Батареи нормального исполнения (n)

Характеризуются применением для изготовления их токоотводов (решёток) свинцово-сурьмяных сплавов с содержанием сурьмы более 3,0 %.

Основными недостатками свинцовых батарей нормального исполнения, известными с самого начала их существования, являются:

- необходимость регулярного (не реже одного раза в месяц) контроля уровня электролита и доливки дистиллированной воды при снижении уровня ниже нормы;

- сравнительно высокая скорость саморазряда (до 14 % за месяц у новых батарей), которая в процессе эксплуатации постоянно увеличивается и после полутора-двух лет работы возрастает в три-четыре раза.

 

Эти недостатки являются следствием сравнительно высокого содержания сурьмы в сплавах для токоотводов (решёток) аккумуляторных электродов (пластин).

 

До начала семидесятых годов традиционные батареи изготавливались в корпусах из эбонита или кислотостойкого пластика с отдельными аккумуляторными крышками и герметизировались битумной мастикой. Поэтому периодически требовалось очищать их от пыли и грязи с целью снижения саморазряда по перемычкам, находящимся на поверхности крышек батареи.

В семидесятые-восьмидесятые годы ХХ века, с развитием производства современных полимерных ма­териалов и технологий их переработки, появилась и активно завоевала рынок конструкция и тех­нология производства батарей в тонкостенных моноблоках из сополимера пропилена с этиленом. Такие батареи имеют единую для всех аккумуляторов общую крышку, герметизация которой происходит при помощи контактно-тепловой сварки без использования мастики. Поверхностный саморазряд по общей крышке снизился, однако скорость внутреннего саморазряда не изменилась.

 

Аккумуляторные батареи (Рис. 3) собираются в одном корпусе-моноблоке (10) из кислотостойкой пластмассы (полипропилен и его сополимеры), разделённом перегородками на отдельные ячейки (банки). Количество ячеек равно количеству аккумуляторов в батарее. В каждой ячейке находится блок электродов, который состоит из чередующихся поло­жительных (2) и отрицательных (5) электродов, разделённых сепараторами. По сути, каждая аккумуляторная батарея состоит из нескольких аккумуляторов с номинальным напряжением 2,0 В, соединённых последовательно.

 

Электрическая ёмкость одного электрода определяется площадью его рабочей поверхности и толщиной. Обычно ёмкость одного электрода стартерной батареи колеблется в пределах от 8 до 15 А·ч. С целью получения заданной ёмкости аккумулятора, которая будет кратной ёмкости одного электрода, их соединяют полюсными мостиками в параллельные группы посредством газовой сварки или методом окунания ушек электродов в расплавленный свинцовый сплав на специальных автоматизированных установках. Для обеспечения дальнейшего последовательного соединения соседних аккумуляторов между собой в батарею, к полюсным мостикам приваривают борн (7). После этого посредством контактной электрической сварки борнов через отверстия в перегородках моноблока, аккумуляторы соединяются между собой последовательно.

 

Соотношение между количеством положительных и отрицательных электродов зависит от требований, предъявляемых к аккумуляторной батарее. При этом количество электродов различной полярности не может различаться больше, чем на одну единицу.

 

Традиционно до середины 50-х годов отрицательных электродов в аккумуляторе было на один больше, чем положительных. При этом положительные электроды были на 10-20 % толще, чем отрицательные, а два крайних (наружных) отрицательных электрода в каждом блоке имели толщину до 40 % меньше положительных.

 

Однако, благодаря проведённым во второй половине ХХ века исследованиям и разработкам, появились аккумуляторные батареи, в которых количество отрицательных и положительных электродов одинаково, а также батареи с количеством положительных электродов на один больше, чем отрицательных. В этих случаях оба электрода имеют, как правило, одинаковую толщину.

 

При этом следует заметить, что все три варианта конструкции электродного блока равноценны с точки зрения долговечности.

 

Электрод каждой полярности состоит из активной массы, нанесённой на токоотвод решётчатой конструкции (решётку). Токоотвод свинцового аккумулятора (Рис. 4) выполняет двойную функцию. Он является не только проводником первого рода, по которому генерируемая активной массой электрическая энергия передаётся посредством мостов, борнов и перемычек во внешнюю электрическую цепь, но и служит конструкционным элементом, обеспечивающим механическое удержание активной массы и возможность параллельного соединения электродов между собой в блоки при помощи ушек. Он представляет собой сетку, состоящую из вертикальных или наклонных рёбер и горизонтальных жилок, расположенных внутри прямоугольной рамки. В верхней части рамки выполнено ушко, которое служит для параллельного соединения электродов в блок при помощи полюсного мостика, как упоминалось выше.

 

Активная масса электродов имеет высокую пористость (47-60 %) и у новых заряженных аккумуляторов на положительном электроде состоит в основном из двуокиси свинца PbO₂ (85-95 %), а на отрицательном электроде – из губчатого свинца Pb (80-90 %). Кроме того, в активных массах остаются в небольшом количестве промежуточные окислы и сульфат свинца, содержание которых на первых циклах эксплуатации снижается за счёт более полного формирования активных материалов при повторяющихся зарядах.

 

Сепараторы (Рис. 5), расположенные между разноименными электродами, служат для пространственного разделения участвующих в электрохимических превращениях реагентов, обеспечивая тем самым работоспособность аккумулятора. Вместе с тем, сепараторы обеспечивают возможность диффузии электролита от одного электрода к другому.

 

Как уже упоминалось выше, при протекании электродных реакций у положительного электрода происходит более значительное изменение концентрации и плотности электролита, чем у отрицательного. Поэтому сторона сепаратора, обращенная к положительному электроду, выполнена ребристой, для облегчения доступа электролита к поверхности активной массы. При этом высота ребра, как правило, превышает половину толщины электрода. В современных модификациях сепараторов на стороне, обращённой к отрицательному электроду, также могут быть выполнены ребра, высотой 0,2-0,3 мм, для улучшения условий диффузии электролита у этого электрода. Благодаря применению для сепаратора современного эластичного микропористого материала (на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с низким электрическим сопротивлением), один из аккумуляторных электродов помещают в сепаратор-конверт (Рис.6). В этом случае замыкание электродов различной полярности, при наличии шлама в нижней части блока при эксплуатации батареи практически исключено. Поэтому блок электродов устанавливают прямо на дно ячейки моноблока.

 

Электродный блок (см. поз.12 на Рис. 3), установленный в ячейку моноблока (10), в просторечии называемой «банкой» и закрытой крышкой (8), является отдельным аккумулятором с номинальным напряжением 2 В.

 

Как упоминалось выше, электродные блоки, установленные в моноблок из современных полимерных материалов (полипропилен и его сополимеры), соединяются последовательно при помощи укороченных межэлементных соединений (7) через отверстия в перегородках моноблока. На Рис. 7 схематически показано, как осуществляется соединение аккумуляторов в батареях с общей крышкой.

 

Борны (4) соседних аккумуляторов располагаются около технологического отверстия (6), предусмотренного в перегородке (5) моноблока (вид «а»). При помощи пуансонов в клещах (7) сварочной машины, приложением осевого усилия, часть металла борнов выдавливается в отверстие до достижения механического и электрического контакта между соединяемыми деталями внутри отверстия (вид «б»). Затем включается сварочный ток и происходит контактная электросварка борнов (вид «в»), которая обеспечивает однородную структуру соединения и герметичность между соседними аккумуляторными (вид «г»).

 

Для батарей, работающих в условиях повышенных механических нагрузок (удары, вибрация) созданы конструкция и технология соединения, обеспечивающие повышенную вибрационную и ударную стойкость (Рис. 8).

 

Соединение в этом случае осуществляется в два этапа. Вначале в специально выполненных углублениях (2) на верхней части перегородки (1) моноблока (вид «а») производится газовая сварка борнов (5) соседних аккумуляторов. Затем место сварки герметизируется на специальной установке путём экструзии в литейную форму (7), в которую помещают сваренное соединение, пластмассы, из которой изготовлен моноблок (вид «б»). Образующийся при этом вокруг соединения пластмассовый «чехол» не только надёжно герметизирует место сварки, но и служит дополнительным упором для электродного блока при внешних механических (ударных и вибрационных) воздействиях на батарею (вид «в»).

 

Свойства термопластичной пластмассы позволили применить для герметизации батарей с общей крышкой совершенно иной метод герметизации, сделать батарею более надёжной и стойкой при колебаниях температуры окружающей среды. Герметизация батарей с общей крышкой производится методом контактно-тепловой сварки (Рис. 9).

 

Между свариваемыми поверхностями вводится металлический электрод (4), нагретый с помощью электронагревателей до температуры 240-260˚С (вид «б»). При соприкосновении верхней части (5) моноблока (1) и нижней части (6) крышки (3) с нагретым электродом (4) они пластифицируются. После отвода электрода из зоны сварки, пластифицированные поверхности моноблока и крышки смыкаются, под действием вертикально направленного усилия (Р) происходит их контактно-тепловая сварка (вид «в»). Сварное соединение, как показали испытания, обеспечивает надёжное сохранение герметичности и по периметру батареи и между отдельными аккумуляторами (ячейками) в широком диапазоне температур (от –50˚С до +70˚С).

 

В крайних аккумуляторах батареи к одному из мостов приваривают выводной борн (11), который после приварки крышки к моноблоку соединяется посредством газовой сварки с полюсным выводом батареи. Полюсный вывод выполнен в виде конусной втулки, залитой в пластмассу общей крышки при её изготовлении. Причём положительный и отрицательный выводы батареи имеют различный наружный диаметр, что позволяет исключить возможность переполюсовки при подключении батареи к бортовой сети автомобиля.

 

В настоящее время на предприятиях России практически все свинцовые стартерные аккумуляторные батареи для автотракторной техники производятся в пластмассовых моноблоках с общей крышкой.

 

В крышке имеются отверстия для заливки электролита при приведении сухозаряженных батарей в действие после хранения, а также для контроля уровня и плотности электролита в процессе эксплуатации. Эти отверстия закрываются отдельными или соединёнными между собой в блок пробками. Для того чтобы обеспечить сохранность сухого заряда батарей в период хранения, в верхней или нижней части пробки вентиляционное отверстие перекрывается глухим приливом или другими дополнительными герметизирующими элементами. Этот прилив или дополнительный элемент после заливки электролита в батарею необходимо удалить для обеспечения вентиляции блоков при эксплуатации, о чём на верхней части пробки или на крышке батареи имеется соответствующая надпись.

3.3.3 батареи С МАЛЫМ РАСХОДОМ ВОДЫ (исполнение L – НЕ БОЛЕЕ 4 г/ А·ч)

Отмеченные выше недостатки открытых свинцовых батарей нормального исполнения обусловлены тем, что сурьма, которая содержится в сплаве положительных токоотводов, постепенно, по мере их коррозии, переходит через раствор на поверхность активной массы отрицательного электрода. Осаждение сурьмы на поверхности отрицательной активной массы снижает напряжение, при котором начинает выделяться водород. Поэтому, в конце зарядного процесса и при перезаряде, происходит активное газовыделение, похожее на кипение электролита, вследствие электролитического разложения входящей в его состав воды.

 

За последние тридцать лет произошло существенное развитие технологий и совершенствование оборудования для аккумуляторного производства. В результате были разработаны и появились на рынке несколько разновидностей батарей со значительно меньшим расходом воды в процессе эксплуатации. Ос­новной отличительной особенностью таких батарей является использование для производства токоотводов сплавов с пониженным содержанием сурьмы или совсем без добавления сурьмы.

 

Батареи со значительно уменьшенным расходом воды начали выпускать в США в конце семидесятых годов XX-го столетия. Для токоотводов, как положительного, так и отрицательного электродов этих батарей, применяли свинцово-кальциевый сплав с содержанием кальция 0,07-0,1 % и олова 0,1-0,12 % (остальное – свинец). Это позволило добиться весьма значительного снижения газовыделения, которое обеспечивало эксплуатацию батареи без доливки воды в течение не менее двух лет. При этом саморазряд батарей замедлился более чем в шесть раз. Однако, после двух-трёх глубоких разрядов, такие батареи теряют 40-50 % ёмкости и их стартерные характеристики также снижаются. Именно по этой при­чине такие батареи не нашли широкого распространения ни в Европе, ни в России.

 

В Европе при производстве батарей с малым расходом воды пошли по пути применения сплавов с пониженным до 2,5-3,0 % содержанием сурьмы. Такие батареи прекрасно переносили глубокие разряды и надёжно работали без доливки воды в течение 12-18 месяцев. Однако потери воды и уровень саморазряда европейских батарей на основе малосурьмяных сплавов были в два-три раза выше, чем у американских бата­рей с кальциевыми токоотводами. Расход воды в батареях, которые выпускались в Западной Европе, составлял немногим более 4 г/А·ч, что было более чем в два раза хуже, чем у батарей, производившихся тогда в США на основе свинцово-кальциевого сплава.

Поэтому преимущества свинцово-кальциевого сплава заставили специалистов рабо­тать над поисками возможностей его использования в производстве положительных пластин стартерных батарей. Однако вначале в США появились батареи системы «кальций плюс» («гибридные») – с содержанием до 1,5-1,8 % сурьмы и 1,4-1,6 % кадмия в положительном токоотводе и отрицательным свинцово-кальциевым токоотводом. Затем и в Европе появляются так называемые «гибридные» батареи, содержащие положительные токоотводы из малосурьмяного сплава (не более 2,0 %) с добавлением мышьяка, олова, меди, селена и т.п. в различных комбинациях и соотношениях, и отрица­тельные токоотводы – из свинцово-кальциевого сплава. Характеристики этих батарей по расходу воды и саморазряду вдвое лучше, чем у малосурьмяных батарей предыдущего поколения и полностью отвечают требованиям, предъявляемым к батареям с малым расходом воды, который реально составляет 2,0-3,0 г/А·ч. Однако, показатели этих батарей все ещё не такие хорошие, как у свинцово-кальциевых.

 

В связи со значительным увеличением доли свинцово-кальциевого сплава при производстве аккумуляторных батарей, широкое распространение за рубежом получила технология изготовления токоотводов для электродных пластин методом просечки и растяжки свинцово-кальциевой ленты. Она позволяет коренным образом повысить производительность аккумуляторного производства благодаря полной автоматизации процесса изготовления аккумуляторных пластин и значительно уменьшить расход свинца на батарею. Однако батареи с просечными пластинами могут выпускаться с завода только залитыми электролитом и заряженными.

 

Следует отметить, что пластины, изготовленные по «просечной» технологии, механически менее прочные, чем пластины на базе традиционных литых решёток. Это, вследствие ускоренного разрушения положительных пластин, негативно влияет на срок службы батарей, которые эксплуатируются в условиях повышенного зарядного режима, именно в тех случаях, когда положительные пластины изготовлены на базе просечной технологии. Поэтому в последние годы, ведущие мировые производители не допускают на сборочные конвейеры батареи с положительными пластинами, изготовленными методом просечки.

3.3.4 БАТАРЕИ С ОЧЕНЬ МАЛЫМ РАСХОДОМ ВОДЫ (исполнение VL – НЕ БОЛЕЕ 1 г/А·ч)

В конце 90-х годов ХХ столетия и в США, и в Западной Европе начинается производство батарей с токоотводами из свинцово-кальциевого сплава с добавкой серебра, которые не так чувствительны к глубоким разрядам, как их предшественницы, производившиеся в основном в США с начала восьмидесятых годов. Это значит, что скорость снижения ёмкости при глубоких разрядах у батарей со свинцово-кальциевыми сплавами с добавлением серебра стала примерно в два раза меньше, чем при отсутствии серебра в сплаве. Расход воды у этих батарей не превышает 1 г/А·ч. Это позволяет обеспечить эксплуатацию батареи без доливки воды в течение всего срока службы в штатных условиях для современных систем регулирования зарядного напряжения, обеспечивающих следующие показатели:

- напряжение в бортовой сети автомобиля при нормальных условиях 14,1 ± 0,1 В;

- температурная компенсация зарядного напряжения (см. Рис. 35);

- температура окружающей среды от – 25ºС до +35ºС;

- среднегодовой пробег не более 25 тыс. км в смешанном режиме (городской и загородный пробег примерно поровну).

 

Поэтому в конструкции многих батарей с очень малым расходом воды, выпускаемых производителями из США, Кореи и Западной Европы, от­верстия для доливки воды в крышках отсутствуют. Однако при этом исключается и возможность доступа внутрь аккумулятора для контроля плотности электролита и доливки воды в батарею при необходимости. Такие аккумуляторные батареи, у которых отсутствуют отверстия для доливки воды, а имеется только атмосферная связь внутренней полости батареи с окружающей средой через небольшие вентиляционные отверстия на торцах крышки, обычно снабжены индикатором состояния заряженности. О современной конструкции индикаторов и принципе их работы рассказано в разделе 3.5.9.

 

Однако полностью избежать снижения ёмкости после глубоких разрядов свинцово- кальциевых батарей пока не удалось, хотя скорость этого процесса, как отмечено выше, значительно замедлилась. Применение на автомобильной технике нового поколения батарей без отверстий для доливки дистиллированной воды стало возможным благодаря совместным усилиям производителей батарей и автомобильного электрооборудования. Ведь для обеспечения максимального использования ресурса закрытой вентилируемой батареи необходимо поддерживать стабильный уровень зарядного напряжения, обеспечивающий минимальное разложение воды при заряде. Вместе с тем, степень заряженности батареи должна быть достаточной для надёжного пуска двигателя стартером и безотказной работы всего электрооборудования. Это стало возможным, благодаря созданию ведущими производителями автомобилей системы регулирования зарядного напряжения, обеспечивающей его стабильность и температурную компенсацию. Это значит, что при изменении температуры зарядное напряжение изменяется в направлении, обеспечивающем оптимальные условия работы батареи.

 

Батареи без пробок для доливки воды, контроля уровня и плотности электролита в рекламных публикациях часто называют «абсолютно» или «полностью необслуживаемыми», хотя точнее было бы называть их батареями, лишёнными возможности полноценного контроля состояния и обслуживания (при возникновении такой необходимости после сбоев в работе электрооборудования).

 

Поэтому владельцы автомобилей, решившие использовать батареи без отверстий для доливки воды, должны более внимательно относиться к обеспечению исправной работы электрооборудования. В первую очередь, это касается натяжения ремня привода генератора, исправности самого автомобильного генератора, регулятора напряжения, а также отсутствия утечек тока в системе электрооборудования и сигнализации автомобиля.

В России производятся открытые стартерные аккумуляторные батареи нормального исполнения на основе малосурьмяных сплавов, ёмкостью от 44 до 220 А·ч. Кроме того, в 2008 году на некоторых заводах началось производство батарей с малым расходом воды (исполнение L) и с очень малым расходом воды (исполнение VL), ёмкостью до 100 А·ч. Все современные открытые батареи, которые производятся в России, имеют сепараторы-конверты из высокопористого полиэтилена с низким электросопротивлением, что улучшает их работоспособность при отрицательных температурах и снижает вероятность возникновения внутренних коротких замыканий при эксплуатации батарей. Большая часть импортируемых в Россию залитых батарей производится по гибридной технологии (исполнение L), либо по технологии «кальций-кальций», то есть с электродами обеих полярностей из свинцово-кальциевого сплава (исполнение VL).

При производстве сухозаряженных батарей в основном применяют, как для положительных, так и для отрицательных электродов, малосурьмяные сплавы с содержанием сурьмы менее 2 %. В случае необходимости возможно производство сухозаряженных батарей со свинцово-кальциевыми электродами при использовании технологии непрерывного литья фирмы WIRTZ (США) или штамповки из предварительно отлитой свинцовой ленты.

БАТАРЕИ ЗАКРЫТЫЕ С РЕГУЛИРУЮЩИМ КЛАПАНОМ (VRLA)

 

На импортных автомобилях представительского класса стали появляться батареи нового поколения – закрытые батареи с регулирующим клапаном (VRLA) и иммобилизованным (связанным) электролитом.

Создание закрытой (герметизированной) батареи свинцово-кислотной системы становится возможным благодаря созданию условий для рекомбинации выделяющегося на положительном электроде газообразного кислорода на поверхности отрицательного электрода, который взаимодействует с отрицательной активной массой, и не выделяется в окружающую среду (реализация кислородного цикла). Для этого конструируют батарею таким образом, чтобы ёмкость отрицательных электродов в аккумуляторе была несколько больше, чем ёмкость положительных электродов. Тогда в процессе заряда положительные электроды полностью зарядятся раньше, чем отрицательные, и выделение кислорода на положительном электроде начнётся до начала выделения водорода на отрицательном электроде. Выделяющийся кислород, пройдя через газовые каналы в межэлектродном зазоре, как показано на Рис.10, вступит в химическую реакцию с активной массой отрицательного электрода.

Для ускорения поступления кислорода от положительного электрода к отрицательному необходимо ограничение объёма свободного электролита. Поэтому для производства герметизированных батарей разработаны методы связывания (иммобилизации) жидкого электролита. В настоящее время применяются два способа связывания:

- создание загущённого (гелеобразного) электролита;

- абсорбция (пропитывание) жидкого электролита в специальные сепараторы с высокой объёмной пористостью и активную массу аккумуляторных электродов.

 

Электролит из таких батарей не вытекает даже в случае, если в корпусе образуется сквозное отверстие. Поэтому такие аккумуляторные батареи сохраняют свою работоспособность в течение достаточно длительного времени даже после того, как будет пробита наружная стенка корпуса. Они менее чувствительны к длительному пребыванию в состоянии низкой степени заряженности, чем аккумуляторные батареи со свободным (жидким) электролитом.

Для получения гелеобразного электролита применяют силикагель, аллюмогель и другие подобные по свойствам вещества. При смачивании серной кислотой эти вещества образуют тиксотропный гель. Гелеобразный электролит имеет более высокое электрическое сопротивление, чем жидкий электролит вследствие ограничения подвижности ионов.

 

Применение в батареях закрытого исполнения раствора электролита в жидком состоянии стало возможно, благодаря созданию качественно нового вида сепаратора в виде нетканого мата из ультратонких стеклянных волокон. Объёмная пористость современных стеклосепараторов достигает 90-95 %. При этом в структуре сепаратора имеются как мелкие поры диаметром порядка 1 мкм и менее (которые служат, в основном, для удержания электролита), так и более крупные поры диаметром порядка 20 мкм (которые предназначены для организации транспорта газовых пузырьков от поверхности положительного электрода к поверхности отрицательного электрода). Искусственное ограничение ёмкости положительных электродов и объёма электролита приводят к тому, что ёмкость герметизированных свинцовых батарей с иммобилизованным электролитом примерно на 15 % ниже, чем батарей со свободным электролитом того же объёма и массы. Устройство свинцовой батареи с иммобилизованным электролитом показано на Рис. 11.

 

Закрытые свинцовые батареи с иммобилизованным электролитом имеют регулирующий (предохранительный) клапан. Этот клапан служит для того, чтобы давление внутри аккумулятора при его эксплуатации не превышало величины, которая является допустимой по условиям работоспособности и прочности корпусных деталей. Дело в том, что, несмотря на применяемые ограничения ёмкости положительных электродов, выделение водорода на отрицательном электроде в процессе заряда, особенно на заключительной его стадии, полностью подавить пока не удаётся. Причём скорость его выделения в конце зарядного процесса несколько выше, чем скорость выделения кислорода.

 

Избыточная часть водорода вызывает рост давления внутри аккумулятора. Для ограничения роста внутреннего давления в заданных пределах и служит предохранительный клапан.

 

Таким образом, свинцовые аккумуляторные батареи пока не могут производиться полностью герметичными.

Нормальная эксплуатация закрытых свинцовых батарей возможна при соблюдении гораздо более жёсткого диапазона регулирования зарядного режима, чем при эксплуатации открытых батарей с жидким электролитом (даже для исполнения с очень малым расходом воды, при котором иногда батареи не имеют отверстий для её доливки). Максимальная величина зарядного напряжения для батарей с гелеобразным электролитом составляет 14,35-14,4 В при температуре +25ºС. В случае превышения этой величины, даже на 0,05 В, скорость газовыделения увеличивается настолько, что может нарушаться равновесие кислородного цикла. Образующийся из-за этого избыток выделяющихся газов приводит к нарушению контакта активной массы электродов с электролитом, и батарея очень быстро безвозвратно теряет ёмкость, а, следовательно – и работоспособность. Аналогично батареям с гелевым электролитом при перезаряде батарей с абсорбированным электролитом будет происходить разложение электролита и осушение объёма сепаратора и электродов, что также приведёт к постепенной потере ёмкости, и, следовательно – работоспособности батареи.

 

Весьма жёсткие требования по ограничению уровня зарядного напряжения, наряду с более высокой стоимостью закрытых батарей, в сравнении с открытыми батареями, создают в настоящее время определённые затруднения по их быстрому и широкому распространению для массового применения на автомобильной технике.