Что такое электрохимическая система аккумулятора

Основные типы электрохимических аккумуляторов

Сегодня рынок предоставляет большой выбор различных электрохимических аккумуляторов. Нам часто задают вопрос: «Какой аккумулятор лучше?». Для того чтобы выбрать подходящий, давайте разберемся в свойствах наиболее популярных аккумуляторов.

Свинцово-кислотный аккумулятор

За более чем столетнюю историю, наибольшее распространение получил свинцово-кислотный аккумулятор, изобретенный французским физиком Гастоном Планте в 1859 году. Его распространенность связана, в основном, с успешным использованием данного типа аккумуляторов в качестве источника электроэнергии на автотранспорте (для пуска двигателя).

Суть работы свинцово-кислотного аккумулятора сводится к переводу сульфата свинца, покрывающего обе пластины аккумулятора в разряженном состоянии, под действием постоянного электрического тока в металлический свинец на катоде:
PbSO4 + 2e = Pb + SO42-
и четырехвалентный оксид свинца на аноде:
PbSO4 – 2e + 2H2O = PbO2 + 4H+ + SO42-

Зарядка аккумулятора приводит к тому, что одинаковые первоначально электроды становятся химически различными и между ними появляется разность потенциалов. Если пластины заряженного аккумулятора соединить проводником, то будет проходить обратный процесс – разряд, и по проводнику пойдет электрический ток.

Элемент свинцово-кислотного аккумулятора состоит из электродов (положительных и отрицательных) и разделительных пористых пластин (сепараторов), изготовленных из материала, невзаимодействующего с кислотой, препятствующих замыканию электродов, которые погружены в электролит – серную кислоту. Электроды представляют собой плоские решётки из металлического свинца. В эти решётки запрессованы порошки диоксида свинца (PbO2) — в анодных пластинах и металлического свинца — в катодных пластинах. Применение порошковых материалов увеличивает поверхность раздела фаз электролит — электрод, тем самым увеличивая электрическую ёмкость аккумулятора.

Основные преимущества свинцово-кислотного аккумулятора:

• Высокая удельная мощность;
• Циклируемость (выдерживают от 500 до 1000 циклов заряда-разряда);
• Экологичность. Ведь цикл вторичного использования свинца, из автомобильных аккумуляторов, является самым полным и успешным за всю историю;
• Высокий КПД (около 80-90%)

Отдельно хочется отметить высокую степень вторичного использования данного типа аккумуляторов. Как уже было отмечено выше, цикл вторичного использования свинцово-кислотных аккумуляторов является самым полным и успешным. Сегодня в США утилизируются более 97% свинца из батарей. Благодаря простоте процессов, более 70% от веса батареи подвергается вторичной переработке. Выше 50% ежегодного производства свинца – это вторично переработанный свинец. Также следует отметить, что с позиции совершенства технологии вторичного использования свинцово-кислотные аккумуляторы являются более «зелеными» чем алюминиевые банки для напитков, газеты, стеклотара, а также автопокрышки.

Недостатки:

• Низкая удельная плотность энергии;
• Снижение емкости, вследствие сульфатации, при хранении в незаряженном состоянии;
• Боязнь глубоких разрядов;
• Боязнь сильных механических воздействий (приводящих к осыпанию электродов).

Необходимо упомянуть о разработанных технологиях улучшения кислотно-свинцовых аккумуляторов, объединенных общим названием – герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы:

Первый тип – это гелевые аккумуляторы (берущие свое начало с конца 1920-х, начала 30-х годов), второй – AGM (1972). Обе технологии связаны с «загущением» электролита, в случае гелевых – используется силикагель либо другие загустители, а в случае AGM – электролит адсорбируется в пористом материале (например, стекловолоконных матах). Такие аккумуляторы, имеют перед классическими аккумуляторами ряд преимуществ:

• Устойчивость к вибрации;
• Возможность установки в любом положении;
• Отсутствие необходимости обслуживания;
• Снижение вероятности короткого замыкания пластин;
• Некоторое снижение вероятности сульфатации.

Главным препятствием широкого применения является их высокая цена. Так AGM в два, а гелевые до пяти раз дороже, нежели обычные стартерные батареи.

Рассмотрим наиболее успешные типы аккумуляторов, которые имеют отдельные преимущества перед свинцово-кислотными.

Железо-никелевый аккумулятор

В 1899 году шведским изобретателем В. Юнгнером (W. Jungner) были разработаны никель-кадмиевые аккумуляторы. Также ученым проводились исследования по замещению части кадмия железом (в том числе со 100% замещением). Независимо от этих работ, никель-железные аккумуляторы изобретены и окончательно усовершенствованы, с внедрением в массовое производство, Т. Эдисоном в 1901 году. Вообще Эдисон считал, что за данным типом аккумуляторов будущее и они полностью вытеснят свинцово-кислотные из использования. Эти аккумуляторы использовались на электромобилях того времени: «Detroit Electric» и «Baker Electric».

В этом типе аккумуляторных батарей, в качестве активного материала анода – используется железо, катода – гидрат окиси никеля (III), а в качестве электролита – водный раствор гидроксида натрия/калия с примесью гидроксида лития. Активный материал содержится в перфорированных никелированных стальных трубках или перфорированных карманах (см. рисунок ниже).

Электродные реакции, обеспечивающие работу аккумулятора, записываются следующим образом (чтение слева направо описывает процессы разряда, справа налево – заряда):
2 NiOOH + 2 H2O + 2 e− ↔ 2 Ni(OH)2 + 2 OH− на катоде
Fe + 2 OH− ↔ Fe(OH)2 + 2 e− на аноде.

Основные преимущества:

• способность выдерживать вибрацию;
• устойчивость к низким температурам (до -40С), отсутствует опасность замерзания электролита;
• полные циклы разряда мало влияют на срок службы;
• большой срок службы (более 50 лет)
• отсутствие высокотоксичных веществ;

А также недостатки:

• большой уровень саморазряда (до 30% в месяц);
• невысокая емкость;
• невысокая эффективность заряда—разряда (65%).

Способность этих аккумуляторов выносить частые циклы разряд/заряд связана с низкой растворимостью реагентов в электролите.

Эти аккумуляторы считаются лучшим решением для аккумулирования электроэнергии в стационарных автономных системах альтернативной энергетики (с использованием солнечных панелей, ветрогенераторов и микро-ГЭС, в качестве источников электроэнергии). Многие годы они являются стандартом в системах резервного электропитания на железнодорожном транспорте, в горнодобывающей промышленности (устойчивы к вибрациям). Являются более экологически безопасными, поскольку не содержат тяжелых металлов (свинца и кадмия, ртути).

Никель-кадмиевый аккумулятор

Никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd) — вторичный химический источник тока. Катодом является гидрат закиси никеля Ni(OH)2 с графитовым порошком (около 5-8 %), электролитом — гидроксид калия KOH с добавкой гидроксида лития LiOH (для образования никелатов лития и увеличения ёмкости на 21-25 %), анодом — гидрат закиси кадмия Cd(OH)2 или металлический кадмий Cd (в виде порошка).

Принцип действия никель-кадмиевых аккумуляторов основан на обратимом процессе:
2NiOOH + Cd + 2H2O ↔ 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2

В настоящее время использование никель-кадмиевых аккумуляторов сильно ограничено по экологическим соображениям, поэтому они применяются только там, где использование других систем невозможно.

Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор – тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Первый литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 году. Принципы заряда и разряда несколько отличаются от традиционных электрохимических систем. Заряд и разряд, в аккумуляторах данного типа, связан с переносом иона лития Li+ между позитивным и негативным электродами. Ион лития имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, окислы (LiMO2) и соли (LiMRON) металлов:

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пропитанным электролитом пористым сепаратором.

Достоинства литий-ионных аккумуляторов:

• высокое напряжение ячейки (более 3В);
• низкий саморазряд;
• возможность быстрого заряда (до 15 мин.);
• высокая удельная емкость;
• хорошая циклируемость;
• высокая эффективность заряд-разряда (свыше 80%).

Необходимо отметить, что для частных систем накопления электроэнергии, данный тип батарей малопригоден вследствие высокой стоимости. Имея основное преимущество перед свинцово-кислотными аккумуляторами в виде более длительного срока службы (до 3000 циклов заряда разряда против 500-1000) они имеют стоимость в три и более раз большую. То есть происходит нивелирование преимущества – за срок эксплуатации одного комплекта литий-ионных аккумуляторов будет использовано около трех комплектов свинцовых аккумуляторов, при этом комплекты будут иметь близкую стоимость. Кроме того, можно выделить следующие недостатки литий ионной технологии:

• взрывоопасность (содержат легко воспламеняемые органические растворители в составе электролита);
• обладают эффектом памяти заряда;
• не могут храниться в разряженном состоянии длительное время (требуют заряда на 40%);
• требовательны к температурному режиму (не работают при низких температурах);
• не могут работать без специальных систем менеджмента заряда-разряда;
• подвержены старению.

Нет однозначного ответа на вопрос: «Какой аккумулятор лучше?». Такое разнообразие видов было обусловлено тем, что они создавались для решения различных задач. Наши инженеры помогут Вам подобрать аккумулятор, идеально подходящий для ваших целей.

Источник

Элементы питания и аккумуляторы, обозначение, электрохимическая система, их возможности и особенности эксплуатации.

Для питания бытовой и радиолюбительской аппаратуры, а также фонарей, фотоаппаратов и некоторых мобильных электронных устройств используют марганцево-цинковые элементы питания и аккумуляторы с различными электролитами, солевым, хлоридным или щелочным, и воздушной деполяризацией.

Элементы питания и аккумуляторы, обозначение, электрохимическая система, их возможности и особенности эксплуатации.

Широкое распространение получили также ртутно-цинковые, серебряно-цинковые и литиевые химические источники питания. Именно из этих элементов получаются столь знакомые всем батарейки питания разных размеров, в частности пальчиковые, типоразмера АА и ААА.

Обозначение этих элементов питания включает в себя :

Одну букву, определяющую электрохимическую систему. Например, L алкалиновая, S серебряно-цинковая, М или N ртутно-цинковая и другие.
Букву R (от английского Ring круг), говорящую о форме элемента.
Число, например 600, условно определяющее размеры элемента питания.

Применяя химические элементы питания той или иной системы важно знать их возможности и особенности эксплуатации.

Возможности и особенности эксплуатации химических источников тока с различными электролитами.

Марганцево-цинковые и угольно-цинковые элементы питания и аккумуляторы.

Электрохимическая система : цинк-двуокись марганца-электрод. Это батареи Лекланше (угольно-цинковые), с солевым электролитом, водным раствором хлорида аммония и хлорида цинка. Они могут эксплуатироваться при температурах от минус 5 до плюс 50 градусов. Имеют заметный саморазряд и недостаточно хорошую герметичность.

Другой тип угольно-цинковые химические элементы питания с водным раствором хлорида цинка. Энергетические показатели этих источников тока примерно в 1,5 раза выше, чем у элементов питания и аккумуляторных батарей предыдущей группы. Могут эксплуатироваться при температурах от минус 15 до плюс 70 градусов. Имеют меньший саморазряд и лучшую герметичность. Допускают больший разрядный ток.

Алкалиновые элементы питания и аккумуляторные батареи.

Электрохимическая система аналогична электрохимической системе марганцево-цинковых элементов питания, но в качестве электролита здесь используется щелочь в виде водного раствора гидроокиси калия. Алкалиновые элементы питания можно перезаряжать до 10-15 раз, но их повторная отдача не превысит 35% от начальной.

Для перезарядки годятся элементы питания сохранившие герметичность и имеющие напряжение не менее 1,1 Вольта. Алкалиновые химические источники тока могут эксплуатироваться при температурах от минус 25 до плюс 55 градусов. Допускают значительные разрядные токи.

Элементы питания и аккумуляторы с воздушной деполяризацией.

Электрохимическая система : цинк-воздух-гидрат окиси калия. Для подвода и удержания воздуха (кислорода) используют специальные конструкции и материалы катода. Элемент питания активизируется лишь после извлечения пробки, открывающей доступ воздуху. Химические источники тока с воздушной деполяризацией могут работать при температурах от минус 15 до плюс 50 градусов. Они обладают высокими энергетическими показателями. Рекомендованы при значительных импульсных нагрузках.

Ртутно-цинковые элементы питания и аккумуляторы.

Электрохимическая система : цинк-окись ртути—гидрат окиси натрия. Эти источники тока имеют высокие энергетические показатели. Работоспособны при положительных температурах от 0 до плюс 50 градусах. При малых токах разряда и стабильной температуре, напряжение на элементе питания остается почти неизменным. Практически не имеют газовыделения. Из-за наличия ртути такие батареи экологически вредны, и поэтому к применению не рекомендуются.

Серебряно-цинковые элементы питания и аккумуляторные батареи.

Электрохимическая система: цинк-одновалентное серебро-гидрат окиси калия или натрия. Такие источники тока обладают малым саморазрядом, имеют выдающиеся энергетические характеристики и почти неизменное напряжение в процессе работы, при неизменной температуре. Температурный диапазон от 0 до плюс 55 градусов.

Литиевые элементы питания и аккумуляторы с органическим электролитом.

Сюда входят более десяти электрохимических систем. Напряжение на элемент питания от 1,5 до 3,6 Вольта. Энергетические показатели лучше, чем у ртутно и серебряно-цинковых элементов питания. По массе они меньше в 3 раза, по объему в 1,5-2 раза. Наглядный пример аккумуляторы для мобильных телефонов и портативной радиотехники.

Литиевые источники тока обладают исключительно малым саморазрядом. Сохраняют более 85% емкости после 10 лет хранения. Они герметичны и имеют довольно стабильное напряжение. В мощных устройствах, где важна надежность контактов, используют литиевые элементы питания с выводами под пайку.

Некоторые маркировочные надписи на элементах питания и аккумуляторах.

О некоторых особенностях элементов питания и аккумуляторных батарей, их преимущественном назначении, можно судить но сделанным на них надписям. Например :

Alkaline элемент питания (аккумулятор) со щелочным электролитом.
Camera для фотокиноаппаратуры.
Cigarette Lighter для карманной зажигалки.
Communication Device для средств связи.
Fishing Float для поплавка.
Game для электронном игрушки.
Hearing Aid для слухового аппарата.
Lighter для зажигалки.
Lithium литиевый элемент питания.
Marganese-Zinc марганец-цинковый элемент питания.
Measuring Equipment для измерительных приборов.
Medical Instrument для медицинских приборов.
Mercuric Oxide ртутно-цннконый элемент питания.
Microphone для микрофона.
Mini Radios для миниатюрного радиоприемника.
Nickel-Zinc никель-цинковый элемент питания.
Photographic Light Meter для фотоэкспонометра.
Pocket Bell для карманного будильника.
Silver Oxide серебряно-цинковый элемент питания.
Standart универсальный элемент питания.
Watch для часов.
Wristwatch для наручных часов.
И другие.

По материалам книги Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции.
Кашкаров А.П.

Добавить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Источник