1.2 Классификация аккумуляторных батарей для источников бесперебойного питания
На сегодняшний день в ИБП используются свинцовые, железо-никелевые, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые, серно-натриевые, медно-литиевые и иные аккумуляторы. Среди них наибольшее распространение благодаря надежности и относительно невысокой цене получили свинцовые (или свинцово-кислотные) аккумуляторы. Их основным достоинством является стабильность напряжения при изменении тока нагрузки и температуры.
Так как предметом данного исследования являются свинцово-кислотные АКБ рассмотрим их подробную классификацию.
1.2.1 Классификация по конструктивному исполнению
Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи до сих пор остаются самыми надежными, долговечными и не требующими высоких эксплуатационных затрат химическими источниками тока. В настоящее время производятся и активно эксплуатируются аккумуляторные батареи трех типов:
Батареи с жидким электролитом
Батареи первого поколения – батареи с жидким электролитом открытого или закрытого типа, имеющие емкость от 36 до 5328 Ач и срок службы от 10 до 20 и более лет. В настоящий момент этот тип батарей практически не используется в ИБП так как эти аккумуляторы выполнены по классической технологии, в качестве электролита в них используется раствор серной кислоты в дистиллированной воде. Его плотность, меняющаяся в процессе разряда и заряда и зависящая от температуры раствора, в значительной мере влияет на технические характеристики аккумулятора. А вследствие выделения газов (водорода и кислорода) при работе и хранении такие аккумуляторы оказывают вредное влияние на людей и аппаратуру. Они наиболее дешевы, но требуют специальных помещений, а также дополнительных затрат на обслуживание.
Батареи открытого типа не имеют крышек, и электролит непосредственно соприкасается с открытым воздухом. Основные затраты при их эксплуатации – это затраты на обслуживание, связанные с необходимостью частой доливки дистиллированной воды, и расходы на содержание хорошо вентилируемых помещений, в которых их устанавливают.
Аккумуляторные батареи с отдельными крышками (рис. 1) собирают в одном многоячеечном корпусе – моноблоке (2), выполненном из эбонита или другой кислотостойкой пластмассы, разделенном перегородками (16) на отдельные камеры-ячейки (банки), по числу аккумуляторов в батарее. В каждую из ячеек помещен блок, состоящий из чередующихся положительных (5) и отрицательных (3) электродов, разделенных сепараторами (4). Он представляет собой отдельный аккумулятор напряжением 2 В. Пространство между дном моноблока и верхними кромками фиксирующих электроды опорных призм (1) служит для накаливания шлама – осадка, образующегося в процессе эксплуатации вследствие оплывания частиц активной массы положительных электродов. Когда объем шламового пространства заполняется, происходит замыкание нижних кромок разноименных электродов и аккумулятор теряет работоспособность.
Рис. 1. Аккумуляторная батарея с отдельными крышками
Электроды состоят из активной массы, нанесенной на токоотвод решетчатой конструкции – решетку. Сепараторы разделяют участвующие в электрохимических превращениях реагенты, а также обеспечивают возможность диффузии электролита от одного электрода к другому. Сторона сепаратора, обращенная к положительному электроду для облегчения доступа электролита к поверхности активной массы, выполнена ребристой.
Борн (8), который служит наружным токоотводом аккумулятора, последовательно соединяет соседние аккумуляторы между собой в батарею. К выводным борнам крайних аккумуляторов батареи привариваются полюсные выводы (9) и (14), служащие для соединения батареи с внешней электрической цепью. Положительный (9) и отрицательный (14) выводы имеют разный диаметр, что позволяет исключить возможность переполюсовки.
В верхней части электродного блока устанавливают щиток (7), предохраняющий верхние кромки сепараторов (4) от повреждения при замерах уровня и плотности электролита.
Каждый аккумулятор после установки электродного блока в камеру-ячейку моноблока закрывают сверху отдельной пластмассовой или эбонитовой крышкой (15). В ней выполняют по два отверстия с втулками для выводных борнов электродного блока. Между ними расположено резьбовое отверстие для заливки электролита и периодического обслуживания аккумулятора в процессе эксплуатации. После заливки электролита резьбовое отверстие закрывают пробкой из полиэтилена (11), имеющей небольшое вентиляционное отверстие (13), предназначенное для выхода газов при эксплуатации.
Благодаря специфическим свойствам термопластичной пластмассы появились аккумуляторные батареи с общей крышкой в моноблоке из сополимера пропилена с этиленом, устройство которых показано на рис. 2.
Батареи закрытого типа имеют специальные пробки, обеспечивающие задержку аэрозоли серной кислоты. Пробки для заливки электролита и добавления воды при эксплуатации вывинчиваются. Батареи закрытого типа могут быть и необслуживаемыми: от производителя они поставляются залитыми и заряженными, и в течение срока службы нет необходимости доливки воды, т.к. конструкция пробок таких батарей обеспечивает удержание ее паров в виде конденсата. Кроме использования в качестве стационарных, батареи закрытого типа являются основным типом батарей, используемых в автотракторной технике в качестве стартерных и тяговых.
В моноблоке (1) установлены электродные блоки, состоящие из разноименных электродов (2) и (3), разделенных сепараторами (4). Эти блоки соединены между собой при помощи укороченных межэлементных соединений (6) через отверстия в перегородках (5) моноблока. Крышка (7) сделана единой на все шесть аккумуляторов батареи. Свойства термопластичной пластмассы позволили применить для герметизации АКБ с общей крышкой метод контактно-тепловой сварки, обеспечивающий сохранение герметичности как по периметру, так и между отдельными аккумуляторами в широком диапазоне температур (от −50°C до 70°C).
Недостатки традиционных свинцовых батарей обусловлены тем, что содержащаяся в сплаве положительных токоотводов сурьма постепенно, по мере их коррозии, через раствор переходит на поверхность отрицательного электрода. Осаждение большого количества сурьмы на поверхности отрицательной активной массы снижает напряжение на электродах батареи, при котором начинается разложение воды на водород и кислород. Поэтому, в конце зарядного процесса и при небольшом перезаряде, происходит бурное газовыделение, сопровождающееся «кипением» электролита вследствие электролитического разложения входящей в него воды. [2]
Рис. 2. Аккумуляторная батарея с общей крышкой
Гелевые аккумуляторные батареи
Батареи второго поколения, которыми являются герметизированные гелевые батареи. В них вместо жидкого электролита используется гелеобразный, представляющий собой желе, полученное в результате смешивания раствора серной кислоты с загустителем (обычно это двуокись кремния SiO2 – силикагель). Технология производства гелевых батарей получила название GEL. Гелевые батареи в течение всего срока эксплуатации не нуждаются в обслуживании, их нельзя вскрывать.
Здесь электролит (это двуокись кремния SiO2 – силикагель) при помощи специальных присадок доводится до гелеобразного состояния. Для этого, еще в жидком виде, электролит в заводских условиях разливается в корпуса, где в течение нескольких суток застывает. В нем образуются микропоры, необходимые для рекомбинации газов. Структура материала (а также уровень электролита) хорошо видна, если АБ выполнена в прозрачном корпусе (рис. 3). А для малообслуживаемого аккумулятора прозрачный корпус – еще более удобное решение.
Рис. 3. Внешний вид гелевой батареи Netion в прозрачном корпусе
Нужно отметить, что гелевые батареи были созданы прежде всего для военных нужд, ведь они в состоянии выдержать значительные перегрузки (незаменимое качество в авиации), а также вырабатывать ток даже при частичном повреждении корпуса при попадании осколков, пуль.
Гелевые аккумуляторы имеют ряд преимуществ, таких как:
Полное восстановление из состояния глубокого разряда, даже в том случае, когда к процессу заряда не приступили немедленно после разряда батареи;
Надежность при эксплуатации в режиме циклирования;
Хорошая устойчивость в условиях высоких температур;
Пониженный саморазряд;
Использование сверхустойчивого полимерного сепаратора со стекловолокном для повышения эксплуатационных качеств.
AGM – технология
Батареи третьего поколения – это герметизированные батареи с абсорбированным сепараторами электролитом.
В 80‑х годах 20 века инженеры мирового лидера аккумуляторных технологий Johnson Controls Inc. представили всему автомобильному сообществу революционную технологию производства аккумуляторных батарей – технологию Absorptive Glass Mat (AGM). По смыслу это переводится как Поглощающее Стекловолокно. Но первыми инновационный продукт получили конечно же военные. С 1985 года и по сей день аккумуляторными батареями с технологией AGM комплектуются такие экстремальные транспортные средства, как бомбардировщик B‑2 и истребитель F‑18.
Аббревиатура AGM (Absorption Glass Matt) буквально означает абсорбирующий стеклянный наполнитель. В данном типе аккумуляторов положительный и отрицательный электроды разделены стекловолоконным наполнителем (наподобие стекловаты), которая играет роль сорбента раствора серной кислоты. В стекловате электролит удерживается при помощи капиллярных свойств жидкости. Это, пожалуй, единственное конструктивное отличие аккумуляторных батарей AGM и GEL. Конструкция аккумулятора с использованием технологии AGM представлена на рис. 4.
Аккумуляторы, производимые с использованием технологии AGM, изготавливаются в спиральной или плоской конфигурации. Серия продукции со спиральной конструкцией блоков производится в основном в Северной Америке, а с плоской конфигурацией электродов – и в Северной Америке и в Европе. В настоящий момент наиболее распространены аккумуляторы AGM для ИБП с плоской конфигурацией электродов.
Рис. 4. Конструкция аккумулятора с использованием технологии AGM
На химическом же уровне уникальность аккумуляторов AGM заключается в рекомбинирующих свойствах аккумуляторов AGM. При протекании химических реакций внутри любого аккумулятора образуются газы, состоящие в основном из водорода и кислорода, из молекул которых состоит вода. В соответствии с основами электрохимии потенциал перенапряжения по кислороду ниже потенциала перенапряжения по водороду. Поэтому при напряжениях подзаряда и заряда, установленных изготовителем для герметизированных аккумуляторов, основным газом, образующимся в этих аккумуляторах, является кислород, образующийся в результате разложения воды на положительных электродах. Для его связывания на отрицательных электродах аккумуляторов обратно в воду необходимо наличие путей в разделяющей электроды сепарации, позволяющих ему свободно перемещаться. Для этого в аккумуляторах с абсорбированным электролитом количество последнего ограничивается таким образом, чтобы примерно 15% пор сепарации было свободно от электролита. [3] Образовавшиеся газы заполняют микропоры и участвуют в химических процессах, которые протекают во время зарядки аккумулятора и в виде воды смешиваются с электролитом. Этот химический процесс разделения и смешивания и называется рекомбинацией см. рис. 5.
Рис. 5. Процесс рекомбинирования газов в AGM аккумуляторе в стекловолоконном сепараторе при зарядке
В современных аккумуляторах процесс практически полной рекомбинации доведен до 96–98%. Это говорит о практически ничтожном изменении химических свойств электролита на протяжении длительного времени и незначительных количествах свободного газа, давление которого внутри аккумуляторной батареи регулируется специальным клапаном. Этот клапан также является гарантом безопасности аккумуляторной батареи срабатывая при возникновении нештатной ситуации. [4]
Исключительно низкое электрическое сопротивление всей конструкции аккумулятора AGM позволяет выдавать единовременно значительно более высокую мощность и переживать большее количество циклов разряд-заряд.