Трубчатые пластины: высокая трубчатая батарея против плоской пластинчатой батареи
1. Что такое трубчатая пластинчатая батарея
Введение в аккумуляторы
Существует несколько типов электрохимических источников энергии (также известных как гальванические элементы, вольтовы элементы или батареи). Батарея определяется как электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию в электрическую и наоборот. Батарея относится к электрохимии, которая определяется как предмет, связанный с взаимопревращением химической энергии и электрической энергии. В этой статье мы подробно расскажем о трубчатых и полутрубчатых пластинах.
Эти элементы производят электрическую энергию путем спонтанных реакций окисления-восстановления (редокс-реакций) с участием химических веществ в положительном, отрицательном электродах и электролите, происходящих в каждом электроде, называемом полуэлементом. Химическая энергия в активных материалах преобразуется в электрическую энергию. Электроны, образующиеся в реакции восстановления, проходят через внешнюю цепь, соединяющую два полуэлемента, создавая электрический ток. Реакция окисления происходит путем высвобождения электронов из материала анода (в основном металлы), а реакция восстановления происходит, когда электроны достигают катода (в основном оксиды, хлориды, кислород и т.д.) через внешнюю цепь. Цепь завершается через электролит.
Система свинцово-кислотных аккумуляторов:
Когда внешняя цепь замкнута, электроны начинают перемещаться от отрицательного полюса в результате реакции, которая преобразует (электрохимически окисляет) свинец (Pb) в двухвалентные ионы свинца (Pb2+). (Последние ионы реагируют с молекулами сульфата, образуя сульфат свинца (PbSO4) внутри клетки). Эти электроны проходят через внешнюю цепь и достигают положительной пластины, где они превращают диоксид свинца в сульфат свинца, т.е. диоксид свинца электрохимически восстанавливается до сульфата свинца в результате превращения ионов Pb4+ в ионы Pb2+ в PbSO4.
Технология трубчатых пластинчатых батарей
Общая реакция клетки записывается как:
PbO2 + Pb + 2PbSO4 Заряд ↔ Разряд 2PbSO4 + 2H2O
Мы видим, что валентность свинца (Pb°) увеличивается до Pb
2+
,
путем высвобождения 2 электронов во время разряда. Это повышение валентности в электрохимической терминологии называется окислением.
В другом направлении валентность свинца в диоксиде свинца (Pb имеет 4 валентности в диоксиде свинца) уменьшается до 2+
поглощая два электрона, поступающие в результате реакции окисления. Это снижение валентности в электрохимических терминах называется восстановлением.
Эти условия также могут быть описаны изменениями индивидуальных электродных потенциалов ячейки во время разряда. Потенциал (напряжение) ведущего электрода (анода во время разряда) увеличивается, переходя к более положительным значениям во время разряда. Это увеличение потенциальной стоимости называется окислением. Таким образом, потенциал отрицательной пластины свинца в свинцово-кислотном элементе изменяется с примерно -0,35 до примерно -0,20 вольт. Это увеличение потенциала. Поэтому эта реакция называется анодной по своей природе.
Напротив, потенциал электрода из диоксида свинца (катода во время разряда) уменьшается, двигаясь в отрицательную сторону, т.е. значение становится все ниже и ниже по мере разряда. Потенциал положительной пластины диоксида свинца в свинцово-кислотном элементе изменяется от примерно 1,69 до примерно 1,5 вольт. Это снижение потенциала. Поэтому эта реакция называется катодной по своей природе, и мы говорим, что восстановление происходит на положительной пластине во время разряда.
Такое снижение рабочего напряжения во время разряда возникает из-за так называемой поляризации, вызванной комбинацией перенапряжения, η и внутреннего сопротивления, которое возникает на обоих электродах. Проще говоря, перенапряжение — это разница между OCV и рабочим напряжением.
Таким образом, во время разряда,Edisch = EOCV — ηPOS — ηNEG — IR.
Но для реакции зарядаECh = EOCV + ηPOS + ηNEG + IR.
IR относится к внутреннему сопротивлению, создаваемому материалами внутри ячейки, такими как электролит, активный материал и т.д. ИК зависит от конструкции ячейки, а именно от используемого сепаратора, шага между пластинами, внутренних параметров активного материала (размер частиц, площадь поверхности, пористость и т.д.), температуры и количества PbSO4 в активном материале. Его можно представить как сумму нескольких сопротивлений, создаваемых верхним свинцом, активной массой и коррозионным слоем, электролитом, сепаратором и поляризацией активных материалов.
На первые три фактора влияет конструкция ячейки. Невозможно сделать общее утверждение о величине поляризации, но обычно она имеет ту же величину, что и начальное сопротивление, обеспечиваемое верхним выводом. Более длинные пластины имеют больше ИК-излучения. Его можно определить по наклону начальной части кривой разгрузки. При одинаковой конструкции элемент с большей емкостью будет иметь меньшее внутреннее сопротивление. Внутреннее сопротивление батареи VRLAB емкостью 12В/28Ач составляет 6 мОм, в то время как сопротивление батареи меньшей емкости (12В/ 7Ач) составляет от 20 до 23 мОм.
При очень низких значениях η связь между η и током, I, принимает форму закона Ома, и вышеупомянутые уравнения упрощаются как
Edisch = EOCV — IR.
ECh = EOCV + IR.
Выше рассматривалась реакция разряда свинцово-кислотного элемента.
При реакции заряда свинцово-кислотного элемента происходят противоположные явления.
В случае первичных батарей положительный электрод обычно называют катодом, а отрицательный — анодом, и это однозначно, поскольку происходит только разряд.
Таким образом, свинцовый электрод, который действовал как анод, ведет себя как катод во время реакции зарядки, а электрод из диоксида свинца, который действовал как катод, теперь ведет себя как анод. Чтобы избежать двусмысленности, мы используем просто положительные и отрицательные электроды или пластины во вторичных элементах.
Чтобы проиллюстрировать, как это работает на практике, на следующем рисунке показаны некоторые гипотетические кривые для разряда и заряда свинцово-кислотного аккумулятора.
Хорошо видно, что практическое напряжение разряда лежит ниже напряжения разомкнутой цепи 2,05 В, а практическое напряжение заряда лежит выше этого значения. Отклонение от η является мерой совместного влияния внутреннего сопротивления ячейки и поляризационных потерь. При увеличении тока разряда или заряда значение η становится больше, в соответствии с приведенными выше уравнениями.
Рис. 2 Изменение напряжения на пластинах и ячейке во время заряда-разряда В качестве примера взят свинцово-кислотный элемент
Подведем итоги реакции:
Свинец, отрицательно активный материал:
Во время разряда: Pb → Pb2+ + 2e-
Во время заряда: Pb2+ → Pb (т.е. PbSO4 → Pb)
Диоксид свинца, положительно активный материал:
Во время разряда: Pb4+ → Pb2+ (PbO2 → PbSO4)
Во время заряда: Pb2+ → PbO2 (т.е. PbSO4 → PbO2)
Поскольку оба электродных материала превращаются в сульфат свинца, эта реакция получила название «теория двойного сульфата» Гладстона и Триба в 1882 году.
Классификация аккумуляторов
В зависимости от характера электрохимических реакций, происходящих в этих клетках, их можно разделить на
- Первичные батареи
- Вторичный (или аккумуляторная батарея или аккумулятор)
- Топливные элементы
Вначале лучше понять разницу между этими типами. В первичной батарее электрохимическая реакция необратима, в то время как вторичные элементы известны своей обратимостью реакции. Топливный элемент также является первичным элементом, но разница между топливным элементом и первичным элементом заключается в том, что реактивы находятся вне контейнера элемента, в то время как в первичном элементе реактивы находятся внутри элемента.
- В первичных элементах (например, серебряно-оксидно-цинковые элементы, используемые в наручных часах, MnO2-цинковые элементы, используемые для фонариков и пультов дистанционного управления для кондиционеров, телевизоров и т.д.) относятся к этой категории. В этих элементах реакции могут протекать только в одном направлении, и мы не можем обратить реакцию, пропуская электричество в противоположном направлении.
- Напротив, вторичные звонки известны своей обратимостью реакций, вырабатывающих энергию. После разряда, если пропустить постоянный ток в обратном направлении, исходные реактивы восстанавливаются из продуктов реакции. Примерами этого типа батарей являются свинцово-кислотные батареи, литий-ионные батареи, Ni-Cd батареи (фактически NiOOH-Cd батареи), Ni-Fe батареи, Ni-MH батареи, и это только самые распространенные вторичные батареи.
- Для развития концепции обратимости, диоксид свинца (PbO2) на положительном электроде (обычно называемом «пластинами») и свинец (Pb) на отрицательной пластине свинцово-кислотного элемента преобразуются в сульфат свинца (PbSO4), когда оба материала реагируют с электролитом, разбавленной серной кислотой, во время реакции выработки энергии. Электрохимики представляют это следующим образом:
- PbO2 + Pb + 2PbSO4 Заряд ↔ Разряд 2PbSO4 + 2H2O
- Топливный элемент — это тоже первичный элемент, но реактивы в него поступают извне. Электроды топливного элемента инертны в том смысле, что они не расходуются во время клеточной реакции, а просто помогают в электронной проводимости и оказывают электрокаталитическое действие. Последние свойства позволяют осуществлять электровосстановление или электроокисление реактивов (активных материалов).
- Анодно-активные материалы, используемые в топливных элементах, обычно представляют собой газообразное или жидкое топливо, такое как водород, метанол, углеводороды, природный газ (материалы, богатые водородом, называются топливом), которое подается на анодную сторону топливного элемента. Поскольку эти материалы похожи на обычное топливо, используемое в тепловых двигателях, термин «топливный элемент» утвердился для описания такого типа элементов. Кислород, чаще всего воздух, является преобладающим окислителем и подается на катод.
Топливные элементы
Теоретически, один топливный элемент H2/O2 может производить 1,23 В в условиях окружающей среды.
Реакция протекает следующим образом: H2 + ½ O2 → H2O или 2H2 + O2 → 2H2O E° = 1,23 V
На практике, однако, топливные элементы производят полезное напряжение, которое значительно отличается от теоретического напряжения 1,23 В, и в результате топливные элементы обычно работают в диапазоне от 0,5 до 0,9 В. Потери или снижение напряжения от теоретического значения называют «поляризацией», этот термин и явление в разной степени применимы ко всем батареям.
Свинцово-кислотный аккумулятор
В производстве свинцово-кислотного аккумулятора используется множество положительных электродов (или, как принято называть, «пластин»):
К ним относятся:
a. Плоская пластина или решетчатая пластина или наклеенная пластина или решетчатая пластина или пластина Форе (толщина от 1,3 до 4,0 мм)
b. Трубчатые пластины (внутренний диаметр ~ 4,9 — 7,5 мм)
c. Пластины Планте (от 6 до 10 мм)
d. Конические пластины
e. Пластины для желейных рулонов (0,6 — 0,9 мм)
f. Биполярные пластины
- Из них наиболее широко используется первый упомянутый тип с плоскими пластинами; хотя он может подавать большие токи в течение короткого времени (например, для запуска автомобиля или установки ДГ), он имеет более короткий срок службы. Здесь решетчатый тип прямоугольного токоприемника заполняется пастой из смеси оксида свинца, воды и серной кислоты, тщательно высушивается и формуется. И позитивные, и негативные пластины изготавливаются одинаково, за исключением разницы в добавках. Будучи тонкими, батареи, изготовленные из таких пластин, могут обеспечивать очень высокие токи, необходимые для запуска автомобиля. Срок службы при таком применении составляет 4-5 лет. До появления генератора-выпрямителя срок службы был короче.
- Трубчатые пластины: Следующим широко используемым типом пластин являются трубчатые пластины, которые имеют более длительный срок службы, но не могут обеспечить скачкообразный ток, как в батареях с плоскими пластинами. Ниже мы подробно рассмотрим трубчатые пластины.
- Для обеспечения длительного срока службы при самых строгих требованиях к надежности в таких местах, как электростанции и телефонные станции, предпочтительным типом свинцово-кислотных элементов является тип Planté. Исходный материал для трубчатого листа представляет собой отливку толщиной около 6-10 мм из свинцового листа высокой чистоты с многочисленными тонкими вертикальными слоями. Основная площадь поверхности трубчатой пластины значительно увеличивается за счет пластинчатой конструкции, что приводит к эффективной площади поверхности, которая в 12 раз превышает ее геометрическую площадь.
- Коническая пластина — это решетки круглой формы из чистого свинца (загнутые под углом 10°), пластины уложены горизонтально одна над другой и изготовлены из чистого свинца. Он был разработан компанией Bell Telephone Laboratories, США.
- Желеобразные рулонные плиты — это тонкие сплошные решетчатые плиты из сплава олова с низким содержанием свинца толщиной от 0,6 до 0,9 мм, обеспечивающие высокие скорости. Пластины покрыты оксидами свинца, разделены поглощающим стеклянным матом и спирально намотаны, образуя основной элемент ячейки.
- Биполярные пластины: Эти пластины имеют центральный проводящий лист, изготовленный либо из металла, либо из проводящего полимера и имеющий положительный активный материал на одной стороне и отрицательный материал на другой стороне. Такие пластины укладываются таким образом, чтобы активные материалы противоположной полярности были обращены друг к другу, а между ними находился сепаратор, для получения необходимого напряжения.
- Здесь устраняется отдельное межэлементное соединение, тем самым уменьшая внутреннее сопротивление. Можно отметить, что крайние пластины в биполярной батарее всегда монополярного типа, либо положительные, либо отрицательные.
2. Отличия - трубчатая батарея от батареи с плоскими пластинами
Батареи с плоскими пластинами предназначены для высокотокового, кратковременного разряда, как в автомобильных и пусковых батареях установок ДГ. Срок их службы обычно составляет от 4 до 5 лет, а окончание срока службы происходит в основном из-за коррозии положительных решеток, что приводит к потере контакта между решеткой и активными материалами и последующему линьке.
Какая батарея лучше - трубчатая или плоская?
Трубчатые пластины прочны и поэтому имеют срок службы от 10 до 15 лет при эксплуатации поплавка. Они также подходят для циклической работы и обеспечивают самый высокий срок службы. Активный материал находится в кольцевом пространстве между корешком и оксидодержателем. Это ограничивает стресс, вызванный изменениями объема, происходящими при циклировании клеток.
Окончание срока службы снова связано с коррозией шипов и потерей контакта между шипами и активным материалом. Однако в такой конструкции площадь контакта между позвоночником и активной массой уменьшается, и поэтому при сильном токоотводе повышенная плотность тока приводит к локальному нагреву, приводящему к разрыву трубок и образованию трещин в коррозионном слое.
Пластинчатые ячейки Планте имеют самый длительный срок службы, но их емкость оставляет желать лучшего по сравнению с другими типами. Но эти ячейки отличаются высочайшей надежностью и наибольшим сроком службы в плавающем состоянии. Их стоимость также выше, но если оценивать ее в течение всего срока службы, то она оказывается ниже по сравнению с другими ячейками стационарного типа. Причина более длительного срока службы заключается в том, что поверхность положительной пластины постоянно регенерируется, практически не теряя своей емкости в течение всего срока службы.
Конические пластинчатые ячейки специально разработаны компанией Lucent Technologies (ранее AT&T Bell Laboratories) для очень длительного срока службы — более 30 лет. Согласно последним данным о коррозии за 23 года, срок службы таких батарей составляет 68-69 лет.
Благодаря отличным механическим и электрическим характеристикам конструкция «желейного рулона» подходит для массового производства. Желеобразная конструкция (спирально намотанные электроды) в цилиндрическом контейнере может поддерживать более высокое внутреннее давление без деформации и может быть рассчитана на более высокое давление выпуска
чем призматические ячейки. Это объясняется наличием внешнего металлического контейнера, используемого для предотвращения деформации пластиковых корпусов при более высоких температурах и внутреннем давлении в камере. Диапазон давлений вентиляции может составлять от 170 кПа до 275 кПа (25-40 фунтов на кв. дюйм » 1,7-2,75 бар) для спирально намотанного элемента с металлической оболочкой до 7 кПа-14 кПа (1-2 фунта на кв. дюйм » 0,07-0,14 бар) для большой призматической батареи.
Биполярные пластинчатые батареи
В конструкции биполярной пластины имеется центральный электроннопроводящий материал (либо металлический лист, либо лист проводящего полимера), на одной стороне которого находится положительно активный материал, а на другой — отрицательно активный. Здесь устраняется отдельное межэлементное соединение, тем самым уменьшая внутреннее сопротивление. Следует отметить, что крайние пластины в биполярных концевых элементах всегда монополярного типа, либо положительные, либо отрицательные.
Эти батареи имеют
- Более высокая удельная энергия и более высокая плотность энергии (т.е. на 40% меньше объема или на 60% меньше размера обычной свинцово-кислотной батареи, на 30% меньше веса или на 70% меньше массы обычной свинцово-кислотной батареи.
- Удвоенный срок службы
- В два раза меньше требуется свинца, а также сокращается количество других материалов.
3. Почему именно трубчатая батарея?
Трубчатые пластинчатые батареи используются в основном там, где требуется длительный срок службы при высокой емкости. Они в основном используются в резервных приложениях на телефонных станциях и крупных заводах, для грузовиков для погрузочно-разгрузочных работ, тракторов, горнодобывающих машин и, в некоторой степени, гольф-каров.
В настоящее время эти батареи повсеместно встречаются в каждом доме для применения в инверторах-UPS.
Очень высокие пластины (высотой до 1 метра и более) используются в батареях подводных лодок для обеспечения энергии, когда подводная лодка находится под водой. Он обеспечивает бесшумную работу. Мощность варьируется от 5 000 до 22 000 Ач. В подводные камеры вставляют воздушные насосы, чтобы свести на нет кислотную стратификацию электролита для камер высотой от 1 до 1,4 м.
Свинцово-кислотные аккумуляторы с гелевым электролитом в трубчатых пластинах с клапанным регулированием широко используются в системах невозобновляемой энергии, например, в солнечных батареях.
Тонкие трубчатые пластинчатые батареи для фургонов и автобусов находят применение в сфере EV и способны обеспечить от 800 до 1500 циклов в зависимости от толщины позвоночника и удельной энергии.
Следующая таблица иллюстрирует взаимосвязь между толщиной позвоночника, шагом пластин, плотностью электролита, удельной энергией и количеством жизненных циклов.
| Диаметр трубки мм --> | 7.5 | 6.1 | 4.9 |
|---|---|---|---|
| Плотность электролита (кг/литр) | 1.280 | 1.300 | 1.320 |
| Количество шипов | 19 | 24 | 30 |
| Шаг трубчатых пластин | 15.9 | 13.5 | 11.4 |
| Толщина позвоночника | 3.2 | 2.3 | 1.85 |
| Удельная энергия (Вт-ч на кг) при 5-часовой норме | 28 | 36 | 40 |
| Срок службы цикла | 1500 | 1000 | 800 |
Ссылка: K. D. Merz, J. Power Sources, 73 (1998) 146-151.
4. Как сделать трубчатую пластину для аккумулятора?
Трубчатые сумки
О ранних трубчатых пластинах с отдельными кольцами Филлипарта и с трубчатыми пакетами Вудворда сообщалось в 1890-1900 годах, а использование щелевых резиновых трубок (Exide Ironclad) было разработано Смитом в 1910 году.
Монтаж отдельных трубок на шипы практиковался ранее, и это была более медленная операция, чем вставка полной решетки в многотрубную конструкцию. Кроме того, физическое соединение между отдельными трубками мультитуба обеспечивает большую жесткость во время операции наполнения. Устраняется искривление позвоночника из-за бокового движения. Именно по этим причинам производители батарей предпочитают использовать многотрубные рукава PT Bags.
Подготовка пробирок. В настоящее время мультитулы или PT Bags (перчатки) производятся из химически стойких стеклянных или органических волокон (полиэстер, полипропилен, сополимеры акрилонитрила и т.д.) методами плетения, оплетки или валяния.
В первые годы существования мультитулов использовалась горизонтально сотканная ткань в нити из сополимера винилхлорида и винилацетата. Два слоя ткани проходили по обе стороны ряда цилиндрических формообразователей (дорнов), и шов между соседними формообразователями сваривался термической сваркой.
Но винилацетат разлагался, выделяя уксусную кислоту, которая, в свою очередь, приводила к коррозии позвоночника и преждевременному выходу батареи из строя. Кроме того, необходимо было контролировать и определять размеры теплового уплотнения. Если давление герметизации превышало предел, швы становились непрочными, и вскоре слои расходились в процессе эксплуатации. Напротив, если давление уплотнения было слишком сильным, герметичность была хорошей, но фактический шов был тонким и вскоре расходился в процессе эксплуатации.
Хотя это не создавало серьезных проблем в эксплуатации, существовала тенденция к разделению шва во время начальных операций по перемещению и заполнению, а центр трубчатой пластины имел тенденцию прогибаться, что создавало проблемы при последующих операциях, например, иногда возникали трудности с установкой пластины в контейнер ячейки из-за больших размеров пластин.
Были предприняты различные попытки заменить термическое уплотнение, например, метод композитного плетения, при котором трубки сплетались за одну операцию с перекрещиванием нитей между трубками для формирования цельного шва. В современных мультитубах используется тепловая герметизация или сшивание с полиэфирными нитями, вплетенными в полотна или нетканые полиэфирные полотна.
Привлекательность нетканых полотен заключается в том, что стоимость производства ниже из-за более низкой стоимости основного материала благодаря отсутствию процесса ткачества. Однако, чтобы достичь того же порядка прочности на разрыв, нетканая трубка должна быть толще, чем ее тканый аналог. Это уменьшает как рабочий объем электролита (за счет большего объема нетканого материала трубки). Объем активного материала внутри трубки также уменьшается, что, в свою очередь, незначительно снижает емкость ячейки.
Превосходные трубчатые пластины могут быть изготовлены как из отдельных трубок, так и из нескольких трубок.
пряжа, используемая при изготовлении трубок, должна быть такой, которая не денатурирует в процессе эксплуатации. Этому требованию отвечают как специально разработанные стеклянные, так и полиэфирные нити.
Трубчатые пластинчатые батареи применяются либо стационарно, либо в подвижном составе, обычно заряжаются плавающим способом при напряжении от 2,2 до 2,30 вольт на элемент, в зависимости от удельного веса электролита. Примерами являются распространенные батареи инверторов/ИБП, телефонные батареи и элементы освещения и кондиционирования поездов (TL & AC cells).
Машина для заполнения трубчатых пластин
В трубчатой пластине ряд шипов подходящей толщины, отлитых из свинцового сплава, соединяется с верхней шиной либо вручную, либо с помощью машины для литья под давлением. Шипы вставляются в трубчатые мешки, а пространство между шипами и мешком PT (также называемое оксидодержателем) заполняется либо сухим оксидом, либо влажной тиксотропной пастой. Шипы удерживаются в центральном положении с помощью звездообразных выступов, имеющихся в шипах. Сумки PT неизменно изготавливаются из тканого или войлочного полиэфирного волокна. Подготовленные таким образом трубчатые пластины затем травятся, отверждаются/высушиваются и помещаются в резервуар или банку с подходящей плотностью электролита.
Наполняющий оксид может иметь любой состав: только серый оксид, серый оксид и красный свинец (также называемый «сурик») в различных пропорциях.
Преимущество наличия красного свинца в позитивной смеси заключается в том, что время формирования уменьшается пропорционально процентному содержанию красного свинца. Это связано с тем, что красный свинец уже содержит примерно одну треть диоксида свинца, остальная часть — монооксид свинца. То есть, красный свинец Pb3O4 = 2PbO + PbO2.
В качестве альтернативы, заполненные трубчатые пластины могут быть непосредственно собраны, после удаления свободных частиц оксида, прилипших к трубкам снаружи, в элементы и батареи и сформованы в банки.
Негативная пластина изготавливается как обычно, следуя практике изготовления плоских пластин. Расширители те же, но количество «blanc fixe» больше по сравнению с автомобильной пастой. Трубчатые пластины отверждаются в полимеризационных печах в течение 2-3 дней, после чего проходят через сушильный туннель, нагретый электричеством или газом, для удаления поверхностной влаги, чтобы пластины не слипались друг с другом во время последующих процессов обработки.
Разница в начальном удельном весе кислоты для маринованных и немаринованных пал возникает из-за того, что первые содержат больше кислоты, поэтому для маринованных трубчатых пластинчатых батарей выбирается более низкий удельный вес, обычно примерно на 20 пунктов ниже. Конечный удельный вес электролита составляет 1,240 ± 0,010 при 27°C.
Чем выше удельный вес электролита, тем больше емкость, которую можно получить от этих батарей, но это отрицательно сказывается на сроке службы.
Или же трубчатые пластины могут быть отформованы в резервуаре, высушены, собраны и заряжены как обычно.
5. Различные типы трубчатых пластин
Большинство производителей батарей используют цилиндрические трубы для изготовления трубчатых пластин и батарей. Даже в этом случае диаметр трубок и, соответственно, шипов может варьироваться от примерно 8 мм до 4,5 мм.
Однако трубы также могут быть овальными, плоскими, квадратными или прямоугольными. Основная структура такая же, как у предшествующих цилиндрических трубчатых пластин (как показано выше).
7. Преимущества использования трубчатых пластин
Трубчатые пластины отличаются длительным сроком службы из-за отсутствия отсева активного материала. Активный материал удерживается трубчатым мешком, поэтому для максимизации коэффициента использования можно использовать меньшую плотность упаковки. Более высокая пористость, полученная таким образом, может также помочь в использовании более активного материала в процессе производства энергии. Чем толще корешок, тем больше жизненных циклов можно получить от таких трубчатых пластин.
Количество жизненных циклов составляет от 1000 до 2000 циклов в зависимости от толщины пластин. Чем толще трубчатая пластина, тем большее количество циклов она обеспечивает. Утверждается, что трубчатые пластины могут обеспечить вдвое большее количество жизненных циклов по сравнению с плоской пластиной той же толщины.
8. Как увеличивается время работы батареи при использовании трубчатых пластин?
Как обсуждалось выше, срок службы трубчатых пластинчатых батарей выше, чем плоских пластинчатых батарей. В следующих предложениях описаны причины более длительного срока службы трубчато-пластинчатых батарей. Самое главное, что активный материал жестко удерживается трубками оксидного держателя, что предотвращает осыпание материала, которое является основной причиной выхода из строя батарей. Кроме того, со временем шипы покрываются защитной оболочкой из диоксида свинца, что способствует снижению скорости коррозии шипов. Коррозия — это просто превращение корешка свинцового сплава в диоксид свинца.
Термодинамически свинец и свинцовые сплавы нестабильны при высоком анодном потенциале более 1,7-2,0 вольт и под воздействием агрессивной атмосферы серной кислоты склонны к коррозии и превращению в PbO2.
Всякий раз, когда ячейка находится в заряженном состоянии при напряжении, далеком от напряжения разомкнутой цепи (OCV) на более высокой стороне, кислород выделяется в результате электролитической диссоциации воды, и этот кислород выделяется на поверхности положительных трубчатых пластин и должен диффундировать к корешку для его коррозии. Поскольку вокруг шипов имеется толстый слой положительно активного материала (PAM), кислороду приходится преодолевать большое расстояние от поверхности, поэтому скорость коррозии снижается. Это помогает продлить жизнь клеток трубчатых пластин.
9. В каких областях применения батарей в идеале следует использовать трубчатые пластины?
Трубчатые пластины используются в основном для батарей большой емкости с длительным сроком службы, например, в промышленных транспортных средствах (вилочные погрузчики, электромобили и т.д.). Он также используется в батареях OPzS для хранения энергии, например, в аккумуляторных системах хранения энергии (BESS), где емкость элементов может достигать 11000 Ач и 200-500 кВт-ч, а также до 20 МВт-ч.
Типичные области применения BESS — это пиковая экономия, регулирование частоты, резерв вращения, выравнивание нагрузки, аварийное питание и т.д.
В настоящее время в каждом доме в некоторых странах есть как минимум одна пластинчато-трубчатая батарея для инверторов и источников электропитания. Не говоря уже о некоторых коммерческих учреждениях, например, просмотровых центрах, где требуется непрерывная подача энергии.
В последнее время свинцово-кислотные батареи с вентильным регулированием в виде гелевых трубчатых пластин широко используются в системах невозобновляемой энергии, например, в солнечных установках. Здесь лучше всего подходит гелеобразный тип.
В электромобилях, требующих 800 циклов с удельной энергией 40 Вт-ч/кг, лучше всего использовать тонкие трубчатые батареи EV. Диапазон емкости составляет от 200Ач до 1000Ач при скорости 5 ч.
10. Важные технические особенности трубчатой пластинчатой батареи
Наиболее важной технической особенностью трубчатых пластинчатых батарей является их способность сохранять активный материал в течение всего срока службы без процесса осыпания, происходящего в обычных условиях, что закладывает основу для длительного срока службы.
Аккумуляторы с такими пластинами имеют длительный срок службы — 15-20 лет в стационарных приложениях в условиях плавающего заряда, таких как телефонные станции, накопители энергии. Для циклических операций (таких как тяговые батареи) батареи могут обеспечивать от 800 до 1500 циклов в зависимости от энергоотдачи на цикл. Чем ниже выход энергии за цикл, тем выше срок службы.
Трубчатые пластины лучше всего подходят для применения в солнечной энергетике в варианте с вентильным регулированием гелеобразного электролита без проблемы расслоения в электролите. Поскольку они не требуют периодического долива воды и из них не выделяются вредные газы, они прекрасно подходят для использования в солнечной энергетике.
11. Заключение
Из электрохимических источников энергии, используемых в настоящее время, свинцово-кислотная батарея превосходит все другие системы, рассматриваемые по отдельности. В свинцово-кислотной батарее лидируют повсеместно распространенные автомобильные аккумуляторы. Далее следует трубчатая пластинчатая промышленная батарея. Автомобильные батареи имеют емкость в диапазоне от 33 Ач до 180 Ач, все в моноблочных контейнерах, а батареи другого типа имеют емкость от 45 Ач до тысяч Ач.
Трубчатые пластинчатые батареи малой емкости (до 200 Ач) собираются в моноблоки, а элементы большой емкости 2 В — в отдельные контейнеры и соединяются последовательно и параллельно. Трубчато-пластинчатые батареи большой емкости используются в качестве стационарных источников энергии на телефонных станциях, предприятиях по хранению энергии и т.д. Тяговые батареи имеют несколько областей применения, например, грузовики для транспортировки материалов, вилочные погрузчики, тележки для гольфа и т.д.
