Подробный материал о том, зачем нужны AGM-аккумуляторы, чем они отличаются от гелевых, когда можно обойтись без дорогих батарей и что придет им на смену.
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.
Вот он, прогресс!