В настоящее время с возросшим количеством и разнообразием электропитающих устройств в мире возросли и требования потребителей в вопросах обеспечения надежного резервирования питания этих устройств. И самым востребованным источником питания среди химических источников тока пока остаются свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Их популярность объясняется широким диапазоном емкостного ряда, возможностью группировки аккумуляторов до необходимого напряжения для различного оборудования, кратному 2 В (4, 6, 8, 12, 24 и т.д.) а, самое главное ценовой доступностью по сравнению с другими химическими источниками тока.
В тоже время при эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторных батарей возникает ряд ограничений обеспечения непрерывной и стабильной работы, связанный с ограничением срока службы и количества циклов заряда-разряда, снижением эффективности при изменении температурного режима, вероятностью «терморазгона» при несоблюдении рекомендованных условий эксплуатации.
Более того, одним из основных недостатков свинцово-кислотных аккумуляторных батарей являются большие сроки заряда по причине их электрохимических свойств, а именно процесса формирования и растворения сульфата свинца (PbSO4) на отрицательном электроде, состоящем из чистого свинца. При разряде на поверхности электрода образовывается сульфат свинца, а при заряде он снова приходит в исходные компоненты и состояние. Процесс растворения сульфата свинца происходит медленно, и если «ускорить» его увеличением зарядного тока, то происходит разложение воды, увеличивается газовыделение с повышением внутреннего давления, что может в дальнейшем привести к формированию кристаллов на электроде, а это еще больше снизит скорость заряда. На положительном электроде также формируется сульфат свинца, но на нем поддерживается высокая скорость заряда из-за его химического состава (диоксид свинца) в отличие от отрицательного.
Это подтолкнуло ученых искать решение этих проблем разработкой новых технологий производства, делая упор на вышеуказанные факторы, ограничивающие эксплуатационные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, а особенно на сокращение и замедление процесса накопления сульфатов, приводящего к деградации батарей.
И такое решение нашлось. Была создана более совершенная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея на основе добавки углерода в состав активной массы отрицательного электрода, которую можно назвать «модернизированной» версией свинцово-кислотной батареи. Сейчас у производителей она представлена как «свинцово-кислотная карбоновая аккумуляторная батарея». Спрос на карбоновые аккумуляторные батареи активно возрастает, и на это есть объективные причины.
Углерод (С) – очень интересный химический элемент (неметалл) со способностью образовывать полимерные органические цепочки и находящийся в составе большинства известных нам в природе полезных ископаемых: уголь, графит, известняк, горючие сланцы, торф, а также в составе обычной бытовой сажи и даже в составе растений и животных. Простота его добычи и широкое распространение позволяет значительно снизить себестоимость производства аккумуляторов с этим составом, улучшая при этом их эксплуатационные характеристики. В тоже время использование углерода в составе аккумуляторных батарей позволило еще больше расширить сферу применения этого органического соединения.
Кроме того, в карбоновых батареях используют коллоидный электролит (добавление селико-геля SiO2 в водный раствор серной кислоты) в небольшом количестве. Коллоидный электролит полимерного состава позволяет сбалансировать пропорцию электролита с сепаратором AGM (Absorbent Glass Mat), устранить явление расслоения, улучшить теплопроводность и ионную проводимость в батарее, а также избежать риска возможного терморазгона.
Период разработки и внедрения карбоновых аккумуляторных батарей прошел в два этапа. На первом этапе углерод добавлялся только в свинец при производстве отрицательной решетки. Кроме углерода в сплав добавляется олово и кальций. Решетка получается с высокой проводимостью, прочностью, коррозионностойкостью. Перемешивание С (углерода) и Pb (свинца) происходит химическим и физическим способом для выравнивания размеров и плотности С и Pb.
На втором этапе углерод стали добавлять и в активную массу отрицательной пластины, как и в саму решетку. При этом добавление углерода в состав активной массы позволил резко снизить процесс сульфатации пластин.
Частицы углерода, которые добавляются к свинцовому отрицательному электроду, образуют проводящую сетчатую структуру с центрами реакций, которая улучшает процесс накопления энергии. На поверхности этих углеродных частиц образуются новые реакционные центры и, таким образом, формируется проводящая сеть, способствующая равномерному протеканию электрохимических реакций на поверхности и внутри электрода, тем самым уменьшая эффект концентрированного осаждения сульфата свинца на поверхности. Будучи гетерогенным материалом, он препятствует росту частиц PbSO4 и обеспечивает их равномерное распределение на поверхности.
При этом необходимо отметить, что процесс сульфатации, в любом случае, неизбежен ввиду присутствия электрохимических реакций, протекающих в аккумуляторах, но он значительно снижен и наступает гораздо позже, чем у аналогичных по характеристикам AGM батареях и батареях с гелевым электролитом.
Таким образом, эта технология значительно препятствует процессу сульфатации отрицательного электрода, увеличивая при этом срок службы батареи до 15 и более лет в буферном режиме, а также количество циклов в циклическом режиме. Срок службы в циклах заряда-разряда усовершенствованной свинцово-углеродной аккумуляторной батареи в несколько раз больше срока службы обычных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, работающих в таком же циклическом режиме. При разряде до 70% они могут обеспечить до 2000 циклов заряда-разряда, тогда как обычная AGM батарея рассчитана не более 400-500 циклов в тех же условиях.
Еще одной отличительной особенностью карбона является возможность ускоренного заряда повышенными токами заряда без опасений нагрева, что влияет на сроки заряда и обеспечение безопасности оборудования. Поэтому они получили широкое применение не только в традиционном оборудовании, где используются обычные стационарные свинцово-кислотные аккумуляторы (системы телекоммуникации и связи, охранные и пожарные системы безопасности, источники бесперебойного питания, дежурное освещение и др.), но и в гибридных транспортных средствах, скутерах, голь-карах, мотоблоках на электротяге, медицинских колясках, электровелосипедах, клининговой технике, возобновляемых источниках энергии (солнечная и ветроэнергетика), телеметрическом, измерительном, контрольном и другом технологическом оборудовании.
Таким образом, можно выделить основные преимущества карбоновых по сравнению с традиционными герметизированными свинцово-кислотными аккумуляторными батареями:
Увеличенный ресурс эксплуатации в режиме циклов заряда-разряда;
Увеличенная скорость заряда, а, значит, сокращение времени заряда;
Возможность заряда увеличенными токами заряда;
Увеличенный срок службы в буферном режиме.
В качестве недостатков карбоновых батарей следует отметить, что они хуже держат заряд при высокой токоотдаче (высоком токе нагрузки), особенно на коротких режимах разряда. Поэтому рекомендовано их использовать в условиях равномерной нагрузки на протяжении всего разряда.
Карбоновые аккумуляторные батареи не только получили улучшенные технические характеристики, но и переняли все преимущества традиционных герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, изготовленных по технологии AGM. Эта технология дала толчок к дальнейшему развитию, оптимизации и совершенствованию конструкции свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.