к перезарядке. Это значит, что, если автомобиль не оснащен устройством, исключающим избыток заряда, — от покупки таких аккумуляторов стоит воздержаться.
— Урон им могут нанести чрезмерные значения тока и напряжения. Оптимальным током для зарядки считается ток в 10% от номинала. Макс. напряжение — 14.4В, напряжение буферного режима (хранения) — 13,8В.
— стоит почти вдвое дороже обычного
* У меня есть подозрение, что выпускаются они по «серебряной» технологии. А нет! Нашел упоминание про Ca/
Sb.
* Также мне непонятно, что там такого, что стОят они в 2, а то и более раза дороже. АААааа! Вот оно что! «эксклюзивные права на «спираль» в аккумуляторах запатентованы.»
Необслуживаемые аккумуляторы: Жидкостные, Гелевые и AGM
Такие аккумуляторы бывают различных типов: Жидкостные, Гелевые и AGM. Начнем с того, что это все кислотные аккумуляторы и принцип их работы не отличается от друг от друга.
12-ти вольтовый Аккумулятор состоит из шести ячеек, в которых находятся электродные блоки, состоящие из пластин (решеток) положительных и отрицательных с нанесенной на них активной массой и разделенных между собой сепаратором, все это залито электролитом. Процесс образования (выработка) электричества происходит при химическом взаимодействии между активной массой, нанесенной на решетки и электролитом.
Основное принципиальное отличие Обычных жидкостных, Гелевых (GEL) и VRLA или SLA созданных по AGM технологии батарей заключается в физическом состоянии электролита:
Решетки электродов, удерживающие активную массу, легируют сурьмой и мышьяком. Добавки улучшают технологичность литья, повышают твердость и коррозионную стойкость электродов. В то же время сурьма способствует повышенному расходу воды и снижению ЭДС батареи в процессе эксплуатации.
Дальнейшее развитие привело к снижению доли сурьмы в составе сплава, из которого льют решетки. Это привело к появлению малообслуживаемых аккумуляторов (малосурьмянистые технологии), так же увеличился срок службы батареи. Затем из отрицательных пластин сурьму вытеснил кальций. Появились «Гибридные» аккумуляторы стали требовать долива еще реже.
Применение кальция в положительных и отрицательных пластинах (кальциевые технологии) привело к появлению батарей, теоретически не требующих долива на протяжении всего срока эксплуатации. Однако такие батареи выходят из строя от глубоких разрядов. Чтобы повысить стойкость, в свинцово-кальциевый сплав положительных пластин стали добавлять серебро. Применение лабиринтных крышек и пробок, конденсирующих остатки испарения воды и возвращающих ее обратно в аккумулятор, привело к появлению полностью необслуживаемых батарей в течение всего срока их жизни.
Гелевые аккумуляторы появились с началом освоения космоса. Гель, получающийся в результате добавления в серную кислоту двуокиси кремния, позволяет добиться полной герметичности батареи, так как все газовыделение происходит внутри пор в массе геля. Таким батареям нет равных по стойкости к глубоким разрядам, они намного долговечнее традиционных. Но распространения у автомобилистов гелевые аккумуляторы не получили по причине очень высоких требований к бортовому электрооборудованию и из-за резкого падения пускового тока на холоде.
Наиболее современная технология (AGM) вновь вернулась к жидкой кислоте, но теперь электролит удерживается в порах сепаратора из ультратонких стеклянных волокон. Такая конструкция позволяет не только герметизировать корпус, но и сохранить работоспособность батареи даже в случае повреждений наружной оболочки. AGM-батареи нечувствительны к колебаниям температуры, очень стойки к глубоким разрядам, долговечны, виброустойчивы и могут работать хоть лежа на боку, но боятся перезаряда.
ОСОБЕННОСТИ ГЕЛЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Гелевый электролит заполняет пространство между пластинами аккумулятора, но сепаратор не исключается. Рекомбинация газов в гелевых аккумуляторах имеет эффективность до 97%. Гель эффективнее фиксирует материал пластин, снижая их износ в режимах глубоких разрядов, поэтому циклический ресурс гелевых аккумуляторов в 2-3 раза выше, чем у обычных, поэтому их целесообразно применять в тех случаях, где такое применение (циклический режим с глубоким разрядом) востребовано. Гелевые аккумуляторы также могут эксплуатироваться в любом положении (кроме перевернутого), имеют несколько меньший саморазряд, поэтому гелевые аккумуляторы предпочтительно использовать в тех режимах, где разряд производится малым током на протяжении длительного времени.
В гелевом электролите ионы имеют худшие показатели подвижности (в силу большей плотности среды), что отрицательно сказывается на динамических разрядных и зарядных характеристиках гелевых аккумуляторов. Более того, может наблюдаться временный провал в напряжении при резком увеличение нагрузки, что может приводить к неадекватному поведению оборудования; поэтому следует с осторожностью применять гелевые аккумуляторы в системах управления током и т.п. устройствах с коммутацией быстроизменяющихся токов. Гелевые батареи очень чувствительны к качеству зарядки аккумуляторы с гелем внутри можно применять лишь там, где бортовая электрика позволяет очень точно поддерживать режим заряда. Куда там, на отечественных автомобилях даже с исправным реле-регулятором напряжение «гуляет» с 13 до 16 вольт! Да и на большинстве иномарок немногим лучше. А уж если реле-регулятор из строя выйдет, то гелевый аккумулятор можно сразу выбрасывать. Не зря же на нем написано: напряжение заряда не более 14,4 В. Если больше, то гель тает как холодец в тепле и обратно уже не восстанавливается. И вот еще что: у настоящих гелевых батарей, конечно, может быть огромный ток, но только летом. Гель и так вязкий, а на морозе он совсем застывает. В результате характеристики падают наполовину и больше.
Зарядка гелевых аккумуляторов ограничивается очень малыми токами, в противном случае возникает опасность «вспучивания» геля избыточными газами из-за меньшей эффективности рекомбинации и ограниченной теплопроводности. Гелевые аккумуляторы предпочтительней питать от зарядных устройств с высоким качеством напряжения (стабильность, минимум пульсаций) во избежание перезаряда и перегрева, они не переносят даже кратковременных коротких замыканий — любое КЗ (например, при установке аккумулятора Вы случайно замкнули на долю секунды два полюса металлическим гаечным ключом) моментально выводит аккумулятор из строя.
Высокие вибрации приводят к разжижению геля и стеканию его с пластин. Как видим, гелевые аккумуляторы «лушче» (если так можно сказать), только в плане повышенного циклического ресурса и меньшего % саморазряда. К тому же такой тип батарей самый дорогой.
СВИНЦОВО—КИСЛОТНЫЕ, ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ, КЛАПАННО-РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ (VRLA или SLA)
Особенность аккумуляторов типа VRLA — отсутствие необходимости долива воды в течение всего срока службы и практически полное отсутствие выделения газов (водорода и кислорода) — продуктов электролиза воды, входящей в состав электролита. Поэтому их нередко называют герметизированными необслуживаемыми. Незначительное обслуживание, тем не менее, необходимо: прежде всего, визуальный осмотр, протирание от пыли, подтяжка соединений и контроль напряжений.
Благодаря особенностям конструкции и составу материалов пластин, сепараторов и электролита продукты электролиза воды — молекулы водорода и кислорода — в аккумуляторах данного типа рекомбинируют, превращаясь в молекулы воды и возвращаясь в состав электролита.
Коэффициент рекомбинации при нормальных условиях эксплуатации достаточно высок и может достигать >99 %. Поэтому лишь очень незначительная часть непрорекомбинировавших газов накапливается внутри корпуса аккумулятора и затем при превышении заданного уровня давления стравливается в атмосферу через специальные клапаны.
Аккумуляторы, производимые с использованием технологии AGM, изготавливаются в спиральной или плоской конфигурации. Спиральные элементы обладают большей площадью поверхностного контакта, что даёт возможность кратковременно выдавать большие токи и быстрее заряжаться. Однако обратной стороной является уменьшение удельной ёмкости аккумулятора (соотношение электрической ёмкости и размеров) по сравнению с плоской конфигурацией. Обе технологии являются перспективными. В настоящий момент наиболее распространены автомобильные аккумуляторы AGM с плоской конфигурацией блоков. Спиральные блоки SpiraCell запатентованы компанией Johnson Controls для серии Optima и не могут использоваться без её разрешения, в отличие от плоских блоков. У спиральных батарей выше характеристики токоотдачи и меньшее внутреннее сопротивление из-за большей рабочей поверхности пластин при тех же внешних габаритах батареи. Простым языком говоря, они мощнее.
Свинцовые аккумуляторы со связанным электролитом, изготовленные по технологии AGM, появились около 40 лет назад — их изобрели для работы в буферном режиме в стационарных системах бесперебойного электроснабжения. Такие батареи хороши с точки зрения безопасности, поскольку практически не выделяют в атмосферу образующиеся при зарядке газы. В 90-х годах прошлого века технология AGM прижилась в автоспорте. Во-первых, вновь из-за безопасности — теперь уже благодаря полностью герметичному корпусу аккумулятора, исключающему вытекание электролита при аварии. А во-вторых, из-за компактности — благодаря малому сопротивлению не изолирующих, а пропитанных электролитом сепараторов большой пусковой ток они выдают при меньшей емкости, то есть с меньшим количеством пластин в пакете. На обычных автомобилях AGM-аккумуляторы появились больше десяти лет назад. В настоящий момент автомобильные стартерные батареи AGM используются в качестве источника питания системы «Старт-Стоп», которой оснащается ряд моделей автомобилей ведущих производителей из-за возможности быстро и отдавать, и принимать большое количество энергии, способности безболезненно выдерживать глубокие разряды (при периодических разрядах больше 50% АGМ — батарея прослужит вчетверо дольше обычной) и не деградировать при частых циклах разрядов-зарядов. Ведь стекловолоконные маты вдобавок ко всему механически удерживают активную массу на пластинах, не давая ей осыпаться. Именно поэтому на машинах с системой «Старт-Стоп» подобный аккумулятор способен проработать четыре-пять лет, а не два-три года, как обычный «жидкий».
СОДЕРЖАНИЕ
История
В этой батарее вместо жидкости используется гелевый электролит, что позволяет использовать батарею в разных положениях без утечки. Гелевые электролитные батареи для любого положения были впервые использованы в 1930-х годах, а в конце 1920-х годов портативные радиоприемники-чемоданы допускали вертикальное или горизонтальное (но не перевернутое) расположение элементов из-за конструкции клапана. В 1970-х годах была разработана свинцово-кислотная батарея с регулируемым клапаном (VRLA, или «герметичный»), включая современные типы абсорбирующего стекломата (AGM), позволяющие работать в любом положении.
В начале 2011 года было обнаружено, что свинцово-кислотные батареи действительно используют некоторые аспекты относительности для работы, и в меньшей степени жидкометаллические и солевые батареи, такие как Ca-Sb и Sn-Bi, также используют этот эффект.
Электрохимия
Увольнять
Освобождение двух проводящих электронов дает свинцовому электроду отрицательный заряд.
По мере накопления электронов они создают электрическое поле, которое притягивает ионы водорода и отталкивает ионы сульфата, что приводит к образованию двойного слоя у поверхности. Ионы водорода экранируют заряженный электрод от раствора, что ограничивает дальнейшую реакцию, если заряд не может вытекать из электрода.
Чистая энергия, выделяемая на моль (207 г) Pb (ов), преобразованного в PbSO
4 (s), составляет ок. 400 кДж, что соответствует образованию 36 г воды. Сумма молекулярных масс реагентов составляет 642,6 г / моль, поэтому теоретически ячейка может производить два фарада заряда (192 971 кулон ) из 642,6 г реагентов, или 83,4 ампер-часов на килограмм (или 13,9 ампер-часов на килограмм для аккумулятор на 12 В) для элемента на 2 В. Это составляет 167 ватт-часов на килограмм реагентов, но на практике свинцово-кислотный элемент дает только 30-40 ватт-часов на килограмм батареи из-за массы воды и других составляющих частей.
Зарядка
Влияние уровня заряда на температуру замерзания
Ионное движение
Измерение уровня заряда
Напряжение холостого хода аккумулятора также можно использовать для измерения степени заряда. Если соединения с отдельными ячейками доступны, то можно определить состояние заряда каждой ячейки, что может дать представление о состоянии батареи в целом, в противном случае можно оценить общее напряжение батареи.
Напряжения для общего использования
Напряжение холостого хода варьируется в зависимости от типа батареи (например, залитые элементы, гелеобразный электролит, абсорбированный стекломат ) и колеблется от 1,8 В до 2,27 В. Напряжение выравнивания и напряжение зарядки для сульфатированных элементов может варьироваться от 2,67 В до почти 3 В. ( только до тех пор, пока не будет протекать зарядный ток). Конкретные значения для данной батареи зависят от конструкции и рекомендаций производителя и обычно даются при базовой температуре 20 ° C (68 ° F), требующей корректировки для условий окружающей среды.
Строительство
Тарелки
Свинцово-кислотный элемент можно продемонстрировать с помощью листовых свинцовых пластин для двух электродов. Однако такая конструкция производит всего около одного ампера для пластин размером примерно с открытку и всего в течение нескольких минут.
Гастон Планте нашел способ обеспечить гораздо большую эффективную площадь поверхности. В конструкции Планте положительная и отрицательная пластины были сформированы из двух спиралей свинцовой фольги, разделенных листом ткани и свернутых в спираль. Изначально элементы имели низкую емкость, поэтому требовался медленный процесс «формирования» для коррозии свинцовой фольги, образования диоксида свинца на пластинах и придания им шероховатости для увеличения площади поверхности. Первоначально в этом процессе использовалась электроэнергия от первичных батарей; когда генераторы стали доступны после 1870 года, стоимость производства батарей значительно снизилась. Пластины Планте все еще используются в некоторых стационарных приложениях, где на пластинах имеются механические канавки для увеличения площади поверхности.
В 1880 году Камилла Альфонс Фор запатентовал метод покрытия свинцовой сетки (которая служит проводником тока) пастой из оксидов свинца, серной кислоты и воды с последующей фазой отверждения, на которой пластины подвергались слабому нагреву в среда с повышенной влажностью. В процессе отверждения паста превратилась в смесь сульфатов свинца, которая прилипла к свинцовой пластине. Затем во время первоначального заряда батареи (так называемого «формирования») отвержденная паста на пластинах превращалась в электрохимически активный материал («активную массу»). Технология Faure значительно сократила время и стоимость производства свинцово-кислотных аккумуляторов и дала значительное увеличение емкости по сравнению с батареей Planté. Метод Фора все еще используется сегодня, только с постепенными улучшениями состава пасты, отверждения (которое по-прежнему осуществляется паром, но теперь это очень строго контролируемый процесс), а также структуры и состава сетки, на которую наносится паста.
Аккумуляторы глубокого разряда имеют другую геометрию положительных электродов. Положительный электрод представляет собой не плоскую пластину, а ряд цилиндров или трубок из оксида свинца, нанизанных бок о бок, поэтому их геометрия называется трубчатой или цилиндрической. Преимущество этого заключается в увеличенной площади поверхности, контактирующей с электролитом, с более высокими токами разряда и заряда, чем у плоского элемента того же объема и глубины заряда. Ячейки с трубчатыми электродами имеют более высокую удельную мощность, чем ячейки с плоскими пластинами. Это делает пластины с трубчатой / цилиндрической геометрией особенно подходящими для сильноточных устройств с ограниченным весом или пространством, например для вилочных погрузчиков или для запуска судовых дизельных двигателей. Однако, поскольку трубки / цилиндры содержат меньше активного материала в том же объеме, они также имеют более низкую плотность энергии, чем элементы с плоскими пластинами. А меньшее количество активного материала на электроде также означает, что у них меньше материала, доступного для удаления, прежде чем элемент станет непригодным для использования. Трубчатые / цилиндрические электроды также сложнее производить единообразно, что, как правило, делает их более дорогими, чем элементы с плоскими пластинами. Эти компромиссы ограничивают диапазон применений, в которых трубчатые / цилиндрические батареи имеют смысл, ситуациями, когда недостаточно места для установки блоков с плоскими пластинами большей емкости (и, следовательно, большего размера).
Сепараторы
Абсорбирующий стеклянный мат (AGM)
В конструкции абсорбирующего стекломата, сокращенно AGM, разделители между пластинами заменены стекловолоконным матом, пропитанным электролитом. В коврике достаточно электролита, чтобы он оставался влажным, и если аккумулятор проткнется, электролит не будет вытекать из матов. В основном цель замены жидкого электролита в залитой батарее полупроводниковым матом из стекловолокна состоит в том, чтобы существенно увеличить транспортировку газа через сепаратор; водород или газообразный кислород, образующийся во время перезарядки или заряда (если ток заряда чрезмерен), может свободно проходить через стеклянный мат и соответственно восстанавливать или окислять противоположную пластину. В затопленном элементе пузырьки газа всплывают к верхней части батареи и теряются в атмосфере. Этот механизм рекомбинации образующегося газа и дополнительное преимущество полунасыщенного элемента, обеспечивающего отсутствие существенной утечки электролита при физическом повреждении корпуса батареи, позволяет полностью герметизировать батарею, что делает их полезными в портативных устройствах и аналогичных ролях. Кроме того, аккумулятор можно установить в любом положении, хотя, если он установлен в перевернутом положении, кислота может вылететь через выпускное отверстие для избыточного давления.
Чтобы снизить скорость потери воды, кальций сплавлен с пластинами, однако скопление газа остается проблемой, когда аккумулятор глубоко или быстро заряжается или разряжается. Чтобы предотвратить избыточное давление в корпусе батареи, батареи AGM включают односторонний продувочный клапан и часто известны как «свинцово-кислотные конструкции с регулируемым клапаном» или VRLA.
Еще одно преимущество конструкции AGM состоит в том, что электролит становится материалом сепаратора и механически прочен. Это позволяет сжимать пакет пластин вместе в корпусе батареи, немного увеличивая удельную энергию по сравнению с жидкими или гелевыми версиями. Батареи AGM часто демонстрируют характерную «выпуклость» в их корпусах, когда они построены в обычных прямоугольных формах, из-за расширения положительных пластин.
Коврик также предотвращает вертикальное движение электролита внутри батареи. Когда нормальный влажный элемент хранится в разряженном состоянии, более тяжелые молекулы кислоты имеют тенденцию оседать на дно батареи, вызывая расслоение электролита. Когда затем используется батарея, большая часть тока проходит только в этой области, а нижняя часть пластин имеет тенденцию быстро изнашиваться. Это одна из причин, по которой обычный автомобильный аккумулятор может выйти из строя, если оставить его на длительное хранение, а затем использовать и перезарядить. Коврик значительно предотвращает это расслоение, избавляя от необходимости периодически встряхивать батареи, кипятить их или пропускать через них «выравнивающий заряд» для смешивания электролита. Расслоение также приводит к тому, что верхние слои батареи почти полностью становятся водой, которая может замерзнуть в холодную погоду, AGM значительно менее подвержены повреждениям из-за использования при низких температурах.
Хотя элементы AGM не допускают полива (обычно невозможно добавить воду, не просверлив отверстие в батарее), процесс их рекомбинации в основном ограничивается обычными химическими процессами. Газообразный водород будет диффундировать даже через сам пластиковый корпус. Некоторые обнаружили, что добавлять воду в батарею AGM выгодно, но это нужно делать медленно, чтобы вода могла смешиваться путем диффузии по всей батарее. Когда свинцово-кислотная батарея теряет воду, концентрация кислоты в ней увеличивается, что значительно увеличивает скорость коррозии пластин. Элементы AGM уже имеют высокое содержание кислоты в попытке снизить скорость потери воды и увеличить резервное напряжение, и это сокращает срок службы по сравнению со свинцово-сурьмянистыми батареями. Если напряжение холостого хода элементов AGM значительно выше 2,093 В или 12,56 В для аккумулятора 12 В, то в нем более высокое содержание кислоты, чем в затопленном элементе; Хотя это нормально для батареи AGM, это нежелательно для длительного срока службы.
Ячейки AGM, которые намеренно или случайно перезаряжены, будут показывать более высокое напряжение холостого хода в зависимости от потери воды (и увеличения концентрации кислоты). Один ампер-час перезарядки приведет к электролизу 0,335 грамма воды на элемент; часть этого освобожденного водорода и кислорода рекомбинирует, но не весь.
Загущенные электролиты
Единственным недостатком гелевой конструкции является то, что гель предотвращает быстрое движение ионов в электролите, что снижает подвижность носителей и, следовательно, способность к импульсным токам. По этой причине гелевые ячейки чаще всего используются в приложениях для хранения энергии, таких как автономные системы.
«Не требующий обслуживания», «герметичный» и «VRLA» (свинцово-кислотный, регулируемый клапаном)
И гелевая, и AGM-конструкция герметичны, не требуют полива, могут использоваться в любой ориентации и использовать клапан для выпуска газа. По этой причине обе конструкции можно назвать необслуживаемыми, герметичными и VRLA. Однако довольно часто можно найти ресурсы, в которых говорится, что эти термины относятся конкретно к тому или иному из этих дизайнов.
Приложения
Переносные аккумуляторы для рудничных фонарей в фарах обычно состоят из двух или трех элементов.
Циклы
Пусковые батареи
Пусковые батареи имеют меньший вес, чем батареи глубокого цикла того же размера, потому что более тонкие и легкие пластины элементов не доходят до дна батарейного отсека. Это позволяет рыхлому распавшемуся материалу падать с пластин и собираться на дне ячейки, продлевая срок службы батареи. Если этот незакрепленный мусор поднимется достаточно, он может коснуться дна пластин и вызвать отказ элемента, что приведет к потере напряжения и емкости аккумулятора.
Аккумуляторы глубокого разряда
Некоторые батареи разработаны как компромисс между стартерным (сильноточным) и глубоким циклом. Они могут разряжаться в большей степени, чем автомобильные аккумуляторы, но в меньшей степени, чем аккумуляторы глубокого цикла. Они могут называться «морские аккумуляторы / аккумуляторы для автодомов» или «аккумуляторы для отдыха».
Быстрая и медленная зарядка и разрядка
Когда аккумулятор заряжается или разряжается, первоначально затрагиваются только реагирующие химические вещества, которые находятся на границе раздела между электродами и электролитом. Со временем заряд, накопленный в химических веществах на границе раздела, часто называемый «зарядом на границе раздела» или «поверхностным зарядом», распространяется за счет диффузии этих химических веществ по всему объему активного материала.
Рассмотрим полностью разряженную аккумуляторную батарею (например, если оставить автомобильные фары включенными на ночь, потребляемый ток составляет около 6 ампер). Если затем дать ему быструю зарядку всего на несколько минут, пластины батареи заряжаются только вблизи границы раздела между пластинами и электролитом. В этом случае напряжение аккумулятора может возрасти до значения, близкого к напряжению зарядного устройства; это приводит к значительному снижению зарядного тока. Через несколько часов этот интерфейсный заряд распространится на объем электрода и электролита; это приводит к настолько низкому уровню заряда интерфейса, что его может быть недостаточно для запуска двигателя. Пока зарядное напряжение остается ниже напряжения выделения газа (около 14,4 В в нормальной свинцово-кислотной батарее), повреждение батареи маловероятно, и со временем батарея должна вернуться в номинально заряженное состояние.
Регулируемый клапан (VRLA)
Типы VRLA стали популярными на мотоциклах примерно в 1983 году, поскольку кислотный электролит абсорбируется сепаратором и не может пролиться. Сепаратор также помогает им лучше выдерживать вибрацию. Они также популярны в стационарных приложениях, таких как телекоммуникационные площадки, из-за своей малой занимаемой площади и гибкости установки.
Сульфатирование и десульфатация
Сульфатирование происходит в свинцово-кислотных аккумуляторах, когда они недостаточно заряжены во время нормальной работы. Затрудняет подзарядку; сульфатные отложения в конечном итоге расширяются, трескаются пластины и разрушается аккумулятор. В конце концов, настолько большая часть площади пластины батареи не может подавать ток, что емкость батареи значительно снижается. Кроме того, сульфатная часть (сульфата свинца) не возвращается в электролит в виде серной кислоты. Считается, что крупные кристаллы физически блокируют попадание электролита в поры пластин. Белый налет на пластинах может быть виден в батареях с прозрачными корпусами или после разборки батареи. Сульфатированные батареи обладают высоким внутренним сопротивлением и могут обеспечивать лишь небольшую часть нормального тока разряда. Сульфатирование также влияет на цикл зарядки, что приводит к более длительному времени зарядки, менее эффективной и неполной зарядке и более высоким температурам аккумулятора.
Аккумуляторы SLI (пусковые, осветительные, зажигательные; например, автомобильные) подвергаются наибольшему износу, потому что транспортные средства обычно простаивают без использования в течение относительно длительных периодов времени. Батареи глубокого цикла и силовые батареи подвергаются регулярному контролируемому перезаряду, что в конечном итоге выходит из строя из-за коррозии сеток положительных пластин, а не сульфатирования.
Сульфатации можно избежать, если аккумулятор полностью зарядить сразу после цикла разрядки. Нет известных независимо проверенных способов обратного сульфатирования. Существуют коммерческие продукты, в которых утверждается, что десульфатация достигается с помощью различных методов, таких как импульсная зарядка, но нет рецензируемых публикаций, подтверждающих их утверждения. Профилактика сульфатации остается лучшим способом действий путем периодической полной зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов.
Стратификация
Периодическая перезарядка создает газообразные продукты реакции на пластине, вызывая конвекционные токи, которые перемешивают электролит и устраняют расслоение. Механическое перемешивание электролита имело бы тот же эффект. Батареи в движущихся транспортных средствах также подвержены разбрызгиванию и разбрызгиванию в элементах, когда транспортное средство ускоряется, тормозит и поворачивает.
Опасность взрыва
Чрезмерная зарядка вызывает электролиз с выделением водорода и кислорода. Этот процесс известен как «отравление газом». Влажные элементы имеют открытые вентиляционные отверстия для выпуска любого выделяемого газа, а батареи VRLA полагаются на клапаны, установленные на каждом элементе. Каталитические колпачки доступны для затопленных ячеек для рекомбинации водорода и кислорода. Ячейка VRLA обычно рекомбинирует любой водород и кислород, производимые внутри ячейки, но неисправность или перегрев могут вызвать скопление газа. В этом случае (например, при перезарядке) клапан стравливает газ и нормализует давление, создавая характерный кислотный запах. Однако клапаны могут выйти из строя, например, в случае скопления грязи и мусора, что приведет к повышению давления.
Среда
Проблемы окружающей среды
Утилизация отходов
По данным отраслевой группы Battery Council, утилизация свинцово-кислотных аккумуляторов является одной из самых успешных программ утилизации в мире. В США в период с 2014 по 2018 год 99% всего свинца в аккумуляторных батареях было переработано.
Однако в документах Управления по охране окружающей среды США с 1982 года указывается, что процентные ставки колеблются от 60% до 95%.
Свинец очень токсичен для человека, и его переработка может привести к загрязнению и заражению людей, что приведет к многочисленным и длительным проблемам со здоровьем. Один рейтинг называет переработку свинцово-кислотных аккумуляторов самым смертоносным промышленным процессом в мире с точки зрения потерянных лет жизни с поправкой на инвалидность, что приводит к потере от 2 000 000 до 4 800 000 оценочных лет жизни людей во всем мире.
Эффективная система контроля загрязнения необходима для предотвращения выбросов свинца. Требуется постоянное совершенствование установок по переработке аккумуляторов и конструкции печей, чтобы соответствовать стандартам выбросов для свинцово-плавильных заводов.
Добавки
Химические добавки использовались с тех пор, как свинцово-кислотные батареи стали коммерческим продуктом, чтобы уменьшить накопление сульфата свинца на пластинах и улучшить состояние батареи при добавлении к электролиту вентилируемой свинцово-кислотной батареи. Такие методы лечения редко бывают эффективными, если вообще когда-либо.
Активные материалы изменяют физическую форму во время заряда / разряда, что приводит к росту и деформации электродов, а также к выпадению электродов в электролит. После того, как активный материал выпал из пластин, его нельзя восстановить на месте с помощью какой-либо химической обработки. Точно так же внутренние физические проблемы, такие как треснувшие пластины, корродированные соединители или поврежденные разделители, не могут быть восстановлены химическим путем.
Проблемы с коррозией
Коррозия внешних металлических частей свинцово-кислотной батареи возникает в результате химической реакции клемм, вилок и разъемов батареи.
Если аккумулятор переполнен водой и электролитом, тепловое расширение может вытеснить часть жидкости из вентиляционных отверстий на верхнюю часть аккумулятора. Этот раствор может затем вступить в реакцию со свинцом и другими металлами в разъеме аккумулятора и вызвать коррозию.
Электролит может вытекать из свинцового пластикового уплотнения, где клеммы аккумулятора проникают в пластиковый корпус.
Кислотные пары, которые испаряются через вентиляционные крышки, часто вызванные перезарядкой, и недостаточная вентиляция батарейного отсека могут привести к накоплению паров серной кислоты и их реакции с открытыми металлами.
