Какой металл используют в аккумуляторах
Обновлено: 17.06.2024
Так выглядит литийсодержащая руда
Литий — один из критически важных элементов для всей нашей цивилизации. Конечно, когда мы говорим о литии, на ум сразу приходят Li-ion батареи. И действительно, львиная доля добываемого лития уходит на нужды производителей аккумуляторов. Тем не менее, он используется и в других сферах.
Например, в металлургии, как черной, так и цветной, — металл применяется для раскисления и повышения пластичности и прочности сплавов. Также с его помощью производят стекла, которые частично пропускают ультрафиолет, он применяется в керамике. И это если не говорить о ядерной энергетике и атомной технике — его используют для получения трития. Короче, литий в буквальном смысле нарасхват. Под катом — поговорим об аккумуляторах, Tesla, способах добычи лития и его дефиците.
Но главное, конечно, батареи
Да, сейчас большая часть добываемого в мире лития уходит на производство литиевых аккумуляторов. По расчетам, на производство одной батареи для Tesla Model S требуется 63 кг этого металла с 99,5% чистоты.
Теперь давайте подумаем, что будет, если все, абсолютно все автомобили внезапно станут электрическими, с литиевыми батареями. По данным на 2016 год автомобилей в мире было 1,3 млрд. Сейчас, наверное, еще больше, но окей, воспользуемся этими данными четырехлетней давности.
Пусть не все новоявленные электрокары имеют настолько же вместительную батарею, как Tesla, уменьшим вес лития, необходимого для производства, на треть. Получается, что на одну такую батарею необходимо 44,1 кг чистейшего лития. Для наших 1,3 млрд автомобилей нужно 57,33 млрд кг лития. Неплохо, это 57,33 млн тонн лития, и только для нужд автомобильной промышленности.
К 2023 году массовое производство электромобилей стартует на предприятиях Mercedes, BMW, Toyota, Ford, Audi, Porsche, Volvo, Huyndai, Honda. По подсчетам экспертов, эти компании будут производить около 15 млн электрокаров ежегодно, на что потребуется около 100 000 тонн лития в год.
Но ведь не электромобилями едиными. У нас же в ходу миллиарды экземпляров разной техники с аккумуляторами — смартфонов, ноутбуков, планшетов и т.п. Они маленькие, да, но и для них понадобится много лития. Правда, гораздо меньше, чем для батарей электромобилей — на производство батарей для мобильных устройств уходит несколько процентов общемирового производства лития. В 2017 году Apple использовала всего 0,58% общемировых объемов добычи этого металла.
Но есть и другие батареи. Та же Tesla разрабатывает и реализует огромные аккумуляторные системы, которые служат для нивелирования скачков потребления энергии в пиковые часы. В крупном аккумуляторе содержится не менее тонны лития. Пока что производство таких систем не слишком масштабное, но через время все может измениться.
В целом, общемировое потребление лития к 2025 году составит не менее 200 000 тонн этого металла.
А как его добывают и хранят?
Литий — очень активный химически металл, поэтому его добыча ведется несколько отличными от добычи большинства прочих, обычных металлов способами. Есть два способа выделить Li.
Первый — из пегматитовых минералов, которые состоят из кварца, полевого шпата, слюды и других кристаллов. Ранее это был основной источник лития в мире. В Австралии, например, его добывают из сподумена, руды лития, минерала, который относится к пироксенам.
Второй — из глин солончаков. Такие есть в Южной Америке и той же Неваде, о которой говорилось выше. Насыщенные литием рассолы можно «обогащать» при помощи испарителя на солнечной энергии. Затем, после достижения нужной концентрации гидроксида лития, его осаждают, добавляя карбонат натрия и гидроксид кальция. Этот процесс не очень дорогой, но занимает продолжительное время — от 18 до 24 месяцев. Именно такой способ планирует использовать Маск.
У второго способа есть проблемы: при получении лития таким способом литий получает примеси — железо или магний (от магния сложнее всего избавиться). Тем не менее, на солончаковых землях много лития, и это делает второй способ очень привлекательным — от примесей все же можно избавиться.
К слову, солончаки как раз не входят в списки разведанных месторождений, поскольку добыча лития выпариванием солевых растворов — новый метод, который ранее не применялся. Так что вполне может быть, что запасов лития на Земле гораздо больше, чем считается.
Очень много лития в солончаковой пустыне Салар-де-Уюни на юго-западе Боливии. Под твердой коркой находится жидкий рассол с концентрацией лития в 0,3%.
Есть и другие способы, но все они чисто лабораторные. Например, пару лет назад на Хабре публиковалась новость о том, что литий можно добывать из рассолов при помощи металл-органических каркасных мембран.
Они копируют механизм фильтрации — ионную селективность — мембран биологических клеток в живых организмах. Кроме лития, этот способ дает и пресную воду, тоже ценный продукт. Но, к сожалению, ни стоимость, ни возможность масштабирования этого способа не освещены учеными. Да и спустя два года о коммерциализации метода так ничего и не слышно.
Еще литий можно добывать… из литиевых батарей. То есть перерабатывать батареи, получая снова металлический литий и другие необходимые для создания аккумуляторов материалы. Но пока что переработка батарей ведется в малых объемах. Это достаточно сложный и дорогой процесс, так что в ближайшее время вряд ли мы услышим о строительстве крупных заводов по переработке батарей. Да, ученые работают над этим, но все это пока что лишь исследования.
Сколько всего лития на Земле?
Да не так уж и много. Вернее, того, что разведали, относительно немного. В 2019 году глобальные подтвержденные запасы этого металла оценивались в 17 млн тонн. В России — около 900 000 тонн. Если взять потенциально «плодородные» месторождения, то получится около 62 млн тонн. Возможно, геологи разведают новые месторождения, но в любом случае лития на Земле мало.
Два года назад добыто было около 36 000 тонн. При этом 40% металла идет на аккумуляторы, 26% —на производство керамических изделий и стекла, 13% — выпуск смазочных материалов, 7% —металлургию, 4% — системы кондиционирования, 3% — медицина и полимеры.
Основные поставки лития ведутся из Австралии (18,3 тыс. тонн в год), затем Чили (14,1 тыс. тонн в год) и Аргентина (5,5 тыс. тонн в год). В ближайшее время поставщики лития планируют увеличить объемы его добычи и поставки на мировой рынок.
Кстати, компания Tesla, один из крупнейших потребителей лития, получила право на самостоятельную добычу металла в штате Невада, США. Илон Маск заявил, что его компания получила доступ примерно к 10 тыс. акров богатых литием залежей глины в Неваде.
Литий для всех, и пусть никто не уйдет обиженным?
Речь о недалеком будущем, когда понадобится производить гораздо больше литиевых батарей, чем сейчас. Насколько ученые могут судить, на ближайшие несколько лет этого металла хватит всем.
С течением времени компании найдут способ снизить количество лития в батареях — уже сейчас ведутся исследования на эту тему. Скорее всего, добыча лития из рассолов тоже станет наращивать обороты, так что общие объемы металла возрастут, и весьма значительно.
Но что будет через 10-20-30 лет? Сложно сказать. Возможно, «выстрелит» новая технология производства аккумуляторов, предложенная учеными или корпорациями. А может быть, специалисты смогут изменить конструкцию текущих аккумуляторов, значительно сократив количество лития, необходимое для производства одной батареи.
В целом, пока что пути решения проблемы дефицита лития есть, и их немало. Давайте вспомним об этом вопросе лет через 5 и обсудим изменения здесь же, на Хабре. Хотелось бы надеяться, к тому времени не начнутся «литиевые войны», ведь этот металл уже называют «новой нефтью».
Какие сплавы используются в аккумуляторах
Наиболее распространенный тип батарей, которые используются в современных автомобилях, — это свинцово-кислотный аккумулятор. Он назван так, потому что имеет в своем составе решетки, изготовленные из свинцовых сплавов. Свинцово-кислотная батарея получила широкое распространение, поскольку обладает весьма большим ресурсом работы и достаточно высокой удельной мощностью.
Свойства сплавов
Свойства сплава, из которого сделаны токоотводы АКБ, напрямую влияют на характеристики работы самого аккумулятора. Одно из главных требований, которые разработчики аккумуляторов предъявляют к сплаву, заключается в том, что он должен быть достаточно твердым и устойчивым к любым нагрузкам, которым АКБ подвергается в процессе работы. Очевидно, что сплав также должен хорошо проводить электрический ток и обладать рядом свойств, позволяющих без нарушения производственной технологии использовать его в процессе литья.
Существуют определенные требования и к коррозионной устойчивости. Это в особенности актуально для положительных токоотводов, так как именно они подвергаются увеличенным нагрузкам при работе аккумулятора. Под воздействием нагрузок положительная решетка способна не только деформироваться, но и покрыться слоем оксида свинца, который препятствует эффективному прохождению тока.
Посторонние и нежелательные примеси в свинцовом сплаве в целом ухудшают его характеристики и негативно влияют на работу АКБ. Происходит это из-за того, что в процессе коррозии положительной решетки эти примеси становятся частью активной массы и способствуют усилению процесса газообразования, а также стимулируют потерю воды.
Типы сплавов для АКБ
Однако добавки в сплавах, из которых производятся решетки для АКБ, конечно же, есть. Долгое время для производства решеток использовался свинцово-сурьмянистый сплав. Такие токоотводы можно найти в обслуживаемых АКБ. Применение сурьмы позволило сделать сплав более текучим, а значит, удобным для использования в процессе литья. Помимо этого, свинцово-сурьмянистый сплав хорошо проводит ток. Но есть и недостатки: наличие в сплаве сурьмы усиливает процесс газовыделения и приводит к повышенной потере воды в АКБ. Именно поэтому в такой аккумулятор необходимо регулярно добавлять воду.
Со временем появились и необслуживаемые аккумуляторы, в которых содержание сурьмы было снижено, а доля других добавок, наоборот, увеличена (добавки олова, мышьяка, серебра). Это позволило сохранить высокие литьевые свойства сплава и повысить его коррозионную стойкость.
Свинцово-кальциевый сплав, который стал использоваться со временем для производства стационарных аккумуляторов, не нашел широкого применения в автомобильных АКБ. Главным образом это обусловлено быстрым снижением емкости заряда. Однако в необслуживаемых гелевых аккумуляторах для производства отрицательных решеток использовался сплав свинца и кальция, а для производства положительных — малосурьмянистые сплавы. Со временем производители стали добавлять в сплав свинца и кальция олово, что улучшило свойства отрицательных токоотводов и позволило использовать при производстве технологию непрерывного литья.
Современный тренд
Говоря о свинцово-кислотных аккумуляторах, важно отметить, что свинцовые сплавы небезопасны для человека и окружающей среды. Добавки, которые содержатся в таких сплавах (сурьма и мышьяк), при химическом взаимодействии или в условиях избыточного заряда могут способствовать образованию токсичных газов. Во многом именно этим обусловлен тот факт, что при изготовлении свинцово-кислотных аккумуляторов производителям приходится использовать все больше автоматизированных операций.
В целом же современное состояние «аккумуляторного» сегмента довольно очевидно. Достаточно вспомнить о том, что одним из глобальных мегатрендов автомобилестроения является стремительный рост производства электромобилей. Именно поэтому усилия разработчиков АКБ в основ-ном направлены на улучшение характеристик литий-ионных аккумуляторов или АКБ из других сплавов, подходящих для использования в электрокарах и гибридах.
Как создают аккумуляторные батареи
Практически все современные гаджеты объединяет одна деталь — в них есть аккумуляторная батарея. И её ёмкость остаётся одним из главных критериев при выборе устройства. Мы живем в эру мобильности, и требования к аккумуляторам растут с каждым годом.
Батареи для ноутбуков (и многие другие) состоят из энергетических элементов, скомпонованных в связанные друг с другом ячейки. Ноутбуки, как и большая часть других мобильных устройств, работают на литий-ионных или литий-полимерных аккумуляторах.
Мало кто задумывается о том, как сложно создать аккумуляторную батарею, отвечающую требованиям времени. Сегодня вы узнаете, как их производят в промышленных масштабах… начиная с химических элементов.
Li-ion — литий-ионные
Широко распространённый литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катода из алюминиевой фольги и анода из медной), разделенных пористым сепаратором, пропитанным жидким электролитом. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации.
Типичная литий-ионная перезаряжаемая батарея состоит из положительного электрода (зеленый), отрицательного электрода (красный) и разделяющим их слоем сепаратора (желтый). Ионы лития (Li +, синий) перемещаются от отрицательного электрода (анода) к положительному (катод). Во время зарядки происходит обратный процесс, ионы лития переносятся к аноду. Источник
Литий-ионный аккумулятор обладает высокой энергоплотностью, но быстро разряжается при использовании на морозе и может быть взрывоопасен при перезаряде выше 4,2 В. Если вы проколете литий-ионную батарею и создадите короткое замыкание, она загорится и возникнет действительно сильный огонь, который нельзя легко потушить с помощью обычного огнетушителя. Именно поэтому многие такие аккумуляторы оснащают специальной защитой.
Li-po — литий-полимерные
Литий-полимерный аккумулятор (литий-ионный полимерный аккумулятор) представляет собой усовершенствованную конструкцию литий-ионного аккумулятора. В таком аккумуляторе в качестве электролита используется не жидкость, а сухой полимерный материал (синтетический пластик). В отличие от Li-ion, Li-po безопаснее, может отдавать сильные токи и, благодаря полимерному материалу, может быть какой угодно толщины и формы.
Li-po и технологии
Ноутбук, оснащенный литий-полимерным аккумулятором, поддерживает в 3 раза больше циклов зарядки (то есть служит в 3 раза дольше), чем ноутбук со стандартным литий-ионным аккумулятором.
Эффективность энергопотребления достигается не только за счет химических свойств батареи. Если ноутбук остается подключенным к зарядке, когда аккумулятор уже полностью заряжен, это может привести к ухудшению рабочих характеристик аккумулятора и, соответственно, к сокращению срока его службы. Это может также стать причиной набухания аккумулятора из-за внутреннего накопления газов, вызванного окислением, а значит и деформированию или повреждению ноутбука. Дополнительные программные технологии позволяют установить предельный уровень заряда 60%, 80% или 100%, чтобы продлить срок службы батареи и уменьшить вероятность ее набухания.
Ноутбуки также оснащаются механизмом быстрой зарядки, с помощью которого аккумулятор заряжается за несколько десятков минут чуть более чем наполовину.
Li-po vs Li-ion
Положительные и отрицательные электроды Li-po и Li-ion имеют сходный химический состав. Основное различия между двумя видами батарей заключается в способе их компоновки. С литий-ионной технологией для оболочки можно выбрать только жесткий металлический корпус, в то время как литий-полимерная технология позволяет использовать мягкую оболочку для корпуса (пластиковая или алюминиевая фольга). При толщине до 3 мм Li-po имеет преимущество в емкости. При толщине более 3 мм Li-ion дает существенную выгоду в цене.
Существуют и другие виды аккумуляторов на основе лития: LiFePO4 — литий-железо-фосфатные, LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатные, и другие. Отличаются они различными добавками, улучшающими характеристики батареи. Однако в основе большей части новых экспериментов лежит всё тот же металл, пришедший на смену некогда популярным никель-кадмиевым и никель-металлгидридным аккумуляторам.
Литий
Очень легкий, очень мягкий металл серебристо-белого цвета.
Первые работы в области создания перезаряжаемого аккумулятора на основе лития были начаты в 1912 году, но до 1970-х эксперименты не выходили за пределы лабораторий из-за нестабильности лития. В 1980-х на основе технологий, разработанных в Оксфордском университете, стали появляться первые промышленные литиевые аккумуляторные батареи, которые быстро перегревались и выходили из строя. Только в 1991 году был создан аккумулятор, в котором металлический литий был заменен более безопасной ионной формой.
Литий снискал заслуженную популярность за счет своих особых свойств. Это один из самых легких металлов в периодической таблице, который действительно помогает сохранять большие объемы энергии в небольшом объеме и при незначительном весе. Однако популярность лития сегодня может привести к исчерпанию этого металла в будущем.
Добыча лития — это трудоемкий процесс даже в тех регионах, где металла много. На протяжении десятилетий коммерческое производство лития основывалось на минеральных рудных источниках, таких как сподумен, петалит и лепидолит. Однако извлечение лития из руды вдвое превышает стоимость производства из соляных растворов.
Основные залежи лития, пригодные для активной разработки, находятся в Южной Америке и Китае. На территории России больше всего лития содержится в слюде, сопровождающей месторождения редкоземельных металлов. До недавнего времени добыча лития из слюды стоила слишком дорого, но в 2017 году ученые НИТУ «МИСиС» представили установку, сделавшую добычу соединений лития из бедной руды вдвое дешевле.
Большая часть лития сегодня добывается из естественных водяных линз соляных озер, в насыщенных соляных растворах которых концентрируется хлорид лития, калий и натрий. Раствор выкачивается и выпаривается на солнце, полученная смесь солей перерабатывается.
Извлечение лития
Солончак Уюни содержит около 100 миллионов тонн лития, или от 50 до 70% его мировых запасов.
Крупнейший источник лития находится в Боливии — это солончак Уюни, высохшее соленое озеро, расположенное на высоте около 3650 м над уровнем моря. Имеет площадь 10 588 км². Внутренняя часть покрыта слоем поваренной соли толщиной 2-8 м. Хлорид лития, находящийся здесь в огромных количествах, пригоден для добычи из него лития, а раньше использовался в качестве замены обычной соли. Употреблять в пищу его перестали после открытия токсических эффектов.
Литиевый соляной пруд в Аргентине.
Для извлечения лития соляные растворы сначала перекачивают на поверхность в специальные пруды, где под воздействием солнца в течение нескольких месяцев происходит медленное испарение. Когда хлорид лития в испарительных прудах достигает оптимальной концентрации, раствор перекачивают на восстановительную установку, где фильтрацией удаляют из смеси нежелательные примеси.
Преобразование лития в металл производится в электролитической ячейке. Хлорид лития смешивается с хлоридом калия в соотношении 55% к 45% для того, чтобы произвести расплавленный эвтектический электролит. Далее электролизом расплава при температуре 600 °C получают расплавленный литий, который поднимается на поверхность электролита.
Другие химические элементы
Составляющие стоимости Li-ion батареи.
Внутри литий-ионного аккумулятора может использоваться несколько материалов для катодов. Первоначально основным компонентом катода был кобальт, но он имеет ограниченную доступность в природе и токсичен, что является огромным недостатком для массового производства. Сегодня кобальт частично замещается никелем, а также смесью кобальта, никеля и марганца.
Безопасная и долговечная батарея нуждается в надежном электролите, который может выдерживать существующее напряжение и высокие температуры и имеет длительный срок хранения, обеспечивая высокую подвижность ионов лития. Растворы электролита состоят из органических растворителей, соли LiPF6 (гексафторфосфат лития) и различных добавок.
Электролит высокой чистоты играет ключевую роль в транспортировке положительных ионов лития между катодом и анодом. Электролитные добавки улучшают стабильность, предотвращая деградацию раствора. Состав электролитов варьируется в зависимости от используемых анодных и катодных материалов, однако выбор электролита часто подразумевает компромисс между воспламеняемостью и электрохимическими характеристиками.
Полимерные электролиты представляют собой ионно-проводящие полимеры. Они часто смешиваются в композитах с керамическими наночастицами, что приводит к более высокой проводимости и устойчивости к более высоким напряжениям.
В литий-ионных батареях в качестве токоприемников используется разнообразная металлическая фольга — медная, никелевая или фольга из каталитической меди. Как правило, медная фольга ставится в качестве отрицательного электрода для коллектора анодного тока, а алюминиевая фольга применяется в качестве положительного электрода для катодного токосъемника.
Строение Li-po батареи
Анод состоит из смеси графита и лития (возможно также использование интерметаллидов или кремния), в то время как катод объединяет литий и другие металлы (материалы катода требуют чрезвычайно высокой чистоты и должны быть почти полностью очищены от нежелательных металлических примесей — железа, ванадия и серы).
Отделяет катод от анода сепараторный материал из полипропилена, полиэтилена или другого схожего полимерного материала. Сепараторы большинства батарей состоят из очень простых пластиковых пленок, которые имеют правильный размер пор, чтобы позволить ионам перемещаться, блокируя при этом другие элементы. В случае жидкого электролита сепаратор представляет собой вспененный материал, который пропитывается электролитом и удерживает его на месте.
Процесс производства батареи
Основы для анода и катода поставляются на завод в виде черного порошка, и для неподготовленного глаза они почти неотличимы друг от друга. Порошок очень мелкой фракции, чтобы достичь максимальной эффективной площади поверхности электродов. Форма частиц также важна. Предпочтительны гладкие сферические крупицы с закругленными краями, поскольку острые кромки или шелушащиеся поверхности чувствительны к высоким электрическим нагрузкам.
Аноды и катоды в литиевых батареях имеют одинаковую форму и выполняются по аналогичным процессам на идентичном оборудовании. Но поскольку загрязнение между анодным и катодным материалами приведет к разрушению батареи, то для предотвращения контакта материалов их обычно обрабатываются в разных цехах.
Первая стадия производства заключается в смешивании материалов электродов и нанесении суспензии на поверхность фольги. Активные электродные материалы покрываются с обеих сторон металлической фольгой, которая действует как токоприемник, проводящий ток внутри и снаружи ячейки. Затем фольга с материалами сушится, разрезается на узкие полоски и сворачивается в несколько слоев. Это требует постоянного контроля, поскольку любые заусенцы на краях полосок фольги могут привести к внутренним коротким замыканиям в ячейках.
В процессе сборки батареи сепаратор зажимают между анодом и катодом. После помещения батареи в корпус ее заполняют электролитом и запечатывают. Это должно выполняться в «сухой комнате», так как электролит реагирует с водой. Влага приведет к разложению электролита с выбросом токсичных газов.
Электроды помещают в корпус, оставляя отверстие для добавления электролита/
Как только сборка ячейки будет завершена, она должна пройти хотя бы один контролируемый цикл зарядки/разрядки. Процесс зарядки начинается с низкого напряжения, которое постепенно нарастает. Только после прохождения теста батарея покинет завод и отправится дальше.
В будущем, несомненно, появятся новые виды аккумуляторов. Возможно, тогда литий останется в прошлом. Пока же есть еще множество возможностей для улучшения характеристик существующих аккумуляторных батарей.
Вся правда про аккумуляторы
Самая популярная причина трудных пусков зимой – дохлый аккумулятор. Не единственная, но распространенная. Современные аккумуляторы могут служить по 5-7 лет, но если, например, случались полные разрядки или долгие простои машины без движения (особенно зимой), замена может потребоваться и раньше. Какие бывают аккумуляторы и какие цифры важны в маркировке? Можно ли использовать аккумулятор большей емкости и что такое пусковой ток? Об этом – в нашем специальном материале.
Несмотря на разнообразие коммерческих наименований, все автомобильные аккумуляторы свинцово-кислотные: электролитом служит раствор серной кислоты и дистиллированной воды, а электроды – свинцовые.
Старые батареи были обслуживаемыми, то есть требовали регулярного контроля уровня электролита и долива воды. Но сегодня они уже неактуальны.
Впрочем, есть так называемые малообслуживаемые: они требуют долива воды примерно раз в полгода, зато дешевле и не так сильно боятся глубоких разрядов. Хороший вариант для владельцев старых «Лад» и иномарок.
Однако большинство из нас, скорее всего, предпочтет необслуживаемую батарею: обычно срок ее службы составляет порядка пяти лет, а контролировать уровень электролита не нужно в принципе – зачастую нет даже соответствующей пробки. Большинство недорогих аккумуляторов сделаны по так называемой гибридной технологии: один электрод с добавлением кальция, другой – с сурьмой, но в небольших количествах. Они могут обозначаться литерами Ca+ или Ca/Sb, но не стоит путать их с «чисто кальциевыми».
Под «брендом» кальциевые (Ca/Ca) подразумеваются батареи, у которых оба электрода сделаны из сплава свинца и кальция, а это лучший вариант для снижения потерь воды. В результате кальциевые аккумуляторы могут служить до семи лет, у них низкий саморазряд, а главная проблема – боязнь глубокой разрядки. К примеру, если сигнализация на вашей машины способна за неделю зимней стоянки высосать весь аккумулятор, лучше не покупать кальциевые батареи. А вот для полностью исправной иномарки это интересный вариант, хотя и более дорогой.
Чуть особняком стоят аккумуляторы по технологии AGM, в которых электролит находится не в жидком состоянии, а абсорбирован стекловолокном – это довольно продвинутые батареи, обеспечивающие долгий срок службы (заявляется чуть ли не 15 лет) и высокие пусковые токи. Кроме того, они хорошо переживают частые циклы заряд-разряд, а потому, например, используются в автомобилях с системой Start-Stop.
Наконец, есть гелевые аккумуляторы (GEL), в которых электролит загущен силикагелем до вязкого состояния, а также EFB-аккумуляторы. В чем-то их достоинства похожи на AGM-аккумуляторы, но гелевые еще лучше переносят глубокие разрядки. При этом пусковые токи у гелевых аккумуляторов зачастую ниже.
AGM-аккумуляторы и гелевые ощутимо дороже обычных (6-10 тысяч рублей), EFB занимают промежуточное положение по цене. Чаще всего, эти аккумуляторы применяются в автомобилях с системой Start-Stop или иномарках премиум-класса, где аккумулятор работает в условиях постоянных циклов заряда/разряда.
Рекламные объявления о добавлении серебра и других металлов в основном означают присутствие этих веществ в свинцовых электродах. Зацикливаться на этих особенностях не стоит – важнее параметры аккумулятора.
Для нас с вами важны следующие параметры:
1) Гостовское обозначение 6СТ-55АЗУ, где второе число (55) обозначает номинальную емкость.
2) Наличие или отсутствие слова «Необслуживаемая». При этом уровень «обслуживаемости» батареи может быть зашифрован в гостовском обозначении (последние буквы): N – с большим расходом воды, L – малым, VL – очень малым, VRLA – необслуживаемый.
3) Пусковой ток и стандарт измерения – в данном случае 500 А по стандарту EN (подробности ниже).
4) Технология изготовления: Ca+ обозначает гибридную технологию, при которой один из электродов – с примесью сурьмы, другой – из свинцово-кальциевого сплава. Кальциевые аккумуляторы обозначаются Ca/Ca, гелевые – GEL. Батареи по технологии AGM и EFB – соответствующими аббревиатурами.
Емкость аккумулятора
Поскольку напряжение батарей для легковых автомобилей одинаковое – 12 В, то выбирать тут нечего (у старых мотоциклов 6 В, у грузовой техники – 24 В). Сразу оговоримся лишь, что в основном обозначении аккумулятора (скажем, 6 СТ-60А) первая цифра обозначает не напряжение, а количество последовательно соединенных аккумуляторов внутри батареи, поэтому номинал – 12 В.
Куда интереснее вторая цифра, отражающая номинальную емкость батареи в ампер-часах (А*ч). Многие считают ее чуть ли не основной характеристикой аккумулятора. В бытовом смысле этот параметр показывает, как долго можно крутить двигатель стартером, а в физическом – это запас энергии батареи.
Вообще, емкость, например 60 А*ч, не означает, что аккумулятор способен целый час выдавать ток в 60 А. На самом деле, испытательный цикл обычно длится 20 часов (или 10 часов) – соответственно, если емкость аккумулятора 60 А*ч, то в течение испытательного цикла он должен стабильно выдавать 3 А. Средняя температура при этом – 25 градусов.
Температура влияет на емкость аккумулятора достаточно сильно: скажем, при +5 градусах аккумулятор теряет в среднем 20% емкости, при -30 градусах – до половины. Это одна из причин, почему зимние пуски иногда полностью высасывают батарею.
Емкость аккумулятора падает при его хранении на магазинном складе. Если хотите купить батарею, выдающую гостовские параметры, следите, чтобы с даты изготовления прошло не более месяца или хотя бы не более трех месяцев (зачастую это непросто сделать). Батареи, выпущенные год назад, потеряли часть свойств, лежа на полке.
Некоторые аккумуляторы имеют еще один параметр – RC или резервная емкость в минутах. Он обозначает время разрядки аккумулятора до напряжения 10,5 В при 25 градусах и токе 25 А. Фактически, параметр отражает время, в течение которого автомобиль может ехать с отказавшим генератором. Величина, коррелирующая с номинальной емкостью аккумулятора.
Разумно ли выбирать батарею большей емкости?
Если вы считаете, что стандартного аккумулятора вам в иной день не хватало, то можно попробовать. С точки зрения холодного пуска у батареи большей емкости есть несколько плюсов: во-первых, она обеспечит большее время прокрутки, во-вторых, меньшее падение напряжения при пуске. При этом в нормальных условиях работы нагрузка на генератор не будет ощутимо выше (вопреки популярному мнению), ведь количество энергии, которое машина высасывает из аккумулятора в момент пуска, не зависит от его емкости.
Однако во всем нужно чувство меры. Во-первых, аккумулятор слишком уж большой емкости может спровоцировать повышенные пусковые токи (за счет меньшего падения напряжения), что вредно для стартера. Во-вторых, если вы постоянно запускаетесь на лимите его возможностей, время зарядки его может возрасти, а в каких-то случаях (при кратковременных поездках) возможностей генератора не хватит, чтобы поддерживать батарею заряженной. В случае со свинцовыми аккумуляторами такой режим снизит ресурс.
В общем, аккумулятор большой емкости стоит расценивать как некий «неприкосновенный запас», которым вы будете пользоваться лишь иногда. Если же автомобиль не в состоянии нормально пускаться с аккумулятором стандартной емкости, то проблема не в аккумуляторе: нужна диагностика топливной системы и зажигания (свечи, форсунки, и т.п.)
Обозначения импортных аккумуляторов зачастую скуднее, но основные параметры те же: номинальные напряжение, емкость и ток холодной прокрутки с указанием стандарта. Кстати, загадочные цифры 570 500 065 обозначают то же самое: первые три цифры – это номинальная емкость +500 (в данном случае – 70 А*ч), последние три цифры – это пусковой ток, деленный на 10 (в данном случае 650 А). Но это только для европейских аккумуляторов. Обратите также внимание на маркировку технологии (EFB) и пометку, что аккумулятор предназначен для машин с технологией Start-Stop, хотя эти обозначения не обязательны и носят, скорее, рекламный характер.
Пусковой ток
На самом деле, пусковые качества батареи при исправном двигателе определяются не столько его емкостью, сколько током холодной прокрутки, который указывается на аккумуляторе (может обозначаться CCA).
Скорее всего, на батарее будет указан пусковой ток с пометкой EN. Это название стандарта, полное имя которого – EN 60095. В России ему соответствует ГОСТ 959-2002.
Число в амперах показывает, какой ток аккумулятор выдает в специальном цикле холодных испытаний. Сначала батарею замораживают до -18 градусов, после чего она должна выдержать 10-секундный разряд указанным током при падении напряжения до 7,5 В, а затем после небольшой паузы еще один цикл разряда: ток 60% от номинала, падение напряжение до 6 В в течение 90 или 150 секунд (в зависимости от исполнения). Батареи, адресованные России, выдерживают более жесткий стандарт.
Даже если вы не вполне поняли смысл предыдущего абзаца, знайте: ток холодной прокрутки определяет «силу» аккумулятора, причем именно в мороз. Если он низкий, то в холода стартер будет крутиться вяло, и не спасет даже увеличенная емкость. При выборе аккумулятора старайтесь, чтобы этот параметр не был ниже тех, что рекомендует производитель.
При этом есть еще один стандарт DIN (DIN 43559 или ГОСТ 959-91), при котором условия испытаний другие: нагрузку дают в течение 150 секунд, а напряжение не должно упасть ниже 6 В (не ниже 9 В через 30 секунд). Поскольку условия более жесткие, обычно токи по DIN примерно в 1,7 раза ниже, чем по стандарту EN – имейте это в виду. Скажем, если батарея выдает 420 А (EN), это соответствует примерно 255 А (DIN).
Есть еще американский стандарт SAE – его условия наиболее «мягкие», поэтому величины пусковых токов самые большие. Очень важно при выборе аккумулятора уточнить стандарт, по которому измерен пусковой ток, иначе под видом суперспособного аккумулятора можно купить обычный, просто с величиной тока по SAE (грубо, она на 10% больше, чем по стандарту EN).
В принципе, не надо бояться, что большой пусковой ток окажется вреден автомобилю: этот параметр отражает не столько реальный ток, который потечет через стартер (этот ток определяется сопротивлением цепи и напряжением), а предельные возможности аккумулятора в мороз. Грубо говоря, аккумулятор с низким пусковым током не выдаст нужной мощности, даже если стартер его «попросит» об этом.
Малыш Renault Sandero комплектуется в России аккумулятором с весьма серьезными параметрами.
Для сравнения у Suzuki SX4 аккумулятор емкостью 35 А*ч и пусковым током всего 300 А
Может ли батарея не подойти к автомобилю?
Да. Во-первых, при выборе аккумулятора нужно знать его размеры, во-вторых, полярность (прямая или обратная) и тип клемм (европейские, японские, американские). Вообще, лучший способ не промазать – это обратиться в специализированный салон или воспользоваться интернет-подбором. И уже потом из многообразия батарей, физически помещающихся под капотом, выбрать с оптимальными для вас параметрами.
Автомобильные аккумуляторы (виды, периоды замены)
Всем привет. В продолжение предыдущего поста, решил написать пост о автомобильных аккумуляторах. Аккумулятор играет немаловажную роль, если не сказать одну из главных в работе автомобиля и электрических цепей. Поэтому нужно с особой тщательностью подходить к выбору и к дальнейшей эксплуатации батареи. Как и в других комплектующих и запчастях существует огромное количество видов и производителей автомобильных батарей, какую выбрать и какая прослужит долго- это открытый вопрос, потому что раз на раз не приходится, хотя как и везде опытные автомобилисты советуют не экономить и брать качественную батарею, которая прослужит более 5 лет точно. Аккумуляторы бывают следующих видов:
1.Традиционные («сурьмянистые»)
2.Малосурьмянистые
3.Кальциевые
4.Гибридные
5.Гелевые, AGM
6.Щелочные
7.Литий-ионные
АКБ этого типа содержат в составе свинцовых пластин ≥5% сурьмы. Часто их еще называют классическими, традиционными. Но такое название на сегодняшний день уже не актуально, так как классическими уже стали АКБ с меньшим содержанием сурьмы.Аккумуляторы с высоким содержанием сурьмы делают легкообслуживаемыми. Это вызвано тем, что приходится довольно часто, не реже одного раза в месяц, производить проверку плотности электролита и заливку воды.
Сейчас АКБ данного типа уже не устанавливаются на автомобили, т.к. прогресс уже давно ушел вперед. Такие аккумуляторы ставились на советские автомобили, а так же некоторые иномарки 70-80-х годов. Такую батарею можно найти на старых автомобилях которые стоят в гараж уже более двадцати лет и не эксплуатируются.
Для уменьшения интенсивности «выкипания» воды в аккумуляторах стали использовать пластины со сниженным количеством сурьмы (меньше 5%). Это позволило избавиться от необходимости часто проверять уровень электролита. Также снизился уровень саморазряда АКБ при хранении.
Такие аккумуляторы чаще всего называют малообслуживаемыми или вовсе необслуживаемыми, подразумевая, что данные АКБ не требуют контроля и ухода. Хотя термин «необслуживаемый» больше маркетинговый, чем реальный, так как не получилось абсолютно избавиться от потерь воды из электролита. Вода все равно понемножку «выкипает», хоть и гораздо в меньших количествам, чем у обычных обслуживаемых аккумуляторов.
Малосурьмянистые аккумуляторные батареи больше подходят для легковых автомобилей российского производства, так как отечественные авто пока не могут похвастаться обеспечением стабильности напряжения бортовой сети. Тем более, малосурьмянистые аккумуляторы отличаются минимальной стоимостью по сравнению с другими.
Еще одним решением снизить интенсивность «выкипания» воды в аккумуляторе было использование вместо сурьмы другого материала в решетках электродов. Наиболее подходящим оказался кальций. Аккумуляторные батареи данного типа часто имеют маркировку «Ca/Ca», что обозначает, что пластины обоих полюсов содержат в своем составе кальций. Также в состав пластин иногда добавляют еще и серебро в малых количествах, что снижает внутреннее сопротивление АКБ. Это положительно сказывается на энергоемкости и КПД батареи.
Однако кальциевые аккумуляторные батареи имеют не только плюсы, но и минусы.
Одним из главных минусов аккумуляторов данного типа является капризность в отношении переразряда. Достаточно 3-4 раза чересчур разрядить, как необратимо снижается уровень энергоемкости, т.е. резко уменьшается количество тока, которое батарея способна накопить. Аккумуляторную батарею в таких случаях, как правило, просто меняют.
Кальциевые аккумуляторы чувствительны к напряжению бортовой сети автомобиля, крайне плохо перенося резкие перепады. Перед покупкой аккумуляторной батареи данного типа следует убедиться в стабильности напряжения автомобиля.
Еще одним минусом является более высокая цена кальциевых аккумуляторов. Но это уже не является недостатком, а вынужденной платой за качество.
Чаще всего кальциевые аккумуляторные батареи устанавливаются на иномарках среднего ценового диапазона и выше, т.е. на те автомобили, где качество и стабильность электрооборудования гарантировано.
Часто обозначаются как «Ca+». В гибридных аккумуляторах пластины электродов сделаны по разным технологиям: положительные – малосурьмянистые, отрицательные — кальциевые. Это позволяет совместить положительные качества обоих типов аккумуляторных батарей. Расход воды у гибридных батарей в два раза меньше, чем у малосурьмянистых, но все равно больше, чем у кальциевых. Зато выше устойчивость к переразрядам и перезарядам.
По характеристикам гибридные аккумуляторные батареи находятся между малосурьмянистыми и кальциевыми.
елевые и AGM аккумуляторные батареи содержат электролит не в «классическом» жидком виде, а в связанном, гелеобразном состоянии (отсюда и название типа батареи).
Инженерам на протяжении более чем полторы сотни лет истории аккумуляторных батарей приходилось решать множество проблем, задач. Одной из важнейших проблем было осыпание активного вещества с поверхности пластин-электродов. Этот вопрос временно решили путем добавления в состав оксида свинца различных присадок — сурьмы, кальция и т.д. Еще одной очень важной задачей было обеспечение безопасности эксплуатации батарей, т.к. электролит — водный раствор серной кислоты — мог легко вытечь при повреждении корпуса АКБ. Не надо рассказывать, насколько агрессивным химическим веществом является серная кислота. Необходимо было найти способ не допустить, минимизировать возможность утечки электролита при повреждении корпуса батареи.
К сожалению, гелевые батареи при очень низких температурах ведут себя хуже, чем классические. Это связано с тем, что гель становится менее проводимым при снижении температуры. При благоприятных условиях эксплуатации гелевые аккумуляторные батареи могут работать до 10 лет.
Благодаря своей абсолютной герметичности, относительной виброустойчивости и своей фактической (а не просто маркетинговой) необслуживаемости гелевые батареи широко применяются там, где классические АКБ использовать опасно или невыгодно: внутри помещений (например, в источниках бесперебойного питания), в мототехнике (мотоцикл, в отличие от автомобиля, едет, периодически отклоняясь от вертикальной плоскости), в морском и речном транспорте (данные аккумуляторы не боятся качки, свойственной судам). Разумеется, гелевые батареи также применяются и в автомобилях. Чаще всего — в престижных иномарках, что обусловлено довольно высокой ценой этих АКБ (плата за качество и надежность).
Как известно, в качестве электролита в аккумуляторах может использоваться не только кислота, но и щелочь. Существует множество разновидностей щелочных АКБ, но мы рассмотрим только те, что нашли применение в автомобилях.У щелочных аккумуляторных батарей есть ряд преимуществ по сравнению с кислотными:
— Хорошая переносимость переразрядов. При этом батарея может храниться в разряженном состоянии без потери своих характеристик, чего нельзя сказать про кислотные АКБ.
— Щелочные батареи относительно легко переносят перезаряд. При этом есть мнение, что их лучше перезарядить, чем недозарядить.
— Щелочные аккумуляторы гораздо лучше работают в условиях низкой температуры. Это позволяет почти безотказно обеспечивать запуск двигателей в зимнее время.
— Саморазряд щелочных батарей ниже классических кислотных.
— Из щелочных АКБ не выделяются вредные испарения, чего нельзя сказать про кислотные АКБ.
— Щелочные аккумуляторы умеют накапливать больше энергии на единицу массы. Это дает возможность дольше выдавать электрический ток (при тяговом режиме эксплуатации).
Однако у щелочных аккумуляторных батарей есть и недостатки, если сравнивать с кислотными:
— Щелочные аккумуляторы выдают напряжение меньше, чем кислотные, из-за чего приходится объединять большее количество «банок» для достижения нужного напряжения. По этой причине, при одинаковом напряжении, габариты щелочного аккумулятора будут больше.
— Щелочные батареи намного дороже кислотных.
Щелочные батареи в настоящее время используются чаще в качестве тяговых аккумуляторов, чем стартерных. Из-за своих габаритов большинство выпускаемых стартерных щелочных АКБ — для грузовиков.
Литий-ионные аккумуляторные батареи (и ее подвиды) считаются наиболее перспективными в качестве дополнительного источника электрического тока.Когда инженерам удастся решить эти недостатки, литий-ионные аккумуляторы станут отличной заменой классической кислотной АКБ.
Идет непрерывная работа над усовершенствованием существующих типов аккумуляторных батарей. В исследовательских центрах ищут способы увеличения энергоемкости источников питания, что позволит уменьшить размеры аккумуляторов. Для северных районов очень пригодится изобретение морозоустойчивой батареи (и тогда не было бы проблемы отказа завода двигателя в сильные морозы).
Таким образом можно заметить, что перед автовладельцами стоит непростой выбор, какую батарею поставить, и какая именно подойдет в тот или иной тип автомобиля. Помимо вышеуказанного разнообразия, все аккумуляторы подразделяются на обслуживаемые и не обслуживаемые.
1. Обслуживаемые батареи
Прежде всего, их положительный заряд переходит постепенно в отрицательный, что способствует быстрой разрядке. Кроме того, во время движения по нашим неидеальным дорогам происходит вытекание электролита, что также способствует выходу из строя батареи. При этом у них есть и одно достоинство, их легко не только разрядить, но и зарядить снова.
Характерным визуальным отличием являются пробочки с крестовиной, они закрывают колодцы в которых находится электролит. Такой аккумулятор при должном обслуживании и своевременном залитии электролита может прослужить до 8 лет.
2. Необслуживаемые батареи
К таким моделям относятся гелевые конструкции (и не только), которые не нуждаются в дополнительной доливке, так как данная субстанция довольно плотная по своей консистенции и никогда не просачивается. Таким образом, его можно установить в любом удобном положении, это никак не отразится на работоспособности. Также существуют и батареи AGM, в которых сгущение кислоты достигается с помощью использования стекловолокна.
Наиболее очевидным признаком проблем с аккумулятором, является, конечно же, падение напряжения в электросистеме автомобиля. Тем не менее, аккумулятор является частью более крупной системы, подключенной к другим частям автомобиля, и мёртвый аккумулятор может указывать на проблему глубже, чем просто отсутствие напряжения. Если что-то ещё происходит не так в системе электрооборудования — например, скажем, слабый генератор, то это также может быть причиной слабого аккумулятора.
Большое количество электронной аппаратуры, зарядки для телефонов, видеорегистраторы, навигаторы, и прочее будут уверенно разряжать батарею, а уж если вы ездите со всем этим добром на короткие дистанции, то батарея не сможет восстанавливать потерянную энергию в полном объеме. Еще одной немаловажной причиной может быть не стабильная работа генератора, проблемы в проводах массы, электроцепях автомобиля, и непосредственно клеммах и проводах которые идут на сам аккумулятор.
Другим сигналом к замене аккумулятора является и его возраст — если аккумулятор старше трёх-четырёх лет, можно начинать ожидать проблемы. Коррозия и пятна на нём означают, что в нём появилась утечка. Наконец, просто понюхайте аккумулятор, обращая внимание на запах гнилых яиц (сера) или запахом перегрева батареи.
На мой взгляд ТО аккумуляторной батареи нужно проводить каждый год, вне зависимости от вида и типа батареи. Если вы купили аккумулятор в специализированном магазине то вам дают специальный талон, так же вы бесплатно можете проводить проверку батареи. Таким образом если у вас исправен генератор, электроцепи и прочее, а так же вы не нагружаете автомобиль другой электроникой, даете возможность батарее зарядится как следует, то аккумулятор будет служить очень долго, а ТО проводимое в специальном магазине по продаже аккумулятора покажет и предупредит вас о том, необходимо ли менять батарею, сколько она еще прослужит и чего ожидать.
Всем спасибо, надеюсь данная информация была полезна. Дальше будут еще информативные и полезные статьи. Всем спасибо и до связи.
Читайте также: