Всё о свинцово-кислотных аккумуляторах: принцип работы, разновидности, заряд, срок службы

Свинцово-кислотный аккумулятор является одним из наиболее распространённых вторичных химических источников тока. Аккумуляторные батареи этого типа в основном применяются в качестве стартерных в автомобилях. Реже они встречаются в складской технике в качестве тяговых. Их также можно встретить в локомотивах, пассажирских вагонах, телекоммуникационных и промышленных системах резервного питания, разных видах ИБП и т. д. Свинцово-кислотные АКБ являются самой старой разновидностью аккумуляторов вообще. Именно эти аккумуляторные батареи первыми создавали в своё время изобретатели. Прочие типы АКБ (щелочные и литиевые появились позже). В этом обзоре мы подробно рассмотрим свинцово-кислотный аккумулятор, его устройство, характеристики, разновидности, особенности эксплуатации и т. п.

 

Немного истории

Считается, что свинцово-кислотный аккумулятор был впервые разработан французом Гастоном Планте, который работал в лаборатории Александра Беккереля. В конструкции этого аккумулятора использовались электродные пластины из листового свинца. Они были скручены в спираль и обёрнуты сепаратором из полотна. Вся эта конструкция находилась в 10%-ном растворе серной кислоты. Ёмкость первой свинцово-кислотной АКБ была очень низкой. С тех пор принцип работы этих аккумуляторных батарей не менялся, а лишь совершенствовалась их конструкция, за счёт чего улучшились эксплуатационные характеристики.

Позднее Камилл Фор предложил усовершенствование, которое заключалось в покрытии электродных пластин свинцовым суриком. Вскоре после этого была разработана технология изготовления намазки на электроды. На пластины наносились окислы свинца, благодаря чему существенно повышалась ёмкость свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

В первой половине 1880-х годов учёные разработали намазные электродные решётки, а также технологию создания электродов из свинцового сплава, легированного сурьмой. В таком виде АКБ стали выпускаться в промышленных масштабах с 1890-х годов.

В 1950-х годах появились свинцово-кислотные аккумуляторы с электролитом, который находился в связанном состоянии в виде геля. В 1970-х годах были разработаны аккумуляторные батареи, в которых электролит был в виде пропитки стекловолокна. О них подробнее можно прочитать в статье о технологии AGM. Постепенно были разработаны прочные морозостойкие корпуса из полипропилена.

Свинцово-кислотные аккумуляторы с жидким электролитом (WET) постепенно совершенствовались и требовали всё меньше обслуживания при эксплуатации. В частности, в 1980-х годах появились модели АКБ, у которых решетки электродов выполнялись из сплава свинца, легированного кальцием. Это кардинально снизило расход дистиллированной воды. Подробнее об аккумуляторах Ca-Ca читайте по этой ссылке.

По большому счёту, конструкция и принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов не меняется уже больше столетия. Производители лишь совершенствуют материалы и конструкцию, что даёт улучшение характеристик и снижение стоимости производства.
Вернуться к содержанию
 

Устройство свинцово-кислотных аккумуляторов

Конструкция

Свинцово-кислотный аккумулятор относятся к вторичным гальваническим элементам. Оговоримся, что гальваническим элементом называется прибор, который преобразовывает химическую энергию в электрическую. Вторичным элементом называется потому, что разряженная аккумуляторная батарея может быть восстановлена. Это делается пропусканием через неё постоянного тока в направлении, обратном протеканию тока при разряде. Электрическая энергия при этом преобразовывается в химическую. А при последующем разряде она снова трансформируется в электрическую.

Свинцово-кислотный гальванический элемент имеет ЭДС в интервале 2,11-2,17 вольта, а рабочее напряжение 2,1 вольта. В роли анода здесь выступает электродная решётка с обмазкой из двуокиси свинца (PbO₂). Катодом является электрод с обмазкой из губчатого свинца (Pb). Чем более высокую пористость он имеет, тем больше площадь взаимодействия с электролитом. На рисунке ниже схематически показан гальванический элемент.

В составе современных автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторов работают шесть таких гальванических элементов. Их ещё часто называют «банками». На обслуживаемых аккумуляторных батареях, которые выпускались давно, нерабочие банки можно было заменить на исправные. Сборка из шести гальванических элементов с ЭДС 2,1-2,15 вольта даёт на автомобильной АКБ привычные нам 12,6-12,9 вольта.

Строго говоря, аккумулятором следует называть один гальванический элемент. А обычный автомобильный аккумулятор – это батарея из шести таких аккумуляторов.

Ниже можно посмотреть схематическое изображение автомобильного свинцово-кислотного аккумулятора, а также фотографию в разрезе.

Схематичное изображение аккумуляторной батареи для автомобиля на рисунке выше показывает все основные её составляющие. Они присутствуют во всех выпускаемых сейчас свинцово-кислотных аккумуляторах. Отличия могут быть, но в основном в мелочах. Может отличаться форм-фактор корпуса, формат клемм, некоторые дополнительные фишки в зависимости от производителя. Чем больше пластин находится в корпусе АКБ, тем больше её ёмкость и пусковой ток.

Положительные и отрицательные пластины бывают средние и боковые. Отличия боковых в том, что на них активная масса наносится только с одной стороны. Чтобы исключить соприкосновение пластин разной полярности, между ними устанавливаются сепараторы, не проводящие электрический ток.

Основные требования к сепаратору заключаются в устойчивости к воздействию кислоты из электролита, а также достаточной пористости, чтобы химические вещества, участвующие в электрохимической реакции, могли беспрепятственно проходить через него к пластинам. Когда-то давно использовались фанерные сепараторы. На современных аккумуляторах используется конверты из нетканого материала с перфорацией, в который помещаются электродные пластины.

Что касается корпуса свинцово-кислотного аккумулятора, то его материал должен обладать безусловной кислотоустойчивостью. Кроме того, при длительной работе он не должен выделять в электролит вещества, которые вредны для протекания реакций в электрохимической системе.
Вернуться к содержанию
 

Электрохимическая система и принцип работы

Теперь, когда вы имеете понимание о конструкции отдельного гальванического элемента и автомобильной аккумуляторной батареи, рассмотрим процессы, происходящие в свинцово-кислотной электрохимической системе.
 

Процесс разряда

В полностью заряженном аккумуляторе положительный электрод (или анод) состоит из двуокиси свинца PbO₂. Отрицательный электрод или катод состоит из губчатого свинца (Pb). Электролит, который представляет собой водный раствор серной кислоты, имеет плотность 1,18-1,32 гр/см³ в зависимости от степени заряженности АКБ. В таблице ниже можно посмотреть зависимость между степенью заряда аккумуляторной батареи напряжением, плотностью электролита и температурой его замерзания.

Плотность электролита, г/см. куб. (+15 гр. Цельсия)	Напряжение, В (в отсутствии нагрузки)	Напряжение, В (с нагрузкой 100 А)	Степень заряда АКБ, %	Температура замерзания электролита, гр. Цельсия
1,11	11,7	8,4	0	-7
1,12	11,76	8,54	6	-8
1,13	11,82	8,68	12,56	-9
1,14	11,88	8,84	19	-11
1,15	11,94	9	25	-13
1,16	12	9,14	31	-14
1,17	12,06	9,3	37,5	-16
1,18	12,12	9,46	44	-18
1,19	12,18	9,6	50	-24
1,2	12,24	9,74	56	-27
1,21	12,3	9,9	62,5	-32
1,22	12,36	10,06	69	-37
1,23	12,42	10,2	75	-42
1,24	12,48	10,34	81	-46
1,25	12,54	10,5	87,5	-50
1,26	12,6	10,66	94	-55
1,27	12,66	10,8	100	-60
Плотность электролита, г/см. куб. (+15 гр. Цельсия)	Напряжение, В (в отсутствии нагрузки)	Напряжение, В (с нагрузкой 100 А)	Степень заряда АКБ, %	Температура замерзания электролита, гр. Цельсия

При работе аккумулятора на разряд ток внутри идёт от катода к аноду. При этом происходит расход серной кислоты, а на плюсовом электроде выделяется водород. В результате протекающей реакции двуокись свинца превращается в сульфат свинца (PbSO₄) и выделяется вода (H₂O). Часть SO₄ от разложившейся серной кислоты вступает соединение с зубчатым свинцом на катоде с образованием сульфата свинца.

В процессе разряда активная масса на положительном и отрицательном электродах превращается в сульфат свинца. Поскольку идёт расход серной кислоты и выделяется вода, плотность электролита уменьшается. Реакции, протекающие в электрохимической системе, можно описать следующим образом.

На катоде:

PbO₂ + SO₄^2- + 4H⁺ + 2e^— => PbSO₄ + 2H₂O

На аноде:

Pb + SO₄^2- — 2e^— => PbSO₄

Общая реакция:

PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ => 2PbSO₄ + H₂O
Вернуться к содержанию
 

Процесс заряда

В разряженном аккумуляторе положительный и отрицательный электроды в основном состоят из сульфата свинца (PbSO₄). Электролит в этот момент является раствором серной кислоты с пониженной плотностью. При заряде постоянный ток проходит от положительного к отрицательному электроду. Происходит частичное разложения электролита на водород H₂ и SO₄^2-. Водород проходит к отрицательному электроду, где восстанавливает сульфат свинца до губчатого Pb, также происходит образование серной кислоты.

На положительном электроде идёт сложная реакция. Две части воды, образующиеся при разряде, отдают водород (H₂), который участвует в образовании двух частей серной кислоты из SO₄^2- (выделяется на положительном электроде). Кислород (O₂), который образовался от двух частей воды, потерявших водород, взаимодействует со свинцом из сульфата свинца с образованием двуокиси свинца (PbO₂).

К окончанию процесса заряда сульфат свинца на отрицательном электроде восстанавливается до губчатого свинца. На положительном электроде он превращается в двуокись свинца. При протекании этой реакции происходит расход воды и образование серной кислоты, в результате чего плотность электролита повышается.

Расход воды в результате реакции, а также из-за обычного испарения в жаркое время года, можно компенсировать доливкой дистиллированной воды (если аккумулятор обслуживаемый).

Реакции на электродах, которые были описаны для процессов разряда, протекают в обратном направлении. Общее уравнение при заряде аккумулятора выглядит следующим образом.

2PbSO₄ + 2H₂O => PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄

Вернуться к содержанию
 

При разомкнутой цепи

Когда внешняя цепь аккумулятора разомкнута, на аноде происходит накопление свободных электронов. К ним из объёма электролита притягиваются положительно заряженные ионы водорода H⁺. В результате, рядом с анодом происходит формирование электрического поля. Оно закрывает доступ к аноду ионов SO₄^2-. Разность потенциалов в этом тонком слове растёт по мере увеличения отрицательного заряда. Замедляется доступ к аноду отрицательно заряженных ионов. В этот момент устанавливается равновесие и на аноде прекращается накопление заряда.

На катоде происходит аналогичная ситуация. Благодаря положительному заряду катода, к нему притягиваются ионы SO₄^2-. Они оттесняют от него положительно заряженные ионы водорода H⁺, что приводит к замедлению реакции.

Когда внешняя цепь замыкается, то электроны от анода движутся к катоду, нейтрализуют на нём положительный заряд и химическая реакция на электродах возобновляется.
Вернуться к содержанию
 

Основные характеристики

Здесь мы кратко рассмотрим важные параметры свинцово-кислотных аккумуляторов.
 

Электродвижущая сила

Это величина, представляющая собой разность потенциалов на выводах разомкнутого аккумулятора. Значение электродвижущей силы (ЭДС) непосредственно не зависит от уровня заряда аккумуляторные батареи. Однако существует косвенная зависимость. Она определяется тем, что при заряде и разряде аккумулятора изменяется плотность электролита. А сама ЭДС находится в прямой зависимости от концентрации электролита. Существует следующая формула, выведенная эмпирическим путём, которая позволяет оценить ЭДС аккумулятора, если вы знаете плотность электролита в нём.

ЭДС = 0,84 + плотность электролита при 15 С.

Например, при плотности 1,23 гр/см³ электродвижущая сила гальванического элемента будет 0,84 + 1,23 = 2,07 вольта.

Вернуться к содержанию
 

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление аккумулятора в целом складывается из сопротивлений электродов, сепараторов, электролита. Активная масса электродов (PbO₂ и Pb) имеет  в заряженном состоянии удельную проводимость, близкую по значению к проводимости металлического свинца. В разряженном состоянии аккумулятора активная масса электродов содержит много сульфата свинца (PbSO₄), который плохо проводит электрический ток. Отсюда вывод: внутреннее сопротивление пластин зависит от степени заряженности аккумуляторной батареи.

Полная зараженность АКБ соответствует минимальному внутреннему сопротивлению пластин. Это сопротивление растёт по мере разряда аккумулятора. Внутреннее сопротивление пластин старых или засульфатированных гальванических элементов существенно больше сопротивление пластин нового исправного аккумулятора.

Во внутреннем сопротивлении АКБ преобладающим является сопротивление электролита. Если сепараторы между пластинами исправны, то их сопротивлением можно пренебречь. Если аккумулятор новый и находится в исправном состоянии, то внутренним сопротивлением электродных пластин также можно пренебречь.

Величина внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи растёт по мере его разряда из-за уменьшения плотности электролита. Особенно это касается пространства в порах пластин и рядом с ними. Это происходит из-за роста сопротивления активной массы (в ней при разряде образуется сульфат свинца).

Значение внутреннего сопротивления для аккумулятора зависит от тока разряда. Чем он больше, тем более интенсивно идёт снижение концентрации электролита в порах активной массы и рядом с ними. Тем быстрее увеличивается сопротивление электролита.

Во время заряда аккумуляторной батареи концентрация электролита растёт, внутреннее сопротивление снижается, а сульфат свинца восстанавливается губчатого свинца на катоде и двуокиси свинца на аноде. Абсолютные величины внутреннего сопротивления АКБ обычно совсем небольшие. Для стационарных свинцово-кислотных аккумуляторов они лежат в диапазоне 0,008-0,02 Ом. На графике выше можно посмотреть изменение внутреннего сопротивления АКБ при заряде и разряде.
Вернуться к содержанию
 

Ёмкость

Ёмкость – это количество электричества, которая аккумулятор может отдать разряде. На практике от свинцово-кислотного аккумулятора намеренно никогда не отбирают полную ёмкость, поскольку это приводит его к необратимому истощению. Поэтому более актуальной величиной является рабочая ёмкость аккумулятора. Это количество электричества, которая аккумуляторная батарея отдает в определённом режиме разряда. При этом она разряжается до определённого в этом режиме напряжения. Рабочая ёмкость всегда меньше полной ёмкости АКБ.

Единицей измерения ёмкости являются ампер часы (Ач). Величина ёмкости равна произведению тока разряда, выраженному в амперах, на длительность разряда, выраженную в часах.

От чего зависит величина ёмкости?

• Размеры электродов и их количество.
• Температура, плотность и объём электролита.
• Срок службы аккумуляторной батареи.
• Состояние активной массы.
• Режим разряда.

Ёмкость свинцово-кислотного аккумулятора находится в прямой зависимости от количества активной массы. Если во время разряда в порах активной массы отсутствует достаточная концентрация серной кислоты, напряжение элемента быстро снижается, и он приходит в разряженное состояние.

Стоит также отметить, что ёмкость АКБ при разных режимах разряда меняется. При увеличении разрядного тока ёмкость батареи снижается. Причиной этого является то, что при большом разрядным токе в порах пластин быстро падает концентрация серной кислоты. Падение концентрации должна компенсировать диффузия электролита из объёма сосуда вглубь пластин. Но при высоком токе разряда диффузия не успевает проходить в полной мере.

Помимо этого, при высоком токе разряда химическая реакция протекает в поверхностных слоях активной массы. Здесь же образуется сульфат свинца, который забивает поры. И, когда в пластинах ещё есть достаточное количество активных веществ, аккумулятор уже приходит в разряженное состояние.

На сопротивление электролита влияет не только его плотность, но и температура. Стоит только сказать, что внутреннее сопротивление аккумулятора при 0 С в 2 раза выше чем при 25 С. Естественно, что при этом в такой же степени изменяется работоспособность и ёмкость АКБ.

Интенсивность процессов проходящих в электрохимической системе аккумулятора, напрямую зависит от температуры. Например, ёмкость зависит от скорости диффузии электролита в толщину активной массы электродов. Скорость диффузии напрямую зависит от вязкости электролита, а вязкость – от температуры.
Вернуться к содержанию
 

Саморазряд

В процессе разряда свинцово-кислотной батареи на положительных и отрицательных электродах образуется сульфат свинца.

Если аккумулятор находится на хранении (в бездействии), то в нём ещё идут различные паразитные электрохимические и химические реакции. Они выражаются в том, что двуокись свинца на положительных электродах и губчатый свинец на отрицательных электродах превращаются в сульфат свинца. Этот процесс и называется саморазрядом.

Он является нормальным явлением даже на полностью рабочих аккумуляторах. Поэтому в научной литературе он называется нормальным саморазрядом. Чем больше температура электролита и его плотность, тем с большей интенсивностью идёт саморазряд.
Вернуться к содержанию
 

Отдача АКБ

Ещё один важный параметр АКБ, который хотелось бы выделить, это отдача. Этот термин применяется для аккумулятора вместо «коэффициента полезного действия». Существует два варианта отдачи.

Отдача по ампер-часам (электрохимический КПД). Это величина представляет собой отношение числа ампер-часов, которые были отданы при разряде, к числу ампер-часов, принятых при заряде до первоначального состояния. Выражается в процентах.

N_C = (C_разр/С_зар)*100%

Отдача по энергии (энергетический КПД). Представляет собой отношение числа ватт-часов, отданных при разряде к ватт-часам, полученным при заряде.

N_Э = (I_разр*U_разр*t_разр/I_зар*U_зар*t_зар)*100%

Отдача по ампер-часам (по ёмкости) для стационарных свинцово-кислотных аккумуляторов находится на уровне 85-90%. Отдача ватт-часам (по энергии) не более 65-75%.

В таблице ниже сведены основные электрические и эксплуатационные характеристики свинцово-кислотных батарей.

Характеристика	Значение
Рабочее напряжение гальванического элемента, В	2.1
ЭДС заряженного гальванического элемента, В	2,11-2,17
Минимально допустимое напряжение разряженного элемента, В	1,75-1,8
Интервал рабочих температур, С	от -40 до +40
Теоретическая удельная энергоёмкость, Втч/кг	25-40
Теоретическая удельная энергоёмкость, Втч/кг	до 133
КПД по току, %	85-90
КПД по энергии, %	65-75

Поскольку большая часть свинцово-кислотных аккумуляторов применяются в качестве стартерных на автомобилях, есть ещё несколько важных характеристик.

• Стартерный ток. В ГОСТ он называется ток холодной прокрутки. В большинстве отечественных и зарубежных стандартов этот ток измеряется при температуре минус 18 градусов Цельсия в течение 30 секунд. Методики замера могут отличаться, но в основном они опираются на допускаемое конечное напряжение.
• Номинальная ёмкость. Это заявленное производителем количество электричества, отдаваемое аккумуляторной батареей. Указывается в ампер-часах (Ач). Методы измерения могут отличаться, но в большинстве случаев это разряд током, величина которого составляет 1/20 от номинальной ёмкости в Ач.
• Резервная ёмкость. В соответствии с государственным стандартом, резервная ёмкость показывает время, на протяжении которого АКБ может отдавать ток величиной 25 А до просадки напряжения до 10,5 В.

Подробно характеристики Pb аккумуляторов описывались в этой статье. Она вышла давно, но большая часть информации актуальна.

Для автомобильных аккумуляторных батарей есть ещё свои специфические характеристики, которые важны при выборе модели на конкретный автомобиль. Например, полярность, размеры и форм-фактор, тип клемм и т. д.
Вернуться к содержанию
 

Виды свинцово-кислотных АКБ

В литературе сложно найти чёткую классификацию свинцово-кислотных аккумуляторов. Большая их часть данного типа применяется в качестве стартерных автомобильных АКБ. Но есть также модели, которые используется в качестве тяговых батарей. Поэтому для начала можно представить такую классификацию по характеру работы.

• Стартерные. Используются в автомобильной и мототехнике для запуска в бензиновых или дизельных двигателей. После запуска мотора АКБ заряжается от бортовой сети. Если генератор в какой-то момент перегружен, то аккумулятор может обеспечивать часть питания, требуемого для бортовой сети автомобиля. В электромобилях, которые становятся всё более популярными, также есть аккумулятор на 12 вольт. Но там он не выполняет роль стартерного, а является источником питания для подсети электромобиля с напряжением 12 вольт. В основном это обеспечение питанием светотехники и бортовой аппаратуры. Сейчас некоторые производители уже ставят в качестве таких моделей литий-железо-фосфатные АКБ.
• Тяговые. Тяговые аккумуляторы работают в режиме циклирования. То есть, они разряжаются на 80-90% от своей номинальной ёмкости, после чего их ставят на зарядку и они восполняют потери. Как правило, в этом качестве используются щелочные и литиевые аккумуляторы. Но свинцово-кислотные также применяются в этой роли. Чтобы обеспечить достойный срок эксплуатации тяговые свинцовые аккумуляторы используются с трубчатыми или панцирными электродами. Они обозначаются, как OPzS и OPzV. Первые используют жидкий электролит, вторые – гелевый наполнитель.
• Модели для работы в буферном режиме. В качестве примера можно привести аккумуляторы, работающие в источниках бесперебойного питания (ИБП). В данном случае имеется основной источник питания от сети, а аккумуляторная батарея выступает в роли резервного источника питания. Продолжительность заряда в процессе работы значительно больше, чем разряда в периоды отключения основного питания. Свинцово-кислотные аккумуляторы здесь обычно используются в виде AGM моделей. Хотя до сих пор встречаются и батареи с жидким электролитом в каком-нибудь промышленном оборудовании.

В отдельную группу можно также выделить стационарные аккумуляторы, часто используемые в энергетике, промышленности, телекоммуникационном оборудовании.

Автомобильные АКБ можно классифицировать следующим образом.

• С жидким электролитом (WET). Классический вариант, устройство которого рассматривалось выше. В этой группе также присутствует разновидности, различия между которыми в основном касаются сплава, из которого делаются решетки электродов. Можно выделить малосурьмянистые (положительные и отрицательные пластины из сплава Pb + Sb), кальциевые (положительные и отрицательные пластины из сплава Pb + Ca), гибридные (положительные Pb + Sb, отрицательные Pb + Ca).
• AGM. Вместо жидкого электролита здесь электроды окружены стекловолокном, в котором находится электролит. Само стекловолокно выступает в роли сепарататора. Аккумуляторы этого типа были разработаны ещё в 1970 годах. Широкое распространение на автомобилях они получили в последние 10-15 лет. Они хорошо показывают себя на автомобилях с двигателями Старт-Стоп, а также там, где много электрооборудования на борту. Модели AGM могут использоваться не только, как стартерные, но и способны переносить многократный разряд до 80% от номинальной ёмкости без последствий.
• EFB. Эта разновидность является результатом маркетинга. На самом деле эти аккумуляторы по своей конструкции соответствует залитым АКБ типа WET. Просто в них могут быть усиленные электродные решётки большей толщины, какие-нибудь особенности строения корпуса, добавки в сплав, из которого делаются решётки, и т. п. Их выделили в отдельную группу сами производители, которая позиционируют их в качестве доступной альтернативы аккумуляторам AGM. Подробнее о технологии EFB тут.
• Гелевые. В них жидкий электролит превращают в гель с использованием водного щелочного раствора силикатов натрия (Na₂SiO₄). Они, как и AGM, также способны работать в режиме циклирования. То есть, испытывать глубокий разряд и последующий заряд многократно. В автомобилях они встречаются крайне редко, но зато часто используются для обеспечения электроэнергии автодомов, водного транспорта, питания садовой техники, электроинструмента, в системах резервного и аварийного питания.

Автомобильные аккумуляторы также можно разделить на обслуживаемые, малообслуживаемые и необслуживаемые. Кроме того, есть деление аккумуляторных батарей на легковые и грузовые. В общем, разновидностей свинцово-кислотных аккумуляторов масса. По мере развития этой технологии появляются новые виды, а устаревшие исчезают. В последние годы на автомобилях встречаются литиевые АКБ с литий-железо-фосфатной электрохимической системой. Подробнее о видах аккумуляторов для автомобилей можно прочитать в этой статье.

Здесь можно также добавить, что свинцово-кислотные аккумуляторы для автомобилей могут выпускаться по различным стандартам в зависимости от региона мира. В России производство аккумуляторов осуществляется в соответствии с требованиями ГОСТ Р 53165-2008. Азиатские производители придерживаются требований японского стандарта JIS. В Европе компании выпускают АКБ по требованиям немецкого стандарта DIN или европейского ETN. В США используется стандарт SAE J537. Более подробно об этом и маркировке аккумуляторных батарей можно узнать из этого материала.
Вернуться к содержанию
 

Сферы применения

В большинстве случаев свинцово-кислотные аккумуляторные батареи используются с напряжением, кратным 2. Наиболее востребованные легковые автомобильные аккумуляторы имеют номинал 12 вольт. На грузовых автомобилях и спецтехнике применяются модели 24 вольта. Есть также мотоциклетные транспортные средства с АКБ 6 вольт. То есть, гальванические элементы 2 вольта редко используется по отдельности, а чаще применяются в составе аккумуляторных батарей.

Ниже перечислены основные сферы использования Pb батарей всех типов.

• Легковые и грузовые автомобили, автобусы, мотоциклетная и садовая техника.
• Железнодорожный транспорт.
• Морские и речные суда.
• Охранные и противопожарные системы.
• Источники бесперебойного питания (ИБП).
• Телекоммуникационное оборудование.
• Системы сигнализации и аварийного освещения.
• Приемно-передающее оборудование для связи.
• Системы аварийной подачи электроэнергии.
• Электронные кассовые аппараты.
• Контрольно-измерительные приборы.
• Электрифицированные инвалидные кресла.
• Детские электрические игрушечные автомобили.

По мере распространения электромобилей использование свинцово-кислотных аккумуляторов в данном сегменте будет меньше. Пока ещё производители электромобилей устанавливают на свои модели свинцовые AGM батареи, но некоторые уже переходят на литиевые 12-вольтовые АКБ. Однако свинцовой кислотные батареи по-прежнему востребованы в различных отраслях, поскольку обеспечивают оптимальное соотношение энергоёмкости, эксплуатационных характеристик и цены.
Вернуться к содержанию
 

Эксплуатация свинцово-кислотных батарей

Срок службы и износ

Срок службы большинства свинцово-кислотных аккумуляторов WET, продаваемых сейчас в магазинах составляет 3-4 года. После отработки этого срока ёмкость аккумуляторных батарей существенно снижается, и их дальнейшая эксплуатация только доставляет неудобства. Если обеспечивать необходимый уход за аккумулятором, то срок его службы можно продлить до 5-6 лет. Аккумуляторные батареи AGM обычно служат дольше, чем модели с жидким электролитом. Они более устойчивы к глубокому разряду, вибрации во время движения автомобиля и т. п.

Среди основных причин, которые приводят к выходу аккумулятора из строя можно назвать следующие.

• Разрыхление и нарушение однородности активной массы на решетках плюсовых электродов. Из-за этого обмазка осыпается и сползает с решёток.
• Сульфатация электродных пластин. Это процесс, в результате которого образуются крупные кристаллы сульфата свинца. Они забивают поры активной массы и препятствуют протеканию электрохимических процессов в АКБ.
• Ослабление сцепления обмазки с решётками электродов и её осыпание. Ухудшение сцепления активной массы может происходить в процессе эксплуатации, а может быть результатом производственного брака из-за нарушения технологии.
• Коррозионные процессы на электродах. Как уже говорилось выше, при работе аккумуляторной батареи, помимо основных электрохимических реакций, идёт много паразитных. Они приводят к коррозии электродов и их частичному растворению в электролите. Это усиливает осыпание активной массы.

Среди причин, по которым АКБ выходит из строя, можно назвать производственный брак и замыкание разноимённых пластин. Производственный брак обычно проявляется в первые дни (недели) эксплуатации. Замыкание может быть вызвано физическим повреждением  аккумулятора, а также оно может произойти в результате замерзания электролита и коробления электродов. Срок службы свинцово-кислотного аккумулятора также снижается из-за использования некачественного электролита или обычной воды вместо дистиллированной.

Если аккумулятор потерял ёмкость из-за осыпания активной массы и разрушения пластин, то восстановлению он не подлежит. Можно встретить довольно много статей в интернете, где описываются различные способы постановления свинцово-кислотных АКБ. У нас на сайте был отдельный материал про десульфатацию. Существуют различные «дедовские» способы в виде добавление раствора сульфата магния, соединений аммиака и т. п. Таким образом, люди пытаются растворить сульфат свинца на поверхности электродных пластин.

Однако реально работающим методом является импульсная зарядка, во время которой попеременно даётся зарядные и разрядный ток. Это позволяет сбивать сульфат свинца с поверхности активной массы. Подобный режим имеют некоторые зарядное устройства (ЗУ), а также в продаже есть для этого есть приспособления, которые способны работать в связке с ЗУ.

Но здесь стоит отметить, что импульсная зарядка аккумулятора хороша лишь в качестве профилактики сульфатации. Если аккумулятор не обслуживался должным образом в течение трёх-четырёх лет, это процедура не принесёт должного результата и восстановления АКБ.

Срок службы аккумуляторной батареи всегда проще продлить, если делать её регулярное обслуживание. Это более действенный метод, чем восстановление. Ниже перечислены основные действия, которые рекомендуется выполнять при эксплуатации Pb аккумулятора.

• Необходимо содержать поверхность аккумуляторной батареи, токовыводы и крышки банок сухими и чистыми. Токовыводы, а также наконечники клемм нужно периодически очищать от окислов. Необходимо также чистить вентиляционное отверстие в крышке. Регулярное удаление электролита, грязи, были, масла с поверхности АКБ сводит к минимуму ток саморазряда.
• Поддерживать аккумулятор в заряженном состоянии. Для этого нужно регулярно проверять напряжение на батарее при разомкнутой внешней цепи. Нужно следить затем, чтобы оно не опускалось ниже 12 вольт. Если вы редко ездите на автомобиле, то нужно на регулярно заряжать АКБ от сетевого зарядного устройства. После зарядки проверяйте плотность электролита, чтобы оценить насколько зарядился аккумулятор. Таблица заряженности аккумуляторные батареи со значениями плотности электролита приводилась выше. Подробнее об электролите в свинцово-кислотном аккумуляторе можно прочитать в этой статье.
• Если аккумулятор малобслуживаемый (есть доступ к банкам) нужно периодически проверять уровень электролита и поддерживать его в нормальных пределах. Он должен покрывать полностью пластины. Обычно это проверяют в пластиковой или стеклянной трубкой, опуская её внутрь банки. Уровень должен быть на 10-15 мм выше поверхности пластин. Если уровень недостаточный, заливается дистиллированная вода. Если аккумулятор необслуживаемый (нет доступа к банкам), то там не требуется доливка дистиллированной воды из-за её небольшого расхода. Для контроля степени заряженности в таких АКБ обычно предусмотрен индикатор.
• Необходимо проверять, что от генератора автомобиля идёт нормальный режим заряда аккумулятора. Для этого при заведённом двигателе измеряется напряжение на выводах аккумуляторной батареи. Нормальные пределы напряжения 13,6-14,4 вольта. Значение может колебаться в указанном интервале в зависимости от включенного в этот момент оборудования (обогрев стекол, музыка, печка и т. п.). Если напряжение меньше, аккумуляторная батарея будет испытывать хронический недозаряд. Превышение 14,4 вольта также вредно, поскольку начинается разложение воды и электролит «кипит». При этом разрушается активная масса на положительных электродах, что сокращает срок службы аккумулятора.
• Рекомендуется обеспечить надёжный контакт токовыводов АКБ и клемм. Сам аккумулятор должен быть надёжно закреплён на посадочном месте. Подключаемые провода не должны быть в натяг, поскольку это приведёт к физическому воздействию на токовыводы, их расшатыванию и разрушению.

Более подробно об обслуживании автомобильных аккумуляторов можно узнать из этого материала.
Вернуться к содержанию
 

Заряд

Заряд свинцово-кислотной аккумуляторной батареи является одним из ключевых моментов при её эксплуатации. Выше уже было сказано, что периодически нужно снимать аккумулятор с автомобиля и заряжать его от сетевой зарядки. Теперь подробнее об этом процессе.

Заряд свинцово-кислотных аккумуляторов может осуществляться двумя методами.

• При постоянной величине тока.
• При постоянной величине напряжения.

При постоянном токе последовательно с заряжаемой аккумуляторной батареей подключается реостат, с помощью которого выполняется регулировка величины зарядного тока. Напряжение устанавливается в зависимости от количества элементов аккумуляторной батареи. На каждый из них требуется 2,7 вольта. То есть, для автомобильного аккумулятора с шестью элементами потребуется общее напряжение 16,2 вольта.

При постоянном напряжении АКБ подключается напрямую к источнику питания без реостата. Этот вариант реализован в большинстве продаваемых на сегодняшний день зарядных устройств.
 

Заряд при постоянном токе

При постоянном токе заряд может осуществляться в одну или две стадии. Если заряд одностадийный, то зарядный ток на протяжении всего процесса не должен быть выше 0,12 от номинальной ёмкости АКБ. По мере заряда напряжение одного аккумуляторного элемента доходит до 2,6-2,8 вольта. К этому моменту во всех аккумуляторных банках наблюдается сильное газообразование. Весь процесс занимает 10-11 часов.

Если заряд постоянного тока выполняется в две стадии, то режимы такие.

1) Заряд ведётся до напряжения 2,3-2,4 вольта током не более 0,25 от номинальной ёмкости. Когда будет достигнуто заданное напряжение, то заряд переводится на вторую стадию.

2) На этой стадии заряд ведётся до 2,6-2,8 вольта током не более 0,12 от номинальной ёмкости.

Признаки окончания заряда такие же, как и при одностадийном процессе. То есть, достижение максимального напряжения и плотности электролита, которые в течение одного часа остаются неизменными. Во всех аккумуляторных элементах происходит сильное газообразование (электролиз воды). По времени процесс занимает 7-8 часов.

Стоит отметить, что на электролиз воды из электролита расходуется тем больше зарядного тока, чем выше напряжение, при котором идёт процесс. Обычно электролиз воды и прочие потери приводят к тому, что количество ампер-часов, передаваемых аккумулятору при заряде на 15-18% больше, чем количество ампер-часов, снимаемых с АКБ при разряде.

Двухстадийный процесс зарядки постоянным током часто применяется для заряда свинцово-кислотных аккумуляторов, испытавших глубокий разряд.

Есть ещё видоизменённый вариант заряда с плавно убывающим током. На начальном этапе заряда тока составляет 0,25*С, а заканчивается с током 0,25*С при напряжении 2,6-2,8 вольта. Признаки окончания заряда такие же, как было описано выше.
Вернуться к содержанию
 

Заряд при постоянном напряжении

В этом случае процесс заряда ведётся при фиксированном напряжении 2,2-2,3 вольта на аккумуляторный элемент. Напряжение держится постоянным на протяжении всего процесса. В начале ток заряда не ограничивается и он может достигать величины номинальной ёмкости АКБ. После 1-2 часов заряда уменьшается в 2 раза, а к моменту окончания процесса составляет (0,001-0,003)*С.

Процесс является более длительным, чем при зарядке постоянным током. В случае заряда стационарных свинцово-кислотных батарей большой ёмкости процесс может длиться до нескольких суток. Большая часть времени проходит без газообразования. Аккумулятору передаётся ёмкость на 7-10% выше, чем снимаемая при разряде. То есть, КПД процесса выше, чем при зарядке постоянным током. Признаком окончания заряда является постоянство плотности электролита.

Существует также модифицированный вариант заряда при постоянном напряжении, который выполняется в два этапа. На первом этапе зарядный ток ограничил эту величиной 0,25*С,  напряжение увеличивается. Переход на второй этап осуществляется при достижении напряжения на элементе 2,2-2,3 вольта. На этой стадии процесс идёт при постоянном напряжении. По длительности этот вариант близок к одностадийной зарядке. Причём заряд может выполняться без снятия нагрузки.

На диаграммах ниже можно посмотреть зарядные кривые напряжения, ёмкости и тока при комбинированном режиме заряда током 0,1*С и напряжением 2,45 вольта на элемент.

Современные ЗУ выполняют процесс зарядки в автоматическом режиме и владельцу аккумулятора обычно не требуется выставлять какие-либо параметры. Но информация о них не помешает.
Вернуться к содержанию
 

Функционирование при низкой температуре

Свинцово-кислотный аккумулятор является довольно чувствительными к низким температурам электролита. По мере снижения температуры окружающей среды эксплуатационные характеристики таких АКБ снижаются. Нужно сказать, что по сравнению с другими видами аккумуляторов, у свинцово-кислотных снижение характеристик не такое большое.

Эмпирическим путём было обнаружено, что аккумуляторная батарея теряет примерно 1% отдаваемой ёмкости при понижении температуры окружающей среды на 1 градус, начиная от +20С. Несложно вычислить, что при снижении температуры с +20 до 0 градусов аккумулятор потеряет около 20% отдаваемой ёмкости.

Чем ниже будет температура электролита, тем выше внутреннее сопротивление батареи. Тем больше будет падение напряжения АКБ. Объясняется это увеличением вязкости электролита при низких температурах, что приводит к затруднению диффузии. На диаграмме ниже можно посмотреть зависимость зарядного напряжения от температуры электролита.

Там видно, что чем ниже температура, тем выше проходит кривая зарядного напряжения. С увеличением напряжения также растет доля зарядного тока, который расходуется на электролиз воды. При температуре электролита ниже — 18 градусов практически весь зарядный ток расходуется на электролиз. Это значит, что процент заряда аккумуляторной батареи при такой температуре не эффективен.

Надёжность работы свинцово-кислотной батареи при низких температурах определяется не столько возможностью эффективного заряда, сколько отдачей необходимой ёмкости, пускового тока и напряжения при разряде.

При разряде в порах активной массы происходит постоянное снижение концентрации электролита, но оно непрерывно восстанавливается за счёт диффузии более концентрированного электролита из объёма между пластинами. В условиях разряда при нормальной температуре он будет продолжаться до исчерпания ёмкости АКБ.

Если разряд происходит при низкой температуре, то из-за повышенной вязкости электролита диффузия электролита замедляется. В результате падает ёмкость батареи. На диаграмме ниже можно посмотреть зависимость ёмкости аккумуляторной батареи от температура электролита.

При разряде аккумулятора большими токами в условиях низких температурах отдаваемая ёмкость снижается ещё больше. Повышенное сопротивление электролита при низкой температуре усиливает падения напряжения на выводах аккумулятора. На изображении ниже можно посмотреть кривые разряда стационарных аккумуляторов при 30-минутном режиме.

Видно, что расчётное напряжение 1,75 вольта в конце процесса разряда обеспечивается лишь при температуре электролита +25 С.

Итог вышесказанному можно подведите подвести следующий. Снижение отдачи тока и ёмкости свинцово-кислотной батареей при низких температурах обусловлено снижением скорости химических реакций. Чтобы восстановить характеристики, требуется подогреть её. Снижение эксплуатационных характеристик в холодную погоду является абсолютно нормальным даже для исправного заряженного аккумулятора.

Основная опасность охлаждения электролита заключается в том, что если он разряжен и имеет низкую плотность электролита, жидкость может замёрзнуть. В этом случае образование кристаллов льда может необратимо повредить пластины электродов. Эта проблема является Особенно актуальной для популярных сейчас современных необслуживаемых аккумуляторов. В них нет доступа к банкам и измерить плотность электролита проблематично. Поэтому сложно прогнозировать, что может произойти с ними в сильный мороз.

В отзывах про автомобильные аккумуляторы люди обычно пишут о проблемах с запуском двигателя, начиная с -10 C. И это неудивительно, поскольку в диапазоне от минус 10 до минус 20 градусов Цельсия наблюдается серьёзное снижение пускового тока, а также уменьшается возможность принимать заряд. При температурах ниже -20 С нормальная работа свинцово-кислотного стартерного аккумулятора не может быть гарантирована. К тому же, при этих температурах аккумуляторная батарея перестаёт принимать заряд.

В холодную погоду рекомендуется держать стартерный аккумулятор заряженным. Для этого нужно периодически снимать его с автомобиля и заряжать сетевым зарядным устройством. Во время поездок АКБ просто не успевает нагреться и принять необходимое количество заряда от генератора.

Если ночью, когда автомобиль находится на стоянке, температура опускается ниже — 20 С, имеет смысл забрать аккумулятор на хранение домой в тепло. Тогда утром без проблем сможете запустить двигатель.

Как вариант, можно использовать конструкции и приспособления для электрического подогрева аккумулятора.

Вернуться к содержанию
 

Функционирование при высокой температуре

• Работа свинцово-кислотных аккумуляторных батарей при высоких температурах также имеет свои проблемы и особенности. Это актуально для стартерных автомобильных аккумуляторов, которые в летнее время года работают под капотом, где температура может сильно повышаться. Ниже перечислены проблемы и особенности при эксплуатации свинцово-кислотных АКБ при повышенной температуре.
• Повышенный саморазряд. Если при температуре электролита 25 С саморазряд находится на уровне 0,5-1% от номинальной ёмкости в сутки, то уже при 40 С он возрастает до 1,8-3,5%. В этих условиях увеличивается скорость сульфатации электродов. Некоторые производители выпускают модели батарей, которые рассчитаны для работы в условиях тропиков. Для них возможна длительная работа при температуре электролита более 25 С.
• При заряде аккумулятора температура электролита не должна превышать температуру 45 С. Помните, что плотность электролита при его температуре около 35-40 градусов будет ниже на 0,05-0,09 гр/см³, чем при 20-25 С. Это нормально. Поэтому не нужно стараться повышать ёмкость после заряда. Не нужно передерживать аккумулятор на зарядке или корректировать плотность добавлением кислоты.
• Уровень электролита. При повышенной температуре может увеличиваться расход дистиллированной воды в аккумуляторе из-за её испарения. Поэтому в жаркую погоду нужно чаще контролировать уровень электролита в банках и не допускать оголения пластин. Для этого нужно просто периодически доливать дистиллированную воду. Опять же это возможно для малообслуживаемых аккумулятора, где есть пробки для доступа к банкам. Если АКБ необслуживаемая, то сделать этого не получится.

Вернуться к содержанию
 

Хранение

Свинцово-кислотные аккумуляторы, залитые электролитом, нужно хранить в прохладном помещении. В идеале температура там должна быть около 0-10 С (саморазряд при этих температурах ниже). Лучше всего хранить батареи на стеллажах полюсными выводами вверх. Токовыводы нужно смазать техническим вазелином. Пробки должны быть прочно закручены.

Перед постановкой АКБ на хранение следует полностью зарядить аккумулятор, довести плотность до нормы, а поверхность корпуса очистить и нейтрализовать. Это можно сделать с помощью протирки хозяйственным мылом или раствором пищевой соды в воде. Процедура необходима для снижения саморазряда в процессе хранения.

Кроме того, перед отправкой аккумуляторных батарей на хранение, их могут подвергать контрольно-тренировочному циклу для проверки отдаваемой ёмкости. В организациях, которые связаны с эксплуатацией транспорта, проверка аккумуляторов с помощью КТЦ проводится ежегодно. По результатам проверки принимается решение о пригодности аккумуляторов для дальнейшей эксплуатации. Ёмкость аккумуляторов в период гарантированного срока эксплуатации должны находиться на отметке не менее 90% от номинального значения. Аккумулятор подлежит списанию, если ёмкость снижается до 40% от номинала.

Во время хранения допускаются постоянные подзарядки аккумуляторов малыми токами для компенсации потерь от саморазряда. Допустимый срок хранения залитых свинцово-кислотных АКБ не должен превышать 3-12 месяцев в зависимости от условий хранения.

Сухозаряженные аккумуляторные батареи без электролита могут храниться в неотапливаемых помещениях до 3 лет. Их заряженность гарантируется производителем в течение 1 года с момента их производства.
Вернуться к содержанию
 

Утилизация и переработка

На сегодняшний день процесс сбора и переработки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей налажен значительно лучше, чем для остальных видов аккумуляторов. Отработавшие АКБ принимают в каждом пункте приема металлолома. Кроме того, большинство крупных торговых сетей и мелких магазинов предлагают приём старых аккумуляторов в виде обмена их на новые с доплатой. Так, что проблемы сбора бу свинцово-кислотных аккумуляторов на сегодняшний день не существует.

Из пунктов приёма и магазинов старые аккумуляторы направляются на предприятия для переработки. Это могут быть заводы самих производителей аккумуляторов, где утилизация осуществляется на отдельных линиях. Кроме того, переработкой занимаются сторонние предприятия, которые выделяют ценные материалы и затем продают их производителям.

По некоторым оценкам примерно 80% исходных материалов удаётся извлечь из бу аккумуляторов, и они снова возвращаются в производство. Речь идёт об извлечении свинца, стали, пластика. Есть отработанные технологии разделения этих материалов и их очистки.

Более подробно о переработке автомобильных свинцово-кислотных батарей можно прочитать в этой статье.
Вернуться к содержанию
 

Итоги

В этой статье мы рассмотрели практически все важные моменты, связанные с устройством и эксплуатацией свинцово-кислотных аккумуляторов. В первой части статьи была рассмотрена конструкция, устройство и электрохимическая система Pb батарей. Мы рассмотрели разновидности этого типа аккумуляторов, а также сферы их применения.

Большая часть материала была посвящена эксплуатации АКБ. Речь шла о заряде, хранении, износе, сроке эксплуатации, а также об особенностях функционирования аккумуляторов при низких и высоких температурах.

В заключение можно сказать, что свинцово-кислотные аккумуляторы до сих пор остаются востребованными во многих направлениях деятельности человека. И это, несмотря на то, что они были изобретены уже почти 150 лет назад.

В последнее время выпускается всё больше электромобилей, где стартерный аккумулятор уже не требуется. Но, даже если со временем Pb батареи уйдут из автомобильного сегмента, за ними останется ещё много областей применения в промышленности, быту и т. п. Это объясняется тем, они просты в эксплуатации и имеют невысокую стоимость.
Вернуться к содержанию
 

Опрос

Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Это поможет развитию сайта. Исправления и дополнения к материалу, а также ваше отзывы и мнения по теме свинцово-кислотных аккумуляторов, оставляйте в комментариях ниже. Голосуйте в опросе и оцениваете статью.
Вернуться к содержанию
 

Используемая литература

1) Устинов П. И. Обслуживание стационарных свинцово-кислотных аккумуляторов.

2) Конофеев Н. Т. Автомобильные аккумуляторные батареи.

3) ГОСТ Р 53165-2008 Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники.
Вернуться к содержанию

Вам могут быть интересны следующие материалы

Главная

e-Транспорт

Альтернатива

Вопрос-Ответ

Выбор

Гелевые

Зарядка

Литиевые

Новости

Обзоры

Статьи

Устройство

Щелочные

Форум

Рассылка приходит раз в месяц и содержит последние материалы на сайте, которые могут быть вам интересны. Если Вы хотите отписаться от рассылки, то ведите email и поставьте галочку при отправке формы.

© 2015 - 2024 Информационный сайт об аккумуляторах Akbinfo.ru