Применение Углерода в Свинцово-Кислых Батареях – Обзор

Источник: Journal of Solid State Electrochemistry (2019) 23:693–705

https://doi.org/10.1007/s10008-018-04185-5

Статья: «Применение Углерода в Свинцово-Кислых Батареях – Обзор».

Авторы: Jakub Lach & Kamil Wróbel & Justyna Wróbel & Piotr Podsadn & Andrzej Czerwiński

Дата Публикации: 10 January 2019

Статья, анонс которой мы предоставляем Вам для ознакомления, интересна тем, что в ней рассматриваются свинцово-кислые батареи с добавлением углерода. Такие батареи все чаще появляются на рынке для применения в качестве стартерных батарей в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания и в качестве накопителей энергии в системах возобновляемой энергии (солнечных и ветровых).

Авторы статьи рассматривают применение углерода в свинцово-кислотных батареях и указывают, что его применение в началось еще в 40-х годах прошлого столетия. Этим решалась и решается задача улучшения разрядных характеристик батарей, находящихся в условиях эксплуатации при регулярном недозаряде.

Это стандартно происходит при цикличном использовании: солнце взошло/подул ветер – есть энергия от зарядного устройства, изменилась ситуация – зарядное устройство отключилось. В таких применениях режим заряда батареи может длится от нескольких секунд до нескольких часов в зависимости от времени года, погоды, времени суток и других факторов.

А в автомобилях с современной старт-стопной системой работы двигатель автоматически глушится, когда автомобиль остановился и заводится от батареи при нажатии педали газа. В этом случае подзаряд аккумулятора от генератора автомобиля будет происходить только пока работает двигатель и автомобиль не доехал до ближайшего светофора. То есть батарея постоянно находится в состоянии частичного заряда.

Оба приведенных вида использования радикально отличается от буферного применения батареи в ИБП, где батарея постоянно подключена к зарядному устройству и разряжается только в аварийных ситуациях.

Для начала посмотрим на виды углерода, доступные для добавки в намазку пластин – существуют активный углерод, техническая/ацетиленовая сажа (черный уголь) и графит. Каждый тип углерода характеризуется разными значениями площади поверхности, емкости в фарадах на грамм, проводимостью и объемом пор (смотри иллюстрации ниже).
Основное преимущество применения углерода получается при добавке его в намазку отрицательной пластины.
В зависимости от производителя и назначения АКБ в намазке используются все три типа углерода.

В статье рассматривается какие процессы сказываются на состоянии батареи и почему добавка углерода в намазку отрицательной пластины дает какие-либо преимущества.

Прежде всего на состоянии батареи и сроке ее службы в режиме частичного заряда сказывается усиленная сульфатация отрицательной пластины в виде постоянно растущих кристаллов сульфата свинца и они просто не успевают растворяться из-за короткого времени заряда. Эти процессы показаны на иллюстрации, приведенной ниже.

Это присуще как автомобильным стартерным батареям, так и батареям в системах возобновляемой энергии.

Выводы, сделанные в статье на основе обзора существующих данных и применяемых технологий:

- добавка углерода увеличивает электронную проводимость пластины.

Частицы углерода поддерживают проводимость активного материала пластины в присутствие увеличивающегося объема сульфата PbSO4, который является диэлектриком. Добавка углерода обеспечивает увеличение этектропроводимости отрицательной пластины не смотря на возростание сопротивления за счет роста кристаллов сульфата на поверхности пластины.

- добавка углерода препятствует росту кристаллов сульфата, за счет торможения процесса роста кристаллов сульфата свинца.

- углерод воздействует на водород.

Добавленный в материал намазки, углерод препятствует выделению водорода на отрицательной пластине, что улучшает эффективность заряда.

- углерод является емкостной добавкой.

Добавленный углерод играет роль ассиметричной емкости, накапливая заряд высокой мощности в двойном слое проводников и, спонтанно разряжая эту емкость, преобразует PbSO4 в свинец Pb и серную кислоту.

- добавка графита, способствует дополнительному удержанию водорода в составе намазки. Процесс называется "интеркаляция". Структура графита удерживает атомы водорода, увеличивая емкость ячейки.

- углеродосодержащие батареи имеют повышенные характеристики процесса термической саморегуляции.

За счет термопроводности углерода увеличивается срок службы батареи по сравнению с исключительно свинцовыми аккумуляторами.

Свинцово-кислые батареи, работающие в режиме частичного заряда, еще рано списывать со счетов – новые технологии, такие как добавка углерода, позволяют этим батареям оставаться в строю и не сдавать свои позиции.

Материал подготовлен Соломасовым Дмитрием