АКБ или аккумуляторные батареи – это оборудование, которое состоит из нескольких аккумуляторов. Оно может накапливать, хранить и расходовать энергию. Благодаря обратимости химических процессов, происходящих внутри аккумулятора, такие устройства могут заряжаться и разряжаться многократно.
Сфера применения аккумуляторов весьма обширна. Они применяются в автомобилях и различной бытовой технике, например, в пультах ДУ и ноутбуках. Но также и в качестве резервных источников питания в медицинской сфере, производстве, космической отрасли, дата-центрах.
Виды и типы АКБ
Сегодня производят около 30 типов аккумуляторов. Такое большое количество обуславливается возможностью применять в качестве электродов и электролитов различные химические элементы. Именно от материала электрода и состава электролита зависят все характеристики аккумулятора.
Мы не будем приводить все типы, а лишь дадим небольшую таблицу с описанием наиболее распространенных:
Устройство
1 — Отрицательный электрод
2 — Разделительный слой
3 — Положительные электроды
4 — Отрицательный контакт
5 — Предохранительный клапан
6 — Положительные электроды
7 — Положительный контакт
Аккумуляторные батареи состоят из нескольких банок аккумуляторов, соединенных либо параллельно, либо последовательно. Последовательное соединение применяют в целях увеличения напряжения, а параллельное для увеличения силы тока.
Каждый из отдельно взятого аккумулятора в АКБ состоит из двух электродов и электролита, помещенных в корпус из специального материала.
Электрод с отрицательным зарядом – анод, с положительным зарядом – катод. Анод содержит восстановитель, катод – окислитель. Внутри корпуса аккумулятора стоит разделительная пластина, которая не позволяет электродам замыкаться.
Электролит – водный раствор, в который погружены оба электрода.
При разрядке аккумулятора восстановитель анода начинает окисляться и выделяются электроны. Электроны затем попадают в электролит и оттуда движутся к катоду, при этом создавая разрядный ток. Попадая в катод электроны восстанавливают его окислитель. Простыми словами можно описать процесс так: электроны идут от отрицательного электрода к положительному и создают разрядный ток.
При зарядке аккумулятора электроды меняются своим химическим составом и происходит обратная реакция. Электроны здесь двигаются от положительного анода к отрицательному катоду.
Особенности разных типов АКБ
Свинцово-кислотные аккумуляторы
Разработан Гастоном Планте в 19 веке. Эти аккумуляторные батареи сегодня наиболее актуальны благодаря дешевизне и универсальности. Сфера их применения обширна ввиду большого количества разновидностей этого типа. В качестве отрицательно заряженных электродов здесь используется оксид свинца. Положительные электроды выполняются из свинца. Электролит – серная кислота.
У свинцовых-кислотных батарей есть следующие разновидности:
- LA – аккумуляторы с напряжением 6 или 12 Вольт. Традиционное устройство для осуществления запуска двигателей автомобилей. Требуют постоянного обслуживания и вентиляции.
- VRLA – напряжением 2, 4, 6 или 12 Вольт. Клапанно-регулируемая свинцово-кислотная аккумуляторная батарея. Как видно из названия этот АКБ укомплектован разгрузочным клапаном. Его роль – минимизировать выделение газа и расход воды. Такие батареи можно устанавливать в жилых помещениях.
- AGM VRLA – как и предыдущий тип оснащен клапаном, но имеет совсем другие свойства. В аккумуляторах, сделанных по технологии AGM роль сепаратора играет стекловолокно. Его микропоры пропитаны жидким электролитом. Такие АКБ не требуют обслуживания и устойчивы к вибрациям.
- GEL VRLA – подвид свинцово-кислотных аккумуляторов с гелеобразным электролитом. Благодаря этому увеличен их ресурс заряда/разряда. Не требуют обслуживания.
- OPzV – герметичные аккумуляторы используемые в области телекоммуникации и для аварийного освещения. Электролит, как и в предыдущем случае гелевый. В электродах содержится кальций, благодаря которому срок службы такого типа батарей – 20 лет.
- OPzS – катод таких аккумуляторов имеет трубчатую структуру. Это существенно повышает циклический ресурс этого типа батарей. Служит также около 20 лет. Выпускается в виде АКБ с напряжением от 2 до 125 В.
Литий-ионные аккумуляторы
Был впервые выпущен Sony в 1991 году и с тех пор активно применяется в бытовой технике, электронных устройствах. Практически все мобильные телефоны, ноутбуки, фотоаппараты и видеокамеры оснащены таким видом батарей. Роль катода здесь играет литий-ферро-фосфатная пластина. Отрицательный анод – каменноугольный кокс. Положительный ион лития переносит заряд в таких батареях. Он может проникать в кристаллическую решетку других материй и образовывать с ними химическую связь. Преимуществом этого типа является высокая энергоемкость, низкий саморазряд и отсутствие нужды в обслуживании.
Литий-ионные аккумуляторные батареи также, как и их свинцовые аналоги имеют большое количество подтипов. В данном случае подтипы отличаются между собой составом катода и анода. Напряжение литий-ионных аккумуляторов варьируется в пределах от 2,4 до 3,7 В.
Одним из самых известных подтипов является литий-полимерные аккумуляторные батареи. Они появились сравнительно недавно и быстро завоевал популярность. Она обусловлена тем, что в литий-полимерных батареях используется твердый полимерный электролит. Это позволяет создавать батареи любой формы. При этом стоимость этих батарей всего лишь на 15% выше обычных литий-ионных.
Под аккумуляторной батареей следует понимать источник электрического тока, который состоит из нескольких элементов питания. Такое совмещение элементов дает возможность получить силу тока или напряжение намного больше, в зависимости от параллельного или последовательного способа подключения.
На сегодняшний день есть несколько типов аккумуляторный батарей, которые отличаются друг от друга составом электролита и материалом электродов. Большинство людей слышали ранее и знают, что существуют всевозможные никель-металлогидридные, никель-кадмиевые, литиево-ионные, свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Однако из всего этого разнообразия на автомобилях в качестве стартерных батарей применяют исключительно свинцовые . Такой выбор осуществлен неспроста, ведь эти батареи обладают способностью отдавать за короткий промежуток времени большой ток, в то время как другие батареи с этим не справляются. Но наряду с этим стоит сказать, что и свинец и кислота – крайне вредные вещества, поэтому автолюбителям приходится с этим мириться. Что касается корпусов батарей, то они выполнены из кислотостойкой пластмассы.
Типы автомобильных аккумуляторных батарей
В современном производстве аккумуляторов для электродов используют не чистый свинец, а с различными добавками, которые делят на несколько типов.
· Сурьмянистые или традиционные аккумуляторы;
· Малосурьмянистые аккумуляторы;
· Кальциевые аккумуляторы;
· Гибридные аккумуляторы;
· Гелевые или AGM аккумуляторы ;
· Щелочные аккумуляторы;
· Литиево-ионные аккумуляторы.
Сурьмянистые аккумуляторные батареи
Батареи такого типа в составе пластин содержат ≥5% сурьмы. Зачастую такие батареи называют традиционными или классическими. Однако данное название уже не так актуально, потому что современные классические аккумуляторы содержат гораздо меньше сурьмы.
Сурьма добавляется в свинец для повышения прочности пластин. Также эта добавка способствует резкому усилению, ускорению процесса электролиза, начинающегося уже при 12 вольтах. Выделяющиеся газы (кислород и водород) создают впечатление кипящей воды. Вследствие испарения воды в большом количестве, концентрация электролита меняется и электроды (их верхние края) оголяются. В качестве компенсации в аккумулятор заливается дистиллированная вода.
С повышенным содержанием сурьмы – это часто обслуживаемые аккумуляторы, так как необходимо не менее раза в месяц выполнять проверку плотности электролита в батарее, а также доливать воду.
Сегодня батареи такого типа не устанавливают на машины, потому как уже давно разработаны и эксплуатируются другие, более инновационные типы . Сурьмянистые аккумуляторы еще работают на стационарных установках, где неприхотливость источника питания важнее за иные вопросы. Автомобильные же аккумуляторы производятся без сурьмы или с малым ее содержанием.
Малосурьмянистые аккумуляторные батареи
Стараясь достичь меньшего «выкипания» воды, разработчики начали изготавливать аккумуляторные батареи с уменьшенным количеством сурьмы (меньше 5%). Данный фактор исключил необходимость постоянно следить за уровнем электролита. Также значительно уменьшился уровень саморазряда батареи при хранении.
Подобного типа называют необслуживаемыми, аргументируя это тем, что они не требуют определенного ухода. Конечно, термин «необслуживаемый» скорее маркетинговый, потому как полностью избавиться от проблемы «выкипания» воды не получилось. Вода из электролита понемножку «выкипает» все равно, хоть и в меньших количествах.
Но у таких батарей есть огромнейший плюс. Они абсолютно нетребовательны к электрооборудованию машины. Даже перепады напряжения бортовой электросети не провоцируют изменения характеристик данной батареи, в отличие от, скажем, гелевых или кальциевых аккумуляторов.
Малосурьмянистые зачастую используются для установки на отечественные автомобили, которые на сегодняшний день не могут обеспечить стабильное напряжение бортовой сети. Также стоит сказать, что аккумуляторы этого типа намного дешевле тех же гелевых батарей.
Кальциевые аккумуляторные батареи
Еще одно решение, позволившее снизить «выкипание» воды – это использование в решетках электродов другого материала, а не сурьмы. Самым оптимальным решением стал кальций. Как правило, данного типа носят маркировку «Ca/Ca», что значит содержание кальция в пластинах обоих полюсов. Также зачастую в состав пластин добавляют малое количество серебра – это позволяет снизить внутреннее сопротивление батареи и повысить энергоемкость и КПД аккумулятора.
Использование кальция дало возможность существенно уменьшить газовыделение и потерю воды. Фактически, утрата воды стала столь незначительна, что необходимость проверки плотности утратила свою актуальность. Данные аккумуляторы по праву называются необслуживаемыми.
Также кальциевые , кроме слабого «выкипания» воды, располагают сниженным уровнем саморазряда, что позволяет этим батареям сохранять свои свойства долгое время.
Применение кальция вместо сурьмы дало возможность значительно повысить напряжение электролиза воды до 16 Вольт. Но, несмотря на все указанные плюсы данной батареи, она имеет еще и минусы:
· Капризность по отношению к переразряду. Достаточно несколько раз сильно разрядить батарею и уровень энергоемкости необратимо снижается, то есть количество тока резко уменьшается. Как правило, после такого инцидента батарея уже не может выполнять свои функции, и ее меняют. Этот минус следует назвать самым главным недостатком аккумулятора данного типа.
· Кальциевые батареи крайне чувствительны к бортовой сети машины – плохо переносят резкие перепады напряжения. Стоит учесть этот нюанс перед приобретением батареи.
· Также минус аккумулятора в его очень высокой стоимости, хотя это скорее уже не недостаток, а вынужденная плата за качество.
Зачастую кальциевые аккумуляторы устанавливают на иномарки среднего диапазона, то есть на автомобили с качественным электрооборудованием, где стабильность гарантирована. Покупая кальциевую батарею, следует учесть, что она гораздо требовательнее малосурьмянистой, но должный этого типа станет залогом успеха, и вы получите надежный источник питания.
Гибридные аккумуляторные батареи
Как правило, такие аккумуляторы обозначаются «Ca+». Пластины электродов таких батарей выполнены по разным технологиям: положительные пластины – малосурьмянистые, отрицательные пластины - кальциевые. Такое совмещение дает возможность объединить положительные качества этих аккумуляторных батарей. «Выкипание» воды у таких батарей намного меньше, чем у малосурьмянистых, но больше, чем у кальциевых. Зато устойчивость к переразрядам и перезарядам значительно выше.
Характеристики гибридных аккумуляторных батарей позволяют им занимать место между малосурьмянистыми аккумуляторами и кальциевыми батареями.
Гелевые и AGM аккумуляторные батареи
И AGM аккумуляторы содержат электролит в связанном состоянии, а не в «классическом» жидком виде. Такое гелеобразное состояние электролита и повлекло определение названия типа батареи.
Инженеры в течение долгих лет искали выходы из множества проблем с аккумуляторными батареями. Самой важной проблемой всегда было осыпание активного вещества с пластин-электродов и ее решили с помощью добавления в свинец присадки – сурьмы или кальция. Также важной задачей стало обеспечение безопасности аккумуляторов, потому как электролит – это раствор серной кислоты, мог запросто вытечь из корпуса батареи при повреждениях. Каждый знает, насколько агрессивная серная кислота. Надо было найти способ исключить возможность утечки кислоты вследствие тех или иных повреждений корпуса . Данную проблему разработчики решили путем преобразования жидкого электролита в гелеобразное состояние. Гель – вещество плотное и менее текучее, что решило сразу две задачи – пластины не осыпались, так как плотный гель их удерживал, и сам электролит не вытекал.
И , и AGM батареи имеют гелеобразный электролит. Их отличие лишь в том, что АGM имеет еще и пористый материал между пластинами, который дополнительно удерживает электролит и защищает пластины от осыпания. Аббревиатура «AGM» расшифровывается следующим образом - Absorbent Glass Mat (абсорбирующий стекломатериал). и AGM батарея имеют похожие характеристики, поэтому под гелевыми батареями будут иметься в виду и AGM.
Благодаря фиксации геля в аккумуляторе, батарея не боится наклонов. Более того, производители говорят, что такую батарею можно запросто эксплуатировать в любом положении. Но, несмотря на такие громкие высказывания, не стоит эксплуатировать подобный тип батарей в, скажем, перевернутом состоянии.
Замечательная виброустойчивость - это отнюдь не единственный плюс гелевых аккумуляторов. Такие батареи обладают низкой скоростью саморазряда, что позволяет хранить их очень долго. Хранить этот тип батарей следует в заряженном состоянии. Аккумуляторы гелевые обладают прекрасной способностью – они могут выдать высокий ток вплоть до разряда, причем абсолютно не боятся переразряда.
Если разряд таких аккумуляторов им не страшен, то заряд подобных батарей – фактор более капризный. Такие аккумуляторы недопустимо заряжать в ускоренном ритме. Процесс зарядки необходимо выполнять слабым током с использованием специальных зарядных устройств, которые подходят только гелевым аккумуляторам. Сейчас на рынке можно купить универсальное зарядное устройство, способное, по заверению изготовителя, заряжать любой тип батарей, но предпочтение стоит все же отдать специальному устройству.
Но, к пребольшому сожалению, аккумуляторы гелевые автомобильные в условиях низких температур ведут себя намного хуже. При снижении температуры гель частично утрачивает свою электропроводимость.
Абсолютная герметичность, относительная виброустойчивость, фактическая необслуживаемость позволяет применять гелевые батареи на той технике, на которую классический аккумулятор нельзя устанавливать:
· мототехника (мотоциклы часто отклоняются от вертикальной плоскости);
· морской и речной транспорт (постоянная качка);
· источники бесперебойного питания;
· и автомобили. Зачастую такие батареи эксплуатируются на иномарках, потому цена на такие аккумуляторы довольно высока.
Щелочные аккумуляторные батареи
В качестве электролита батареи могут содержать не только кислоту, но и щелочь. Есть множество разных типов щелочных аккумуляторов, однако рассмотрим те, которые используются в автомобилях.
Автомобильный аккумулятор щелочной может быть двух типов:
· никель-кадмиевый;
· никель-железный.
Никель-кадмиевая батарея имеет положительные пластины, покрытые гидроксооксидом никеля NiO(OH), а отрицательные - смесью железа и кадмия. Никель-железная батарея имеет такие же положительные пластины (то есть, покрыты таким же составом, что и в никель-кадмиевой батарее) - гидроксооксидом никеля. Отличается лишь отрицательным электродом - в данной батарее он выполнен из чистого железа. В качестве электролита в обоих типах выступает раствор едкого калия.
Пластины в щелочных аккумуляторах упаковываются в «конверты» из тонкой перфорированной металлической пластины. Туда же запрессовывается активное вещество, что позволяет значительно повысить виброустойчивость аккумулятора.
Щелочные обладают интересной особенностью: никель-кадмиевые аккумуляторы имеют положительных электродов на один больше, чем отрицательных. Никель-железные аккумуляторы в свою очередь имеют отрицательных электродов больше. Также особенностью таких аккумуляторов является то, что протекание химических реакций не требует расхода электролита, поэтому доливать его не нужно.
Преимущества и недостатки щелочных аккумуляторов
Щелочные обладают целым рядом преимуществ перед кислотными аккумуляторами:
- идеальная переносимость переразрядов, более того, существует мнение, что такую батарею лучше перезарядить, чем наоборот, недозарядить;
- батарея способна храниться в полностью разряженном состоянии, не теряя своих характеристик;
- прекрасная работа в условиях низких температур, что позволяет безотказно заводить двигателя в зимнюю пору года;
- Саморазряд таких батарей ниже кислотных;
- щелочные батареи не выделяют вредных испарений, в отличие от кислотных ;
- Щелочные аккумуляторы способны накапливать намного больше энергии на единицу массы, что позволяет дольше выдавать ток.
Но, наряду с этим, есть и недостатки:
- Щелочные батареи выдают меньшее напряжение, чем кислотные, вследствие чего нужно объединять много «банок» чтобы достичь нужного напряжения. Из-за этого габариты щелочной батареи намного больше, чем у кислотного аккумулятора.
- Щелочные аккумуляторы намного дороже кислотных батарей.
На сегодняшний день щелочные используются, как правило, в качестве тяговых батарей. Что касается стартерных батарей, то их огромные габариты позволяют использовать такие аккумуляторы только на грузовиках.
Литиево-ионные аккумуляторные батареи
Литиево-ионные аккумуляторы (и его подвиды) – это самые перспективные элементы в качестве источника электрического тока.
Химическими элементами этого носителя тока являются ионы лития. Сегодня нет возможности достоверно описать материал, из которого изготавливаются электроды, так как технология постоянно совершенствуется. Можно, конечно, сказать, что на первых порах в качестве отрицательных пластин использовался литий, но такие оказались чересчур взрывоопасными. Спустя некоторое время разработчики начали использовать графит в изготовлении электродов. Положительные пластины раньше изготавливались из оксидов лития с марганцем или кобальтом, но сейчас они замещаются литий-ферро-фосфатными, потому как этот материал менее токсичен, дешевый и экологически чистый.
Важнейшие достоинства литиево-ионных аккумуляторов такие:
- высокая емкость на единицу массы;
- высокое напряжение (один элемент может выдать около 4 вольт);
- низкий уровень саморазряда.
Также есть и некоторые недостатки такого типа батарей:
- гиперчувствительность к температурному режиму. Низкие температуры ухудшают качество этих батарей. Это, наверное, главная проблема таких аккумуляторов, над которой работают разработчики.
- малое количество циклов (около 500);
- эти «стареют». В течение определенного времени происходит уменьшение емкости батареи. Это не «эффект памяти» и не саморазряд, не путайте. Однако работа над этой проблемой беспрерывно ведется;
- гиперчувствительность к глубоким разрядам;
- малая мощность, которой не хватает для применения в качестве стартерного аккумулятора. Силы выдаваемого тока достаточно для питания различных приборов, но крайне мало для пуска двигателя.
Когда инженеры все-таки решат проблему с недостатками, литиево-ионные заменят классическую кислотную батарею.
Каждый день сотни ученых трудятся над усовершенствованием всех типов аккумуляторов. Исследовательские центры постоянно задаются вопросом: , как уменьшить размеры, как создать морозоустойчивый аккумулятор, и прочие.
Очень серьезное направление – обеспечение экологичности, ведь современные технологии не могут обойтись без применения в работе ядовитых веществ (к примеру, свинец или серная кислота).
Вряд ли традиционные свинцово-кислотные имеют свое будущее. AGM аккумуляторы - это промежуточная стадия в эволюции. Батарея в будущем не будет иметь жидкости, будет выглядеть в произвольной форме, а также будет иметь множество иных параметров, которые дадут возможность автовладельцам в полном объеме насладиться поездкой и не нервничать из-за того, что может отказать в любой момент.
Добрый день всем новичкам. Сегодня речь пойдет про аккумуляторы напряжения. Аккумуляторами называют химические источники тока, в которых в последствии обратимых химических реакций внутреняя энергия превращается в электрическую. Именно из-за обратимости данной реакции, аккумуляторы можно заряжать и разряжать. Аккумуляторы созданы для накопления электрического тока и нашли широкое применение в самых разных областях. Без них трудно представить нашу жизнь, они везде окружают нас. предназначены для многократного использования и имеют достаточно большой срок службы. Простейший аккумулятор - это два электрода которые сделаны из разных металлов и поглощены в раствор электролита (кислоты). Один из электродов называют катодом, а другой анодом.
В практике чаще всего применяют свинцовые и литиевые аккумуляторы. Свинцовый аккумулятор выполнен из двух свинцовых пластинок которые поглощены в серную кислоту. Аккумулятор имеют разное напряжение, например один блок (банка) свинцового аккумулятора дает напряжение 2 вольта, один блок литий-ионного аккумулятора - 3,7 вольт, - 1,2 вольт. Создателем первого аккумулятора считают Алессандро Вольту (от его фамилии образовалось значение величины напряжения - вольт). Вольтов столб имел простую конструкцию - медные и цньковые кружки, а между ними кусок ватты смоченный в растворе воды и поваренной соли. Сегодня существует огромное количество разновидностей аккумуляторов тока, полный их список приведен в конце статьи.
Аккумуляторы делаются разных мощностей и напряжения, в зависимости от потребления устройства для которого они предназначены. Напряжение аккумуляторов измеряется в вольтах, сила тока амперами, а мощность - ваттами. Например если известно, что сила тока аккумулятора 10 ампер/час, а напряжение 6 вольт, и нужно узнать его мощность, то по закону Ома получаем 6 вольт * 10 ампер = 60 ватт. Таким образом можно зная два параметра можно легко узнать третий. Приходит время, когда аккумулятор разряжается. По мере исчерпания химической энергии напряжение и ток аккумулятора падают, аккумулятор перестаёт работать. Зарядить аккумулятор можно от любого источника постоянного или импульсного тока. Стандартным считается зарядный ток в 1/10 номинальной ёмкости аккумулятора (в ампер/часах).
Обсудить статью ВИДЫ АККУМУЛЯТОРОВ
В течении всего времени развития мобильных телефонов параллельно развивались и элементы питания, из которых наибольшее распространение получили 4 основных типа, достоинства и недостатки которых мы и рассмотрим в данной статье.
Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd)Первые никель-кадмиевые аккумуляторы появились еще в 1899 г, и со временем не получили большого распространения в виду множества недостатков, хотя у них и были высокие показатели долговечности и надежности при высоких и низких температурах, а также выдерживали большое количество циклов зарядки-разрядки.
Основными недостатками никель-кадмиевых аккумуляторов были токсичность кадмия, невысокая энергоемкость, высокая себестоимость производства, эффект памяти (когда при зарадке не полностью разряженного аккумулятора значительно падала его емкость, в результате новые аккумуляторы необходимо было несколько раз доводить до полной разрядки, после чего заряжать).
Никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH)Еще один тип аккумуляторов на основе никеля, это никель-металлогидридные аккумуляторы, которые хороши тем, что у них низкая себестоимость производства и большая емкость. Обычно данный тип аккумулятора применялся в телефонах с большими размерами и весом, в основном, это дешевые мобильные телефоны с минимальным набором функций.
Минусом никель-металлогидридных аккумуляторов был эффект памяти, правда менее выраженный чем у никель-кадмиевых. Новые аккумуляторы также необходимо было несколько раз доводить до полной разрядки прежде чем заряжать.
Литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion)В настоящее время литий-ионные аккумуляторы являются самыми популярными среди производителей мобильной техники, так как они компактны, обладают большой емкостью, низкий саморазряд, стабильно работают и не требуют обслуживания, а также у них нет эффекта памяти.
Из недостатков можно отметить более высокую себестоимость чем у никелевых аккумуляторов, не рекомендуется использовать при температурах ниже 20 градусов, так как может возникнуть риск выброса электролита, также не рекомендуется долгое время держать в полностью разряженном состоянии, что может плохо сказаться на сроке службы. Подвержен процессу старения независимо от того используется он или нет. Но, несмотря на наличие указанных недостатков, данный тип аккумуляторов всетаки остается основным для мобильных телефонов.
Литий-полимерные аккумуляторы (Li-Pol)Особенностью конструкции литий-полимерных аккумуляторов является применение солей лития с специальным полимерным электролитом, что позволяет изготавливать различные по форме аккумуляторы. Данная особенность является основным преимуществом литий-полимерных источников питания, позволяет создавать тонкие, пластичные аккумуляторы разнообразных геометрических форм.
Литий-полимерные аккумуляторы обладают примерно такой же энергоемкостью, немного дешевле литий-ионных, и способны прослужить относительно большое число циклов перезарядки. Недостатки у литий-полимерных элементов питания практически такие же, что и у литий-ионных: плохо работают при низких температурах, опасность глубокого разряда или перезарядки, поэтому и в литий-ионных и в литий-полимерных аккумуляторах используется контроллер напряжения, который не допускает глубокого разряда или перезарядки аккумулятора.
Сводная таблица основных характеристик аккумуляторов
| Характеристики | Ni-Cd | Ni-MH | Li-Ion | Li-Pol |
| Энергоёмкость, Вт*ч/кг | 40-60 | 30-80 | 100-250 | 130-250 |
| Напряжение, Вольт | 1.2 | 1.2 | 3.6 | 3.6 |
| Саморазряд за месяц | 10% | 30% | ~5% | 2-5% |
| Макс. число циклов заряд/разряд | ~2000 | 500-1000 | 1000-1200 | 1000-1200 |
| Рабочая температура | -40...60 | -20...60 | -20...50 | -20...50 |
| Устойчивость к перезаряду | Средняя | Низкая | Очень низкая | Очень низкая |
| Эффект памяти | Есть | Есть | Нет | Нет |
Итак, мы рассмотрели основные типы аккумуляторов используемых в мобильной технике. Выяснили что никеливые аккумуляторы уже почти история, а в настоящее время распространены более прогрессивные литиевые аккумуляторы. Таким образом, если Вы выбираете себе телефон с максимальным временем работы между подзарадками, то обращать внимание нужно не только на характеристику емкость (мАч), которая несомненно является важной, но и на такие характеристики как время работы в режиме разговора и режиме ожидания , но при этом нужно учитывать, что эти параметры несколько завышены, так как производители указывают эти параметры при условии использования с минимальной нагрузкой. Также на длительность работы телефона влияют и характеристики самого телефона - тип экрана, различные подсветки, и т.д. Поэтому при выборе телефона с длительным временем работы в автономном режиме, следует учитывать не только характеристики аккумулятора, но и самого телефона.
Аккумулятор представляет собой устройство, в котором происходит накопление и хранении энергии. Большинство таких приборов работает за счет преобразования электрической энергии в химическую и наоборот. Этот процесс позволяет заряжать и разряжать устройство. При этом оборудование может использоваться как зарядное устройство, источник питания, контролирующая или компенсационная установка.
Аккумуляторы необходимы для работы самых разных устройств, начиная от простых пультов для телевизора и заканчивая атомной энергетикой и космической отраслью. Все эти приборы подразделяются, в зависимости от разных технологических характеристик и особенностей использования. Работа аккумулятора характеризуется емкостью, напряжением, внутренним сопротивлением, током саморазряда и сроком службы.
Какие бывают аккумуляторы? Все существующие приборы можно разделить на несколько видов:
- электрохимические;
- магнитные;
- механические;
- тепловые;
- световые.
Электрохимические аккумуляторы
Этот вид оборудования подразделяется на несколько больших групп:
- электрические;
- газовые;
- обратимые топливные элементы;
- щелочные;
- конденсаторы.
Электрические приборы относятся к самому распространенному типу аккумуляторов. В работе используются свинцовые, никелевые, железные, цинковые, серебряные и другие виды пластин, сделанные из сплавов. В качестве электролита применяется кислоты, растворы магния, кадмия солей и других элементов.
Устройство подобных приборов проще всего объяснить на примере свинцово-кислотных батарей. В работе оборудования используется обратимая реакция взаимодействия жидкости (в данном случае кислоты) и металла – свинца. Благодаря обратимости химических процессов, появляется возможность многоразового использования батареи через разряд-заряд. При пропускании тока в направлении, обратном процессу разряда, аккумулятор заряжается, если подключить оборудование в другую сторону, разряжается.
Химическая реакция идет по следующей схеме:
- анод: Pb+SO42_2е-⇄PbSO4;
- катод: Pb2+SO42-+4H++2е-⇄PbSO4+2H2O.
Как это происходит в реальности? Если к пластинам подключить лампочку, то в аккумуляторе начнется движение электронов, то есть возникнет электрический ток, и пойдет химическая реакция. За счет этого на пластинах образуется сульфат свинца. После подключения источников питания реакция пойдет в обратном направлении. Кислота будет расщепляться, налет –удаляться. Далее при включении лампочки процесс снова идет в обратном направлении.
Важно! При заряде пластины электродов не могут очиститься полностью. Часть налета все равно останется на поверхности. Это приводит к тому, что постепенно емкость оборудования снижается.
Все типы аккумуляторных батарей и электрохимические аккумуляторы можно разделить на три большие группы:
- Ремонтнопригодные – отличаются от других батарей тем, что могут быть разобраны. С другой стороны, эти приборы требуют постоянных проверок уровня электролита. К тому же модели больше подвержены разгерметизации, которая, в свою очередь, может привести к повышению концентрации кислотных паров;
- Необслуживаемые – отремонтировать что-то в конструкции этого оборудования или залить электролит невозможно. При возникновении любых проблем с работой АКБ батарея подлежит полной замене;
- Малообслуживаемые – в оборудовании обеспечен доступ к уровню электролита и возможно его добавление при высыхании батареи.
Существуют определенные разновидности свинцово-кислотных батарей:
- Lead–Acid,
- Valve Regulated Lead–Acid (VRLA),
- Absorbent Glass Mat Valve Regulated Lead–Acid (AGM VRLA),
- GEL Valve Regulated Lead–Acid (GEL VRLA),
- OPzV.
В литий-ионных аккумуляторах используются электроды из алюминиевой (катод) и медной (анод) фольги, которые пропитаны электролитами с литием. Дополнительно используются литийкобальтоксид и графит. Зарядом является ион лития, который заряжен положительно и интеркалируется в процессе химической реакции в кристаллические решетки. При работе аккумулятора ионы преодолевают сепараторный барьер по пути к электроду. Для качественной работы дополнительно используется разделительный сепаратор (обычно бумажный). Этот элемент необходим для воспрепятствования перемещению ионов в произвольном порядке.
В современных литий-ионных батареях в состав катодов и анодов вводятся дополнительные элементы. Поэтому в аббревиатуре названий упоминаются вещества, участвующие в реакции химического разложения:
- LiCoO2 – литий-кобальтовые аккумуляторы отличаются высокой удельной энергией, но имеют небольшую термическую стойкость;
- LiMn2O4, LMO – литий-марганцевые модели необходимы для мощных электроинструментов и транспортных средств. При работе литий-марганцевых аккумуляторов ток заряда существенно возрастает за счет образования трехмерных структур шпинели, улучшающей поток ионов. Но потенциал этих батарей ниже, чем у литий-кобальтовых;
- LiNiMnCoAlO2 или NCA – использование в одном аккумуляторе сразу никеля, марганца и кобальта в составе катода помогает повысить удельную мощность или энергию. За счет этого обеспечиваются оптимальные характеристики для разных режимов эксплуатации. Кроме того, снижение содержания кобальта уменьшает стоимость без потери в качестве;
- LiFePO4 – здесь для катода применяют фосфат. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы отличаются длительным сроком эксплуатации и повышенной безопасностью;
- Li4Ti5O12 – литий-титанатная батарея обладает повышенным ресурсом и способностью работать при температуре до -300С;
- Li-pol, Li-polymer, LiPo, LIP, Li-poly – в этих аккумуляторах в качестве электролита применяется полимер. Поэтому конструкции полимерных батарей могут быть любой формы.
Следующий вид – газовые аккумуляторы, основаны на использовании электрохимического потенциала газов. Во время работы прибора на электродах выделяется газ, который поглощается адсорбентом. Чаще всего для этого используется активированный уголь. Конструкция состоит из угольного электрода, адсорбента и проницаемой мембраны.
Обратимые топливные элементы представляют собой углеродистые нанотрубки с катализаторами, которые погружены в электролит. При заряде вода разлагается на водород и кислород, а при разрядке идет обратная реакция. В системах используется водород высокой степени очистки.
На рисунке показаны три проекции модели самодельного газового аккумулятора, где:
- емкость;
- электролит (в данном случае это дистиллированная вода с солью в пропорции 1 стакан воды/1 столовую ложку соли);
- стержни (подойдет стержень от батареек или карманного фонаря);
- мешочки;
- активированный уголь внутри мешков.
Один из выходов электродов маркируется для обозначения положительного заряда. Для зарядки используют источник питания в 4,5 В, зарядка ведется до достижения напряжения в 2,5 В.
Щелочной тип аккумуляторов (АКБ) использует в качестве анода цинк в порошкообразном состоянии, катода – диоксид марганца, электролита – гидроксид калия. Батареи данного вида представляют собой цилиндрический корпус, в середине которого находится латунный стержень. Этот стержень снимает отрицательный потенциал с цинкового порошка, пропитанного щелочным электролитом. Вся эта паста окружена сепаратором, также пропитанным электролитом. Дальше находится активная масса в виде графита или сажа. Масса смешана с диоксидом марганца. Затем идет оболочка, которая предохраняет батарею от короткого замыкания. Положительный вывод представляет собой стальной никелированный стакан, а отрицательный – стальную окружность. Важным преимуществом щелочных батарей является то, что при работе электролит практически не расходуется.
Следующий вид электрических аккумуляторов – это конденсаторы, которые обладают способностью быстро разряжаться и заряжаться. Эти элементы имеют постоянную или переменную емкость. Конденсаторы применяются для уменьшения перебоев в напряжении, выделении переменной или постоянной составляющей, а, значит, получения необходимых постоянных значений тока.
Механические аккумуляторы
Этот тип аккумуляторных батарей можно поделить на 3 большие группы:
- упругие, где увеличение потенциальной энергии происходит при упругой деформации;
- инерционные – работают на кинетической энергии;
- гравитационные – функционируют за счет потенциальной энергии взаимного положения тел.
К первой группе относят гидро,- и пневматические аккумуляторы, а также резинмоторы, пружинные аккумуляторы и аккумуляторы давления.
Инерционными являются маховики и гироскопы.
Гравитационные – это большие системы, например, гидроаккумуляторная электростанция.
Тепловые аккумуляторы
Несмотря на то, что эти аккумуляторы получили название тепловых, основными приборами здесь являются охлаждающие элементы для бытовых и переносных холодильников, а также приборы, используемые в холодовой цепи для перевозки медицинских препаратов, биологических тканей.
Принцип работы состоит в том, что основное вещество (обычно для этого берут карбоксиметилцеллюлозу) охлаждается до нужной температуры. Затем аккумулятор постепенно отдает накопленный холод окружающей среде и предметам.
Световые аккумуляторы
Так называют уже ставшие привычными солнечные батареи, в которых солнечная энергия преобразуется в постоянный электрический ток. Вид и принцип построения приборов зависит от требуемой мощности оборудования. Солнечные батареи необходимы для портативной электроники и создания систем энергоснабжения зданий.
Магнитные аккумуляторы
Эти устройства также называют спин-аккумуляторами, так как в работе используется туннельное магнитное соединение (ТМС). Конструкция состоит из чередующихся магнитных и немагнитных пленок, в которые встроены наномагниты MnAs. За счет этого чередования возникает ТМС, которое приводит к появлению электродвижущей силы. Таким образом, происходит квантовое туннелирование электронов, и магнитная энергия переходит в электрическую напрямую. Этот вид оборудования только начинает внедряться в производство, поэтому большинство спин-аккумуляторов являются отдельными лабораторными образцами либо выпускаются небольшими партиями.
Потребности в более мощных и специализированных устройствах для хранения и накопления энергии постоянно растут. Поэтому современное производство постоянно предлагает новые виды аккумуляторов и батарей.
Видео
