В наши дни машины в основном комплектуются свинцово-кислотными, литий-ионными, безламельными железоникелевыми батареями.
Первый вариант используется с начала двадцатого века и до сих пор. Конструкция оказалась удачной. Благодаря многочисленным усовершенствованиям удалось значительно повысить коэффициент полезного действия.
Характеристики литий-ионных аккумуляторов, появившихся примерно пятнадцать лет назад, впечатляют. Они произвели революцию на авторынке.
Накопители энергии на основе железа и никеля перестают пользоваться популярностью из-за больших затрат на их производство.
Классика жанра
Долголетие кислотных аккумуляторов обусловлено тем, что в качестве силовых установок транспортных средств обычно используются двигатели внутреннего сгорания.
Преимущества свинцово-кислотных батарей:
• безопасный источник энергии;• относительно небольшие затраты на производство;• приличная сила тока, необходимая для запуска мотора.Конечно, есть альтернатива: применение других материалов и компонентов. Между тем это влечёт повышение ёмкости, увеличение размеров, удорожание производства аккумуляторов. То есть данные варианты не подходят.
Как устроен классический автомобильный аккумулятор
Будет понятнее, если рассмотреть процессы, протекающие в одной банке. Система включает два электрода, погружённые в электролит.
Катод. Минусовой электрод. Тонкая пластина с пористой поверхностью, изготовленная из свинца.
Анод. Положительный электрод. Внутрь запрессована масса из окиси свинца.
Электролит. Раствор серной кислоты. Процентное соотношение H2SO4 к H2O составляет 35 к 65.
Плотность электролита, расстояние между электродами, разделёнными сепаратором, выполненным из пластика, подобраны таким образом, чтобы химические реакции при заряде и разряде проходили наиболее эффективно.
Накопление электрического заряда
В процессе эксплуатации автомобиля аккумулятор заряжается от генератора. Когда батарея снята, прибегают к помощи специального устройства, включаемого в обычную розетку 220 В, позволяющего регулировать зарядные ток и напряжение.
Для двенадцативольтового аккумулятора выставляется напряжение 13,5-14 В. Сила тока и ёмкость соотносятся 1/10. Большая сила тока не рекомендована. Так как в этом случае батарея быстрее разрядится.
Что происходит при зарядке?
• на аноде появляются недоокисленный свинец и связанные ионы;
• на катоде образуется Pb2O5 (перекись свинца);
• плотность электролита уменьшается.
На ячейке напряжение не должно превышать 2,2 В. Это необходимо для накопления достаточного количества ионов, предупреждения расщепления H2O на водород и кислород.
Подключение электропотребителей влечёт за собой разложение соединений и солей. По мере разряда батареи плотность электролита становится выше.
О преимуществах и недостатках автомобильных аккумуляторов
Устройство свинцово-кислотной батареи, несмотря множество усовершенствований, трудно назвать идеальным. Аккумуляторам данного типа при различных условиях эксплуатации свойственны недостатки:
• количество циклов заряда и разряда ограничено;
• показатель ёмкости со временем снижается из-за необратимого процесса сульфатации пластин;
• механическая прочность электродов не столь высокая;
• частицы, возникающие в процессе деструкции электродов, зачастую приводят к короткому замыканию катода и анода, разрушению сепаратора;
• долгое хранение в разряженном состоянии, частый перезаряд становятся причиной выхода батареи из строя.Основная проблема – сульфатация. Её последствия:
• отложение на катоде сернокислотных солей свинца;
• свободные водород и кислород вступают в реакцию с другими веществами, в результате чего получается сульфат свинца, из-за которого катод приходит в негодность.
Способы модернизации кислотных аккумуляторов
Разработчики постоянно экспериментируют с конструкцией аккумуляторов в попытке устранить основные недостатки. В результате изысканий и опытов появляются новые сплавы свинца, менее чувствительные к агрессивному воздействию серной кислоты. Благодаря никелю, олову, кальцию тоже достигнут определённый эффект. Эти легированные добавки позволили добиться снижения саморазряда до минимального значения. Ловушки в днище корпуса выполняют функцию накопителей активных веществ. В итоге снижен риск короткого замыкания катода и анода.
Раньше автовладельцы должны были контролировать плотность электролита, уровень воды. Производители избавили их от этой необходимости, сделав батарею необслуживаемой. Аккумуляторы, выпускаемые сегодня, оснащены поплавковым индикатором-глазком. Он меняет свой цвет, когда заряд повышается или понижается.
Инновационные решения
Среди инноваций, призванных улучшить технические параметры свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторов, можно выделить:
Электролит, напоминающий гель. В его основе кремниевые соединения. В данном случае потеря воды исключена. Эксплуатационные характеристики выдающиеся. Допускается установка батареи в салоне транспортного средства.
Использование углерода и графита. Формируют основы электродов. Аккумулятор становится легче. Его габариты уменьшаются.
Электронные чипы для диагностики. Позволяют с ювелирной точностью контролировать химические процессы, протекающие в каждой банке.
Щелочные безламельные железоникелевые аккумуляторы
Разработчики устройств, накапливающих энергию, обратили внимание и на другие материалы. В своё время интерес вызвал щелочной электролит. В качестве электродов использовались пластины, изготовленные из прессованного порошка железа и никеля.
Во времена Советского Союза от военных поступил заказ, предполагавший создание неприхотливой батареи с хорошими характеристиками. Была выпущена модель СЖН-50, ограниченными партиями поступавшая в войска. Её технические параметры:
• порядка 1000 циклов заряда и разряда (кислотным аккумуляторам такие показатели недоступны);
• эксплуатация в различных погодных условиях, при широком температурном диапазоне;
• длительный перезаряд не оказывает пагубного влияния;
• аккумулятор можно долгое время хранить в разряженном состоянии.
К сожалению, СЖН-50 обладала существенными недостатками:• сложный производственный процесс;
• существенные финансовые затраты, связанные с использованием никеля.
Ионно-литиевые аккумуляторы
В настоящее время рынок быстро завоёвывают литиевые аккумуляторы. Варианты их применения:
• вспомогательный аккумулятор, способствующий быстрому заряду основного;
• в качестве ионисторов, позволяющих запуск двигателя;
• батарея для электромобиля.
Преимущества литиевых аккумуляторов:
• большая ёмкость;
• компактные размеры;
• малый вес.
К недостаткам относят высокую стоимость. Однако с каждым годом положение меняется. Ионно-литиевые аккумуляторы дешевеют.
Причины:• совершенствование технологии;
• конкуренция между производителями.