Почему именно свинец и серная кислота?

Часто покупатели задают вопрос - а нет ли в продаже более современных АКБ? Почему продавцы предлагают лишь «традиционные» свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, изобретенные еще в 1859 году? И почему им на замену не пришли более современные никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, литий-ионные аккумуляторы? Они более емкие, в них не содержатся токсичные кислота и свинец.

Ответ простой - у них есть недостатки, недопустимые для автомобильных аккумуляторов. У никель-кадмиевых - высокий уровень саморазряда, «эффект памяти», затрудняющий его подзарядку, и большая, чем у свинца, токсичность кадмия. У никель-металлгидридных уровень саморазряда еще больше. Литий-ионные аккумуляторы взрывоопасные, дорогие и теряют заряд при низких температурах. Зарядить литий-ионную батарею непросто: требуется специальное зарядное устройство, работающее по определенному алгоритму.

Так что «по сумме показателей» именно свинцово-кислотные батареи сегодня остаются оптимальным вариантом из всех возможных.

Кальциевая или «гибридная»?

Покупателей пугает слово «гибридная» на маркировке АКБ. А продавец не всегда может объяснить, в чем заключается эта «гибридность».

Стандартная АКБ состоит из шести последовательно соединенных в одном корпусе аккумуляторных «банок». В каждой банке чередуются положительные и отрицательные пластины электродов, покрытые слоем активной массы - у положительных из диоксида свинца, у отрицательных - из губчатого свинца. Электроды (они делаются в виде решеток) изготавливают из свинцового сплава. Но чистый свинец - материал непрочный, и потому его легируют - добавляют в сплав небольшие порции сурьмы или кальция.

«Чисто» сурьмяных аккумуляторов сегодня практически нет - сурьма является катализатором электролиза воды, и такой аккумулятор часто «закипает». Чтобы решить проблему выкипания, сурьму стали заменять кальцием.

Так что сейчас на рынке продают либо «гибридные» АКБ (положительные электроды с добавкой сурьмы, а отрицательные - с добавкой кальция), либо чисто «кальциевые» (все электроды сделаны из свинцово-кальциевого сплава). У «кальциевой» батареи есть свои преимущества - в частности, низкий уровень саморазряда (потеря 50% емкости за 18-20 месяцев) и минимальный расход воды из-за испарения (1 г/Ач). Однако у них есть недостаток - после двух-трех глубоких разрядов такую АКБ невозможно зарядить. У «гибридной» батареи таких проблем нет. Но расход воды в ней в полтора-два раза больше, чем у «кальциевой», - сказывается наличие сурьмы. И уровень саморазряда выше (потеря половины емкости за 12 месяцев). Но при этом «гибридные» батареи тоже не требуют «обслуживания», то есть долива дистиллированной воды в электролит.

Жидкий или гелевый?

Электроды АКБ помещены в электролит, в раствор серной кислоты. Соответственно, существует два вида батарей: с жидким электролитом и «не жидким» электролитом. Наиболее распространены АКБ с жидким электролитом - как более простые и, соответственно, более дешевые. Кроме того, запаса энергии в них хватает на все потребители в стандартном автомобиле.

По батареям с «не жидким» электролитом (иногда их все скопом ошибочно называют «гелевыми») - вопрос более сложный. Батареи, в которых электролит действительно доведен до состояния геля с помощью силикагелей, в настоящее время используются крайне редко: лишь в мотоциклах, да и то эксклюзивных. В батареях с «не жидким» электролитом все свободное место между электродами заполняется микропористым материалом, который пропитывается электролитом. Это технология AGM (Absorbed Glass Material), которая обеспечивает повышение эффективности активной массы за счет лучшего поглощения кислоты, что дает более высокий пусковой ток, стойкость к глубокому разряду, долговечность. Именно такие АКБ лучше всего подходят для автомобилей с системой Start&Stop и системой рекуперации энергии торможения. Но они - не «гелевые»…

На рынке сегодня востребованы АКБ с «промежуточной» технологией - EFB (Enhanced Flooded Battery). Ее еще называют «технология влажного электрода». В таком аккумуляторе на электроды надеты своеобразные «конверты» из микроволокна. Они тоже удерживают электролит, чем обеспечивает стабильность к циклическому разряду. Но сам аккумулятор заполнен жидким электролитом.

Полярность - Азия или Европа?

Прежде чем предлагать покупателю аккумулятор, стоит спросить у него, в какой стране собран его автомобиль. Потому что азиатские и европейские машины спроектированы под разное расположение клемм на АКБ.

Проще говоря, «прямая», она же «европейская», полярность - это когда при положении батареи «клеммы ближе к вам» плюсовая клемма находится слева, а минусовая - справа. У батареи с «обратной», то есть «азиатской», полярностью все ровно наоборот. Кроме того, у «Европы» и «Азии» может различаться и диаметр контактных клемм. Например, на типе Euro (Type 1) «плюсовая» клемма диаметром 19,5 мм, а «минусовая» - 17,9 мм. А у типа Asia (Type 3) «плюсовая» имеет диаметр 12,7 мм, а «минусовая» - 11,1 мм. Потому на европейскую машину (кстати, сюда входят и «корейцы», собранные у нас в России) установить японский аккумулятор еще можно: существуют переходники с тонких клемм на «толстые» европейские.

Кроме того, существует несколько типоразмеров аккумуляторов. И вполне может быть, что «азиат» просто не встанет на штатное место из-за того, что он меньше или больше…

Что на самом деле важно

Продавцы говорят: покупатель почти всегда не знает, что ему на самом деле нужно. И потому у него возникают все эти вопросы по поводу «кальциевых», «гелевых», «литий-ионных», «японских» АКБ. А потому продавцу важно объяснить покупателю, чего же он хочет - и почему он хочет именно это!

Итак, важнейшими для АКБ являются три параметра.

1. Номинальная электрическая емкость (Ач), она определяется отдаваемой энергией полностью заряженной батареи при двадцатичасовом разряде. Например, обозначение 6СТ-60 значит, что батарея в течение 20 часов будет отдавать ток 3 А и при этом в конце напряжение на клеммах не упадет меньше 10,8 В. Однако это вовсе не означает линейную зависимость времени разряда от разрядного тока. Целый час стабильно отдавать энергию батарея не сможет.

Есть и «неофициальный» параметр - «резервная емкость». Она измеряется в минутах - сколько аккумулятор может работать за себя и за генератор. Например, резервная емкость АКБ легкового автомобиля при нагрузке 25 А и падении напряжения до 10,5 В должна составлять не менее 90 минут.

2. Номинальное напряжение - для АКБ легкового автомобиля оно составляет 12 В. Оно может снизиться при разряде батареи и большой токовой нагрузке. Но экспериментировать, устанавливая АКБ с более высоким напряжением, не стоит…

3. Ток холодной прокрутки (CCA - Cold Cranking Amperes). Этот параметр особо важен в России: он представляет собой величину тока, который батарея способна отдать при температуре -18 о С в течение 10 секунд, напряжением не менее 7,5 В. Чем выше ток холодной прокрутки, тем легче двигатель будет запускаться зимой.

Все эти параметры есть в маркировке на корпусе АКБ.

О чем говорить с покупателем?

Прежде всего, продавец должен выслушать, что у клиента плохо светит, слабо и недолго крутится, а провода для «прикуривания» есть не у всех. И только потом спросить:

а) Сколько лет автомобилю?

б) Страна производства?

в) Ездит ли покупатель зимой или в холодное время ставит его на прикол?

г) Оборудован ли автомобиль Start&Stop и системой рекуперации энергии торможения?

д) Стоит машина ночью в гараже или «под окнами» во дворе?

е) Тюнингован ли автомобиль, установлено ли на нем дополнительное электрооборудование: подогреватели, нештатная осветительная техника и т.д.?

ж) И самый главный вопрос - на какую сумму покупки рассчитывает покупатель?

Если у покупателя «пожилая» или тюнингованная машина, то стоит порекомендовать аккумулятор с большей емкостью, например вместо 50 Ач взять 55 Ач. Но не надо «перебарщивать» - генераторы имеют строго определенную мощность и перегружать их не рекомендуется. Да и вынуждать покупателя платить лишние деньги тоже не стоит.

Если же автомобиль - «внедорожник» или «паркетник» и ездят на нем любители загородных поездок, то как раз им стоит порекомендовать аккумулятор AGM. У таких АКБ довольно высокий, до 135%, ток холодной прокрутки, более высокая устойчивость к циклам и очень высокая способность к глубокому разряду.

С развитием технологий устройства делают более компактными, функциональными и мобильными. Заслуга такого совершенства аккумуляторные батареи , которые питают устройство. За все время изобретено много разных видов аккумуляторов, которые имеют свои преимущества и недостатки.

Казалось бы, перспективная десяток лет назад технология литий ионных батарей, уже не отвечает требованиям современного прогресса для мобильных устройств. Они недостаточно мощны и быстро стареют при частом использовании или долгом хранении. С тех пор выведены подвиды литиевых батарей, такие как литий-железо-фосфатные, литий-полимерные и другие.

Но наука не стоит на месте и ищет новые способы еще более лучшего сохранения электроэнергии. Так, например, изобретают другие типы батарей.

Литий-серные батареи (Li-S)

Литий серная технология позволяет получать батареи и энергоемкостью которая в два раза превышает за их родителей литий ионных. Без существенной потери в емкости такой тип батарей можно перезарядить до 1500 раз. Преимущество батареи скрывается в технологии изготовления и компоновки, где используется жидки катод с содержанием серы, при этом он отделен специальной мембраной от анода.

Литий серные батареи можно использовать в достаточно широком диапазоне температур, а себестоимость их производства достаточно низка. Для массового применения надо устранить недостаток производства, а именно утилизация серы, которая вредна для экологии.

Магниево-серные батареи (Mg/S)

До последнего времени нельзя было объединить использования серы и магния в одной ячейке, но не так давно ученые смогли это сделать. Для их работы нужно было изобрести электролит, который бы работал с обоими элементами.

Благодаря изобретению нового электролита за счет образования кристаллических частит, которые стабилизируют его. Увы, но опытный образец на данный момент не долговечен, и в серию такое батареи скорей всего не пойдут.

Фторид-ионные батареи

Для переноса зарядов между катодом и анодом в таких батареях используется анионы фтора. Этот тип аккумуляторов имеет емкость которые в десятки раз превышает за обычные литий ионные батареи, а также может похвастаться меньшей пожароопасностью. В основе электролита лежит лантане бария.

Казалось бы, перспективное направление развитие батарей, но и оно не лишено недостатков очень серьезная преграда для массового использования - это работа аккумулятора только при очень высоких температурах.

Литий-воздушные батареи (Li-O2)

Вместе с техническими достижениями человечество уже задумывается о нашей экологии и ищет все более и более чистые источники энергии. В литий воздушных аккумуляторах вместо оксидов металла в электролите применяется углерод, который вступая в реакцию с воздухом создает электрический ток.

Плотность энергии составляет до 10 кВтч/кг, что позволяет их использовать в электромобилях и мобильных устройствах. Ожидает скорое появления для конечного потребителя.

Литий-нанофосфатные батареи

Этот тип батарей является следующим поколение литий ионных батарей, среди преимуществ который является высокая скорость заряда и возможностью высокой отдачи тока. Для полного заряда, например, требуется коло 15 минут.

Новая технология использования особых нано частиц, способных обеспечивать более быстрый поток ионов позволяют увеличить количество циклов заряда – разряда в 10 раз! Само собой, они имеют слабый саморазряд и отсутствует эффект памяти. Увы, но, широкому распространению мешает большой вес аккумуляторов и необходимость в специальной зарядке.

Как вывод, можно сказать одно. Мы скоро будем наблюдать повсеместное использование электромобилей и гаджетов, которые смогут работать очень большое время без подзарядки.

Электро новости:

Автоконцерн BMW представил свой вариант электровелосипеда. Электрический велосипед BMW оснащен электромотором (250 Вт) Разгон до скорости до 25 км/ч.

Берем сотню за 2,8 секунды на электроавтомобиле? По слухам, обновление P85D позволяет сократить время разгона с 0 до 100 километров в час с 3,2 до 2,8 секунды.

Испанские инженеры разработали аккумулятор на котором можно проехать больше 1000 км! Она дешевле на 77% и заряжается всего за 8 минут

В отношении аккумуляторов действует правило «все или ничего». Без энергетических накопителей нового поколения не будет ни перелома в энергетической политике, ни на рынке электромобилей.

Закон Мура, постулируемый в IT-индустрии, обещает увеличение производительности процессоров каждые два года. Развитие аккумуляторов отстает: их эффективность увеличивается в среднем на 7% в год. И хотя литий-ионные батареи в современных смартфонах работают все дольше и дольше, это во многом связано с оптимизированной производительностью чипов.

Литий-ионные батареи доминируют на рынке из-за их малого веса и высокой плотности накапливаемой энергии.

Ежегодно миллиарды аккумуляторов устанавливаются в мобильные устройства, электромобили и системы для хранения электричества от возобновляемых источников энергии. Однако современная техника достигла своего предела.

Хорошей новостью является то, что следующее поколение литий-ионных батарей уже почти соответствует требованиям рынка. В качестве аккумулирующего материала в них применяется литий, который теоретически позволяет в десять раз увеличить плотность хранения энергии.

Наряду с этим приводятся исследования других материалов. Хотя литий и обеспечивает приемлемую плотность энергии, однако речь идет о разработках на несколько порядков оптимальнее и дешевле. В конце концов, природа могла бы предоставить нам лучшие схемы для высококачественных аккумуляторов.

Научно-исследовательские лаборатории университетов разрабатывают первые образцы органических аккумуляторов . Однако до выхода таких биобатарей на рынок может пройти не одно десятилетие. Мостик в будущее помогают протянуть малогабаритные батареи, которые заряжаются путем улавливания энергии.

Мобильные источники питания

По данным компании Gartner, в этом году будет продано более 2 млрд. мобильных устройств, в каждом из которых установлен литий-ионный аккумулятор. Эти аккумуляторы сегодня считаются стандартом, отчасти потому, что они весьма легкие. Тем не менее они обладают максимальной плотностью энергии только 150-200 Вт·ч/кг.

Литий-ионные батареи заряжаются и отдают энергию путем перемещения ионов лития. При зарядке положительно заряженные ионы двигаются от катода через раствор электролита между слоями графита анода, накапливаются там и присоединяют электроны тока зарядки.

При разрядке они отдают электроны в контур тока, ионы лития перемещаются обратно к катоду, в котором они вновь связываются с находящимся в нем металлом (в большинстве случаев - кобальтом) и кислородом.

Емкость литий-ионных аккумуляторов зависит от того, какое количество ионов лития может располагаться между слоями графита. Однако благодаря кремнию сегодня можно добиться более эффективной работы аккумуляторов.

Для сравнения: для связывания одного иона лития требуется шесть атомов углерода. Один атом кремния, напротив, может удерживать четыре иона лития.

Литий-ионный аккумулятор сохраняет свою элетроэнергию в литии. При зарядке анода атомы лития сохраняются между слоями графита. При разрядке они отдают электроны и перемещаются в виде ионов лития в слоистую структуру катода (кобальтит лития).

Кремний повышает емкость

Емкость аккумуляторов растет при включении кремния между слоями графита. Она увеличивается в три-четыре раза при соединении кремния с литием, однако после нескольких циклов зарядки графитовый слой разрывается.

Решение этой проблемы найдено в стартап-проекте Amprius , созданном учеными из Стэндфордского университета. Проект Amprius получил поддержку таких лю­дей, как Эрик Шмидт (председателя совета директоров Google) и лауреат Нобелевской премии Стивен Чу (до 2013 года – министр энергетики США).

Пористый кремний в аноде увеличивает эффективность литий-ионных аккумуляторов до 50%. В ходе реализации стартап-проекта Amprius же произведены первые кремниевые аккумуляторы.

В рамках этого проекта доступны три метода решения «проблемы графита». Первый из них - применение пористого кремния , который можно рассматривать как «губку». При сохранении лития он крайне мало увеличивается в объеме, следовательно, слои графита остаются неповрежденными. Amprius может создать аккумуляторы, которые сохраняют до 50% больше энергии, чем обычные.

Более эффективно, чем пористый кремний, накапливает энергию слой кремниевых нанотрубок . В прототипах было достигнуто почти двукратное увеличение зарядной емкости (до 350 Вт·ч/кг).

«Губка» и трубки должны быть по-прежнему покрыты графитом, так как кремний вступает в реакцию с раствором электролита и тем самым уменьшает время работы аккумулятора.

Но есть и третий метод. Исследователи проекта Ampirus внедрили в углеродную оболочку группы частиц кремния , которые непосредст­венно не соприкасаются, а обеспечивают свободное пространство для увеличения частиц в объеме. Литий может накапливаться на этих частицах, а оболочка остается неповрежденной. Даже после тысячи циклов зарядки емкость прототипа снизилась только на 3%.

Кремний соединяется с несколькими атомами лития, но при этом расширяется. Для предотвращения разрушения графита исследователи используют структуру растения граната: они вводят кремний в графитовые оболочки, размер которых достаточно велик, чтобы дополнительно присоединять литий.

Первые опыты, показавшие возможность аккумулировать, т.е. скоплять электрическую энергию, были произведены вскоре после открытия итальянским ученым Вольтой явлений гальванического электричества.

В 1801 году французский физик Готеро, пропуская через воду посредством платиновых электродов ток, обнаружил, что после того, как ток через воду прерван, можно, соединив между собой электроды, получить кратковременный электрический ток.

Ученый Риттер проделывал затем тот же опыт, употребляя вместо платиновых элекродов электроды из золота, серебра, меди и т. д. и отделяя их друг от друга кусками сукна, пропитанными растворами солей, он получил первый вторичный, т. е. способный отдавать запасенную в нем электрическую энергию, элемент.

Первые попытки создать теорию такого элемента были сделаны Вольтой, Марианини и Бекерелем, которые утверждали, что действие аккумулятора зависит от разложения электрическим током растворов солей на кислоту и щелочь и что эти последние затем, соединяясь, дают снова электрический ток.

Эта теория была разбита в 1926 году опытами Дерярива, который первый применил в аккумуляторе подкисленную воду.

Подкисленная вода при прохождении тока разлагается, очевидно, на кислород и водород, и этому разложению элемент и обязан своим последующим действием. Это положение блестяще доказал Грове, построив свой знаменитый газовый аккумулятор, состоящий из пластин, опущенных в подкисленную воду и окруженных в верхней части: одна - водородом и другая - кислородом. Однако, аккумулятор в таком виде был очень непрактичен, так как для запасания больших количеств электричества требовалось хранить очень большое количество газов, которые занимали большой объем.

Большое практическое усовершенствование в развитии аккумуляторов было внесено в 1859 году Гастоном Планте, который в результате длинного ряда опытов пришел к типу аккумулятора, состоящего из свинцовых пластин с большой поверхностью, которые при заряжении током покрывались окисью свинца, а. выделяя кислород и жидкость, отдавали электрический ток.

Планте брал две полосы из листового свинца, прокладывал между ними полосы сукна и сворачивал полосы вокруг круглой палки. Затем получившийся сверток он стягивал резиновыми кольцами и ставил в сосуд с подкисленной водой. При многократном заряжании и разряжании такого аккумулятора, на поверхности пластин образовывался активный действующий слой, который участвовал в процессе и придавал элементу большую емкость. Однако необходимость очень большого числа зарядов и разрядов аккумулятора Планте для придания ему некоторой емкости, очень сильно удорожало стоимость аккумулятора и затрудняло его выработку.

Следующим усовершенствованием, приведшим аккумулятор к его современному виду, было применение в 1880 году Камиллом Фором решетчатых свинцовых пластин, ячейки решеток которых были набиты специально приготовленной массой, .изготовленной заранее. Этот процесс сильно упростил и удешевил изготовление аккумуляторов, сведя формовку аккумулятора к очень непродолжительному процессу.

Дальнейшие усовершенствования в истории свинцовых аккумуляторов шли уже по пути улучшения примененного Фором способа заполнения и формовки решетчатых пластин, не внося резких изменений в конструкцию аккумулятора. Параллельно с развитием свинцовых аккумуляторов, обладающих рядом крупных и неустранимых недостатков, как, например, большой вес на единицу емкости, невозможность сохранения без порчи в разряженном состоянии и т. д., шла разработка возможностей применения для изготовления аккумуляторов и других металлов, кроме свинца.

Что нужно знать об аккумуляторе для автомобиля

Владельцы автомобилей, которые разбираются в устройстве своего «железного коня», понимают важность такой детали, как аккумулятор. Если он неисправен, то двигатель машины в штатном режиме завести не удастся. Поэтому всем автовладельцам желательно иметь представление о назначении АКБ, принципе работы и о том, как правильно выбрать аккумулятор для своей машины. У нас на сайте есть много статей, посвященных различных аспектам эксплуатации аккумуляторов для автомобиля. В этом материале мы попытались собрать всю информацию об аккумуляторных батареях воедино. Статья ориентирована на новоиспечённых владельцев автомобилей и дает общую информацию об автомобильном аккумуляторе.

Автомобильный аккумулятор представляет собой разновидность электрической АКБ. Применяется на автомобильных и мотоциклетных транспортных средствах. Назначение аккумулятора заключается в запуске двигателя, а также выполнении функций источника питания в бортовой сети машины при заглушенном моторе. Автомобильный аккумулятор также выступает в роли стабилизатора напряжения бортовой сети транспортного средства.

Наиболее распространенными являются АКБ с номинальным напряжением 12 вольт. Их можно встретить на легковых автомобилях, микроавтобусах, легких и средних грузовиках. Аккумуляторы с напряжением 6 вольт применяются на мотоциклетной технике. А батареи с напряжением 24 вольта эксплуатируются на тяжелых грузовиках, специальной и военной технике.

Для запуска двигателя требуется его прокрутка, которую обеспечивает стартер. А питание стартера обеспечивает аккумуляторная батарея. Поэтому их ещё часто называют стартерными АКБ. В этот момент стартер потребляет большой ток (несколько сотен ампер), разряжая батарею автомобиля. После того, как машина завелась, выработку электроэнергии в бортовой сети обеспечивает генератор. Схема построена так, что при поездке на автомобиле, аккумулятор подзаряжается и восполняет заряд, который был отдан при запуске мотора.

История возникновения и развития АКБ

Первые образцы аккумуляторных батарей появились более 200 лет назад, еще на заре электротехники. Одним из первых шагов в этом направлении сделал итальянский физик Алесандро Вольта в 1800 году. Он собрал источник питания, в котором медные и цинковые пластины был помещены в кислоту для прохождения электрического ток.

Изобретение получило название «батареи Вольта». Несколькими годами позже физик Джоан Вильгельм из Германии создал сухой гальванический элемент и АКБ. Эти изобретения не имели непосредственного отношения к автомобильным аккумуляторам, но были важным шагом на пути к ним.

Спустя полвека Вильгельм Зинстеден обнаружил и исследовал электрохимический процесс, который лег в основу будущих автомобильных АКБ. Он выяснил, что если через свинцовые пластины, погруженные в серную кислоту, пропускать электрический ток, то на положительно заряженном электроде образуется двуокись свинца. При этом отрицательно заряженный электрод никак не изменяется. При замыкании этого устройства возникал ток, и он присутствовал до момента полного растворения двуокиси свинца в кислоте. Но Зинстеден лишь изучил данное явление и никак не воплотил его на практике.

И вот в 1859 году Гастон Планте создает на базе этого процесса первый образец свинцово-кислотного аккумулятора. Можно сказать, что это и был прародитель аккумулятора для автомобиля. Эта батарея включала в себя 2 пластины из свинца, которые были надеты на цилиндр из дерева и разделены прокладкой из ткани. Эта конструкция помещалась в емкость с подкисленным раствором и подключалась к электрической батарее. После проведения заряда АКБ некоторое время выдавала электрический ток постоянного значения.

Аккумуляторная батарея Планте была небольшой ёмкость и быстро разряжалась. Поэтому французский ученый стал заниматься подготовкой поверхности электродов. Он обнаружил, что для увеличения ёмкости их нужно сделать максимально пористыми. С этой целью он пропускал ток в противоположном направлении через разряженную батарею. Данный прием он назвал формовкой пластин и делал его много раз подряд для наращивания окисла свинца на поверхности пластин. Широкое распространение такие аккумуляторные батареи получили после изобретения динамо-машины, то есть, после того, как появилась возможность быстрого заряда АКБ.

Камилл Фор в 1882 году значительно продвинулся в конструкции и производстве электродов для аккумуляторов. Фор стал покрывать свинцовые пластины окислом свинца. Когда производился заряд АКБ, то этот окисел превращался в перекись. Одновременно на другой пластине образовывалась низкая степень окисла. В результате этой операции на электродах получался пористый слой окислов свинца.

Дальнейшим усовершенствованием аккумуляторов занимался уже Томас Эдисон в начале XX века. Он как раз работал в направлении усовершенствования аккумуляторов под использование их на транспортных средствах. В ходе исследований он разработал железно-никелевые АКБ. Электролитом в них был едкий калий. Через некоторое время налаживается промышленный выпуск портативных аккумуляторов для автомобилей, которые нашли применение на транспортных средствах и судах. Корпус АКБ сначала делали из дерева. Потом для этого стали использовать эбонит. Аккумуляторная батарея состояла из нескольких элементов с номинальным напряжением 2,2 вольт. К примеру, в аккумуляторе номиналом 12 вольт имеется шесть таких элементов.

В легковых автомобилях долгое время стандартом считалось использование АКБ номиналом 6 В. Примерно в середине прошлого столетия начался переход на аккумуляторы для автомобиля номиналом 12 вольт. А батареи 6 вольт остались только на легкой мотоциклетной технике. Корпуса из эбонита постепенно заменили моделями из полипропилена, который легче и прочнее. Постепенно стали появляться автомобильные аккумуляторы, которые имели различные легирующие вещества в свинцовых электродах для изменения свойств. Позже появились модели аккумуляторов, где электролит находился в связанном состоянии (AGM, GEL). Но принцип действия АКБ для автомобиля оставался неизменным на протяжении все истории их развития.

Принцип действия аккумулятора и основные характеристики

Принцип действия свинцово-кислотного аккумулятора базируется на основе электрохимических реакциях Pb и PbO 2 в электролите. В качестве электролита используется водный раствор серной кислоты. Подробнее о том, что такое , читайте по ссылке. В автомобильном аккумуляторе протекают десятки различных реакций, но мы рассмотрим только основные. Когда на выводы аккумуляторной батареи подается внешняя нагрузка, запускается электрохимический процесс взаимодействия электролита с оксидом свинца.

В результате протекания этой реакции металлический Pb окисляется до PbSO 4 . При разряде АКБ на аноде идет процесс восстановления PbO 2 , а на катоде происходит окисление Pb. В процессе заряда аккумуляторной батареи для автомобиля протекает обратный процесс. Когда сульфат свинца расходуется, начинается процесс электролиза воды. В ходе его протекания на катоде и аноде выделяются водород и кислород, соответственно.

Ниже представлены реакции, протекающие на электродах АКБ. Слева направо реакция идет в процессе разряда. Справа налево процесс происходит при заряде аккумулятора.

Анод (положительный электрод):

PbO 2 + SO 4 2- + 4H + + 2e − -> PbSO 4 + 2H 2 O

Катод (отрицательный электрод):

Pb + SO 4 2- − 2e − ->PbSO 4

Когда аккумулятор на автомобиле разряжается, идет процесс расхода серной кислоты и понижение плотности электролита. Когда аккумуляторная батарея заряжается, процесс идет в обратном направлении и плотность электролита повышается. Когда заряд подходит к концу и сульфат свинца исчерпывается до некоторого порогового значения, запускается электролиз воды.

В результате выделения водорода и кислорода создается впечатление, что электролит кипит. Лучше избегать этого процесса, поскольку при нем расходуется вода, растет плотность электролита, а из-за гремучей смеси (водород + кислород) повышается опасность взрыва.

Чтобы поддерживать необходимый уровень электролита в элементы АКБ при необходимости доливают дистиллированную воду. Подробнее о том, читайте по ссылке.

Как уже говорилось, АКБ автомобиля состоит из отдельных элементов. Сам элемент имеет в своей конструкции положительные и отрицательные электроды, а также сепараторы (разделительные пластины). Сепаратор выпускается из материалов, которые не вступают в реакцию с серной кислотой. Его назначение – это исключить замыкание пластин разной полярности. Сами электроды – это решётки, выполненные из свинца. В зависимости от типа автомобильного аккумулятора в свинец могут быть добавлены различные легирующие добавки.

На решётки положительных электродов нанесен порошок PbO2, а отрицательных электродов – порошок металлического свинца. Это делается для того, чтобы нарастить ёмкость АКБ, поскольку порошок значительно увеличивает поверхности электродов, которая взаимодействует с электролитом. Сегодня наиболее распространёнными являются АКБ для автомобиля, в которых свинцовые решётки выполнены из сплава свинца и сурьмы. Сурьмы содержится примерно 1-2 процента. Такие аккумуляторные батареи называются малосурьмянистыми (содержание сурьмы до 6 процентов). Их можно встретить в ассортименте различных производителей, включая .

Сурьма добавляется для увеличения прочности пластин. Решетки из чистого свинца недолговечны и быстро разрушаются. Решетки электродов часто легируются кальцием. Он может добавляться как в оба электрода (кальциевые аккумуляторы или Ca/Ca), так и только в отрицательный электрод (гибридные аккумуляторы Sb/Ca). Подробнее о можно прочитать в отдельной статье. Преимущество кальция в том, что он значительно снижает процесс электролиза воды и практически устраняет необходимость доливки. А главный недостаток таких батарей в необратимой потери ёмкости при глубоком разряде.

Пластины электродов погружены в электролит. Для приготовления электролита используется серная кислота и дистиллированная вода. Простую воду использовать нельзя, поскольку в ней содержатся соли магния и кальция, которые ухудшают характеристики АКБ и уменьшают срок эксплуатации.

В зависимости от концентрации серной кислоты в электролите меняется его электрическая проводимость. Она принимает максимальное значение при плотности 1,23 г/см3 и комнатной температуре. От проводимости электролита зависит внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи. Чем проводимость выше, тем внутреннее сопротивление ниже. При уменьшении внутреннего сопротивления снижаются и потери. Но плотность электролита, чаще всего, поддерживается выше. Это значение на заряженном аккумуляторе держат 1,275 г/см3. В северных регионах рекомендуется поднимать плотность до 1,29 г/см3. Делается это для того, чтобы понизить температуру замерзания электролита. В случае замерзания электролита велика вероятность коробления пластин и разрыва банок АКБ.

Основные характеристики аккумуляторной батареи

• Ёмкость аккумулятора. Характеризует количество отдаваемого электричества при разрядке до минимально допустимого напряжения. Единица измерения ёмкости ─ ампер-часы;
• Ток холодной прокрутки. Также называется пусковым током. Согласно ГОСТ проверка на заявленный пусковой ток проводится после охлаждения АКБ до -18 градусов Цельсия. Автомобильный аккумулятор разряжается пусковым током 30 секунд. После этого его напряжение должно быть не меньше 8,4 вольта. В случае разряда продолжительностью 150 секунд напряжение должно быть не меньше 6 вольт;
• Электродвижущая сила батареи (ЭДС). Параметр, показывающий напряжение на выводах батареи, на которую не повешена внешняя нагрузка и нет утечек. ЭДС можно измерить при помощи вольтметра или мультиметра;
• Внутреннее сопротивление АКБ автомобиля. Эта характеристика объединяет в себе сопротивление сепараторов, электродов, электролита, выводов и прочих элементов батареи;
• Степень заряженности. Это параметр зависит от множества факторов и точное значение узнать сложно. Но ориентировочно степень заряженности оценивается по ЭДС и плотности электролита;
• Особенности конструкции (вес, типоразмер);
• Полярность. Подробнее о том,

  Все автомобильные аккумуляторы можно подразделить на следующие виды:

  • Сурьмянистые. Эти модели АКБ ушли в прошлое и сегодня для автомобилей не используются. В электродах этих батарей содержится больше пяти процентов сурьмы;
  • Малосурьмянистые. Пластины с уменьшенным содержанием сурьмы стали для того, чтобы снизить разложение воды на кислород и водород. Но проблема обслуживаниях в них до сих пор актуальна. На сегодняшний день один из наиболее распространенных видов АКБ;
  • Кальциевые АКБ. Кальцием стали легировать свинцовые решетки для решения проблемы расхода воды и снижения саморазряда. При этом добавилась проблема потери ёмкости при глубоком разряде;
  • Гибридные батареи. Это современные автомобильные аккумуляторы, которые стали попыткой найти компромисс между малосурьмянистыми и кальциевыми аккумуляторами;
  • AGM и гелевые батареи. Это относительно новые аккумуляторы для автомобилей. Они стали следующим шагом в обеспечении безопасной эксплуатации автомобильных аккумуляторов;
  • Щелочные аккумуляторы. В этом типе аккумуляторов вместо кислоты роль электролита выполняет щелочь. Наиболее распространены аккумуляторы никель-железо и никель─кадмий;
  • Литий-ионные АКБ. Модели аккумуляторов этого вида довольно перспективны, но на сегодняшний день не получили широкого применения на автомобилях из-за ряда нерешённых проблем.

  В списке ниже приводятся основные бренды автомобильных аккумуляторов, сгруппированные по странам:

  • Россия (Зверь, Аком, Титан, Тюмень, Исток);
  • Германия (Varta, Bosch, Moll, Tenax, Energizer);
  • Польша (Sznajder, Autopart, Centra, 1 Storm, Timberg);
  • Украина (Westa, Vortex, Docker, Forse, Ista, Volta, Oberon);
  • Турция (Mutlu);
  • Япония (FB, GS Yuasa, Panasonic, Hitachi, Alaska);
  • США (Exide, Hagen, ACDelco, Afa, Duracell, American, Gigawatt, Space, Deka, Optima, Tudor);
  • Италия (Fiamm);
  • Казахстан (Барс);
  • Словения (Tab, Topla, Moratti);
  • Южная Корея (Medalist, Delkor, Solite, Nord, Rocket).

  
  Более подробные обзоры линеек аккумуляторов разных производителей можно прочитать в разделе «Выбор». Подробнее о том, можно прочитать по ссылке.