Одной из важнейших составляющих электрического оборудования и техники любого типа является аккумуляторная батарея, или, проще говоря, аккумулятор. Существуют различные виды аккумуляторов, и в данной статье речь пойдет обо всех типах таких приспособлений.

Самый первый АКБ был создан более полутора столетий назад во Франции ученым Гастоном Планте. С каждой последующими попытками усовершенствования устройства становились все лучше, однако принцип их функционирования и строение остались неизменны. Сейчас же существуют самые разнообразные типы аккумуляторов: Li-Ion, Ni-MH, Ni-Cd и многие другие. Они имеют примерно одинаковый , но у каждого - свои особенности. Стоит рассказать обо всех этих разновидностях по порядку.

Устройства с пониженным содержанием сурьмы

Пожалуй, стоит начать описание с одного из самых часто применяемых видов аккумуляторов. АКБ с содержанием менее 5% сурьмы избавили от необходимости частого добавления дистиллированной воды. Хотя это не делает аккумуляторы данного типа необслуживаемыми из-за имеющихся расходов жидкости.

Также они обладают крайне малой степенью саморазряда батареи и переносимости электрических характеристик автомобильной бортовой сети, в отличие от своих более новых аналогов.

Сурьмянистые аккумуляторы

Данный вид аккумуляторных батарей признан устаревшим. Ему на замену пришли более современные и усовершенствованные типы АКБ с пониженным содержанием сурьмы. Однако до сих пор аккумуляторы данного вида служат по своему назначению в стационарных токовых источниках с неприхотливыми батареями.

Кальциевые альтернативы

Кальциевые АКБ хороши тем, что они уменьшают интенсивность электролиза и снижают уровень электролита. Помимо этого, кальций, заменивший сурьму, увеличил напряжение, нужное для начала осуществления электролиза, что уменьшило критичность последствий перезаряда.

Но не стоит забывать, что, как и все существующие типы аккумуляторных батарей, кальциевые АКБ обладают своими слабыми сторонами. Главный минус - повышенная чувствительность к мощному разряду ведет к резкому падению емкости.

Щелочные АКБ

Называют такие устройства, в которых электролитом выступает щелочь, а не кислота. Устройства такого вида встречаютсяв автомобилях далеко не часто, однако они могут выступать в качестве аккумуляторов, например, для шуруповертов.

Одним из таких приспособлений является Ni-Cd аккумулятор - по факту его признали устаревшим, тем не менее он еще может встать наравне со своими более новыми конкурентами за счет дешевизны. Однако так называемый «эффект памяти» и повышенный саморазряд делают применение Ni-Cd устройства весьма проблематичным.

Его никель-металл-гидридный конкурент, разумеется, выше по цене, но при этом по качеству он существенно лучше. По сравнению с Ni-Cd аналогами, «эффект памяти» у них выражается в меньшей степени, хотя он все же присутствует. Также увеличенная вместимость и пониженный саморазряд вполне объясняют высокую цену.

Литий-ионная альтернатива

Пожалуй, из всех существующих видов аккумуляторов для автомобилей и не только самым лучшим можно назвать Li-ion. Он стоит значительно дороже своих Ni-MH и Ni-Cd аналогов. Это можно объяснить тем, что аккумуляторы с ионами лития не имеют тех недостатков, которыми обладают рассмотренные ранее модели. Хотя приспособления такого вида, равно как и все существующие устройства, все же не лишены своих слабых сторон, причем действительно существенных.

Среди главных уязвимостей можно выделить:

• чрезмерную чувствительность к низким температурам, из-за чего уменьшается ток, отправляемый li-ion батареей;
• уменьшение вместимости с каждым годом;
• литий-ионные приспособления не выдерживают тотальной разрядки и зарядки до конца - в противном случае это оканчивается разрушением и даже взрывом прибора.

Модели такого типа широко применимы в качестве зарядного устройства для мобильных устройств. В случае, если технологический прогресс дойдет до достаточного уровня, чтобы Li-Ion приспособления лишились своих уязвимостей, они сумеют встать на замену кислотным батареям.

Стоит также заметить, что в старых моделях применялись разнообразные оксиды лития, в которых также содержался марганец либо кобальт. Однако в более новые модели эти элементы добавлять перестали, заменив их сплавами литий-ферро-фосфатов в связи с их дешевизной, уменьшенной токсичностью и более простой возможносттю переработки.

Литий-полимерные аккумуляторы

Литий-ионный полимерный аккумулятор, известный также как Li-Pol, LiPo, Li-polymer, представляет собой улучшенную версию стандартного литиевого аккумулятора и находит применение во многих видах техники. Электролитом здесь служит полимерный материал.

Такие типы литиевых аккумуляторов хороши тем, что обладают значительной энергетической плотностью на единицу объема и массы, пониженным саморазрядом, донельзя тонкими элементами (всего от 1 мм), возможностью гибкости, крайне несущественным перепадом напряжения в процессе разрядки, широким диапозоном температур, при которых устройство продолжит свою полноценную работу. И, ко всему прочему, LiPo не имеет эффекта памяти.

Хотя не стоит слепо полагать, что батареи такого плана на самом деле можно назвать полностью идеальными. Даже у Li-Pol есть свои изъяны. Один из самых существенных - опасность возгорания в случае перезарядки и избыточного потребления тепла. Недостатком представляется и сравнительно небольшое количество рабочих циклов - 800-900, а также старение аккумуляторов, даже если они лежат в стороне без надобности.

Наконец, даже сама зарядка весьма пагубно влияет на приспособление: если процесс зарядки уменьшает вместимость, то при глубоком заряде прибор можно смело отправлять в металлолом.

AGM и GEL-батареи

Как их часто называют, выступили как альтернативный вариант, безопасный в использовании. Проблему безопасности решили посредством перемещения электролита в связанное состояние, чтобы обеспечить уменьшение текучести.

Другими достоинствами GEL-батарей стали:

• пониженное осыпание активной массы пластин;
• пониженный саморазряд;
• переносимость к вибрации.

Их также можно наклонять практически под любым удобным углом, они могут храниться в течение достаточно продолжительного времени за счет медленного саморазряда, а переразряд не «смертелен» и не несет никакого ущерба технике в процессе.

А вот перезарядка устройства этого типа, наоборот, может крайне отрицательно повлиять на него. Поэтому и GEL-батареи все же требуют очень аккуратного и бережного обращения.

К примеру:

• несмотря на то, что их можно класть чуть ли не как угодно, их нельзя держать перевернутыми;
• работа при пониженных температурах может резко снизить функциональность приборов;
• особых мер предосторожности требует особая чувствительность приспособлений к зарядке.

При надежном хранении устройства оно сможет прослужить до десяти лет.

Гибриды

Название говорит само за себя: гибридными считаются те батареи, в строение которых входят неодинаковые пластины, то есть выполненные из различных материалов. Стоит учесть, что положительно заряженные пластины включают в себя компоненты сурьмы (ее содержание в них не превышает 5%), в то время как отрицательно заряженные пластины имеют в составе кальциевые компоненты.

Новый, чуть ли не революционный метод изготовления аккумуляторных батарей смог привести к следующему:

• Во-первых, если сравнивать аккумуляторы с пониженным содержанием сурьмы, расход жидкости очевидно уменьшается.
• Во-вторых, батарея стала более устойчивой и выносливой к перепадам напряжения, даже в случаях интенсивной зарядки и тотальной разрядки.

Конечно, это вовсе не означает, что данные аккумуляторы можно считать полностью идеальными «без единого изъяна». Они не имеют никаких особых преимуществ над всеми вышеописанными устройствами. Но при этом по качеству характеристик их можно поставить прямо посередине этого ряда.

Никель-металл-гидрид

Никель-металл-гидриды, или Ni-MH, как их обозначают в сокращенном варианте, являются такими видами аккумуляторных батарей, где в качестве отрицательного иона выступает водородный металлогидридный электрод, калиевый гидроксид в качестве электролита, никелевый - в качестве положительного иона.

Существует немалое количество различных типов батарей Ni-MH. К примеру, есть батареи долгого хранения LSD NiMH, которым не страшен мороз и длительный срок хранения. Они функционируют и с повышенными токами разряда, не разрываясь и не приходя в негодность из-за чрезмерной нагрузки.

Поэтому, к примеру, никель-металл-гидриды размера АА могут быть применимы в различных видах мелкой техники. Так, АА с большим объемом емкости в 1500-3000 мА/ч можно поместить в музыкальный плеер, радиоуправляемые игрушки, фотоаппарат и многие другие приспособления, где будет произведена зарядка за относительно непродолжительное время.

Весьма хороши и АА-батареи с уменьшенным объемом вместимости - такие АА, где емкость составляет всего 300-1000 мА/ч. АА данного типа применимы в качестве обеспечения питанием неавтоматических фонариков, управляемых пультом ДУ игрушек, раций и электронных приспособлений со сбалансированным энергопотреблением.

Стала первым изобретенным аккумулятором, увидевшим свет и нашедшим широкое применение в автомобилях и ряде других технических приборов.

Свое название приспособление получило за счет опущенных в воду и серную кислоту пластин из свинца, выполняющих роль электродов, хотя с течением времени водород в устройстве начинает теряться.

Популярность такие приспособления получили неслучайно, а благодаря очевидным достоинствам:

• отсутствие эффекта памяти;
• наличие необслуживаемых экземпляров;
• невысокая цена;
• несложная конструкция;
• надежная технология;
• пониженный авторазряд;
• потенциал увеличенной токоотдачи.

Хотя, несмотря на немалое количество достоинств, даже у этих моделей есть и свои слабые стороны:

• невозможность хранения разряженными;
• чрезмерная чувствительность к температурным изменениям, влияющая на продолжительность функциональности и жизни;
• ограниченность транспортов и дозволяемых целых циклов разряда;
• и, разумеется, самый очевидный изъян - пагубное влияние свинца на экологическую среду.

Никелево-железные аналоги

Дешевые и малообслуживаемые Ni-Fe, они же никелево-железные батареи, обладают никель оксидо-гидроксидами, используемые как положительные пластины. В роли отрицательных пластин выступают оксиды-гидроксиды феррума. Жидкий электролит представляется в виде разъедающего калия.

Стоит признать, что данный тип батарей весьма надежен благодаря выносливости к тотальным разрядам, частой перезарядке. В отличие от той же свинцово-кислотной альтернативы, такие аккумуляторы не выйдут из строя, будучи в недозаряженном состоянии.

Причин искать новый аккумулятор для своего автомобиля может быть много. Основная - крайний износ или отказ старого: постоянно снимать на подзарядку батарею или «прикуривать» автомобиль по утрам людям быстро надоедает. При доработках автомобиля часто приходится устанавливать дополнительный аккумулятор или более емкий на замену штатному - это нужно для питания лебедки внедорожника или мощной аудиосистемы шоу-кара.

Что нужно знать при выборе аккумулятора? Во-первых, варианты его конструкции:

• Свинцово-кислотные аккумуляторы - простейший и самый старый тип. Они состоят из шести банок, в которых свинцовые пластины погружены в раствор серной кислоты. Такие аккумуляторы дешевы, возможность замены электролита позволяет «реанимировать» их в ряде случаев. Ряд моделей, однако, выпускается необслуживаемыми (без возможности вывернуть пробки банок). Они стойко переносят перезаряд, но при глубоком разряде могут необратимо потерять емкость или вообще перестать набирать заряд (происходит разрушение пластин).
• Гелевые аккумуляторы вместо жидкого электролита используют загущенную кремниевыми соединениями кислоту. Благодаря этому они не только герметичны, но и продолжают работать при любом угле наклона. Гелевые аккумуляторы способны сохранять работоспособность при глубоком разряде, но более требовательны к условиям заряда. Кроме того, их цена наиболее высока.
• Выполненные по технологии AGM аккумуляторы сочетают в себе элементы конструкции и стандартных батарей, и гелевых: в них используется жидкий электролит, пропитывающий наполнитель (обычно - стекловолокно) между пластинами. Они могут работать практически при любом наклоне (переворачивать вверх дном не рекомендуется). Аккумуляторы AGM стойки к вибрациям, так как наполнитель не дает пластинам разрушаться. Но, в отличие от обычных и гелевых батарей, они чувствительны и к глубокому разряду, и к перезаряду одновременно.

Для старой машины лучшим вариантом станет дешевый свинцово-кислотный аккумулятор. Владельцу нового автомобиля, у которого нет оснований опасаться неисправности генератора, можно посоветовать аккумулятор, выполненный по технологии AGM: несмотря на требовательность к условиям цикла заряда/разряда, он обеспечит больший стартовый ток и быстрое восстановление заряда. Гелевые же аккумуляторы из-за высокой цены чаще всего становятся элементом тюнинга автомобилей. Благодаря высокой токоотдаче и переносимости сильного разряда их часто используют для питания мощных аудиосистем (штатный аккумулятор при этом отвечает за питание основной электрики автомобиля).

Также нужно знать полярность аккумулятора , то есть порядок расположения клемм на его корпусе. Большинство моделей автомобилей имеют слишком короткие или неудобно расположенные силовые провода, чтобы на них можно было ставить батареи «неправильного» типа. Если повернуть аккумулятор клеммами к себе, то у батареи с прямой («российской») полярностью плюсовая клемма будет находиться слева, у батареи с обратной («европейской») - справа.

Пусковой ток аккумулятора, указываемый на его этикетке, может измеряться по разным методикам:

• EN (европейская методика измерения): измеряется максимальный ток, который аккумулятор может отдавать в течение 10 секунд при температуре -18˚С при напряжении не ниже 7,5 В;
• DIN (немецкий промышленный стандарт): при той же температуре измеряется средний ток за 30 секунд, при этом напряжение не должно падать ниже 9 В;
• SAE (американский стандарт): ток измеряется при -18˚С в течении 30 секунд, максимальное падение напряжения - 7,2 В.

Как видно из этого описания, наиболее жесткая методика измерения - стандарт DIN (аккумулятор, выдающий ток 365 А по DIN, по методике EN получит маркировку 600 А). Выбирая аккумуляторную батарею, следует ориентироваться на этот показатель, что позволит рассчитывать на уверенный запуск зимой.

Так как автомобильные аккумуляторы в пределах одной и той же производственной линейки могут иметь разную полярность, емкость и цену, мы за основу рейтинга возьмем наиболее востребованный вариант: аккумуляторы с емкостью от 55 до 70 А*ч.

Автомобильные аккумуляторы отличаются по типам и характеристикам, что достаточно сильно усложняет процесс их выбора для автовладельцев. Ведь характеристики аккумуляторных батарей для автомобилей определяют не только работоспособность автомобиля, но и дополнительных электронных устройств – магнитолы, кондиционера, прикуривателя. В вопросе, какие виды аккумуляторов есть, мы и попробуем сегодня разобраться, приведя краткое описание каждого из них.

Особенности традиционных «сурьмянистых» автомобильных аккумуляторов

Традиционный тип аккумуляторной батареи содержит в своих свинцовых пластинах более 5% сурьмы. Для современных аккумуляторов это уже не характерно, так как процент сурьмы в них разительно снизили. Необходимо это было для того, чтобы предотвратить резкое усиление процесса электролиза, который из-за сурьмы активизируется уже по достижении показателя напряжения в 12 В. Еще одним недостатком таких аккумуляторов является необходимость заливать в них дистиллированную воду, так как из-за испарения воды верхние края электродов постоянно выходят наружу.

Взирая на все это, хотя бы раз в месяц приходится проверять такой аккумулятор и контролировать, на каком уровне находится вода и достигает ли плотность электролита необходимого показателя.

Для чего же тогда в свинец нужно было добавлять сурьму? Делали это исключительно для увеличения прочности пластин внутри аккумулятора. Благодаря прогрессу необходимость в использовании сурьмы сегодня отпала, поэтому встретить так называемые «традиционные» аккумуляторные батареи для авто уже практически невозможно. Использовать такие батареи рационально только на стационарных установках, где они будет проявлять себя как неприхотливые в обслуживании.

Достоинства и недостатки малосурьмянистых батарей

Этот вид аккумуляторных батарей содержит менее 5% сурьмы, благодаря чему отпала необходимость в постоянном контроле уровня электролита в аккумуляторе. К тому же, малосурьмянистые батареи не так интенсивно разряжаются во время простоя (хранения).

В сравнении с сурьмянистыми аккумуляторами, данный тип батарей практически не приходится обслуживать, хотя необходимость в пополнении запаса воды все же периодически возникает. Самым большим достоинством этих аккумуляторов принято считать их «неприхотливость» к электронному оборудованию автомобиля. То есть, даже если к электрической сети будут подключены некачественные приборы, из-за которых постоянно будет меняться напряжение, необратимых изменений с аккумулятором не произойдет (как известно, более современные аккумуляторы в таком случае могут безвозвратно терять свою емкость).

Важно! Характеристики малосурьмянистых аккумуляторных батарей для автомобиля позволяют их использовать только на старых авто, произведенных еще в СССР или в России. Подходят они для таких автомобилей и своей низкой стоимостью.

Чем отличаются кальциевые аккумуляторы?

В этом случае вместо сурьмы в решетки электролитов добавляется кальций, на что при покупке вам укажет специальная маркировка «Са/Са» (маркировка гласит, что в состав пластин обоих полюсов входит кальций). Добиться дополнительной энергоемкости кальциевых аккумуляторных батарей удалось еще и благодаря добавлению в состав их пластин небольших частичек серебра. Благодаря серебру также было снижено внутреннее сопротивление аккумулятора, и значительно вырос коэффициент полезного действия.

К достоинствам данного типа аккумуляторной батареи также следует отнести:

Отсутствие необходимости обслуживать такую батарею, поскольку в процессе ее эксплуатации вода из нее практически не испаряется. Благодаря этому кальциевые аккумуляторы стали необслуживаемыми.

По сравнению малосурьмянистыми аккумуляторами, кальциевые практически не подвергаются саморазрядке. Эта разница между двумя типами батарей составляет около 70%, что говорит о длительном сроке службы кальциевых батарей, а также о возможности их длительного хранения.

Кальциевым батареям не так страшен перезаряд, а электролиз в них благодаря наличию кальция начинается с 16 В.

Но вот если слишком интенсивной зарядки эти батареи не боятся, то если их несколько раз подряд посадить «в ноль», они сразу же потеряют половину своей емкости. Зачастую подобное приводит к необходимости полной замены аккумулятора. Еще один недостаток – чувствительность к перепадам напряжения, поэтому при установке кальциевого аккумулятора необходимо проверить исправность бортовой сети автомобиля.

Встретить такие аккумуляторы чаще всего удается на иномарках, которые относятся к среднему ценовому диапазону. Если же говорить о стоимости самой кальциевой батареи, то она в разы дороже вышеописанных, однако это компенсируется сроком ее службы (но, чтобы он был как можно более длительным, батареей необходимо правильно пользоваться и не допускать полной разрядки).

Общая характеристика гибридных аккумуляторов

Из названия понятно, что данный вид аккумуляторной батареи имеет набор разных пластин. При этом положительные изготавливаются с добавлением сурьмы (но меньше 5%), а отрицательные – с добавлением кальция. Поэтому и обозначаются такие аккумуляторы как «Са+». Благодаря такому подходу удалось добиться:

1. Снижения расхода воды по сравнению с малосурьмянистыми аккумуляторами.

2. Повышения устойчивости батареи к перепадам напряжения, а также к слишком интенсивной зарядке и разрядке.

Таким образом, гибридные аккумуляторы не превосходят по своим качествам вышеописанные, а находятся ровно посередине между ними, если оценивать их качество.

Гелевые и AGM аккумуляторы – в чем особенности?

Если вы интересовались вопросом, какие виды аккумуляторов есть, то наверняка сталкивались и с гелевыми батареями, и с батареями AGM. От всех остальных автомобильных аккумуляторов их отличает то, что электролит внутри них находится не в жидком, а в гелеобразном состоянии.

Необходимость в использовании гелеобразного электролита возникла по причине того, что жидкий электролит очень часто может вытекать из корпуса аккумулятора. Поскольку он является раствором воды и серной кислоты, такая жидкость повреждала не только корпус самой батареи, но и все другие системы автомобиля. К тому же, такой электролит со временем приводил к разрушению свинцовых пластин, что автоматически снижало мощность аккумулятора.

Добиться решения всех этих проблем получилось путем использования гелеобразного электролита. При этом в батареях AGM, помимо гелеобразного электролита, для предотвращения осыпания частичек электродов используется специальный пористый материал, изготовленный из абсорбирующего стекловолокна. Но в целом гелевые и AGM не имеют существенных различий между собой и отличаются следующими преимуществами:

Такие виды аккумуляторов совершенно не боятся наклонов, поэтому даже для эксплуатации их можно устанавливать в любом удобном положении, но все же переворачивать их вверх дном не стоит.

Устойчивы к воздействию вибраций, так как они не приводят к обсыпанию поверхности электродов.

Имеют низкую скорость саморазряда, поэтому если их хранить в заряженном состоянии, они даже через несколько месяцев будут оставаться пригодными для эксплуатации.

Не боятся переразряда, и когда батарея садится, автомобиль этого не чувствует, поскольку высота тока при этом не падает.

Но есть у них и недостатки – гелеобразные батареи очень боятся перезаряда, да и сам процесс зарядки обязательно необходимо проводить постепенно, при использовании низкого тока. Специально для этого выпускаются особые зарядные устройства, которыми мы и рекомендуем пользоваться.

Стоит также учитывать, что гелевые батареи очень плохо работают на морозе, хотя, если не допускать их к эксплуатации при низких температурах и правильно заряжать, они могут прослужить около 10 лет. Но и стоят они при этом недешево, поэтому встретить такой тип аккумуляторной батареи вам может посчастливится только на престижном авто.

Изучаем характеристики щелочных батарей для авто

В автомобильных аккумуляторах роль электролита может выполнять и щелочь. При этом можно встретить сразу два типа таких батарей:

1. Никель-кадмиевые. Положительные пластины электродов в таких аккумуляторах покрываются гидроксидом никеля, а отрицательные – кадмием и железом.

2. Никель-железные. Положительные электроды имеют тот же состав, что и в никель-кадмиевых батареях, а вот отрицательные изготавливаются из железа без использования каких-либо примесей.

Но, независимо от типа пластин, электролит в таких аккумуляторах применяется один – раствор едкого калия КОН. При этом, по сравнению с кислотными батареями, щелочные имеют следующие преимущества:

1. Не боятся переразрядов, и допускается даже хранение в полностью разряженном состоянии.

2. Не боятся избыточной зарядки.

3. Хорошо функционируют при отрицательных температурах.

4. Саморазряд еще ниже, чем в кислотных калиевых батарей.

5. Испарения щелочи не являются вредными для человеческого организма.

6. Такие батареи отличаются большой емкостью.

Что же касается недостатков, то щелочные батареи не способны выдавать одновременно большое количество тока. Это и объясняет большие размеры щелочных батарей, поскольку в них приходится вставлять больше «банок». К тому же и стоят такие батареи дороже, нежели кислотные.

Важно! Щелочные аккумуляторы чаще используются не для старта, а для тяговых функций, поэтому и применяются они преимущественно на грузовых авто.

Какими преимуществами отличается литий-ионный тип аккумуляторных батарей?

Литий-ионные батареи являются наиболее перспективными в современном автомобилестроении. При этом разработчики их постоянно совершенствуют, делая менее токсичными и более доступными в ценовом аспекте.

Преимуществами литий-ионного типа аккумуляторов являются следующие характеристики:

Максимально высокая емкость заряда батареи, которой не достигает ни один другой тип автомобильных аккумуляторов.

Высокое выдаваемое напряжение, позволяющее сделать аккумулятор максимально компактным.

Отсутствие интенсивного процесса саморазряда.

Но все же присутствует у них и целый ряд недостатков , по причине чего сегодня чаще используются свинцово-кислотные аккумуляторы для авто:

Когда температура падает до отрицательных отметок, сила тока, которую отдает аккумулятор, существенно снижается.

Литий-ионный аккумулятор может «пережить» только 500 процедур зарядки-разрядки.

Им характерен процесс «старения» – снижения емкости с возрастом. За 2 года уходит около 20% емкости.

Нельзя допускать глубокой разрядки литий-ионного аккумулятора.

Мощность такого аккумулятора не обеспечивает старт двигателя.

Тем не менее, согласно прогнозам, именно литий-ионные батареи в скором времени будут использоваться на автомобилях. Правда, инженерам придется хорошенько поработать, чтобы устранить все озвученные недостатки данного типа аккумуляторных батарей.

Следует заключить, что на сегодняшний день не существует идеального типа аккумуляторной батареи для авто, поскольку у каждого из существующих есть свои недостатки. По этой причине, при выборе аккумулятора каждый автовладелец должен ориентироваться на особенности своего автомобиля и личные предпочтения.

Аккумуляторная батарея – это источник постоянного тока, который предназначен для накопления и хранения энергии. Подавляющее число типов аккумуляторных батарей основано на циклическом преобразовании химической энергии в электрическую, это позволяет многократно заряжать и разряжать батарею.

Еще в 1800 году Алессандро Вольта произвел поразительное открытие, когда опустил в банку, наполненную кислотой, две металлические пластины – медную и цинковую, после чего доказал, что по соединяющей их проволоке протекает электрический ток. Спустя более чем 200 лет, современные аккумуляторные батареи продолжают производить на основе открытия Вольта.

Виды аккумуляторных батарей

Со времени изобретения первого аккумулятора прошло не больше 140 лет и сейчас сложно представить современный мир без резервных источников питания на основе батарей. Аккумуляторы применяются всюду, начиная с самых безобидных бытовых устройств: пульты управления, переносные радиоприемники, фонари, ноутбуки, телефоны, и заканчивая системами безопасности финансовых учреждений, резервными источниками питания для центров хранения и передачи данных, космической отраслью, атомной энергетикой, связью и т. д.

Развивающийся мир нуждается в электрической энергии столь сильно, сколько человеку нужен кислород для жизни. Поэтому конструкторы и инженеры ежедневно ведут работу по оптимизации имеющихся типов аккумуляторов и периодически разрабатывают новые виды и подвиды.

Основные виды аккумуляторов приведены в таблице №1.

Таблица №1. Классификация аккумуляторных батарей.

Исходя из приведенных данных в таблице №1, можно прийти к выводу, что существует достаточно много видов аккумуляторов, отличных по своим характеристикам, которые оптимизированы для применения в разнообразных условиях и с различной интенсивностью. Применяя для производства новые технологии и компоненты, ученым удается достигать нужных характеристик для конкретной области применения, к примеру, для космических спутников, космических станций и другого космического оборудования были разработаны никель-водородные аккумуляторы. Конечно, в таблице приведены далеко не все типы, а лишь основные, которые получили распространение.

Современные системы резервного и автономного электропитания для промышленного и бытового сегмента основаны на разновидностях свинцово-кислотных, никель-кадмиевых (реже применяются железо-никелевый тип) и литий-ионных аккумуляторах, поскольку эти химические источники питания безопасны и имеют приемлемые технические характеристики и стоимость.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи

Этот тип является самым востребованным в современном мире по причине универсальных особенностей и невысокой стоимости. Благодаря наличию большого количества разновидностей, свинцово-кислотные аккумуляторы применяется в областях систем резервного питания, системах автономного электроснабжения, солнечных электростанций, ИБП, различных видах транспорта, связи, системах безопасности, различных видах портативных устройств, игрушках и т. д.

Принцип действия свинцово-кислотных батарей

Основа работы химических источников питания основана на взаимодействии металлов и жидкости – обратимой реакции, которая возникает при замыкании контактов положительных и отрицательных пластин. Свинцово-кислотные аккумуляторы, как понятно из названия, состоят из свинца и кислоты, где положительно заряженными пластинами является свинец, а отрицательно заряженными – оксид свинца. Если подключить к двум пластинам лампочку, цепь замкнется и возникнет электрический ток (движение электронов), а внутри элемента возникнет химическая реакция. В частности, происходит коррозия пластин батареи, свинец покрывается сульфатом свинца. Таким образом, в процессе разряда аккумулятора на всех пластинах будет образовываться налет из сульфата свинца. Когда аккумулятор полностью разряжен, его пластины покрыты одинаковым металлом – сульфатом свинца и имеют практически одинаковый заряд относительно жидкости, соответственно, напряжение батареи будет очень низким.

Если к батарее подключить зарядное устройство к соответствующим клеммам и включить его, ток будет протекать в кислоте в обратном направлении. Ток будет вызывать химическую реакцию, молекулы кислоты – расщепляться и за счет этой реакции будет происходить удаление сульфата свинца с положительных и отрицательных пластилин батареи. В финальной стадии зарядного процесса пластины будут иметь первозданный вид: свинец и оксид свинца, что позволит им снова получить разный заряд, т. е. батарея будет полностью заряжена.

Однако на практике все выглядит немного иначе и пластины электродов очищаются не полностью, поэтому аккумуляторы имеют определенный ресурс, по достижении которого емкость снижается до 80-70% от изначальной.

Рисунок №3. Электрохимическая схема свинцово-кислотного аккумулятора (VRLA).

Типы свинцово-кислотных батарей

Lead–Acid , обслуживаемые – 6, 12В батареи. Классические стартерные аккумуляторы для двигателей внутреннего сгорания и не только. Нуждаются в регулярном обслуживании и вентиляции. Подвержены высокому саморазряду.

Valve Regulated Lead–Acid (VRLA) , необслуживаемые – 2, 4, 6 и 12В батареи. Недорогие аккумуляторы в герметизированном корпусе, которые можно использовать в жилых помещениях, не требуют дополнительной вентиляции и обслуживания. Рекомендованы для использования в буферном режиме.

Absorbent Glass Mat Valve Regulated Lead–Acid (AGM VRLA) , необслуживаемые – 4, 6 и 12В батареи. Современные аккумуляторы свинцово-кислотного типа с абсорбированным электролитом (не жидкий) и стекловолоконными разделительными сепараторами, которые значительно лучше сохраняют свинцовые пластины, не давая им разрушаться. Такое решение позволило значительно снизить время заряда AGM батарей, поскольку зарядный ток может достигать 20-25, реже 30% от номинальной емкости.

Аккумуляторы AGM VRLA имеют множество модификаций с оптимизированными характеристиками для циклического и буферного режимов работы: Deep – для частых глубоких разрядов, фронт-терминальные – для удобного расположения в телекоммуникационных стойках, Standard – общего назначения, High Rate – обеспечивают лучшую разрядную характеристику до 30% и подходят для мощных источников бесперебойного питания, Modular – позволяют создавать мощные батарейные кабинеты и т. д.



Рисунок №4.

GEL Valve Regulated Lead–Acid (GEL VRLA) , необслуживаниемые – 2, 4, 6 и 12В батареи. Одна из последних модификаций свинцово-кислотного типа аккумуляторов. Технология основана на применение гелеобразного электролита, который обеспечивает максимальный контакт с отрицательными и положительными пластинами элементов и сохраняет однообразную консистенцию по всему объему. Данный тип аккумуляторов требует «правильного» зарядного устройства, которое обеспечит требуемый уровень тока и напряжения, лишь в этом случае можно получить все преимущества по сравнению с AGM VRLA типом.

Химические источники питания GEL VRLA, как и AGM, имеют множество подвидов, которые наилучшим образом подходят для определенных режимов работы. Самыми распространенными являются серии Solar – используются для систем солнечной энергии, Marine – для морского и речного транспорта, Deep Cycle – для частых глубоких разрядов, фронт-терминальные – собраны в специальных корпусах для телекоммуникационных систем, GOLF – для гольф-каров, а также для поломоечных машин, Micro – небольшие аккумуляторы для частого использования в мобильных приложениях, Modular – специальное решение по созданию мощных аккумуляторных банков для накопления энергии и т. д.



Рисунок №5.

OPzV , необслуживаемые – 2В батареи. Специальные свинцово-кислотные элементы типа OPZV произведены с применением трубчатых пластин анода и сернокислотным гелеобразным электролитом. Анод и катод элементов содержат дополнительный металл – кальций, благодаря которому повышается стойкость электродов к коррозии и увеличивается срок службы. Отрицательные пластины – намазные, эта технология обеспечивает лучший контакт с электролитом.

Аккумуляторы OPzV устойчивы к глубоким разрядам и обладают длительным сроком службы до 22 лет. Как правило, для изготовления подобных элементов питания применяются только лучшие материалы, чтобы обеспечить высокую эффективность работы в циклическом режиме.

Применение OPzV аккумуляторов востребовано в телекоммуникационных установках, системах аварийного освещения, источниках бесперебойного питания, системах навигации, бытовых и промышленных системах накопления энергии и солнечной электрогенерации.


Рисунок №6. Строение OPzV аккумулятора EverExceed.

OPzS , малообслуживаемые – 2, 6, 12В батареи. Стационарные заливные свинцово-кислотные аккумуляторы OPzS производятся с трубчатыми пластинами анода с добавлением сурьмы. Катод также содержит небольшое количество сурьмы и представляет собой намазной решетчатый тип. Анод и катод разделены микропористыми сепараторами, которые предотвращают короткое замыкание. Корпус аккумуляторов выполнен из специального ударопрочного, устойчивого к химическому воздействию и огню прозрачного пластика, а вентилируемые клапаны относятся к пожаробезопасному типу и обеспечивают защиту от возможного попадания пламени и искр.

Прозрачные стенки позволяют удобно контролировать уровень электролита при помощи отметок минимального и максимального значения. Специальная структура клапанов дает возможность без их снятия доливать дистиллированную воду и промерять плотность электролита. В зависимости от нагрузки, долив воды осуществляется раз в один – два года.

Аккумуляторные батареи типа OPzS обладают самыми высокими характеристиками среди всех других видов свинцово-кислотных батарей. Срок службы может достигать 20 – 25 лет и обеспечивать ресурс до 1800 циклов глубокого 80% разряда.

Применение подобных батарей необходимо в системах с требованиями среднего и глубокого разряда, в т.ч. где наблюдаются пусковые токи средней величины.



Рисунок №7.

Характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов

Анализируя приведенные в таблице №2 данные, можно прийти к выводу, что свинцово-кислотные аккумуляторы обладают широким выбором моделей, которые подходят для различных режимов работы и условий эксплуатации.

Таблица №2. Сравнительные характеристики по видам свинцово-кислотных батарей.

Для анализа использовались усредненные данные более чем 10-ти производителей батарей, продукция которых представлена на рынке Украины в течение длительного времени и успешно применяется во многих областях (EverExceed, B.B. Battery, CSB, Leoch, Ventura, Challenger, C&D Techologies, Victron Energy, SunLight, Troian и другие).

Литий-ионные (литиевые) аккумуляторные батареи

История прохождения происхождения уходит в 1912 год, когда Гилберт Ньютон Льюис работал над вычислением активностей ионов сильных электролитов и проводил исследования электродных потенциалов целого ряда элементов, включая литий. С 1973 года работы были возобновлены и в результате появились первые элементы питания на основе лития, которые обеспечивали только один цикл разряда. Попытки создать литиевый аккумулятор затруднялись активностью свойств лития, которые при неправильных режимах разряда или заряда вызывали бурную реакцию с выделением высокой температуры и даже пламени. Компания Sony выпустила первые мобильные телефоны с подобными аккумуляторами, но была вынуждена отозвать продукцию обратно после нескольких неприятных инцидентов. Разработки не прекращались и в 1992 году появились первые «безопасные» аккумуляторы на основе ионов лития.

Аккумуляторы литий-ионного типа обладают высокой плотностью энергии и благодаря этому при компактном размере и легком весе обеспечивают в 2-4 раза большую емкость по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами. Несомненно, большим достоинством литий-ионных батарей является высокая скорость полной 100% перезарядки в течение 1-2 часов.

Li-ion батареи получили широкое применение в современной электронной технике, автомобилестроении, системах накопления энергии, солнечной генерации электроэнергии. Крайне востребованы в высокотехнологичных устройствах мультимедиа и связи: телефонах, планшетных компьютерах, ноутбуках, радиостанциях и т. д. Современный мир сложно представить без источников питания литий-ионного типа.

Принцип действия литиевых (литий-ионных) батарей

Принцип работы заключается в использовании ионов лития, которые связаны молекулами дополнительных металлов. Обычно, в дополнение к литию применяются литийкобальтоксид и графит. При разряде литий-ионного аккумулятора происходит переход ионов от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду) и наоборот при заряде. Схема аккумулятора предполагает наличие разделительного сепаратора между двумя частями элемента, это необходимо для предотвращения самопроизвольного перемещения ионов лития. Когда цепь аккумулятора замкнута и происходит процесс заряда или разряда, ионы преодолевают разделительный сепаратор стремясь к противоположно заряженному электроду.

Рисунок №8. Электрохимическая схема литий-ионного аккумулятора.

Благодаря своей высокой эффективности, литий-ионные аккумуляторы получили бурное развитие и множество подвидов, например, литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4). Ниже приведена графическая схема работы этого подтипа.

Рисунок №9. Электрохимическая схема процесса разряда и разряда LiFePO4 батареи.

Типы литий-ионных аккумуляторов

Современные литий-ионные аккумуляторы имеют множество подтипов, основная разница которых заключается в составе катода (отрицательно заряженного электрода). Также может изменяться состав анода для полной замены графита или использования графита с добавлением других материалов.

Различные виды литий-ионных аккумуляторов обозначаются по их химическому разложению. Для рядового пользователя это может быть несколько сложно, поэтому каждый тип будет описан максимально подробно, включая его полное название, химическое определение, аббревиатуру и краткое обозначение. Для удобства описания будет использоваться сокращенное название.

Литий кобальт оксид (LiCoO2) – Обладает высокой удельной энергией, что делает литий-кобальтовый аккумулятор востребованным в компактных высокотехнологичных устройствах. Катод батареи состоит из оксида кобальта, тогда как анод – из графита. Катод имеет слоистую структуру и во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду. Недостатком этого типа является относительно короткий срок службы, невысокая термическая стабильность и лимитированная мощность элемента.

Литий-кобальтовые батареи не могут разряжаться и заряжаться током, превосходящим номинальную емкость, поэтому аккумулятор с емкостью 2,4Ач может работать с током 2,4А. Если для заряда будет применяться большая сила тока, то это вызовет перегрев. Оптимальный зарядный ток составляет 0,8C, в данном случае 1,92А. Каждый литий-кобальтовый аккумулятор комплектуется схемой защиты, которая ограничивает заряд и скорость разряда и лимитирует ток на уровне 1C.

На графике (Рис. 10) отражены основные свойства литий-кобальтовых аккумуляторов с точки зрения удельной энергии или мощности, удельная мощность или способность обеспечивать высокий ток, безопасности или шансы воспламенения при высокой нагрузке, рабочая температура окружающей среды, срок службы и циклический ресурс, стоимость.



Рисунок №10.

Литий Оксид Марганца (LiMn2O4, LMO) – первая информация об использовании лития с марганцевыми шпинелями была опубликована в научных докладах 1983 года. Компания Moli Energy в 1996 году выпустила первые партии аккумуляторов на основе литий-оксид-марганца в качестве материала катода. Такая архитектура формирует трехмерные структуры шпинели, что улучшает поток ионов к электроду, тем самым снижая внутреннее сопротивление и повышая возможные токи заряда. Также преимущество шпинели в термической стабильности и повышенной безопасности, однако циклический ресурс и срок службы ограничен.

Низкое сопротивление обеспечивает возможность быстрого заряда и разряда литий-марганцевого аккумулятора с высоким током до 30А и кратковременно до 50А. Применяется для мощных электроинструментов, медицинского оборудования, а также гибридных и электрических транспортных средств.

Потенциал литий-марганцевых аккумуляторов примерно на 30% ниже по сравнению с литий-кобальтовыми батареями, однако эта технология обладает примерно на 50% лучшими свойствами, чем аккумуляторы на основе никелевых химических компонентов.

Гибкость конструкции позволяет инженерам оптимизировать свойства батареи и достичь длительного срока службы, высокой емкости (удельная энергия), возможности обеспечивать максимальный ток (удельная мощность). Например, с длительным сроком эксплуатации типоразмер элемента 18650 имеет емкость 1,1Ач, тогда как элементы, оптимизированные на повышенную емкость, – 1,5Ач, но при этом они имеют меньший срок службы.

На графике (Рис. 12) отраженны не самые впечатляющие характеристики литий-марганцевых аккумуляторов, однако современные разработки позволили существенно повысить эксплуатационных характеристики и сделать этот тип конкурентным и широко применяемым.



Рисунок №11.

Современные аккумуляторы литий-марганцевого типа могут производиться с добавлениями других элементов – литий-никель-марганец-кобальт оксид (NMC), подобная технология существенно продлевает срок службы и повышает показатели удельной энергии. Этот состав привносит лучшие свойства из каждой системы, так называемые LMO (NMC) применяются для большинства электромобилей, таких как Nissan, Chevrolet, BMW и т. д.

Литий-Никель-Марганец-Кобальт оксид (LiNiMnCoO2 или NMC) – ведущие производители литий-ионных батарей сосредоточились на сочетании никеля-марганца-кобальта в качестве материалов катода (NMC). Похожий на литий-марганцевый тип, эти аккумуляторы могут быть адаптированы для достижения показателей высокой удельной энергии или высокой удельной мощности, однако, не одновременно. К примеру, элемент NMC типа 18650 в состоянии умеренной нагрузки имеет емкость 2,8Ач и может обеспечить максимальный ток 4-5А; NMC элемент, оптимизированный к параметрам повышенной мощности, имеет всего 2Втч, но может обеспечить непрерывный ток разряда до 20А. Особенность NMC заключается в сочетании никеля и марганца, в качестве примера можно привести поваренную соль, в которой основные ингредиенты натрий и хлорид, которые в отдельности являются токсичными веществами.

Никель известен своей высокой удельной энергией, но низкой стабильностью. Марганец имеет преимущество формирования структуры шпинели и обеспечивает низкое внутреннее сопротивление, но при этом обладает низкой удельной энергией. Комбинируя эти два металла, можно получать оптимальные характеристика NMC аккумулятора для разных режимов эксплуатации.

NMC аккумуляторы прекрасно подходят для электроинструмента, электровелосипедов и других силовых агрегатов. Сочетание материалов катода: треть никеля, марганца и кобальта обеспечивают уникальные свойства, а также снижают стоимость продукта в связи с уменьшением содержания кобальта. Другие подтипы, как NCM, CMN, CNM, MNC и MCN имеют отличное соотношение тройки металлов от 1/3-1/3-1/3. Обычно, точное соотношение держится производителем в секрете.



Рисунок №12.

Литий-Железо-Фосфатные (LiFePO4) – в 1996 в университете штата Техас (и другими участниками) был применен фосфат в качестве катодного материала для литиевых аккумуляторов. Литий-фосфат предлагает хорошие электрохимические характеристики с низким сопротивлением. Это стало возможным с нано-фосфатом материала катода. Основными преимуществами являются высокий протекающий ток и длительный срок службы к тому же, хорошая термическая стабильность и повышенная безопасность.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы терпимее к полному разряду и менее подвержены «старению», чем другие литий-ионные системы. Также LFP более устойчивы к перезаряду, но как и в других аккумуляторах литий-ионного типа, перезаряд может вызвать повреждение. LiFePO4 обеспечивает очень стабильное напряжение разряда – 3,2В, это же позволяет использовать всего 4 элемента для создания батареи стандарта 12В, что в свою очередь позволяет эффективно заменять свинцово-кислотные батареи. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы не содержат кобальт, это существенно снижает стоимость продукта и делает его более экологически чистым. В процессе разряда обеспечивает высокий ток, а также может быть заряжен номинальным током всего за один час до полной емкости. Эксплуатация при низких температурах окружающей среды снижает производительность, а температура свыше 35ºС – несколько сокращается срок службы, но показатели намного лучше, чем у свинцово-кислотных, никель-кадмиевых или никель-металлогидридных аккумуляторов. Литий-фосфат имеет больший саморазряд, чем другие литий-ионные аккумуляторы, которые могут вызвать потребность балансировки батарейных кабинетов.



Рисунок №13.

Литий-Никель-Кобальт-Оксид Алюминия (LiNiCoAlO2) – литий-никель-кобальто-оксид алюминиевые батареи (NCA) появились в 1999 году. Этот тип обеспечивает высокую удельную энергию и достаточную удельную мощность, а также длительный срок службы. Однако существуют риски воспламенения, в следствие чего был добавлен алюминий, который обеспечивает более высокую стабильность электрохимических процессов, протекающих в аккумуляторе при высоких токах разряда и заряда.



Рисунок №14.

Литий-титанат (Li4Ti5O12) – аккумуляторы с анодами из литий-титаната были известны с 1980-х годов. Катод состоит из графита и имеет сходство с архитектурой типичной литий-металлической батареи. Литий-титанат имеет напряжение элемента 2,4В, может быть быстро заряжен и обеспечивает высокий разрядный ток 10C, который в 10 раз превышает номинальную емкость батареи.

Литий-титанатные аккумуляторы отличаются повышенным циклическим ресурсом по сравнению с другими Li-ion видами батарей. Обладают высокой безопасностью, а также способны работать при низких температурах (до –30ºC) без ощутимого снижения рабочих характеристик.

Недостаток заключается в достаточно высокой стоимости, а также в небольшом показателе удельной энергии, порядка 60-80Втч/кг, что вполне сопоставимо с никель-кадмиевыми аккумуляторами. Области применения: электрические силовые агрегаты и источники бесперебойного питания.



Рисунок №15.

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol, Li-polymer, LiPo, LIP, Li-poly) – литий полимерные аккумуляторы отличаются от литий-ионных тем, что в них используется специальный полимерный электролит. Возникший ажиотаж к этому виду батарей с 2000-х годов длится до сегодняшнего времени. Основан он не безосновательно, т. к. при помощи специальных полимеров удалось создать батарею без жидкого или гелеобразного электролита, это дает возможность создавать батареи практически любой формы. Но основная проблема заключается в том, что твердый полимерный электролит обеспечивает плохую проводимость при комнатной температуре, а лучшие свойства демонтирует в разогретом состоянии до 60°С. Все попытки ученых обнаружить решение этой задачи оказали тщетны.

В современных литий-полимерных батареях применяется небольшое количество гелевого электролита для лучшей проводимости при нормальной температуре. А принцип работы построен на одном из описанных выше типов. Самым распространенным является литий-кобальтовый тип с полимерным гелеобразным электролитом, который применяется в большинстве случаев.

Основная разница между литий-ионными аккумуляторами и литий-полимерными заключается в том, что микропористый полимерный электролит заменяется традиционным разделительным сепаратором. Литий-полимер имеет немного больший показатель удельной энергии и дает возможность создавать тонкие элементы, но стоимость на 10-30% выше, чем литий-ионных. Существенная разница есть и в структуре корпуса. Если для литий-полимерных применяется тонкая фольга, которая дается возможность создавать настолько тонкие элементы питания, что они похожи на кредитные карты, то литий-ионные собираются в жестком металлическом корпусе для плотной фиксации электродов.

Рисунок №17. Внешний вид Li-polymer аккумулятора для мобильного телефона.

Характеристики литий-ионных аккумуляторов

В таблице отсутствует максимальная емкость элементов, т. к. технология литий-ионных аккумуляторов не позволяет производить мощные отдельные элементы. Когда необходима высокая емкость или постоянный ток, батареи соединятся параллельно и последовательно при помощи перемычек. Состояние обязательно должна контролировать система батарейного мониторинга. Современные батарейные кабинеты для ИБП и солнечных электростанций на основе литиевых элементов могут достигать напряжения 500-700В постоянного тока с емкостью около 400А/ч, а также емкости 2000 – 3000Ач с напряжением 48 или 96В.

Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи

Изобретателем является шведский ученый Вальдемар Юнгнер, который запатентовал технологию производства никель кадмиевого типа в 1899 году. D 1990 году возник патентный спор с Эдисоном, который Юнгнер проиграл в силу того, что не владел таким средствами, как его оппонент. Компания «Ackumulator Aktiebolaget Jungner», основанная Вальдемаром, оказалась на грани банкротства, однако, сменив название на «Svenska Ackumulator Aktiebolaget Jungner», предприятие все же продолжило свое развитие. В настоящее время предприятие, основанное разработчиком, носит название «SAFT AB» и производит одни из самых надежных никель-кадмиевых аккумуляторов в мире.

Никель-кадмиевые аккумуляторы относятся к очень долговечному и надежному типу. Существуют обслуживаемые и необслуживаемые модели с емкостью от 5 до 1500Ач. Обычно поставляются в виде сухо-заряженных банок без электролита с номинальным напряжением 1,2В. Несмотря на схожесть конструкции со свинцово-кислотными, никель- кадмиевые батареи имеют ряд существенных преимуществ в виде стабильной работы при температуре от –40°С, возможности выдерживать высокие пусковые токи, а также оптимизированы моделями для быстрого разряда. Ni-Cd батареи устойчивы к глубокому разряду, перезаряду и не требуют моментального заряда как свинцово-кислотный тип. Конструктивно производятся в ударопрочном пластике и хорошо переносят механические повреждения, не боятся вибрации и т.п.

Принцип действия никель-кадмиевых батарей

Щелочные аккумуляторы, электроды которых состоят из гидрата окиси никеля с добавлениями графита, окиси бария и порошкового кадмия. В качестве электролита, как правило, выступает раствор с 20%-ным содержанием калия и добавлением моногидрата лития. Пластины разделены изолирующими сепараторами во избежании замыкания, одна отрицательно заряженная пластина расположена между двумя положительно заряженными.

В процессе разряда никель-кадмиевой батареи происходит взаимодействие между анодом с гидратом окиси никеля и ионами электролита, образуя гидрат закиси никеля. В это же время катод из кадмия образует гидрат окиси кадмия, тем самым создавая разность потенциалов до 1,45В обеспечивая напряжение внутри аккумулятора и во внешней замкнутой цепи.

Процесс заряда никель-кадмиевых аккумуляторов сопровождается окислением активной массы анодов и переходом гидрата закиси никеля в гидрат окиси никеля. Одновременно катод восстанавливается с образованием кадмия.

Достоинством принципа действия никель-кадмиевой батареи является то, что все составляющие, которые образуются в процессе циклов разряда и заряда, почти не растворяются в электролите, а также не вступают в какие-либо побочные реакции.

Рисунок №16. Строение Ni-Cd аккумулятора.

Типы никель-кадмиевых аккумуляторов

В настоящее время батареи Ni-Cd используют чаще всего в промышленности, где требуется обеспечивать питанием разнообразные приложения. Некоторые производители предлагают несколько подвидов никель-кадмиевых аккумуляторов, которые обеспечивают наилучшую работу в определенных режимах:

время разряда 1,5 – 5 часов и более – обслуживаемые батареи;

время разряда 1,5 – 5 часов и более – необслуживаемые батареи;

время разряда 30 – 150 минут – обслуживаемые батареи;

время разряда 20 – 45 минут – обслуживаемые батареи;

время разряда 3 – 25 минут – обслуживаемые батареи.

Характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов

Высокие технические характеристики делают этот тип аккумуляторных батарей очень привлекательным для решения производственных задач, когда требуется высоконадежный источник резервного питания с длительным сроком службы.

Никелево-железные аккумуляторные батареи

Впервые были созданы Вальдемаром Юнгнером в 1899 году, когда он пытался найти более дешевый аналог кадмию в составе никель-кадмиевых батарей. После долгих испытаний Юнгнер отказался от применения железа, т. к. заряд осуществлялся слишком медленно. Несколькими годами позднее, Томас Эдисон создал никель-железный аккумулятор, который осуществлял питание электромобилей «Baker Electric» и «Detroit Electric».

Дешевизна производства позволили никель-железным аккумуляторам стать востребованными в электротранспорте в качестве тяговых батарей, также применяются для электрификации пассажирских вагонов, питания цепей управления. В последние годы о никель-железных аккумуляторах заговорили с новой силой, т. к. они не содержат токсичных элементов вроде свинца, кадмия, кобальта и т. д. В настоящее время некоторые производители продвигают их для систем возобновляемой энергетики.

Принцип действия никелево-железных батарей

Аккумуляция электроэнергии происходит при помощи никель оксида-гидроксида, применяемого в качестве положительных пластин, железа – в качестве отрицательных пластин и жидкого электролита в виде едкого калия. Никелевые стабильные трубки или «карманы» содержат активное вещество

Никелево-железный тип очень надежный, т.к. выдерживает глубокие разряды, частые перезаряды, а также может находится в недозаряженном состоянии, что очень пагубно для свинцово-кислотных батарей.

Характеристики никелево-железных аккумуляторов

Использованные материалы

Исследования компании Boston Consulting Group

Техническая документация ТМ Bosch, Panasonic, EverExceed, Victron Energy, Varta, Leclanché, Envia, Kokam, Samsung, Valence и других.

Сегодня встречаются различные виды аккумуляторов. Наиболее важными показателями АКБ является емкость, количество циклов заряда – разряда, внутренняя начинка.

Типы аккумуляторов

Типы производимых аккумуляторных батареек определяются материалами, применяемыми при их изготовлении.

Свинцовые элементы

Свинцовый элемент

Корпус герметичный. Внутри вместо жидкости иногда применяется гель. Есть клапаны для выхода газов. Сейчас такого рода АКБ встречаются реже, однако до сих пор АКБ такого типа выпускаются.

Достоинства:

• Невысокая стоимость.
• Неплохая переносимость низких температур.

Недостатки:

• Не являются полностью герметичными, несмотря на название – чаще всего необходимо эксплуатировать в строго вертикально.
• Имеются выделения щелочных или кислотных паров – не стоит использовать в невентилируемых помещениях.
• Нельзя заряжать до предела – кипение жидкости приводит к выходу из строя.
• Низкий заряд приводит к резкому сокращению емкости.

Никелевые АКБ

Никель-кадмиевые аккумуляторы

У никель-кадмиевых батарей наблюдается «эффект памяти», то есть если вы не полностью разрядили аккумулятор, то он заряжается только до уровня последней зарядки. То есть он как бы запоминает уровень последнего заряда, с которого его заряжали. Чтобы «стереть» память такого аккумулятора, никель-кадмиевые аккумуляторы надо обязательно полностью разряжать перед зарядкой, если вы хотите быть уверенным, что он зарядится полностью, а не, например, на 80 процентов.

Хранить их лучше в примерно с 40 % заряда, по причине необратимых изменений в случае длительного разряженного состояния.

Достоинства:

• Низкая цена.
• Возможность скоростной зарядки.
• Сохраняет емкость даже при – 20°C.
• Количество циклов заряда – до 1000.

Недостатки:

• Специальная система зарядки, предусматривающая полный разряд.
• Содержат токсичный кадмий.
• В течение первых 24 часов может потерять 10 % заряда.
• В течение первых 30 дней теряет до 20 % емкости.

Долго хранившиеся АКБ необходимо подзаряжать с помощью 5 циклов, чтобы они пришли в норму.

Другой вид – АКБ на основе никеля и металл гидридов.

NI-MH аккумулятор

Преимущества:

• Менее токсичные, чем содержащие кадмий.
• АКБ Ni-Mh «эффекта памяти» не имеет или он у них мало выражен.
• Хранится с полным зарядом. В случае длительного хранения заряжайте ежемесячно.
• Имеют на 50 % большую емкость чем на основе кадмия.
• Некоторые имеют отметку LSD (low self-discharge), то есть очень медленно разряжающиеся.

Недостатки:

• Выше стоимость.
• Саморазряд больше, чем у тех что содержат кадмий – могут разрядиться в течение нескольких месяцев хранения.
• После 200-300 циклов разряда емкость начинает снижаться.
• Срок службы меньше чем у аккумуляторов, содержащих кадмий.

Аккумуляторы на основе лития

Выпускаются различные типы производимых литиевых аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы (li ion)

Набирающие популярность АКБ. НЕ допускают полного разряда, поэтому некоторые модели выпускаются с защитой от полного разряда.

Li- Ion с защитой и без

Достоинства:

• Практически нет «эффекта памяти» – можно заряжать в любом состоянии.
• Высокая емкость, легкие, поэтому получила распространение также в автомобилестроении, где соотношение веса и мощности АКБ сильно влияет на дневной пробег.
• Медленно разряжаются – в среднем до 3 % в первый месяц, и 1% в последующие месяцы.
• Скоростная зарядка почти не вредит дальнейшей эксплуатации.
• Цены постепенно падают.

Недостатки:

• Все типы существующих литий ионных аккумуляторов плохо переносят холод. Ниже 0 емкость резко падает.
• Дороже чем АКБ Ni htm и ni-cd.
• Имеют тенденцию к взрыву при неправильной зарядке.

Заряжать их рекомендуется уже при половинном заряде. Чем больше циклов заряда-разряда – тем меньше работают батареи. Отсюда вывод – старайтесь не допускать полного разряда. Держите эти аккумуляторы, по возможности, максимально заряженными – это обеспечит их длительную работу. Например, используя ноутбук, держите его всегда включенным в розетку. Ноутбук станет питаться током от сети, а аккумулятор будет использоваться реже, например, в дороге, или там, где действительно необходимо автономное питание.

Некоторые даже снимают батареи с ноутбуков, предварительно зарядив их, и хранят отдельно, чтобы увеличить срок службы батареи. Однако у такого метода имеются свои недостатки – ноутбук, в случае отключения света или если хозяин забыл правильно завершить работу операционной системы, может не сохранить важные данные. Это также негативно сказывается на операционной системе. В любом случае приходится периодически ставить аккумулятор на зарядку, чтобы уровень заряда был по возможности выше 50 %.

Разновидности литиевых АКБ

Литий-полимерные АКБ

Некоторые из них являются полностью сухими, а поэтому долговечными и менее пожароопасными. Их характеристики лучше при относительно высоких температурах. Поэтому их часто предпочитают использовать в жарком климате.

Литий-ионный полимер

Литий-ионный полимерный аккумулятор

Производители в большинстве случаев все же добавляют гель внутри АКБ. Название батареи остается таким же, как и у полностью сухих – Li-Polymer, хотя правильней было бы литий-ионные полимерные АКБ. Их чаще всего используют в телефонах и ноутбуках.

Различия в таких АКБ определяются, прежде всего, материалом катода. Материал катода можно узнать по второй букве в названии АКБ. Например:

• C - с кобальтом. Такие АКБ имеют самое большое значение емкости.
• M - с марганцем. Емкость меньше, зато имеют максимальный разрядный ток, то есть их лучше применять там, где нужна большой ток отдачи.
• F - железо – фосфатные. Имеют ёмкость меньше, как и отдаваемый ток, зато можно перезаряжать больше 1000 раз и за 1 час.

Достоинства:

• Уменьшенные размеры и вес – толщина может достигать миллиметра при незначительном весе.
• Возможность сгибания.
• Достаточно высокая емкость.

Недостатки:

• Недопустим глубокий разряд.
• Стоимость выше обычных.

Li-Fe

АКБ литий-железосульфитные имеют высокие количества перезарядки – до 2000, быстро заряжаются – 15 мин, большой ток отдачи – 60-130 А. Хорошо работают при температуре -30 С, требуют особого зарядного устройства, и имеют больший вес чем обычные. Цены пока высокие.

Литий-железосульфитный

Как определить наиболее предпочтительный тип аккумулятора

Прежде всего определите, что для вас наиболее важно, а что нет. Если вес и размеры не имеют значения, а цена имеет – берите свинцовые АКБ. Они громоздки, но наиболее дешевы. Если вам важны размер, вес и цена – берите никелевые АКБ. Если нужна компактность и высокая отдача, а цена второстепенна – берите литиевые АКБ. Самые мощные - Li-Fe АКБ. Но и достаточно дорогие.

Виды аккумуляторов

Виды производимых аккумуляторных батареек различаются значительно. Рассмотрим наиболее популярные типоразмеры.

Типоразмер «AA»

Напряжение 1,2V, длина 50,5 мм, диаметр 13,5-14,5 мм. Обычно называют «пальчиковыми».

Типоразмер «AAA»

Напряжение 1,2V, длина 44,6 мм, диаметр 10,5 мм. Часто называют «мизинчик».

Типоразмер «16340»

3,7V, длина 35 мм, диаметр 17 мм.

Типоразмер «18500»

3,7V, длина 35 мм, диаметр 18 мм.

Типоразмер «18650»

3,7V, длина 67 мм, диаметр 18 мм.

Также обозначаются 168A. Формой напоминает АА или ААА, однако больше в размерах. Емкость аккумуляторов 18650 обычно в пределах 2200-4000 мАч. Зарядка аккумулятора осуществляется подачей напряжения 0,05 В, а заканчивается напряжением 4,2 В. Рекомендуемая сила тока 0,5 А. В отдельных случаях, если надо зарядить АКБ срочно – допускается напряжение максимум 1 А. Время заряда – 3 часа. Большее время вызывает перегрев. Разумеется, все эти операции должно выполнять зарядное устройства. Поэтому так важно правильно выбирать зарядку.

Типоразмер «26650»

Напряжение 3,6 V, длина 68-72,5 мм, диаметр 26,5 мм.

Некоторые модели обещают 1500 циклов заряд/разряд. После этого срока емкость батареи падает до 80 %. Используется в устройствах где требуется мощный источник питания.

Типоразмер «32650»

Напряжение 3, 7 V, длина 68мм, диаметр 33 мм.

В большинстве случаев выпускается уже с платой защиты. Вес до 150 гр.

Типоразмер «R14/LR14» или «Элемент С»

«Элемент С»

Напряжение 1.5 V, длина 50мм, диаметр 26,2 мм.

Видом напоминает маленький бочонок. Масса обычно около 37 граммов.

Типоразмер «R20/LR20» или «Элемент D»

Напряжение 1.5 V, длина 61,5 мм, диаметр 34,2 мм.

Похож на большой бочонок, масса обычно от 66 до 141 граммов. Батарейки такого типоразмера (иногда называют «тип d»), стали выпускаться одними из первых в мире – первые образцы были выпущены в 1898 году будущей компанией «Energizer».

Типоразмер PP3 («Крона 9v»)

Аккумулятор такого типа как крона получил название благодаря популярному в СССР названию батарейки.

Напряжение 9V, размеры: 48,5 мм × 26,5 мм × 17,5 мм.

Масса 53 граммов. Емкость – 120 мАч – 700 мАч. В некоторых моделях имеется возможность зарядки током 4,5-5,5 в с помощью встроенного преобразователя тока.

Тип АКБ «Без корпуса» или «гибкие» батареи

Батареи без корпуса

Напряжение 4.5- 6 V, размеры от 3x10x12мм до 5x120x130мм.

Многие говорят, что такая АКБ скорее напоминают не батарейку, а завтрак космонавта в металлической фольге. Однако они удобны во многих случаях, когда устройство компактное, отсек АКБ имеет сложное строение.

Зарядные устройства

Бывают нескольких типов:

• Для одного размера батареек или для разного типа батарей.
• Специализированные – для батарей, например, на основе никеля или лития, или универсальные - для любого вида батарей.
• Для обычного, то есть медленного заряда, и скоростного, или суперскоростного заряда.
• С различными таймерами и системами регулировок заряда.

Нормальное зарядное устройство должно уметь:

1. Быстро заряжать током более высокого напряжения, чем отдаваемый аккумулятором.
2. Правильно контролировать сам процесс заряда. То есть по мере заряда снижать силу заряжаемого тока.
3. Уметь заряжать как сильным током для быстрой зарядки в случае срочной необходимости использовать аккумулятор, так и слабым током, в случае если необходимо аккумулятор заряжать медленно и бережно. Ведь чем медленнее заряжается аккумулятор, тем меньше греется и менее склонен к быстрому сокращению срока службы.
4. Заряжающее устройство должно уметь отключать автоматически зарядку.

Хорошее заряжающее устройство обычно может заряжать совершенно различные виды аккумуляторов – например, «пальчиковые» («АА»), «ААА», «186502», аккумуляторы типа «крона», в общем как можно больше типов аккумуляторов.

1. При прочих равных условиях выбирайте с более высокой емкостью. Это позволит устройству работать дольше, циклов будет меньше, а, следовательно, срок службы выше. Кроме случаев, когда АКБ с наибольшей емкостью стоит неадекватно дорого, что иногда бывает при выпуске новых моделей. На калькуляторе легко рассчитать какое соотношение емкости и цены наиболее выгодно. Даже если соотношение цена – емкость немного хуже, предпочтительнее брать АКБ с большей емкостью – все компенсируется меньшим количеством циклов заряда.

К примеру, рассмотрим устройство 8.

Оно имеет следующие возможности:

• зарядка АКБ разной емкости;
• регулировка тока на разных АКБ;
• защита, если вставите батареи наоборот, перепутав плюс с минусом;
• защита от высокой температуры;
• отключение после достижения полного заряда;
• настройка включения и выключения по расписанию;
• перезарядка старых АКБ;
• быстрая зарядка;
• умеет работать с никель-кадмиевыми батарейками с «памятью»;
• дополнительный разъем для питания от аккумулятора автомобиля на 12 вольт.

Приобретайте высококачественные устройства зарядки – это того стоит. Желательно вообще приобретать аккумуляторы и зарядные устройства одной и той же фирмы. Часто они предлагаются в комплекте – и аккумуляторы и зарядное устройство вместе – что является идеальным вариантом. В дальнейшем покупайте АКБ той же фирмы и того же внутреннего строения и проблем с зарядкой АКБ у вас не будет никогда.

Можно смело покупать известные бренды Америки (Duracell, Energizer, Kodak). Японии (SONY, MAXELL, Sanyo, National, Panasonic, Toshiba, TDK), Европы (PHILIPS, VARTA), Кореи (Samsung, LG, TEKCELL, DAEWOO). Место, где изготовлены аккумуляторы, особо значения не имеет. Обычно это Китай.

Главное, не купить подделку. Отличить ее можно прежде всего необычайно низкой ценой, низким качеством исполнения типографской печати, отсутствием мелкой структуры, плохой заделка швов, короткой гарантией и так далее. В последнее время Китай также наладил производство неплохих аккумуляторов, но здесь надо различать «фабричных» и «кустарных» изготовителей. «Фабричные» не подделывают известные бренды, а продвигают свои. Такие аккумуляторы заслуживают внимания. Они имеют неплохое качество и умеренную цену.