Устройство и принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

Основная доля на рынке по-прежнему остается у свинцово-кислотных аккумуляторов. Это обусловлено простотой конструкции и невысокой ценой. Применяемых в них принцип используется многие десятки лет, но со временем он претерпевает разные изменения по увеличению емкости, росту энергетических характеристик и долговечности. Так, например, введение в свинцовый сплав легирующих добавок привело к росту многих практических показателей. Рассмотрим подробнее свинцовый аккумулятор и разберемся с особенностями его работы на химическом и физическом уровнях.

Конструкция АКБ

Устройство свинцово-кислотного аккумулятора не является загадкой. Условно в его конструкции имеется всего три компонента. Это корпус, энергетические ячейки и электролит, но, казалось бы, такое простое устройство постоянно изменяется, водятся какие-то добавки и дополнительные элементы, способствующие росту характеристик. Рассмотрим более подробно, из чего состоит аккумулятор:

1. Снаружи имеется защитная герметичная оболочка, изготовленная из прочного кислотостойкого пластика. Внутри она разделена на отсеки, в каждой из которых находится электродная пара. Для повышения прочности корпус оснащен внутренними ребрами жесткости. Он должен быть герметичным, так как внутренняя среда способна сильно навредить окружающей. В самых бюджетных модификациях аккумуляторов типа WET также присутствуют пробки для доливки жидкости.
2. В каждой ячейке находятся электродные решетки. Они представляют собой пары разнополюсных пластин, которые чередуются. Положительные и отрицательные закреплены к токовым шинам. Электроды — в виде решеток с окном определенного размера и формы. В ранних моделях батарей их изготавливали методом литья под высоким давлением. В современных для введения легирующих добавок их производят методом штампования и ковки. Введение сурьмы и кальция увеличили стойкости к глубоким разрядам, отдачи высоких токов и продлению срока службы.
3. В электродных решетках содержится активная паста. На положительных — оксид свинца, на отрицательных — губчатая свинцовая масса. Активная паста накапливает заряд и обеспечивает свободное перемещение электронов между пластинами. Один из электродов изолировано сепаратором, необходимый для исключения возникновения короткого замыкания между банками, когда начнет обсыпаться активная паста.
4. В конструкции свинцового аккумулятора имеется 6 энергетических ячеек, которые соединены последовательно. Это сделано для того, чтобы получилось требуемое напряжение 12 В, потому что одна ячейка выдает всего 2 В. Токосъемные электроды вынесены в крышку корпуса батареи. Могут быть в виде конусовидных клемм, лепестков, болтов или углублений под болты. В зависимости от страны производителя и первоначального назначения, АКБ могут быть оборудованы клеммами сверху или на боковой стороне.

Особенности корпуса

Корпус, как и конфигурация клемм, бывает нескольких типов в зависимости от того, для какой машины страны был изготовлен источник постоянного тока. Можно разделить:

• на американские с резьбовыми клеммами;
• европейские с технологическим выступом для фиксации на штатном месте в нижней и верхней части;
• азиатские без выступов и клеммы выступают за пределы крышки, что указывает на особенности подключения батареи.

В моделях EFB-типа, это усовершенствованные классические свинцово-кислотные аккумуляторы, применена технология рециркуляции испарений электролита. Сам при этом источник тока считается необслуживаемым, то есть в него не нужно добавлять жидкость. Обычно электролит испаряется во время заряда батареи постоянным током или при потреблении больших токов. Это приводит к нагреву, и кислота начинает испаряться. Поднимаемый пар оседает на внутренней стороне крышки и охлаждается там, обратно сворачиваясь в жидкость и возвращаясь обратно в корпус.

На случай, если внутреннее давление критически возрастет, автоматически откроется спускной клапана. Он есть не на всех моделях батарей, но на всех современных источниках. Его наличие позволяет исключить возникновение аварии в случае перегрева или перегрузки.

Легирование пластин

В общем, конструкция всех модификаций свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторов одинаковая. Это касается как стартерных, так и тяговых с большими рабочими токами, которые могут генерироваться в течение длительного времени. Несовершенство первой свинцово-кислотной аккумуляторной батареи было связано со множеством проблем:

• коррозия электродов;
• высокая чувствительность к глубоким разрядам;
• саморазряд;
• утечка электролита и его проникновение опасных испарений в окружающую атмосферу;
• малый срок службы и др.

Все это искоренить, конечно, не получается по многочисленным причинам, но несколько продлить срок эксплуатации АКБ, увеличить отдаваемый ею ток реально. Для этого разработчики стали экспериментировать с составом активной пасты, конструкцией электродов и сплавом, из которого они изготовлены.

В результате проб и ошибок было определено, что в сплав следует добавлять сурьму и кальций. Такой источник получил название гибридный. Сурьма снизила чувствительность к глубоким разрядам, а кальций продлили срок службы, так как он препятствует разрушению свинца. А для получения больших токов в производстве аккумуляторов применяют чистый свинцовый сплав. Чем меньше в нем примесей, тем больше энергии, но в чистом виде он разрушается быстрее.

Применяют следующие типы легирования:

• сурьма-свинец;
• сурьма-кальций;
• кальций-кальций;
• серебро-кальций.

Электродные решетки изготавливают цельнолитыми, то есть, льют в форму под высоким давлением и штампованными. В первом случае из-за высоких температур возможно легирование только добавление сурьмы. Она придает пластинам повышенную прочность и при ее введении электролит начинает закипать уже при 12 В. Для продления срока службы и сохранения высоких токов отдачи в свинцовый сплав стали добавлять кальций.

Такие решетки производятся преимущественно методом штампования. Второй электрод остается сурьмянистым. Комбинация металлов увеличивает срок службы и отдаваемее токи. Так, например, обычной свинцово-кислотный аккумулятор с сурьмянистым легированием работает не более 3 лет. Аккумуляторы с кальцием и сурьмой служат вдвое дольше, поэтому и дороже.

Электролит

В свинцово-кислотных аккумуляторах производители применяют 3 типа электролита в зависимости от его состояния:

1. Жидкий — привычный всем раствор серной кислоты. Батареи токсичны при зарядке и опасны при аварии, так как кислота попадет в окружающую атмосферу.
2. В капиллярном виде в абсорбере. Он представляет собой пористый материал со множеством пустот, которые заполняются кислотой. Так как материал пропитан, то даже при повороте источника постоянного тока вверх ногами батарея не перестанет работать.
3. Гелеобразный — тип электролита в виде оксида кремния. Это густая малоподвижная масса, которая надежно обволакивает пластины со всех сторон, обеспечивая максимальный контакт и токоотдачу. Именно поэтому эти батареи обладают самыми высокими пусковыми токами и огромным сроком службы. Производитель заявляет о 12 годах работы.

Принцип работы

Работа автомобильного свинцово-кислотного аккумулятора основан на двойном преобразовании. В процессе зарядки электрическая энергия в виде тока и напряжения преобразуется в химическую. Во время штатной работы процесс оборачивается, и химическая реакция выделяет ток на зажимах при замыкании цепи. Во время заряда происходит процесс восстановления пластин АКБ и заполнения пустых ест в активной пасте положительно заряженными на плюсовом контакте и отрицательно заряженными частицами на минусовом.

Когда пользователь смыкает цепь, начинается преобразование химической энергии в электрическую, то есть, положительные частицы переходят на отрицательную обкладку с выделением определенного количества энергии через нагрузку. Величина этой энергии и ток зависят от сопротивления в нагрузке.

Пластины

Казалось бы, такая часть АКБ, как электродная пластина, может разнится от одной линейки батареи к другой. Существует две основных технологии производства пластин, но также есть и разные архитектурные решения, которые неизбежно влияют на работу батареи в целом. Простая прямоугольная решетка уже давно не используется. Применяют лучевые конструкции, так как при такой конфигурации токи лучше распределяются по пластине, обеспечивая ее равномерную выработку. В производстве применяются следующие технологии:

• Expandet metal — штамповка с просечкой и вытягиванием;
• Power Frame — в конструкции таких пластин присутствует опорная рамка, внутри которой находятся тонкие жилки.
• Power Pass — в такой архитектуре вертикально расположенные жилки направлены к ушкам пластин.
• Chess Plate — применена шахматная архитектура устройства пластин.

Что такое сульфация?

Важно знать о том, что свинцово-кислотные аккумуляторы со временем изнашиваются. В них появляется выработка, а на пластинах возникают различные наросты. Одним из подобных состояний является сульфация пластин. Он возникает в результате окисления активной пасты в результате длительного нахождения в разряженном состоянии. Белый налет становится настоящим диэлектриком, через который электроны неспособны просочиться. Данное состояние присуще батареям, которые регулярно разряжаются до 80% от начального состояния и долго находятся в таком виде. Существует технология удаления этого налета. Она заключается в зарядке импульсными зарядными и разрядными токами.