Об аккумуляторах

Особенности такого аккумулятора

Многие автовладельцы не раз слышали о сухозаряженном аккумуляторе, но далеко не все представляют, что это такое. По своей конструкции, принципу действия и внешнему виду данные устройства ничем не отличаются от других разновидностей АКБ.

В настоящее время спрос на данный вид батарей растёт. И в первую очередь это обусловлено продолжительностью срока хранения, а также удобством транспортировки. Ведь внутри герметичного корпуса нет жидкости, лишь особым способом отформатированные и заряженные непосредственно на производстве пластины. А следовательно, вытекать и испаряться нечему.

После сборки устройство плотно закрывают герметичными пробками, полностью исключающими попадание внутрь корпуса влаги и воздуха. Только в этом случае его функциональность не пострадает до начала эксплуатации.

Основные преимущества сухозаряженных АКБ:

• оптимальное соотношение цена – качество;
• продолжительный срок хранения до ввода в эксплуатацию;
• удобство транспортировки;
• возможность самостоятельно варьировать плотность электролита.

Есть, конечно, и недостатки, как у любого другого оборудования:

• необходимость ввода в эксплуатацию – нельзя сразу же после покупки установить на автомобиль и начать пользоваться;
• нуждается в регулярном уходе и обслуживании в процессе работы.

Аккумуляторы OPzS Exide — характеристики

* Использование специальных керамических фильтр-пробок взамен стандартных, может превышать указанную высоту.

** Плотность электролита — 1,24 кг/дм3

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.

Как зарядить

Электроды этой разновидности аккумуляторных батарей ещё на производстве получают необходимый заряд, который способен сохраняться в течение года, если не нарушена герметичность корпуса. Но для применения устройства по назначению сначала необходимо заполнить его жидкостью. Тогда сухозаряженный аккумулятор превратится в обычный свинцово-кислотный, а большинство водителей со стажем знает, как его зарядить.

Итак, приступим к одному из подготовительных этапов, который необходим для приведения АКБ в рабочее состояние:

1. Вскрываем упаковку, удаляем из-под пробок герметичные прокладки, тщательно очищаем все отверстия.
2. Заливаем в каждую банку заранее подготовленную жидкость, даём некоторое время для пропитки ею пластин.
3. Доводим уровень электролита до нормы – он должен быть выше верхнего края пластин на 1–1,5 сантиметра.
4. Используя вольтметр, определяем напряжение заправленной батареи. Если его величина окажется равной 12,5 В, то устройство готово к эксплуатации без подзарядки. Если ниже, то ставим на зарядку.

АКБ всегда будет нуждаться в зарядке в следующих случаях:

1. Срок хранения сухозаряженного аккумулятора превышает 12 месяцев.
2. Устройство будет использоваться для запуска двигателя в сложных климатических условиях (слишком низкие температуры).
3. Батарея готовится к работе в летнюю жару при незначительных пробегах авто.

Типы автомобильной АКБ

Тип батареи

В основном используется свинцово-кислотный тип. Собственно батарея состоит из 6 аккумуляторов (банок), каждая номинальным напряжением около 2,2 вольта, соединённых последовательно в батарею. Обычный электролит представляет собой смесь дистиллированной воды и серной кислоты с плотностью в пределах 1,23-1,31 г/см³ (чем больше плотность электролита, тем более морозостойкая батарея), но сейчас появились автомобильные АКБ построенные на базе технологии AGM (Absorbent Glass Mat), электролит в которых абсорбирован в стеклянном волокне[], а также т. н. гелевые аккумуляторы, где электролит загущается до гелеобразного состояния силикагелем (технология носит название GEL).

Размеры

Так сложилось, что при разработке нового типа или даже марки автотехники нередко приходилось разрабатывать под неё новую автомобильную АКБ. В дальнейшем производители разработали большую номенклатуру различных аккумуляторов, существенно различающихся типоразмерами и электрическими характеристиками. Для тяжёлых грузовиков и спецмашин, имеющих бортовую сеть 24 вольта, применяются две одинаковые 12-вольтовые батареи, соединённые последовательно или одна 24-вольтовая батарея (редко).

В настоящее время существует несколько форм-факторов батарей. Аккумуляторы для японского и европейских рынков могут иметь разные размеры.

Полярность

Варианты расположения контактов автомобильных аккумуляторов: 0 — Азия, 1 — Европа, 3 — требующие последовательного соединения 2 АКБ по 12 В для получения суммарного напряжения 24 В (обычно для дизельных грузовых автомобилей и тяжёлой техники)

«Обратная» или «прямая». Определяет расположение электродов на корпусе автомобильной АКБ. Для автомобилей отечественного выпуска характерна прямая полярность, при которой плюсовая клемма находится слева, а минусовая — справа, при положении аккумулятора «клеммы ближе к вам». Установить чужую батарею, например «европейскую» на японский автомобиль, зачастую бывает невозможно. Может потребоваться удлинение проводов.

Диаметр контактных клемм

В типе Euro — type 1 — 19,5 мм «плюсовая» клемма и 17,9 мм «минусовая» клемма. Тип Asia — Type 3 — 12,7 мм у «плюсовой» клеммы, — и 11,1 мм у клеммы «минус». Выпускаются «колпачки» — переходники с тонких клемм на толстые.

Тип крепления

В конкретном транспортном средстве может быть реализован один из типов крепления автомобильной АКБ — верхнее или нижнее. В ряде автомобилей конструкции для закрепления батареи может быть не предусмотрено. Обозначения типов нижнего крепления следующие: B00, B01, B03, B13.

Необходимость обслуживания

Семипоплавковый ареометр для измерения плотности электролита в автомобильных аккумуляторах

По этому принципу автомобильные АКБ классифицируют на два типа: обслуживаемые (и как их подкатегория — малообслуживаемые) и необслуживаемые (в тексте ГОСТа обозначенные как безуходные). В простых по конструкции аккумуляторах необходим регулярный контроль состояния электролита и регулярная подзарядка по специальной технологии с помощью стационарного зарядного устройства. На промышленных предприятиях для ухода за автомобильными аккумуляторами есть специально обученные люди (аккумуляторщики) а также зарядные станции.

Однако «необслуживаемые» автомобильные АКБ — это не значит, что за такой батареей совсем не нужен уход. Как правило, необслуживаемая батарея имеет встроенный индикатор-ареометр, по цвету которого определяется плотность электролита — зелёный поясок при нормальной плотности, красный или белый — при низкой (батарея подлежит замене). Также необходимо периодически контролировать уровень электролита по меткам на корпусе. На всех автомобильных АКБ во избежание повреждения аккумуляторного отсека кислотой необходимо контролировать герметичность корпуса, заливных пробок и чистоту дренажных отверстий, а при появлении признаков электролита устранить течь и тщательно промыть корпус и отсек автомобильной АКБ нейтрализующим щелочным составом. Также необходимо периодически тщательно очищать и смазывать клеммы литиевой смазкой, во избежание их электрокорозийного разрушения.

Международные универсальные коды переработки батарей и аккумуляторов

Преимущества и недостатки сухозаряженных аккумуляторов

Сухозаряженная батарея пользуется спросом среди мотоциклистов и владельцев специальных транспортных средств. Чаще всего их приобретают летом

Поэтому основное преимущество — длительный срок хранения, важно в первую очередь для производителя, ведь батарея будет работоспособна и через несколько лет после того, как сошла с конвейера. Но и для владельцев транспорта это свойство сухого АКБ привлекательно — можно приобрести про запас

Сухозаряженная аккумуляторная батарея не требует к себе повышенного внимания (дозаливки электролит, подзарядки) — поставил незаправленную АКБ и забыл про неё.

Отметим и более низкую стоимость этих батарей — от 2 тысяч рублей. Цена кислотного раствора — от 300р.

Удобна такая АКБ и для транспортировки — не надо переживать, что прольётся электролит.

К недостаткам сухих аккумуляторов можно отнести сложность ввода в эксплуатацию, отсутствие возможности сразу после покупки поставить её в автомобиль и определённые затраты времени на приведение в рабочее состояние.

Хранение и срок службы

Устройства, не заполненные электролитом, что иначе значит сухозаряженные аккумуляторы, в настоящее время приобретают всё больший спрос у владельцев торговых сетей. Такая тенденция в первую очередь обусловлена возможностью их хранения на протяжении десятков лет. Некоторые модели могут находиться на складах даже по 20–30 лет без утраты функциональности, но в случае целостности заводской герметичной упаковки.

Увеличение срока хранения стало возможным благодаря отсутствию в них жидкой среды, что практически полностью останавливает явление саморазряда и в дальнейшем разрушение пластин. Конечно, этот срок во многом определяется и условиями хранения:

1. Не допускается воздействие на хранящиеся батареи прямых солнечных лучей, которые способны оказывать разрушительное действие на материал пластин.
2. Нельзя ставить упаковки с аккумуляторами друг на друга в штабеля.
3. Хранить рекомендуется на полках, располагая устройства вертикально.

Что касается жизненного цикла сухозаряженного аккумулятора после ввода его в эксплуатацию, то он так же, как и у обычного свинцово-кислотного, зависит от следующего:

• условий, в которых работает;
• соблюдения периодичности и порядка обслуживания;
• строгого соблюдения инструкции по эксплуатации.

Сухие АКБ служат примерно от 4 до 7 лет – всё определяется тем, насколько владелец будет её грамотно эксплуатировать.

Немного истории

Авторство данного устройства принадлежит французу Гастону Планте. Именно он в 1859 году создал первый рабочий прототип. Конструкция устройства не представляла собой что-то слишком сложное. Электроды делались из листового свинца. В качестве разделителя использовался сепаратор из простого полотна. Он сворачивался в спираль, после чего помещался в колбу, в которой был раствор серной кислоты.

Внимание! Учёный использовал десятипроцентный раствор серной кислоты.

К сожалению, устройство обладало слишком малой ёмкостью, которая легко объясняется излишним примитивизмом конструкции. Чтобы её немного увеличить ученый множество раз заряжал и разряжал свинцово-кислотный аккумулятор.

Чтобы достичь хоть какого-нибудь результата Планте понадобилось два года. Естественно, что подобный недостаток был слишком существенным. Неудивительно, что свинцово-кислотные аккумуляторы тогда не получили большого распространения. Главный дефект крылся в конструкции пластин.

Конечно же, учёный свет не остановился на достигнутом. Совершенствование конструкции свинцово-кислотного аккумулятора только начиналось. Большой прорыв в этом деле совершил К. Фор. Он предложил инновационную технологию изготовления электродов.

В 1880 год К. Фор на электроды наносит окись свинца. Результат превосходит все ожидания. Учёному в значительной степени удалось увеличить ёмкость аккумулятора. Идея получила широкое распространение. А уже в 1881 Э. Фолькмар начал использовать вместо обычных электродов специальную решетку. Селлоун пошёл дальше и получил патент на производство решеток, в сплаве которых была сурьма.

Сразу же учёным пришлось столкнуться со следующей проблемой. Не было нормальных зарядных устройств. Чтобы хоть как-то возобновить начальный заряд свинцово-кислотного аккумулятора применялась разработка Бунзена. К сожалению, результат был не очень хорошим.

Внимание! Суть подобной методики заряда сводилась к источнику в виде гальванической батареи. Именно от неё в то время можно было осуществить подзарядку.. Данное положение дел изменили генераторы постоянного тока, которые были дёшевы в производстве

Результат поразил весь мир. В 1890 году свинцово-кислотные аккумуляторы начинают массово выпускаться во всех цивилизованных странах мира. Мало того, все они нашли себе коммерческое применение

Данное положение дел изменили генераторы постоянного тока, которые были дёшевы в производстве. Результат поразил весь мир. В 1890 году свинцово-кислотные аккумуляторы начинают массово выпускаться во всех цивилизованных странах мира. Мало того, все они нашли себе коммерческое применение.

Важно! Настоящим прорывом стал выпуск в 1900 году немецкой компанией Varta свинцово-кислотных аккумуляторов.

Следующая весомая дата в развитии технологии по созданию свинцово-кислотных аккумуляторов приходится уже на 70-е годы XX века. Именно в этот период разрабатываются необслуживаемые аналоги. Их главным отличием от всех предыдущих является то, что они способны работать в любом положении.

На смену жидкому электролиту пришёл гель. Батареи стали полностью герметичными. Для выведения отработанных газов установили специальные клапаны. Кардинально изменилась конструкция пластин. Их основой стал медно-кальциевый сплав. Чтобы добиться ещё большего результата он дополнительно покрывался оксидом свинца. Решётки делались из титана, алюминия и меди.

Все активные вещества нового свинцово-кислотного аккумулятора были расположены в электролите вместе с положительными и отрицательными электродами. Все эти элементы образуют сложную электрохимическую систему.

Конструктивные особенности

Главные элементы свинцового аккумулятора:

• решетка положительного электрода (пластина, изготовленная из свинцово-кальциевого сплава);
• положительный электрод;
• пластина положительного электрода с сепаратором;
• решетка отрицательного электрода;
• пластина отрицательного электрода;
• корпус, куда вкладываются блоки электродов;
• вентиляционное отверстие;
• полюсные выводы.

Упакованные пластины батареи заливаются раствором серной кислоты, плотность которой уменьшается в процессе эксплуатации. В автомобильных аккумуляторах в корпусе предусмотрено дренажное отверстие для выхода газа при перезарядке либо горловина с пробками.

При изготовлении корпуса автомобильного аккумулятора учитываются следующие факторы:

• устойчивость к колебаниям и вибрациям;
• не подверженность температурным перепадам;
• кислотная инертность;
• наличие бандажных крепежей.

Какой тип аккумулятора выбрать — AGM, гелевый или с жидким электролитом?

Применение автомобильных стартерных батарей в системах электроснабжения может быть оправдано только в низко-бюджетных системах, которые будут под пристальным контролем обслуживающего персонала (необходимо следить за уровнем и плотностью электролита, регулярно проводить выравнивающий заряд АБ, и т.п.). Необходимо также помнить, что для эксплуатации такого типа батарей необходимо отдельное, хорошо вентилируемое помещение.

В связи с этим, в системах на базе возобновляемых источников энергии, а также в системах бесперебойного питания, целесообразно использовать, хотя и более дорогие, герметичные, необслуживаемые АБ. Солнечная батарея, термоэлектрический генератор и небольшой мощности ветроэлектрическая установка вырабатывают сравнительно небольшой ток, поэтому заряд АБ длится много часов и в этом случае подходят даже самые дешевые из необслуживаемых АБ.

Такие АБ имеют большую, по сравнению со стартерными батареями, толщину пластин электродов, поэтому срок их службы в режиме длительного разряда намного превышает срок работы стартерных батарей.

Сравнение AGM, OPzV и OPzS аккумуляторов*