Устройство, разновидности и принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов

Все автомобилисты знают, что под капотом либо в другом укромном месте машины располагается аккумулятор. Если говорить о машинах с ДВС, то здесь применяются стартерные аккумуляторные батареи. На гибридах и электрокарах используются тяговые АКБ.

При всём разнообразии источников питания самыми востребованными и популярными до сих пор остаются свинцово-кислотные. Причём ошибочно считать, что применяться они могут исключительно в сфере автомобилестроения.

Следует детальнее узнать об устройстве свинцово-кислотных АКБ, их принципе работы, познакомиться с существующими разновидностями.

Особенности устройства и принцип работы

У свинцово-кислотной батареи конструкция классическая. Это прямоугольный корпус из высокопрочного пластика, который наполняется свинцом и оксидами свинца, а также внутри располагается электролит. В зависимости от типа АКБ электролит может быть жидким или гелеобразным.

Если говорить про устройство свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора, то здесь предусмотрено плотное наполнение параллельно расположенных пластин из оксида свинца и свинца. Свинец можно идентифицировать по тёмно-серому цвету с небольшим синеватым оттенком, в то время как оксидно-свинцовые элементы тёмно-коричневые, слегка рыжие.

При этом принцип работы, характерный для свинцово-кислотного питающего аккумулятора, основан именно на взаимодействии пластин и электролита.

Эти пластины погружены в кислоту, которая обязательно входит в состав свинцово-кислотного аккумулятора и объясняет наличие этого слова в названии. Кислота применяется серная, разбавленная с очищенной методом дистилляции водой.

Когда аккумулятор включается в работу, ток идёт от катода (оксидно-свинцовые пластины) к аноду (свинцовые элементы). При этом происходит выделение электронов, которые принимает на себя оксид.

Когда изменяется заряд двух типов пластин, они взаимодействуют с серной кислотой и преображаются в сульфаты свинца.

Поскольку одна пара пластин может дать только 2 В, требуется поднять количество Вольт. Для этого выполняется параллельное соединение большого количества пар пластин. Их размещают достаточно плотно внутри банка, что позволяет снизить объём АКБ. Но поскольку электроны должны перемещаться по терминалам (банкам), то пару пластин разъединяют между собой с помощью специальных изоляционных плёнок.

Особенность свинцово-кислотной АКБ в том, что батарея может иметь большую мощность, или обладать высокой плотностью энергии.

Это означает, что АКБ может сохранять много энергии и в течение долгого времени постепенно её отдавать, либо отдавать большой заряд, но быстро.

В случае с автомобилями используется второй тип, поскольку для запуска двигателя нужен большой стартерный ток.

Если устроенный таким образом источник питания сильно разряжается, на пластинах появляется белый налёт. Это сульфат свинца. Он препятствует нормальному заряду и передаче энергии пластин. Порой достаточно нескольких глубоких разрядов, чтобы произошла сильная сульфатация. Восстановить такую АКБ крайне сложно. Если методы десульфатации не помогли, приходится менять батарею. Подобная схема открывает сильные и слабые стороны аккумуляторов, в основе которых содержатся свинец и серная кислота.

Во многом работа используемого в разных отраслях свинцового или свинцово-кислотного аккумулятора зависит от его типа и выполняемых задач.

Несмотря на имеющиеся сильные стороны, такая АКБ не лишена и недостатков, о которых вы узнаете позже. Но при этом батареи свинцово-кислотного типа продолжают оставаться наиболее востребованными. Очень часто такая технология применяется в качестве автомобильного аккумулятора. Это можно объяснить неплохим КПД при сравнительно низкой стоимости.

Разновидности

Опираясь на основные характеристики, актуальные для свинцово-кислотных аккумуляторов, их можно разделить на соответствующие подкатегории.

Для начала стоит акцентировать внимание на возможностях их обслуживания. Тут выделяют такие типы свинцово-кислотных питающих аккумуляторов:

1. Обслуживаемые. Предусматривают наличие открытой конструкции. То есть корпус не герметичный. Производитель устанавливает специальные съёмные крышки, позволяющие получить доступ к банкам. Тем самым можно по мере необходимости доливать электролит или кислоту, визуально проверять уровень жидкости и состояние пластин, делать замеры плотности ареометром.
2. Необслуживаемые. Корпус полностью герметичный. Обслуживание сводится только к контролю заряда с помощью индикатора, а также подключению АКБ к зарядному устройству.

Популярность вторых вполне очевидна. Обслуживаемые АКБ встречаются всё реже, поскольку технологии совершенствуются, от автомобилистов требуется меньше усилий и внимания для поддержания аккумулятора в рабочем состоянии.

Опираясь на такие основные характеристики как назначение и область применения, выделяют следующие разновидности свинцово-кислотных аккумуляторов.

1. Стартерные АКБ. Могут за короткое время выдать большое количество энергии. Из-за этого обладают большим саморазрядом. Необходимые для автомобилей виды батарей. Нуждаются в вентиляции и определённом обслуживании.
2. Буферные. Такие виды свинцово-кислотных питающих аккумуляторов служат для того, чтобы в течение небольшого времени хранить сравнительно малый объём энергии. Они функционируют в режиме постоянной подзарядки.
3. Для бесперебойных устройств. Чаще всего можно встретить в офисах, предназначаются для компьютерной техники. При возникновении перебоя с электроэнергией позволяют без потери данных успеть завершить работу.
4. Для длительного снабжения энергией. Отличаются большим весом и габаритами. Но это позволяет питать потребителей долгое время. Подобные решения можно встретить в медицинской сфере, в отделениях реанимации. Могут питать достаточно внушительное количество потребителей длительное время.
5. Гелевые. Существует 2 основных технологии производства гелевых АКБ. Это AGM и GEL. Характеризуются гелеобразным состоянием электролита. Усовершенствованная технология, хотя в её основе всё равно лежат свинец и серная кислота. Гелевые АКБ применяются в автомобилях, используются для работы солнечных батарей и пр.

Чтобы получить определённые характеристики, вносятся соответствующие изменения в конструкцию.

Когда нужно отдать много энергии за короткое время, пластины делают тонкими, но высокими и широкими, уменьшая между ними расстояние. Это позволяет им быстрее отдавать энергию.

Если потребляется мало энергии, но долго, тогда пластины должны быть толстыми, короткими и узкими, расстояние между ними увеличивают.

На параметры АКБ влияют также электролит, применяемые легирующие добавки, такие как кальций, серебро, цинк и пр. Это позволяет выделять ещё несколько разновидностей. Часто встречаются свинцово-кальциевые АКБ.

Где используются

Эксплуатационные характеристики и конструктивные особенности позволяют найти широкое применение для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

К основным сферам использования можно отнести:

• питание систем охраны и сигнализаций;
• применение в качестве источника стартерного тока на автомобиля;
• автономные системы противопожарной безопасности;
• системы аварийного питания в зданиях, отделениях медицинских учреждений;
• кассовые аппараты и электрические весы;
• системы обеспечения бесперебойного питания для компьютеров;
• игрушки;
• лёгкие летательные аппараты и пр.

Конечно же, автомобилистам свинцово-кислотные аккумуляторные батареи известны как источники для подачи стартерного тока. Не зря АКБ называют стартерными.

А вот в качестве тяговых такие батареи используются не так часто, если говорить про питание машин.

Преимущества и недостатки

Чтобы подвести итоги, стоит взглянуть на плюсы и минусы свинцово-кислотных аккумуляторов, тем самым окончательно дать им характеристику.

К слабым сторонам рассматриваемых источников питания можно отнести:

• достаточно высокие показатели чувствительности к холоду, из-за чего батарея быстро теряет свою ёмкость;
• такие АКБ требуют специальной процедуры утилизации, поскольку входящие в состав батареи компоненты губительны для здоровья человека и наносят огромный вред окружающей среде;
• большинство разновидностей свинцово-кислотных АКБ имеют ограниченное число циклов заряда – разряда, после чего их требуется менять;
• они выдают сравнительно небольшое количество ёмкости, лимиты ограничены.

Но есть ряд преимуществ, которые во многом перечёркивают эти недостатки.

Именно благодаря этим достоинствам источники питания на основе свинца и кислоты продолжают активно производить и совершенствовать технологию.

К числу главных преимуществ относят:

1. Компоненты, необходимые для изготовления батарей, часто встречаются в природе. Их несложно получать, перерабатывать. Это снижает затраты на производство.
2. Тандем из электролита (кислоты) и свинца обеспечивают эффективную энергоотдачу. Другие элементы на такое не способны.
3. Конструктивно батареи получаются достаточно простыми, не требуется много ресурсов для их сборки. Это удешевляет готовую продукцию.
4. Длительный срок службы. Понятие относительное, но 4–5 лет работы для любой современной АКБ – это отличный показатель. Некоторые устройства при правильной эксплуатации могут работать по 6–8 лет.
5. Элементарное обслуживание. В большей степени это касается необслуживаемых видов.

Нельзя сказать, что сейчас у автомобилистов есть большой выбор и какая-то достойная альтернатива свинцово-кислотной технологии. Да, работы ведутся, продаются щелочные АКБ, но и они пока не могут конкурировать с кислотными.

Насколько изменится ситуация в ближайшие 10–20 лет, сказать сложно. Но вряд ли стоит ожидать скорого ухода свинцово-кислотной технологии из сферы производства источников питания. Автомобильных и не только.