Klady a zápory baterií s gelovým elektrolytem

Gelové baterie pevně obsadily své místo na trhu s olověnými bateriemi. Přestože moderní technologie neumožňují jejich použití jako startovací baterie pro automobily, jako trakční nebo vyrovnávací zdroje energie, gelové baterie úspěšně konkurují jiným technologiím (další výhodou je absence nutnosti údržby během provozu). Kolem těchto baterií koluje mnoho mýtů, které je načase vyvrátit.

Pravidla pro nabíjení gelových baterií

Abychom pochopili zvláštnosti nabíjení gelových baterií, je nutné pochopit, jak se tyto baterie liší od tradičních baterií. Z hlediska obecné struktury a průběhu elektrických reakcí se tyto zdroje energie neliší od ostatních olověných baterií. Stejně tak při vybíjení olovo, oxid olovnatý a kyselina sírová tvoří síran olovnatý a vodu. Při nabíjení dochází k obráceným reakcím – na elektrodách se tvoří olovo a jeho oxid a v elektrolytu se obnovuje koncentrace kyseliny sírové.

Jediný rozdíl mezi gelovými bateriemi a konvenčními spočívá v tom, že elektrolyt, sestávající z kyseliny sírové a vody, je zahuštěn přidáním speciálních přísad. To poskytuje mechanické výhody – baterii lze umístit téměř do jakékoli polohy, poškození pouzdra (do určitých mezí) nezpůsobuje únik kapalného činidla.

Pokud jde o průběh elektrochemických reakcí, neexistují žádné zvláštní rozdíly, s výjimkou snížení dynamiky. V důsledku určitého zpomalení má baterie snížený proudový výstup, což neumožňuje její použití jako startéru. Tendence k samovybíjení je však mnohem nižší než u baterií s kapalným elektrolytem.

Gelové baterie mají obvykle olověné destičky legované vápníkem, takže jejich sklon k tvorbě plynů je snížen, ale ne zcela nulový. Plyny (vodík a kyslík) neopouštějí elektrolyt, ale rekombinují se v jeho tloušťce za vzniku vody. Část plynů, které se rekombinace neúčastnily, se hromadí v prostoru nad elektrolytem. Při zvýšení tlaku se ventil otevře a přebytek se uvolní do atmosféry.

Přečtěte si také

Stojí za to koupit gelovou baterii do auta – výhody a nevýhody

Možnosti takové konstrukce jsou omezené – při intenzivní tvorbě plynu se většina vodíku a kyslíku nestihne rekombinovat, hromadí se nad elektrolytem, což bude dobrým testem účinnosti pojistného ventilu. Pokud selže, povede to k nabobtnání pouzdra baterie, k jejímu prasknutí nebo dokonce k tepelné explozi v důsledku vznícení směsi plynů. Druhým jevem, který nastane, je, že plyny vytlačí část elektrolytu z desek a v důsledku snížené tekutosti se nevrátí na své místo. Plocha elektrod zapojených do elektrochemických reakcí se zmenší, což sníží skutečnou kapacitu baterie. Proto první pravidlo nabíjení gelové baterie – neumožňují přechod do režimu elektrolýzy, pro který Nastavená úroveň napětí nesmí být překročena a nesmí dojít k přebíjení..

Při doplňování energie gelové baterie je přísně zakázáno používat režimy rychlého nabíjení (rychlonabíjení atd.). Zrychlené doplňování energetické rezervy se provádí zvýšeným proudem, iniciovaným zvýšením napětí.

Druhým omezením je, že gelové baterie nemají rády zvýšený proud. Ten způsobuje přehřívání obsahu baterie, včetně pastovitého elektrolytu. To způsobuje jeho lokální tavení, čímž se narušuje jeho struktura a poměr kyseliny a vody. Při ochlazování se struktura neobnoví, což narušuje rovnováhu elektrochemických reakcí a zkracuje životnost baterie.

Odtud Pravidlo dvě – nesmíte překročit stanovený limit nabíjecího proudu (tato dvě pravidla však spolu vzájemně souvisí – proud je určen rozdílem napětí mezi výstupem nabíječky a úrovní na svorkách baterie).

Pro výrobce gelových baterií se stalo dobrou praxí uvádět parametry nabíjení přímo na pouzdře baterie. Příklad na fotografii ukazuje, že nejvyšší proud pro tuto 12voltovou baterii s kapacitou 15 Ah by neměl překročit 3 ampéry, což je 20 % původní kapacity.

Pokud si pečlivě prostudujete typový štítek, najdete tam také požadavky na nejvyšší napětí a ty jsou uvedeny pro dva režimy:

• vyrovnávací paměť (pohotovostní);
• cyklický (cyklus).

První režim je typický pro baterie, které slouží například jako paměťová zařízení v nepřerušitelných zdrojích napájení, kde je baterie dlouhodobě v klidu, dobíjí se z hlavního zdroje a v případě potřeby se krátce zapíná. Cyklický režim – provoz jako trakční baterie v elektrických koloběžkách, autíčkách atd. – kdy se baterie zcela vybije a poté znovu nabije.

Stejně jako jakoukoli olověnou baterii lze i gelovou baterii nabíjet jak v režimu stabilního proudu, tak v režimu stabilního napětí Ucharge (kombinovaný režim je ještě lepší). Z výše uvedených důvodů musí být pro každý režim splněny určité podmínky. Při nabíjení konstantním proudem:

• stanovený proudový limit 0,2C nelze překročit – to znamená, že je možný standardní přístup k doplňování energie na úrovni 0,1C;
• při přirozeném poklesu kapacity (měřené periodicky během kontrolních a tréninkových cyklů) je nutné se zaměřit na skutečně naměřenou kapacitu a upravit nejvyšší proud v souladu s výsledky CTC;
• Je nutné zajistit, aby úroveň Ucharge nepřekročila horní limit bez ohledu na nabíjecí proud – to je obzvláště důležité na konci procesu, kdy je nutné zvýšit napětí, aby se udržela hodnota proudu.

Při nabíjení konstantním napětím:

1. Ujistěte se, že úroveň nabití Ucharge nepřesahuje horní limit.
2. I když je napětí v mezích uvedených na typovém štítku, musí být v případě potřeby sníženo, aby se proud udržel v stanovených mezích (platí pro silně vybité baterie).

Doba potřebná k úplnému obnovení napájení závisí na stupni vybití baterie. Při úplném vybití (až 10,5 voltů) Nabití nové gelové baterie bude trvat přibližně 10 hodin. Doba nabití závisí také na:

• úroveň napětí nabíječky;
• nabíjecí proud (pokud se zvýší na 0,2C, doba se sníží dvakrát);
• okolní teplota (nabíjecí napětí by se mělo s rostoucí teplotou snižovat, aby se zabránilo přehřátí).

V jakémkoli režimu nabíjení je nutné pravidelně sledovat teplotu pouzdra baterie. Pokud se objeví tendence ke zvýšení, je nutné okamžitě snížit nabíjecí proud.

Jaké nabíječky lze použít?

Pokud gelová baterie pracuje v režimu vyrovnávací paměti, je neustále dobíjena z hlavního zdroje, jehož parametry jsou voleny během návrhu. V průmyslových podmínkách tento zdroj v mnoha případech implementuje optimální dvoustupňový algoritmus nabíjení a nejvyšší hodnota Ucharge se nastavuje během nastavení zařízení. V budoucnu je během provozu nutné pouze periodicky sledovat skutečnou úroveň napětí během údržby.

Je lepší nepoužívat automatické nabíječky doma. (nebo, pokud existuje výběr režimu, stroj nepoužívejte). Takové nabíječky, zejména ty jednoduché, ne vždy ovládají proud i napětí současně – a to, jak bylo uvedeno výše, může být kritické. Postačí buď „chytrá“ zařízení s možností nastavení limitů proudu a napětí, nebo jednoduché (včetně domácích) nabíječek, u kterých se výstupní parametry nastavují a rychle upravují ručně.

Na co se zaměřit při výběru nabíječky pro gelovou baterii

Při výběru nabíječky byste měli nejprve věnovat pozornost výstupním charakteristikám:

• napětí pro 12V baterii musí být alespoň 14,5 voltů (pro 6V baterii – 7,5) s možností snížení napětí;
• Výstupní proud nesmí být menší než maximální povolený proud pro nabíjení baterií (v extrémních případech nejméně 10 % kapacity, jinak se proces doplňování energie nepřijatelně zpozdí).

Pokud si koupíte „chytrou“ nabíječku, měla by mít nabíjecí algoritmus pro gelové baterie s možností nastavení parametrů (nebo by „pevně zadané“ parametry měly zajistit bezpečné nabíjení). Pokud si koupíte běžnou nabíječku, měla by mít manuální režim s možností nastavení proudu a napětí v rámci stanovených limitů. Je také žádoucí mít zároveň vestavěný ampérmetr a voltmetr. Pokud jeden z přístrojů chybí, budete muset při nabíjení místo něj použít multimetr.

Nedoporučuje se používat automatickou nabíječku. Pokud není jiné východisko, bylo by správné alespoň zkontrolovat výstupní napětí Ucharge. Nemělo by být vyšší než 14,5 voltů (viz technická dokumentace).

Videorecenze nabíječky pro GEL z Aliexpressu.

Nabíjení gelové baterie není o nic složitější než běžné baterie. Stačí dodržovat stanovená omezení, pak baterie vydrží dlouho.

Již více než století zůstávají olověné baterie (AB) stále relevantní díky své nízké ceně, nenáročnosti a téměř úplné absenci „paměťového efektu“. Měly však značnou nevýhodu – kvůli nutnosti odstranit plyny uvolněné během provozu nelze pouzdro baterie zcela utěsnit. Z tohoto důvodu a také kvůli použití kapalného elektrolytu jsou olověné baterie kritické pro jejich umístění v prostoru. Mohou být použity pouze v jedné přesně definované poloze.

12V olověná baterie

Pro použití na družicích a kosmických lodích se také nenašlo nic lepšího než olověné baterie, ale vyvstala otázka – jak dosáhnout provozu v jakékoli poloze a jak zajistit těsnost pouzdra? V rámci práce na tomto projektu vznikly dvě technologie – baterie AGM, kde je speciální sklolaminátový separátor napuštěný elektrolytem, ​​a tzv. gelové baterie (jinak GEL – Gelled ELectrolite), o kterých bude řeč v článku. Jako mnoho „vesmírných“ vynálezů se gelové a AGM baterie nakonec začaly používat v každodenním životě. Ano, protože mluvíme o špičkových technologiích, měli bychom varovat před používáním nesprávného termínu „gelové baterie“, který je rozšířen mezi běžnými uživateli. V těchto bateriích není žádné helium a pojem „gel“ znamená rosolovitou hmotu a je nám dobře známý na každodenní úrovni. Na první pohled je vše velmi jednoduché – do elektrolytu se přidává látka (nejčastěji sloučenina křemíku), která způsobí jeho zhoustnutí do rosolovitého stavu prakticky bez tekutosti. Toto řešení ale radikálně zlepšuje parametry baterie. Zároveň je zachována kontinuita s předchozími bateriemi – emf jednoho článku je stále 2,1 V.

Baterie s gelovým elektrolytem Fiamm série SMG Endurlite (OPzV Gel) – vlevo a série SMG12V Endurlite (Gel) – vpravo

Výhody gelových baterií

Žádný obrat

Gel se obalí kolem olověných destiček, čímž zabrání jejich odpadnutí. Díky tomu je eliminován vnitřní zkrat a je také sníženo samovybíjení. Ale co je nejdůležitější, uvolněné plyny zůstávají téměř úplně uvnitř gelu ve formě bublin, po kterých následuje vnitřní rekombinace, díky níž je pouzdro baterie zcela utěsněno. Aby se předešlo možnému „nafouknutí“ baterie, je v pouzdře umístěno několik jednocestných ventilů, kterými však gel nemůže vytéct. To umožňuje provozovat baterii v jakékoli poloze, i když se stále nedoporučuje provozovat gelové baterie pro široké použití v poloze „vzhůru nohama“ vzhledem k hlavní. Díky utěsněné konstrukci již není potřeba přidávat destilovanou vodu, a proto mají baterie AGM a GEL společný název „bezúdržbové olověné baterie“.

Nedostatečná tekutost gelu také zajišťuje bezpečnost v případě zničení bateriového pouzdra. V tomto případě kyselina neunikne. Tato okolnost je zvláště důležitá pro elektromobily.

Možnost úplného vybití

Olověné a AGM baterie nelze nechat zcela vybít, protože to způsobí, že se na olověných destičkách objeví krystaly síranu olovnatého. Toto spojení nevede elektřinu a je velmi obtížné jej odstranit z desek, aby se obnovila funkčnost baterie.

Přítomnost elektrolytu ve formě želé zabraňuje tvorbě krystalů síranu oxidu olovnatého, takže gelové baterie lze zcela vybít bez obav z jejich selhání. Další otázkou je, že pokud to není zbytečné, je lepší to nedělat, protože úplné vybití gelové baterie snižuje její životnost.

Dlouhá životnost

Počet cyklů nabití-vybití gelové baterie při plném vybití je cca 350, při vybití 50% jmenovité kapacity – cca 550, při vybití 30% – cca 1200. Správně provozovaná gelová baterie vydrží minimálně 7 let. Pro srovnání, běžné olověné baterie vydrží cca 2 roky, AGM baterie cca 5 let.

Struktura gelového elektrolytu v baterii Fiamm SMG zpomaluje vysychání článku, takže odhadovaná životnost 2V článků je 18 let

Nevýhody gelových baterií

Stát

Značnou nevýhodou GEL baterie je její cena. Při srovnatelné kapacitě je to přibližně 3krát více než u AGM a 5krát více než u tradičních olověných baterií. Tato nevýhoda je ale plně kompenzována vyšší životností.

Citlivost na přepětí

Nevýhodou spojenou s principem činnosti gelové baterie je její citlivost na napětí překračující určitou úroveň při nabíjení. Například baterii o jmenovitém napětí 12,6 V nelze nabíjet na napětí vyšší než 14,5 V. Při výrazném zvýšení napětí při nabíjení je pozorována změna struktury elektrolytu směrem k větší tekutosti. Z tohoto důvodu nemůžete instalovat například autogelové baterie do starších modelů, kde se velmi liší palubní napětí. Takové baterie jsou vhodné pouze pro moderní modely automobilů, kde je stabilizované palubní napětí. A samozřejmě je nepřípustné nabíjet gelovou baterii z nabíječky, která není přímo určena pro takové baterie.

Limity nabíjecího proudu

Potřeba zachovat rosolovitou strukturu elektrolytu také omezuje nabíjecí proud GEL baterií. A přestože takové baterie překonávají tradiční olověné baterie v rychlosti nabíjení, zaostávají za bateriemi AGM. Pro GEL baterie platí jednoduché pravidlo – optimální nabíjecí proud v ampérech je číselně roven 10 % kapacity vyjádřené v ampérhodinách. Maximální přípustný nabíjecí proud je uveden v technické specifikaci baterie, je obvykle asi 3x větší než optimální.

Dlouhodobý zkrat může vést k „nabobtnání“ pouzdra gelové baterie a jeho úplnému selhání. Zkraty jsou však kontraindikovány i u jiných typů olověných akumulátorů.

Provozní teplota gelových baterií

GEL baterii lze skladovat a používat, dokud elektrolyt nezmrzne. V závislosti na modelu baterie se spodní teplotní limit pohybuje od -50 do -30 C. Ale v chladném počasí se gelové baterie chovají jinak než tradiční olověné baterie, vše závisí na typu zátěže.

Gelové baterie jsou optimálním řešením pro využití v alternativní energetice

Pokud mluvíme o zátěži, která je v průběhu času rovnoměrná, stejně jako o úrovni nabití baterie, která se velmi liší, což je typické například pro alternativní energetické systémy, pak GEL za studena demonstruje výhodu oproti tradičním olověným kyselinám. a AGM baterie.

V olověných a AGM bateriích hustota elektrolytu silně závisí na úrovni nabití během procesu vybíjení, elektrolyt může zamrznout, což nakonec vede k fyzické destrukci pouzdra. U gelových baterií je závislost hustoty elektrolytu na úrovni nabití mnohem méně výrazná, takže takovou baterii lze bezpečně skladovat v chladu i ve zcela vybitém stavu.

Ale jak teplota klesá, klesá náběhový proud GEL v mnohem větší míře než u jiných olověných baterií. Proto jsou při použití takových baterií ve vozech se spalovacími motory známy případy, kdy motor v silném mrazu nenaskočil.

Při aplikaci za zvýšených teplot mají gelové baterie výhody díky svému utěsněnému designu – není potřeba přidávat vodu, která se často odpařuje. Pokud teplota překročí maximální přípustnou hodnotu (v závislosti na konkrétním modelu se vyrábí GELOVÉ baterie, které jsou speciálně navrženy pro provoz při vysokých teplotách), dojde ke zkapalnění elektrolytu a tento proces je bohužel nevratný.

Aplikace gelových baterií

Uvažovaný typ baterií je optimální pro použití v alternativních energetických systémech. Baterie mohou pracovat za podmínek různé úrovně nabití v širokém rozsahu, včetně teplot pod nulou. Nedostatek požadované údržby umožňuje použití GEL baterií v pouličních lampách s autonomním napájením ze solárních baterií, baterií a větrných turbín.

Další oblastí využití gelových baterií v každodenním životě a průmyslu, kde nemají téměř konkurenci, jsou nepřerušitelné zdroje napájení. Použití takových baterií poskytuje zvláště velké výhody při napájení telekomunikačních zařízení, protože baterie jsou zapínány v režimu vyrovnávací paměti, ve kterém GEL technologie poskytuje životnost 10 – 15 let. Skříně s gelovými bateriemi, při napájení komunikačních zařízení vyznačujících se rovnoměrným zatížením v průběhu času, mohou být umístěny venku bez dalšího vybavení pro klimatizaci.

V Číně se nyní sériově vyrábí levná kompaktní elektrická auta pro cestování po městě nebo na blízkých předměstích. Gelové baterie se v takových vozidlech často používají k ukládání energie, protože jsou levnější než lithium-iontové baterie a nevyžadují další bezpečnostní opatření.

GEL FIAMM baterie, speciálně navržená pro použití v motocyklech

U dvoukolových vozidel se gelové baterie používají pouze ve startovacích systémech spalovacích motorů v motocyklech. V tomto případě jsou příliš těžké na to, aby poháněly elektromotory, a proto prohrály s LiFePo bateriemi.

Současným trendem ve vývoji vodní dopravy je používání elektrických člunů. Zpravidla jsou vybaveny GELOVÝMI bateriemi – po dokončení navigace lze baterie skladovat v nevytápěném hangáru bez starostí s dobíjením.

Výběr gelové baterie

Při výběru gelových baterií byste měli především věnovat pozornost následujícím parametrům:

• Jmenovité napětí;
• jmenovitá kapacita;
• maximální zatěžovací proud;
• rozsah provozních teplot nebo doporučený rozsah použití;
• doporučený režim nabíjení-vybíjení (vyrovnávací/cyklický);
• trvání doporučeného vybíjecího cyklu.

Při použití konkrétního modelu GEL baterie, kdy režim přesně odpovídá tomu, který doporučuje výrobce, vás baterie potěší spolehlivostí a dlouhou životností.

Pokud potřebujete profesionální radu ohledně baterie, pošlete nám zprávu!