Все статьи

×

14.02.2022

Умный шопинг
Глаз

2655

Время чтения: 15 минут

Типы аккумуляторных батарей: какие и для чего используются

Глаз

978

Время чтения: 15 минут
Сохранить статью Сохранить статью:
Сохранить статью:

Существуют различные типы аккумуляторных батарей. Отличаются они не только размерами, но и технологией производства и, соответственно, целевым назначением. Например, большие свинцовые батареи в основном используются в автомобилях, а всем знакомые литий-ионные – самый распространенный тип ИБП для электронной техники.

Помимо перечисленных выше, есть никель-кадмиевые, никель-металл-гибридные аккумуляторы. У каждой технологии есть свои неоспоримые преимущества и не менее явные недостатки. О плюсах и минусах разных типов аккумуляторных батарей и правилах выбора вы узнаете из нашего материала.

Принцип работы аккумуляторных батарей

Аккумуляторная батарея исторически принадлежит к «молодым» изобретениям, оно появилось у человека чуть более 160 лет назад, до этого момента их просто не существовало. Первоочередная функция любого ИБП заключается в использовании в нем обратимой электрохимической реакции, другими словами, если к контактам элемента подключить источник постоянного напряжения, на его электродах (пластинах) начнет накапливаться электрическая энергия, а если приложить нагрузку, то появится ее расходование.

Причем при протекании такого процесса может произойти большое количество ротаций разряда и заряда. Обычно число возможных перезарядок зависит от типа используемой аккумуляторной батареи, но как показывает практика, почти все современные АКБ гарантированно обеспечивают от 300 до 1 000 полных циклов.

Принцип работы аккумуляторных батарей Фото: mvideo.ru

Аккумулятор считается работоспособным, если его остаточная емкость составляет 70–80% от начальной. Если показатель ИБП меньше, то он считается непригодным для дальнейшей эксплуатации, поскольку не сможет дать расчетную автономность.

Базовая конструкция и принцип действия любого типа аккумуляторной батареи остаются неизменными. Все они имеют два электрода (отрицательный и положительный, иначе называемые катод и анод), которые погружены в специальную среду — электролит, являющийся отличным «поставщиком» ионов в результате соответствующей диссоциации. Ион переносит на себе электрический заряд. При положительном заряде частица называется катионом, а при отрицательном — анионом.

В зависимости от применяемого типа электродов и используемой разновидности электролита существует множество типов аккумуляторных батарей, каждому из которых свойственны свои эксплуатационные и конструкционные особенности. Ниже представлено описание наиболее распространенных типов аккумуляторов, областей их использования, положительных и отрицательных сторон, а также подробно изложены их эксплуатационные характеристики.

Свинцовые аккумуляторные батареи

Несмотря на то, что применять в технике батареи начали много лет назад, свинцовые аккумуляторы по сей день широко используются в системах возобновляемых источников энергии (в ветряной и солнечной энергетике, гидроэнергетике и т. д.), автомобильном транспорте, блоках резервного питания.

Само название говорит о том, что основным материалом в этом случае является свинец. Точнее говоря, для изготовления положительных электродов используется обычный свинец, а для производства отрицательных — оксид свинца. В качестве электролита обычно используется раствор серной кислоты.

Существует много типов конструкций свинцовых аккумуляторных батарей, каждая из которых по-своему направлена на улучшение их эксплуатационных качеств. Сам по себе свинец является довольно мягким металлом и обладает низкой физической прочностью, значит, в чистом виде он не может выдерживать вибрационные нагрузки. И поэтому, чтобы использовать аккумуляторы, например, в транспорте, в сплав добавляют определенное количество кальция, что повышает прочность структуры.

При эксплуатации свинцовой аккумуляторной батареи в источниках бесперебойного питания, чтобы исключить контакт пользователя с кислотой, избежать необходимости особого обслуживания, а также исключить взрыв водорода, выделяемого при зарядке, пользуются аккумуляторами определенного типа. К таким ИБП можно отнести блоки питания модели AGM (Absorbent Glass Mat), в которых не жидким абсорбированным электролитом пропитывается специальный стекловолоконный пористый мат.

Зачастую свинцовые источники питания, изготовленные по технологии AGM, по ошибке называют гелевыми. Но это совсем не так. Гелевые ИБП являются другой разновидностью промышленного развития свинцовых батарей.

Аккумуляторы, в качестве электролита в которых используется желеобразный раствор серной кислоты, называют гелевыми. Они предназначены для медленной отдачи энергии, по этой причине их основной областью применения являются инертные системы накопления и расходования электроэнергии (питание двигателей гольф-каров и инвалидных колясок, солнечная энергетика и т. д.).

Бесспорным преимуществом свинцовых аккумуляторных батарей является возможность эксплуатации в широком температурном диапазоне окружающей среды (от -40 до +40 °С) и их небольшая стоимость.

Каждый из свинцовых ИБП может выдать напряжение порядка 2 В и удельную энергию в расчете 30–60 Вт*ч на каждый килограмм массы, что по сравнению с другими типами аккумуляторных батарей является довольно низким значением. Помимо всего, они обладают высоким значением саморазряда, а глубина разряда может привести к осыпанию пластин электродов, разрушению и полной утрате работоспособности батареи.

Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи

Еще одним типом аккумуляторных батарей, повсеместно применяющихся во многих промышленных областях, являются никеле-кадмиевые (NiCd). Наиболее часто используются в ручных электроинструментах, фонариках, пультах управления, детских игрушках и т. д.

Элементы конструктивно остались без изменений, только для изготовления электродов стали использовать кадмий и никель, вернее, гидраты закисей этих металлов. В качестве электролита применяется гидроксид калия. Каждый элемент, в основе которого используются эти металлы, может выдавать напряжение 1,2–1,35 В при значении удельной энергии порядка 40–80 Вт*ч/кг.

Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи Фото: ozon.ru

Показатель морозоустойчивости никель-кадмиевых аккумуляторных батарей является одним из самых высоких. Они могут работать без снижения параметров электроемкости при достаточно низких температурах (около -50 °С), причем совершенно не боятся глубокого разряда, и после полной зарядки их эксплуатационные характеристики полностью восстанавливаются.

Рекомендуется хранить NiCd аккумуляторные батареи в состоянии полной разрядки.

Их отрицательными сторонами являются ярко выраженный «эффект памяти», длительная по времени зарядка (восполнение энергии осуществляется на малых зарядных токах), низкая удельная емкость и высокий уровень саморазряда.

Чтобы не допустить выход аккумуляторной батареи из строя, необходимо производить зарядку только после ее полного опустошения! Игнорирование этого правила приведет к преждевременной потере емкости и выходу элемента из строя.

Зарядку NiCd-аккумуляторных батарей необходимо производить на малом зарядном токе, значение которого выбирается порядка 0,1% от полной емкости аккумулятора.

Аккумуляторные батареи типа NiMH

При устранении недостатков никель-кадмиевых элементов питания и их предшественников, логически появились никель-металлогидридные (NiMH). Эти типы аккумуляторных батарей при таких же массе и габаритах обладают в 2–3 раза большей емкостью, менее выраженным эффектом памяти, легко переносят перезарядку и глубокий разряд, обладают повышенной надежностью.

Аккумуляторные батареи типа NiMH Фото: ozon.ru

Бо́льшую популяризация и широкое применение в промышленности элементы NiMH получили благодаря тому, что в них не используется кадмий, очень вредный металл для окружающей среды. Поэтому вопросы утилизации и правильного хранения такого типа аккумуляторных батарей отпадают сами по себе.

Для изготовления анода применяется так называемый металлогидридный электрод, по сути являющийся гидридом никеля с литием или лантаном. Для катода используется оксид этого же металла. В качестве электролита выступает соединение гидроксида калия.

При зарядке никель-металлогидридных аккумуляторов используются большие по сравнению с NiCd-элементами токи (порядка 20–25% от всей емкости батареи), но при этом процессе очень важно следить за температурой нагрева элемента. При превышении 45 °С следует немедленно остановить зарядку во избежание выхода элемента из строя.

Зарядку NiMH-батареи допускается производить в паре с NiCd-элементами. Только обратную совместимость допускать нельзя! Никель-кадмий имеет более простые алгоритмы зарядки, поэтому они могут нарушить NiMH-элемент.

Хранение никель-металлогидридных АКБ следует производить только в полностью заряженном состоянии. По причине их высокого уровня саморазряда, с целью сохранения работоспособности такого типа аккумуляторных батарей, следует с некоторой периодичностью полностью опустошать их с последующей полной зарядкой.

Применяют никель-металлогидридные аккумуляторные батареи в тех же промышленных отраслях, что и никель-кадмиевые, но благодаря повышенным параметрам емкости они нашли широкое применение в фототехнике, в которой источниками питания служат элементы типа АА и ААА.

NiMH элементы являются самыми морозоустойчивыми. Их без проблем можно эксплуатировать при экстремально низкой температуре, вплоть до -60 °С. Это качество позволило их широко применять для электроинструмента при выполнении работ в зимнее время на открытом воздухе.

Один элемент генерирует 1,2–1,25 В ЭДС при значении удельной энергии, составляющей порядка 60–75 Вт*ч/кг. Теоретический расчет показывает, что максимально возможное значение такого параметра может достигать 300 Вт*ч/кг, поэтому технологии изготовления NiMH-ИБП еще есть куда стремиться.

Преимущества и недостатки аккумуляторных батарей Li-Ion

Ни одно современное мобильное устройство не обходится без литий-ионных батарей. Это новая технология стремительно обгоняет многие передовые производственные отрасли. Применяются многие вариации химических процессов литий-ионных технологий, но сейчас про них говорить не будем.

Литий-ионные АКБ нашли широкое применение в небольших электронных устройствах, таких как ноутбуки и карманные компьютеры, электронные часы, аудиоплееры, гаджеты и мобильные телефоны. Такой тип аккумуляторных батарей позволяет довольно неплохо пользоваться небольшой мощностью в течение продолжительного времени. 

Они обладают достаточно высокой удельной плотностью заряда, поэтому могут обеспечить хранение значительного количества электрической энергии в минимальном объеме. Но способность литий-ионных аккумуляторных батарей концентрировать энергию делает их в какой-то степени уязвимыми.

Преимущества и недостатки аккумуляторных батарей Li-Ion Фото: mvideo.ru

Для правильного протекания химических реакций в литий-ионных аккумуляторах необходимо строго соблюдать технологичность производства, помимо этого, любые виды загрязнений при изготовлении таких батарей нередко приводят к снижению их качества.

Возможно многие еще не забыли, как летом 2006 года были отозваны производителям тысячи ноутбуков фирмам Apple и Dell, когда обнаружилось, что в аккумуляторных устройствах, поставленных фирмой Sony, содержатся загрязняющие вещества, являющиеся причиной их перегрева.

Для обеспечения безопасности и работоспособности литиевые батареи, которые не переносят перегревания, оснащаются встроенными электронными схемами, функция защиты которых заключается в предотвращении перезаряда – как только напряжение достигает критического значения, то их наполнение сразу же прекращается.

Литий-полимерный тип АКБ, разработанных совсем недавно, представляют собой «сухую» версию литий-ионных. Они неплохо работают при высоких температурах (более 25 °C) и, кроме этого, могут изготавливаться в виде совсем плоских батарей, толщиной с кредитную карту. Из-за технологических особенностей производства цена на такой тип ИБП достаточно высока, и в редких случаях их эксплуатация экономически оправданна по сравнению с обычными литий-ионными моделями.

Для систем электроснабжения лучшим решением будет выбор литий-железо-фосфатного аккумулятора.

Относительно недавно на российский рынок стали поступать сравнительно недорогие литий-железо-фосфатные батареи с завода-производителя «Лиотех». По причине выпускной емкости от 250 А*ч, их использование ограничено для более мощных систем резервного или автономного электроснабжения. Помимо всего, об этих типах аккумуляторных батарей появляются довольно неоднозначные отзывы.

Новейшей разработкой в данной области стало производство литий-титанатных аккумуляторов, обладающих сроком эксплуатации до 25 000 тысяч циклов.

Правила выбора аккумуляторных батарей

Теперь переходим к главному вопросу – какой же тип аккумуляторной батареи лучше всего подойдет для меня? Ответ является достаточно простым и кроется в технологических возможностях каждого перечисленного выше вида:

  • Для небольших электронных устройств с небольшой мощностью

Литиевые аккумуляторные батареи используют в мобильных телефонах, карманных компьютерах и т. п. аппаратуре. Они не требуют обслуживания, быстро заряжаются, мало весят и являются довольно компактными. Чаше происходит так, что электронное устройство быстрее выходит из строя, чем вырабатывает своей потенциал литиевая батарея.

Большинство таких электронных устройств оснащаются автомобильными адаптерами, которые также можно использовать с солнечной батареей в 12 V (чаще всего с мощностью до 10 Вт).

  • Для фонариков, радиоприемников, цифровых камер и фотоаппаратов

В этих устройствах широко используются NiMh аккумуляторы, пришедшие на замену стандартным алкалиновым элементам типа «AA» или «AAA». Они довольно неплохо могут питать фотовспышки, имеются в свободном доступе, кроме того, в любом специализированном магазине всегда можно выбрать зарядное устройство хорошего качества.

Правила выбора аккумуляторных батарей Фото: ozon.ru

Главным минусом аккумуляторов NiMh является их неспособность долго держать заряд. В 2008 году появились новые технологии NiMh-аккумуляторов (например, PowerEx Imedion), которые неплохо справляются с таким недостатком.

Что касается заряда АА-батарей, то здесь уже больше возможностей. Но все-таки лучше приобрести высококачественное зарядное устройство. Многие из них способны быстро заполнить аккумулятор, но могут привести к его перегреванию. Запомните, что оптимальное значение тока заряда должно находиться в пределе от 200 до 300 мА.

В последнее время появившиеся в продаже мощные зарядные устройства с током до 1 А не могут полноценно зарядить вашу батарею, но это приведет к сокращению ее срока эксплуатации.

  • Для использования в солнечных электростанциях

Для сохранения выработанной солнечными батареями энергии, на высоте оценки до сих пор стоят свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. В домашних фотоэлектрических системах используются специальные аккумуляторы с глубоким разрядом (напоминающие АКБ для гольф-каров).

Цена на них достаточно низкая, они доступны и способны удерживать накопленную энергию в течение нескольких месяцев, обладая очень малым саморазрядом. Если собираетесь приобрести солнечные батареи, то для вас будет важным не растерять достающуюся так дорого электроэнергию. Свинцово-кислотные батареи за многие годы эксплуатации зарекомендовали себя своей предсказуемостью и стабильностью.

Для маленьких по размеру переносных устройств с солнечными батареями применяются литиевые маломощные батареи с целью не допустить значительное увеличение веса и не нарушить их внешний вид.

Аккумуляторная батарея, являющаяся одним из великих изобретений века, позволяет использовать электронику и другую подобную технику без привязки к стационарному источнику питания, делая этим людей более мобильными. Рынок предлагает покупателям большой выбор моделей АКБ: от миниатюрных, применяющихся в часовых механизмах, до гигантских, предназначенных для питания домов, и даже целых кварталов. Главная задача – правильно подойти к выбору подходящего типа.

-->

Читайте также