Свинцовые аккумуляторы

Базовые понятия о работе аккумуляторов

2.1 Базовые понятия для свинцово-кислотных аккумуляторов

Рис 3: Состояния свинцово-кислотного аккумулятора

Полностью заряженный элемент имеет разность потенциалов между анодом и катодом около 2 В. Во время разряда электроны проходят через внешнюю электрическую цепь, одновременно химические реакции внутри аккумулятора обеспечивают баланс зарядов . На рис. 3 показаны химические состояния полностью заряженного и полностью разряженного свинцово-кислотного аккумулятора.

Свинцово-кислотные аккумуляторы могут быть разделен на 2 категории: с жидким электролитом и герметизированные (SLA или VRLA). По своей химии эти категории идентичны (см. рис.3).  Различия — в технологии исполнения, которая влияет и на эксплуатационные характеристики. Аккумуляторы с жидким электролитом требуют следующих 3 условий, которые не требуются герметизированным аккумуляторам:

1. Определенное положение для предотвращения вытекания электролита
2. Вентилируемое помещение для удаления газов, образующихся во время заряда и разряда
3. Регулярное обслуживание электролита.

Ввиду этих различий, необходимо учитывать сложность и стоимость технического обслуживания АКБ с жидким электролитом, которая может нивелировать их более низкую стоимость. Герметизированные аккумуляторы делятся на 2 группы: гелевые и AGM (Absorbed Glass Mat). Они различны по состоянию электролита. В гелевых аккумуляторах в электролит добавлено загущающее вещество, которое превращает электролит в гель. В AGM аккумуляторе используется стеклянная «губка» для связывания жидкого электролита.

Внутри каждой категории свинцово-кислотных аккумуляторов различаются аккумуляторы “глубокого циклирования” и аккумуляторы для “буферного режима” с небольшой глубиной разряда. «Буферные» герметизированные аккумуляторы обычно используются в автомобилях в качестве стартерных — они должны выдавать мощные импульсы энергии в течение короткого времени. В стационарных системах электроснабжения применяются аккумуляторы «глубокого разряда», которые обычно разряжаются относительно небольшими токами, но в течение длительного времени. 

2.2 Литиевые аккумуляторы

Концепция литий-ионных аккумуляторов была разработана в 1970-х годах. Широкое распространение они получили в 1990-х годах. Принцип работы заключается в том, что ионы лития курсируют туда-сюда между анодом и катодом во время заряда и разряда. На рис.4 показано устройство разновидности литий-ионного оаккумулятора  LiCoO₂.

Рис 4: Реакции в литий-ионном аккумуляторе

Особенности химических процессов на аноде, катоде и в электролите влияют на эффективность работы аккумулятора. Также влияет конструкция элемента литий-ионного аккумулятора. Наиболее часто производитель меняет форму и состав катода:  они могут быть LFP, NCM, NCA, Cobalt, или Manganese.  Более 90% литиевых анодов состоят из графита; кремний и титан используются гораздо реже.

Электролит обычно находится в жидкой форме, но в «литий-полимерных» аккумуляторах электролит находится в абсорбированном виде в полимерной мембране. Это позволяет для ограничения объема аккумулятора использовать «мешочек»  вместо металлического корпуса, который обычно используется с жидким электролитом в цилиндрических и призматических элементах.

Несмотря на различия в химических процессах, литий-ионные аккумуляторы могут быть разделены на 2 групы: литий-железо-фосфатные (LFP, LiFePO₄) и металл-оксидные (NCM, NCA, Cobalt, Manganese — Оксид марганца лития (LiMn₂O₄) и оксид лития никеля и марганца кобальта (LiNiMnCoO₂)). БатареиLiMn₂O₄и LiNiMnCoO2 относятся к литиевым батареям среднего размера по размеру, весу, безопасности, сроку службы и стоимости.

В таблице 1 показаны различия между этими 2 химическими процессами. Значения отражают среднюю величину, возможны флуктуации в ту или другую сторону.

Таблица 1: Сравнение литий-ионных технологий аккумуляторов

RC литий-полимерные батареи (RC LiPo). LiPo — это самые маленькие, самые дешевые, легкие и мощные литиевые батареи. К их недостаткам относятся короткая продолжительность жизни и склонность к возгорания в гигантские огненные шары, поэтому мы в данной статье их не рассматриваем.

Все литий-ионные аккумуляторы выдерживают глубокий разряд. Срок службы аккумулятора существенно возрастает, если глубина разряда не более 80% от номинальной емкости.

Эксплуатационные характеристики

• Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной ёмкости, выраженной в А·ч).
• Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев измеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются (главным образом, допускаемым конечным напряжением) поэтому дают различные результаты.
• Резервная ёмкость (для автомобильных аккумуляторов) — характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25 А до конечного напряжения 10,5 В согласно ГОСТ Р 53165-2008.

Электролит

Электролит в тяговых аккумуляторах играет ключевую роль. Заливают его один раз, при вводе в эксплуатацию, и от его качества зависит стабильность эксплуатации батареи на протяжении ее срока службы (именно поэтому лучше приобретать батареи, залитые и заряженные в заводских условиях). При эксплуатации АКБ во время заряда в результате электролиза вода разлагается на кислород и водород (визуально это выглядит как кипение электролита), вот почему требуется периодически доливать воду. Уровень электролита, как правило, определяют по меткам min и max на заливной пробке. Кроме того, существует система автоматического долива воды Aquamatic, которая существенно ускоряет этот процесс.

Что нужно знать про АКБ

Аккумулятор – это контейнер который состоит из шести отдельных секций. Каждая отдельная секция представляет собой отдельный источник питания (вырабатывает каждая секция около 2,1 В), внутри секции находятся две пластины (сделаны из свинца), положительная и отрицательная, отделенные друг от друга.

Масса аккумулятора состоит из: веса электролита, свинцовых пластин и соединений, и составляет примерно 16-17 кг.

В свинцовые пластины добавляют сурьму (для увеличения прочности пластин), но к сожалению наличие сурьмы ведет к выкипанию воды из электролита, из-за чего почти во все типы аккумуляторов надо доливать воду. Благодаря прогрессу количество сурьмы в пластинах удалось уменьшить, что привело к появлению малообслуживаемых и гибридных аккумуляторов.

Сама работа аккумулятора очень проста. На положительном электроде нанесена двуокись свинца (цвет темно-коричневый), на отрицательном – губчатый свинец (серого цвета), внутрь залит электролит – водный раствор серной кислоты. При начале работы (разрядка) активная масса отрицательного электрода превращается в сульфат цинка и отдает в электрическую цепь два электрона, активная масса положительного электрода также преобразуется в сульфат цинка, и принимает из электрической цепи два электрона.

Для преобразования в сульфат цинка, как положительного, так и отрицательного электрода, тратится серная кислота — уменьшается массовая доля электролита. При зарядке, все наоборот, а также идет образование серной кислоты и увеличивается массовая доля электролита.

Аккумуляторные батареи делятся на четыре типа: обслуживаемые, малообслуживаемые, гибридные и необслуживаемые (как выбрать аккумулятор для авто). Обсудим каждую по отдельности:

Обслуживаемые – найти такие трудно, но возможно. По сравнению с другими у них очень много недостатков и мало плюсов, а именно: довольно-таки дорогая стоимость, эбонитовый корпус (очень хрупкий), сверху они заливаются мастикой, которая из-за перепадов температуры и загрязнения теряет свои изоляционные свойства (аккумулятор самопроизвольно разряжается, и очень быстро). Из плюсов можно отметить возможность замены блока пластин. Из минусов — с мастики надо регулярно сдувать (убирать) грязь и часто надо доливать воду, примерно каждые 5-7 тыс.км.

Малообслуживаемые – представлены очень широко, цены на них варьируются, от очень дешевых до дорогих, корпус пластиковый и очень надежный, воду надо заливать примерно каждые 20-30 тыс.км.

Гибридные – относятся к малообслуживаемым, за некоторыми но: решетки положительных и отрицательных электродов состоят из разных сплавов, таким образом «гибридные» аккумуляторы сочетают в себе положительные свойства двух технологий, а именно: высокие пусковые токи, низкий расход воды и «выносливость». Найти такие трудно, да и стоимость высоковата.

Необслуживаемые – расход воды у таких аккумуляторов так мал, что крышек для залива воды уже нет, обслуживания не требуется никакого. Но есть несколько недостатков: надо проверять натяжение ремня генератора, исправность самого генератора, регулятора напряжения и отсутствие утечек тока в системе электрооборудования. Цена на них, как на качественные малообслуживаемые, и если Вы уверены в своем автомобиле – это идеальный вариант.

Заряжать батарею начинают летом – если разрядка составляет 50%, зимой – 25%. Если зимой плотность электролита упала до 1,20 г/см3, то электролит будет замерзать примерно при -20С.

Продолжить чтение

• Руководство покупателя АКБ для систем электроснабжения
  68

  Аккумуляторы для систем электроснабжения. Руководство покупателя В интернете есть много разрозненной информации по разным типам аккумуляторов, их возможностям, характеристикам, областям применения, достоинствам и недостаткам. При этом во многих случаях информация эта однобокая — связано это бывает или с недостаточными знаниями…

• Аккумуляторные батареи. Ликбез
  52

  Как продлить срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов? Зачастую представляет определенные трудности использовать напрямую энергию, генерируемую солнечными, ветровыми или микрогидроэлектрическими установками. Поэтому электричество обычно сохраняется в специальных аккумуляторных батареях для последующего использования. Эти батареи очень часто работают по тому же принципу, что…

Эксплуатационные характеристики

• Номинальная ёмкость, показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной ёмкости, выраженной в А·ч).
• Стартерный ток (для автомобильных аккумуляторов). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев измеряется при −18 °C (0 °F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются (главным образом, допускаемым конечным напряжением) поэтому дают различные результаты.
• Резервная ёмкость (для автомобильных аккумуляторов) — характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25 А до конечного напряжения 10,5 В согласно ГОСТ Р 53165-2008.

Вторичная переработка

Кодовый символ, указывающий на то, что свинцовые батареи могут быть вторично переработаны

См. также: Вторичная переработка отходов

Вторичная переработка для этого вида аккумуляторов играет важную роль, так как свинец, содержащийся в аккумуляторах, является токсичным тяжёлым металлом и наносит серьёзный вред при попадании в окружающую среду. Свинец и его соли должны быть переработаны для возможности его вторичного использования.

Свинец из изношенных аккумуляторов используется для кустарной переплавки, например, при изготовлении грузил рыболовных снастей, охотничьей дроби или гирь. Для безопасности из аккумулятора следует слить электролит, для нейтрализации его остатков банки заливаются раствором пищевой соды, после чего корпус батареи разрушают и извлекают свинцовые электроды, клеммы и перемычки банок. У электродов в переплавку годится только их каркас в виде решётки, прессованная в них рассыпчатая масса — смесь соединений Pb, а не металл. Перемычки и клеммы аккумулятора могут быть переплавлены целиком.[источник не указан 629 дней] Кустарное извлечение свинца из аккумуляторов серьезно вредит как окружающей среде, так и здоровью плавильщиков, поскольку свинец и его соединения с парами и дымом разносятся по всей округе.

Вторичная переработка

Кодовый символ, указывающий на то, что свинцовые батареи могут быть вторично переработаны

Вторичная переработка для этого вида аккумуляторов играет важную роль, так как свинец, содержащийся в аккумуляторах, является токсичным тяжёлым металлом и наносит серьёзный вред при попадании в окружающую среду. Свинец и его соли должны быть переработаны для возможности его вторичного использования.

Свинец из изношенных аккумуляторов используется для кустарной переплавки, например, при изготовлении грузил рыболовных снастей, охотничьей дроби или гирь. Для безопасности из аккумулятора следует слить электролит, для нейтрализации его остатков банки заливаются раствором пищевой соды, после чего корпус батареи разрушают и извлекают свинцовые электроды, клеммы и перемычки банок. У электродов в переплавку годится только их каркас в виде решётки, прессованная в них рассыпчатая масса — смесь соединений Pb, а не металл. Перемычки и клеммы аккумулятора могут быть переплавлены целиком.[источник не указан 629 дней] Кустарное извлечение свинца из аккумуляторов серьезно вредит как окружающей среде, так и здоровью плавильщиков, поскольку свинец и его соединения с парами и дымом разносятся по всей округе.

Емкость свинцового АКБ

Это один из основных параметров АКБ. Определяет электроэнергию, которою возможно получить от максимально заряженной батареи, разряжая ее до напряжения, определенного изготовителем.

Показатели емкости выражаются произведением количества тока (в амперах) на временной интервал в часах. Номинально, автомобильная АКБ емкостью 60 Ah должна в течение часа разряжаться током в 60A при напряжении 12v.

Можно предположить, что при изменении силы тока длительность функционирования изменится пропорционально. То есть при токе в 120A время работы составит порядка 30 мин. Что не соответствует действительности, так как сила тока при разряде напрямую влияет на емкость свинцово кислотных аккумуляторов. Например, при стартерных нагрузках в 255A емкость уменьшается более чем в два раза и для батареи в 60 Ah составит всего 25Ah. Что касается малых токов (2,75A), здесь будет наблюдаться незначительный прирост (примерно +5 Ah).

Помимо силы разрядного тока, емкость свинцово кислотных АКБ зависит от следующих факторов:

• Плотность электролита (процентное содержание серной кислоты). Более плотный электролит увеличивает емкость положительных электродов, но несколько снижает у отрицательных (особенно при низких температурах). К тому же ресурс положительных пластин сокращается из-за более интенсивных коррозионных процессов на их поверхности. Плотность электролита должна соответствовать совокупности требований, для которых создавалась конкретная батарея. Например, для автомобильных АКБ, работающих в условиях умеренного климата, оптимальной считается плотность 1,26–1,28 г/см3.
• Пористость рабочей поверхности пластин. Повышенная пористость позволяет увеличить фактическую площадь электрода, участвующую в электрохимической реакции и, как следствие – повысить емкость. Однако у этого показателя тоже есть свои ограничения (46% — 60%), так как чрезмерная пористость ускоряет деструкцию покрытия, что приводит к преждевременному выходу батареи из строя.
• Толщина пластин электрода. Более толстые электроды положительно влияют на емкость только при низких разрядных токах. При стартерных нагрузках внутренние элементы активной массы пластин не успевают среагировать с электролитом. Это в значительной степени уменьшает разницу между батареями с различной толщиной электрода и одинаковой активной площадью.

Чистка АКБ

Чистота абсолютно необходима не только для хорошего внешнего вида батареи, но в значительно большей степени – для предотвращения несчастных случаев и ущерба, уменьшения срока службы, а также для того, чтобы АКБ находилась в состоянии, пригодном к эксплуатации. Аккумуляторные корпуса, ящики, изоляторы необходимо чистить для обеспечения требуемой изоляции элементов по отношению один к другому, по отношению к земле («массе») или внешним проводящим частям. Кроме того, очистка позволяет избежать коррозионных повреждений и возникновения блуждающих токов. Вне зависимости от времени работы и места на АКБ неизбежно оседает пыль.

Небольшое количество электролита, выступающего из батареи во время заряда после достижения напряжения газообразования, образует более-менее токопроводящий слой на крышках элементов или блоков, по которому протекают блуждающие токи. Результатом является повышенный и неоднородный саморазряд элементов или блоков. Это одна из причин того, почему операторы электрических машин жалуются на упавшую емкость батареи после того, как техника не эксплуатировалась в течение выходных дней.

Аккумуляторный журнал и организация работы

При использовании парка электропогрузчиков целесообразно закреплять за каждым погрузчиком свои АКБ. Для этого их нумеруют: 1а, 1б, 2а, 2б и т. д. (батареи с одинаковым номером используются на одном и том же погрузчике). После этого заводят журнал, в котором о каждой АКБ ежедневно отражается информация, проиллюстрированная на примере.

Таким образом, с помощью данного мероприятия можно избежать использования недозаряженных батарей, а также спрогнозировать и спланировать замену АКБ до полного выхода ее из строя. Помимо этого по каждой батарее целесообразно вести еще один журнал, в котором раз в месяц отражается информация о батарее, перечисленная в примере 2. Эти данные являются основным источником информации для сервисной службы, поэтому зачастую ведение такого журнала является обязательным условием гарантийного обслуживания. За все аккумуляторное хозяйство должен быть ответственен один или два (в случае двухсменной работы) человека. В их обязанности по данной зоне ответственности должны входить прием и выдача АКБ, их обслуживание и заряд, ведение аккумуляторных журналов, прогнозирование выхода АКБ из строя.

Как происходит зарядка аккумуляторной батарей?

Не забывайте перед уходом из автомобиля выключать все электроприборы, иначе можете прийти к авто, а аккумулятор сел. Например, включенные габариты полностью разрядят аккумулятор примерно за 30 часов.

Зарядка автомобильного аккумулятора осуществляется двумя разными способами:

1. Аккумулятор стоит непосредственно в автомобиле, двигатель работает и генератор в рабочем состоянии, зарядка идет автоматически (чем больше держите обороты, а электроприборы по возможности не включаете, тем быстрее идет зарядка).

2. Вынимается аккумулятор и берется зарядное устройство, подключаются контакты минус к минусу, плюс к плюсу. Чем меньше зарядный ток, тем больше заряда получит батарея. Только не перегибайте, а то аккумулятор не «закипит» и через «месяц». Далее читаем инструкцию зарядного устройства, т.к. сейчас зарядное устройство – это настоящий миникомпьютер с кучей кнопок и свойств. Зарядных устройств великое множество, и тяжело выделить кого либо из производителей, отличаются они друг от друга, как ценой так и свойствами (сглаживание поступающего напряжения, гашение «скачков»).

Аккумулятор считается полностью заряженным, когда электролит «закипел». В среднем зарядка идет около 8-10 часов, но время может сильно варьироваться, все зависит от изначального заряда батареи. После закипания нужно подождать минут 10-15 и отключить зарядное устройство, после чего аккумулятор считается полностью заряженным.

После зарядки аккумулятора желательно его тщательно промыть и просушить, т.к. на корпус батареи может попасть кислота или грязь. Это может привести к своевременному разряду АКБ, т.к. его корпус пропускает напряжение. Это можно легко проверить — нужно измерить напряжение крышки аккумулятора. Если оно отлично от нуля, то батарея пропускает напряжение и ее нужно промыть раствором соды. Только следите, чтобы данный раствор не попал в банки аккумулятора.

История применения аккумуляторных батарей

Свинцово-кислотная батарея – первая перезаряжаемая батарея, разработанная для коммерческого использования в 1850-х годах. Несмотря на довольно приличный возраст в более чем 150 лет, они по-прежнему активно применяются в современных устройствах. Более того, они активно применяются в приложениях, где, казалось бы, вполне возможно обойтись современными технологиями. Некоторые распространенные устройства вполне активно применяют СКБ, такие как источники бесперебойного питания (ИБП), гольфкары или вилочные погрузчики. Удивительно, но рынок свинцово-кислотных аккумуляторов по-прежнему растет для определенных ниш и проектов.

Первое, довольно ощутимое нововведение в свинцово-кислотную технологию пришло в 1970-е годы, когда были изобретены герметичные СКБ или необслуживаемые СКБ. Данная модернизация состояла в появлении специальных клапанов для стравливания газов при зарядке/разрядке аккумуляторов. Кроме того, применение увлажнённого сепаратора сделало возможным эксплуатировать аккумулятор в наклонном положении без протеканий электролита.

СКБ, или англ. SLA, часто классифицируют по типу или применению. В настоящее время наиболее распространенными являются два типа: гель, известный также как свинцово-кислотная батарея с регулируемым клапаном (valve-regulated lead acid (VRLA)) и абсорбирующий стеклянный мат (absorbent glass mat AGM). Аккумуляторы AGM используются для небольших ИБП, аварийного освещения и инвалидных колясок, в то время как VRLA предназначается для приложений более крупного формата, таких как резервное питание для сотовых ретрансляционных мачт, интернет-центров и вилочных погрузчиков. Свинцово-кислотные аккумуляторы также можно классифицировать по следующим признакам: автомобильные (стартер или SLI — запуск, освещение, зажигание); тяговые (тяга или глубокий цикл); стационарные (источники бесперебойного питания). Основным недостатком SLA во всех этих приложениях является жизненный цикл — если они многократно разряжаются, они сильно повреждаются.

Удивительно, но свинцово-кислотные аккумуляторы были бесспорными лидерами рынка аккумуляторных батарей в течении многих десятилетий, вплоть до появления литий-ионных батарей в 1980-х годах. Литий-ионная батарея представляет собой перезаряжаемую ячейку, в которой ионы лития движутся от отрицательного электрода к положительному во время разряда, и наоборот во время заряда. Литий-ионные аккумуляторы используют интеркалированные литиевые соединения, но не содержат металлического лития, который используется в одноразовых батареях.

Литий-ионный аккумулятор впервые был изобретен в 1970-х годах. В 1980-х на рынок была выпущена первая коммерческая версия батареи с катодом на основе оксида кобальта. Данный тип устройств  имел значительно большие возможности по весу и емкости, по сравнению с системами на никелевой основе. Новые литий-ионные аккумуляторы способствовали огромному росту рынка мобильных телефонов и ноутбуков. Первоначально, из-за соображений безопасности, вводились более безопасные варианты, которые включали добавки на основе никеля и марганца в кобальт-оксидный материал катода, в дополнение к инновациям в строительстве клеток.

Первые литий-ионные элементы, представленные на рынке, были в жестких алюминиевых или стальных банках, и, как правило, имели только несколько форм-факторов цилиндрической или призматической (форма кирпича) формы. Однако, с расширением спектра применения литий-ионной технологии начали изменяться и их габаритные размеры.

Например, менее дорогие версии более старой технологии применяются в ноутбуках и сотовых телефонах. Современные тонкие литий-полимерные элементы используются в смартфонах, планшетах и носимых устройствах. В настоящее время литий-ионные аккумуляторы используются в электроинструментах, электрических велосипедах и других устройствах. Такая вариация предвещает полную замену свинцово-кислотных устройств во все новых и новых приложениях, направленных на улучшение габаритных и силовых показателей.

Выбор батарей: итоговые замечания

Литиевые батареи

• могут обеспечивать до 5000 зарядных циклов
• Наиболее длительный срок службы при разряде на 80%
• Могут заряжаться за 1-2 часа
• Могут работать при минусовых температурах, но заряжать нужно при плюсовых температурах
• Не могут заряжаться малыми токами
• Требуют обслуживания,  выравнивания и специальной системы управления зарядом и разрядом
• Саморазряд на уровне примерно 10% в месяц
• Можно хранить в холодном месте при заряженности не менее 40% от полной
• Низкая токсичность, но желательно утилизировать после окончания срока службы

Никель-металгидридные батареи

• Могут обеспечить до 3000 зарядных циклов
• Заряд происходит за 2-4 часа
• Могут работать при минусовых температурах
• Не могут заряжаться малыми токами, низкая устойчивость к перезаряду
• Могут обеспечивать большие токи при мощности до 200Вт (для самых больших NiMh батарей)
• Требуют периодического обслуживания и выравнивания (каждые 3 месяца)
• Саморазряд на уровне примерно 30% в месяц
• Можно хранить в холодном месте при заряженности не менее 40% от полной
• Низкая токсичность, но желательно утилизировать после окончания срока службы

Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы

• Могут обеспечить до 3000 зарядных циклов
• Заряжаются за 8-16 часов
• Могут работать при минусовых температурах
• Могут заряжаться малыми токами
• Не требуют обслуживания, но желательно следить за уровнем заряженности и периодически проводить тренировочные циклы
• Могут обеспечить высокие разрядные токи при больших мощностях
• Желательно не разряжать более, чем на 50%
• Саморазряд — около 3% в месяц
• Хранить при комнатной температуре и полностью заряженными
• Содержат токсичные материалы и должны быть утилизированы после окончания срока службы

Подробно о видах и применении свинцово-кислотных аккумуляторов в статье Типы свинцово-кислотных аккумуляторов

Эта статья прочитана 19196 раз(а)!