Как работает технология автомобильного аккумулятора?
Свинец и кислота – это две вещи, которые большинство людей знает достаточно хорошо, чтобы их избежать. Свинец – это тяжелый металл, который может вызвать целый ряд проблем со здоровьем, а кислота – это, ну, в общем, кислота. Простое упоминание этого слова вызывает в воображении образы пузырящихся зеленых жидкостей и безумных хихикающих ученых, склонных к мировому господству.
Но, подобно шоколаду и арахисовому маслу, свинец и кислота, казалось бы, не идут вместе, но они делают это. Без свинца и кислоты у нас не было бы автомобильных аккумуляторов, а без автомобильных аккумуляторов у нас не было бы каких-либо современных аксессуаров или предметов первой необходимости, таких как фары, для работы которых требуется электрическая система. Так как же эти два смертоносных вещества собрались вместе, чтобы сформировать прочную основу автомобильных электронных систем? Ответ, заимствуя поворот фразы, элементарен.
Наука Хранения Электрической Энергии
Электрические батареи – это просто емкости для хранения, которые способны удерживать электрический заряд и затем разряжать его в нагрузку. Некоторые батареи способны производить электрический ток от своих базовых компонентов, как только они собраны. Эти батареи называются первичными батареями , и они, как правило, утилизируются после истощения заряда. Автомобильные аккумуляторы подходят к другой категории электрических аккумуляторов, которые можно заряжать, разряжать и заряжать снова и снова. Эти вторичные батареи используют обратимую химическую реакцию, которая отличается от одного типа аккумуляторов к другому.
В терминах, которые большинство людей могут легко понять, батарейки AA или AAA, которые вы покупаете в магазине, вставляют в пульт дистанционного управления, а затем выбрасывают, когда они умирают, являются основными батареями. Они собраны, как правило, из ячеек цинк-углерод или диоксид цинка и марганца, и они способны обеспечивать ток без зарядки. Когда они умирают, вы их выбрасываете – или распоряжаетесь ими должным образом, если хотите.
Конечно, вы можете приобрести те же батарейки типа АА или ААА в «перезаряжаемой» форме, которые стоят дороже. Эти аккумуляторы обычно используют никель-кадмиевые или никель-металлогидридные элементы. В отличие от традиционных «щелочных» батарей, никель-кадмиевые и никель-металлогидридные батареи не способны подавать ток на нагрузку при сборке. Вместо этого электрический ток подается на элементы, что вызывает химическую реакцию внутри батареи. Затем вы вставляете аккумулятор в пульт дистанционного управления, а когда он умирает, вы помещаете его в зарядное устройство, и подача тока обращает вспять химический процесс, который произошел во время разрядки.
Автомобильные аккумуляторы, в которых вместо оксигидроксида никеля и водопоглощающего сплава используется свинец и серная кислота, аналогичны NiMH-аккумуляторам. Когда на батарею подается электрический ток, происходит химическая реакция, и электрический заряд сохраняется. Когда нагрузка подключена к батарее, эта реакция меняется на противоположную, и на нагрузку подается ток.
Хранение энергии с помощью свинца и кислоты
Если использование свинца и кислоты для накопления электрического заряда звучит архаично, это так. Первая свинцово-кислотная батарея была изобретена в 1850-х годах, и батарея в вашем автомобиле использует те же основные принципы. Дизайн и материалы развивались на протяжении многих лет, но та же самая основная идея находится в игре.
Когда свинцово-кислотная батарея разряжается, электролит становится очень разбавленным раствором серной кислоты – это означает, что это в основном обычный H20 с небольшим количеством H2SO4, плавающим в нем. Свинцовые пластины, поглотив серную кислоту, превращаются в основном в сульфат свинца. Когда на батарею подается электрический ток, этот процесс меняется на противоположный. Пластины сульфата свинца превращаются (в основном) обратно в свинец, и разбавленный раствор серной кислоты становится более концентрированным.
Это не очень эффективный способ хранения электрической энергии с точки зрения того, насколько тяжелые и большие элементы сравниваются с количеством энергии, которую они накапливают, но свинцово-кислотные батареи все еще используются сегодня по двум причинам. Первый вопрос экономики; свинцово-кислотные батареи намного дешевле в производстве, чем любой другой вариант. Другая причина заключается в том, что свинцово-кислотные аккумуляторы способны выдавать огромное количество тока по требованию одновременно, что делает их уникально подходящими для использования в качестве стартовых аккумуляторов.
Насколько мелок ваш цикл?
Традиционные автомобильные аккумуляторы иногда называют аккумуляторами SLI , где «SLI» обозначает запуск, освещение и зажигание. Эта аббревиатура хорошо иллюстрирует основные цели автомобильного аккумулятора, так как основная работа любого автомобильного аккумулятора – запускать стартер, фары и зажигание до запуска двигателя. После запуска двигателя генератор обеспечивает всю необходимую электрическую энергию, и аккумулятор заряжается.
Этот тип использования представляет собой неглубокий тип рабочего цикла, поскольку он обеспечивает короткий импульс большого количества тока, и именно для этого специально предназначены автомобильные аккумуляторы. Имея это в виду, современные автомобильные аккумуляторы содержат очень тонкие свинцовые пластины, что обеспечивает максимальное воздействие электролита и обеспечивает максимально возможную силу тока в течение коротких периодов времени. Такая конструкция необходима из-за огромных требований к току стартеров.
В отличие от стартовых аккумуляторов, аккумуляторы глубокого цикла – это другой тип свинцово-кислотных аккумуляторов, предназначенный для «более глубокого» цикла. Конфигурация пластин отличается, поэтому они не очень подходят для обеспечения больших величин тока по требованию. Вместо этого они предназначены для обеспечения меньшей мощности в течение более длительного периода времени. Цикл «глубже», потому что он длиннее, а не из-за того, что общий разряд больше. В отличие от стартовых батарей, которые автоматически перезаряжаются после каждого использования, батареи глубокого цикла можно медленно разряжать – до безопасного уровня – перед повторной зарядкой. Как и пусковые батареи, свинцово-кислотные батареи глубокого цикла нельзя разряжать ниже рекомендуемого уровня, чтобы избежать необратимого повреждения.
Другой пакет, та же технология
Хотя основная технология, лежащая в основе свинцово-кислотных батарей, осталась более или менее неизменной, достижения в области материалов и технологий привели к ряду изменений. Аккумуляторы с глубоким циклом, конечно, используют другую конфигурацию пластин для обеспечения более глубокого рабочего цикла. Другие варианты делают вещи еще дальше.
Самым большим прогрессом в технологии свинцово-кислотных аккумуляторов, вероятно, стали свинцово-кислотные (VRLA) аккумуляторные батареи. Они по-прежнему используют свинец и серную кислоту, но у них нет «затопленных» влажных клеток. Вместо этого они используют либо гелевые элементы, либо абсорбированный стекломат (AGM) для электролита. Химический процесс на базовом уровне такой же, но эти батареи не подвержены выделению газа, как батареи с затопленными ячейками, и при этом они не подвержены утечке.
Хотя батареи VRLA имеют ряд преимуществ, их производство намного дороже, чем традиционных батарей с затопленным элементом. Таким образом, несмотря на то, что технологии продолжают развиваться и развиваться, есть вероятность, что вы еще некоторое время будете ездить с передовой технологией 1860-х годов под капотом – если только вы не станете электричеством. Но это совсем другое дело с точки зрения батарей.
