Устройство автомобилей




Типы автомобильных аккумуляторов




Одним из самых важных агрегатов электрического оборудования любого автомобиля является его аккумуляторная батарея, или, как чаще называют это устройство в бытовом лексиконе - аккумулятор.
Аккумуляторная батарея (АКБ) - химический источник электрического тока, состоящий из объединения (батареи) нескольких отдельных элементов питания (аккумуляторов).
Использование в батарее нескольких аккумуляторов вместо одного позволяет увеличить суммарную емкость источника тока, а также получить бóльшую мощность электрической энергии, т. е. бóльшее напряжение или бóльшую силу тока, в зависимости от способа соединения аккумуляторов в батарею - последовательного или параллельного.

С точки зрения конструкции любая аккумуляторная батарея - это заполненная специальной жидкостью (электролитом) емкость, внутри которой располагаются электроды в виде собранных в пакеты пластин, изготовленных в зависимости от типа батареи из различных материалов, и имеющих заряды разной полярности (отрицательные и положительные).

Одинаковые внешне, все аккумуляторные батареи имеют существенные внутренние отличия, и классифицируются, в первую очередь, по составу пластин, образующих электроды аккумуляторов и виду электролита.

виды аккумуляторных батарей

Из всего разнообразия аккумуляторов электрической энергии в автомобилях в качестве стартерных используются в подавляющем большинстве свинцовые аккумуляторные батареи с кислотным электролитом. Это обусловлено тем, что свинцовые аккумуляторы обладают максимальной энергоемкостью и способностью за короткий момент времени отдавать большой ток по сравнению с аналогами, в которых основу пластин составляют другие металлы, сплавы или проводники. Большой ток необходим для прокручивания коленчатого вала автомобильного двигателя при его пуске.

Из-за этих уникальных свойств свинцово-кислотных аккумуляторов разработчикам приходится мириться с тем, что серная кислота и свинец являются очень вредными веществами, способными нанести вред природе и человеку. По этой причине корпуса всех свинцовых аккумуляторов выполняются из прочной кислотостойкой пластмассы, что позволяет обеспечить максимальную безопасность во время транспортировки, эксплуатации и обслуживания. В ближайшей перспективе достойной альтернативы свинцово-кислотным аккумуляторам нет.

Современные автомобильные аккумуляторы содержат в своей конструкции свинцовые пластины с добавлением различных химических веществ и соединений. По составу этих добавок аккумуляторные батареи классифицируют на несколько типов. В качестве автономного источника тока на автомобилях наиболее широко применяются следующие типы аккумуляторов:

  • Сурьмянистые (классический тип аккумуляторов);
  • Малосурьмянистые;
  • Кальциевые;
  • Гибридные;
  • Гелевые;
  • AGM;
  • Щелочные;
  • Литий-ионные.

***

Сурьмянистые аккумуляторы

Свинцовые пластины сурьмянистых аккумуляторов содержат в составе более 5% сурьмы (Sb). Такие аккумуляторы применялись в качестве источника электроэнергии ранее перечисленных типов, поэтому сурьмянистые батареи можно считать классическими аккумуляторами. В настоящее время сурьмянистые аккумуляторы считаются устаревшим типом автомобильных источников тока, и уступили место аккумуляторам с меньшим содержанием сурьмы.

Известно, что свинец является мягким и очень пластичным металлом, поэтому в чистом виде малопригоден для использования в аккумуляторах и аккумуляторных батареях автомобилей. Добавка сурьмы в свинец позволяет увеличить прочность пластин.
Но благодаря такой добавке существенно ускоряется процесс электролиза; вода разлагается на составляющие компоненты, при этом процесс сопровождается выделением газов (кислорода и водорода) из электролита. Внешне создается впечатление, что электролит кипит, выделяя пузырьки газа.
В результате вода «выкипает», плотность электролита изменяется, а его количество в аккумуляторах батареи уменьшается, что приводит к оголению электродов. Для компенсации потери электролитом воды в аккумуляторную батарею приходится систематически доливать дистиллированную воду.

По этой причине сурьмянистые аккумуляторные часто называют обслуживаемыми, поскольку приходится довольно часто производить проверку плотности и уровня электролита, корректируя их доливкой воды. Современные типы аккумуляторных батарей, пришедшие на смену сурьмянистым, называют необслуживаемыми, несмотря на то, что в них тоже предусматриваются элементы конструкции, необходимые для обслуживания.
Тем не менее, такие батареи требуют значительно меньше внимания при эксплуатации и нуждаются в менее трудоемком уходе.

В настоящее время сурьмянистые батареи практически не используются на автомобилях. Их вытеснили другие, более прогрессивные типы аккумуляторов, имеющие улучшенный состав добавок в свинец пластин, что придает им ряд высоких качественно-эксплуатационных характеристик и свойств. Современные автомобильные аккумуляторы изготавливаются с малым содержанием сурьмы или же совсем без нее.

Тем не менее, сурьмянистые аккумуляторы ещё нередко применяются в различных стационарных установках в качестве источниках тока, где эксплуатация таких батарей сопровождается уходом со стороны квалифицированного персонала. Основное достоинство сурьмянистых батарей – их относительно невысокая стоимость, неприхотливость, а также простота обслуживания в стационарных условиях.
К сожалению, этих свойств оказалось недостаточно, чтобы сохранить лидерство в качестве автомобильного источника тока.

***

Малосурьмянистые аккумуляторы

Малосурьмянистые батареи имеют пластины, изготовленные из свинца без каких либо добавок, и считаются самыми простыми и дешевыми. Такие батареи довольно распространены на автомобильном рынке, преимущественно отечественном, и, в принципе, являются универсальными.

Основной причиной применения аккумуляторных пластин с малым содержанием сурьмы (меньше 5%) является стремление конструкторов уменьшить интенсивность потерь воды из электролита в результате электролизных процессов, которые начинаются при заряде аккумуляторного блока до напряжения 2 В.
Применение пластин с малым содержанием сурьмы уменьшает электролизные явления, что позволило избавиться от необходимости часто проверять и корректировать уровень электролита в батарее. Кроме того, в таких аккумуляторных батареях уровень саморазряда при хранении существенно ниже, чем в сурьмянистых АКБ.

Тем не менее, такие аккумуляторы тоже нуждаются в периодическом обслуживании, хоть и в меньшей степени, чем сурьмянистые. Некоторые потери воды из электролита имеют место, поэтому изредка требуется проверять его плотность и уровень, доливая, при необходимости, дистиллированную воду. Исходя из этого, малосурьмянистые АКБ правильнее будет отнести к малообслуживаемым, а не к необслуживаемым батареям.

К преимуществам малосурьмянистых аккумуляторных батарей можно отнести сравнительно малый саморазряд при хранении, низкую стоимость, а также их неприхотливость к электрическим параметрам бортовой сети автомобиля. Возникающие в бортовой сети перепады напряжения не оказывают существенных негативных влияний на параметры малосурьмянистой аккумуляторной батареи.
Этого нельзя сказать о более современных видах свинцово-кислотных аккумуляторов - кальциевых, AGM, гелевых, у которых в таких условиях характеристики могут сильно изменяться, причем иногда даже необратимо.

По этой причине малосурьмянистые аккумуляторные батареи лучше всего подходят для эксплуатации на автомобилях, в которых бортовая сеть не обеспечивается стабильным напряжением, в том числе, на автомобилях отечественного производства, которые еще нередко «грешат» этим недостатком.
Ну и, конечно же, цена аккумулятора – далеко не последнее требование потребителя, а малосурьмянистые АКБ являются самыми дешевыми среди свинцово-кислотных аналогов.

***

Кальциевые аккумуляторы

Применение сурьмы в составе аккумуляторных пластин позволяет увеличить их прочность, что для автомобильного аккумулятора немаловажно. Но, как указывалось выше, сурьма является причиной интенсивных электролизных процессов в аккумуляторе, сопровождающихся потерей воды из электролита.

Снизить это негативное явление можно не только отказом от применения сурьмы, но и использованием вместо нее более подходящего металла в решетках электродов. Подходящим для этих целей металлом оказался кальций (Са). Использование кальция вместо сурьмы позволило повысить напряжение начала электролиза воды в каждом аккумуляторе с 2 до 3,6 вольт, поэтому перезаряд для такой аккумуляторной батареи не грозит «обезвоживанием» электролита.

разновидности аккумуляторных батарей

В конструкции кальциевых аккумуляторов применяются кальциевые пластины, при этом не имеет значения, каким зарядом будут заряжаться - отрицательным или положительным. Аккумуляторные батареи данного типа часто имеют маркировку «Ca/Ca», что обозначает, что пластины обоих полюсов содержат в своем составе кальций.

Применение кальция в составе пластин позволило значительно снизить интенсивность электролизных явлений, сопровождающихся потерями воды из электролита по сравнению с малосурьмянистыми аккумуляторами. Потери воды за весь срок службы кальциевых батарей настолько мал, что практически отпадает необходимость в проверке плотности и уровня электролита в аккумуляторах. Таким образом, кальциевые аккумуляторные батареи имеют полное право называться необслуживаемыми.

Кроме того, кальциевые аккумуляторные батареи имеют относительно низкий уровень саморазряда - почти на 70% ниже, чем у малосурьмянистых АКБ. Благодаря этому кальциевые батареи дольше сохраняют свои эксплуатационные свойства при длительном хранении.

Иногда вместе с кальцием в состав пластин в малых количествах добавляют серебро, что позволяет уменьшить внутреннее сопротивление аккумуляторов. Это положительно сказывается на энергоемкости и КПД аккумуляторной батареи.

Не лишены кальциевые аккумуляторные батареи и недостатков.

Одним из главных минусов является плохая стойкость аккумуляторов данного типа к глубокому разряду. Достаточно три-четыре раза чрезмерно разрядить батарею, как необратимо снижается уровень ее энергоемкости, т. е. существенно уменьшается количество электрической энергии, которую батарея способна накопить в процессе заряда. В таких случаях кальциевую аккумуляторную батарею, как правило, выбраковывают.
Эксплуатируя кальциевую аккумуляторную батарею необходимо помнить, что несколько полных циклов разряда могут привести ее в полную негодность, что, с учетом ее высокой стоимости, приведет к существенным затратам на приобретение нового аккумулятора.

Кроме того, кальциевые аккумуляторы весьма чувствительны к перепадам напряжения в бортовой сети автомобиля, теряя эксплуатационные качества. Приобретая для автомобиля аккумуляторную батарею такого типа, необходимо убедиться в стабильности напряжения бортовой сети, исправности регулятора напряжения и генератора.

Существенным для потребителей минусом является более высокая цена кальциевых аккумуляторов по сравнению с сурьмянистыми. Тем не менее, этот недостаток с лихвой окупается надежностью и качеством таких источников тока, а также отсутствием необходимости в уходе за электролитом. При правильной эксплуатации кальциевая АКБ будет служить долго и надежно, не требуя от владельца никаких хлопот по обслуживанию и уходу.

Обычно кальциевые аккумуляторные батареи устанавливаются на автомобили, у которых в системе электрооборудования гарантированно поддерживается стабильное напряжение, т. е. на автомобили не ниже среднего ценового диапазона.

***

Гибридные аккумуляторы

В гибридных аккумуляторах для изготовления электродов применяются комбинированные пластины: положительные - малосурьмянистые, отрицательные - кальциевые. Иногда в состав свинцово-кальциевых пластин гибридных батарей добавляют небольшое количество серебра. Благодаря этому удается сочетать положительные качества и свойства обоих типов описанных выше аккумуляторных батарей – малосурьмянистых и кальциевых.

В результате такой «комбинации» электролизные потери воды из электролита у гибридных батарей почти в два раза ниже, чем у малосурьмянистых аккумуляторов, однако выше, чем у кальциевых. Существенным плюсом гибридных аккумуляторных батарей является высокая устойчивость к глубоким разрядам и перезарядам. Перепады напряжения в бортовой сети автомобиля тоже не оказывают на гибридные батареи столь пагубного влияния, как, например, на кальциевые АКБ.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что по эксплуатационным характеристикам гибридные аккумуляторные батареи занимают нишу между малосурьмянистыми и кальциевыми аналогами.

Выбор гибридной аккумуляторной батареи для недорогих и средних по стоимости автомобилей можно назвать самым оптимальным решением. Великолепно такие батареи подойдут и для автомобилей со «стажем», как импортных, так и отечественных. По понятным причинам, решающее значение на такой выбор оказывает оптимальное соотношение «цена-качество».

На корпусах гибридных аккумуляторов обычно наносится обозначение Ca+ или Ca/Sb.

***




Гелевые аккумуляторы

Гелевые аккумуляторы отличаются от своих свинцово-кальциевых «собратьев» тем, что в них применяется не жидкий, а гелеобразный (киселеобразный) электролит. Это позволяет значительно уменьшить проблему текучести электролита, содержащего чрезвычайно агрессивную серную кислоту. Не секрет, что небрежное отношение к аккумулятору или к его обслуживанию может явиться причиной опасных последствий при попадании пролитого электролита на кожу или в окружающую среду. Густой гелеобразный электролит лишен опасной текучести, свойственный классическим жидкостям.

Кроме того, гель препятствует осыпанию активной массы аккумуляторных пластин, удерживая ее у поверхности электродов, избавляя конструкторов от необходимости добавлять в свинец излишнее количество добавок (сурьму, кальций), повышающих прочность пластин.
Благодаря тому, что гель менее текучий, чем жидкий электролит, гелевые батареи не боятся наклонов и качки.

Для перевода электролита в гелеобразное состояние используют, так называемую, технологию GEL (Gelled Electrolite), которая заключается в добавке к жидкому электролиту соединений кремния.

классификация аккумуляторных батарей

Кроме отмеченных выше достоинств гелеобразного электролита, к существенным преимуществам гелевых аккумуляторных батарей можно отнести и другие положительные свойства.

У них низкая скорость саморазряда, благодаря чему их можно хранить долгое время без критического снижения напряжения между электродами.
Гелевые аккумуляторы отдают ток одинаковой силы вплоть до полного разряда и независимо от начальной степени заряда батареи. При этом они не боятся глубокого разряда, полностью восстанавливая свойства после заряда, и могут выдержать несколько сотен циклов заряд-разряд без существенного снижения эксплуатационных качеств. Этот тип аккумуляторных батарей относится к необслуживаемым, т. е. в процессе эксплуатации не нуждаются в уходе и повышенном внимании.

Не лишены гелевые АКБ и недостатков.

К таковым относится высокая чувствительность гелевых аккумуляторов к напряжению заряда - если процесс зарядки форсировать напряжением более 14 В, можно привести батарею в полную негодность. При заряде повышенным напряжением начинаются необратимые разрушения желеобразного электролита, электролит буквально «тает» и восстановить его будет невозможно. Кроме того, высокое зарядное напряжение способно привести к вспучиванию батареи.

С учетом того, что у многих автомобилей напряжение в бортовой сети изменяется в пределах 13...16 В, применять гелевые аккумуляторные батареи на них не рекомендовано.
По этой же причине для зарядки гелевых батарей предусматриваются специальные зарядные устройства, позволяющие осуществлять зарядку в щадящем режиме. Чтобы избежать неприятностей в виде непредвиденных расходов, заряд гелевого аккумулятора следует производить, изучив соответствующую инструкцию.

Гелевые аккумуляторы чрезвычайно чувствительны к короткому замыканию. Даже незначительное и кратковременное замыкание может полностью испортить батарею.

Существенным недостатком является чувствительность гелевого электролита к низким температурам. При значительном снижении температуры электролит еще больше густеет, что приводит к потере его качественных свойств и уменьшению реальной емкости аккумулятора.

Впрочем, сильный перегрев для гелевых АКБ тоже опасен, и может даже привести к взрыву батареи.

Высокая стоимость гелевых аккумуляторных батарей и их чувствительность к напряжению в бортовой сети являются основными причинами их редкого применения на автомобилях. Такие АКБ можно встретить лишь на дорогих авто престижных классов и на внедорожниках, которым часто приходится преодолевать неровности дороги и бездорожья.
Гелевые аккумуляторы нередко применяются в качестве источников тока на транспортных средствах, которые при движении подвержены тряске, раскачиванию и наклонам - на мотоциклах, морских судах, самолетах и т. п.

Несмотря на высокую стоимость, гелевые батареи не являются «вечными». Реальный срок службы на автомобиле может достигать 8…10 лет. При правильной эксплуатации в идеальных условиях гелевые аккумуляторные батареи могут прослужить до 12 лет.

Обычно гелевые аккумуляторы маркируются специальным знаком, в котором присутствует аббревиатура «GEL», обозначающая технологию его исполнения.

***

EFB аккумуляторы

EFB технология - это промежуточная ступень между классической АКБ и AGM.
Принципиальное различие EFB и AGM аккумуляторов заключается в том, что в AGM электролитом пропитаны маты из стекловолокна, то есть он практически не способен выливаться из батареи. В АКБ, выполненных по технологии EFB, жидкий электролит вместе с пластинами заключен в специальные конверты (индивидуальные емкости для каждой пластины), а не пропитан в стекловолокно.

Изначально EFB разрабатывались для системы «старт–стоп» («start-stop»), при которой двигатель автоматически глохнет и запускается манипуляцией водителем педалями тормоза и акселератора. Система «старт–стоп» в настоящее время обретает все большую актуальность и популярность, поскольку ее использование позволяет экономить топливо, снизить количество вредных выбросов и шум от работающего на холостых оборотах (во время остановок) двигателя.
Обычная свинцовая АКБ не выдерживает много стартов в течение относительно коротких поездок (например, по городу) с частыми остановками, а вот аккумуляторы EFB легко переносит такой режим. Они очень быстро заряжаются, поэтому генератор успевает компенсировать энергию, потраченную стартером при пуске двигателя.

Enhanced Flooded Battery в переводе с английского означает «улучшенная жидкозаполенная батарея». Свинцовые пластины в EFB значительно толще, чем в традиционных АКБ, что увеличивает их емкость и скорость зарядки. Каждая пластина заключена в отдельный конверт из специального микроволокна, заполненный жидким сернокислотным электролитом. Подобная мера помогает защитить поверхность пластин от сульфатации, а в случае осыпания активной массы - от короткого замыкания и преждевременного отказа аккумуляторов.

Аккумуляторы, изготовленные по технологии EFB, имеют следующие положительные свойства:

  • устойчивость к глубоким разрядам, после которых EFB способны восстанавливать емкость практически до 100%, в отличие от других типов свинцовых аккумуляторных батарей, теряющих при чрезмерном разряде до 5% ресурса;
  • способность работать в широком температурном диапазоне (от -50 до +60 °C);
  • пониженная коррозийная активность электролита при высоких температурах;
  • улучшенные показатели пускового тока, что немаловажно при частых пусках двигателя;
  • практически отсутствует испарение электролита в процессе эксплуатации;
  • способность переносить бόльшее количество циклов заряда-разряда без снижения эксплуатационных показателей.

Такие аккумуляторные батареи безопасны и практически не обслуживаемы. Подзаряжать их можно даже дома, поскольку электролит при этом не испаряется.

Если провести сравнение EFB и AGM аккумуляторов, как наиболее близких по конструкции, то первые отличаются следующими положительными качествами и свойствами:

  • увеличенная толщина каждой отдельной пластины, что благотворно сказывается на ресурсе батареи;
  • более высокая скорость накопления заряда (почти в полтора раза);
  • бόльшая надежность при режимах работы двигателя в условиях частых остановок;
  • меньшая стоимость (EFB примерно на треть дороже обычной свинцовой АКБ).

К числу недостатков EFB (в сравнении с AGM аккумуляторами) можно отнести меньшую отдаваемая мощность, что негативно сказывается при большом количестве потребителей электроэнергии. Кроме того, EFB не способны поддерживать технологию рекуперации энергии торможения.

***

AGM аккумуляторы

AGM аккумуляторные батареи являются разновидностью гелевых батарей и изготавливаются по усовершенствованной технологии. В них электролит тоже находится в гелеобразном состоянии, но, в отличие от аккумуляторов, изготовленных по технологии GEL, в AGM аккумуляторах, помимо кремниевых добавок в электролит, между пластинами располагают специальный пористый материал, выполненный из стекловолокна, дополнительно удерживающий гель и защищающий электроды от осыпания.

Аббревиатура «AGM» расшифровывается в буквальном смысле – «абсорбирующий (поглощающий) стекломатериал» (Absorbent Glass Mat). Этот тип аккумуляторов впервые начал применяться в 70-х годах прошлого века в качестве источников тока для стационарных систем бесперебойного электроснабжения. Эксплуатационные и технические характеристики гелевых аккумуляторов GEL и аккумуляторов AGM почти не отличаются.

Тем не менее, можно отметить ряд преимуществ и недостатков батарей этого типа в сравнении с гелевыми аккумуляторами.
Преимущества: меньшая стоимость, относительно низкая чувствительность к напряжению заряда, коротким замыканиям и температуре внешней среды.
AGM аккумуляторы, как и гелевые, не нуждаются в обслуживании (необслуживаемые).

Недостатки: меньшая долговечность по допустимому количеству циклов заряд-разряд (примерно в два раза), бóльшая чувствительность к глубокому разряду, более быстрый саморазряд.

Как и у гелевых аккумуляторных батарей, пластины электродов AGM изготавливаются из свинца с добавкой кальция (иногда с включением серебра).
Следует учитывать, что технические характеристики и требования к обслуживанию у разных моделей аккумуляторных батарей AGM и GEL могут существенно отличаться, поэтому следует внимательно ознакомиться с инструкцией по их эксплуатации, прежде, чем использовать по назначению.

Из-за низкой стоимости аккумуляторные батареи AGM получили более широкое применение, особенно в машинах и установках с большим периодом циклов заряда-разряда.

В обозначении аккумуляторов данного типа присутствует аббревиатура «AGM».

***

Щелочные аккумуляторы

В качестве аккумуляторного электролита может использоваться не только водный раствор кислоты, но и щелочной раствор. Аккумуляторы такого типа называют щелочными. В настоящее время конструкторами и разработчиками предложено множество конструкций щелочных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, но на автомобилях они широкого применения не нашли. Тем не менее, иногда можно встретить щелочную батарею в качестве источника постоянного тока системы электрооборудования на автомобилях, поэтому особенности их конструкции, достоинства и недостатки надо знать.

На автомобилях применяются щелочные аккумуляторы двух типов: никель-кадмиевые и никель-железные. Как можно догадаться из названий, основное отличие заключается в химическом составе пластин, образующих электроды аккумуляторов.

В никель-кадмиевой батарее положительные пластины покрыты гидроксооксидом никеля NiO(OH) (он же метагидроксид никеля или гидрат окиси никеля III), отрицательные пластины - сплавом кадмия и железа.

В никель-железной батарее положительные пластины покрыты тем же составом, что и в никель-кадмиевой батарее - гидроксооксидом никеля. Отличие заключается в составе отрицательных электродов - в никель-железных аккумуляторах они изготавливаются из чистого железа (Fe).

И никель-железные, и никель-кадмиевые аккумуляторы используют в качестве электролита раствор едкого калия (КОН).

Электроды в щелочных аккумуляторных батареях выполняются в виде тончайших гофрированных пластин, которые заполняются активной массой, а затем упаковываются в «пакеты». Это позволяет существенно повысить устойчивость аккумуляторов к вибрации.

В аккумуляторах щелочного типа количество пластин в положительных и отрицательных электродах не одинаково. В никель-кадмиевом типе аккумуляторов количество положительных пластин на единицу больше количества отрицательных пластин. В щелочных аккумуляторах с никель-железными пластинами, наоборот - на одну отрицательную пластину больше.

Еще один тип щелочных аккумуляторов - серебряно-цинковый аккумулятор. Анодом в таком аккумуляторе является оксид серебра в виде спресованного порошка, катодом - смесь окиси цинка и цинковой пыли. Электролит, как и у прочих щелочных аккумуляторов - раствор химически чистого гидроксида калия плотностью 1,4 без каких-либо добавок.
Серебряно-цинковые аккумуляторы отличаются очень малым внутренним сопротивлением и большой удельной энергоёмкостью (0,15 кВт×ч/кг, 0,65 кВт×ч/дм3). Одной из важнейших особенностей серебряно-цинкового аккумулятора является способность отдавать в нагрузку токи колоссальной силы (до 50 А на каждый А×ч ёмкости). Из недостатков следует отметить высокую стоимость. Применяются такие аккумуляторы в авиации, космосе, военной технике, часах и сложной бытовой технике.

Достоинства щелочных аккумуляторов

Щелочные аккумуляторные батареи обладают существенными положительными свойствами в сравнении с кислотными аккумуляторами:

Отсутствие электролиза воды в электролите.
Положительным свойством щелочных батарей является то, что в них при протекании химических реакций не расходуется электролит, или, если выразиться точнее – из электролита не «выкипает» вода в результате электролизных процессов. Поэтому в щелочных аккумуляторах можно не предусматривать излишки электролита, опасаясь его расходования, как это имеет место в кислотных аккумуляторах, где по понятным причинам приходится наливать электролит с некоторым запасом.

Сравнительно высокая удельная энергоемкость.
Удельная энергоемкость щелочных аккумуляторов выше, чем у кислотных аккумуляторов, т. е. на единицу собственной массы щелочные аккумуляторы способны накопить больше электрической энергии. Благодаря этому, при одинаковых весовых параметрах, щелочные аккумуляторы будут дольше отдавать ток, что особенно существенно при тяговом и стартерном режимах эксплуатации.

Хорошая переносимость глубоких разрядов.
Щелочная батарея может длительное время храниться в разряженном состоянии без потери эксплуатационных характеристик, чего нельзя сказать про кислотные аккумуляторные батареи.

Хорошая переносимость переразрядов.
Щелочные батареи относительно легко переносят перезаряд, губительно сказывающийся, например, на гелевых аккумуляторах.

Сравнительная стойкость к низким температурам.
Щелочные аккумуляторы стабильнее работают в условиях низких температур, обеспечивая относительно надежный запуск двигателей в зимнее время.

Относительно низкий саморазряд.
Интенсивность саморазряда щелочных аккумуляторов ниже, чем у кислотных, что тоже немаловажно.

Относительная безопасность и экологичность.
Щелочные аккумуляторные батареи менее опасны и более экологичны, чем их кислотные аналоги, поскольку выделяют меньше вредных веществ в окружающую среду при работе или при утечке электролита.

Недостатки щелочных аккумуляторов

Однако у щелочных аккумуляторных батарей имеются и недостатки в сравнении с аккумуляторами, использующими в качестве электролита водный раствор серной кислоты:

Сравнительно низкое напряжение между электродами.
Щелочные аккумуляторы выдают напряжение меньше, чем кислотные, из-за чего приходится объединять в батарею большее количество аккумуляторов для достижения нужного напряжения. По этой причине, при одинаковом напряжении, габариты кислотного аккумулятора будут меньше габаритов щелочного аккумулятора.

Щелочные аккумуляторы «страдают» так называемым «эффектом памяти». Это неприятное свойство аккумуляторов некоторых типов заключается в том, что при разряде аккумулятора до определенного уровня он «запоминает» предел, до которого был разряжен, и в следующий раз, при очередной разрядке, отдает энергию лишь до порога, который запомнил при последнем разряде. Таким образом, эффект памяти является серьезным недостатком, способным существенно уменьшить реальную емкость аккумулятора, даже если он вполне исправен.
Причиной проявления эффекта памяти является укрупнение кристаллических образований активного вещества аккумулятора и, как следствие, уменьшение площади активной поверхности его рабочего вещества.

Стоимость.
Щелочные батареи значительно дороже кислотных.

Область применения и перспективы

Щелочные батареи в настоящее время используются чаще в качестве тяговых аккумуляторов, чем стартерных, например, в электропогрузчиках, электрокарах и т. п. Из-за повышенных габаритов стартерные щелочные АКБ используются лишь на ограниченном количестве грузовых автомобилей. Что касается использования щелочных аккумуляторных батарей на легковых автомобилях – в настоящее время они не способны составить достойную конкуренцию свинцово-кислотным аккумуляторным батареям. Что будет дальше – покажет будущее.
В любом случае, усовершенствование конструкции щелочных аккумуляторов – направление перспективное, и разработки ведутся.

***

Литий-ионные аккумуляторы

На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы - самый популярный тип аккумуляторов для бытовых устройств. Пионером в разработке и применении таких аккумуляторов является знаменитая японская корпорация Sony (первые литий-ионные батареи были испытаны в 1991 г.).
Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) применяются в сотовых телефонах, цифровых фото- и видеокамерах, ноутбуках и электромобилях.
Несмотря на то, что бытовая техника и электромобили далеки по назначению и конструкции от автомобилей, оборудованных двигателями внутреннего сгорания с соответствующей системой электрооборудования, литий-ионные аккумуляторные батареи на сегодняшний день считаются наиболее перспективными для использования в качестве автомобильного источника электрического тока.

Как и другие источники тока, преобразующие химические процессы в электрическую энергию, литий-ионный аккумулятор состоит из электродов, собранных в пакеты и разделённых пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Катодный материал обычно выполняется на алюминиевой фольге, а анодный - на медной фольге. Пакеты электродов размещены в герметичном корпусе, выводы отрицательных и положительных электродов подсоединены к клеммам-токосъёмникам.
Поскольку литий-ионные аккумуляторы весьма чувствительны к перепадам температуры и зарядного тока, корпус обычно оснащается предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление в аварийных ситуациях.
Для обслуживания литий-ионных аккумуляторов применяются специальные устройства заряда-разряда.

Носителями электрического тока в аккумуляторах такого типа являются положительно заряженные ионы лития. Они способны внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, оксиды (LiMnO2) и соли (LiMnRON) металлов.

Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала.
Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем - каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать на значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-феррум-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью.
В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются следующие типы катодных материалов:

  • кобальтат лития LiCoO2 и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития;
  • литий-марганцевая шпинель LiMn2O4;
  • литий-феррофосфат LiFePO4.

Важнейшими достоинствами литий-ионных аккумуляторов являются:

  • Высокая удельная емкость (емкость на единицу массы).
  • Выдаваемое напряжение выше, чем у всех рассмотренных выше аккумуляторов - один элемент питания способен выдавать около 4 вольт.
    Для примера: напряжение одного элемента классической аккумуляторной батареи - примерно 2 вольта.
  • Низкий уровень саморазряда.
  • Литий-ионные аккумуляторы не подвержены пагубному влиянию «эффекта памяти».
  • Литий-ионные аккумуляторы не нуждаются в специальном периодическом обслуживании, т. е. относятся к необслуживаемым аккумуляторам.

Перечисленные положительные качества литий-ионных аккумуляторов делают их наиболее привлекательными для использования в качестве источника энергии электромобилей.

Тем не менее, присущие литий-ионным аккумуляторным батареям недостатки не позволяют в настоящее время массово использовать их вместо применяющихся сурьмянистых, кальциевых, гелевых и других типов батарей.
К таковым относятся:

Высокая чувствительность к температуре окружающей среды.
При отрицательных температурах резко снижается способность литий-ионных аккумуляторов отдавать энергию. Это одна из главных проблем, над решением которой в настоящее время трудятся многочисленные конструкторы и разработчики во всем техническом мире.

типы аккумуляторных батарей

Литий-ионные аккумуляторы крайне чувствительны к глубоким разрядам и высокому напряжению заряда.
Из-за превышения зарядного напряжения литий-ионный аккумулятор может загореться, поэтому в корпус батареи часто встраивают контроллер заряда аккумуляторов, который обеспечивает защиту от превышения напряжения заряда. Кроме того, контроллер может следить за температурой аккумуляторов, отключая его при перегреве во время зарядки, ограничивать глубину разряда и ток потребления.
Но такой защитой снабжаются далеко не все литий-ионные аккумуляторы; многие производители в борьбе за сбыт могут ее игнорировать, обеспечивая тем самым снижение себестоимости и низкую цену на рынке. При покупке литий-ионных аккумуляторов необходимо учитывать и этот фактор.

Число циклов заряда-разряда, которые способна вынести такая батарея без потери эксплуатационных характеристик и свойств тоже пока невелико – не более 600 циклов.

Литий-ионные аккумуляторы с течением времени теряют способность накапливать энергию – каждый год хранения батарея теряет до 10 % первоначальной емкости, особенно если аккумуляторы хранятся при положительных температурах.

Недостаточная мощность для использования в качестве стартерной батареи. Силы тока, выдаваемой литий-ионным элементом, хватает для питания электронных приборов, но недостаточно для пуска двигателя.

Большую роль в долговечности и исправной работе литий-ионного аккумулятора играет его правильная эксплуатация. Чтобы продлить срок службы батареи необходимо придерживаться следующих правил:

  • использовать для зарядки только специальные зарядные устройства литий-ионных аккумуляторов;
  • не допускать глубокого разряда литий-ионной батареи;
  • не заряжать аккумуляторную батарею вблизи источников тепла.

Не так давно был разработан и уже использован на практике более совершенный тип литий-ионного аккумулятора - литий-полимерный аккумулятор (Li-pol или Li-polymer). В качестве электролита в нем используется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя.
Используемые в мобильных телефонах и цифровой технике литий-полимерные аккумуляторы не способны отдавать большой ток, но существуют специальные силовые литий-полимерные аккумуляторы, которые способны отдавать ток в десятки раз превышающий численное значение ёмкости.

Тем не менее, современные литий-ионные аккумуляторы и аккумуляторные батареи пока еще далеки до совершенства, соответствующего требованиям к подобным источникам электроэнергии. По этим причинам в настоящее время такие батареи используются, преимущественно, для обеспечения питанием различной мобильной электроники и измерительных приборов. Если разработчикам удастся избавить литий-ионные аккумуляторы от описанных выше недостатков, они с успехом заменят свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, вытеснив их с лидирующих позиций.

***

Аккумуляторы будущего

Работы по совершенствованию видов аккумуляторных батарей ведутся в следующих основных направлениях:

  • увеличение удельной энергоёмкости (емкость на единицу массы);
  • снижение стоимости;
  • уменьшение трудоемкости обслуживания и эксплуатации;
  • уменьшение массы, габаритов и гибкость формы;
  • улучшение технологических качеств и свойств: прочности, стойкости к различным внешним воздействиям, в т. ч. - температурным, неприхотливости к хранению, малая чувствительность к колебанию и амплитуде напряжений при заряде и разряде;
  • повышение безопасности и экологичности.

***

Неисправности аккумуляторных батарей



Главная страница


Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты