Рассмотрим устройство AGM-аккумулятора на примере СГАН 12-33 — герметизированной свинцово-кислотной батареи НПП «Источник» с номинальным напряжением 12 В и ёмкостью 33 А·ч. Трёхмерная модель показывает, что находится под крышкой и какую задачу выполняет каждый компонент.
СГАН 12-33 в трёхмерной модели
Модель можно вращать и разбирать на основные части: корпус, крышку аккумуляторной батареи, клапанную крышку с ручкой и электродные блоки. Это позволяет рассмотреть внутреннее устройство без вскрытия реального изделия.
Корпус и шесть аккумуляторных ячеек
Внутри корпус СГАН 12-33 разделён перегородками на шесть отсеков. В каждом находится отдельная аккумуляторная ячейка с номинальным напряжением около 2 В.
Ячейки соединены последовательно межэлементными перемычками, поэтому вместе дают номинальные 12 В. Наружу выведены положительная и отрицательная клеммы для подключения батареи к оборудованию.
Корпус и крышка удерживают внутренние компоненты, обеспечивают их изоляцию и герметизацию. Над основной крышкой находится клапанная крышка, закрывающая предохранительные клапаны ячеек.
Электроды: решётка и активная масса
В каждой ячейке чередуются положительные и отрицательные пластины. В серии СГАН применяются намазные электроды: их основой служит решётка из свинцового сплава, удерживающая активную массу и проводящая электрический ток.
В заряженном состоянии основное активное вещество положительных пластин — диоксид свинца (PbO₂), отрицательных — губчатый свинец (Pb). Именно эти материалы участвуют в реакциях, благодаря которым батарея накапливает и отдаёт энергию.
Активная масса имеет пористую структуру. Электролит проникает в её поры, обеспечивая контакт с рабочей поверхностью материала. Пластины одной полярности внутри ячейки объединены токоведущими соединениями.
AGM-сепаратор и электролит
Между разноимёнными пластинами находится пористый стекловолоконный сепаратор. От его названия — Absorbent Glass Mat, абсорбирующий стекловолоконный мат — происходит сокращение AGM.
Сепаратор предотвращает непосредственный контакт положительных и отрицательных электродов и удерживает электролит — водный раствор серной кислоты. Раствор находится в порах стекловолокна и активной массы пластин.
В AGM электролит остаётся жидким: он не превращается в гель, а удерживается пористыми материалами за счёт капиллярных сил. Через этот раствор перемещаются ионы, необходимые для электрохимических реакций.
При сборке пластины и сепараторы сжимают с заданным усилием. Такая компрессия поддерживает контакт между компонентами и устойчивость электродного блока. При этом часть пор сепаратора остаётся незаполненной жидкостью — по ним внутри ячейки перемещается кислород.
Что происходит при разряде и заряде
Когда к СГАН подключена нагрузка и батарея разряжается, химическая энергия преобразуется в электрическую. Активные вещества положительных и отрицательных пластин превращаются в сульфат свинца (PbSO₄). Серная кислота расходуется, образуется вода, а концентрация кислоты в электролите уменьшается.
Суммарная реакция:
PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ ⇄ 2PbSO₄ + 2H₂O
При разряде реакция идёт слева направо. При заряде внешний источник подводит электрическую энергию, и процесс идёт в обратном направлении: восстанавливаются активные вещества пластин, концентрация серной кислоты увеличивается. Батарея снова может отдавать энергию подключённому оборудованию.
AGM не меняет эту электрохимическую основу. Особенность технологии — в устройстве электродного блока, удержании электролита и организации внутреннего газового цикла.
Кислородный цикл и предохранительные клапаны
При заряде наряду с восстановлением активных веществ возможны побочные реакции с выделением кислорода на положительных пластинах. В AGM-аккумуляторе значительная часть кислорода проходит через свободные от жидкости поры сепаратора к отрицательным пластинам.
Там он участвует в реакциях, в результате которых восстанавливается вода. Одновременно подавляется выделение водорода. Этот механизм называют внутренним кислородным циклом, или рекомбинацией кислорода. Он существенно уменьшает потерю воды, поэтому при штатной эксплуатации СГАН не требует её долива.
Однако герметизированная батарея не является полностью замкнутым сосудом. Если газообразование превышает возможности рекомбинации, давление внутри ячейки повышается. Предохранительный клапан открывается, выпускает избыток газа и после снижения давления закрывается.
Отсюда обозначение VRLA — Valve-Regulated Lead-Acid: свинцово-кислотный аккумулятор с клапанным регулированием. Клапан ограничивает давление, но не заменяет правильный режим заряда: длительный перезаряд может приводить к потере воды и высыханию электродного блока.
Таким образом, в СГАН электроды обеспечивают накопление и отдачу энергии, AGM-сепараторы разделяют пластины и удерживают электролит, перемычки соединяют ячейки, а кислородный цикл и клапаны обеспечивают работу герметизированной конструкции. Эти компоненты образуют единую систему, которую и показывает трёхмерная модель СГАН 12-33.
