Аккумуляторные батареи высоких технологий (Технологии GEL и AGM)

Аккумуляторы такого типа носят название VRLA — Valve Regulated Lead Acid (клапанно-регулируемые свинцово-кислотные).
Свое название они получили потому, что батарея находится в герметичном корпусе, оснащенном регулирующим клапаном для выпуска избыточного газа,

по преимуществу водорода, чтобы давление внутри аккумулятора не превышало величины, которая является допустимой по условиям работоспособности и прочности корпусных деталей аккумулятора. В случае неправильной или излишней подзарядки предохранительный клапан реагирует на повышение внутреннего давления и выпускает излишки газа, открываясь и закрываясь автоматически.

Основной задачей при создании необслуживаемой аккумуляторной батареи является снижение уровня выделения газов на конечной стадии заряда. Это достигается уменьшением емкости положительных электродов и сокращением объема электролита в АКБ. Однако, полностью подавить процесс выделения газов на завершающей стадии заряда невозможно, поэтому батареи оснащаются различными системами рекомбинации газов, суть которых состоит в том, что образующиеся газы водород и кислород не успевают покинуть аккумулятор до того, как они снова превратятся в воду.
Поэтому правильно свинцовые аккумуляторные батареи со связанным электролитом называть герметизированными, но не герметичными, как, например, никель-кадмиевые герметичные аккумуляторы. Чрезвычайно малое газовыделение при зарядке делает VRLA аккумуляторы изначально более безопасными, нежели батареи с жидким электролитом традиционного типа.

Однако, искусственное ограничение емкости положительных электродов и объема электролита ведут к тому, что емкость герметизированных свинцовых аккумуляторов с иммобилизованным электролитом обычно на 15-20 % меньше, чем батарей со свободным электролитом такого же объема и массы.

Для производства герметизированных батарей разработаны способы связывания жидкого электролита:

создание загущенного (гелеобразного) электролита;
адсорбция жидкого электролита в сепараторах с высокой объемной пористостью.

Гелевые герметизированные батареи (GEL).
Технология производства гелевых батарей получила название GEL. В них вместо жидкого электролита используется гелеобразный электролит. В качестве загустителя электролита применяют силикагель (двуокись кремния SiO2), аллюмогель и другие вещества. При смачивании серной кислотой эти вещества образуют тиксотропный гель.

Гелевые аккумуляторы имеют несколько худшие нагрузочные характеристики по сравнению с классическими АКБ: большие токи с них снять сложнее из-за более высокого внутреннего сопротивления. АКБ с жидким электролитом лучше работают при высоких токах нагрузки на коротких режимах. Однако в гелеобразразном электролите газы успевают возвращаться в электролит и, таким образом, решается задача необслуживаемости.
Для подзаряда GEL батарей необходимо использовать зарядные устройства, обеспечивающие нестабильность напряжения заряда не более ±1 %.
Так как в случае превышения величины зарядного напряжения, рекомендованной производителем, на 0,05В, механизм рекомбинации не успевает работать, увеличивается температура внутри аккумулятора, скорость газовыделения увеличивается, что ведет к нарушению контакта активной массы электродов с электролитом, потере воды, высыханию аккумулятора, в результате чего батарея утрачивает работоспособность.

Гелевые аккумуляторные батареи также критичны к температуре окружающей среды и разряду батареи большими, чем возможно, токами.

В нормальных условиях эксплуатации гелевые батареи в течение всего срока службы не нуждаются в обслуживании, их нельзя вскрывать. Но при их нарушении происходит быстрое старение батареи.

Аккумуляторные батареи с абсорбированным электролитом (AGM).
AGM (Absorbent in Glass Mat technology) технология — это технология, при которой жидкий электролит абсорбирован в пористых сепараторах из стекловолокна, размещенных между электродами.

Процесс рекомбинации газов обеспечивают специальные сепараторы AGM (Absorbent Glass Mat). Материалом для изготовления AGM служат стекломаты из ультратонких волокон в комбинации с бумажными волокнами. Такой сепаратор представляет собой пористую систему, которая, как губка, впитывает и удерживает в себе электролит благодаря действию капиллярных сил. При этом он обеспечивает доступ электролита к электродам. Пористость такого материала составляет более 90%, что позволяет молекулам газа беспрепятственно перемещаться между пластинами. Количество электролита дозируется так, чтобы мелкие поры были заполнены, а крупные оставались свободными для свободной циркуляции выделяющихся газов.

Сепаратор AGM, обёртывающий пластины или выполненный в виде конверта, обладает повышенной упругостью и эластичностью. Поэтому при сборке блока электродов сепараторы и пластины тесно прижаты друг к другу, что обеспечивает удержание активной массы в ячейках токоотводов и исключает риск короткого замыкания вследствие разбухания электродов и скопления осадка на дне ячеек и обеспечивает в то же время взаимодействие активного материала с электролитом. Пористая структура сепаратора оказывает минимальное сопротивление потоку электролита при заполнении.

Повышенная плотность сборки блока, увеличение площади активной поверхности пластин и удержание активной массы на пластинах обеспечивают пониженное внутреннее сопротивление батарей герметизированного типа и определяют основные преимущества AGM батарей:

Устойчивость к глубоким разрядам;
Высокая скорость заряда;
Допуск заряда в быстром режиме;
Долговечность за счет лучшего удержания активной массы на пластинах;
Способность отдавать электрический ток большой силы за короткий промежуток времени ;
Практически полная герметичность позволяет размещать аккумуляторы AGM-типа в любом положении и повышает безопасность эксплуатации транспортных средств;
Повышают емкость AGM батарей по сравнению с гелевыми батареями такого же объема и массы. В батареях AGM еще больше снижено газообразование по сравнению с гелевыми, и меньшее влияние на их работу оказывает температура окружающей среды.

Положительные и отрицательные электроды герметизированных батарей изготавливаются из сплавов свинца с кальцием и оловом, что позволяет уменьшить разбухание и коррозию решеток. Активный материал изготавливается из особо чистого свинца (99.9999%) для устранения негативного влияния загрязнений, которые могут явиться причиной коррозии электродов и повышенного саморазряда батареи. AGM и GEL аккумуляторные батареи обладают низким саморазрядом в нормальных условиях- менее 0,1%, после 4-х месяцев хранения остаточная емкость их составляет не менее 75%.

Как и для гелевых аккумуляторных батарей, для AGM требуются зарядные устройства, обеспечивающие нестабильность напряжения заряда не более ±1 %. Максимальная величина зарядного напряжения для GEL и AGM автомобильных аккумуляторных батарей указывается производителем (ориентировочно для гелеобразных 14,35В, а для адсорбированных 14,4 — 15В).

GEL и AGM аккумуляторные батареи не нуждаются в обслуживании во время всего срока эксплуатации, за исключением правильного выбора зарядного устройства и контроля за состоянием и работой генератора.

Технология производства батарей с адсорбированным жидким электролитом немного дешевле, чем с гелеобразным электролитом. Но батареи AGM еще больше чувствительны к соблюдению режимов заряда и эксплуатации, так как в них еще больше снижено количество электролита.

Таким образом, только весьма жесткие ограничения величины зарядного напряжения и гораздо более высокая стоимость герметизированных автомобильных аккумуляторных батарей, в сравнении с необслуживаемыми батареями традиционного типа, определенные трудности для их широкого использования на автомобилях.

Конструкция герметизированных батарей различных фирм, их выпускающих, может иметь свои особенности, например, особую конструкцию сепараторов или решеток или применение специфических добавок при изготовлении пластин. Часто при обозначении типа аккумуляторной батареи указывают ее маркировку, которая определяется конструкцией положительных пластин. Большинство типов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, в том числе и герметизированных, имеют элементы призматической формы. Хотя некоторые типы батарей VRLA производятся на основе цилиндрических элементов, которые обладают еще лучшими характеристиками. Они обеспечивают более высокую стабильность работы элементов, больший ток разряда, большую емкость в малом объеме, лучшую температурную стабильность по сравнению с батареями, собранными из призматических элементов.