Как это устроено: свинцово-кислотные карбоновые аккумуляторные батареи

Давайте поговорим про свинцово-кислотные карбоновые аккумуляторные батареи. Изучим их особенности и назначение. Чтобы раскрыть тему пообщались с экспертом — сотрудником профильной компании, поставляющей данную категорию оборудования на российский рынок. Вот, что он поведал в беседе с нашим корреспондентом.

Сегодня аккумуляторные батареи имеют широкую сферу практического применения в самых разных отраслях человеческой деятельности, включая производственную и непроизводственную деятельность. Такая востребованность вызвана тем, что современный свинцово-кислотный АКБ способен обеспечивать резервное питание самых разных технических средств, машин, механизмов, аппаратов и агрегатов. Более того, широкий диапазон емкостного ряда, а также возможность выдачи напряжения от 2 до 24 В позволяет активно использовать такие батареи для питания самого разного оборудования.

Особенности современных кислотных аккумуляторов

Немаловажную роль в распространении АКБ играет и адекватная цена, благодаря чему использовать такие батареи могут практически любые предприятия. Вместе с тем, при эксплуатации таких изделий существует ряд ограничений, которые следует обязательно учитывать тем, кто планирует использовать их для стабильной и непрерывной работы оборудования.

Вследствие химических процессов, объективно происходящих внутри такого аккумулятора, количество циклов из заряда-разряда у изделий имеет ограниченное количество. В связи с этим, в среднем эксплуатационный срок такой батареи составляет 7-10 лет. Дело в том, что при интенсивной эксплуатации батареи в режиме заряда-разряда течением времени на отрицательном электроде формируются такое вещество, как сульфат свинца.

Сам процесс заключается в том, что при разряде батареи, он образуется на клемме «-», а при заряде, растворяется, но не полностью, поскольку не успевает этого сделать по объективным причинам. Соответственно, с течением времени сульфитация становится все сильней, что, в конце концов, приводит к тому, что устройство перестает держать заряд.

Если заряжать свинцово-кислотный аккумулятор высокими токами, это неизбежно приводит к повышенному выделению газа, что увеличивает внутреннее давление и может активировать процесс формирования кристаллов на электроде. Это крайне негативно сказывается на эксплуатационном сроке любой батареи, приводя к ее преждевременному выходу из строя.

Альтернативный вариант решения проблемы

Ограниченный срок практической эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, при наличии всех остальных достоинств, вынуждали ученых искать альтернативные пути решения проблемы. К числу главных задач относился поиск того, как можно было бы замедлить процесс накопления сульфатов, приводящих обычно к полной деградации батареи.

Совместными усилиями ученых-химиков и конструкторов были получены новые разработки в области создания аккумуляторных батарей, где стали активно добавляться углеродные компоненты. Сегодня такие батареи носят название свинцово-кислотных карбоновых АКБ. Решение оказалось достаточно удачным, так как позволило значительно затормозить процесс разрушения решетки, а также сульфатации пластин, что продлило эксплуатационный срок.

Главная особенность карбоновых батарей

Как можно догадаться, главным элементом, который был добавлен в традиционную свинцово-кислотную батарею, стал углерод. Будучи достаточно интересным химическим элементом, обладающим способностью уверенно создавать неорганические цепочки, он широко присутствует в природе. Сегодня его извлекают из горючих сланцев, угля, торфа, графита и даже обычно бытовой сажи, что формирует низкую себестоимость при изготовлении изделий.

Более того, карбоновые батареи значительно расширили сферу применения АКБ за счет эксплуатационных свойств. Примечательно, что в новых карбоновых моделях используется специальный электролит, имеющий форму силикагеля SiO2. Такая коллоидная форма полимерного состава позволила сбалансировать пропорцию электролита с сепаратором Absorbent Glass Mat (AGM), что качественно снизила такое явление, как расслоение.

Новое протекание химической реакции

Более этого, новый коллоидный электролит значительно улучшил ионную проводимость батареи, а также теплопроводность, что позволило уменьшить риски терморазгона. Стоит отметить, что разработка и внедрение в активное производство карбоновых АКБ проходила в два этапа:

1. Здесь углерод вместе с кальцием и оловом добавлялся только в свинец, необходимый при изготовлении отрицательной решетки. Это позволило не только усилить коррозионную стойкость и повысить физическую прочность решетки, но также значительно улучшить ее проводимость. Более того, смесь свинца с углеродом способствовало выравниванию плотности электролита.

2. На данном этапе углеродные элементы стали добавлять также в активную массу отрицательных пластин, благодаря чему удалось значительно снизить процесс сульфатации.

Удачное решение в области применения данных химических компонентов обуславливается тем, что при добавлении частиц углерода к свинцовому отрицательному электроду, образуется особая сетчатая структура. Она значительно улучшает процесс накопления электрического тока, поскольку на поверхностях углерода возникают новые реакционные центры. При этом химические реакции внутри АКБ протекают более равномерно, что также положительно влияет на долговечность эксплуатации батареи.

В целом же использование карбона позволило значительно снизить эффект концентрированного осаждения сульфата свинца на отрицательном электроде. Таким образом, несмотря на то, что полностью избежать процесса сульфатации не удалось, химики смогли существенно замедлить такие негативные электрохимические реакции. Благодаря этому современные свинцовые кислотно-карбоновые аккумуляторы служат по времени дольше, нежели АКБ с гелевым электролитом или модели AMG типа.

Некоторые производители утверждают, что срок службы их батарей составляет 15 лет и более. Конечно, фактический срок эксплуатации во многом зависит от количества циклов заряда-разряда, а также особенностей буферного режима. Вместе с тем, неоспоримым остается тот факт, что свинцово-углеродная аккумуляторная батарея служит в несколько раз дольше, нежели обычный свинцово-кислотный АКБ. И это при тех же условиях эксплуатации, что имеет чрезвычайно важное значение. К примеру, если обычная AMG батарея рассчитана на 400-500 циклов буферного режима, то карбоновая батарея обеспечивает уже до 2000 циклов заряда-разряда, при сохранении 70% своей емкости.

Нельзя обойти стороной и такую особенность карбона, как способность использовать ускоренный заряд повышенными токами, но без опасений перегрева. Соответственно, такие батареи можно заряжать намного быстрее, что значительно повышает удобство эксплуатации.

Применение новых аккумуляторов

Благодаря качественному улучшению своих эксплуатационных свойств, аккумуляторные батареи таких моделей стали активно применяться в следующих сферах деятельности:

• гибридные транспортные средства;
• источники бесперебойного питания;
• системы телекоммуникации и связи;
• пожарные и охранные системы безопасности;
• дежурное освещение;
• контрольное оборудование.

Таким образом, можно отметить, что карбоновые батареи обладают увеличенным ресурсом полезной эксплуатации, лучшей скоростью заряда, а также возможностью функционирования в буферном режиме на протяжении длительного периода времени. Примечательно, что такие АКБ не только приобрели новые технические характеристики, но и успешно переняли достоинства обычных герметизированные аккумуляторных. Все это дало новый толчок к развитию батарей, что позволило максимально оптимизировать их технические и эксплуатационные характеристики.

Источник: https://wybor-battery.com/