Нові свинцево-кислотні системи

Більшість сучасних акумуляторних систем можна зарядити приблизно за годину, і розряд за потужністю зазвичай співставний із часом зарядки. Свинцево‑кислотні батареї різко відрізняються: вони здатні віддавати дуже високі струми (швидко розряджатися), але для повного зарядження їм часто потрібно 14–16 годин, а також періодичні вирівнювальні цикли для десульфатації пластин і виправлення дефектів.

Чому свинець повільно приймає заряд

Ключ до повільної зарядоприйнятності — поведінка сульфату свинцю на негативній пластині, зробленій з «чистого» свинцю. Під час розряду на поверхні електрода формується сульфат свинцю, а при заряді він повинен знову розчинятися та перетворюватися на активний матеріал. Цей процес іонного обміну й розчинення відносно повільний; якщо намагатися сильно прискорити заряд, надлишкові електрони «не встигають» брати участь у корисній реакції, і струм частково йде на електроліз — виділяється водень, витрачається вода й посилюється деградація. З віком кристали сульфату свинцю стають більшими й твердішими, що ще більше знижує здатність пластин приймати заряд.

На позитивній пластині теж утворюється сульфат свинцю, але вона, на відміну від негативної, краще переносить високі зарядні струми, тому «вузьким місцем» класичного свинцево‑кислотного акумулятора є саме негативний електрод. Сучасні модифікації намагаються обійти цю проблему, додаючи вуглець до негативної пластини — звідси походить сімейство свинцево‑вуглецевих систем.

Вдосконалений свинцево-вуглецевий (ALC)

Інженери давно знають, що накопичення сульфатів на негативній пластині під частковим зарядом і при старінні різко погіршує поведінку свинцево‑кислотних батарей. Вдосконалений свинцево‑вуглецевий акумулятор (ALC, advanced lead‑carbon) додає вуглець до негативного електрода (катода в сенсі зарядного режиму), перетворюючи його на щось середнє між класичною пластиною й суперконденсатором. Це суттєво покращує динамічну приймальну здатність заряду та поведінку при швидких циклах. 

Схематично класичний свинцево‑кислотний елемент можна уявити так: позитивна пластина залишається з діоксиду свинцю, а негативна замінюється чи модифікується вуглецевим електродом із властивостями конденсатора (рис. 1).

Рисунок 1: Перетворення класичного свинцево-кислотного акумулятора на вдосконалений свинцево-вуглецевий акумулятор. [1]

Такі ALC‑системи тестують як заміну звичайних стартерних батарей у системах «старт‑стоп» та в 48‑вольтових мікро‑ й м’яких гібридах. Ключова перевага — можливість швидко приймати заряд під час рекуперативного гальмування, з чим класичний свинець справляється погано.

ALC важчий і масивніший за літій‑іонний акумулятор, але дешевший, здатний працювати при субнульових температурах і не потребує активного охолодження — це переваги, яких Li‑ion не має. На відміну від звичайного свинцю, свинцево‑вуглецевий може стабільно працювати в діапазоні 30–70% SoC без ризику сульфатації, а ресурс, за оцінками, перевищує ресурс класичного свинцево‑кислотного акумулятора. Недолік — більш різке падіння напруги при розряді, характерне для суперконденсаторів.

Firefly Energy (вуглецево-пінні електроди).

Firefly Energy розробила варіант свинцево‑кислотної батареї з вуглецево‑пінними електродами на негативній пластині, заявляючи меншу масу, довший ресурс і кращу утилізацію активного матеріалу. Одна з ключових переваг — здатність тривалий час працювати в режимі часткового заряду, що для класичного свинцю критично проблемно. За заявами, така батарея може демонструвати характеристики, наближені до NiMH, але при нижчих виробничих витратах. Firefly Energy як дочірня структура Caterpillar збанкрутувала 2010 року, потім її активи купили й частково відновили в Індії (Firefly Batteries Pvt. Ltd), але компанія знову припинила діяльність; продукція певний час випускалась там локально.

Altraverda (Ebonex®, біполярна конструкція).

Altraverda використовує технологію на основі свинцю, але з біполярними пластинами, де в ролі несучої структури виступає керамічний матеріал на базі субоксиду титану (Ebonex®). Пластина без пасти містить частинки Ebonex® у полімерній матриці, яка утримує тонку свинцеву фольгу на зовнішніх поверхнях; у поєднанні з AGM‑сепаратором це дає питому енергію близько 50–60 Вт·год/кг, порівнянну з NiCd, і добре підходить для високовольтних застосувань. Компанія Altraverda (Велика Британія) співпрацювала з East Penn у США для впровадження цієї технології.

Axion Power e3 Supercell (гібрид батарея/суперконденсатор).

Система Axion Power e3 Supercell поєднує стандартний позитивний електрод з діоксиду свинцю з негативною пластиною з активованого вугілля. За технологією складання це близько до класичного свинцево‑кислотного акумулятора, але завдяки вуглецю батарея швидше перезаряджається й довше витримує глибокі цикли, що робить її цікавою для мікрогібридних авто із системою старт‑стоп. Зниження вмісту свинцю на негативній пластині дає змогу зменшити масу приблизно на 30%, однак питома енергія падає до 15–25 Вт·год/кг порівняно з 30–50 Вт·год/кг у звичайних свинцево‑кислотних. Додатковий мінус — характерне «обвальне» падіння напруги при розряді, схоже на поведінку суперконденсатора.

CSIRO UltraBattery.

UltraBattery, розроблена австралійською CSIRO, поєднує в кожному осередку асиметричний ультраконденсатор із свинцево‑кислотною батареєю й за концепцією близька до свинцево‑вуглецевих систем. Конденсаторний компонент бере на себе пікові потужності під час заряду й розряду, виступаючи буфером і захищаючи свинцеву частину, що, за повідомленнями, у чотири рази подовжує ресурс і на 50% підвищує доступну потужність порівняно зі звичайним свинцем. Виробники також заявляли до 70% зниження вартості у порівнянні з актуальними на той момент батареями в гібридних авто. UltraBattery проходила випробування в Honda Insight HEV і нині розглядається для мікрогібридної «старт‑стоп» архітектури та для вітроенергетики й ESS. На відміну від більшості інших «просунутих» свинцевих систем, можливість швидкого приймання заряду є тут ключовою перевагою.

EEStor.

EEStor — це проєкт «гібриду» акумулятора і суперконденсатора на основі модифікованого керамічного порошку титанату барію, який широко обговорювався в медіа. Компанія робила надзвичайно амбітні заяви: питома енергія до 280 Вт·год/кг (вище за Li‑ion), заряд за 3–6 хвилин, відсутність небезпечних матеріалів, виробнича собівартість на рівні свинцю й мізерний саморозряд порядку 0,02% на місяць. Однак тестування 2013 року показало відсутність значущих рівнів накопиченої енергії через високий опір між шарами; розробки тривають, але надійних підтверджень заявлених параметрів наразі немає.

EFB (Enhanced Flooded Battery).

«Покращена затоплена батарея» (EFB) розроблена як компроміс для недорогих систем старт‑стоп: звичайні стартерні свинцево‑кислотні акумулятори погано переносять часті перезапуски, AGM — дорожчі, тому EFB підсилює класичну затоплену конструкцію (покращені пластини, сепаратори тощо). Тести показують, що EFB працює помітно краще за «звичайний» свинцево‑кислотний, але поступається AGM, причому ресурс корелює з ціною.

Загальна оцінка потенціалу

Фахівці з батарей сходяться на думці, що головною фундаментальною «стелею» свинцево‑кислотної технології є сам свинець як активний матеріал. Водночас свинцеві системи далеко не вичерпали свій потенціал: удосконалення активної маси, структури пластин і, особливо, додавання вуглецевих матеріалів до негативного електрода вже показують значне зниження сульфатації, покращення провідності та різке підвищення динамічної приймальної здатності заряду. Це робить «свинцево‑вуглецеве» сімейство перспективним варіантом там, де критичні вартість, безпека, робота при низьких температурах і прийнятна маса, але немає жорсткої вимоги до максимальної питомої енергії, як у Li‑ion.

Посилання

[1] Courtesy of Advanced Lead-Acid Battery Consortium (ALABC)