Элекстрические аккумуляторы

Электрические Аккумуляторы. Работа аккумулятора, его  устройство и общий  принцип действия.

Электрический аккумулятор — это химический источник электрического тока, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование (через заряд-разряд) для электропитания различных электротехнических устройств, оборудования и т.д.  

Самый первый работоспособный электрический  аккумулятор был сделан в 1859г. французским  учёным Г. Планте. Это был свинцово-кислотный  электрический аккумулятор, который  представлял собой ёмкость с  электролитом в виде 10% раствора серной кислоты и электродами из листового  свинца (сепаратором служило полотно). После многократных зарядов и  разрядов, на электродах образовывалось покрытие, что позволяло аккумулятору накапливать больше электрической  энергии. Это был прототип нынешних аккумуляторов  

Для того чтобы ясно понять суть работы электрических аккумуляторов, надо разобраться с его устройством и общим принципом действия. И так — в основу работы всех химических источников электропитания заложены две составляющие: это пара электродов и электролит. Всё это находится в ёмкости, которая служит корпусом для электрического аккумулятора.  

Электрический ток  — это упорядоченное движение заряженных частиц (в твёрдых веществах, это электроны, а в жидких и  газообразных, это ионы). Ток не может  существовать без воздействия электродвижущей  силы Э.Д.С. (разности потенциалов или  напряжения). Значит, между электродами  что-то должно создавать эту Э.Д.С. Создаёт её следующий процесс:  

Имеется сосуд с двумя электродами, погружённых в жидкий электролит. С точки зрения химии, в этом сосуде происходит растворение одного электрода (под действием кислотной или щелочной среды электролита) и восстановление (отложение слоя) другого. При этом от растворяющегося электрода (металла) отрываются ионы этого вещества, которые с собой уносят положительный заряд. А электроны, ранее принадлежащие этому атому металла и не имеющие возможности уйти с ним, остаются на этом электроде.   

На другом же электроде будет  происходить противоположный процесс, те ионы, которые были оторваны от первого, переходят на второй, неся в себе положительный заряд и постоянно  прибавляя его к электроду. Весь этот химический процесс окислительно-восстановительной реакции сопровождается превращением одних веществ в другие, при заряде, и взаимообратный, при разряде электрического аккумулятора.   

В итоге получается, что под воздействием внешнего источника  электрического поля (в случае процесса заряда) происходит принудительное превращащение одних веществ в другие, а при подключении к клеммам электрической нагрузки (создавая тем самым замкнутую цепь), мы позволяем накопленной электроэнергии выйти, по средствам обратного химического превращения веществ. Следует заметить, что электролит в этой электрохимической системе является переносчиком положительного заряда (ионов, оторванных от электрода), и они перемещаются внутри самого аккумулятора. А отрицательный заряд (то есть электроны) будет транспортироваться по внешней цепи, вне аккумулятора.  

Основной задачей  аккумулятора, конечно, является накопление электроэнергии при заряде и отдача её, при разряде. Следовательно, наиболее важными свойствами любого аккумулятора для нас будут: ёмкость, коэффициент  полезного действия, напряжение, требования к эксплуатации и срок службы. Всё  эти параметры зависят от материалов, из которых будет сделан аккумулятор. К сожалению, нет таких веществ, сделав из которых аккумулятор можно  было бы добиться максимально высоких  и хороших показателей по всем вышеприведённым характеристикам  электрического аккумулятора сразу. В реальности же, получается сделать «разнобокий» источник питания. Одни показатели лучше, другие — хуже.

 
На сегодняшний день распространены аккумуляторы пяти различных электрохимических  схем:

• никель-кадмиевые (Ni-Cd)
• никель-металлгидридные (Ni-MH)
• литий-ионные (Li-Ion)
• литий-полимерные (Li-Polymer)

Определяющим фактором для всех перечисленных элементов  питания является не только портативность (т.е. небольшой объем и вес), но и высокая надежность, а также  большое время работы. Основные параметры  аккумулятора – это энергетическая плотность (или удельная энергия  по массе), число циклов заряд/разряд, скорости зарядки и саморазряда.

Аккумуляторы: история и принципы работы

Ni-Cd-аккумуляторы  
 
Они нашли широкое применение с середины 50-х годов. Источники питания этого типа обеспечивают порядка 1500 перезарядок, а их скорость саморазряда составляет не более 20% в месяц (причем до 10% разряда – в течение первых 24 часов и до 20% – в первый месяц после заряда). Несмотря на довольно высокий показатель тока утечки, они весьма дешевы и хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации.

   Технология изготовления  щелочных никелевых аккумуляторов  была предложена в 1899, когда  Waldmar Jungner изобрел первый никель–кадмиевый аккумулятор (NiCD). Используемые в них материалы были в то время дороги, и их применение было ограничено специальной техникой.

  В настоящий  момент NiCD аккумуляторы по прежнему остаются наиболее популярными для электропитания переносных радиостанций, медицинского оборудования, профессиональных видеокамер, регистрирующих устройств и мощных инструментов. Так свыше 50% всех аккумуляторов для переносного оборудования – NiCD. Появление более новых по электрохимической системе аккумуляторов хотя и привело к уменьшению использования NiCD аккумуляторов, однако, выявление недостатков новых видов аккумуляторов привело к возобновлению интереса к NiCD аккумуляторам. 
   NiCD аккумулятор подобен сильному и молчаливому работнику, который интенсивно трудится и при этом не доставляет больших хлопот.   Для NiCD аккумуляторов вредно нахождение в зарядном устройстве в течение нескольких дней. Фактически, NiCD аккумуляторы – это единственный тип аккумуляторов, который выполняет свои функции лучше всего, если периодически подвергается полному разряду. Все остальные разновидности аккумуляторов по электрохимической системе предпочитают неглубокий разряд. Итак, для NiCD аккумуляторы важен периодический полный разряд, и если он не производится, NiCD аккумуляторы постепенно теряют эффективность из–за формирования больших кристаллов на пластинах элемента, явления, называемого эффектом памяти. 
   Среди недостатков NiCD аккумулятора – необходимость периодической полной разрядки для сохранения эксплуатационных свойств (устранения эффекта памяти), высокий саморазряд (до 10% в течение первых 24 часов) и большие габариты по сравнению с аккумуляторами других типов. Кроме того, аккумулятор содержит кадмий и требует специальной утилизации. В ряде скандинавских стран по этой причине уже запрещен к использованию. Из–за больших габаритов и проблем с утилизацией NiCD аккумулятор постепенно покидает рынок сотовых телефонов.

Основной их недостаток – это эффект памяти (memory effect) (смотри сноску*), проявляющийся в уменьшении полезной ёмкости аккумулятора. Хранить эти источники питания лучше разряженными и перед каждой следующей зарядкой полностью разряжать их. Одно из наиболее важных достоинств – уверенная работа и малый саморазряд при низких температурах. Только эти аккумуляторы могут выдержать довольно длительное нахождение на морозе практически без потери полезных качеств. 

NiMh - никель-метал-гидридные аккумуляторы

   Еще в конце  60-ых годов 20 века ученые открыли  ряд сплавов, способных связывать  атомарный водород в объеме, в  1000 раз превышающем их собственный.  Они получили название гидриды,  а химически они обычно представляют  соединения таких металлов, как  цинк, литий и никель. При грамотном  использовании, с помощью гидридов  можно хранить достаточно водорода, чтобы использовать его в обратимых  реакциях внутри аккумуляторов.  Исследования в области технологии  изготовления NiMH аккумуляторов начались в семидесятые годы и были предприняты как попытка преодоления недостатков никель–кадмиевых аккумуляторов. Однако применяемые в то время металл–гидридные соединения были нестабильны и требуемые характеристики не были достигнуты. В результате разработка NiMH аккумуляторов замедлилась. Новые металл–гидридные соединения, достаточно устойчивые для применения в аккумуляторах, были разработаны в 1980. Начиная с конца восьмидесятых годов, NiMH аккумуляторы постоянно улучшались, главным образом по плотности запасаемой энергии.  
   Число циклов заряда/разряда для NiMH аккумуляторов примерно равно 500. Предпочтителен скорее поверхностный, чем глубокий разряд. Долговечность аккумуляторов непосредственно связана с глубиной разряда. Кроме того, для зарядки требуется специальное зарядное устройство, следящее за температурой и напряжением. Дело в том, что Ni-MH-аккумуляторы боятся перегрева, переохлаждения и "переполюсовки". 
NiMH аккумулятор по сравнению с NiCd выделяет значительно большее количество тепла во время заряда и требует более сложного алгоритма для обнаружения момента полного заряда, если не используется контроль по температуре. Большинство NiMH аккумуляторов оборудовано внутренним температурным датчиком для получения дополнительного критерия обнаружения полного заряда. Кроме того, NiMH аккумулятор не может заряжаться так быстро – время заряда обычно вдвое больше, чем у NiCD.. 
 
   Для NiMH характерен приемлемо высокий саморазряд. Саморазряд NiMH аккумуляторов – в 1.5–2 раза выше, чем у NiCD.

Зато аккумуляторы этого типа совершенно безопасны  для окружающей среды и относительно недороги. Кроме того, никель-металлгидридные  аккумуляторы подвержены эффекту памяти в гораздо меньшей степени, чем  Ni-Cd. 

   Емкость NiMH аккумуляторов примерно на 30% больше емкости стандартного NiCD аккумулятора того же размера.  
   Цена NiMH аккумуляторов приблизительно на 30% выше, чем NiCD. Однако цена не главная проблема, если пользователю требуется большая емкость и небольшие габариты.

Li-Ion - литий-ионные аккумуляторы

   Литий - наиболее  химически активный металл. На  его основе работают современные  источники питания для ноутбуков.  Практически все высокоплотные  источники питания используют  литий в силу его химических  свойств. Килограмм лития способен  хранить 3860 ампер-часов. Для сравнения,  показатель цинка - 820, а у свинца - и вовсе 260.

 
   Первые работы по литиевым аккумуляторам были осуществлены Г.Н. Льюисом (G.N. Lewis) в 1912 году. Однако, только в 1970 году появились первые коммерческие экземпляры первичных литиевых источников тока. Попытки разработать перезаряжаемые литиевые источники тока предпринимались еще в 80е годы, но были неудачными из–за невозможности обеспечения приемлемого уровня безопасности при обращении с ними. Промышленный выпуск начался лишь в 1991 г. 
  Так, большое количество литиевых аккумуляторов поставленных в Японию в 1991г., было возвращено производителям после того, как в результате взрывов элементов питания сотовых телефонов от ожогов пострадали несколько человек.

     
Считаются одними из самых перспективных  источников автономного питания, но при этом до сих пор остаются одними из самых дорогих. Они имеют высокую энергетическую плотность, и обеспечивают примерно 300–500 циклов заряд/разряд. Аккумуляторы имеют очень низкую скорость саморазряда (примерно 3–5% в первый месяц, затем уменьшение до 1–3% в месяц, дополнительно около 3% потребляет схема управления). Кроме того, при одинаковых габаритах литиевые работают втрое дольше, по сравнению с Ni-Cd-аккумуляторами, и у них абсолютно отсутствует эффект памяти. О недостатках: прежде всего, это высокая цена; эти батареи необходимо хранить в заряженном состоянии, и у них имеется эффект старения, даже если аккумулятор не используется. Он проявляется в том, что через год после изготовления ухудшается ёмкость, а через два года он иногда выходит из строя. Источники питания этого типа требуют использования исключительно "родных" зарядных устройств, а для обеспечения безопасности каждый пакет аккумуляторов должен быть оборудован электрической схемой управления, чтобы ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время зарядки и предотвратить критичное понижение напряжения элемента при разряде. Кроме того, должен быть ограничен максимальный ток заряда/разряда, и должна контролироваться температура элемента. Также к минусам можно отнести зависимость емкости от температуры(при низких температурах время работы существенно уменьшается).  

Li-Pol - литий-полимерные аккумуляторы