Карбоновые (углеродные) аккумуляторные батареи

Герметизированные или «необслуживаемые» аккумуляторы представляют собой наиболее востребованные источники питания среди свинцово-кислотных батарей. Их можно разделить на виды по способу производства – изготовленные по AGM-технологии «Absorption Glass Matt» и GEL-технологии «Gelled Electrolite».

Высокий спрос подобных батарей связан с тем, что во время функционирования они не нуждаются в сложном обслуживании. Не нужна периодическая заливка дистиллированной воды. Это позволяет исключить утечку электролита. Кроме того, аккумуляторы эксплуатируются как вертикально, так и горизонтально, а также устанавливаются рядом с другой аппаратурой.

Производство герметизированных источников питания: особенности и новшества

Технологии постоянно развиваются, поэтому разработчики смогли усовершенствовать коробку аккумуляторов, создав герметизированные батареи AGM. Крупный недостаток свинцово-кислотных АКБ – это образование сульфатов. Данный процесс тормозит быстрый заряд и приводит к преждевременному выходу из строя источника питания. Сульфаты высвобождаются из-за того, что отрицательная пластина, в которой применяется чистый свинец, имеет недостаточно шероховатую фактуру.

Отрицательный электрод выполнен из грубого свинца, а при разряде происходит высвобождение сульфата свинца. В момент заряда он переходит в первоначальное состояние. Естественный износ достаточно медленный, но его можно ускорить, увеличив зарядный ток. Это приведет к образованию избыточного количества электронов, которые впоследствии спровоцируют возникновение газообразных веществ и разложение воды. Выкипая, вода на электроде может образовать кристаллы, приводящие к низкой скорости заряда.

Чтобы подавить процессы сульфатации в аккумуляторе, ранее прибегали к углероду разных форм. В частности, В патенте, который был выдан в Великобритании, раскрыли метод увеличить срок эксчплуатации свинцово-кислотного аккумулятора. Для этого решетку со свинцовой основой, формирующей положительные электроды, защищают от окислов с помощью специальной смеси, в состав которой входит каучук, графит и сурьма. Решетка либо погружается в состав, либо он наносится кисточкой.

В итоге образуется толстое, плотное покрытие, которое часто прикрепляется к электродам недостаточно плотно. Из-за этого смесь постепенно растрескивалась и отшелушивалась. Некоторые используемые компоненты снижают проводимость электродов. Чтобы решить проблемы в работе аккумуляторных батарей, в Японии начали использовать нанотехнологию добавления углерода в состав отрицательного электрода, что помогло улучшить зарядные и разрядные параметры источника питания.

Углерод в сочетании с активными материалами создает проводящую сеть с более высокими эксплуатационными характеристиками, снижая сопротивление и способствуя увеличению плотности электроэнергии, оперативному восстановлению после разряда. Добыча природного углерода не вызывает сложностей. В графите, саже содержится высокая концентрация вещества, а в обычном угле – до 80%. В ближайшем будущем аккумуляторы, в которых используется углерод, будут более экологичными и безвредными, а их стоимость существенно снизится по сравнению с ценами на современные источники питания.

В структуру положительных электродов начали включать специальные добавки углерода, создавая пористость. Это помогает решить проблемы разрушения и преждевременного износа материала, практически ликвидировав процесс сульфатации. При этом сульфаты образуются на положительном, отрицательном электроде, но на нем сохраняется высокий показатель скорости заряда.

Показатели удельной емкости АКБ на основе использования двойного углерода схожи с параметрами литий-ионных батарей. При этом новые источники питания превосходят литиевые в экологической чистоте и безопасности. Более того, они обладают более длительным рабочим ресурсом, подлежат быстрой перезарядке.

От чего зависит срок эксплуатации АКБ?

Главный фактор уменьшения срока эксплуатации АКБ - это образование окислов на положительном электроде. При этом постепенно возрастает его объем. Чем больше электрод подвергается окислению, происходит расширение объема, провоцирующее сильную нагрузку. Впоследствии положительный электрод трескается или ломается. В случае сильного окисления решетку внутри замыкает, а корпус получает повреждения.

Чтобы увеличить срок службы батареи, необходимо увеличить сопротивляемость электродов процессам коррозии. Снизить скорость распространения окислительных процессов удается с помощью углеродного покрытия, так как контакт между электролитом и металлом ограничивается. Благодаря электропроводности углерода в момент разряда и заряда АКБ происходит электронный обмен.

Использование углеродного покрытия в электродах позволяет существенно улучшить эксплуатационные характеристики свинцово-углеродных аккумуляторов, в том числе:

  • снизить сульфатацию при частичном заряде;
  • сократить сроки ускоренного заряда;
  • увеличить сроки эксплуатации в буферном режиме и хранения без подзаряда;
  • улучшить характеристики разряда, параметры циклического использования;
  • минимизировать тепловыделение при заряде.

Свинцово-углеродные батареи отличаются возможностью быстрой зарядки без каких-либо повреждений, работой в циклическом режиме с разрядом 30-70 процентов без процессов сульфатации. Кроме того, новые аккумуляторы выделяются отсутствием необходимости выполнения принудительного охлаждения.

К недостаткам свинцово-углеродных аккумуляторов можно отнести быстрое снижение напряжения при разрядке. Чаще всего это происходит при высоких нагрузках в эксплуатации. Использовать их в качестве стартерной батареи не рекомендуется. Более того, электрохимические реакции вызывают увеличение скорости выделения водорода.

К лучшим условиям работы свинцово-углеродных батарей относится равномерная отдача электроэнергии на протяжении всего времени разряда. Они подходят для использования в составе электротранспорта, машин для гольфа, инвалидных колясок, складского оборудования и техники, которая работает в циклическом режиме. Возможно их применение в телекоммуникационных конструкциях, устройств связи, альтернативной энергетики.

Есть вероятность, что в ближайшем будущем произойдет переход на полностью углеродные электроды. Это приведет к созданию совершенно новых аккумуляторных батарей с другим названием, и улучшенными функциональными характеристиками. Аккумулятор в скором времени станет полностью углеродным. Разработки такого источника питания уже начаты в Японии. Они начались еще в конце XX века. Совсем недавно в университетской лаборатории Куйсю начали искать способы улучшить углеродный материал с использованием нанотехнологий, что позволит создать АКБ с увеличенной производственной мощностью.

Еще больше информации об истории и развитии аккумуляторного оборудования тут.