Все аккумуляторы похожи друг на друга, как родные братья: большая банка с кислотой, из которой торчат два свинцовых контакта. Принцип действия всех современных аккумуляторов одинаков. Он не изменился за последние 138 лет, с того момента, как впервые в 1860 году Гастон Планте подарил Французской Академии наук первую аккумуляторную батарею. Удивительно, но несмотря на все разговоры ученых о том, что мы стоим на пороге революции в накопителях тока, их принципиальная конструкция остается неизменной. Напрочь презирая новомодные кадмиево-никелевые системы и загадочные “топливные ячейки”, автомобилисты всего мира используют все ту же кислоту и тот же свинец.
Тем не менее отличия современных аккумуляторов от тех, что использовал Гастон Планте, почти так же велики, как и разница между дешевыми конструкциями, в которых действительно только банка с кислотой и больше ничего, и сложными системами, вобравшими в себя технический опыт прошедших 138 лет. Усовершенствования аккумуляторных батарей произошли в области материала пластин, общей конструкции и, в частности, в решении вопроса сбора и возвращения испаряющейся воды (системы кондиционирования).
Материал пластин аккумуляторов
Чистый свинец, из которого первоначально делались и пластины и паста, практически непригоден при современной поточной технологии изготовления аккумуляторов. Для изготовления решетчатой структуры (обычно литьем) и последующего нанесения пасты нужен материал с более высокими механическими свойствами. Для их достижения в свинец добавляли сурьму.
Легирование свинца сурьмой, обычно от 6 до 12%, приводит к тому, что гидролиз воды (электролитическое разложение на водород и кислород) происходит уже при 12В. Это означает, что даже при нормальном состоянии электрической системы автомобиля вода постоянно расходуется, улетучиваясь в воздух в виде газа. Не нужно быть экспертом, чтобы понять, что при неисправностях электросистемы автомобиля, ведущих к повышению и скачкам напряжения в ней, этот процесс многократно усиливается.
Это было привычно и понятно, и аккумулятор у советских автомобилистов прочно ассоциировался с необходимостью по крайней мере раз в год откручивать крышки и проверять уровень воды. Если ее было недостаточно и на ее поверхности появлялись верхние края решетки, необходимо было искать дистиллированную воду, спрашивать у друзей или соседей по гаражу странный предмет под названием денсиметр (похож на клизму со встроенным поплавком) и пускаться в домашние химические опыты. Теперь внимание, попробуйте запомнить! Ни в коем случае нельзя вливать воду в кислоту, только наоборот! Иначе может произойти мини-взрыв, и не только ваши джинсы будут прожжены кислотой (вполне нормально, было хоть раз с каждым), вам практически гарантированы тяжелые травмы и ожоги.
Лень и чувство самосохранения автолюбителей Запада заставили их решить проблему испарения воды. Если количество сурьмы свести к минимуму или заменить ее другим элементом, то аккумулятор можно сделать практически необслуживаемым. Американцы из фирм Delco Remy и GNB в 50-е годы реализовали так называемый кальциевый свинец, а европейцы — малосурьмянистый (Baren, Varta, Bosch). Полученные в результате конструкции обеспечивали стойкость к гидролизу при напряжениях до 16В и выше, а значит, при нормально работающей электросистеме (напряжения в пределах 14В) вода практически не испаряется, и аккумулятор можно сделать герметично закрытым на все время его эксплуатации.
Таким образом, сегодня различают четыре основных разновидности аккумуляторов — “классические” обслуживаемые (сурьмянистый свинец), малосурьмянистые, кальциевые и гибридные (комбинированные). В последних отрицательные пластины делают из кальциевого свинца, а положительные — из малосурьмянистого. Такой выбор не случаен. При всех достоинствах кальциевых аккумуляторов один “смертельный” недостаток у них все-таки есть. При длительной глубокой разрядке их положительные пластины покрываются сульфатом кальция, блокирующего электрохимические реакции. Этот процесс, в отличие от образования знаменитого сульфата свинца, необратим.
От чего умирают аккумуляторы
Главной причиной смерти аккумуляторов является физика электрохимического процесса зарядки и разрядки. Получая и отдавая ток, пластины с нанесенной на них пастой расширяются и сжимаются. Это происходит циклично много сотен и тысяч раз, и в результате происходит механическое разрушение их структуры. Нанесенная на решетчатые пластины паста опадает с них, скапливаясь на дне. Как результат, еще до того, как рабочие поверхности оголятся и потеряют способность удерживать заряд, накопившийся шлам замкнет положительные и отрицательные пластины.
Временное решение существует. Первоначально на дне аккумуляторов делались дополнительные емкости-отстойники, перегороженные ребрами, в которые собирался шлам. Дальнейшие труды конструкторов и разработчиков привели к появлению конвертов-сепараторов. Сепараторы, как следует из названия, разделяют отрицательные и положительные пластины. Выполненные из пористого материала (полиэтилен в последнее время), они, как губка, пропитаны электролитом и позволяют пластинам быть расположенными практически вплотную друг к другу. Это значительно уменьшает размеры аккумуляторов и повышает их стойкость к механическим нагрузкам, ведь теперь внутри их находятся плотно упакованные “пакеты”, а не болтающиеся решетки.
Дальше, если сепараторы закрыть с трех сторон, они превращаются в своеобразные конверты, в которых и накапливается опадающая с поверхности каждой пластины отработанная свинцовая паста. В результате этого потребность в отстойнике отпадает, пакеты пластин можно фиксировать прямо на дне, что еще больше повышает стойкость и сопротивляемость к вибрациям и ударам. Высвобождается также дополнительное пространство по высоте. Его используют, создавая дополнительные резервы электролита (повышает общее время жизни аккумулятора) и систему конденсирования и сбора испаряющейся воды (см. предыдущую скобку).
Аккумуляторы одинаково боятся перезарядки и глубокой разрядки. В первом случае происходит интенсивное окисление, разрушение и осыпание материала положительных пластин, а во втором начинается оплывание пасты с отрицательных решеток. Перезарядка может наступить как на работающем автомобиле в случае неисправности электросистемы, так и при стационарной зарядке аккумулятора, когда вы отвлеклись, забыли, в общем, прозевали момент, когда он начал бурлить, интенсивно разлагая воду. Кальциевые и гибридные аккумуляторы в гораздо меньшей степени подвержены этой угрозе, потому что состав их свинца обеспечивает свойства своеобразной “самовыключаемости” — они перестают принимать ток, когда заряжены на 95–97%.
Глубокая разрядка происходит чаще всего по вине электросистемы (неисправный генератор), по причине ослабленного ремня генератора, окисления многочисленных контактов, а также замыканий на корпус, когда ток идет не к батарее, а на нагревание окружающего воздуха всей массой автомобиля. Возникшие неполадки легко заметить по неожиданно появившимся проблемам пуска двигателя. Устраняются они стационарной зарядкой, а также поиском и устранением собственно причины потери тока.
При разрядке опасны не только долгосрочные последствия (разрушение отрицательных пластин). Вполне реально перейти за “границу невосстанавливаемости” (2В), когда аккумулятор уже нельзя будет зарядить никакими самыми умными зарядными устройствами. Другая ситуация более простая, но не менее опасная. Электролит разряженного аккумулятора стремится превратиться в обычную воду, а она, как известно, замерзает при минусовой температуре. Так вот, если заряженный аккумулятор вполне сносно переносит морозы потому, что серная кислота не замерзает, то в разряженном варианте он вполне может “рвануть”, не выдержав очередной морозной ночи.
