Даже в самых современных автомобилях есть деталь, которая не претерпела значительных изменений в базовой конструкции за полтора столетия. Речь идёт о свинцово-кислотной аккумуляторной батарее.
За это время она избавилась от конструктивных недостатков, присущих ранним моделям. Также были подобраны оптимальные материалы, поэтому на данный момент серьёзных конкурентов таким аккумуляторам нет.
Устройство
Если кратко говорить об устройстве свинцово-кислотного аккумулятора, то можно выделить основные элементы конструкции. Это положительный и отрицательный электроды, разделённые сепаратором и размещённые в корпусе. В свою очередь, в корпусе есть изолированные друг от друга отсеки с электролитом, которые многие называют «банки».
Сам корпус имеет основную ёмкость и крышку. В зависимости от конструкции в крышке могут быть специальные каналы для отвода газов и пробки. Пробки, в свою очередь, закрывают отверстия заливных горловин. В зависимости от конструкции пробки могут отсутствовать, но это мы разберём позже.
Пластины одинаковой полярности в каждом отсеке последовательно соединяются между собой в батарею межэлементным соединением. Соответственно, по обеим сторонам батареи – положительная и отрицательная клеммы.
Аббревиатура АКБ расшифровывается так: аккумуляторная кислотная батарея. Электролитом в ней служит водный раствор серной кислоты, что и отражено в названии. Называть так батареи другого типа, например, литиевые, неправильно.
В зависимости от конструкции крышки АКБ может быть обслуживаемой или необслуживаемой. То есть в обслуживаемой АКБ имеются заливные горловины для доливки электролита, которые закрываются пробками.
В необслуживаемой конструкции пробок нет. Вместо них в корпусе есть полости и каналы, которые способствуют перераспределению газов, выделяемых при эксплуатации. Благодаря этому газы не попадают в окружающую среду, а значит, не требуется доливать или контролировать уровень электролита, что также положительно сказывается на сроке службы батареи.
Принцип действия и химические процессы (уравнение)
Теперь разберём принцип работы свинцового аккумулятора. При работе АКБ количество протекающих в ней процессов составляет более шести десятков. Однако мы будем рассматривать только основные.
Они основаны на протекании электрохимических реакций между пластинами из свинца (Pb) и диоксидом свинца (PbO2), помещённых в электролит — раствор серной кислоты и воды.
Один из электродов представляет собой свинцовую решётку, на которую нанесена паста из диоксида свинца. Другой электрод имеет такую же свинцовую решётку с нанесённой на неё пастой из губчатого свинца, что позволяет увеличить площадь поверхности, принимающей участие в реакции.
Допустим, аккумулятор заряжен. Следовательно, при подключении к нему нагрузки будет происходить процесс разряда. При этом диоксид свинца, взаимодействуя с серной кислотой, образует сульфат свинца или свинцовый купорос (PbSO4).
По окончании процесса разряда обе пластины будут в разной степени заполнены сульфатом свинца. При заряде АКБ из сульфата свинца путём электролиза будет образовываться диоксид свинца и металлический свинец.
Полярность пластин менять нельзя, так как в современных конструкциях АКБ в состав пластин входят добавки.
Теперь рассмотрим формулы химических реакций, происходящих в аккумуляторе.
При прочтении слева направо описаны химические реакции при разряде, а справа налево — при заряде.
Характеристики — напряжение, удельная ёмкость, ток
Разберём кратко основные характеристики аккумуляторной батареи. Прежде всего рассмотрим напряжение. Различают несколько характеристик, например, номинальное напряжение. Также выделяют напряжение заряженной АКБ и напряжение заряда.
Ранее в статье уже было написано, что конструкция АКБ состоит из отдельных ячеек (банок). Общее номинальное напряжение АКБ складывается из суммы номинальных напряжений отдельных ячеек.
Например, у АКБ напряжением 12 В количество ячеек составляет 6 штук. Следовательно, номинальное напряжение единичной ячейки — 2 В. Если ячеек 12, номинальное напряжение АКБ будет равно 24 В.
Понятно, что номинальное напряжение несколько меньше, чем напряжение заряженной АКБ. Если считать, что напряжение отдельной заряженной ячейки (банки) составляет 2,1—2,2 В, то напряжение АКБ на 12 В будет находиться в пределах от 12,6 до 13,2 В.
При этом превышение данного параметра негативно отразится на электродах и на концентрации электролита.
При заряде стандартной АКБ важно поддерживать минимальное напряжение на уровне 14,4 В. При заряде кальциевых АКБ могут быть свои особенности. При несоблюдении этого условия возможно «кипение» батареи, что отрицательно сказывается на сроке службы. Если уровень напряжения поднимается выше 15 В, а ток заряда отрегулировать нельзя, процесс зарядки необходимо прекратить.
Вернёмся к этикетке и рассмотрим ещё одну важную характеристику любого аккумулятора — ёмкость. Если говорить простыми словами, то эта характеристика показывает, какое количество электроэнергии может непрерывно выдавать полностью заряженная батарея.
Ёмкость измеряется в ампер-часах (Ач). Например, батарея ёмкостью 55 Ач при температуре окружающей среды 20—25 ℃ теоретически может обеспечить работу в течение 10 часов при нагрузке 5,5 А или в течение 1 часа при нагрузке 55 А.
При разряде со временем неизбежно будет снижаться ёмкость. Поэтому большинство производителей аккумуляторных батарей указывают ёмкость при стандартном значении времени разряда, равном 10 часам. Это отражается латинской буквой С и числом от 1 до 48 на маркировке изделия. Например, С1 обозначает 1 час, а С20 — 20 часов.
Чем больше потребителей энергии в автомобиле, тем выше должна быть и ёмкость аккумулятора. Если говорить про автомобильные АКБ, то для двигателей объёмом от 1,5 до 2 литров требуется батарея ёмкостью от 55 до 80 Ач.
Разберём ещё одну важную характеристику — пусковой ток автомобильной батареи, или ток холодной прокрутки. Этот параметр напрямую говорит о качестве аккумулятора, то есть чем он выше, тем лучше. Пусковой ток характеризуется силой тока, которую батарея может выдать за 30 секунд при температуре окружающего воздуха -18 ℃.
Срок службы
Срок службы свинцово-кислотного аккумулятора напрямую зависит от качества изготовления. Другими словами, аккумулятор от известного производителя, изготовленный в строгом соответствии со стандартами, прослужит дольше, чем его некачественный аналог.
Однако даже качественный аккумулятор быстро выходит из строя при неправильной эксплуатации. Срок службы аккумулятора не определяется просто количеством лет. Он напрямую зависит от произведённых циклов заряда и разряда и от температурного режима.
Длительное нахождение батареи в разряженном состоянии при низкой температуре отрицательно скажется на сроке его службы.
Общие требования к эксплуатации и меры предосторожности
Исходя из причин, приводящих к снижению срока службы, перечислим требования к эксплуатации и основные меры безопасности.
Основное требование заключается в недопущении глубокого разряда АКБ. В противном случае произойдёт сульфатация пластин. Сам сульфат свинца является диэлектриком, причём труднорастворимым веществом, что снижает ёмкость.
Следующее требование — не допускать длительного воздействия вибрации. В противном случае произойдёт осыпание активного слоя с пластин.
В процессе эксплуатации нужно следить за состоянием контактных соединений, ведь они склонны к окислению и нагреву. Ещё нужно содержать корпус батареи чистым, ведь наличие загрязнений приводит к саморазряду и утечкам тока.
Любые неполадки в электрической цепи могут не только снизить срок эксплуатации, но и привести к быстрому выходу батареи из строя. Соответственно, если есть механические повреждения корпуса или изменение его размеров, значит, таким аккумулятором пользоваться нельзя.
Теперь рассмотрим основные меры предосторожности. Хотя вероятность взрыва АКБ из-за активного выделения водорода при её перезаряде невысока, зарядку производят в хорошо вентилируемых помещениях.
Также хорошая вентиляция помогает в удалении аэрозолей серной кислоты и других вредных для человека веществ. Соответственно, если электролит попадёт на кожу или одежду, он вызовет сильный ожог. Не нужно этого допускать!
Виды
При выборе обязательно учитывают тип свинцового аккумулятора. Вопрос, конечно, не только в цене. Выбор делают основываясь на области применения батареи. Например, выбирая аккумулятор для солнечной батареи, можно просто остановиться на автомобильной АКБ, но следует учитывать, что есть и другие виды.
Как правило, специализированные АКБ имеют больший срок службы и сконструированы так, чтобы обеспечивать простое обслуживание и безопасность.
Из названия и картинки понятно, что стационарные АКБ предназначены для эксплуатации в специальных помещениях. К достоинствам такого типа батарей относится большое количество циклов заряда и разряда, следовательно, высокая продолжительность эксплуатации, стабильные характеристики тока и напряжения, простота обслуживания, конечно, с учётом специфики их применения. Использоваться они могут, например, на электроподстанциях для организации цепей оперативного тока.
Производители выпускают большой ассортимент АКБ как стационарных, так и мобильных. Их конструкция может значительно отличаться, поэтому разберём основные типы.
Кроме уже подробно рассмотренных ранее кислотных батарей есть и другие. Ведь электролит также может быть не только жидким, но и гелеобразным. Соответственно, производитель указывает это в названии — GEL. Конструкция такой АКБ герметична, поэтому утечка газов или самого электролита невозможна даже при повреждении целостности корпуса. Однако производитель не рекомендует устанавливать батарею вверх дном.
Подобными свойствами обладают и АКБ, изготовленные по технологии AGM (Absorbent Glass Mat). Электролит в них жидкий, но в качестве материала для сепараторов здесь используют стекломаты, благодаря чему достигается двойное увеличение срока службы, повышенная устойчивость к нагрузкам, высокая пусковая мощность и способность к приёму заряда.
Для автомобилей выбирают стартерные аккумуляторы. Помните этикетку, которую мы рассматривали в начале статьи? Там как раз в названии указано «СТ», что значит — стартерная. Такие батареи выдают большой ток, от 250 до 1000 А, в течение короткого промежутка времени. Однако такие батареи очень чувствительны к сильным разрядам. Если это допустить, то батарею вскоре придётся заменить.
Принципиально другое предназначение у тяговых АКБ. Тут всё наоборот, они обеспечивают небольшой ток в течение длительного времени, при этом обладая высокой стойкостью к глубоким разрядам. Их конструкция предполагает использование пластин большей толщины и другого состава электролита.
Упомянем о кальциевых АКБ. По своей конструкции они похожи на стандартные кислотные аккумуляторы, но при изготовлении пластин электродов для них применяется сплав свинца и кальция. Количество кальция невелико, его доля не превышает 0,07% от общего количества свинца, содержащегося в АКБ.
Краткая история изобретения
В начале статьи упоминалось, что история свинцового аккумулятора насчитывает более полутора сотен лет.
Впервые химические реакции, происходящие в таких батареях, в 1854 г. наблюдал немецкий изобретатель и военный врач Вильгельм Йозеф Зинстеден. Разработанная им батарея применялась для создания искр и плавления проводов.
В 1854 г. французскому физику Гастону Планте удалось разработать перезаряжаемую батарею.
Разработать модель, полностью пригодную к коммерческому использованию, удалось люксембургскому изобретателю Анри Оуэн Тюдору.
Введённый в эксплуатацию в октябре 1882 г. аккумулятор с электродами оригинальной конструкции проработал без перерывов до декабря 1887 г. Изобретение было запатентовано в 1886 г.
Кстати, фирма, занимавщаяся изготовлением аккумуляторов, впоследствии стала носить уже многим известное название Varta Aktiengesellschaft.
Заключение
Возможно, в недалёком будущем учёные изобретут более совершенные батареи, лишённые недостатков своих предшественников. Однако благодаря своей простоте и дешевизне свинцовые батареи еще некоторое время будут востребованы.
Сейчас читают:
