Основные типы аккумуляторов

Почему тяговый аккумулятор стартерному не товарищ

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) разгружают работу двигателей в гибридных автомобилях и выполняют роль основного источника питания в электрических моделях. Такие АКБ называют тяговыми. Пример Toyota Prius C, Ford Fusion Hybrid. Тяговые АКБ также ставят на электрокары. Восполняют затраченную энергию тяговые АКБ от сети, от энергии вырабатываемой при рекуперативном торможении, от генератора автомобиля.Стартерные АКБ это батареи отдающие мощный заряд «пускового» тока в диапазоне от 250 до 1000 Ампер для запуска двигателя. Питают бортовую сеть машины – музыку, системы безопасности, свет. Затраченную энергию стартерный АКБ восполняет от работы генератора и при рекуперативном торможении.В качестве стартерных АКБ в обычных бензиновых или дизельных автомобилях литий-ионные батареи не подходят. Чтобы ответить на вопрос: «Почему?» вначале разберемся в плюсах и минусах литиевых батарей.Подробней о видах аккумуляторов писали здесь.

Преимущества литий-ионных АКБ над свинцово-кислотными:

• литиевые электробатареи легче свинцово-кислотных
• дольше хранят заряд;
• выдерживают больше циклов заряда/разряда;
• объем литий-ионных аккумуляторов выше свинцово-кислотных;
• выше выдача более высокого напряжения;
• в них нет «эффекта памяти»;
• дольше хранятся при правильных условиях;
• медленней стареют – жизненный цикл около 10 лет.

Минусы Li-ion аккумуляторов:

• Li-ion аккумулятор состоит из ячеек, которые капризны к неправильной зарядке. Если аккумулятор перезарядить или полностью разразить, из строя могут выйти внутренние ячейки, потребуется их замена;
• рабочий диапазон температур литиевой батареи от -20 до + 50 С, при этом наблюдается снижение емкости батареи при сильных морозах и перебои в работе при высокой температуре на улице;
• плохо заряжаются при отрицательных температурах;
• к концу жизненного цикла теряют емкость;
• взрывоопасны при нарушении герметичности;
• литий – ионные АКБ стоят, в среднем, $1700 против $120 за свинцово-кислотный.

Все недостатки Li-ion батарей, кроме себестоимости, можно решить путем вдумчивой инженерии.

Почему литиевый аккумулятор не применим в обычном автомобиле?

Генератор переменного тока автомобиля не сможет зарядить литиевый аккумулятор правильно, из-за чего батарея придет в негодность. Но решение есть. Гоночные автомобили типа Porsche GT3, GT2, предлагают комплектацию с опциональным литий – ионным АКБ. Система зажигания в таких автомобилях построена с конвертером заряда, который берет выход от генератора переменного тока и преобразует его для заряда литиевого аккумулятора, заряжая по определенным правилам. Специальная цепь равномерно распределяет заряд между всеми четырьмя ячейками Li-ion батареи. Применение литий-ионных АКБ оправдано либо в странах с умеренным климатом, либо на гоночном треке, где важен вес автомобиля, а денег от спонсоров куры не клюют – при весе в 6 кг литиевая батарея на 10 кг легче свинцовой.

Устройство аккумуляторной батареи

Компоненты аккумуляторной батареи

Автомобильные аккумуляторные батареи напря­жением 12 В содержат шесть последовательно соединенных и отделенных перегородками галь­ванических элементов в полипропиленовом кор­пусе (рис. «Необслуживаемая стартерная аккумуляторная батарея» ). Каждый гальванический элемент включает наборы положительных и отрицатель­ных пластин. Эти наборы, в свою очередь, со­стоят из пластин (свинцовая решетка и активная масса) и микропористого материала (сепаратор), который изолирует пластины противоположных полярностей. Сепараторы образуют карманы, в которые погружаются пластины. Электролит представляет собой раствор серной кислоты, который проникает в поры пластин и сепараторы, а также в пустоты гальванических элементов. Полюсные выводы, соединительные элементы гальванических элементов и перемычки пластин выполнены из свинца; щели в перегородках межэлементных соединений тщательно уплотнены. Для обеспечения герметичной связи цельной крышки с корпусом аккумуляторной батареи используется процесс горячей опрессовки. На стандартных аккумуляторных батареях каждый элемент закрывается собственной пробкой с вентиляционным отверстием. Вентиляционные отверстия с закрученными пробками позволяют образующимся при зарядке аккумуляторной батареи газам улетучиваться. У необслуживае­мых аккумуляторных батарей, выполненных в герметичном исполнении, нет пробок заливных горловин, однако они также имеют вентиляци­онные отверстия.

Материал решетчатых пластин аккумуляторной батареи

Пластины аккумуляторной батареи состоят из свинцовых решеток и активного материала, которым покрываются свинцовые решетки во время производствен­ного процесса. Активный материал положи­тельной пластины содержит пористый диоксид свинца (РbO₂, оранжево-коричневого цвета), а отрицательной пластины — чистый свинец в виде «губчатого свинца» (РЬ, серого-зеленого цвета). Другими словами, чистый свинец также имеет крайне пористую форму.

По разным причинам (жидкотекучесть, об­работка, механическая прочность, стойкость к коррозии), для решеток используется сплав свинца с сурьмой. Стандартные способы из­готовления решеток — отливка, прокатка и штамповка.

Свинцово-сурьмяный сплав (PbSb)

Сурьма добавляется для придания твердости. Однако в течение срока службы аккумулятор­ной батареи из-за коррозии положительной решетки сурьма все больше отделяется. Она мигрирует к отрицательной пластине, проходя через электролит и сепараторы, и «отравляет» ее, образуя локальные гальванические пары. Эти гальванические пары повышают самораз­ряд отрицательной пластины и уменьшают на­пряжение газовыделения. Все это вызывает повышенный расход воды при перезарядке, что способствует высвобождению сурьмы. Этот механизм самовозбуждения приводит к постоянному снижению мощности на про­тяжении всего срока службы аккумуляторной батареи. Она становится неспособной достичь необходимого заряда, и электролит прихо­дится часто проверять.

Свинцово-кальциевый сплав (РbСа)

Кальций используется для повышения твердости отрицательных пластин. Кальций электрохимически неактивен при потенциальных условиях, существующих в свинцовых аккумуляторных батареях. Это означает, что предотвращается «отравление» отрицательной пластины и саморазряд.

Еще одним преимуществом является высо­кое напряжение газообразования, стабильное в течение срока службы, и связанный с этим расход воды (меньший по сравнению со спла­вом свинца с сурьмой).

Свинцово-кальциевые сплавы с добавлением серебра (РЬСаAg)

Помимо снижения содержания кальция и уве­личения содержания олова этот сплав также имеет определенный процент серебра (Ag). Он имеет более тонкую структуру решетки и показал себя крайне стойким даже при высо­ких температурах, ускоряющих коррозию. Это сказывается, когда происходит деструктивный перезаряд при высокой плотности электролита и (что в равной степени нежелательно) в пере­рывах в эксплуатации при высокой плотности электролита.

Свинцово-кальциево-оловянные сплавы (PbCaSn)

Этот сплав используется для решеток, изго­тавливаемых непрерывной прокаткой и штам­повкой, и содержит гораздо больше олова, чем РЬСаAg. Он отличается крайне высокой стойкостью к коррозии при небольшой массе решетки.

По каким технологиям изготавливают

Стремление улучшить работу свинцово-кислотных аккумуляторов привело к созданию новых технологий производства элементов. В первую очередь, это замена легирующей добавки. Вместо сурьмы сейчас широко применяется кальций. Его добавка придает свинцовым пластинам повышенную прочность, в результате появилась возможность сделать их более тонкими без потери жесткости конструкции. В электрохимических реакциях кальций не участвует. Кальциевые батареи имеют и другое достоинство – пониженная склонность к газообразованию при зарядке. Такой аккумулятор не склонен к «кипению». Это кардинально снижает расход воды во время эксплуатации. Также за последние годы популярность завоевали батареи в необслуживаемом исполнении.

Тематическое видео: Революционная твердотельная батарея от Toyota

Технология GEL

В этих аккумуляторах электролит загущен до состояния геля специальными добавками. Главное достоинство батареи – необслуживаемое исполнение и практическая невозможность пролива электролита. Даже при небольших повреждениях корпуса гель не вытечет. Также созданы условия для рекомбинации газов в толще электролита. Водород и кислород, даже если они образуются при зарядке, не улетучиваются, а реагируют в толще геля с образованием воды. Малая часть газов, не поучаствовавшая в рекомбинации, улетучивается в пространство над электролитом. Когда давление достигает определенного предела, оно сбрасывается в атмосферу через специальный клапан. Другим плюсом является возможность эксплуатации почти в любом положении. Электрохимические реакции в таком элементе не отличаются от реакций в обычном аккумуляторе, принцип работы гелевой батареи абсолютно такой же, поэтому ЭДС одного элемента составляет те же 2,1 вольта.

Главный минус АКБ с загущенным электролитом – пониженная динамика электрохимических реакций. Результатом этого становится пониженная токоотдача, которая не позволяет применять гелевые АКБ в качестве автомобильных стартерных. Зато такие батареи используют в качестве тяговых аккумуляторов, буферных элементов и в качестве источников питания, не требующих сервиса, на удаленных объектах (устройства телемеханики, ретрансляторы связи и т.п).

Необслуживаемый гелевый аккумулятор.

Более подробно в статье: Гелевый аккумулятор для автомобиля — плюсы и минусы

Технология AGM

Эта технология позволяет в полной мере использовать преимущества пластин, легированных кальцием. Тонкие пластины собирают в компактный пакет, а чтобы избежать короткого замыкания, между ними прокладывают сепаратор-разделитель, как показано на рисунке в разрезе.

Устройство батареи АГМ.

Он изготовлен из волокнистого материала (обычно, стекловолокна). Пространство между волокнами заполнено электролитом, который удерживается внутри сепаратора капиллярными силами, поэтому свободной жидкости в такой батарее тоже нет. Часть межволоконного пространства оставлена незаполненным – небольшое количество газов, которое все же образуется во время эксплуатации, рекомбинирует в этих пустотах.

Технология EFB

Строение аккумуляторов, изготовленных по данной технологии, является промежуточным между традиционными батареями и AGM. Пластины (обычно, каждая положительная) такой АКБ помещены в сетчатый сепаратор, который позволяет расположить электроды более компактно без риска короткого замыкания. Внутри корпуса находится электролит в свободном виде, но часть его абсорбируется сеткой разделителя, которая позволяет держать пластины постоянно смоченными раствором серной кислоты.

Кроме того, сепаратор снижает вымывание обмазки пластин и удерживает ее от осыпания, что положительно сказывается на сроке службы АКБ, увеличивая количество возможных циклов. Такие батареи обладают многими достоинствами аккумуляторов AGM, но их производство значительно дешевле.

Устройство аккумулятора EFB.

Несмотря на развитие литий-ионных технологий, кислотно-свинцовые батареи еще долго будут занимать свои ниши в сфере автономных источников питания. Предпосылками к этому служат их дешевизна, конструкция, отработанная десятилетиями, относительно долгий срок службы при эксплуатации в соответствующих условиях.

Что такое свинцово-кислотный аккумулятор

Свинцовый аккумулятор – такой тип химического источника тока, который основан на реакции свинца и серной кислоты. Его изобретателем считается Гастон Планте, а первое появление датируется 1859-1860 годами. В 1878 году устройство аккумулятора было усовершенствовано изобретателем Камиллом Фором, который предложил наносить на пластины свинцовый сурик – красно-оранжевый порошок, представляющий собой ортоплюмбат свинца. В том же веке Николай Николаевич Бенардос – русский инженер и изобретатель – покрыл пластины батареи губчатым свинцом, добившись увеличения мощности.

Чтобы узнать, какой процесс происходит в аккумуляторе во время его работы, необходимо подробно рассмотреть его устройство. Конструкция современного кислотного аккумулятора включает в себя:

• корпус из кислотоупорного материала;
• электролит, представляющий собой раствор серной кислоты в дистиллированной воде;
• анодные – положительные – решетчатые свинцовые пластины, в ячейках которых запрессован порошок диоксида свинца;
• катодные – отрицательные – решетчатые свинцовые пластины, в ячейках которых – губчатый свинец;
• сепараторы, выполненные из пористого, не контактирующего с кислотой материала и предназначенные для разделения положительно и отрицательно заряженных пластин и предупреждения короткого замыкания между ними
• крышку (обычно встречается в переносных батареях), для достижения герметичности упаковки залитая мастикой;
• бареток, соединяющих одноимённые пластины и служащих в качестве токоотвода;
• крепёжные и соединительные элементы.

Принцип действия свинцового аккумулятора заключается в следующем. Положительные и отрицательные электроды опущены в электролит, и при подключении источника тока к внешней цепи оксид свинца вступает в химическую реакцию с серной кислотой. По мере разрядки батареи на аноде окисляется свинец, а на катоде происходит процесс восстановления диоксида свинца. Также при уменьшении заряда в АКБ плотность электролита снижается из-за расхода серной кислоты и выделения воды. Но стоит учитывать, что в процессе зарядки устройства запускаются обратные процессы.

Параметры батареи, тип, страну-производителя и прочую необходимую информацию пользователь может узнать через маркировку, не прибегая к техническому паспорту устройства.

В источниках тока, сделанных в России, обозначение происходит согласно ГОСТ, и шифр обязательно включает в себя (по порядку):

• количество банок в корпусе;
• обозначение типа, например, «СТ» – стартерная;
• ёмкость, измеряемая в А∙ч;
• материал и особенности конструкции.

Литий-ионная альтернатива

Пожалуй, из всех существующих видов аккумуляторов для автомобилей и не только самым лучшим можно назвать Li-ion. Он стоит значительно дороже своих Ni-MH и Ni-Cd аналогов. Это можно объяснить тем, что аккумуляторы с ионами лития не имеют тех недостатков, которыми обладают рассмотренные ранее модели. Хотя приспособления такого вида, равно как и все существующие устройства, все же не лишены своих слабых сторон, причем действительно существенных.

Среди главных уязвимостей можно выделить:

• чрезмерную чувствительность к низким температурам, из-за чего уменьшается ток, отправляемый li-ion батареей;
• уменьшение вместимости с каждым годом;
• литий-ионные приспособления не выдерживают тотальной разрядки и зарядки до конца — в противном случае это оканчивается разрушением и даже взрывом прибора. Подробнее о том, как правильно заряжать Li-ion аккумуляторы →

Модели такого типа широко применимы в качестве зарядного устройства для мобильных устройств. В случае, если технологический прогресс дойдет до достаточного уровня, чтобы Li-Ion приспособления лишились своих уязвимостей, они сумеют встать на замену кислотным батареям.

Стоит также заметить, что в старых моделях литий-ионных аккумуляторов применялись разнообразные оксиды лития, в которых также содержался марганец либо кобальт. Однако в более новые модели эти элементы добавлять перестали, заменив их сплавами литий-ферро-фосфатов в связи с их дешевизной, уменьшенной токсичностью и более простой возможносттю переработки.

Как утилизируют батареи

В отслуживших свое батареях присутствует повышенное содержание вредных веществ, способных оказать негативное воздействие на экологию, поэтому их ни в коем случае нельзя выбрасывать как обыкновенные отходы. Как правило, производители таких приборов принимают вышедшие из строя АКБ и сами их утилизируют. Считается, что выгоднее всего использовать старые аккумуляторы для систем автономного энергоснабжения небольших жилых объектов.

Кроме того, батареи применяют в качестве накопителей энергии солнца, а затем питают от них домашние электроприборы. Над разработкой подобных решений, фактически дающих отработанным устройствам вторую жизнь, трудятся специалисты компании Tesla.

Никелево-железные аналоги

Дешевые и малообслуживаемые Ni-Fe, они же никелево-железные батареи, обладают никель оксидо-гидроксидами, используемые как положительные пластины. В роли отрицательных пластин выступают оксиды-гидроксиды феррума. Жидкий электролит представляется в виде разъедающего калия.

Стоит признать, что данный тип батарей весьма надежен благодаря выносливости к тотальным разрядам, частой перезарядке. В отличие от той же свинцово-кислотной альтернативы, такие аккумуляторы не выйдут из строя, будучи в недозаряженном состоянии.

Аккумуляторная батарея – это источник постоянного тока, который предназначен для накопления и хранения энергии. Подавляющее число типов аккумуляторных батарей основано на циклическом преобразовании химической энергии в электрическую, это позволяет многократно заряжать и разряжать батарею.

Еще в 1800 году Алессандро Вольта произвел поразительное открытие, когда опустил в банку, наполненную кислотой, две металлические пластины – медную и цинковую, после чего доказал, что по соединяющей их проволоке протекает электрический ток. Спустя более чем 200 лет, современные аккумуляторные батареи продолжают производить на основе открытия Вольта.

Рисунок 1. Вольтов столб из шести элементов.

Рисунок 2. Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта

Виды аккумуляторов

Классификация АКБ по составу активного вещества

Свинцовые пластины, используемые в старых аккумуляторах перестали устраивать потребителей. Таким образом, возникала необходимость по улучшению качества работы АКБ. Сначала добавили сурьму к свинцу, что позволило заметно продлить срок эксплуатации батареи. На следующем этапе – уменьшили процентное содержания сурьмы до оптимальной концентрации. Такой подход привел к созданию малообслуживаемых аккумуляторов, характерной чертой которых является более редкий процесс долива воды.

При использовании металлического кальция для покрытия пластин появились кальциевые энергосберегающие источники. В предыдущих моделях потери воды из-за электролиза на 12 вольт нуждались в постоянном доливе, а кальций позволил повысить этот порог до 16 вольт. Так появилась возможность в производстве необслуживаемых аккумуляторов и использовать герметичный, неразборной корпус.

Виды АКБ

• Сурьмянистые батареи. Этот вид относится к классике из-за повышенного состава сурьмы, которая ускоряет процесс электролиза.
• АКБ со свинцом. В малосурьмянистых АКБ материалом для пластин служит свинец с небольшой примесью сурьмы. В них степень саморазряда значительно меньше, чем в сурьмянистых АКБ.
• Калициевые источники. При производстве кальциевых источников свинцовые пластины легированы до 0,1% кальцием. Они могут иметь различные заряды, как отрицательный, так и положительный.
• Гибридные источники энергии вытесняют кальциевые. При их производстве, две объединенные основные технологии имеют конструктивные отличия: одна, когда пластины формируются из сплава свинца и сурьмы, положительные электроды, а другая – когда пластины формируются из сплава свинца и кальция, отрицательные электроды.
• EFB является улучшенной жидкозаполненной батареей. Свинцовые пластины в ЕФБ аккумуляторах в два раза толще, чем у обычных, вследствие чего увеличивается их ёмкость. Каждая платина закрыта в пакет из специальной ткани, который наполнен жидким сернокислотным электролитом.
• В гелевых аккумуляторах применяется гелеобразный электролит. Суть такой технологии в том, что она позволяет снизить текучесть электролита, который содержит агрессивную серную кислоту.
• В литиевых АКБ используется жидкий электролит, представляющий собой раствор фторсодержащих солей лития в смеси эфиров угольной кислоты.
• AGM имеет отличительную особенность в электролите, где с помощью специальной технологии между пластинами вставляются стекловолоконные микропористые прокладки.
• Во всех щелочных батареях применяется растворенная в воде щёлочь.

Классификация батарей по типу электролита

Электролиты бывают кислотными и щелочными.

Щелочные растворы применяются в заправке аккумуляторных батарей. Щелочные аккумуляторные жидкости этот такие жидкости, которые проявляют большую активность по отношению к металлам и кислотам. При реакциях с кислотами образуются соль и вода. Растворы щелочей подвергаются гидролизу. Химические свойства позволяют использовать этот тип электропроводящей жидкости для накопления электрической энергии в аккумуляторе.

Кислотные смеси с дистиллированной водой применяются в основном в автомобильных аккумуляторах. Составы этого типа легко можно приобрести в специализированных магазинах либо, при желании, приготовить самостоятельно на дому. На заводе процесс изготовления таких смесей осуществляется в масштабном производстве по ГОСТу. В домашней обстановке его приготовление так же возможно при соблюдении обязательных пропорций и правил техники безопасности. Для этого нужно смешать кислоту с дистиллированной водой.

Рейтинг ТОП аккумуляторов

Много брендов, много советов, трудный выбор – с такими проблемами сталкиваются покупатели. Предлагаем небольшой, наш, субъективный рейтинг торговых марок АКБ.

1. Первое место по уровню качества и долговечности по праву занимают ОЕМ аккумуляторы. ОЕМ – это аналог детали, которая была установлена с завода. Конечно, за аккумулятор, на котором гордо красуется логотип Mercedes или Honda, придется выложить намного больше, чем за любой другой бренд, но результат того стоит. Самые популярные на рынке бренды аккумуляторов – Varta и Bosch. Они заслужили репутацию надежных безотказных батарей, добросовестно отрабатывающих каждую вложенную копейку.
2. Среди любителей заплатить поменьше, а получить побольше особо ценится бренд Topla. Это, конечно, не Бош, но вполне может порадовать долгой службой.
3. А замыкают наш хит-парад бюджетные бренды Sada, Styer, Bi-Power и Ista. Они хоть и не дорогие, но вполне способны порадовать стабильной работой. Можно вспомнить о них, когда аккумулятор нужен срочно, а денег мало.

Назначение аккумуляторных батарей

Автомобильная аккумуляторная батарея выступает как источником электрического тока, необходимого для пуска двигателя, так и резервным источником питания, в случае, если энергии, вырабатываемой генератором, оказывается мало для электроснабжения авто. Аккумуляторная батарея действует как стабилизатор напряжения, так как она выполняет роль накопителя электроэнергии, отдающего во время пуска двигателя за короткое время большой ток, и пополняемого постепенно генератором автомобиля в процессе подзарядки.

В каких сферах используется

Аккумуляторные батареи используются как дополнительный или основной источник питания. Надежность, простота в использовании позволяет применять батареи в различных областях:

• автомобильная промышленность;
• освещение в аварийном состоянии;
• переносное электрооборудование;
• медицинское оборудование;
• игрушки;
• сигнализация в разных сферах применения;
• телекоммуникационное оборудование.

Применение батареи в игрушках

Роль акб в работе приборов не оспорима. Применение источника энергии практически во всех отраслях доказывает значимость и необходимость знаний о внутреннем содержимом батарей. С использованием в автомобилях широкого разнообразия электроприборов, кондиционеров, мультимедийных центров, генераторы не всегда справляются с обеспечением их энергией. В этом случае подпитка энергией поступает от АКБ, который кроме этого выполняет основную функцию, обеспечивает электроэнергией стартер двигателя. Водителю необходимо знать, как устроен аккумулятор, чтобы выявить сбои в работе источника энергии, назначение аккумулятора, чтобы правильно использовать ресурс, подобрать батарею к условиям эксплуатации и автомобилю. О способах и рекомендациях как проверить аккумулятор читай тут.