Свинцово-кислотные аккумуляторы

Изобретенный французским врачом Гастоном Планте в 1859 году, свинцово-кислотный аккумулятор был первым аккумулятором для коммерческого использования. Несмотря на свой преклонный возраст, химический состав свинца продолжает широко использоваться и сегодня. Есть веские причины для его популярности; свинцово-кислотный аккумулятор надежен и недорог по цене за ватт. Немногие другие аккумуляторы обеспечивают большую мощность так дешево, как свинцово-кислотный, и это делает этот аккумулятор экономически эффективным для автомобилей, гольф-каров, вилочных погрузчиков, морских судов и источников бесперебойного питания (ИБП).

Сетчатая структура свинцово-кислотного аккумулятора изготовлена из свинцового сплава. Чистый свинец слишком мягкий и не может сам себя поддерживать, поэтому к нему добавляют небольшие количества других металлов для получения механической прочности и улучшения электрических свойств. Самыми распространенными добавками являются сурьма, кальций, олово и селен. Эти аккумуляторы часто называют «свинцово-сурьмяными» и «свинцово-кальциевыми».

Добавление сурьмы и олова улучшает глубокое циклирование, но это увеличивает потребление воды и усиливает потребность в выравнивании заряда/разряда. Кальций уменьшает саморазряд, но положительная свинцово-кальциевая пластина имеет побочный эффект роста из-за окисления сетки при чрезмерном заряде. Современные свинцово-кислотные аккумуляторы также используют легирующие вещества, такие как селен, кадмий, олово и мышьяк, для снижения содержания сурьмы и кальция.

Наши свинцово-кислотные аккумуляторы AGM/GEL

Надежные свинцово-кислотные аккумуляторы для максимальной эффективности работы

Аккумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle

Является идеальным выбором для применений, требующих надежного, долговечного и глубоко разрядного источника питания

Купить

Аккумулятор Victron AGM Super Cycle 12V 125Ah (M8)

Благодаря технологиям электрохимии, этот аккумулятор выдерживает до 300 циклов разряда до 100%, что делает его отличным решением для автономных электрических систем

Купить

AGM аккумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Ач)

AGM VRLA батарея с высоким током разряда, специально разработанная для критических нагрузок в системах ИБП, телекоммуникациях и энергетике

Купить

Посмотреть больше

Свинцово-кислотные аккумуляторы тяжелые и менее долговечные, чем системы на основе никеля и лития, при глубоком цикле зарядки/разрядки. Полный разряд вызывает нагрузку, и каждый цикл разряда/заряда безвозвратно лишает аккумулятор небольшого количества емкости. Эта потеря невелика, пока аккумулятор находится в хорошем рабочем состоянии, но угасание емкости увеличивается, когда производительность падает до половины номинальной емкости. Эта характеристика износа относится ко всем аккумуляторам в разной степени.

В зависимости от глубины разряда, свинцово-кислотные аккумуляторы для глубоких циклов разряда/заряда обеспечивают от 200 до 300 циклов разряда/заряда. Основными причинами их относительно короткого срока службы являются коррозия сетки на положительном электроде, истощение активного материала и расширение положительных пластин. Это явление старения ускоряется при повышенных рабочих температурах и при использовании высоких токов разряда. 

Зарядка свинцово-кислотного аккумулятора проста, но необходимо соблюдать правильные ограничения напряжения. Выбор низкого ограничения напряжения защищает аккумулятор, но это приводит к плохой производительности и вызывает накопление сульфатации на отрицательной пластине. Высокое ограничение напряжения улучшает производительность, но приводит к коррозии сетки на положительной пластине. Хотя сульфатацию можно устранить при своевременном обслуживании, коррозия является постоянной.

Свинцово-кислотные аккумуляторы не поддаются быстрой зарядке, и для большинства типов полная зарядка занимает 14–16 часов. Аккумулятор всегда следует хранить полностью заряженным. Низкий уровень заряда вызывает сульфатацию, состояние, которое снижает производительность аккумулятора. Добавление углерода к отрицательному электроду уменьшает эту проблему, но снижает удельную энергию. 

Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют умеренный срок службы, но они не подвержены «памяти», как никелевые системы, и лучше всего сохраняют заряд среди аккумуляторных батарей. В то время как никель-кадмиевые аккумуляторы теряют примерно 40 процентов накопленной энергии за три месяца, свинцово-кислотные аккумуляторы саморазряжаются на такое же количество за один год. Свинцово-кислотные аккумуляторы хорошо работают при низких температурах и превосходят литий-ионные при работе при минусовых температурах. По данным RWTH, Аахен, Германия (2018), стоимость залитых свинцово-кислотных аккумуляторов составляет около 150 долларов США за кВт⋅ч, что является одним из самых низких показателей среди аккумуляторов.

Герметичный свинцово-кислотный аккумулятор

Первые герметичные, или не требующие обслуживания, свинцово-кислотные аккумуляторы появились в середине 1970-х годов. Инженеры утверждали, что термин «герметичный свинцово-кислотный» является неправильным, поскольку ни один свинцово-кислотный аккумулятор не может быть полностью герметичным. Для контроля вентиляции во время напряженного заряда и быстрого разряда были добавлены клапаны, которые выпускают газы, если давление возрастает. Вместо того чтобы погружать пластины в жидкость, электролит пропитывается во увлажненный сепаратор, конструкция которого напоминает системы на основе никеля и лития. Это позволяет эксплуатировать аккумулятор в любой физической ориентации без утечек.

Герметичный аккумулятор содержит меньше электролита, чем залитый тип, отсюда и термин «кислотно-голодный». Пожалуй, самым важным преимуществом герметичного свинцово-кислотного аккумулятора является способность сочетать кислород и водород для создания воды и предотвращения высыхания во время циклов. Рекомбинация происходит при умеренном давлении 0,14 бар (2 фунта на квадратный дюйм). Клапан служит предохранительным вентиляционным отверстием, если накопление газа повышается. Следует избегать повторной вентиляции, так как это приведет к окончательному высыханию. По данным RWTH, Аахен, Германия (2018), стоимость VRLA составляет около 260 долларов США за кВт⋅ч.

Появилось несколько типов герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов, самыми распространенными из которых являются гелевые , также известные как свинцово-кислотные с клапанным регулированием (VRLA), и абсорбирующие стеклянные маты (AGM). Гелевый элемент содержит гель на основе кремнезема, который суспендирует электролит в пасте. Меньшие аккумуляторы емкостью до 30 А·ч часто называют SLA (герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы). Упакованные в пластиковый контейнер, эти аккумуляторы используются для небольших ИБП, аварийного освещения и инвалидных колясок. Благодаря низкой цене, надежному обслуживанию и низким эксплуатационным расходам, SLA остается лучшим выбором для здравоохранения в больницах и домах престарелых. Более крупные VRLA используются в качестве резервного питания для вышек сотовой связи, интернет-хабов, банков, больниц, аэропортов и т.д.

AGM-аккумуляторы суспендируют электролит в специально разработанном стеклянном мате. Это предлагает несколько преимуществ перед свинцово-кислотными системами, включая более быструю зарядку и мгновенное получение высоких токов нагрузки при необходимости. AGM-аккумуляторы лучше всего работают как аккумуляторы среднего класса емкостью от 30 до 100 А·ч и менее подходят для больших систем, таких как ИБП. Типичными сферами применения являются стартерные аккумуляторы для мотоциклов, функция старт-стоп для микрогибридных автомобилей, а также морские и жилые автофургоны, которые требуют определенного цикла зарядки/разрядки.

С циклическим использованием и возрастом емкость AGM постепенно уменьшается; гель, наоборот, имеет куполообразную кривую производительности и дольше остается в высоком диапазоне производительности, но затем внезапно падает ближе к концу срока службы. AGM дороже, чем залитый, но дешевле, чем гелевый. (Гель был бы слишком дорогим для использования в системе старт/стоп в автомобилях.)

Свинцово-кислотные аккумуляторы AGM/GEL

Надежные свинцово-кислотные аккумуляторы для максимальной эффективности работы

Аккумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle

Является идеальным выбором для применений, требующих надежного, долговечного и глубоко разрядного источника питания

Купить

Аккумулятор Victron AGM Super Cycle 12V 125Ah (M8)

Благодаря технологиям электрохимии, этот аккумулятор выдерживает до 300 циклов разряда до 100%, что делает его отличным решением для автономных электрических систем

Купить

AGM аккумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Ач)

AGM VRLA батарея с высоким током разряда, специально разработанная для критических нагрузок в системах ИБП, телекоммуникациях и энергетике

Купить

Посмотреть больше

В отличие от залитого аккумулятора, герметичный свинцово-кислотный аккумулятор разработан с низким потенциалом перенапряжения, чтобы предотвратить достижение аккумулятором своего потенциала газообразования во время зарядки. Чрезмерная зарядка приводит к газообразованию, вентиляции и последующему высыханию и высыханию воды. Следовательно, гель, а частично и AGM, не могут быть заряжены на полный потенциал, и предельное напряжение зарядки должно быть установлено ниже, чем для залитого аккумулятора. Это также относится к поддерживающему заряду при полном заряде. Что касается зарядки, гель и AGM не являются прямой заменой для залитого типа. Если для AGM нет специального зарядного устройства с более низкими настройками напряжения, отсоедините зарядное устройство после 24 часов зарядки. Это предотвращает газообразование из-за слишком высокого поддерживающего напряжения.

Оптимальная рабочая температура для аккумулятора VRLA составляет 25°C (77°F); каждые 8°C (15°F) повышения температуры выше этого порога сокращают срок службы аккумулятора вдвое. Свинцово-кислотные аккумуляторы рассчитаны на скорость разряда 5 часов (0,2°C) и 20 часов (0,05°C). Аккумулятор работает лучше всего при медленном разряде; показатели емкости значительно выше при более медленном разряде, чем при скорости разряда 1°C . Однако свинцово-кислотные аккумуляторы могут выдавать высокие импульсные токи в несколько°C, если это делать всего несколько секунд. Это делает свинцово-кислотные аккумуляторы хорошо подходящими для использования в качестве стартерных аккумуляторов, также известных как аккумуляторы со стартерным зажиганием (SLI). Высокое содержание свинца и серная кислота делают свинцово-кислотные аккумуляторы экологически опасными.

Свинцово-кислотные аккумуляторы обычно классифицируются на три вида использования: автомобильные (стартерные или SLI), движительные (тяговые или глубокого цикла) и стационарные (ИБП).

Стартовые аккумуляторы

Стартерный аккумулятор предназначен для запуска двигателя с кратковременной нагрузкой высокой мощности продолжительностью примерно секунду. Благодаря своему размеру аккумулятор способен выдавать высокий ток, но его нельзя разряжать/заряжать глубоко. Стартерные аккумуляторы обозначаются как Ач или RC (резервная емкость), что указывает на способность накапливать энергию, а также CCA (сила холодного пуска), что указывает на ток, который аккумулятор может выдавать при низкой температуре. SAE J537 определяет 30 секунд разряда при температуре –18°C (0°F) при номинальной силе тока CCA без падения напряжения аккумулятора ниже 7,2 вольта. RC отражает время работы в минутах при стабильном разряде 25 ампер. (SAE расшифровывается как Общество автомобильных инженеров.) 

Стартовые аккумуляторы имеют очень низкое внутреннее сопротивление, что достигается путем добавления дополнительных пластин для максимальной площади поверхности (Рисунок 1). Пластины тонкие, а свинец нанесен в форме губки, имеющей вид мелкой пены, что еще больше расширяет площадь поверхности. Толщина пластин, которая важна для аккумулятора глубокого цикла, менее важна, поскольку разряд короткий, а аккумулятор заряжается во время движения; акцент делается на мощности, а не на емкости.

Рисунок 1: Стартовый аккумулятор.

Стартовый аккумулятор имеет много тонких пластин, соединенных параллельно, для достижения низкого сопротивления с большой площадью поверхности.
Стартовый аккумулятор не допускает глубокого циклического разряда/заряда

Аккумулятор глубокого цикла

Аккумулятор глубокого цикла разряда/заряда предназначен для обеспечения непрерывного питания инвалидных колясок, гольф-каров, вилочных погрузчиков и т.д. Этот аккумулятор рассчитан на максимальную емкость и достаточно высокое количество циклов разряда/заряда. Это достигается благодаря толстым свинцовым пластинам (Рисунок 2). Хотя аккумулятор разработан для циклического разряда/заряда, полный разряд все равно вызывает нагрузку, а количество циклов связано с глубиной разряда/заряда (ГРЗ). Аккумуляторы глубокого цикла разряда/заряда маркируются в Ач или минутах работы. Емкость обычно оценивается как 5-часовой и 20-часовой разряд/заряд.

Рисунок 2: Аккумулятор глубокого цикла разряда/заряда.
Аккумулятор глубокого цикла имеет толстые пластины для улучшенных циклических возможностей.
Аккумулятор глубокого цикла обычно позволяет около 300 циклов разряда/заряда.

Стартовый аккумулятор нельзя заменить аккумулятором глубокого цикла или наоборот. Хотя изобретательный пожилой человек может соблазниться установить стартерный аккумулятор вместо более дорогого аккумулятора глубокого цикла на своей инвалидной коляске, чтобы сэкономить деньги, стартерный аккумулятор не прослужит долго, поскольку тонкие губчатые пластины быстро растворятся при многократном глубоком разряде.

Существуют комбинированные стартерные/глубокоцикловые аккумуляторы для грузовиков, автобусов, транспортных средств общественной безопасности и военных транспортных средств, но эти устройства большие и тяжелые. Как простое руководство, чем тяжелее аккумулятор, тем больше свинца он содержит и тем дольше он прослужит. В таблице 3 сравнивается типичный срок службы стартерных аккумуляторов и аккумуляторов глубокого цикла после глубокого цикла.

Таблица 3: Циклическая производительность стартерных и глубокоцикловых аккумуляторов.
Разряд на 100% означает полный разряд; 50% – это половинный разряд, а 30% – умеренный разряд, при этом остается 70%.

Свинцово-кислотный или литий-ионный аккумулятор в вашем автомобиле?

С момента появления стартера Cadillac в 1912 году свинцово-кислотные аккумуляторы прекрасно служили лучшим выбором. Томас Эдисон пытался заменить свинцово-кислотные никель-железными (NiFe), но свинцово-кислотные аккумуляторы преобладали благодаря своей прочности и долговечности, а также низкой стоимости. Сейчас свинцово-кислотным аккумуляторам, используемым в качестве стартерных аккумуляторов в автомобилях, бросают вызов литий-ионные.

На рисунке 4 показаны характеристики свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов. Оба химических элемента одинаково работают при холодном пуске. Свинцово-кислотные аккумуляторы несколько лучше в Вт/кг, но литий-ионные аккумуляторы обеспечивают значительное улучшение срока службы, лучшую удельную энергию в Вт⋅ч/кг и хорошее динамическое восприятие заряда. Литий-ионные аккумуляторы уступают в высокой стоимости за кВт⋅ч, сложной переработке и менее высоким показателям безопасности, чем свинцово-кислотные.

Рисунок 4: Сравнение свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов как стартерных.
Свинцово-кислотные аккумуляторы удерживают значительное преимущество в стартерных аккумуляторах. Заслуга принадлежит хорошим характеристикам при низких температурах, низкой стоимости, хорошим показателям безопасности и легкости переработки.

Свинец токсичен, и экологи хотели бы заменить свинцово-кислотные аккумуляторы альтернативным химическим составом. Европе удалось избежать использования никель-кадмиевых аккумуляторов в потребительских товарах, и аналогичные усилия прилагаются для стартерных аккумуляторов. Варианты включают никель-металлгидридные и литий-ионные аккумуляторы, но цена слишком высока, а низкотемпературные характеристики низкие. Со степенью переработки 99 процентов свинцово-кислотные аккумуляторы представляют незначительную угрозу для окружающей среды и, вероятно, будут продолжать оставаться главным выбором.

В таблице 5 приведены преимущества и ограничения распространенных свинцово-кислотных аккумуляторов, используемых сегодня. В таблице не учтены новые химические составы свинцово-кислотных аккумуляторов. 

Таблица 5: Преимущества и ограничения свинцово-кислотных аккумуляторов .
Сухие системы имеют преимущества над залитыми, но менее прочны.