Габариты – меньше, эффективность – выше

Сейчас в правдивость этой истории мало кто поверит – в наше время автомобиль меняют чаще, чем аккумулятор.

Современный автомобиль насыщен электроникой до предела. Вы обращали внимание, что вся она включается с поворотом ключа зажигания еще до запуска двигателя. Следовательно, энергия для нее берется не от генератора, а от обычного стартерного аккумулятора, и энергии требуется немало. Собственно, пуск двигателя – основная функция автомобильного СТАРТЕРНОГО аккумулятора. Другая задача АКБ – быть своеобразным буфером в системе электропитания автомобиля в условиях городской езды с частыми и длительными остановками, когда быстрая и полноценная зарядка аккумулятора невозможна. И, наконец, АКБ готова играть роль аварийного источника тока при неисправности генератора или в экстремальных условиях. Отсюда необходимость по требованию автомобилестроителей максимально увеличивать емкость батареи. Кажется, все просто – сделать аккумулятор побольше, емкость увеличится, и все будут довольны. Но вот незадача – те же автомобилестроители мешают сделать это. С каждым годом места для аккумулятора под капотом они оставляют все меньше – его отвоевывает та же электроника, системы питания двигателя, кондиционеры.

Выход – в разработке новых технологий и выпуске на их основе аккумуляторов, обладающих большей емкостью при меньших размерах.

Самыми массовым и недорогим химическим источником тока являются свинцовые стартерные аккумуляторы. Современный свинцовый стартерный аккумулятор сделан по технологии AGM (Absorber Glass Mat), когда электролит адсорбирован в стекловолокне. Активными веществами свинцового аккумулятора, принимающими участие в токообразующих реакциях, являются двуокись свинца PbO₂ темно-коричневого цвета на положительном электроде, губчатый свинец Pb серого цвета на отрицательном электроде и собственно  электролит (водный раствор серной кислоты H₂SO₄).

Кроме них, сейчас по технологии GEL выпускаются герметизированные автомобильные аккумуляторы с гелеобразным электролитом, которые обеспечивают работоспособность в любом пространственном положении и применяются в системах резервного и аварийного энергоснабжения, бытовой технике и т.п. В качестве загустителя для создания гелеобразного электролита применяют силикагель,  алюмогель  и другие вещества. При смачивании серной кислотой эти вещества образуют так называемый тиксотропный гель. В качестве сепараторов в подавляющем большинстве герметизированных аккумуляторов используют стекломаты из ультратонких волокон. Благодаря этому их применяют не только для батарей с гелеобразным электролитом, но и для аккумуляторов с адсорбированным жидким электролитом.

В последнем случае технология производства немного дешевле, но емкостные показатели таких батарей хуже, чем у автомобильных аккумуляторов с гелеобразным электролитом. Это обусловлено еще большим снижением количества электролита в аккумуляторе.

Каждый аккумулятор состоит из разделенных разноименных электродов, погруженных в раствор электролита и помещенных в прочный корпус, устойчивый к его химическому воздействию, механическим нагрузкам и температурным колебаниям. Раньше для изготовления корпуса аккумуляторов применялся эбонит, механическая прочность которого была крайне низкой. Поэтому стенки эбонитовых блоков имеют толщину 6–8 мм для аккумуляторных батарей емкостью до 90 Ач и 9–12 мм при емкости более 100 Ач. При переходе от применения эбонита для производства корпусов на комбинацию сополимера полипропилена с этиленом удалось вдвое уменьшить толщину стенок и значительно снизить массу корпусных деталей без ухудшения их надежности.

Несмотря на применение массы новых технологий, традиционные автомобильные аккумуляторы имеют хронические недостатки, связанные с тем, что сурьма, содержащаяся в сплаве положительных токоотводов, по мере их коррозии постепенно переходит через раствор на поверхность отрицательного электрода. Накопление большого количества сурьмы на поверхности отрицательной активной массы понижает напряжение начала газовыделения. Вследствие этого в конце зарядного процесса происходит все более бурное газовыделение, напоминающее кипение электролита. Это ведет к потере воды из-за ее электролитического разложения и испарения вместе с образующимися газами. Сократить их позволяет применение так называемых малосурьмянистых сплавов, ставших базой для создания автомобильных стартерных аккумуляторов нового типа. За последние десятилетия произошли стремительное развитие технологии и совершенствование оборудования для аккумуляторного производства. В итоге на рынке появилось несколько видов так называемых необслуживаемых автомобильных аккумуляторов, которые правильнее было бы называть малообслуживаемыми. Их особенностью является использование для производства токоотводов сплавов с пониженным содержанием сурьмы или совсем без нее.

Первые необслуживаемые аккумуляторы начали выпускать в США в конце семидесятых годов прошлого столетия. Для токоотводов и положительного, и отрицательного электродов применялся свинцово-кальциевый сплав с содержанием кальция 0,07–0,1% и олова 0,1–0,12%, остальное – свинец. Это позволило достигнуть значительного снижения газовыделения, которое обеспечивало эксплуатацию аккумуляторов без доливки воды в течение двух и более лет, саморазряд при этом замедляется более чем в шесть раз. Но после двух-трех глубоких разрядов такие аккумуляторы теряют 40–50% емкости и их стартерные характеристики также значительно снижаются. Поэтому такие аккумуляторы не нашли широкого распространения в Европе и России.

Почти одновременно со свинцово-кальциевой технологией производства аккумуляторных батарей необслуживаемого исполнения в США появилась технология гибридных аккумуляторов – система «кальций плюс» с содержанием до 1,5–1,8% сурьмы и 1,4–1,6% кадмия в положительном токоотводе и отрицательным свинцово-кальциевым токоотводом. В начале восьмидесятых годов производство необслуживаемых аккумуляторов стало стремительно развиваться и в странах Европы. Здесь пошли по пути использования сплавов с пониженным до 2,5–3,0% содержанием сурьмы. У таких аккумуляторов расход воды и саморазряд были в 2–3 раза выше, чем у батарей с кальциевыми токоотводами, хотя и значительно ниже, чем у батарей традиционного исполнения. Они могли работать без доливки воды не менее года.

Затем настала очередь гибридных аккумуляторных батарей с положительными токоотводами, изготовленными из малосурьмяного сплава (не более 2%) с добавлением мышьяка, олова, меди, селена и т.п. в различных сочетаниях и соотношениях. Отрицательные токоотводы по-прежнему изготавливались из свинцово-кальциевого сплава. Их характеристики по расходу воды и саморазряду, как и у американских гибридных аккумуляторов, не такие хорошие, как у свинцово-кальциевых, но все же существенно лучше, чем у батарей по технологии малосурьмяных сплавов.

В конце 90-х годов в США и Западной Европе началось производство аккумуляторов с токоотводами из свинцово-кальциевого сплава с многокомпонентными добавками, в том числе и серебра, которые при глубоких разрядах теряют емкость гораздо медленнее, чем первое поколение аккумуляторных батарей по свинцово-кальциевой технологии. Расход воды у них так мал, что конструкторы убрали с крышек отверстия для доливки воды и сделали аккумуляторные батареи полностью необслуживаемыми и исключающими доступ к электролиту при их эксплуатации. Такое кардинальное изменение конструкции стало возможным благодаря общим усилиям производителей аккумуляторов и автомобильного электрооборудования. Ведь для максимального использования ресурса полностью необслуживаемой аккумуляторной батареи без отверстий для доливки воды необходимо обеспечить стабильное зарядное напряжение, обеспечивающее минимальное разложение воды при заряде аккумуляторов, которое обеспечивает электронный контроль. Одновременно степень заряженности аккумуляторной батареи должна быть достаточной для безотказной работы всего электрооборудования. Современные системы регулирования зарядного напряжения обеспечивают его стабильность с точностью ± 0,1 В.

Но владельцы автомобилей, решившие использовать необслуживаемые аккумуляторы с «глухими» крышками, должны более внимательно относиться к обеспечению исправной работы электрооборудования. Прежде всего, это касается стабильного натяжения ремня привода генератора, исправности самого генератора, регулятора напряжения, отсутствия утечек тока в системе электрооборудования или сигнализации и ряда других факторов.

Автомобильные аккумуляторы, у которых отсутствуют отверстия для доливки воды, а атмосферная связь внутренней полости с окружающей средой осуществляется лишь через небольшие вентиляционные отверстия на торцах крышки, как правило, имеют индикаторы уровня заряда. Это шарик-поплавок зеленого цвета, расположенный над пластинами, который всплывает, когда электролит при заряде достигает определенной плотности. Величина, при которой индикатор начинает давать информацию о работоспособности аккумуляторной батареи в пусковом режиме, равна 62–64% от номинального значения и соответствует минимальной степени заряженности. Но, как оказалось, информативность индикатора весьма условна. Последующее увеличение плотности электролита до 100% заряда не меняет показания индикатора, что является его явным недостатком. В случаях понижения уровня электролита до оголения пластин информация индикатора о состоянии заряженности батареи прекращается. При работающем индикаторе его информация относится только к одной из шести банок аккумуляторной батареи. В тех случаях, когда появляется дефект в банке, где нет индикатора, информация индикатора становится бесполезной, не отражающей общее состояние аккумуляторной батареи. Таким образом, использование индикатора дает полезную информацию о состоянии батареи, не имеющей производственных дефектов. Справедливости ради надо заметить, что большинство автолюбителей редко пользуются этим индикатором.

Вообще, современные автомобильные стартерные аккумуляторы освободили автомобилистов от необходимости бегать по гаражам и квартирам с банками и склянками, ареометрами и нагрузочными вилками. При этом разработчикам АКБ удалось совместить несовместимые требования автомобилестроителей: увеличить емкость и пусковые токи при одновременном уменьшении габаритов и веса аккумуляторов.