Влияние примесей (добавок) на характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов
В последнее время, в связи с ростом популярности сайта, все чаще в моей почте попадаются письма от личностей, предлагающих описать очередной модификатор электролита свинцово-кислотной АКБ. Якобы новая сверхсекретная формула модификатора сделает ресурс стартерной АКБ под стать тяговой, причем увеличится не только срок службы, но и отдаваемые токи, и допустимая глубина разряда. Материал этой статьи – мой ответ в адрес очередного лохотрона, эксплуатирующего вполне реальные научные достижения в области аккумуляторостроения.
Для чего используются добавки при производстве свинцово-кислотных АКБ? – Для увеличения коэффициента использования активной массы электрода (увеличение емкости), увеличения площади контакта электролита с активной массой электрода (увеличение разрядных токов), снижения интенсивности процессов саморазряда и увеличения прочности электродов.
Поскольку условия работы положительного и отрицательного электрода различны, то и для улучшения характеристик электродов применяют различные методики, в том числе и использование добавок к веществу электрода. Также используются различные добавки в электролит.
Для улучшения характеристик положительного электрода ранее широко использовались сурмяные сплавы, которые повышали удельную емкость электрода за счет увеличения «рыхлости» активной массы. Однако, в связи с тем, что при длительной эксплуатации сурьма переходит в электролит и вызывает повышенное газообразование при заряде, от использования сплавов с высоким содержанием сурьмы производители воздерживаются.
В настоящее время часто используют свинцово-кальциевый сплав для токопроводящей решетки электрода – такие электроды более прочны, и позволяют использовать больший процент активной массы. Однако, на границе свинцово-кальциевого сплава и активной массы, в процессе эксплуатации, образуется труднорастворимый слой сульфата свинца, увеличивающий внутреннее сопротивление аккумулятора. Для решения этой проблемы в электролит такого аккумулятора добавляют фосфорную кислоту, увеличивающую растворимость сульфата свинца.
Применение на положительном электроде многих других добавок (сульфата бария или сульфата стронция) ограничено тем фактом, что эти примеси увеличивают скорость коррозии электрода. Также высокая окислительная активность положительного электрода лимитирует применение различных органических поверхностно-активных веществ, добавляющихся в электролит для уменьшения вероятности образования пассивирующих пленок на поверхности кристаллов активной массы (депассиваторы).
В качестве депассиватора на отрицательном электроде применяются добавки сульфата бария или сульфата стронция. Кристаллы этих веществ имеют сродство к сульфату свинца, что позволяет играть этим добавком роль центров кристаллизации. Также в качестве депассиваторов могут выступать некоторые органические добавки в электролит (в СССР использовался дубитель БНФ). Применение депассиваторов увеличивает процент использования активной массы отрицательного электрода и способствует снижению внутреннего сопротивления аккумулятора.
Для уменьшения процессов саморазряда аккумулятора в электролит вводят органические вещества-ингибиторы саморазряда (в советских аккумуляторах – альфа-нафтол). Однако, использование ингибиторов саморазряда, приводит к ухудшению разрядных свойств аккумулятора. Отрицательные свойства ингибиторов саморазряда диктуют необходимость точного расчета соотношения различных добавок для соблюдения положительного баланса их свойств.
Проведя этот небольшой ликбез в области аккумуляторных примесей, можно перейти к формированию выводов:
- При изготовлении аккумулятора производителем используются различные добавки к электролиту и электродам, улучшающие характеристики
- Применение добавок четко рассчитано для данной марки аккумулятора и введение дополнительных веществ в электролит не может хорошо сказаться на аккумуляторе, всвязи с невозможностью точного рассчета баланса свойств новой примеси и введенных производителем добавок
- Аккумуляторы, произведенные с использованием свинцового лома от старых аккумуляторов будут иметь худшие характеристики, по сравнению с теми аккумуляторами, при изготовлении электродов которых использовался свинец из руды.
Copyright © Дмитрий Спицын, 2008.
Источник
Что такое ингибитор аккумулятора
Владельцы различных устройств иногда испытывают определенные трудности при поиске информации о правильной эксплуатации аккумуляторов. Этому вопросу и посвящен данный краткий FAQ.
Все современные телефоны, смартфоны и КПК снабжены аккумуляторами на литиевой основе — литий-ионными или литий-полимерными, поэтому в дальнейшем речь будет идти именно о них. Эти аккумуляторы имеют замечательную емкость и сроки службы, но требуют очень жесткого следования определенным правилам эксплуатации. Эти правила можно разделить на две группы :
1. Не зависящие от пользователя
2. Зависящие от пользователя.
В первую группу входят основополагающие правила заряда и разряда аккумуляторов, которые контролируются встроенным в аккумулятор устройством (контроллером), а также иногда дополнительным контроллером, располагающимся вне аккумулятора, в самом КПК. Эти правила просты:
1- Аккумулятор всю свою жизнь должен находиться в состоянии, при котором его напряжение не превышает 4.2 вольта и не опускается ниже 2.7 вольта. Эти напряжения являются показателями соответственно максимального (100%) и минимального (0%) заряда.
2- Количество энергии, отдаваемой аккумулятором при изменении его заряда от 100% до 0% — это его емкость. Некоторые производители ограничивают максимальное напряжение 4.1 вольтами, при этом аккумулятор живет подольше, но его емкость снижается примерно на 10%. Также иногда нижний порог повышается до 3.0 вольт с такими же последствиями.
2- Наибольшая долговечность аккумулятора достигается при примерно 45-процентном заряде, а при увеличении или уменьшении степени заряда срок жизни аккумулятора уменьшается. Именно поэтому грамотные производители поставляют в продажу аккумуляторы, заряженные примерно наполовину. Если заряд находится в пределах, которые обеспечивает контроллер аккумулятора (см. выше), изменение долговечности не очень значительно, но все же.
3- Если в силу обстоятельств напряжение на аккумуляторе выходит за пределы, указанные выше, даже на непродолжительное время, срок его жизни драматически уменьшается. Такие состояния называются перезаряд и переразряд и являются очень опасными для аккумулятора.
4- Контроллеры аккумуляторов, предназначенных для разных устройств, если они (контроллеры) изготовлены с надлежащим качеством, никогда не позволяют напряжению на аккумуляторе во время заряда стать больше 4.2 вольта, но, в зависимости от предназначения батареи,могут по-разному ограничивать минимальное напряжение при разряде. Так, в аккумуляторе, предназначенном для, скажем, шуруповерта или моторчика модели автомобиля, минимальное напряжение скорее всего будет действительно минимально допустимым, а для КПК или смартфона — повыше, ибо минимального напряжения 2.7 вольта может просто не хватить для работы электроники девайса. Именно поэтому в сложных устройствах типа телефонов, КПК и т.п. работу встроенного в сам аккумулятор контроллера дополняет контроллер в самом устройстве.
Во вторую группу входят правила эксплуатации, на которые мы с вами можем влиять, тем самым значительно увеличивая или уменьшая срок жизни аккумулятора. Эти правила следующие:
1- нужно стараться не доводить аккумулятор до минимального заряда и тем более до состояния, когда машинка сама выключается, ну а если так случилось — зарядить аккумулятор как можно скорее.
2- не нужно бояться частых подзарядок, в том числе и частичных, когда полный заряд не достигается. Аккумулятору это не вредит. Я при этом руководствуюсь здравым смыслом: если при обычном использовании КПК я всегда ставлю его на зарядку перед сном, то в случае очень интенсивного использования (постоянно включенный WiFi, прослушивание музыки и т.д.), когда заряд приближается к минимальному, не гнушаюсь прямо на работе подсоединить КПК к любому доступному USB. При отсутствии нормального зарядника и использовании вместо него USB особенного важно не дожидаться полного разряда, ибо в таком случае тока от USB-порта может быть недостаточно, чтобы начать процесс зарядки.
3- вопреки сложившемуся у многих пользователей мнению перезаряд вредит литиевым аккумуляторам не меньше, а даже больше, чем глубокий разряд. Контроллер конечно контролирует максимальный уровень заряда, но есть одна тонкость. Хорошо известно, что емкость аккумуляторов зависит от температуры. Так, если например мы зарядили аккумулятор при комнатной температуре и получили заряд 100%, то при выходе на мороз и остывании машинки, степень заряженности аккумулятора может снизиться до 80% и ниже. Но может быть и обратная ситуация. Аккумулятор, заряженный при комнатной температуре до 100%, будучи немножко нагрет, станет заряженным, скажем, до 105%, а это для него очень и очень неблагоприятно. Такие ситуации встречаются при эксплуатации машинки, длительное время находящейся в кредле. Во время работы температура девайса и вместе с ним аккумулятора повышается, а ведь заряд уже полный.
В связи с этим правило гласит: если Вам необходимо работать в кредле, сначала отсоедините машинку от зарядки, поработайте на ней, а когда она выйдет на «боевой» режим — подключайте зарядку.
Кстати это правило также касается владельцев ноутбуков и прочих гаджетов.
Добавлено: в современных ноутбуках контроллеры зарядки работают грамотно: они следят за температурой и режимом работы компьютера, при этом нет необходимости совершать некие действия при работе от розетки.
4- Идеальные условия для длительного хранения аккумулятора — это нахождение вне девайса с зарядом примерно 50%. Исправный аккумулятор при этом не требует заботы о себе месяцами (порядка полугода).
И напоследок еще немного информации.
— Вопреки сложившемуся мнению литиевые аккумуляторы, в отличие от никелевых, почти не обладают «эффектом памяти», поэтому так называемая «тренировка» нового литиевого аккумулятора практически не имеет смысла. Для собственного успокоения достаточно один-два раза полностью зарядить-разрядить новый аккумулятор, в основном для калибровки дополнительного контроллера.
— Владельцы устройств знают, что можно заряжать батарею как от зарядного устройства, так и от USB. При этом зачастую вызывает недоумение невозможность зарядки от USB. Дело в том, что по «закону» USB-контроллер должен отдавать периферийным устройствам, подключенным к нему, ток около 500 ма. Однако бывают ситуации, когда либо сам контроллер не может обеспечить такой ток, либо устройство подключают к USB контроллеру, на котором уже висит какая-то периферия, потребляющая часть мощности. Вот и не хватает тока для зарядки, особенно если аккумулятор разряжен слишком сильно.
— Литий-содержащие аккумуляторы не любят замораживание. Всегда старайтесь избегать пользования машинкой на сильном морозе — увлечетесь — аккумулятор придется менять. Ну конечно если Вы достали машинку из теплого внутреннего кармана куртки и сделали пару заметок или звонков, а потом положили зверька обратно — проблем не будет.
— Практика показывает, что литиевые батареи (не только аккумуляторы) снижают свою емкость при уменьшении атмосферного давления ( в высокогорье, в самолете). Вреда батареям это не приносит, просто нужно учитывать данный факт.
— Бывает, что после приобретения аккумулятора повышенной емкости (скажем 2200 ма-ч вместо штатного 1100 ма-ч) машинка через пару дней пользования новым аккумулятором начинает странно себя вести: виснет, отключается, зарядка аккумулятора вроде происходит, но как-то странно и т.п. Не исключено, что ваше зарядное устройство, которое с успехом работает на «родном» аккумуляторе, просто не в состоянии обеспечить достаточный ток зарядки аккумулятора большой емкости. Выход — приобретение зарядного устройства с бОльшим отдаваемым током (скажем 2 ампера вместо прежнего 1 ампера).
Тем, кто владеет английским языком, могу рекомендовать великолепный «ликбез» по аккумуляторам, включая принципы работы контроллеров и т.п. — http://www.batteryuniversity.com/index.htm
Сообщение отредактировал slimest — 18.09.15, 17:09
Немного добавлю отсябя о явлении саморазряда
Явление саморазряда характерно в большей или меньшей степени для всех типов аккумуляторов и заключается в потере ими своей емкости после того, как они были полностью заряжены. Для количественной оценки саморазряда удобно использовать величину потерянной ими за определенное время емкости, выраженную в процентах от значения, полученного сразу после заряда. За промежуток времени, как правило, принимается интервал времени, равный одним суткам и одному месяцу. Так, например, для исправных NiCD аккумуляторов считается допустимым саморазряд до 10% в течение первых 24 часов после окончании заряда, для NiMH – немного больше, а для Li-ION пренебрежимо мал и оценивается за месяц. Следует отметить, что саморазряд аккумуляторов максимален именно в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается.
NiCD аккумуляторы за месяц могут потерять до 20% емкости, NiMH – до 30%. Li-ION аккумулятор разряжается на 3–5% в течение первых 30 дней, затем величина тока саморазряда падает до 1–3% в месяц. Дополнительно к этому, электронная схема защиты, встроенная в Li-ION аккумулятор, может потреблять до 3% в месяц.
Хороший кислотный аккумулятор разряжается в среднем на 5% в месяц или 50% за год. Глубокий его разряд и последующий заряд увеличивают ток саморазряда.
Саморазряд аккумуляторов в основном обусловлен выделением кислорода на положительном электроде. Этот процесс еще больше усиливается при повышенной температуре. Так, при повышении окружающей температуры на 10 градусов по отношению с комнатной возможно увеличение саморазряда в два раза. В некоторой степени саморазряд зависит от качества использованных материалов, технологического процесса изготовления, типа и конструкции аккумулятора. Потери емкости могут быть вызваны повреждением сепаратора, когда образования слипшихся кристаллов пробивают его. Сепаратором принято называть тонкую пластину, разделяющую положительный и отрицательный электроды. Это обычно происходит из–за неправильного обслуживания аккумулятора, его отсутствия или применения несоответствующих или некачественных зарядных устройств. У изношенного аккумулятора пластинки электродов разбухают, слипаясь друг с другом, что приводит к повышению тока саморазряда, при этом поврежденный сепаратор невозможно восстановить проведением циклов заряда/разряда.
Оценка степени саморазряда может быть произведена с помощью анализатора аккумуляторов по следующему алгоритму:
аккумулятор полностью заряжается и измеряется ее емкость;
аккумулятор заново заряжается и «отдыхает» в течение 24 часов, после чего вновь измеряется его емкость.
Источник
Литий-ионные аккумуляторы с ингибиторами горения могли бы помочь избежать случаев воспламенения аккумуляторов
Большой проблемой литий-ионных аккумуляторов является их склонность к возгоранию, уничтожая при этом устройство, в котором они находятся. Такой опасности подвержены все гаджеты с этим типом аккумулятора от игрушек до смартфонов и ноутбуков.
Чтобы решить эту проблему группа ученых из стэндфордского университета создали литий-ионный аккумулятор с ингибитором горения.
Обычно аккумулятор представляет собой своеобразный сэндвич: положительный и отрицательный слои, а между ними два разделительных слоя (сепаратора) из пропитанного электролитом полимера. Именно в полимерный слой ученые добавили трифенилфосфат — ингибитор горения, широко использующийся в производстве различной электроники.
Если температура аккумулятора достигает 150 градусов Цельсия, «умный» сепаратор освобождает ингибитор, который в течение 0,4 секунды способен остановить процесс возгорания.
Ранее уже были попытки создания аккумуляторов, которые бы не горели, однако, все они значительно снижали их эффективность. Новый аккумулятор отличается тем, что трифенилфосфат будет освобождаться только при очень высоких температурах и не будет присутствовать при нормальных условиях.
В ходе будущих экспериментов планируется выяснить, как влияет на освобождение ингибитора перезаряд и глубокий разряд аккумулятора.
Источник