Современная классификация аккумуляторов

 

 

 

 

         3 Конструкция аккумуляторной батареи

Основы традиционного исполнения батарей сформировались уже в начале 20-го века и постепенно трансформировались до современного состояния по мере появления новых конструкционных материалов, но их эксплуатационные недостатки при этом сохранились.

В России батареи традиционного исполнения выпускают как в моноблоках с отдельными крышками, герметизируемыми битумной смазкой, так и в моноблоках с общей крышкой, герметизируемой контактно-тепловой сваркой.

Аккумуляторные батареи с отдельными крышками (рис. 3.1) собирают в одном многоячеечном корпусе — моноблоке , выполненном из эбонита или другой кислотостойкой пластмассы, разделенном перегородками на отдельные камеры-ячейки (банки), по числу аккумуляторов в батарее. В каждую из ячеек помещен блок, состоящий из чередующихся положительных и отрицательных электродов, разделенных сепараторами . Он представляет собой отдельный аккумулятор напряжением 2 В. Пространство между дном моноблока и верхними кромками фиксирующих электроды опорных призм служит для накаливания шлама — осадка, образующегося в процессе эксплуатации вследствие оплывания частиц активной массы положительных электродов. Когда объем шламового пространства заполняется, происходит замыкание нижних кромок разноименных электродов и аккумулятор теряет работоспособность.

1- опорные призмы;  2- моноблок; 3- отрицательный электрод; 4- сепаратор; 5- положительный электрод; 6- межэлементные соединения; 7- щиток; 8- борн; 9- положительный вывод; 11- пробка; 13- вентиляционное отверстие; 14- отрицательный вывод; 15- крышка; 16- перегородки                                                  Рисунок 3.1 – Аккумуляторная батарея с отдельными крышками

Электроды состоят из активной массы, нанесенной на токоотвод решетчатой конструкции — решетку. Сепараторы разделяют участвующие в электрохимических превращениях реагенты, а также обеспечивают возможность диффузии электролита от одного электрода к другому. Сторона сепаратора, обращенная к положительному электроду для облегчения доступа электролита к поверхности активной массы, выполнена ребристой.

Борн, который служит наружным токоотводом аккумулятора, последовательно соединяет соседние аккумуляторы между собой в батарею. К выводным борнам крайних аккумуляторов батареи привариваются полюсные выводы и, служащие для соединения батареи с внешней электрической цепью. Положительный и отрицательный выводы имеют разный диаметр, что позволяет исключить возможность переполюсовки при подключении АКБ к бортовой цепи автомобиля.

В верхней части электродного блока устанавливают щиток, предохраняющий верхние кромки сепараторов от повреждения при замерах уровня и плотности электролита.

Каждый аккумулятор после установки электродного блока в камеру-ячейку моноблока закрывают сверху отдельной пластмассовой или эбонитовой крышкой. В ней выполняют по два отверстия с втулками для выводных борнов электродного блока. Между ними расположено резьбовое отверстие для заливки электролита и периодического обслуживания аккумулятора в процессе эксплуатации. После заливки электролита резьбовое отверстие закрывают пробкой из полиэтилена , имеющей небольшое вентиляционное отверстие , предназначенное для выхода газов при эксплуатации.

Для герметичной укупорки новых сухозаряженных батарей в верхней части пробки над вентиляционным отверстием выполнен глухой прилив. Для обеспечения нормальной эксплуатации этот прилив, после заливки электролита в батарею, необходимо срезать.

Благодаря специфическим свойствам термопластичной пластмассы появились аккумуляторные батареи с общей крышкой в моноблоке из сополимера пропилена с этиленом, устройство которых показано на рис. 3.2

В моноблоке установлены электродные блоки, состоящие из разноименных электродов и, разделенных сепараторами. Эти блоки соединены между собой при помощи укороченных межэлементных соединений через отверстия в перегородках моноблока. Крышка сделана единой на все шесть аккумуляторов батареи. Свойства термопластичной пластмассы позволили применить для герметизации АКБ с общей крышкой метод контактно-тепловой сварки, обеспечивающий сохранение герметичности как по периметру, так и между отдельными аккумуляторами в широком диапазоне температур (от −50°C до 70°C).

1-моноблок; 2-отрицательный электрод; 3-положительный электрод; 4- сепаратор; 5-перегородка; 6-межэлементные соединения; 7-крышка             Рисунок 3.2- Аккумуляторная батарея с общей крышкой

 

Недостатки традиционных свинцовых батарей обусловлены тем, что содержащаяся в сплаве положительных токоотводов сурьма постепенно, по мере их коррозии, через раствор переходит на поверхность отрицательного электрода. Осаждение большого количества сурьмы на поверхности отрицательной активной массы снижает напряжение на электродах батареи, при котором начинается разложение воды на водород и кислород. Поэтому, в конце зарядного процесса и при небольшом перезаряде, происходит бурное газовыделение, сопровождающееся «кипением» электролита вследствие электролитического разложения входящей в него воды.

За последние 20-25 лет, по мере развития технологии и совершенствования оборудования, появилось несколько разновидностей батарей так называемого «необслуживаемого» исполнения. Их основная отличительная особенность — использование сплавов с пониженным содержанием сурьмы или вовсе без нее для производства токоотводов.

Усовершенствование конструкции при создании необслуживаемых АКБ заключается еще и в том, что для увеличения запаса электролита без изменения высоты батареи, один из аккумуляторных электродов помещают в сепаратор-конверт, который изготовлен из микропористого полиэтиленового материала с низким электросопротивлением. В этом случае замыкание электродов различной полярности, при отсутствии сбоев в работе сборочного оборудования, практически исключено. Поэтому опорные призмы становятся ненужными, и блок электродов можно установить прямо на дно ячейки моноблока. В результате та часть электролита, которая раньше находилась в шламовом пространстве между призмами и не принимала участия в работе аккумулятора, теперь находится над электродами и пополняет его запас, расходуемый при эксплуатации батареи.

Первоначально такие батареи начали выпускать в США на базе свинцово-кальциевого сплава (0,07-0,1% Ca; 0,1-0,12% Sn; остальное — Pb) для токоотводов, положительного и отрицательного электродов. Это снизило газовыделение, что обеспечило эксплуатацию АКБ без доливки воды в течение как минимум двух лет. Расход воды у этих батарей так мал, что конструкторы убрали из крышек отверстия для доливки воды и сделали батареи полностью необслуживаемыми. При этом самозаряд батарей замедлился более чем в 6 раз. Однако, при нескольких глубоких разрядах такие АКБ быстро теряют емкость и их стартерные характеристики резко снижаются, из-за чего они не нашли широкого распространения в Европе и России.

В это же время в США появились батареи системы «кальций плюс» (гибридные) с содержанием до 1,5-1,8% сурьмы и 1,4-1,6% кадмия в положительном токоотводе и свинцово-кальциевым отрицательным токоотводом. Характеристики этих батарей по расходу воды и саморазряду вдвое лучше, чем у малосурьмяных, но все еще не такие хорошие, как у свинцово-кальциевых.

К началу 80-х годов производство необслуживаемых батарей стало быстро развиваться в странах Европы. Но там пошли по пути применения сплавов с пониженным до 2,5-3,0% содержанием сурьмы. Однако, у таких АКБ расход воды и саморазряд в 2-3 раза выше, чем у батарей с кальциевыми токоотводами. Позже и в Европе появились так называемые гибридные батареи.

Наконец, в конце 90-х годов и в США, и в Западной Европе началось производство батарей с токоотводами из свинцово-кальциевого сплава с добавкой новых легирующих компонентов, в том числе серебра, которые не боятся глубоких разрядов.

В России выпускаются необслуживаемые батареи емкостью от 44 до 90 А·ч с токоотводами из малосурьмяного сплава с содержанием сурьмы 1,7-3,0%.

Следует отметить, что эксплуатация батарей без отверстий для доливки воды требует более точной работы системы энергосбережения автомобиля, а также более внимательного отношения автовладельцев к состоянию и исправной работе электрооборудования. В первую очередь это касается натяжения ремня привода генератора и исправности самого генератора, а также регулятора напряжения. Отрицательно сказывается на состоянии батарей последнего поколения и наличие утечек тока в системе электрооборудования или сигнализацию.

Подавляющее большинство АКБ, поступающих в Россию из стран Европы, выпускают, как правило, в гибридном исполнении, либо с токоотводами обеих полярностей из свинцово-кальциевых сплавов. При изготовлении сухозаряженных батарей многие производители применяют для электродов обеих полярностей малосурьмяные сплавы с содержание сурьмы 1,6-1,8% [4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Современная классификация аккумуляторов

Аккумуляторные батареи используются в автономных источниках энергии в самых различных областях. Требования, предъявляемые к этим устройствам, тоже различаются весьма значительно. При выборе конкретного типа аккумулятора с потребительской точки зрения во внимание принимаются следующие характеристики:

• рабочее напряжение;
• планируемый режим разряда (постоянный или импульсный разряд);
• максимальный ток разряда;
• температурный режим при разрядке;
• допустимый режим зарядки (стандартный, ускоренный, быстрый или режим постоянной подзарядки, называемый также буферным);
• масса и габаритные характеристики;
• срок службы.

К тому же в случае, если заряженные батареи некоторое время хранятся без использования, необходимо обращать внимание на скорость их саморазряда.

В зависимости от электрохимической технологии можно выделить следующие основные типы современных источников тока:

• герметизированные свинцово-кислотные (SLA);
• никель-кадмиевые (NiCd);
• никель-металлгидридные (NiMH);
• литий-ионные (Li-Ion);
• литий-полимерные (Li-Pol).

К редким типам аккумуляторов можно отнести:

• никель-цинковые;
• серебряно-цинковые;
• серебряно-кадмиевые;
• топливные.

Чтобы удовлетворить разнообразные потребности пользователей, аккумуляторы независимо от применяемой технологии традиционно выпускают в различных конструктивных вариантах (формфакторах), с различной емкостью и номинальным напряжением. Кроме того, они могут иметь специфические свойства для обеспечения наилучших характеристик в особых режимах и условиях эксплуатации.

4.1 Свинцово-кислотные аккумуляторы (SLA)

Для обозначения таких аккумуляторов применяется аббревиатура SLA (Sealed Lead Acid — герметизированные свинцово-кислотные). Это старейшие перезаряжаемые аккумуляторы, предназначенные для коммерческого использования, причем они до сих пор остаются наиболее дешевыми автономными источниками энергии. Видимо, самым существенным недостатком, присущим свинцово-кислотным элементам, является выделение газов — кислорода и водорода. Предотвратить его можно только путем уменьшения напряжения при зарядке, однако при подзарядке это приводит к тому, что аккумулятор не заряжается полностью до номинального напряжения. Так что проблема до сих пор не решена. Вместе с тем способность удерживать номинальную силу тока при низком напряжении, небольшая цена по сравнению с затратами на обслуживание батарей этого типа и отсутствие сбоев питания при их использовании вполне оправдывают установку свинцово-кислотных аккумуляторов большой емкости.

Сегодня SLA-аккумуляторы применяются в основном там, где требуется большая мощность при низкой стоимости устройств, а их вес и габаритные характеристики несущественны (например, в блоках бесперебойного питания, охранных системах, системах резервного освещения). В портативных приборах используются герметичные (необслуживаемые) аккумуляторы или аккумуляторы с регулирующим клапаном давления. Подобными SLA-устройствами иногда комплектуются переносные сотовые телефоны большой мощности и некоторые видеокамеры, но в целом их применение для портативных систем нехарактерно. Появились необслуживаемые и малообслуживаемые аккумуляторы, основанные на внутренней рекомбинации газа, а также различные герметизированные аккумуляторы (правильно говорить «герметизированные», а не «герметичные»). Из особенностей современных свинцово-кислотных аккумуляторов следует отметить:

• зарядка от простейших зарядных устройств;