Свинцево-кислотні акумулятори

Винайдений французьким лікарем Гастоном Планте в 1859 році, свинцево-кислотний акумулятор був першим акумулятором для комерційного використання. Незважаючи на свій похилий вік, хімічний склад свинцю продовжує широко використовуватися й сьогодні. Є вагомі причини для його популярності; свинцево-кислотний акумулятор надійний і недорогий за ціною на ват. Мало які інші акумулятори забезпечують велику потужність так дешево, як свинцево-кислотний, і це робить цей акумулятор економічно ефективним для автомобілів, гольф-карів, вилкових навантажувачів, морських суден та джерел безперебійного живлення (ДБЖ).

Сітчаста структура свинцево-кислотного акумулятора виготовлена ​​зі свинцевого сплаву. Чистий свинець занадто м'який і не може сам себе підтримувати, тому до нього додають невеликі кількості інших металів для отримання механічної міцності та покращення електричних властивостей. Найпоширенішими добавками є сурма, кальцій, олово та селен. Ці акумулятори часто називають «свинцево-сурмяними» та «свинцево-кальцієвими».

Додавання сурми та олова покращує глибоке циклування, але це збільшує споживання води та посилює потребу у вирівнюванні заряду/розрядки. Кальцій зменшує саморозряд, але позитивна свинцево-кальцієва пластина має побічний ефект зростання через окислення сітки при надмірному заряді. Сучасні свинцево-кислотні акумулятори також використовують легуючі речовини, такі як селен, кадмій, олово та миш'як, для зниження вмісту сурми та кальцію.

Свинцево-кислотні акумулятори AGM/GEL

Надійні свинцево-кислотні акумулятори для максимальної ефективності роботи

Акумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle

 Є ідеальним вибором для застосувань, що вимагають надійного, довговічного і глибоко розрядного джерела живлення

Купити

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

Завдяки технологіям електрохімії, цей акумулятор витримує до 300 циклів розряду до 100%, що робить його відмінним для автономних електричних систем

Купити

AGM акумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Аг)

 AGM VRLA батарея з високим струмом розряду, спеціально розроблена для критичних навантажень у системах ДБЖ, телекомунікаціях та енергетиці.

Купити

Подивитися більше

Свинцево-кислотні акумулятори важкі та менш довговічні, ніж системи на основі нікелю та літію, при глибокому циклі заряджання/розрядки. Повний розряд викликає навантаження, і кожен цикл розряду/зарядки безповоротно позбавляє акумулятор невеликої кількості ємності. Ця втрата невелика, поки акумулятор знаходиться в хорошому робочому стані, але згасання ємності збільшується, коли продуктивність падає до половини номінальної ємності. Ця характеристика зносу стосується всіх акумуляторів різною мірою.

Залежно від глибини розряду, свинцево-кислотні акумулятори для глибоких циклів розряду/заряду забезпечують від 200 до 300 циклів розряду/заряду. Основними причинами їх відносно короткого терміну служби є корозія сітки на позитивному електроді, виснаження активного матеріалу та розширення позитивних пластин. Це явище старіння прискорюється за підвищених робочих температур та при використанні високих струмів розряду. 

Заряджання свинцево-кислотного акумулятора є простим, але необхідно дотримуватися правильних обмежень напруги. Вибір низького обмеження напруги захищає акумулятор, але це призводить до поганої продуктивності та спричиняє накопичення сульфатації на негативній пластині. Високе обмеження напруги покращує продуктивність, але призводить до корозії сітки на позитивній пластині. Хоча сульфатацію можна усунути за умови своєчасного обслуговування, корозія є постійною.

Свинцево-кислотні акумулятори не піддаються швидкій зарядці, і для більшості типів повна зарядка займає 14–16 годин. Акумулятор завжди слід зберігати повністю зарядженим. Низький рівень заряду спричиняє сульфатацію, стан, який знижує продуктивність акумулятора. Додавання вугілля до негативного електрода зменшує цю проблему, але знижує питому енергію. 

Свинцево-кислотні акумулятори мають помірний термін служби, але вони не схильні до «пам’яті», як нікелеві системи, і найкраще зберігають заряд серед акумуляторних акумуляторів. У той час як нікель-кадмієві акумулятори втрачають приблизно 40 відсотків накопиченої енергії за три місяці, свинцево-кислотні акумулятори саморозряджаються на таку ж кількість за один рік. Свинцево-кислотні акумулятори добре працюють за низьких температур і перевершують літій-іонні при роботі за мінусових температур. За даними RWTH, Аахен, Німеччина (2018), вартість затоплених свинцево-кислотних акумуляторів становить близько 150 доларів США за кВт⋅год, що є одним із найнижчих показників серед акумуляторів.

Герметичний свинцево-кислотний акумулятор

Перші герметичні, або такі, що не потребують обслуговування, свинцево-кислотні акумулятори з'явилися в середині 1970-х років. Інженери стверджували, що термін «герметичний свинцево-кислотний» є неправильним, оскільки жоден свинцево-кислотний акумулятор не може бути повністю герметичним. Для контролю вентиляції під час напруженого заряду та швидкого розряду були додані клапани, які випускають гази, якщо тиск зростає. Замість того, щоб занурювати пластини в рідину, електроліт просочується у зволожений сепаратор, конструкція якого нагадує системи на основі нікелю та літію. Це дозволяє експлуатувати акумулятор у будь-якій фізичній орієнтації без витоків.

Герметичний акумулятор містить менше електроліту, ніж затоплений тип, звідси й термін «кислотно голодний». Мабуть, найважливішою перевагою герметичного свинцево-кислотного акумулятора є здатність поєднувати кисень і водень для створення води та запобігання висиханню під час циклів. Рекомбінація відбувається при помірному тиску 0,14 бар (2 фунти на квадратний дюйм). Клапан служить запобіжним вентиляційним отвором, якщо накопичення газу підвищується. Слід уникати повторного вентилювання, оскільки це призведе до остаточного висихання. За даними RWTH, Аахен, Німеччина (2018), вартість VRLA становить близько 260 доларів США за кВт⋅год.

З'явилося кілька типів герметичних свинцево-кислотних акумуляторів, найпоширенішими з яких є гелеві , також відомі як свинцево-кислотні з клапанним регулюванням (VRLA), та абсорбуючі скляні матові акумулятори (AGM). Гелевий елемент містить гель на основі кремнезему, який суспендує електроліт у пасті. Менші акумулятори ємністю до 30 А·год часто називають SLA (герметичні свинцево-кислотні акумулятори). Упаковані в пластиковий контейнер, ці акумулятори використовуються для невеликих ДБЖ, аварійного освітлення та інвалідних візків. Завдяки низькій ціні, надійному обслуговуванню та низьким експлуатаційним витратам, SLA залишається кращим вибором для охорони здоров'я в лікарнях та будинках для людей похилого віку. Більші VRLA використовуються як резервне живлення для веж стільникового зв'язку, інтернет-хабів, банків, лікарень, аеропортів тощо.

AGM -акумулятори суспендують електроліт у спеціально розробленому скляному маті. Це пропонує кілька переваг перед свинцево-кислотними системами, включаючи швидше заряджання та миттєве отримання високих струмів навантаження за потреби. AGM-акумулятори найкраще працюють як акумулятори середнього класу ємністю від 30 до 100 А·год і менш підходять для великих систем, таких як ДБЖ. Типовими сферами застосування є стартерні акумулятори для мотоциклів, функція старт-стоп для мікрогібридних автомобілів, а також морські та житлові автофургони, які потребують певного циклу зарядки/розрядки.

З циклічним використанням та віком ємність AGM поступово зменшується; гель, навпаки, має куполоподібну криву продуктивності та довше залишається у високому діапазоні продуктивності, але потім раптово падає ближче до кінця терміну служби. AGM дорожчий, ніж затоплений, але дешевший, ніж гелевий. (Гель був би занадто дорогим для використання в системі старт/стоп в автомобілях.)

Свинцево-кислотні акумулятори AGM/GEL

Надійні свинцево-кислотні акумулятори для максимальної ефективності роботи

Акумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle

 Є ідеальним вибором для застосувань, що вимагають надійного, довговічного і глибоко розрядного джерела живлення

Купити

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

Завдяки технологіям електрохімії, цей акумулятор витримує до 300 циклів розряду до 100%, що робить його відмінним для автономних електричних систем

Купити

AGM акумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Аг)

 AGM VRLA батарея з високим струмом розряду, спеціально розроблена для критичних навантажень у системах ДБЖ, телекомунікаціях та енергетиці.

Купити

Подивитися більше

На відміну від затопленого акумулятора, герметичний свинцево-кислотний акумулятор розроблений з низьким потенціалом перенапруги, щоб запобігти досягненню акумулятором свого потенціалу газоутворення під час заряджання. Надмірне заряджання призводить до газоутворення, вентиляції та подальшого висихання та висихання води. Отже, гель, а частково й AGM, не можуть бути заряджені на повний потенціал, і гранична напруга заряджання має бути встановлена ​​нижче, ніж для затопленого акумулятора. Це також стосується підтримуючого заряду при повному заряді. Що стосується заряджання, гель та AGM не є прямою заміною для затопленого типу. Якщо для AGM немає спеціального зарядного пристрою з нижчими налаштуваннями напруги, від'єднайте зарядний пристрій після 24 годин заряджання. Це запобігає газоутворенню через занадто високу підтримуючу напругу.

Оптимальна робоча температура для акумулятора VRLA становить 25°C (77°F); кожні 8°C (15°F) підвищення температури вище цього порогового значення скорочують термін служби акумулятора вдвічі. Свинцево-кислотні акумулятори розраховані на швидкість розряду 5 годин (0,2°C) та 20 годин (0,05°C). Акумулятор працює найкраще при повільному розряді; показники ємності значно вищі при повільнішому розряді, ніж при швидкості розряду 1°C . Однак свинцево-кислотні акумулятори можуть видавати високі імпульсні струми в кілька°C, якщо це робити лише кілька секунд. Це робить свинцево-кислотні акумулятори добре придатними для використання в якості стартерних акумуляторів, також відомих як акумулятори зі запалюванням стартером (SLI). Високий вміст свинцю та сірчана кислота роблять свинцево-кислотні акумулятори екологічно небезпечними.

Свинцево-кислотні акумулятори зазвичай класифікуються на три види використання: автомобільні (стартерні або SLI), рушійні (тягові або глибокого циклу) та стаціонарні (ДБЖ).

Стартові акумулятори

Стартерний акумулятор призначений для запуску двигуна з короткочасним навантаженням високої потужності тривалістю приблизно секунду. Завдяки своєму розміру акумулятор здатний видавати високий струм, але його не можна розряджати/заряджати глибоко. Стартерні акумулятори позначаються як Аг або RS (резервна ємність), що вказує на здатність накопичувати енергію, а також CCA (сила холодного запуску), що вказує на струм, який акумулятор може видавати за низької температури. SAE J537 визначає 30 секунд розряду при температурі –18°C (0°F) при номінальній силі струму CCA без падіння напруги акумулятора нижче 7,2 вольта. RC відображає час роботи в хвилинах при стабільному розряді 25 ампер. (SAE розшифровується як Товариство автомобільних інженерів.) 

Стартові акумулятори мають дуже низький внутрішній опір, що досягається шляхом додавання додаткових пластин для максимальної площі поверхні (Рисунок 1). Пластини тонкі, а свинець нанесений у формі губки, що має вигляд дрібної піни, що ще більше розширює площу поверхні. Товщина пластин, яка важлива для акумулятора глибокого циклу, менш важлива, оскільки розряд короткий, а акумулятор заряджається під час руху; акцент робиться на потужності, а не на ємності.

Рисунок 1: Стартовий акумулятор.

Стартовий акумулятор має багато тонких пластин, з'єднаних паралельно, для досягнення низького опору з великою площею поверхні.
Стартовий акумулятор не допускає глибокого циклічного розряду/розрядки

Акумулятор глибокого циклу

Акумулятор глибокого циклу розряду/розрядки призначений для забезпечення безперервного живлення інвалідних візків, гольф-карів, вилкових навантажувачів тощо. Цей акумулятор розрахований на максимальну ємність та досить високу кількість циклів розряду/розрядки. Це досягається завдяки товстим свинцевим пластинам (Рисунок 2). Хоча акумулятор розроблений для циклічного розряду/розрядки, повний розряд все одно викликає навантаження, а кількість циклів пов'язана з глибиною розряду/розрядки (ГРР). Акумулятори глибокого циклу розряду/розрядки маркуються в Аг або хвилинах роботи. Ємність зазвичай оцінюється як 5-годинний та 20-годинний розряд/розрядка.

Рисунок 2: Акумулятор глибокого циклу розряду/розрядки.
Акумулятор глибокого циклу має товсті пластини для покращених циклічних можливостей.
Акумулятор глибокого циклу зазвичай дозволяє близько 300 циклів розряду/розрядки.

Стартовий акумулятор не можна замінити акумулятором глибокого циклу розряду або навпаки. Хоча винахідливий літній чоловік може спокуситися встановити стартерний акумулятор замість дорожчого акумулятора глибокого циклу на своєму інвалідному візку, щоб заощадити гроші, стартерний акумулятор не прослужить довго, оскільки тонкі губчасті пластини швидко розчинятимуться при багаторазовому глибокому розряді.

Існують комбіновані стартерні/глибокоциклові акумулятори для вантажівок, автобусів, транспортних засобів громадської безпеки та військових транспортних засобів, але ці пристрої великі та важкі. Як просте керівництво, чим важчий акумулятор, тим більше свинцю він містить і тим довше він служитиме. У таблиці 3 порівнюється типовий термін служби стартерних акумуляторів та акумуляторів глибокого циклу після глибокого циклу.

Таблиця 3: Циклічна продуктивність стартерних та глибокоциклових акумуляторів.
Розряд на 100% означає повний розряд; 50% – це половинний розряд, а 30% – помірний розряд, при цьому залишається 70%.

Свинцево-кислотний чи літій-іонний акумулятор у вашому автомобілі?

З моменту появи стартера Cadillac у 1912 році свинцево-кислотні акумулятори чудово служили найкращим вибором. Томас Едісон намагався замінити свинцево-кислотні нікель-залізними (NiFe), але свинцево-кислотні акумулятори переважали завдяки своїй міцності та довговічності, а також низькій вартості. Зараз свинцево-кислотним акумуляторам, що використовуються як стартерні акумулятори в автомобілях, кидають виклик літій-іонні.

На рисунку 4 показано характеристики свинцево-кислотних та літій-іонних акумуляторів. Обидва хімічні елементи однаково працюють при холодному запуску. Свинцево-кислотні акумулятори дещо кращі у Вт/кг, але літій-іонні акумулятори забезпечують значне покращення терміну служби, кращу питому енергію у Вт·год/кг та хороше динамічне сприйняття заряду. Літій-іонні акумулятори поступаються у високій вартості за кВт·год, складній переробці та менш високим показникам безпеки, ніж свинцево-кислотні.

Рисунок 4: Порівняння свинцево-кислотних та літій-іонних акумуляторів як стартерних.
Свинцево-кислотні акумулятори утримують значну перевагу в стартерних акумуляторах. Заслуга належить хорошим характеристикам за низьких температур, низькій вартості, хорошим показникам безпеки та легкості переробки.

Свинець токсичний, і екологи хотіли б замінити свинцево-кислотні акумулятори альтернативним хімічним складом. Європі вдалося уникнути використання нікель-кадмієвих акумуляторів у споживчих товарах, і аналогічні зусилля докладаються для стартерних акумуляторів. Варіанти включають нікель-металгідридні та літій-іонні акумулятори, але ціна занадто висока, а низькотемпературні характеристики низькі. Зі ступенем переробки 99 відсотків свинцево-кислотні акумулятори становлять незначну загрозу для навколишнього середовища і, ймовірно, продовжуватимуть залишатися головним вибіром.

У таблиці 5 наведено переваги та обмеження поширених свинцево-кислотних акумуляторів, що використовуються сьогодні. У таблиці не враховано нові хімічні склади свинцево-кислотних акумуляторів. 

Таблиця 5: Переваги та обмеження свинцево-кислотних акумуляторів .
Сухі системи мають переваги над затопленими, але менш міцні.