Типы свинцово-кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотный аккумулятор – это вторичный гальванический элемент, электроды которого изготовлены из свинца, а электролитом служит раствор серной кислоты (H₂SO₄) концентрацией около 35% в полностью заряженном состоянии. 

В современных моделях этот раствор либо пропитывает стекловолоконную вату (технология AGM), либо преобразуется в гелеобразную форму для повышения надёжности и устойчивости конструкции.

Свинцовые аккумуляторы, являющиеся наиболее распространёнными в мире, перерабатываются с эффективностью 99%, что делает их использование частью экономики замкнутого цикла. В отличие от них, уровень утилизации литиевых аккумуляторов (Li-Ion, Li-Pol) на глобальном уровне составляет всего 1%.

Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретён в 1859 году французским физиком Гастоном Планте (Raimond Louis Gaston Plante), исследователем в области земного магнетизма и электрических явлений в атмосфере. Его открытие стало результатом экспериментов с электролизом водного раствора серной кислоты с применением свинцовых электродов.

В установке для проведения электролиза Планте использовал два последовательно соединённых элемента Бунзена, представляющих собой цинково-углеродные первичные элементы, где цинковый анод погружён в разбавленную серную кислоту, а углеродный катод находится в азотной или хромовой кислоте, разделённые пористым горшком; такая конструкция обеспечивала напряжение 3,6–3,8 В.

Перед экспериментом поверхность свинцовых электродов окислялась на воздухе, покрываясь слоем оксида свинца (II).

В процессе электролиза в 10%-ном растворе серной кислоты Планте фиксировал интересные явления:

• На катоде происходило восстановление оксида свинца (II) до металлического свинца, с выделением водорода. Поверхность электрода приобретала синевато-серый цвет.
• На аноде наблюдалось окисление оксида свинца (II) до оксида свинца (IV), с выделением кислорода и изменением цвета поверхности на коричневый.

В результате этих реакций между электродами при разомкнутой цепи возникала разность потенциалов, превышающая 2 В. Таким образом, Гастон Планте создал первый заряженный свинцово-кислотный аккумулятор.

При замыкании цепи аккумулятор разряжался, отдавая накопленную энергию.

Позднее русский инженер Николай Николаевич Бенардос усовершенствовал аккумуляторы, предложив использовать губчатый свинец для их изготовления, что значительно увеличило ёмкость устройств. Бенардос, автор около 200 изобретений, получил мировую известность благодаря созданию электрической дуговой сварки – идея, к которой его привели эксперименты с аккумуляторами, первоначально применяемыми для электрического освещения.

Сегодня свинцово-кислотные аккумуляторы представлены в нескольких разновидностях. Они делятся на:

• Жидкостные (обслуживаемые) – традиционные модели с жидким электролитом.
• Герметичные с клапанным регулированием (VRLA) – более современные конструкции, включая аккумуляторы с пропиткой электролита в стекловолокне (AGM) и с гелеобразным электролитом.

В дальнейшем рассмотрим четыре основных типа современных свинцово-кислотных аккумуляторов и их особенности.

Жидкостный свинцово-кислотный аккумулятор – это классический и наиболее экономичный вариант среди современных свинцово-кислотных батарей. В качестве электролита используется водный раствор серной кислоты с плотностью от 1,2 до 1,3 г/см³.

Такие аккумуляторы состоят из 3 или 6 последовательно соединённых ячеек. Напряжение на каждой ячейке в полностью заряженном состоянии составляет от 2,11 до 2,17 В, что даёт итоговые 6,3 В или 12,6 В для трёх- или шести-ячейковой батареи.

Электроды ячеек представляют собой свинцовые конструкции: катоды заполнены металлическим свинцом, а аноды – оксидом свинца. Чтобы предотвратить контакт между электродами, внутри каждой ячейки установлен сепаратор из пористого полимерного материала.

Особенности эксплуатации: 

• Обслуживание. Раз в сезон аккумулятор требует проверки и, при необходимости, доливки дистиллированной воды. В случае перезаряда может понадобиться добавить жидкий электролит. Для контроля плотности электролита используется ареометр.
• Уровень электролита. Пониженный уровень или повышенная плотность электролита снижают срок службы аккумулятора. Регулярное разбавление водой также может негативно повлиять на долговечность.
• Разряд. Недопустимо снижать напряжение ниже 1,75 В на ячейку, так как это приводит к сульфатации пластин и уменьшению ёмкости. Рекомендуется разряжать не более чем на 50% от номинальной ёмкости.

Для предотвращения сульфатации неиспользуемые аккумуляторы следует регулярно подзаряжать и проверять плотность электролита.

Ярким примером жидкостного свинцово-кислотного аккумулятора является стартерная батарея автомобиля. В процессе работы аккумулятор должен находиться в строго вертикальном положении, так как электролит находится в жидкой форме и может вылиться.

При соблюдении нормальных условий эксплуатации и умеренного режима разряда аккумулятор способен выдерживать до 500 циклов заряда-разряда. Зарядное напряжение составляет 14,4–14,5 В.

Использованные аккумуляторы следует размещать в специально отведённых местах для дальнейшей утилизации или переработки.

В сравнении с классическими жидкостными аккумуляторами, усовершенствованные модели отличаются увеличенной толщиной пластин и более плотными сепараторами, часто изготовленными из стекловолокна. Эти особенности обеспечивают повышенную долговечность и производительность.

Улучшенные аккумуляторы используются как экономичный вариант в микрогибридных автомобилях, катерах, системах автономного электропитания, а также в качестве модернизированной версии стандартных автомобильных стартерных батарей.

Преимущества:

• Устойчивость к нагрузкам. Такие аккумуляторы способны выдерживать более интенсивные и частые циклы «старт-стоп», что делает их идеальными для современных транспортных средств с высоким энергопотреблением.
• Долговечность. Рабочий ресурс увеличен вдвое по сравнению с классическими жидкостными аккумуляторами и может достигать до 1000 циклов.
• Допустимый разряд. Эти батареи допускают разряд до 40% от номинальной ёмкости без существенного снижения срока службы.

Зарядные устройства для улучшенных моделей используют то же напряжение, что и для стандартных жидкостных аккумуляторов — 14,4–14,5 В.

Гелевые свинцово-кислотные аккумуляторы относятся к категории герметичных и необслуживаемых устройств.

Основное отличие от традиционных жидкостных аккумуляторов заключается в том, что электролит здесь представлен в форме геля. Это достигается за счёт добавления кремниевых соединений в раствор серной кислоты, благодаря чему электролит становится устойчивым к утечкам и не плещется внутри корпуса.

По своим параметрам гелевые аккумуляторы практически идентичны жидкостным:

• Ресурс: около 500 циклов заряда-разряда.
• Допустимый разряд: до 50% от номинальной ёмкости без значительного снижения срока службы.

Гелевые аккумуляторы отличаются большей устойчивостью к внешним воздействиям. Они могут работать в любом положении, включая наклонное, что делает их более универсальными и удобными в эксплуатации по сравнению с жидкостными аналогами.

AGM (Absorbent Glass Mat) – это технология, использующая абсорбирующие стеклянные маты, которые одновременно выполняют роль сепараторов. Такой подход делает AGM-аккумуляторы наиболее долговечными среди герметичных необслуживаемых свинцово-кислотных батарей.

Электролит в AGM-аккумуляторах остаётся жидким, но полностью впитывается в пористую структуру стекловолоконных матов за счёт капиллярных сил. Это предотвращает утечку и позволяет использовать батареи в любом положении.

Благодаря высокой проводимости стеклянных матов, такие аккумуляторы обеспечивают зарядные и разрядные токи, которые в 5 раз превышают показатели традиционных жидкостных батарей. Пористая структура также позволяет газам, образующимся в процессе работы, свободно перемещаться внутри батареи, а система клапанов поддерживает стабильное давление в корпусе.

Преимущества AGM-аккумуляторов:

• Высокая производительность. 
• Длительный ресурс: срок службы достигает 1000 циклов.
• Глубокий разряд: допускается снижение заряда до 20% от номинальной ёмкости без ущерба для долговечности.
• Универсальность: аккумуляторы можно эксплуатировать в любом положении.

Для зарядки AGM-батарей рекомендуется использовать автоматические зарядные устройства, чтобы избежать перезаряда, который может привести к выделению водорода и повышению внутреннего давления. Контроль процесса осуществляется путём мониторинга напряжения на клеммах.

Полной герметичности корпуса у AGM-аккумуляторов нет, чтобы исключить риск взрыва при избыточном давлении. Это особенно важно при возможной перезарядке, когда выделяется водород.

Свинцово-кислотные аккумуляторы остаются одним из самых востребованных источников энергии благодаря своей надёжности, доступности и высокой перерабатываемости. Современные технологии, такие как AGM и гелевые аккумуляторы, значительно расширили их возможности, предлагая улучшенные характеристики и универсальность использования. Каждый тип аккумуляторов имеет свои преимущества и особенности, что позволяет выбрать оптимальное решение для конкретных задач – от автомобильных стартеров до систем резервного электропитания. Независимо от выбранной технологии, соблюдение правил эксплуатации и своевременное обслуживание обеспечат долгий срок службы и максимальную эффективность устройства.

Свинцово-кислотные аккумуляторы по-прежнему пользуются огромной популярностью благодаря своей надёжности, доступной цене и возможности почти полной переработки. Новые технологии, такие как AGM и гелевые версии, сделали их ещё лучше: теперь они обладают большей универсальностью и отличными характеристиками. Каждый вариант имеет свои плюсы, так что всегда можно подобрать подходящий аккумулятор –для автомобиля, катера или системы резервного питания. Главное – соблюдать рекомендации по эксплуатации и время от времени проверять их состояние, чтобы батарея работала долго и эффективно.