Свинцовые аккумуляторы. Ликбез

Свинцово‐кислотные батареи известны человечеству с 19 века. Это древнейшая и уважаемая технология. Когда в России прапорщик Комаров с отрядом основывает город Владивосток, а в Африке Америке Уильям Уокер с товарищами пытается захватить Гондурас, в это самое время в латинском квартале Парижа сотрудники лаборатории Беккереля откупоривают Moët & Chandon, прикидывая в голове сумму франков, которую принесёт Второй Империи изобретение их удачливого коллеги Гастона Планте.

Устройство старое, но из века в век вызывает у пользователей всё те же вопросы – как работает, да как заряжать. Давайте разбираться!

Конструкция

Классический аккумулятор состоит из свинцовых пластин, погружённых в жидкий электролит – серную кислоту, смешанную с водой. В более навороченных моделях электролит загущают водным щелочным раствором силикатов натрия, что позволяет устанавливать их в любом положении, даже вниз головой, не боясь, что вода протечёт. Они помечены как «GEL», гелевые, и служат дольше обычных. Другой вариант исполнения – с пористыми сепараторами из стеклоткани, «AGM», они допускают более жёсткие режимы заряда.

Три или шесть таких аккумуляторов, «банок», объединяют под одним корпусом и называют батарея. Каждая банка даёт 2,11–2,17 вольт, и при последовательном их подключении на выходе батареи получается 6,3 В или 12,6 В.

Типоразмер

Основное применение свинцовых батарей – бесперебойники для офисной техники и автомобильные аккумуляторы. Последние отличаются тем, что могут выдерживать огромные токи, требуемые стартеру.

Стандартные размеры батарей для офисных ИБП:

• большие прямоугольные: 150 х 95 х 65 мм, 12 вольт, 7…12 А*ч
• маленькие квадратные: 90 х 100 х 70 мм, 12 вольт, 4…5 А*ч

В одном ИБП может стоять несколько батарей. В APC Back‐UPS 1100 – две большие, в популярном некогда Back‐UPS 500 – одна, а в стоечном Smart‐UPS 2200 – 8 маленьких. Если батарей несколько, производитель всегда рекомендует заменять их единым блоком, чтобы избежать разбалансировки (об этом ниже).

Химия

Как именно работает аккумулятор – большой вопрос. Всего в нём протекает более 60‐ти реакций. Основное уравнение вывели ещё в 1882‑м, с тех пор неоднократно оспаривали, но лучшей теории пока не придумали.

Итак. В химической реакции заряда‐разряда участвуют:

• вода H₂O.
• свинец Pb,
• серная кислота H₂SO₄

и их производные:

• сульфат свинца PbSO₄ (сернокислый свинец),
• диоксид свинца PbO₂ (перекись свинца),
• кислотный остаток SO₄ (анион),
• водород H₂,
• кислород O₂.

Процесс выглядит так:

Эта формула называется уравнением двойной сульфатации.

1) Заряд

Пропускание тока приводит к электролизу серной кислоты с образованием кислотного остатка, что запускает следующие реакции:

На аноде (+) кислотный остаток и вода превращают сульфат свинца в диоксид свинца с образованием серной кислоты. Анод становится тёмно‐шоколадного цвета (цвет диоксида свинца).

На катоде (-) водород восстанавливает сульфат свинца до свинца, забирая себе кислотный остаток и тоже образуя серную кислоту. Катод становится серым (цвет губчатого свинца).

В обоих реакциях выделяется кислота. Её содержание в электролите увеличивается. В полностью заряженном аккумуляторе ареометр покажет удельную плотность серной кислоты 1,25–1,27г/см³.

Когда сульфат свинца кончится, химические реакции остановятся, дальше будет только электролиз воды, «кипение» с выделением водорода и кислорода. В этот момент заряд нужно остановить.

2) Разряд

На аноде выделяется водород, забирает у диоксида свинца кислород и образует воду, а на его место становится кислотный остаток – образуется сульфат свинца.

На катоде выделяется кислотный остаток и соединяется со свинцом – образуется сульфат свинца.

Содержание кислоты в электролите снижается. На аккумуляторе, разряженном до 11,5 В её удельная плотность будет в районе 1 г/см³.

Однако напряжение – не всегда показатель степени разряда. Малыми токами можно посадить батарею почти полностью, при этом напряжение сохранится в районе 11,5 В. И наоборот, большими токами можно быстро дойти до 9,5 В, при этом потратив только половину запасённой энергии. Самый надёжный индикатор – это концентрация кислоты в банке.

Срок службы

В офисных ИБП батареи живут 3–5 лет, что, конечно, удручающе мало. Срок службы сокращают два фактора:

Физическое разрушение пластин

Разные формы соединений свинца занимают разный объём. Как вода увеличивается, замерзая, так и пластины батареи при каждом цикле заряд‐разряд увеличиваются и уменьшаются в размерах. Со временем частички свинца осыпаются и теряют контакт с электродами. Поэтому свинцовые батареи могут выдержать только ограниченное число циклов заряд‐разряд, обычно 500‑5000 циклов.

Сульфатация

Если слишком сильно разрядить батарею или хранить её в незаряженном виде, отложения сульфата свинца становятся толще и прочнее, кристаллизуются. Перейти обратно в свинец они уже не могут, поскольку кристаллы очень прочные и не проводят ток. Эти отложения не участвуют больше в химических реакциях, и ёмкость батареи снижается. Рекомендуется тратить не более 20% энергии, запасённой в батарее, чтобы избежать глубокой сульфатации, то есть оставлять на каждой банке не менее 1,75–1,8 В (10,8 В для батареи из шести банок). Некоторые производители считают точкой полного разряда напряжение 1,9 В (11,5 В для шести банок).

Рекомендации по режиму работы

По возможности не тратьте больше 20% заряда батареи (до 11,5 В).

Это основное отличие свинцовых батарей от никель‐металл‐гидридных (NiMH). Никелевые следует всегда разряжать полностью, до донышка (0,9 вольт), чтобы избежать «эффекта памяти». Свинцовые – ни в коем случае.

После использования батарею нужно сразу зарядить и поддерживать всегда в полностью заряженном состоянии.

Такой щадящий режим работы позволит избежать лишней сульфатации. А вот «тесты на надёжность», когда ИБП разряжают под нагрузкой и смотрят, сколько они протянут – это спорное занятие, лучше так не делать. Самое страшное для свинцовой батареи – глубокий разряд. Не допускайте этого.

Рекомендации по хранению

Полностью заряжайте хранящиеся батареи каждые 2–3 месяца.

Неиспользуемый аккумулятор ежедневно теряет 0,5–1% заряда – активное вещество переходит в сульфат. Чем теплее в помещении, тем быстрее этот процесс. Причём отрицательные пластины сульфатируются в три раза быстрее. Через полгода они разрядятся полностью.

Чтобы полностью зарядить долго лежавшую на полке батарею, зарядному устройству может потребоваться целый день (сутки).

Восстановление старых аккумуляторов

Восстановление потерявших ёмкость батарей – неблагодарное занятие, но автомобилисты освоили этот техпроцесс, поскольку их аккумуляторы стоят в десять раз больше, чем офисные.

В общем виде восстановление после глубокого разряда или хронического недозаряда заключается в «тренировке» батареи несколькими циклами «заряд‐разряд», причём заряжают хорошим зарядником, способным выдать 15–16 вольт (не менее 2,4 В на банку), а разряжают до рекомендованного минимума 10.8 В (8–9 В под нагрузкой). Нагрузкой может быть пара 12‐вольтовых лампочек, процесс займёт 2–6 часов.

После «тренировки» из заряженной батарей полностью сливают электролит и меняют его на свежий из магазина. Дозаряжают ещё. При благоприятном стечении обстоятельств ёмкость восстановится до 50–80% от заводской. При неблагоприятном – придётся восстанавливать ещё и повреждённую кислотой эмаль ванны.

Полностью убитые батареи, где на клеммах единицы вольт, восстановлению не подлежат – см. выше про сульфатацию.

Опыт человека, у которого всё получилось, и тонкости процесса: https://www.drive2.ru/l/8710551/

Важно

Батареи не любят ударов.

От удара свинец осыпается с пластин и может замкнуть (+) и (-) в одной из банок. Закороченная банка будет сильно греться. Соответственно зарядное напряжение перераспределится между оставшимися банками, и они тоже начнут греться, закипят, вздуются и/или потекут.

Опасность разбалансировки

В цепочке из нескольких батарей, установленных последовательно, какая‐то одна заряжается первой и перестаёт пропускать ток. Остальные вечно недозаряжаются и накапливают слои сульфата. При разряде – наоборот, самая недозаряженная батарея первой уходит ниже допустимого напряжения и страдает. Итог – одна из батарей умирает в ноль раньше срока. Следует устанавливать в ИБП абсолютно одинаковые батареи: одного производителя, партии и даты выпуска.

Ядовитые пары свинца

Их можно распознать по появлению сладковатого привкуса. Не путайте: водород и пары серной кислоты запаха не имеют, но ими тоже можно травануться.

По материалам книги: Н. Лаптев – Самодельные аккумуляторы.