1.2.Особенности конструкции аккумуляторной батареи.

Батареи открытые (вентилируемые).

Первоначальное (классическое) исполнение открытых батарей ведет свою историю с начала XX века, с появления первых электрических стартеров. За прошедшие сто лет это исполнение претерпевало ряд непрерывных усовершенствований, связанных с появлением новых материалов и технологий. В настоящее время оно уже стало достоянием истории, благодаря развитию производства современных исполнений батарей. Поэтому здесь мы начнём описание внутреннего устройства свинцовых стартерных батарей с рассказа о современных открытых батареях в пластмассовом корпусе с общей крышкой.

Согласно принятой в настоящее время международной классификации батареи открытого вида производятся в следующих исполнениях:

- нормального исполнения (N), для которых расход воды не нормируется;

- исполнение с малым расходом воды (L) - не более 4 г/А-ч ёмкости двадцатичасового разряда;

- исполнение с очень малым расходом воды (VL) - не более 1 г/А-ч ёмкости двадцатичасового разряда.

Расход воды по стандарту определяется путем взвешивания новой батареи и этой же батареи после перезаряда в течении 21 суток при температуре 40 и постоянном напряжении 14,4 В.

Б атареи нормального исполнения (N)

Характеризуются применением для изготовления их токоотводов (решёток) свинцово-сурьмяных сплавов с содержанием сурьмы более 3,0 %.

Основными недостатками свинцовых батарей нормального исполнения, известными с самого начала их существования, являются:

- необходимость регулярного (не реже одного раза в месяц) контроля уровня электролита и доливки дистиллированной воды при снижении уровня ниже нормы;

- сравнительно высокая скорость саморазряда (до 14 % за месяц у новых батарей), которая в процессе эксплуатации постоянно увеличивается и после полутора-двух лет работы возрастает в три-четыре раза.

Эти недостатки являются следствием сравнительно высокого содержания сурьмы в сплавах для токоотводов (решёток) аккумуляторных электродов (пластин).

До начала семидесятых годов традиционные батареи изготавливались в корпусах из эбонита или кислотостойкого пластика с отдельными аккумуляторными крышками и герметизировались битумной мастикой. Поэтому периодически требовалось очищать их от пыли и грязи с целью снижения саморазряда по перемычкам, находящимся на поверхности крышек батареи.

В семидесятые-восьмидесятые годы XX века, с развитием производства современных полимерных материалов и технологий их переработки, появилась и активно завоевала рынок конструкция и технология производства батарей в тонкостенных моноблоках из сополимера пропилена с этиленом. Такие батареи имеют единую для всех аккумуляторов общую крышку, герметизация которой происходит при помощи контактно-тепловой сварки без использования мастики. Поверхностный саморазряд по общей крышке снизился, однако скорость внутреннего саморазряда не изменилась.

Аккумуляторные батареи (см. Рис. 1) собираются в одном корпусе-моноблоке (10) из кислотостойкой пластмассы (полипропилен и его сополимеры), разделённом перегородками на отдельные ячейки (банки). Количество ячеек равно количеству аккумуляторов в батарее. В каждой ячейке находится блок электродов. который состоит из чередующихся положительных (2) и отрицательных (5) электродов, разделённых сепараторами. По сути, каждая аккумуляторная батарея состоит из нескольких аккумуляторов с номинальным напряжением 2,0 В, соединённых последовательно.

Электрическая ёмкость одного электрода определяется площадью его рабочей поверхности и толщиной. Обычно ёмкость одного электрода стартер- ной батареи колеблется в пределах от 8 до 15 А-ч. С целью получения заданной ёмкости аккумулятора, которая будет кратной ёмкости одного электрода, их соединяют полюсными мостиками в параллельные группы посредством газовой

с варки или методом окунания ушек электродов в расплавленный свинцовый сплав на специальных автоматизированных установках. Для обеспечения дальнейшего последовательного соединения соседних аккумуляторов между собой в батарею, к полюсным мостикам приваривают борн (7). После этого посредством контактной электрической сварки борнов через отверстия в перегородках моноблока, аккумуляторы соединяются между собой последовательно.

Рис.1 Устройство современной открытой (вентилируемой) батареи.

1 - литой положительный токоотвод (решётка); 2 - положительная (пастированная) пластина; 3 - положительная пластина в конверте; 4 - отрицательный просечной токоотвод; 5 - отрицательная пластина; 6 - блок положительных пластин; 7 - борн - межэлементное соединение; 8 - крышка батареи; 9 - ручка; 10 - моноблок; 11 - выводной борн; 12 - блок пластин в сборе; 13 - блок отрицательных пластин.

Соотношение между количеством положительных и отрицательных электродов зависит от требований, предъявляемых к аккумуляторной батарее. При этом количество электродов различной полярности не может различаться больше, чем на одну единицу.

Традиционно до середины 50-х годов отрицательных электродов в аккумуляторе было на один больше, чем положительных. При этом положительные электроды были на 10-20 % толще, чем отрицательные, а два крайних (наружных) отрицательных электрода в каждом блоке имели толщину до 40 % меньше положительных.

О днако, благодаря проведённым во второй половине XX века исследованиям и разработкам, появились аккумуляторные батареи, в которых количество отрицательных и положительных электродов одинаково, а также батареи с количеством положительных электродов на один больше, чем отрицательных. В этих случаях оба электрода имеют, как правило, одинаковую толщину.

П ри этом следует заметить, что все три варианта конструкции электродного блока равноценны с точки зрения долговечности.

Рис. 2 Токоотводы современных стартерных батарей.

а) литой токоотвод с радиальным расположением рёбер; 6) просечной токоотвод.

Электрод каждой полярности состоит из активной массы, нанесённой на токоотвод решетчатой конструкции (решётку). Токоотвод свинцового аккумулятора (см. Рис. 2) выполняет двойную функцию. Он является не только проводником первого рода, по которому генерируемая активной массой электрическая энергия передаётся посредством мостов, борнов и перемычек во внешнюю электрическую цепь, но и служит конструкционным элементом, обеспечивающим механическое удержание активной массы и возможность параллельного соединения электродов между собой в блоки при помощи ушек. Он представляет собой сетку, состоящую из вертикальных или наклонных рёбер и горизонтальных жилок, расположенных внутри прямоугольной рамки. В верхней части рамки выполнено ушко, которое служит для параллельного соединения электродов в блок при помощи полюсного мостика, как упоминалось выше.

Активная масса электродов имеет высокую пористость (47-60 %) и у новых заряженных аккумуляторов на положительном электроде состоит, в основном, из двуокиси свинца РЬО₂. (85-95 %), а на отрицательном электроде - из губчатого свинца РЬ (80-90 %). Кроме того, в активных массах остаются в небольшом количестве промежуточные окислы и сульфат свинца, содержание которых на первых циклах эксплуатации снижается за счёт более полного формирования активных материалов при повторяющихся зарядах.

увеличено

Рис. 3 Сепаратор- конверт из высокопористого полиэтилена.

Сепараторы (см. Рис. 3), расположенные между разноименными электродами, служат для пространственного разделения участвующих в электрохимических превращениях реагентов, обеспечивая тем самым работоспособность аккумулятора. Вместе с тем, сепараторы обеспечивают возможность диффузии электролита от одного электрода к другому.

Как уже упоминалось выше, при протекании электродных реакций у положительного электрода происходит более значительное изменение концентрации и плотности электролита, чем у отрицательного. Поэтому сторона сепаратора, обращенная к положительному электроду, выполнена ребристой, для облегчения доступа электролита к поверхности активной массы. При этом высота ребра, как правило, превышает половину толщины электрода. В современных модификациях сепараторов на стороне, обращённой к отрицательному электроду, также могут быть выполнены рёбра, высотой 0,2-0,3 мм для улучшения условий диффузии электролита у этого электрода. Благодаря применению для сепаратора современного эластичного микропористого материала (на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с низким электрическим сопротивлением), один из аккумуляторных электродов помещают в сепаратор-конверт (см. Рис. 4). В этом случае замыкание электродов различной полярности, при наличии шлама в нижней части блока при эксплуатации батареи практически исключено. Поэтому блок электродов устанавливают прямо на дно ячейки моноблока.

Рис. 4 Пластина в сепараторе-конверте.

Электродный блок (см. поз. 12 на Рис. 1), установленный в ячейку моноблока (10) (в просторечии называемую «банкой») и закрытый крышкой (8), является отдельным аккумулятором с номинальным напряжением 2,0 В.

Как упоминалось выше, электродные блоки, установленные в моноблок из современных полимерных материалов (полипропилен и его сополимеры), соединяются последовательно при помощи укороченных межэлементных соединений (7) через отверстия в перегородках моноблока. На Рис. 5 схематически показано, как осуществляется соединение аккумуляторов в батареях с общей крышкой.

Рис. 7 Соединение в батарею свинцовых аккумуляторов посредством точечной контактной электросварки.

а) - соединение в исходном состоянии (перед сварной); 6) - вдавливание металла в полость отверстия до создания электрического контакта; в) - точечная электросварка; г) - готовое соединение.

Обозначения:

1 - электрод; 2 - сепаратор; 3 - мостин; 4 - борн (межэлементное соединение); 5 - перегородка моноблока; 6 - отверстие в перегородке; 7 - сварочные клещи машины; 8 - пуансоны сварочных клещей.

Б орны (4) соседних аккумуляторов располагаются около технологического отверстия (6), предусмотренного в перегородке (5) моноблока (вид «а»). При помощи пуансонов (8) в клещах (7) сварочной машины, приложением осевого усилия, часть металла борнов выдавливается в отверстие до достижения механического и электрического контакта между соединяемыми деталями внутри отверстия (вид «6»). Затем включается сварочный ток и происходит контактная электросварка борнов (вид «в»), которая обеспечивает однородную структуру соединения и герметичность между соседними аккумуляторами (вид «г»).

Для батарей, работающих в условиях повышенных механических нагрузок (удары, вибрация) созданы конструкция и технология соединения, обеспечивающие повышенную вибрационную и ударную стойкость (см. Рис. 8).

Соединение в этом случае осуществляется в два этапа. Вначале в специально выполненных углублениях (2) на верхней части перегородки (1) моноблока (вид «а») производится газовая сварка борнов (5) соседних аккумуляторов (вид «б»). Затем место сварки герметизируется на специальной установке путём экструзии в литейную форму (7), в которую помещают сваренное соединение, пластмассы, из которой изготовлен моноблок (вид «в»). Образующийся при этом вокруг соединения пластмассовый «чехол» не только надёжно герметизирует место сварки, но и служит дополнительным упором для электродного блока при внешних механических (ударных и вибрационных) воздействиях на батарею (вид «г»).

Рис. 8 Способ соединения аккумуляторов в батарею посредством газовой сварки и герметизации пластмассой.

а) - перегородка моноблока с углублением и отверстием; б) - установка в моноблок электродных блоков перед сваркой; в) - соединение после газовой сварки соседних борное перед впрыском пластмассы с установленной на соединение литейной формой; г) - вид готового соединения после герметизации.

Обозначения: 7 - перегородка моноблока; 2 - углубление в перегородке для соединения соседних борнов; 3 - стенка моноблока; 4 - отверстие в перегородке; 5 - борны (межэлементные соединения); 6 - электроды; 7 -литейная форма для пластмассы; 8 - остаток литника.

Свойства термопластичной пластмассы позволили применить для батарей с общей крышкой совершенно иной метод герметизации, сделать батарею более надёжной и стойкой при колебаниях температуры окружающей среды. Герметизация батарей с общей крышкой производится методом контактно- тепловой сварки (см. Рис. 9).

Между свариваемыми поверхностями вводится металлический электрод (4), нагретый с помощью электронагревателей до температуры 240-260°С (вид «6»). При соприкосновении верхней части (5) моноблока (1) и нижней части (6) крышки (3) с нагретым электродом (4) они пластифицируются. После отвода электрода из зоны сварки, пластифицированные поверхности моноблока и крышки смыкаются, под действием вертикально направленного - усилия (Р) происходит их контактно-тепловая сварка (вид «в»). Сварное соединение, как показали испытания, обеспечивает надёжное сохранение герметичности и по периметру батареи и между отдельными аккумуляторами (ячейками) в широком диапазоне температур (от -50 °С до +70°С).

а 6 в

Рис. 9 Контактно-тепловая сварка моноблока и общей крышки.

а) установка общей крышки на батарею перед началом сварки; б) контактный разогрев свариваемых поверхностей; в) вид готового сварного соединения

Обозначения:

1 - моноблок; 2 - электродный блок; 3 - общая крышка; 4 - разогретый электрод; 5 - разогреваемая для сварки часть моноблока; 6 - разогреваемая для сварки часть общей крышки; 7 - грат, образующийся при контактно-тепловой сварке.

В крайних аккумуляторах батареи к одному из мостов приваривают выводной борн (см. поз.11 на Рис. 3), который после приварки крышки к моноблоку соединяется посредством газовой сварки с полюсным выводом батареи. Полюсный вывод выполнен в виде конусной втулки, залитой в пластмассу общей крышки при её изготовлении. Причём положительный и отрицательный выводы батареи имеют различный наружный диаметр, что позволяет исключить возможность переполюсовки при подключении батареи к бортовой сети автомобиля.

В настоящее время на предприятиях России практически все свинцовые стартерные аккумуляторные батареи для автотракторной техники производятся в пластмассовых моноблоках с общей крышкой. 

В крышке имеются отверстия для заливки электролита при приведении сухозаряженных батарей в действие после хранения, а также для контроля уровня и плотности электролита в процессе эксплуатации. Эти отверстия закрываются отдельными или соединёнными между собой в блок пробками. Для того чтобы обеспечить сохранность сухого заряда батарей в период хранения, в верхней или нижней части пробки вентиляционное отверстие перекрывается глухим приливом или другими дополнительными герметизирующими элементами. Этот прилив или дополнительный элемент после заливки электролита в батарею необходимо удалить для обеспечения вентиляции блоков при эксплуатации, о чём на верхней части пробки или на крышке батареи имеется соответствующая надпись.

Батареи с малым расходом воды (исполнение L - не более А г/А-ч)

Отмеченные выше недостатки открытых свинцовых батарей нормального исполнения обусловлены тем, что сурьма, которая содержится в сплаве положительных токоотводов, постепенно, по мере их коррозии, переходит через раствор на поверхность активной массы отрицательного электрода. Осаждение сурьмы на поверхности отрицательной активной массы снижает напряжение, при котором начинает выделяться водород. Поэтому, в конце зарядного процесса и при перезаряде, происходит активное газовыделение, похожее на кипение электролита, вследствие электролитического разложения входящей в его состав воды.

За последние тридцать лет произошло существенное развитие технологий и совершенствование оборудования для аккумуляторного производства. В результате были разработаны и появились на рынке несколько разновидностей батарей со значительно меньшим расходом воды в процессе эксплуатации. Основной отличительной особенностью таких батарей является использование для производства токоотводов сплавов с пониженным содержанием сурьмы или совсем без добавления сурьмы.

Батареи со значительно уменьшенным расходом воды начали выпускать в США в конце семидесятых годов ХХ-го столетия. Для токоотводов, как положительного, так и отрицательного электродов этих батарей, применяли свинцово-кальциевый сплав с содержанием кальция 0,07-0,1 % и олова 0,1-0,12 % (остальное - свинец). Это позволило добиться весьма значительного снижения газовыделения, которое обеспечивало эксплуатацию батареи без доливки воды в течение не менее двух лет. При этом саморазряд батарей замедлился более чем в шесть раз. Однако, после двух-трёх глубоких разрядов, такие батареи теряют 40-50 % ёмкости и их стартерные характеристики также снижаются. Именно по этой причине такие батареи не нашли широкого распространения ни в Европе, ни в России.

В Европе при производстве батарей с малым расходом воды пошли по пути применения сплавов с пониженным до 2,5-3,0 % содержанием сурьмы. Такие батареи прекрасно переносили глубокие разряды и надёжно работали без доливки воды в течение 12-18 месяцев. Однако потери воды и уровень саморазряда европейских батарей на основе малосурьмяных сплавов были в два-три раза выше, чем у американских батарей с кальциевыми токоотводами. Расход воды в батареях, которые выпускались в Западной Европе, составлял немногим более 4 г/А*ч, что было более чем в два раза хуже, чем у батарей, производившихся тогда в США на основе свинцово-кальциевого сплава.

Поэтому преимущества свинцово-кальциевого сплава заставили специалистов работать над поисками возможностей его использования в производстве положительных пластин стартерных батарей. Однако вначале в США появились батареи системы «кальций плюс» («гибридные») - с содержанием до 1,5-1,8 % сурьмы и 1,4-1,6 % кадмия в положительном токоотводе и отрицательным свинцово-кальциевым токоотводом. Затем и в Европе появляются так называемые «гибридные» батареи, содержащие положительные токоотводы из малосурьмяного сплава (не более 2,0 %) с добавлением мышьяка, олова, меди, селена и т.п. в различных комбинациях и соотношениях, и отрицательные токоотводы - из свинцово-кальциевого сплава. Характеристики этих батарей по расходу воды и саморазряду вдвое лучше, чем у малосурьмяных батарей предыдущего поколения и полностью отвечают требованиям, предъявляемым к батареям с малым расходом воды, который реально составляет 2,0-3,0 г/А-ч. Однако, показатели этих батарей все ещё не такие хорошие, как у свинцово-кальциевых.

В связи со значительным увеличением доли свинцово-кальциевого сплава при производстве аккумуляторных батарей, широкое распространение за рубежом получила технология изготовления токоотводов для электродных пластин методом просечки и растяжки свинцово-кальциевой ленты.

Она позволяет существенно повысить производительность аккумуляторного производства благодаря полной автоматизации процесса изготовления аккумуляторных пластин и значительно уменьшить расход свинца на батарею. Однако батареи с просечными пластинами могут выпускаться с завода только залитыми электролитом и заряженными.

Следует отметить, что пластины, изготовленные по «просечной» технологии, механически менее прочные, чем пластины на базе традиционных литых решёток. Это влияет на снижение срока службы батарей вследствие ускоренного разрушения положительных пластин в батареях, которые эксплуатируются в условиях повышенного зарядного напряжения, особенно в тех случаях, когда пластины обеих полярностей изготовлены на базе просечной технологии. Поэтому в последние годы, ведущие мировые производители не допускают на сборочные конвейеры батареи с положительными пластинами, изготовленными методом просечки.