Одной из важнейших составляющих электрического оборудования и техники любого типа является аккумуляторная батарея, или, проще говоря, аккумулятор. Существуют различные виды аккумуляторов, и в данной статье речь пойдет обо всех типах таких приспособлений.
Самый первый АКБ был создан более полутора столетий назад во Франции ученым Гастоном Планте. С каждой последующими попытками усовершенствования устройства становились все лучше, однако принцип их функционирования и строение остались неизменны. Сейчас же существуют самые разнообразные типы аккумуляторов: Li-Ion, Ni-MH, Ni-Cd и многие другие. Они имеют примерно одинаковый , но у каждого - свои особенности. Стоит рассказать обо всех этих разновидностях по порядку.
Устройства с пониженным содержанием сурьмы
Пожалуй, стоит начать описание с одного из самых часто применяемых видов аккумуляторов. АКБ с содержанием менее 5% сурьмы избавили от необходимости частого добавления дистиллированной воды. Хотя это не делает аккумуляторы данного типа необслуживаемыми из-за имеющихся расходов жидкости.
Также они обладают крайне малой степенью саморазряда батареи и переносимости электрических характеристик автомобильной бортовой сети, в отличие от своих более новых аналогов.
Сурьмянистые аккумуляторы
Данный вид аккумуляторных батарей признан устаревшим. Ему на замену пришли более современные и усовершенствованные типы АКБ с пониженным содержанием сурьмы. Однако до сих пор аккумуляторы данного вида служат по своему назначению в стационарных токовых источниках с неприхотливыми батареями.
Кальциевые альтернативы
Кальциевые АКБ хороши тем, что они уменьшают интенсивность электролиза и снижают уровень электролита. Помимо этого, кальций, заменивший сурьму, увеличил напряжение, нужное для начала осуществления электролиза, что уменьшило критичность последствий перезаряда.
Но не стоит забывать, что, как и все существующие типы аккумуляторных батарей, кальциевые АКБ обладают своими слабыми сторонами. Главный минус - повышенная чувствительность к мощному разряду ведет к резкому падению емкости.
Щелочные АКБ
Называют такие устройства, в которых электролитом выступает щелочь, а не кислота. Устройства такого вида встречаютсяв автомобилях далеко не часто, однако они могут выступать в качестве аккумуляторов, например, для шуруповертов.
Одним из таких приспособлений является Ni-Cd аккумулятор - по факту его признали устаревшим, тем не менее он еще может встать наравне со своими более новыми конкурентами за счет дешевизны. Однако так называемый «эффект памяти» и повышенный саморазряд делают применение Ni-Cd устройства весьма проблематичным.
Его никель-металл-гидридный конкурент, разумеется, выше по цене, но при этом по качеству он существенно лучше. По сравнению с Ni-Cd аналогами, «эффект памяти» у них выражается в меньшей степени, хотя он все же присутствует. Также увеличенная вместимость и пониженный саморазряд вполне объясняют высокую цену.
Литий-ионная альтернатива
Пожалуй, из всех существующих видов аккумуляторов для автомобилей и не только самым лучшим можно назвать Li-ion. Он стоит значительно дороже своих Ni-MH и Ni-Cd аналогов. Это можно объяснить тем, что аккумуляторы с ионами лития не имеют тех недостатков, которыми обладают рассмотренные ранее модели. Хотя приспособления такого вида, равно как и все существующие устройства, все же не лишены своих слабых сторон, причем действительно существенных.
Среди главных уязвимостей можно выделить:
- чрезмерную чувствительность к низким температурам, из-за чего уменьшается ток, отправляемый li-ion батареей;
- уменьшение вместимости с каждым годом;
- литий-ионные приспособления не выдерживают тотальной разрядки и зарядки до конца - в противном случае это оканчивается разрушением и даже взрывом прибора.
Модели такого типа широко применимы в качестве зарядного устройства для мобильных устройств. В случае, если технологический прогресс дойдет до достаточного уровня, чтобы Li-Ion приспособления лишились своих уязвимостей, они сумеют встать на замену кислотным батареям.
Стоит также заметить, что в старых моделях применялись разнообразные оксиды лития, в которых также содержался марганец либо кобальт. Однако в более новые модели эти элементы добавлять перестали, заменив их сплавами литий-ферро-фосфатов в связи с их дешевизной, уменьшенной токсичностью и более простой возможносттю переработки.
Литий-полимерные аккумуляторы
Литий-ионный полимерный аккумулятор, известный также как Li-Pol, LiPo, Li-polymer, представляет собой улучшенную версию стандартного литиевого аккумулятора и находит применение во многих видах техники. Электролитом здесь служит полимерный материал.
Такие типы литиевых аккумуляторов хороши тем, что обладают значительной энергетической плотностью на единицу объема и массы, пониженным саморазрядом, донельзя тонкими элементами (всего от 1 мм), возможностью гибкости, крайне несущественным перепадом напряжения в процессе разрядки, широким диапозоном температур, при которых устройство продолжит свою полноценную работу. И, ко всему прочему, LiPo не имеет эффекта памяти.
Хотя не стоит слепо полагать, что батареи такого плана на самом деле можно назвать полностью идеальными. Даже у Li-Pol есть свои изъяны. Один из самых существенных - опасность возгорания в случае перезарядки и избыточного потребления тепла. Недостатком представляется и сравнительно небольшое количество рабочих циклов - 800-900, а также старение аккумуляторов, даже если они лежат в стороне без надобности.
Наконец, даже сама зарядка весьма пагубно влияет на приспособление: если процесс зарядки уменьшает вместимость, то при глубоком заряде прибор можно смело отправлять в металлолом.
AGM и GEL-батареи
Как их часто называют, выступили как альтернативный вариант, безопасный в использовании. Проблему безопасности решили посредством перемещения электролита в связанное состояние, чтобы обеспечить уменьшение текучести.
Другими достоинствами GEL-батарей стали:
- пониженное осыпание активной массы пластин;
- пониженный саморазряд;
- переносимость к вибрации.
Их также можно наклонять практически под любым удобным углом, они могут храниться в течение достаточно продолжительного времени за счет медленного саморазряда, а переразряд не «смертелен» и не несет никакого ущерба технике в процессе.
А вот перезарядка устройства этого типа, наоборот, может крайне отрицательно повлиять на него. Поэтому и GEL-батареи все же требуют очень аккуратного и бережного обращения.
К примеру:
- несмотря на то, что их можно класть чуть ли не как угодно, их нельзя держать перевернутыми;
- работа при пониженных температурах может резко снизить функциональность приборов;
- особых мер предосторожности требует особая чувствительность приспособлений к зарядке.
При надежном хранении устройства оно сможет прослужить до десяти лет.
Гибриды
Название говорит само за себя: гибридными считаются те батареи, в строение которых входят неодинаковые пластины, то есть выполненные из различных материалов. Стоит учесть, что положительно заряженные пластины включают в себя компоненты сурьмы (ее содержание в них не превышает 5%), в то время как отрицательно заряженные пластины имеют в составе кальциевые компоненты.
Новый, чуть ли не революционный метод изготовления аккумуляторных батарей смог привести к следующему:
- Во-первых, если сравнивать аккумуляторы с пониженным содержанием сурьмы, расход жидкости очевидно уменьшается.
- Во-вторых, батарея стала более устойчивой и выносливой к перепадам напряжения, даже в случаях интенсивной зарядки и тотальной разрядки.
Конечно, это вовсе не означает, что данные аккумуляторы можно считать полностью идеальными «без единого изъяна». Они не имеют никаких особых преимуществ над всеми вышеописанными устройствами. Но при этом по качеству характеристик их можно поставить прямо посередине этого ряда.
Никель-металл-гидрид
Никель-металл-гидриды, или Ni-MH, как их обозначают в сокращенном варианте, являются такими видами аккумуляторных батарей, где в качестве отрицательного иона выступает водородный металлогидридный электрод, калиевый гидроксид в качестве электролита, никелевый - в качестве положительного иона.
Существует немалое количество различных типов батарей Ni-MH. К примеру, есть батареи долгого хранения LSD NiMH, которым не страшен мороз и длительный срок хранения. Они функционируют и с повышенными токами разряда, не разрываясь и не приходя в негодность из-за чрезмерной нагрузки.
Поэтому, к примеру, никель-металл-гидриды размера АА могут быть применимы в различных видах мелкой техники. Так, АА с большим объемом емкости в 1500-3000 мА/ч можно поместить в музыкальный плеер, радиоуправляемые игрушки, фотоаппарат и многие другие приспособления, где будет произведена зарядка за относительно непродолжительное время.
Весьма хороши и АА-батареи с уменьшенным объемом вместимости - такие АА, где емкость составляет всего 300-1000 мА/ч. АА данного типа применимы в качестве обеспечения питанием неавтоматических фонариков, управляемых пультом ДУ игрушек, раций и электронных приспособлений со сбалансированным энергопотреблением.
Стала первым изобретенным аккумулятором, увидевшим свет и нашедшим широкое применение в автомобилях и ряде других технических приборов.
Свое название приспособление получило за счет опущенных в воду и серную кислоту пластин из свинца, выполняющих роль электродов, хотя с течением времени водород в устройстве начинает теряться.
Популярность такие приспособления получили неслучайно, а благодаря очевидным достоинствам:
- отсутствие эффекта памяти;
- наличие необслуживаемых экземпляров;
- невысокая цена;
- несложная конструкция;
- надежная технология;
- пониженный авторазряд;
- потенциал увеличенной токоотдачи.
Хотя, несмотря на немалое количество достоинств, даже у этих моделей есть и свои слабые стороны:
- невозможность хранения разряженными;
- чрезмерная чувствительность к температурным изменениям, влияющая на продолжительность функциональности и жизни;
- ограниченность транспортов и дозволяемых целых циклов разряда;
- и, разумеется, самый очевидный изъян - пагубное влияние свинца на экологическую среду.
Никелево-железные аналоги
Дешевые и малообслуживаемые Ni-Fe, они же никелево-железные батареи, обладают никель оксидо-гидроксидами, используемые как положительные пластины. В роли отрицательных пластин выступают оксиды-гидроксиды феррума. Жидкий электролит представляется в виде разъедающего калия.
Стоит признать, что данный тип батарей весьма надежен благодаря выносливости к тотальным разрядам, частой перезарядке. В отличие от той же свинцово-кислотной альтернативы, такие аккумуляторы не выйдут из строя, будучи в недозаряженном состоянии.
Аккумуляторная батарея — химический источник электрического тока, состоящий из объединения (батареи) нескольких отдельных элементов питания. Использование нескольких элементов вместо одного позволяет получить большее напряжение или большую силу тока, в зависимости от способа подключения - последовательного или параллельного.
Существует несколько типов аккумуляторов, отличающихся материалом электродов и электролита. Многие слышали и знают, например, что есть всевозможные никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, литий-ионные, свинцово-кислотные аккумуляторы.
Из всего разнообразия в автомобилях в качестве стартерных используются только свинцовые. Это обусловлено тем, что аккумуляторы этого типа обладают максимальной, по сравнению с другими, энергоемкостью и способностью за короткий момент времени отдавать большой ток. При этом приходится мириться с тем, что как кислота, так и свинец - очень вредные вещества. Корпуса всех свинцовых аккумуляторов делаются из прочной кислотостойкой пластмассы, чтобы обеспечить максимальную безопасность во время транспортировки и эксплуатации.
В настоящее время в качестве материала для электродов используется свинец не в чистом виде, а с разнообразными добавками, в зависимости от которых АКБ делят на несколько типов.
В зависимости от добавок для материала электродов автомобильные аккумуляторы делят на:
- Традиционные («сурьмянистые»)
- Малосурьмянистые
- Кальциевые
- Гибридные
- Гелевые, AGM
И дополнительно: - Щелочные
- Литий-ионные
Традиционные («сурьмянистые»)
АКБ этого типа содержат в составе свинцовых пластин ≥5% сурьмы. Часто их еще называют классическими, традиционными. Но такое название на сегодняшний день уже не актуально, так как классическими уже стали АКБ с меньшим содержанием сурьмы.
Сурьму добавляют в свинец, чтобы увеличить прочность пластин. Но из-за этой добавки резко усиливается, ускоряется процесс электролиза, который начинается уже при 12 вольтах. Из-за выделяющихся газов (кислород и водород) кажется, что вода кипит. Из-за того, что вода улетучивается наружу в большом количестве, меняется концентрация электролита и оголяются верхние края электродов. Для компенсации «выкипевшей» воды в АКБ заливают дистиллированную воду.
Аккумуляторы с высоким содержанием сурьмы делают легкообслуживаемыми. Это вызвано тем, что приходится довольно часто, не реже одного раза в месяц, производить проверку плотности электролита и заливку воды.
Сейчас АКБ данного типа уже не устанавливаются на автомобили, т.к. прогресс уже давно ушел вперед. «Сурьмянистые» батареи могут устанавливаться на стационарные установки, где важнее неприхотливость источников питания и где нет особых проблем с их обслуживанием. Все автомобильные аккумуляторы изготавливаются с малым содержанием сурьмы или же совсем без нее.
Малосурьмянистые
Для уменьшения интенсивности «выкипания» воды в аккумуляторах стали использовать пластины со сниженным количеством сурьмы (меньше 5%). Это позволило избавиться от необходимости часто проверять уровень электролита. Также снизился уровень саморазряда АКБ при хранении.
Такие аккумуляторы чаще всего называют малообслуживаемыми или вовсе необслуживаемыми, подразумевая, что данные АКБ не требуют контроля и ухода. Хотя термин «необслуживаемый» больше маркетинговый, чем реальный, так как не получилось абсолютно избавиться от потерь воды из электролита. Вода все равно понемножку «выкипает», хоть и гораздо в меньших количествам, чем у обычных обслуживаемых аккумуляторов. Огромным плюсом малосурьмянистой батареи является ее нетребовательность к качеству электрооборудования автомобиля. Даже при перепадах напряжения бортовой сети характеристики данной АКБ не меняются так необратимо, как это бывает с более современными аккумуляторами, например, кальциевыми или гелевыми.
Малосурьмянистые аккумуляторные батареи больше подходят для легковых автомобилей российского производства, так как отечественные авто пока не могут похвастаться обеспечением стабильности напряжения бортовой сети. Тем более, малосурьмянистые аккумуляторы отличаются минимальной стоимостью по сравнению с другими.
Кальциевые
Еще одним решением снизить интенсивность «выкипания» воды в аккумуляторе было использование вместо сурьмы другого материала в решетках электродов. Наиболее подходящим оказался кальций. Аккумуляторные батареи данного типа часто имеют маркировку «Ca/Ca», что обозначает, что пластины обоих полюсов содержат в своем составе кальций. Также в состав пластин иногда добавляют еще и серебро в малых количествах, что снижает внутреннее сопротивление АКБ. Это положительно сказывается на энергоемкости и КПД батареи.
Применение кальция позволило значительно снизить интенсивность газовыделения и потери воды, по сравнению с малосурьмянистыми аккумуляторами. Фактически, потери воды за весь срок службы батареи составили столь малую величину, что отпала необходимость в проверке плотности электролита и уровня воды в банках. Таким образом, кальциевые аккумуляторные батареи имеют право называться необслуживаемыми.
Кроме низкой скорости «выкипания» воды, кальциевые аккумуляторы имеют еще и сниженный почти на 70%, по сравнению с малосурьмянистыми, уровень саморазряда. Это позволяет кальциевым батареям дольше сохранять свои эксплуатационные свойства при долгом хранении.
Т.к. использование кальция вместо сурьмы позволило повысить напряжение начала электролиза воды с прежних 12 до 16 вольт, перезаряд стал не так страшен.
Однако кальциевые аккумуляторные батареи имеют не только плюсы, но и минусы.
Одним из главных минусов аккумуляторов данного типа является капризность в отношении переразряда. Достаточно 3-4 раза чересчур разрядить, как необратимо снижается уровень энергоемкости, т.е. резко уменьшается количество тока, которое батарея способна накопить. Аккумуляторную батарею в таких случаях, как правило, просто меняют.
Кальциевые аккумуляторы чувствительны к напряжению бортовой сети автомобиля, крайне плохо перенося резкие перепады. Перед покупкой аккумуляторной батареи данного типа следует убедиться в стабильности напряжения автомобиля.
Еще одним минусом является более высокая цена кальциевых аккумуляторов. Но это уже не является недостатком, а вынужденной платой за качество.
Чаще всего кальциевые аккумуляторные батареи устанавливаются на иномарках среднего ценового диапазона и выше, т.е. на те автомобили, где качество и стабильность электрооборудования гарантировано. При покупке аккумулятора данного типа следует иметь в виду, что батарея в эксплуатации более требовательна, чем малосурьмянистая, но зато при должном уходе Вы получаете высококачественный и надежный источник питания для Вашего автомобиля.
Гибридные
Часто обозначаются как «Ca+». В гибридных аккумуляторах пластины электродов сделаны по разным технологиям: положительные - малосурьмянистые, отрицательные - кальциевые. Это позволяет совместить положительные качества обоих типов аккумуляторных батарей. Расход воды у гибридных батарей в два раза меньше, чем у малосурьмянистых, но все равно больше, чем у кальциевых. Зато выше устойчивость к переразрядам и перезарядам.
По характеристикам гибридные аккумуляторные батареи находятся между малосурьмянистыми и кальциевыми.
Гелевые, AGM
Гелевые и AGM аккумуляторные батареи содержат электролит не в «классическом» жидком виде, а в связанном, гелеобразном состоянии (отсюда и название типа батареи).Инженерам на протяжении более чем полторы сотни лет истории аккумуляторных батарей приходилось решать множество проблем, задач. Одной из важнейших проблем было осыпание активного вещества с поверхности пластин-электродов. Этот вопрос временно решили путем добавления в состав оксида свинца различных присадок - сурьмы, кальция и т.д. Еще одной очень важной задачей было обеспечение безопасности эксплуатации батарей, т.к. электролит - водный раствор серной кислоты - мог легко вытечь при повреждении корпуса АКБ. Не надо рассказывать, насколько агрессивным химическим веществом является серная кислота. Необходимо было найти способ не допустить, минимизировать возможность утечки электролита при повреждении корпуса батареи.
Эта проблема была решена путем перевода электролита из жидкого в гелеобразное состояние. Т.к. гель гораздо более плотный и менее текучий, чем жидкость, это решило сразу обе проблемы - активное вещество уже не осыпалось (плотная окружающая среда фиксировала его) и электролит не вытекал (гель имеет низкую текучесть).
И в гелевых, и в AGM батареях электролит находится в гелеобразном состоянии. Отличие в том, что в AGM аккумуляторах помимо этого между пластинами-электродами находится специальный пористый материал, дополнительно удерживающий электролит и защищающий электроды от осыпания. Сама аббревиатура «AGM» так и расшифровывается - Absorbent Glass Mat (абсорбирующий стекломатериал). Т.к. гелевые и AGM аккумуляторы имеют почти схожие характеристики, далее по тексту под гелевыми будут иметься в виду и AGM батареи. В случае имеющихся различий об этом будет указано отдельно.
Благодаря тому, что гель в аккумуляторах находится фактически в зафиксированном состоянии, данные батареи не боятся наклонов. Производители пишут даже, что эксплуатация батареи допустима в любом положении. Хотя это лишь маркетинговое высказывание, т.к. все равно не стоит держать гелевые АКБ в перевернутом состоянии.
Отличная виброустойчивость - это не единственное положительное качество гелевых аккумуляторов. Данные типы батарей имеют низкую скорость саморазряда, благодаря чему их можно хранить долгое время без критического снижения заряда. Хранить следует в заряженном состоянии.
Гелевые АКБ могут выдавать одинаково высокий ток вплоть до полного разряда. При этом они не боятся переразряда, полностью восстанавливая после подзарядки свою номинальную емкость.
Если при разряде гелевые аккумуляторы менее капризны, чем классические, то с зарядом батарей ситуация совсем иная. Недопустим ускоренный заряд - процесс зарядки гелевых аккумуляторных батарей должен происходить гораздо меньшим током. Для этого даже используются специальные зарядные устройства, подходящие для зарядки только гелевых аккумуляторов. Хотя на рынке имеются и универсальные ЗУ, умеющие, по заверениям производителей, производить зарядку всех типов батарей. Насколько это соответствует действительности - необходимо смотреть внимательно, обращая внимание на репутацию и гарантии производителя.
К сожалению, гелевые батареи при очень низких температурах ведут себя хуже, чем классические. Это связано с тем, что гель становится менее проводимым при снижении температуры. При благоприятных условиях эксплуатации гелевые аккумуляторные батареи могут работать до 10 лет.
Благодаря своей абсолютной герметичности, относительной виброустойчивости и своей фактической (а не просто маркетинговой) необслуживаемости гелевые батареи широко применяются там, где классические АКБ использовать опасно или невыгодно: внутри помещений (например, в источниках бесперебойного питания), в мототехнике (мотоцикл, в отличие от автомобиля, едет, периодически отклоняясь от вертикальной плоскости), в морском и речном транспорте (данные аккумуляторы не боятся качки, свойственной судам). Разумеется, гелевые батареи также применяются и в автомобилях. Чаще всего - в престижных иномарках, что обусловлено довольно высокой ценой этих АКБ (плата за качество и надежность).
Щелочные
Как известно, в качестве электролита в аккумуляторах может использоваться не только кислота, но и щелочь. Существует множество разновидностей щелочных АКБ, но мы рассмотрим только те, что нашли применение в автомобилях.
Автомобильные щелочные аккумуляторы бывают двух типов: никель-кадмиевые и никель-железные. В никель-кадмиевой батарее положительные пластины покрыты гидроксооксидом никеля NiO(OH) (он же гидрат окиси никеля III или метагидроксид никеля), отрицательные пластины - смесью кадмия и железа. В никель-железной батарее положительные пластины покрыты тем же составом, что и в никель-кадмиевой батарее - гидроксооксидом никеля. Отличие лишь в отрицательном электроде - в никель-железном аккумуляторе он сделан из чистого железа. Электролитом в обоих типах аккумуляторов является раствор едкого калия КОН.
Пластины-электроды в щелочных батареях упаковываются в «конверты» из тончайшей перфорированной металлической пластины. В эти же конверты запрессовывается активное вещество. Это позволяет сильно повысить виброустойчивость батарей.
У щелочных АКБ есть интересная особенность: в никель-кадмиевых аккумуляторах положительных пластин на одну больше, чем отрицательных, и находятся они по краям, соединяясь с корпусом. В никель-железных аккумуляторах все наоборот - отрицательных пластин больше, чем положительных.
Еще одной особенностью щелочных батарей является то, что в них при протекании химических реакций не расходуется электролит. По этой причине его требуется меньше, чем в кислотных, где приходится наливать электролит с запасом по причине его «выкипания».
У щелочных аккумуляторных батарей есть ряд преимуществ по сравнению с кислотными:
- Хорошая переносимость переразрядов. При этом батарея может храниться в разряженном состоянии без потери своих характеристик, чего нельзя сказать про кислотные АКБ.
- Щелочные батареи относительно легко переносят перезаряд. При этом есть мнение, что их лучше перезарядить, чем недозарядить.
- Щелочные аккумуляторы гораздо лучше работают в условиях низкой температуры. Это позволяет почти безотказно обеспечивать запуск двигателей в зимнее время.
- Саморазряд щелочных батарей ниже классических кислотных.
- Из щелочных АКБ не выделяются вредные испарения, чего нельзя сказать про кислотные АКБ.
- Щелочные аккумуляторы умеют накапливать больше энергии на единицу массы. Это дает возможность дольше выдавать электрический ток (при тяговом режиме эксплуатации).
Однако у щелочных аккумуляторных батарей есть и недостатки, если сравнивать с кислотными:
- Щелочные аккумуляторы выдают напряжение меньше, чем кислотные, из-за чего приходится объединять большее количество «банок» для достижения нужного напряжения. По этой причине, при одинаковом напряжении, габариты щелочного аккумулятора будут больше.
- Щелочные батареи намного дороже кислотных.
Щелочные батареи в настоящее время используются чаще в качестве тяговых аккумуляторов, чем стартерных. Из-за своих габаритов большинство выпускаемых стартерных щелочных АКБ - для грузовиков.
Перспектива широкого использования щелочных батарей на легковых автомобилях пока туманна.
Литий-ионные
Литий-ионные аккумуляторные батареи (и ее подвиды) считаются наиболее перспективными в качестве дополнительного источника электрического тока.
В химических элементах этого типа носителями электрического тока являются ионы лития. К сожалению, нельзя однозначно описать материалы электродов, т.к. технология постоянно меняется, совершенствуется. Можно лишь сказать, что первое время в качестве отрицательных электродов использовался металлический литий, но подобные аккумуляторы оказались взрывоопасными. В дальнейшем стал использоваться графит. В качестве материала положительных электродов раньше использовались оксиды лития с добавлением либо кобальта, либо марганца. Однако сейчас они всё больше замещаются литий-ферро-фосфатными, т.к. новый материал оказался менее токсичным, более дешевым и экологичным (можно безопасно утилизировать).
Важнейшими достоинствами литий-ионных аккумуляторов являются:
- Высокая удельная емкость (емкость на единицу массы).
- Выдаваемое напряжение выше, чем у «обычных» - один элемент питания способен выдавать около 4 вольт. Напомним, что напряжение элемента классической АКБ - 2 вольта.
- Низкий саморазряд.
Однако все имеющиеся достоинства перевешивают недостатки, из-за которых не получается уже сегодня массово использовать литий-ионные батареи в качестве замены классических свинцово-кислотных.
Некоторые недостатки литий-ионных батарей:
- Чувствительность к температуре воздуха. При отрицательных температурах способность отдавать энергию очень резко снижается. И это одна из главных проблем, над решением которой и бьются разработчики.
- Число зарядов-разрядов пока слишком мало (в среднем, около 500).
- Литий-ионные аккумуляторы «стареют». При хранении происходит постепенное уменьшение емкости. В течение 2 лет - около 20% ёмкости. Просьба не путать с саморазрядом или эффектом памяти. Но хорошо, что работа над решением этой проблемы все-таки ведется.
- Литий-ионные аккумуляторы крайне чувствительны к глубоким разрядам.
- Недостаточная мощность для использования в качестве стартерной батареи. Силы тока, выдаваемой литий-ионным элементом, хватает для питания электронных приборов, но недостаточно для пуска двигателя.
Когда инженерам удастся решить эти недостатки, литий-ионные аккумуляторы станут отличной заменой классической кислотной АКБ.
Идет непрерывная работа над усовершенствованием существующих типов аккумуляторных батарей. В исследовательских центрах ищут способы увеличения энергоемкости источников питания, что позволит уменьшить размеры аккумуляторов. Для северных районов очень пригодится изобретение морозоустойчивой батареи (и тогда не было бы проблемы отказа завода двигателя в сильные морозы).
Очень важна работа и в направлении обеспечения экологичности, т.к. нынешние технологии производства аккумуляторных батарей не могут обойтись без использования ядовитых и просто опасных веществ (взять хотя бы свинец или серную кислоту).
Вряд ли у традиционных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей есть будущее. AGM батареи - это промежуточный этап в эволюции. Аккумулятор будущего не будет иметь в своем составе жидкость (чтобы ничего не вылилось при повреждении), будет иметь произвольную форму (чтобы была возможность использовать все возможные пустоты автомобиля), а также множество других параметров, которые позволят автовладельцам наслаждаться поездкой, а не нервничать по поводу того, что аккумуляторная батарея может отказать в самый неподходящий момент.
Средний срок службы автомобильного аккумулятора принято считать равным 5 годам. Конечно, это зависит от множества факторов, и в первую очередь от самого владельца автомобиля. Но рано или поздно менять придется любой, и здесь разнообразие предложений в магазинах может вогнать в ступор. Стоит попробовать разобраться, что же сейчас может нам предложить промышленность в выборе аккумулятора.
Типы аккумуляторов (АКБ)
Схема свинцово-кислотного аккумулятора
Устройство свинцово-кислотного аккумулятора просто: в каждой его ячейке две пластины из свинца находятся в растворе серной кислоты. Такой имеет много достоинств: дешев в изготовлении, способен отдавать большой ток в импульсном режиме, что при запуске двигателя является критичным фактором, способен переносить значительные перепады температуры. Именно поэтому до сих пор в автомобилестроении этот тип АКБ доминирует.
Однако минусы у классического свинцово-кислотного аккумулятора не менее серьезны.
- Во-первых, это значительное газообразование, особенно при перезарядке, что не позволяет делать батареи этого типа герметичными: при перевороте неизбежен пролив едкого электролита, его капли может выносить и водород, сам по себе взрывоопасный. Частично эта проблема решается сложными лабиринтными уплотнениями в так называемых «необслуживаемых» аккумуляторах.
- Далее, эти аккумуляторы крайне тяжело переносят : пластины покрываются кристаллами сульфата свинца, их активная площадь снижается, а выпадающие в осадок кристаллы вновь освобождают свинец для реакции с кислотой – пластины необратимо разрушаются.
- И, наконец, образование водорода во время зарядки вынуждает регулярно доливать в АКБ дистиллированную воду, поэтому важно знать .
Видео: Необслуживаемый аккумулятор VARTA переделываем в обслуживаемый
2. Необслуживаемые аккумуляторы
В необслуживаемых АКБ применяется модифицированный состав пластин – добавление кальция позволяет снизить выделение водорода до минимума, и доливки воды «кальциевые» аккумуляторы в процессе эксплуатации не требуют. Но, в отличие от классических батарей, они стали чувствительными к перезаряду: в «прокипевший» обычный аккумулятор можно долить воду, но владельцы необслуживаемых батарей этой возможности лишены. Кроме того, во многих батареях этого типа снижен объем пластин, из-за чего страдает ресурс.
Предпочтителен выбор не «чисто кальциевых» (Ca/Ca), а «гибридных» батарей (Ca+), где положительные электроды изготавливаются из сурьмянистого свинца и имеют увеличенную толщину – такие батареи заметно дольше не теряют свою емкость.
3. AGM-аккумуляторы
Борьба с разрушением пластин при глубоком разряде привела к появлению AGM-аккумуляторов: у них пространство между пластинами заполнено сорбентом, пропитанным электролитом. Естественно, «осыпаться» пластины AGM-аккумулятора уже не могут, такие батареи гораздо лучше обычных переносят удары и вибрации. Отсутствие риска осыпания позволяет делать пластины пористыми, а увеличенная площадь контакта с электролитом – это рост емкости и стартерного тока. Но риск повреждения при перезаряде здесь еще выше.
4. Гелевый аккумулятор
Предел развития технологии AGM – это , в которых сам электролит загущен соединениями кремния. Их главное достоинство – это возможность отдачи огромных токов в импульсном режиме и нечувствительность к глубокому разряду, но расплачиваться за это приходится наиболее высокой ценой. Такие батареи обычно применяются при тюнинге: как тяговые для лебедок, для питания мощных аудиосистем, благодаря небольшому весу при достаточной емкости устанавливаются на спортивные автомобили и мотоциклы.
Итак, какой же аккумулятор тогда выбрать? Ответ прост: владельцу старого автомобиля, где вполне вероятны неполадки генератора, повышенный разряд батареи штатной электрикой, лучше всего подойдет классический аккумулятор – он перенесет перезаряд из-за отказа реле-регулятора, может подзаряжаться от самого примитивного зарядного устройства и после глубокого разряда «реанимироваться» мощными импульсами тока.
При регулярном обслуживании он превзойдет по ресурсу необслуживаемый кальциевый, который гораздо лучше подойдет новому автомобилю. Рассматривать приобретение AGM-аккумулятора стоит тогда, когда каждый ампер-час емкости и ампер стартерного тока имеют значение, например, на автомобилях Infiniti, где моторы объемом в несколько литров запускаются компактными батареями.
Гелевый же аккумулятор – это дорогостоящее приобретение, которое будет оправдано только в тех случаях, когда действительно нужна экономия веса или получение максимальной токоотдачи.
Видео: 10 ЛУЧШИХ АККУМУЛЯТОРОВ ДЛЯ АВТО
Токоотдача
Для грубого сравнения двух батарей удобно оперировать током холодной прокрутки, обычно отображаемым согласно стандарту EN: это число определяет ток, который аккумулятор отдает при охлаждении до -18˚С с максимальным снижением напряжения до 7,5В на 10 секунде. Однако для реальной зимней эксплуатации важнее понятие резервной емкости : времени, которое АКБ может отдавать ток фиксированной величины. Эти характеристики часто полярны: аккумулятор, способный отдать большой ток в одном импульсе, быстро высаживается под постоянной нагрузкой, в то же время батарея с меньшей импульсной токоотдачей с меньшей вероятностью «умрет» от включенного зажигания в промежутке между прокрутками стартера.
Рейтинг аккумуляторов
Из наиболее распространенных в продаже батарей попробуем выбрать наиболее лучшие модели 2016 года. Для адекватности сравнения выберем батареи наиболее популярной емкости – 65 ампер-часов.
Классические свинцово-кислотные аккумуляторы
Регулярный победитель тестов различных автомобильных изданий не может похвастаться сверхсовременными технологиями, но ему это только на пользу: толстые пластины гарантируют хороший ресурс, батарея демонстрирует отличную токоотдачу на морозе – а покупателям, выбирающим бюджетный аккумулятор, эти параметры наиболее важны. Кстати, приблизительно оценить ресурс батареи можно простым взвешиванием: легковесные тонкие пластины гораздо чувствительнее к сульфатации и воздействию вибраций. «Тюмень», весящая почти 17 килограммов, может поспорить с именитыми брендами, которые свинец явно экономят.
Минусы аккумулятора нельзя назвать критичными: неудобная ручка (для его веса даже кажущаяся излишне хлипкой), отсутствие «глазка» ареометра – но, с другой стороны, здесь можно элементарно, открутив пробки.
Еще одна отечественная батарея по цене дороже, чем «Тюмень Премиум», хотя по заявленному стартерному току слабее (540 А против 590). Однако вес у нее даже больше 17 килограммов, что является хорошей заявкой на длительный ресурс – и по отзывам владельцев батарея действительно выдерживает несколько лет работы без значительных отклонений емкости или тока холодной прокрутки.
Из недостатков стоит отметить отсутствие центральной вентиляции: каждая банка аккумулятора «дышит» через свое вентиляционное отверстие в пробке, загрязнение может привести к вздутию или даже «отстрелу» пробки во время заряда большим током – например, после прикуривания автомобиля зимой. Стоит следить за чистотой батареи.
Необслуживаемые кальциевые батареи
По соотношению цены к качеству эти батареи не первый год удерживают уверенные лидерские позиции. При их производстве только отрицательные электроды легируются кальцием, в то время как положительные изготавливаются из классического сурьмянистого сплава. Это, в свою очередь, гарантирует аккумуляторы отличный ресурс даже при частых глубоких разрядах, что подтверждает и практика.
Для жителей северных регионов особенно актуальным будет стойкость аккумулятора к морозу – заявленный ток холодной прокрутки он может отдавать достаточно долго, чтобы уверенно запустить исправный двигатель.
Турецкий производитель в тестах чаще всего оказывается стабильным «середнячком» — не показывая лидерских результатов ни по стартерному току, ни по резервной емкости на морозе, он может демонстрировать достойное уважения постоянство характеристик независимо от партии или года выпуска. Для серии Calcium Silver это утверждение более чем справедливо – покупка этого АКБ гарантирует уверенность в его работоспособности на несколько лет без необходимости в каком-либо обслуживании. Добавим к этому и достаточно бюджетную цену. По массе свинца Mutlu, кстати, превосходит Varta почти на полкилограмма.
Аккумуляторы AGM
Эта линейка аккумуляторов разрабатывалась специально для автомобилей с системой «старт-стоп», где батареям приходится часто отдавать импульсные токи большой величины и быстро восполнять заряд. Поэтому неудивительно, что и на обычных автомобилях в режиме коротких поездок по городу она демонстрирует отличную работоспособность.
Зимние испытания аккумулятор проходит уверенно: здесь расчет на быструю и частую токоотдачу тоже работает «на руку»: хотя при длительной прокрутке обороты стартера и падают, но после небольшой паузы Varta способна крутить двигатель бодрее многих аналогов из своей ценовой категории. Даже если вспомнить о добавочном весе наполнителя, на весах аккумулятор тоже выглядит солидно – 17,6 кг: технологии технологиями, а без достаточных размеров и толщины пластин добиться таких характеристик не вышло бы (а заявленный стартерный ток в 680 А для АКБ емкостью 60 А*ч – это рекордный показатель).
Главный недостаток этого аккумулятора – цена, которая многих покупателей отпугнет. Тем не менее, по своим характеристикам он заслуживает внимания, и в первую очередь – по резервной емкости зимой: для автомобилей с большим объемом двигателя, и особенно дизельных. Заявленный ток холодной прокрутки здесь – 640 А, и АКБ уверенно выполняет обещания производителя. По весу батарея не проигрывает Varta, также являясь одной из самых тяжеловесных в своем классе.
Сегодня можно встретить гелевые, щелочные, гибридные автомобильные аккумуляторы, но объединяет их одно - все они отвечают за запуск мотора, без которого наш железный конь просто-напросто не сдвинется с места.
Устройство и функции АКБ
Этот очень важный элемент выполняет три основные функции, благодаря которым и осуществляется старт, а также дальнейшее движение. Причем неважно, какую «начинку» имеет аккумулятор, установленный на авто, без него мотор не завести. Кроме того, в функции АКБ входит питание некоторых электрических устройств во время неработающего двигателя. Также современные автомобили, можно сказать, напичканы самыми разными девайсами, такими, как магнитола, авторегистраторы, навигаторы, сигнализации, и довольно часто генератор может не справляться с нагрузкой. В подобной ситуации опять на помощь приходит незаменимая батарея.
Устройство автомобильного аккумулятора довольно простое, поэтому и ломается он очень редко, чаще всего встречается ситуация, когда происходит разрядка из-за чрезмерной нагрузки. По сути, он является гальваническим элементом, в котором происходят обратные химические процессы. Таким образом, если он разрядился, то необходимо пропустить через него электрический ток в обратном направлении. Электроэнергия тогда преобразуется в химическую, и все необходимые активные вещества, израсходованные до этого, восстановятся. И тогда он сможет снова питать устройства авто.
Типы автомобильных аккумуляторов – современное разнообразие
Сегодня существуют обслуживаемые и необслуживаемые виды автомобильных аккумуляторов. Первые встречаются довольно редко из-за своих недостатков. Прежде всего, их положительный заряд переходит постепенно в отрицательный, что способствует быстрой разрядке. Кроме того, во время движения по нашим неидеальным дорогам происходит вытекание электролита, что также способствует выходу из строя батареи. При этом у них есть и одно достоинство, их легко не только разрядить, но и .
Устройство АКБ второго типа не имеет вышеуказанных минусов. К таким моделям относятся гелевые конструкции, которые не нуждаются в дополнительной доливке, так как данная субстанция довольно плотная по своей консистенции и никогда не просачивается. Таким образом, его можно установить в любом удобном положении, это никак не отразится на работоспособности. Также существуют и батареи AGM, в которых сгущение кислоты достигается с помощью использования стекловолокна.
Такая АКБ очень подвержена негативному влиянию вышедшего из строя электрооборудования, поэтому важно следить за его состоянием.
Кроме того, можно различать и следующие типы автомобильных аккумуляторов:
- малосурьмянистые, в составе которых только свинцовые пластины, они очень быстро разряжаются из-за выкипания воды, находящейся в электролите;
- гибридные, состоящие из малосурьмянистых положительных пластин и отрицательных свинцово-кальциевых, такие батареи наиболее распространены в автомобилестроении и разряжаются намного медленнее, нежели их предшественники;
- кальциевый тип АКБ, в этом случае и положительными, и отрицательными являются только лишь кальциевые пластины, их саморазрядка на целых 70 % меньше, чем у малосурьмянистых, однако и зарядить их будет невероятно трудно.
Маркировка автомобильных аккумуляторов – читаем шифры
Чтобы знать, что мы приобретаем, на каждом заводе-изготовителе в обязательном порядке осуществляется маркировка автомобильных аккумуляторов, она и дает всю необходимую информацию об АКБ . Так, первая цифра всегда указывает число аккумуляторных ячеек, их может быть 3 или 6. В зависимости от этого, номинальное напряжение батареи составляет 6 или 12 В. Далее идут буквы СТ, расшифровываются, как стартерная. Следующее число указывает емкость и обозначается в ампер-часах.
Кроме этого, маркировка АКБ содержит и дополнительную информацию. «А» говорит о наличии общей крышки, буква «З» означает, что батарея залитая, если же ее в обозначении нет, то это сухозаряженный аккумулятор. Следующие буквы дают информацию о материале, из которого сделан корпус: «Э» – эбонит, «Т» – термопластик. Если увидите «М», то сепаратор сделан из поливинилхлорида, а «П» свидетельствует о наличии этой детали из полиэтилена.
Как выбрать автомобильные аккумуляторы?
После изучения прилавков на предмет того, какие бывают автомобильные легковые и грузовые аккумуляторы (для грузовых автомобилей и для легковушек), становится понятно, что при покупке следует руководствоваться параметрами транспортного средства. Найти их можно в инструкции по эксплуатации. В первую очередь необходимо обращать внимание на емкость АКБ, которая отображает способность батареи питать электронные устройства при неисправном генераторе.
Самым популярным считается автомобильный аккумулятор 90 А/ч, но это не универсальный параметр, поэтому заглядывайте в документацию машины перед походом в магазин. Чтобы исключить долгий процесс подбора, покупки и , возьмите старый агрегат с собой в магазин. Еще необходимо учитывать и то, что сейчас на рынке полно разных подделок, поэтому, покупая АКБ, обязательно нужно следить за тем, чтобы была указана страна производителя, завод и дата изготовления.
Кроме того, среди комплектующих должен быть технический паспорт, да и на корпусе не допускается наличие никаких дефектов. Часто можно встретиться с проблемой, когда габариты батареи не подходят под гнездо, которое отведено ей под капотом
. Поэтому лучше указать консультанту при покупке технические параметры авто, чтобы найти модель аккумулятора по каталогу. Но и это не всегда срабатывает, почему-то критическими становятся буквально пара миллиметров, и батарея уже не ставится на место. Оптимальный выход – принести старую АКБ в магазин, но это не всегда просто, ведь имеет данный агрегат весьма ощутимую массу.
АКБ или аккумуляторные батареи – это оборудование, которое состоит из нескольких аккумуляторов. Оно может накапливать, хранить и расходовать энергию. Благодаря обратимости химических процессов, происходящих внутри аккумулятора, такие устройства могут заряжаться и разряжаться многократно.
Сфера применения аккумуляторов весьма обширна. Они применяются в автомобилях и различной бытовой технике, например, в пультах ДУ и ноутбуках. Но также и в качестве резервных источников питания в медицинской сфере, производстве, космической отрасли, дата-центрах.
Виды и типы АКБ
Сегодня производят около 30 типов аккумуляторов. Такое большое количество обуславливается возможностью применять в качестве электродов и электролитов различные химические элементы. Именно от материала электрода и состава электролита зависят все характеристики аккумулятора.
Мы не будем приводить все типы, а лишь дадим небольшую таблицу с описанием наиболее распространенных:
Устройство
1 — Отрицательный электрод
2 — Разделительный слой
3 — Положительные электроды
4 — Отрицательный контакт
5 — Предохранительный клапан
6 — Положительные электроды
7 — Положительный контакт
Аккумуляторные батареи состоят из нескольких банок аккумуляторов, соединенных либо параллельно, либо последовательно. Последовательное соединение применяют в целях увеличения напряжения, а параллельное для увеличения силы тока.
Каждый из отдельно взятого аккумулятора в АКБ состоит из двух электродов и электролита, помещенных в корпус из специального материала.
Электрод с отрицательным зарядом – анод, с положительным зарядом – катод. Анод содержит восстановитель, катод – окислитель. Внутри корпуса аккумулятора стоит разделительная пластина, которая не позволяет электродам замыкаться.
Электролит – водный раствор, в который погружены оба электрода.
При разрядке аккумулятора восстановитель анода начинает окисляться и выделяются электроны. Электроны затем попадают в электролит и оттуда движутся к катоду, при этом создавая разрядный ток. Попадая в катод электроны восстанавливают его окислитель. Простыми словами можно описать процесс так: электроны идут от отрицательного электрода к положительному и создают разрядный ток.
При зарядке аккумулятора электроды меняются своим химическим составом и происходит обратная реакция. Электроны здесь двигаются от положительного анода к отрицательному катоду.
Особенности разных типов АКБ
Свинцово-кислотные аккумуляторы
Разработан Гастоном Планте в 19 веке. Эти аккумуляторные батареи сегодня наиболее актуальны благодаря дешевизне и универсальности. Сфера их применения обширна ввиду большого количества разновидностей этого типа. В качестве отрицательно заряженных электродов здесь используется оксид свинца. Положительные электроды выполняются из свинца. Электролит – серная кислота.
У свинцовых-кислотных батарей есть следующие разновидности:
- LA – аккумуляторы с напряжением 6 или 12 Вольт. Традиционное устройство для осуществления запуска двигателей автомобилей. Требуют постоянного обслуживания и вентиляции.
- VRLA – напряжением 2, 4, 6 или 12 Вольт. Клапанно-регулируемая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея. Как видно из названия этот АКБ укомплектован разгрузочным клапаном. Его роль – минимизировать выделение газа и расход воды. Такие батареи можно устанавливать в жилых помещениях.
- AGM VRLA – как и предыдущий тип оснащен клапаном, но имеет совсем другие свойства. В аккумуляторах, сделанных по технологии AGM роль сепаратора играет стекловолокно. Его микропоры пропитаны жидким электролитом. Такие АКБ не требуют обслуживания и устойчивы к вибрациям.
- GEL VRLA – подвид свинцово-кислотных аккумуляторов с гелеобразным электролитом. Благодаря этому увеличен их ресурс заряда/разряда. Не требуют обслуживания.
- OPzV – герметичные аккумуляторы используемые в области телекоммуникации и для аварийного освещения. Электролит, как и в предыдущем случае гелевый. В электродах содержится кальций, благодаря которому срок службы такого типа батарей – 20 лет.
- OPzS – катод таких аккумуляторов имеет трубчатую структуру. Это существенно повышает циклический ресурс этого типа батарей. Служит также около 20 лет. Выпускается в виде АКБ с напряжением от 2 до 125 В.
Литий-ионные аккумуляторы
Был впервые выпущен Sony в 1991 году и с тех пор активно применяется в бытовой технике, электронных устройствах. Практически все мобильные телефоны, ноутбуки, фотоаппараты и видеокамеры оснащены таким видом батарей. Роль катода здесь играет литий-ферро-фосфатная пластина. Отрицательный анод – каменноугольный кокс. Положительный ион лития переносит заряд в таких батареях. Он может проникать в кристаллическую решетку других материй и образовывать с ними химическую связь. Преимуществом этого типа является высокая энергоемкость, низкий саморазряд и отсутствие нужды в обслуживании.
Литий-ионные аккумуляторные батареи также, как и их свинцовые аналоги имеют большое количество подтипов. В данном случае подтипы отличаются между собой составом катода и анода. Напряжение литий-ионных аккумуляторов варьируется в пределах от 2,4 до 3,7 В.
Одним из самых известных подтипов является литий-полимерные аккумуляторные батареи. Они появились сравнительно недавно и быстро завоевал популярность. Она обусловлена тем, что в литий-полимерных батареях используется твердый полимерный электролит. Это позволяет создавать батареи любой формы. При этом стоимость этих батарей всего лишь на 15% выше обычных литий-ионных.
