Наші технології

Технології виробництва акумуляторних батарей

Свинцево-кислотні акумуляторні батареї з рідким електролітом

Принцип роботи свинцево-кислотних акумуляторів заснований на електрохімічних реакціях свинцю і діоксиду свинцю в кислотною середовищі. Під час розряду відбувається відновлення діоксиду свинцю на катоді і окислення свинцю на аноді. При заряді протікають зворотні реакції, до яких в кінці заряду додається реакція електролізу води, що супроводжується виділенням кисню на позитивних пластинах і водню – на негативному.

Елемент свинцево-кислотного акумулятора складається з позитивних і негативних електродів, сепараторів і електроліту. Позитивні електроди являють собою свинцеву грати, а активною речовиною є окис свинцю (PbO2). Негативні електроди також представляють собою свинцеву грати, а активною речовиною є губчастий свинець (Pb). На практиці в свинець решіток додають сурму для підвищення міцності. Електроди занурені в електроліт, що складається з розведеною сірчаної кислоти (H2SO4).

В даний час для пуску автотракторних двигунів внутрішнього згоряння повсюдно застосовують свинцево-кислотні акумуляторні батареї з високими питомими електричними характеристиками. Зазвичай стартерні АКБ, як правило, випускаються з гратами з свинцево-сурм’янистого сплаву (Pb-Sb) з вмістом сурми (Sb) від 5,0 до 7,0%, причому тонкі струмовідводи товщиною менше 1,5 мм, відливаються зі сплаву з великим вмістом сурми.

Є багато міркувань на користь застосування свинцево-вмістом сурми:

  • Сплав Pb-Sb має гарні ливарні властивості;
  • Сплав дає чіткі виливки;
  • Сплав може застосовуватися для утримання активного матеріалу без побоювань, що він втратить свою міцність через процес формування під час роботи АКБ, т. Е. Наявність Sb сприяє більш міцному електричному контакту активного матеріалу з гратами;
  • В Pb-Sb сплавах не виникає блокуючого ефекту, який часто спостерігається в Pb-Ca сплавах, які містять Sb (блокуючий ефект полягає в освіті токонепроводімих прошарків (CaSO4) між позитивною гратами і активним матеріалом;
  • Сурма збільшує твердість свинцю, а так само його плинність і опір розриву (див. Таблицю).

 

Вміст сурьми
в сплаві, %
Температура плавлення
сплаву, °С
Щільність сплаву,
г/см3
Опір розриву,
кг/см3
Твердость по Бринеллю,
кг/мм2
0 327 11,33 125,13 3,2
1 320 11,26 4,2
2 313 11,18 4,8
3 306 11,10 330,41 5,3
4 299 11,03 397,90 5,7
5 292 10,95 480,85 6,2
6 285 10,88 504,75 6,5
7 278 10,81 521,63 7,0
8 271 10,74 532,87 7,2

Однак, застосування звичайних стартерних АКБ пов’язане з рядом відомих труднощів через наступні основні особливості та недоліки:

  • Під час перерв в експлуатації має місце саморазряд батареї, в результаті якого середньодобова втрата ємності, яка визначається за 14 діб зберігання, у нових батарей становить до 1%, а в кінці терміну служби збільшується до 4%.
    В результаті цього, під час зберігання АКБ, залитої електролітом, потрібно проводити щомісячний підзаряд протягом 8-10 ч. Батареї зберігають і заряджають в приміщеннях зарядних станцій, що вимагає відповідних площ, зарядного обладнання та кваліфікованого персоналу.
  • Під час експлуатації автомобіля знижується рівень електроліту в результаті електролізу води, тому через 12-15 днів необхідно доливати в акумулятори батареї дистильовану воду, що збільшує її обсяг обслуговування.
  • Електроліз води пов’язаний з виділенням активного кисню, що призводить до прискорення корозії позитивного електрода. Відомо, що термін служби АКБ обмежується головним чином корозією решіток. Швидкість електролізу і відповідно корозії зростає при перезаряді, підвищеній температурі і старінні батареї. Тому необхідні спеціальні заходи обмеження верхньої межі напруги автотракторних генераторів з урахуванням зазначених факторів.
  • Необхідність перевірок і обслуговування ускладнює розташування батарей на автомобілях і тракторах. Потрібно забезпечити доступ до батареї при вимірюванні рівня і щільності електроліту, а також для наповнення системи акумуляторну батарею.
  • Істотно, що виділяється батареями суміш кисню і водню вибухонебезпечна. Це ускладнює утеплення і обігрів батарей, так як при цьому необхідно забезпечити достатню вентиляцію відсіку, в якому розташована батарея.
  • Кошти, виділені з батареї гази і пари електроліту викликають корозію металевих виробів автомобіля, розташованих поблизу батареї і її полюсних висновків, а також володіють токсичністю (стибій – сурм’янистий водень).

Перераховані особливості та недоліки сучасних стартерних свинцево-кислотних батарей викликають додаткові експлуатаційні витрати на оплату обслуговуючого персоналу, на матеріали, електроенергію та амортизацію приміщень і обладнання. Порушення обсягів і періодичності обслуговування призводить до скорочення терміну служби АКБ до 30%, що неприпустимо.

Основною причиною, що викликає всі перераховані вище особливості і недоліки, є наявність більш 5% сурми в сплаві свинцю, з якого виготовляються решітки (струмовідводи) електродів. Тому роботи, спрямовані на створення батарей зі скороченим обсягом обслуговування (звані також “необслуговуваних” або “малообслуговуваних”), полягають в запобіганні або істотне обмеження електролізу води в акумуляторах і пов’язаного з ним газовиділення.

Наявність сурми в гратах позитивних електродів призводить з одного боку до деякого збільшення інтенсивності виділення кисню, з іншого боку, до електрохімічного переносу і осадження сурми на поверхні негативного електрода. Саме присутність сурми на поверхні негативного електрода сприяє його помітного зниження перенапруги водню і відповідно зростанню газовиділення. На практиці це означає, що при спільній роботі батареї з генераторної установкою автомобіля газовиділення настає ще задовго до того, як батарея буде заряджена. Таким чином, роботи спрямовані на зниження втрат води, зменшення саморозряду і корозії решіток, повинні сприяти підвищенню перенапруги кисню і водню на електродах.

В даний час розрізняють три основних напрямки робіт зі створення батарей зі скороченим обсягом обслуговування:

  • застосування решіток електродів з свинцево-кальцієво-олов’яних сплавів замість свинцево-вмістом сурми;
  • застосування решіток з модифікованих свинцево-вмістом сурми зі зменшеним вмістом сурми;
  • застосування решіток позитивних електродів з малим вмістом сурми і кадмію, негативних електродів з свинцево-кальцієво-олов’яних сплавів.

Акумуляторні батареї з решітками з модифікованих свинцево-вмістом сурми зі зменшеним вмістом сурьми. Необходімость докорінної зміни технології решіток електродів з свинцево-кальцієвих сплавів привела до того, що ряд фірм став розробляти батареї зі скороченим обсягом обслуговування на основі електродів, що мають решітки з пониженим вмістом сурми.

Відомо, що можливе зменшення вмісту сурми до 4%. При подальшому його зниженні погіршуються ливарні властивості, спостерігається розтріскування решіток, падає твердість, збільшуються розміри кристалів, а також швидкість і ступінь корозії в експлуатації. У той же час встановлено, що при обмеженому вмісті сурми до 2,5-3,0% вдається істотно знизити газовиділення з акумуляторів. При цьому потрібні спеціальні легуючі добавки в свинцево-сурм’янистий сплав для забезпечення необхідних технологічних і експлуатаційних властивостей виливків. Ефективність дії легуючих добавок пояснюється здатністю їх перерозподіляти ток на мікроділянки під захисною плівкою, а також впливом іонів впливом легуючих добавок на міцність і структуру плівки з двоокису свинцю, їх кінетику і механізм виділення кисню на позитивних пластинах.

До числа елементів уповільнюють швидкість корозії свинцю і свинцево-сурм’янистого сплаву відносяться: Ag, Co, Tl, As, підсилюють корозію лужні метали, а також Mg, Zn, Sb та Bi. Окремо стоїть кальцій (Ca) і кадмій (Cd), які хоча і змінюють в помітному ступені швидкість корозії свинцю, але разом з тим, представляють певний інтерес, оскільки їх використання в якості легуючих добавок істотно знижує газовиділення, зменшує саморозряд акумуляторів в батареї.

В результаті досліджень фахівцями заводу “Владар” був розроблений і запатентований унікальний модифікований свинцево-сурм’янистий сплав складу Pb-Sb-Cd. До складу сплаву входить тільки дві легирующие добавки Sb і Cd, причому наявність кадмію в сплаві підвищує величину “перенапруги газів” і, отже, зменшує газовиділення в процесі експлуатації батареї, з решітками відлитими з даного сплаву і, як наслідок, значно збільшує термін служби.

«Кальцій Плюс» (легування кальцієм негативного електрода)

В даний час розрізняють три основних напрямки робіт зі створення батарей зі скороченим обсягом обслуговування:

  • застосування решіток електродів з свинцево-кальцієво-олов’яних сплавів замість свинцево-вмістом сурми;
  • застосування решіток з модифікованих свинцево-вмістом сурми зі зменшеним вмістом сурми;
  • застосування решіток позитивних електродів з малим вмістом сурми і кадмію, негативних електродів з свинцево-кальцієво-олов’яних сплавів.

У січні 2002 р. завод «Владар» першим в Україні почав випуск свинцево-кальцієвих акумуляторних батарей «Владар Кальцій Плюс» із застосуванням власних оригінальних розробок в цьому напрямку.

У батареях «Владар Кальцій Плюс» застосована комбінована схема: позитивний електрод виготовлений з сурм’янистого (вміст Sb до 2%) свинцевого сплаву, а негативний електрод – з свинцево-кальцієво-олов’янистого сплаву. Особливості АКБ, виготовлених за цією технологією, забезпечують важливі споживчі властивості. При доступною ціною такі акумулятори мають хороші технічні якості: здатність до відновлення пускових характеристик після глибоких розрядів і, при правильній експлуатації, досить тривалий термін служби.

Подібне технологічне рішення дозволяє знизити витрату води до такого рівня, що необхідність в доливе дистиляту при правильній експлуатації батареї виникає не частіше ніж один раз на 3-4 роки. Також це дає можливість знизити саморазряд таким чином, що акумулятор може зберігатися без підзарядки тривалий час.

Одним з важливих переваг легування позитивного електрода кальцієм є зниження корозії решіток, за рахунок чого термін служби батарей збільшується на 30% в порівнянні зі звичайними батареями і в той же самий час збільшується стійкість батарей до перезаряду.

Не менш важлива якість батарей «Владар Кальцій Плюс» – збільшення струму стартера більш ніж на 20% в порівнянні зі звичайними батареями.

Таким чином, перевагами технології «Владар Кальцій Плюс» є:

  • відмінні характеристики при низьких і високих температурах;
  • довговічність – термін служби стартерних АКБ становить 4-5 років;
  • вибростойкость;
  • підвищена корозійна стійкість;
  • стійкість до перезаряду;
  • вкрай низькі втрати води при експлуатації батареї, і, як наслідок, зниження витрат пов’язаних з обслуговуванням АКБ при експлуатації;
  • низький саморозряд батареї.

Область переважного застосування батарей «Владар Кальцій Плюс» – стартерні АКБ для запуску двигунів автомобілів і залізничних тепловозів (особливо в екстремальних кліматичних умовах).

Можливо також стаціонарне використання подібних акумуляторів, однак існують певні труднощі, перш за все пов’язані з необхідністю забезпечення належної вентиляції в приміщенні, де встановлені батареї.

Герметичні (VRLA) обслуговуються батареї з гелевим електролітом

Технологія, яка отримала назву «Владар Кальцій Плюс», успішно застосовується і сьогодні. Звичайно ж, на цьому дослідження не припинилися. Проведено сотні дослідів, випробувані різні варіанти електроліту, форми пластин, марки сепаратора. В результаті в кінці 2004 року побачив світ новий тип акумулятора. Першим серед виробників в Україні та країнах СНД, завод «Владар» освоїв технологію виробництва АКБ з гелевим електролітом!

У батареях здійснюється повторна рекомбінація газів в замкнутому елементі з утворенням води за рахунок протікання хімічного процесу. Завдяки розкладанню води в елементі утворюються кисень на позитивній пластині і водень на негативній пластині. Через тріщини і канали в гелі і мікропористі сепаратори кисень надходить до негативної пластини, де він з’єднується з іонами водню, знову утворюючи воду. Ця вода поглинається гелем. Спеціальні запобіжні пробки забезпечують підтримку надлишкового тиску всередині батареї, процес розкладання і рекомбінації носить замкнутий характер, тому втрати води в елементі не відбувається. Внаслідок цього батарея абсолютно не потребує обслуговування!

Переваги гелевих АКБ:

  • Не потребує обслуговування протягом усього терміну служби;
  • Відсутність витоку електроліту навіть при пошкодженні корпусу;
  • Відсутність парів кислоти в навколишньому середовищі при роботі батареї;
  • Не вимагає доливання води та перевірки рівня електроліту;
  • Дуже низький саморозряд. Після року зберігання при температурі + 20 ° С батареї зберігають близько 65% початкової ємності;
  • Можливість безпечної експлуатації батарей в одному приміщенні з іншим обладнанням і персоналом;
  • Можливість компактної установки секцій, батарея займає малу площу;
  • Здатність швидкого відновлення номінальної ємності;
  • Відмінні характеристики при розряді високими струмами;
  • Не належать до категорії небезпечних вантажів при перевезенні всіма видами транспорту.

Всі перераховані вище особливості даної технології обумовлює переважну область застосування гелевих аккмуляторов і батарей: в приміщеннях з високими екологічними вимогами (як стаціонарних джерел струму, як тягові батарей для наземного транспорту, на рухомому складі залізничного транспорту).