Аккумулятор – неотъемлемая часть автомобиля. АКБ необходима для запуска двигателя, для обеспечения энергией различных потребителей энергии. Пятьдесят лет тому назад основными потребителями энергии в автомобиле были осветительные приборы, радио и стеклоочистители. Но в настоящее время более сотни различных компонентов требуют для своей работы дополнительной энергии. Среди них климат-контроль, а также электростеклоподъемники, спутниковая навигация, системы безопасности, автоматические датчики, блоки управления, система Start-Stop и многое другое.
Самый простой свинцово-кислотный аккумулятор от своего изначального вида до современного состояния развивался вслед за тем, как усложнялась конструкция автомобиля, а также по мере того, как он «обрастал» новыми электрическими компонентами. Относительно недавно, несколько десятилетий тому назад, разработчикам удалось разработать метод соединения свинца с различными добавками с целью придать решетке различные свойства. Традиционно для производства АКБ применяют сплав свинца с сурьмой или с кальцием. В «гибридных» сплавах используются оба этих элемента, причем, изменяя долю этих добавок в сплаве, разработчикам удается достичь тех или иных свойств батареи. Традиционные решетки получают по технологии литья без применения давления (Gravity Cast). По этой технологии расплавленный свинец застывает в специальных формах.
В сплав для литья решетчатых пластин обычно добавляют от 6 до 12% сурьмы. Последствия использования такого материала заключаются в том, что гидролиз воды происходит уже при напряжении 12 В. Вода испаряется, а это негативно сказывается на уровне электролита и общем состоянии батареи. Снижение сурьмы до 1,5% за счет использования добавок позволяет повысить устойчивость к гидролизу (16 В и более). Кальциевая технология позволила добиться лучших свойств пластины: она и ее ячейки стали более ровными, менее подверженными коррозии и осыпанию. В кальциевых АКБ вода не выкипает при напряжении до 16 В. Кроме того, батареи, изготовленные с применением кальция, отличаются более низкой способностью к саморазряду (период саморазряда в три раза дольше, чем у АКБ с добавлением сурьмы).
В конце 90-х в сфере производства АКБ свое применение нашла технология «тянутого металла». Такой метод предусматривает деформационное повышение прочности сплава решетки, за счет чего удается получить равномерную и тонкую структуру решетки без рекреационных поверхностей для электролита. Как результат, повысилась стойкость АКБ к коррозии, появилась возможность использовать батарею без долива воды, что перевело аккумулятор в разряд необслуживаемых компонентов. Одновременно с этим удалось добиться существенного замедления саморазряда АКБ.
Главные недостатки этой технологии появлялись при полном разряде батареи: после нескольких глубоких разрядов такие АКБ теряли свои характеристики, а в первую очередь свою емкость.
Более прогрессивной технологией стало использование абсорбирующего микростекловолокна (Absorbent Glass Mat), пропитанного электролитом.
Если в традиционных батареях в качестве сепаратора используется обычный полиэтилен, то в случае АКБ с технологией AGM применяется сепаратор из стекловолокна, которое абсорбирует электролит и обеспечивает контакт с активным материалом пластины. За счет такого решения достигается эффективность разряда и заряда, а также высокая устойчивость АКБ к вибрациям и наклону, а кроме того, способность без необратимых последствий переносить глубокий разряд.
Аккумуляторы с технологией AGM являются в настоящее время одними из самых прогрессивных АКБ в массовом автопроме. Такая батарея во многих смыслах универсальна, ее можно использовать в том числе и на автомобилях с системой Stop&Start, а также с системой рекуперации энергии торможения.
Кроме того, на таких машинах может использоваться и АКБ с технологией EFB (Enhanced Flooded Battery), улучшенная батарея с жидким электролитом, толстыми пластинами в сепараторе из микроволокна.
Преимуществами такой технологии стали повышение зарядной емкости, устойчивость к наклонам, отсутствие потребности в доливе воды и проч. Для улучшения эффективности такой батареи используются уникальные свинцовые сплавы для пластин и специальные углеродные добавки.
Технология Premium Carbon Boost, разработанная компанией Exide, позволила улучшить прием заряда и ускорить зарядку в полтора раза по сравнению со стандартным аккумулятором. Неисправность батареи – это основная причина поломки автомобиля, и быстрая зарядка значительно снижает риск, помогая батарее дольше сохранять хороший уровень заряда. Во время разряда не проводящие ток частицы сульфата постепенно покрывают отрицательные пластины, изолируя их от электролита. А потому большое количество энергии, предназначенное для дозарядки АКБ, уходит на растворение сульфата, и это снижает эффективность зарядки. Углеродные добавки, содержащиеся в аккумуляторах с технологией Premium Carbon Boost, ускоряют растворение частиц сульфата и обеспечивают улучшенную проводимость.
Говоря о разработках в сфере аккумуляторов, нельзя обойти вниманием перспективную сферу их применения – электромобили. Глобальные тренды современного автомобилестроения – экологичность и экономичность. В разных странах рынок электромобилей, а также инфраструктура, необходимая для их эффективной эксплуатации, находятся на разных уровнях развития. Однако задачи первого плана решают здесь именно разработчики АКБ, ведь главные требования, предъявляемые к электромобилям, напрямую затрагивают их аккумуляторы. Требуются в первую очередь мощность, надежность, продолжительный срок эксплуатации АКБ.
В настоящее время разработчики занимаются усовершенствованием литий-ионной технологии. Так, например, в Bosch считают, что потенциал удельной энергоемкости такой АКБ может достигать 280 Вт-ч/кг (нынешний показатель – около 115 Вт-ч/кг). И для того, чтобы развивать возможности литий-ионной технологии, компании Bosch, GS Yuasa и Mitsubishi Corporation создали объединение Lithium Energy and Power, которое ставит своей целью создание литий-ионных аккумуляторов, мощность которых в два раза превышала бы современные АКБ. Одновременно с этим разработчики из исследовательского подразделения Bosch создают аккумуляторы с новой технологией, которые могли бы в будущем заменить литий-ионные АКБ. Перспективной считается серно-литиевая технология, способная обеспечить высокую удельную энергоемкость.
Использование никель-металлогидридных и литий-ионных батарей для электрификации автомобилей имеет свои ограничения. Для того чтобы обеспечить электромобилям большую эффективность и дальность автономного пробега, придется увеличить энергоемкость таких АКБ, а значит, их массу и размер. Это приведет к увеличению массы электромобиля, что негативно повлияет на его энергоэффективность.
В настоящее время разработчики изучают также и возможности литий-воздушных аккумуляторов. Ожидается, что в перспективе использование такой технологии позволит сделать электромобили такими же эффективными, как и автомобили с ДВС. Использование каталитического воздушного катода, по расчетам ученых, позволит существенно увеличить емкость АКБ, при этом сократить ее вес и размеры. Однако для внедрения технологии литий-воздушных аккумуляторов в массовое производство необходимо еще решить многие проблемы научного толка, а именно разработать эффективный катализатор, технологию его нанесения на поверхность катода, стабильно твердый электролит, который сохранит свои свойства и при низких температурах, а также найти наиболее оптимальный способ для предотвращения попадания кислорода на литиевый анод.
Решение таких задач – дело не одного года. Однако уже нынешние опытные образцы показывают, что использование литий-воздушных АКБ может обеспечить электромобиль запасом хода до 1000 км.
Посмотрите похожие материалы:
Новости отрасли
