VRLA акумулаторни батерии

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2009

Характеристики на гелови клапанно-регулирани оловно-киселинни батерии


 Съвременните оловно-киселинни акумулаторни батерии (АБ) използват за активна маса на положителния електрод оловен двуокис, а за отрицателния – чисто олово. В качеството на електролит се използва воден разтвор на акумулаторна сярна киселина. При разряд активната маса се преобразува в оловен сулфат. При заряд се наблюдава обратният процес. Производителите отдавна легират решетките на електродите, задържащи активната маса с 5,0 - 6,5 % антимон и 0,1-0,2 % арсен. Добавките подобряват експлоатационните параметри, но повишават разхода на вода и ЕДН на АБ. Предлагат се и батерии с понижено съдържание на антимон до 2,5% и по-малко, които са с повишаван ресурс. Разработени са и модели, при които атимонът на отрицателните електроди е заменен с калций. По този начин се понижава разходът на вода, а след легиране с калций и на положителните електроди, практически АБ не се нуждаят от доливане на вода през целия им експлоатационен срок. Последващото развитие бе в посока легиране на положителните електроди със сребро. В момента се работи върху развитието на никел-кадмиеви (Ni-Cd), никел-водородни (NiH), никел-метал-хидридни (NiMH) и литиеви акумулаторни батерии.

През последните години все по-широко се използват т.нар. VRLA (Absorptive Glass Mat), или
клапанно-регулирани оловно-кисели батери
Те използват две технологии - SLA и, по-новата технология - AGM. Характерно за тях е, че отделеният кислород на положителните електроди и водород на отрицателните електроди влизат в реакция. Резултатът е образуване на вода. Такива АБ са оловно-киселинни или SLA. Коректно е да се наричат херметизирани, а не херметични заради наличието на клапан. Той предотвратява увеличаване на налягането над определената стойност, възпрепятства навлизането на кислород, който разрушава отрицателните електроди. При клапанно-регулираните оловно–киселинни капсуловани батерии VRLA – SSB или GEL, клапанът се отваря автоматично при достигане на 100 - 200 mbar в херметизирания корпус.
Съществуват различни видове акумулаторни батерии, базирани на VRLA технология:
l никел-металхидридни (NiMH);
l никел-кадмиеви (NiCd);
l оловно-киселинни (SLA, VRLA, SLI, MVR);
l литиево-йонни (Li-Ion);
l литиево-полимерни;
l алкални и др.

Причини за взривяване на батериите
Причина за взривяването на батериите е ефектът на интензивно газоотделяне в случай на презареждане. Нарича се „електролитно разлагане на водата”, но сред автомобилните специалисти е познато като „кипнал акумулатор”. Газовете постепенно се събират под капака на АБ, като повишават вътрешното налягане. Концентрацията им е толкова голяма, че е необходима незначителна искра, за да се взриви АБ.
Нека разгледаме една типична оловно-киселинна АБ, която е заредена и след това е включена на подзаряд. От електролизата - водата в електролита се разлага на кислород и водород. Естествено, сместа от водород (с концентрация около 4%) и въздух е добре да се следи, защото е взривоопасна. По тази причина във VRLA батериите се изисква водородът да не достига концентрации, които са по-високи от 2%. Клапанът, с който са оборудвани те, включва кислорода в рекомбинация и минимизира водорода. В резултат АБ има ниво на рекомбинация 95 - 99%, което означава, че водородът е сведен до минимум. Независимо от типа, всяка оловно-киселинна АБ отделя газообразен водород при презареждане. Ако се презарежда с ниско напрежение, следователно и с нисък ток, капачките, изпълняващи ролята и на отдушници на всяка клетка, успяват да разсеят газа в околната среда. В случаи на неефективна вентилация или неизправна АБ е възможно да се стигне до опасна концентрация на водород и кислород в нея. Това е и причината при опериране с АБ, да се използват лични предпазни средства.

Предимства на оловно-киселинните батерии
l сравнително ниска производствена и експлоатационна цена;
l надеждна и проверена в практиката технология на обслужване и производство;
l малък саморазряд – най-нисък в сравнение с други типове АБ;
l елементарно обслужване;
l допустими високи токове на разряд.

Недостатъци на оловно-киселинните АБ
l не допускат съхранение в разредено състояние;
l отличават се с ниска енергетична плътност – значителното тегло ограничава приложението им в стационарни и подвижни обекти;
l ограничен брой цикли до пълен разряд;
l киселинният електролит и оловото оказват вредно въздействие върху околната среда;
l при неправилен заряд е възможно прегряване.
l при ниски температури съществено се понижава капацитетът им.

Гелови акумулаторни (SLA) батерии
Гел е латинска дума (gelu), която означава студ и лед. На практика означава колоидна система, в която порестата мрежа с взаимно свързани наночастици са разпределени в течна среда. Гелът представлява композиция, наподобяваща повече твърдо тяло. Характерно за материала е явление, при което той изгубва свойствата си на гел под действието на вибрации, както и обратното явление, при което ги възстановява при покой. Гелообразният електролит се получава, като в течния разтвор на акумулаторна сярна киселина се добави сгъстител, например силициев двуокис (SiO2) или друг реагент.
SLA представляват клапанно регулирани оловно-киселини АБ с гелов електролит. Те са необслужваеми, защото молекулите на водорода и кислорода се съединяват в порите, образуващи гел-електролита, в резултат на което се образува вода.
Геловите клапанно-регулирани оловно кисели АБ са много по-различни от класическите оловно-киселинни батерии. Те използват по-малко електролит (акумулаторна сярна киселина). Характерно за тях е, че кислородът - отделен на положителния полюс, и водородът - отделен на отрицателния, подпомогнати от високото налягане и катализатор, се свързват отново. Резултатът е образуването на вода. Ролята на клапана, както вече бе подчертано, е да защитава батерията от свръхналягане.

Използват се широко в UPS
Технологията дава възможност за получаване на много висок коефициент на мощност. Използването им във вертикално положение не е задължително. Електролитът, във форма на гел, фактически не се изпарява. Това е и причината те да се използваш широко в непрекъсваеми токозахранващи системи. Първоначално са били използвани в космически кораби, подводници и в авиацията.
Този вид АБ изискват постоянна температура (около +25 °С) и стабилно напрежение на заряд. Свободните от вода пори в гела се използват за рекомбинация на намиращите се вътре в батерията газове. При тях отсъства ефект на „утаяване”, изразяващ се в увеличаване плътността на електролита в основата на съда. Този ефект е толкова по-силно изразен, колкото е по-висока АБ.
Електролитът във вид на гел се образува, като се добави ситно смлян силициев двуокис в сярна киселина. Той осигурява
пълна херметичност на АБ така че газоотделянето се извършва в порите на гела. Тези батерии се отличават с много голяма устойчивост на дълбок разряд и дълъг експлоатационен живот (повече от 20 г.). Както вече бе посочено, могат да се съхраняват във всяко пространствено положение. Въпреки добрите си качества, те не се използват масово в автомобилите. Причина са високите изискванията към електрооборудването и рязкото падане на пусковия ток при стартиране на двигателя в студено време.
Конструкторите работят в посока отстраняване на честите вътрешните къси съединения. Тези акумулаторни батерии се зареждат първоначално с асиметричен променлив ток (съотношение 1 към 10), а към края на заряда се преминава на изцяло постоянен ток, с малка стойност, и напрежение 2.26 V. Методът позволява повишаване на капацитета им. Задължително е използването на специално зарядно устройство, защото е много важно поддържането на определено съотношение между положителната и отрицателната полувълна по време на заряд, както и точният момент за преминаване към постоянен ток на зареждане. Устройствата за зареждане задължително следва да имат устройство за токоограничение.

Кога гелът се превръща в електролит?
Както всяко техническо решение и геловите VRLA батерии имат недостатъци. В някои модели - след известно време на експлоатация, се наблюдава превръщане на гела в обикновен електролит. Причините могат да бъдат различни. Например, ако напрежението на заряд е по-високо от номиналното, гелът се разрушава. Освен това, ако са подложени на вибрации, гелът също се разрушава и утаява. В случай че действието на вибрациите е за кратко време и те не надминават определено ниво, електролитът отново се превръща в гел.
Геловите VRLA батерии могат да дадат огромен ток, но обикновено само при температури над +20 °С. При работа в среда с ниска температура характеристиките им се понижават значително. За да се постигнат добри характеристики, геловите АБ трябва да се експлоатират съобразно предписанията на производителя – гранично напрежение, не по-високо от 2,30 V на клетка, и температура на околната среда, не по-ниска от +5 °С.

История на оловно-киселите акумулатори
Първият оловно-кисел акумулатор е изобретен през 1859 г. Негов създател е френският учен Гастон Планте. Конструкцията представлявала електроди от листово олово, разделени със сепаратор от платно, завити на спирала, и потопени в съд с 10% разтвор на сярна киселина. Основен недостатък на първите АБ бил ниският им капацитет. Последващото усъвършенстване на конструкцията на акумулаторните батерии включва по-ефективно използване на площта на електродите и сепараторите. През 1880 г., К. Фор предложил електродите да се покрият с оловен окис. Следващата - 1881 г., Е. Фолкмар разработил конструкция, при която решетъчен електрод бил обмазан със специална паста. В същата година е издаден патент за технология, включваща изработване на решетъчен електрод от олово и антимон.
Едва в 1900 г. започва промишленото производство на стартерни АБ. През 70-те години на миналия век са създадени първите необслужваеми оловно-киселинни АБ, способни да работят във всякакво пространствено положение. Течният електролит е заменен с гел или е абсорбиран изцяло от стъклена тъкан.

Уважаеми читатели, очакваме вашите коментари и допълнения. Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top