2. Основные типы аккумуля́торов

Классификация аккумуляторных батарей происходит большей частью по составу электродов, а также по видам электролита. Свинцовые пластины могут быть покрыты разными химическими веществами и соединениями: кальцием, сурьмой и др. Всего существует восемь видов автомобильных аккумуляторов: сурьмянистые, малосурьмянистые, кальциевые, гибридные, гелевые, AGM, EFB, щелочные.

Сурьмянистые

Это классический вид аккумуляторов, который появился под капотом у автомобилей раньше всех остальных. Названы они так из-за содержания сурьмы в составе свинцовых пластин (5% и более). Поэтому они обычно маркируются знаком Sb.

В чистом виде свинец – это очень мягкий металл, который быстро разрушается под внешним воздействием. Сурьму стали добавлять в его состав, чтобы укрепить материал и сделать его более пригодным для удержания и выработки электрозаряда. Существенным недостатком сурьмянистого покрытия является тот факт, что он сильно ускоряет процесс электролиза, и вода начинает быстро выкипать, приводя к оголению электродов и их последующему осыпанию. Порча электродов в конце концов приведет к замыканию и выходу аккумуляторной батареи из строя. Чтобы не допустить этого, владельцам сурьмянистых АКБ приходится ежемесячно проверять уровень электролита, замерять плотность и доливать дистиллированную воду, когда жидкость выкипит слишком сильно. Из-за этого сурьмянистые аккумуляторы причислили к числу обслуживаемых моделей, которые быстро приходят в негодность, если забыть вовремя восполнить долить воду.

Если говорить о безусловных достоинствах сурьмянистых батарей, то это их невысокая стоимость, неприхотливость и противостояние глубоким разрядам. Недостатки: большой саморазряд, слабый пусковой ток, небольшой период службы (3-4 года активного использования) боязнь качки и переворачивания вверх дном.

По-настоящему задумываться о достоинствах и недостатках сурьмянистых моделей не слишком актуально, так как более продвинутые виды автомобильных АКБ уже полностью вытеснили их с полок автомагазинов. Сейчас сильно устаревшие сурьмянистые аккумуляторные батареи можно встретить разве что на очень старых авто.

Малосурьмянистые

Подвид сурьмянистых аккумуляторов со сниженным количеством сурьмы (ее там 2-4%), что существенно снижает потери от быстрого выкипания. Регулярно проверять уровень жидкости все еще нужно, но не так часто, как в сурьмянистой версии. Так что их можно назвать малообслуживаемыми.

Неоспоримое достоинство малосурьмянистых аккумуляторов – это небольшая цена и низкий уровень саморазряда при хранении, если сравнивать их с сурьмянистыми аналогами. Еще они крайне неприхотливы к электрическим параметром автомобиля, так что их можно использовать на абсолютном большинстве вариантов бортовых сетей – перепады напряжения им совершенно не вредны, в отличие от самых передовых аккумуляторных батарей: AGM, кальциевых и гелевых, которые могут быть очень чувствительны к параметрам авто (о чем ниже).

Кальциевые

Из-за того, что сурьма постоянно приводила к ускоренному выкипанию жидкости, от нее скоро отказались и стали покрывать решетки электродов обоих полюсов другим металлом – кальцием (отсюда маркировка Ca/Ca). В ряде случаев к кальцию добавляют и небольшую долю серебра, чтобы уменьшить внутреннее сопротивление, а также увеличить КПД.

На кальциевых аккумуляторных батареях напряжение начала электролиза воды повысилось с 2 до 3,6 В, и поэтому никакой перезаряд и выкипание такому изделию не грозит. Из-за этого кальциевые аккумуляторы причислены к необслуживаемым типам. Потери жидкости в процессе их работы настолько малы, что очень многие модели вообще не предполагают возможности открыть корпус и восполнить недостаток воды. Они обладают большей энергоемкостью и более мощными пусковыми токами. Еще одно их достоинство – это уровень саморазряда, который на 70% ниже, чем на малосурьмянистых батареях. Так что кальциевые АКБ можно хранить без использования по прямому назначению намного дольше. При активной эксплуатации на борту авто живет такое изделие не более 5-6 лет.

Однако в бочке меда присутствует и пара ложечек дегтя. Кальциевые аккумуляторы продаются по повышенным ценам (в сравнении с малосурьмянистыми и сурьмянистыми), боятся переворачивания и очень плохо переносят глубокие разряды. Если 3-4 раза они полностью лишатся энергии, то энергоемкость снизится на 80% и вернуть ее будет уже невозможно. Несколько таких циклов полного разряда отправят автомобильную АКБ в утиль. Еще одна проблема – это высокая чувствительность к перепадам напряжения, что часто случается на отечественных марках, у которых бортовая сеть очень нестабильна. Скачок напряжения и кальциевый аккумулятор рискует прийти в негодность или серьезно поступиться своими эксплуатационными качествами.

Гибридные

Гибридные модели (Hybrid battery) совмещают достоинства сурьмянистых и кальциевых батарей. Названы они так потому, что электроды разных полюсов обогащаются разным металлом: сурьмой покрывают «плюс», а кальцием «минус». Иногда также, как и у кальция, добавляют немного серебра. Маркируются знаками Ca+ или Sb/Ca.

Они являются промежуточным вариантом, так как имеют усредненные характеристики пускового тока и энергоемкости – поменьше, чем у кальциевого, но больше сурьмянистого типа. Они предполагают обслуживание (доливать дистиллированную воду требуется раз в полгода), но не требуют такого щепетильного ухода, как изделия с сурьмой. Хорошо сопротивляются глубоким разрядам и перезарядам. Перепады напряжения также для них не столь губительны, как для кальциевых АКБ. Продаются они по наиболее сбалансированной стоимости к своим полезным свойствам и служат 5 лет.

Гелевые

Основное отличие гелевых аккумуляторов (маркируются знаком GEL) от кислотных в том, что их электролит находится не в жидком, а в гелеобразном состоянии. Такое решение практически исключило протекание жидкости из-за небрежного отношения.

Гель практически не выкипает, а это значит внутренности надежно защищены от перенагрева и осыпания. Благодаря электролиту с более твердой консистенцией аккумуляторы гелевого типа не боятся наклонов и тряски. Также они очень медленно разряжаются, так что хранить их можно до двух лет без критического напряжения между электродами. Они отдают ток одинаковой силы, пока полностью не разрядятся, быстро заряжаются, не боятся глубокого разряда, могут выдержать несколько циклов заряд-разряд и не испортится. Служат такие аккумуляторные батареи до 15 лет.

Однако и у них есть свои недостатки. В первую очередь – это цена, которая вдвое выше, чем у кислотных моделей, что зачастую выступает определяющим фактором. Жители крайнего севера могут столкнуться с проблемой, что гелевые АКБ очень плохо переносят сильные морозы: гель при -50 оС начнет кристаллизироваться, теряя качественные свойства и энергоемкость. Такие аккумуляторные батареи очень чувствительны к величине напряжения и заряжать их нужно, используя специальные зарядные устройства с напряжением 14,4-15 В. Если превысить это значение, то есть риск нанести аккумулятору непоправимый урон. Использовать их на автомобилях, бортовая сеть которых имеет напряжение более 13 В, крайне не рекомендуется. Не стоит ставить их на автомобили с нестабильными электросетями. Гелевые аккумуляторы очень плохо переносят перепады напряжения и короткие замыкания. Батарею может привести в полную негодность даже кратковременное замыкание. Защитить гелевый аккумулятор от скачков напряжения могут дополнительные клеммы с реле-регуляторами.

Хоть гелевая технология и обеспечивает выдающиеся показатели емкости и пускового тока, но позволить себе такую дорогостоящую технологию могут лишь водители автомобилей премиум-класса или транспорта, которому постоянно приходится передвигаться по бездорожью и в условиях сильной тряски (мотоциклам, катерам, самолетам и т.д.) Как правило, там гелевая батарея стоит штатно, и использовать более слабую кальциевую на них не выйдет.

AGM

Эта разновидность является улучшенной версией аккумуляторной батареи с гелем, которую создали под автомобили с функцией «Старт-стоп». Разница в том, что между свинцовыми электродами у AGM закладывают особое пористое стекловолокно, которое обеспечивает электродам дополнительную защиту от осыпания. Отсюда и его название Absorbent Glass Mat – «абсорбирующий стекломатериал». По сравнению с кислотными АКБ у них есть ровно один недостаток – цена. Как и гелевые модели, AGM стоит существенно дороже кальциевых и гибридных моделей. Обслуживать их не нужно.

Если сравнить их с гелевыми, то AGM немного дешевле, они не так сильно зависят от напряжения заряда, не столь чувствительны к коротким замыканиям и лучше переносят холода. Однако они двое слабее по переносимости циклов заряд-разряд, хуже справляются с глубокими разрядами и быстрее разряжаются при хранении вне сети.

Они штатно устанавливаются на автомобили премиум-класса, которые крайне требовательны к уровню электроотдачи. Загвоздка в том, что их владельцам нельзя установить на свой борт другой вид аккумулятора. Если под капотом изначально стоит AGM-батарея, то менять ее на кальциевую или гелевую не рекомендуется. С другой стороны, срок использования у типа AGM в 10-15 лет частично компенсирует этот недостаток.

EFB

EFB-технология (Enhanced Flooded Battery или «Усиленная батарея с жидким электролитом») занимает промежуточное положение между простыми кислотными аккумуляторами и продвинутой автомобильной AGM. Если у последней гелем пропитаны стекловолоконные маты, то у EFB электролит все еще жидкий и он вместе с утолщенными пластинами заключен в конверт из микроволокна, который защищает их поверхность от образования сульфатов и от коротких замыканий в результате осыпания активной массы. В отличие от AGM-технологии батарея типа EFB заряжается намного быстрее. Но есть у них обоих и схожие моменты: они разрабатывались авто системы «Старт-стоп» с большим энергопотреблением.

Такие автомобильные аккумуляторы хорошо показали себя в поездках в крупных городах, где приходится часто останавливаться на светофорах и стоять в пробках. Обычная кальциевая АКБ с трудом выдерживает огромное количество стартов и остановок за короткий период, а вот у EFB с этим существенно лучше. Емкость и скорость заряда у таких моделей тоже выше, чем у аналогов классической сборки. Они неплохо сопротивляются глубоким разрядам, практически не теряя полезных свойств в результате потери заряда. Благодаря большой энергоемкости и хорошим пусковым токам в мороз и в жару они стабильно работают и не ржавеют. EFB-батарею не нужно обслуживать в процессе использования. Она способна без труда и ухудшения свойств переносить несколько циклов заряд-разряд.

У нее также есть пара слабых мест (в сравнении с AGM). Она чуть слабее по мощности и не поддерживает рекуперацию энергии при торможении.

Щелочные (никель-кадмиевые)

Если вместо серной кислоты в батарее использует раствор щелочи, то такие аккумуляторы считаются щелочными. По химическому составу и количеству пластин они подразделяются на два вида: никель-кадмиевые и никель-железные. Оба имеют электроды с тончайшим гофрированным покрытием, которые помещаются в герметичные конверты, защищающие аккумулятор от тряски и вибраций.

Если сравнить с кислотными АКБ, то у автомобильных аккумуляторов щелочного типа сравнительно высокая энергоемкость, что имеет решающее значение при тяговом и стартерном режиме использования. Они хорошо переносят глубокие разряды и медленно саморазряжаются, так что щелочные батареи можно долго хранить полностью разряженными. Они более экологичны, так как в процессе работы или при протечках выделяют меньше вредных веществ в атмосферу. В сравнении с гелевыми щелочные АКБ обладают повышенной стойкостью к перезарядам, хорошо справляются с морозами.

Их слабым местом является низкий уровень напряжения даже в сравнении с кислотными аккумуляторами, так что по своим габаритам они куда крупнее кальциевых аналогов. Но самой большой проблемой щелочных батарей является так называемый «эффект памяти», когда при сильном разряде аккумулятор может запомнить предел разряда и в следующий раз он будет отдавать энергию только до этого порога. Их цена по сравнению с кислотными АКБ также намного выше, однако встретить такую технологию на авторынке – та еще задачка, так как применяется она в грузовиках, электропогрузчиках, электрокарах и другой спецтехнике.

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, оксиды (LiMnO2) и соли (LiMnRON) металлов.

Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем — каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать при значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-железо-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью. Литий-ионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления — СКУ или BMS (battery management system), — и специальным устройством заряда/разряда.

Литий-ионный аккумулятор находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях (тягового аккумулятора) и накопителях энергии в энергетических системах.