Меню

Аккумулятор никель кадмиевый или свинцово кислотный

Эковатт: Аккумуляторы

Аккумуляторы — основные типы и характеристики

Свинцовые аккумуляторы (Pb). Реагентами в свинцовых аккумуляторах служат диоксид свинца (PbO2) и свинец (Pb), электролитом — раствор серной кислоты. Они также называются свинцово-кислотными аккумуляторами. Их разделяют на четыре основные группы; стартерные, стационарные, тяговые и портативные (герметизированные). Наиболее распространенные из свинцовых аккумуляторов — стартерные аккумуляторы, предназначены для запуска двигателей внутреннего сгорания и энергообеспечения устройств машин. В последние годы в основном используются аккумуляторы, не требующие ухода. К недостаткам относят невысокие удельную энергию и наработку, плохую сохранность заряда, выделение водорода.

Battery, Типы аккумуляторов, характеристики аккумулятора, виды аккумуляторов, топливные элементы, заправка аккумулятора, ёмкость аккумулятора

Стационарные аккумуляторы используются в энергетике, на телефонных станциях, в телекоммуникационных системах, в качестве аварийного источника тока и т.д. Обычно они работают в режиме непрерывного подзаряда. Относятся к недорогим аккумуляторам.

Тяговые аккумуляторы предназначены для электроснабжения электрокаров, подъемников, шахтных электровозов, электромобилей и других машин. Действуют в режимах глубокого разряда, имеют большой ресурс и низкую стоимость.

Портативные (герметизированные) свинцовые аккумуляторы используются для питания приборов, инструмента, аварийного освещения. К их достоинствам относятся более низкая стоимость по сравнению со стоимостью других портативных аккумулторов, широкий интервал рабочих температур. Недостатками кислотных аккумуляторов являются невозможность хранения в разряженном состоянии, трудность изготовления аккумуляторов малых размеров.

Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd). Реагентами в никель-кадмиевых аккумуляторах служат гидроксид никеля и кадмий, электролитом — раствор КОН, поэтому они именуются щелочными аккумуляторами. Существуют три основных вида никель-кадмиевых аккумуляторов: негерметичные с ламельными (ламельные аккумуляторы) и спеченными электродами (безламельные аккумуляторы) и герметичные. Наиболее дешевые ламельные никель-кадмиевые аккумуляторы характеризуются плоской разрядной кривой, высокими ресурсом и прочностью, но не низкой удельной энергией. Удельная энергия, скорость разряда Ni-Cd аккумуляторов со спеченными электродами выше, они работоспособны при низких температурах, но дороже, характеризуются эффектом памяти и способностью к тепловому разгону.

Применяются никель-кадмиевые аккумуляторы для питания шахтных электровозов, подъемников, стационарного оборудования, средств связи и электронных приборов, для запуска дизелей и авиационных двигателей и т.п.

Герметичные Ni-Cd аккумуляторы характеризуются горизонтальной разрядной кривой, высокими скоростями разряда и способностью действовать при низких температурах, но они дороже герметизированных свинцовых аккумуляторов и характеризуются эффектом памяти. Применялись для питания портативной аппаратуры (сотовых телефонов, магнитофонов, компьютеров и т.д.), бытовых приборов, игрушек и т.д. Недостатком никель-кадмиевых аккумуляторов является применение токсичного кадмия.

Никель-железные аккумуляторы. Вместо кадмия в этих аккумуляторах используется железо. Из-за выделения водорода с самого начала заряда аккумуляторы производят только в негерметичном варианте. Они дешевле никель-кадмиевых аккумуляторов, не содержат токсичный кадмий, имеют длинный срок службы и высокую механическую прочность. Однако они характеризуются высоким саморазрядом, низкой отдачей по энергии, практически неработоспособны при температуре ниже -10 °С. Выпускаются в призматическом виде и используются в основном как тяговые источники тока в шахтных электровозах, электрокарах и промышленных подъемниках.

Никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH). Активным материалом отрицательного электрода является интерметаллид, обратимо сорбирующий водород, т.е. фактически отрицательный электрод является водородным электродом, у которого восстановленная форма водорода находится в абсорбированном состоянии. Разрядная кривая Ni-MH аккумулятора аналогична кривой Ni-Cd аккумулятора. Удельная емкость и энергия никель-металлогидридных аккумуляторов в 1,5-2 раза выше удельной энергии никель-кадмиевых аккумуляторов, кроме того, они не содержат токсичный кадмий. Изготавливаются в герметичном исполнении цилиндрической, призматической и дисковой форм. Применяются для питания портативных приборов и аппаратуры.

Никель-цинковые аккумуляторы. Это щелочные аккумуляторы, у которых отрицательный электрод — цинковый. Удельная энергия никель-цинковых аккумуляторов примерно в 2 раза выше удельной энергии Ni-Cd аккумуляторов. Они характеризуются горизонтальной разрядной кривой, высокой удельной мощностью и относительно невысокой начальной ценой, однако ресурс их мал, поэтому массового применения не имеют. Применяются для питания портативной аппаратуры

Серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы. Активными материалами служат оксид серебра на положительном и цинк или кадмий — на отрицательном электродах соответственно, электролитом является раствор щелочи. Характеризуются высокими удельными энергиями и мощностью, низким саморазрядом, но весьма дороги. Серебряно-цинковые аккумуляторы имеют незначительный ресурс. Выпускаются в призматической и дисковой формах, применяются для питания портативных приборов и аппаратов, в военной технике.

Никель-водородные аккумуляторы. Отрицательным электродом служит пористый газодиффузионный электрод с платиновым катализатором, на котором обратимо реагирует газообразный водород. Характеризуются высокой удельной энергией и очень высоким ресурсом, но значительным саморазрядом и очень дороги. Применялись в космической технике.

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion). В качестве отрицательного электрода применяется углеродистый материал, в который обратимо внедряются ионы лития. Активным материалом положительного электрода обычно служит оксид кобальта, в который также обратимо внедряются ионы лития. Электролитом является раствор соли лития в неводном апротонном растворителе. Аккумуляторы имеют высокую удельную энергию, высокий ресурс и способны работать при низких температурах. Благодаря высокой удельной энергии их производство в последние годы резко увеличилось. Выпускаются в цилиндрической и призматической формах. Они применяются в сотовых телефонах, ноутбуках и других портативных устройствах.

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol). Анодом служит углеродистый материал, в который обратимо внедряются ионы лития. Активными материалами положительных электродов являются оксиды ванадия, кобальта или марганца. Электролитом является или раствор соли лития в неводных апротонных растворителях, заключенный в микропористую полимерную матрицу, или полимер (полиакрилонитрил, полиметилметакрилат, поливинилхлорид либо другие), пластифицированный раствором соли лития в апротонном растворителе (гель-полимерный электролит). По сравнению с литий-ионными аккумуляторами литий-полимерные аккумуляторы имеют более высокие удельную энергию и ресурс и лучшую безопасность. Применяются для питания портативных электронных устройств.

Перезаряжаемые марганцево-цинковые источники тока. Первичные цилиндрические марганцево-цинковые источники тока с щелочным электролитом определенного состава, изготовленные по специальной технологии, могут электрически перезаряжаться. Они характеризуются высокой удельной энергией, малым саморазрядом и невысокой стоимостью, выпускаются в герметичном исполнении, однако имеют очень малый ресурс (до 25-50 циклов), небольшую скорость разряда и наклонную разрядную кривую. Возможность перезаряда такого марганцево-цинкового источники тока отдельно оговаривается производителем.

Аккумуляторы,типы аккумуляторов, характеристики аккумулятора, виды аккумуляторов, топливные элементы, заправка аккумулятора, ёмкость аккумулятора

Характеристики аккумуляторов

Среднее разрядное напряжение аккумуляторов находится в широком диапазоне от 1,25В у никель-кадмиевых аккумуляторов до 3,5В у литиевых аккумуляторов. С повышением скорости разряда емкость аккумуляторов уменьшается (см. рисунок), причем в минимальной степени у Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов. Емкость также снижается при понижении температуры. Наибольшое снижение емкости при низких температурах наблюдается у никель-железных аккумуляторов и минимальное снижение — у никель-кадмиевых со спеченными электродами и у свинцовых аккумуляторов. Высокую удельную мощность можно получить от никель-кадмиевых аккумуляторов, свинцовых (стартерных и герметизированных), никель-цинковых и серебряно-цинковых аккумуляторов. Невысокую удельную мощность имеют никель-железные аккумуляторы. Удельная массовая энергия минимальна у свинцовых аккумуляторов и максимальна у литиевых аккумуляторов. Наибольшую наработку имеют никель-водородные аккумуляторы, низким ресурсом характеризуются серебряно-цинковые и никель-цинковые аккумуляторы. Следует отметить, что по мере циклирования уменьшаются емкость, напряжение и соответственно удельная энергия аккумуляторов, причем скорости понижения удельной энергии у разных аккумуляторов существенно различаются. В наименьшей степени снижаются емкость и энергия при циклировании Ni-Cd аккумуляторов. Наработка зависит от многих причин и прежде всего от глубины разряда. Наиболее высокая скорость саморазряда отмечается у никель-водородных и никель-железных аккумуляторов, наименьшая — у серебряно-кадмиевых и серебряно-цинковых аккумуляторов. К наиболее дешевым принадлежат свинцовые аккумуляторы, к наиболее дорогим — никель-водородные, серебряно-кадмиевые и серебряно-цинковые аккумуляторы.

Влияние тока разряда на емкость отдаваемую аккумулятором:
1-никель-кадмиевые аккумуляторы со спеченным электродом и никель-металлгидридные аккумуляторы, 2-серебрянно-цинковые аккумуляторы, 3- никель-кадмиевые аккумуляторы с ламельным электродом, 4-никель-цинковые аккумуляторы, 5-литий-инные аккумуляторы, 6-свинцовые аккумуляторы, 7-никель-железные аккумуляторы.
(Аккумуляторы,типы аккумуляторов, характеристики аккумулятора, виды аккумуляторов, топливные элементы, заправка аккумулятора, ёмкость аккумулятора)
Battery . The average discharge voltage batteries in a wide range from 1.25 for nickel-cadmium batteries and 3.5 V in lithium batteries. With the increase of discharge rate battery capacity decreases (see figure), with a minimum degree of a Ni-Cd and Ni-MH batteries. Capacity is also reduced at lower temperatures. The greatest decrease in capacity at low temperatures observed in the nickel-iron batteries and a minimal decrease — a nickel-cadmium with sintered electrodes and lead-acid batteries. High power density can be obtained from the nickel-cadmium batteries, lead acid (sealed and starter), nickel-zinc and silver-zinc batteries. Low power density are nickel-iron batteries. The specific mass energy is minimal for lead-acid batteries and lithium batteries at a maximum. Greatest operating time are nickel-hydrogen batteries, low-resource characterized by the silver-zinc and nickel-zinc batteries. It should be noted that as the cycling of reduced capacity, voltage and energy density of batteries, respectively, and the rate of decrease in specific energy for different batteries are significantly different. At least reduced the capacity and energy cycling in Ni-Cd batteries. Operating time depends on many factors and primarily on the depth of discharge. The highest self-discharge rate is observed in nickel-hydrogen and nickel-iron batteries, the lowest — in silver-cadmium and silver-zinc batteries. The most expensive lead-acid batteries belong to the most expensive — nickel-hydrogen, silver-cadmium and silver-zinc batteries.
Russian portal about alternative energy and eco technology

Читайте также:  Лодочный аккумулятор sebang marine

Источник



Какие бывают аккумуляторы в мобильной, компьютерной и бытовой технике

Аккумуляторы окружают нас повсеместно. Их можно встретить как в привычных каждому пользователю мобильных гаджетах, так и в сложных системах резервного электропитания. В каждой из областей используется свой тип аккумуляторной батареи, в которой ее характеристики «раскрываются» наилучшим образом. В данном материале поговорим о типах аккумуляторных элементов, областях применения и основных правилах эксплуатации.

Аккумуляторы. Общие принципы

По историческим меркам аккумулятор — довольно «молодое» изобретение, которому немногим более 160 лет. Основной принцип работы любого аккумуляторного элемента — протекание в нем обратимой электрохимической реакции, т. е. при приложении к контактам элемента постоянного напряжения, на его пластинах (электродах) накапливается электрическая энергия, при приложении нагрузки — происходит ее расходование. Причем протекает такая реакция на протяжении большого количества циклов заряда/разряда. Как правило, возможное количество перезарядок зависит от типа аккумуляторного элемента, но в среднем, современный аккумулятор способен обеспечить 300–1000 полных циклов.

Работоспособным считается аккумулятор, остаточная емкость которого составляет 70–80 % от начальной. Элементы с меньшими показателями остаточной емкости считаются непригодными для дальнейшей эксплуатации, поскольку не могут обеспечить расчетную автономность.

Какого бы типа не был аккумулятор, костяк конструкции и основной принцип действия у них остается неизменным. В каждом аккумуляторе есть два электрода (положительный и отрицательный, иначе именуемые анод и катод), погруженные в специальную среду — электролит, являющуюся прекрасным «поставщиком» ионов вследствие электролитической диссоциации.

Ион — атом или молекула, несущая на себе электрический заряд. Если ион положительно заряжен — его называют катион, если отрицательно — анион.

В зависимости от используемого материала электродов и применяемого типа электролита существуют различные вариации аккумуляторных элементов, каждый из которых имеет свои конструкционные и эксплуатационные особенности. Ниже поговорим о наиболее распространенных типах аккумуляторов, сферах их применения и особенностях эксплуатации.

Свинцовые аккумуляторы

Несмотря на преклонный возраст технологии, свинцовые аккумуляторы до сих пор успешно применяются в системах резервного питания, автомобильном транспорте, системах аккумулирования возобновляемых источников энергии (солнечная и ветряная энергетика, гидроэнергетика и т. д.).

Как видно из названия, в качестве основного материала, из которого изготавливают электроды, выступает свинец. Точнее, для производства положительных электродов — просто свинец, а для изготовления отрицательных электродов — оксид свинца. В качестве электролита, как правило, выступает раствор серной кислоты.

Существует большое количество конструкций свинцового аккумулятора, направленных на улучшение его эксплуатационных характеристик. Поскольку свинец сам по себе достаточно мягкий металл с невысокой физической прочностью, в чистом виде он слабо противостоит вибрационным нагрузкам, поэтому для использования аккумуляторов, например, в транспорте, в сплав свинца добавляют кальций, делающий структуру металла более прочной.

Для использования свинцового аккумулятора в источниках бесперебойного питания, дабы не допустить контакт пользователя с кислотой, исключить необходимость обслуживания, а также не создавать условия для взрыва водорода, выделяемого из АКБ, при ее заряде, используют свинцовые аккумуляторы определенного типа. Такими аккумуляторами являются источники питания типа AGM (Absorbent Glass Mat), в которых абсорбированным электролитом (не жидким) пропитан специальный пористый мат из стекловолокна.

Довольно часто свинцовые аккумуляторы, выполненные по технологии AGM, ошибочно называют гелевыми. На самом деле это не так. Гелевые аккумуляторы — отдельная ветвь развития свинцовых источников питания.

Аккумуляторы, электролитом в которых выступает раствор серной кислоты в желеобразном состоянии, называются гелевыми. Они рассчитаны на медленную отдачу энергии, поэтому основная область их применения — использование в инертных системах накопления и расходования электроэнергии (солнечная энергетика, питание моторов кресел для инвалидов, гольф-каров и т. д.).

К неоспоримым преимуществам свинцовых аккумуляторов относятся их невысокая стоимость и возможность работы в широком диапазоне температур окружающей среды (от — 40 до + 40 ° С).

Один свинцовый аккумуляторный элемент выдает напряжение порядка 2 В и способен выдать удельной энергии из расчета 30–60 Вт*ч с 1 кг массы, что в сравнении с другими типами — достаточно мало. Такие аккумуляторы имеют высокие значения саморазряда, а их глубокий разряд приводит к разрушению и осыпанию пластин электродов и безвозвратной порче аккумулятора.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Следующим типом аккумуляторных элементов, активно использующихся во многих сферах, являются никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd). Их можно встретить в детских игрушках, пультах управления, фонариках, ручном аккумуляторном электроинструменте и т. д.

Конструкция элемента не претерпела изменений, только в качестве материала для изготовления электродов используются никель и кадмий, а точнее гидраты закиси этих металлов. В качестве электролита применяют гидроксид калия. Один элемент на основе этих металлов может выдать напряжение 1,2–1,35 В, а значение удельной энергии находится в диапазоне 40–80 Вт*ч/кг.

Никель-кадмиевые аккумуляторы — одни из самых морозоустойчивых. Они работают без существенной потери своей емкости при температурах, близких к –50 ° С, к тому же, абсолютно не боятся глубокого разряда, и после цикла зарядки полностью восстанавливают свои эксплуатационные характеристики.

Хранить NiCd аккумуляторы рекомендуется полностью разряженными.

К отрицательным моментам относят их малую удельную емкость, высокий саморазряд, длительное время зарядки (восполнять энергию нужно малыми зарядными токами) и ярко выраженный «эффект памяти».

Чтобы не испортить аккумулятор, его необходимо заряжать только после полного разряда! Пренебрежение этим правилом повлечет быструю потерю емкости и выход элемента из строя.

Заряжают NiCd-элементы малыми зарядными токами, значения которых составляет порядка 10 % от емкости аккумулятора.

Никель-металлогидридные аккумуляторы

Логическим продолжением никель-кадмиевых аккумуляторов стали никель-металлогидридные (NiMH) элементы питания. В них учтены и практически устранены недостатки предшественников. Аккумуляторы при тех же массогабаритных показателях имеют большую в 2–3 раза емкость, обладают высокой надежностью, с легкостью переносят глубокий разряд и перезаряд, менее подвержены эффекту памяти.

Немаловажную роль в популяризации и широком распространении NiMH элементов сыграл тот факт, что они не содержат в своем составе кадмия, очень вредного для окружающей среды металла. Следовательно, с повестки дня снимаются вопросы правильного хранения и утилизации таких элементов.

Для производства анода используют гидрид никеля с лантаном или литием — так называемый металлогидридный электрод. В качестве катода — оксид никеля. Электролитом выступает соединение гидроксида калия.

Читайте также:  Аккумулятор для часов 3 вольта

Заряжают никель-металлогидридные аккумуляторы большими (в сравнении с NiCd-элементами) токами, величины которых составляют порядка 20–25 % от емкости аккумулятора, но очень важно контролировать температуру элемента во время заряда. Если она превышает 45 °С, нужно немедленно прервать процесс зарядки, в противном случае существует риск порчи элемента.

Зарядку для NiMH-аккумуляторов можно использовать в паре с NiCd-элементами. Обратная совместимость недопустима! Алгоритмы зарядки никель-кадмия более примитивны, они могут причинить вред NiMH-элементу.

Никель-металлогидридные аккумуляторы хранят полностью заряженными. Поскольку этому типу элементов присущ высокий саморазряд, для сохранения работоспособности элемента его нужно периодически подвергать полному циклу разряда/заряда.

Никель-металлогидридные аккумуляторы используют в тех же сферах, что и никель-кадмиевые, однако, благодаря повышенной емкости, их охотно применяют в фототехнике, использующей для питания элементы типа АА и ААА.

NiMH элементы — самые морозоустойчивые. Они без проблем переносят эксплуатацию при экстремально низких температурах, достигающих -60 °С. По этой причине их довольно успешно применяют в электроинструменте, используемом при выполнении работ на открытом воздухе в зимнее время.

Один элемент генерирует 1,2–1,25 в ЭДС, а его удельная энергия составляет 60–75 Вт*ч/кг. Теоретический расчетный «потолок» этого параметра находится на уровне 300 Вт*ч/кг, но видимо технологии производства NiMH-элементов, еще не до конца совершенны.

Литий-ионные аккумуляторы

Современные мобильные устройства уже сложно представить без литий-ионных аккумуляторов. Именно их разработка дала мощный толчок к развитию легких и миниатюрных решений источников питания, и, как следствие, миниатюризации всего сегмента мобильных гаджетов.

Сильными сторонами Li-ion являются высокая плотность аккумулируемой энергии, ее удельное значение, в большинстве случаев, составляет солидные 280 Вт*ч/кг, недостижимые при использовании аккумуляторов другого типа. Именно по этой причине Li-ion аккумуляторы используются не только для питания персональных гаджетов, но и для приведения в движение различных самокатов, велосипедов с электродвигателем и даже автомобилей.

Справедливости ради следует сказать, что «литий-ионный аккумулятор» — это обобщенное название целой группы электрохимических элементов, переносчиком заряда в которых выступают ионы лития. Разница заключается в составе материала катода и типе электролита.

Наибольшее распространение в бытовом сегменте получили литий-полимерные аккумуляторы, в которых в качестве электролита используется специальный твердый полимер, а катодный и анодный материал нанесены на тонкие слои алюминиевой и медной фольги соответственно. Такое конструктивное решение позволяет производить аккумуляторы любой формы и размера, изящно «вписывая» их в разрабатываемые устройства.

Существенный недостаток твердого полимера — его плохая проводимость при нормальной температуре окружающей среды (+ 25 °С). Наилучшие показатели достигаются при увеличении температуры до + 60 °С, а это уже опасно с точки зрения обычного использования. Поэтому производители идут на небольшие ухищрения, добавляя к полимеру электролит в жидком или желеобразном состоянии.

Существенное отличие конструкции литий-ионных аккумуляторов от традиционной конструкции заключается в обязательном наличии разделительного сепаратора, исключающего свободное перемещение ионов лития, в моменты, когда аккумулятор не используется.

Другой элемент, который должен обязательно присутствовать в схеме аккумулятора — BMS-контроллер (Battery Management System), отвечающий за корректную и сбалансированную зарядку ячеек аккумулятора.

Li-ion аккумуляторы при высокой удельной емкости обладают малым весом. Для их зарядки нужно не так уж много времени. У них практически отсутствует эффект памяти и саморазряд. К аккумуляторам литий-ионного типа не предъявляется особых требований к соблюдению циклов заряда/разряда. Заряжать их можно в любое удобное время, не привязываясь к величине остаточного заряда элемента. Хранить Li-ion батареи рекомендуется наполовину заряженными.

Самым существенным недостатком литий-ионного элемента является его категорическое «нежелание» полноценно работать при отрицательных температурах. Эксплуатация литиевого элемента на морозе очень быстро приблизит его выход из строя.

Источник

Аккумуляторы: энергия движения вперед

Современное развитие технологий тесно связано с совершенствованием аккумуляторов. Будь то электромобили, новые портативные устройства или, что известно в основном специалистам, системы бесперебойного питания. В то же время, наблюдается один любопытный парадокс: электромобили ставят новые рекорды, меняются стандарты мобильной связи, а мы по-прежнему, как и 15 лет тому назад, пользуемся свинцово-кислотными, никель-кадмиевыми, никель-металгидридными и литий-ионными аккумуляторами. Тем не менее, разработаны новые типы аккумуляторов, которые в ближайшее время придут на смену привычным. Некоторые из них уже серийно производятся.

Основной проблемой при эксплуатации аккумуляторов является неполная обратимость химических процессов, в результате которых в устройстве накапливаются побочные продукты. В результате, имеет место так называемый «эффект памяти», когда при неполной разрядке аккумулятора емкость последующего заряда снижается. Особенно этому подвержены никель-кадмиевые аккумуляторы. «Эффект памяти» присутствует, пусть и в меньшей степени, в никель-металл-гидридных, а также, как показывают современные исследования, и в литий-ионных аккумуляторах. Вот почему для применений, где аккумулятор регулярно подзаряжается, не полностью разряжаясь перед этим (альтернативная энергетика, источники бесперебойного питания), до сих пор используются свинцово-кислотные аккумуляторы.

Другой проблемой, почему свинцово-кислотные аккумуляторы нельзя так просто заменить на никель-металгидридные или литий-ионные, является напряжение одного элемента. Никель-кадмиевые и никель-металгидридные аккумуляторы дают напряжение 1,2 В, для получения напряжения 12 В, которое нужно для огромного количества применений, требуется 10 элементов. В итоге батарея получается громоздкая и ненадежная. Литий-ионный аккумулятор дает напряжение 3,6 В, если соединить последовательно 3 элемента, то получится 10,8 В, а если 4, то 14,4 В. И то, и другое напряжение далеко от требуемых 12 В.

Никель-натрий-хлоридные

Современной заменой свинцово-кислотных могут стать никель-натрий-хлоридные (никель-солевые) аккумуляторы. Опытные образцы данного типа аккумуляторов были созданы еще в 60-х годах XX века, но серийное производство было начато только в 1998 году. В этих аккумуляторах катод выполнен из металлического натрия, электролитом является расплавленный хлорид натрия (то есть поваренная соль), анодом — проволока из никеля. Электролит находится в керамическом стакане-сепараторе из корунда (Бета-глинозем). При заряде хлорид натрия вступает в реакцию с никелем, образуя хлорид-никеля, в результате высвобождается два иона натрия. Проходя через керамический сепаратор, ионы натрия аккумулируются на внешней его стенке.

При разряде аккумулятора электроэнергия вырабатывается за счет восстановления хлорида натрия и никеля. В процессе заряда и разряда не образуются какие-либо побочные продукты, эти процессы полностью обратимы. Никель-натрий-хлоридные аккумуляторы имеют ЭДС около 2,6 В. Соединив последовательно 5 элементов, можно получить батарею напряжением 13 В, что всего лишь на 3% превосходит номинальное напряжение вмнцово-кислотного аккумулятора без нагрузки (12,6 В). Это значительно упрощает процесс переходы на новые аккумуляторы.

Недостатком никель-натрий-хлоридных аккумуляторов является то, что для нормальной работы внутри их должна поддерживаться высокая температура (около +250°С). Причем количество циклов нагрева-охлаждения ограничено. Типичный никель-солевой аккумулятор на момент написания статьи выдерживал всего 50 циклов нагрева-охлаждения. Из- за этого применение аккумуляторов данного типа возможно лишь в установках, регулярно получающих электроэнергию, что позволяет постоянно поддерживать высокую температуру. Это могут быть системы аккумулирования электроэнергии на солнечных электростанциях или же системы бесперебойного электропитания промышленного масштаба.

Собственная удельная энергоемкость никель-натрий-хлоридных аккумуляторов составляет 140 Вч/кг. Но из-за необходимости термоизоляции аккумуляторной батареи, а также размещение непосредственно в ней некоторых электронных управляющих узлов реальная энергоемкость данного типа аккумуляторов составляет 90 Втч/кг. Но это все равно в 3 раза выше, чем у свинцовокислотных аккумуляторов. Количество циклов заряда-разряда при уменьшении емкости на уровне не менее 80%, достигает 3000. Если предположить, что аккумулятор установлен на солнечной электростанции, накапливая энергию днем и отдавая ее в сеть ночью, то он проработает более 8 лет. Для сравнения, емкость литий-ионного аккумулятора уменьшается до 80% от первоначального значения примерно за 600 циклов заряда-разряда.

Читайте также:  Как клеить аккумулятор айфона 5s

Серно-натриевые

В аккумуляторах этого типа анод выполнен из натрия, электролитом является алюминат натрия, катодом — элементарная сера в смеси с графитом. Этот тип аккумуляторов был изобретен еще в начале 70-х годов XX века. Большой вклад в разработку серно-натриевых аккумуляторов внесли советские ученые, наряду с исследователями из Великобритании и Франции. В серно-натриевых аккумуляторах электроэнергия вырабатывается за счет взаимодействия натрия с серой, в результате чего образуется полисульфид натрия. При зарядке происходит реакция восстановления натрия.

Существует несколько вариантов конструкции серно-натриевых аккумуляторов. Общей проблемой, не решенной полностью до сих пор, является разрушение электролита при попадании в его поры жидкого натрия. В настоящее время ведутся работы по уменьшению размера пор в твердом электролите, что, как ожидается, позволить снизить данный негативный эффект.

ЭДС одного элемента серно-натриевого аккумулятора равно 2,1 В, то есть точно такое же, как и у свинцово-кислотного аккумулятора. Главное преимущество серно-натриевых аккумуляторов заключается в исключительно высокой удельной емкости. У реальных образцов этот показатель достигает 350 Втч/кг, что выше, чем у литий-ионных аккумуляторов. Теоретический же предел составляет 795 Втч/кг. Поэтому серно-натриевые аккумуляторы считают перспективным источником тока для электромобилей.

В то же время, серно-натриевым аккумуляторам свойственен тот же недостаток, что и никель-соляным: необходимость в поддержании высокой температуры. Причем ситуация с этим у серно-натриевых аккумуляторов еще хуже — требуется температура не менее 300°С. Здесь уже всерьез встают вопросы пожарной безопасности. Поэтому серно-натриевые аккумуляторы пока не нашли широкого применения и выпускаются лишь небольшими партиями. Для источников бесперебойного питания и альтернативной энергетики удельная емкость не так важна, как пожарная безопасность, для электромобилей же серно-натриевые аккумуляторы недостаточно доработаны. Сернонатриевые аккумуляторы выпускаются пока только небольшими партиями и их использование до сих пор носит экспериментальных характер.

Литий-железо-фосфатные

Данный тип аккумулятора является, на самом деле, разновидностью литий-ионного и работает на аналогичном принципе. Отличие заключается в катоде из LiFeP04 вместо кобальтата лития или литиево-марганцевой шпинели в традиционных литий-ионных аккумуляторов. Тем не менее, замена материала катода привела к настолько существенному изменению параметров, что литий-железо-фосфатные аккумуляторы часто рассматривают как отдельную категорию источников питания. Замена электродов позволила активизировать литиево-ионный обмен между электродами, что и стало причиной значительного улучшения характеристик.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы были изобретены в 1996 г. Массовое производство таких аккумуляторов было развернуто в 2008 г.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы могут в перспективе найти свое применение в альтернативной энергетике и источниках бесперебойного питания.

Перспективные типы аккумуляторов

Литий-серные

Перспективный тип аккумуляторов, создан в 2004 году. Является дальнейшим развитием идей, заложенных в литий-ионных аккумуляторах. Опять-таки, параметры повышаются за счет применения другой конструкции катода. В литий-серных аккумуляторах он представляет собой жидкость, содержащую серу, что позволило увеличить максимальную плотность тока. При зарядке сера и литий превращаются в сульфид лития, при разрядке происходит обратный процесс разложения сульфата на серу и литий. Литий-серные аккумуляторы дают напряжение около 2,1 В, такое же, как у свинцово-кислотных аккумуляторов.

Существующие образцы литий-серных аккумуляторов имеют удельную емкость до 400 Втч/кг, теоретически же удельная емкость таких аккумуляторов может достигать 2600 Втч/кг. Аккумулятор полностью безопасен, вероятность взрыва или возгорания при эксплуатации практически отсутствует. Благодаря этому аккумулятор можно сделать очень простым и легким по конструкции благодаря отсутствию систем защиты. Неудивительно, что именно литий-серные аккумуляторы используются в экспериментальных самолетах с питанием от солнечных батарей.

Основная проблема массового применения литий-серных аккумуляторов связана с тем, что при зарядке-разрядке объем электродов изменяется на 76%. Это приводит к механическим деформациям в аккумуляторе, из-за чего количество циклов заряда-разряда не превышает 100. Для экспериментальных полетов это вполне нормально, но, скажем, для электромобиля является непозволительной роскошью. Кроме этого, в одной партии литий-серных аккумуляторов наблюдается большой разброс емкостей.

В 2013 году был создан экспериментальный прототип литий-серного аккумулятора с катодом из композитного материала, включающего в себя графен и серу. Благодаря этому удалось увеличить количество циклов заряд-разряд до 1500. Но пока технология недостаточно проработана, чтобы такие аккумуляторы выпускались серийно.

Вывод

Наиболее вероятными кандидатами на замену традиционных типов аккумуляторов сейчас могут считаться литий-железо-фосфатные аккумуляторы. Они могут применяться в таких сферах, как альтернативная энергетика, источники бесперебойного питания, транспортные средства. Никель-натрий-хлоридные аккумуляторы в ближайшее время останутся «нишевым» решением для крупных солнечныхмэлектростанций, а также для обеспечения бесперебойного питаниямобъектов с большим энергопотреблением. Литий-серные аккумуляторы перспективны для транспортных средств, так и для мобильных устройств. Но для их широкого использования потребуется увеличить количество циклов заряд-разряд и уменьшить разброс параметров при серийном производстве.

Источник

Какой аккумулятор лучше, литиевый или свинцовый

Какой аккумулятор лучше, литиевый или свинцовый

Статья обновлена: 2020-12-17

Статья обновлена: 29.10.2020

Свинцово-кислотные батареи были разработаны еще в 1850-х годах, но по-прежнему используются в различных сферах. На смену обслуживаемым моделям в 1970-х годах пришли герметичные свинцово-кислотные батареи, не требующие обслуживания. Сейчас широко используются разработки с абсорбирующим стеклянным матом (AGM) и гелевым электролитом (GEL или VRLA).

В 1980-х годах у батарей на основе свинца появился солидный конкурент – литий-ионные АКБ. Вначале они производились с катодом на основе оксида кобальта. Со временем появились варианты с другими типами химии: с добавлением никеля, марганца, кобальта, алюминия, литий-железо-фосфатные, литий-титанатные и др. В будущем ожидается, что Li-ion аккумуляторы полностью вытеснят устаревших конкурентов. Но пока для многих покупателей остается актуальным вопрос, что выбрать: литиевый аккумулятор или свинцовый?

Виды аккумуляторных батарей

Свинцовые и литиевые аккумуляторы включают в себя несколько подвидов. Каждый из них отличается от аналогов технологией производства и техническими характеристиками. Рассмотрим основные типы АКБ с их особенностями:

  1. СКА с жидким электролитом (WET) – тяжелые обслуживаемые батареи. Они недорогие, способны работать на морозе, выдерживают до 1000 рабочих циклов. Обратная сторона медали – тяжелый вес, необходимость строго вертикального расположения, пожароопасность, долгая зарядка в специальном помещении с интенсивной вентиляцией, невозможность использования в жилых или слабо вентилируемых помещениях.
  2. СКА с абсорбированным электролитом (AGM) – необслуживаемые модели. В числе их преимуществ – безопасность и простота использования, морозоустойчивость (до -30 °С), стойкость к вибрациям, возможность наклона или переворачивания на бок. Но модели типа AGM боятся глубоких разрядов и недолговечны – выдерживают около 400 рабочих циклов. Тем не менее, они подходят для применения в буферном режиме и для организации резервного электропитания.
  3. Гелевые – необслуживаемые модели, устойчивые к глубоким разрядам и рассчитанные на 700 циклов заряд-разряд. Допускают переворачивание, часто используются в роли тяговых АКБ для лодочных электромоторов. Они дороже WET или AGM аккумуляторов, но в эксплуатации более практичны.
  4. Литий-ионные – необслуживаемые АКБ с высокой плотностью энергии на единицу массы, большим циклическим ресурсом и широким диапазоном рабочих температур. В обширную группу Li-ion аккумуляторов входят модели с различным химическим составом, отличающимися значениями емкости, напряжения, допустимых токов. Всем им характерна высокая надежность, малый саморазряд, работоспособность в широком температурном диапазоне и отсутствие вредных выбросов.
  5. АКБ LiFePo4 48 Вольт 16S1P (40-58,4В) 1,5 А*ч-200 А*ч фотоЛитий-железо-фосфатные (LiFePO4) – один из лучших подвидов Li-ion аккумуляторов. Отличается высокими разрядными токами, ресурсом более 2000 циклов и максимальной безопасностью использования. LiFePO4 аккумуляторы термически и химически стабильны, отлично держат заряд, сохраняют характеристики на морозе и эффективны в роли тяговых АКБ.

Сравнение свинцовых и литиевых АКБ

Технология производства влияет на характеристики АКБ, определяет их преимущества и недостатки. Чтобы выяснить, батарея какого типа больше соответствует конкретным требованиям, нужно сопоставить их отличия. Сравнение по основным параметрам приведено в таблице:

Источник