Nazwa AGM pochodzi od angielskiego „absorbent glass mat”, co oznacza absorbujący materiał amortyzujący (wykonany z włókna szklanego). Sama technologia pojawiła się w latach 70 ubiegłego wieku. Firmą, która zarejestrowała patent na nowość w dziedzinie akumulatorów, był amerykański producent Gates Rubber Co. Klasyczny akumulator kwasowo-ołowiowy wygląda jak obudowa podzielona na kilka sekcji (banków). Każdy z nich posiada płytki wykonane z ołowiu, które są zanurzone w elektrolicie. Sam elektrolit jest roztworem wody destylowanej i kwasu siarkowego ale musi zawsze zakrywać płytki, swoim poziomem. Aby zapobiec stykaniu się płyt, między nimi znajdują się przegrody wykonane z mikroporowatego tworzywa sztucznego. Prąd jest generowany między dodatnimi i ujemnymi płytkami ładunku. Z kolei akumulatory AMG różnią się od dotychczasowych konstrukcji tym, że pomiędzy płytami znajduje się porowaty materiał impregnowany elektrolitem. Ale jego pory nie są całkowicie wypełnione substancją czynną. Wolna przestrzeń to rodzaj przedziału gazowego, w którym skrapla się powstająca para wodna. Dzięki temu uszczelniony element nie pęka podczas ładowania (ładując klasyczny akumulator serwisowany należy odkręcić nakrętki przegród, gdyż na końcowym etapie ładowania mogą aktywnie ewoluować pęcherzyki powietrza, więc pojemnik powinien być rozhermetyzowany). Pierwsze akumulatory AGM zjechały z linii montażowej w 1985 roku. Ta modyfikacja była używana głównie w samolotach wojskowych. Zasilacze te znalazły również zastosowanie w systemach telekomunikacyjnych i instalacjach sygnalizacyjnych z zasilaniem indywidualny. Obecnie akumulatory AGM znalazły nową dziedzinę zastosowania jaką są samochodowe system start-stop wyłączający i włączający silnik automatycznie w celu ograniczenia poziomu emisji CO2 oraz niskonapięciowe systemy zasilania samochodów hybrydowych.
US3862861 MAINTENANCE-FREE TYPE LEAD ACID, McClelland et al. The Gates Rubber Company, data patent: 28.01.1975. Wynalazek dotyczy bezobsługowego ogniwa kwasowo-ołowiowego, które jest normalnie zamknięte. Ogniwo charakteryzuje się strukturalnie, płytami z ołowiu oddzielonymi od siebie wysoce chłonnymi elastycznymi separatorami zawierającymi elektrolit i zamkniętymi w pojemniku w taki sposób, że nadawana jest mechaniczna integralność w celu uzyskania jednolitej samonośnej struktury płyt. Dodatkowo przewidziane są środki do maksymalnej rekombinacji wydzielanych gazów oraz odprowadzania gazu o nadmiernie wysokim ciśnieniu. Położenie środka ciężkości baterii pozwala na pracę w dowolnym pozycji.
FIG.1 jest widokiem przekroju wycięcia baterii pokazującą wszystkie komponenty zmontowanej ogniwa we względnej konfiguracji względem siebie; FIG.2 jest widokiem częściowo rozwiniętą celą baterii wykorzystującą spiralną konfigurację siatek dodatnich i ujemnych oddzielonych separatorem, co jest możliwą konfiguracją według wynalazku; FIG.3 przedstawia widok rozstrzelony zestawu ogniw płytkowych; FIG.4 jest wykresem szybkości rozładowania w funkcji procentu pojemności znamionowej, porównując ogniwa ze stanu techniki z ogniwami AGM według wynalazku; FIG.5 jest wykresem porównującym krzywe ładowania ogniwa AGM według przedmiotowego wynalazku z krzywymi ogniw ze stanu techniki; FIG.6 jest porównaniem pojemności baterii AGM z pojemnością baterii ze stanu techniki .
Ogniwo kwasowo-ołowiowe bez wolnego elektrolitu składa się ze spiralnie nawiniętego zespołu elektrod, składającego się z elektrod dodatnich i ujemnych 11 oraz separatora 14. Elektrolit jest obecny w zubożonej ilości, tak że prawie cały jest absorbowany w separatorze, a na elektrodach znajduje się tylko cienka warstwa. Elektrody są utworzone z rozszerzonych siatek ołowianych, które są oklejane aktywnym materiałem. Preferowanym materiałem separatora jest włókno szklane. Zespół spiralny jest utrzymywany pod ciśnieniem w stalowej obudowie 15 posiadającej izolacyjną okładzinę 18 z tworzyw sztucznych. Elektroda ujemna ma większą pojemność niż elektroda dodatnia, dzięki czemu wydziela się znikoma ilość wodóru, a tlen jest usuwany przez reakcję z materiałem aktywnym na krawędziach elektrody ujemnej. Powyżej pewnego ciśnienia tlen jest uwalniany z komórki przez zawór nadmiarowy 23 i odpowietrznik 32. Kropelki elektrolitu uwięzione w tlenie uciekającym przez zawór 23 są absorbowane przez wodorowęglan sodu 26. Prąd z elektrod dodatnich i ujemnych 11 jest przenoszony odpowiednio do metalowej nasadki 19 i obudowy 15, poprzez paski wypustek 17 umieszczonych w odstępach wzdłuż elektrod.
Materiał separatora 14 jest używany nie tylko do oddzielenia sąsiednich płyt od siebie, ale musi mieć wystarczająco dużą porowatość i retencję, aby pomieścić praktycznie cały elektrolit niezbędny do podtrzymania reakcji elektrochemicznych. W związku z tym ważną częścią tego wynalazku jest wykorzystanie materiału separatora o bardzo wysokim cieple zwilżania, które pomaga w utrzymywaniu elektrolitu w szczelinach separatora, z wyjątkiem niewielkiej ilości elektrolitu zawartego w porach płyt 11. Ważne jest, aby w tym ogniwie zasadniczo nie było wolnego elektrolitu, z wyjątkiem tego, który jest zatrzymywany w samym materiale separatora. Jak zostanie wyjaśnione w dalszej części, opisano różne konfiguracje, które uwzględniają możliwość tworzenia się pewnej ilości wolnego elektrolitu w ogniwie, z powodu nadmiernego gazowania lub wypychania elektrolitu z separatora w innych pozycjach ogniwa niż w pozycji pionowej. Dlatego jednym z korzystnych przykładów wykonania ogniwa jest posiadanie materiału oddzielającego 14 rozciągającego się zarówno powyżej, jak i poniżej płyt, aby stykać się co najmniej z górną lub dolną wewnętrzną powierzchnią pojemnika lub wkładki. Inną konfiguracją byłoby zatem posiadanie materiału oddzielającego otaczającego najbardziej zewnętrzną warstwę płyt i stykającego się z co najmniej jedną wewnętrzną powierzchnią pojemnika lub wkładki. Przy takiej konfiguracji uwolniony elektrolit zostanie ponownie wchłonięty przez separatory.
Preferowany materiał separatora jest wykonany z mikrofibry o średnicy, nietkanego, sprasowanego materiału z włókna szklanego. Arkusze włókna szklanego wykonane z takiego materiału mają wyjątkowo dużą powierzchnię z odpowiednio małą średnicą włókna zdolną do zatrzymania elektrolitu w samym separatorze. W celu uzyskania maksymalnego ciepła zwilżania wykorzystuje się mikro-drobne włókno o dużej powierzchni na jednostkę wagi lub niezorientowaną matę szklaną. Materiał ten ma wysoką retencją elektrolitową na jednostkę objętości materiału, a także jest bardzo elastyczny. Średnica włókien tych materiałów mieści się w zakresie od 0,2 do 10 mikronów i ma powierzchnię około 0,1 do 20 metrów kwadratowych na gram krzemionki. Taki materiał ma porowatość od 85 procent do 95 procent. Ta bardzo duża powierzchnia wraz z wysokim ciepłem zwilżania przez kwas siarkowy elektrolitu na szkle powoduje, że separator ma bardzo wysoką retencje objętości elektrolitu na jednostkę objętości separatora. Chociaż ten materiał separatora 14 nie jest tak wytrzymały fizycznie jak konwencjonalne bezobsługowe separatory kwasu ołowiowego, to jest wystarczający, ponieważ wymagania dotyczące wytrzymałości fizycznej dla tego separatora są mniejsze niż konwencjonalne celi, ponieważ płyty nie mają tendencji do ciągnięcia lub wypaczania podczas cyklu życia. Oprócz tego wytrzymałość tego typu separatora nie wiążą się z problemami związanymi z konwencjonalnymi sztywnymi siatkami i strukturami słupków odprowadzeń elektrycznych.
Bezobsługowe ogniwo kwasowo-ołowiowe pracujące pod ciśnieniem wewnętrznym w normalnie zamkniętej konfiguracji wykorzystujący cykl „tlenowy” obejmujący: siatki oparte na ołowiu o wysokim przepięciu wodoru w których ołów wykorzystywany w sieciach posiada około 99,9 % czystości wagowej, przy czym wspomniane siatki zawierają wklejony materiał aktywny w celu utworzenia porowatych płyt dodatnich i ujemnych. Materiał separatora pochłaniającego i zatrzymującego elektrolity o wysokim cieple zwilżania, dużej powierzchni i porowatości około 85 do 95 %, ściśle styka się z sąsiednimi przeciwległymi płytkami polaryzacji. Ciekły elektrolit jest wchłonięty i zatrzymany przez wspomniany separator i przez wspomniane płytki do tego stopnia, że w komórce nie ma wolnego niewchłoniętego elektrolit. Płytki ogniwa pokryte są cienką warstwę elektrolitu na wspomnianym materiale aktywnym, wystarczającą do podtrzymania reakcji elektrochemicznych na płytkach i umożliwiającą transfer tlenu do i z materiału aktywnego przez objętość pustki utworzoną w zasadniczo wszystkich porach wspomnianych płytek. Pojemnik zamykający baterie ściśle ogranicza wspomniane płyty, a separator z pochłoniętym elektrolitem są układane w stosy pod silnym ciśnieniem, tworząc samonośne integralne ogniwo zdolne do użycia w dowolnej pozycji.
US4137377 MAINTENANCE-FREE LEAD-ACID CELL,The Gates Rubber Company, Mcclelland, Data patentu: 30.01.1979. Wynalazek odnosi się do bezobsługowych ogniw kwasowo-ołowiowych, a w szczególności do bezobsługowego ogniwa z ulepszonym separatorem i dystrybucją elektrolitów w separatorze w celu zwiększenia odporności na zwarcia, przy jednoczesnym ograniczeniu emisji gazów w normalnie zamkniętej konfiguracji.
FIG.1 schemat przekroju widoku bezobsługowej baterii według wynalazku, pokazujący powiększone elementy pakietu ogniwa kwasowego zawierającego ołowiane płyty aktywne rozdzielone separatorami; FIG.2 to perspektywiczny, częściowo wycięty widok wielowarstwowego separatora zastosowanego w ogniwie według FIG.1.
Przedmiotem wynalazku jest przede wszystkim bezobsługowe ogniwo kwasowe charakteryzujące się ograniczoną zawartością elektrolitu w wielowarstwowych separatorach odpornych na penetrację, w którym separator zawiera większość elektrolitu zawartego w ogniwie. Separator ma wyjątkowo wysoką retencje elektrolitów, przy jednocześnie cienkiej całkowitej grubości mniejszej niż około 1,5 milimetra. Takie cienkie separatory wykonane ze szkła w postaci mikrofibry, są wyjątkowo niejednorodne, na przykład wykazują różnice od plus lub minus dziesięć procent masy szkła na jednostkę powierzchni. Ze względu na tę ekstremalną cienkość w ogólnym wymiarze separatora w połączeniu z wyraźnymi zmianami w strukturze warstw separatora, na płytach będą występować stosunkowo wysokie gęstości prądu w obszarach o najniższej rezystancji elektrycznej i najniższej zwartości elektrolitu.
Bezobsługowa cela ołowiana 10 przedstawiona na rysunku FIG.1 składa się z szeregu ułożonych ściśle równolegle płyt dodatnich 12, płyt ujemnych 14 i separatorów przeplatanych 16 oraz opcjonalnych zewnętrznych przekładek 17. Płyty o jednakowej polaryzacji są połączone ze sobą, jak pokazano, a dodatnie zaciski wyjściowe 22 i ujemne 24 są połączone z odpowiednimi taśmami zaciskowymi przez elektrolitowe przejścia w ścianie pojemnika, w znany sposób. Zaleca się, aby ogniwo było wyposażone w zamykany zawór bezpieczeństwa 28 pokazany schematycznie, w celu uwolnienia nadmiernego ciśnienia gazu, niezależnie od tego, czy zostało ono nieprawidłowo wytworzone, czy też rozwinęło się podczas normalnej pracy i przeładowania ogniwa. Zaleca się, aby zawór bezpieczeństwa był normalnie zamknięty i był ustawiony na odpowietrzenie tylko w przypadku nieprawidłowego wystąpienia podwyższonego ciśnieniu względem atmosferycznego np.: powyżej około 25 psig~ 1292,92 mmHg (mm słupa rtęci Hg). Płytki elektrod, które nie stanowią istotnej części wynalazku, mogą być konwencjonalnym substratem siatki ołowiowej pokrytej elektrochemicznie aktywnymi dodatnimi i ujemnymi pastami ołowiowymi, np. głównie dwutlenkiem ołowiu dla elektrody dodatniej i ołowiem w przypadku elektrody negatywnej, po uformowaniu. Sieci ołowiane o wysokiej czystości o wysokim przepięciu wodoru są preferowane tam, gdzie poszukuje się szczelnej pracy ogniwa.
Zgodnie z wynalazkiem, separator 16 składa się z wielowarstwowego elementu, który ma na celu zatrzymanie większości elektrolitu zastosowanego w ogniwie. Porowa wielowarstwowy separator oporowy elektrolitu 16 zawiera co najmniej jedną łatwo ściśliwą warstwę 30 ze szkła włóknistego przystosowanego do kontaktu z płytką dodatnią oraz podobną warstwę typu 32 przystosowaną do kontaktu z płytą ujemną. Można użyć wielu sąsiadujących ze sobą warstw. Warstwy muszą być wystarczająco ściśliwe, aby ściśle dopasować się do powierzchni sąsiednich płyt. Bardzo ważne jest, aby włókna szklane składające się z warstw 30 i 32 posiadały rozmiary, najlepiej o średniej średnicy mniejszej niż około 3 mikrony, a najlepiej o średniej średnicy w zakresie od około 0,9 mikrona, do około 0,65 mikrona. Porowatość tych warstw szkła zwykle wynosi co najmniej około 75 procent, a najlepiej w zakresie od około 82 do około 95 procent. Materiały tego typu mają wyjątkowo wysokie właściwości retencji elektrolitu kwasu siarkowego dzięki naturalnemu wysokiemu ciepłu zwilżania kwasu na materiale szklanym, w połączeniu z wyjątkowo dużą powierzchnią, np. od około 2 do około 8 a częściej od około 3 do około 6 m2 na gram krzemionki, wynikająca z ultra drobnej średnicy włókna szkła. Zaleca się, aby grubość nieskompresowanej warstwy (warstw) szkła, np. warstwy 30, wynosiła od około 0,25 do około 1, a najlepiej od około 0,25 do około 0,6 mm. Po kompresji grubość może zostać zmniejszona do nie mniej niż około 70 procent pierwotnej grubości, zwykle w zakresie od około 85 do około 95 procent pierwotnej grubości. Pomiędzy szklanymi warstwami włóknistymi 30 i 32 znajduje się warstwa mikroporowata 34. Wielkość porów tej warstwy może wynosić średnio od 0,1 do około 0,9 mikrona, a najlepiej gdy średnia wielkość porów jest znacznie mniejsza niż odpowiadająca jej średnia wielkość porów w warstwach 30 i 32. W ten sposób warstwa mikroporowata, po zwilżeniu elektrolitem, ma znacznie wyższą rezystywność elektrolityczną niż sąsiednie szklane warstwy włókniste.
Przykłady odpowiednich materiałów dla warstwy 34 obejmują mikroporowaty polichlorek winylu, poliolefiny, fenolele, akrylonitryle i poliestry. Warstwa mikroporowata może być na bazie włókien lub może składać się z matrycy z łączącymi się porami utworzonymi po wydaleniu rozproszonego rozpuszczalnika przez ciepło lub w inny sposób. Elektrolit kwasowy jest zasadniczo całkowicie absorbowany w separatorze i płytkach, zwykle nie ma wolnego elektrolitu w opróżnionej objętości 26 ogniwa, przy czym większość elektrolitu jest zawarta w porach wielowarstwowego separatora.
EP0055888B1 Multicell recombining lead-acid battery, GATES ENERGY PRODUCTS INC., Mcclelland D.H, Data patentu: 31.08.88. Przedmiotem wynalazku jest konstrukcja zamkniętej baterii kwasowo-ołowiowej rekombinującej wydzielane gazy, zdolnej do rozładowywania i ładowania w dowolnej pozycji bez utraty elektrolitów, w tym: wielu ogniw elektrochemicznych umieszczonych w zamkniętym pojemniku monoblokowym, przy czym ogniwa indywidualnie składające się z porowatych dodatnich i porowatych płyt ujemnych oddzielonych za pomocą porowaty ściśliwych separatorów, ułożonych ściśle, oraz elektrolitu kwasu siarkowego w postaci ciekłej, o ograniczonej ilości, który jest ściśle wchłaniany przez separatory nawilżające płyty aktywne, Separatory charakteryzują się stosunkowo większą mocą absorpcji elektrolitu niż płytki przylegające, przy czym większość elektrolitu z każdego ogniwa jest zatrzymywana w szczelinach separatora, a znaczna część objętości porów płyt pozostaje opróżniona, ułatwiając w ten sposób transport gazu podczas reakcji rekombinacji gazu po naładowaniu. Elementy podziału oddzielające ogniwa od bezpośredniego kontaktu fizycznego i elektrochemicznego, zapewniają jednocześnie zdefiniowanie przestrzeni gazowej wspólnej dla wszystkich ogniw akumulatora.
FIG.1 to perspektywiczny widok jednej konfiguracji baterii wynalazku, wykorzystującej spiralnie nawinięte ogniwa; FIG.2 to widok planu wewnętrznej górnej części baterii wykonany wzdłuż 2-2 FIG.1; FIG.3 to widok planu górnej części elementów ogniwa baterii z FIG.1 w przekroju wzdłuż 3-3; FIG.4 to boczny elewacyjny, częściowy widok przekroju wykonany wzdłuż 4-4 FIG.3, w tym wewnętrzna górna krawędź 14, ale z pominięciem zewnętrznej górnej pokrywy 16 i uszu montażowych 32 dla jasności; FIG.5 to częściowe wycięcie, widok planu innej konfiguracji baterii; FIG.6 jest odciętym, częściowym elewacyjnym przekrojem baterii FIG.5 wykonanym wzdłuż 6-6; FIG.7 jest przekrojowym widokiem wzdłuż 7-7, FIG.6 podzespołu pojedynczego ogniwa; FIG.8 to widok planu górnego podobny do FIG.7 alternatywnej konfiguracji ogniw zgodnie z wynalazkiem; FIG.9 przedstawia w częściowym odcięciu przekroju alternatywną konfigurację baterii zgodnie z wynalazkiem.
Według pierwszego przykładu wykonania FIG.1-4, bateria 10, ma dwa na trzy cylindrycznie nawinięty baterie kwasowo-ołowiowe umieszczone w monobloku 12, którego górny wylot jest uszczelniony wewnętrzną krawędzią 14, w celu wytworzenia baterii gazoszczelnej. Przewody 18, 20 przymocowane odpowiednio do przeciwległych zacisków polaryzacji 22, 24 akumulatora, które są doprowadzane na zewnątrz przez zewnętrzną górną pokrywę 16, która jest przymocowana do wewnętrznej górnej krawędzi 14. Przewody mogą kończyć się standardowym złączem zaciskowym 26. Pojemnik monoblokowy 12, zawierających sześć cylindrycznych otworów, z których każdy zawiera spiralnie nawinięty element komórkowy baterii 28-1,-2,-3,-4,-5 -6. Cylindryczne ściany 30 każdej z sześciu komórek monobloku, które łączą się ze sobą w stycznych punktach styku między odpowiednimi komórkami baterii, są korzystnie uformowane z dowolnego odpowiedniego materiału izolacyjnego o wystarczającej wytrzymałości, aby wytrzymać wewnętrzne ciśnienie gazu, takiego jak ABS, polipropylen, polistyren i poliwęglan oraz inne materiały stabilne w elektrolicie. Włókna szklane lub inne materiały wzmacniające mogą być włączone. Jeśli stosowane są materiały przewodzące, są one odpowiednio wyłożone hydrofobowymi izolatorami nieprzewodzącymi. Wewnętrzna górna krawędź 14 została zaprojektowana w połączeniu z monoblokiem dolnego pojemnika 12, aby zapewnić gotowemu akumulatorowi znaczną odporność na siły wibracyjne. Jest to możliwe w dużej mierze dzięki stosunkowo ciasnemu dopasowaniu cylindrycznie nawiniętych elementów w ich odpowiednich otworach monobloku oraz dzięki ograniczeniu zapewnionemu w kierunku osiowym przez wpuszczone wypukłości 46-1,-2,-3,-4,-5-6. W tym przykładzie wykonania pojemnik monoblokowy 12 zapewnia sześć cylindrycznych otworów określających ściany komórek, a także przegrody międzykomórkowe 30, które są sztywne i zamknięte na dole, podczas gdy otwarte na górze. Przy każdej z komórek otwartych na górze, powstaje wspólna przestrzeń gazowa lub kolektor 60, która łączy wszystkie komórki. Ta wspólna przestrzeń gazowa jest uszczelniona z zewnątrz akumulatora, poprzez zamykany zawór bezpieczeństwa 62, np. typu Bunsena, którego zadaniem jest uwolnienie gazu powyżej wcześniej określonego progu w stosunku do ciśnienia atmosferyczny.
Poszczególne elementy komórki 28-1…28-6 są zazwyczaj skonstruowane zgodnie z wynalazkiem wyszczególnionym w patencie US3,862,861, który jest niniejszym włączony przez odniesienie. Tak więc materiały i rozmieszczenie elementów ogniw są dobierane tak, aby zapewnić rozładowania i ładowania akumulatora w dowolnej pozycji bez utraty elektrolitów lub znacznej migracji wewnątrzkomórkowej oraz ze zdolnością do rekombinacji tlenu z wysokimi wskaźnikami wydajności (np. powyżej około 99 procent przy szybkości przeładowania C / 10), jednocześnie osiągając stosunkowo wysokie gęstości energii na jednostkę masy. Wybór materiału separatora ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego działania akumulatora w szczelnym trybie rekombinacji. Separator powinien mieć wyjątkowo wysoką chłonność w stosunku do elektrolitu, dzięki czemu posiada właściwości zwilżające płyty ołowiane oraz zapewnia zatrzymywanie większości elektrolitu wymaganego do podtrzymania reakcji elektrochemicznych , zapewniać akumulatorowi wysoką pojemność na jednostkę masy. Dlatego separator musi mieć również wysoką porowatość, najlepiej od około 70% do około 98%, a bardziej korzystnie od około 85% do około 95%. Podczas gdy co najmniej około 70 procent elektrolitu znajduje się w szczelinach lub porach separatora, a pozostała ilość elektrolitu jest absorbowana w strukturze porów płytek, to w separatorze nadal pozostaje pewna niewypełniona objętość porów. Ponieważ same porowate płytki dodatnie dwutlenku ołowiu (po elektroformowaniu) i płytk i ujemne gąbki ołowiowej mają wysokie ciepło zwilżania i moc absorpcyjną kwasu siarkowego, to materiał separatora powinien być również wybrany tak, aby miał również bardzo wysokie ciepło zwilżania, a w połączeniu z tym dużą powierzchnię, które razem określają moc absorpcyjną jeszcze większą niż moc płyt. Na przykład typowa mata może mieć od około 75 do około 85 procent masy włókna 0,6 mikrona, od około 5 do około 15 procent masy włókna 3 mikronów, aby zapewnić dodatkową wytrzymałość maty w ilości od około 3 do około 10 procent wagi o średnicach od około 7 do około 20 mikronów. Wykorzystując średnice włókien w tych preferowanych zakresach, zastosowane maty mają powierzchnie w zakresie od około 0,05 do około 20, a najlepiej od około 10 do około 20 metrów kwadratowych na gram materiału włóknistego np. krzemionki. W baterii według wynalazku stosuje się ciekły kwas siarkowy o ciężarze właściwym około 1,30, a najlepiej co najmniej około 1,33, starając się utrzymać ciężar właściwy poniżej 1,40 w celu stłumienia korozji. Przy elektrolicie o większej gęstości mniejsza objętość elektrolitu może być związana w podzespołach ogniwa, jednocześnie osiągając realizacje wysokiej pojemności i stanu cienkiej warstwy na płytkach, wymaganej do utrzymania rekombinacji gazu przy wysokich szybkościach przeładowania.
W przykładzie wykonania FIG.9 pokazano inną wersję płaskiej równoległej 6V, która składa się z trzech połączonych szeregowo ogniw 120-1, 120-2 i 120-3. Podobnie jak w przypadku wykonania FIG.6, komórki są ściśnięte równomiernie razem i separowane przez elementy dzielące 122,124, które są najlepiej wolne od mocowań ze ścianami bocznymi oraz dnem pojemnika monobloku 126 lub spodem pokrywy 128. W ten sposób uzyskuje się jednolitą wzajemną kompresję między wszystkimi elementami baterii. Jeśli jednak dla konkretnego zastosowania nie jest wymagana dokładnie jednolita kompresja, pręty partycji 122,124 mogą być dołączone lub zintegrowane z obudową.
US20200212504A1 COMPACT ABSORBENT GLASS MAT BATTERY, Clarios Germany GMBH, Duell et al. Data aplikacji: 2.07.2020. Przedmiotem aplikacji patentowej jest akumulator kwasowo-ołowiowy AGM lub Absorbent Glass Mat, który jest bezobsługowy, a ciśnienie wewnętrzne akumulatora jest regulowany zaworem, w którym elektrolit jest absorbowany i zatrzymywany w macie owiniętej wokół lub przeplatanej elektrodą (elektrodami) lub płytką (płytkami). Akumulatory AGM są również znane jako akumulatory rekombinowane, to znaczy H2 i O2 generowane podczas ładowania są rekombinowane z wodą w akumulatorze. Akumulatory AGM umożliwiają większą głębokość rozładowania, szybsze ładowanie i zapewniają wyższy prąd niż akumulatory SLI (Traditional Battery – starting,lighting and ignition ) i EFB (Enhanced Flooded Batteries). Akumulatory AGM są również preferowanym rozwiązaniem dla oszczędzającej paliwo technologii start-stop pojazdu.
Fig.1 to perspektywiczny widok pojazdu posiadającego kompaktowy akumulator kwasowo-ołowiowy AGM; Fig.2 to perspektywiczny widok kompaktowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM zgodnie z jednym lub kilkoma przykładami wykonania; Fig.3 to perspektywiczny widok kompaktowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM pokazanego na Fig.2, z usuniętą pokrywą w celu pokazania elementów ogniw oraz zestawów płyt akumulatora; Fig.4 to widok rozłożonego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM zgodnie z przykładami wykonania; Fig.5 to widok elewacji bocznej elementów ogniwa lub zestawu płyt kompaktowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM zgodnie przykładami wykonania; Fig.6,7,8 to widok elewacji siatki akumulatorów zastosowanej w kompaktowym akumulatorze kwasowo-ołowiowym AGM; Fig.9 to wykres przedstawiający wydajność w CCA (Cold Cranking Amps -prąd rozruchowy w amperach w temperaturze -18° C) dla różnych rozmiarów grup akumulatorów zarówno dla standardowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM, jak i kompaktowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM zgodnie z jednym lub kolejnymi przykładami wykonania;
Parametr rozruchowy akumulatora (CCA) służy definiowania zdolności akumulatora do obracania silnikiem w niskich temperaturach. Mierzy, ile prądu (mierzonego w amperach) zapewnia w pełni naładowany akumulator 12 V przez 30 sekund, utrzymując 7,2 V przy 0 ° F (-18° C).
Fig.10 to wykres przedstawiający zawartość ołowiu (Pb) w procentach wagowych siatki i pasty w akumulatorze kwasowo-ołowiowym AGM w różnych rozmiarach grup akumulatorów zarówno dla standardowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM, jak i kompaktowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM zgodnie z przykładami wykonania; Fig.11 to wykres przedstawiający grawimetryczną gęstość energii, a mianowicie wydajność zimnego rozruchu (CCA) w amperach na litr lub objętość akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM, w różnych rozmiarach grup akumulatorów zarówno dla standardowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM, jak i kompaktowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM zgodnie z jednym lub więcej przykładami wykonania opisanymi w niniejszym dokumencie. Grawimetryczna gęstość energii - ile energii zawiera układ w porównaniu do jego masy; zwykle wyrażana w watogodzinach na kilogram (Wh/kg) lub megadżulach na kilogram (MJ/kg). Grawimetryczna gęstość energii może być również określana jako energia właściwa. Posiadanie wysokiej gęstości energii nie daje informacji o tym, jak szybko można wykorzystać tę energię; Fig.12 to wykres przedstawiający stosunek masy ołowiu (Pb) do wydajności (CCA) w akumulatorze kwasowo-ołowiowym AGM w różnych rozmiarach grup akumulatorów zarówno dla standardowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM, jak i kompaktowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM zgodnie przykładami wykonania; Fig.13 to wykres pokazujący różnicę w masie akumulatora między standardowym akumulatorem kwasowo-ołowiowym AGM a kompaktowym akumulatorem kwasowo-ołowiowym AGM zgodnie z przykładami wykonania w odniesieniu do różnicy w wydajności akumulatora (CCA) między standardowym akumulatorem kwasowo-ołowiowym AGM a kompaktowym akumulatorem kwasowo-ołowiowym AGM określonych dla różnych rozmiarów grup akumulatorów.
Odnosząc się do FIG.2-4, akumulator 100 jest akumulatorem kwasowo-ołowiowym AGM posiadającym dodatnie i ujemne płytki 104, 106, które są oddzielone chłonną szklaną matą 108 (zwaną również „AGM”), która pochłania i utrzymuje kwas lub elektrolit akumulatora i zapobiega jego swobodnemu przepływowi wewnątrz akumulatora 100. Nasycenie elektrolitem roboczym wynosi pewną wartość poniżej 100% nasycenia, aby umożliwić rekombinowane reakcje wodoru i tlenu. Dokładniej, akumulator kwasowo-ołowiowy AGM 100 zawiera kilka elementów ogniw 110, które są dostarczane w oddzielnych przedziałach 112 pojemnika lub obudowy 114. Stos elementów może być ściskany podczas wkładania, zmniejszając grubość separatora w celu poprawy wydajności. Elektrolit, którym jest kwas siarkowy, jest wchłaniany przez separatory w postaci mat szklanych 108, które są rozmieszczone pomiędzy płytkami 104,106. Pokrywa 116 zawiera zaciski baterii 118 (np. 118 a-pos. 118 b-neg.) oraz może również zawierać jedną lub więcej pokryw otworów wlewowych lub zespołów wentylacyjnych 115. Na przykład można zapewnić sześć zespołów wentylacyjnych 115 lub zaworów związanych z sześcioma przedziałami 112 pojemnika 114, aby umożliwić odpowietrzenie każdego przedziału
Odnosząc się do FIG.3-7, płytki 104,106 zawierają dodatnie lub ujemne siatki 120,122 przewodzące prąd. Dodatnia pasta 124 jest dostarczana na dodatniej siatce 120, a ujemna pasta 126 jest dostarczana na ujemnej siatce 122. Dokładniej, dodatnia płyta 104 zawiera dodatnią siatkę 120 posiadającą lub podtrzymującą dodatni materiał aktywny lub pastę 124 oraz tzw. scrim 133, (Tkany materiał arkuszowy składający się z włókien), podobnie płyta ujemna 106 zawiera ujemną siatkę 122 zawierającą lub podtrzymującą ujemny materiał aktywny lub pastę 126 oraz tzw. scrim 133. Pomiędzy płytkami dodatnią i ujemną 104, 106 znajduje się separator 108, który jest porowatą i chłonna mata szklana (AGM) 108.
Według przykładu wykonania, materiał siatki może składać się z ołowiu (Pb) lub stopu ołowiu (lub dowolnego substratu przewodzącego, np. włókna węglowego). Stop siatkowy może być powszechnie dostępnym w handlu stopem i w tym celu może zawierać oprócz ołowiu, dodatki cyny, srebra, wapnia, antymonu itp. w różnych kombinacjach i procentach. Zarówno siatka dodatnia 120, jak i siatka ujemna 122 mogą być utworzone z tego samego materiału. Rozważa się jednak, że skład materiału może również różnić się między siatką dodatnią a siatką ujemną. Według wynalazku materiał separatora, który występuje między każdą dodatnią płytą 104 a ujemną płytą 106 jest chłonną matą szklaną 108, która występuje jako pojedynczą lub podwójną warstwę separatora lub AGM. Matę ze szkła chłonnego 108 może być wykonana z cienkich włókien szklanych wplecionych w matę. Zgodnie z jednym lub kilkoma przykładami wykonania, chłonny materiał maty szklanej może być mocno skompresowany co zapewnia zmniejszenie jego grubości.
Tabela 2 poniżej pokazuje reprezentatywny przykład liczby dodatnich płyt 104 i liczby ujemnych płyt 106 w każdym zestawie płyt lub elemencie ogniwa 110 w przykładowych kompaktowych akumulatorach kwasowo-ołowiowych AGM i przykładowych standardowych akumulatorach kwasowo-ołowiowych AGM. Jak pokazano, w jednym przykładzie standardowego lub konwencjonalnego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM „LN1” pięć (5) płyt dodatnich i sześć (6) płyt ujemnych może być umieszczonych w stosach lub zestawach płyt lub elementach ogniw do produkcji akumulatora o wcześniej ustalonym napięciu, na przykład 12-woltowego akumulatora w pojeździe. W alternatywnym przykładzie standardowego lub konwencjonalnego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM „LN3” siedem (7) płyt dodatnich i osiem (8) ujemnych może być dostarczonych w stosach lub zestawach płyt lub elementach ogniw. Parametry przykładu wykonania akumulatora kompaktowego są przedstawione w tabeli 2, gdzie kompaktowy akumulator kwasowo-ołowiowy AGM zawiera większą liczbę płyt (zarówno dodatnich, jak i ujemnych) niż standardowy lub konwencjonalny akumulator kwasowo-ołowiowy AGM, podczas gdy ogólne wymiary akumulatora są podobne. Siatki kompaktowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM mają również mniejszą wagę i są cieńsze niż siatki standardowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM. Ponadto płyty kompaktowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM są również cieńsze.
Warto również zauważyć, że kompaktowy akumulator kwasowo-ołowiowy AGM ma klasę wydajności CCA, która jest większa niż standardowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM, a w rzeczywistości ma ocenę wydajności CCA, która odpowiada rozmiarowi grupy akumulatorów następnego poziomu (np. kompaktowy akumulator kwasowo-ołowiowy AGM, który jest „LN1”, wykonuje w przybliżeniu taką samą pracę jak standardowy akumulator kwasowo-ołowiowy AGM „LN2”, a także bateria LN2 EFB i tak dalej. Korzystając z danych przedstawionych w tabeli 2, kompaktowy akumulator AGM ma zwiększoną wydajności CCA w stosunku do standardowej baterii AGM lub baterii EFB w zakresie od 105% do 115% lub więcej. Kolejną zaletą kompaktowego akumulatora AGM jest zmniejszoną gęstość prądu rozładowania, która jest zdefiniowana jako iloraz (CCA-Cold Cranking Amps) podzielony przez powierzchnię płyt aktywnych, według wzoru:
Current Density = CCA /(Number of Pos.Plates) X (Area of Pos.Plates)
Ponieważ niższa gęstość prądu jest korzystna dla zwiększenia wydajności CCA , więc zwiększając liczbę płytek kompaktowego akumulatora AGM o jedną parę, można zmniejszyć w/w gęstość prądu rozładowania. Dodatkowo porównanie wydajność (wartość parametru rozruchowego CCA) kompaktowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM i standardowego akumulatora kwasowo-ołowiowego AGM, Fig.9 oraz ilości ołowiu (Pb-siatka plus pasta) według procentu wagowego we wspomnianych akumulatorach, Fig.10, prowadzi do wniosku, że pomimo mniejszej ilości ołowiu (procentowa ilość ołowiu (Pb) w akumulatorze w porównaniu ze standardowym akumulatorem kwasowo-ołowiowym AGM), kompaktowy akumulator kwasowo-ołowiowy AGM działa z wyższym CCA niż standardowy akumulator kwasowo-ołowiowy AGM, to znaczy akumulator ma lepszą moc rozruchową silnika. Oznacz to, że mniejsza kompaktowa bateria AGM może zapewnić większą gęstość mocy niż większa tradycyjna bateria.
WNIOSKI
Rozwój elektrotechniki zapoczątkowały trzy główne wydarzenia: wynalezienie akumulatora jako magazynu prądu dynama jako generatora prądu i żarówki jako odbiorcy prądu. Każde z tych osiągnięć dostarcza informacji o genialnej działalności badawczej i długoletniej pracy rozwojowej, które doprowadziły do tego sukcesu. Historia magazynów energii jakimi są akumulator właściwie rozpoczyna się w XVII i XVIII wieku razem ze zbadaniem i wykorzystaniem elektryczności. Za ojców tych urządzeń uważani są Alessandro Volta ( 1745 – 1827) oraz Luigi Galvani (1737 – 1798), dlatego od ich nazwisk powstały określenia „ Volt” oraz „ogniwo galwaniczne”. Pierwszą skonstruowaną przez Voltę baterią był tak zwany stos Volty czyli ułożone na przemian płytki powlekane miedzią i cynkiem, rozdzielone szmatkami które były nasączone kwasem. Volt odkrył, że nie które z cieczy pośredniczą w reakcja chemicznych pomiędzy metalami i wytwarzają w ten sposób prąd elektryczny – stąd te szmatki pomiędzy płytkami.
Natomiast historia akumulatora, sięga początków XIX stulecia. Główną ideę – magazynowanie energii elektrycznej dzięki chemicznym przekształceniom – zdefiniował już w 1802 Niemiec Johann Wilhelm Ritter w badaniach elementów galwanicznych. Dopiero w roku 1854 Josef Sinsteden poczynił ważny krok na drodze do ostatecznego ukształtowania akumulatora. Zastosował on po raz pierwszy ołów jako materiał na elektrody w połączeniu z kwasem siarkowym. Jednak właściwe wynalezienie pierwszego rzeczywiście wykorzystywanego ołowiowego akumulatora przypisuje się Francuzowi Plante, który w roku 1859 umieścił ołowiane płytki przewodzące w rozcieńczonym kwasie siarkowym zapewniając tym samym, źródło napięcia z możliwością ponownego ładowania prądem stałym. Razem z rozwojem przemysłu rozpędu nabrał też rozwój elektrochemicznych nośników energii, dzięki czemu pojawiły się akumulatory działające na bazie ołowiowo-kwasowej, które są wykorzystywane do dnia dzisiejszego. W kolejnym kroku rozwoju, około roku 1880 Emile Alphonse Fauré stworzył procedurę dzięki której akumulator ołowiowy po kilku cyklach ładowania (tak zwanemu formatowaniu) uzyskiwał wysoka pojemność. Naukowiec pokrył obie strony blachy ołowiowej pastą z proszku ołowiowego i kwasu siarkowego, uzyskując w ten sposób wysoką pojemność już po pierwszym naładowaniu.
Współcześnie akumulatory, można podzielić na wymagające serwisowania i bezobsługowe. Pierwsza kategoria obejmuje akumulatory, w których elektrolit kwasowy (a konkretnie woda) z czasem wyparowuje. Wizualnie różnią się od drugiego typu tym, że mają wieczka na górze każdej puszki. Przez te otwory uzupełnia się brak płynu. W drugim typie akumulatorów nie ma możliwości dodawania wody destylowanej ze względu na cechy konstrukcyjne i materiały, które minimalizują tworzenie się pęcherzyków powietrza w pojemniku.
Klasyczny akumulator działa zgodnie z następującą zasadą. W momencie zużycia energii elektrycznej gęstość elektrolitu maleje. Między płytami a elektrolitem zachodzi reakcja chemiczna, w wyniku której powstaje prąd elektryczny. Gdy odbiorniki zużyją całą wartość zgromadzonego ładunku elektrycznego, zdefiniowanego w Amperogodzinach, rozpoczyna się proces zasiarczania płyt ołowianych. Można go odwrócić, gdy że gęstość elektrolitu zostanie zwiększona w wyniku ładowania, po uzupełnieniu wody destylowanej. Eksploatacja klasycznych akumulatorów ołowiowo-kwasowych narażona jest na, zjawisko wybuchów, których przyczynami może być brak dobrej wentylacji podczas procesu szybkiego ładowania akumulatora, poprzez doprowadzenie do eksplozji tzw. mieszaniny wodorowo-tlenowej, ulatniającej się z wnętrza użytkowanego akumulatora.
Problem ten zniknął w wyniku opracowania bezobsługowych akumulatorów AGM, ponieważ jego budowa jest szczelna, dzięki czemu udało się zmniejszyć ilość gazów uwalnianych pod koniec ładowania. Efekt ten stał się możliwy dzięki temu, że elektrolit w strukturze jest w mniejszej ilości i ma lepszy kontakt z powierzchnią płyt. Osobliwością tej modyfikacji jest to, że pojemnik nie jest wypełniony wolnym elektrolitem w stanie ciekłym, który ma bezpośredni kontakt z płytami urządzenia. Płytę dodatnią i ujemną oddziela ultra-cienki materiał izolacyjny (włókno szklane i papier porowaty) impregnowany aktywną substancją kwasową. Modyfikację akumulatora kwasowego typu AGM, nie boi się głębokiego rozładowania, ponieważ dzięki ścisłemu kontaktowi impregnowanego elektrolitem włókna szklanego, płytki nie ulegają zasiarczeniu, a podczas ładowania nie występuje zjawisko przeładowaniu, które powoduje zwiększone tworzenie się wybuchowej mieszanki gazu.
Współcześnie obowiązuje również nowa klasyfikacja akumulatorów, która dotyczy ich właściwości, tzw. rozruchowych i trakcyjnych. Akumulatory rozruchowe mają dużą moc rozruchową i służą do uruchamiania dużych silników spalinowych. Akumulator trakcyjny wyróżnia się zdolnością do długotrwałego wydzielania napięcia, które zasila silniki trakcyjne pojazdu. Taki akumulator montuje się w pojazdach elektrycznych (nie jest to jednak pełnoprawny samochód elektryczny, ale głównie dziecięce auta elektryczne i wózki inwalidzkie) oraz instalacje elektryczne, które nie wykorzystują prądu rozruchowego dużej mocy. Jeśli chodzi o pełnoprawne samochody elektryczne, takie jak Tesla, wykorzystuje się w nich również akumulator AGM, ale jako podstawę systemu pokładowego silnik elektryczny wykorzystuje inny typ akumulatorów.
Kluczowym parametrem, za pomocą którego można określić, jakiego akumulatora użyć, jest wydajność trakcyjna. Klasyczne akumulatory kwasowe nie radzą sobie dobrze z takim obciążeniem, które grozi głębokim rozładowaniem. Żadna bateria nie toleruje silnego rozładowania, a dla niektórych modyfikacji ten czynnik jest po prostu destrukcyjny. W przypadku standardowych zasilaczy krytyczny wpływ na ich pojemność mają częste rozładowania poniżej 50 procent. W tym stanie nie można przechowywać baterii. Jeśli chodzi o typy AGM, tolerują około 20 procent więcej strat energii bez poważnych szkód w porównaniu z klasycznymi bateriami. Oznacza to, że wielokrotne rozładowywanie do 30 procent nie wpłynie na wydajność baterii. Istotną zaletą jest również to, że akumulatory AGM nie podlega zasiarczeniu i korozji. Ponieważ elektrolit nie gotuje się ani nie paruje podczas pracy i prawidłowego ładowania, płytki są w stałym kontakcie z substancją roboczą, to z tego powodu proces niszczenia nie zachodzi w takich źródłach prądu. Wyjątkiem jest to samo nieprawidłowe ładowanie, podczas którego zaburzona jest rekombinacja wydzielanych gazów i parowanie elektrolitu.
Budowę akumulatora AGM ilustruje materiał filmowy: AGM od środka. Akumulator zasilający AGM BUDOWA. – YouTube07
Jako uzupełnienie informacji o eksploatacji akumulatorów AGM polecam materiał filmowy:
Akumulator AGM do Start-Stop w zwykłym aucie ? – YouTube