Корзина
204 отзыва
+38(095)729-87-66
+380957298766
Интернет-магазин "Батарейка"
Корзина

Характеристики гелевых аккумуляторов

Характеристики гелевых аккумуляторов

 

Аккумуляторы гелевые.

 

История создания

 

Еще в 1800 году Алессандро Вольта (Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta) (1745-1827) - итальянский физик и физиолог, один из основоположников учения об электричестве поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток. Вольта назвал свое изобретение «электрический орган». Это было первый химический источник тока на медно-цинковой паре электродов («вольтов столб» или «батарея Вольта»).

В 1802 г. немецкий физик Джоан Вильгельм Риттер (Johann Wilhelm Ritter) (1776-1810) изобрел сухой гальванический элемент, а в 1803 электрическую аккумуляторную батарею. В 1854 году немецкий врач Вильгельм Зинстеден провел несколько интересных опытов. Поместив свинцовые электроды в раствор серной кислоты (электролит) и пропуская по ним ток, он обнаружил, что положительный электрод покрывается двуокисью свинца, в то время как отрицательный остается чистым. Если прекратить «подпитку» от внешнего источника и замкнуть такой элемент накоротко, то в нем начинал протекать постоянный ток, и продолжается это до тех пор, пока вся двуокись свинца, образовавшаяся на положительном электроде, не растворится в кислоте.

К сожалению, Зинстеден не сделал никаких выводов из проделанной работы, и лавры изобретателя первой свинцовой батареи достались Гастону Планте.

Спустя пять лет, в 1859 году, французский инженер Гастон Планте сделал то же самое открытие и создал первый в истории свинцовый аккумулятор. Этим было положено начало аккумуляторной техники. Аккумулятор Планте состоял из двух одинаковых свинцовых пластин, навитых на деревянный цилиндр. Друг от друга они отделялись тканевой прокладкой. Прибор устроен таким образом: пластины помещали в сосуд с водой, добавляли серную кислоту, и соединяли с электрической батареей. Спустя несколько часов, отключив батарею, можно было снимать с аккумулятора достаточно сильный ток, который сохранял в течение некоторого времени свое постоянное напряжение.

В 1880 г. К. Фор предложил методику изготовления намазных электродов путем нанесения на пластины окислов свинца. Такая конструкция электродов позволила значительно повысить емкость аккумуляторов. А в 1881 г. Э. Фолькмар предложил применять в качестве электродов намазную решетку. В том же году ученому Селлону был выдан патент на технологию изготовления решеток из сплава свинца и сурьмы.

До тех пор, пока не была изобретена динамо-машина, аккумуляторы представляли для электротехников мало интереса, но когда появилась возможность легко и быстро заряжать их с помощью генератора, аккумуляторы получили широчайшее распространение.

 В начале XX века усовершенствованием аккумулятора занялся Томас Эдисон, который хотел сделать его более приспособленным для нужд транспорта. В результате были созданы железно-никелевые аккумуляторы с электролитом в виде едкого калия.

В 1903 году начинается производство новых портативных аккумуляторов, которые получили широкое распространение в транспорте, на электростанциях и в небольших судна.

Сначала корпуса аккумуляторов были деревянными, затем эбонитовыми. Аккумуляторные батареи формировались из нескольких элементов, каждый из которых имел рабочее напряжение около 2,2 вольт. Для аккумуляторов шестивольтовых в одном корпусе последовательно соединялись три элемента, для 12-вольтовых - шесть, для 24-вольтовых - двенадцать.

Для легковых автомобилей электросистема 6-вольта была общепринятой почти полвека, и только в 50-х годах произошел массовый переход на 12 вольт.

Эбонитовые корпуса батарей с перемычками, торчащими наружу или залитыми мастикой, между элементами постепенно уступили место легким и прочным полипропиленовым. Пионером в применении синтетических материалов для корпусов аккумуляторов выступила в 1941 году австрийская фирма Baren, а полипропилен начала использовать американская фирма Johnson Controls в середине 60-х.

Произошли в конструкции свинцово-кислотных аккумуляторов и другие изменения, повлиявшие на их параметры и срок службы. Дальнейшая история развития научно-технических решений и технологии производства свинцово-кислотных аккумуляторов представляла собой постепенное совершенствование конструкции и технологии производства классических аккумуляторов с жидким или свободным электролитом, которые в настоящее время выпускаются в огромном количестве и широко используются в самых разных областях техники.

В то же время и производители, и потребители вполне закономерно мечтали об аккумуляторе, который не требовал бы регулярного обслуживания в части пополнения дистиллированной водой, измерения плотности электролита, был бы безопасен с точки зрения утечки кислоты и выделения водорода при заряде, не требуя организации специальной вентиляции. Целенаправленные усилия ученых и инженеров компании Sonnenschein, основанной в Берлине в 1910 году учеником Макса Планка – Теодором Зонненшайном привели к созданию первого в мире промышленного образца необслуживаемого герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора с загущенным электролитом.

Сын аптекаря Зонненшайна в Западной Германии – Яков, в тяжёлые для Германии послевоенные года подрабатывал фотографом, на пляжах и в парках. Для фотовспышки он носил с собой обычный автомобильный аккумулятор. Его не устраивало что кислота выплёскивается и разъедает одежду и руки. В отцовской маленькой аптекарской лаборатории, он случайно загустил электролит – добавил SiO2 (силикагель) и формалин. Все эти вещества используются в медицине. В быту силикагель используется как осушитель-впитыватель влаги, а формалин в гелевых аккумуляторах служит для стабилизации свойств силикагеля. Советские учёные в 80-х годах проводили попытки создать аккумулятор по технологии GEL, но так и не смогли получить специальный сепаратор, и все попытки создать отечественный GEL аккумулятор, так и не удались. Проект был свёрнут, и все необслуживые АКБ в СССР были только щелочные: никель-кадмиевые аккумуляторы.

В самом начале XXI-го века гелевые аккумуляторы перешли из промышленной сферы (телекоммуникации, энергетика) – в бытовую – в частный сектор. Способствовал этому главный фактор – цена. В Китае было развёрнуто миллионное производство подобных аккумуляторов. За небольшой период времени, в мире произошёл настоящий бум среди массового потребителя, продажи в 2009 году составили миллиарды долларов.

В чём причины такого головокружительного успеха? Дело в том, что технология GEL позволяет аккумуляторам сохранять удивительную живучесть при жёсткой эксплуатации. В тех местах где автомобильный аккумулятор умирает за 2 месяца – гелевый аккумулятор сохраняет ёмкость и продолжает работать. Его применяют рыбаки, дачники, охотники, сельские хозяйства, жители частных домов в системах бесперебойного питания. Огромное распространение GELевые АКБ получили в электротранспорте, системах альтернативной энергетики (ветряки, солнечные батареи). Уникальные свойства позволяют его эксплуатировать в любом положении, кроме «вверх тормашками». Единственное чего надо опасаться – прямых солнечных лучей и температуры свыше 45 градусов Цельсия.

 

Производство

 

В обычном классическом свинцово-кислотном аккумуляторе между положительными и отрицательными пластинами протекает ток по электролиту – водному раствору серной кислоты. Чтобы пластины не соприкасались и не происходило короткого замыкания они разделены сепараторами, обычно микропористым пластиком из стекловолокна.

Электролит в аккумуляторах технологии GEL находится в связанном состоянии – загущен до состояния геля – что в отличие от традиционной технологии аккумуляторов со свободным электролитом, обеспечивает условия для рекомбинации разложившейся при электролизе воды.

В жидкий электролит добавляют вещество на основе двуокиси кремния (SiO2), в результате чего образуется густая масса, напоминающая по консистенции желе. Этой массой и заполнено пространство между электродами внутри аккумулятора. Реакция рекомбинации – то есть соединения образовавшегося кислорода с ионами водорода из раствора электролита – протекает в аккумуляторах технологии GEL настолько эффективно, что долив воды в течение всего срока службы батарей не только не требуется, но даже запрещен. В процессе химических реакций в толще электролита возникают многочисленные газовые пузыри. В этих порах и раковинах происходит встреча молекул водорода и кислорода, т.е. газовая рекомбинация. В отличие от AGM технологии гелевые аккумуляторы ещё лучше восстанавливаются из состояния глубокого разряда, даже в том случае, когда к процессу заряда не приступили сразу же после зарядки батарей. Они способны перенести более 1000 циклов глубокой разрядки без принципиальной потери своей емкости. Так как электролит находится в густом состоянии, то он менее подвержен расслоению на составные части воду и кислоту, поэтому гелевые аккумуляторы лучше переносят плохие параметры тока подзаряда. Пожалуй, единственный минус гелевой технологии это цена, она выше, чем у AGM батарей такой же емкости

В производстве аккумуляторов с желеобразным электролитом применяются не содержащие сурьмы сплавы решеток положительных и отрицательных электродов – пластин аккумуляторов. Легирование сурьмой традиционно используется в технологии производства свинцово-кислотных батарей. Сурьма придает свинцу хорошие литьевые свойства, механическую прочность, а в ходе эксплуатации устойчивость при работе на циклическую нагрузку. Однако, наряду с полезными свойствами, она увеличивает саморазряд батареи и приводит к повышенному газовыделению при заряде. Все это противоречит концепции герметизированных аккумуляторов, поэтому при отливке решеток пластин в технологии GEL применяется легирование свинца другими материалами, а именно оловом и кальцием. Олово выполняет функцию сурьмы в части обеспечения адгезии активной массы к решетке пластины и устойчивости в циклических режимах эксплуатации, кальций придает пластинам механическую прочность.

Технологии GEL отличаются устойчивостью к внутренним коротким замыканиям пластин, так как желеобразный электролит препятствует образованию крупных кристаллов сульфата свинца и росту дендритов (свинцовых игл). Все это делает возможным восстановление емкости аккумулятора даже после глубокого разряда.

Большой запас электролита в аккумуляторах технологии GEL обеспечивает их надежную работу в сложных температурных условиях, таких как повышенная температура окружающей среды, а также возможность разряда с частичным снятием емкости при отрицательной температуре без риска замораживания электролита.

Аккумуляторы технологии GEL не подвержены такому явлению, как расслоение плотности электролита по высоте. Этот эффект характерен для аккумуляторов с жидким электролитом, как находящимся в свободном состоянии, так и впитанным в стекловолоконный сепаратор. Он объясняется тем, что при заряде свинцово-кислотного элемента вблизи его электродов образуется концентрированная серная кислота с высокой удельной массой по сравнению с плотностью разбавленной серной кислоты, которая под действием силы тяжести стремится опуститься на дно аккумуляторного элемента, обедняя тем самым поверхностные слои электролита.

Гель представляет собой объемную структуру, где, в идеале, каждая молекула жидкости пространственно связана мельчайшими частицами «желеобразователя», поэтому разделение электролита по плотности в гель-батареях чрезвычайно затруднено и практически не наблюдается, даже в конце срока эксплуатации.

Технология GEL позволяет применять положительные пластины различной конструкции – как плоские намазные, так и трубчатые (панцирные). Использование последних дает возможность достичь наивысших показателей как по сроку службы, так и по количеству циклов разряд-заряд, что особенно важно для тяговых аккумуляторов.

Аккумуляторы с желеобразным электролитом обладают исключительно низким газовыделением, не требуют обслуживания в ходе эксплуатации, обеспечивают циклический ресурс, не уступающий показателям батарей классической технологии, устойчивы к глубоким разрядам, повышенным рабочим температурам, не подвержены внутренним коротким замыканиям и эффекту расслоения плотности электролита по высоте. Крайне низкий саморазряд аккумуляторов GEL позволяет хранить их до двух лет без подзаряда.

Механизм рекомбинации В процессе разряда диоксид свинца PbO2 положительной пластины превращается в сульфат свинца PbSO4; и пористый свинец Pb отрицательной пластины превращается в сульфат свинца PbSO4. Это вызывает уменьшение удельного веса электролита, так как содержащаяся в нем серная кислота переходит при этом на пластины. В стадии заряда батареи эти процессы идут в обратном направлении. В процессе заряда сульфат свинца PbSO4 положительной пластины окисляется и преобразуется в диоксид свинца PbO2, в то время как на отрицательной пластине сульфат свинца PbSO4 преобразуется в пористый свинец Pb. В процессе заряда обычного открытого свинцово-кислотного аккумулятора происходит выделение газа. Это вызвано тем, что вода в процессе электролиза разлагается на составляющие элементы. Чтобы сохранить химический баланс в элементе аккумулятора, требуется периодически восполнять потерю воды, что требует дополнительного времени на контроль уровня жидкости и долив электролита.

В случае необслуживаемой аккумуляторной батареи элементы выделившегося газа вновь соединяются на стадии заряда благодаря так называемому «циклу кислородной рекомбинации», вызывающему образование воды, как это описано на следующей схеме:

1)На положительных пластинах в результате электролиза воды образуется кислород, который проникает через сепараторы к отрицательным пластинам

2)На отрицательных пластинах кислород соединяется с частью содержащегося на этих пластинах свинца, образуя оксид свинца

3)Оксид свинца соединяется с серной кислотой в электролите, образуя сульфат свинца и воду Вода, таким образом, регенерируется на положительных пластинах, в то время как сульфат свинца образуется на частично разряженных отрицательных пластинах.

4)В процессе заряда частично разряженные отрицательные пластины заряжаются, и цикл замыкается. Составные части воды и серной кислоты в электролите, также как и некоторое количество свинца на отрицательных пластинах, вновь восстанавливаются в конечной стадии процесса в их первоначальное состояние, не оказав какого-либо влияния на зарядные свойства пластин.

 

Заряд батареи  

Правильный заряд является одним из важнейших условий успешной работы свинцово-кислотных батарей с автоматическим регулированием внутреннего давления. Правильный выбор зарядного устройства влияет самым непосредственным образом на производительность и срок службы батарей. Заряд постоянным напряжением – наиболее часто применяемый метод.

Для гелевых аккумуляторов глубокий разряд является практически штатным режимом работы. Происходит это благодаря тому, что электролит как бы “связан”, и разряд аккумулятора не сопровождается его выпариванием с последующим окислением пластин, как это случается с традиционными АКБ. Поэтому при глубоком разряде (падение напряжения до 10,5 В) срок службы AGM-батареи гарантированно составит 400 циклов перезаряда. А если не доводить до крайностей, то количество циклов может увеличиться еще в десять раз. Для обычных свинцово-кислотных аккумуляторов данный параметр не превышает десятков циклов, а на практике и того меньше.

Одной из основных характеристик является емкость аккумулятора С (произведение тока разряда А на время разряда Ч). Номинальная емкость (значение указано на батарее) равна емкости, которую отдает аккумулятор при 20-часовом разряде до напряжения 1,75 В на каждой ячейке. Для 12-вольтового аккумулятора, содержащего шесть ячеек, это напряжение равно 10,5 В. Например, аккумулятор с номинальной емкостью 7 Ач обеспечивает работу в течение 20 ч при токе разряда 0,35 А. При расчете времени работы аккумулятора при токе разряда, отличном от 20-часового, реальная емкость его будет отличаться от номинальной. Так, при более 20-часовом токе разряда реальная емкость аккумулятора будет меньше номинальной.

Снижение емкости аккумуляторной батареи с течением времени называется саморазрядом. Благодаря использованию сплава Pb-Ca, саморазряд, вызванный сульфатированием пластин, удалось значительно уменьшить. В результате батареи могут храниться в течение длительного времени или использоваться лишь от случая к случаю. В нормальных условиях, при температуре около 20-25°С, саморазряд составляет около 0.1% от номинальной емкости батареи в день. Это на 25-30% меньше, чем у обычных открытых свинцово-кислотных батарей. При повышении температуры на каждые 10°С величина саморазряда удваивается.

 

Срок службы батареи

 

В результате длительной эксплуатации аккумуляторных батарей их электрическая емкость снижается, и в конце концов наступает предел, когда она уже не может быть восстановлена путем заряда батареи. Это означает, что истек срок службы батареи. Величину срока службы батареи очень сложно спрогнозировать, так как на него оказывают влияние очень много факторов. Наиболее значимыми негативными факторами являются:

- Глубокий разряд.

 - Сильный перезаряд.

 - Зарядный ток.

В процессе заряда высокий начальный зарядный ток может вызвать появление избыточного тепла. Это может привести к деформации батарей, если они размещены в месте, не обеспечивающем их достаточное охлаждение. Это же может случиться, если слишком велико напряжение заряда. Чем выше температура окружающей среды, тем быстрее происходит старение батареи. Гелевые аккумуляторы могут храниться без подзаряда в течение 1 года в сухом помещении при температуре окружающей среды от –20° до +60°С. Саморазряд составляет 3% в месяц при 25°С.

 

Инструкции по эксплуатации

 

1) Монтаж и подключение

- Не размещать заряжаемые батареи в герметичном шкафу.

- Для обеспечения максимального срока службы аккумуляторов используйте для заряда только специально предназначенное для этого устройство.

- Температура окружающей среды для заряда должна быть в диапазоне от 0° С до 40° С. Придерживаться специальных стандартов для тока зарядки, напряжения зарядки и времени зарядки.

 - Температура окружающей среды для разрядки должна быть в диапазоне от -20° С до +60° С Аккумулятор должен перезаряжаться сразу же после использования, это особенно важно, если аккумулятор глубоко разряжен.

 - Надежно закрепить батареи и не допускать их вибраций и ударов.

- Если батареи устанавливаются внутри шкафа, их следует надежно закрепить на возможно более низком уровне.

 - Не устанавливать батареи вблизи источников тепла или возможных электроискровых разрядов.

- Обычно между батареями, установленными параллельно или последовательно, возникает незначительная разница температур. Однако важно не допустить, чтобы эта разница превышала 3°С.

- Не допускать размещения батарей в местах возможного контакта с пластификаторами, органическими растворителями или мягкими ПВХ, т.к. они могут повредить пластмассовый корпус батареи.

- Не пережимать и не изгибать клеммы батареи, а также не перегревать их (не применять сварку и пайку).

 - Не рекомендуется устанавливать батареи в положении вверх дном.

- Батареи должны устанавливаться в сухом, прохладном и хорошо вентилируемом месте. - Всегда обеспечивайте достаточное пространство между батареями (около 10 мм)

- Разряд всех батарей батарейной системы должен происходить одновременно.

- Не размещать батареи в местах, где, в силу температурных перепадов, на них может конденсироваться влага.

- В случае последовательного подключения батарей необходимо прежде всего обеспечить их надежное соединение между собой и лишь затем подключать их к нагрузке.

- В связи с явлением саморазряда снижается емкость батарей во время их транспортировки или хранения. Поэтому необходимо дозаряжать батареи перед их установкой с целью эксплуатации.

2) Хранение

- Хранение батарей допускается в интервале температур от -20°С до + 40°С.

- Батареи должны храниться в сухом прохладном месте, отключенными от каких-либо электрических проводников.

- Батареи должны перезаряжаться не реже, чем через каждые 6 месяцев их хранения.

- Срок годности батарей сокращается также и в процессе их хранения, поэтому рекомендуется прежде всего использовать батареи, хранящиеся более длительное время.

3) Основные замечания

- Никогда не перемыкайте клеммы батареи между собой.

- Для очистки и протирки батарей используйте ветошь. Никогда не применяйте для этих целей бензин, масла или растворители, а также ветошь, пропитанную этими жидкостями.

- Исключайте любые возможности возникновения вблизи батарей искровых разрядов или очагов пламени.

- Не пытайтесь вскрыть батарею. В случае попадания серно-кислотного электролита на кожу или одежду, немедленно смойте его водой. При попадании электролита на роговицу глаз, тщательно смойте его и немедленно обратитесь за медицинской помощью.

- Во избежание взрыва батареи никогда не пытайтесь ее нагреть.

- Никогда не используйте в одной батарейной системе батареи разных емкостей или из разных промышленных партий, а также выпущенные разными производителями.

 - Разница в характеристиках батарей может привести к их повреждению, а также к выходу из строя работающего от них оборудования.