Tehnologia bateriilor: baterii plumb-acid

Dezvoltarea tehnologiei materialelor, în special a bateriei, a jucat și continuă să joace cel mai mare rol în crearea mașinilor electrice moderne. Pentru a înțelege mai bine acest lucru, merită să vă familiarizați cu dezvoltarea stocării energiei. Seria noastră din cinci părți vă ghidează către etapele cheie ale dezvoltării bateriei și vă ajută să înțelegeți de ce tehnologia litiu-ion este ceea ce a dat mașinilor electrice o nouă șansă în ultimii ani.

Primul nostru articol se referă la cel mai cunoscut și cel mai răspândit tip de baterie din lume, bateria plumb-acid, haideți să o tăiem.!

Baterii cu plumb acid

Fiecare persoană care a luat curajul să deschidă capota unei mașini cel puțin o dată în viață a văzut deja o baterie plumb-acid, deoarece acest tip de sursă de energie se găsește în vehiculele echipate cu motoare cu ardere internă fără excepție. Oferă o aprovizionare temporară consumatorilor vehiculului atât timp cât motorul este staționar și joacă un rol cheie în pornirea acestuia. Dar cum a ajuns tehnologia până aici?

Un fizician principal, Gaston Planté, a inventat bateria cu plumb acid în 1859. A fost prima sursă de energie reîncărcabilă care a fost comercializată. Datorită numeroaselor sale avantaje, a devenit acum cel mai cunoscut tip de baterie din lume. Este utilizat pe scară largă în sursele de alimentare neîntreruptibile (UPS), ca sursă principală de alimentare pentru nave, submarine, în vehicule electrice mici, cum ar fi căruțele de golf, și ca baterie de pornire pentru vehiculele echipate cu motoare cu ardere internă.

Este extrem de simplu în construcție, constă din două foi de plumb cu suprafață mare scufundate în electrolit și un vas de stocare. Pentru a crește suprafața, adesea se utilizează o grilă densă sau mai multe foi mai subțiri în locul unei foi de plumb, creând astfel o suprafață de contact mult mai mare între plumb și electrolit. Electrolitul este de obicei acid sulfuric (H2SO4) care necesită prudență datorită pH-ului său coroziv. Deoarece plumbul pur (Pb) este un metal extrem de moale, este întotdeauna mai rezistent la impacturile fizice prin intermediul unui material de aliere. Astfel de aliaje includ antimoniul (Sb), calciu (Ca), staniu (Sn) și seleniu (Se). Metalele adăugate nu numai că au un avantaj în ceea ce privește proprietățile lor fizice, dar și alte proprietăți chimice și electrice sunt îmbunătățite, cum ar fi descărcarea automată redusă, o rezistență mai bună la descărcarea profundă sau utilizarea ciclică.

Datorită plumbului, bateria finită va fi grea în ciuda tehnicilor de mărire a suprafeței și, în multe cazuri, va fi mai puțin rezistentă la încrețire, adică mai puțin durabilă decât bateriile mai moderne. Cu toate acestea, există zone în care merită aplicate datorită celorlalte proprietăți avantajoase.

În funcție de adâncimea descărcărilor, acesta poate rezista la 200-300 cicluri complete de încărcare-descărcare. Motivul principal al numărului relativ mic de cicluri este coroziunea chimică care are loc în interiorul bateriei ori de câte ori trec încărcăturile prin ea. Procesele de coroziune sunt accelerate în continuare prin creșterea ratei de încărcare și descărcare, precum și a temperaturii. În timpul procesului, bateria își pierde capacitatea, la început doar încet, apoi din ce în ce mai repede pe măsură ce îmbătrânește.

Avantajul bateriilor plumb-acid, pe lângă construcția lor simplă, este nepretenția lor în sens pozitiv. Nici încărcarea, nici descărcarea nu necesită un circuit de monitorizare precis. Desigur, acest lucru nu înseamnă că nu ar exista cerințe pentru o tensiune și un curent de încărcare corespunzătoare, dar este mult mai puțin sensibil la abaterile de la parametrii ideali decât bateriile NiMH sau Li-ion. În caz de supraîncărcare sau supraîncărcare, începe încet descompunerea apei în acid sulfuric, ceea ce înseamnă hidrogen și oxigen. Acumulat în cantități mari, acest amestec de gaze (gaz exploziv) este extrem de periculos, astfel încât aerisirea trebuie întotdeauna asigurată la încărcare. Dacă această condiție persistă, nivelul electrolitului va scădea, la fel și capacitatea bateriei. Cu toate acestea, puteți regenera bateria înlocuind apa evaporată. Celălalt caz este supraimersiunea, cunoscută și sub numele de descărcare profundă. În acest caz, un proces chimic numit sulfatare începe în baterie, provocând daune ireversibile la suprafața electrozilor.

Versiunile îmbunătățite ale unei baterii cu plumb-acid sunt, de asemenea, numite închise sau fără întreținere, deoarece nu există deschideri în care să poată intra în contact cu electrolitul. Într-o cutie închisă, gazele eliberate în timpul încărcării pot fi convertite înapoi în apă în timpul descărcării. Desigur, dacă presiunea crește peste un nivel sigur, o supapă va elibera excesul de gaze, dar nu mai este posibil să se umple cu apă.

Separatoarele de plumb sunt adesea încorporate între foile de plumb care alcătuiesc electrozii, reducând astfel oscilația fluidului și posibilitatea scurtcircuitelor cauzate de detașarea pieselor de electrozi în timpul îmbătrânirii. Există avantaje suplimentare atunci când un material gelifiant este amestecat în electrolit, astfel încât dispozitivul să poată fi instalat în orice direcție fără ca electrolitul să se scurgă. Astfel de baterii cu plumb-acid sunt numite și baterii cu gel (AGM). Această soluție este utilizată în cea mai mare parte în domeniul capacității de 30 până la 100 Ah. Ca efect secundar neplăcut, crește sensibilitatea la supraîncărcare și imersiune profundă.

Bateriile plumb-acid sunt dezvoltate pentru două aplicații principale. Una este pornirea motoarelor cu ardere internă, iar cealaltă este utilizarea ciclică, când bateria este aproape complet descărcată și apoi complet încărcată. Cele două utilizări necesită o structură complet diferită.

Baterii de pornire a motorului (Baterii de pornire)

Pornirea motoarelor cu ardere internă necesită un timp foarte scurt, de obicei 2-4 secunde, pentru a furniza o putere foarte mare, de obicei 2-8 kW. În cazuri extreme, când motorul este greu de pornit, poate fi necesar să porniți 20-30 de secunde, chiar de mai multe ori. Când motorul funcționează, generatorul conectat la acesta poate încărca imediat bateria, timp în care este încărcată la aproape 100%. O baterie de pornire trebuie să îndeplinească aceste cerințe. Furnizarea unei puteri ridicate necesită un curent mare, care poate fi atins prin creșterea suprafeței electrodului, ceea ce, la rândul său, face ca mulți electrozi subțiri să fie mult mai vulnerabili la coroziune. În consecință, aceste baterii sunt extrem de sensibile la imersiunea prelungită și profundă.

Baterii ciclice (Baterie cu ciclu profund)

Astfel de baterii sunt denumite și baterii de lucru, deoarece sunt create pentru a îndeplini o sarcină, cum ar fi iluminarea toată noaptea într-o barcă sau motorhome, descărcarea de energie solară în afara zilei sau conducerea vehiculelor electrice. Cu o astfel de utilizare, 70-90% din capacitatea bateriei este adesea utilizată, astfel încât încărcarea sa poate scădea adesea la zero. Ca rezultat, electrozii sunt supuși unei coroziuni extinse, dar atât curenții de încărcare, cât și cei de descărcare rămân mici. O astfel de utilizare necesită suprafețe mai groase, mai mici, dar electrozi rezistente la coroziune. Durata de viață a bateriei în acest caz depinde, de asemenea, de câtă capacitate utilizează utilizatorul. Dacă folosim doar 30% din capacitate în loc de 100%, putem crește durata de viață a bateriei de până la zece ori, presupunând că am lucrat cu 30% de sus în loc de jos.

În general, bateriile plumb-acide sunt alcătuite din componente toxice, dăunătoare mediului care, atunci când sunt eliberate, provoacă poluări grave ale mediului, dar pot fi aproape complet reciclate și, cu grija cuvenită, devin stocare de energie ecologică. Datorită reciclabilității sale ușoare, acestea reprezintă o valoare gravă chiar și în stare deteriorată, sunt preluate în majoritatea coloniilor de albine.

Avantajele și dezavantajele bateriilor cu plumb-acid

Avantaje	Dezavantaje
Cost de producție scăzut	Raport de capacitate de greutate redus
Raport mare capacitate/preț	Încărcare lentă (12-18 ore pentru încărcare completă)
Putere mare (curent de descărcare)	Depozitați în stare încărcată
Gama largă de temperatură de funcționare (-40 până la 60 de grade C)	Durată scurtă de viață (în principal în utilizare ciclică)
Auto-descărcare redusă (cea mai mică dintre toate bateriile)	Necesită întreținere
Se compune din componente poluante

Tensiunea tipică a celulei unei baterii plumb-acid este de 2 V. Astfel, există 6 celule ale bateriei într-o baterie auto, care sunt conectate în serie, astfel încât se creează o tensiune de 12 V la bornele de ieșire. Când este complet încărcat, aproximativ 2,15 V este complet descărcat și aproximativ 1,9 V este aplicat unei celule. Doar aproximativ, deoarece valoarea măsurată depinde și de starea și vechimea bateriei. Tabelul de mai jos prezintă tensiunile terminale tipice ale unei celule elementare și a unei baterii cu plumb-acid cu șase celule la diferite niveluri de încărcare.

Încărca	Tensiunea unei celule [V]	Tensiune cu șase celule [V]
100%	2.15	13
80%	2.11	12.7
50%	2,05	12.3
20%	1,95	11.7
0%	1,90	11.5

Tensiunea terminală a 6 celule în funcție de încărcare. Sursa: batteryuniversity.com

Dacă tensiunea scade sub 1,9 V, vorbim despre o descărcare profundă a bateriei. În orice caz, acest interval duce la o deteriorare permanentă a stării și la o reducere a speranței de viață. Deci merită evitat.

Încărcarea unei baterii acide nu necesită soluții precise de circuit, dar ar trebui respectate unele reguli de bază, ar trebui evitată depășirea limitelor de tensiune în ambele direcții. Procedura de încărcare adecvată poate fi împărțită în trei părți:

Curentul Constan (CC)
Tensiune constantă (CV)
Taxă plutitoare

În secțiunea DC, nivelul curentului de încărcare nu trebuie să depășească o valoare setată, care este de obicei 0,1C (10% din capacitate). În acest stadiu de încărcare, tensiunea terminală crește continuu până când tensiunea celulei atinge un nivel de aproximativ 100%. Fără electronice care limitează curentul, curentul de încărcare ar putea sări de câte ori este permis. În a doua etapă, când celulele au atins tensiunea maximă admisibilă, încărcătorul trebuie să treacă la etapa de tensiune constantă, caz în care curentul de încărcare scade continuu. Când scade până aproape de zero, începe a treia etapă, încărcarea prin degajare, când tensiunea bateriei este menținută doar la nivelul încărcătorului.

Descărcarea bateriei necesită, de asemenea, precauție, dar este departe de a fi la fel de sensibilă ca încărcarea. Descărcarea profundă a fost deja menționată, cealaltă limită fiind curentul maxim de descărcare, care, de asemenea, nu trebuie să depășească limita specificată de producător, dincolo de intervalul de timp specificat. Deci, curentul mare poate fi eliminat din baterie doar pentru o perioadă scurtă de timp, altfel structura sa internă va fi deteriorată.

Odată ce ne vom familiariza cu structura acestei baterii simple, dar eficiente, să vedem care sunt aplicațiile sale.

Una dintre cele mai cunoscute domenii este industria auto, inclusiv pornirea motorului vehiculelor echipate cu motoare cu ardere internă, precum și funcționarea consumatorilor săi de electricitate. Este nevoie de 2-3 kW de putere pentru câteva secunde pentru a porni motorul unei mașini medii. Un camion sau camion necesită mai mult de atât, 6-8 kW. Prin urmare, mașinile sunt fabricate cu 6 celule și camioane cu baterii cu 12 celule, astfel încât curentul lor de pornire poate fi aproape același, 300-600 A. Cu toate acestea, ei pot livra acest curent uriaș doar câteva secunde, deoarece procesele chimice interne nu sunt capabile să aibă loc permanent la o astfel de viteză. Dacă bateria este încărcată permanent cu un curent mare, rezistența internă va crește, astfel încât curentul maxim care poate fi eliminat va scădea.

Desigur, au folosit și baterii cu plumb-acid în mașinile electrice timpurii, parțial datorită curentului mare de descărcare și parțial datorită mărfurilor reduse. Nu necesită mai mult de câteva zeci de kilowați pentru ca o mașină să conducă fără probleme, dar la accelerare, consumul de energie poate crește de multe ori, dar această condiție durează doar câteva secunde (10 - 30 s). Pentru acest tip de utilizare, se folosește un design intern ușor diferit față de bateriile de pornire pentru a îmbunătăți bateria cu descărcări complete.

Este una dintre mașinile electrice de acum 2.000 de ani, care este deja considerată modernă, care a fost construită și cu o baterie plumb-acid Chrysler TEVan. Este un mic monovolum cu patru locuri care a fost fabricat între 1997 și 1998 cu acest tip de stocare a energiei. Mai târziu, producția a continuat, dar deja echipată cu baterii NiMH. Un alt exemplu, poate mai cunoscut, este mașina electrică General Motors EV1, care a fost fabricată în aceeași perioadă. La fel ca Chrysler, GM a ales tehnologia de plumb doar pentru modelele timpurii. Capacitatea acumulatorului a fost de 16,5 kWh și un motor de 102 kW a mutat greutatea de 1400 kg. Coupé-ul cu două locuri nu arată ca un vehicul deosebit de dinamic bazat pe parametri, dar a rămas bine în rândul mașinilor din epoca respectivă.

Tot în 1997, un pick-up electric a fost disponibil de la Chevrolet S-10 Electric al General Motors, care a fost, de asemenea, echipat cu un acumulator cu plumb și NiMH. Unitatea a fost asigurată de un motor electric de 85 kW, iar producătorul a oferit o autonomie de 76 km în plus față de pachetul de baterii acide de 16,2 kWh. La auzul numărului modest, nu ar trebui să fim surprinși de numărul de piese vândute, care a fost de doar 60 între 1997 și 1998.

În cele din urmă, poate putem menționa REVAi, care este o mini-mașină indiană. Vehiculul cu patru persoane a fost construit între 2001 și 2012 (!), Iar în 2008 a fost cea mai vândută mașină electrică. Progresul a fost realizat de un motor electric de 13 kW alimentat de un acumulator de 200 Ah 48 V sau 9,6 kWh baterii plumb-acid. Această configurație a oferit o viteză maximă de 80 km/h pentru vehiculul lung de 2,6 m.

Exemplele enumerate confirmă, de asemenea, că această tehnologie este potrivită doar pentru conducerea vehiculelor cu compromisuri puternice. Unul dintre motivele pentru aceasta este că, în ciuda masei sale mari, poate stoca doar o cantitate mică de energie, astfel încât raza practică nu depășește, sau abia, mai mult de 100 km, ceea ce, din păcate, nu este suficient de mare pentru a atrage o masă de clienților să plătească. Celălalt motiv este timpul lung de încărcare. Un astfel de acumulator necesită un minim de 12-18 ore pentru a ajunge la încărcarea completă și acest lucru nu poate fi accelerat nici măcar cu costul duratei de viață reduse. Al treilea motiv este viața scurtă. Capacitatea de stocare a bateriilor plumb-acid poate scădea cu mai mult de 20% în 4 ani și acest lucru se va agrava doar dacă încărcarea scade de aproximativ 0% de multe ori.

La acea vreme, producătorii de automobile aveau un singur interes în crearea acestor mașini electrice, și anume respectarea standardelor de mediu la nivelul gamei de produse. În esență, ei au jucat un rol promoțional și nu au fost de obicei vândute, putând fi închiriate doar.

Producătorii fie nu au luat în considerare bateriile cu plumb-acid în dezvoltarea lor, fie au realizat curând că există alternative mai potrivite pe piață. În mașinile electrice și hibride moderne de astăzi, bateriile cu tehnologie Li-ion funcționează ca principalul depozit de energie, totuși, la fel ca omologii lor cu motor cu ardere internă, conțin o baterie plumb-acid. În mod corect se pune întrebarea care este motivul pentru aceasta. Răspunsul, desigur, constă în rentabilitate. Consumatorii electrici pentru autoturisme, lumini, ventilație, electronice de conveniență, HiFi, afișaje și instrumente funcționează de 12 V de zeci de ani. Furnizorii de automobile își dezvoltă toți produsele la acest nivel de tensiune și multe standarde sunt construite pe acest lucru, astfel încât nimeni nu are interes să transforme radical.

Bateriile electrice (și hibride) ale mașinii, pe de altă parte, funcționează la tensiuni mult mai mari între 300 și 500 V. Decalajul dintre cele două poate fi eliminat cu un convertor DC-DC. Consumatorii de 12 V, pe de altă parte, produc o putere de vârf de peste 1000 W în multe cazuri, ceea ce necesită un convertor de cel puțin această putere, fără a menționa sutele instantanee de șocuri de amperi care apar la pornirea motoarelor diferitelor echipamente auxiliare. . Bateria „mică” este concepută pentru a elimina această problemă, fiind în măsură să deservească consumatorii de 12V la vârfuri și este încărcată printr-un convertor DC-DC de putere redusă în funcționare normală. Această soluție este mult mai rentabilă decât instalarea unui convertor suficient de mare.

Bateriile cu plumb acid sunt astfel dovedite într-o gamă largă de aplicații și sunt dovedite până în prezent. Multe dintre avantajele lor le fac potrivite ca baterii de pornire, stocare temporară pentru surse de alimentare neîntreruptibile și egalizatoare pentru consumul și producerea sistemelor solare, dar nu sunt potrivite pentru conducerea vehiculelor electrice sau doar cu compromisuri serioase.

Următoarea este o scurtă descriere a caracteristicilor bateriilor pe bază de nichel, NiCd (nichel-cadmiu) și NiMH (hidrură de nichel-metal).