Акумуляторна батарея - хімічне джерело електричного струму, що складається з об'єднання (батареї) декількох окремих елементів живлення. Використання декількох елементів замість одного дозволяє отримати більшу напругу або велику силу струму, в залежності від способу підключення - послідовного або паралельного.
Існує кілька типів акумуляторів, що відрізняються матеріалом електродів і електроліту. Багато хто чув і знають, наприклад, що є всілякі нікель-кадмієві, нікель-металгідридні, літій-іонні, свинцево-кислотні акумулятори.
З усього розмаїття в автомобілях в якості стартерних використовуються тільки свинцеві. Це обумовлено тим, що акумулятори цього типу мають максимальну, в порівнянні з іншими, енергоємністю і здатністю за короткий момент часу віддавати великий струм. При цьому доводиться миритися з тим, що як кислота, так і свинець - дуже шкідливі речовини. Корпуси всіх свинцевих акумуляторів робляться з міцної кислотостойкой пластмаси, щоб забезпечити максимальну безпеку під час транспортування і експлуатації.
В даний час в якості матеріалу для електродів використовується свинець не в чистому вигляді, а з різноманітними добавками, в залежності від яких АКБ ділять на кілька типів.
Залежно від добавок для матеріалу електродів автомобільні акумулятори ділять на:
- Традиційні ( «сурм'янисті»)
- малосурм'янистих
- кальцієві
- гібридні
- Гелеві, AGM
І додатково: - лужні
- Літій-іонні
Традиційні ( «сурм'янисті»)
АКБ цього типу містять в складі свинцевих пластин ≥5% сурми. Часто їх ще називають класичними, традиційними. Але таку назву на сьогоднішній день вже не актуально, так як класичними вже стали АКБ з меншим вмістом сурми.
Сурму додають в свинець, щоб збільшити міцність пластин. Але через цю добавки різко посилюється, прискорюється процес електролізу, який починається вже при 12 вольтах. Через газів, що виділяються (кисень і водень) здається, що вода кипить. Через те, що вода випаровується назовні у великій кількості, змінюється концентрація електроліту і оголюються верхні краю електродів. Для компенсації «викіпевшей» води в АКБ заливають дистильовану воду.
Акумулятори з високим вмістом сурми роблять легкообслужіваемимі. Це викликано тим, що доводиться досить часто, не рідше одного разу на місяць, проводити перевірку щільності електроліту і заливку води.
Зараз АКБ даного типу вже не встановлюються на автомобілі, тому що прогрес вже давно пішов вперед. «Сурм'янистого» батареї можуть встановлюватися на стаціонарні установки, де важливіше невибагливість джерел живлення і де немає особливих проблем з їх обслуговуванням. Всі автомобільні акумулятори виготовляються з малим вмістом сурми або ж зовсім без неї.
малосурм'янистих
Для зменшення інтенсивності «википання» води в акумуляторах стали використовувати пластини зі зниженою кількістю сурми (менше 5%). Це дозволило позбутися від необхідності часто перевіряти рівень електроліту. Також знизився рівень саморозряду АКБ при зберіганні.
Такі акумулятори найчастіше називають малообслуговуваних або зовсім не обслуговуються, маючи на увазі, що дані АКБ не вимагають контролю і догляду. Хоча термін «обслуговуються» більше маркетинговий, ніж реальний, так як не вийшло абсолютно позбутися від втрат води з електроліту. Вода все одно потроху «википає», хоч і набагато в менших кількостей, ніж у звичайних обслуговуються акумуляторів. Величезним плюсом малосурм'янистих батареї є її невимогливість до якості електрообладнання автомобіля. Навіть при перепадах напруги бортової мережі характеристики даної АКБ не змінюються так необоротно, як це буває з більш сучасними акумуляторами, наприклад, кальцієвими або гелів.
Малосурм'янистих акумуляторні батареї більше підходять для легкових автомобілів російського виробництва, так як вітчизняні авто поки не можуть похвалитися забезпеченням стабільності напруги бортової мережі. Тим більше, малосурм'янистих акумулятори відрізняються мінімальною вартістю в порівнянні з іншими.
кальцієві
Ще одним рішенням знизити інтенсивність «википання» води в акумуляторі було використання замість сурми іншого матеріалу в гратах електродів. Найбільш підходящим виявився кальцій. Акумуляторні батареї даного типу часто мають маркування «Ca / Ca», що позначає, що пластини обох полюсів містять в своєму складі кальцій. Також до складу пластин іноді додають ще й срібло в малих кількостях, що знижує внутрішній опір АКБ. Це позитивно позначається на енергоємності і ККД батареї.
Застосування кальцію дозволило значно знизити інтенсивність газовиділення і втрати води, в порівнянні з малосурм'янистих акумуляторами. Фактично, втрати води за весь термін служби батареї склали настільки малу величину, що відпала необхідність в перевірці щільності електроліту і рівня води в банках. Таким чином, кальцієві акумуляторні батареї мають право називатися необслуговуваними.
Крім низької швидкості «википання» води, кальцієві акумулятори мають ще й знижений майже на 70%, в порівнянні з малосурм'янистих, рівень саморозряду. Це дозволяє кальцієвих батареям довше зберігати свої експлуатаційні властивості при довгому зберіганні.
Оскільки використання кальцію замість сурми дозволило підвищити напругу початку електролізу води з колишніх 12 до 16 вольт, перезаряд став не такий страшний.
Однак кальцієві акумуляторні батареї мають не тільки плюси, а й мінуси.
Одним з головних мінусів акумуляторів даного типу є примхливість щодо переразряда. Досить 3-4 рази надто розрядити, як незворотньо знижується рівень енергоємності, тобто різко зменшується кількість струму, яке батарея здатна накопичити. Акумуляторну батарею в таких випадках, як правило, просто змінюють.
Кальцієві акумулятори чутливі до напруги бортової мережі автомобіля, вкрай погано переносячи різкі перепади. Перед покупкою акумуляторної батареї даного типу слід переконатися в стабільності напруги автомобіля.
Ще одним мінусом є більш висока ціна кальцієвих акумуляторів. Але це вже не є недоліком, а вимушеної платою за якість.
Найчастіше кальцієві акумуляторні батареї встановлюються на іномарках середнього цінового діапазону і вище, тобто на ті автомобілі, де якість і стабільність електрообладнання гарантовано. При покупці акумулятора даного типу слід мати на увазі, що батарея в експлуатації більш вимоглива, ніж малосурм'янистих, але зате при належному догляді Ви отримуєте високоякісний і надійне джерело живлення для Вашого автомобіля.
гібридні
Часто позначаються як «Ca +». У гібридних акумуляторах пластини електродів зроблені за різними технологіями: позитивні - малосурм'янистих, негативні - кальцієві. Це дозволяє поєднати позитивні якості обох типів акумуляторних батарей. Витрата води у гібридних батарей в два рази менше, ніж у малосурм'янистих, але все одно більше, ніж у кальцієвих. Зате вище стійкість до перерозряду і перезарядити.
За характеристиками гібридні акумуляторні батареї знаходяться між малосурм'янистих і кальцієвими.
Гелеві, AGM
Гелеві та AGM акумулятори містять електроліт не в «класичному» рідкому вигляді, а у зв'язаному, гелеобразном стані (звідси і назва типу батареї).Інженерам протягом більш ніж півтори сотні років історії акумуляторних батарей доводилося вирішувати безліч проблем, завдань. Однією з найважливіших проблем було осипання активної речовини з поверхні пластин-електродів. Це питання тимчасово вирішили шляхом додавання до складу оксиду свинцю різних присадок - сурми, кальцію і т.д. Ще однією дуже важливою завданням було забезпечення безпеки експлуатації батарей, тому що електроліт - водний розчин сірчаної кислоти - міг легко витекти при пошкодженні корпусу АКБ. Не треба розповідати, наскільки агресивною хімічною речовиною є сірчана кислота. Необхідно було знайти спосіб не допустити, мінімізувати можливість витоку електроліту при пошкодженні корпусу батареї.
Ця проблема була вирішена шляхом перекладу електроліту з рідкого в гелевидний стан. Оскільки гель набагато більш щільний і менш текучий, ніж рідина, це вирішило відразу обидві проблеми - активна речовина вже не осипалося (щільна довкілля фіксувала його) і електроліт не витікав (гель має низьку плинність).
І в гелевих, і в AGM батареях електроліт знаходиться в гелеобразном стані. Відмінність в тому, що в AGM акумулятори крім цього між пластинами-електродами знаходиться спеціальний пористий матеріал, додатково утримує електроліт і захищає електроди від осипання. Сама абревіатура «AGM» так і розшифровується - Absorbent Glass Mat (абсорбуючий стекломатеріал). Оскільки гелеві та AGM акумулятори мають майже схожі характеристики, далі по тексту під гелевими будуть матися на увазі і AGM батареї. У разі наявних відмінностей про це буде вказано окремо.
Завдяки тому, що гель в акумуляторах знаходиться фактично в зафіксованому стані, дані батареї не бояться нахилів. Виробники пишуть навіть, що експлуатація батареї допустима в будь-якому положенні. Хоча це лише маркетинговий висловлювання, тому що все одно не варто тримати гелеві АКБ в перевернутому стані.
Відмінна виброустойчивость - це не єдине позитивне якість гелевих акумуляторів. Дані типи батарей мають низьку швидкість саморозряду, завдяки чому їх можна зберігати тривалий час без критичного зниження заряду. Зберігати слід в зарядженому стані.
Гелеві АКБ можуть видавати однаково високий струм аж до повного розряду. При цьому вони не бояться переразряда, повністю відновлюючи після підзарядки свою номінальну ємність.
Якщо при розряді гелеві акумулятори менш примхливі, ніж класичні, то з зарядом батарей ситуація зовсім інша. Неприпустимий прискорений заряд - процес зарядки гелевих акумуляторних батарей повинен відбуватися набагато меншим струмом. Для цього навіть використовуються спеціальні зарядні пристрої, які підходять для зарядки тільки гелевих акумуляторів. Хоча на ринку є і універсальні ЗУ, які вміють, по завіреннях виробників, виробляти зарядку всіх типів батарей. Наскільки це відповідає дійсності - необхідно дивитися уважно, звертаючи увагу на репутацію і гарантії виробника.
На жаль, гелеві батареї при дуже низьких температурах ведуть себе гірше, ніж класичні. Це пов'язано з тим, що гель стає менш проведеним при зниженні температури. При сприятливих умовах експлуатації гелеві акумуляторні батареї можуть працювати до 10 років.
Завдяки своїй абсолютній герметичності, відносної виброустойчивости і своєї фактичної (а не просто маркетингової) необслужіваемості гелеві батареї широко застосовуються там, де класичні АКБ використовувати небезпечно або невигідно: всередині приміщень (наприклад, в джерелах безперебійного живлення), в мототехніки (мотоцикл, на відміну від автомобіля, їде, періодично відхиляючись від вертикальної площини), в морському і річковому транспорті (дані акумулятори не бояться качки, властивої судам). Зрозуміло, гелеві батареї також застосовуються і в автомобілях. Найчастіше - в престижних іномарках, що обумовлено досить високою ціною цих АКБ (плата за якість і надійність).
лужні
Як відомо, в якості електроліту в акумуляторах може використовуватися не тільки кислота, але і луг. Існує безліч різновидів лужних АКБ, але ми розглянемо тільки ті, що знайшли застосування в автомобілях.
Автомобільні лужні акумулятори бувають двох типів: нікель-кадмієві та нікель-залізні. В нікель-кадмиевой батареї позитивні пластини покриті гідроксооксідом нікелю NiO (OH) (він же гідрат окису нікелю III або метагидроксид нікелю), негативні пластини - сумішшю кадмію і заліза. В нікель-залізної батареї позитивні пластини покриті тим же складом, що і в нікель-кадмиевой батареї - гідроксооксідом нікелю. Відмінність лише в негативному електроді - в нікель-залізному акумуляторі він зроблений з чистого заліза. Електролітом в обох типах акумуляторів є розчин їдкого калію КОН.
Пластини-електроди в лужних батареях упаковуються в «конверти» з найтоншої перфорованої металевої пластини. У ці ж конверти запресовується активна речовина. Це дозволяє сильно підвищити виброустойчивость батарей.
У лужних АКБ є цікава особливість: в нікель-кадмієвих акумуляторах позитивних пластин на одну більше, ніж негативних, і знаходяться вони по краях, з'єднуючись з корпусом. В нікель-залізних акумуляторах все навпаки - негативних пластин більше, ніж позитивних.
Ще однією особливістю лужних батарей є те, що в них при протіканні хімічних реакцій не витрачається електроліт. З цієї причини його потрібно менше, ніж в кислотних, де доводиться наливати електроліт з запасом по причині його «википання».
У лужних акумуляторних батарей є ряд переваг в порівнянні з кислотними:
- Хороша переносимість перерозряду. При цьому батарея може зберігатися в розрядженому стані без втрати своїх характеристик, чого не можна сказати про кислотні АКБ.
- Лужні батареї відносно легко переносять перезаряд. При цьому є думка, що їх краще перезарядити, ніж недозаряд.
- Лужні акумулятори набагато краще працюють в умовах низької температури. Це дозволяє майже безвідмовно забезпечувати запуск двигунів в зимовий час.
- Саморозряд лужних батарей нижче класичних кислотних.
- З лужних АКБ не виділяються шкідливі випари, чого не можна сказати про кислотні АКБ.
- Лужні акумулятори вміють накопичувати більше енергії на одиницю маси. Це дає можливість довше видавати електричний струм (при тяговому режимі експлуатації).
Однак у лужних акумуляторних батарей є і недоліки, якщо порівнювати з кислотними:
- Лужні акумулятори видають напругу менше, ніж кислотні, через що доводиться об'єднувати більшу кількість «банок» для досягнення потрібного напруги. З цієї причини, при однаковій напрузі, габарити лужного акумулятора будуть більше.
- Лужні батареї набагато дорожче кислотних.
Лужні батареї в даний час використовуються частіше в якості тягових акумуляторів, ніж стартерних. Через свої габарити більшість що випускаються стартерних лужних АКБ - для вантажівок.
Перспектива широкого використання лужних батарей на легкових автомобілях поки туманна.
Літій-іонні
Літій-іонні акумуляторні батареї (і її підвиди) вважаються найбільш перспективними в якості додаткового джерела електричного струму.
В хімічні елементи цього типу носіями електричного струму є іони літію. На жаль, не можна однозначно описати матеріали електродів, тому що технологія постійно змінюється, вдосконалюється. Можна лише сказати, що перший час в якості негативних електродів використовувався металевий літій, але подібні акумулятори виявилися вибухонебезпечними. Надалі став використовуватися графіт. Як матеріал позитивних електродів раніше використовувалися оксиди літію з додаванням або кобальту, або марганцю. Однак зараз вони все більше заміщуються літій-феро-фосфатними, тому що новий матеріал виявився менш токсичним, дешевшим і екологічним (можна безпечно утилізувати).
Найважливішими достоїнствами літій-іонних акумуляторів є:
- Висока питома ємність (ємність на одиницю маси).
- Що видається напруга вище, ніж у «звичайних» - один елемент живлення здатний видавати близько 4 вольт. Нагадаємо, що напруга елемента класичної АКБ - 2 вольта.
- Низький саморозряд.
Однак всі наявні гідності переважують недоліки, через які не виходить вже сьогодні масово використовувати літій-іонні батареї в якості заміни класичних свинцево-кислотних.
Деякі недоліки літій-іонних батарей:
- Чутливість до температури повітря. При негативних температурах здатність віддавати енергію дуже різко знижується. І це одна з головних проблем, над вирішенням якої і б'ються розробники.
- Число зарядів-розрядів поки занадто мало (в середньому, близько 500).
- Літій-іонні акумулятори «старіють». При зберіганні відбувається поступове зменшення ємності. Протягом 2 років - близько 20% ємності. Прохання не плутати з саморазрядом або ефектом пам'яті. Але добре, що робота над вирішенням цієї проблеми все-таки ведеться.
- Літій-іонні акумулятори вкрай чутливі до глибоких розрядів.
- Недостатня потужність для використання в якості батареї стартера. Сили струму, що видається літій-іонним елементом, вистачає для живлення електронних приладів, але недостатньо для пуску двигуна.
Коли інженерам вдасться вирішити ці недоліки, літій-іонні акумулятори стануть відмінною заміною класичної кислотної АКБ.
Йде Безперервна робота над удосконалення існуючіх тіпів акумуляторних батарей. У дослідних центрах шукають способи збільшення енергоємності джерел живлення, що дозволить зменшити розміри акумуляторів. Для північних районів дуже стане в нагоді винахід морозотривкої батареї (і тоді не було б проблеми відмови заводу двигуна в сильні морози).
Дуже важливою є робота і в напрямку забезпечення екологічності, тому що нинішні технології виробництва акумуляторних батарей не можуть обійтися без використання отруйних і просто небезпечних речовин (взяти хоча б свинець або сірчану кислоту).
Навряд чи у традиційних свинцево-кислотних акумуляторних батарей є майбутнє. AGM батареї - це проміжний етап в еволюції. Акумулятор майбутнього не матиме в своєму складі рідина (щоб нічого не вилилося при пошкодженні), буде мати довільну форму (щоб була можливість використовувати усі можливі порожнечі автомобіля), а також безліч інших параметрів, які дозволять автовласникам насолоджуватися поїздкою, а не нервувати з приводу того, що акумуляторна батарея може відмовити в самий невідповідний момент.
Ще в цьому розділі
