ОБЗОР: Самые популярные типы аккумуляторов. Часть 1

21 октября 2015 в 23:09:27

Обзор основных типов аккумуляторов


Устройства, предназначенные для накопления электроэнергии и последующего ее использования для питания разнообразного оборудования, приборов, инструментов, называются аккумуляторами. Существует несколько десятков типов аккумуляторов, однако в данном обзоре мы расскажем о принципах действия, преимуществах и недостатках самых распространенных из них.

Общая характеристика
Диапазон среднего разрядного напряжения аккумуляторов достаточно широкий — от 1,25 В до 24 В соответственно у никель-кадмиевых и свинцово-кислотных источников питания. Важными характеристиками являются скорость разряда и емкость, которые зависят от температуры окружающей среды. Кроме того:
  • максимальной удельной мощностью характеризуются никель-кадмиевые, свинцовые и серебряно-цинковые модели, минимальной — никель-железные;
  • минимальную удельную массовую энергию дают аккумуляторы свинцовые, а максимальную – литиевые;
  • низким ресурсом отличаются свинцово- и серебряно-цинковые типы аккумуляторов, а самым высоким славятся никель-водородные источники питания;
  • наиболее дешевыми на данный момент являются свинцовые, а дорогими — никель- водородные и серебряно-кадмиевые аккумуляторы.

Технические характеристики: просто о сложном
При выборе аккумулятора потребителю полезно знать основные характеристики, на которые нужно обратить внимание:
  • напряжение питания обозначается числом и буквой V (русская В). Чем напряжение выше, тем выше скорость работы устройства. Однако не стоит думать, что если к машине, рассчитанной на напряжение 10V, подключить аккумулятор на 30V, то она помчится в 3 раза быстрей. Вероятней всего, она не выдержит накала и просто выйдет из строя. Не стоит рисковать. Лучше покупать аккумулятор рекомендованной мощности;
  • емкость аккумулятора обозначается числом и буквами mA или А (для устройств большой мощности). От емкости аккумулятора зависит продолжительность работы подключенного к нему оборудования;
  • очень важным параметром является ток разряда — это объем тока, который потенциально может потреблять оборудование. Его обозначают числом и буквой С  (от англ. «сapacity»). Так, значение 20С на аккумуляторе емкостью 1400 mA для специалиста означает ток разряда 28000 мА или 28A. Однако это максимальный, а не рабочий ток. Еще выше будет значение у пикового тока.

Например: нужно с помощью электромоторчика сжать металлическую пружину. Слабый мотор потребляющий малый ток не справится с работой. Если его заменить более мощным (с таким же напряжением), то больший ток, который может потребить мотор позволит преодолеет сопротивление пружины.
 
 

SLA — свинцово-кислотные аккумуляторы


Производители предлагают два типа SLA-аккумуляторов, отличающихся по принципу работы:
  • в технологии GEL в электролит добавляют особые компоненты, переводящие его в гелеобразное состояние. В его порах и раковинах, имеющих большой объем и площадь поверхности, проходит взаимодействие молекул кислорода и водорода с синтезом воды. Благодаря этому количество электролита в аккумуляторе не уменьшается в течение всего срока эксплуатации;
  • в AGM –устройствах внутри находится пористый заполнитель из стекловолокна, пропитанный электролитом. В той части пор, где электролита нет, идет рекомбинация водорода и кислорода. Герметично закрытые аккумуляторы можно устанавливать в непроветриваемых помещениях. Они обладают хорошей емкостью, высокой мощностью и привлекают покупателей выгодной ценой.

Использование SLA-аккумуляторов
Одним из самых распространенных вариантов установки аккумуляторных батарей AGM являются системы бесперебойного электроснабжения. Они гарантируют сохранение информации в компьютерных системах при аварийном завершении и остановке работы. Это недорогой и эффективный вариант электропитания офисных зданий и бизнес-центров.
SLA-аккумуляторы используются:
  • в охранных и противопожарных системах, системах контроля доступа и видеонаблюдения, аварийного освещения и бесперебойного энергоснабжения;
  • в системах оповещения МЧС;
  • в АТС и радиоцентрах;
  • для питания контрольно-кассовых машин, холодильного, торгового и медицинского оборудования;
  • в радарах, фонарях, переносных электроосветительных приборах.

Особенности и преимущества
Емкость портативных SLA-аккумуляторов составляет 1-30А, а габаритных стационарных — 50-200А. У них не бывает эффекта памяти. Они подходят для долгосрочной эксплуатации в буферном режиме подзарядки, без периодов полной разрядки батареи. Служат они не менее 10 лет. Цикличный режим, то есть регулярная зарядка-разрядка на треть- половину емкости, для этого типа аккумуляторов подходит меньше.

Саморазрядка свинцово-кислотного аккумулятора составляет примерно 40% в год при температуре воздуха +20 градусов. С, что в 4 раза медленней, чем у никелево-кадмиевых элементов питания. Зарядка занимает 8-16 часов.


Среди плюсов SLA-аккумуляторов нужно отметить:
  • низкую стоимость;
  • отсутствие затрат по сервису и обслуживанию;
  • высокую мощность тока;
  • нетребовательность к температуре внешней среды. Их можно использовать в диапазоне от -10 до +50 градусов;
  • виброустойчивость;
  • пожарную безопасность.

Но, есть и минусы
Среди недостатков SLA-аккумулятора нужно отметить:
  • большой вес;
  • при глубокой разрядке и хранении без подзарядки пластины аккумулятора портятся из-за сульфатации;
  • довольно малый срок службы — до пятисот циклов зарядки/разрядки;
  • токсичность оксида свинца, который используется в их производстве.
Аккумуляторы нужно хранить в сухих помещениях при комнатной температуре. Подзарядка аккумуляторов AGM требует особого зарядного устройства.
 

Аккумуляторы Ni-Cd


Щелочными никель-кадмиевыми аккумуляторами (Ni-Cd) человечество пользуется более ста лет. В 1899 г. их изобрел Вальдмар Юнгнер. Правда, оказалось, что производство их обходится слишком дорого в сравнении с другими аккумуляторами. Лишь в 1932 г. была найдена недорогая технология осаждения активного материала на пористый край электрода, покрытого никелем. Так появились герметичные никелево-кадмиевые аккумуляторы, достаточно широко распространенные и сейчас.

Принцип работы Ni-Cd
Ni-Cd имеют второе название – рулонные аккумуляторы, поскольку электроды в них скатаны в цилиндрический рулон. Он вставлен в металлический корпус, заполненный электролитом. Пластины отделены друг от друга слоем сепаратора – нетканого материала, не взаимодействующего со щелочью. Электролит состоит из гидрооксидов калия и лития. Их взаимодействие образует никелат лития и увеличивает емкость аккумулятора на 20 процентов.

Где используются Ni-Cd:
  • на электрокарах;
  • в качестве бортовых аккумуляторов вертолетов, самолетов;
  • на электротранспорте (трамваи и троллейбусы);
  • для изготовления стандартных гальванических элементов;
  • для питания автономных строительных инструментов.

Эффект памяти и работа при минусовой температуре
В данном типе аккумуляторов без периодической полной разрядки в полной мере проявляется эффект памяти со значительным уменьшением емкости. Одним из важных факторов, влияющих на электрические параметры аккумуляторов, является температура воздуха. Максимальную емкость устройства демонстрируют при 20 градусах С. Нижней температурной границей, при которой Ni-Cd сохраняют работоспособность, считается - 20 градусов. Хотя их можно использовать и при – 40 градусов, если изменить концентрацию и химический состав электролита. Хранить аккумуляторы нужно в сухом месте при комнатной температуре.

Особенности аккумуляторов Ni-Cd
Величина разрядных характеристик аккумуляторов при различной плотности тока зависит от их внутреннего сопротивления. Оно формируется под влиянием:
  • толщины электродов и сепаратора;
  • их структурных характеристик;
  • плотности сборки пакета электродов в аккумуляторе;
  • объема электролита;
  • конструкции аккумулятора.
С учетом комбинации этих факторов Ni-Cd могут давать ток от 0,2 С до 10 С.

Преимущества Ni-Cd:
  • быстрая и простая зарядка, в том числе аккумулятора, который давно не использовался;
  • более 1000 циклов зарядки/разрядки;
  • стабильная работа и сбережение стандартной емкости при минусовых температурах;
  • доступная цена.

Недостатки щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов:
Говоря о недостатках, следует упомянуть:
  • сравнительно низкую энергетическую плотность;
  • зависимость емкости от эффекта памяти;
  • токсичность материалов и вред, наносимый окружающей среде при их утилизации;
  • активный саморазряд при хранении.
 

Аккумуляторы Ni-MH


Ni-MH (никель-металлгидридные) аккумуляторы очень популярны. Они подкупают потребителей доступной ценой, хотя значительно уступают по емкости на единицу массы и литий-йонным, и литий-фосфатным аккумуляторам. Конструкция их аналогична никель-кадмиевым источникам питания, а протекающие в них химические и физические процессы такие же, как в никель-водородных аккумуляторах.

Применение
Используют Ni-MH там, где нужны компактные размеры и высокая удельная емкость. Обычно срок их службы составляет от 3 до 5 лет (500-1000 циклов).
Аккумуляторы этого типа профессионалы делят на две группы:
  • обычные — для электрооборудования, инструментов и приборов;
  • силовые и бортовые — источники питания для авто- и авиамоделей.

Особенности
В отличие от никель-кадмиевых батарей, у Ni-MH эффект памяти выражен меньше, а вот по сроку эксплуатации они им уступают. Чтобы аккумулятор имел большую емкость, нужно заряжать его после разрядки и при напряжении не ниже 1 В. Этот тип аккумуляторов требует тщательного контроля процессов разрядки и зарядки.
Существует много разновидностей никель-металлгидридных аккумуляторов. В них используются разные виды электродов:
  • металлводородные;
  • оксидноникелевые;
  • ламельные;
  • прессованные;
  • металлокерамические и металловойлочные;
  • пеноникельные.

У Ni-MH аккумуляторов не очень большой температурный диапазон использования. Оптимальная температура для них от +40 до –10 градусов.

Хранение
Специалисты рекомендуют хранить аккумуляторы этого типа в заряженном состоянии. Не собираетесь в течение ближайшего месяца использовать батарею — зарядите ее на половину емкости! Многие типы аккумуляторов при простое теряют энергию, однако Ni-MH особенно чувствительны к переразряду. Чтобы они не вышли из строя, при длительном хранении следует раз в 1-2 месяца дозаряжать их до половины емкости.
Преимущества


Среди плюсов Ni-MH аккумуляторов:
  • высокие удельные энергетические характеристики;
  • отсутствие кадмия делает этот тип батарей более экологичным в сравнении с Ni-Cd. Нетоксичность и простота утилизации, не ухудшающей экологию, вызвали быстрое развитие производства Ni-MH ведущими компаниями-изготовителями аккумуляторов;
  • одноразовая ежемесячная разрядка до 1В избавит от свойственного данному типу батарей снижения разрядного напряжения.

О недостатках Ni-MH
Основными минусами этих источников питания являются:
  • узкий интервал рабочих токов;
  • возможность перегрева вызывает необходимость установки термопредохранителя и отказ от производства батарей, в которых более десятка аккумуляторов;
  • необратимая потеря емкости при разрядке до нулевого значения напряжения;
  • коррозия электродов при использовании низкосортных сплавов.
 

Аккумуляторы LSD Ni-MH


Хотя данные аккумуляторы не является отдельным видом, но они достаточно сильно отличаются от типичных Ni-MH аккумуляторов, и по этой причине достойны отдельной главы обзора.
Около 10 лет назад на рынке появились пальчиковые аккумуляторы LSD Ni-MH —компактная модификация металл-гидридного источника питания. Компания Sanyo презентовала потребителям новый тип элементов питания с низкой саморазрядкой. Они получили название LSD NiMH (Low Self-Discharge). Постепенно LSD Ni-MH вытеснили из обихода бытовые Ni-MH, которые быстро разряжаются при хранении и не дают нужной фотокамерам, фонарям и управляемым моделям мощности. В связи с тем, что компания Panasonic приобрела компанию Sanyo, бренд LSD Ni-MH eneloop и eneloop pro теперь принадлежит Panasonic.

Применение
Аккумуляторы LSD NiMH внешне напоминают обычные пальчиковые батарейки. Они обладают низким саморазрядом, поэтому в продажу поступают в заряженном виде. Такой аккумулятор подлежит многократной перезарядке. Качественные изделия солидных брендов выдерживают от 1000 до 1500 циклов зарядки/разрядки.

Эти аккумуляторы используются в разных приборах, без которых современный человек не может обойтись:
  • фотокамерах;
  • часах и будильниках;
  • фонариках;
  • электроинструментах.

Сфера применения их огромна, а экономию от замены разовых элементов питания аккумуляторами LSD NiMH потребители оценили сразу. Оптимальная емкость в пределах 1900 – 2500 mА подходит большинству устройств. Для хранения аккумуляторов следует использовать сухие помещения с комнатной температурой.

Особенности
Аккумуляторы этого типа являются более экологичными, поскольку они уменьшают потребность в элементах питания типов АА и ААА, а значит и количество токсичных отходов от их утилизации. У LSD NiMH нет эффекта памяти. Их можно подзаряжать, не дожидаясь полной разрядки, без потери емкости. Отрицательная температура до – 20 и жара +40 градусов не влияют на рабочие характеристики.


Преимущества LSD NiMH
Основные достоинства:
  • низкий саморазряд (до 20% в год) обусловлен применением новейшей технологии LSD (Low self-discharge);
  • надежность и долгий срок службы;
  • максимальная токоотдача при работе с высокой нагрузкой;
  • быстрый заряд при сохранении всех заявленных производителем характеристик.

Недостатки:
  • большое колличество подделок. Приобретайте аккумуляторы только солидных брендов, хотя стоят они довольно дорого! Малоизвестные производители часто указывают на изделиях емкость, которая фактически будет на треть меньше заявленной.
  • высокая стоимость по сравнению с обычными Ni-MH

В скором времени ждите продолжение статьи. Во второй части мы рассмотрим Li-Ion, Li-Po и Li-FePo4 аккумуляторы.
 

Комментарии

Ещё никто не оставил комментарий к записи.