Сравнение трубчатых и плоских пластин в свинцово-кислотных аккумуляторах

С момента изобретения свинцово-кислотной батареи Гастоном Планте, в 1860 году, производители батарей неустанно стремились к улучшению способов сохранения большего количества электрической энергии.

Между 1881 и 1892 годами, произошло стремительное развитие области конструкции решётки и формуле активной материала. Кроме того, технологические достижения в области техники и зарядного оборудования привели к улучшению более эффективных производственных процессов.

Принято считать, что технология трубчатой пластины развивалась в аналогичные сроки, что и технология плоской пластины. Интересно заметить, однако, что АКБ с трубчатыми пластинами, похоже, получили широкое признание в рамках Европейского сообщества, а также, в азиатских странах, которые были связаны с великими империями Европы на рубеже века. Целью данного документа является сравнение и различия особенностей и преимуществ плоских и трубчатых пластин в АКБ. Мы рассмотрим конструктивные и структурные различия, а также производительность и характеристики жизненного цикла. Наконец, укажем различия в зарядных характеристиках и техническом обслуживании.

Конструкция положительной пластины

Электролитическая ячейка, по определению, состоит из двух разнородных металлов, погруженных в электролит. В свинцово-кислотной ячейке, положительный электрод или анод, состоит из двуокиси свинца (PbO2) и является рабочей лошадкой батареи. Отрицательная пластина состоит из губчатого свинца (Pb). В обоих батареях с трубчатыми и плоскими пластинами, отрицательные пластины идентичны по внешнему виду и функциональности. Все отличия заключаются в дизайне и конструкции положительной пластины.

Конструкция положительной пластины аккумулятора

На Рисунке 1 показана типичная конструкция трубчатой пластины. Коллектор тока состоит из серии сердцевин, которые простираются вниз от верхней панели и называются «гребень». Параллельные трубки, или «перчатка», которые окружают сердцевину и сохраняют активный материал, сделаны из пористого, инертного материала. После заполнения, закручивается крышка в нижней части трубки, чтобы предотвратить потерю активного материала.

Плоская положительная пластина состоит из решётки и активного материала. Решётка отлита из сплава свинца и сурьмы. Горизонтальные и вертикальные линии называются «проволока» и подсоединены к «рамке». Как показано на Рисунке 2, активное вещество, при запрессовке в решётку, механически взаимодействует с сеткой из проволоки и рамки. Этот процесс экструзии также дает плоские поверхности по обе стороны пластины.

Активное вещество, при запрессовке в решётку в свинцово-кислотных аккумуляторах

Основная цель конструкции обеих трубчатых и плоских пластин - равномерное распределение плотности активного материала в пластине. Если плотность слишком высокая, производительность будет снижена. Низкая плотность приводит к преждевременной потере мощности и уменьшает время автономной работы.

Производительность и срок службы

Время работы аккумуляторной батареи можно охарактеризовать различными критериями, ни один из которых следует рассматривать отдельно от другого, как основу для принятия решения о покупке. Следующие графики зависимости ёмкости от количества циклов наглядно демонстрируют различия между батареями с плоскими и трубчатыми пластинами.

При производстве свинцово-кислотной батареи, активное вещество в положительной пластине преобразуется в диоксид свинца (PbO2). Двуокись свинца существует в двух формах, альфа и бета. Соотношение альфа и бета PbO2 в готовой пластине во многом зависит от состава активной пасты и процессов отверждения.

Постепенное увеличение ёмкости в течение многих циклов

Сегмент А на Рисунке 3 показывает постепенное увеличение ёмкости в течение многих циклов, при котором характерна высокая концентрация альфа-PbO2. График для трубчатых пластин показывает резкий, быстрый рост мощности в течение нескольких циклов, и является типичным активного материала с высоким содержанием бета-PbO2. Следует также отметить, что после достижения максимальной производительности, постепенное снижение ёмкости начинается в батареях с трубчатыми пластинами с высоким содержанием бета-PbO2. Это снижение ёмкости продолжается сегменте В графика, в котором, также как и в батарее с плоскими пластинами, полная производительность сохраняется на протяжении всего этого периода.

Батареи с плоскими пластинами начинают испытывать возрастные потери ёмкости в сегменте С, примерно в то же время аккумулятор с трубчатыми пластинами достигает конца срока его полезного использования.

Типичная причина выхода из строя в конце срока жизни батарей плоскими пластинами - ухудшение структурной целостности активного вещества в результате поглощения Альфа-PbO2 и повреждения решётки, в результате непрерывного коррозионного процесса в процессе заряда. Хотя сердцевины трубчатых пластин подвергаются тем же коррозионным процессам, как и решётки плоских пластин, нормальная причина отказа трубчатых аккумуляторах, связана с осыпанием активного материала. В конце заряда, газообразование является причиной того, что несвязанный положительный активный материал вступает в контакт с отрицательным электродом в результате формирования мохообразного губчатого свинца. «Мохообразование» это обычно приводит к короткому замыканию и преждевременному выходу из строя. Из-за физической нагрузки на трубки от разряда и заряда, в конце концов трубки разрываются и активный материал осыпается с положительной пластины. Вот почему батареи с трубчатыми пластинами, могут иметь в два раза больший лоток для осадка, чем соответствующие батареи с плоскими пластинами.

Заряд и обслуживание

Оптимальные производительность батареи и срок службы в значительной степени зависят от правильного заряда и обслуживания. Как уже говорилось ранее, активное вещество в положительном электроде батареи любого из двух типов - это двуокись свинца, продукт коррозии, схожий со ржавчиной (оксид железа). Скорость, с которой коррозия происходит в свинцово-кислотной батарее, связана с током конца заряда, необходимым для восстановления полного заряда батареи.

Наиболее очевидное преимущество трубчатой конструкции пластины по сравнению с плоской пластиной - более высокая удельная энергия. Удельная энергия - зависимость между энергоёмкостью батареи в час по отношению к весу батареи.

Такие преимущества, однако даром не обходятся. Малый диаметр сердцевин и снижение активной массы приводят к большему внутреннему сопротивлению. Это значит, что необходимо больше ватт-часов перезаряда для восстановления полного заряда батареи с трубчатыми пластинами. Далее, большой отсек для осадка на дне элемента с трубчатыми требует больше ватт-часов заряда, чтобы облегчить перемешивание электролита во время перезаряда после разряда. Если достаточный над перезаряд не достигнут, происходит процесс, известный как расслоение при котором концентрация сульфат-ионов а в нижней части элемента во время перезаряда возрастает. Газообразование, которое увеличивается в конце заряда, приводит к тому, что высококонцентрированный раствор кислоты равномерно равномерно распределяется по раствору электролита.

Когда время заряда имеет решающее значение, может потребоваться более высокое напряжение в конце заряда для полного заряда трубчатого аккумулятора. Лабораторные тесты показали, что полная производительность батареи с плоскими пластинами достигается, когда напряжение в конце заряда достигло в среднем 2,58 вольт на элемент. В то время как у батарей с трубчатыми пластинами, напряжение в конце заряда требовалось довести до 2,68 вольт на элемент, для достижения оптимальной производительности. Это более высокий потенциал перенапряжения в батарей с трубчатыми пластинами, в сочетании с более высокими токами, как правило, приводит к большей скорости коррозии гребня из свинцового сплава и увеличению потерь воды из раствора электролита.

Общепринятая рутинная практика обслуживания не сильно отличается у батарей с плоскими и трубчатыми пластинами. Полезно периодически проверять напряжение в элементах и конкретные значения удельной плотности, в дополнение к проверке правильной работы зарядного устройства. Кроме того, батареи нужно периодически очищать - удалять любую кислотно-насыщенную грязь и мусор, которые могут накапливаться на крышке аккумулятора.

Лабораторные испытания подтверждают, что потребление воды в батареях с трубчатыми пластинами было значительно больше, чем в аккумуляторах Trojan с плоскими пластинами - почти вдвое больше за срок службы батареи. Это, в свою очередь, предполагает, что расходы на техническое обслуживание батарей с трубчатыми пластинами, как правило, больше.

Заключение

Сторонники обеих конструкций спорят о возможных преимуществах их своих любимых технологий на протяжении десятилетий. Конечно, батареи с трубчатыми пластинами, как правило, превосходят в удельных энергетических показателях. Значит, соотношение ватт в час на фкилограмм больше у батарей с трубчатыми пластинами, чем в конструкциях с плоскими пластинами Конструкции с плоскими пластинами являются более надежными. То есть в них больше запас металла решётки и активного вещества, в результате чего получаем более тяжелые батареи при эквивалентной мощности ватт-час. Более тяжёлые решётки и большее количество активного материала удлиняют характеристика жизненного цикла, что снижает затраты, связанные с частой заменой. Малое потребление воды снижает себестоимость обслуживания.

Кроме того, опыт показал, что батареи с плоскими пластинами гораздо лучше держат напряжение при высокой скорости разрядов, например, когда погрузчик поднимающий тяжелые поддоны в ходе нормальной рабочей смены. Это связано с большей массой активного материала и больших проводников плоской пластины. Выбор аккумулятора лучше всего проводить для конкретной задачи и должен быть основан в значительной степени на соображения, которые обсуждались выше. Анализ требований и надлежащих размеров должен быть проведен прежде оценки конструкции батарей.

Наверх↑