Аккумулятор — это химический источник тока многократного использования. Специфика заключается в обратимости внутренних химических процессов: электрическую энергию можно обратно преобразовывать в химическую. Такие преобразования можно проделывать определенное количество циклов, которое зависит от типа аккумулятора и системы в общем. Это свойство позволяет химическому источнику тока как разряжать требуемую электрическую нагрузку, так и заряжать ее.
Аккумулятор в переводе с латыни — накопитель, собиратель. Это устройство для накопления электрической энергии и последующего ее использования. Говоря техническим языком — автономный источник тока.
- Отличие аккумуляторов от батареек
- Форм-факторы
- Типы электролита
- Характеристики
- Типы аккумуляторов
- Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (Lead-acid)
- Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи (NiCd)
- Никель-металл-гидридные аккумуляторные батареи (NiMH)
- Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторные батареи
- Литий-ионные — Li-ion
- литий-полимерные — Li-pol
- Отличие литиевых аккумуляторных батарей
- Опасность использования
Отличие аккумуляторов от батареек
Для работы электронного устройства требуется источник энергии. Чтобы не быть прикованным к розеткам, устройства, особенно мобильные, могут запитываться от аккумуляторов и от батареек.
Отличие накопителей электрической энергии в том, что последние способны отдавать накопленную энергию однократно, тогда как аккумуляторы являются автономными источниками тока многоразового применения.
Главный минус батареек очевиден: после разряда их приходится выбрасывать и покупать новые, а аккумуляторную батарею можно заново перезаряжать пока не истечет срок ее эксплуатации. Использование одноразовых батареек в устройствах, требующих постоянной замены, может оказаться затратным, тогда как аккумуляторные батареи при условии правильной эксплуатации служат долго.
Форм-факторы
Стандартные типоразмеры самых распространенных аккумуляторов:
- АА (пальчиковый) — 14,2х50 мм;
- ААА (мизинчиковый) — 10,5х44,5 мм;
- 18650 — 18х65 (с защитой 67-68) мм;
- SC (SubC) — 23х43 мм (шуруповерты);
- AGM — 150х5х95 мм (ИБП).
Аккумуляторы выпускаются как в виде отдельных элементов, так и в виде аккумуляторных батарей, то есть, когда определенное количество элементов собраны вместе.
Типы электролита
AGM (Absorbent Glass Mat) Varta Start-Stop Plus, Baren Polar Technik AGM — электролитом пропитано стекловолокно, которым заполнено пространство между пластинами. Такие батареи не боятся глубоких разрядов, быстрее заряжаются и способны выдавать большие токи. Устанавливаются на автомобилях с системами выключения двигателя при остановках — Start-Stop, также системой заряда батареи энергией рекуперативного торможения (Toyota, Citroen, Mercedes) и машинах, с повышенным энергопотреблением (спецмашины, представительские автомобили). Их стоимость заметно выше батарей классического типа.
GEL Platin Gel Energy, GS Yuasa Maintenance Free — электролит гелеобразный. Такие батареи более чувствительны к низким температурам и напряжению заряда. При снижении температуры ёмкость снижается больше, а при превышении напряжения заряда гель рискует превратиться в жидкость и вернуть его в обратное состояние будет невозможно. Больше других боятся коротких замыканий. Плюсы гелевых батарей — больший циклический ресурс (и соответственно срок жизни батареи), ниже уровень саморазряда, не боятся глубоких разрядов. Цена у гелевых аккумуляторов выше, чем у свинцово-кислотных батарей. Часто используются в мототехнике, квадроциклах, водном транспорте, однако не находят массового применения на автотранспорте.
EFB (Enhanced Flooded Battery) Varta Blue Dynamic EFB — улучшенная батарея с жидким электролитом. Особенность состоит в том, что пластины более толстые и обернуты в специальные конверты из микро волокна. Как и по параметрам, так и по стоимости этот тип находится между классическими и AGM батареями. У них выше, чем у классики, пусковой ток, они быстрее заряжаются и обладают повышенным циклическим ресурсом. Устанавливаются на автомобили с Start-Stop без системы рекуперативного торможения (VW, BMW, Audi).
SLI (Start, Light, Ignition) классический тип, Fiamm Titanium Plus, Ista Classic — электролит (раствор воды с серной кислотой) находится в жидком состоянии. Пожалуй, это самый массовый тип батарей, ведь они устанавливаются на большинстве автомобилей на этапе их производства. Такие батареи не «любят» глубоких разрядов, при этом происходят необратимые процессы (сульфатация), негативно влияющие на ресурс батареи. Этот тип АКБ более других также подвержен влиянию температурных изменений и механических воздействий, вибраций. К плюсам SLI можно отнести относительно низкую, в сравнении со своими технологичными конкурентами, стоимость.
Характеристики
Напряжение — это энергия, которая высвобождается во время перемещения единичного заряда от высокого потенциала к низкому. Единица измерения напряжения — вольт (В, V).
Ёмкость аккумулятора — это количество электрической энергии, которую способен отдавать заряженный аккумулятор во время разряда до наименьшего допустимого напряжения. Единица измерения емкости — ампер-часы (Ah, MAh). На практике ёмкость часто отличается от заявленной изготовителем.
| Тип | Применение | Обозначение | Рабочая температура, ºC | Напряжение элемента, В | Удельная энергия, Вт∙ч/кг |
|---|---|---|---|---|---|
| Литий-ионный (Литий-полимерный, литий-марганцевый, литий-железно-сульфидный, литий-железно-фосфатный, литий-железо-иттрий-фосфатный, литий-титанатный, литий-хлорный, литий-серный) | Транспорт, телекоммуникации, системы солнечной энергии, автономное и резервное электроснабжение, Hi-Tech, мобильные источники питания, электроинструмент, электромобили и т.д. | Li-Ion (Li-Co, Li-pol, Li-Mn, LiFeP, LFP, Li-Ti, Li-Cl, Li-S) | -20 … +40 | 3,2-4,2 | 280 |
| никель-солевой | Автомобильный транспорт, Ж\Д транспорт, Телекоммуникации, Энергетика, в том числе альтернативная, Системы накопления энергии | Na/NiCl | -50 … +70 | 2,58 | 140 |
| никель-кадмиевый | Электрокары, речные и морские суда, авиация | Ni-Cd | –50 … +40 | 1,2-1,35 | 40 – 80 |
| железо-никелевый | Резервное электропитание, тяговые для электротранспорта, цепи управления | Ni-Fe | –40 … +46 | 1,2 | 100 |
| никель-водородный | Космос | Ni-H2 | 1,5 | 75 | |
| никель-металл-гидридный | электромобили, дефибрилляторы, ракетно-космическая техника, системы автономного энергоснабжения, радиоаппаратура, осветительная техника. | Ni-MH | –60 … +55 | 1,2-1,25 | 60 – 72 |
| никель-цинковый | Фотоаппараты | Ni-Zn | –30 … +40 | 1,65 | 60 |
| свинцово-кислотный | Системы резервного питания, бытовая техника, ИБП, альтернативные источники питания, транспорт, промышленность и т.д. | Pb | –40 … +40 | 2, 11-2,17 | 30 – 60 |
| серебряно-цинковый | Военная сфера | Ag-Zn | –40 … +50 | 1,85 | <150 |
| серебряно-кадмиевый | Космос, связь, военные технологии | Ag-Cd | –30 … +50 | 1,6 | 45 – 90 |
| цинк-бромный | Zn-Br | 1,82 | 70 – 145 | ||
| цинк-хлорный | Zn-Cl | –20 … +30 | 1,98-2,2 | 160 – 250 |
За столетнее существование аккумуляторные батареи со временем усовершенствовались, но конструкция и принцип работы дошли до нас в неизменном виде. Идеальных химических источников тока на данный момент не существует, поэтому важно правильно выбрать, эксплуатировать и обслуживать аккумулятор, так как в дальнейшем это приведет к продолжительному сроку службы.
Типы аккумуляторов
Тип аккумулятора определяется используемыми материалами. Различают следующие:
- Ванадиевый аккумулятор (1,41 V)
- Алюминиево-графитный аккумулятор (2 V)
- Алюминиево-ионный аккумулятор (2 V)
- Ag-Zn — серебряно-цинковый аккумулятор (1,85 V)
- Ag-Cd — серебряно-кадмиевый аккумулятор (1,6 V)
- Cn-Po — Графен-полимерный аккумулятор
- Fe-air — железо-воздушный аккумулятор
- La-Ft — лантан-фторидный аккумулятор
- Li-Ion — литий-ионный аккумулятор (3,2-4,2 V), общее обозначение для всех литиевых аккумуляторов
- Li-Co — литий-кобальтовый аккумулятор, (3,6 V), на базе LiCoO2, технология в процессе освоения
- Li-Po — литий-полимерный аккумулятор (3,7 V), полимер в качестве электролита
- Li-Ft — литий-фторный аккумулятор
- Li-Mn — литий-марганцевый аккумулятор (3,6 V) на базе LiMn2O4
- LiFeP или LFP — Литий-железно-фосфатный аккумулятор (3,3 V) на базе LiFePO4
- LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатный (Добавка иттрия для улучшения свойств)
- Li-Ti — литий-титанатный аккумулятор (2,3 V) на базе Li4Ti5О12
- Li-Cl — литий-хлорный аккумулятор (3,99 V)
- Li-S — литий-серный аккумулятор (2,2 V)
- LMPo — литий-металл-полимерный аккумулятор
- Na/NiCl — никель-солевой аккумулятор (2,58 V)
- Na-S — натрий-серный аккумулятор, (2 V), высокотемпературный аккумулятор
- Ni-Cd — никель-кадмиевый аккумулятор (1,2 V)
- Ni-Fe — железо-никелевый аккумулятор (1,2-1,9 V)
- Ni-H2 — никель-водородный аккумулятор (1,5 V)
- Ni-MH — никель-металл-гидридный аккумулятор (1,2 V)
- Ni-Zn — никель-цинковый аккумулятор (1,65 V)
- Pb — свинцово-кислотный аккумулятор (2 V)
- Pb-H — свинцово-водородный аккумулятор
- RAM (Rechargeable Alkaline Manganese) — перезаряжаемая разновидность марганцево-цинкового щелочного гальванического элемента (1,5 V)
- Zn-Br — цинк-бромный аккумулятор (1,8 V)
- Zn-air — цинк-воздушный аккумулятор
- Zn-Cl — цинк-хлорный аккумулятор
Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (Lead-acid)
Первая аккумуляторная батарея создана французским физиком Раймо́ном Луи́ Гасто́ном Планте́ в 1859-1860 гг. Устройства этого типа популярны, так как стоимость невелика, а особенности — универсальны.
В связи с тем, что разновидностей свинцово-кислотных аккумуляторов много, сфера применения различна: ИБП, телекоммуникация, электроэнергетика, автотранспорт, железная дорога, авиация, медтехника, пожарная и охранная сигнализация, аварийное освещение и т.д.
Принцип действия свинцово-кислотной аккумуляторной батареи заключается в связи свинцовых (положительный заряд) и оксидо-свинцовых пластин (отрицательный заряд) с электролитом (серной кислотой). При подключении проводов ток протекает от катода к аноду. Свинец выделяет электроны, которые оксид свинца принимает. Этот обмен превращает пластины в сульфат свинца. Такие аккумуляторы имеют высокое разрядное напряжение и удельную мощность (до 100 …150 Вт/кг).
Главным минусом свинцовых аккумуляторных батарей является большой вес. Однако, когда он не имеет значения, как например в бесперебойниках или автомобилях, такой тип сегодня самый оптимальный.
Техническая характеристика свинцовых аккумуляторных батарей:
| Тип | LA | VRLA | AGM VRLA | GEL VRLA | OPzV | OPzS | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Емкость, Ампер/час | 10 – 300 | 1 – 300 | 1 – 3000 | 1 – 3000 | 50 – 3500 | 50 – 3500 | |||||||
| Напряжение, Вольт | 6, 12 | 4, 6, 12 | 2, 4, 6, 12 | 2, 6, 12 | 2 | 2 | |||||||
| Оптимальная глубина разряда, % | 30 | <40 | <50 | <60 | <60 | ||||||||
| Допустимая глубина разряда, % | <75 | <80 | <90 | <90 | <100 | ||||||||
| Циклический ресурс, D.O.D.=50% | <250-300 | <1000 | <1400 | <3200 | <3300 | ||||||||
| Оптимальная температура, °С | 0 … +45 | +15 … +25 | +10 … +25 | +10 … +25 | 0 … +30 | 0 … +30 | |||||||
| Диапазон рабочих температур, °С | –50 … +70 | –35 … +60 | –40 … +70 | –40 … +70 | –40 … +70 | –40 … +70 | |||||||
| Срок службы, лет при +20°С | <7 | <7 | 5 – 15 | 8 – 15 | 15 – 20 | 17 – 25 | |||||||
| Саморазряд, % | 3 – 5 | 2 – 3 | 1 – 2 | 1 – 2 | 1 – 2 | 1 – 2 | |||||||
| Макс. ток заряда, % от емкости | 10 – 20 | 20 – 25 | 20 – 30 | 15 – 20 | 15 – 20 | 10 – 15 | |||||||
| Минимальное время заряда, ч | 8 – 12 | 6 – 10 | 6 – 10 | 8 – 12 | 10 – 14 | 10 – 15 | |||||||
| Требования к обслуживанию | 3 – 6 мес. | нет | нет | нет | нет | 1 – 2 года | |||||||
| Средняя стоимость, $, 12В/100Ач. | 70 – 150 | 200 – 250 | 250 – 380 | 350 – 500 | 1000 – 1400 | 1500 – 3500 |
Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи (NiCd)
Химические источники тока данного вида созданы 1899 году и являются одними из самых выносливых и поддающихся восстановлению.
Интересный факт: никель-кадмиевые батареи хоть и уходят постепенно в прошлое, однако конкуренцию им может составить только литий. Например, аккумулятор от шуруповерта требует большие токи отдачи и широкий диапазон температур, как раз то, чем обладает никель-кадмий.
Аккумуляторные батареи такого типа имеют никелевый анод и кадмиевый катод, а электролитом чаще всего служит раствор 20-ти % калия с моногидритом лития.
Никель-кадмиевые накопители применяются главным образом в аппаратуре, которая потребляет большой ток со стабильной мощностью без перегрева. Также положительным свойством этих аккумуляторов является то, что они могут храниться разряженными, имеют длительный срок хранения и могут стабильно работать при температуре до -40 °C. Однако в настоящее время их применение сильно ограничено в связи с токсичностью. Поэтому, никель-кадмиевые аккумуляторы применяются только в устройствах, характеризующихся большими зарядными и разрядными токами.
Такие аккумуляторные батареи подвержены эффекту памяти, под которым понимается обратимая потеря ёмкости, возникающая при нарушении рекомендованного режима зарядки. Это происходит во время подзарядки не полностью разрядившегося аккумулятора. Он как будто помнит, что в предыдущие циклы работы его ёмкость не была использована полностью и при разряде отдает ток только до уровня, который запомнил.
Характеристика никель-кадмиевых аккумуляторов:
| Параметр | Показатель |
|---|---|
| Емкость, А·ч | 940-1100 |
| Напряжение элемента, В | 1,2 |
| Оптимальная глубина разряда, % | 60-80 |
| Допустимая глубина разряда, % | 100 |
| Удельная энергия: В∙тч/кг В∙тч/л | 20-40 60-120 |
| Диапазон рабочих температур, °C | -40…+60 |
| Максимальный постоянный ток, доли С | 3С, 5С, иногда больше |
| Саморазряд в течение 1 месяца, % емкости | От 15 до 35 |
| Срок службы: Годы циклы | 1-5 500-1000 |
Никель-металл-гидридные аккумуляторные батареи (NiMH)
На смену никель-кадмиевым аккумуляторам пришли никель-металл-гидридные. Они используются в бытовых и измерительных приборах.
Данный вид имеет гидридный катод и никелевый анод (положительный и отрицательный электроды), которые разделены сепараторами и свернуты в виде рулона. Эта конструкция вставлена в корпус и закрыта герметизируемой крышкой с прокладкой.
Никель-металл-гидридные аккумуляторные батареи не содержат тяжелых металлов, а значит, безопасны для окружающей среды и не требуют специальной переработки при утилизации.
Известные 9В аккумуляторные батареи типа «Крона» чаще всего изготовляются по данной технологии. Они состоят из семи плоских никель-метал-гидридных аккумуляторов. Для решения проблемы саморазряда применяются батареи с надписью LSD, означающие низкий саморазряд. Конечно, такие экземпляры стоят дороже, зато они обеспечивают полностью заряженное устройство.
Характеристики никель-металл-гидридных аккумуляторных батарей:
| Параметр | Показатель |
|---|---|
| Емкость, А·ч | 1450-1700 |
| Напряжение элемента, В | 1,2 |
| Удельная энергия: В∙тч/кг В∙тч/л | 50-80 100-270 |
| Диапазон рабочих температур, °C | -20…+60 |
| Оптимальный ток нагрузки | до 0,5 С |
| Саморазряд в течение 1 месяца, % емкости | 20-40 |
| Срок службы: Годы циклы | 1-5 500-2000 |
Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторные батареи
Самыми перспективными на сегодняшний день являются аккумуляторы на основе лития: литий-ионные и литий-полимерные. Впервые они появились еще в 70-х годах, но из-за своей твердой структуры электролита часто теряли тепловую стабильность и воспламенялись. В начале 90-х годов были созданы аккумуляторные батареи на основе ионов лития. Электролит стал жидким, но при этом уменьшилась плотность энергии, однако возросла стабильность работы.
Позже появилась возможность заменить вещество, проводящее электрический ток, более стабильным гелеобразным (литий-полимерный аккумулятор).
Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы необратимо теряют ёмкость под воздействием заряда, чем она больше, тем меньше срок службы устройства. Если устройство не используется, то оптимальными условиями для хранения являются температура 0-10 °C и заряд на 40-50%. Несмотря на это, процесс старения остановить не удастся, поэтому не стоит покупать литиевые батареи на длительное хранение. Если с момента изготовления прошло более двух лет, такой химический источник тока приобретать не следует.
| Параметр \ Тип | LiCoO2 | LiMn2O4 | LiNiMnCoO2 | LiFePO4 | LiNiCoAlO2 | Li4Ti5O12 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Напряжение элемента, Вольт; | 3.6 | 3.7 | 3.6-3.7 | 3.2 | 3.6 | 2.4 |
| Оптимальная глубина разряда, %; | 85-90 | 85-90 | 85-90 | 85-90 | 85-90 | 85-90 |
| Допустимая глубина разряда, %; | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Циклический ресурс, D.O.D.=80%; | 700 — 1000 | 1000 — 2000 | 1000 — 2000 | 1000 — 2000 | 1000 — 2000 | 5000 — 8000 |
| Оптимальная температура, °С; | +20…+30 | +20…+30 | +20…+30 | +20…+30 | +20…+30 | +20…+30 |
| Диапазон рабочих температур, °С; | –10 …+60 | –10 …+45 | –10 …+55 | –10 …+60 | –10 …+55 | –10 …+45 |
| Срок службы, лет при +20°С; | 5 – 7 | 10 | 10 | 20 — 25 | 20 — 25 | 18 — 25 |
| Саморазряд в мес., % | 1 – 2 | 1 – 2 | 1 – 2 | 1 – 2 | 1 – 2 | 1 – 2 |
| Макс. ток разряда | 1C | 10C/30C 5с | 2C | 25 — 30C | 1C | 10C/30С 5с |
| Макс. ток заряда | 0,7-1C | 0,7-1C | 0,7-1C | 1C | 0,7C | 1C |
| Минимальное время заряда, ч | 2 — 3 | 2 — 2.5 | 2 — 3 | 2 — 3 | 2 — 3 | 2 — 3 |
| Требования к обслуживанию | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| Уровень стоимости | высокий | средний | средний | низкий | средний | высокий |
Важно! Для литиевых аккумуляторов критичным является напряжение меньше 2,5-3V (в зависимости от типа аккумулятора). Максимальное напряжение не должно превышать 4,2V.
Литий-ионные — Li-ion
Литий-ионные батареи используются в телефонах, планшетах и прочей подобной мобильной технике. Они, конечно, лишены многих недостатков никель-метал-гидридных аккумуляторов, но стоят дороже и требуют к себе повышенного внимания. Например, им необходим контроллер заряда, без которого они могут просто взорваться от перезаряда. Поэтому заменять литий-ионный аккумулятор на обычную батарейку нельзя.
литий-полимерные — Li-pol
Литий-полимерные аккумуляторы — это разновидность литий-ионных по технологии. В качестве электролита здесь используется полимерный материал. Этот аккумулятор имеет еще большую плотность энергии на единицу массы, а толщина элементов может быть всего от 1 мм.
Отличие литиевых аккумуляторных батарей
Какой аккумулятор лучше — литий-ионный или литий-полимерный — однозначного мнения нет. У каждого есть свои недостатки и свои плюсы.
Различие данных элементов питания в том, что литий-ионные имеют жидкий электролит, а литий-полимерные — гелеобразный, за счет чего эффективнее используется внутреннее пространство (на 25%).
Литий-ионная аккумуляторная батарея менее дорогая, имеет большее количество циклов, но она достаточно громоздкая. А литий-полимерная, в свою очередь, благодаря гелеобразному составу электролита имеет различные формы. Можно изготовить более тонкую конструкцию различной сложности.
Сравнительная характеристики литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов:
| Параметр | Li-ion | Li-pol |
|---|---|---|
| Напряжение элемента, В | 3,5-3,7 | 3 |
| Удельная энергия: В∙тч/кг (80% разряда) | 90-150 | 130-150 |
| Удельная энергия Вт∙ч/л | 230-350 | 250-350 |
| Рабочая температура, °C | -20…+60 | -20…+50 |
| Саморазряд в течение 1 месяца, % емкости | 6-10 | 0,5-4 |
Опасность использования
Стоит заметить, что аккумуляторные батареи имеют в составе опасные токсичные вещества. Пока они находятся в герметичном корпусе — ничего не угрожает, но стоит его повредить — можно получить химический ожог или отравление. В случае с никель-ионным батареями может произойти возгорание и даже взрыв.
Обратите внимание, накопитель электрической энергии нельзя выбрасывать вместе с бытовым мусором, о чем гласит маркировка. Попав в грунт, корпус конструкции начинает разлагаться и со временем разгерметизируется. Токсичные вещества выходят наружу, благодаря чему происходит заражение почвы и грунтовых вод. Будьте сознательны!
При работе аккумулятора из-за неправильных химических реакций происходит расслоение пластин и выделение газа. Причины связаны с браком батареи, или с неправильной работой контроллера питания, когда подается напряжение больше номинала.
Подводя итоги, можно сказать, что идеальных аккумуляторов на сегодняшний день не существует. Поэтому следует выбирать аккумуляторные батареи, учитывая потребности и условия эксплуатации. Одни боятся мороза, другие — больших токов. Необходимо взвесить все “за” и “против”, а только затем делать выбор в сторону того или иного аккумулятора.
