agm аккумулятор что это такое это
Что такое и как работает аккумулятор с технологией AGM?
Вместе с развитием автомобилестроения развиваются и технологии в производстве аккумуляторных батарей. Современные автомобили оснащаются большим количеством электроники: бортовые компьютеры, системы освещения, электроприводы, система Старт-Стоп и многое другое. Обычным жидкостным АКБ тяжело справляться с таким количеством потребителей. На помощь приходит новый аккумулятор AGM, который имеет улучшенные показатели и характеристики.
История возникновения
AGM – это аббревиатура, которая расшифровывается как Absorbed Glass Mat, что дословно в переводе с английского означает «абсорбированные стеклянные пластины» или «абсорбированное стекловолокно». Это значит, что внутри нет жидкого электролита, а вместо него находится пропитанное стекловолокно. Технология была запатентована в 1980 году. Но сама идея создания появилась гораздо раньше в послевоенные годы в Германии. Одному фотографу пришла мысль загустить электролит в аккумуляторе, чтобы он не проливался.
Как и многие другие инновации, AGM аккумуляторы сначала применялись на военных самолетах. Такие АКБ как нельзя лучше подходили для них, так как могли эксплуатироваться в любом положении. И по сей день они применяются на истребителях F16.
Американская компания Concorde выпустила первую AGM батарею для коммерческого использования в 90-х годах. По объективным причинам они не смогли полностью вытеснить с рынка жидкостные АКБ, которые имели преимущества, главным образом в цене. Но AGM батареи смогли найти свою нишу на рынке премиум-автомобилей, мотоциклов, солнечных батарей, кинотехнике и др.
Устройство AGM аккумуляторов
AGM батареи относятся к классу необслуживаемых. То есть, они имеют абсолютно герметичный корпус. Внутри корпуса находятся положительные и отрицательные пластины из свинца. Применяется только высокоочищенный свинец. Между пластинами расположены вкладки из стекловолокна. Они играют роль сепараторов или разделителей. Это пористый диэлектрический материал с нейтральными свойствами, который на 95% пропитан электролитом. Он удерживается внутри. Также в стекловолокно добавлен алюминий, чтобы снизить внутреннее сопротивление. Это свойство позволяет очень быстро заряжать устройство и отдавать ток при необходимости.
Аккумулятор разделен на шесть отсеков или банок. На каждый из них приходится напряжение по 2В. Отсеки связаны металлическими контактами, которые выходят на клеммы. Пластины могут быть скручены в рулоны. Тогда они имеют форму цилиндров. Такой прием помогает повысить виброуствойчивость и прочность. Цилиндрические формы также имеют преимущество в отдаваемом токе. От 500 до 900 ампер против 200 А от обычных АКБ.
Способность быстро заряжаться и отдавать большой ток объясняется меньшей поляризацией или сопротивлением пластин. В АКБ с жидким электролитом на стенках свинцовых пластин скапливаются пузырьки газа, тем самым понижая площадь контакта с электролитом. В AGM батареях такой проблемы нет. Есть постоянный плотный контакт, что и обеспечивает высокую эффективность.
Также на корпусе имеются клапаны для отвода газов. Как видно, по устройству такие батареи отличаются от обычных только наличием стекловолоконных пластин и герметичной оболочкой.
Таким образом, стандартная AGM батарея состоит из:
Работа AGM аккумулятора
Принцип работы AGM батареи ничем не отличается от обычной АКБ. Ток вырабатывается в результате химической реакции между свинцом и электролитом, а точнее, между диоксидом свинца. Когда АКБ питает потребители, плотность электролита снижается. Получается сульфат свинца, который оседает на пластинах. Поэтому если разрядить полностью простую АКБ с жидким электролитом, она приходит в негодность. Будет невозможно запустить процесс сульфатации в обратном направлении. Слишком маленькая плотность электролита.
В AGM аккумуляторах все по-другому. Даже при глубоком разряде свинцовые пластины не осыпаются, так как электролит удерживается в порах стекловолокна. Такие устройства могут выдержать до двухсот полных разрядов и исправно работать. Процесс сульфатации происходит очень медленно, так как в пластинах низкий уровень электролита. При заряде выделяются газы: кислород и водород, которые удерживаются внутри. Газы получаются в результате разложения воды. Если превысить напряжение при заряде AGM батареи, то выделяется больше газов.
Корпус батареи герметичный, поэтому предусмотрены клапаны для отвода газов. Такая система называется VRLA (Valve-Regulated Lead-Acid – свинцово-кислотные с клапаном защиты). Клапаны могут быть отдельно для каждого отсека или один общий.
Чувствительность к перезаряду – одна из главных проблем аккумуляторов, произведенных по технологии AGM.
Особенности эксплуатации
Чтобы батарея прослужила долго, нужно соблюдать некоторые обязательные правила хранения, эксплуатации и зарядки устройства. При коротком замыкании или повышенном напряжении батарея может выйти из строя, поэтому такие АКБ чаще используют на премиальных автомобилях с функцией Старт-Стоп и хорошей защитой от скачков напряжения.
Эксплуатировать и хранить АКБ можно практически в любом положении. На хранении АКБ нужно периодически проверять и заряжать при необходимости. Следить за состоянием клемм, чистить их от влаги и пыли, так как это повышает саморазряд. AGM аккумуляторы могут храниться долгое время без большой потери емкости. За один год они теряют в среднем всего 15-20% заряда. Это при условии хранения при температуре 5-15°C.
Аккумулятор AGM хорошо переносит минусовые температуры в зимнее время. Но сильные морозы также противопоказаны и снижают производительность.
Особенности зарядки AGM аккумуляторов
Не стоит пренебрегать правилами зарядки AGM батарей. На корпусе обычно есть указания с минимальным и максимальным напряжением при зарядке. Даже небольшое превышение может привести к необратимым последствиям для устройства. Поэтому лучше пользоваться специальным зарядным устройством с возможностью регулировки напряжения. Float Charger (плавающая зарядка) подает ток порционно. Зарядка происходит стабилизированным током в четверть от номинальной емкости при температуре 35°С. Например, емкость 80 А/час, ток при зарядке 20 А. При достижении заряда в 2,45 В на каждый отсек ток стабилизируется и постепенно снижается. Устройство не допускает перезаряд, это также важно. Если не соблюдать все эти тонкости, то батарея может значительно потерять в емкости и выйти из строя.
Преимущества и недостатки
Несмотря на все нюансы в эксплуатации, AGM батареи имеют немало плюсов. Среди них:
К главным недостаткам относятся:
Как видно, минусов не так много, но именно они мешают широкому распространению AGM аккумуляторов. Но в определенных областях, таких как обслуживание большегрузных автомобилей, автономных модулей, станций, накопление энергии солнечных батарей, такие устройства просто незаменимы. Благодаря своим значительным преимуществам в будущем AGM вытеснят обычные батареи во всех сферах.
AGM аккумуляторы, есть нюансы!
Материал мне показался доступным и понятным и чтоб потом не искать.
: безопасная зарядка, правильная эксплуатация
«Как правильно заряжать AGM аккумуляторAGM аккумулятор: безопасная зарядка, правильная эксплуатация? Почему не стоит спешить прикурить AGM батарею? Чем отличается AGM от обычной АКБ? Что такое терморазгон и почему его следует бояться в процессе зарядки AGM аккумулятора?»
Еще относительно недавно автомобили (как высокотехнологические изделия) продавали инженеры. Но все меняется: растет конкуренция, рынок и покупателя нужно постоянно завоевывать. Поэтому в наше время, за дело плотно взялись уже маркетологи. Не обошли они своим вниманием и аккумуляторы.
AGM аккумуляторы: что мы покупаем на самом деле
Покупатели современного авто премиум класса станут обладателями «суперсовременного», очень дорогого AGM аккумулятора с дополнительным BEM-кодом на наклейке, без которого машина не поедет 🙂 — об этом маркетинговом ходе читайте в отдельной статье. Маркетологи даже подобрали AGM батареям новое название: «start-stop» или «start-stop-plus», намекая что только эта батарея подойдет для современного авто с системой старт-стоп.
На заметку: несколькими годами ранее, маркетологи придумали новый вид аккумуляторов — «необслуживаемые». Хотя это были самые обычные свинцово-кислотные батареи, у которых пластины легированы кальцием. В действительности все необслуживаемые аккумуляторные батареи со временем нужно обслуживать. Летняя жара, длительные поездки приводят к выкипанию воды и уменьшению уровня электролита.
Отличие AGM аккумулятора от его собратьев — это размещенные между пластинами стекловолоконные маты-промокашки, в которые впитан обычный жидкий электролит. Неоспоримый плюс такой конструкции — более высокая устойчивость к вибрациям и удержание намазки на пластинах от осыпания. Во всем остальном АГМ батареи ничем не отличаются от обычных. Не по сроку службы, не по характеристикам, не по составу электролита и пластин. И для законов химии и физики, AGM аккумуляторы — обычные свинцово-кислотные аккумуляторы
AGM батареи: тот момент, когда идея «прикурить» аккумулятор может стоить очень дорого
Важно: Если ваша машина самостоятельно не завелась, а у вас стоит AGM батарея — не стоит прикуривать от автомобиля-донора и отправляться в поездку. Это может закончится очень печально. Ваш аккумулятор разряжен, а возможно даже не исправен, например по причине короткого замыкания. А значит серная кислота «ушла» из электролита впитанного в стекломаты и в них по сути осталась одна вода.
Сопротивление разряженного AGM аккумулятора внутри матов различается (помним о слабой перемешиваемости) поэтому ток заряда в автомобиле, даже который контролируется современной системой BMS, станет для некоторых участков слишком высоким — и в батареи появятся первые «очаги» нагрева. А в скором времени вода в этих участках начнет выкипать, «излишний» ток не участвующий в процессе заряда, запустит процесс электролиза, разлагающий воду на составные части: водород + кислород, которую химики называют «гремучая смесь». Кроме того кислород начнет окислять отрицательные пластины с нагревом.
Если процесс заряда вовремя не остановить, корпус аккумуляторов станет от нагрева размягчаться и разбухать. АКБ будет выделять пары закипевшего электролита через газовые клапаны. Если процесс терморазгона вовремя не обнаружить, батарея может разрушиться сама, повредить автомобиль и привести к пожару.
После такого события «вареный» аккумулятор долго остывает — процесс окисления отрицательных пластин продолжится и после отключения. Можно конечно, в дальнейшем попытаться восстановить такую батарею, но результат вас не обрадует. Батарею после таких повреждений приходится менять.
AGM аккумулятор: как правильно зарядить и на что обратить внимание
В своем стремлении отвоевать покупателя, маркетологи умолчали о серьезнейшим опасном недостатке AGM аккумуляторов — склонности к попаданию в режим терморазгона!
Из Википедии узнаем, что «Тепловой разгон аккумулятора — явление, возникающее при зарядке аккумулятора. Заключается в том, что увеличение температуры электролита приводит к росту зарядного тока, который может возрасти до значения, приближающегося к значению тока короткого замыкания.»
AGM стекломаты держат электролит в «связанном» состоянии, не допуская его свободного перемешивания. Тепловой разгон может произойти при сочетании факторов присущих AGM аккумуляторам: недостатке электролита в элементах батареи (его меньше чем в обычном наливном) и его слабой диффузии (перемешиваемости). Из учебника химии узнаем, что кислород, выделяемый в процессе электролиза окисляет отрицательные электроды аккумулятора. Такая реакция окисления протекает с выделением большого количества тепла и происходит разогрев электролита. Нагретый электролит имеет меньшее сопротивление. Соответственно АКБ станет принимать больший ток заряда, приводящий в свою очередь к увеличению количества выделяемого кислорода (и водорода). Таким образом возникает самоускоряющийся процесс нагревания — «терморазгон».
Заряжать разряженную AGM батарею нужно только в стационарных условиях, зарядным устройством. Перед началом заряда необходимо выкрутить пробки и убедится, что стекломаты не высохшие. Если выяснится, что они сухие, то необходимо добавить в них дистилированную воду. Сухой стекломат при зарядке будет нагреваться.
Кроме обычных методов контроля заряда:
— не превышать напряжение при зарядке 14,4 Вольта,
— не превышать токи заряда выше 1/10 номинальной емкости аккумулятора,
следует контролировать температуру аккумулятора!
При малейших признаках нагрева корпуса — зарядку прекращать, давая возможность произойти медленнейшему процессу диффузии — позволить перемешаться «заряженному-незаряженному» электролиту с различным сопротивлением току в стекломатах. Заряд сильно разряженного AGM аккумулятора может занять несколько дней, прежде чем батарея начнет принимать положенные ей токи заряда без нагрева и срыва в терморазгон.
Один из признаков начала терморазгона — уменьшения напряжения заряда и одновременное увеличение тока заряда!
Внимание: Нагрев одной из банок AGM аккумулятора при зарядке может означать серьезную неисправность.
Если в процессе первой зарядки обнаружилось, что какая-то из банок после доливки воды в сухой мат греется заметно сильнее других, причем напряжение аккумулятора при зарядке резко повышается, а при прекращении заряда быстро падает — то это значит что аккумулятор надо сдать в утиль 🙁 Пластины в банке рассыпались.
К сожалению современные AGM аккумуляторы в отличии от обычных наливных, чаще склонны к катастрофическим отказам, в частности, к возгоранию и взрывам! Не рекомендуется применение AGM батарей в автомобиле в мотрном отсеке. Температура там доходит летом до 100 С!
И все таки AGM батареи лучше большинства своих собратьев с жидким электролитом. Все дело в том, что производители в AGM версиях изготавливают свои топовые АКБ, у которых и без применения стекломатов превосходные характеристики. Например, VARTA свои топовые тяжелые, служащие по 10 лет батареи, выпускает сегодня только как AGM. Varta с жидким электролитом весит гораздо меньше AGM Varta того же размера. Производители делают все, чтобы AGM аккумуляторы превосходили свои «наливные» аналоги.
Покупка AGM аккумулятора правильный выбор (хотя и недешевый). Всегда помните основные правила эксплуатации:
-не перегревать AGM аккумулятор: не устанавливайте АКБ в моторном отсеке;
— не допускайте разрядов ниже 12 Вольт;
— заряжая, сильно разряженную AGM батарею, контролируйте ее температуру, не допуская терморазгона.
Что такое AGM аккумулятор: преимущества и недостатки
AGM аккумуляторы — современный тип аккумуляторных батарей, внутри которых электролит абсорбированный (технология Absorbed Glass Material, стекловидный впитывающий материал). Данное решение позволило улучшить целый ряд показателей по сравнению с обычными свинцово-кислотными батареями:
При этом аккумуляторы АГМ не являются гелевыми. Хотя гелевый аккумулятор GEL и AGM VRLA Battery относятся к одному классу, гелевые АКБ изготовлены по другой технологии (электролит находится в гелеобразном состоянии). Также отдельные особенности не позволяют аккумуляторам AGM полностью конкурировать с гелевыми аналогами. Подробнее читайте в нашей статье.
АГМ аккумулятор: особенности
По сравнению с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами, а также другими типами батарей, АКБ AGM часто называют «промежуточным» звеном между классическим аккумулятором и гелевой батареей.
Чтобы повысить стойкость положительных электродов в дальнейшем в них стали добавлять серебро. При этом аккумулятор стал дороже в производстве. Также не удалось решить основную проблему — негерметичность АКБ. В результате такие аккумуляторы не подошли для использования в электротранспорте.
Чем AGM аккумулятор отличается от гелевого АКБ
При выборе аккумулятора потребители часто сталкиваются с необходимостью выбора подходящей батареи.
Сегодня в продаже представлены традиционные свинцово-кислотные батареи, кальциевые АКБ, а также аккумулятор гелевый или аккумулятор АГМ.
Гелевый аккумулятор
Гелевые аккумуляторы (GEL — АКБ ) имеют электролит, который находится в гелеобразном состоянии за счет добавления соединений кремния. В результате электролит похож на силикон, в составе используется серная кислота и двуокись кремния, батарея имеет полную герметичность. Газовыделение сведено к минимуму, газы остаются во внутренних порах геля.
Это значит, что электролит не испаряется при разряде АКБ, пластины также не окисляются. Данный тип аккумуляторов на сегодня является лучшим, отличается высокой устойчивостью к глубокому разряду и большим сроком службы.
Дело в том, что даже в условиях глубокого разряда до 10.5В пластины не осыпаются, так как гель «удерживает» активный материал. В результате GEL- аккумулятор даже в таких условиях способен пережить 300 циклов заряда. Если же условия эксплуатации щадящие, можно рассчитывать на увеличение ресурса в 8-10 раз.
Аккумулятор AGM
Аккумуляторы AGM имеют пористый заполнитель, изготовленный из стекловолокна, который пропитан электролитом. В отличие от гелевых аналогов, в аккумуляторах AGM залита жидкая кислота. При этом электролит удерживается в порах сепаратора (условно решение напоминает губку).
Преимущества и недостатки АГМ аккумуляторов
Рассматривая аккумуляторы AGM, следует выделить заметное улучшенные характеристики по сравнению с обычными свинцово-кислотными, кальциевыми, гибридными и другими типами АКБ. Также преимуществом является не слишком высокая стоимость таких аккумуляторов по сравнению с гелевыми аналогами.
Что касается недостатков, батареи AGM достаточно чувствительны к перезаряду. Если ток заряда выше на 25% от номинальной емкости аккумулятора, батарею может раздуть. По этой причине для таких аккумуляторов нужно использовать особые зарядные устройства для AGM.
Например, аккумуляторы AGM отличаются повышенной чувствительностью к колебаниям наружных температур, при низкой температуре их эффективность падает. Еще один серьезный недостаток заключается в том, что данный тип АКБ сильно боится цикличного заряда-разряда.
Если имеет место циклирование заряд – разряда, тогда срок службы сокращается на 30-40%. Эта особенность в значительной степени ограничивает сферу применения и целесообразность использования данных АКБ.
Какой аккумулятор лучше выбрать: гелевый или AGM
Перед покупкой батареи AGM для использования в качестве тягового аккумулятора для транспорта необходимо учитывать рассмотренные выше недостатки. Прежде всего, ресурс такой батареи будет ниже, чем у гелевых аккумуляторов. Если для батарей GEL 300 циклов – гарантированный показатель, для АГМ все те же 300 циклов являются полным ресурсом.
Однако для источников бесперебойного питания аккумуляторы AGM являются лучшим решением. Дело в том, что они в условиях «буферного режима» способны сохранять емкость много лет. В результате получается так, что AGM аккумуляторы зачастую используются в источниках бесперебойного питания.
В свою очередь, гелевые аккумуляторы повсеместно встречаются на электротранспорте. При этом дешевые свинцово-кислотные, кальциевые и подобные им АКБ для электротранспорта не подходят по причине отсутствия необходимой герметичности.
Эволюция аккумуляторных батарей: Что такое «багдадская батарейка», и зачем на самом деле нужны AGM-батареи?
Если взглянуть на историю аккумуляторов, то может показаться, что, в контексте стартерных автомобильных батарей, за полторы сотни лет они практически не изменились. Но так ли это на самом деле? Давайте разберемся!
История появления аккумуляторов
Если учитывать, что впервые предок человека взял в руки орудие из колотого камня 2.6 миллиона лет назад, а до земледелия дело дошло лишь 12 тысяч лет назад, то можно уверенно сказать, что за последние несколько сотен лет мы неплохо продвинулись в разного рода технологиях. Судите сами: электричество, как термин, вошло в обиход в 1600 году, благодаря английскому физику и врачу Уильяму Гильберту, придворному врачу Якоба I и Елизаветы I. Гильберт был главным в Англии проповедником прогрессивных идей Николая Коперника и Джордано Бруно, жестоко казненного как раз в том самом году как раз за подобные научные идеи. В Британии на них, к счастью, смотрели иначе.
Мир менялся, исследования электричества и магнетизма продолжались и ширились. Спустя полтора столетия ученые не просто знали об электричестве гораздо больше, но и пытались найти ему практическое применение.
Так, в 1745 году голландцем Питером ван Мушенбруком была собрана так называемая «Лейденская банка» — прототип первого в мире конденсатора.
Тут, конечно, можно вспомнить и про так называемую «Багдадскую батарейку» из Месопотамии времен парфянского либо сасанидского периодов (то есть, от 150 года до нашей эры). Обнаруженный немецкими археологами в тридцатых годах прошлого века прекрасно сохранившийся артефакт представлял из себя глиняный сосуд со вставленным в него медным цилиндром. Внутри цилиндра находился железный стержень. Горлышко сосуда было запечатано битумом, и через него был пропущен железный прут. Следы коррозии на железе позволяли предположить, что внутри находится своеобразный электролит — например, виноградный сок.
Ученые предположили, что “Багдадская батарейка” могла использоваться для гальванизации (например, нанесения золота на серебро или керамику) или электротерапии. Современные исследователи (включая “Разрушителей легенд”) неоднократно проверяли данный миф, и действительно, воспроизведя конструкцию батареи, и залив ее в качестве электролита лимонным соком или винным уксусом, получали от 0.5 до 1 вольта на тестере. Собранные в батарею элементы могли зажечь лампочку, но все равно — доказательная база по данному изобретению слабовата.
Так или иначе, опыты ученых в 17-18 веке позволили открыть процесс электролиза, и уже в начале 18 века различные ученые (в их числе Хамфри Дэви и Уильям Круюйкшенк) создали пригодные для серийного выпуска образцы батарей. Усовершенствовав идеи Вольта, Крюйкшенк поместил спаянные друг с другом квадратные листы цинка и меди в запечатанный цементом деревянный ящик, который затем заполнялся электролитом — водным раствором кислоты или морской водой.
Поскольку элементы батареи были погружены в электролит, то такая батарея не высыхала слишком быстро и была гораздо мощнее конструкции Вольты. Позже конструкцию усовершенствовал еще один британец, Джон Ф. Даниэлл.
Вместе с тем, все подобные батареи были первичными, то есть не рассчитанными на регулярную подзарядку. Принципиально новое решение было предложено уже в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Конструктивно, его батарея представляла погруженную в сосуд с водным раствором серной кислоты конструкцию из деревянного основания и двух намотанных на него листов чистого свинца, разделенных льняной тканью. При пропускании тока через свинцовые электроды, положительный электрод покрывался двуокисью свинца; при последующем замыкании элемента, в нем появлялся постоянный ток, вырабатываемый до момента полного растворения двуокиси свинца в кислоте.
В 1881 году конструкция вторичной батареи была доработана французским инженером Камилем Альфонсом Фором. Он запатентовал покрытие свинцовых пластин пастой из оксидов свинца (если быть точным, то спользовался ортоплюмбат свинца, он же тетраоксид трисвинца, он же свинцовый сурик), что позволило существенно увеличить емкость батарей. Чтобы масса образующихся при заряде на электродах пористых оксидов свинца не отваливалась от пластин, их покрывали тканью. Каждый электрод одного знака помещался между двумя электродами противоположного.
Новинка заинтересовала предприимчивых британцев в лице лорда Кельвина — в Лондоне была основана компания Faure Electric Accumulator Company (FEAC), ставшая первым в мире производителем свинцово-кислотных АКБ. Французский инженер играл в ней формальную роль. Батареи FEAC использовались в том числе в одних из первых электромобилей. Собственно, после этого технология, то называется, шагнула в народ.
Фактически, с тех самых пор конструкция свинцово-кислотного аккумулятора принципиально не изменилась, хотя деревянные корпуса уступили место эбонитовым, а потом полипропиленовым. Дешево и сердито!
Первые массовые автомобильные батареи были шестивольтовыми, сгруппированными из трех последовательно соединенных элементов (аккумуляторов) с рабочим напряжением в 2.2 вольта; ставшие массовыми с середины 20 века 12-вольтовые батареи, соответственно, были собраны из шести таких элементов, а «грузовые» 24-вольтовые — из двенадцати. Этот принцип компоновки действует и сейчас.
Устройство и принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов
Работа классической “залитой” (по английски — Flooded) свинцово-кислотной батареи основана на электрохимической реакции свинца и диоксида свинца в электролите — водном растворе серной кислоты.
Каждая из шести секций (аккумуляторов, или “банок”) современной 12-вольтовой батареи состоит из положительно (анод) и отрицательно (катод) заряженных электродов, разделенных пористыми (чтобы предотвращать контакт активных масс, но пропускать электролит) конвертами-сепараторами.
Электроды представляют из себя решетки из свинцового сплава, на которые нанесена специальная паста из свинцово-оксидного порошка. Активная зона анодов состоит из оксида свинца, катодов — из губчатого свинца. Электроды погружены в водный раствор серной кислоты.
При замыкании цепи, соответствующей подаче нагрузки, активное вещество начинает взаимодействовать с электролитом, начинается электрохимическая реакция. На электродах образуется сульфат свинца, при этом на катоде происходит окисление свинца, а на аноде — его восстановление, в цепь поступает электрический ток. В процессе реакции также образуется вода, концентрация серной кислоты снижается.
При зарядке начинается обратный процесс — восстановление сульфата свинца до диоксида свинца и металлического свинца, сопровождаемое выделением водорода, ростом концентрации серной кислоты и увеличением плотности электролита.
Общие недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов
Начнем с того, что аккумулятор стареет сам по себе: при разряде-заряде восстановление сульфата свинца не полное, со временем он толстым слоем откладывается на электродах, а сами они подвергаются электрохимической коррозии.
Во-вторых, процесс сульфатации заметно ускоряет неправильная эксплуатация — например, если был допущен глубокий разряд батареи. При нем электроды активно обрастают сульфатом свинца с образованием кристаллов соли, и этот процесс практически необратим — при зарядке аккумулятора для десульфатации плотности электролита уже не хватает. Так батарея заметно теряет в емкости. Строго говоря, для небольшой, но необратимой потери емкости обычной батарее достаточно и 15% разряда.
Аналогичная ситуация — с постоянным перезарядом, вызванным перебоями в работе системы зарядки. Выкипание воды из электролита (на обслуживаемых АКБ), снижение уровня электролита на “небослуживаемых” АКБ ( в связи с невозможностью системы конденсирования справиться с ее количеством), коррозия и разрушение анодов. При хроническом недозаряде — опять же, необратимая сультфатация, осыпание активной массы, снижение емкости и срока службы.
Как инженеры делали свинцово-кислотные АКБ более надежными
В процессе технической эволюции, инженеры применяли различные технические решения, призванные продлить срок службы свинцово-кислотных батарей и улучшить их характеристики.
Например, в состав электродов вводили сурьму, повышающую прочность и литейные свойства свинцового сплава. Решение оказалось неидеальным — сурьма накапливалась на катоде, и вызывала электролиз воды, сопровождающийся кипением электролита. Вот почему в сурьмяные АКБ было нужно периодически доливать дистиллированную воду. Следующим этапом стали не требующие долива малосурьмянистые батареи без заливных пробок, в маркетинговых целях называемые “необслуживаемыми”, а по факту — малообслуживаемые, с аббревиатурой Sb/Sb.
Несколько более совершенные гибридные конструкции имели отрицательные элементы из свинцово-кальциевых сплавов, положительные из малосурьмянистых. В рекламе такие АКБ назывались Sb/Ca или Ca+. Оптимальное сочетание характеристик, то самое цена-качество. К этому моменту большинство АКБ уже оснащалось так называемыми лабиринтными крышками, позволяющими конденсировать выкипающую воду и возвращать ее обратно в состав электролита.
Следующим шагом в развитии АКБ стали уже совсем необслуживаемые кальций-кальциевые аккумуляторы, полностью со свинцово-кальциевыми или свинцово-кальциево-оловянистыми электродами. Такие аккумуляторы среди всех перечисленных конструкций обладают повышенной стокостью к саморазряду, меньшей склонностью к электролизу и газообразованию, способны не брать лишний ток, и увеличенными сроками хранения.
Подыграю и тут тем, кто за всем видит маркетинг: доля вводимого в качестве легирующей и антикоррозионной добавки кальция составляет в сплаве десятые доли процента. К тому же, есть нюанс — при глубоком разряд сульфат кальция фактически закупоривает пластины электродов, что может привести к быстрому снижению емкости. То есть нескольких глубоких разрядов будет достаточно, чтобы “убить” батарейку.
Вместе с тем, современные автомобили не только “обросли” большим количеством потребителей электроэнергии, но и обзавелись нацеленной на экологию системой старт-стоп. То есть, когда вы останавливаетесь на светофоре, двигатель автоматически глушится, но все потребители продолжают работать от АКБ. Таким образом, регулярный глубокий разряд неизбежен.
Улучшенные батареи EFB как доступный компромисс в системах старт-стоп
Дальнейшая модификация свинцово-кислотных батарей привела к появлению EFB — Enhanced Flooded Battery, “улучшенной залитой батареи”. Конечно же, маркетологи преподносят это как отдельный тип батареи, но это не так, точнее, не совсем так.
Тип батареи — тот же самый. Основные конструктивные отличия таких батарей состоят в более широких электродных решетках, повышенной плотности активной массы, при этом положительные электроды затянуты специальной пленкой из полиэстера. Как результат — вдвое большая устойчивость к циклическому разряду-заряду, чем у обычных батарей, более высокий пусковой ток.
Герметичные свинцово-кислотные батареи (VRLA). Отличия гелевой и AGM-технологии
Аккумуляторы, способные работать в таких условиях, были разработаны еще полвека назад, но даже сейчас встречаются сравнительно редко в силу своей высокой стоимости. Неудивительно, но пионерами в этой области выступили немецкие инженеры. Первая герметичная свинцово-кислотная батарея была разработана компанией Elektrotechnische Fabrik Sonneberg еще в 1934 году. Спустя два десятка лет, в 1957 году, компанией Sonnenschein была представлена первая так называемая гелевая батарея, нашедшая применение в самых разных отраслях — от космической техники до источников бесперебойного питания.
Ключевое отличие гелевой технологии состоит в том, что электролит в батарее находится не в жидком виде, а в в виде геля (пасты), полученного вследствие добавления в раствор серной кислоты двуокиси кремния. Газовыделение при разряде-заряде происходит внутри геля, и снижения уровня электролита не происходит.
Гелевые АКБ наиболее дороги и долговечны, в том числе и потому, что гель помогает отводить тепло, выдерживают многократные глубокие разряды, их можно располагать вертикально, они безопасны и не требуют обслуживания. Вместе с тем, как и обычные батареи, их требуется хранить в заряженном виде. Высокое внутреннее сопротивление ограничивает получение высокого пускового тока (особенно при низких температурах), поэтому гораздо чаще всего такие АКБ применяются в качестве тяговых, а не стартерных.
Малые (до 30Ач) гелевые батареи часто обозначают как SLA (Sealed Liquid acid, герметичные свинцово-кислотные), а более крупные обозначают как VRLA — valve regulated lead–acid, свинцово кислотные с регулирующим клапаном. Клапан позволяет вывести из корпуса АКБ избыточные газы при превышении внутреннего давления.
К классу герметичных VRLA-батарей также относится еще один тип батарей — AGM, наиболее широко применяющийся в современных автомобилях, оснащенных системой старт-стоп, как без функции рекуперативного торможения, так и с ее наличием.
Аббревиатура AGM расшифровывается как Absorbed Glass Mat, то есть жидкий электролит тут адсорбирован тонкими сепараторами из стекловолокна, плотно прижатыми к активной массе электродов.
Сами решетки электродов тут выше, чем в обычных АКБ, при этом внешние габариты изделия не меняются — ведь в обычной батарее в верхней части может находиться резервуар для электролита.
В силу конструкции, характеристики у AGM аккумуляторов выше, чем у традиционных и EFB-стартерных батарей. Это и более высокие пусковые токи, и в несколько раз большее расчетное количество циклов разряда-заряда. Если для обычной батареи разряд на 15-20% уже может привести к необратимому снижению емкости, то для AGM-батареи этот порог составляет 25-30%. В связи с меньшим внутренним сопротивлением, такие батареи заряжаются значительно быстрее обычных. Из ограничений данных технологий — сильная чувствительность к перезаряду (его следует избегать), а также медленное, но все же снижение емкости (по сравнению с гелевыми АКБ).
Резюмируя, Если ваш автомобиль не оборудован системой старт-стоп с рекуперацией, или нет энергоемких допов, то можно существенно сэкономить, и остановить свой выбор на EFB-модели. Но для наиболее современных автомобилей (или если у вас установлено дополнительное оборудование, активно потребляющее энергию) именно AGM-аккумуляторы подходят лучше всего, если не считать их значительно более высокой стоимости (примерно на 50%, то есть в полтора раза. То есть если обычный АКБ стоит 10 тысяч, то такой же с AGM — уже 15000 рублей). Но оно того стоит.
Будущее уже рядом: Литий-ионные стартерные батареи
Существует несколько концепций дальнейшего развития рынка стартерных АКБ для автомобилей и других транспортных средств. Например, тут можно упомянуть свинцово-углеродные АКБ, в конструкции которых свинцовая пластина катода заменена углеродной, в результате чего аккумулятор обретает некоторые свойства суперконденсатора.
Есть и другие решения, но на первом месте тут литий-ионные аккумуляторы, применяемые пока преимущественно в авто- и мотоспорте.
Катод таких аккумуляторов изготовлен из оксидов лития, например, LiCoO2 или LiNiO2), есть также варианты с катодом из феррофосфата лития LiFePO4 или LiMn2O4 — литий-марганцевой шпинели. Анод изготавливают из графита, а электролит представляет собой раствор композицию из органических растворителей и солей лития. Ключевые преимущества таких батарей хорошо известны — малые габариты и масса (особенно в сравнении с традиционными АКБ) полное отсутствие необходимости обслуживания, высокая энергоемкость, минимальный саморазряд, большая скорость зарядки. Вместе с тем, есть и недостатки — например, падение характеристик при охлаждении/перегреве или глубоком разряде. Современные литий-железо-фосфатные стартерные АКБ частично лишены этих недостатков — в них есть встроенная защита от глубокого заряда. Вместе с тем, назвать этот продукт массовым невозможно — литиевый аккумулятор высокой емкости стоит, мягко говоря, недешево.
Вместе с тем, развитие литиевых батареек в автомобильной промышленности, конечно же, не связано только лишь со стартерными батареями, ведь и в гибридных, и в полностью электрических автомобилях применяются тяговые батареи данного типа. И вот от их прогресса зависит гораздо большее — а именно, каким на самом деле будет наша будущая мобильность.
Например, в в скором времени на рынок планируют выпустить литиево-ионные тяговые батареи на твердотельных ячейках, использующих в качестве анода чистый литий (вместо пористого углерода), а в качестве катода — твердый композит. Смысл такого решения — увеличить “плотность” энергии. Так, чтобы “запасти” 50 киловатт-часов, можно использовать 100 стандартных свинцово-кислотных АКБ массой в 1900 кг, либо два двухсоткилограммовых литий-ионных АКБ от современного электромобиля, либо одну единственную твердотельную батарею весом в 190 кг.
Если материал вам понравился, буду рад вашим репостам, дополнениям и комментариям!