Аккумулятор - химический источник тока, в котором энергия химической реакции
многократно преобразуется в электрическую и наоборот. Таким образом, аккумулятор,
имея возможность преобразовывать химическую энергию в электрическую, способен запасать
ее и хранить в течение длительного времени. Заряжаясь, аккумулятор накапливает электрическую
энергию, разряжаясь, отдает ее потребителю.
Первый аккумулятор (прототип современного свинцово-кислотного) был создан в 1860
г. Гастоном Планте и представлял собой две свинцовые полосы, разделенные пористым
изолятором и помещенные в раствор серной кислоты. Выполненный по такой схеме единичный
аккумуляторный элемент способен обеспечивать напряжение на выходе около 2 вольт.
Емкость такого аккумулятора была невелика, и рабочие характеристики достигались
только после многократных зарядно-разрядных циклов. Аккумулятор, аналогичный по
своей конструкции современному, был создан в 1881 г. Пластины в нем представляли
собой пакеты свинцовых решеток с запрессованной в них активной массой - пастой двуокиси
свинца. Точно также и в современном свинцово-кислотном аккумуляторе активными веществами
являются свинец и двуокись свинца, а электролитом - водный раствор серной кислоты.
Положительно заряженная пластина (электрод) представляет собой свинцовую решетку
с активной массой из двуокиси свинца (PbO2), а электрод со знаком минус
- решетку с активной массой из губчатого свинца (Pb). Во избежание возникновения
короткого замыкания между пластинами, их разделяют пористыми сепараторами из изоляционного
материала. Собранные блоки помещаются в корпус и заливаются электролитом (раствором
серной кислоты плотностью 1.27-1.29 г/см3).
Если к аккумулятору подключить нагрузку, то свинцовые пластины с активной массой,
электролит и нагрузка образуют замкнутую цепь. Внутри аккумулятора начинается химическая
реакция, в результате которой активная масса обоих электродов начнет менять первоначальный
состав, преобразуясь из губчатого свинца и его двуокиси в сернокислый свинец (сульфат
свинца PbSO4), а плотность электролита начинает падать. В итоге, в цепи
образуется направленное движение ионов, и течет электрический ток. Такой процесс
представляет собой разряд аккумулятора. При подключении к аккумулятору внешнего
источника тока начинается обратный процесс - заряд. При заряде активная масса пластин
восстанавливает свой первоначальный состав, плотность электролита растет. Эти химические
процессы можно описать следующими уравнениями:
 |
1 – отpицательная пластина; 2 – сепаpатоp; 3 – положительная пластина; 4 – пpедохpанительная сетка; 5 – баpетка; 6 – штыpь; 7 – моноблок; 8 – уплотнительная мастика; 9 – положительный вывод; 10 – пpобка наливного отвеpстия; 11 – межэлементная пеpемычка; 12 – кpышка; 13 – отpицательный вывод |
- на положительной пластине: PbO2 + H2SO4 = PbSO4+ H2O + 2e - на отрицательной пластине: Pb + H2SO4 = PbSO4+ H2 - 2e |
Активной массой положительного электрода обычной батареи служит двуокись свинца,
отрицательного - чистый свинец, а электролитом - водный раствор серной кислоты.
При разряде батареи активные массы пластин вступают в химическую реакцию с электролитом,
вырабатывая электрический ток. При этом они преобразуются в сульфат свинца, а в
электролит выделяется вода. При заряде происходит обратный процесс.
Для повышения твердости и коррозионной стойкости электродов свинцовые решетки, удерживающие
активную массу, сначала легировали добавками сурьмы и мышьяка. Но сурьма способствует
повышенному расходу воды и снижению ЭДС аккумуляторной батареи в процессе эксплуатации.
Такое неудобство, как необходимость обслуживания классических батарей, заставила
производителей искать способы упрощения эксплуатации. Сначала было снижено содержание
сурьмы в пластинах, затем из отрицательных пластин сурьму вытеснил кальций. Гибридные
АКБ продолжали требовать долива воды, но уже гораздо реже. Применение кальция в
положительных пластинах привело к появлению батарей, теоретически не требующих долива
на протяжении всего срока эксплуатации. Однако, кальциевые батареи имеют другой
недостаток: они плохо переносят глубокие разряды. Чтобы повысить устойчивость АКБ
к глубоким разрядам, в свинцово-кальциевый сплав положительных пластин стали добавлять
серебро (Ag). Так возникли самые распространенные на сегодняшний день необслуживаемые
АКБ.
В таких батареях кислотный электролит находится в гелеобразном состоянии благодаря
добавлению в него соединений кремния. Гелевый электролит позволяет добиться полной
герметичности батареи, так как все газовыделение происходит внутри сильно развитой
системы пор в массе геля. Это решает проблему необслуживаемости АКБ.
Однако аккумуляторы с загущенным электролитом имеют несколько худшие нагрузочные
характеристики по сравнению с классическими АКБ: большие токи с них снять сложнее
из-за более высокого внутреннего сопротивления. Батареи с жидким электролитом лучше
работают при высоких токах нагрузки при коротких режимах. Кроме того, гелевые батареи
критичны к температуре окружающей среды и стабильности зарядного напряжения. Для
их подзаряда нужно использовать зарядные устройства, обеспечивающие нестабильность
напряжения заряда не хуже +/- 1% для предотвращения обильного газовыделения.
Батареи типа GEL наиболее устойчивы к глубоким разрядам и не нуждаются в обслуживании
в течение всего срока службы при нормальных условиях эксплуатации. Но при их нарушении
происходит быстрое старение батареи.
AGM-технология вновь вернулась к жидкой кислоте, но теперь электролит удерживается
в порах сепаратора из ультратонких стеклянных волокон, размещенных между электродами.
Такой сепаратор представляет собой пористую систему, в которой каппилярные силы
удерживают электролит. При этом количество электролита дозируется так, чтобы мелкие
поры были заполнены, а крупные оставались свободными для свободной циркуляции газов.
Принцип рециркуляции такой же, как у гелевых АКБ: блуждая по порам сепаратора, газы
успевают «вернуться» в электролит, не покидая корпус аккумулятора. Таким образом,
AGM батареи также не требуют обслуживания в течение всего срока эксплуатации.
Конструкция AGM батарей позволяет не только герметизировать корпус, но и сохранить
работоспособность батареи даже в случае повреждений наружной оболочки. Они нечувствительны
к колебаниям температуры, долговечны и виброустойчивы.
Но главное преимущество таких батарей - в стойкости к глубоким разрядам. Происходит
это за счет повышенной плотности сборки блока пластин и удержания активной массы.
Электролит «связан», и разряд аккумулятора не сопровождается его выпариванием с
последующим окислением пластин, как это случается с традиционными АКБ.
Но, как и гелевые, AGM батареи чувствительны к превышению зарядного напряжения,
только причиной здесь является существенно меньшее количество электролита в них.
Поэтому единственным условием для длительной эксплуатации такого рода аккумуляторов
является правильный выбор зарядного устройства.
