История аккумуляторной батареи, основанной на принципе комбинации свинцовых пластин и сернокислотного раствора в роли электролита, берет свое начало в далеком 1859 году. После того конструкция подобных аккумуляторов совершенствовалась, и сейчас мы можем говорить о серьезном прогрессе в создании батарей для различных сфер – автомобили, ИБП, энергетический сектор, бытовое использование и т.д.
В этом обзоре мы попытаемся разобраться с особенностями устройства, конструкции и работы свинцово-кислотных аккумуляторов.
Общие моменты внутреннего строения
Мы упомянули выше, что данный тип аккумуляторов – это комбинация свинцовых пластин (электродов) и электролитного вещества, изготовленного из раствора серной кислоты (H2SO4). Внутри аккумулятора находятся два электрода – отрицательный (катод) и положительный (анод), на которых располагается так называемая активная масса. Отметим, что электроды изготавлвиается в решетчатой структуре, и именно в эти поры «запрессовывается» активная масса. На катоде – это обычный губчатый свинец (Pb), на аноде в роли активной массы выступает диоксид свинца (PbO2).
Электродные решетчатые пластины в виде чистого свинца встречаются довольно редко. Обычно электроды изготавливаются из сплавов различных металлов (сурьма, кальций и т.д.). Все это объясняется тем, что в чистом виде свинец не обладает надежными физико-химическими свойствами.
Аккумуляторные батареи первого поколения
К батареям первого поколения относятся классические свинцово-кислотные аккумуляторы с жидким электролитом. Модели могут изготавливаться в двух разновидностях:
- батареи открытого типа: конструктивно в таких устройствах не предполагается специальная крышка, поэтому электролитное вещество напрямую контактирует с воздухом. Основные недостатки таких батарей – это необходимость постоянно следить за состояние электролита, периодически доливая воду внутрь корпуса;
- аккумуляторы закрытого типа: в данном типе устройств конструктивно предполагаются специальные пробки, которые задерживают испарение электролита и различные химические реакции. Для доливки воды пробки легко вывинчиваются. Однако «закрытые батареи» зачастую изготавливаются в необслуживаемом «формате», когда доливать воду не приходится во время всего срока эксплуатации. Наиболее частое применение «закрытых» моделей – в автомобилях, тракторной технике, пусковых и тяговых установках.
Батареи первого поколения до сих пор применяются по различным направлениям, но с течением времени их стали вытеснять усовершенствованные модели.
Аккумуляторы второго поколения
Ко второму поколению аккумуляторных батарей относятся модели, где электролитное вещество представлено в виде геля. Вместо жидкого электролитного вещества в них применяется желеобразный электролит, который создается путем добавления в раствор серной кислоты (H2SO4) специального загустителя. В роли загустителя обычно выступает селикагель – двуокись кремния (SiO2). Аккумуляторные батареи GEL изготовлены в полностью герметизированном корпусе и не нуждаются в эксплуатационных вмешательствах (необслуживаемые). Наиболее критичные моменты для работы таких батарей – это нестабильность работы во многих температурах окружающей среды, а также нестойкость к перепадам напряжения.
Третье поколения свинцово-кислотных аккумуляторов
Батареи третьего поколения – это аккумуляторы, изготовленные по так называемой технологии AGM. Технология представляет собой оснащение внутренней конструкции батареи специальным сепаратором, который участвует в так называемой рекомбинации газов.
Дополнительно к электродным пластинам и электролитному веществу (раствору серной кислоты) помещается специальная сепараторная пластина. Данный абсорбент изготавливается из стекловолокна, обеспечивая надежность химических процессов внутри аккумулятора. Процесс газовой рекомбинации – наиболее важное достоинство аккумуляторов типа AGM. Их работа обеспечивает рекомбинацию более 99% всех выделяемых газов, а незначительный один процент выходит через специальные отверстия.
Наиболее частое применение AGM батарей – в автомобильной сфере. Однако батареи также не обладают стойкостью к перепадам напряжения, как и гелевые аккумуляторы.
Основные характеристики внутреннего и внешнего устройства свинцово-кислотных АКБ
Мы уже упомянули, что в чистом виде электродные свинцовые пластины практически не встречаются. К ним обычно добавляют дополнительные металлы для улучшения их химико-физических свойств. Например, часто аккумуляторные электроды изготавливаются из комбинации свинца и сурьмы (Sb). Это позволяет добиться лучшего контакта активной массы с решетчатой пластиной, увеличивает общий эксплуатационный срок батарей.
Нередко можно встретить кальций-свинцовые батарей. Электроды из комбинации свинца и кальция становятся более легкими и более стойкими к различным физико-химическим процессам.
Вообще, для разработчиков свинцово-кислотных аккумуляторных батарей очень трудно подобрать правильный состав, чтобы соблюдался определенный баланс между долговечностью модели, безопасностью ее эксплуатации, энергетической плотностью и т.д. Например, чтобы увеличить емкость аккумуляторов производители вместо никеля добавляют кобальт. Однако одновременно уменьшается уровень безопасности хранения и использования таких батарей.
Внешние конструктивные особенности
Большинство аккумуляторных батарей изготавливают так, чтобы на корпусе аккумулятора были элементы призматической формы. В результате такой конструкции в качестве основного материала для изготовления корпуса используют пластмассу. Однако некоторые свинцово-кислотные модели производятся с применением цилиндрических форм.
При этом работа цилиндрических батарей более надежна и продуктивна: больший разрядный ток, стабильная функциональность всех элементов, лучшая стойкость к температурам.
Характеристики энергетической плотности и саморазряда
Параметр напряжения в свинцово-кислотных моделях составляет 2.2 В, при этом данный тип аккумуляторов обладает самой маленькой энергетической плотностью по сравнению с батареями других конструкций и типов. В них не предусмотрен так называемый «эффект памяти», поэтому продолжительность заряда никак не влияет на работу моделей.
Неплохие характеристики свинцово-кислотные модели демонстрируют и в показателях среднемесячного разряда. В этом показателе данные аккумуляторы с огромной форой опережают ближайших батарейных конкурентов. Например, среднемесячный разряд никель-кадмиевых аккумуляторов составляет около сорок процентов. Такой же показатель демонстрируют и свинцово-кислотные модели, но только за год. 40% процентов самостоятельного разряда за год – показатель, по нашему мнению, отличный.
Зарядные и разрядные особенности
Среднее время заряда свинцово-кислотного аккумулятора составляет от восьми до шестнадцати часов (зависит и от степени разряженности батареи, и от ее конструктивных частных особенностей). Специалисты не рекомендуют хранить батарею в разряженном виде. В противном случае внутри аккумулятора начинают происходить неприятный процесс сульфатации, который уменьшает энергетическую емкость батареи. В некоторых случаях долго пролежавшую разряженную батарею больше зарядить не удается.
Свинцово-кислотные аккумуляторы не очень надежны в больших циклах заряда-разряда, в отличие, к примеру, от никель-кадмиевых «конкурентов». Полный разряд батареи снижает ее энергетическую емкость, так как электродные пластины внутри аккумулятора начинают деформироваться. Поэтому специалисты советуют применять батареи более емкие, чтобы обезопасить себя от полного разряда. В некоторых случаях полный разряд аккумулятора приводит к потере 80% емкости всей батареи.
Батареи свинцово-кислотного типа, в зависимости от конструктивного строения и условий их эксплуатации, могут прослужить от одного года до двадцати лет. Все зависит от качества производства, условий хранения и эксплуатации, частоты разрядов и т.д. В целом, герметизированные необслуживаемые батареи могут гарантировано прослужить около десяти лет.
