Основные виды аккумуляторов

Герметичные малогабаритные никелево-кадмиевые аккумуляторы. Активная масса положительного электрода никелево-кадмиевого аккумулятора состоит из гидратов закиси никеля, окислов кадмия и кобальта и небольшого количества мелкодисперсного графита. Отрицательный электрод выполняется из металлического кадмия, гидрата окиси кадмия и небольшого количества окиси никеля. Электролит - раствор едкого калия и едкого лития.

Никелево-кадмиевые аккумуляторы характеризуются почти в полтора раза большей, чем у марганцево-цинковых элементов, удельной емкостью, в два раза большим сроком хранения, значительно меньшим внутренним сопротивлением и значительно большим сроком службы (гарантируется 100...200 циклов). Стоимость одного ватт-часа при использовании никелево - кадмиевых аккумуляторов по - сравнению с марганцево-цинковыми элементами в 100... 200 раз меньше.

В полностью заряженном никелево-кадмиевом аккумуляторе ЭДС равна 1, 35 В, номинальное напряжение в начале разряда - 1, 25 В, в конце - 1 В. Дальнейший разряд приводит к резкому сокращению срока службы. Емкость никелево-кадмиевых аккумуляторов уменьшается при понижении температуры окружающей среды. Саморазряд герметичных кадмиево-никёлевых аккумуляторов происходит особенно быстро в начале хранения (10% ёмкости за сутки), за 30 суток они теряют 20...40% емкости, в течение следующих 30 суток емкость изменяется мало.

Никель-кадмиевые пальчиковые (NiCd). NiCd-аккумулятор - ветеран на рынке аккумуляторов. В настоящее время используется в качестве источников питания пультов управления, СD и магнитофонных плейеров, переносных и портативных магнитол в походном режиме. Для радиостанций и других сильноточных устройств полноценную и надежную замену ему найти не так-то просто. Причина проста - они имеет массу достоинств:

-длительный срок службы: свыше тысячи циклов заряда-разряда при правильной эксплуатации и регулярном обслуживании;

-быстрый и простой метод заряда, а также легкое восстановление при понижении емкости и после длительного хранения;

-превосходная работоспособность в широком диапазоне температур, в том числе и при температурах ниже нуля;

-длительный срок хранения при любом состоянии заряда;

-простые условия хранения и транспортировки;

-отсутствие ограничений на перевозку воздушным транспортом;

-слабая чувствительность к ошибкам пользователей при эксплуатации;

-самая низкая стоимость на один цикл заряда-разряда.

Но не все так прекрасно, как хотелось бы. NiCd-аккумуляторам присущи и недостатки, которые разработчики впоследствии попытались преодолеть, предложив в качестве замены NiMn-аккумуляторы:

- относительно низкая плотность энергии по сравнению с аккумуляторами других систем;

- повышенный саморазряд (до 10% в течение первых 24 часов после заряда, в дальнейшем саморазряд уменьшается);

- подверженность «эффекту памяти», для предотвращения которого требуется периодическая тренировка аккумуляторов;

- экологическая опасность, так как аккумуляторы содержат токсичные металлы. В связи с этим в некоторых странах введены ограничения на их применение.

Шумно разрекламировав в свое время недостатки NiCd-аккумуляторов, изготовители предложили для их замены NiMn-аккумуляторы. Но, как это часто бывает на практике, новые аккумуляторы поначалу не оправдали возложенных на них надежд. Впрочем, и сейчас этот тип аккумулятора занимает лидирующие позиции на рынке только за счет лучших энергетических и весовых характеристик и того, что многие портативные устройства сталиболее экономичными. Его отличия от предшественника:

- на 30-40% более высокая емкость при тех же самых размерах, причем потенциально существуют возможности для дальнейшего увеличения энергетической плотности;

- меньшая склонность к «эффекту памяти», чем у NiCd, и поэтому циклы восстановления нужно выполнять реже;

- экологически более безопасны, так как содержат только мягкие токсины;

- выгодны для утилизации и последующей переработки.

Однако ничего не дается даром, и их электрические параметры претерпели существенные изменения, причем не в лучшую сторону, что проявляется в следующих недостатках:

- у них меньше количество циклов заряда-разряда (около 500). А при повторяющихся глубоких разрядах (при больших токах нагрузки) состояние аккумулятора начинает ухудшаться уже после 200-300 циклов. Поэтому для данного типа аккумулятора предпочтительны скорее поверхностные циклы разряда;

- ограниченный ток разряда (нагрузки) и заряда. Несмотря на то, что аккумуляторы допускают разряд большим током, численно равным номинальной емкости, наилучшие условия для него - это разряд током от 0, 2 до 0, 5 емкости. Аналогично и при заряде - не рекомендуется производить заряд током, большим чем 0, 5 емкости.

- более сложный алгоритм заряда, большее выделение тепла во время заряда и более длительное время заряда, чем у Nicd-аккумуляторов. Подзаряд аккумулятора после окончания заряда может стать губительным для него и потому должен контролироваться.

- высокий саморазряд - примерно наполовину выше, чем у NiCd. С применением новых химических добавок саморазряд уменьшается, но опять же за счет понижения энергетической плотности;

- аккумуляторы деградируют в случае хранения при повышенной температуре и потому должны храниться в прохладном месте заряженными примерно на 40% от номинальной емкости;

- требовательны к обслуживанию, периодически необходим полный разряд.

Основное их достоинство - это большая емкость при тех же самых размерах (или меньшие габариты и вес при той же самой емкости). Впрочем, это именно то, что и нужно большинству пользователей, и ради этого можно согласиться на уменьшение срока службы и удорожание аккумулятора.

Эффект памяти. С течением времени аккумуляторы теряют некоторые свои потребительские свойства. Постепенно срок работы батареи сокращается, а иногда и вовсе сходит на нет. Объяснение этому простое - «эффект памяти». Когда для питания бортовой аппаратуры спутников начали использоваться NiCd-аккумуляторы, заряжаемые от солнечных элементов, было подпечено наличие у аккумуляторов эффекта, так называемой «циклической памяти».

NiCd-аккумуляторы как бы запоминали то состояние, до которого были разряжены в предыдущем цикле, и в последующем цикле разряда никак не хотели отдавать больше энергии, чем отдали ранее. Современные аккумуляторы на основе никеля этого эффекта практически не имеют, однако термин прижился, и теперь под «эффектом памяти» понимают уменьшение реальной емкости аккумулятора вследствие изменения внутренней структуры его активного вещества в процессе эксплуатации. Явление это на определенных стадиях развития обратимо, и реальная емкость аккумулятора может быть восстановлена путем выполнения определенных процедур его обслуживания.

Литий-ионные аккумуляторы. Li-ion-аккумуляторы постепенно завоевывают все более прочные позиции на рынке устройств мобильной связи и портативных радиостанций и компьютеров, что обусловлено целым рядом их неоспоримых преимуществ:

- высокой плотностью энергии, причем потенциально возможны аккумуляторы с еще большей плотностью энергии (а значит, и емкостью) при тех же самых габаритах;

- относительно низким саморазрядом, который составляет менее половины, чем у NiCd;

- низкой стоимостью обслуживания - периодические циклы разряда не требуются;

- нет «эффекта памяти».

Однако кроме вышеперечисленных достоинств Li-ion-аккумуляторам присущи и некоторые недостатки:

- требуется встроенная в аккумулятор схема защиты от превышения напряжения при заряде, от понижения напряжения при разряде, ограничения тока разряда;

- подверженность старению, даже если аккумулятор не используется. Процесс старения замедляется при хранении аккумулятора, заряженного примерно до 40% в прохладном месте;

- ограниченный ток разряда;

- высокая стоимость.

Технология изготовления аккумуляторов далека от совершенства. Постоянно появляются новые модификации, а это в свою очередь усложняет методы тестирования, особенно методы быстрой диагностики.

Li-ion-аккумуляторам присущи и достаточно серьезные недостатки:

- проблемы в обеспечении безопасности эксплуатации и высокая стоимость. Металлический Li очень активный металл с бурно протекающими реакциями взаимодействия, например, с водой - вплоть до воспламенения. Замена его на литиевые соединения с ионной проводимостью в ion- аккумуляторах в определенной степени решила вопросы безопасной эксплуатации, но не до конца. Попытки дальнейшего решения проблемы безопасности и удешевления их производства привели к появлению литий - полимерных аккумуляторов.

Литий - полимерные аккумуляторы. Основное отличие от Li-ion-аккумуляторов отражено в самом названии и заключается в типе используемого электролита. В 70-х годах, в этих аккумуляторах использовали сухой твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку и не проводящий электрический ток, но допускающий обмен ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Полимерный электролит в этом случае фактически заменял традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом.

Однако при нормальной температуре полимерный электролит обладает недостаточной электропроводностью и потому не может обеспечить величину тока, требуемую для современных сотовых телефонов и переносных компьютеров. В тоже время при нагревании до 60 °С и более электропроводность увеличивается до приемлемого уровня, но для широкого применения это не годится. Именно поэтому в полимерный электролит добавляют некоторое количество гелеобразного электролита, и такие аккумуляторы правильнее называть литий-ионными полимерными. В силу этого их зарядные и разрядные характеристики аналогичны Li-ion, а по количеству циклов заряда- разряда и внутреннему сопротивлению они им уступают. Их преимущества:

- возможность изготовления в виде тонких пластин подобно пластиковым картам;

- гибкий форм-фактор производители не связаны стандартными формами и размерами;

- малый вес - гелевый электролит в ряде случаев позволяет упростить конструкцию и отказаться от металлической оболочки;

- улучшенная безопасность, большая устойчивость к перезаряду, меньше шансов для утечки электролита при повреждении.

Ограничения и недостатки:

- более низкая плотность энергии и меньшее количество циклов заряда- разряда по сравнению с Li-ion, однако существует потенциальная возможность для улучшения этих параметров.

Серебряно-цинковые аккумуляторы. Положительные электроды серебряно-цинковых аккумуляторов - это пластины, изготовленные из чистого серебра, отрицательные электроды пластины, спрессованные из смеси окиси цинка и цинкового порошка на токоотводе из серебряной проволоки. Электролит раствор химически чистого (марка ЧДА) едкого калия (КОН) плотностью 1, 4 г/см³.Серебряно - цинковые аккумуляторы характеризуются большой удельной емкостью и очень малым внутренним сопротивлением. В полностью заряженном аккумуляторе ЭДС равна 1, 85 В, напряжение в начале разряда - 1, 8 В, в течение примерно третьей части общего времени разряда снижается до 1, 54 В и далее остается практически постоянным. Коэффициент отдачи очень большой: по емкости составляет 94...97%, по энергии - 80...85%. Саморазряд аккумуляторов сравнительно мал. Для отечественных аккумуляторов при нормальных условиях хранения он составляет 5...15% за 30 суток. Внутреннее сопротивление аккумуляторов в процессе разряда значительно изменяется, проходя через максимум. Емкость не зависит от режима разряда. Срок службы, зависит от типа аккумулятора и режима эксплуатации (10...100 циклов). Аккумуляторы работают нормально при положительных температурах, а при интенсивных режимах разряда - также при температурах до -30° С. При отрицательных температурах емкость аккумуляторов снижается. Так, при температуре -30 ° С и 10-часовом режиме разряда она составляет около 20% номинальной емкости - при -40° - практически равна нулю.

Серебряно-цинковые аккумуляторы очень чувствительны к перезаряду и загрязнению электролита. При заряде аккумуляторных батарей необходимо контролировать напряжение каждого, аккумулятора, особенно в конце заряда. Во избежание выхода из строя батареи нельзя допускать глубокого разряда отдельных аккумуляторов. Недопустимо параллельное соединение аккумуляторов. Добавлять электролит в аккумуляторы следует после заряда, когда его уровень максимален. Для этого можно использовать только химически чистый электролит, в крайнем случае - дистиллированную воду.

Текст составил

доцент Н. Руденко