Свинцово-кислотный аккумулятор, изобретенный французским врачом Гастоном Планте в 1859 году, стал первым перезаряжаемым аккумулятором для коммерческого использования. Ранние модели были затоплены, и в середине 1970-х годов появились герметичные или необслуживаемые версии, в которых жидкий электролит превращается в увлажненные сепараторы, а сборка помещается в герметичный корпус. Предохранительные клапаны регулируют отвод газов, образующихся во время зарядки и разрядки. Герметичный корпус упрощает транспортировку и позволяет устанавливать аккумулятор сбоку, не проливая.   

Есть два основных типа свинцовых кислот: стартерная батарея и аккумулятор глубокого цикла . Стартерная аккумуляторная батарея предназначена для запуска двигателя автомобиля, а аккумуляторная батарея глубокого цикла предназначена для обеспечения непрерывного питания гольф-каров, инвалидных колясок, вилочных погрузчиков и резервных систем. Внешне эти аккумуляторы похожи друг на друга, но есть принципиальные отличия в конструкции. В то время как стартерная батарея рассчитана на высокую пиковую мощность в несколько сотен ампер и не может подвергаться глубокому циклу, батарея глубокого цикла имеет умеренную выходную мощность, но допускает циклическую работу. Давайте теперь посмотрим на механические различия между этими двумя системами батарей.

Стартерные батареи имеют очень низкое внутреннее сопротивление, и это достигается за счет добавления дополнительных пластин для обеспечения максимальной площади поверхности (Рисунок 1). Пластины тонкие, а свинец нанесен в виде губки, которая имеет вид мелкой пены. Это увеличивает площадь поверхности пластин для достижения низкого сопротивления и максимальной плотности мощности (токовая обработка). Толщина пластины не имеет значения, потому что разрядка короткая и батарея заряжается во время движения; упор делается на мощность, а не на емкость.

Стартерная батарея

Рисунок 1: Стартерная аккумуляторная батарея

Стартерная аккумуляторная батарея состоит из множества параллельных тонких пластин для достижения низкого сопротивления при большой площади поверхности. Стартерная батарея не допускает глубоких циклов.

Предоставлено Cadex

Стартерные батареи имеют маркировку CCA (ток холодного пуска), которая представляет собой величину тока, которую батарея может выдавать при низкой температуре. Для проверки CCA в соответствии с SAE J537 аккумулятор охлаждают до –18 ° C (0 ° F) и разряжают в течение 30 секунд при номинальном CCA. Батарея с маркировкой 600 CCA будет разряжаться при 600 А в течение 30 секунд при –18 ° C (0 ° F). Во время разряда напряжение не может упасть ниже 7,2 вольт. Если это так, батарея выходит из строя, и тест CCA необходимо повторить, чтобы найти истинное значение CCA. [см. BU-902a: Как измерить CCA (усилитель холодного пуска) ] и [см. BU-904: Как измерить емкость ] Большинство стартерных батарей также имеют маркировку RC (резервная емкость) или Ah (ампер-часы).

Свинцово-кислотные батареи глубокого разряда рассчитаны на максимальную емкость и большое количество циклов, и это достигается за счет увеличения толщины свинцовых пластин (Рисунок 2). Несмотря на то, что аккумулятор предназначен для езды на велосипеде, полная разрядка все равно вызывает стресс. Рекомендуется поддерживать умеренные циклы, не допуская полной разрядки и позволяя батарее заряжаться чаще. Батареи глубокого разряда имеют маркировку в Ач, что указывает на ток, который батарея может выдавать с течением времени. В 1С, например, аккумулятор на 60 Ач должен выдавать 60 А в течение одного часа. [см. BU-402: Что такое C-ставка? ]

Аккумулятор глубокого разряда

Рисунок 2: Аккумулятор глубокого разряда

Аккумулятор глубокого разряда имеет толстые пластины для улучшения велосипедных способностей. Батарея глубокого разряда обычно допускает около 300 циклов.

Предоставлено Cadex

Стартерную батарею нельзя заменить на батарею глубокого разряда и наоборот. В то время как пожилой человек может испытывать соблазн установить дешевую стартерную батарею вместо более дорогой батареи глубокого цикла в своем инвалидном кресле, стартерная батарея не прослужит долго, потому что тонкие губчатые пластины быстро растворятся при многократном глубоком цикле. В грузовых автомобилях, автобусах, автомобилях общественной безопасности и военном транспорте используется комбинация стартерных и глубокозарядных аккумуляторов, но они большие и тяжелые. Простая рекомендация: чем тяжелее батарея, тем больше в ней свинца и тем дольше она прослужит. В таблице 3 сравнивается типичный срок службы стартерных батарей и батарей глубокого цикла при глубоком цикле.

Глубина разряда

Стартерная аккумуляторная батарея

Аккумулятор глубокого разряда

100%

50%

30%

12–15 циклов

100–120 циклов

130–150 циклов

150–200 циклов

400–500 циклов

1000 и более циклов

Таблица 3: Циклические характеристики стартерных батарей и батарей глубокого разряда. Стартерные батареи и батареи глубокого цикла имеют свое уникальное назначение и не подлежат замене местами.

С тех пор, как в 1912 году компания Cadillac представила электрический стартер, свинцово-кислотный аккумулятор остается естественным выбором для запуска двигателя. Свинец токсичен, и экологи пытаются найти ему альтернативу. Европе удалось уберечь никель-кадмиевые батареи от потребительских товаров, и власти хотят сделать то же самое со стартерными батареями. Альтернативой является литий-ионный, но характеристики холодного пуска не так хороши, как свинцово-кислотные, а цена слишком высока.

Старт-стоп в микрогибридных автомобилях нагружает обычный свинцово-кислотный аккумулятор и сокращает срок его службы. Чтобы продлить срок службы при непрерывном запуске / остановке и позволить быстрой зарядке использовать энергию рекуперативного торможения, производители аккумуляторов совершенствуют существующие технологии и экспериментируют с новыми системами. Ниже приведен список существующих и новых свинцово-кислотных аккумуляторов.

Абсорбирующий стеклянный мат (AGM)

AGM - это улучшенная свинцово-кислотная батарея с более высокими характеристиками, чем у обычных залитых аккумуляторов. Вместо того, чтобы погружать пластины в жидкий электролит, электролит абсорбируется матом из тонких стекловолокон. Это делает аккумулятор защищенным от проливания и позволяет транспортировать его без ограничений по опасным материалам. Пластины могут быть выполнены плоскими, как стандартная свинцово-кислотная заливка, и помещены в прямоугольный корпус или намотаны в обычную цилиндрическую ячейку.

AGM имеет очень низкое внутреннее сопротивление, способен выдавать большие токи и обеспечивает длительный срок службы, даже если время от времени подвергается глубокому циклу. AGM имеет меньший вес и обеспечивает лучшую электрическую надежность, чем заливные свинцово-кислотные. Он также хорошо выдерживает высокие и низкие температуры и имеет низкий саморазряд. Другими преимуществами перед обычной свинцово-кислотной батареей являются более высокая удельная мощность (высокий ток нагрузки) и более быстрое время зарядки (до пяти раз быстрее). Минусами являются несколько меньшая удельная энергия (мощность) и более высокие производственные затраты.

Аккумуляторы AGM обычно изготавливаются по размеру и используются в автомобилях высокого класса для работы с энергоемкими аксессуарами, такими как сиденья с подогревом, рулевые колеса, зеркала и дворники. Стартерные аккумуляторы также обеспечивают питание систем навигации, контроля тяги и устойчивости, а также стереосистем премиум-класса. NASCAR и другие автогоночные лиги выбирают продукты AGM, потому что они устойчивы к вибрации. Аккумуляторы старт-стоп почти исключительно AGM, потому что классический залитый тип не достаточно надежен; повторяющееся микроциклирование может вызвать снижение емкости. [см. BU-806a: Как нагрев и нагрузка влияют на срок службы батареи ]

AGM - предпочтительный аккумулятор для высококлассных мотоциклов. Он уменьшает утечку кислоты при аварии, снижает вес при тех же характеристиках и может устанавливаться под разными углами. Благодаря хорошей производительности при низких температурах аккумуляторы AGM также используются в судостроении, домах на колесах и робототехнике.

Как и все гелеобразные и герметичные блоки, AGM-батареи чувствительны к перезарядке. Эти батареи можно заряжать до 2,40 В / элемент (и выше) без проблем; однако подзаряд должен быть уменьшен до 2,25–2,30 В / элемент (летние температуры могут потребовать более низких напряжений). Автомобильные системы зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов часто имеют фиксированное значение напряжения подзаряда, равное 14,40 В (2,40 В / элемент), и прямая замена на герметичный блок может вызвать проблемы, поскольку аккумулятор подвергается чрезмерной перезарядке при длительной поездке. [см. BU-403: Свинцово-кислотная зарядка ]

Аккумуляторы AGM и другие аккумуляторы с гелевым электролитом не любят нагреваться и должны устанавливаться подальше от моторного отсека. Производители рекомендуют прекратить зарядку, если температура в сердечнике батареи достигает 49 ° C (120 ° F). В то время как обычные свинцово-кислотные батареи нуждаются в дополнительной подзарядке каждые шесть месяцев, чтобы предотвратить образование сульфатации, батареи AGM менее подвержены и могут храниться на хранении дольше, прежде чем возникнет необходимость в подзарядке.

Ниже перечислены важные свинцово-кислотные системы, которые используются ограниченно или проходят полевые испытания.

Аксион Сила

Axion Power e3 Supercell - это гибридная батарея / ультраконденсатор, в которой положительный электрод состоит из стандартного диоксида свинца, а отрицательный электрод - из активированного угля. Процесс сборки аналогичен свинцово-кислотному. Батарея предлагает более быстрое время перезарядки и более длительный срок службы при многократных глубоких разрядах, чем в обычных свинцово-кислотных системах, и это открывает двери для применения старт-стоп. Комбинация свинца и углерода в батареях Axion Power снижает содержание свинца на отрицательной пластине, что приводит к снижению веса на 30 процентов по сравнению с обычной свинцово-кислотной батареей. Это также снижает удельную энергию до 15–25 Вт / кг вместо 30–50 Вт / кг, как у обычных свинцово-кислотных аккумуляторов.

Альтраверда биполярный

Батареи Altraverda основана на свинца и использует собственную керамическую структуру титана суб-оксид , называемый Ebonex ® для сетки и сепаратора AGM. Непоклеенная пластина содержит частицы Ebonex ® в полимерной матрице, которая удерживает тонкую фольгу из свинцового сплава на внешних поверхностях. При 50–60 Втч / кг удельная энергия примерно на треть больше, чем у обычной свинцово-кислотной кислоты, и сравнима с NiCd. Компания Altraverda, базирующаяся в Великобритании, работает с East Penn в США, и аккумулятор хорошо подходит для приложений с более высоким напряжением.

Firefly Energy

Композитный пластинчатый материал батареи Firefly Energy основан на свинцово-кислотном варианте, который легче, долговечнее и имеет более высокий коэффициент использования активного материала, чем современные свинцово-кислотные системы. Это также одна из немногих свинцово-кислотных батарей, которые могут работать в течение продолжительного времени в частично заряженном состоянии. Батарея включает в себя электроды из угольной пены для отрицательных пластин, что дает ей характеристики, сравнимые с NiMH, но при более низких производственных затратах. Firefly Energy была дочерней компанией Caterpillar и в 2010 году обанкротилась. Компания была возрождена в отдельную собственность. Сегодня Firefly International Energy производит линейку аккумуляторов Oasis в ограниченных количествах в США.

CSIRO Ultrabattery

CSIRO Ultrabattery сочетает в себе асимметричный ультраконденсатор и свинцово-кислотную батарею в каждой ячейке. Конденсатор увеличивает удельную мощность, действуя как буфер во время заряда и разряда. Это дает на 50 процентов больше энергии, чем обычная свинцово-кислотная. Кроме того, считается, что комбинация ультраконденсатора / свинцово-кислотной батареи продлевает срок службы батареи в четыре раза. Производитель также заявляет, что производство аккумуляторов на 70 процентов дешевле, чем нынешние аккумуляторы для гибридных электромобилей (HEV). Батареи CSIRO способны быстро заряжаться, чтобы улавливать энергию от рекуперативного отключения. Батарея проходит испытания на совместимость со старт-стопом и проходит дорожные испытания на Honda Insight HEV с хорошими результатами. Компания Furukawa Battery получила лицензию на технологию.  

EEStor

EEStor также основан на комбинации батареи / ультраконденсатора, но идет дальше, используя модифицированный керамический порошок титаната бария. Батарея утверждает, что имеет удельную энергию до 280 Втч / кг, что выше, чем у литий-ионной. Компания публикует только ограниченную информацию и заявляет, что: одна десятая веса никель-металлгидридного сплава в гибридном применении, отсутствие износа за счет глубокого цикла, время зарядки 2–6 минут, отсутствие опасных материалов, производственные затраты, аналогичные стоимости свинцово-кислотной, и саморазряд, который составляет всего 0,02 процента в месяц, доля свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов. Некоторые утверждения могут быть слишком хорошими, чтобы быть правдой, и настоящим испытанием будет повседневное использование в полевых условиях.

Резюме

Кажется, что батареи развиваются медленно, и это особенно очевидно при сравнении батарей с быстрым развитием других технологий. Это не праздность инженеров-исследователей, а преодоление непреодолимых технических препятствий для удовлетворения требований длительного срока службы, высокой удельной энергии (мощности), безопасной эксплуатации, минимального обслуживания и низкой цены. Кроме того, аккумулятор должен работать при высоких и низких температурах, обеспечивать высокую мощность по запросу, быстро заряжаться и быть экологически безопасным. Ни одна батарея не соответствует всем критериям, и производители оптимизируют характеристики в соответствии с требованиями пользователей. Пока батарея построена на электрохимическом процессе, ограничения останутся.