Типы аккумуляторных батарей и области их применения

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.

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.

Причины отбраковки кислотных аккумуляторов

Кислотный аккумулятор представляет динамичную систему с непрерывно идущей внутри электрохимической реакцией. Именно она создает условия для приема энергии на хранение и передачи потребителю. Но в результате непрерывного процесса внутренние компоненты изнашиваются, преобразуются непрерывно. Параллельно полезным идут паразитные реакции, ускоряющие процесс деградации устройства.

Результатом нарушения инструкции по эксплуатации прибора и по объективным причинам функциональность АКБ нарушается, происходит:

  • сульфатация – отложение на пластинах кристаллического налета сульфата свинца, препятствующего накоплению заряда;
  • разрушение свинцовой пластины, угольной решетки и осыпание активной массы на дно;
  • короткое замыкание внутри банки и между корпусом и пластинами, вызванное механическим повреждением или внутренним замыканием шламом;
  • разрушение корпуса аккумулятора резким ударом, взрывом или замерзанием электролита.

Независимо от причины, вызвавшей признаки отбраковки, изделие теряет способность выдавать ток нужных параметров. Возможно восстановление кислотного АКБ десульфатацией – разрушением трудно растворимого осадка химическим, физическим способами. Рассмотрим несколько методов электрического воздействия разрушающих осадок и восстановливающих функции кислотного аккумулятора.

Характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Технические характеристики АКБ зависят от их типа. Для наглядности рассмотрены несколько наиболее используемых видов батарей:

  • LA – обслуживаемые стартерные;
  • VRLA – необслуживаемые, жидкостные;
  • VRLA AGM – необслуживаемые, абсорбированные;
  • VRLA GEL – необслуживаемые, гелевые;
  • OPzV – необслуживаемые, трубчатые, гелевые;
  • OPzS – малообслуживаемые, трубчатые.
Вид LA VRLA VRLA AGM VRLA GEL OPzV OPzS
Ёмкость, А∙ч 10-300 1-300 1-3000 1-3000 50-3500 50-3500
Оптимальная глубина разряда, % 30 <40 <50 <60 <60
Напряжение, Вольт 6, 12 4, 6, 12 2, 4, 6, 12 2, 6, 12 2 2
Диапазон рабочих температур, °С -50…+70 -35…+60 -40…+70 -40…+70 -40…70 -40…70
Минимальное время заряда, ч 8-12 6-10 6-10 8-12 10-14 10-15
Саморазряд, % 3-5 2-3 1-2 1-2 1-2 1-2
Средняя стоимость за аккумулятор 12 В/100 А∙ч, $ 70-150 200-250 250-380 350-500 1000-1400 1500-3500
Срок службы, лет 2-5 3-7 5-15 10-15 >20 >25

Благодаря умеренной цене и хорошим показателям, кислотные АКБ получили широкое распространение в технике. В сферу применения свинцовых источников тока входят:

  • лёгкий и грузовой автотранспорт, включая сельскохозяйственную технику и моторные лодки;
  • системы пожарной безопасности и охраны;
  • системы аварийного энергоснабжения;
  • системы энергоснабжения в областях, удалённых от стационарной электрической сети;
  • контрольно-измерительные приборы для торговли и малого бизнеса;
  • источники бесперебойного питания (ИБП) для компьютерной техники;
  • запасные источники энергии;
  • слаботочные системы;
  • инвалидные кресла с электроприводом.

Цикл заряд/разряд

Аккумулятор автомобиля содержит химические вещества, которые при взаимодействии производят электрический ток. Два разнородных металла помещаются в кислотную среду, которая называется электролитом. Возникает поток электронов и электроны из одной группы пластин переходят в другую.

Батарея заряжена

Полностью заряженная батарея содержит отрицательную пластину губчатого свинца (Pb) — катод, положительную пластину диоксида свинца (PbO2) – анод, и электролит из раствора серной кислоты (H2SO4) и воды (H2O).

Батарея разряжается

Когда аккумулятор разряжается, диоксид свинца на катоде восстанавливается, на аноде свинец окисляется. Металлы обоих пластин вступают в реакцию с SO4, в результате образуется сульфат свинца (PbSO4). Водород (H2) из серной кислоты вступает в реакцию с кислородом (O2) из положительной пластины и образуется вода (H2O). При этом расходуется серная кислота и образуется вода. Правильная зарядка во многом определяет ресурс службы батареи.

Батарея разряжена

В полностью разряженном аккумуляторе обе пластины покрыты сульфатом свинца (PbSO4), а электролит разбавлен до большей степени водой (H2O).

Батарея заряжается

Автомобильный аккумулятор после взрыва

Процесс противоположен разрядке.

Сульфат (SO4) покидает пластины и объединяется с водородом (H2), превращаясь в серную кислоту (H2SO4). Свободный кислород (O2) объединяется со свинцом (Pb) на положительной пластине с образованием диоксида свинца (PbO2). Когда батарея приближается к полной зарядке, водород образуется на отрицательных пластинах, а кислород — на положительных, происходит газообразование. Выделяющийся газ взрывоопасен.

Золотые правила


При эксплуатации батарей нужно соблюдать следующие основные правила:

• Ни в коем случае не оставлять батарею в разряженном состоянии. После каждого разряда необходимо сразу ставить батарею на подзарядку, иначе начнется необратимый процесс сульфатации пластин. Это приводит к снижению емкости и срока службы батарей.

• Разряжать батарею не более чем на 80% (для гелевых АКБ – 60%). Как правило, за это отвечает датчик разряда, установленный на машине, однако его поломка, отсутствие или неправильная настройка может также привести к сульфатации пластин, перегреву батарей при заряде и в конечном итоге сокращению срока их службы.

• В АКБ можно доливать только дистиллированную воду. В обычной воде содержится множество примесей, оказывающих негативное влияние на аккумуляторную батарею. Долив электролита в АКБ для увеличения плотности запрещен: во-первых, это не даст прироста емкости, а во-вторых, вызовет необратимую коррозию пластин.

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.

Пример 1
Номер батареи Установлена на погрузчик Поставлена на заряд
Дата Время Плотность (средняя по трем элементам выборочно) Показания счетчика, машино-ч Дата Время Плотность (средняя по трем элементам выборочно) Показания счетчика, машино-ч
и т.д.

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.

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.

Обслуживание щелочных аккумуляторов

Ключевой особенностью щелочных аккумуляторов является возможность увеличения срока службы за счет регулярных профилактических мер по предотвращению старения. Улучшить работу аккумулятора позволят циклы заряд-разряд, которые можно провести при помощи автоматических зарядных устройств.

При осуществлении цикла ток не должен быть слабым. Это негативно скажется на работе аккумулятора. Следует избегать зарядки АКБ при температуре ниже -10 градусов Цельсия и уж тем более при -30.

Параллельно профилактическим циклам заряд-разряд стоит провести осмотр аккумулятора на предмет повреждений корпуса, появления следов электролита или других аномалий. После каждой 10-й зарядки следует определить уровень электролита и восполнить его при отклонении от нормального значения.

Для проверки плотности электролита понадобится специальный прибор – денсиметр. Погрузив его в отверстие для заливки можно измерить точное значение и сравнить его с приемлемым порогом (указанным в инструкции). В качестве аналога для измерения можно использовать ареометр. Для проверки этим прибором понадобится стеклянная мензурка и резиновая груша. Отобрав 100 мг электролита, можно поместить в него ареометр и проверить значение плотности.

Таблица. Рекомендуемая плотность электролита в АКБ

Климатические районы и время года при замере плотности электролита

Плотность электролита, г/см куб

Батарея заряжена

Батарея разряжена

На 25%

На 50%

Очень холодный с температурой от -50 до -30 градусов

Зима

1,30

1,26

1,22

Лето

1,28

1,24

1,20

Холодный с температурой января -30 до 15 C°

1,28

1,24

1,20

Умеренный с температурой января от -15 до -8 C°

1,28

1,24

1,20

Теплый влажный с температурой января от 0 до +4 C°

1,23

1,19

1,15

Жаркий сухой с температурой января от -15 до +4 C°

1,23

1,19

1,15

Как определить уровень электролита?

Сделать это можно при помощи стеклянной трубки с отметками. Оптимальным считается уровень от 5 до 12 мм над краем пластин. Если он не соблюден, то можно увеличить количество электролита путем доливки дистиллированной воды. При малых значениях плотности вместо воды следует доливать электролит.

Порядок заливки электролита в щелочной аккумулятор

Допустим, щелочной аккумулятор перестал держать заряд или вовсе вышел строя

Что делать в такой ситуации? Скорее всего, придётся менять калиево-литиевый щелочной электролит, однако перед осуществлением его замены или доливки важно удостовериться в том, что:

  • электроды аккумуляторной батареи целы;
  • сепараторы и их пластины не обсыпались;
  • аккумулятор не работает именно потому, что он разряжен.

Если данные моменты успешно подтвердились, то в необходимости заливки электролита можно не сомневаться. Порядок такой процедуры следующий:

  1. Демонтируйте аккумуляторную батарею с автомобиля;
  2. Поставьте её в месте, защищённом от сторонних лиц, детей и источников тока, огня, воды, а также удобном для работы с АКБ;
  3. Подготовьте себе защитную одежду в полном комплекте (как минимум, защитные очки и перчатки), инструмент для открытия крышки аккумулятора и щелочной электролит для залива. Последний, к слову, можно купить как в магазине (стоимость такового начинается от 30 рублей), так и приготовить в домашних условиях;
  4. Затем аккуратно демонтируйте крышку АКБ и начните заливать электролит, ориентируясь по соответствующим меткам;
  5. После того как жидкость долита до нужно уровня приведите аккумулятор в первоначальный вид и установите его обратно на машину.

При полной или частичной смене электролита в щелочном аккумуляторе обязательно зарядите его в усиленном режиме (порядка 12 часов) или нормальном (6 часов). В остальных случаях допустимо проведение ускоренной зарядке (около 3 часов) с повышением нормальной силы тока в 2 раза.


С этим читают