Розвиток технології матеріалів, особливо технології акумуляторів, відігравав і відіграє найбільшу роль у створенні сучасних електромобілів. Щоб краще це зрозуміти, варто ознайомитися з розвитком накопичувача енергії. Наша серія з п’яти частин проведе вас до найважливіших етапів у розробці акумуляторів та допоможе зрозуміти, чому літій-іонна технологія дала електромобілям ще один шанс за останні роки.
У нашій першій статті йдеться про найвідоміший і найпоширеніший у світі тип акумуляторів - свинцево-кислотний акумулятор.!
Свинцево-кислотні акумулятори
Кожна людина, яка набралася сміливості хоча б раз у житті відкрити капот автомобіля, вже бачила свинцево-кислотний акумулятор, оскільки такий тип джерела живлення зустрічається в автомобілях, оснащених без винятку двигунами внутрішнього згоряння. Він забезпечує тимчасове постачання споживачам автомобіля до тих пір, поки двигун нерухомий і відіграє ключову роль у його запуску. Але як технологія зайшла так далеко?
Провідний фізик Гастон Планте винайшов свинцево-кислотну батарею в 1859 році. Це було перше джерело живлення, що перезаряджається, комерційне. Завдяки своїм численним перевагам він став найвідомішим у світі акумулятором. Він широко використовується в джерелах безперебійного живлення (ДБЖ), як основне джерело живлення для суден, підводних човнів, у невеликих електричних транспортних засобах, таких як візки для гольфу, і як стартерна батарея для автомобілів, оснащених двигунами внутрішнього згоряння.
Це надзвичайно проста конструкція, складається з двох свинцевих листів великої площі, занурених в електроліт, та ємності для зберігання. Для збільшення площі поверхні часто використовують замість свинцевого листа щільну сітку або кілька тонших листів, створюючи таким чином набагато більшу поверхню контакту між свинцем та електролітом. Як правило, електролітом є сірчана кислота (H2SO4), що вимагає обережності через їдкий рН. Оскільки чистий свинець (Pb) є надзвичайно м'яким металом, його завжди роблять більш стійким до фізичних впливів за допомогою легуючого матеріалу. До таких сплавів належать сурма (Sb), кальцій (Ca), олово (Sn) та селен (Se). Додані метали мають не тільки перевагу з точки зору своїх фізичних властивостей, але також покращують інші хімічні та електричні властивості, такі як зменшений саморозряд, краща стійкість до глибокого розряду або циклічне використання.
Завдяки свинцю готовий акумулятор буде важким, незважаючи на методи нарощування поверхні, і в багатьох випадках буде менш стійким до складання, тобто менш міцним, ніж сучасні типи батарей. Тим не менше, є сфери, де їх варто застосовувати через інші вигідні властивості.
Залежно від глибини розрядів він може витримати 200-300 повних циклів заряду-розряду. Основною причиною відносно невеликої кількості циклів є хімічна корозія, яка відбувається всередині акумулятора, коли заряди проходять через нього. Процеси корозії додатково прискорюються за рахунок збільшення швидкості заряджання та розряду, а також температури. Під час процесу акумулятор втрачає свою ємність, спочатку лише повільно, а потім все швидше і швидше зі старінням.
Перевагою свинцево-кислотних акумуляторів, крім простої конструкції, є їх невибагливість у позитивному сенсі. Ні зарядка, ні розрядка не вимагають точної схеми контролю. Звичайно, це не означає, що не було б вимог щодо адекватної напруги зарядки та струму зарядки, але він набагато менш чутливий до відхилень від ідеальних параметрів, ніж NiMH або літій-іонні акумулятори. У разі перезарядки або надмірного заряду розкладання води в сірчаній кислоті починається повільно, що означає водень і кисень. Накопичуючись у великих кількостях, ця газова суміш (вибухонебезпечний газ) надзвичайно небезпечна, тому при зарядці завжди слід забезпечувати вентиляцію. Якщо ця умова не зникне, рівень електроліту зменшиться, а також ємність акумулятора. Однак ви можете регенерувати акумулятор, замінивши випаровувану воду. Інший випадок - занурення, також відоме як глибокий розряд. У цьому випадку в акумуляторі починається хімічний процес, який називається сульфатуванням, що спричинює незворотні пошкодження поверхні електродів.
Покращені варіанти кислотної свинцево-кислотної батареї також називають закритою або необслуговуваною, оскільки немає отворів, де вона може контактувати з електролітом. У закритій коробці гази, що виділяються під час зарядки, можуть перетворюватися назад у воду під час розряду. Звичайно, якщо тиск підніметься вище безпечного рівня, клапан випустить надлишки газів, але залити водою вже неможливо.
Свинцеві сепаратори часто вбудовані між свинцевими листами, що складають електроди, зменшуючи тим самим коливання рідини та можливість коротких замикань, спричинених від'єднанням частин від електродів під час старіння. Є додаткові переваги, коли гелеутворюючий матеріал змішується з електролітом, щоб пристрій можна було встановити в будь-якому напрямку без витікання електроліту. Такі свинцево-кислотні акумулятори також називають гелевими (AGM). Цей розчин в основному використовується в діапазоні потужності від 30 до 100 Ач. Як неприємний побічний ефект, ваша чутливість до перезарядки та глибокого занурення зростає.
Свинцево-кислотні акумулятори розробляються для двох основних застосувань. Один - запуск двигунів внутрішнього згоряння, а інший - циклічне використання, коли акумулятор майже повністю розряджається, а потім повністю заряджається. Два способи використання вимагають абсолютно різної структури.
Стартерні акумулятори двигуна (Стартові акумулятори)
Запуск двигунів внутрішнього згоряння вимагає дуже короткого часу, як правило, 2-4 секунди, щоб забезпечити дуже велику потужність, як правило, 2-8 кВт. В крайніх випадках, коли двигун важко запустити, може знадобитися запуск на 20-30 секунд, навіть кілька разів. Коли двигун працює, підключений до нього генератор може відразу зарядити акумулятор, під час якого він заряджається майже до 100%. Стартовий акумулятор повинен відповідати таким вимогам. Подача великої потужності вимагає сильного струму, що може бути досягнуто за рахунок збільшення площі поверхні електрода, що, в свою чергу, робить багато тонких електродів набагато вразливішими до корозії. Отже, ці акумулятори надзвичайно чутливі до тривалого та глибокого занурення.
Циклічні батареї (Акумулятор глибокого циклу)
Такі батареї також називають робочими, тому що вони призначені для виконання такого завдання, як освітлення цілу ніч у човні чи будинку на колесах, розрядка сонячної енергії в неробочий час або водіння електромобілів. При такому використанні часто використовується 70-90% ємності акумулятора, тому його заряд часто може впасти до нуля. В результаті електроди піддаються сильній корозії, але як зарядний, так і розрядний струми залишаються малими. Для такого використання потрібні товщі, менша площа поверхні, але стійкі до корозії електроди. У цьому випадку час автономної роботи також залежить від того, скільки ємності використовує користувач. Якщо ми використовуємо лише 30% ємності замість 100%, ми можемо збільшити час автономної роботи до десяти разів, припускаючи, що ми працювали з верхніми 30% замість нижнього.
Загалом свинцево-кислотні акумулятори складаються з токсичних, шкідливих для навколишнього середовища компонентів, які при випуску спричиняють серйозне забруднення навколишнього середовища, але їх можна майже повністю переробити та, з належною обережністю, зробити екологічно чистими накопичувачами енергії. Завдяки легкій переробці, вони представляють серйозну цінність навіть у пошкодженому стані; вони переходять у більшість бджолосімей.
Переваги та недоліки свинцево-кислотних акумуляторів
| Переваги | Недоліки |
| Низька собівартість продукції | Низький коефіцієнт місткості |
| Високе співвідношення потужності/ціни | Повільна зарядка (12-18 годин для повної зарядки) |
| Велика потужність (струм розряду) | Зберігати в зарядженому стані |
| Широкий діапазон робочих температур (від -40 до 60 градусів С) | Короткий термін служби (переважно при циклічному використанні) |
| Низький рівень саморозряду (найнижчий з усіх акумуляторів) | Потребує обслуговування |
| Він складається із забруднюючих компонентів |
Типова напруга комірок свинцево-кислотного акумулятора становить 2 В. Таким чином, в автомобільному акумуляторі є 6 елементарних комірок, які з'єднані послідовно, тому на вихідних клемах створюється напруга 12 В. При повному заряді близько 2,15 В повністю розряджається, а до комірки подається близько 1,9 В. Лише приблизно тому, що виміряне значення також залежить від стану та віку акумулятора. У таблиці нижче наведено типові напруги на клем акумуляторної батареї та шестиклітинної свинцево-кислотної батареї при різних рівнях заряду.
| Заряд | Напруга комірки [V] | Напруга шести комірок [В] |
| 100% | 2.15 | 13 |
| 80% | 2.11 | 12.7 |
| 50% | 2.05 | 12.3 |
| 20% | 1.95 | 11.7 |
| 0% | 1,90 | 11.5 |
Якщо напруга опускається нижче 1,9 В, мова йде про глибокий розряд акумулятора. У будь-якому випадку цей діапазон призводить до постійного погіршення стану та зменшення тривалості життя. Тож варто уникати.
Зарядка кислотної батареї не вимагає точних схемних рішень, але слід дотримуватися деяких основних правил, уникаючи перевищення меж напруги в обох напрямках. Відповідну процедуру зарядки можна розділити на три частини:
- Постійний струм (CC)
- Постійна напруга (CV)
- Поплавковий заряд
У секції постійного струму рівень струму заряду не повинен перевищувати встановлене значення, яке зазвичай становить 0,1 ° C (10% потужності). На цьому етапі зарядки напруга на клем постійно зростає, поки напруга в комірці не досягне рівня близько 100%. Без електроніки, що обмежує струм, струм зарядки може стрибати стільки разів, скільки дозволено. На другому етапі, коли комірки досягли гранично допустимої напруги, зарядний пристрій повинен перейти на стадію постійної напруги, в цьому випадку зарядний струм постійно зменшується. Коли він опускається майже до нуля, починається третій етап, струминна зарядка, коли напруга акумулятора утримується лише на рівні зарядного пристрою.
Розрядка акумулятора також вимагає обережності, але далеко не така чутлива, як зарядка. Глибокий розряд вже згадувався, іншою межею є максимальний струм розряду, який також не повинен перевищувати межу, визначену виробником, за вказаний інтервал часу. Отже, сильний струм можна видалити з акумулятора лише на короткий час, інакше його внутрішня структура буде пошкоджена.
Ознайомившись із будовою цієї простої, але ефективної батареї, давайте подивимося, які її застосування.
Однією з найвідоміших сфер є автомобільна промисловість, включаючи запуск двигуна транспортних засобів, оснащених двигунами внутрішнього згоряння, а також роботу його електричних споживачів. Потрібно 2-3 кВт потужності протягом декількох секунд, щоб запустити двигун середнього автомобіля. Вантажівка або вантажівка вимагає більше цього - 6-8 кВт. Тому машини виготовляються з 6-елементними, а вантажівки з 12-елементними акумуляторами, тому їх пусковий струм може бути майже однаковим, 300-600 А. Однак вони можуть подавати цей величезний струм лише на кілька секунд, оскільки внутрішні хімічні процеси не можуть постійно проходити з такою швидкістю. Якщо акумулятор постійно заряджається сильним струмом, внутрішній опір збільшиться, тому максимальний струм, який можна зняти, зменшиться.
Звичайно, вони також використовували свинцево-кислотні акумулятори в ранніх електромобілях, частково через їх високий струм розряду, а частково через низький рівень товарів. Щоб плавно їхати автомобіль, не потрібно більше кількох десятків кіловат, але при прискоренні споживання енергії може зрости в рази, але такий стан триває лише кілька секунд (від 10 до 30 с). Для цього типу використання використовується трохи інша внутрішня конструкція, ніж стартерні батареї, щоб зробити батарею кращою при повному розряді.
Це один з електричних автомобілів 2000 років тому, який вже вважається сучасним, який також був побудований із свинцево-кислотною батареєю в Chrysler TEVan. Це невеликий чотиримісний мінівен, який виготовлявся між 1997 і 1998 роками з таким типом накопичення енергії. Пізніше виробництво тривало, але вже оснащене NiMH-батареями. Іншим, можливо, більш відомим прикладом є електромобіль General Motors EV1, який був виготовлений у той же період. Як і Chrysler, GM лише обрав технологію свинцю для ранніх моделей. Ємність акумуляторної батареї становила 16,5 кВт-год, а двигун потужністю 102 кВт переміщував вагу 1400 кг. Двомісне купе не виглядає особливо динамічним транспортним засобом, заснованим на параметрах, але воно добре встояло серед автомобілів цього віку.
У 1997 році також був доступний електричний пікап від Chevrolet S-10 Electric від General Motors, який також був оснащений свинцевим та NiMH акумулятором. Привід забезпечувався електродвигуном потужністю 85 кВт, а виробник надав 76 км пробігу на додаток до кислотного акумулятора 16,2 кВт-год. Почувши скромні цифри, ми не повинні дивуватися кількості проданих штук, яка становила лише 60 між 1997 і 1998 роками.
Нарешті, можливо, ми можемо згадати REVAi, який є індійським міні-автомобілем. Чотиримісний автомобіль був побудований між 2001 і 2012 роками (!), А в 2008 році це був найбільш продаваний електромобіль. Прогресу досягнув електродвигун потужністю 13 кВт, що працює від акумуляторної батареї на 200 Аг 48 В або 9,6 кВт-год свинцево-кислотних акумуляторів. Ця конфігурація забезпечувала максимальну швидкість 80 км/год для автомобіля довжиною 2,6 м.
Наведені приклади також підтверджують, що ця технологія підходить лише для керування транспортними засобами з сильними компромісами. Однією з причин цього є те, що, незважаючи на свою велику масу, він може зберігати лише невелику кількість енергії, тому практичний пробіг не перевищує або ледве перевищує 100 км, що, на жаль, недостатньо велике, щоб заманити масу клієнтів до оплати. Інша причина - тривалий час зарядки. Для повної зарядки такого акумулятора потрібно мінімум 12-18 годин, і це неможливо прискорити навіть ціною скорочення терміну служби. Третя причина - коротке життя. Ємність свинцево-кислотних акумуляторів може впасти більш ніж на 20% за 4 роки, і це погіршиться, лише якщо заряд упаде приблизно до 0% багато разів.
На той час у виробників автомобілів був лише один інтерес у створенні цих електромобілів, і це дотримання екологічних стандартів на рівні асортименту продукції. Вони, по суті, виконували рекламну роль і зазвичай не продавались, їх можна було орендувати лише в оренду.
Виробники або навіть не розглядали свинцево-кислотні акумулятори під час розробки, або незабаром зрозуміли, що на ринку є більш відповідні альтернативи. У сучасних електричних та гібридних автомобілях літій-іонні акумулятори працюють як основний накопичувач енергії, однак, як і їхні колеги з двигунами внутрішнього згоряння, вони містять свинцево-кислотний акумулятор. Справедливо виникає питання, яка причина цього. Відповідь, звичайно, полягає у економічності. Електричні споживачі легкових автомобілів, ліхтарі, вентиляція, зручна електроніка, HiFi, дисплеї та прилади працюють на 12 В протягом десятиліть. Всі постачальники автомобілів розробляють свою продукцію до такого рівня напруги, і на цьому побудовано багато стандартів, тому ніхто не зацікавлений у кардинальній трансформації.
Натомість електричні (і гібридні) автомобільні акумулятори працюють при набагато більших напругах від 300 до 500 В. Розрив між ними можна подолати за допомогою перетворювача постійного струму. Однак у багатьох випадках споживачі 12 В виробляють пікову потужність понад 1000 Вт, що вимагає перетворювача принаймні цієї потужності, не кажучи вже про миттєві удари сотень ампер, які виникають при запуску двигунів різного допоміжного обладнання. Цей “маленький” акумулятор призначений для усунення цієї проблеми завдяки можливості обслуговувати споживачів 12 В на своїх піках, і в звичайному режимі роботи він заряджається через малопотужний перетворювач постійного струму. Це рішення набагато вигідніше, ніж встановлення відповідного великого перетворювача.
Таким чином, свинцево-кислотні акумулятори перевірені в широкому діапазоні застосувань і перевірені донині. Багато їх переваг роблять їх придатними як стартерні батареї, тимчасове сховище джерел безперебійного живлення та еквалайзери для споживання та виробництва сонячних систем, але вони не підходять для керування електромобілями або лише з серйозними компромісами.
Далі наводиться короткий опис характеристик нікелевих, NiCd (нікель-кадмієвих) та NiMH (нікель-металевих гідридів) батарей.