Особенности применения свинцово-кислотных аккумуляторов

Изобретенный французским физиком Рэймондом Луи Гастоном Планте в 1859 году, свинцово-кислотный аккумулятор был первым аккумулятором для коммерческого использования. Сегодня, заливные свинцово-кислотные аккумуляторы широко используется в автомобилях, электропогрузчиках, источниках бесперебойного питания (ИБП).

Заливные свинцово-кислотные батареи состоят из свинцовых пластин, выступающих в качестве электродов, погруженных в воду и серную кислоту. Эти батареи требуют некоторого технического обслуживания за счет потери водорода с течением времени.

В середине 1970-х годов, исследователи разработали необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы, которые могут работать в любом положении в пространстве. Жидкий электролит был заменен увлажненными сепараторами и была решена проблема изоляции. Были добавлены предохранительные клапаны, которые сделали возможным удаление воздуха во время заряда и разряда. Тем не менее, необслуживаемые батареи стоят дороже и имеют более короткий срок эксплуатации, чем заливные батареи.

Свинцово-кислотные батареи могут иметь жидкий или гелеобразный электролит.

В зависимости от областей применения, появились два обозначения свинцово-кислотно батарей. Это небольшие герметичные свинцово-кислотные (SLA, sealed lead acid) батареи и большие клапанные регулируемые свинцово-кислотные (VRLA, valve regulated lead acid) батареи. Конструктивно, обе батареи одинаковы. (Некоторые могут возразить, что название «герметичная свинцово-кислотная батарея» является неправильным, потому что свинцово-кислотный аккумулятор не может быть полностью герметичен. Я соглашусь — это действительно так,  название не совсем корректное, но это не мешает ему быть широкораспространенным). Я сделаю акцент на портативных батареях, поэтому буду ориентироваться на SLA.

В отличие от заливной свинцово-кислотной батареи, как SLA, так и VRLA имеют низкий потенциал перенапряжения, чтобы  исключить выделение газа во время зарядки. Перезаряд вызывает газообразование и обезвоживание батареи. Следовательно, эти батареи не могут быть заряжены до их полного потенциала.

Свинцово-кислотные батареи не имеют эффекта памяти. Если оставить аккумулятор на подзарядке в течение длительного времени, то это не вызывает его повреждения. Время удержания заряда свинцово-кислотным аккумулятором является лучшим среди различных типов аккумуляторных батарей. В то время, как никель-кадмиевая батарея саморазряжается примерно на 40 процентов от ее накопленной энергии за три месяца, SLA саморазряжается на ту же величину в течение одного года. SLA являются относительно недорогими источниками энергии.

SLA не поддается быстрой зарядке — типичный цикл заряда длится 8-16 часов.

SLA всегда должны храниться в заряженном состоянии. Оставив батарею в разряженном состоянии, вы запустите в ней процесс под названием сульфатация (по сути, это окисление и кристаллизация), что может привести к невозможности ее последующей перезарядки.

В отличие от никель-кадмиевых аккумуляторов, SLA не любит глубокого разряда. Полный разряд вызывает дополнительную деформацию, и каждый цикл лишает батарею небольшого количества мощности. Эта спадающая характеристика износа относится и к другим химическим батареям в той или иной степени. Для того, чтобы предотвратить частые глубокие разряды батареи, лучше использовать SLA несколько большей, чем требуется емкости.

В зависимости от глубины разряда и рабочей температуры, SLA обеспечивает от 200 до 300 циклов заряда/разряда. Основной причиной столь относительно короткого жизненного цикла является коррозия сетки положительного электрода, истощение активного материала и расширение плюсовых пластин. Эти изменения более ярко выражены при более высоких рабочих температурах.

Оптимальной рабочей температурой для батарей SLA и VRLA, является температура в  25°C . Как правило, повышение температуры на 8°C  сокращает срок службы батареи в два раза. VRLA, работающая в течение 10 лет при 25°C проработает только 5 лет при 33°C, и чуть более года при температуре 42°C.

Среди современных аккумуляторных батарей, семейство свинцово-кислотных аккумуляторов имеет самую низкую плотность энергии, которая измеряется в Ватт/кг, что делает его непригодным для портативных устройств, которым требуется компактный источник питания. Кроме того, КПД таких аккумуляторов при низких температурах оставляет желать лучшего.

Свинцово-кислотные батареи хорошо работают на высоких импульсных токах. Полная мощность может быть выдана в нагрузку за короткое время. Это делает их идеальными для использования там, где может внезапно понадобиться большое количество энергии. Именно поэтому они используются для электрического запуска двигателей внутреннего сгорания в большинстве транспортных средств.

С точки зрения утилизации, SLA является менее вредными, чем никель-кадмиевые батареи, но высокое содержание свинца делает SLA неэкологичными.

Преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов

• Недорогие и простые в изготовлении — с точки зрения затрат на Вт·ч, SLA является наименее дорогими. Например, аккумулятор 12В емкостью 3.2 А·ч, имеющий размеры 134x67x60мм, стоит порядка 400 рублей.
• Зрелая, надежная и хорошо освоеная технология — при правильном использовании, SLA достаточно долговечны
• Низкий саморазряд — скорость саморазряда является одной из самой низких в аккумуляторных системах (3-20% в месяц)
• Низкие требования к обслуживанию — нет эффекта памяти, нет необходимости доливать электролит
• Способность к большой токоотдаче. Для упомянутого выше аккумулятора с C = 3.2 А·ч токоотдача составляет не менее 16А. Аккумулятор отдает большой пусковой ток в нагрузку, при этом не просаживая напряжение питания.

Недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов

• Не могут храниться в разряженном состоянии
• Высокая чувствительность к изменению температуры — влияет и на продолжительность работы и на срок жизни аккумулятора
• Низкая плотность энергии — слабая весо-энергетическая плотность аккумулятора ограничивает область применения стационарными и колесными приложениями, поэтому их целесообразно использовать только в больших и средних по размерам роботах (если уж говорить о роботах)
• Позволяет только ограниченное количество полных циклов разряда — хорошо подходит для резервных приложений, в которых происходят только случайные глубокие разряды
• Экологически вредные — электролит и содержание свинца делают их небезопасными для окружающей среды
• Транспортные ограничения для заливных свинцово-кислотных батарей — в случае аварии может произойти утечка кислоты

Типичные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Приведу типичные значения параметров, встречающиеся для необслуживаемых 6 и 12 вольтовых батарей с емкостью порядка 0.8-7 А·ч:

• Теоретическая энергоемкость: 135 Вт·ч/кг
• Удельная энергоемкость: 30-60 Вт·ч/кг
• Удельная энергоплотность: 1250 Вт·ч/дм³
• ЭДС заряженного аккумулятора: 2.11В
• Рабочее напряжение: 2.1В (3 или 6 секций дают стандартные 6.3 или 12.6В)
• Напряжение полностью разряженного аккумулятора: 1.75-1.8В (на одну секцию). Более низкий заряд не допускается

• Рабочая температура: от -40 до +40ºС
• КПД: 80-90%

Еще статьи на моем блоге, посвященные аккумуляторам:

Разбираемся в аккумуляторах

Особенности применения NiMH аккумуляторов

Японцы создали новый тип углеродных аккумуляторов

[add_ratings]