Аккумулятор. Виды и применение. Как выбрать. Плюсы и минусы
Аккумулятор — это многоразовый источник тока, который предназначен для накопления и хранения энергии. Его работа основана на обратимых окислительно-восстановительных реакциях, что дает возможность использовать батарею многократно. Для создания аккумуляторной батареи, несколько аккумуляторов соединяют в одну цепь.
Виды аккумуляторов
Для бытовых приборов и инструментов используется несколько типов аккумуляторных батарей, которые отличаются по используемым для их изготовления материалам.
Никель-кадмиевые (NiCd)
Этот аккумулятор выдерживать большое количество разрядов и зарядов, устойчив к низким температурам и у него большой допустимый ток разряда. Одними из основных его достоинств является низкая цена и большой срок службы. Недостатки указанного вида в том, что он быстро саморазряжается и имеет низкую плотность энергии.
Основным недостатком такого оборудования является «эффект памяти», что приводит к снижению полезной емкости при неполном разряде батареи. Для восстановления номинальной мощности, надо полностью разрядить, а потом снова зарядить это устройство. Чтобы увеличить срок службы такого оборудования, необходимо полностью его разряжать и только потом ставить на зарядку. Для заряда надо использовать только то устройство, которое шло в комплекте, либо таким, которое соответствует требованиям производителя батареи.
Никель-металлогидридные (NiMh)
Такие батареи появились позже, и они являются более перспективными. Сейчас они массово используются для разной бытовой техники, но для телефонов и ноутбуков применяются еще более прогрессивные виды.
Литий-ионные (LiIon)
Такой аккумулятор чаще всего используется для питания ноутбуков, фотоаппаратов и другой техники, но в современных телефонах он уже используюется редко, так как вытесняется более прогрессивным типом батарей. Их основной недостаток в высокой чувствительности к перезаряду, поэтому в устройствах, где используются такие батареи, обязательно устанавливают контроллер, который ограничивает заряд.
Литий-полимерные (LiPol)
Самые современные устройства, основным их отличием является то, что электролит гелеобразный, поэтому такие аккумуляторы могут быть очень тонкими. Они чаще всего применяются в мобильных телефонах, плеерах и другой технике, имеющей небольшие размеры. Так как такие батареи также чувствительны к перезаряду, использовать их в устройствах с неисправным контроллером заряда нельзя. Если нарушается герметичность также нельзя эксплуатировать такую батарею.
Устройство
Раньше аккумуляторные батареи для бытовой техники и телефонов по своему строению были точной копией тех, что используются в автомобилях. Современные технологии позволили разработать литий-ионные батареи, у которых катод покрыт алюминиевой, а анод медной фольгой. В литий-полимерных моделях в качестве банок используются мягкие пакеты, которые заполняются гелеобразным раствором лития в полимере.
Чтобы контролировать заряд, такая аккумуляторная батарея обязательно имеет устройство, которое выполнено в виде электронной платы. Вместо привычных двух контактов, такие батареи с платой телефона соединяются при помощи конвектора — многополюсного соединения.
Принцип работы
Независимо от типа, любой аккумулятор работает благодаря наличию разности напряжения между пластинами из металла, погруженными в электролит.
Химические процессы, происходящие в батарее, являются обратимыми, поэтому после ее разряжения, есть возможность при помощи заряда восстановить работоспособность. Во время заряда ток пропускают в противоположном направлении, которое будет при разряде аккумуляторной батареи.
Основной характеристикой является емкость, то есть величина заряда, которую полностью заряженная батарея может отдать при разряде до наименьшего допустимого значения. Для ее измерения обычно используются Ач.
Области применения
Аккумулятор используется в различных отраслях и имеет широкое применение. Аккумуляторные батареи применяют для освещения вагонов, питания различной апертуры на автомобилях, в мобильных телефонах, в бытовой технике и электронике.
Для того чтобы обезопасить компьютер и имеющуюся информацию при внезапном исчезновении питания, используются ИБП. Основным его элементом является АКБ. Первоначальный запуск любого автомобиля не возможет без заряженной аккумуляторной батареи.
Как выбрать аккумулятор
Рассмотрим особенности выбора АКБ для мобильного телефона. Сначала надо разобраться, какая батарея установлена в вашем телефоне, так как она может быть съемной или несъемной.
Если ее можно снять, то открывают заднюю крышку телефона и внимательно изучают характеристики батареи:
При наличии и несъемной АКБ, ее данные можно узнать из паспорта телефона или на сайте производителя. Современный рынок предлагает оригинальные аккумуляторы, аналогичные и «ноунейм». На последний вариант лучше вообще не обращать внимания, так как такая батарея может не только вывести из строя телефон, а даже взорваться.
Между собой оригинальные и аналоговые изделия практически ничем не отличаются по своим характеристикам, но оригинальные батареи будут намного дороже. Учтите, что некоторые производители не делают оригинальные запчасти, поэтому в таком случае придется приобретать аналогичный источник питания.
Аккумулятор для автомобиля
В этом случае надо обращать внимание на такие характеристики как емкость, пусковой ток и габариты изделия. Важно, чтобы емкость и величина пускового тока не очень отличались от той аккумуляторной батареи, что была установлена на заводе-производителе, так как генератор и другое оборудование рассчитаны на определенные их значения.
Кроме описанных характеристик, обращают внимание на наличие дополнительных элементов: ручка для удобной транспортировки, защита клемм, наличие встроенного индикатора заряда.
Достоинства и недостатки
Рассмотрим, какие есть преимущества и недостатки у разных типов батарей.
Преимущества NiCd устройств:
- Быстрая зарядка, можно использовать ток, который равен и даже превышает емкость батареи, злоупотреблять часто большим зарядным током нельзя и если требуется быстрый заряд, то используют устройства, определяющие полный заряд батареи, после чего они должны отключаться.
- Могут давать в нагрузку ток большого значения.
- Если соблюдаются правила эксплуатации, то срок службы будет большим.
- Возможность восстановления при понижении емкости.
- Доступная стоимость.
Недостатки будут такие:
- Наличие «эффекта памяти».
- Высокий уровень саморазряда.
- Большой вес и размеры.
- Требуется специальная утилизация из-за наличия кадмия.
Особенности NiMh батарей:
- Больше плотность электроэнергии, поэтому они имеют меньший вес и размеры.
- Срок службы зависит от глубины разряда, чтобы батарея дольше служила, лучше ее эксплуатировать не с полным, а с поверхностным разрядом.
- Зарядка не может проводиться так быстро, как в предыдущем варианте.
- «Эффект памяти» выражен намного меньше.
- У них небольшое количество рабочих циклов.
- Высокий саморазряд, который достигает 30% в месяц.
LiIon батареи имеют следующие достоинства:
- Небольшой вес и размеры, достигается это за счет высокой плотности электроэнергии.
- Незначительный саморазряд.
- На протяжении всего срока службы не требуют никакого обслуживания.
Недостатки таких АКБ следующие:
- Высокая цена.
- Хранить такие батареи надо только заряженными.
- Даже если они не используются, происходит процесс старения, уже через два года, если ими не пользоваться, они обычно выходят из строя.
LiPol устройства являются самыми современными, но пока массово они не применяются, поэтому объективно оценить их преимущества и недостатки пока нельзя.
Если сравнивать их с другими типами, то в таких устройствах меньше рабочих циклов, и они рассчитаны на небольшой ток нагрузки. Технология их изготовления позволяет создавать тонкие и пластичные геометрические формы, что нехарактерно для других типов батарей. Как и у всего нового, стоимость таких батарей пока высокая.
Сейчас в электронных устройствах в основном используются NiMh и LiIon аккумуляторы. У первых будет больше срок службы при умеренных нагрузках и ниже стоимость, у вторых простое обслуживание и большой срок службы при интенсивных нагрузках. Никель-кадмиевые устройства уже практически не используются, а литий-полимерные только завоевывают рынок.
Источник
ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ
Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ
Физика и и химия современного аккумулятора: кратко о главном
Что такое аккумуляторы? Чем они отличаются от батареек? Какие технологии и материалы применяются в аккумуляторах для улучшения их характеристик? В этой статье мы кратко рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах. Аккумулятор — это устройство, которое запасает электрическую энергию и является одним из типов химических источников тока. Такие источники преобразовывают энергию химических связей в электрическую энергию. Химических источников тока известно много. Самые простые — это обычные пальчиковые батарейки. Но такие батарейки нельзя перезарядить, когда заряд в них закончился. В отличие от батареек, аккумуляторы можно заряжать многократно. Первым и самым известным аккумулятором стал свинцово-кислотный аккумулятор, который был изобретен в XIX веке французом Густавом Планте. В таком аккумуляторе, как и в любом другом, есть два химических вещества, которые реагируют между собой, и в процессе химической реакции должны передаваться электроны.
Внутри любого химического источника тока всегда есть два химических вещества, одно из которых готово отдавать свои электроны другому. Такие вещества могли бы реагировать друг с другом напрямую, но тогда никакого толку от передачи электронов не было бы. Химический источник тока и аккумулятор различаются тем, что два реагирующих между собой вещества разделены средой, которая позволяет им обмениваться массой, но не позволяет передавать электроны. Электроны при этом могут двигаться по внешней цепи, делая для нас полезную работу. Среда, которая располагается между двумя реагирующими веществами, называется электролитом.
Электролиты бывают жидкие и твердые. Главная их задача — проводить ионы, но при этом не давать электронам передаваться напрямую от одного вещества к другому. Чтобы сделать аккумулятор, этот процесс должен быть обратимым. То есть мы должны иметь возможность, подключив это устройство к внешнему источнику питания, заставить вещества реагировать в обратную сторону. Если образуются новые вещества, они должны разлагаться, все должно возвращаться в исходное состояние. Электроны при этом должны двигаться в этой внешней цепи в обратном направлении, движимые электрическим полем.
Первый аккумулятор был придуман в XIX веке, он используется по сей день. Все могут увидеть такой аккумулятор под капотом своего автомобиля, он использует свинец и оксид свинца 4. Свинец может окисляться — этим словом химики называют процесс, когда вещество отдает свои электроны, — и превращаться в сульфат свинца 2. При этом оксид свинца 4, наоборот, получает электроны и тоже превращается в сульфат свинца 2. Таким образом, одно соединение свинца передает электроны другому соединению свинца, и эти электроны, двигаясь по внешней цепи в случае автомобиля, вращают стартер и помогают нам завести бензиновый или дизельный двигатель. Когда мы хотим зарядить аккумулятор, электроны движутся по цепи в обратную сторону, и эти соединения на двух пластинах вновь превращаются в свинец и оксид свинца 4. Этот процесс можно проводить много раз.
Главная проблема такого аккумулятора — его большой вес. Однако для тех, кто разрабатывает аккумуляторы, важен не вес конкретной аккумуляторной батареи, а удельная энергия, то есть то количество энергии, которое можно запасти в единице веса аккумулятора или в единице его объема. Для свинцово-кислотных аккумуляторов удельная энергия составляет всего 30–40 ватт-часов на килограмм. Хотя с XIX века мы прошли огромный путь: в то время такие аккумуляторы накапливали буквально единицы ватт-час на килограмм, то есть их энергозапас в расчете на единицу массы увеличился более чем в 10 раз.
Ученые и инженеры с XIX века активно работали над тем, чтобы увеличить удельный энергозапас. С того времени были разработаны десятки, если не сотни, различных химических систем, то есть пар из веществ, одно из которых является окислителем, а другое — восстановителем. В XX веке были созданы хорошо известные системы на основе никеля: сначала никелькадмиевые, потом никель-металлогидридные. Их главная проблема состояла в том, что они не могли иметь достаточно большого напряжения. Эта проблема заключается в электролите, потому что аккумуляторы, которые используют электролиты на водной основе, то есть растворы солей, щелочей или кислот в воде, ограничены по своему напряжению. При превышении напряжения в 1,2 вольта начинает разлагаться сама вода на водород и кислород. Эта электрохимическая реакция называется «электролиз воды». Поэтому невозможно сделать систему с водным электролитом, которая имела бы напряжение на каждом аккумуляторе выше, чем 1,2–2 вольта.
Во второй половине XX века стали активно исследовать неводные электролиты — растворы солей, но уже не в воде, а в органических растворителях. Усилия здесь были направлены в том числе на то, чтобы сделать аккумуляторы с напряжением выше 2 вольт. В 1990 году удалось подобрать комбинацию электродных материалов и неводного электролита, состоящего из смеси алкил карбонатов и гексафторфосфата лития, которая получила название литийионный аккумулятор. Напряжение такого аккумулятора было чуть ниже 4 вольт. А чем выше напряжение, тем больше энергии можно запасти.
Уникален литийионный аккумулятор не только электролитом. Сам принцип его работы заметно отличается от принципа работы, например, свинцово-кислотного аккумулятора. В литийионном аккумуляторе отрицательным электродом являлся графит, а для положительного электрода использовали слоистый оксид кобальта лития. В таком оксиде атомы кобальта и кислорода образуют слои, и между этими слоями находятся ионы лития. При заряде такого аккумулятора ионы лития покидают катодный материал положительного электрода, двигаются через электролит и внедряются между слоями графита. При этом электроны движутся по внешней цепи, движимые источником, с помощью которого мы заряжаем аккумулятор.
В заряженном состоянии аккумулятор сам способен делать полезную работу, и если мы подключим его клеммы к нагрузке, то электроны начнут самопроизвольно перемещаться по цепи, затрачивая энергию, а ионы лития будут вновь покидать графит, двигаться через электролит и встраиваться между слоями оксида кобальта. То есть в этом аккумуляторе не образуется никаких новых фаз, веществ, а ионы лития лишь встраиваются то в один, то в другой электрод. В англоязычной литературе такой аккумулятор назвали «аккумулятор кресло-качалка», потому что ионы просто двигаются из одного электрода в другой и обратно.
Сегодня удельная энергия литийионных аккумуляторов достигает 250–270 ватт-часов на килограмм, в то время как первые литийионные аккумуляторы давали лишь 100–120 ватт-час на килограмм. Этот прогресс связан с двумя факторами. Первый — технологический фактор. За последние 25 лет технология изготовления электродов шагнула вперед: электроды стали более плотными и, соответственно, сейчас содержат в себе больше вещества. Масса активных веществ оказывается более высокой на фоне массы веществ, которые не участвуют в самой реакции, отвечающей за накопление энергии.
Второй и самый важный фактор — прогресс в области материаловедения. Сами материалы, которые накапливают литий внутри себя, заметно изменились. Сегодня уже непросто найти аккумулятор, в котором используются только графит и оксид лития-кобальта. Сейчас используют более сложные, смешанные оксиды, содержащие никель, марганец и кобальт, а также графиты с определенной обработкой, к которым добавляют наночастицы кремния. Это позволяет постепенно увеличивать энергозапас на единицу массы или на единицу объема.
Несмотря на прогресс и переход со свинцово-кислотных до литийионных аккумуляторов, мы все равно недовольны: хочется, чтобы смартфон работал дольше, а электромобиль делал без подзарядки большие пробеги. Поэтому ученые и химики-технологи продолжают работать, чтобы совершенствовать аккумуляторы.
Вся эта работа направлена на разработку новых материалов, которые могли бы либо запасать в своей структуре больше лития, либо обеспечивать еще более высокое напряжение. Есть более радикальные подходы, которые объединяют под названием «постлитийионные технологии». Эти технологии распадаются на несколько направлений. Сегодня активно разрабатываются натрий- и калийионные аккумуляторы, потому что натрий и калий входят в число породообразующих элементов, их много на Земле. Такие аккумуляторы могли бы стать дешевле, хоть и не будут конкурировать с литийионными по энергозапасу. Это актуальное направление для накопителей в электросетях, где вес не столь важен, а вот цена становится существенным ограничивающим фактором для внедрения таких накопителей.
Другим направлением являются литий-серные аккумуляторы, где вместо тяжелых оксидов переходных металлов используется сера и ее композиты с углеродом. Сера и углеродные материалы достаточно дешевы, и это могло бы обеспечить не только более низкую цену, но и большую емкость и больший запас энергии, потому что сера достаточно легкая. На единицу массы такие аккумуляторы могли бы обеспечивать уже 300 и даже 400 ватт-час в килограмме.
Есть и совсем далекие перспективы — литий-воздушные аккумуляторы, в которых сера может быть заменена на кислород, доступный в окружающем нас воздухе. Он легкий, хороший окислитель, то есть он хорошо отнимает электроны, в то время как литий может их отдавать. Такие аккумуляторы гипотетически могли бы перешагнуть через черту 400 ватт-часов на килограмм. К сожалению, количество достаточно серьезных фундаментальных проблем пока оставляет это направление в научных лабораториях. Эти исследования ученых не закончатся в ближайшие 10–20 лет, и это не станет пока что технологией.
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
Источник