Свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой вторичный гальванический элемент с электродами на основе свинца, электролитом которого является раствор серной кислоты (H2SO4) с концентрацией примерно 35% по объему в полностью заряженной батарее. В новых типах аккумуляторов этим раствором пропитывают вату из стекловолокна (AGM) или заставляют затвердеть его в форме геля.
Переработка свинцовых аккумуляторов, которые являются самыми распространенными аккумуляторами в мире, достигает 99% в глобальном масштабе, и на самом деле их использование представляет собой экономику замкнутого цикла. Наоборот, утилизация литиевых аккумуляторов (Li-Ion, Li-pol) достигает всего 1% в мире.
Историческая справка
Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте (Raimond Louis Gaston Plante), исследователем земного магнетизма и электрических явлений в атмосфере.
Данному изобретению предшествовало открытие, сделанное Планте в результате его экспериментов с электролизом водного раствора серной кислоты со свинцовыми электродами.
Источником питания в установке для электролиза служили два соединенных последовательно элемента Бунзена (дававшие в сумме 3,6 - 3,8 вольт).
Перед экспериментом свинцовые электроды находились на воздухе, поэтому их поверхность, из-за естественного окисления свинца, была покрыта оксидом свинца (II).
Далее, в ходе электролиза в 10% растворе серной кислоты, Планте заметил, что на катоде происходило восстановление оксида свинца (II) до чистого металла — свинца, затем на данном электроде выделялся водород, при этом поверхность электрода становилось синевато-серой.
На аноде же было замечено окисление оксида свинца (II) до оксида свинца (IV), затем на электроде выделялся кислород, а поверхность электрода становилась коричневой. В итоге между веществами электродов при разомкнутой цепи можно было измерить разность потенциалов чуть больше 2 вольт.
Так Гастоном Планте был получен, по сути, первый заряженный свинцово-кислотный аккумулятор. При замыкании электродов на внешний проводник, происходил разряд аккумулятора.
Позже русский изобретатель Николай Николаевич Бенардос (автор около 200 оригинальных изобретений) предложил использовать для изготовления аккумуляторов губчатый свинец, что позволило существенно увеличить их емкость.
Мировую славу Бенардосу принесло изобретение им электрической дуговой сварки, к идее которой его подтолкнули именно эксперименты с аккумуляторами, которые он изначально применял для целей электрического освещения.
Электрохимическая реакция на электродах свинцово-кислотного аккумулятора может быть упрощенно записана следующим образом:
При разряде реакция идет «слева — направо», при заряде - «справа — налево».
Сегодня промышленностью выпускаются свинцово-кислотные аккумуляторы нескольких разновидностей. Прежде всего они подразделяются на жидкостные (обслуживаемые) и герметичные (с клапанным регулированием).
Далее мы рассмотрим четыре основных типа современных свинцово-кислотных аккумуляторов.
Жидкостные аккумуляторы
Классический жидкостный свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее экономичный из всех типов современных свинцово-кислотных аккумуляторов. В качестве электролита здесь используется водный раствор серной кислоты в воде плотностью от 1,2 до 1,3 г/см3.
Свинцово-кислотный аккумулятор традиционно включает в себя 3 или 6 соединенных последовательно аккумуляторных ячеек, у каждой из которых в заряженном состоянии характерное напряжение между электродами составляет от 2,11 до 2,17 вольт; в сумме - 6,3 или 12,6 вольт (соответственно для 3 или 6-ячейковой батареи).
Электроды в ячейках представляют собой свинцовые решетки (в качестве токопроводящей основы), в которые впрессован металлический свинец (в катодные решетки) и оксид свинца (в анодные решетки).
Чтобы противоположные электроды не могли замкнуть, соприкоснувшись друг с другом внутри ячейки, между ними установлен сепаратор из пористого полимера.
С периодичностью раз в сезон такому аккумулятору необходимо техническое обслуживание. И иногда требуется долить дистиллированной воды. Если же аккумулятор случайно передержали на зарядке, может понадобиться долить жидкого электролита. И в том и в другом случае плотность электролита в каждой ячейке аккумулятора сначала проверяют при помощи специального индикаторного прибора - ареометра.
Понижение уровня электролита и повышение его плотности отрицательно сказывается на его долговечности (как и последовательное разбавление водой). Неиспользуемые аккумуляторы следует периодически перезаряжать (и проверять плотность электролита) для предотвращения сульфатации (в значительной степени обратимый процесс).
Использованные аккумуляторы следует хранить в специально отведенных местах.
Разряжать аккумулятор ниже 1,75 вольт на ячейку недопустимо, так как это грозит снижением его емкости из-за сульфатации пластин. Нормально допустимой в рабочем цикле считается разрядка не более 50% емкости.
Яркий пример жидкостного свинцово-кислотного аккумулятора — классическая стартерная батарея автомобиля.
Примечательно, что такому аккумулятору при эксплуатации необходимо строго вертикальное положение, поскольку электролит в нем плещется.
Когда жидкостный аккумулятор эксплуатируется в приемлемом режиме и в нормальных условиях, его рабочий ресурс может достигать 500 циклов заряда-разряда. Заряжают жидкостный аккумулятор напряжением 14,4 — 14,5 вольт.
Улучшенная жидкостная батарея - EFB
В отличие от классической жидкостной батареи, в улучшенной батарее пластины имеют повышенную толщину и более плотный обволакивающий пластины сепаратор, который может быть изготовлен, например, из стекловолокна.
Такие аккумуляторы могут использоваться как экономичные варианты в микрогибридных автомобилях и катерах, в системах автономного электропитания, либо просто - как улучшенные варианты обычных стартерных автомобильных батарей.
Они способны выдерживать более тяжелые и частые циклические нагрузки «старт-стоп», чем обычные жидкостные аккумуляторы. Рабочий ресурс здесь вдвое больше, чем у обычных жидкостных, - он может доходить до 1000 циклов. Напряжение зарядного устройства — такое же, как у обычных жидкостных, — 14,4-14,5 вольт. Допускается разрядка аккумулятора до 40% емкости.
Гелевые 
Гелевые свинцово-кислотные аккумуляторы относятся к герметичным необслуживаемым аккумуляторам.
По всем электрическим параметрам такие батареи являются аналогами жидкостных аккумуляторов (ресурс в 500 циклов, допустимая разрядка — до 50% емкости) с той лишь разницей, что содержат они электролит в форме геля, который не плещется.
Жидкий электролит превращен в гель благодаря добавкам в раствор кислоты кремниевых соединений. Такой аккумулятор можно без опасений наклонять и эксплуатировать не в вертикальном положении.
AGM
AGM — cокращение от англоязычного absorbent glass mat (абсорбирующие стеклянные маты). Практически это — наиболее долговечная версия герметичного необслуживаемого свинцово-кислотного аккумулятора. Электролит в них хоть и жидкий, он абсорбирован, за счет капиллярных сил, в матах из стекловолокна. Эти маты выступают одновременно и в роли сепараторов.
Благодаря высокой проводимости, зарядный и разрядный токи такого аккумулятора в 5 раз превосходит возможности обычной жидкостной батареи. Пористая структура мата позволяет образующимся газам улетучиваться, не нарушая состава электролита. Система клапанов обеспечивает стабильное давление внутри корпуса батареи.
AGM-аккумуляторы не критичны к положению в пространстве, они имеют продолжительный рабочий ресурс, измеряемый 1000 рабочих циклов. Кроме того аккумуляторы технологии AGM допускают разрядку до 20% емкости.
Зарядка необслуживаемых аккумуляторов осуществляется аналогично классическим аккумуляторам, но для защиты аккумулятора от перезаряда следует использовать автоматическое зарядное устройство. Контроль заряда в данном случае заключается в наблюдении за напряжением на клеммах аккумулятора.
Корпуса батарей никогда не бывают абсолютно герметичными, так как это может привести к взрыву из-за значительного повышения давления внутри в результате выделения водорода в случае перезарядки.
Смотрите также:
Принцип работы распространенных видов гальванических элементов и аккумуляторов
Последовательное, параллельное и смешанное соединение аккумуляторов
Современные устройства накопления энергии, самые распространенные типы накопителей энергии
Литий-ионные аккумуляторы: устройство, принцип работы, типы, преимущества и недостатки
Андрей Повный