16. Направление развития конструкций свинцовых стартерных аккумуляторных батарей
Основными тенденциями в мировой практике производства свинцовых стартерных аккумуляторных батарей, являются создание батарей с повышенным стартерными характеристиками при уменьшенном расходе свинца и с улучшенными эксплуатационными качествами при уменьшенном объеме технического обслуживания. Это достигается за счет усовершенствования конструкций и технологии производства батарей, а также применения новых материалов.
Современные конструкции свинцовых аккумуляторных батарей подразделяются на два основных типа: с жидким несвязанным электролитом и со связанным электролитом (гелеобразным или абсорбированным).
По конструктивным признакам свинцовые стартерные аккумуляторные батареи жидкостного типа подразделяются на следующие виды:
батареи традиционной конструкции – в моноблоке с отдельными крышками на каждый аккумулятор и межэлементными соединениями над крышками;
батареи с общей крышкой – в моноблоке с общей крышкой и межэлементными соединениями под крышкой;
батареи малообслуживаемые или необслуживаемые – в моноблоке с общей крышкой, залитые электролитом и полностью заряженные.
Характерной особенностью малообслуживаемых или необслуживаемых батарей является сокращение трудоемкости и затрат на техническое обслуживание из-за сокращения или практически полного отсутствия доливки дистиллированной воды для корректировки уровня электролита при эксплуатации батарей и подзарядов при бездействии. Это достигнуто за счет применения свинцово-сурьмянистого сплава с пониженным содержанием сурьмы для малообслуживаемых батарей и свинцово-кальциевых сплавов для изготовления токоотводов пластин для необслуживаемых батарей.
Добавление сурьмы в сплав производится с целью повышения механической прочности токоотводов. Но одновременно наличие сурьмы до 5% в токоотводах пластин приводит к возрастанию газовыделения при напряжении 14,4В и повышенному саморазряду при бездействии батареи. Уменьшение содержания сурьмы в сплаве до 2,0…2,5% или отсутствие сурьмы снижает интенсивность газовыделения в аккумуляторах за счет повышения перенапряжения выделения газов, т.е. напряжения, при котором может происходить газовыделение. При этом уменьшается периодичность доливки дистиллированной воды в аккумуляторы или доливка практически не требуется в необслуживаемых аккумуляторных батареях, сокращается саморазряд батарей при бездействии и необходимость их периодического подзаряда.
В настоящее время имеется три направления по производству аккумуляторных батарей с уменьшенным объемом технического обслуживания:
малообслуживаемые батареи с применением токоотводов из модифицированного свинцово-сурьмянистого сплава с пониженным содержанием сурьмы;
необслуживаемые батареи с применением токоотводов положительных пластин из сплава с малым содержанием сурьмы и токоотводов отрицательных пластин из бессурьмянистого свинцового сплава («гибридные» батареи);
необслуживаемые батареи с применением токоотводов положительных и отрицательных пластин из свинцово-кальциевых сплавов («кальциевые» батареи).
В малосурьмянистых аккумуляторных батареях свинцово-сурьмянистый сплав для токоотводов пластин содержит пониженное (до 2,0%) количество сурьмы. Для увеличения механической прочности токоотводов и улучшения литейных свойств сплава применяется легирование сплава медью 0,02…0,05%, серой или селеном до 0,01%, оловом до 0,01%. Применение таких сплавов позволяет снизить интенсивность газовыделения, уменьшить саморазряд при бездействии. Периодичность контроля, доливок воды и подзаряда составляет 6-12 месяцев. Объем технического обслуживания батарей уменьшается по сравнению с традиционными батареями.
Следствием коренного изменения технологии производства токоотводов пластин явилось появление необслуживаемых батарей, которые практически не нуждаются в техническом обслуживании при правильной эксплуатации.
В необслуживаемых «гибридных» батареях токоотводы положительных пластин отливаются из малосурьмянистого свинцового сплава с содержанием сурьмы менее 2,0%, легированного кадмием (1,5%), селеном (0,04%) и др. Токоотводы отрицательных пластин изготовляются из свинцово-кальциевого сплава путем просечки и последующей растяжки полосы (рис.6). Применение специальной технологии вызвано тем, что при литье трудно обеспечить требуемое содержание кальция в сплаве 0,06…0,09% из-за выгорания кальция.
Использование таких токоотводов в гибридных аккумуляторных батареях позволило свести к минимуму техническое обслуживание, т.е. доливку дистиллированной воды и подзаряд, при высоких стартерных свойствах и устойчивости к глубокому разряду батареи.
Необслуживаемые «кальциевые» аккумуляторные батареи имеют тонкие пластины с токоотводами, изготовленными из бессурьмянистых свинцово-кальциевых сплавов с добавлением олова 0,5…1,0%, серебра 0,03% и других легирующих элементов. Токоотводы этих батарей могут быть изготовлены методом просечки и растяжки или
1
5
3
2
4
6
7
7
8
10
9
8
Рисунок 1. Необслуживаемая аккумуляторная батарея:
1 – положительный литой токоотвод; 2 – положительная пластина; 3 – положительная пластина в сборе с сепаратором-конвертом; 4 – отрицательный просечной токоотвод; 5 – отрицательная пластина; 6 – полублоки отрицательных и положительных пластин; 7 – блок пластин; 8 – моноблок; 9 – крышка с центральным газоотводом; 10 – полюсный вывод.
методом горячего вальцевания и последующей штамповки. Такие батареи полностью не нуждаются в техническом обслуживании при наилучших стартерных характеристиках, быстрой заряжаемости, стойкости к перезаряду, увеличенном сроке службы (Рис.1)
Появление полностью необслуживаемых свинцовых батарей стало возможным при применении конструкций герметизированных батарей со связанным электролитом. В настоящее время существуют два метода связывания электролита:
- создание загущенного (гелеобразного) электролита;
- абсорбция жидкого электролита в специальном сепараторе с высокой объемной пористостью.
Для получения гелеобразного электролита применяются добавки (силикагель, аллюмогель и др.) в раствор серной кислоты, который со временем превращается в плотный тиксотропный гель.
В конструкции с абсорбированным электролитом в сепараторах используется специальное стекловолокно (AGM), изготовленное из ультратонких волокон и имеющее объемную пористость до 95%.
Связывание электролита необходимо для процесса рекомбинации газов. В свинцовом аккумуляторе с жидким электролитом пузырьки газов (кислорода O2 и водорода H2) всплывают на поверхность электролита и далее попадают через вентиляционное отверстие в атмосферу.
В свинцовом герметизированном аккумуляторе кислород O2, выделяющийся на положительной пластине, проходя через газовые каналы в сепараторе, вступает в реакцию с активной массой отрицательной пластины и возвращается в виде воды (рис. 2). Связанный электролит не позволяет всплывать газовым пузырькам на поверхность.
Рисунок 2. Схема рекомбинации газов в герметизированном аккумуляторе
В герметизированном свинцовом аккумуляторе (VRLA) обязательно наличие предохранительного регулирующего клапана, который срабатывает и выпускает избыточные газы при повышении внутреннего давления сверх допустимого значения по условиям работоспособности и прочности корпусных деталей. Такое влияние возможно при превышении напряжения, температуры и уменьшении эффективности рекомбинационных процессов в аккумуляторе. Герметизированные аккумуляторы требуют более жесткого контроля зарядного режима.
Такая конструкция позволяет отдавать в стартерном режиме мощность в два раза большую по сравнению со свинцовыми батареями традиционной конструкции с жидким электролитом. Кроме того, батареи «OPTIMA» могут работать в тяжелых условиях эксплуатации (вибрация, тряска, запыленность и т.д.), имеют большой срок службы и меньший саморазряд.
Устройство герметизированной свинцовой батареи «OPTIMA» со спиральными электродами и абсорбированным в сепараторе электролитом показано на рис. 3.
3
1
2
4
5
Рисунок 3. Герметизированный свинцовый аккумулятор «OPTIMA» с абсорбированным электролитом:
1 – спиральные положительные и отрицательные электроды; 2 – межэлементное соединение; 3 – предохранительный клапан; 4 – полюсный вывод; 5 – микропористый стекловолокнистый сепаратор (AGM)