Меню

Аккумуляторы как источники электроэнергии

Аккумуляторы как источники электроэнергии

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.

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



Аккумулятор для дома

Электричество – источник питания окружающих человека приборов и устройств, делающих жизнь в современном жилье полноценной и комфортной. Централизованное снабжение электрическим током, как и любая коммуникация, может быть подвержено авариям. Отключение света нарушает налаженный ритм жизни в доме. Резервное электроснабжение позволяет избежать досадных ситуаций, когда перестают работать компьютер, телевизор, и отключается свет.

Батарея для ИБП

Устройство бесперебойного электроснабжения для дома

Источником аварийного бесперебойного питания электроэнергией служат аккумуляторы для дома. Особенно актуально резервное электроснабжение для загородных домов и дач, которые находятся вдали от централизованной электросети. Немаловажное значение имеет установка аккумуляторов в тех жилищах, которые часто остаются без света.

Домашние аккумуляторные батареи, обеспечивающие бесперебойное питание внутренней электросети, по своему принципу работы схожи с автомобильными АКБ. В отличие от них, домашнее электрооборудование рассчитано на режим глубокой разрядки. Это увеличивает время пользования электрическим током до очередной зарядки батареи.

Резервное питание электроэнергией может представлять собой несколько батарей, соединённых, как параллельно, так и последовательно. Их размещают в отдельных помещениях энергоёмких зданий.

Для квартиры, где нужна небольшая мощность тока, устанавливают ИБП (резервное электроснабжение). В корпус прибора встроен аккумулятор. Устройство располагает опциями контроля и управления энергетическими потоками. Вся информация о разряде АКБ отражается на жидкокристаллическом дисплее.

Виды домашних аккумуляторов

Для обеспечения аварийного питания внутренней электросети дома используют четыре вида аккумуляторных источников электроэнергетики:

  1. Кислотно-свинцовые АКБ.
  2. Гелевые батареи.
  3. AGM аккумуляторы.
  4. Никель-кадмиевые АКБ.

Кислотно-свинцовые АКБ

Самые распространённые аккумуляторы для ИБП по своему устройству ничем не отличаются от автомобильных батарей. В банках АКБ расположены свинцовые пластины, залитые электролитом (водным раствором серной кислоты).

Внимание! Хранить большие кислотно-свинцовые АКБ следует в отдельных помещениях с хорошей вентиляцией. Дело в том, что в процессе разрядки батареи выделяют газ, вредный для здоровья человека.

К недостаткам таких устройств нужно отнести то, что они требуют постоянного обслуживания (контроль уровня электролита и восполнение его падения дистиллированной водой).

Гелевые батареи

В электролит добавляют элементы кремния, в результате он приобретает форму геля (застывший пористый раствор из серной кислоты и силикагеля). Густая структура геля не даёт разрушаться электродам, что значительно увеличивает срок службы АКБ. Преимуществом такой батареи является то, что эксплуатировать аккумулятор можно в любом положении, не боясь вытекания электролита.

Гелевая батарея

Гелевые аккумуляторы отличаются большим временным промежутком хранения заряда. Они хорошо служат для освещения, маломощных бытовых приборов (компьютеров, телевизоров и прочего). В то же время ИБП с такими АКБ не могут обеспечить большой ток для питания мощного оборудования (электродвигатели различного назначения).

Важно! Нельзя допускать перегрев гелевой батареи – она может взорваться. Нужно обеспечить контроль температуры корпуса АКБ.

Читайте также:  Как зарядить аккумулятор автомобиля зарядным устройством орион pw270

Батареи этого вида долговечны. Они выдерживают от 600 до 800 циклов заряда – разряда. Специалисты рекомендуют их использовать в резервировании питания для светильников, ПК, ТВ и маломощных кухонных приборов: миксеров, комбайнов и кофемолок.

AGM аккумуляторы

Аббревиатура AGM сложилась из начальных букв Absorbent Glass Mat, что означает влагопоглощающие стеклянные маты. В последнее время батареи AGM завоёвывают передовые позиции на рынке аккумуляторов. Суть их конструкции состоит в том, что раствором серной кислоты пропитывают капиллярные синтетические маты, которые помещают между свинцовыми пластинами.

Пластины изготовляют из свинца высокой химической чистоты с добавками кальция и сурьмы. Присадки предотвращают разрушение электродов, что значительно увеличивает срок службы аккумуляторов.

Некоторые AGM устройства имеют спиральное расположение матов. Такое решение позволяет значительно увеличить контактную площадь для протекания химических реакций, что повышает КПД батарей.

AGM аккумулятор

AGM аккумуляторы занимают большой объём в производимой продукции таких брендов, как Bosh, Delta, Fiamm и др.

Никель-кадмиевые АКБ

Аккумуляторы настоящего типа уступают другим видам батарей в величине ёмкости. Это пальчиковые батарейки и крупные бочонки. Их соединяют никелевой полосой в блоки точечной сваркой. Ими заполняют корпуса ИБП, предназначенные для бесперебойного питания портативной техники и стационарных компьютеров.

Блок никель-кадмиевых батарей

Заряжают никель-кадмиевые аккумуляторные блоки в корпусе ИБП, который подключают к бытовой электросети. Также восполняют потенциал в отдельных специальных зарядных устройствах.

Источники зарядки домашних аккумуляторов

Резервный домашний источник тока частного дома нуждается в регулярной зарядке. При отключении электричества аккумуляторы автоматически переходят в режим разряда. По истечении определённого времени оборудование будет нуждаться в зарядке.

Питание для зарядки АКБ обеспечивают несколькими способами:

  • электрическая сеть;
  • генераторы;
  • солнечные батареи;
  • ветровые генераторы.

Электрическая сеть

При наличии автономной системы энергоснабжения используют аккумуляторы для частных домов при отключении электричества. Источник бесперебойного питания мгновенно реагирует на отказ сетевого электропитания, в работу включаются АКБ.

После восстановления работы электросети ИБП переходит в режим зарядки батарей. Электронная промышленность производит различные модели зарядных устройств. На входе встроенный инвертор переменный ток делает постоянным, а на выходе ток становится снова переменным. Это происходит потому, что АКБ должна получать постоянный зарядный ток.

Генераторы

Для домов, стоящих вдалеке от централизованного энергоснабжения, используют генераторы, которые снабжают электрическим током внутренние электросети. Все виды генераторов (газовые, на жидком топливе) производят громкий шум. Поэтому их используют одновременно, как поставщика электроэнергии напрямую, так и для питания зарядных устройств ИБП.

Генератор включают на время зарядки аккумуляторных батарей. Затем заряженные АКБ переходят в режим разрядки, генератор прекращает свою работу.

Солнечные батареи

В последнее время появились новые платформы солнечных батарей с большим КПД. В районах, где большое количество солнечных дней в году, солнечные батареи эффективно справляются с электроснабжением и резервным питанием для домов вместо генераторов.

Преимущество фотомодулей состоит в том, что их можно приобретать отдельными фрагментами. Постепенно приобретая новые модули, наращивают мощность потребляемого тока. Объединение в одну систему электроэнергетики фотопанелей с аккумуляторами даёт выгоду в том, что электропитание в солнечные дни обеспечивает солнечная батарея, в пасмурную погоду и ночные часы включаются в работу АКБ.

Ветровые генераторы

Ветровые установки обладают малой энергоёмкостью. Как правило, для обеспечения электроэнергией частного домостроения ставят несколько установок, вплоть до нескольких десятков. Позволить такие устройства может только финансово обеспеченный хозяин коттеджа. Как и в случае солнечных батарей, ветровые генераторы работают в одной системе с домашними АКБ.

Устройство ИБП

Источники бесперебойного питания в просторечии называют бесперебойниками. Принципиальное строение агрегата состоит из аккумуляторных батарей и электронной начинки. Электроника включает в себя инверторы, выпрямители, фильтры и микросхемы, гасящие различные возмущения в электросети. В дорогих моделях имеется байпас.

Характеристики АКБ определяют возможности прибора. В основном применяются свинцово-кислотные батареи. Средние показатели параметров равняются 12 В напряжения, ёмкостью от 7 до 9 А/ч. Все аккумуляторы абсолютно герметичны и являются необслуживаемым оборудованием. В небольших моделях устанавливается одна батарея, в мощных приборах их количество может любым.

Виды ИБП

ИБП бывают трёх видов:

  1. Резервные.
  2. Линейно-интерактивные.
  3. Онлайн модели.

Резервные

Энергоснабжение проходит от сети через ИБП к потребителям. Как только электрический поток прекращается, прибор переключается в режим разряда аккумулятора. В момент возобновления сетевого питания бесперебойник передаёт энергию во внутреннюю сеть дома, часть импульса направляет на подзарядку АКБ. Время переключения режимов энергоснабжения составляет несколько миллисекунд, что исключает потерю данных во время работы компьютера.

Внутреннее устройство ИБП

Дополнительная информация. Использование таких установок вполне приемлемо для домашней техники. Для энергоёмкого силового оборудования (насосы, отопительные котлы и пр.) резервные модели не годятся. ИБП не гарантирует сохранения стабильности синусоидальной формы напряжения.

Линейно-интерактивные

Принцип работы и устройство интерактивного источника схожи с резервной моделью. Отличие заключается в том, что линейно-интерактивные ИБП оснащены коммутирующими устройствами. Приборы не нуждаются в переключении режимов питания при отклонении нормативного показателя входного напряжения до 20%. При этом показатель выходного напряжения практически остаётся неизменным.

Линейно-интерактивный ИБП

Онлайн модели

Онлайн оборудование считается самым надёжным и высококлассным ИБП. В него заложен принцип двойного преобразования. Уровень защиты практически составляет 100%. Работа устройства заключается в следующем:

  • входящий ток проходит через выпрямитель, становясь постоянным;
  • инвертор возвращает энергию обратно в переменный ток с идеально ровным напряжением;
  • внутренняя резервная линия – байпас, страхует бесперебойное питание в случае выхода из строя основной линии ИБП.

Время переключения режимов стремится к нулю. Такой источник называют «онлайн», то есть перерыва в его работе не существует.

К недостаткам онлайн ИБП следует отнести их высокую стоимость, а также снижение КПД электросилы из-за двойного преобразования характеристик тока. Потери потенциала по отношению к абсолютной величине КПД довольно незначительны.

Сам по себе аккумулятор без такого прибора, как ИБП, не может стать автономным гарантом бесперебойного энергоснабжения дома. Для того чтобы выбрать подходящую модель ИБП, необходимо произвести точный расчёт силы тока, его напряжения и мощности, обеспечивающих работу всех потребителей в доме.

Видео

Источник

Типы аккумуляторов

В этой заметке содержатся общие советы по выбору аккумуляторов для систем с возобновляемыми источниками энергии. В заметке затронуты 3 основные технологии: литий-ионные, никель-металл-гидридные и свинцово-кислотные (AGM, или Gel).

Мы постараемся избегать формул и научных обоснований, просто приведем причины, по которым нужно выбирать тот или иной тип аккумуляторов в зависимости от конкретного применения системы электроснабжения.

Основные типы аккумуляторов

Существует 3 лидирующих технологии аккумуляторных батарей: свинцово-кислотные, щелочные и литий-ионные. Каждая из этих технологий имеет свои уникальные достоинства и недостатки, которые определяют их применение в различных случаях. Смотрите по ссылкам для более подробной информации о каждом из типов аккумуляторов:

  • свинцово-кислотные
    • стартерные (автомобильные)
    • AGM (герметичные)
    • герметичные гелевые
    • герметичные гелевые с трубчатыми электродами (OPzV)
    • заливные с намазными пластинами (серия OPzS)
    • тяговые (обычно с жидким электролитом)
    • карбоновые
  • щелочные
    • никель-железные
    • никель-кадмиевые
    • никель-металгидридные
  • литий-ионные (в последнее время цена на них снизилась и появились аккумуляторы с большим сроком службы — литий-железо-фосфатные)

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Наиболее распространенным типом АБ являются свинцово-кислотные, как с жидким электролитом, так и герметизированные (в последнее время становятся все более популярными вследствие снижения цены).

Специальные батареи с намазными пластинами для использования в системах автономного электроснабжения часто собираются из отдельных аккумуляторов с напряжением 2 вольта, соединенных вместе. АБ меньшей емкости с напряжением 6 и 12 вольт также используются, но реже. Такие батареи выпускаются в основном в Европе и в США. Они сравнительно дорогие. В последнее время на российском рынке появились такие аккумуляторы китайского производства. При практически таких же характеристиках, китайские аккумуляторы значительно (в полтора-два раза) дешевле.

Тяговые аккумуляторы, как с жидким электролитом, так и герметизированные, предназначены для цикличных режимов работы. Аналогичными параметрами обладают и модификации deep cycle (глубокого разряда). Они более подходят для автономных систем энергоснабжения. Они дороже обычных герметизированных АБ, но и срок службы у них больше.

Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы имеют аналогичный принцип действия, как и обычные автомобильные стартерные аккумуляторы. Это наиболее зрелая технология, и по некоторым уникальным параметрам ей до сих пор не найдена замена. Эти аккумуляторы нельзя выбрасывать просто на свалку, так как они содержат высокотоксичные свинец и серную кислоту. Однако они очень легко утилизируются и свинец может быть использован повторно. Эти аккумуляторы заряжаются гораздо медленнее, чем другие аккумуляторы (примерна в 5 раз медленнее), но зато в состоянии обеспечивать гораздо больше мощности для питания мощных потребителей.

Самым большим недостатком свинцово-кислотных аккумуляторов является их вес. Из-за этого они имеют наихудшие показатели по удельной плотности энергии. Однако, широкое распространение элементов, используемых в этих аккумуляторах и простота их производства обуславливают не только их широкое применение, но и намного меньшую цену.

Подробно различные типы свинцово-кислотных АБ рассмотрены в статье «Типы свинцово-кислотных аккумуляторов«.

Щелочные аккумуляторы

Кислотный аккумулятор не переносит глубокой разрядки, но не прочь подзаряжаться порциями при каждом удобном случае. Щелочной наоборот, не любит отдавать больших токов, зато токи в количестве примерно 1/10 емкости готов отдавать долго и до изнеможения. То есть полный разряд он не только допускает, но и всячески приветствует (поскольку, если зарядить не разряженный полностью щелочной аккумулятор, он не наберет полной емкости — действует так называемый «эффект памяти», наиболее выраженный у никель-кадмиевых аккумуляторов). Короче, заряжать/разряжать щелочной аккумулятор порциями нельзя — только «от и до». Зато при правильной эксплуатации (помимо зарядки/разрядки она подразумевает промывку банок и замену электролита раз в сезон ) щелочники служат до 20 лет (точнее, 1000-1500 полных циклов). Также, щелочные аккумуляторы плохо заряжаются малыми токами. То есть, ток через них течет, а заряда нет.

Этим объясняется тот факт, что щелочные аккумуляторы не нашли широкого применения в системах автономного электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии. Никель-кадмиевые и никель-металгидридные герметичные батареи могут использоваться в некоторых случаях. Хотя они намного дороже кислотных, зато имеют очень большой срок службы и имеют более стабильное напряжение в процессе разряда. Применяются обычно в переносных или мобильных источниках питания, т.к. позволяют запасать большее количество энергии на кг веса.

NiMh аккумуляторы появились на массовом рынке в 1980-х годах как более экологически чистая альтернатива никель-кадмиевым аккумуляторам. NiCd батареи используют высокотоксичный элемент кадмий в своем составе, и так как массовый бытовой потребитель не особо задумывается об утилизации отработанных аккумуляторов, это представляло большую проблему для окружающей среды. К недостаткам NiMh батарей относится сравнительно высокий саморазряд, который приводит к потере примерно 30% энергии в течение 1 месяца. Они также заряжаются в 2 раза дольше, чем литиевые или никель-кадмиевые аккумуляторы.

Хотя электрические параметры NiMh батарей не такие хорошие, как у NiCd, никель-металлгидридные батареи более стабильны и не так страдают от «эффекта памяти» никель-кадмиевых батарей. Их не нужно полностью разряжать перед зарядом, так как это требуют NiCd аккумуляторы, для предотвращения роста внутренних кристаллов, которые приводят к трещинам корпуса NiCd батареи. NiMh аккумуляторы формата «АА» соответствуют обычным алкалиновым батарейкам, и поэтому наиболее популярны при использовании в цифровых фотоаппаратах и камерах, портативных плеерах, радиоприемниках и фонариках.

Никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы с жидким электролитом дешевле герметичных, но содержат жидкий электролит, выделяют газы при заряде и требуют периодического обслуживания и специального вентилируемого помещения. По стоимости запасенной энергии в цикле заряд-разряд сопоставимы или даже дешевле герметичных свинцово-кислотных батарей.

Мы рекомендуем использовать никель-железные аккумуляторы (обычно их используют в качестве тяговых на электротранспорте, а также на железной дороге) только в одном случае — в составе автономной дизель-аккумуляторной системы, в которой топливный генератор является единственным источником энергии. Из нашего опыта знаем, что свинцово-кислотные АБ не долго держатся в таких системах — глубокие циклы и хронический недозаряд делают свое черное дело. В этих условиях работы можно смириться с такими недостатками щелочных АБ, как невозможность заряда малыми токами (можно от генератора выставить любой, и даже лучше если ток будет большой — быстрее зарядится), эффект памяти (циклы будут как раз глубокие) и низкий КПД заряда. Для генераторной системы эффект памяти не важен — АБ разряжаются как можно сильнее, чтобы запускать генератор как можно реже.

По поводу КПД — если щелочные АБ можно заряжать большим током, то его низкий КПД с лихвой окупится более эффективным режимом работы генератора. Ведь для дозаряда свинцовых АБ требуется долго заряжать их малыми токами, т.е. практически на холостом ходу генератора. А у щелочных ограничения при заряде — это температура аккумуляторов, а также газовыделение.

Читайте также:  Как прокачать новый аккумулятор для телефона

Еще раз подчеркнем, что не для всякой резервной или автономной системы подходят щелочные аккумуляторы. Если есть солнечные батареи или ветроустановки, т.е. источники, которые выдают разные токи, в т.ч. и малые, щелочные аккумуляторы ставить смысла нет — энергия малых токов будет просто теряться без пользы.

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы

Это одна из наиболее новых технологий, которая развивается быстрее других. Существуют несколько вариаций химических процессов литий-ионных технологий, но их обсуждение здесь не затрагивается. Литий-ионные аккумуляторы широко применяются в малых электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, гаджеты и аудиоплееры, электронные часы, карманные компьютеры и ноутбуки. Эти аккумуляторы очень хорошо снабжают малой мощностью в течение длительного времени. Они имеют очень высокую удельную плотность заряда, что значит они могут хранить значительное количество электрической энергии в малом объеме. Однако, такая концентрация энергии приводит в определенной уязвимости литий-ионных батарей.

Химия процесса литий-ионных аккумуляторов требует строгого соблюдения технологии изготовления, и загрязнения при производстве этих аккумуляторов часто приводят к ухудшению качества аккумуляторов. Многие возможно помнят отзыв тысяч ноутбуков Dell и Apple летом 2006 года, когда оказалось, что их аккумуляторы, произведенные Sony, содержат загрязнители, приводящие к их перегреву. Литиевые батареи не переносят перегрев, поэтому часто имеют встроенные электронные схемы, которые обеспечивают их безопасность за счет предотвращения перезаряда — заряд прекращается, если напряжение достигло предельного значения.

Литий-полимерные батареи, которые разработаны в последнее время, являются ‘сухой’ версией литий-ионных батарей. Они лучше себя ведут при высоких температурах (более 25C), а также позволяют изготавливать исключительно плоские батареи, вплоть до толщины кредитной карты. Вследствие особенностей технологии производства, эти батареи очень дороги, и редко их использование оправдано по сравнению с более обычными литий-ионными батареями.

Для систем электроснабжения лучше всего подходят литий-железо-фосфатные аккумуляторы. См. по ссылке подробную информацию по этому типу аккумуляторов. Купить такие аккумуляторы можно в нашем магазине.

В последнее время на российском рынке появились относительно недорогие литий-железо-фосфатные аккумуляторы производства завода Лиотех. Выпускаемые емкости — от 250 А*ч, поэтому их применение ограничено относительно мощными системами автономного или резервного электроснабжения. Также, есть неоднозначные отзывы об этих батареях.

Одни из новейших разработок — литий-титанатные аккумуляторы. Они имеют срок службы до 25000 тысяч циклов.

Как выбрать правильную батарею?

Итак, главный вопрос — какая батарея наиболее подходит для моего случая? Ответ довольно прост, а предопределяется природой каждой из вышеперечисленных технологий аккумуляторов.

Для маленьких, маломощных электронных устройств

Литиевые аккумуляторы применяются в карманных компьютерах, мобильных телефонах, и т.п. Они обеспечивают быстрый заряд, малый вес и компактные размеры, и не требуют обслуживания. Обычно вы скорее замените свое электронное устройство, чем литиевая батарея выработает своей ресурс.

Автомобильные адаптеры существуют для большинства этих электронных устройств, и эти же адаптеры можно использовать с 12V солнечной батареей (обычно мощностью до 10 Вт).

Для цифровых фотоаппаратов и камер, радиоприемников и фонариков

Здесь применяются NiMh аккумуляторы как замена стандартных алкалиновых элементов типа ‘AA’ или ‘AAA’. Они питают достаточно хорошо вспышки фотоаппаратов, доступны повсеместно и есть очень много зарядных устройств хорошего качества в любом специализированном магазине.

основным недостатком NiMh аккумуляторов является их неспособность сохранять заряд в течение длительного времени. В 2008 году появились новые технологии NiMh батарей, которые преодолевают эти недостатки (например PowerEx Imedion).

Когда дело доходит до заряда АА батарей, появляются много возможностей. Но лучше купить хорошее зарядное устройство. Многие зарядные устройства, которые позволяют быстро заряжать аккумуляторы, приводят к их перегреву. Помните, что оптимальный ток заряда составляет 200-300 мА. Появившиеся в последнее время мощные зарядные устройства с током до 1 А не позволяют полностью заряжать ваши батареи и сокращают их срок службы.

Для солнечных электростанций

Когда нужно сохранить энергию, выработанную солнечными батареями, королями по прежнему являются свинцово-кислотные аккумуляторы. Домашние фотоэлектрические системы используют специальные аккумуляторы глубокого разряда (похожие на аккумуляторы для гольф-каров). Они имеют низкую цену, широко доступны и способны сохранять энергию месяцами при очень малом саморазряде. когда вы инвестируете в солнечные батареи, очень важно не терять так дорого достающуюся электроэнергию. Работа свинцово-кислотных батарей показала в течение многих лет эксплуатации их стабильность и предсказуемость.

Маленькие переносные устройства с солнечными батареями используют маломощные литиевые аккумуляторы для того, чтобы обеспечить их малый вес и не повлиять отрицательно на их дизайн.

Почему не применяются щелочные и метал-гидридные аккумуляторы в солнечных электросистемах, предлагаемых компанией «Ваш Солнечный Дом»?

Химические процессы в литиевых и метал-гидридных аккумуляторах становятся нестабильными при больших размерах батарей. Сложность регулирования и схемы управления сильно возрастает при увеличении емкости литиевых аккумуляторов. Было бы конечно заманчиво иметь батарею намного более легкую, чем свинцово-кислотная, но, к сожалению, сейчас литиевые и металгидридные аккумуляторы наиболее подходят только для маломощных потребителей постоянного тока. Исключение составляют современные литий-железо-фосфатные аккумуляторы. При правильном подборе системы управления зарядом они могут быть заменой свинцово-кислотным аккумуляторам в системах автономного и резервного электроснабжения.

NiMh батареи трудно сделать большими, и максимальная емкость одного аккумулятора из тех, которые есть на рынке, составляет 4 А*ч. При неправильном заряде, NiMh аккумуляторы могут выделять водород . Это не проблема для пальчиковых батарей, но если аккумуляторная батарея довольно большая, то это нужно учитывать при эксплуатации. Также, если NiMh батарея выходит из строя, это происходит практически сразу. т.е. один день она работает хорошо, но на следующий день она может выдать не более 50% емкости — это не очень хорошо, если вы находитесь далеко от электрической розетки.

Литиевые батареи содержать специальные электронные схемы для обеспечения безопасной работы, и которые не позволяют их заряжать слишком быстро или перезаряжать, а также ограничивают разрядные токи. Большинство литиевых батарей не смогут выдать больше, чем их двойная номинальная емкость. Это означает, что самые большие батареи для ноутбука не могут обеспечить более 100Вт мощности. Попробуйте подключить инвертор к 12В литиевой батареи, и он даже не сможет распознать, что к нему подключена батарея. Почти все аккумуляторные батареи на литиевых аккумуляторах не поддерживают даже самые маленькие инверторы, если к ним подключена нагрузка. Также, как и NiMh аккумуляторы, литиевые выходят из строя неожиданно, когда приближается окончание их срока службы. Многие замечали, что их сотовые телефоны неожиданно начинают работать намного меньше, чем совсем недавно. Это также не добавляет уверенности в работе аккумуляторов, если вы уезжаете далеко от электрической розетки, от которой можно в любое время подзарядить аккумулятор.

Поэтому, для использования в автономных системах электроснабжения остаются только «медленные» свинцово-кислотные аккумуляторы. Они имеют большой срок службы, просты в эксплуатации и предсказуемы в работе. Эти батареи работают как резервуары, которые хранят вашу солнечную энергию до тех пор, пока она не понадобится. Они также работают как буфер для тех моментов, когда ваша солнечная батарея не может полностью обеспечить нагрузку. Они могут быть подключены к оборудованию и заряжаться одновременно — в отличие от литиевых аккумуляторов. Даже 7 А*ч аккумулятор, такой как используется в комплекте для ноутбука, может питать ноутбуки, зарядные устройства для батарей, может заряжаться от солнечных батарей и весит не так уж много.

Почитайте разделы по солнечным батареям и по контроллерам заряда, чтобы иметь более ясное представление о том, как работает солнечная энергосистема, какие режимы заряда и разряда необходимы для обеспечения надежного обеспечения энергией вдали от сетей централизованного электроснабжения.

Выбор батарей: итоговые замечания

  • могут обеспечивать до 5000 зарядных циклов
  • Наиболее длительный срок службы при разряде на 80%
  • Могут заряжаться за 1-2 часа
  • Могут работать при минусовых температурах, но заряжать нужно при плюсовых температурах
  • Не могут заряжаться малыми токами
  • Требуют обслуживания, выравнивания и специальной системы управления зарядом и разрядом
  • Саморазряд на уровне примерно 10% в месяц
  • Можно хранить в холодном месте при заряженности не менее 40% от полной
  • Низкая токсичность, но желательно утилизировать после окончания срока службы
  • Могут обеспечить до 3000 зарядных циклов
  • Заряд происходит за 2-4 часа
  • Могут работать при минусовых температурах
  • Не могут заряжаться малыми токами, низкая устойчивость к перезаряду
  • Могут обеспечивать большие токи при мощности до 200Вт (для самых больших NiMh батарей)
  • Требуют периодического обслуживания и выравнивания (каждые 3 месяца)
  • Саморазряд на уровне примерно 30% в месяц
  • Можно хранить в холодном месте при заряженности не менее 40% от полной
  • Низкая токсичность, но желательно утилизировать после окончания срока службы

Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы

  • Могут обеспечить до 3000 зарядных циклов
  • Заряжаются за 8-16 часов
  • Могут работать при минусовых температурах
  • Могут заряжаться малыми токами
  • Не требуют обслуживания, но желательно следить за уровнем заряженности и периодически проводить тренировочные циклы
  • Могут обеспечить высокие разрядные токи при больших мощностях
  • Желательно не разряжать более, чем на 50%
  • Саморазряд — около 3% в месяц
  • Хранить при комнатной температуре и полностью заряженными
  • Содержат токсичные материалы и должны быть утилизированы после окончания срока службы

Подробно о видах и применении свинцово-кислотных аккумуляторов в статье Типы свинцово-кислотных аккумуляторов

Источник

Устройство аккумулятора — что внутри и как работает

Принципиально устройство аккумулятора больше чем за 150 лет с момента его изобретения не изменилось, хотя современность внесла серьёзные новшества в технологические процессы их изготовления и используемые материалы, из чего состоит аккумулятор.

Что такое аккумулятор

Аккумулятор – автономный источник электричества, который накапливает, сохраняет и отдает энергию. Аккумуляторная батарея – важный элемент электрооборудования транспортного средства. Назначение акб определяется в запуске двигателя и обеспечении подачи электричества в бортовую сеть. Все электроприборы, когда выключен мотор, и не работает генератор, работают от батареи. Накопитель помогает в пробке, когда энергии генератора не хватает.

Устройство и принцип работы аккумулятора

Для того, чтобы разобраться, как работает аккумулятор, необходимо знать устройство акб, что внутри аккумулятора обеспечивает работу прибора. Основной принцип работы аккумулятора заключается в разности потенциалов при погружении двух пластин в электролит. В 12-ти вольтовой батарее объединены шесть аккумуляторов, каждый из которых вырабатывает 2 вольта. Все они объединены совместным корпусом, который образует единое целое конструкции.

При работе этой конструкции, пластинки из-за действия серной кислоты выделяют сульфат свинца, в результате чего образуется электрический ток. Также выделяется вода, и поэтому концентрация электролита становится менее плотной. Во время зарядки АКБ процесс осуществляется в обратном порядке, свинец снова обретает металлическую форму, электролит становится более концентрированным. Принцип работы аккумулятора основан на методе двойной сульфатации, который позволяет полностью восстанавливать первоначальные свойства батареи. Срок службы аккумулятора зависит от качества используемых материалов, из чего состоит акб.

Схема строения

Виды аккумуляторов

Классификация акб по составу активного вещества

Свинцовые пластины, используемые в старых аккумуляторах перестали устраивать потребителей. Возникала необходимость по улучшению качества работы акб. Сначала добавили сурьму к свинцу, что позволило заметно продлить срок эксплуатации батареи. На следующем этапе – уменьшили процентное содержания сурьмы до оптимальной концентрации. Такой подход привел к созданию малообслуживаемых аккумуляторов, потому что в них уже намного реже требовался долив воды.

При использовании металлического кальция для покрытия пластин появились кальциевые энергосберегающие источники. В предыдущих моделях потери воды из-за электролиза на 12 вольт требовали постоянного долива, а кальций позволил повысить этот порог до 16 вольт. Так появилась возможность в производстве необслуживаемых аккумуляторов использовать герметичный, неразборной корпус.

  • Сурьмянистые батареи относятся к классике из-за повышенного состава сурьмы, которая ускоряет процесс электролиза.
  • В малосурьмянистых акб материалом для пластин служит свинец с небольшой примесью сурьмы. В них степень саморазряда значительно меньше, чем в сурьмянистых АКБ.
  • При производстве кальциевых источников свинцовые пластины легированы до 0,1% кальцием. Они могут иметь различные заряды, как отрицательный, так и положительный.
  • Гибридные источники энергии вытесняют кальциевые. Конструктивные отличия состоят в том, что при их производстве объединили две технологии: одна, когда пластины формируются из сплава свинца и сурьмы, положительные электроды, а другая – когда пластины формируются из сплава свинца и кальция, отрицательные электроды.
  • EFB является улучшенной жидкозаполненной батареей. Свинцовые пластины в ЕФБ аккумуляторах в два раза толще, чем у обычных, вследствие чего увеличивается их ёмкость. Каждая из пластин закрыта в пакет из специальной ткани, который наполнен жидким сернокислотным электролитом.
  • В гелевых аккумуляторах применяется гелеобразный электролит. Такая технология позволила снизить текучесть электролита, в котором содержится агрессивная серная кислота.
  • В литиевых акб используется жидкий электролит, представляющий собой раствор фторсодержащих солей лития в смеси эфиров угольной кислоты.
  • Отличительной особенностью AGM является то, что в электролит с помощью специальной технологии между пластинами вставляются стекловолоконные микропористые прокладки.
  • Во всех щелочных батареях применяется растворенная в воде щёлочь.
Читайте также:  Признаки того что аккумулятор нужно менять

Классификация батарей по типу электролита

Электролиты бывают кислотными, щелочными. Щелочные растворы используются в заправке аккумуляторных батарей. Щелочные аккумуляторные жидкости представляют собой сильные основания, которые проявляют большую активность по отношению к металлам и кислотам. При реакциях с кислотами образуются соль и вода. Растворы щелочей подвергаются гидролизу. Химические свойства позволяют использовать этот тип электропроводящей жидкости для накопления электрической энергии в аккумуляторе.

Кислотные смеси с дистиллированной водой применяются в основном в автомобильных аккумуляторах. Такие составы можно приобрести в специализированных магазинах или же приготовить самостоятельно в домашних условиях. На заводе процесс изготовления таких смесей осуществляется в масштабном производстве по ГОСТу. В домашней обстановке также возможно довольно точно при соблюдении обязательных пропорций и правил техники безопасности смешать кислоту с дистиллированной водой.

Важно! вода при минусовых температурах превращается в лед. Всегда при морозе нужно применять меры, необходимые для предотвращения замерзания аккумулятора.

Основные технические характеристики аккумуляторов

Номинальная емкость аккумулятора

Номинальная емкость элемента – способность накапливать и отдавать электроэнергию постоянного тока, определяет время автономной работы ИБП. Емкость электрического аккумулятора показывает время питания подключенной к нему нагрузки.

Важно! Емкость не характеризует полностью энергию аккумулятора, т.е. энергию, которая может быть накоплена в полностью заряженном аккумуляторе. Чем больше напряжение аккумулятора, тем больше накопленная в нем энергия.

Емкость всегда указывается на корпусе АКБ, а также на упаковке, ведь именно по этому критерию большинство пользователей выбирают нужную модель.

Пусковой ток

Величину, характеризующую параметр тока, протекающего в стартере автомобиля в момент пуска силового узла, принято считать пусковым током. Пусковой ток или стартерный возникает в момент, когда в замке зажигания поворачивается ключ и начинает проворачиваться стартер. Единица измерения величины – Ампер. Он же ток холодной прокрутки является показателем, как аккумулятор поведет себя в морозную погоду и сможет запустить двигатель при минусовых показателях. Определяется мощностью тока, которую батарея может выдать в течение первых 30 секунд при температуре -18°С. При высоких показателях пускового тока увеличиваются шансы завести машину при минусовой температуре.

Полярность

Порядок расположения на крышке аккумулятора присоединительных клемм, которые являются токовыводящими соединительными элементами, называется полярностью. Полюса всего два – положительный и отрицательный, вариантов расположения – прямое и обратное.

Прямая полярность – отечественная разработка. Чтобы ее определить, нужно повернуть аккумулятор таким образом, чтобы этикетка была перед глазами. При расположении плюсовой клеммы слева, а минусовой справа, можно утверждать, что акб с прямой полярностью. На иномарках устанавливаются аккумуляторные батареи обратной полярности.

Исполнение корпуса

Корпус большинства аккумуляторов состоит из ударопрочного полипропилена, который характеризуется как материал легкий, не вступающий в химическую реакцию с агрессивным электролитом АКБ. Полипропилен довольно стоек к перепадам температур, возникающих под капотом автомобиля, нагрев может достигать до +60 ̊С, а при морозах до -30°С. Корпус большинства АКБ состоит из ручки для переноса, пробок, индикатора заряда, клемм для подключения к электросети. Вес АКБ емкостью 55Ач около 16,5 кг. Традиционно появились американский, европейский, азиатский и российский типы корпусов.

Европейские корпусы и американские имеют идентичные габариты. Например, у батарей емкостью 60 Ач общая высота от 17,5 до 19 сантиметров. У азиатских этот показатель немного выше, до 22 сантиметров за счет верхнего расположения электродов. Именно поэтому важно корректно анализировать возможности посадочного места под капотом, чтобы надежно закрепить АКБ прижимной планкой и избежать замыкания при случайном касании токоотводами металлических частей кузова.

У АКБ с европейским типом корпуса клеммы находятся в углублении, их верхний край не выступает над плоскостью крышки. Иногда клеммы дополнительно защищены от внешнего воздействия специальными крышечками. Азиатский тип корпуса – это коробка, на которой клеммы расположились на верхней крышке, верхний край клемм является самой высокой точкой аккумулятора. Какую клемму снимать с аккумулятора первой читайте здесь.

Важно! При приобретении акб нужно знать, что европейские производители указывают габаритные размеры аккумулятора по корпусу. На азиатских корпусах могут указывать высоту батареи с учетом клемм или без них.

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.

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.

По сравнению с литий-ионными, да и другими аккумуляторами, литий-железо-фосфатные обладают практически рекордной долговечностью. Известны аккумуляторы этой системы, допускающие 7000 циклов заряда-разряда при снижении емкости до 80% от первоначального значения. Также, в отличие от обычных литий-ионных, данные аккумуляторы очень медленно деградируют при хранении, что позволяет хранить их до 15 лет. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы можно зарядить примерно за 15 минут, что обусловило их применение в электромобилях. Этому даже не помешало то обстоятельство, что удельная емкость их ниже, чем у обычных литий-ионных аккумуляторов — около 100 Втч/кг (у обычных литий-ионных аккумуляторов она может достигать 240 Втч/кг). В силу данной причины, литий-железо-фосфатные аккумуляторы пока не получила распространения для питания портативных устройств.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы дают напряжение 3,2 В. Соединив 4 элемента последовательно, получаем напряжение батареи 12,8 В, что обеспечивает совместимость с уже существующей аппаратурой, питающейся от свинцово-кислотных аккумуляторов. Интересной особенностью является то обстоятельство, что большую часть времени работы аккумулятор поддерживает на выводах стабильное напряжение 3,2 В. В ряде случаев это позволяет обойтись без дополнительных стабилизаторов напряжения, усложняющих конструкцию и снижающих КПД устройства.

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

Источник