Перезаряжаемые источники питания (аккумуляторы) получили широкое распространение из-за возможности многократного использования. После исчерпания запаса энергии их можно перезарядить и применять снова. Различные виды аккумуляторных батарей используют в быту и в технике.
Типы бытовых аккумуляторов
В быту перезаряжаемые элементы применяют для питания автономных мобильных устройств или электроинструмента.
Никель-кадмиевые (Ni-Cd)
Этот тип аккумулятора изобретен еще в конце 19 века, широкое распространение получил в середине 20 века. Основные достоинства никель-кадмиевых элементов:
сохранение работоспособности в широком диапазоне температур (в том числе, отрицательных); толерантность к высоким зарядным токам, сокращающая время пополнения запаса энергии; низкая склонность к саморазряду.
Основным же недостатком подобных элементов является ярко выраженный эффект памяти. Если аккумулятор разрядить не до конца, и начать заряжать, он «запомнит» достигнутый уровень разряда, как нулевой. Это приведет к снижению емкости, для восстановления которой придется принимать специальные меры.
Устройство никель-кадмиевой батареи
Еще одним существенным недостатком Ni-Cd элементов является токсичность кадмия. Это предъявляет к данной разновидности аккумуляторов особые требования по утилизации.
Следующим поколением никелевых аккумуляторов являются никель-металлогидридные источники питания. Самая существенная разница с предыдущей ступенью элементов питания — значительно менее выраженный эффект памяти и увеличенная энергоемкость.
К минусам можно отнести повышенный саморазряд. Полностью заряженный аккумулятор за год хранения разряжается полностью. Другой серьезный недостаток – пониженный ресурс (в пределах 300 циклов). Да и диапазон отрицательных рабочих температур у них пониже, чем у никель-кадмиевых.
В 2005 году Sanyo представили новое поколение Ni-MH элементов, названные LSD NiMH. Эта разновидность никель-металлогидридных источников отличается значительно более низкой склонностью к саморазряду.
Никель-металогидридный элемент формата 18650
Литий-ионные (Li-Ion)
Самый современный и перспективный в развитии тип аккумуляторов – литий-ионные. Их промышленный выпуск начат относительно недавно, но ими завоеван большой сегмент рынка перезаряжаемых источников за счет явных преимуществ, главные из которых:
практическое отсутствие эффекта памяти; возможность заряжать большими токами; повышенное рабочее напряжение.
Это выделяет дает li-ion элементам явные преимущества перед остальными типами аккумуляторов. К основным минусам относятся:
плохая работа при низких температурах;
Главным же недостатком литий-ионых технологий считается повышенная пожароопасность и сложность в тушении.
Многие транспортные компании, включая авиационные, не принимают к перевозке грузы, состоящие из литий-ионных источников питания.
Пожар в самолете, вызванный самовозгоранием литий-ионых элементов
Классификация Li-ion батарей сложна из-за большого количества типов аккумуляторов по примененным активным материалам, но некоторые из них резко выделяются из общей картины. Они имеют серьезные отличия в потребительских свойствах.
Литий-ионный перезаряжаемый элемент
Литий-полимерные аккумуляторы (Li-Pol)
Чтобы избежать опасности подтекания, полностью исключить возможность замыкания, уменьшить толщину батареи давно возникла идея выполнять электролит в виде твердой пленки. Заодно он бы исполнял функцию сепаратора.
Эта мечта в ближайшее время может стать явью, уже разработаны лабораторные образцы таких аккумуляторов, но для широкого применения они пока непригодны. Те модели, что сейчас можно приобрести под названием «литий-полимерный аккумулятор» (липоль), содержат либо загущенный до гелеобразного состояния полимерный электролит, либо полимерный ячеистый сепаратор, пропитанный тем же жидким реагентом. Но и это позволяет увеличить ресурс элементов, снизить саморазряд и несколько повысить энергоемкость.
Рекомендуем: Что лучше литий полимерный или литий ионный аккумулятор
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4)
У этого типа аккумулятора катод выполнен из фосфата железа. Не вдаваясь в особенности электрохимии, можно сказать, что это позволило добиться:
еще более низкого саморазряда; хорошей работы при низких температурах; в разы повышенного ресурса; стабильного выходного напряжения в течение почти всего цикла разряда; терпимости к глубокому разряду. Заплатить за это пришлось повышенной стоимостью.
Заплатить за это пришлось повышенной стоимостью.
Надо понимать, что заявленный производителями срок жизни до 7000 циклов достоверен только при выполнении дополнительных условий – ограничении уровня заряда и разряда, соблюдение температурного режима и т.п.
Какие бывают размеры аккумуляторов
Бытовые аккумуляторы выпускаются во многих видах форм-факторов. Наиболее распространенные из них приведены в таблице.
| Тип элемента | Напряжение, В | Форма | Типоразмер | Габариты, мм | Емкость, мА*ч |
|---|---|---|---|---|---|
| Ni-Cd | 1,38 | цилиндр | SC | d=23, l=43 | 1900..3000 |
| 4/5 SC | d=23, l=34 | 1400..2100 | |||
| АА | d=14,5, l=55,5 | 600..1000 | |||
| диск | Д-0,55 | d=34,6, h=9,8 | 550 | ||
| Д-0,26 | d=25,2, h=9,3 | 260 | |||
| Д-0,125 | d=20,0, h=6,6 | 125 | |||
| Ni-MH | 1,25 | Цилиндр | SC | d=23, l=43 | 1900..3000 |
| 4/5 SC | d=23, l=34 | 1400..2100 | |||
| АА | d=14,5, l=55,5 | 1700..2900 | |||
| ААА | d=10,5, l=44,5 | 800..1000 | |||
| 18650 | d=18, l=65 | 600..1000 | |||
| Li-ion | 3,6 (4,2) | Призматические («кирпич», плоские) | До 5000 | ||
| Цилиндр | 18650 | d=18, l=65 | 800-5000 | ||
| Li-FePo | 3,2 | Цилиндр, призма | До 10 000 |
Ni-MH источник питания типоразмера SC
Основные виды аккумуляторов для автомобилей
В качестве стартерных батарей для автомобилей уже долгие десятилетия в подавляющем большинстве случаев применяют свинцово-кислотные аккумуляторы. Этот же тип АКБ широко используется в качестве тяговых источников питания.
Традиционные
Обычный автомобильный аккумулятор состоит из набора положительных (реагент – диоксид свинца) и отрицательных (свинец) пластин, погруженных в электролит. Он представляет собой раствор серной кислоты в воде.
Достоинствами подобной АКБ являются:
низкий уровень саморазряда;
- высокий ресурс;
- неплохая энергоемкость;
- низкий уровень саморазряда;
- невысокая стоимость.
Также к плюсам относятся параметры, отточенные десятилетиями. Возможности кислотно-свинцовой электрохимии доведены до оптимальных. Зона развития подобных АКБ находится в направлении конструктивного исполнения.
Свинцово-кислотная АКБ
Малосурьмянистые
Анодные и катодные пластины АКБ изготавливают из свинца. Этот металл довольно мягкий, при применении в чистом виде пластины получатся склонными к изгибанию (даже под действием собственного веса), что может привести к короткому замыканию соседних электродов. Поэтому традиционно в качестве присадки в свинец в небольших количествах добавляли сурьму. Это делает свинец более твердым, согнуть такой электрод сложнее.
В электрохимических реакциях, протекающих в аккумуляторе, сурьма участия не принимает.
Недостатком аккумуляторов, выполненных из свинца с легированием сурьмой, является повышенный саморазряд и склонность к «закипанию» (электролизу) раствора серной кислоты при избытке напряжения при зарядке. Поэтому разработаны аккумуляторы с малым содержанием этой легирующей добавки. При сохранении приемлемой механической прочности это привело к уменьшению саморазряда и снижении тенденции к закипанию. Отдельного обозначения такие батареи не имеют, так как по традиционно сурьмяной технологии АКБ практически не выпускаются, но некоторые производители наносят маркировку Pb/Sb (свинец/сурьма).
Кальциевые
Прорывным решением оказалось применение в качестве легирующей добавки к свинцу кальция. Он тоже не принимает участия в электрохимических реакциях, кальциевый аккумулятор не перестаёт быть свинцово-кислотным. Но применение этого химического элемента позволило сделать пластины еще более прочными, а значит, стало возможно сделать их тонкими. Разработчикам это дало выбор – увеличить ёмкость батареи в тех же массогабаритных границах за счет увеличения количества пластин или при сохранении емкости уменьшить размеры и вес АКБ.
В интернете можно встретить причину отказа от сурьмы экологическими требованиями. Да, сурьма небезвредна, но по сравнению с несколькими килограммами свинца несколько грамм легирующей добавки сколько-нибудь заметного влияния на экологию не окажут.
Добавление кальция позволило практически ликвидировать склонность аккумуляторов к электролизу при зарядке. Потери воды в электролите сведены практически к нулю, а это позволило выпускать АКБ в необслуживаемом виде. Подобные батареи не нуждаются в контроле уровня и доливке жидкости.
По кальциевой технологии выпускают автомобильные источники питания с легированными положительными электродами, или с катодом и анодом одновременно. В первом случае батарея маркируется символами Ca, во втором – Ca+ или Ca/Ca.
Необслуживаемый аккумулятор с маркировкой Ca/Ca
AGM и гелевые АКБ
Эти два типа свинцово-кислотных батарей часто путают. На самом деле, это две разных технологии.
Внутреннее устройство батареи AGM
В аккумуляторах AGM между положительными и отрицательными пластинами проложен волокнистый сепаратор (разделитель) из стекловолокна. Он предохраняет электроды от замыкания, что позволяет сделать их еще более тонкими. Сепаратор пропитывается обычным жидким электролитом. В свободном виде жидкий реагент практически отсутствует. Пространство между порами заполнено раствором серной кислоты не полностью, оставлены пустоты. Батарея не склонна к «кипению», но если электролиз все-таки происходит, в незаполненных местах созданы условия для рекомбинации водорода и кислорода – газы переходят опять в жидкость. За счет этого потери воды сведены практически к нулю.
Отсюда достоинства батарей AGM:
они оптимальны для необслуживаемого исполнения; за счет более тонких пластин и уменьшения расстояния между ними можно в тех же габаритах добиться повышенной емкости; из-за плотной стяжки пластин и сепаратора в пакет вероятность осыпания активной массы сведена к нулю, что позволяет увеличить период жизни аккумулятора и делает его более устойчивым к механическим воздействиям. В остальном батареи AGM не отличаются от традиционных свинцово-кислотных батарей (в плане протекания электрохимических процессов).
В гелевых аккумуляторах (имеют маркировку GEL) также имеются анодные пластины из диоксила свинца, свинцовые катодные электроды и сернокислотный электролит. Особенность гелевых батарей в том, что в электролит добавлен загуститель. В электрохимических реакциях он не участвует (хотя несколько замедляет их). Такое техническое решение исключает потери воды из электролита и самого электролита даже в случае небольшого повреждения корпуса. Электролиз в гелевых батареях также сведен к минимуму, но если он и происходит, водород с кислородом не улетучиваются наружу, а рекомбинируют в толще геля. Еще один плюс, который дает подобное исполнение – АКБ можно использовать в любом положении, что особенно удобно для аккумуляторного транспорта.
Гелевый аккумулятор
Гибридные EFB
Аккумуляторы AGM надежны, долговечны, но дороги. Область применения гелевых батарей ограничена. Определенным компромиссом являются аккумуляторы EFB. В них применяется жидкий электролит, но каждая пластина помещена в сетчатый пакет. Он служит сепаратором, что позволяет установить пластины компактно без риска коротких замыканий. К тому же снижается риск осыпания активной обмазки, что ведет к увеличению срока службы АКБ.
Устройство аккумулятора EFB
Отличия тяговых аккумуляторов от стартерных
Разница между тяговыми и стартерными батареями в первую очередь в их назначении. Стартерная батарея должна в течение короткого времени выдать большой ток для прокрутки стартера. Тяговый аккумулятор должен выдавать энергию для привода в течение как можно более длительного времени. Отсюда основное требование к тяговой АКБ – высокая емкость при как можно меньших габаритах и весе. Достоинства стартерных батарей определяются, большей частью, токоотдачей (током холодной прокрутки), хотя и ёмкость для них также важна.
Тяговый гелевый аккумулятор
Вообще, эти два параметра определяются конструкцией батареи и связаны друг с другом, но не жестко. В общем случае, чем выше ёмкость, тем выше токоотдача, однако не всегда. Так, гелевые батареи при отличном соотношении ёмкостных и массогабаритных характеристик не способны отдать большой ток мгновенно. Связано это с низкой динамикой электрохимических реакций из-за загущенного электролита. Поэтому подобные АКБ применяются в качестве тяговых, где реализуются и остальные их достоинства. В качестве стартерных же применяют аккумуляторы с жидким электролитом, и не важно, по какой технологии они изготовлены (традиционные, AGM, EFB и т.п.)
Многообразие классов перезаряжаемых источников питания позволяет для каждой сферы применения найти оптимальный тип. Но для этого надо хотя бы по минимуму ориентироваться в них и знать их основные потребительские свойства.