Типы аккумуляторных батарей: какие и для чего используются

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Вся информация о ценах и партнерах актуальна на момент публикации статьи. Действующие магазины-партнеры Халвы.