Что такое карбоновый аккумулятор

Сегодня хочу поделиться знаниями о карбоновых батареях.

Последние несколько лет этот термин гуляет в аккумуляторной среде.

Исходя из названия, куда-то добавляется углерод. Да, добавляются углеродные нано трубки.

Срок службы аккумуляторов до 15 лет

Электролит: в карбоновых батареях используют коллоидный электролит( добавление SiO2(гель) в электролит в небольшом количестве.

Существует уже два поколения карбоновых батарей.

В первом поколении углерод добавлялся только в свинец при производстве отрицательной решетки. Кроме углерода в сплав добавляется олово и кальций. Решетка получается с высокой проводимостью, прочностью, коррозионностойкостью. . Перемешивание С(углерода) и Pb(свинца) происходит химическим и физическим способом для выравнивания размеров и плотности С и Pb.

Добавление углерода в состав активной массы резко снижает процесс сульфатации пластин.

Во втором поколении углерод добавляют в активную массу отрицательной пластины, как и в саму решетку.

Устройство

Разница между первым и вторым поколением: 1е поколение нельзя разряжать большими токами, но можно полностью заряжать. 2е поколение можно разряжать большими токами, но не рекомендуется полностью заряжать.

Заряжать карбоновые батареи рекомендуется до 90-100%(PSOC). Разряжать до 30% от номинала. Желательно не разряжать до 100% от номинальной ёмкости. В идеале работа батареи должна быть следующим образом: разряд со 100% от номинальной ёмкости до 30% от номинальной ёмкости, затем заряд до 90% от номинальной ёмкости, затем разряд до 30% от номинальной ёмкости и так далее. DOD(глубина разряда) обычно 60% от номинальной ёмкости. В этом режиме 4800 циклов заряд-разряд. Если снимать 80% от номинальной ёмкости, то 3800 циклов заряд-разряд.

Коллоидный электролит полимерного состава позволяет сбалансировать пропорцию электролита с сепаратором AGM, устранить явление расслоения, улучшить

теплопроводность и ионную проводимость батареи и избежать риска терморазгона

DOD(глубина разряда) обычно 60% от номинальной ёмкости. В этом режиме 4800 циклов заряд-разряд. Если снимать 80% от номинальной ёмкости, то 3800 циклов заряд-разряд.

Инженеры компании Hitachi (CSB battery) утверждают, что их карбоновые батареи могут совершать 2400 циклов полного разряда аккумулятора. У литиевых батарей количество циклов примерно 3000.

Обратите внимание, что количество циклов карбоновых батарей соответствует количеству циклов литиевых аккумуляторов.

Применение

Карбоновые батареи надо использовать в устройствах, где нужна повышенная цикличность. Например, в альтернативной энергетике. Совсем не рекомендуется их устанавливать в ИБП(UPS).

Источник

Карбоновые (углеродные) аккумуляторные батареи

Среди свинцово-кислотных аккумуляторных батарей большую популярность получили герметизированные или, как их еще называют «необслуживаемые». По технологии изготовления они разделяются на AGM-технологию («Absorption Glass Matt») и GEL-технологию («Gelled Electrolite»). Их популярность объясняется тем, что они не требуют обслуживания в виде периодической доливки дистиллированной воды, исключается вероятность протечки электролита, могут работать как в вертикальном, так и в горизонтальном положении, могут размещаться совместно с другим оборудованием, не требуя отдельного аккумуляторного помещения и принудительной вентиляции.

Нововведения в технологии изготовления герметизированных аккумуляторов

Но научно-технический прогресс не стоит на месте, и разработчики при усовершенствовании конструкций современных аккумуляторных батарей нашли способ улучшить технические характеристики герметизированных аккумуляторов AGM.

Известно, что процесс накопления сульфатов является слабым местом свинцово-кислотного аккумулятора. Этот процесс из-за недостаточной шероховатости отрицательной пластины, где используется чистый свинец, препятствует быстрому заряду и приводит к деградации аккумуляторной батареи.

Дело в том, что отрицательный электрод свинцово-кислотной аккумуляторной батареи состоит из губчатого свинца и при разряде на его поверхности образовывается сульфат свинца. При заряде он снова переходит в исходное положение. Процесс разложения происходит медленно, и если попытаться «ускорить» его, например, увеличением зарядного тока, то это вызовет появление избыточных электронов, провоцирующих разложение воды и возникновение газов. Начнется, так называемый процесс «выкипания». В последующем сульфат свинца может формировать кристаллы на электроде, что еще больше снижает скорость заряда.

Был предложен ряд способов для подавления процесса сульфатации в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях, и некоторые из этих способов включали использование углерода в различных формах для замедления этого процесса. Например, в патенте Великобритании №18590 раскрыт способ, предназначенный для увеличения срока службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи путем защиты от коррозии решеток со свинцовой основой, которые формируют положительные электроды батареи. Этот способ включает обработку решеток смесью каучука, сурьмы и графита. Смесь наносится на решетки либо путем погружения решеток в смесь или нанесением смеси на решетки кистью. Однако, как и во всех способах нанесения покрытия данного типа, получаемое в результате покрытие довольно толстое. Часто эти покрытия не плотно прикрепляются к поверхностям электродов, и они имеют тенденцию растрескиваться и отшелушиваться от электродов. Более того, добавки в покрытие могут снизить проводимость электродов и подавлять процессы электронного обмена в свинцово-кислотной аккумуляторной батарее.

Для решения этих проблем впервые в Японии была разработана технология добавления углерода в состав отрицательного электрода. Это предает аккумуляторной батарее улучшенные зарядные и разрядные характеристики. Высокопроводящие углеродные частицы тесно связаны с активным материалом и создают улучшенную проводящую сеть, уменьшая внутреннее сопротивление, увеличивая плотность энергии и хорошую восстанавливаемость после разряда.

В природе углерод достаточно доступен. Углерод содержится в графитах (высококристалическая непористая форма углерода), сажах (аморфные углеродные материалы), полученные при разложении углеводородного сырья: нефти, природного газа, каменноугольной смолы, ацетилена. Даже обычный уголь содержит до 80% углерода. Поэтому в перспективе такие аккумуляторы будут дешевыми в производстве, менее токсичными и безвредными для окружающей среды и человека.

На рисунке показано совмещение свинцовой отрицательной пластины из ячейки обычного свинцово-кислотного аккумулятора с углеродным электродом.

В последующем конструкторы усовершенствовали технологию изготовления, применив добавки углерода и в состав положительных электродов, тем самым обеспечив высокую пористость, решив проблему активного разрушения материала и максимально сократив процесс сульфатации.

В тоже время надо отметить, что на положительном электроде также как и на отрицательном формируется сульфат свинца, но при этом на нем поддерживается высокая скорость заряда, в отличие от отрицательного.

Удельная емкость батарей на базе двойного углерода сравнима с литий-ионными аккумуляторами, однако в плане безопасности новые батареи значительно превосходят литиевые. Кроме того новые аккумуляторы гораздо дольше сохраняют рабочий ресурс и быстрее перезаряжаются, что и делает их отличной альтернативой сегодня.

Факторы срока службы батарей и способы его продления

Общеизвестно, что одним из определяющих факторов срока службы обычной свинцово-кислотной батареи является коррозия положительного электрода с последующим увеличением его объема. По мере того, как положительный электрод подвергается коррозии, возникающее расширение объема вызывает механические нагрузки на электрод, приводящие к его растрескиванию и разлому. Далее, на развившихся стадиях коррозии, может произойти внутреннее замыкание решетки и разрыв корпуса батареи.

Одним из способов потенциального продления срока службы в таких условиях является увеличение сопротивляемости коррозии электродов. Углеродное покрытие электродов снижает скорость коррозии электродов путем ограничения контакта между раствором электролита и металлом электрода. При этом электропроводность углерода позволяет осуществлять электронный обмен во время процессов разряда и заряда аккумуляторной батареи.

Таким образом, добавление углерода с состав электродов позволило добиться следующих результатов при эксплуатации свинцово-углеродных аккумуляторных батарей:

Сниженная сульфатация при частичном заряде;
Улучшенные разрядные характеристики;
Улучшенные показатели циклического использования;
Увеличенный срок службы в буферном режиме;
Увеличенный срок хранения без подзаряда;
Сокращение сроков ускоренного заряда;
Уменьшение тепловыделения при заряде.

Свинцово-углеродные аккумуляторы идут на замену обычным свинцово-кислотным аккумуляторным батареям с решающим преимуществом в возможности быстрого заряда без повреждений, работы в циклическом режиме с разрядами от 30% до 70% без риска сульфатации, а также отсутствии необходимости принудительного охлаждения.

Но есть и недостатки: быстрое падение напряжения при разряде, особенно при высоких нагрузках. Поэтому применение их как стартерных батарей не целесообразно. Также из-за электрохимических реакций наблюдается увеличение скорости выделения водорода, хотя сегодня в науке процесс выделения водорода на углероде пока не так хорошо изучен.

Наилучшие условия их работы – это равномерная отдача электроэнергии на всем этапе разряда, то есть применение на электротранспорте, инвалидных колясках, гольф-карах, складской и другой технике с использованием циклического режима работы. Но это не исключает возможность применения их в системах альтернативной энергетики, а также системах телекоммуникации и связи.

В перспективе планируется перейти на полностью углеродные электроды, что в корне изменит и название батареи. Она будет полностью углеродной. На самом деле идея полностью углеродной батареи не является новой и разрабатывается в Японии с 70-х годов прошлого века. Около 6-7 лет назад ученые университета Куйсю (Kyushu University) начали работу по нанотехнологиям и улучшению углеродного материала, что позволило значительно увеличить производственную мощность этих батарей.

Оставьте свои контактные данные, и наши специалисты свяжутся с вами, для консультации или оформления заказа

Источник

Особенности и преимущества карбоновых аккумуляторных батарей

Спрос на карбоновые аккумуляторные батареи активно возрастает, и на это есть справедливые причины. По сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами, они обладают уникальным составом пластин и способны гарантировать более длительный срок службы. Речь идёт и о количестве циклов зарядки-разрядки, и о работе в буферном режиме.

Карбоновые тяговые аккумуляторы уже не являются недоступной новинкой в Украине и впервые были представлены торговой маркой Luxeon. Сейчас в продаже есть 12-вольтовые моноблоки в трёх моделях: на 75 Ач, 100 Ач, 175 Ач и 200 Ач. Другие производители тоже активно работают над созданием аккумуляторов карбонового типа, поэтому ближайшее время ожидается увеличение предложения на украинском рынке.

Проблемы свинцово-кислотных АКБ

Почему же возникла необходимость в производстве новых типов аккумуляторных батарей? Все дело в потребностях потребителей, которым нужен более эффективный продукт для электрических приборов.

В аккумуляторных батареях нуждаются многие бытовые приборы и производственная техника. Когда речь касается резервного питания двигателей, гидравлических механизмов, регистраторов, серверных систем, то в таких ситуациях нет места компромиссу. Электронное оборудования постоянно нуждается в электроэнергии, чтобы обеспечить непрерывную и стабильную работу. Именно здесь возникает первая проблема: аккумуляторная батарея имеет много ограничений, что негативно сказывается на работе техники.

Удивляет тот факт, что инженеры сумели разработать сложные механизмы, уменьшить до минимума размеры деталей, усилить их взаимодействие, но аналогичного прогресса не произошло в АКБ. Эти устройства не меняли свой принцип работы, массу и размер более полувека. Получилось, что именно аккумуляторы стали слабым местом многого современного оборудования.

Помимо упомянутых проблем традиционных АКБ, стоит также отметить другие, не менее важные:

ограничение в количестве циклов зарядки-разрядки;
снижение эффективности при изменении климатических условий (особенно температуры);
вероятные проблемы с технической безопасностью при несоблюдении рекомендованных условий;
продолжительная перезарядка аккумуляторов после отдачи всей накопленной энергии.

И хотя карбоновые аккумуляторы не являются панацеей от всех перечисленных проблем, но с ограниченным ресурсом заряда-разряда они справляются на отлично.

Особенности карбоновых аккумуляторов

Иногда в контексте карбоновых АКБ встречается синоним графеновых аккумуляторов. Но на данный момент нет проверенной и подтверждённой информации об использовании графена в составе таких пластин. Все официальные источники используют только одно название для этой группы АКБ – карбоновые.

Важные преимущества карбоновых АКБ:

Медленное изнашивание деталей. В состав таких батарей входят углеродосодержащие составляющие, поэтому сульфатация (появление сернокислого свинца на поверхности пластин) наступает гораздо позже, чем у аналогичных по характеристикам AGM и гелевых батареях.
Продолжительная эксплуатация. В то время как стандартные батареи рассчитаны примерно на 500 циклов зарядки-разрядки (во временном эквиваленте 2-3 года), карбоновые модели могут проработать 8 лет без потерь (2000 циклов), и даже спустя 12 лет продолжают функционировать (с вероятными потерями 50% после 3000-го цикла). В буферном режиме такие АКБ готовы прослужить ещё больше – 20 лет. По факту, за это время стоимость карбоновой батареи успеет окупиться несколько раз.
Быстрая зарядка. Отличительная особенность карбона – способность быстрее заряжаться, чем аналоги. Такая характеристика особенно важна, если планируете установить АКБ в технику на электрической тяге.
Зарядка от повышенных токов. Такая батарея может зарядиться на 30% от повышенных токов. Важно, что подобная возможность никак не влияет на нагрев батареи, поэтому безопасность и надёжность оборудования гарантированы.
Безопасность. На основе описанных выше преимуществ, такие модели гарантируют стабильность и защиту выше, чем у обычных свинцово-кислотных АКБ.

Ограничения в работе АКБ карбонового типа

Справедливости ради стоит сказать о недостатке таких аккумуляторов. В сравнении с другими видами, они хуже держат заряд при высокой токоотдаче. В итоге специалисты не советуют задействовать такие АКБ в некоторых случаях, например для лебедок.

Дело вовсе не в том, что карбоновые аккумуляторы несовершенные. Наоборот, они разрабатывались конкретно как тяговые для равномерной отдачи электроэнергии на протяжении разрядки. Поэтому если вам нужна батарея для устройства, потребляющего большие токи, стоит отдать предпочтение гелевым или AGM моделям.

Когда стоит купить карбоновые аккумуляторы

Такие модели АКБ отлично зарекомендовали себя в системах альтернативной энергетики, а именно для установки в ветрогенераторы, солнечные панели и другое оборудование. Эти устройства обладают необходимыми характеристиками: быстрая зарядка, продолжительная работа, стабильное напряжение.

Специалисты рекомендуют использовать карбоновые аккумуляторы в качестве резервного питания для телекоммуникационной техники. За счёт продолжительного функционирования в буферном режиме эти АКБ идеальны для центров обработки данных, серверных шкафов и проч.

Благодаря хорошей мощности и производительности, карбоновые аккумуляторы используются для работы складской техники. Они не менее востребованы для установки в инвалидных колясках, карах для гольфа и аналогичном оборудовании.

Таким образом, карбоновые аккумуляторы компании Luxeon достойны внимание. Это фабричный Китай, который стоит недорого, но по качеству не уступает аналогичным моделям европейского производства. Выбирайте качественные АКБ карбонового типа и получите их множественные преимущества!

Источник