Аккумуляторные батареи

Привет, Хабр! Сегодня мы введём в эксплуатацию сухозаряженный мотоциклетный AGM аккумулятор. Данное руководство можно использовать и для обычных сухозаряженных кальциевых АКБ с жидким электролитом.

Заодно обсудим, чем отличаются разные типы свинцовых аккумуляторов, и как это сказывается на их применении. Как всегда, будут видео и показания приборов.

Такие маленькие аккумуляторы используются в мотоциклах, скутерах, квадроциклах, гидроциклах, снегоходах, мотокультиваторах, мини-тракторах и даже опрыскивателях.



Основным отличием мотоциклетного AGM аккумулятора от привычных резервных (для источников бесперебойного питания, ИБП) и тяговых является назначение, соответственно которому нормируются ключевые параметры. У аккумуляторов, предназначенных для разных целей и условий применения, эти параметры разные.

Напряжения в этой статье будут приводиться для наиболее распространённых 12-вольтовых аккумуляторных батарей, к которым относится и подопытная.

Для стартерного или маломощного резервного аккумулятора титульной является полезная ёмкость 20- часового, иногда 10-часового разряда до 10.5 или 10.8 вольт под нагрузкой. Пример GS-12-12 L: 12 вольт, 12 ампер*часов.



Для тягового (глубокого цикла) в качестве основного параметра нормируется ёмкость 2-часового разряда (6-DZM-12: 6 банок, то есть, 12В, 12 А*ч), для мощного резервного мощность 15-минутного разряда (HR-W 12-34: 12В, 34 ватта на банку). Вот и ответ на вопрос, почему тяговая или премиум ИБП батарея того же напряжения, той же титульной ёмкости имеет массу, цену и иногда размер заметно выше, чем у бюджетной линейки для ИБП.



При глубоких разрядах химического источника большими для него током и мощностью вступает в силу закон Пейкерта, согласно которому, полезная отдаваемая ёмкость окажется ниже, чем при более низких токах.
Причины такого феномена поляризация и загромождение пор активных масс продуктами реакции, в случае свинцового аккумулятора кристаллами сульфата свинца. Выход из положения заложить больше активных масс, что, наряду с более стойкой конструкцией тоководов, пластин и предотвращающими их разрушению сепараторами, пригодится и для повышения следующих характеристик.



Вторым и третьим важнейшими параметрами являются количество циклов заряд-разряд и срок службы при постоянном буферном подзаряде до снижения ёмкости на 20-40 процентов. Дополнительно в информационном листке (даташите) к аккумуляторной батарее производители обычно предоставляют таблицы и графики ёмкости при разных токах и мощности разряда до разных напряжений с учётом температуры.



В отличие от тяговых и резервных, стартерный аккумулятор после ёмкости имеет второй, самый ключевой параметр пусковой ток, нормируемый как ток холодной прокрутки по тому или иному стандарту измерений. Именно он определяет способность запустить двигатель стартером, что является наипервейшей задачей автомобильной или мотоциклетной АКБ.
Потому основное свойство стартерной аккумуляторной батареи кратковременно выдавать весьма значительный ток,а затем оперативно восполнять затраченный заряд от генератора.

Стартерный аккумулятор современного транспортного средства, в котором много потребителей электроэнергии, в том числе, таких мощных, как нагревательные приборы и лебёдки, которое часто эксплуатируется в городском режиме коротких поездок, кроме достойной ёмкости, должен обладать и третьим важным свойством способностью выдерживать циклирование и длительное пребывание в состоянии частичной заряженности PSoC, partial state of charge. Именно поэтому под капот всё чаще ставят AGM или EFB (SFB и др.) стартерные батареи, имеющие некоторые черты тяговых.

В AGM absorbent glass mat жидкий электролит не плещется свободно, а пропитывает сепараторы из стекловолокна стекломаты. Подобные стекломаты, наряду с конвертами, защищающими пластины, могут быть в конструкции EFB, где электролит свободно плещется. Также эти батареи премиум-сегмента снабжены усиленными решётками и утолщёнными активными массами по сравнению с обычными стартерными и дешёвыми резервными. Всё это повышает надёжность и стойкость, но чаще всего затрудняет диффузию ионов и перемешивание электролита, потому при эксплуатации продвинутых АКБ следует учитывать их особенности.



Итак, перед нами новый AGM аккумулятор Siltech DC MF 1205 12 В 5 А*ч. В комплекте паспорт с инструкцией на русском языке, сам аккумулятор, винты с гайками для клемм, удобная батарея капсул с дозированным электролитом и клапанные пробки на заливные горловины, конструктивно объединённые с верхней крышкой.



Вскрывать ёмкости с электролитом не следует, плёнки на горлышках капсул пробиваются иглами заливных горловин при установке ёмкости на аккумулятор. Но мы всё же проткнём одну из плёнок, чтобы измерить плотность рефрактометром. (Не повторяйте это!)



Плотность чуть выше 1.31. В очередной раз убеждаемся, что в AGM заливают электролит повышенной плотности.



Формовка сухозаряженных аккумуляторов производится на заводе, далее пластины сушат, и уже из сухих формованных пластин собирают аккумулятор. Срываем наклейку, предохраняющую от кислорода, влаги и пыли, видим заливные горловины с иглами.



Перед заливкой электролита подключим к клеммам АКБ вольтметр с регистратором, чтобы посмотреть, как произойдёт активация химического источника тока. Исходная температура аккумулятора 24.3 градуса Цельсия.



Аккуратно переворачиваем ёмкость-дозатор, устанавливаем её сверху батареи и утапливаем вниз, прокалывая плёнки на горлышках. Это пришлось делать двумя руками. потребовалось прилагать усилие равномерно с левой и правой стороны.



Ещё не весь электролит поступил в банки аккумулятора, а его температура уже поднялась почти на 2 градуса, до 26.2.



Убедились, что весь электролит вытек, снимаем ёмкость-дозатор. Температура 31 градус.



Активация идёт полным ходом, с выделением теплоты. Реакция экзотермическая.
Так как электролит поступал в банки неравномерно, рост напряжения при активации также неравномерный. За минуту напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) поднялось с 10.72 до 12.55 вольт, затем две минуты росло до 12.7 и продолжает расти.



Прошло полчаса, на клеммах 12.78 В. Температура снижается, активацию можно считать завершённой.



Мотоциклетные аккумуляторы маркируются в японском индустриальном стандарте JIS. Нашу АКБ производитель маркировал собственным кодом DC MF 1205, но в JIS такой типоразмер обозначается UT5L-BS. Именно этот пункт выбираем в меню тестера.



Внутреннее сопротивление 18.18 мОм, ток холодной прокрутки 165 А, НРЦ 12.72 В. Батарея исправна.



Тестер показывает, что АКБ полностью заряжена, но инструкция предписывает, что перед установкой аккумулятора на транспортное средство после активации его обязательно необходимо зарядить, в противном случае батарея теряет до 20% ёмкости.



Инструкция рекомендует заряжать током 1/10 ёмкости, (в нашем случае 500 мА), и остановить заряд при достижении напряжения 16 вольт. Рекомендуется полная зарядка на стационарном зарядном устройстве не реже, чем один раз в 3 месяца.



В лаборатории автоэлектрики Вектор мы предпочитаем при заряде постоянным током перед высоковольтным дозарядом произвести этап основного заряда током 10% ёмкости до напряжения от 14.1 до 14.8 вольт, в зависимости от типа аккумулятора, (обычно 14.4-14.7), дождаться снижения тока при этом напряжении, и заряжать далее при повышенном напряжении более низким током, обычно 2% от ёмкости.



Однако одноэтапный профиль из инструкции Siltech предписывает не держать АКБ при 16 вольтах, а сразу отключать заряд по достижении этого напряжения. Так как это стартерная AGM, этот профиль можно считать годным для безопасного заряда, но в таком случае важно не прозевать момент достижения 16 вольт и немедленно отключить ток.



Заряжать можно как стабилизированным источником тока и напряжения в виде зарядного устройства (ЗУ) или блока питания, так и ЗУ с автонастройкой параметров заряда с микропроцессорным управлением в реальном времени. Таких продвинутых автоматов сегодня существует много, например, зарубежные СТЕК, Optimate, NOCO и отечественные изделия от предприятий ЛБ-Электро, Автоэлектрика, Балсат. Мы воспользуемся прибором Бережок-V на базе ЗУ Вымпел-30 производства Орион СПБ.



При запуске заряда автомат подал на нашу 5 А*ч АКБ ток, выросший примерно за секунду от рекомендованных в инструкции 0.5 до 5 ампер, то есть, 1C, 100% ёмкости, казалось бы, десятикратное превышение. Что это, глюк, сбой, ошибка или недоработка алгоритма?



На самом деле, никакого превышения нет. По Вудбриджу, ток начала заряда постоянным напряжением как раз составляет 100% ёмкости. И такое начало первого этапа далеко не редкость из мира сверхбыстрых методов заряда и полезных моделей, их реализующих. Наоборот, это происходит повседневно под капотом авто. Генератор автомобиля часто выдаёт 60 ампер, а то и больше, 60 А*ч аккумуляторной батарее. Но это не значит, что так можно зарядить аккумулятор за час, или что этот ток можно держать вплоть до 16 вольт. Как только напряжение на клеммах достигает уставки регулятора напряжения, зарядный ток снижается.

Не всегда состояние аккумуляторной батареи позволяет принимать такой высокий ток после запуска двигателя стартером, часто мешает прогрессирующий разбаланс из-за недозаряда и сульфатации. И увы, никогда полный выравнивающий восстановительный заряд не может осуществиться при напряжениях бортовой сети автомобиля, (если не говорить о гипотетических сложных микропроцессорных системах, где в бортсети есть контроллер заряда, датчик батарейного тока, и так далее). Потому не реже,чем раз в 3 месяца, аккумулятору необходим стационарный заряд. Стационарный то есть, не от штатного генератора, а от специализированного зарядного устройства или источника питания, адекватно управляемого вручную или автоматом.



5 ампер было при 13.5 вольтах, а по прошествии 5 минут при 14.1 В всего 4 ампера. Далее напряжения будут расти, а максимальные токи снижаться, это общее правило почти всех методов и профилей заряда. Исключение составляют специальные режимы для эффективного перемешивания электролита, когда подаются значительные токи при перенапряжениях в течение нормированного времени, а также режимы буферного и периодического подзаряда в хранении. Параметры этапа зависят также от температуры аккумулятора, которая может меняться в ту или иную сторону по внутренним и внешним причинам несколько раз на протяжении заряда.



На утро следующего дня ЗУ в режиме хранения, заряд завершён. На клеммах 13 вольт.



Тестер показывает 16.38 мОм, 184 А, 12.88 В. Параметры батареи улучшились в сравнении с теми, что были до заряда: 18.18 мОм, 165 А, НРЦ 12.72 В.



Электронную нагрузку настроим на ток 20-часового разряда по ГОСТ до 10.5 вольт. Для 5 А*ч АКБ этот ток равен 250 мА.



Аккумулятор отдал 5.461 А*ч. Прекрасный результат.



На разряженной АКБ тестер показывает 129.87 мОм, ТХП 24 А, здоровье 16%, НРЦ 11.03 В, и предписывает зарядить и повторно проверить.



Степень заряженности 0%, потому и внутреннее сопротивление высоко, здоровье и токоотдача низкие. Будем заряжать.



Прошли 2 часа после заряда, можно закрыть крышку и использовать аккумулятор по назначению. Он введён в эксплуатацию.



Показания тестера после разряда 15.27 мОм, 196 А, 12.92 В. Благодаря контрольно-тренировочному циклу (КТЦ), они ещё более улучшились с предыдущих 16.38 мОм, 184 А, 12.88 В. Здоровье АКБ 100%.

По итогам измерений, и пусковой ток, и ёмкость данного аккумулятора соответствуют заявленным, производитель не обманывает, эту сухозаряженную АКБ можно рекомендовать к приобретению.

Итак, после заливки сухозаряженного свинцово-кислотного аккумулятора его действительно необходимо зарядить, чтобы не получить потерю ёмкости и токоотдачи, что мы увидели из показаний приборов в данном эксперименте.

Статья составлена в сотрудничестве с аккумуляторщиком Виктором VECTOR.

Привет, Хабр! Серная кислота почти вдвое тяжелее воды, и её водные растворы, в том числе аккумуляторный электролит, склонны к расслоению: тяжёлая кислота вытесняет лёгкую воду вверх и опускается вниз. Как это влияет на работу аккумуляторной батареи, и насколько эффективно перемешивает электролит тряска при движении транспортного средства? Проведём эксперимент с видео и показаниями приборов.

Перед началом опыта, вспомним известные факты о расслоении электролита:

Основная токообразующая реакция в свинцовом аккумуляторе, двойная сульфатация по Гладстону-Трайбу, требует для заряда воды, которая расходуется из электролита с выделением кислоты, а при разряде наоборот, расходуется кислота и выделяется вода.

Обязательными условиями заряда участка активной массы являются наличие в этом участке воды, а также электрический потенциал не ниже необходимого для преодоления термодинамической электродвижущей силы ЭДС на этом участке. ЭДС тем выше, чем выше концентрация кислоты.

Следовательно, повышенная концентрация электролита в нижней части банок и глубине намазок пластин АКБ аккумуляторной батареи ведёт к тому, что для преодоления термодинамической ЭДС требуется более высокое напряжение на клеммах. При недостаточном напряжении заряд участка активной массы (АМ) с повышенной концентрацией кислоты не произойдёт никогда. Также препятствует заряду и недостаток воды в данном участке АМ.

И заряд, и разряд активных масс ведут к расслоению электролита, так как выделяющаяся при заряде кислота стремится вниз, а образующаяся при разряде вода вверх. Таким образом, если не предпринять специальных мер, при любой глубине циклирования или просто саморазряде АКБ расслоение электролита прогрессирует.

Современные типы АКБ характеризуются плотными сепараторами, препятствующими оплыванию активных масс и короткому замыканию. Они повышают надёжность, виброустойчивость и срок службы АКБ, но и препятствуют перемешиванию электролита, усугубляя тенденцию к расслоению.

Чем более прогрессирует расслоение электролита, тем большая доля активных масс при штатном зарядном напряжении не заряжается, то есть, остаётся в виде сульфата свинца, склонного переходить в труднорастворимую форму. Это явление называется сульфатацией. Не следует путать с двойной сульфатацией п. 1 нормальной токообразующей реакцией. Сульфаты имеют меньшую плотность, чем заряженные АМ губчатый свинец отрицательных пластин и оксид свинца положительных, потому сульфатированные намазки увеличиваются в объеме, что ведёт к разрушению конструкции аккумулятора и коротким замыканиям. П. 5 этому препятствует, но при отсутствии периодического выравнивающего заряда АКБ с расслоением и сульфатацией теряет ёмкость, токоотдачу и концентрацию кислоты в верхних слоях электролита.

Электролит с низкой концентрацией кислоты замерзает при более высокой (менее минусовой) температуре, потому расслоение электролита ведёт к выходу аккумулятора из строя в зимнее время.


По просторам Всемирной Паутины с давних времён гуляет множество мифов о губительности кипячения, заряда с перенапряжением и выделением водорода и кислорода, пузырьки которых перемешивают электролит, для автомобильных АКБ. Многие руководствуются этими мифами при заряде АКБ и выборе для этого зарядных устройств ЗУ.

Отчасти поэтому, во многих моделях ЗУ производители ограничивают напряжение на уровне, не допускающем кипения электролита, в других моделях предоставляют пользователю выбор максимальных напряжений заряда путём ступенчатого переключения или плавной регулировки, даже если ЗУ представляет собой не просто источник питания со стабилизацией тока и напряжения (СС/CV), а имеет алгоритмы автоматического управления напряжением и током согласно табличным значениям профиля или на основании измерения характеристик АКБ.

Водород, аэрозоль серной кислоты и сероводород, могущие выделяться при заряде аккумулятора, действительно опасны, потому заряжать следует в проветриваемом помещении, адекватно управлять током, напряжением и временем заряда, изучить и соблюдать технику безопасности.

В сегодняшнем эксперименте посмотрим, насколько перемешают электролит пара современных отечественных ЗУ, и насколько это требуется от ЗУ вообще, применительно к стартерной аккумуляторной батарее. Ведь она монтируется на автомобиле (мотоцикле, снегоходе, катере...), а тот испытывает ускорения и вибрации при движении. Некоторые авторы считают, что поездки перемешают электролит, потому в функции зарядного устройства это не входит. Давайте попробуем, и узнаем.


Подопытным будет аккумулятор АКОМ +EFB 6СТ-60VL. Со времени предыдущего стационарного обслуживания он использовался на автомобиле 4 месяца. График работы владельца автомобиля сутки через трое, каждая поездка занимала 20 минут. Стартер и сигнализация за трое суток простоя в каждом таком цикле расходовали примерно 3 ампер*часа.

Начнём с измерения параметров текущего состояния. И как всегда, в первую очередь вымоем корпус и зачистим клеммы.


Напряжение разомкнутой цепи НРЦ, оно же ЭДС без нагрузки, по показаниям трёх приборов 12.48, 12.50, 12.52 В.


Плотность электролита по банкам колеблется от 1.22 до 1.23. В крайних банках плотность ниже, в средних выше. Это тенденция, обычная для свинцовых батарей.


Итак, наблюдаем расхождение: НРЦ соответствует уровню заряженности выше 80%, плотность электролита при котором должна быть 1.24, а по плотности уровень заряженности получается 75%, НРЦ должно быть 12.4 В. Причиной такого несоответствия как раз является расслоение электролита за 4 месяца эксплуатации под капотом. Повышенная концентрация кислоты в нижней части банок создаёт завышенное НРЦ. АКБ в таком состоянии необходим стационарный заряд.


Напряжение под нагрузочной вилкой не падает ниже 10 вольт, аккумулятор способен крутить стартер. Но если почитать инструкцию от производителя, то там чётко и ясно написано: если плотность ниже 1.25, аккумулятор требуется зарядить до плотности 1.28. Также в инструкции сказано,что можно оценить степень заряда по напряжению, и рекомендуется производить стационарный заряд при НРЦ ниже 12.5, но если имеется доступ к электролиту, то лучше проверить его плотность.


Приступаем к заряду зарядным устройством BL1204 на программе 2.


Заряд длился 9 часов. Плотность по банкам составила от 1.23 до 1.24.


По графику напряжения на клеммах, видно, что ЗУ производит основной заряд с подачами и паузами разной продолжительности, а затем три этапа непрерывного дозаряда, после чего последовали тест АКБ и буферный режим 13.65 В. Однако для кальциевой АКБ до 14.8 вольт происходит лишь основной заряд, потому продолжим заряд на программе 4.


Время заряда составило 1 час 16 минут плюс 20 часов в режиме буферного хранения. Плотность поднялась ещё на одну сотую и составила от 1.24 до 1.25. Сделаем ещё один проход на 4-й программе.


Время заряда снова 1 час 16 минут. Плотность поднялась всего на 0.005. Перезапустим программу 4 в третий раз.


Третий проход длился те же 1 час 16 минут. Плотность снова поднялась на 0.005. Отключаем ЗУ от АКБ. После отстоя продолжительностью 18 часов 20 минут НРЦ 13.20 В. При плотности 1.25 это говорит об очень сильном расслоении электролита. Запустим программу 4 ещё раз.


Заряд длился на этот раз около 50 минут. Плотность электролита не поднялась. Попробуем воспользоваться другим ЗУ.


Возьмём Бережок-V, установим 15.9 В то же максимальное напряжение, что у BL1204.


Ток изменяется от -0.2 до 4.5 ампер. Отрицательное значение тока не ошибка токовых клещей, а разрядные импульсы в асимметричном (реверсивном) заряде.


Заряд длился 4 часа, за которые ЗУ сделало две длительные паузы, и затем перешло в режим хранения не поддержание буферного напряжения, как BL1204, а периодический подзаряд.
В пиках напряжение достигает тех же 15.9.


Плотность в 5 банках составила 1.26 или чуть выше, и в одной 1.255. Оставим АКБ на ночь дозаряжаться в режиме хранения.


По прошествии 15 часов, импульсы тока доходят до 5 А, снижаясь менее чем за секунду до 1 А.
Для отбора проб электролита из глубины банок воспользуемся удлинённой пипеткой, гибкий наконечник которой может пройти сбоку от пластин. Короткой пипеткой произведём отбор, как обычно, из верхнего слоя.


Плотность верхнего слоя составила 1.26, нижнего почти 1.31. Это весьма значительное расслоение, обуславливающее высокое напряжение разомкнутой цепи при недозаряженных и сульфатирующихся нижних частях пластин. Ни одно из применённых ЗУ при заряде нашего аккумулятора до 15.9В с расслоением не справилось.


Устранят ли поездки такое расслоение? Для непосредственной проверки установим АКБ под капот, для чего пришлось удлинить провод массы.


Для лучшего перемешивания прибавим напряжение бортовой сети с 14.3 до 14.8 В, так как это позволяет сделать трёхуровневый регулятор напряжения.


Приборная панель Gamma GF-618 позволяет регистрировать данные поездок, что тоже очень пригодится в нашем эксперименте.


Пробег за трое суток в городском режиме составил 143.7 километра. Большое количество разгонов и торможений должно способствовать перемешиванию электролита.


Израсходовано 12.8 литров бензина.


После таких поездок плотность на глубине составила 1.29.


Плотность сверху 1.27. Предписываемого инструкцией значения 1.28 так и не достигли. Расслоение до сих пор присутствует. Покатаемся ещё трое суток, на этот раз, не только по городу, но и по трассе.


Итого за 6 суток автомобиль двигался восемь с половиной часов.


Общий пробег за это время 377.8 км.


Бензина затрачено 28.8 литра.


Плотность электролита наверху и внизу, наконец, уравнялась, и составила чуть ниже 1.27.


Итак, чтобы устранить расслоение в Ca/Ca EFB аккумуляторе после нескольких перезапусков стационарного заряда до 15.9 вольт, понадобилось почти 378 километров пробега и 29 литров бензина при напряжении бортсети 14.8 В. Сделаем выводы:

Q: Перемешивается ли электролит в современном кальциевом аккумуляторе с высокой плотностью сепараторов и упаковки пластин при движении транспортного средства?

Да, действительно перемешивается.

Q: Насколько такое перемешивание эффективно?

Мягко говоря, не очень.При более низком напряжении бортовой сети и более коротких поездках расслоение электролита продолжило бы прогрессировать

Q: Остались ли после всех стараний в испытуемом аккумуляторе недозаряд и сульфатация?

Да, остались. Чтобы считать данную АКБ заряженной, мы должны получить плотность верхних слоёв не менее 1.28.

Q: Проявляют ли EFB аккумуляторы, вместе со склонностью к расслоению электролита, заявленную стойкость к длительному недозаряду (PSoC, partial state of charge, состояние частичной заряженности) и циклированию с глубокими разрядами?

Да, как показывают другие наши исследования, которые продлжаются, уже выложено несколько видео, и готовятся следующие видео и статьи.

Q: Тем не менее, будут ли ёмкость, токоотдача и устойчивость к замерзанию электролита деградировать если не предпринимать периодических регламентных процедур по полному стационарному заряду?

Будут, у любого свинцово-кислотного аккумулятора, потому что препятствует замерзанию концентрация кислоты в растворе, полезная ёмкость обеспечивается количеством заряженных (десульфатированных) активных масс, а способность отдавать ток полезной нагрузке и оперативно восполнять затраченную энергию от генератора автомобиля или иного зарядного устройства действующей площадью активных масс. На ёмкость и токоотдачу влияет доступность воды для заряда и кислоты для разряда, т.е. расслоение электролита напрямую вредит этим ключевым для химического источника тока параметрам.

---

Теперь давайте всё-таки продолжим заряд данной аккумуляторной батареи. На этот раз начнёт Бережок-V, при том же напряжении окончания заряда 15.9 В.


Заряд продолжался около 4 часов, плюс 4 часа в хранении.


Плотность поднялась с чуть ниже 1.27 до 1.275. Передаём эстафетную палочку BL1204.


Заряд длился около часа, и далее 14 часов в режиме хранения.


Плотность осталась 1.275.


Установим на Бережке-V ограничение напряжения 16.7 вольт и запустим заряд.


По прошествии 4 часов ЗУ автоматически перешло в режим хранения. Плотность и над пластинами, и на глубине чуть выше 1.28. Электролит перемешан, расслоение устранено.


Адекватный стационарный заряд не только перемешивает электролит эффективнее, чем ускорения и вибрации при движении транспортного средства, но и позволяет более полно зарядить аккумуляторную батарею, устранить сульфатацию, поднять эксплуатационные характеристики.


Спустя сутки, имеем следующие показания тестера:
Здоровье 100%, внутреннее сопротивление 4.81 мОм, ток холодной прокрутки 574 из 560 А по стандарту EN. НРЦ 12.80 В соответствует плотности 1.28. Расслоения нет, АКБ в полном порядке, можно ставить под капот.

Статья составлена в сотрудничестве с аккумуляторщиком Виктором VECTOR, осуществившим описанные опыты.

Они отличаются тем, что у гибридных (Ca+, Ca/Sb) свинцовый сплав положительных решёток легирован сурьмой, а отрицательных кальцием, тогда как у кальциевых (Ca/Ca) те и другие кальцием. В результате, выделение газов происходит при разных напряжениях заряда, и токи окончания заряда при этих напряжениях тоже разные.

Однако, современные автомобильные аккумуляторы отличаются не только составом металлов, но и плотностью установки пластин в банках, а также сепараторами между пластинами, которые влияют на распределение ионов носителей заряда в электролите, а значит, и потенциалы, и токи при том или ином напряжении на клеммах. Потому случаются казусы, когда кальций ведёт себя как гибрид или гибрид как кальций.


Обманывают ли нас производители, или мы не всегда учитываем влияния конструкции на электрохимические процессы? Проведём серию испытаний пары аккумуляторных батарей (АКБ), изображённых на фото.

В сегодняшнем эксперименте участвует батарея 6СТ-64L Тюмень PREMIUM СаСа 64 А*ч. Кальциевая технология освоена Тюменским аккумуляторным заводом (с лосем на логотипе) в 2019 году.


Аккумулятор полностью разряжен, плотность электролита 1.07 граммов на кубический сантиметр. Ареометр утонул ниже шкалы. (Выводим тюменского лося на чистую воду, шутка для тех, кто знает: электролит полностью разряженного свинцово-кислотного аккумулятора вода, потому что вся кислота в намазках, в виде сульфатов свинца).


Тестер показывает уровень заряженности (state of charge, SoC) 0%, внутреннее сопротивление 9.77 мОм, ток холодной прокрутки (ТХП) 283 из 620 А по стандарту EN, напряжение разомкнутой цепи (НРЦ, оно же электродвижущая сила ЭДС без нагрузки) 11.53 В, и предписывает зарядить аккумулятор.


Заряжать будем зарядным устройством (ЗУ) Кулон-720. Настроим следующие параметры заряда: предзаряд до 12 В 2 А, основной заряд 14.7 В 6.4 А 24 часа, хранение 13.2 В 0.5 А.


Дозаряд у Кулона-912 реализован качелями, так принято называть управление двухпороговым компаратором или компаратором с гистерезисом по напряжению. Когда напряжение на клеммах достигает верхней планки, ЗУ отключает зарядный ток. Когда поляризация релаксирует, напряжение на клеммах снижается, и при касании нижней планки ЗУ возобновляет подачу тока. Продолжаются эти циклы до превышения максимального времени. Установим пороги 15.6 и 14.7 В, ток 3.2 А, продолжительность 16 часов.


Прерывистый дозаряд качелями или моргалкой служит затем, чтобы минимизировать потерю воды на электролиз, и при этом по возможности полнее зарядить АКБ и перемешать электролит. Исторически этот способ сложился применительно к зарядным устройствам (источникам питания), у которых было невозможно оперативно регулировать зарядный ток, и вместо снижения силы тока, его прерывали по таймеру с помощью реле указателей поворота, либо по напряжению с помощью компаратора. Чтобы компаратор не возобновлял заряд моментально после его отключения, а делал паузу, понадобился гистерезис.

Некоторые энтузиасты считают электролиз воды при заряде аккумулятора вообще недопустимым, и устанавливают низкий верхний порог качелей. Дозаряд с такими настройками затягивается надолго, и часто не устраняет расслоения электролита и сульфатации глубинных слоёв намазок. Поверхность пластин при этом может выглядеть идеально: коричневая у положительных и серебристая у отрицательных, но при изгибе материала активных масс (АМ) он хрустит, выдавая присутствие сульфатов в глубине. Разумеется, для проверки пластин на хруст АКБ следует вскрыть и разобрать, потому эти факты не общеизвестные.

---

Крайне не рекомендуем разбирать любые химические источники тока без адекватной всесторонней подготовки: техники безопасности, оборудованного рабочего места (не на кухне и не в жилом помещении), средств индивидуальной защиты, знания дела и навыков работы, а прежде всего, понимания, зачем это делается. Компоненты химических накопителей энергии по своей природе токсичные, едкие, а часто ещё и пожаровзрывоопасные.

---

Другие энтузиасты пошли дальше и стали регулировать интегральный ток с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM) более высокой частоты, чем доли герца единицы герц, реализовав подачи зарядного тока одной и той же амплитуды пачками импульсов ШИМ. В любом случае, для эффективного заряда свинцово-кислотного аккумулятора, необходимо обеспечить присутствие воды в зоне реакции, т.е. перемешивать электролит, так как при заряде АМ затрачивается вода и выделяется кислота, и потенциал заряжаемого участка АМ должен быть достаточным для преодоления термодинамической ЭДС и осуществления реакции Гладстона-Трайба.


Пошёл предзаряд.


Вскоре ЗУ перешло к этапу основного заряда.


За три с половиной часа залито 22.4 А*ч, напряжение на клеммах 13.3 В. Оставим ЗУ работать на ночь.


На следующий день время заряда составило 19 часов 42 минуты, аккумулятору сообщено 75.3 А*ч. Напряжение дозаряда доходит до установленных 15.6, ток при этом напряжении снизился до 1.2 А.


Алгоритм ЗУ не просто включает и отключает ток, а продолжает заряд некоторое время при максимальном напряжении, отключает, после падения включает сначала заряд постоянным напряжением по нижней уставке, затем по верхней, с ограничением тока не выше установленного.


Плотность электролита уже чуть выше 1.25.


С момента начала заряда прошло 23 часа, залито 77.4 А*ч. Ток при 15.6 В снизился до 1 А.
АКБ продолжает заряжаться, плотность электролита поднялась чуть выше 1.26.


Заряд продолжался 26 с четвертью часов, батарее передано 79.2 А*ч. Ток при 15.6 В не снижается.


Плотность 1.27.


29 с половиной часов от начала заряда, залито 80.9 А*ч. Ток при 15.6 В снизился до 0.9 А. Оставим ещё на ночь.


На утро аккумулятору сообщено 82.6 ампер*часа, ЗУ в режиме хранения. С начала заряда прошло 45 с половиной часов.


Плотность во всех банках 1.28. Нам удалось зарядить эту АКБ после глубокого разряда за один подход.

---

Однако возникают сомнения в том, что эта АКБ полностью кальциевая. При заряде она повела себя как гибридная. Ca/Ca аккумулятору 16 часов дозаряда, а именно такое максимальное значение можно установить на Кулоне-720, и его мы как раз установили, бывает недостаточно. Приходится перезапускать заряд.

---

Разряжать будем электронной нагрузкой ZKE EBD-A20H, по ГОСТ током 5% номинальной ёмкости 3.2 А до касания под нагрузкой 10.5 В.


Прибор подключается к ПК по USB и позволяет строить графики напряжения и тока. После начала разряда стабилизированным током напряжение растёт вследствие зависимости сопротивления электролита от концентрации кислоты, затем вскоре начинает плавно снижаться по мере разряда аккумулятора.


Через 8 часов разряда напряжение на клеммах 12.22 В. Слито 26.78 А*ч, 332.45 Вт*ч.


Через 20 с половиной часов разряд продолжается, на клеммах 11.07 В, АКБ отдала 66.86 А*ч, что уже превышает паспортную ёмкость. Как видно из графика, в конце разряда напряжение снижается быстрее, модуль первой производной выше.


На последней минуте график резко пошёл вниз.


Разряд завершён, напряжение после снятия нагрузки начало расти. Время разряда составило 20 часов 44 минуты, отданная ёмкость 67.39 А*ч.


Через 3 минуты после снятия нагрузки напряжение на клеммах выросло до 11.42 В. Подождём ещё час.


Прошёл час с момента завершения разряда, НРЦ 11.63 В.


Плотность электролита ниже 1.10. Ставим на заряд.


Заряд продолжается 26 часов 19 минут, залито 79.2 А*ч. Ток при 15.6 В 1 А.


Плотность уже 1.27. Аккумулятор заряжается очень легко при дозаряде качелями с максимальным напряжением 15.6. Так обычно ведут себя гибридные Ca/Sb, а не кальциевые Ca/Ca аккумуляторы.

Смотрим интенсивность газовыделения в качелях до 15.6. Это также признак гибридной АКБ. В силу более низкого напряжения начала газовыделения, расход воды при эксплуатации у этой АКБ выше, чем у других современных Ca/Ca. Это следует обязательно помнить, не забывать проверять уровень электролита, и своевременно доливать дистиллированную воду.


А так кипит при дозаряде с перенапряжениям вторая участница тестов оригинальная запасная часть LADA 6СТ-62VL производства жигулёвского завода АКОМ, типичная полностью кальциевая Ca/Ca батарея. Для такого газовыделения понадобилось 16.2 вольта при постоянном токе 2% ёмкости, то есть, 1.2 ампера, безо всякого прерывания качелями.


Тесты АКБ Лада объёмны и заслуживают как минимум отдельной статьи, потому здесь приведём только их конечные результаты, нужные для сравнения двух испытуемых образцов.



Показания тестера у Тюмени: здоровье 100%, ТХП 687 из 620 А по EN, внутреннее сопротивление 4.02 мОм, НРЦ 12.96 В. У Лады: EN 722 из 600 A, 3.82 мОм.


Просадка под нагрузочной вилкой 200 А до 10.64 В.


Для сравнения, Лада проседает до 10.90.


Масса тюменского аккумулятора 16.4 кг.


Сведём данные тестирования двух аккумуляторных батарей в одну таблицу:
Фактическая удельная ёмкость на килограмм массы батареи у АКБ Лада на 11.57% выше, чем у Тюмень Премиум, удельный ток холодной прокрутки на 13.69%. Оба этих параметра зависят не от кальция и сурьмы в свинцовом сплаве, а от собственно массы активных масс и их рабочей площади, а также конструкции решёток и тоководов. Получается, действующих активных масс у тюменского аккумулятора меньше, а несуще-токоведущих конструкций больше. Это признаки классической докальциевой технологии, по которой часто производились гибридные Ca/Sb батареи.

Итак, по итогам испытаний двух АКБ типичной современной Ca/Ca Лада производства АКОМ (завод, использующей технологию Exide), и тюменской Premium с маркировкой Ca/Ca и лосем на логотипе, можно сделать следующие выводы:

1. Оба аккумулятора проявили прекрасные характеристики: ёмкость по ГОСТ и пусковой ток по цифровому тестеру и нагрузочной вилке выше паспортных, однако Лада показывает заметно лучшие параметры, чем Тюмень Premium.
2. Жигулёвская АКБ АКОМ при заряде ведёт себя как полагается Ca/Ca, тогда как тюменская заряжается как гибридная: рано начинается газовыделение, электролит перемешивается без затруднений, выравнивающий заряд проходит легко и быстро.
3. Тюменская Премиум изготовлена по более старой технологии, чем жигулёвская Лада. Именно поэтому, несмотря на современный кальциевый сплав и отрицательных, и положительных решёток, тюменская АКБ имеет меньшую плотность упаковки пластин и проявляет свойства, характерные для гибридной, а не Ca/Ca АКБ.

Так мы раскрыли секрет странных аккумуляторных батарей: электрохимические процессы в своей кинетике зависят не только от химии, но и от физики, в частности, геометрии электродов и сепараторов между ними.

В модерновых Ca/Ca батареях кальциевый сплав и компактная конструкция с плотными сепараторами действуют синергично, усугубляя как снижение потери воды, что очень хорошо, так и затруднение перемешивания электролита и дозаряда, и это не то, чтобы плохо, но необходимо учитывать при выборе профиля заряда.

В традиционных батареях, даже если изготовить все решётки по технологии Ca/Ca, внутренняя конструкция более массивная и просторная, заряжать и перемешивать электролит легче и быстрее, но и воды выкипает больше. Это одна из причин, приведших разработчиков свинцовых аккумуляторов к модерновым конструкциям. Экономия свинца, с соответствующим экологическим аспектом, и при этом повышение долговечности, стойкости к вибрации, предотвращение оплывания активных масс и короткого замыкания, другие цели, которые также преследуют модерновые конструкции АКБ.

Следует ли трактовать результаты опытов так, что тюменский аккумуляторный завод лось вводит покупателей в заблуждение, и АКБ Тюмень Премиум плохая АКБ? Категорически нет. Для автомобилей с низким бортовым напряжением Тюмень Премиум прекрасный выбор.

Тюмень Премиум хорошая АКБ, достойно проявившая себя на испытаниях. Она не гибридная, а действительно кальциевая, в плане современного материала решёток пластин. Но конструкция батареи не модерновая плотно упакованная, а традиционная, вследствие чего, при изготовлении затрачивается больше свинца, и газовыделение наступает при меньшем напряжении. И именно поэтому АКБ маркирована не VL, как Лада, что означает очень низкий расход воды, а L низкий расход. Всё честно.

Это необходимо учитывать при эксплуатации: тюменская Ca/Ca под капотом автомобиля теряет воду не как типичная Ca/Ca, а как гибридная Ca+. Нужно своевременно проверять уровень электролита и доливать дистиллированную воду, и пробки для этого завод-изготовитель предусмотрел.

Напоследок сравним Тюмень Премиум с антикварной аккумуляторной батареей 6СТ-60ЭМ из статьи про капсулу времени:
Почти три десятилетия прожиты недаром, и сегодняшний технологический уровень Тюменского аккумуляторного завода позволяет производить батареи с удельной эффективностью по ёмкости на треть, а по пусковому току на две трети более высокой, чем старые сурьмянистые батареи. Потому слова классическая и модерновая применительно к конструкции АКБ не следует понимать превратно. Современные аккумуляторы разных отечественных производителей и марок показывают достойные характеристики и имеют свои области для успешного применения.

Статья написана в сотрудничестве с автором экспериментов и видео Аккумуляторщиком Виктором VECTOR.

Аккумуляторная батарея в Macbook это важная деталь, отличающая ноутбук от персонального компьютера и делающая удобнее его эксплуатацию пользователями. Для того чтобы знать принцип работы своего любимого устройства, необходимо иметь представление хотя бы об общих сведениях одного из ключевых элементов аппарата.

В этой статье мы хотим поделиться результатами наших тестов, рассказать о данной модели АКБ, выделить сходства и отличия между разными классами одной и той же модификации.

Apple Macbook: информация об аккумуляторах

При своих небольших размерах вся линейка Macbook оснащена литий-полимерными аккумуляторами, за счёт которых эти компактные устройства обеспечивают пользователей максимальным временем работы. Алгоритм работы таких батарей особенный, так как они оснащены интеллектуальными контроллерами. 80% АКБ заряжается в ускоренном режиме, а остальной заряд происходит в компенсационном виде. Такой заряд позволяет не только быстро подготовить ноутбук к работе, но и увеличивает период работы аккумулятора.




У АКБ техники Apple срок службы рассчитывается количеством циклов заряда. В это число закладываются как полные так и не полные зарядки аппарата. Другими словами это числовое значение зарядов, которое может обеспечить аккумулятор в течение своего срока службы. Один цикл заряда может быть выполнен как за один день, так и за несколько дней, но в любом случае после каждого прошедшего цикла емкость элемента будет снижаться.

В ноутбуках Apple используются различные аккумуляторные батареи, мы провели тестирование аккумулятора A1405 трех групп: АА, ААА, ААА+.

Давайте рассмотрим их отличия.

Аккумулятор А1405: класс АА, ААА и ААА+
Рассматриваемая модель подходит для MacBook Air 13 A1369, 1466 (Mid 2011 Mid 2012), совместима со следующими моделями и модификациями:

A1369
MacBookAir4,2
MC965LL/A
MC966LL/A
A1466
MacBookAir5,2
MD231LL/A
MD232LL/A.

Внешний вид не имеет особых отличий, однако технические характеристики и их производительность различаются между собой.

Тип всех батарей этой модификации Li-ion, применяемый от заводов Samsung, Panasonic, LG и других известных мировых брендов. Наряду с обеспечением высоких свойств, элемент обладает хорошей степенью безопасности благодаря использованию для платы со схемой интеллектуальных кристаллов и кожуха из теплоустойчивого и абразивостойкого экологически чистого материала ABS PC.

Все батареи A1405 проходят комплекс необходимых проверок перед выходом с завода, а также имеют сертификаты о соответствие требованиям безопасности. (Например, ГОСТ Р и ROHS).

Копии группы АА, ААА и ААА+ очень похожи на оригинал АКБ внешне и по качеству исполнения, поэтому они не нанесут вреда технике Apple.

Различия в работе A1405 разных классов

Емкость в батареях этой модели может меняться в зависимости от категории элемента. Так, в А1405 класса АА заявлено 7200mAh, 55Wh, в А1405 категории ААА 6700mAh, 54,4 Wh, а в той же модификации класса ААА+ объем достигает 8000mAh, 60Wh. Продолжительность непрерывной работы ноутбука с таким объемом питания может достигать в среднем 4-6 часов. Для того чтобы проверить этот показатель и установить действительное возможное время эксплуатации без подзарядки нами было проведено тестирование работы батареи.

Для проведения теста использовался MacBook Air 13, в который по очереди устанавливалась одна и та же модификация АКБ, только различных классов. После включения ноутбука было запущено видео на YouTube в обычной скорости воспроизведения в качестве 720р с целью отслеживания показателей заряда аккумулятора.

А1405 АА продемонстрировала следующие показания:

за 30 минут просмотра видеоролика со 100% уровень опустился до 86,3%;
спустя 1 час 04 минуты до 76,2%;
спустя 1 час 30 минут до 66,8%;
2 часа 06 минут использования до 54,5%;
за 2 часа 30 минут до 45,8%;
за 3 часа 30 минут до 23,6%
спустя 3 часа 32 минуты осталось 6,8%;
после 3 часов 34 минут использования уровень заряда опустился до 2%.
Вывод: в режиме просмотра видео в хорошем качестве и при полной яркости экрана полностью заряженного устройства хватило на 3 часа 35 минут беспрерывной работы.


Начало теста


Конец теста

Фото 1 | Фото 2 | Фото 3 | Фото 4 | Фото 5 | Фото 6

Результаты проверки производительности А1405 ААА оказались другими:

7 минут просмотра 99,9%;
за 36 минут уровень упал до 91,2%;
спустя 1 час 01 минуту заряд опустился до 83,6%;
за 1 час 32 минуты до 74,1%;
за 2 часа 04 минуты до 64%;
после 2 часов 35 минут эксплуатации до 54%;
3 часа 03 минуты воспроизведения 44,7%;
за 3 часа 33 минуты использования до 24,6%;
4 часа 31 минута 14,7%;
1,1% остался после 4 часов 43 минут.
Заключение: перед просмотром видеоролика в качестве 720р батарея была заряжена до 100%, яркость экрана установлена максимальная, беспрерывная работа элемента питания составила 4 часа 45 минут.


Начало теста


Конец теста

Фото 1 | Фото 2 | Фото 3 | Фото 4 | Фото 5 | Фото 6 | Фото 7 | Фото 8 | Фото 9 | Фото 10 | Фото 11

Последний тест проводился на А1405 ААА+ :

на 39 минуте клипа осталось 87,4%;
спустя 1 час 03 минуты уровень упал до 81,2%;
за 1 час 38 минут просмотра показатель достиг 72,6%;
за 2 часа 15 минут использования до 62,5%;
после 2 часов 36 минут эксплуатации 57,3%;
3 часа 14 минут просмотра видео уровень опустился до 47,4%;
за 4 часа 08 минут до 33,2%;
спустя 5 часов 10 минут осталось 2,7%;
показатель 1,1% за 5 часов 14 минут использования.
Итог: проверка объема питания при включенном видеоролике в качестве 720р с максимальной яркостью экрана показала, что постоянная эксплуатация без подзарядки возможна в течение 5 часов 15 минут. Самые высокие показатели производительности были зафиксированы на типе ААА+.


Начало теста


Конец теста

Фото 1 | Фото 2 | Фото 3 | Фото 4 | Фото 5 | Фото 6 | Фото 7 | Фото 8 | Фото 9 | Фото 10 | Фото 11

Дополнительно была проведена диагностика АКБ при помощи инструмента для стресс-тестирования графических процессоров Valley Benchmark. Наглядно результаты можно увидеть на скриншотах экрана.

В режиме получасовой нагрузки просадки емкости во всех модификациях аккумулятора зафиксировано не было.

Все три категории А1405 показали довольно неплохие результаты, однако преимущества класса ААА+ очевидны и были продемонстрированы наглядно.


ААА


ААА+

В качестве итога теста подготовили таблицу показателей расхода батарей (АКБ) по часам просмотра видео 720p с максимальной яркостью экрана.

К концу января 2021 года количество электроавтомобилей в России превысило отметку в 10 тысяч единиц, представленных 18 моделями 14 различных марок. При этом еще в январе 2020 года их количество не превышало 6 тысяч. Несмотря на значительный прирост, Россия еще не входит в топ-25 стран-лидеров по объему продаж электромобилей. Что обусловлено в первую очередь отсутствием на территории России официального представительства крупнейших производителей электрокаров и мировых брендов электромобилей. Также в России слабая мотивационная база, предоставляемая покупателям электромобилей. Поэтому автовладельцы все еще склоняются в пользу приобретения автомобиля с ДВС.

В правительстве уже принимаются меры для того, чтобы автовладельцы пересели на электрички. Пакет мер для Федерального закона об экологичном транспорте разрабатывается уже несколько лет, при этом, по разным оценкам экспертов, будет принят не ранее 2023 года. Тогда как во многих странах Европейского Союза (ЕС) уже несколько лет существует ряд льгот и преференций для владельцев электрокаров. Но водителей отпугивает не только цена на электромобили, но и страх перед разряженной батареей за сотни, а иногда и тысячи километров от крупного города, в котором еще должна быть заветная зарядная станция, тем более в зимнее время при температурах в ряде регионов 3040 градусов ниже нуля.

А в течение следующих нескольких лет аккумуляторы, которые будут использоваться в электромобилях, станут настолько дешевыми, что электромобиль будет стоить не больше, чем автомобиль аналогичного размера с двигателем внутреннего сгорания. Но эти электромобили по-прежнему будут весить больше, чем их аналоги с бензиновым двигателем, при этом аккумуляторные батареи в электромобилях составляет 20-25 процентов от общей массы транспортного средства.

Но выход есть: превратить конструктивные элементы автомобиля в сами аккумуляторы.


Батарея из углеродного волокна в виде крышки багажника

Задача

Главный технический директор Volvo Хенрик Грин говорит: Как наиболее эффективно интегрировать аккумуляторную батарею в автомобиль? Ну, если вы делаете это традиционным способом, вы помещаете батарею в модуль; затем вы помещаете несколько модулей в коробку. Потом вы помещаете коробку в автомобиль, и тогда у вас есть стандартизированное решение, которое можно масштабировать в течение 10 лет.

Но по сути, это довольно неэффективное решение с точки зрения веса, пространства и т.д. Итак, здесь действительно можно пойти глубже, и как бы напрямую интегрировать клетки в тело и избавиться от этих модулей, коробок и прочего. Это задача, над которой мы работаем в будущих поколениях автомобилей, и она кардинально изменит их сборку.

Tesla также работает над разработкой новых аккумуляторных модулей, которые являются структурными элементами, но создает эти структурные модули из традиционных цилиндрических ячеек. Однако есть более элегантный подход к этой идее, и группа из технологического университета Чалмерса в Швеции во главе с профессором Лифом Аспом сделала прорыв в этом отношении.


Демонстрация тестовых батарей из углеродного волокна

Что это и с чем едят?

Наиболее широко углеродное волокно используется в качестве легкого и высокопрочного конструкционного материала в довольно дорогих экзотических автомобилях и самолетах, но постепенно он становится совершенно обычным явлением. Сегодня углеродное волокно используется в велосипедах и клюшках для гольфа, и даже можно приобрести себе бумажник из углеродного волокна.

Выдающиеся свойства углеродного волокна заключаются в том, что в качестве готового материала его можно сделать намного прочнее и легче, чем металлические детали аналогичного размера. Например, углеродное волокно имеет предел прочности на разрыв (то есть сопротивляется растяжению) примерно в четыре раза больше, чем сталь, и в восемь раз больше, чем алюминий. Кроме того, он намного жестче (сопротивляется изгибу), чем сталь или алюминий. При этом такое увеличение прочности сопровождается резким снижением веса: обычно деталь из углеродного волокна весит лишь треть от веса стальной детали того же объема.


Как композитный материал, углеродное волокно получает свою жесткость и легкость благодаря двум вещам: во-первых, это пряди углеродной нити, которая тоньше человеческого волоса, и эпоксидная смола, которая связывает углерод в форму. Второе, что придает композиту прочность, это химические соединения для объединения двух материалов и последующего их смешивания. Процессы производства углеродного волокна различаются в зависимости от формы деталей, но все методы производства имеют нить и клей.

Конструкция батареи представляет из себя анод из углеродного волокна и катод из алюминиевой фольги, покрытый фосфатом лития и железа, которые разделены стекловолоконным сепаратором в матричном материале структурного электролита батареи. Анод выполняет тройную функцию, удерживая ионы лития, проводя электроны и усиливая все одновременно. Электролит и катод аналогичным образом поддерживают структурные нагрузки и выполняют свою работу по перемещению ионов.

Тесты

Исследователи протестировали различные типы стекловолокна, в результате чего были получены элементы с номинальным напряжением 2,8 В, и достигли лучших результатов с точки зрения производительности батареи с более тонким полотняным переплетением. Элементы, использующие эту конструкцию, имели удельную емкость 8,55 Ач/кг, плотность энергии 23,6 Втч/кг (при 0,05C), удельную мощность 9,56 Вт/кг (при 3C) и толщину 0,27 мм. Для сравнения, это 4680 ячеек, которые Тесла помещает в свои машины, чтобы иметь плотность энергии 380 Втч/кг. Однако этот показатель плотности энергии для цилиндрических ячеек не включает массу структурной матрицы, которая их окружает (при использовании в качестве структурных панелей).




Батарея из углеродного волокна от Tesla

Что касается структурных нагрузок, то наибольшая жесткость была также достигнута при использовании простого стекловолоконного переплетения 25,5 ГПа. Это примерно похоже на пластик, армированный стекловолокном, тогда как пластик, армированный углеродным волокном, даст результат в 10 раз больше, в зависимости от того, сделан трансферным формованием или является ткаными листами, предварительно пропитанные смолой (известные как pre-preg).

Группа профессора Аспа сейчас работает над тем, чтобы повысить жесткость и электрические характеристики заменой алюминиевой фольги катода на углеродное волокно. Группа также тестирует еще более тонкие сепараторы. Они надеются достичь 75 Втч/кг и 75 ГПа, что приведет к получению элемента, который будет намного жестче, чем алюминий (68 ГПа) и намного легче.

Перспективы

Создание электромобилей или даже самолетов из структурных композитных батарей пока еще долгосрочный проект, и даже в лучшем случае структурные аккумуляторные элементы могут не скоро приблизиться к характеристикам специализированных элементов, используемых на данный момент. Но поскольку они заменят более тяжелые металлические конструкции, получившийся автомобиль должен стать намного легче, дешевле и экологичнее

Между тем, Асп считает, что преимущества использования такой технологии можно будет увидеть раньше: Структурная батарея следующего поколения обладает фантастическим потенциалом. Через несколько лет вполне возможно будет производить смартфоны, ноутбуки или электрические велосипеды, которые будут весить вдвое меньше, чем сегодня, и будут в разы компактнее.

---

На правах рекламы

Наши эпичные серверы это как Tesla в автомобилестроении. Используем новейшие процессоры от AMD, исключительно быстрые NVMe накопители от Intel и никогда не экономим на железе только брендовое оборудование и самые современные решения на рынке!