Рис. 3.1. Распределение различных видов накопителей энергии по плотности и мощности энергии

В зависимости от электрохимической технологии можно выделить следующие основные типы современных батарей:

–герметизированные свинцово-кислотные (SLA, Sealed Lead Acid);

–никель-кадмиевые (NiCd);

–никель-металлгидридные (NiMH);

–литий-ионные (Li-Ion);

–литий-полимерные (Li-Pol).

Сравнительные характеристики данных батарей представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Сравнительные характеристики батарей

Рассмотрим основные аккумуляторы (батареи) электрической энергии.

3.1.1. Свинцово-кислотные аккумуляторы

Для обозначения свинцово-кислотных аккумуляторов применяется аббревиатура SLA (Sealed Lead Acid – герметизированные свинцово-кислотные). Это старейшие перезаряжаемые аккумуляторы, предназначенные для коммерческого использования, причем они до сих пор остаются наиболее дешевыми автономными источниками энергии. Сегодня SLA-аккумуляторы применяются в основном там, где требуется большая мощность при низкой стоимости устройств, а их вес и габаритные характеристики несущественны (например, в блоках бесперебойного питания, охранных системах, системах резервного освещения). В портативных приборах используются герметичные (необслуживаемые) аккумуляторы или аккумуляторы с регулирующим клапаном давления. Подобными SLA-устройствами иногда комплектуются переносные сотовые телефоны большой мощности и некоторые видеокамеры, но в целом их применение для портативных систем нехарактерно. Появились необслуживаемые и мало обслуживаемые аккумуляторы, основанные на внутренней рекомбинации газа, а также различные герметизированные аккумуляторы

Аккумулятор – это химический источник тока, способный многократно преобразовывать химическую энергию в электрическую и аккумулировать, запасать ее на длительное время. Упрощенно аккумулятор можно представить следующим образом: два электрода, в виде пластин, помещены в раствор серной кислоты с плотностью 1,27-1,29 г/см3. При этом положительный электрод выполнен из двуокиси свинца (PbO2), а отрицательный из свинца (Pb). При прохождении тока между ними протекают окислительно-восстановительные реакции.

При разряде происходит химическая реакция, в результате которой активная масса обоих электродов начнет изменять свой химический состав, преобразуюсь из губчатого свинца и его двуокиси в сернокислый свинец (сульфат свинца – PbSO4), а плотность электролита начнет падать. В результате внутри батареи образуется направленное движение ионов и в цепи потечет электрический ток. При заряде аккумулятора происходит обратный процесс – направление тока меняется на противоположное, активные массы восстанавливают свой первоначальный химический состав, а плотность электролита растет. Процесс этот, называемый циклом, может быть многократным. Количество запасаемой при этом электрической энергии зависит от площади активного взаимодействия электродов и электролита и его объема. Номинальное напряжение, вырабатываемое таким аккумулятором, составляет 2 вольта. Для получения большего значения напряжения одиночные аккумуляторы соединяют последовательно. Например: 12-ти вольтовый аккумулятор состоит из шести аккумуляторов, последовательно соединенных в общем корпусе.

Рассмотрим 5 видов свинцово-кислотных аккумуляторов: WET, гибридные АКБ, AGM, GEL и EFB. Практически любой тип этих батарей, содержит в своей конструкции одни и те же составные элементы, рис.3.2.

Конструкция состоит:

1.Герметичный корпус или оболочка. В нем могут быть пробки для доливки воды, относится для WET-батарей с обслуживанием, предохранительный клапан для экстренного сброса давления и индикаторы состояния заряда. Производится из специального очень упругого пластика, устойчивого к химикатам.

2. Внутри корпус разделен на ячейки, в каждой из которых находится комплект свинцовых пластин, называемых электродами. На крышке стандартной 12-вольтовой батарее находится 6 пробок, соответственно, 6 пакетов, выдающий по 2 В каждый. В общем формируется напряжение 12 В.

Рис.3.2. Конструкция свинцово-кислотного аккумулятора

3. В каждой паре пластин имеется положительная и отрицательная. Первая обмазывается свинцово-оксидным составом, а вторая – свинцовой губкой. Между пластинами располагается разделитель из волокнистого или перфорированного материала. Через него свободно проходят электроны, но не проникают частицы активной пасты. 4.Аккумуляторы типа EFB оснащены сепараторами в виде конверта, что заведомо исключает короткое замыкание между банками. Их использование позволило продлить срок эксплуатации АКБ.

5.В батареях нового вида с жидким электролитом в крышке нет пробок, но применена лабиринтная структура, поэтому испаряющаяся серная кислота конденсируется и возвращается обратно. Это обеспечивает сохранность количественного состава электролита в любых условиях эксплуатации АКБ.

6.Токосъемные выводы расположены снаружи. Отличаются по стране происхождения и соблюденным стандартам. Это могут быть винты с наружной резьбой, отверстия под болты, конусовидные клеммы. В европейских и азиатских батареях выводы находятся сверху на крышке, а в американских – сбоку.

7. Для переноски все аккумуляторные батареи оснащаются ручками, одной или двумя в зависимости от габаритов источника постоянного тока.

В отличие от обычных свинцово-кислотных аккумуляторов, в частности автомобильных, SLA-аккумуляторы для электроники разрабатываются с низким потенциалом перезарядки с целью предотвращения выделения газа. Поэтому SLA-аккумулятор имеет длительный срок хранения, но никогда не заряжается до своей полной емкости, а следовательно, по сравнению с другими типами заряжаемых батарей имеет самую низкую плотность энергии (удельную энергоемкость), которая выражается в количестве запасенной энергии к единице веса или объема. Вследствие низкого саморазряда, отсутствия эффекта памяти и минимальных требований по обслуживанию такие батареи в некоторых областях до сих пор остаются весьма выгодным решением.

Емкость портативных SLA-аккумуляторов составляет 1-30А, а габаритных стационарных – 50-200А. У них не бывает эффекта памяти. Они подходят для долгосрочной эксплуатации в буферном режиме подзарядки, без периодов полной разрядки батареи. Служат они не менее 10 лет. Цикличный режим, то есть регулярная зарядка-разрядка на треть- половину емкости, для этого типа аккумуляторов подходит меньше. Саморазрядка свинцово-кислотного аккумулятора составляет примерно 40% в год при температуре воздуха +20°С, что в 4 раза медленней, чем у никелево-кадмиевых элементов питания. Зарядка занимает 8-16 часов.

Среди плюсов SLA-аккумуляторов нужно отметить:

–низкую стоимость;

–отсутствие затрат по сервису и обслуживанию;

–высокую мощность тока;

–нетребовательность к температуре внешней среды, их можно использовать в диапазоне от -10 до +50 градусов;

–виброустойчивость;

–пожарную безопасность.

Но, есть и минусы:

–большой вес;

–при глубокой разрядке и хранении без подзарядки пластины аккумулятора портятся из-за сульфитации;

–довольно малый срок службы – до пятисот циклов зарядки/разрядки;

–токсичность оксида свинца, который используется в их производстве.

Основные виды свинцово-кислотных батарей.

1. WET. Автомобильный аккумуляторный элемент питания типа WET является классическим представителем источников постоянного тока. В нем содержится жидкий электролит, представляющий собой раствор серной кислоты. Конструкция включает герметичный корпус с ячейками, электродные пары с сепаратором и есть крышки для долива дистиллированной воды. Такие батареи стали первыми в линейке. Они бывают разные в зависимости от ряда деталей и поколений. Чистый свинец выдает большие пусковые токи, но быстро разрушается. Именно срок службы ставил под сомнение их массовое применение во всех видах техники и оборудовании. Свинец быстро растворялся и АКБ выходила из строя. При легировании кальцием одного и сурьмой другого электродов эти батареи стали более долговечными и выносливыми к выдаваемым токам.