Среди свинцово-кислотных аккумуляторных батарей большую популярность получили герметизированные или, как их еще называют «необслуживаемые». По технологии изготовления они разделяются на AGM-технологию («Absorption Glass Matt») и GEL-технологию («Gelled Electrolite»). Их популярность объясняется тем, что они не требуют обслуживания в виде периодической доливки дистиллированной воды, исключается вероятность протечки электролита, могут работать как в вертикальном, так и в горизонтальном положении, могут размещаться совместно с другим оборудованием, не требуя отдельного аккумуляторного помещения и принудительной вентиляции.

Нововведения в технологии изготовления герметизированных аккумуляторов

Но научно-технический прогресс не стоит на месте, и разработчики при усовершенствовании конструкций современных аккумуляторных батарей нашли способ улучшить технические характеристики герметизированных аккумуляторов AGM.

Известно, что процесс накопления сульфатов является слабым местом свинцово-кислотного аккумулятора. Этот процесс из-за недостаточной шероховатости отрицательной пластины, где используется чистый свинец, препятствует быстрому заряду и приводит к деградации аккумуляторной батареи.

Дело в том, что отрицательный электрод свинцово-кислотной аккумуляторной батареи состоит из губчатого свинца и при разряде на его поверхности образовывается сульфат свинца. При заряде он снова переходит в исходное положение. Процесс разложения происходит медленно, и если попытаться «ускорить» его, например, увеличением зарядного тока, то это вызовет появление избыточных электронов, провоцирующих разложение воды и возникновение газов. Начнется, так называемый процесс «выкипания». В последующем сульфат свинца может формировать кристаллы на электроде, что еще больше снижает скорость заряда.

Был предложен ряд способов для подавления процесса сульфатации в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях, и некоторые из этих способов включали использование углерода в различных формах для замедления этого процесса. Например, в патенте Великобритании №18590 раскрыт способ, предназначенный для увеличения срока службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи путем защиты от коррозии решеток со свинцовой основой, которые формируют положительные электроды батареи. Этот способ включает обработку решеток смесью каучука, сурьмы и графита. Смесь наносится на решетки либо путем погружения решеток в смесь или нанесением смеси на решетки кистью. Однако, как и во всех способах нанесения покрытия данного типа, получаемое в результате покрытие довольно толстое. Часто эти покрытия не плотно прикрепляются к поверхностям электродов, и они имеют тенденцию растрескиваться и отшелушиваться от электродов. Более того, добавки в покрытие могут снизить проводимость электродов и подавлять процессы электронного обмена в свинцово-кислотной аккумуляторной батарее.

Для решения этих проблем впервые в Японии была разработана технология добавления углерода в состав отрицательного электрода. Это предает аккумуляторной батарее улучшенные зарядные и разрядные характеристики. Высокопроводящие углеродные частицы тесно связаны с активным материалом и создают улучшенную проводящую сеть, уменьшая внутреннее сопротивление, увеличивая плотность энергии и хорошую восстанавливаемость после разряда.

В природе углерод достаточно доступен. Углерод содержится в графитах (высококристалическая непористая форма углерода), сажах (аморфные углеродные материалы), полученные при разложении углеводородного сырья: нефти, природного газа, каменноугольной смолы, ацетилена. Даже обычный уголь содержит до 80% углерода. Поэтому в перспективе такие аккумуляторы будут дешевыми в производстве, менее токсичными и безвредными для окружающей среды и человека.

На рисунке показано совмещение свинцовой отрицательной пластины из ячейки обычного свинцово-кислотного аккумулятора с углеродным электродом.

В последующем конструкторы усовершенствовали технологию изготовления, применив добавки углерода и в состав положительных электродов, тем самым обеспечив высокую пористость, решив проблему активного разрушения материала и максимально сократив процесс сульфатации.

В тоже время надо отметить, что на положительном электроде также как и на отрицательном формируется сульфат свинца, но при этом на нем поддерживается высокая скорость заряда, в отличие от отрицательного.

Удельная емкость батарей на базе двойного углерода сравнима с литий-ионными аккумуляторами, однако в плане безопасности новые батареи значительно превосходят литиевые. Кроме того новые аккумуляторы гораздо дольше сохраняют рабочий ресурс и быстрее перезаряжаются, что и делает их отличной альтернативой сегодня.

Факторы срока службы батарей и способы его продления

Общеизвестно, что одним из определяющих факторов срока службы обычной свинцово-кислотной батареи является коррозия положительного электрода с последующим увеличением его объема. По мере того, как положительный электрод подвергается коррозии, возникающее расширение объема вызывает механические нагрузки на электрод, приводящие к его растрескиванию и разлому. Далее, на развившихся стадиях коррозии, может произойти внутреннее замыкание решетки и разрыв корпуса батареи.

Одним из способов потенциального продления срока службы в таких условиях является увеличение сопротивляемости коррозии электродов. Углеродное покрытие электродов снижает скорость коррозии электродов путем ограничения контакта между раствором электролита и металлом электрода. При этом электропроводность углерода позволяет осуществлять электронный обмен во время процессов разряда и заряда аккумуляторной батареи.

Таким образом, добавление углерода с состав электродов позволило добиться следующих результатов при эксплуатации свинцово-углеродных аккумуляторных батарей:

• Сниженная сульфатация при частичном заряде;
• Улучшенные разрядные характеристики;
• Улучшенные показатели циклического использования;
• Увеличенный срок службы в буферном режиме;
• Увеличенный срок хранения без подзаряда;
• Сокращение сроков ускоренного заряда;
• Уменьшение тепловыделения при заряде.

Свинцово-углеродные аккумуляторы идут на замену обычным свинцово-кислотным аккумуляторным батареям с решающим преимуществом в возможности быстрого заряда без повреждений, работы в циклическом режиме с разрядами от 30% до 70% без риска сульфатации, а также отсутствии необходимости принудительного охлаждения.

Но есть и недостатки: быстрое падение напряжения при разряде, особенно при высоких нагрузках. Поэтому применение их как стартерных батарей не целесообразно. Также из-за электрохимических реакций наблюдается увеличение скорости выделения водорода, хотя сегодня в науке процесс выделения водорода на углероде пока не так хорошо изучен.

Наилучшие условия их работы – это равномерная отдача электроэнергии на всем этапе разряда, то есть применение на электротранспорте, инвалидных колясках, гольф-карах, складской и другой технике с использованием циклического режима работы. Но это не исключает возможность применения их в системах альтернативной энергетики, а также системах телекоммуникации и связи.

В перспективе планируется перейти на полностью углеродные электроды, что в корне изменит и название батареи. Она будет полностью углеродной. На самом деле идея полностью углеродной батареи не является новой и разрабатывается в Японии с 70-х годов прошлого века. Около 6-7 лет назад ученые университета Куйсю (Kyushu University) начали работу по нанотехнологиям и улучшению углеродного материала, что позволило значительно увеличить производственную мощность этих батарей.