Какие типы аккумуляторов существуют. Виды современных аккумуляторов для автомобилей и перспективы развития

Сегодня встречаются различные виды аккумуляторов. Наиболее важными показателями АКБ является емкость, количество циклов заряда – разряда, внутренняя начинка.

Типы аккумуляторов

Батареек определяются материалами, применяемыми при их изготовлении.

Свинцовые элементы

Свинцовый элемент

Корпус герметичный. Внутри вместо жидкости иногда применяется гель. Есть клапаны для выхода газов. Сейчас такого рода АКБ встречаются реже, однако до сих пор АКБ такого типа выпускаются.

Достоинства:

• Невысокая стоимость.
• Неплохая переносимость низких температур.

Недостатки:

• Не являются полностью герметичными, несмотря на название – чаще всего необходимо эксплуатировать в строго вертикально.
• Имеются выделения щелочных или кислотных паров – не стоит использовать в невентилируемых помещениях.
• Нельзя заряжать до предела – кипение жидкости приводит к выходу из строя.
• Низкий заряд приводит к резкому сокращению емкости.

Никелевые АКБ

Никель-кадмиевые аккумуляторы

У никель-кадмиевых батарей наблюдается «эффект памяти», то есть если вы не полностью разрядили аккумулятор, то он заряжается только до уровня последней зарядки. То есть он как бы запоминает уровень последнего заряда, с которого его заряжали. Чтобы «стереть» память такого аккумулятора, никель-кадмиевые аккумуляторы надо обязательно полностью разряжать перед зарядкой, если вы хотите быть уверенным, что он зарядится полностью, а не, например, на 80 процентов.

Хранить их лучше в примерно с 40 % заряда, по причине необратимых изменений в случае длительного разряженного состояния.

Достоинства:

• Низкая цена.
• Возможность скоростной зарядки.
• Сохраняет емкость даже при – 20°C.
• Количество циклов заряда – до 1000.

Недостатки:

• Специальная система зарядки, предусматривающая полный разряд.
• Содержат токсичный кадмий.
• В течение первых 24 часов может потерять 10 % заряда.
• В течение первых 30 дней теряет до 20 % емкости.

Долго хранившиеся АКБ необходимо подзаряжать с помощью 5 циклов, чтобы они пришли в норму.

Другой вид – АКБ на основе никеля и металл гидридов.

NI-MH аккумулятор

Преимущества:

• Менее токсичные, чем содержащие кадмий.
• АКБ Ni-Mh «эффекта памяти» не имеет или он у них мало выражен.
• Хранится с полным зарядом. В случае длительного хранения заряжайте ежемесячно.
• Имеют на 50 % большую емкость чем на основе кадмия.
• Некоторые имеют отметку LSD (low self-discharge), то есть очень медленно разряжающиеся.

Недостатки:

• Выше стоимость.
• Саморазряд больше, чем у тех что содержат кадмий – могут разрядиться в течение нескольких месяцев хранения.
• После 200-300 циклов разряда емкость начинает снижаться.
• Срок службы меньше чем у аккумуляторов, содержащих кадмий.

Аккумуляторы на основе лития

Выпускаются различные типы производимых литиевых аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы (li ion)

Набирающие популярность АКБ. НЕ допускают полного разряда, поэтому некоторые модели выпускаются с защитой от полного разряда.

Li- Ion с защитой и без

Достоинства:

• Практически нет «эффекта памяти» – можно заряжать в любом состоянии.
• Высокая емкость, легкие, поэтому получила распространение также в автомобилестроении, где соотношение веса и мощности АКБ сильно влияет на дневной пробег.
• Медленно разряжаются – в среднем до 3 % в первый месяц, и 1% в последующие месяцы.
• Скоростная зарядка почти не вредит дальнейшей эксплуатации.
• Цены постепенно падают.

Недостатки:

• Все типы существующих плохо переносят холод. Ниже 0 емкость резко падает.
• Дороже чем АКБ Ni htm и ni-cd.
• Имеют тенденцию к взрыву при неправильной зарядке.

Заряжать их рекомендуется уже при половинном заряде. Чем больше циклов заряда-разряда – тем меньше работают батареи. Отсюда вывод – старайтесь не допускать полного разряда. Держите эти аккумуляторы, по возможности, максимально заряженными – это обеспечит их длительную работу. Например, используя ноутбук, держите его всегда включенным в розетку. Ноутбук станет питаться током от сети, а аккумулятор будет использоваться реже, например, в дороге, или там, где действительно необходимо автономное питание.

Некоторые даже снимают батареи с ноутбуков, предварительно зарядив их, и хранят отдельно, чтобы увеличить срок службы батареи. Однако у такого метода имеются свои недостатки – ноутбук, в случае отключения света или если хозяин забыл правильно завершить работу операционной системы, может не сохранить важные данные. Это также негативно сказывается на операционной системе. В любом случае приходится периодически ставить аккумулятор на зарядку, чтобы уровень заряда был по возможности выше 50 %.

Разновидности литиевых АКБ

Литий-полимерные АКБ

Некоторые из них являются полностью сухими, а поэтому долговечными и менее пожароопасными. Их характеристики лучше при относительно высоких температурах. Поэтому их часто предпочитают использовать в жарком климате.

Литий-ионный полимер

Литий-ионный полимерный аккумулятор

Производители в большинстве случаев все же добавляют гель внутри АКБ. Название батареи остается таким же, как и у полностью сухих – Li-Polymer, хотя правильней было бы литий-ионные полимерные АКБ. Их чаще всего используют в телефонах и ноутбуках.

Различия в таких АКБ определяются, прежде всего, материалом катода. Материал катода можно узнать по второй букве в названии АКБ. Например:

• C - с кобальтом. Такие АКБ имеют самое большое значение емкости.
• M - с марганцем. Емкость меньше, зато имеют максимальный разрядный ток, то есть их лучше применять там, где нужна большой ток отдачи.
• F - железо – фосфатные. Имеют ёмкость меньше, как и отдаваемый ток, зато можно перезаряжать больше 1000 раз и за 1 час.

Достоинства:

• Уменьшенные размеры и вес – толщина может достигать миллиметра при незначительном весе.
• Возможность сгибания.
• Достаточно высокая емкость.

Недостатки:

• Недопустим глубокий разряд.
• Стоимость выше обычных.

Li-Fe

АКБ литий-железосульфитные имеют высокие количества перезарядки – до 2000, быстро заряжаются – 15 мин, большой ток отдачи – 60-130 А. Хорошо работают при температуре -30 С, требуют особого зарядного устройства, и имеют больший вес чем обычные. Цены пока высокие.

Литий-железосульфитный

Как определить наиболее предпочтительный тип аккумулятора

Прежде всего определите, что для вас наиболее важно, а что нет. Если вес и размеры не имеют значения, а цена имеет – берите свинцовые АКБ. Они громоздки, но наиболее дешевы. Если вам важны размер, вес и цена – берите никелевые АКБ. Если нужна компактность и высокая отдача, а цена второстепенна – берите литиевые АКБ. Самые мощные - Li-Fe АКБ. Но и достаточно дорогие.

Виды аккумуляторов

Виды производимых аккумуляторных батареек различаются значительно. Рассмотрим наиболее популярные типоразмеры.

Типоразмер «AA»

Напряжение 1,2V, длина 50,5 мм, диаметр 13,5-14,5 мм. Обычно называют «пальчиковыми».

Типоразмер «AAA»

Напряжение 1,2V, длина 44,6 мм, диаметр 10,5 мм. Часто называют «мизинчик».

Типоразмер «16340»

3,7V, длина 35 мм, диаметр 17 мм.

Типоразмер «18500»

3,7V, длина 35 мм, диаметр 18 мм.

Типоразмер «18650»

3,7V, длина 67 мм, диаметр 18 мм.

Также обозначаются 168A. Формой напоминает АА или ААА, однако больше в размерах. 18650 обычно в пределах 2200-4000 мАч. Зарядка аккумулятора осуществляется подачей напряжения 0,05 В, а заканчивается напряжением 4,2 В. Рекомендуемая сила тока 0,5 А. В отдельных случаях, если надо зарядить АКБ срочно – допускается напряжение максимум 1 А. Время заряда – 3 часа. Большее время вызывает перегрев. Разумеется, все эти операции должно выполнять зарядное устройства. Поэтому так важно правильно выбирать зарядку.

Типоразмер «26650»

Напряжение 3,6 V, длина 68-72,5 мм, диаметр 26,5 мм.

Некоторые модели обещают 1500 циклов заряд/разряд. После этого срока емкость батареи падает до 80 %. Используется в устройствах где требуется мощный источник питания.

Типоразмер «32650»

Напряжение 3, 7 V, длина 68мм, диаметр 33 мм.

В большинстве случаев выпускается уже с платой защиты. Вес до 150 гр.

Типоразмер «R14/LR14» или «Элемент С»

«Элемент С»

Напряжение 1.5 V, длина 50мм, диаметр 26,2 мм.

Видом напоминает маленький бочонок. Масса обычно около 37 граммов.

Типоразмер «R20/LR20» или «Элемент D»

Напряжение 1.5 V, длина 61,5 мм, диаметр 34,2 мм.

Похож на большой бочонок, масса обычно от 66 до 141 граммов. Батарейки такого типоразмера (иногда называют «тип d»), стали выпускаться одними из первых в мире – первые образцы были выпущены в 1898 году будущей компанией «Energizer».

Типоразмер PP3 («Крона 9v»)

Аккумулятор такого типа как крона получил название благодаря популярному в СССР названию батарейки.

Напряжение 9V, размеры: 48,5 мм × 26,5 мм × 17,5 мм.

Масса 53 граммов. Емкость – 120 мАч – 700 мАч. В некоторых моделях имеется возможность зарядки током 4,5-5,5 в с помощью встроенного преобразователя тока.

Тип АКБ «Без корпуса» или «гибкие» батареи

Батареи без корпуса

Напряжение 4.5- 6 V, размеры от 3x10x12мм до 5x120x130мм.

Многие говорят, что такая АКБ скорее напоминают не батарейку, а завтрак космонавта в металлической фольге. Однако они удобны во многих случаях, когда устройство компактное, отсек АКБ имеет сложное строение.

Зарядные устройства

Бывают нескольких типов:

• Для одного размера батареек или для разного типа батарей.
• Специализированные – для батарей, например, на основе никеля или лития, или универсальные - для любого вида батарей.
• Для обычного, то есть медленного заряда, и скоростного, или суперскоростного заряда.
• С различными таймерами и системами регулировок заряда.

Нормальное зарядное устройство должно уметь:

1. Быстро заряжать током более высокого напряжения, чем отдаваемый аккумулятором.
2. Правильно контролировать сам процесс заряда. То есть по мере заряда снижать силу заряжаемого тока.
3. Уметь заряжать как сильным током для быстрой зарядки в случае срочной необходимости использовать аккумулятор, так и слабым током, в случае если необходимо аккумулятор заряжать медленно и бережно. Ведь чем медленнее заряжается аккумулятор, тем меньше греется и менее склонен к быстрому сокращению срока службы.
4. Заряжающее устройство должно уметь отключать автоматически зарядку.

Хорошее заряжающее устройство обычно может заряжать совершенно различные виды аккумуляторов – например, «пальчиковые» («АА»), «ААА», «186502», аккумуляторы типа «крона», в общем как можно больше типов аккумуляторов.

1. При прочих равных условиях выбирайте с более высокой емкостью. Это позволит устройству работать дольше, циклов будет меньше, а, следовательно, срок службы выше. Кроме случаев, когда АКБ с наибольшей емкостью стоит неадекватно дорого, что иногда бывает при выпуске новых моделей. На калькуляторе легко рассчитать какое соотношение емкости и цены наиболее выгодно. Даже если соотношение цена – емкость немного хуже, предпочтительнее брать АКБ с большей емкостью – все компенсируется меньшим количеством циклов заряда.

К примеру, рассмотрим устройство 8.

Оно имеет следующие возможности:

• зарядка АКБ разной емкости;
• регулировка тока на разных АКБ;
• защита, если вставите батареи наоборот, перепутав плюс с минусом;
• защита от высокой температуры;
• отключение после достижения полного заряда;
• настройка включения и выключения по расписанию;
• перезарядка старых АКБ;
• быстрая зарядка;
• умеет работать с никель-кадмиевыми батарейками с «памятью»;
• дополнительный разъем для питания от аккумулятора автомобиля на 12 вольт.

Приобретайте высококачественные устройства зарядки – это того стоит. Желательно вообще приобретать аккумуляторы и зарядные устройства одной и той же фирмы. Часто они предлагаются в комплекте – и аккумуляторы и зарядное устройство вместе – что является идеальным вариантом. В дальнейшем покупайте АКБ той же фирмы и того же внутреннего строения и проблем с зарядкой АКБ у вас не будет никогда.

Можно смело покупать известные бренды Америки (Duracell, Energizer, Kodak). Японии (SONY, MAXELL, Sanyo, National, Panasonic, Toshiba, TDK), Европы (PHILIPS, VARTA), Кореи (Samsung, LG, TEKCELL, DAEWOO). Место, где изготовлены аккумуляторы, особо значения не имеет. Обычно это Китай.

Главное, не купить подделку. Отличить ее можно прежде всего необычайно низкой ценой, низким качеством исполнения типографской печати, отсутствием мелкой структуры, плохой заделка швов, короткой гарантией и так далее. В последнее время Китай также наладил производство неплохих аккумуляторов, но здесь надо различать «фабричных» и «кустарных» изготовителей. «Фабричные» не подделывают известные бренды, а продвигают свои. Такие аккумуляторы заслуживают внимания. Они имеют неплохое качество и умеренную цену.

• Свинцовые аккумуляторы. В этих аккумуляторах реагентом является диоксид свинца и сам свинец, а электролитом раствор серной кислоты. Еще их называют свинцово-кислотными. Разделяют на четыре группы: стационарные, стартерные, портативные (герметизированные) и тяговые. Наибольшее распространение получили стартерные аккумуляторы, их используют для запуска двигателей внутреннего сгорания и обеспечения энергией устройств в машине. Их недостатком можно назвать невысокие значения удельной энергии, не очень хорошую сохранность заряда и выделение водорода.
• Никель-кадмиевые аккумуляторы. Здесь реагентами выступают гидроксид никеля и кадмий соответственно, а электролитом раствор гидроксида калия, в связи с этим их еще называют щелочными аккумуляторами. Подразделяются на ламельные, безламельные и герметичные. Ламельный никель-кадмиевые аккумуляторы довольно дешевые, характеризуются плоской разрядной кривой, высоким ресурсом работы и прочностью. Применяются для питания шахтных электровозов, подъёмников, средств связи, электронных приборов, стационарного оборудования, для запуска дизелей и авиационных двигателей.
• Герметичные аккумуляторы характеризуются горизонтальной разрядной кривой, высокой скоростью разряда и способностью работать при низкой температуре, но стоят дороже и обладают эффектом памяти. Применяют их для питания портативной аппаратуры, бытовых приборов, детских игрушек. Большой недостаток этих аккумуляторов заключается в токсичности применяемого кадмия.
• Никель-железные аккумуляторы. От вышеописанной проблемы ушли используя вместо кадмия железо. Аккумуляторы не содержат токсичный кадмий, дешевле стоят, имеют долгий срок службы и высокую прочность, но из-за выделения водорода в начале заряда производятся только в негерметичном варианте. Характеризуются высоким саморазрядом, низкой отдачей энергии, при температурах ниже -10 градусов практически неработоспособны. В основном их используют как тяговые источники тока в электровозах и промышленных подъемниках.
• Никель-металлогидридные аккумуляторы. Здесь активным материалом электрода выступает интерметаллид, который сорбирует водород, т.е. фактически он является водородным электродом с восстановленной формой в абсорбированном состоянии. У аккумулятора разрядная кривая такая же, как и у никель-кадмиевых аккумуляторов, но энергия и удельная емкость в 1,5-2 раза выше, плюс к этому они не содержат токсичный кадмий! Сделаны в герметичном исполнении различных форм (цилиндр, призма, диск). Применяют для питания аппаратуры и портативных приборов.
• Никель-цинковые аккумуляторы. Это щелочные аккумуляторы с цинковым электродом. Их удельная энергия в 2 раза больше, чем у никель-кадмиевых. Характеризуются горизонтальной разрядной кривой, высокой удельной мощностью и довольно невысокой ценой, но зато их ресурс довольно мал из-за чего они не вошли в массовое использование. Применяют для портативной аппаратуры.
• Серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы. В них активными материалами выступают оксид серебра, цинк и кадмий, а электролитом - щелочи. Характеризуются высокими энергиями и мощностями, низким саморазрядом, но за счёт этого и дорого стоят. У серебряно-цинковых небольшой ресурс, выпускаются в форме призмы или диска, служат для питания портативных приборов, а также военной техники.
• Никель-водородные аккумуляторы. В таких аккумуляторах отрицательным электродом выступает пористый газодиффузионный электрод, у которого платиновый катализатор. Характеризуются высокой удельной энергией, высоким ресурсом, но быстро разряжаются и дорого стоят. Нашли применение в космической промышленности.
• Литий-ионные аккумуляторы. Анодом является углеродистый материал, в который внедрены ионы лития. Положительным электродом служит чаще всего кобальт, в который также внедрены ионы лития. Электролит - соль лития в неводном растворителе. Характеризуются высокой удельной энергией, ресурсом и способностью работать при низких температурах. Поэтому их производство в последнее время резко выросло. Применяют в мобильных телефонах, ноутбуках и др. устройствах
• Литий -полимерные аккумуляторы. Здесь отрицательный электрод представлен углеродистым материалом с внедренными ионами лития, а положительный электрод - оксиды кобальта либо марганца. Электролит - раствор соли лития в неводном растворителе, заключен в маленькую полимерную матрицу. По сравнению с описанным выше аккумулятором имеет еще более высокую удельную энергию и ресурс, более безопасен. Применяется в питании электронных портативных устройств.
• Перезаряжаемые марганцево-цинковые источники тока. Это такие источники тока с щелочным элкетролитом, которые способны электрически перезаряжаться. Высокая удельная энергия, низкий саморазряд, небольшая стоимость. Герметичное исполнение, но очень маленький ресурс, всего 20-50 циклов.

Аккумуляторная батарея – это источник постоянного тока, который предназначен для накопления и хранения энергии. Подавляющее число типов аккумуляторных батарей основано на циклическом преобразовании химической энергии в электрическую, это позволяет многократно заряжать и разряжать батарею.

Еще в 1800 году Алессандро Вольта произвел поразительное открытие, когда опустил в банку, наполненную кислотой, две металлические пластины – медную и цинковую, после чего доказал, что по соединяющей их проволоке протекает электрический ток. Спустя более чем 200 лет, современные аккумуляторные батареи продолжают производить на основе открытия Вольта.

Виды аккумуляторных батарей

Со времени изобретения первого аккумулятора прошло не больше 140 лет и сейчас сложно представить современный мир без резервных источников питания на основе батарей. Аккумуляторы применяются всюду, начиная с самых безобидных бытовых устройств: пульты управления, переносные радиоприемники, фонари, ноутбуки, телефоны, и заканчивая системами безопасности финансовых учреждений, резервными источниками питания для центров хранения и передачи данных, космической отраслью, атомной энергетикой, связью и т. д.

Развивающийся мир нуждается в электрической энергии столь сильно, сколько человеку нужен кислород для жизни. Поэтому конструкторы и инженеры ежедневно ведут работу по оптимизации имеющихся типов аккумуляторов и периодически разрабатывают новые виды и подвиды.

Основные виды аккумуляторов приведены в таблице №1.

Таблица №1. Классификация аккумуляторных батарей.

Исходя из приведенных данных в таблице №1, можно прийти к выводу, что существует достаточно много видов аккумуляторов, отличных по своим характеристикам, которые оптимизированы для применения в разнообразных условиях и с различной интенсивностью. Применяя для производства новые технологии и компоненты, ученым удается достигать нужных характеристик для конкретной области применения, к примеру, для космических спутников, космических станций и другого космического оборудования были разработаны никель-водородные аккумуляторы. Конечно, в таблице приведены далеко не все типы, а лишь основные, которые получили распространение.

Современные системы резервного и автономного электропитания для промышленного и бытового сегмента основаны на разновидностях свинцово-кислотных, никель-кадмиевых (реже применяются железо-никелевый тип) и литий-ионных аккумуляторах, поскольку эти химические источники питания безопасны и имеют приемлемые технические характеристики и стоимость.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи

Этот тип является самым востребованным в современном мире по причине универсальных особенностей и невысокой стоимости. Благодаря наличию большого количества разновидностей, свинцово-кислотные аккумуляторы применяется в областях систем резервного питания, системах автономного электроснабжения, солнечных электростанций, ИБП, различных видах транспорта, связи, системах безопасности, различных видах портативных устройств, игрушках и т. д.

Принцип действия свинцово-кислотных батарей

Основа работы химических источников питания основана на взаимодействии металлов и жидкости – обратимой реакции, которая возникает при замыкании контактов положительных и отрицательных пластин. Свинцово-кислотные аккумуляторы, как понятно из названия, состоят из свинца и кислоты, где положительно заряженными пластинами является свинец, а отрицательно заряженными – оксид свинца. Если подключить к двум пластинам лампочку, цепь замкнется и возникнет электрический ток (движение электронов), а внутри элемента возникнет химическая реакция. В частности, происходит коррозия пластин батареи, свинец покрывается сульфатом свинца. Таким образом, в процессе разряда аккумулятора на всех пластинах будет образовываться налет из сульфата свинца. Когда аккумулятор полностью разряжен, его пластины покрыты одинаковым металлом – сульфатом свинца и имеют практически одинаковый заряд относительно жидкости, соответственно, напряжение батареи будет очень низким.

Если к батарее подключить зарядное устройство к соответствующим клеммам и включить его, ток будет протекать в кислоте в обратном направлении. Ток будет вызывать химическую реакцию, молекулы кислоты – расщепляться и за счет этой реакции будет происходить удаление сульфата свинца с положительных и отрицательных пластилин батареи. В финальной стадии зарядного процесса пластины будут иметь первозданный вид: свинец и оксид свинца, что позволит им снова получить разный заряд, т. е. батарея будет полностью заряжена.

Однако на практике все выглядит немного иначе и пластины электродов очищаются не полностью, поэтому аккумуляторы имеют определенный ресурс, по достижении которого емкость снижается до 80-70% от изначальной.

Рисунок №3. Электрохимическая схема свинцово-кислотного аккумулятора (VRLA).

Типы свинцово-кислотных батарей

Lead–Acid , обслуживаемые – 6, 12В батареи. Классические стартерные аккумуляторы для двигателей внутреннего сгорания и не только. Нуждаются в регулярном обслуживании и вентиляции. Подвержены высокому саморазряду.

Valve Regulated Lead–Acid (VRLA) , необслуживаемые – 2, 4, 6 и 12В батареи. Недорогие аккумуляторы в герметизированном корпусе, которые можно использовать в жилых помещениях, не требуют дополнительной вентиляции и обслуживания. Рекомендованы для использования в буферном режиме.

Absorbent Glass Mat Valve Regulated Lead–Acid (AGM VRLA) , необслуживаемые – 4, 6 и 12В батареи. Современные аккумуляторы свинцово-кислотного типа с абсорбированным электролитом (не жидкий) и стекловолоконными разделительными сепараторами, которые значительно лучше сохраняют свинцовые пластины, не давая им разрушаться. Такое решение позволило значительно снизить время заряда AGM батарей, поскольку зарядный ток может достигать 20-25, реже 30% от номинальной емкости.

Аккумуляторы AGM VRLA имеют множество модификаций с оптимизированными характеристиками для циклического и буферного режимов работы: Deep – для частых глубоких разрядов, фронт-терминальные – для удобного расположения в телекоммуникационных стойках, Standard – общего назначения, High Rate – обеспечивают лучшую разрядную характеристику до 30% и подходят для мощных источников бесперебойного питания, Modular – позволяют создавать мощные батарейные кабинеты и т. д.



Рисунок №4.

GEL Valve Regulated Lead–Acid (GEL VRLA) , необслуживаниемые – 2, 4, 6 и 12В батареи. Одна из последних модификаций свинцово-кислотного типа аккумуляторов. Технология основана на применение гелеобразного электролита, который обеспечивает максимальный контакт с отрицательными и положительными пластинами элементов и сохраняет однообразную консистенцию по всему объему. Данный тип аккумуляторов требует «правильного» зарядного устройства, которое обеспечит требуемый уровень тока и напряжения, лишь в этом случае можно получить все преимущества по сравнению с AGM VRLA типом.

Химические источники питания GEL VRLA, как и AGM, имеют множество подвидов, которые наилучшим образом подходят для определенных режимов работы. Самыми распространенными являются серии Solar – используются для систем солнечной энергии, Marine – для морского и речного транспорта, Deep Cycle – для частых глубоких разрядов, фронт-терминальные – собраны в специальных корпусах для телекоммуникационных систем, GOLF – для гольф-каров, а также для поломоечных машин, Micro – небольшие аккумуляторы для частого использования в мобильных приложениях, Modular – специальное решение по созданию мощных аккумуляторных банков для накопления энергии и т. д.



Рисунок №5.

OPzV , необслуживаемые – 2В батареи. Специальные свинцово-кислотные элементы типа OPZV произведены с применением трубчатых пластин анода и сернокислотным гелеобразным электролитом. Анод и катод элементов содержат дополнительный металл – кальций, благодаря которому повышается стойкость электродов к коррозии и увеличивается срок службы. Отрицательные пластины – намазные, эта технология обеспечивает лучший контакт с электролитом.

Аккумуляторы OPzV устойчивы к глубоким разрядам и обладают длительным сроком службы до 22 лет. Как правило, для изготовления подобных элементов питания применяются только лучшие материалы, чтобы обеспечить высокую эффективность работы в циклическом режиме.

Применение OPzV аккумуляторов востребовано в телекоммуникационных установках, системах аварийного освещения, источниках бесперебойного питания, системах навигации, бытовых и промышленных системах накопления энергии и солнечной электрогенерации.


Рисунок №6. Строение OPzV аккумулятора EverExceed.

OPzS , малообслуживаемые – 2, 6, 12В батареи. Стационарные заливные свинцово-кислотные аккумуляторы OPzS производятся с трубчатыми пластинами анода с добавлением сурьмы. Катод также содержит небольшое количество сурьмы и представляет собой намазной решетчатый тип. Анод и катод разделены микропористыми сепараторами, которые предотвращают короткое замыкание. Корпус аккумуляторов выполнен из специального ударопрочного, устойчивого к химическому воздействию и огню прозрачного пластика, а вентилируемые клапаны относятся к пожаробезопасному типу и обеспечивают защиту от возможного попадания пламени и искр.

Прозрачные стенки позволяют удобно контролировать уровень электролита при помощи отметок минимального и максимального значения. Специальная структура клапанов дает возможность без их снятия доливать дистиллированную воду и промерять плотность электролита. В зависимости от нагрузки, долив воды осуществляется раз в один – два года.

Аккумуляторные батареи типа OPzS обладают самыми высокими характеристиками среди всех других видов свинцово-кислотных батарей. Срок службы может достигать 20 – 25 лет и обеспечивать ресурс до 1800 циклов глубокого 80% разряда.

Применение подобных батарей необходимо в системах с требованиями среднего и глубокого разряда, в т.ч. где наблюдаются пусковые токи средней величины.



Рисунок №7.

Характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Анализируя приведенные в таблице №2 данные, можно прийти к выводу, что свинцово-кислотные аккумуляторы обладают широким выбором моделей, которые подходят для различных режимов работы и условий эксплуатации.

Таблица №2. Сравнительные характеристики по видам свинцово-кислотных батарей.

Для анализа использовались усредненные данные более чем 10-ти производителей батарей, продукция которых представлена на рынке Украины в течение длительного времени и успешно применяется во многих областях (EverExceed, B.B. Battery, CSB, Leoch, Ventura, Challenger, C&D Techologies, Victron Energy, SunLight, Troian и другие).

Литий-ионные (литиевые) аккумуляторные батареи

История прохождения происхождения уходит в 1912 год, когда Гилберт Ньютон Льюис работал над вычислением активностей ионов сильных электролитов и проводил исследования электродных потенциалов целого ряда элементов, включая литий. С 1973 года работы были возобновлены и в результате появились первые элементы питания на основе лития, которые обеспечивали только один цикл разряда. Попытки создать литиевый аккумулятор затруднялись активностью свойств лития, которые при неправильных режимах разряда или заряда вызывали бурную реакцию с выделением высокой температуры и даже пламени. Компания Sony выпустила первые мобильные телефоны с подобными аккумуляторами, но была вынуждена отозвать продукцию обратно после нескольких неприятных инцидентов. Разработки не прекращались и в 1992 году появились первые «безопасные» аккумуляторы на основе ионов лития.

Аккумуляторы литий-ионного типа обладают высокой плотностью энергии и благодаря этому при компактном размере и легком весе обеспечивают в 2-4 раза большую емкость по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами. Несомненно, большим достоинством литий-ионных батарей является высокая скорость полной 100% перезарядки в течение 1-2 часов.

Li-ion батареи получили широкое применение в современной электронной технике, автомобилестроении, системах накопления энергии, солнечной генерации электроэнергии. Крайне востребованы в высокотехнологичных устройствах мультимедиа и связи: телефонах, планшетных компьютерах, ноутбуках, радиостанциях и т. д. Современный мир сложно представить без источников питания литий-ионного типа.

Принцип действия литиевых (литий-ионных) батарей

Принцип работы заключается в использовании ионов лития, которые связаны молекулами дополнительных металлов. Обычно, в дополнение к литию применяются литийкобальтоксид и графит. При разряде литий-ионного аккумулятора происходит переход ионов от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду) и наоборот при заряде. Схема аккумулятора предполагает наличие разделительного сепаратора между двумя частями элемента, это необходимо для предотвращения самопроизвольного перемещения ионов лития. Когда цепь аккумулятора замкнута и происходит процесс заряда или разряда, ионы преодолевают разделительный сепаратор стремясь к противоположно заряженному электроду.

Рисунок №8. Электрохимическая схема литий-ионного аккумулятора.

Благодаря своей высокой эффективности, литий-ионные аккумуляторы получили бурное развитие и множество подвидов, например, литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4). Ниже приведена графическая схема работы этого подтипа.

Рисунок №9. Электрохимическая схема процесса разряда и разряда LiFePO4 батареи.

Типы литий-ионных аккумуляторов

Современные литий-ионные аккумуляторы имеют множество подтипов, основная разница которых заключается в составе катода (отрицательно заряженного электрода). Также может изменяться состав анода для полной замены графита или использования графита с добавлением других материалов.

Различные виды литий-ионных аккумуляторов обозначаются по их химическому разложению. Для рядового пользователя это может быть несколько сложно, поэтому каждый тип будет описан максимально подробно, включая его полное название, химическое определение, аббревиатуру и краткое обозначение. Для удобства описания будет использоваться сокращенное название.

Литий кобальт оксид (LiCoO2) – Обладает высокой удельной энергией, что делает литий-кобальтовый аккумулятор востребованным в компактных высокотехнологичных устройствах. Катод батареи состоит из оксида кобальта, тогда как анод – из графита. Катод имеет слоистую структуру и во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду. Недостатком этого типа является относительно короткий срок службы, невысокая термическая стабильность и лимитированная мощность элемента.

Литий-кобальтовые батареи не могут разряжаться и заряжаться током, превосходящим номинальную емкость, поэтому аккумулятор с емкостью 2,4Ач может работать с током 2,4А. Если для заряда будет применяться большая сила тока, то это вызовет перегрев. Оптимальный зарядный ток составляет 0,8C, в данном случае 1,92А. Каждый литий-кобальтовый аккумулятор комплектуется схемой защиты, которая ограничивает заряд и скорость разряда и лимитирует ток на уровне 1C.

На графике (Рис. 10) отражены основные свойства литий-кобальтовых аккумуляторов с точки зрения удельной энергии или мощности, удельная мощность или способность обеспечивать высокий ток, безопасности или шансы воспламенения при высокой нагрузке, рабочая температура окружающей среды, срок службы и циклический ресурс, стоимость.



Рисунок №10.

Литий Оксид Марганца (LiMn2O4, LMO) – первая информация об использовании лития с марганцевыми шпинелями была опубликована в научных докладах 1983 года. Компания Moli Energy в 1996 году выпустила первые партии аккумуляторов на основе литий-оксид-марганца в качестве материала катода. Такая архитектура формирует трехмерные структуры шпинели, что улучшает поток ионов к электроду, тем самым снижая внутреннее сопротивление и повышая возможные токи заряда. Также преимущество шпинели в термической стабильности и повышенной безопасности, однако циклический ресурс и срок службы ограничен.

Низкое сопротивление обеспечивает возможность быстрого заряда и разряда литий-марганцевого аккумулятора с высоким током до 30А и кратковременно до 50А. Применяется для мощных электроинструментов, медицинского оборудования, а также гибридных и электрических транспортных средств.

Потенциал литий-марганцевых аккумуляторов примерно на 30% ниже по сравнению с литий-кобальтовыми батареями, однако эта технология обладает примерно на 50% лучшими свойствами, чем аккумуляторы на основе никелевых химических компонентов.

Гибкость конструкции позволяет инженерам оптимизировать свойства батареи и достичь длительного срока службы, высокой емкости (удельная энергия), возможности обеспечивать максимальный ток (удельная мощность). Например, с длительным сроком эксплуатации типоразмер элемента 18650 имеет емкость 1,1Ач, тогда как элементы, оптимизированные на повышенную емкость, – 1,5Ач, но при этом они имеют меньший срок службы.

На графике (Рис. 12) отраженны не самые впечатляющие характеристики литий-марганцевых аккумуляторов, однако современные разработки позволили существенно повысить эксплуатационных характеристики и сделать этот тип конкурентным и широко применяемым.



Рисунок №11.

Современные аккумуляторы литий-марганцевого типа могут производиться с добавлениями других элементов – литий-никель-марганец-кобальт оксид (NMC), подобная технология существенно продлевает срок службы и повышает показатели удельной энергии. Этот состав привносит лучшие свойства из каждой системы, так называемые LMO (NMC) применяются для большинства электромобилей, таких как Nissan, Chevrolet, BMW и т. д.

Литий-Никель-Марганец-Кобальт оксид (LiNiMnCoO2 или NMC) – ведущие производители литий-ионных батарей сосредоточились на сочетании никеля-марганца-кобальта в качестве материалов катода (NMC). Похожий на литий-марганцевый тип, эти аккумуляторы могут быть адаптированы для достижения показателей высокой удельной энергии или высокой удельной мощности, однако, не одновременно. К примеру, элемент NMC типа 18650 в состоянии умеренной нагрузки имеет емкость 2,8Ач и может обеспечить максимальный ток 4-5А; NMC элемент, оптимизированный к параметрам повышенной мощности, имеет всего 2Втч, но может обеспечить непрерывный ток разряда до 20А. Особенность NMC заключается в сочетании никеля и марганца, в качестве примера можно привести поваренную соль, в которой основные ингредиенты натрий и хлорид, которые в отдельности являются токсичными веществами.

Никель известен своей высокой удельной энергией, но низкой стабильностью. Марганец имеет преимущество формирования структуры шпинели и обеспечивает низкое внутреннее сопротивление, но при этом обладает низкой удельной энергией. Комбинируя эти два металла, можно получать оптимальные характеристика NMC аккумулятора для разных режимов эксплуатации.

NMC аккумуляторы прекрасно подходят для электроинструмента, электровелосипедов и других силовых агрегатов. Сочетание материалов катода: треть никеля, марганца и кобальта обеспечивают уникальные свойства, а также снижают стоимость продукта в связи с уменьшением содержания кобальта. Другие подтипы, как NCM, CMN, CNM, MNC и MCN имеют отличное соотношение тройки металлов от 1/3-1/3-1/3. Обычно, точное соотношение держится производителем в секрете.



Рисунок №12.

Литий-Железо-Фосфатные (LiFePO4) – в 1996 в университете штата Техас (и другими участниками) был применен фосфат в качестве катодного материала для литиевых аккумуляторов. Литий-фосфат предлагает хорошие электрохимические характеристики с низким сопротивлением. Это стало возможным с нано-фосфатом материала катода. Основными преимуществами являются высокий протекающий ток и длительный срок службы к тому же, хорошая термическая стабильность и повышенная безопасность.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы терпимее к полному разряду и менее подвержены «старению», чем другие литий-ионные системы. Также LFP более устойчивы к перезаряду, но как и в других аккумуляторах литий-ионного типа, перезаряд может вызвать повреждение. LiFePO4 обеспечивает очень стабильное напряжение разряда – 3,2В, это же позволяет использовать всего 4 элемента для создания батареи стандарта 12В, что в свою очередь позволяет эффективно заменять свинцово-кислотные батареи. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы не содержат кобальт, это существенно снижает стоимость продукта и делает его более экологически чистым. В процессе разряда обеспечивает высокий ток, а также может быть заряжен номинальным током всего за один час до полной емкости. Эксплуатация при низких температурах окружающей среды снижает производительность, а температура свыше 35ºС – несколько сокращается срок службы, но показатели намного лучше, чем у свинцово-кислотных, никель-кадмиевых или никель-металлогидридных аккумуляторов. Литий-фосфат имеет больший саморазряд, чем другие литий-ионные аккумуляторы, которые могут вызвать потребность балансировки батарейных кабинетов.



Рисунок №13.

Литий-Никель-Кобальт-Оксид Алюминия (LiNiCoAlO2) – литий-никель-кобальто-оксид алюминиевые батареи (NCA) появились в 1999 году. Этот тип обеспечивает высокую удельную энергию и достаточную удельную мощность, а также длительный срок службы. Однако существуют риски воспламенения, в следствие чего был добавлен алюминий, который обеспечивает более высокую стабильность электрохимических процессов, протекающих в аккумуляторе при высоких токах разряда и заряда.



Рисунок №14.

Литий-титанат (Li4Ti5O12) – аккумуляторы с анодами из литий-титаната были известны с 1980-х годов. Катод состоит из графита и имеет сходство с архитектурой типичной литий-металлической батареи. Литий-титанат имеет напряжение элемента 2,4В, может быть быстро заряжен и обеспечивает высокий разрядный ток 10C, который в 10 раз превышает номинальную емкость батареи.

Литий-титанатные аккумуляторы отличаются повышенным циклическим ресурсом по сравнению с другими Li-ion видами батарей. Обладают высокой безопасностью, а также способны работать при низких температурах (до –30ºC) без ощутимого снижения рабочих характеристик.

Недостаток заключается в достаточно высокой стоимости, а также в небольшом показателе удельной энергии, порядка 60-80Втч/кг, что вполне сопоставимо с никель-кадмиевыми аккумуляторами. Области применения: электрические силовые агрегаты и источники бесперебойного питания.



Рисунок №15.

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol, Li-polymer, LiPo, LIP, Li-poly) – литий полимерные аккумуляторы отличаются от литий-ионных тем, что в них используется специальный полимерный электролит. Возникший ажиотаж к этому виду батарей с 2000-х годов длится до сегодняшнего времени. Основан он не безосновательно, т. к. при помощи специальных полимеров удалось создать батарею без жидкого или гелеобразного электролита, это дает возможность создавать батареи практически любой формы. Но основная проблема заключается в том, что твердый полимерный электролит обеспечивает плохую проводимость при комнатной температуре, а лучшие свойства демонтирует в разогретом состоянии до 60°С. Все попытки ученых обнаружить решение этой задачи оказали тщетны.

В современных литий-полимерных батареях применяется небольшое количество гелевого электролита для лучшей проводимости при нормальной температуре. А принцип работы построен на одном из описанных выше типов. Самым распространенным является литий-кобальтовый тип с полимерным гелеобразным электролитом, который применяется в большинстве случаев.

Основная разница между литий-ионными аккумуляторами и литий-полимерными заключается в том, что микропористый полимерный электролит заменяется традиционным разделительным сепаратором. Литий-полимер имеет немного больший показатель удельной энергии и дает возможность создавать тонкие элементы, но стоимость на 10-30% выше, чем литий-ионных. Существенная разница есть и в структуре корпуса. Если для литий-полимерных применяется тонкая фольга, которая дается возможность создавать настолько тонкие элементы питания, что они похожи на кредитные карты, то литий-ионные собираются в жестком металлическом корпусе для плотной фиксации электродов.

Рисунок №17. Внешний вид Li-polymer аккумулятора для мобильного телефона.

Характеристики литий-ионных аккумуляторов

В таблице отсутствует максимальная емкость элементов, т. к. технология литий-ионных аккумуляторов не позволяет производить мощные отдельные элементы. Когда необходима высокая емкость или постоянный ток, батареи соединятся параллельно и последовательно при помощи перемычек. Состояние обязательно должна контролировать система батарейного мониторинга. Современные батарейные кабинеты для ИБП и солнечных электростанций на основе литиевых элементов могут достигать напряжения 500-700В постоянного тока с емкостью около 400А/ч, а также емкости 2000 – 3000Ач с напряжением 48 или 96В.

Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи

Изобретателем является шведский ученый Вальдемар Юнгнер, который запатентовал технологию производства никель кадмиевого типа в 1899 году. D 1990 году возник патентный спор с Эдисоном, который Юнгнер проиграл в силу того, что не владел таким средствами, как его оппонент. Компания «Ackumulator Aktiebolaget Jungner», основанная Вальдемаром, оказалась на грани банкротства, однако, сменив название на «Svenska Ackumulator Aktiebolaget Jungner», предприятие все же продолжило свое развитие. В настоящее время предприятие, основанное разработчиком, носит название «SAFT AB» и производит одни из самых надежных никель-кадмиевых аккумуляторов в мире.

Никель-кадмиевые аккумуляторы относятся к очень долговечному и надежному типу. Существуют обслуживаемые и необслуживаемые модели с емкостью от 5 до 1500Ач. Обычно поставляются в виде сухо-заряженных банок без электролита с номинальным напряжением 1,2В. Несмотря на схожесть конструкции со свинцово-кислотными, никель- кадмиевые батареи имеют ряд существенных преимуществ в виде стабильной работы при температуре от –40°С, возможности выдерживать высокие пусковые токи, а также оптимизированы моделями для быстрого разряда. Ni-Cd батареи устойчивы к глубокому разряду, перезаряду и не требуют моментального заряда как свинцово-кислотный тип. Конструктивно производятся в ударопрочном пластике и хорошо переносят механические повреждения, не боятся вибрации и т.п.

Принцип действия никель-кадмиевых батарей

Щелочные аккумуляторы, электроды которых состоят из гидрата окиси никеля с добавлениями графита, окиси бария и порошкового кадмия. В качестве электролита, как правило, выступает раствор с 20%-ным содержанием калия и добавлением моногидрата лития. Пластины разделены изолирующими сепараторами во избежании замыкания, одна отрицательно заряженная пластина расположена между двумя положительно заряженными.

В процессе разряда никель-кадмиевой батареи происходит взаимодействие между анодом с гидратом окиси никеля и ионами электролита, образуя гидрат закиси никеля. В это же время катод из кадмия образует гидрат окиси кадмия, тем самым создавая разность потенциалов до 1,45В обеспечивая напряжение внутри аккумулятора и во внешней замкнутой цепи.

Процесс заряда никель-кадмиевых аккумуляторов сопровождается окислением активной массы анодов и переходом гидрата закиси никеля в гидрат окиси никеля. Одновременно катод восстанавливается с образованием кадмия.

Достоинством принципа действия никель-кадмиевой батареи является то, что все составляющие, которые образуются в процессе циклов разряда и заряда, почти не растворяются в электролите, а также не вступают в какие-либо побочные реакции.

Рисунок №16. Строение Ni-Cd аккумулятора.

Типы никель-кадмиевых аккумуляторов

В настоящее время батареи Ni-Cd используют чаще всего в промышленности, где требуется обеспечивать питанием разнообразные приложения. Некоторые производители предлагают несколько подвидов никель-кадмиевых аккумуляторов, которые обеспечивают наилучшую работу в определенных режимах:

время разряда 1,5 – 5 часов и более – обслуживаемые батареи;

время разряда 1,5 – 5 часов и более – необслуживаемые батареи;

время разряда 30 – 150 минут – обслуживаемые батареи;

время разряда 20 – 45 минут – обслуживаемые батареи;

время разряда 3 – 25 минут – обслуживаемые батареи.

Характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов

Высокие технические характеристики делают этот тип аккумуляторных батарей очень привлекательным для решения производственных задач, когда требуется высоконадежный источник резервного питания с длительным сроком службы.

Никелево-железные аккумуляторные батареи

Впервые были созданы Вальдемаром Юнгнером в 1899 году, когда он пытался найти более дешевый аналог кадмию в составе никель-кадмиевых батарей. После долгих испытаний Юнгнер отказался от применения железа, т. к. заряд осуществлялся слишком медленно. Несколькими годами позднее, Томас Эдисон создал никель-железный аккумулятор, который осуществлял питание электромобилей «Baker Electric» и «Detroit Electric».

Дешевизна производства позволили никель-железным аккумуляторам стать востребованными в электротранспорте в качестве тяговых батарей, также применяются для электрификации пассажирских вагонов, питания цепей управления. В последние годы о никель-железных аккумуляторах заговорили с новой силой, т. к. они не содержат токсичных элементов вроде свинца, кадмия, кобальта и т. д. В настоящее время некоторые производители продвигают их для систем возобновляемой энергетики.

Принцип действия никелево-железных батарей

Аккумуляция электроэнергии происходит при помощи никель оксида-гидроксида, применяемого в качестве положительных пластин, железа – в качестве отрицательных пластин и жидкого электролита в виде едкого калия. Никелевые стабильные трубки или «карманы» содержат активное вещество

Никелево-железный тип очень надежный, т.к. выдерживает глубокие разряды, частые перезаряды, а также может находится в недозаряженном состоянии, что очень пагубно для свинцово-кислотных батарей.

Характеристики никелево-железных аккумуляторов

Использованные материалы

Исследования компании Boston Consulting Group

Техническая документация ТМ Bosch, Panasonic, EverExceed, Victron Energy, Varta, Leclanché, Envia, Kokam, Samsung, Valence и других.

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.

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;
• 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.

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.

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/дм 3 ). 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 LiC 6 , оксиды (LiMnO 2 ) 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 LiCoO 2 и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития;
• литий-марганцевая шпинель LiMn 2 O 4 ;
• литий-феррофосфат LiFePO 4 .

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.

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.

Виды современных аккумуляторов для автомобилей и перспективы развития

Сегодня существует множество различных аккумуляторов. Они используются в самых разных сферах жизни человека. В качестве примера можно привести аккумуляторы в различной портативной электронике, ИБП и так далее. Но самым распространённым видом аккумуляторов на сегодняшний день являются АКБ для автомобилей. Любой автовладелец знает, что такое автомобильный стартерный аккумулятор. Эти устройства работают под капотом миллионов автомобилей по всему миру. Но не все эти аккумуляторные батареи одинаковы. Сегодня мы поговорим о видах аккумуляторов для автомобиля.

Аккумулятор представляет собой химический источник тока, который включает в свой состав нескольких элементов питания. Поэтому он также носит название аккумуляторной батареи. Объединение сразу нескольких элементов даёт больший результирующий ток и напряжение. В автомобилях наиболее распространён вид аккумуляторов с 6 элементами (ещё их называют банками), которых выдают напряжение примерно 2.1 вольт. В результате АКБ выдаёт напряжение примерно 12.6 вольт.

Но в качестве стартерных автомобильных аккумуляторов на сегодняшний день применяются лишь свинцово-кислотные. Объясняется это тем, что этот вид аккумуляторов имеет высокую энергетическую ёмкость. Свинцово-кислотные АКБ могут в течение короткого интервала времени выдавать большой электрический ток. Именно это и требуется для стартера, который прокручивает коленчатый вал при запуске двигателя. И замены этих аккумуляторным батареям пока нет, несмотря на то, свинец и серная кислота (в составе электролита) являются вредными и опасными веществами.

Корпус свинцовой аккумуляторной батареи выполняется из пластика, устойчивого к воздействию кислоты. вы сможете узнать из статьи по ссылке. Для изготовления электродов, как и раньше, применяется свинец. Но со времён Гастона Планте производители научились легировать свинец всевозможными добавками для достижения определённых характеристик аккумулятора. На сегодняшний день существует несколько видов аккумуляторов для автомобиля, которые рассмотрены ниже.

Основные виды автомобильных аккумуляторных батарей

Сурьмянистые АКБ

Это устаревший тип автомобильных аккумуляторов, в свинцовых пластинах которых содержится более 5 процентов сурьмы. Модели современных АКБ содержат в составе пластин значительно меньше сурьмы (Sb). Роль сурьмы в аккумуляторных пластина – это увеличение их прочности. Чистый свинец очень мягкий и не в чистом виде не подходит для использования в АКБ. Сурьма вызывает резкую активизацию процесса электролиза, который начинается в батарее при напряжении 12 вольт. При этом выделяются водород с кислородом. Это выглядит как закипание электролита.

В сурьмянистых аккумуляторах происходит большой воды из электролита. В результате понижения уровня электролита оголяются пластины электродов. Чтобы этого не происходило нужно периодически доливать в банки дистиллированную воду. В результате сурьмянистый вид автомобильных аккумуляторов часто называют обслуживаемыми. Хотя современные разновидности автомобильных аккумуляторов также имеют элементы конструкции, необходимые для обслуживания.

Сейчас сурьмянистые батареи уже не используются в качестве стартерных. Их сменили другие, более прогрессивные модификации АКБ. Этот тип аккумуляторов ещё сохранился в разных стационарных источниках тока, где требуется неприхотливость батареи. А современные автомобильные аккумуляторы выпускаются со значительно меньшим содержанием сурьмы.

Малосурьмянистые АКБ

Пластины с уменьшенным содержанием сурьмы стали использоваться для того, чтобы снизить интенсивность испарения воды из электролита. К малосурьмянистым видам аккумуляторов относятся те, что имеют в составе пластин менее 5 процентов сурьмы. В результате их применения удалось уйти от проблемы частой доливки дистиллированной воды. Но это не значит, что такие аккумуляторы совсем не нуждаются в обслуживании.

Ещё одним преимуществом этого типа автомобильных аккумуляторов является меньшая степень саморазряда батареи при хранении, чем у старых сурьмянистых моделей. Эти АКБ часто называют необслуживаемыми, но правильнее будет называть их малообслуживаемыми. Ведь заявление о том, что они не нуждаются в обслуживании, это рекламный лозунг. Потери воды из электролита все равно присутствуют. Поэтому проверять уровень и доливать дистиллированную воду все равно нужно.

К преимуществам малосурьмянистых аккумуляторов можно отнести их терпимость к электрическим параметрам бортовой сети автомобиля. Если в сети возникают перепады напряжения, то параметры батареи не сильно страдают от этого. Этого нельзя сказать о более современных видах автомобильных аккумуляторов: кальциевых, AGM, гелевых. Специалисты считают, что малосурьмянистый вид аккумуляторов лучше всего годиться для эксплуатации на легковых автомобилях отечественного производства. Это вызвано тем, что пока ещё не на всех российских авто обеспечивается стабильность напряжения в бортовой сети. При этом этот вид АКБ имеет доступную цену.

Кальциевые АКБ

Добавление кальция в свинцовые решётки вместо сурьмы стало решением по уменьшению испарения воды в АКБ. Часто на аккумуляторах этого вида можно встретить маркировку типа Ca/Ca. Такое обозначение говорит о том, что кальций содержится в решётках положительных и отрицательных электродов. Некоторые производители ещё добавляют в небольшом количестве серебро. Это позволяет снизить внутреннее сопротивление батареи, увеличить КПД и ёмкость. Но главной особенностью кальциевых АКБ стало снижение интенсивности электролиза и, соответственно, падение уровня электролита.

Сейчас выпускаются модели кальциевых аккумуляторов, в которых за весь срок эксплуатации испарение воды практически отсутствует. В результате владельцу автомобиля не нужно проверять уровень электролита и его плотность. И в этом случае название необслуживаемые батареи будет справедливо. Помимо незначительного расхода воды, аккумуляторы кальциевого типа имеют низкую степень саморазряда. По сравнению с сурьмянистыми аккумуляторами саморазряд меньше примерно на 70 процентов. В результате батареи вида Ca/Ca могут значительно дольше сохранять свои эксплуатационные характеристики при хранении. По сути, замена сурьмы кальцием увеличило напряжение, необходимое для старта процесса электролиза, с 12 до 16 вольт. Поэтому и перезаряд стал не столь критичен.

Но любое устройство имеет как преимущества, так и недостатки. Кальциевые АКБ гораздо более чувствительны к сильному разряду, чем другие виды аккумуляторов для автомобилей. Хватает 3─4 сильных разрядов и ёмкость аккумулятора необратимо падает. Это означает, что сильно уменьшается количество накапливаемого батареей тока. В этом случае АКБ придётся менять.

Также стоит отметить, что кальциевый вид аккумуляторов чувствителен к стабильности электрических характеристик бортовой сети авто. Они не любят сильные перепады напряжения. Поэтому перед установкой такой батареи удостоверьтесь в исправности генератора, регулятора напряжения и других устройств в сети авто.

Кроме того, цена аккумуляторов кальциевого типа несколько выше, чем малосурьмянистых АКБ. Обычно аккумуляторные батареи Ca/Ca ставят на иномарки со стандартным набором опций. На таких авто стоит качественное электрооборудование и гарантируется стабильность электрических характеристик. При выборе этого вида аккумуляторов, не забывайте, что при их эксплуатации нельзя допускать глубокого разряда батареи.

Гибридные АКБ

На корпусе таких аккумуляторов можно встретить обозначение Ca+ или Ca/Sb. Решётки электродов в таких АКБ производятся по различным технологиям. Положительные изготавливаются с добавлением сурьмы, отрицательные по кальциевой технологии. Гибридные автомобильные аккумуляторы являются попыткой объединить плюсы этих типов батарей. В результате и характеристики получились средние.

AGM и гелевые батареи

Аккумуляторы, выпускаемые по технологии AMG и GEL (обычно именуемые гелевыми), имеют электролит в связанном виде. Этот вид батарей стал попыткой решить проблему безопасной эксплуатации батарей. Ведь в классических батареях электролит может вытечь при переворачивании или повреждении корпуса. Серная кислота является агрессивным веществом и представляет опасность для организма человека. Поэтому проблему решили за счёт помещения электролита в связанное состояние и снижения его текучести. Кроме повышения безопасности в гелевых аккумуляторах, удалось уменьшить осыпание активной массы пластин.

Отличия между технологиями AMG и GEL заключается в способе связывания электролита. В АКБ вида AGM электролитом пропитывается пористое стекловолокно, которое находится между пластинами. AGM расшифровывается как Absorbent Glass Mat или в переводе на русский «абсорбирующий стекломатериал». По технологии GEL электролит переводят в гелеобразное состояние с помощью добавок соединений кремния. Часто аккумуляторы, выполненные по этим технологиям, обобщенно называют гелевыми. можете посмотреть в обзоре по ссылке.

Поскольку этот тип аккумуляторов не содержит жидкого электролита, они не боятся установки в наклонном положении. Но, несмотря на заявления маркетологов, эксплуатировать эти АКБ в перевёрнутом положении не следует. К преимуществам гелевых аккумуляторов обоих видов следует отнести низкий саморазряд и высокую устойчивость к вибрации. К преимуществам гелевых аккумуляторных батарей следует отнести ещё одно их свойство. Они могут выдавать высокий пусковой ток вне зависимости от заряда батареи и практически до полного разряда АКБ. После глубокого разряда они полностью восстанавливают свою ёмкость и могут выдержать большое количество циклов заряд-разряд (около 200).

А вот к процессу зарядки батареи гелевые АКБ очень чувствительны. Заряд этого вида аккумуляторов проводится меньшими значениями тока, чем в случае с классическими свинцово-кислотными моделями. Они требуют использования зарядного устройства со специальными возможностями.

Продавцы сегодня предлагают универсальные модели зарядных устройств, но относится к их выбору нужно внимательно. Вот статья о требованиях к . Также советуем прочитать материал о том, . Кроме того, АКБ гелевого типа требовательны к стабильности электрических параметров в бортовой сети авто.

На морозе гелевые аккумуляторы, также как и АКБ с жидким электролитом, могут капризничать. При отрицательных температурах падает проводимость гелеобразного электролита. Срок эксплуатации этого вида батарей в идеале составляет десять лет. Но на практике стоит рассчитывать на 6─7 лет. В некоторых случаях такие АКБ можно восстановить. О том, читайте в статье по ссылке. В автомобилях они используются меньше, чем остальные виды батарей. Их распространение ограничивает высокая стоимость. Гораздо чаще их можно встретить в ИБП (источники бесперебойного питания), в мотоциклетной технике, водных транспортных средствах. Гелевые батареи в автомобилях можно встретить на дорогих иномарках класса премиум и внедорожниках, где присутствует большое количество потребителей электрического тока. Читайте подробнее о .