Герметичные элементы питания с каждым годом увеличивают свою долю в общем объеме производства и реализации свинцово-кислотных аккумуляторов. В меньшей степени это наблюдается для автомобильных и тяговых батарей, в большей степени для стационарных и мотоциклетных. Разберемся, чем же они отличаются от традиционных аккумуляторов с жидким электролитом.
Основная проблема классических аккумуляторов с жидким электролитом
Суть ее очень простая - в процессе работы любых свинцово-кислотных батарей происходит выделение газа. Если точнее, то выделяются водород и кислород, образующиеся при электролизе воды в процессе заряда аккумулятора. Причем, если в начале заряда газовыделение слабое, то к концу, когда большая часть сульфата свинца уже превратилась в активные материалы, избыточная энергия начинает расходоваться на электролитическое разложение воды, поэтому процесс газовыделения усиливается. Этому способствуют увеличение зарядного напряжения, повышение электропроводности электролита и нагрев пластин. Про эту стадию еще говорят: "аккумулятор кипит".
Поскольку основным источником газообразования является вода, то со временем обнаруживается ее безвозвратная потеря. Ну, а чтобы концентрация и уровень раствора серной кислоты оставались в норме, требуется периодическая доливка этой самой воды в аккумулятор.
Сложное решение
Главной задачей при разработке герметичных свинцовых аккумуляторов являлось существенное снижение газовыделения и, соответственно, расхода воды. Способ был найден еще в 70-х годах прошлого века: обычный жидкий электролит загустили до гелеобразного состояния (GEL), особым образом смешав его с аморфным диоксидом кремния. Чуть позже была разработана альтернатива гелевому электролиту - это сепаратор из абсорбирующего стекловолокна (AGM). Обладая огромной пористостью и отличными гигроскопическими характеристиками, этот материал позволял полностью впитать и удержать необходимый для работы аккумулятора объем электролита. В иммобилизированном любым из этих способов электролите газы гораздо медленнее поднимаются на поверхность - плотная структура наполнителя (AGM или GEL) препятсвует их быстрому выходу. Относительно тяжелый молекулярный кислород помимо вертикального подъема получил возможность перемещаться в горизонтальном направлении и, что самое главное, стал в больших количествах достигать поверхности отрицательного электрода. А активный материал отрицательного электрода - чистый пористый свинец - очень легко окисляется кислородом до оксида свинца. Последний же почти мгновенно вступает в реакцию с серной кислотой с образованием сульфата свинца, который, в свою очередь, восстанавливается при заряде.
Несмотря на замкнутость, эта схема не может работать бесконечно, потому что водород, как ни крути, является "расходником". Поэтому параллельно c иммобилизацией электролита были пересмотрены требования к чистоте свинца, из которого изготавливаются активные материалы, а также к составу свинцового сплава, из которого изготавливаются все токоведущие детали. Дело в том, что примеси или легирующие добавки влияют на величину напряжения, необходимого для электролиза воды, и, соответственно, на интенсивность ее потери и газовыделения. В результате были применены свинцовые сплавы с оловом и кальцием для токоведущих деталей, а для активных материалов стал использоваться особо чистый свинец (99,99 % и даже чище). Все это позволило снизить потерю водорода до такой степени, что при правильной эксплуатации аккумулятора полная коррозия положительной решетки наступит быстрее, чем выйдет весь газ.
Очевидно, что иммобилизованному электролиту труднее проникать в пористую структуру активных материалов для обеспечения высокой скорости протекания реакций. Чтобы компенсировать ухудшение диффузии, в герметичных аккумуляторах повышают концентрацию раствора серной кислоты. Так, для автомобильных стартерных аккумулятрных батарей вместо традиционной плотности 1,27 - 1,28 кг/л применяют электролит плотностью 1,31 - 1,32 кг/л. Но для полной компенсации ухудшения диффузии даже этого недостаточно, поэтому увеличивают не только количество кислоты, но и количество активных материалов - герметичные аккумуляторы имеют массу на 10 - 15 % больше, чем аналогичные по характеристикам аккумуляторы с жидким электролитом.
Указанные выше меры дали возможность вместо обычной, сообщающейся с атмосферой пробкой, использовать предохранительную клапанную пробку, которая обеспечивает полную герметичность аккумулятора до определенной величины внутреннего избыточного давления (обычно около 0,1 атм). В период активного газовыделения, например, при неисправности зарядного устройства или неправильном выборе режима заряда, клапан откроется и выпустит газ. Тем самым практически полностью исключается возможность разрушения аккумулятора от превышения внутреннего давления. Стоит отметить, что клапанные устройства имеют простую конструкцию и достаточно высокую надежность при эксплуатации.
Еще одной важной особенностью герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов являются требования к зарядному устройству. Очевидно, что если не ограничивать зарядное напряжение, то никакие меры не спасут от газовыделения, поэтому зарядное оборудование и режимы заряда для герметичных аккумуляторов должны отличаться высокой точностью по стабилизации зарядного напряжения и тока.
Недостатки герметичных аккумуляторов
Хорошие эксплуатационные характеристики и практически полное отсутствие какого-либо регламентного обслуживания - это несомненно очень весомые достоинства. Однако, если бы герметичные аккумуляторы обладали только преимуществами по сравнению с классическими, то процесс полного замещения ими давно бы уже завершился. Однако, в медовой бочке имеется несколько ложек дегтя:
- Более дорогие при одинаковых выходных параметрах. Причина: выше стоимость сырья и материалов, а также большее их количество. Кроме того, несколько выше трудоемкость изготовления.
- Более тяжелые при одинаковых выходных параметрах. Причина: большее количество активных материалов.
- Специфические требования к зарядному оборудованию. Причина: недопустимость перезаряда и преждевременной потери воды. Если в классическом аккумуляторе с жидким электролитом компенсация потери воды очень просто осуществляется доливкой, то в герметичном эта процедура вообще не предусмотрена. И даже если открыть клапанные пробки и добавить в аккумулятор воду, то должного эффекта это скорее всего не произведет - полноценный гомогенный электролит уже не получится. Кстати, потеря воды усугубляет ситуацию еще и тем, что при уменьшении общего объема электролита увеличивается концентрация серной кислоты. Это ведет к систематическому перегреву аккумулятора и существенно ускоряет процесс коррозии положительного токоотвода.
- Потеря емкости при эксплуатации происходит быстрее. Причина: замкнутый кислородный цикл мешает полному заряду аккумулятора, поэтому с каждым новым циклом происходит увеличение объема невосстановленного сульфата свинца на отрицательном электроде. Справедливости ради стоит заметить, что количество это очень мало.
- Затрудненный контроль состояния аккумулятора. Причина: отсутствие возможности контролировать плотность и температуру электролита. Диагностика ведется только по ЭДС или зарядному напряжению, а этого явно недостаточно для получения полной картины о состоянии аккумулятора.
Задавайте любые, интересующие Вас вопросы, касающиеся свинцово-кислотных аккумуляторов. С удовольствием разберем их в следующих статьях.
