Обзор технологий изготовления автомобильных батарей

Электрический аккумулятор как химический источник тока с возобновляемой способностью генерировать ток появился в 1803 году. Изобретатель аккумуляторной батареи — Иоганн Риттер, сложил в столбик 50 медных монет, проложив между ними смоченную электролитом ткань. В результате электрохимической реакции батарея Риттера генерировала слабый постоянный ток. Современные АКБ генерируют силу тока величиной в сотни Ампер, достаточную для пуска на морозе даже дизельного двигателя внутреннего сгорания. Но и технологии изготовления нынешних аккумуляторов существенно отличаются от поделки Иоганна Риттера. К самым распространенным технологиям изготовления АКБ в наши дни относят:

Valve Regulated Lead Acid

Технология VRLA предполагает сборку классического свинцово-кислотного аккумулятора. Отрицательные электроды такой батареи изготовлены из чистого свинца, положительные — из диоксида этого же металла. В качестве электролита используется смесь воды и серной кислоты (63:37). Между плюсовыми и минусовыми электродами ставят сепаратор, проницаемый для электролита. Эта деталь исключает замыкание и последующий за этим саморазряд.

Valve Regulated Lead Acid — самая распространенная технология производства автомобильных батарей. Однако большинство производителей АКБ стараются усовершенствовать электроды, сепараторы и электролит, добиваясь повышения срока службы и улучшения рабочих характеристик батареи.

Малосурьмянистый способ модификации свинцово-кислотной батареи (Sb/Sb)

Если в свинец добавить сурьму, то кислотная батарея перестанет бояться разряда до нуля и будет заряжаться быстрее даже при низкой плотности электролита. Однако Sb/Sb аккумулятор демонстрирует самый высокий уровень саморазряда и теряет воду, которая кипит при зарядке. Поэтому малосурьмянистые АКБ сейчас выпускают только старые заводы, не сумевшие перейти на новые технологии.

Модификация свинцово-кислотной батареи кальцием (Ca/Ca)

Возникающие при использовании сурьмы проблемы подтолкнули к поиску иной присадки. Замена сурьмы кальцием избавила АКБ от склонности к закипанию (уровень потери водяных паров снизился на 80%) и ограничила уровень самопроизвольного разряда (на 30%). После легирования свинца кальцием батарея приобрела:

• возможность генерировать максимальные пусковые токи в любых погодных условиях — АКБ запускала двигатель даже на сильном морозе;
• неустойчивость к глубокому разряду — при падении напряжения до 10,2 вольта емкость АКБ падала на 50%.

Последний факт снизил привлекательность этой технологии. При глубоком разряде на пластинах оседал сульфат кальция, который не растворялся в воде, забивал ячейки свинцовых решеток, снижал скорость зарядки. При падении плотности электролита ниже 1,17 г/см3 кальциевый аккумулятор шел на переработку.

Избирательное легирование электродов сурьмой и кальцием (Sb/Ca)

Необходимость поддерживать на клеммах кальциевого аккумулятора постоянное напряжение не ниже 11,8-11,9 вольта понравилась не всем покупателям, поэтому один из производителей автомобильных аккумуляторов попытался совместить преимущества сурьмы и кальция, добавив в свинец обе присадки.

Вскоре выяснилось, что при легировании положительных электродов сурьмой, а отрицательных — кальцием, у батареи появляются следующие преимущества:

• снижается объем потерь водяного пара при зарядке, — АКБ не принимает ток после выхода на 95-97% от первоначальной емкости;
• повышается срок службы АКБ — на основе этой технологии можно создать необслуживаемый аккумулятор, с увеличенным числом циклов заряда/разряда;
• повышается стойкость к вибрации — за счет увеличения механической прочности легированного свинца.

Гибридное легирование свинцовых пластин увеличило срок службы АКБ до 5 лет, а стоимость такой батареи была сравнима с ценой старого свинцово-кислотного аккумулятора. Маркировку Sb/Ca можно встретить на многих современных моделях аккумуляторных батарей.

Легирование электродов кальцием и серебром (Ca/Ca + Silver)

Преимущества кальциевых батарей были столь значительны, что их производители попытались усовершенствовать эту технологию, добавив в свинец еще одну легирующую присадку — серебро. Посеребренные электроды гарантировали АКБ следующие преимущества:

• возможность создания полностью необслуживаемой батареи;
• повышенные значения силы стартовых токов по сравнению с кальциевыми, сурьмянистыми и гибридными АКБ;
• минимальный уровень саморазряда;
• срок службы более пяти лет;
• стойкость пластин к коррозии;
• возможность долгого хранения без периодической зарядки.

Недостатком созданного по этой технологии аккумулятора стала только высокая стоимость, объясняемая использованием драгметалла.

Absorbent Glass Mat

Технология AGM предполагает глубокую модификацию классического свинцово-кислотного аккумулятора. Эти батареи комплектуются сетчатыми электродами, между которыми проложены маты из стекловолокна, пропитанного электролитом. Тонкие сетчатые катоды и аноды позволяют повысить площадь контакта с электролитом за счет увеличения числа электродов. Абсорбированный стекловолокном электролит не вытекает из корпуса даже в перевернутом положении. Благодаря плотному контакту сетки с матом из стекловолокна пусковые токи растут на 30%, а большое количество электродов увеличивает число циклов разряда/заряда на 300%. К дополнительным плюсам технологии Absorbent Glass Mat относят:

• полную нечувствительность к глубокому разряду — АКБ можно довести до нуля не менее 200 раз;
• долгий срок службы — до 12 лет;
• нечувствительность к высоким и низким температурам;
• возможность хранения и транспортировки в любом положении.

Минусом AGM батареи можно назвать только высокую цену. Она в два раза выше, чем у обычной батареи с аналогичными рабочими характеристиками. Но этот минус оправдывается долгим сроком службы. Еще один негативный момент технологии Absorbent Glass Mat — чувствительность к перезарядке, что исключает возможность использования таких АКБ на старых авто, в начинке которых нет блока контроля и ограничения уровня заряда аккумулятора.

Enhanced Flooded Battery

Высокая цена AGM батареи подтолкнула к разработке дешевого аналога. Так появилась EFB модель, электроды которой упаковали в конверты из микроволокна, пропитанного электролитом. Однако толстые катоды и аноды Enhanced Flooded Battery ограничили список преимуществ подобных аккумуляторов следующими пунктами:

• увеличение числа зарядов/разрядов на 200%;
• возможность быстрой зарядки;
• минимальное падение емкости при глубоком разряде.

Достоинства Enhanced Flooded Battery не выглядят впечатляюще, но стоимость такой батареи превышает цену обычного аккумулятора только на 30-50%.

GEL — замена электролита силикагелем

Кроме модификации электродов и способов их компоновки изготовители аккумуляторов попробовали изменить сам электролит. Вначале вместо серной кислоты в батареях появился едкий калий и едкий натр. Но эти электролиты окисляли свинцовые решетки быстрее серной кислоты. Поэтому рабочим вариантом модификации электролита стала абсорбция кислоты гелем. После заправки батареи силикагелем уменьшилась вероятность закипания воды, выросла стабильность рабочих характеристик, но упала сила пускового тока. Такие аккумуляторы используются только в качестве тягловых АКБ в автомобилях с гибридными и электрическими двигателями. Низкие пусковые токи исключают применение в качестве стартовой батареи.