Привет, Хабр! Чтобы удостовериться в полной заряженности свинцово-кислотного аккумулятора, необходимо проконтролировать плотность и уровень электролита.
Но что делать, если производители аккумуляторной батареи не предусмотрели доступа к пробкам? Именно таких необслуживаемых АКБ сегодня очень много.
Выход есть, и сегодня я о нём расскажу.
▍ Физика и химия аккумулятора
Свинцово-кислотный аккумулятор — это вторичный (то есть перезаряжаемый) химический источник тока, в основе работы которого лежит простая обратимая реакция двойной сульфатации.
Отрицательные активные массы (ОАМ) состоят из губчатого металлического свинца, пористость которого обеспечивает высокую площадь поверхности, необходимую для токоотдачи и максимально эффективного использования энергии, запасённой в химической форме.
Положительные активные массы (ПАМ) представляют собой оксид свинца. Реагируя с серной кислотой электролита, ПАМ и ОАМ превращаются в сульфат свинца, а кислота при этом превращается в воду.
Серная кислота значительно тяжелее воды, благодаря чему концентрацию кислоты в водном растворе легко определить путём простого измерения плотности электролита.
В разряженном аккумуляторе плотность будет ниже, тогда как в заряженном — выше. Однако вода немного испаряется из аккумулятора, так как он, во избежание взрыва, сделан не абсолютно герметичным.
Эффект испарения воды сам по себе весьма незначителен, но она ещё и разлагается на кислород и водород при заряде аккумулятора.
В ходе данного процесса сульфат свинца превращается в металлический губчатый свинец отрицательных активных масс и оксид свинца положительных, а «сульфат-ион отдаётся воде» (в кавычках, потому что это предельно упрощённое описание), которая таким образом превращается в кислоту.
Но что происходит в тех местах пластин, где разряженные АМ уже превратились в заряженные, а зарядное напряжение всё ещё подаётся? — Там вода будет разлагаться на кислород и водород, если достигнуто необходимое для этого перенапряжение.
Несуще-токоведущие конструкции — решётки пластин и связывающие их тоководы — изготавливают из свинца, чтобы избежать появления гальванических пар металлов. Однако химически чистый свинец обладает недостаточной механической прочностью, поэтому его легируют различными добавками.
▍ Сурьма и кальций
Долгое время самой распространённой легирующей добавкой в аккумуляторный свинцовый сплав была сурьма. В майской статье 2021 года мы рассказывали о вводе в эксплуатацию АКБ 6СТ60-ЭМ, хранившейся в сухозаряженном состоянии на протяжении целых 28 лет.
Это был именно сурьмянистый аккумулятор традиционной разборной конструкции, с ничем не прикрытыми свинцовыми перемычками между борнами банок, в нижней части которых предусматривался значительный порожний объём для накопления шлама, образующегося при осыпании активных масс пластин.
Такие аккумуляторы было нежелательно наклонять, так как при этом шлам мог вызвать короткое замыкание. Чтобы преодолеть этот конструктивный недостаток, в более новых, улучшенных АКБ пластины стали заключать в пористые конверты.
Вследствие низкого водородного перенапряжения свинцово-сурьмянистого сплава АКБ при эксплуатации под капотом автомобиля теряла много воды, которую требовалось часто доливать.
Разумеется, вода должна быть обязательно дистиллированной, поскольку посторонние примеси сильно мешают работе аккумулятора. И, как назло, особенно вредны самые распространённые ионы — железа и хлора, значительно усугубляющие саморазряд.
Чтобы избавить автомобилистов от необходимости постоянно проверять уровень электролита, приобретать и доливать дистиллированную воду, сурьму в аккумуляторном сплаве стали заменять на кальций, сначала для отрицательных пластин, а затем и для положительных.
▍ Что значит «необслуживаемые»?
Первый вариант инновационных аккумуляторов получил название гибридного. Он набрал огромную популярность, а затем его производство практически сошло на нет. Зато второй — кальциевый, или кальций-кальциевый — уже много лет господствует на рынке.
За счёт высокого водородного перенапряжения, кальциевый аккумулятор расходует настолько мало воды, что производители перестали предусматривать доступ к пробкам, скрывая их под наклейками либо съёмной или даже несъёмной крышкой.
Считается, что воды в заводском электролите достаточно на весь срок службы аккумуляторной батареи. Так появились необслуживаемые (английская аббревиатура MF, maintenance free) аккумуляторы.
Но и им тоже необходим полный стационарный заряд один раз в сезон, иначе сульфатация уничтожит ёмкость и токоотдачу, расслоение электролита сделает невозможным восполнение заряда, а зимой электролит рискует ещё и замёрзнуть.
Чтобы уберечь электролит от замерзания, во многих аккумуляторных батареях для автомобилей предусмотрено окошко с глазком-ареометром, зеленеющим при плотности электролита 1.23 килограмма на кубический дециметр или выше.
Некоторые считают этот оптимистичный зелёный глазок индикатором полной заряженности аккумулятора, что в корне неверно. Плотность электролита 1.23 означает, что АКБ выдержит 40-градусный мороз, однако до полной заряженности это очень далеко.
▍ Как заряжается аккумулятор?
Но разве аккумуляторная батарея не восполняет заряд от генератора при работе двигателя автомобиля? — К сожалению, не всегда и не в полном объёме.
Кристаллы сульфата свинца, непосредственно образовавшиеся на активных массах в ходе реакции Гладстона-Трайба при полезном разряде, превратятся под действием зарядного тока в заряженные активные массы при выполнении двух обязательных условий.
Во-первых, зарядное напряжение должно преодолеть термодинамическую электродвижущую силу (ЭДС) электрохимической ячейки, которая тем выше, чем выше локальная концентрация кислоты в электролите.
Понятие «ячейки» здесь следует понимать не как банку аккумулятора в целом, а как пару локальных участков активных масс, подлежащих заряду.
Во-вторых, для заряда необходима вода, которая расходуется с выделением кислоты (повышающей необходимое напряжение из первого пункта). Чтобы зарядить весь объём активных масс, нужно выгнать из пор лишнюю кислоту и обеспечить её замещение водой.
Этому способствует естественная диффузия ионов в электролите, но ей мешают плотные сепараторы и толстые активные массы «тягового» типа, особенно характерные для конструкций современных продвинутых аккумуляторов, которые должны обеспечивать значительную резервную ёмкость и работу системы «старт-стоп» при наличии последней.
▍ Расслоение электролита и сульфатация
Диффузии мешает и гравитация, ведь серная кислота тяжелее воды. Перемешивание электролита вследствие ускорений, торможений и тряски при движении автомобиля, как показывает практика, является достаточно эффективным только при условии весьма продолжительных поездок.
Получается, что активные массы в нижней части банок и ближе к решёткам не восполняют заряд от генератора. Длительное нахождение этих участков АМ в разряженном состоянии приводит к выпадению из раствора «злокачественных», труднорастворимых кристаллов сульфата свинца, закупоривающих поры и вызывающих разбухание пластин.
Такая сульфатация неизбежно возникает при эксплуатации аккумулятора под капотом автомобиля или в составе источника бесперебойного питания, где происходит подзарядка невысоким буферным напряжением.
Для полной десульфатации необходим довольно длительный стационарный заряд при повышенном напряжении, обеспечивающем преодоление ЭДС электрохимической ячейки в зонах аномально высокой концентрации кислоты, перемешивание электролита пузырьками газов и диссоциацию застарелых сульфатов.
Продвинутые зарядные устройства (ЗУ) не «кипятят» аккумулятор высоким напряжением в течение длительного времени, а чередуют различные напряжения и токи заряда с паузами и небольшим разрядным током. Это снижает не только потерю воды, но и коррозию несуще-токоведущих конструкций аккумуляторной батареи.
Но как понять, что аккумулятор десульфатирован и заряжен полностью, если доступ к электролиту отсутствует? — Сейчас мы это узнаем.
▍ Приступаем к работе
Чтобы наглядно продемонстрировать обоснованность предлагаемого метода, возьмём аккумулятор с пробками, который позволит нам сопоставить результаты прямых и косвенных измерений плотности электролита.
Сегодня в качестве подопытного выступит e-LAB 6СТ55VL производства Елабужского аккумуляторного завода.
В 2021 году аккумулятор Decus Hard 6СТ-60AH VL от этого же производителя принимал участие в нашем большом тесте шести отечественных АКБ и показал очень хорошие результаты.
Выкручивать пробки мы будем только в самом конце заряда, чтобы сравнить расчётную плотность электролита с фактической.
Автомобиль, с которого снят данный аккумулятор, эксплуатируется крайне редко — одна или две поездки по 15-20 минут в неделю. Случается и двухнедельный простой. Судя по маркировке, возраст АКБ составляет ровно 3 года.
Через час после запуска двигателя напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) равнялось 12.3 вольтам. После суточного отстоя наблюдаем следующие показания прибора Konnwei KW650.
Внутреннее сопротивление 7.90 миллиома, ток холодной прокрутки (ТХП) в стандарте EN — 351 из 510 паспортных ампер, что соответствует состоянию здоровья 68%. Напряжение разомкнутой цепи 12.18 В, уровень заряженности 30%. Требуется перезарядка.
Для этого воспользуемся отечественным зарядным устройством «Бережок-V1» в автоматическом режиме, установив максимальное напряжение 17 вольт.
До такого высокого уровня напряжение на клеммах не дойдёт, да и до 16 вольт оно будет доходить долго, так на стадии дозаряда данное ЗУ чередует короткие сессии перемешивания электролита с продолжительной десульфатацией малым током при невысоком напряжении, а также паузами и разрядными импульсами.
То есть, после окончания этапа основного заряда производится десульфатация асимметричным (реверсивным) током. Когда напряжение перемешивания в течение суток перестаёт возрастать, аккумулятор можно считать полностью заряженным, но есть нюансы, которые следует перепроверить, особенно в случае АКБ, которая в течение трёх лет ни разу не подвергалась стационарному заряду.
По окончании вторых суток заряда максимальное напряжение на клеммах составляло 15.6 вольта при токе 1.6 ампер, и за последующие 15 часов эти значения не увеличились. Всего за 63 часа 10 минут аккумулятору сообщено 59.4 ампер*часа.
Трое суток десульфатации — это явно мало для преодоления трёхлетней сульфатации, поэтому есть смысл оставить ЗУ работать ещё на сутки или даже больше. Однако ради эксперимента отключим зарядное устройство по прошествии ровно 72 часов, за которые аккумулятору отдано 64.1 А*ч.
Заряд производился при температуре в помещении 23.2 градуса Цельсия.
Температура аккумулятора в конце заряда составила 26.7 градусов.
После 12-часового отстоя произведём измерение напряжения на клеммах аккумулятора. Отстой необходим для того, чтобы рассосалась поляризация электродов, создающая эффект «мнимого заряда».
Напряжение разомкнутой цепи составило 13.06 В, что свидетельствует о сохранившемся расслоении электролита. Если необходимо срочно ехать, аккумулятор в таком состоянии можно смело устанавливать под капот: его степень заряженности достаточно высока.
Однако не полностью десульфатированная АКБ не будет восполнять заряд от генератора с полной эффективностью, и сульфатация будет возвращаться быстрее, чем в случае, если полный стационарный заряд доведён до конца. Также расслоение электролита усиливает саморазряд.
▍ Измеряем плотность вольтметром
Чтобы рассчитать плотность по напряжению разомкнутой цепи, нужно отнять от ЭДС одной свинцово-кислотной банки константу 0.84.
В нашем 12-вольтовом аккумуляторе шесть банок. 13.06/6 — 0.84 = 1.33. Это явно выше заводской плотности электролита.
▍ Иней — помощник аккумуляторщика
Кроме расслоения при недозаряде, причиной аномально высокой плотности может быть потеря воды. Если бы мы знали изначальную массу данного экземпляра аккумулятора и имели в своём распоряжении точные весы, способные выдержать соответствующую нагрузку, проконтролировать потерю воды можно было бы путём взвешивания АКБ.
Однако существует оригинальный способ определения уровня электролита в аккумуляторе с непрозрачными стенками. Если у нас есть уверенность, что электролит не замёрзнет, то аккумулятор можно охладить в морозильной камере, под навесом или в неотапливаемом помещении.
Далее следует занести аккумулятор в тёплое помещение с не слишком сухим воздухом, и мы получим возможность наблюдать, как на поверхности корпуса АКБ сконденсируется влага и образуется иней. Это и покажет нам уровень электролита.
Как видим, в нашей трёхлетней АКБ с уровнем всё в порядке, чего и следовало ожидать: длительного перезаряда, как и перегрева, этот аккумулятор в своей жизни не испытывал.
Если бы иней показал уровень ниже минимально допустимого, при невозможности доступа к пробкам, то нам пришлось бы сверлить крышку аккумулятора в определённых местах, доливать дистиллированную воду и закупоривать проделанные отверстия кислотоустойчивыми пробками.
Кто-то назовёт такие манипуляции «колхозными» методами, но они позволяют продлить жизнь хорошего, дорогого аккумулятора ещё на несколько лет и особенно актуальны в условиях труднодоступности некоторых марок.
▍ Доводим дело до конца
Однако перед экспериментом с замораживанием мы всё-таки сначала продолжили десульфатацию, чтобы не ждать, пока аккумулятор нагреется с минусовой температуры до комнатной.
С момента начала заряда прошло 29 часов 10 минут. Батарее сообщено 16.8 А*ч.
Напряжение перемешивания поднимается до 15.7 В при токе 1.6 А.
Отключаем заряд и повторяем измерение НРЦ после 12-часового отстоя.
12.81/6 — 0.84 = 1.295, что почти равно заводской плотности электролита в аккумуляторах Елабужского завода — 1.30 г/см³. Осталось отвернуть пробки и проверить при помощи рефрактометра, насколько результат наших косвенных измерений соответствует действительности.
Плотность по банкам от плюса к минусу составила 1.295, 1.30, 1.29, 1.295, 1.295 1.29. Среднее значение 1,2941(6) полностью соответствует расчётному.
Тестер Konnwei KW650 показывает внутреннее сопротивление 5.54 мОм, ТХП 498 А и состояние здоровья 97%. АКБ исправна.
▍ Выводы
Итак, мы практически полностью восстановили аккумулятор, который сульфатировался три года, причём для этого не пришлось отворачивать пробки.
Дальнейшая десульфатация способна устранить разбалансировку банок, однако она совсем небольшая, и АКБ можно смело возвращать под капот автомобиля. Она будет эффективно восполнять заряд и прекрасно запускать двигатель в любых условиях.
Опытные данные предоставлены Аккумуляторщиком Виктором Vector.
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
