Сегодня мы отправимся в увлекательную историю развития аккумуляторов, батарей и элементов питания.

Человечество никогда не стояло на месте. С древних времен наших предков интересовал целый спектр всевозможных физических и химических явлений. Ученые постоянно открывали что-то новое. Такое ноу-хау, как правило, сперва напрочь отрицалось наукой, затем о нем забывали, а спустя несколько десятилетий, уже забытого всеми ученого восхваляли и называли «человеком, который изменил мир». Наверняка вы читаете эти строки с устройства, работающего от розетки или имеющего в своем распоряжении один из важнейших элементов – аккумулятор . И если бы 2 700 лет назад древнегреческий философ Фалес не обратил внимание на взаимодействие шерсти и янтаря, если бы в 1600 году не был введен термин электричество, а в 1800 Аллесандро Вольта не заинтересовался пластинами из цинка и меди, возможно современный мир был намного скучнее.

С чего все началось

Наука средневековья – весьма спорное и запутанное явление. Тем не менее, именно существование целого ряда схоластических теорий породило такое понятие, как научно-технический прогресс. До появления первых аккумуляторов пройдет еще более 2,5 тысяч лет, а пока в солнечной Греции дочь философа Фалеса безуспешно пытается очистить янтарное веретено от мелких частичек ворса, ниток и пыли. Как оказалось, смахнуть их не так-то просто.

Во время правления английской королевы Елизаветы I (1533 – 1603) ее лейб-медик Вильям Гильберт Колчестерский всерьез заинтересовался устройством компаса, магнитами, янтарем и прочими драгоценными камнями, которые после натирания мехом притягивали к себе мелкие частички пергамента. Становилось понятным, что несмотря на определенную схожесть, магнетизм и электричество (термин, введенный самим Гильбертом) имеют совершенно разную природу. Магнит способен притягивать исключительно железо, в то время как электричество, вызванное трением, способно к притяжению частичек неметалического происхождения.

Понятие «притяжение» в средневековье относили к категории «магнитов» . Все дополняющие друг-друга явления, вроде ветра и мельницы, солнца и тепла, мужчины и женщины относили к магнитам. Ненависти собак и кошек, друзей и врагов, льда и огня приписывали категорию «феамидов» , а в магнетизме это понятие подтверждалось северным и южным полюсами магнита. С появлением электричества «магниты» и «феамиды» станут знакомы по маркировкам «плюс» и «минус» , которые можно найти на любом аккумуляторе.

В последующих опытах бургомистра Отто Фон Герике в качестве источника электричества использовался шар из серы . Во время вращения его придерживали руками, а скапливающийся электрический заряд передавался металлическому бруску, который в последствии назовут «лейденской банкой» – главный атрибут престижной средневековой лаборатории, который и стал прообразом современного аккумулятора.

После введения понятия электричество в 1600 году и вплоть до начала XIX века по Европе прокатилась буря опытов, связанных с изучением материалов, способных вызывать так называемый «универсальный временный магнетизм». Тем временем во Франции проводил свои эксперимент ученый, имя которого навсегда осталось нераздельно связанным с любым электрическим прибором.

Великий Вольт

Желая понять природу электричества и в прямом смысле слова «почувствовать его вкус», Алессандро Вольта экспериментировал с монетами, изготовленными из разных металлов . Положив одну из них на язык, а другую под, и соединив их проволокой, Вольта отмечал присутствие характерного кисловатого привкуса . Так острота вкусовых рецепторов человека привела к открытию гальванического электричества , явления, которое еще в середине XVIII века описывал итальянский врач, анатом и физик Луиджи Гальвани , проводя опыты по препарированию лягушек.

Следующим шагом стало конструирование первой электрической батареи , принцип работы которой заключался в погружении медных и цинковых пластин , соединенных последовательно, в раствор кислоты. Изобретение первого химического источника тока, полученного в лабораторных условиях, принято датировать 1798 годом, а его автором стал Аллесандро Вольта.

В течение последующих пяти лет в области исследования гальванических батарей начнется настоящий ажиотаж. 1801 год ознаменовался появлением кратковременного источника питания . Проводя опыты, Готеро (франц. физик), используя воду, платиновые электроды и ток, доказал, что даже после прекращения подачи тока, электроды продолжают излучать электричество. Два года спустя, немецкий химик Иоганн Риттер , заменив платиновые электроды на медные и сформировав из них цепочку пластин, переложенных кусками сукна, сконструировал первый вторичный элемент питания – иными словами, первую аккумуляторную батарею, способную сперва накапливать заряд, а потом постепенного его отдавать без участия «гальванической подпитки».

Пятьдесят медных кружков, смоченной в соленом растворе сукно и вольтов столб положили начало эры аккумуляторов с возможностью многократного цикла заряд-разряд. Появляется новая наука – электрохимия . Начатые в 1854 году немецким врачом Вильгельмом Зингстеденом опыты по использованию свинцовых электродов и их поведению в серной кислоте, спустя пять лет вылились в знаменательное открытие французского инженера Гастона Планте . В 1859 году Планте проводил исследования с листовым свинцом, свернутым в трубочку и разделенным полосами сукна. При погружении в подкисленную воду и под действием тока, свинцовые пластины покрывались активным действующим слоем. Многократное пропускание тока приводило к постепенному росту емкости первой свинцово-кислотной батареи , но рутинное осуществление этого трудоемкого процесса (на изготовление требовалось около 500 часов) приводило к росту конечной стоимости аккумулятора. Более того, потенциальный заряд аккумулятора был сравнительно невелик.

Наследие Зингстедена и Планте будет усовершенствовано через 23 года ученным Камиллом Фором , пересмотревшим процесс изготовления используемых в аккумуляторе пластин. Ускорить формирование активного слоя стало возможным благодаря покрытию пластин окислами свинца . Под действием тока вещество превращалось в перекись, а полученные окислы приобретали пористое строение , способствующее аккумулированию газов на электродах.

Параллельно с разработкой и совершенствованием свинцово-кислотных батарей велась работа и над построением «влажных» элементов Лекланше и их преемников угольно-цинковых аккумуляторов , предложенных в 1888 году Карлом Гасснером и использующихся вплоть до сегодняшнего дня.

В течение длительного периода времени аккумуляторы, электрохимия и все, что было связано с использованием кислых сред, пластин и гальванического электричества будоражило умы исключительно ограниченного круга – ученых, физиков, химиков и врачей. Ситуация кардинально изменилась с появлением в 1827 году динамо-машины – первого электрического генератора постоянного тока. Эволюция генераторов, в свою очередь, подталкивала развитие аккумуляторов и батарей. Узкопрофильные опыты Вольта наконец начали получать промышленное применение.

Промышленная эра аккумуляторов

В 1896 году на территории США, в штате Колумбия открывается компания National Carbon Company (NCC). NCC становится первым предприятием специализацией которого становится серийное производство сухих элементов и батарей . В последующие сто лет Национальную Угольную компанию ждет две стадии ребрендинга: сперва NCC станет Eveready , а сегодня мы знаем ее под именем Energizer .

Предложенный Фором метод заполнения пластин в течение продолжительного времени будет являться основой для построения практически любого типа аккумулятора. В поисках альтернативы морально устаревшему (еще по меркам конца XIX века) свинцово-кислотному аккумулятору и попытках решить две основных проблемы этого некогда революционного источника питания (огромный размер и малоэффективная емкость), в 1901 году легендарный изобретатель Томас Эдисон и Вальдмар Юнгнер одновременно патентуют несвинцовый тип батарей: никель-кадмиевых и никель-железных .

Батарея Юнгнера состояла из положительной пластины, изготовленной из никеля. В качестве отрицательной использовался лист кадмия. Значительное повышение емкости, многократное снижение веса и неприхотливость к регулярности подзарядки не смогли выдержать практического применения в связи с дороговизной процесса изготовления никель-кадмиемых аккумуляторов. Достойной заменой стал предложенный Эдисоном никель-железный элемент, который получил имя щелочного аккумулятора .

Развитие эры электричества, появление мощных промышленных генераторов, трансформаторов и глобальная электрификация приводит к резкому росту популярности портативных элементов питания. Щелочные батареи начинают использовать в корабле- и машиностроении, в транспорте и на электростанциях. На улицах появляются первые электромобили, а конструкторы уже успели сформировать принципы построения аккумуляторных батарей с различным вольтажом.

В поисках идеального корпуса

Опыты с электричеством и попытки построения первых батарей нераздельно были связаны с использованием кислоты или кислой водной среды. Любая жидкость для успешного проведения эксперимента требует соответствующий сосуд, а сбор аккумулятора – свой собственный корпус.

В течение продолжительного времени корпус аккумуляторов изготавливался из дерева . Увы, реакции, происходящие в моменты окисления электродов, и кислотная среда батарей приводили к быстрому разрушению органической оболочки. Дерево заменяют на эбонит – каучук с большим содержанием серы, обладающий высокими электроизоляционными свойствами.

Общепринятым стандартом, использующимся при построении составных аккумуляторов начала XX века, было формирование батареи из нескольких элементов, рабочее напряжение которого составляло 2,2 вольта . Первые «пальчиковые батареи» появились еще в далеком 1907 году. С тех пор внешне они мало в чем изменились. Аккумулятор с напряжением в 6 вольт (три элемента по 2,2 В) оставался эталонным при производстве автомобилей вплоть до начала 50-х годов. Элементы на 12 и 24 Вольта имели более узкую специализацию. В первой половине прошлого века об эстетике в машиностроении никто не задумывался, поэтому любой аккумулятор выглядел весьма неряшливо. Эбонитовый корпус с напичканными элементами и грубыми торчащими перемычками намертво заливался мастикой.

Изобретение немецких ученых Шлехта и Аккермана и демонстрация в 1932 году процесса изготовления прессованных пластин для аккумуляторов не могло не повлиять на внешний вид батарей. В 1941 году в производство корпусов вмешивается австрийская компания Baren , проводившая серию экспериментов по разработке синтетических материалов. Через шесть лет француз Нойман предлагает конструкцию герметичного никель-кадмиевого аккумулятора . Параллельно с этим вся промышленность переходит на батареи с напряжением в 12 вольт , а синтетически полученный американской компанией Johnson Controls полипропилен становится основой для изготовления корпуса любых аккумуляторов. Они стали легче, практичнее, перестали бояться ударов и строгих ограничений при подзарядке.

Настоящее и обозримое будущее

Дальнейшее развитие индустрии аккумуляторных батарей движется настолько стремительно, что проследить за той чередой открытий, которые пришлись на последние пятьдесят лет практически невозможно. На сегодняшний день существует более 30 разновидностей аккумуляторов при построении которых используются два различных электрода, чем и определяется их название: никель-цинковые, литий-титанатные, цинк-хлорные. Среди этого обилия в быту мы сталкиваемся лишь с несколькими.

Причина, по которой мобильные устройства начали свою стремительную эволюцию лишь с начала 90-х годов XX века и за последние 35 лет превратились из громоздких и неповоротливых «чемоданов» в ультракомпактные плоские коробочки, кроется именно в элементах питания.

В 1991 году компания Sony выпускает первый литий-ионный аккумулятор . Этот тип портативных батарей пришел на смену некогда широко использовавшимся никель-кадмиевым (Ni-Cd) и никель-металлгидридным (Ni-MH), изобретенных еще в начале прошлого века.

Литий-ионные аккумуляторы имеют целый ряд преимуществ: они заряжаются на порядок быстрее никелевых, имеют более продолжительный срок эксплуатации и большой запас емкости. Li-ion-аккумуляторы получили широкое распространение в сфере портативной электроники, а предложенные инженерами решения позволили не только значительно увеличить максимальные токи разряда, сделавшие возможным использование этого типа аккумуляторов и в среде мощного оборудования, но и обеспечить внушительный рост емкости.

Свинцовые аккумуляторные батареи известны уже сто пятьдесят лет. Однако и сегодня они являются наиболее массовым и дешёвым из химических источников тока, как благодаря относительной дешевизне применяемых для их производства материалов, так и высокой степени автоматизации современных аккумуляторных производств.

Первая свинцовая аккумуляторная батарея, которую французский учёный Гастон Планте (1834-1889) изготовил и подарил в 1860 году Французской Академии наук, имела общую активную поверхность (площадь) электродов 10 м2. Она собиралась из электродов поверхностного типа, которые имели очень большую массу и требовали длительных формировочных циклов, с периодическим изменением полярности электродов. Этот процесс продолжался от нескольких месяцев до двух лет.

Создание в 1881 году Фолькмаром (1847-1884) пластин на решётчатой основе стало той базой, на которой очень активно и успешно начал развиваться наиболее распространённый и весьма эффективный вид аккумуляторов.

За время своего существования технические характеристики свинцовых аккумуляторов с решётчатыми пастированными (намазными) пластинами существенно изменились, как в отношении их качественных показателей, так и в отношении долговечности. Лучшие образцы конца XIX века имели удельную энергию по массе, равную 7-8 Вт-ч/кг при длительном разряде, и наработку около 100 циклов (заряд-разряд). Лучшие современные образцы стартерных батарей имеют удельную энергию 40-47 Вт-ч/кг, а наработка в зависимости от исполнения составляет 200-300 циклов, причём батареи с большей удельной энергией имеют несколько меньшую долговечность.

В нашей стране аккумуляторная промышленность начала активно развиваться параллельно с развитием автомобилестроения в тридцатые годы и к началу 1940 года сложилась в самостоятельную отрасль народного хозяйства, которая имела ряд заводов, свои квалифицированные научно-технические и производственные кадры. В этот период, вместе с созданием отечественных автомобилей и тракторов, было создано большое количество новых типов аккумуляторных батарей. Это были первые батареи для мотоциклов, стартерные аккумуляторные батареи для автотракторной техники в корпусах из асфальтопековой массы и эбонита (моноблочного типа).

В послевоенный период, после восстановления эвакуированных заводов, начались работы по их реконструкции, оснащению новым механизированным и прогрессивным на то время оборудованием. Одновременно создавались и запускались в серийное производство более совершенные типы аккумуляторных батарей для новых видов автотракторной техники. На смену деревянным сепараторам пришли более долговечные синтетические из поливинилхлорида и каучука («мипласт» и «мипор»).

В шестидесятые годы XX столетия, на фоне быстрого прогресса автомобильного и сельскохозяйственного машиностроения, бурного развития автомобильного транспорта, создаётся практически весь современный типоразмерный ряд отечественных стартерных аккумуляторных батарей. Эти батареи выпускались в моноблоках из эбонита и имели комбинированный сепаратор из мипласта и стекловолокна для повышения эксплуатационного срока службы.

Семидесятые годы ознаменовались целым рядом технологических разработок, внедрение которых позволило улучшить качество выпускаемых стартерных аккумуляторных батарей. Разработка и промышленное освоение коррозионностойких сплавов (с добавлением мышьяка) и усовершенствование технологии (с целью повышения коэффициента использования активных масс) позволили примерно на 20% снизить материалоёмкость батарей. Применение синтетических волокон, в качестве добавки в активную массу положительных электродов, позволило отказаться от массового применения сепараторов из стекловолокна без ущерба для долговечности батарей. Это значительно снизило трудоёмкость их сборки. Создание синтетических органических расширителей для отрицательного электрода и эффективных ингибиторов окисления свинца позволило улучшить разрядные характеристики аккумуляторных батарей при отрицательных температурах (что особенно актуально для эксплуатации в условиях наших холодных зимних месяцев) и освоить производство аккумуляторных батарей в сухозаряженном исполнении.

В восьмидесятые годы активно велись работы по разработке и освоению производства современных конструкций батарей в тонкостенных моноблоках из сополимера пропилена с общей крышкой и создание оборудования для их производства. Тогда же были заложены основы и начато производство аккумуляторных батарей с увеличенными межрегламентными сроками. В девяностые годы в России начали осваиваться стартерные батареи с сепараторами-конвертами из микропористого полиэтилена, что значительно повысило их мощность и надёжность.

Прогресс в автомобилестроении ведёт к росту мощности автомобильных двигателей при снижении удельного расхода топлива, в том числе и за счёт повышения степени его сжатия в камере сгорания. Это требует соответствующего увеличения мощности стартерного разряда аккумуляторной батареи. И одновременно с этим, для достижения максимальной экономичности, необходимо снижать удельную массу всех составных частей автомобиля, в том числе и аккумуляторных батарей, масса которых составляет от 15 кг на легковом автомобиле с двигателем до 1,5 л до 120 кг (две батареи по 12 В) на магистральных автопоездах. Вместе с тем, создатели современных автомобилей стремятся минимизировать объём работ по обслуживанию отдельных его элементов в процессе эксплуатации. Появляется всё больше узлов и комплектующих изделий в закрытом исполнении, исключающем возможность доступа в них со стороны водителя. Такие же требования с конца девяностых годов XX столетия стали применять ведущие мировые автопроизводители и к стартерным аккумуляторным батареям. Поэтому задача дальнейшего совершенствования свинцовых стартерных аккумуляторных батарей, являющихся в настоящее время главным источником электрической энергии для запуска двигателей внутреннего сгорания, сохраняет свою актуальность и сегодня. В ближайшем будущем ожидается значительное ужесточение требований к автомобильным аккумуляторным батареям по выполнению всех основных потребительских функций. Это связано с планируемым переводом в 2015-2017 годах всех автомобилей, выпускаемых в Западной Европе, на системы, функционирующие в режиме «старт-стоп».

На значительном количестве автотракторной техники стартерная , после пуска двигателя в начале движения, длительное время работает в условиях непрерывного заряда. К характерным «представителям» данной категории, работающим в таких условиях, можно отнести магистральные грузовики на междугородных грузоперевозках, междугородные автобусы и другие машины, работающие с большими среднесуточными пробегами без частых остановок при относительно стабильном режиме работы двигателя. На этих машинах батареи работают в режиме преобладающей кратковременной стартерной нагрузки с последующим длительным зарядом при постоянном напряжении и конструктивно построены таким образом, чтобы иметь форсированную мощность стартерного разряда при отрицательной температуре.

Другой типичной группой автотракторной техники являются машины для внутригородских перевозок, грузовые и строительно-дорожные машины с агрегатами, имеющими гидравлический привод, радиофицированные такси и другие транспортные средства аналогичного назначения. На них батарея служит не только для пуска двигателя, но и используется как буферный источник питания для покрытия пиковых нагрузок энергопотребления с возможностью глубоких (до 40 % от номинальной ёмкости) разрядов. Создание батарей для такой техники требует несколько иного подхода. Эти батареи должны быть более устойчивы к глубоким разрядам и при этом могут иметь меньшую удельную мощность стартерного разряда (исполнение HD и SHD).

Современное развитие науки и техники позволило начать массовое производство свинцовых батарей закрытого исполнения с регулирующим клапаном (VRLA). В этих батареях удалось реализовать замкнутый кислородный цикл по аналогии со щелочными герметичными аккумуляторами. Благодаря этому, в процессе эксплуатации вода, входящая в состав электролита, почти не разлагается и, следовательно, доливка дистиллированной воды в процессе эксплуатации не требуется. Батареи закрытого исполнения с регулирующим клапаном () имеют иммобилизованный (связанный) электролит. Такие батареи нашли применение, в первую очередь там, где требуется обеспечить работоспособность в любом пространственном положении. Это системы резервного и аварийного энергоснабжения, бытовая техника и т.д. Использование аккумуляторных батарей такого типа на современных автомобилях и перспективной технике постоянно расширяется, благодаря созданию систем оптимизации электроснабжения и стабилизации режимов работы бортового электрооборудования.

Что нужно знать об аккумуляторе для автомобиля

Владельцы автомобилей, которые разбираются в устройстве своего «железного коня», понимают важность такой детали, как аккумулятор. Если он неисправен, то двигатель машины в штатном режиме завести не удастся. Поэтому всем автовладельцам желательно иметь представление о назначении АКБ, принципе работы и о том, как правильно выбрать аккумулятор для своей машины. У нас на сайте есть много статей, посвященных различных аспектам эксплуатации аккумуляторов для автомобиля. В этом материале мы попытались собрать всю информацию об аккумуляторных батареях воедино. Статья ориентирована на новоиспечённых владельцев автомобилей и дает общую информацию об автомобильном аккумуляторе.

Автомобильный аккумулятор представляет собой разновидность электрической АКБ. Применяется на автомобильных и мотоциклетных транспортных средствах. Назначение аккумулятора заключается в запуске двигателя, а также выполнении функций источника питания в бортовой сети машины при заглушенном моторе. Автомобильный аккумулятор также выступает в роли стабилизатора напряжения бортовой сети транспортного средства.

Наиболее распространенными являются АКБ с номинальным напряжением 12 вольт. Их можно встретить на легковых автомобилях, микроавтобусах, легких и средних грузовиках. Аккумуляторы с напряжением 6 вольт применяются на мотоциклетной технике. А батареи с напряжением 24 вольта эксплуатируются на тяжелых грузовиках, специальной и военной технике.

Для запуска двигателя требуется его прокрутка, которую обеспечивает стартер. А питание стартера обеспечивает аккумуляторная батарея. Поэтому их ещё часто называют стартерными АКБ. В этот момент стартер потребляет большой ток (несколько сотен ампер), разряжая батарею автомобиля. После того, как машина завелась, выработку электроэнергии в бортовой сети обеспечивает генератор. Схема построена так, что при поездке на автомобиле, аккумулятор подзаряжается и восполняет заряд, который был отдан при запуске мотора.

История возникновения и развития АКБ

Первые образцы аккумуляторных батарей появились более 200 лет назад, еще на заре электротехники. Одним из первых шагов в этом направлении сделал итальянский физик Алесандро Вольта в 1800 году. Он собрал источник питания, в котором медные и цинковые пластины был помещены в кислоту для прохождения электрического ток.

Изобретение получило название «батареи Вольта». Несколькими годами позже физик Джоан Вильгельм из Германии создал сухой гальванический элемент и АКБ. Эти изобретения не имели непосредственного отношения к автомобильным аккумуляторам, но были важным шагом на пути к ним.

Спустя полвека Вильгельм Зинстеден обнаружил и исследовал электрохимический процесс, который лег в основу будущих автомобильных АКБ. Он выяснил, что если через свинцовые пластины, погруженные в серную кислоту, пропускать электрический ток, то на положительно заряженном электроде образуется двуокись свинца. При этом отрицательно заряженный электрод никак не изменяется. При замыкании этого устройства возникал ток, и он присутствовал до момента полного растворения двуокиси свинца в кислоте. Но Зинстеден лишь изучил данное явление и никак не воплотил его на практике.

И вот в 1859 году Гастон Планте создает на базе этого процесса первый образец свинцово-кислотного аккумулятора. Можно сказать, что это и был прародитель аккумулятора для автомобиля. Эта батарея включала в себя 2 пластины из свинца, которые были надеты на цилиндр из дерева и разделены прокладкой из ткани. Эта конструкция помещалась в емкость с подкисленным раствором и подключалась к электрической батарее. После проведения заряда АКБ некоторое время выдавала электрический ток постоянного значения.

Аккумуляторная батарея Планте была небольшой ёмкость и быстро разряжалась. Поэтому французский ученый стал заниматься подготовкой поверхности электродов. Он обнаружил, что для увеличения ёмкости их нужно сделать максимально пористыми. С этой целью он пропускал ток в противоположном направлении через разряженную батарею. Данный прием он назвал формовкой пластин и делал его много раз подряд для наращивания окисла свинца на поверхности пластин. Широкое распространение такие аккумуляторные батареи получили после изобретения динамо-машины, то есть, после того, как появилась возможность быстрого заряда АКБ.

Камилл Фор в 1882 году значительно продвинулся в конструкции и производстве электродов для аккумуляторов. Фор стал покрывать свинцовые пластины окислом свинца. Когда производился заряд АКБ, то этот окисел превращался в перекись. Одновременно на другой пластине образовывалась низкая степень окисла. В результате этой операции на электродах получался пористый слой окислов свинца.

Дальнейшим усовершенствованием аккумуляторов занимался уже Томас Эдисон в начале XX века. Он как раз работал в направлении усовершенствования аккумуляторов под использование их на транспортных средствах. В ходе исследований он разработал железно-никелевые АКБ. Электролитом в них был едкий калий. Через некоторое время налаживается промышленный выпуск портативных аккумуляторов для автомобилей, которые нашли применение на транспортных средствах и судах. Корпус АКБ сначала делали из дерева. Потом для этого стали использовать эбонит. Аккумуляторная батарея состояла из нескольких элементов с номинальным напряжением 2,2 вольт. К примеру, в аккумуляторе номиналом 12 вольт имеется шесть таких элементов.

В легковых автомобилях долгое время стандартом считалось использование АКБ номиналом 6 В. Примерно в середине прошлого столетия начался переход на аккумуляторы для автомобиля номиналом 12 вольт. А батареи 6 вольт остались только на легкой мотоциклетной технике. Корпуса из эбонита постепенно заменили моделями из полипропилена, который легче и прочнее. Постепенно стали появляться автомобильные аккумуляторы, которые имели различные легирующие вещества в свинцовых электродах для изменения свойств. Позже появились модели аккумуляторов, где электролит находился в связанном состоянии (AGM, GEL). Но принцип действия АКБ для автомобиля оставался неизменным на протяжении все истории их развития.

Принцип действия аккумулятора и основные характеристики

Принцип действия свинцово-кислотного аккумулятора базируется на основе электрохимических реакциях Pb и PbO 2 в электролите. В качестве электролита используется водный раствор серной кислоты. Подробнее о том, что такое , читайте по ссылке. В автомобильном аккумуляторе протекают десятки различных реакций, но мы рассмотрим только основные. Когда на выводы аккумуляторной батареи подается внешняя нагрузка, запускается электрохимический процесс взаимодействия электролита с оксидом свинца.

В результате протекания этой реакции металлический Pb окисляется до PbSO 4 . При разряде АКБ на аноде идет процесс восстановления PbO 2 , а на катоде происходит окисление Pb. В процессе заряда аккумуляторной батареи для автомобиля протекает обратный процесс. Когда сульфат свинца расходуется, начинается процесс электролиза воды. В ходе его протекания на катоде и аноде выделяются водород и кислород, соответственно.

Ниже представлены реакции, протекающие на электродах АКБ. Слева направо реакция идет в процессе разряда. Справа налево процесс происходит при заряде аккумулятора.

Анод (положительный электрод):

PbO 2 + SO 4 2- + 4H + + 2e − -> PbSO 4 + 2H 2 O

Катод (отрицательный электрод):

Pb + SO 4 2- − 2e − ->PbSO 4

Когда аккумулятор на автомобиле разряжается, идет процесс расхода серной кислоты и понижение плотности электролита. Когда аккумуляторная батарея заряжается, процесс идет в обратном направлении и плотность электролита повышается. Когда заряд подходит к концу и сульфат свинца исчерпывается до некоторого порогового значения, запускается электролиз воды.

В результате выделения водорода и кислорода создается впечатление, что электролит кипит. Лучше избегать этого процесса, поскольку при нем расходуется вода, растет плотность электролита, а из-за гремучей смеси (водород + кислород) повышается опасность взрыва.

Чтобы поддерживать необходимый уровень электролита в элементы АКБ при необходимости доливают дистиллированную воду. Подробнее о том, читайте по ссылке.

Как уже говорилось, АКБ автомобиля состоит из отдельных элементов. Сам элемент имеет в своей конструкции положительные и отрицательные электроды, а также сепараторы (разделительные пластины). Сепаратор выпускается из материалов, которые не вступают в реакцию с серной кислотой. Его назначение – это исключить замыкание пластин разной полярности. Сами электроды – это решётки, выполненные из свинца. В зависимости от типа автомобильного аккумулятора в свинец могут быть добавлены различные легирующие добавки.

На решётки положительных электродов нанесен порошок PbO2, а отрицательных электродов – порошок металлического свинца. Это делается для того, чтобы нарастить ёмкость АКБ, поскольку порошок значительно увеличивает поверхности электродов, которая взаимодействует с электролитом. Сегодня наиболее распространёнными являются АКБ для автомобиля, в которых свинцовые решётки выполнены из сплава свинца и сурьмы. Сурьмы содержится примерно 1-2 процента. Такие аккумуляторные батареи называются малосурьмянистыми (содержание сурьмы до 6 процентов). Их можно встретить в ассортименте различных производителей, включая .

Сурьма добавляется для увеличения прочности пластин. Решетки из чистого свинца недолговечны и быстро разрушаются. Решетки электродов часто легируются кальцием. Он может добавляться как в оба электрода (кальциевые аккумуляторы или Ca/Ca), так и только в отрицательный электрод (гибридные аккумуляторы Sb/Ca). Подробнее о можно прочитать в отдельной статье. Преимущество кальция в том, что он значительно снижает процесс электролиза воды и практически устраняет необходимость доливки. А главный недостаток таких батарей в необратимой потери ёмкости при глубоком разряде.

Пластины электродов погружены в электролит. Для приготовления электролита используется серная кислота и дистиллированная вода. Простую воду использовать нельзя, поскольку в ней содержатся соли магния и кальция, которые ухудшают характеристики АКБ и уменьшают срок эксплуатации.

В зависимости от концентрации серной кислоты в электролите меняется его электрическая проводимость. Она принимает максимальное значение при плотности 1,23 г/см3 и комнатной температуре. От проводимости электролита зависит внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи. Чем проводимость выше, тем внутреннее сопротивление ниже. При уменьшении внутреннего сопротивления снижаются и потери. Но плотность электролита, чаще всего, поддерживается выше. Это значение на заряженном аккумуляторе держат 1,275 г/см3. В северных регионах рекомендуется поднимать плотность до 1,29 г/см3. Делается это для того, чтобы понизить температуру замерзания электролита. В случае замерзания электролита велика вероятность коробления пластин и разрыва банок АКБ.

Основные характеристики аккумуляторной батареи

• Ёмкость аккумулятора. Характеризует количество отдаваемого электричества при разрядке до минимально допустимого напряжения. Единица измерения ёмкости ─ ампер-часы;
• Ток холодной прокрутки. Также называется пусковым током. Согласно ГОСТ проверка на заявленный пусковой ток проводится после охлаждения АКБ до -18 градусов Цельсия. Автомобильный аккумулятор разряжается пусковым током 30 секунд. После этого его напряжение должно быть не меньше 8,4 вольта. В случае разряда продолжительностью 150 секунд напряжение должно быть не меньше 6 вольт;
• Электродвижущая сила батареи (ЭДС). Параметр, показывающий напряжение на выводах батареи, на которую не повешена внешняя нагрузка и нет утечек. ЭДС можно измерить при помощи вольтметра или мультиметра;
• Внутреннее сопротивление АКБ автомобиля. Эта характеристика объединяет в себе сопротивление сепараторов, электродов, электролита, выводов и прочих элементов батареи;
• Степень заряженности. Это параметр зависит от множества факторов и точное значение узнать сложно. Но ориентировочно степень заряженности оценивается по ЭДС и плотности электролита;
• Особенности конструкции (вес, типоразмер);
• Полярность. Подробнее о том,

  Все автомобильные аккумуляторы можно подразделить на следующие виды:

  • Сурьмянистые. Эти модели АКБ ушли в прошлое и сегодня для автомобилей не используются. В электродах этих батарей содержится больше пяти процентов сурьмы;
  • Малосурьмянистые. Пластины с уменьшенным содержанием сурьмы стали для того, чтобы снизить разложение воды на кислород и водород. Но проблема обслуживаниях в них до сих пор актуальна. На сегодняшний день один из наиболее распространенных видов АКБ;
  • Кальциевые АКБ. Кальцием стали легировать свинцовые решетки для решения проблемы расхода воды и снижения саморазряда. При этом добавилась проблема потери ёмкости при глубоком разряде;
  • Гибридные батареи. Это современные автомобильные аккумуляторы, которые стали попыткой найти компромисс между малосурьмянистыми и кальциевыми аккумуляторами;
  • AGM и гелевые батареи. Это относительно новые аккумуляторы для автомобилей. Они стали следующим шагом в обеспечении безопасной эксплуатации автомобильных аккумуляторов;
  • Щелочные аккумуляторы. В этом типе аккумуляторов вместо кислоты роль электролита выполняет щелочь. Наиболее распространены аккумуляторы никель-железо и никель─кадмий;
  • Литий-ионные АКБ. Модели аккумуляторов этого вида довольно перспективны, но на сегодняшний день не получили широкого применения на автомобилях из-за ряда нерешённых проблем.

  В списке ниже приводятся основные бренды автомобильных аккумуляторов, сгруппированные по странам:

  • Россия (Зверь, Аком, Титан, Тюмень, Исток);
  • Германия (Varta, Bosch, Moll, Tenax, Energizer);
  • Польша (Sznajder, Autopart, Centra, 1 Storm, Timberg);
  • Украина (Westa, Vortex, Docker, Forse, Ista, Volta, Oberon);
  • Турция (Mutlu);
  • Япония (FB, GS Yuasa, Panasonic, Hitachi, Alaska);
  • США (Exide, Hagen, ACDelco, Afa, Duracell, American, Gigawatt, Space, Deka, Optima, Tudor);
  • Италия (Fiamm);
  • Казахстан (Барс);
  • Словения (Tab, Topla, Moratti);
  • Южная Корея (Medalist, Delkor, Solite, Nord, Rocket).

  
  Более подробные обзоры линеек аккумуляторов разных производителей можно прочитать в разделе «Выбор». Подробнее о том, можно прочитать по ссылке.

Акции направленные на лояльность покупателей, можно разделить на несколько видов. Акции для торговых точек на увеличение клиентской базы, на увеличение объема продаж, на расширение ассортимента.

Например: Если у меня клиентская база 75 клиентов и я в этом месяце выполняю по АКБ (активная клиентская база сработавшая за 1 месяц, далее АКБ), то акция направленная на расширение АКБ будет не эффективной. Зачем мне лишние клиенты в этом месяце, я их лучше приберегу для следующего месяца. То есть акция будет эффективна только для тех торговых представителей, которые не набрали план по клиентской базе. Для тех же кто набрал план по клиентской базе логика будет проста, зачем мне делать больше плана клиентскую базу в этом месяце, если в следующем месяце мне повысят план по АКБ исходя не из предыдущего плана, а исходя из фактической АКБ в этом месяце, которая будет больше.

Акция по расширению АКБ звучит так: каждая новая точка за заказ на 1000 рублей получает в подарок продукцию на 200 рублей. Подарок лучше выбирать из ходовой продукции, чтобы он действительно был подарком. Выгода точки 20% от заказа. Ваш расчет на то, что с вами будут работать магазины взявшие товар по акции оправдается приблизительно на 80-90%, то есть если по акции взяли 100 магазинов, то постоянно будут работать с вами 80-90 магазинов. Остальные 10-20 магазинов опять возьмут продукт в следующей акции. Что делать, все ищут выгоду.

Приведу пример: менеджер хотел зимой увеличить активную клиентскую базу. Он сделал акцию на 4 дня 3+1, то есть если клиент берет три упаковки воды, то четвертая в подарок, но больше трех упаковок брать нельзя, и он сделал бонус торговым представителям 5000 рублей за лучший показатель. Представьте всего за 4 дня работы заработать 5000 рублей, это хорошие деньги к зарплате.

Я включился в акцию на 1 день позже, так как работал еще на одном районе области не попадавшим в акцию. Я ездил в течение трех дней и предлагал воду всем магазинам подряд, давая подарочную упаковку сразу при заказе, чтобы клиенты видели, что акция реальная, о том, что кто то возьмет упаковку, а заказ потом не примет я не беспокоился, потому что знал, что отказываются от заказа после получения подарка очень редко в итоге я набрал больше всех клиентов около 30 и заработал 5000 рублей. А менеджер в итоге получил прирост клиентской базы где то в 70 клиентов со всех торговых представителей, и это зимой, когда вода вообще не продается. Вот так, правильно менеджер использовал акцию.

В то же самое время если я не выполняю план по продажам, то мне нужна акция на расширение ассортимента и увеличение объема продаж. Акция на увеличение объема продаж будет выглядеть так. Клиент берет 5 упаковок продукта 6-ая упаковка в подарок, и можно брать любое количество упаковок.

Опять же зимой мы проводили акцию 5+1 по пиву и один клиент взял у меня продукции на 25% от моего плана. Эффективность таких акций очевидна, план я выполнил, главное чтобы это было выгодно самой компании. Обычно такие акции проводятся зимой потому что зимой сложнее выполнить план.

Читаем вопрос trudnopisaka :

"Интересно было бы узнать про новые технологии аккумуляторов, которые готовят к серийному производству. "

Ну конечно же критерий серийного производства несколько растяжимый, но давайте попробуем узнать, что сейчас перспективно.

Вот что придумали химики:

Напряжение ячейки в вольтах (по вертикали) и удельная ёмкость катода (мАч/г) новой батареи сразу после её изготовления (I), первого разряда (II) и первого заряда (III) (иллюстрация Hee Soo Kim et al./Nature Communications).

По своему энергетическому потенциалу батареи, основанные на сочетании магния и серы, способны обойти литиевые. Но до сих пор никто не мог заставить эти два вещества дружно работать в аккумуляторной ячейке. Теперь, с некоторыми оговорками, это удалось группе специалистов в США.

Учёные из тойотовского исследовательского института в Северной Америке (TRI-NA) попытались решить главную проблему, стоящую на пути создания магниево-серных батарей (Mg/S).

Подготовлено по материалам Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории .

Немцы изобрели фторид-ионную аккумуляторную батарею

В дополнение к целой армии электрохимических источников тока учёные разработали ещё один вариант. Его заявленные достоинства — меньшая пожароопасность и в десять раз большая удельная ёмкость, чем у литиево-ионных батарей.

Химики из технологического института Карлсруэ (KIT) предложили концепцию аккумуляторов на основе фторидов металлов и даже испытали несколько небольших лабораторных образцов.

В таких аккумуляторах за перенос зарядов между электродами отвечают анионы фтора. Анод и катод аккумулятора содержат металлы, которые в зависимости от направления тока (заряд или разряд) по очереди превращаются во фториды или восстанавливаются обратно до металлов.

«Поскольку один атом металла способен принять или отдать сразу несколько электронов, эта концепция позволяет достичь чрезвычайно высокой плотности энергии — до десяти раз выше, чем у обычных литиево-ионных батарей», — говорит один из авторов разработки доктор Максимилиан Фихтнер (Maximilian Fichtner).

Для проверки идеи немецкие исследователи создали несколько образцов таких батарей диаметром 7 миллиметров и толщиной 1 мм. Авторы изучили несколько материалов для электродов (медь и висмут в сочетании с углеродом, например), а электролит создали на основе лантана и бария.

Однако такой твёрдый электролит - это лишь промежуточный шаг. Данный состав, проводящий ионы фтора, хорошо работает только при высокой температуре. Потому химики ищут ему замену - жидкий электролит, который действовал бы при комнатной температуре.

(Подробности можно найти в пресс-релизе института и статье в Journal of Materials Chemistry.)

Аккумуляторы будущего

Что ждет рынок аккумуляторов в будущем, пока сложно прогнозировать. Литиевые батареи пока уверенно правят балом, и у них есть неплохой потенциал, благодаря литий-полимерным разработкам. Внедрение серебряно-цинковых элементов - весьма длительный и дорогостоящий процесс, и его целесообразность пока является дискуссионным вопросом. Технологии на основе топливных элементов и нанотрубок уже много лет восхваляются и описываются самым красивыми словами, однако когда дело доходит до практики, фактические продукты получаются либо слишком громоздкими, либо слишком дорогими, либо и то, и другое вместе взятое. Ясно лишь одно - в ближайшие годы данная отрасль будет продолжать активно развиваться, ведь популярность портативных устройств растет не по дням, а по часам.

Параллельно с ноутбуками, ориентированными на автономную работу, развивается направление настольных ноутов, в которых батарея скорее играет роль резервного ИБП. Недавно в Samsung выпустили подобный ноутбук и вовсе без батареи.

В NiCd -аккумуляторах также существует возможность электролиза. Чтобы в них не скапливался взрывоопасный водород, батареи оснащают микроскопическими клапанами.

В знаменитом институте MIT недавно была разработана уникальная технология производства литиевых аккумуляторов усилиями специально-обученных вирусов.

Несмотря на то, что топливный элемент внешне совершенно не похож на традиционную батарею, работает он по тем же принципам.

А кто еще подскажет какие нибудь перспективные направления?