Влаштування свинцево-кислотної акумуляторної батареї
Винайдена французьким фізиком Гастоном Планте в далекому 1859 році, свинцево-кислотна батарея стала першим акумулятором, що комерційно використовується. Незважаючи на похилого віку, ця електрохімічна система широко використовується і сьогодні. І для цієї популярності є вагомі причини - надійність і вартість електрики, що поставляється. Інші типи акумуляторів не можуть забезпечити подібну дешевизну, так що це робить свинцево-кислотне джерело живлення рентабельним для використання в автомобілях, гольф-карах, автонавантажувачах, водному транспорті та як джерело безперебійного живлення.
Граткова структура свинцево-кислотного акумулятора виконана зі свинцевого сплаву. Чистий свинець занадто м'який і не може сам себе підтримувати, тому до нього додають невеликі кількості інших металів для надання механічної міцності і для поліпшення електричних властивостей. Найбільш поширеними добавками є сурма, кальцій, олово та селен. Такі акумулятори іноді називають "свинцево-сурм'янистими", "свинцево-кальцієвими", залежно від сплаву.
Додавання сурми та олова покращує переносимість глибоких розрядів і додає здатність витримувати сильніші циклічні навантаження, але разом з цим збільшується споживання води в електроліті, але також з'являється необхідність узрівняльному заряді. Використання кальцію зменшує саморозряд, але має недолік у вигляді окислення позитивної свинцево-кальцієвої пластини при глибокому розряді або перезаряді. У сучасних свинцево-кислотних батареях також застосовуються такі легуючі домішки як селен, кадмій, олово та миш'як.
Свинцево-кислотні акумулятори важчі і менш довговічні присистематичні глибокі розряди, ніж батареї на основі нікелю або літію. Повний розряд викликає деформацію, і кожен цикл розряду/заряду позбавляє батарею невеликої кількості ємності. Ця втрата невелика, і батарея залишається у хорошому робочому стані довгий час, але при падінні рівня ємності до половини номінального значення швидкість деградації збільшується. Варто сказати, що таке зношування в тій чи іншій мірі властиве всім типам акумуляторів.
Залежно від глибини розряду свинцево-кислотні батареї забезпечують від 200 до 300 циклів заряду/розряду. Основними причинами такого відносно невеликої кількості циклів є корозія позитивного електрода, виснаження активної речовини та розширення позитивних пластин. Ці процеси призводять до старіння батареї та прискорюються при підвищених робочих температурах та при високих розрядних струмах. (Дивіться також: Як продовжити життя свинцево-кислотного акумулятора ).
Процес зарядки свинцево-кислотного акумулятора досить простий, необхідно лише дотримуватись правильних меж напруг. Знижена напруга дбайливіша до акумулятора, але потребує більше часу і може викликати сульфатацію на негативній пластині. Підвищене підвищує ефективність зарядки, але призводить до корозії решітки негативної пластини. У той час, як сульфатація оборотна при правильному обслуговуванні, корозія – це незворотний процес. (Дивіться також: Як правильно заряджати свинцево-кислотний акумулятор ).
Для більшості свинцево-кислотних акумуляторів час заряджання становить близько 14-16 годин. Зберігати акумулятори завжди необхідно лише в зарядженому стані, оскільки при низькому рівні заряду можуть відбуватися процеси сульфатації, які негативно впливаютьпродуктивність акумулятора. Сульфатації можна протистояти додаючи вуглець до складу анода, але це знижує питому енергоємність батареї.
Незважаючи на помірну тривалість життя свинцево-кислотних батарей, вони позбавлені такого властивого батареям на основі нікелю нестачі як "ефект пам'яті", і мають найкращі показники зберігання енергії серед усіх акумуляторних батарей. У той час як нікель-кадмієвий акумулятор втрачає близько 40 відсотків запасеної енергії протягом трьох місяців, свинцево-кислотному для такого ж саморозряду потрібно один рік. Свинцево-кислотні батареї добре працюють при низьких температурах і перевершують літій-іонні при її мінусових значеннях.
1. Герметичні свинцево-кислотні акумулятори
Перші герметичні, або необслуговувані свинцево-кислотні батареї були розроблені в середині 1970-х років. Інженери стверджують, що термін "герметичний" у цьому випадку використовується некоректно, оскільки свинцево-кислотна батарея технічно не може бути повністю герметичною. При зарядженні великою напругою або при підключенні навантаження, яке споживає високі показники сили струму, у свинцево-кислотному акумуляторі відбувається вироблення газів, що призводить до підвищення тиску всередині корпусу батареї. І для вирішення цієї проблеми в конструкцію "герметичної" батареї додають клапан, який здатний самостійно нормалізувати тиск. Також існує конструктивне рішення, схоже на батареї на основі нікелю і літію. Воно полягають у заміні рідкого електроліту на вологий сепаратор, просочений цим електролітом. Це дозволяє експлуатувати акумулятор у будь-якому положенні без ризику витоку електроліту.
Герметичний акумулятор містить набагато менше електроліту, ніж затоплений. Можливо, найбільш значною перевагою герметичного свинцево-кислотного акумулятора є здатність до рекомбінації кисню і водню назад у воду, що дозволяє йому бути необслуговуваним, тобто не залежати від додавання води в електроліт ззовні. Рекомбінація відбувається при помірному тиску 0,14 бар (2 кПа), а клапан виконує запобіжну функцію при надмірному підвищенні тиску. При цьому слід уникати надмірного видалення повітря з батареї, оскільки це зрештою призводить до зневоднення електроліту.
Існує кілька видів герметичних свинцево-кислотних батарей, і найбільш поширеними серед них є гелеві, також відомі як свинцево-кислотні батареї з регульованим клапаном (Valve Regulated Lead Acid Battery або скорочено VRLA) і батареї з технологією AGM (Absorbent Glass Mat), яка використовує як сепаратор пористий сорбент зі скловолокна, який вбирає рідкий електроліт. Гелеві ж акумулятори називаються так через пастоподібну консистенцію електроліту, що використовується. Герметичні акумулятори ємністю менше 30 ампер-годин часто називають SLA (від англійської Sealed Lead Acid). Доступна ціна, надійний сервіс та низькі експлуатаційні витрати дозволяють SLA батареям бути найкращим рішенням для невеликих ДБЖ, забезпечення аварійного освітлення або використання в медичному обладнанні. Більше розмірні VRLA батареї використовуються як резервні джерела живлення для вишок мобільного зв'язку, дата-центрів, банків, аеропортів і т.д.