Не праздный вопрос. И дело не столько в том, когда же готовить денежку на приобретение нового аккумулятора, сколько в том, в какой момент двигатель мотоцикла перестанет гарантированно запускаться. Для автолюбителей самое простое решение такой проблемы – запереть машину ключом и сходить в магазин за новым аккумулятором. А вот для мотоциклиста все сложнее, обездвиженный байк на долго на парковке не бросишь. Особенно, если аккумулятор перестал «крутить» где-то за городом и ночью.
Сначала предлагаю разобраться в причинах, по которым аккумулятор рано или поздно выходит из строя.
Несоответствие теории и практики
Основным обоснованием функционирования свинцово-кислотного аккумулятора является теория «двойной сульфатации». Она базируется на химическом уравнении:
Когда аккумулятор находится под нагрузкой, то есть отдает энергию, оксид свинца на положительном электроде и металлический свинец на отрицательном электроде в водном растворе серной кислоты превращаются в сульфат свинца и воду. Когда мы подаем на аккумулятор электрическую энергию, то есть «заряжаем» его, процесс идет в обратную сторону: из сульфата свинца и воды образуется оксид свинца на положительном электроде и чистый свинец на отрицательном, при этом концентрация серной кислоты возрастает.
Теоретически эти процессы могут продолжаться бесконечно. Как качели. В одну сторону: превращение энергии активных химических соединений в электрическую энергию идет до полного расхода этих соединений. И в другую сторону: пропускание электрического тока через аккумулятор в обратном направлении восстанавливает количества активных химических веществ. А затем с начала.
Но мы уже знаем, что назло всем теориям аккумулятор спустя какое-то время функционировать перестает, изнашивается. Спасибо, что время это у современных аккумуляторных батарей исчисляется годами. И, к сожалению, потеря с течением времени батареей своих свойств – процесс необратимый, рано или поздно АКБ отправится в утиль. Что удивительно, срок службы аккумуляторных батарей, находящихся в эксплуатации, то есть постоянно погруженных в цикл «разряд-заряд», в годах примерно равен сроку службы не работающих батарей, просто хранящихся с залитым электролитом.
Теория «двойной сульфатации» в современном виде, к сожалению, не объясняет полностью все процессы, текущие в свинцово-кислотном аккумуляторе. Пишут, что вполне вероятно, внутри корпуса аккумулятора идет несколько десятков химических реакций, не все на электродах, не все с участием серной кислоты. А процессам, которые идут в бездействующем аккумуляторе, исследователи вообще уделяют очень мало внимания.
«Вскрытие покажет»
Разбирая отслужившие аккумуляторные батареи, исследователи выделяют следующие причины их выхода из строя:
- На первом месте – коррозия положительного токоотвода.
Специалистами предложено много механизмов протекания коррозии положительного электрода. Кратко можно описать их как постепенное внедрение кислорода в кристаллическую решетку металла с последующим ее коррозионным разрушением.
Процесс идет быстрее при повышении температуры аккумулятора и понижении степени его заряженности (уменьшении концентрации серной кислоты) – эти факторы необходимо учитывать при хранении батареи.
Использование для производства электродов сплава свинца с кальцием, с серебром, с мышьяком, отказ от использования сурьмы отчасти позволяет решить проблему ускоренной коррозии токоотводов, но не устраняет ее;
- На втором месте – деструкция и оплывание активной массы положительного электрода.
Процессы коррозии электрода поражают его решетку. Коррозия приводит к увеличению решетки в объеме, механические напряжения вызывают ее коробление, в конечном итоге это приводит к полному разрушению решетки. При этом часть активной массы положительного электрода отделяется от токоотвода и в виде шлама оседает на дно аккумулятора. Вибрационные нагрузки ускоряют разрушение. Процесс идет сильнее в нижней части токоотвода.
Появившийся на дне шлам может вызвать короткое замыкание положительного и отрицательного электродов, аккумулятор перестанет функционировать.
При работе аккумулятора возникает расслоение электролита, то есть в какой-то его части периодически увеличивается содержание воды. Вода при отрицательных температурах замерзает, ее расширение при кристаллизации приводит к сильному разрушению блока электродов. Учитываем это при зимнем хранении батареи.
· На третьем месте – разрушение сепараторов.
Сепаратор в аккумуляторе выполняет две основные задачи – предупреждать короткие замыкания между положительным и отрицательным электродом, фиксируя расстояние между ними, и вторая - обеспечивать достаточное содержание и перемешивание электролита между электродами для нормального протекания электрохимических процессов. Поэтому сепараторы делают из материала, который является диэлектриком, но имеет пористую структуру.
Разрушению сепараторов способствует в первую очередь оплывание активной массы с положительного электрода. Масса заполняет собой некоторые поры сепаратора на всю его толщину, от положительного до отрицательного электрода, далее восстанавливается до металлического свинца. Сепаратор перестает выполнять функцию изолятора, происходит короткое замыкание положительной и отрицательной пластин. Аналогичный процесс идет и с накапливающимся в порах сульфатом свинца. Плюс к этому, чередование циклов разряд-заряд приводит к росту микроотростков (дендритов) свинца через поры сепаратора от отрицательного электрода к положительному. Токопроводящие мостики могут возникать не только через поры сепараторов, но и вокруг них.
Забитые шламом и сульфатом свинца поры уже не способны обеспечивать нормальное протекание электролита, уменьшается емкость аккумулятора, увеличивается его электрическое сопротивление и, как следствие, уменьшается сила отдаваемого тока.
- Прочие причины, но их вклад в старение аккумулятора относительно мал.
Среди них более подробно стоит разобрать сульфатацию аккумулятора. Вспомним химическое уравнение из начала статьи – сульфат свинца является необходимой частью химического процесса, без него работа аккумулятора невозможна. Когда аккумулятор отдает ток во внешнюю цепь, сульфат свинца образуется из оксида свинца, металлического свинца и серной кислоты. Когда аккумулятор заряжается, сульфат свинца превращается обратно в оксид свинца и металлический свинец. И, как мы уже разбирали, теоретически эти процессы могут идти бесконечно, сменяя друг друга и обеспечивая бесчисленное количество циклов разряд-заряд.
На практике все не так просто. Сульфат свинца – вещество, плохо растворимое в воде. При разряде аккумулятора образующийся на поверхности положительных и отрицательных электродов сульфат свинца сначала существует в дисперсном, а затем в мелкокристаллическом виде, размеры его кристаллов не превышают от 0,1 до 10 микрометров. При заряде аккумулятора этот сульфат свинца легко превращается в оксид свинца, металлический свинец и серную кислоту, поэтому данный процесс называют обратимой сульфатацией. Но одновременно с этим идет укрупнение отдельных кристаллов сульфата свинца - в основе этого процесса лежит явление рекристаллизации. Кристаллы перестают растворяться, химические реакции замедляются и останавливаются, аккумулятор перестает принимать заряд при пропускании обычного зарядного тока. Такой процесс называют необратимой или «вредной» сульфатацией. Некоторые кристаллы достигают такого размера, что становятся видимы невооруженным глазом.
Крупные кристаллы забивают поры в сепараторах и пластинах аккумулятора, что приводит к снижению площади контакта с электролитом, разрушению электродов – аккумулятор перестает нормально функционировать. Выпадение кристаллов сульфата свинца на поверхности электродов приводит к росту внутреннего сопротивления, аккумулятор уже не в состоянии выдать заявленный стартерный ток.
Необратимая сульфатация идет быстрее, если аккумулятор хранится в недозаряженном или разряженном состоянии, если хранение осуществляется при высоких температурах, если аккумулятор подвергается глубокому разряду без немедленного последующего заряда. Также сульфатации способствует систематический заряд в ускоренном режиме, когда аккумулятор заряжается при повышенных плотностях тока. И, естественно, не последнее значение имеет возраст батареи: чем старше аккумулятор, тем больше подвержен «вредной» сульфатации.
Характерным признаком сульфатации электродов является повышенное напряжение и обильное газовыделение в самом начале процесса заряда аккумулятора.
Описанные процессы при старении аккумулятора идут параллельно, дополняют и служат инициаторами и катализаторами друг друга. К сожалению, почти все они необратимы.
Сколько же протянул долгожитель?
Теперь о сроке службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи на мотоцикле или автомобиле. Понятно, что этот срок зависит от конструкции конкретной батареи, характера поездок, погодных условий, ухода за агрегатом и других факторов. Все источники, возможно, копируя друг друга, приводят цифру, что обычный аккумулятор через 4-5 лет уже отправляется на переработку. Про аккумуляторные батареи, изготовленные по технологии AGM и GEL, пишут, что служат они дольше обычных. На сколько? Сложно найти конкретное значение, особенно от источника, которому можно доверять. И тем не менее, такая информация попалась: 9 лет прослужил свинцово-кислотный аккумулятор на легковом автомобиле, но с одним условием – автомобиль эксплуатировался не часто. Предлагаю на этой цифре и остановиться.
Еси тема показалась интересной, добавьте в комментарии, какой рекордный срок службы аккумуляторной батареи вам известен. А также что вы предпринимали для увеличения этого срока или не предпринимали ничего вовсе.
Другие комментарии, а также лайки и репосты также приветствуются!