Намазные электроды аккумуляторов: устройство и технология производства

Намазные электроды — одна из наиболее распространённых конструкций пластин свинцово-кислотных аккумуляторов. Их основу составляет металлическая токопроводящая решётка, на которую наносят специально приготовленную пасту. В ходе последующей технологической обработки из неё получают пористый активный материал, участвующий в накоплении и отдаче электрической энергии.

Такая конструкция применяется в аккумуляторах для источников бесперебойного питания, связи, энергетики, промышленной автоматики и других систем электроснабжения. Изменяя геометрию решётки, рецептуру пасты, толщину и количество пластин, можно создавать изделия для разных нагрузок и режимов работы.

Однако обозначение «намазные электроды» само по себе не определяет ёмкость, мощность или срок службы батареи. Эти характеристики зависят от устройства пластин, качества производства и условий эксплуатации. Чтобы понимать возможности технологии, важно рассмотреть весь путь: от изготовления решётки до превращения пасты в рабочий электрод.

Что такое намазной электрод

Намазной электрод, или pasted plate, состоит из двух основных частей: металлической решётки и удерживаемой ею активной массы. Решётка образует каркас пластины и проводит ток, а активный материал непосредственно участвует в электрохимических реакциях.

При изготовлении паста заполняет ячейки решётки и образует слой заданной толщины. Затем пластина проходит технологическую обработку, в ходе которой изменяются химический состав и структура нанесённого материала.

В сформированном и заряженном аккумуляторе основными активными веществами являются:

• на положительном электроде — диоксид свинца PbO₂;
• на отрицательном электроде — губчатый металлический свинец Pb.

Положительные и отрицательные пластины могут изготавливаться по одному конструктивному принципу, но состав их паст, свойства активной массы и требования к производству различаются.

Название технологии связано со способом нанесения материала на решётку. При этом готовый электрод представляет собой сложную пористую структуру: она должна обеспечивать доступ электролита, прохождение электронного тока и достаточную механическую устойчивость.

Зачем электроду нужна металлическая решётка

Решётка выполняет две взаимосвязанные функции — механическую и электрическую.

Механическая функция заключается в поддержке активной массы. Каркас задаёт геометрию пластины, удерживает материал и помогает сохранять целостность электрода во время производства, сборки и эксплуатации.

Электрическая функция — обеспечивать прохождение тока между активным материалом и выводами аккумулятора. Через элементы решётки ток проходит к ушку пластины, соединениям электродов одной полярности и далее к токовыводу. При заряде направление тока меняется, но решётка продолжает выполнять роль токопроводящего каркаса.

Геометрия решётки влияет на распределение тока по площади электрода. Имеют значение расположение рёбер, их сечение, размеры ячеек и положение ушка. Слишком высокое сопротивление отдельных участков приводит к неодинаковой нагрузке на разные области активной массы.

При проектировании необходимо согласовать прочность, электропроводность, количество активного материала и массу пластины. Простое увеличение количества металла не всегда рационально: решётка становится тяжелее, но её масса не равнозначна запасу электрохимически доступного активного вещества.

Из чего изготавливают решётки

Для изготовления решёток используют свинец и сплавы на его основе. В зависимости от конструкции в состав могут входить кальций, олово, сурьма и другие легирующие компоненты. Они изменяют прочность, технологические свойства, коррозионное поведение и другие характеристики материала.

Выбор сплава связан также с требованиями к газовыделению и расходу воды. Поэтому составы решёток для обслуживаемых заливных и герметизированных VRLA-аккумуляторов могут различаться. Нельзя считать все свинцовые сплавы равноценными для любого типа батарей.

Особое значение имеет коррозионная стойкость положительной решётки. Она работает при высоком электродном потенциале и постепенно окисляется. Скорость этого процесса зависит от материала решётки, температуры, зарядного напряжения и других условий эксплуатации.

Помимо состава сплава важны размеры и структура металлических элементов. Две решётки из одинакового сплава могут различаться по прочности, сопротивлению и долговечности из-за особенностей геометрии и изготовления.

Активная масса: что находится внутри решётки

Активная масса — электрохимически работающая часть электрода. Она контактирует с электролитом и изменяет свой состав при заряде и разряде.

Для приготовления пасты используют свинцово-оксидный порошок, воду, раствор серной кислоты и предусмотренные рецептурой добавки. В зависимости от технологии исходный порошок может содержать как оксид свинца, так и остаточный металлический свинец.

Исходная паста и активная масса сформированного электрода различаются по составу и структуре. Между приготовлением смеси и получением рабочего материала проходит несколько химических и электрохимических стадий.

В положительной пластине в результате формирования получают преимущественно диоксид свинца. В отрицательной — губчатый свинец. Слово «губчатый» описывает развитую пористую структуру металлического материала.

Рецептуры положительной и отрицательной паст различаются. Для отрицательного электрода особенно важно сохранять большую рабочую поверхность и препятствовать уплотнению активной массы. Для этого применяют специальные добавки, в том числе экспандеры, которые помогают поддерживать её структуру в процессе эксплуатации.

Конкретная рецептура определяется назначением аккумулятора и технологией производителя. Универсального состава пасты, одинаково подходящего для всех режимов работы, не существует.

Почему активная масса должна быть пористой

Электрохимические реакции протекают на границе активного материала и электролита. Система пор позволяет раствору серной кислоты проникать внутрь пластины и контактировать с поверхностью, значительно превышающей её наружную площадь.

Для работы электрода необходимы два вида переноса: ионы перемещаются в электролите, а электроны — по проводящей твёрдой фазе и металлической решётке. Если какой-либо участок теряет доступ к электролиту или электрическую связь с остальной пластиной, его участие в реакции ограничивается.

Поэтому увеличение пористости полезно лишь до определённого предела. Слишком плотная структура затрудняет доступ электролита во внутренние области. Чрезмерно рыхлый материал может обладать недостаточной прочностью и быстрее терять связность при эксплуатации.

Важны не только общий объём пор, но и их размеры, распределение и связь между собой. Эти свойства зависят от приготовления пасты, её нанесения, созревания и формирования.

Задача производства — получить активную массу, в которой сочетаются доступность для электрохимической реакции, электронная проводимость и механическая устойчивость.

Как производят намазные электроды

Производство включает несколько последовательных операций. Их конкретное исполнение зависит от оборудования, конструкции пластин и принятой технологии.

Изготовление решётки

Сначала изготавливают металлический каркас. В аккумуляторной промышленности применяют различные способы получения решёток, в том числе литьё, просечку и растяжение металлической ленты, штамповку.

Независимо от метода контролируют геометрию, толщину, массу и отсутствие дефектов, способных нарушить механическую прочность или прохождение тока. Стабильность этих параметров необходима для последующего нанесения пасты и сборки электродных блоков.

Приготовление пасты

Исходные компоненты смешивают в заданной последовательности и соотношении. Во время смешивания происходят химические реакции, выделяется тепло и образуются соединения свинца, от которых зависит дальнейшее развитие структуры материала.

Контролируют температуру, продолжительность смешивания, содержание влаги, плотность и консистенцию пасты. Она должна равномерно заполнять решётку и сохранять нужные свойства при нанесении.

Изменение количества воды или кислоты влияет не только на удобство намазки, но и на химический состав, структуру пор и поведение материала на следующих стадиях.

Нанесение пасты

Подготовленную смесь наносят на решётку, заполняя её ячейки и формируя пластину заданной толщины. При этом контролируют массу нанесённого материала и его распределение по площади.

Неравномерная намазка способна привести к различиям в локальной ёмкости, условиях прохождения тока и механической нагрузке. Неодинаковая толщина пластин также влияет на геометрию электродного блока и контакт с сепараторами.

После нанесения пасты пластина ещё не обладает составом и свойствами готового заряженного электрода. Далее необходимо получить требуемую структуру исходного материала и выполнить его электрохимическое преобразование.

Созревание и сушка пластин

После намазки пластины проходят созревание, или curing, при контролируемых температуре, влажности и продолжительности процесса.

На этой стадии происходят окисление остаточного металлического свинца, развитие и перекристаллизация соединений свинца, укрепление структуры пасты и её контакта с поверхностью решётки.

В положительных пастах важную роль играют триосновные и четырёхосновные сульфаты свинца. Их образование и размеры кристаллов зависят от условий приготовления пасты и созревания и влияют на последующее формирование активной массы.

Созревание нельзя сводить к удалению влаги. Его задача — обеспечить химические и структурные изменения, необходимые для получения работоспособной пластины.

При этом контролируемая сушка также является частью подготовки. В типичном процессе после влажной стадии остаточную влажность доводят до уровня, предусмотренного технологией. Созревание и сушка могут выполняться как последовательные этапы единой программы обработки.

Отклонения этих режимов способны повлиять на прочность материала, контакт с решёткой и способность пластины равномерно формироваться. Поэтому структура будущего электрода во многом закладывается ещё до подачи первого формировочного тока.

Электрохимическое формирование

Формирование — производственная стадия, во время которой исходные соединения пасты превращаются в рабочие активные вещества. Процесс проходит в электролите при контролируемом пропускании электрического тока.

На положительном электроде получают диоксид свинца PbO₂, на отрицательном — пористый металлический свинец Pb. Одновременно развивается структура, необходимая для последующих зарядов и разрядов.

Применяют два основных подхода:

• Формирование до сборки аккумулятора. Пластины обрабатывают в отдельных технологических ёмкостях с электролитом. Дальнейшая подготовка сформированных пластин зависит от производственной схемы.
• Формирование в собранном аккумуляторе. Электродные блоки устанавливают в корпус, вводят электролит и выполняют формирование внутри элементов или моноблоков.

Поэтому формирование не всегда предшествует сборке батареи. Положение этой операции в производственной цепочке определяется принятой технологией.

Во время процесса контролируют ток, напряжение, температуру, продолжительность, параметры электролита и степень завершённости превращений. Недостаточная проработка активной массы может ограничивать начальную ёмкость и приводить к неоднородности характеристик.

Формирование отличается от обычной эксплуатационной зарядки: его задача — впервые создать рабочий активный материал из подготовленных исходных соединений. При последующих зарядах восстанавливается состояние уже сформированных электродов после разряда.

Чем отличаются положительные и отрицательные пластины

Положительные и отрицательные намазные электроды могут быть похожи конструктивно, однако работают в разных электрохимических условиях.

Для положительной пластины особенно важны коррозионная стойкость решётки, устойчивость активной массы и сохранение контакта между ними. Во время эксплуатации решётка постепенно окисляется, а активный материал испытывает структурные и объёмные изменения.

Для отрицательной пластины большое значение имеют сохранение развитой поверхности губчатого свинца, доступ электролита и способность принимать заряд. Состав пасты и функциональные добавки помогают ограничивать нежелательное уплотнение структуры.

Хронический недозаряд и длительное пребывание в разряженном состоянии неблагоприятны для обоих электродов. При этом выраженность отдельных механизмов старения зависит от режима работы и конкретного исполнения батареи.

Как электроды работают при заряде и разряде

Суммарную реакцию свинцово-кислотного аккумулятора можно представить следующим образом:

PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ ⇄ 2PbSO₄ + 2H₂O

При разряде реакция идёт слева направо: диоксид свинца положительной пластины и свинец отрицательной превращаются в сульфат свинца. Серная кислота расходуется, образуется вода, концентрация электролита уменьшается. Аккумулятор отдаёт электрическую энергию нагрузке.

При заряде внешний источник обеспечивает обратные превращения. На положительном электроде восстанавливается диоксид свинца, на отрицательном — металлический свинец, а концентрация серной кислоты увеличивается.

В намазной пластине эти процессы затрагивают внутреннюю поверхность пористой активной массы. Насколько полно используется материал, зависит от доступа электролита, электрической проводимости и скорости реакций.

При большом токе сильнее проявляются ограничения переноса веществ и падение напряжения. В результате конечное напряжение разряда может быть достигнуто раньше, чем будет использована та доля активного материала, которая доступна при более медленном разряде.

Поэтому номинальная ёмкость всегда относится к определённым условиям: продолжительности разряда, конечному напряжению и температуре. Для расчёта времени автономной работы необходимы характеристики конкретной модели.

Как конструкция пластин влияет на мощность, ёмкость и ресурс

Количество активного материала определяет потенциальный запас электрического заряда, но фактически доступная ёмкость зависит от того, насколько эффективно этот материал используется.

Увеличение толщины слоя может повысить количество активной массы. Однако при интенсивном разряде её внутренние области могут использоваться менее полно из-за ограниченного доступа электролита и увеличения путей переноса.

Для отдачи значительного тока важны большая рабочая поверхность, низкое сопротивление решётки и соединений, а также подходящая структура активной массы. Один из способов увеличить поверхность — разместить внутри элемента больше пластин, соединив одноимённые электроды параллельно.

Но изменение числа и толщины пластин отражается на всей конструкции: количестве сепараторов, объёме электролита, габаритах и механических свойствах электродного блока.

Поэтому правило «тонкие пластины — для мощности, толстые — для ресурса» является лишь общей иллюстрацией. Долговечность определяется также сплавом и сечением решёток, структурой активной массы, качеством формирования и условиями эксплуатации.

При сравнении аккумуляторов недостаточно сопоставить массу корпуса или количество свинца. Для кратковременного питания мощного ИБП важны разрядные характеристики на заданном интервале, для длительного резервирования — доступная ёмкость при соответствующем токе, а для регулярных циклов — циклический ресурс при нужной глубине разряда.

Что происходит с намазными электродами при старении

Основная реакция аккумулятора обратима, но в реальном изделии одновременно идут процессы, постепенно изменяющие материалы. Скорость старения зависит от температуры, режима заряда, глубины разрядов и конструкции пластин.

Коррозия положительной решётки

Положительная решётка постепенно окисляется. По мере развития коррозии уменьшается металлическое сечение токоведущих элементов, могут изменяться размеры и прочность каркаса, ухудшаться контакт с активной массой.

Повышенная температура и чрезмерное зарядное напряжение способны ускорять этот процесс. Поэтому поддержание правильного режима заряда важно даже для батареи, которая редко разряжается и большую часть времени находится в резерве.

Изменение структуры активной массы

Превращения между диоксидом свинца и сульфатом свинца сопровождаются изменением объёма твёрдой фазы. При повторяющихся циклах положительная активная масса может постепенно размягчаться и терять связность.

Некоторые участки утрачивают эффективный электрический контакт, а в определённых конструкциях возможно отделение частиц. Поддержка со стороны решётки, сепараторов и других элементов блока помогает ограничивать эти изменения, но не исключает старение полностью.

Сульфатация

Образование PbSO₄ при разряде — нормальная часть работы аккумулятора. Неблагоприятное состояние развивается при продолжительном хранении разряженной батареи или систематическом недозаряде.

Сульфат свинца укрупняется и становится труднее преобразуемым при последующем заряде. Это ограничивает доступность активного материала и снижает ёмкость.

Поэтому после разряда батарею следует своевременно заряжать в соответствии с документацией производителя. Возможность регулярной работы при частичном заряде должна подтверждаться характеристиками конкретного исполнения.

Неравномерная работа отдельных участков

Распределение реакции по пластине зависит от токовых путей, температуры и доступа электролита. По мере старения локальные различия могут усиливаться: отдельные области испытывают большую нагрузку и быстрее теряют характеристики.

Равномерная намазка, правильная геометрия решётки и стабильная структура активной массы помогают уменьшать такую неоднородность.

Намазные, трубчатые и электроды Планте: в чём разница

Намазные пластины — один из нескольких вариантов конструкции свинцово-кислотных электродов. В промышленности также применяют трубчатые положительные электроды и положительные электроды типа Планте.

Конструкция	Размещение активного материала	Характерная особенность
Намазная пластина	Активная масса находится в ячейках и на поверхности металлической решётки	Возможность изменять геометрию и структуру пластины под требуемые характеристики
Трубчатый положительный электрод	Активная масса окружает токоведущие стержни и удерживается пористыми трубчатыми оболочками	Механическое удержание положительной активной массы
Положительный электрод Планте	Активный слой получают непосредственно из поверхности свинцовой основы	Формирование активного материала на массивной металлической основе

Трубчатая конструкция помогает удерживать положительную активную массу при повторяющихся объёмных изменениях. Поэтому она широко применяется в аккумуляторах для циклической работы. При этом отрицательные электроды таких батарей обычно остаются намазными.

Сравнение конструкций не сводится к выбору универсально лучшей. Требования к стационарной резервной батарее, тяговому аккумулятору и источнику кратковременной высокой мощности различаются. Оценивать нужно характеристики изделия в предусмотренном режиме.

Как связаны AGM и намазные электроды

AGM и намазная технология описывают разные части конструкции аккумулятора и могут применяться одновременно.

AGM — Absorbent Glass Mat — обозначает использование стекловолоконного сепаратора, в пористой структуре которого удерживается жидкий электролит. Намазная технология характеризует устройство самих пластин: металлическую решётку с нанесённой и технологически обработанной пастой.

Один аккумулятор может одновременно иметь несколько определений:

• свинцово-кислотный — по электрохимической системе;
• VRLA — по герметизированной конструкции с клапанным регулированием;
• AGM — по способу удержания электролита;
• с намазными электродами — по конструкции пластин.

При этом намазные электроды применяются не только в AGM. Они могут использоваться также в гелевых и заливных свинцово-кислотных аккумуляторах.

В AGM-батарее электроды работают совместно с сепаратором и электролитом. Внутренний кислородный цикл зависит от согласованной конструкции этих компонентов и наличия путей для переноса газа. Предохранительный клапан выполняет отдельную функцию — ограничивает избыточное давление внутри аккумулятора.

Контроль качества при производстве электродов

Качество намазных пластин определяется не одной операцией, а стабильностью всей производственной цепочки. Для серийного производства важно, чтобы заданные свойства воспроизводились от пластины к пластине и от партии к партии.

К основным контролируемым параметрам относятся:

• состав, геометрия и целостность решёток;
• характеристики исходного свинцово-оксидного порошка и добавок;
• состав, плотность, влажность и температура пасты;
• масса намазки, толщина и равномерность заполнения пластин;
• условия созревания и остаточная влажность после сушки;
• параметры формирования и полученные электрические характеристики.

Отклонения на ранних стадиях могут проявляться уже в готовой батарее. Например, изменение массы намазки влияет на количество активного материала, неравномерная толщина — на сборку блока, а нарушение созревания — на структуру и последующее формирование пластин.

Воспроизводимость особенно важна для батарей из последовательно соединённых элементов. Через них проходит один ток, и элемент с меньшей доступной ёмкостью способен раньше остальных достичь предельного напряжения разряда.

Намазные электроды в аккумуляторах НПП «Источник»

НПП «Источник» применяет намазные электроды, в частности, в герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторах серий СГАН и ЭКО. В этих сериях намазные пластины сочетаются с AGM-технологией удержания электролита.

Решётки обеспечивают механическую поддержку и прохождение тока, активная масса участвует в электрохимических реакциях, а стекловолоконные сепараторы разделяют разноимённые пластины и удерживают электролит в рабочей зоне.

Подбор аккумулятора выполняют по условиям работы системы. Необходимо определить напряжение, ток или мощность нагрузки, требуемое время автономии, частоту и глубину разрядов, температуру и возможности зарядного оборудования. Также учитывают габариты, расположение токовыводов и условия установки.

Для выбранной модели следует оценивать номинальную ёмкость вместе с условиями её определения, разрядные характеристики, допустимые режимы заряда и показатели ресурса. Такой подход позволяет согласовать возможности аккумулятора с реальной задачей оборудования.

Специалисты НПП «Источник» помогут подобрать исполнение по исходным параметрам системы электропитания и уточнить технические требования к батарее.