Почему свинец используют в автомобильных аккумуляторах

10

почему в Аккумуляторе находится свинец а не другой метал?

Все стартерные батареи, выпускаемые в настоящее время для автомобилей, являются свинцово-кислотными. В основу их работы заложен известный еще с 1858 г. , и по сей день остающийся практически неизменным принцип двойной сульфатации.

Как наглядно видно из формулы, при разряде батареи (стрелка вправо) происходит взаимодействие активной массы положительных и отрицательных пластин с электролитом (серной кислотой) , в результате чего образуется сульфат свинца, осаждающийся на поверхности отрицательно заряженной пластины и вода. В итоге плотность электролита падает.
При зарядке батареи от внешнего источника происходят обратные электрохимические процессы (стрелка влево) , что приводит к восстановлению на отрицательных электродах чистого свинца и на положительных — диоксида свинца. Одновременно с этим повышается плотность электролита. Любая автомобильная батарея представляет из себя корпус — контейнер, разделенный на шесть изолированных ячеек — банок.
Каждая банка является законченным источником питания напряжением порядка 2.1 В. В банке находится набор положительных и отрицательных пластин, отделенных друг от друга сепараторами. Как известно из школьного курса физики, две разнозаряженные пластины уже сами по себе являются источником постоянного напряжения, параллельное же их соединение увеличивает ток. Последовательное соединение шести банок и дает батарею с напряжением порядка 12.6-12.8 В.
Любая из пластин, как положительная, так и отрицательная, есть ни что иное, как свинцовая решетка, заполненная активной массой. Активная масса имеет пористую структуру с тем, чтобы электролит заходил в как можно более глубокие слои и охватывал больший ее объем. Роль активной массы в отрицательных пластинах выполняет свинец, в положительных — диоксид свинца. Вес залитой АКБ емкостью 55 Ач составляет около 16.5 кг. Эта цифра складывается из массы электролита — 5кг (что соответствует 4,5 л) , массы свинца и всех его соединений — 10 кг, а также 1 кг, приходящегося на долю бака и сепараторов. Основные характеристики аккумуляторных батарей

Быть может, дело в антикоррозийной стойкости свинца. Но главное, видимо, – это использование свинца в химических источниках тока.

Свинцовый аккумулятор это две свинцовые пластины, погруженные в сернокислый электролит. На пластины нанесена паста из окиси свинца. При зарядке аккумулятора на одной из пластин выделяется водород, восстанавливающий окись до металлического свинца, на другой – кислород, переводящий окись в перекись. Вся конструкция превращается в гальванический элемент с электродами из свинца и перекиси свинца. В процессе разрядки перекись раскисляется, а металлический свинец превращается в окись. Эти реакции сопровождаются возникновением электрического тока, который будет течь по цепи до тех пор, пока электроды не станут одинаковыми – покрытыми окисью свинца.

Производство щелочных аккумуляторов достигло в наше время гигантских размеров, но оно не вытеснило аккумуляторы свинцовые. Последние уступают щелочным в прочности, они тяжелее, но зато дают ток большего напряжения. Так, для питания автостартера нужно пять кадмиево-никелевых аккумуляторов или три свинцовых.

Свинец был одним из первых металлов, переведенных в состояние сверхпроводимости. Кстати, температура, ниже которой этот металл приобретает способность пропускать электрический ток без малейшего сопротивления, довольно высока – 7,17°K. (Для сравнения укажем, что у олова она равна 3,72, у цинка – 0,82, у титана – всего 0,4°K). Из свинца была сделана обмотка первого сверхпроводящего трансформатора, построенного в 1961 г.

Один из лучших проводников электричества – медь – никак не удается перевести в сверхпроводящее состояние.

Почему в автомобилях до сих пор используют свинцовые, а не литиевые аккумуляторы?

Плюсы у подобных батарей есть, но минусов для повседневной эксплуатации гораздо больше.

Фото: Tesla Motors Club, НЭТЭР

Современные технологии сделали возможными массовое распространение электромобилей с литий-ионными и никель-металл-гидридными батареями, но при этом в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания и по сей день используются классические свинцово-кислотные аккумуляторы. Казалось бы, они уже устарели, но продолжают оставаться актуальными — почему?

У литиевых батарей, если использовать их в качестве пусковых аккумуляторов для традиционных двигателей внутреннего сгорания, есть свои преимущества, однако минусов у такого типа батарей для массовых автомобилей больше. Именно они и не дают подобным аккумуляторам широко распространиться.

Плюсы литиевых батарей

К неоспоримому плюсу литиевой пусковой батареи относится меньшая, по сравнению со свинцово-кислотным аккумулятором, масса. Литиевые батареи при сопоставимых характеристиках минимум вдвое легче своих классических «конкурентов», что крайне важно для спортивных автомобилей, в которых инженеры борются едва ли не за каждый грамм массы.

Литиевые аккумуляторы имеют большую энергоемкость и высокую плотность энергии, высокую скорости заряда и разряда, минимальный саморазряд при отсутствии необходимости обслуживания батареи и более компактных, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов, габаритов. Разницу в размерах отлично иллюстрирует заглавное фото — просто сравните габариты аккумуляторов двух типа для экстремального спорткара Porsche Cayman R.

Минусы литиевых батарей

При всех преимуществах у литиевых аккумуляторов достаточно много особенностей, которые делают невозможными их массовое распространение в качестве пусковых батарей для автомобилей. Аккумулятор требует подключения к бортовой электрической системе, чтобы контролировать параметры батареи.

Все дело в том, что литий-ионная батарея подвержена риску самовозгорания при чрезмерной нагрузке — как по мощности, так и по времени — поэтому такие аккумуляторы требуют контроля нагрузки.

Во избежание быстрой деградации батареи нужна балансировка заряда по каждому из элементов аккумулятора, а кроме того литиевые батареи требуют поддержания достаточно тонкого температурного баланса. Перегрев снижает ресурс аккумулятора, а работа в условиях холода приводит к глубокому разряду и быстрой деградации батареи.

Прибавьте к этому высокую, на фоне свинцово-кислотных аккумуляторов, стоимость литиевых батарей и поймете, почему такого типа элементы не получили распространение в массовых автомобилях. Именно поэтому литиевые аккумуляторы используются либо в дорогих спорткарах, либо в мототехнике, которая эксплуатируется в более подходящих для такого типа батарей условиях.

Кроме того, если свинцово-кислотные аккумуляторы абсолютно взаимозаменяемы и вместо утратившей функциональной батареи можно поставить любую другую, подходящую по габаритам, то с литиевыми аккумуляторами такого не получится. Они требуют адаптации бортовой электрики к параметрам батареи, если вы не хотите испортить свою машину и/или аккумулятор.

По этим причинам и вышло, что электромобили, которые имеют достаточное количество контролирующей электроники и возможность поддержания оптимального температурного режима батареи, равно как и электронные гаджеты, которые работают в менее экстремальных, чем автомобили, условиях больше подходят для литий-ионных батарей. А для массового применения пока нет лучшего варианта, чем свинцово-кислотные аккумуляторы.

Для владельцев автомобилей с традиционными батареями у нас есть материал о том, как выбрать пуско-зарядное устройство для автомобиля. А кроме того мы представляли 5 гаджетов, которые стоит приобрести сразу после покупки автомобиля, а также 5 полезных девайсов для тех, кто планирует автопутешествие.

Почему на автомобилях с двигателями внутреннего сгорания все еще устанавливают свинцовые аккумуляторы, когда есть более совершенные литиевые

Современные электромобили оснащаются ультрасовременными литий-ионными аккумуляторами, предназначенными для движения. Но в автомобилях с установленными двигателями внутреннего сгорания все еще используются старый тип свинцовых аккумуляторов заправленных кислотой. Почему производители автомобилей c ДВС не торопятся переходить на более современные Li-ion или Ni-Mh, ведь у литиевых аккумуляторов довольно много плюсов и высокие рабочие токи.

При большом количестве плюсов у литий-ионных аккумуляторов минусов наберется все же больше, поэтому они и не получили широкого распространения среди автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Давайте рассмотрим основные плюсы и минусы между данными типами аккумуляторов.

При равных пусковых токах и емкости аккумуляторов у Li-ion будет значительно меньше размер и масса. Это будет очень удобно для спорткаров, где каждый грамм и сантиметр будет не на пользу автомобилю. Поэтому для спорткаров типа Porsche Cayman R используют именно литиевые пусковые батареи.

Литиевые батареи при меньших размерах имеют большую плотность энергии и емкость, почти отсутствует саморазряд и что немаловажно ее почти не надо обслуживать, если сравнивать с обычной свинцово-кислотной батареей. Хотя в последнее время инженеры переходят к выпуску именно необслуживаемых свинцовых аккумуляторов, сокращая срок службы последних до нескольких лет.

На этом плюсы литиевых аккумуляторов заканчиваются, поэтому переходим к минусам, которых как оказывается значительно больше.

Несмотря на некоторые преимущества литиевых батарей, у них все же сохраняется довольно специфические особенности, которые не дают возможности массового использования в роли пусковых аккумуляторов на автомобилях с двигателями внутреннего сгорания.

И самое опасное в этом именно риск самовозгорания при длительной работе под большой нагрузкой, поэтому требуется наличие контроллеров нагрузки для самозащиты. А в случае ДТП, когда аккумуляторы могут соприкоснуться между собой может произойти взрыв батареи. Поэтому прежде чем устанавливать в машину их нужно довольно тщательно изолировать друг от друга и размещать таким образом, чтобы во время деформации автомобиля был минимальный риск повреждения.

Литиевые аккумуляторы требуют тщательной балансировки заряда, иначе будет происходить быстрая деградация ячеек. Кроме того, аккумуляторы плохо переносят большие перепады температур, высокий нагрев и холод. Что приводит к быстрой деградации и глубокому разряду аккумуляторов, снижая ресурс.

По сравнению с обычными свинцовыми аккумуляторами, литиевые будут значительно дороже. Что уже скажется на количестве же желающих на установку. Автомобиль в последнее время все больше становится похож на роскошь, а не на средство передвижения.

Свинцовые аккумуляторы не требуют дополнительного вмешательства электрика во время замены устаревшей батарейки. А вот литиевым требуется адаптация под электрику автомобиля.

Поэтому для массового применения используются более простые свинцово-кислотные аккумуляторы, а вот для более сложных автомобилей или спортивных средств передвижения, где важен каждый грамм и сантиметр объема будут предпочтительнее именно литиевые аккумуляторы.

Свинцово-кислотные аккумуляторы: особенности Статья

Свинцово-кислотные аккумуляторы (которые также просто называют «свинцовыми» получили очень широкое распространения благодаря своим плюсам. Впрочем, у них есть и недостатки. И именно поэтому сегодня сфера их применения ограничена. В данной статье мы подробно разберем все плюсы и минусы свинцово-кислотных аккумуляторов, поговорим об особенностях их работы и расскажем другую интересную информацию.

Принцип работы свинцовых аккумуляторов

Работают на реакции диоксида свинца и свинца, которая происходит в растворе серной кислоты. Когда к электродам подключаются потребители энергии, стартует химическая реакция. Оксид свинца вступает в реакцию с серной кислотой, а свинец окисляется. Вообще, в аккумуляторе происходит шесть десятков разных химических реакций, но важны только две. Когда происходит разрядка аккумулятора, диоксид свинца восстанавливается на катоде, а на аноде происходит окисление свинца. Когда аккумулятор заряжают, происходит обратная реакция. Говоря простыми словами, все происходит ровно наоборот.

Когда аккумулятор заряжают, происходит расход раствора серной кислоты, из которого выделяется вода (так как она легче), а плотность электролита, соответственно, снижается (при зарядке опять же происходит обратный процесс). При этом кислород и водород могут выделяться из электролита в виде пузырьков, что называют «кипением». Это не только крайне нежелательное явление, но и опасное сразу по двум причинам:

• Вода расходуется, плотность электролита повышается;
• Существует определенный риск взрыва газов.

Потери воды можно возместить доливкой новой (используют исключительно дистиллированную воду без каких-либо примесей), а при заряде снижают зарядный ток (если в самом аккумуляторе повышается напряжение). Отметим, что не у всех свинцово-кислотных аккумуляторов предусмотрена возможность доливки воды, что делает их по сути расходным устройством, так как возместить потери (которые будут в любом случае) невозможно. Конечно, если не пытаться вскрыть его самостоятельно, что делать не рекомендуется.

Устройство свинцового аккумулятора

В общем, устройство свинцово-кислотных аккумуляторов идентично, хотя, бывают и определенные различия. Если говорить коротко и просто, то он состоит из:

• Электроды: решетки из свинца, в ячейках которых диоксид свинца;
• Разделительные пластины (которые не вступают в реакцию с кислотой);
• Электролит, в который погружены решетки;
• Корпус.

Разумеется, это не все элементы, мы перечислили лишь основные. Также есть: баретка для соединения пластин одной полярности, сливное отверстие с заглушкой, отрицательный и положительный выводы, опорные элементы, крышка.

Концентрация серной кислоты в электролите влияет на электрическую проводимость. Получается так, что чем больше проводимость, тем меньше сопротивление, что влияет на процент потерь. Кстати, если аккумулятор предполагается использовать в условиях холодного климата, то концентрация серной кислоты будет выше. Это необходимо для того, чтобы предотвратить замерзание электролита и последующий разрыв аккумулятора.

Работа аккумулятора при низких температурах

Каждому известно, что чем ниже температура, тем быстрее разряжается аккумулятор. Это очень хорошо видно на примере смартфонов, которые есть у каждого. Все аккумуляторы разряжаются на морозе быстрее и это обусловлено различными причинами (зависит от типа). Свинцово-кислотные отличаются тем, что хоть их параметры при низких температурах и снижаются, но значительно ниже, чем у других типов. Этим обуславливается их использование в автомобилях. Даже есть мнение, что при снижении температуры на 1 градус (начиная от +20), свинцовый аккумулятор теряет около 1% емкости. То есть, при 0 у него останется 80%, при – 20 градусов — 60%. Цифры примерные, но в целом картина именно такая.

Сделать с этим ничего нельзя, так как при низких температурах скорость химических реакций снижается. Однако отметим, что хоть доля потерь емкости у свинцового аккумулятора ниже, чем у других типов, но она недостаточна низкая при очень низких температурах. Именно поэтому есть аккумуляторы с внутренним подогревом, которые могут использоваться даже при экстремально низких температурах, тогда, когда обычный просто не будет функционировать.

Преимущества и недостатки

У всего есть плюсы и минусы и свинцово-кислотные аккумуляторы не являются исключением. Важно понимать, что ряд преимуществ (или недостатков) обусловлены особенностью конструкции и их видно только тогда, когда сравнивать с другими типами, которые используются совсем для других целей.

Недостатки

• Не должны храниться в разряженном состоянии;
• Большой вес и размер;
• Чувствительность к отрицательным температурам;
• Энергоемкость низкая (если брать соотношение с весом);
• Экологически опасны (из-за соединений свинца);
• Ограниченное количество циклов разряда.

Преимущества

Старая технология, которая проверенна временем. Даже и сегодня здесь придумывают некоторые улучшения;

• Очень низкий саморазряд, в этом смысле свинцовые аккумуляторы относятся к лидерам;
• Требуют минимального обслуживания;
• Нет эффекта памяти;
• Могут производить большую токоотдачу в случае необходимости;
• Просты в производстве и, как следствие, дешевые.

Правила хранения и утилизации

Свинцово-кислотные аккумуляторы требуют соблюдения определенных правил хранения и утилизации. Их необходимо хранить исключительно в заряженном состоянии.

Не рекомендуется хранение при температуре выше +30 градусов по Цельсию. Если аккумулятор не используется, он должен подзаряжаться через определенные промежутки времени. Эту информацию можно узнать в инструкции по эксплуатации конкретной модели.

Свинцово-кислотный аккумулятор необходимо чистить, что, кстати, делают очень редко. Все дело в том, что при появлении на корпусе слоя грязи, он будет служить как проводник между электродами, что приведет к разрядке аккумулятора. А если он не используется, то при практически полном разряде это приведет к сульфатации. Если говорить простым языком, то после этого процесса емкость свинцового аккумулятора значительно снизится. Поэтому как минимум пространство между электродами стоит содержать в чистоте.

При подготовке к зиме (актуально и для автомобильных АКБ) рекомендуется:

• Зарядить свинцово-кислотный аккумулятор до конца при напряжении, которое указанно в инструкции по эксплуатации;
• Положительный выход смазать пластичной смазкой (рекомендуется использовать технический вазелин). Другие типы (вроде солидола и т.д.) использовать нельзя: они будут разъедать клеммы;
• Хранить на холоде, ведь в этом случае его саморазряд значительно ниже. А качественный электролит начинает замерзать при температурах ниже -50 -55 градусов.
• Если предстоит использование АКБ при очень низких температурах, то за 7-8 часов его нужно перенести в отапливаемое помещение, после чего он без проблем будет работать и, например, обеспечит запуск двигателя автомобиля.

Относительно износа: все зависит от конкретной модели. Самая частая ошибка владельцев свинцово-кислотных аккумуляторов, это заливка не дистиллированной воды, что существенно сокращает емкость. Но, как мы писали выше, есть и герметичные типы, в которых доливка воды вообще не подразумевается. А основные факторы износа это:

• Коррозия электродов;
• Сульфация пластин;
• Осыпание массы положительных электродов (деградация со временем).

В теории есть возможность восстановить аккумулятор, так, некоторые химические растворы способны убрать сульфацию. Например, это раствор сульфата магния. Но на практике это никто не использует: дешевле и проще просто купить новый АКБ, кроме того, есть возможность окончательно повредить свинцовый аккумулятор и сделать его непригодным для дальнейшего использования. Поэтому мы настоятельно не рекомендуем использовать подобные методы.

Утилизация свинцовых аккумуляторов

Многие в детстве выплавляли свинец из решеток разобранных аккумуляторов, которые валялись везде. Но соединения свинца токсичны, такой АКБ нельзя просто выкинуть на свалку или хранить на своем участке или в гараже и уже тем более дома. Это может привести к серьезным проблемам со здоровьем. На предприятиях, которые занимаются их переработкой, процесс выглядит следующим образом:

• Нейтрализация электролита;
• Разбор корпуса и дробление его на части;
• Разделение металлических и пластиковых элементов;
• С помощью химических соединений нейтрализуют остатки серной кислоты;
• Металл переплавляют.

Именно поэтому свинцово-кислотные аккумуляторы следует сдавать на переработку. Пункты приема есть практически в каждом городе и стоит потратить немного времени, чтобы отвезти им АКБ. Вам даже заплатят немного денег, что компенсирует временные затраты. Не стоит пытаться доставать свинец, переплавлять его (особенно этим грешат рыбаки). В конце-концов, свинцовые грузила стоят очень дешево, не нужно загрязнять окружающую среду, в попытках сэкономить копейки. Да и есть серьезный риск надышаться парами свинца или даже серной кислоты, что может привести к тяжелейшим последствиям для органов дыхания.

Что такое аккумуляторы AGM?

Аббревиатура AGM расшифровывается как Absorbent Glass Mat. В данном случае в свинцово-кислотных аккумуляторах есть абсорбированный электролит, а не традиционный жидкий. Технология появилась в 1970-х годах. Подробно об этой технологии и ее особенностях мы рассказывать не будем, остановимся лишь на преимуществах:

Саморазряд ниже, чем у традиционных АКБ (напомним, что свинцовые аккумуляторы вообще характеризуются низким уровнем саморазряда, а здесь это значение еще ниже);

• Скорость заряда выше в 2-3 раза;
• Не требуют никакого обслуживания;
• Кратковременный глубокий разряд не оказывает негативного воздействия;
• Отличаются большей безопасности;
• Поскольку они герметичны, их можно устанавливать в любом положении, разве что производители не рекомендуют ставить их вверх дном;
• Более хорошая работа при низких температурах;
• Срок службы дольше (не у всех моделей).

Все достоинства в сравнении с обычными свинцово-кислотными аккумуляторами. Но у AGM есть и недостатки, остановимся на ключевых:

• Цены выше;
• Требуют особых зарядных устройств;
• Чувствительны к превышению напряжения.

Чаще всего аккумуляторы AGM можно увидеть в автомобилях, но их используют и в других сферах. Отметим, что это не единственная вариация свинцово-кислотных, есть и другие, что говорит о развитии технологии, которая появилась более чем 150 лет. Этот тип АКБ будет актуальным еще очень долго, как минимум до того момента, как не появятся принципиально новые технологии.

На что обращать внимание при выборе?

При выборе свинцово-кислотного аккумулятора нужно обращать внимание на следующие параметры:

• Количество циклов заряда и разряда, а также на срок службы. Если показатели меньше 10 лет и 1000 циклов, то это плохой аккумулятор;
• Нужно ли доливать воду;
• Какая точность поддерживаемого напряжения при заряде (нормальное значение – плюс/минус один процент);
• Наличие аварийных клапанов;
• Стоимость одного амперчаса. Это необходимо для того, чтобы просто не переплачивать;
• Обратить внимание на температурный диапазон эксплуатации.

Относительно брендов мы никаких рекомендаций дать не можем. У любого бренда есть как удачные модели, так и не очень (КПД может колебаться от 80 до 93%). Но в целом, технология производства таких АКБ достаточно проста, поэтому сложно купить что-то совсем плохое.

Частые вопросы про свинцовые аккумуляторы

В конце нашей статьи мы разберем наиболее частые вопросы, которые задают про свинцово-кислотные аккумуляторы.

Может ли взорваться свинцовый аккумулятор?

В теории, взрыв возможен, на практике такое практически не случается. Аккумулятор выделяет кислород и водород, которые в теории могут скопиться в необходимой для взрыва концентрации. Но на практике есть два решения: либо аварийный клапан, который стравливает газы при избыточном давлении, либо путем реализации кислородного цикла, когда он восстанавливается на отрицательном элементе. Проще говоря, взрыва современного свинцово-кислотного аккумулятора бояться не нужно.

Как восстановить и можно ли это сделать?

Да, это возможно, выше мы писали об одной технологии, на форумах можно найти и другие способы. Но суть в том, что ваш АКБ все равно потеряет в емкости, а учитывая их стоимость, зачастую гораздо проще купить новый.

Какой срок службы у свинцово-кислотных аккумуляторов?

От 2 до 25 лет, все зависит от типа. Например, обычные дешевые и обслуживаемые работают от 2 до 5 лет, а OPzS работают до 25 лет.

Как правильно заряжать?

Читайте инструкцию по эксплуатации для конкретной модели, технологии и спецификации могут быть разными.