Аккумуляторы и аккумуляторные батареи

Он-лайн книга, посвященная теории и практике применения вторичных химических источников тока (аккумуляторов).

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 3.5 (16 голоса)

Введение

Аккумуляторы, описываемые в данной книге относятся к вторичным химическим источникам тока.

Тогда как первичные химические источники тока используют малообратимые реакции для выработки тока, аккумуляторы позволяют накапливать энергию и отдавать ее потребителю многократно за счет обратимых электрохимических реакций.
Несколько объединенных в электрическую цепь аккумуляторов образуют аккумуляторную батарею.
Далее, на страницах этого он-лайн пособия, вы сможете ознакомиться с различными типами аккумуляторов и аккумуляторных батарей, их устройством, принципом действия, советами по правильному использованию.

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 3.2 (5 голоса)

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы весьма распространены в качестве источников питания современной бытовой электроники.
В настоящее время это самый популярный тип аккумуляторов для сотовых телефонов, ноутбуков, цифровых фотоаппаратов.
Наибольшие же перспективы роста рынка литий-ионных аккумуляторов открываются всвязи с использованием этих вторичных химических источников тока в качестве источника питания электротранспорта.

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 3.9 (33 голоса)

История появления Li-ion аккумуляторов

Первые эксперименты с литиевыми аккумуляторами относятся к 1912 году, но первые серийно произведенные литиевые батареи появились в 1970-х, они были неперезаряжаемые.

В середине 1980-х появились серийные литиевые аккумуляторы, но их использование было ограничено из-за высокой взрывоопасности - при циклированни на литиевом аноде образовывались дендритообразные кристаллы лития, которые прорастали
до катода и провоцировали внутриэлементное короткое замыкание и взрыв из-за перегрева, который запускал химическую реакцию между литием и органическим электролитом.
С 1991 года началось коммерческое использование литий-ионных аккумуляторов, изготовленных фирмой Sony. В этих аккумуляторах использовался кобальтат лития (LiCoO2) и кокс в качестве материала электродов. Электролитом был раствор соли лития в органическом растворителе. При соблюдении условий разряда/заряда данные элементы достаточно безопасны в плане взрыва, что обеспечило их коммерческий успех.
В конце 1990-х - начале 2000-х появилось много новых игроков на рынке литий-ионных аккумуляторов - стали производится батареи на базе кобальтатов лития на графитовых электродах, появились батареи на основе более дешевой химии - LiNiO2, LiMnO2, LiMn2O4, LiFePO4. Также появились аккумуляторы с полимерным электролитом для использования в миниатюрной электронике.
В настоящее время каждые полгода появляются литий-ионные аккумуляторы, основанные на новых химических и конструктивных составляющих. Возможности совершенствования, основанных на литии аккумуляторов, еще далеко не исчерпаны, что вселяет надежду на появление все более емких, безопасных и дешевых аккумуляторов на рынке в самом недалеком будущем.

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 2.7 (17 голоса)

Преимущества и недостатки

Рассмотрим преимущества и недостатки литий-ионных аккумуляторов и аккумуляторных батарей на их основе.

Преимущества


  • наибольшая плотность энергии из всех разновидностей аккумуляторов – как объемная, так и весовая
  • напряжение питания на элементе - 3,6В, что в 3 раза выше, чем у NiMH и NiCd аккумуляторов и почти в 2 раза выше, чем для свинцово-кислотных аккумуляторов
  • быстрый процесс заряда батарей - до 90% емкости за 30-40 минут
  • высокий показатель ресурса - свыше 1000 циклов разряда/заряда (в лабораторных условиях)
  • низкий показатель саморазряда - до 5% в месяц
  • дружественность окружающей среде - могут утилизироваться без предварительной переработки

Недостатки

  • возможность взрыва при механическом повреждении или перезарядке аккумулятора (возможность взрыва для современных аккумуляторов резко снижена)
  • достаточно быстрое старение аккумулятора - большинство аккумуляторов резко снижают свои характеристики при хранении или использовании более 5 лет
  • для создания аккумуляторных батарей требуется сложная система управления батареей
  • высокая стоимость, но над этим параметром усиленно работают китайские производители

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 4.4 (14 голоса)

Как продлить жизнь аккумулятору

С момента начала массового производства литий-ионных аккумуляторных батарей в 1991 году фирмой Sony уже прошло более 17 лет, однако многие процессы, происходящие в литий-ионных аккумуляторах до сих пор мало изучены. В данной статье вы сможете прикоснуться к тем крупицам знания по продлению срока жизни литий-ионных аккумуляторов, которые накопились за эти годы.

Материал в статье преподнесен в виде подборки отдельных фактов, касающихся жизни и условий работы литий-ионных аккумуляторных батарей. Эта подборка фактов позволит со знанием дела определить стратегию сохранения жизни литий-ионного аккумулятора в зависимости от области использования в следующей статье цикла.
Литий-ионные аккумуляторы больше страдают от процесса "старения" (ухудшение характеристик на протяжении времени), чем от циклирования. Это означает, что большинство аккумуляторов не может служить свыше 5 лет при обычных условиях эксплуатации (оптимистичный прогноз). Мораль такова — если покупаете литий-ионный аккумулятор, внимательно относитесь к дате изготовления — при полугодовой давности вы потеряете 10% от заявленного срока жизни.

Старение батарей ускоряется при работе или хранении в жарких условиях — смотри таблицу для литий-кобальтовых аккумуляторов (для литий-марганцевых и литий-железных батарей результаты немного лучше).

Деградация характеристик литий-кобальтовых аккумуляторов всвязи с температурой хранения


Температура, °C 40% уровень заряда (рекомендуемый уровень заряда) 100% уровень заряда (поддерживается пользователями при работе)
0°C 98% через 1 год 94% через 1 год
25°C 96% через 1 год 80% через 1 год
40°C 85% через 1 год 65% через 1 год
60°C 75% через 1 год 60% через 3 месяца

Учитывая, что стандартом определения момента завершения жизни аккумулятора производителем является снижение его емкости до 80% от номинальной понятно, откуда появились 5 лет жизни (когда аккумулятор работает при температуре не выше 25°C и большинство времени находится в полу разряженном состоянии). Поэтому следует правильно организовывать охлаждение батарей при эксплуатации и заряжать аккумулятор непосредственно перед использованием, добиваясь среднего уровня заряда в процессе эксплуатации близкого к 40% (проверено на практике – при заряде батареи моего мобильного раз в 3-4 дня до 80-90% емкости и ношении его во внешнем кармане одежды – срок жизни уже достиг более 4х лет при сохранности емкости).
Следует учитывать температурный фактор и при эксплуатации литий-ионных аккумуляторов — разряд может осуществляться и при низких температурах (в зависимости от химии аккумулятора от -25°C до -10°C), но заряд обязательно должен производиться только при положительной (по Цельсию) температуре батареи.
Количество циклов заряда-разряда не так сильно влияют на ресурс литий-ионной батареи, как возраст и температурный фактор – при коротком времени циклирования (непрерывные циклы заряда/разряда током 0,5C) и хорошем охлаждении литий-ионная батарея может выдержать от 1000 циклов (для литий-кобальтовых) до 2000-3000 циклов (для литий-марганцевых).
Превышение конечного напряжения после заряда с 4,2В до 4,35В повышает емкость аккумулятора на 10-15% при снижении времени жизни в 4-6 раз.
BMS (Battery Manegement System) - система управления батареей - электронный прибор, который обязательно ставится на каждую аккумуляторную банку в батарее для контроля процесса заряда-разряда батареи, продвинутые BMS также имеют логику для определения температуры, количества зарядов/разрядов, оценку вероятности выхода из строя аккумулятора. В основном, задача BMS заключается в контроле напряжения на аккумуляторе и шунтировании токов при достижении граничных пределов, также может контролироваться температура элемента.
Для избегания выхода из строя литий-ионного аккумулятора при полной его разрядке необходимо немедленно зарядить его. В противном случае, BMS не позволит начаться заряду когда напряжение на элементе упадет ниже определенного порога из-за саморазряда батареи по соображениям безопасности (проверено на практике – я было оставил свой наладонник на 3 недели в почти разряженном состоянии и потом, несмотря на поздние реанимационные мероприятия, душа аккумулятора благополучно отошла в лучший мир (я на это искренне надеюсь:)).
Литий-ионные батареи плохо переносят низкие токи заряда и высокие токи разряда (замечание про высокие токи разряда не относится к LiFePO4 аккумуляторам, которые могут переносить большие токи разряда, и, в меньшей степени для LiMnO2 и LiMn2O4). Для достижения максимальной длительности жизни необходимо использовать токи 0,5C (половина номинальной емкости) для заряда и разряда аккумулятора. Для LiCoO2 аккумуляторов нежелательно переходить предел в 1C для токов заряда и разряда (разряд при 2C приводит к сокращению жизни в 2 раза, при 3C – в 4 раза).
В заключение можно сказать, что соблюдение всех указанных предосторожностей позволит достигнуть большого срока жизни (ресурса) вашего литий-ионного аккумулятора и он будет долго радовать вас своей емкостью и низким уровнем внутреннего сопротивления. Однако каждые 6-12 месяцев появляются литий-ионные аккумуляторы на основе других химических соединений и внутренней конструкции – у них будут немножко (или множко:) другие характеристики. К заявлениям производителей по поводу новых аккумуляторов нужно относиться с известной долей скептицизма, поскольку только опыт длительной эксплуатации может дать ответ на вопросы соответствия заявленных параметров реальным и проверить решения по поводу правильной эксплуатации литий-ионных аккумуляторов.
Данная статья отмечает субъективный взгляд на проблему продления ресурса литий-ионных аккумуляторов. Практически все цифровые данные взяты из проверенных источников (http://batteryuniversity.com, с сайтов производителей литий-ионных батарей — Valence, ThunderSky, Everspring), однако во время компиляции информации некоторые слишком оптимистичные заявления производителей батарей пришлось опустить или несколько исправить.

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 3.7 (16 голоса)

Правила эксплуатации

При существующем темпе роста смышлености (SMART) контроллеров устройств, мы скоро будем нижайше кланяться своему аккумулятору с просьбой отдать толику его энергии для работы так нужного нам устройства. А также заключать договор о своевременной кормежке аккумулятора электроэнергией и вносить взносы в фонд социального страхования аккумуляторов. Кроме того, придется оплачивать аккумулятору медицинскую страховку и пай в пенсионном фонде:).

Правильная эксплуатация аккумуляторов сотовых телефонов

Электроды литий-ионных аккумуляторов, из-за процесса производства уже наполовину заряжены, однако свежий аккумулятор нежелательно сразу же проверять под нагрузкой. Первоначально литий-ионный аккумулятор требуется полностью зарядить. Использование аккумулятора без первоначальной подзарядки может резко сократить доступную пользователю емкость.
После первоначальной зарядки аккумулятора желательно его полностью разрядить для калибровки системы управления аккумулятором. Сразу же после разрядки подзарядите аккумулятор. Циклы калибровки для сотовых телефонов с литий-ионными аккумуляторами не следует производить часто (обычно хватает одного цикла полного заряда-разряда в 3 месяца). Сами циклы калибровки нужны только для правильного отображения прогноза оставшейся емкости аккумулятора. Рекомендуемые же некоторыми пользователями и продавцами трех-четырех кратные глубокие циклы заряда-разряда могут оказаться фатальными для не нового литий-ионного аккумулятора.
Желательно использовать оригинальные аккумуляторы от производителя мобильного телефона. Так как функции системы управления аккумуляторной батареей для мобильных сильно урезаны, а зарядом руководит система подзарядки сотового телефона, то аккумулятор от стороннего производителя проживет меньше, поскольку система подзарядки не знает особенностей не оригинальных аккумуляторов.
В связи с тем, что эффект «старения» литий-ионных аккумуляторов резко усиливается при высокой температуре, сотовый телефон желательно держать подальше от источников тепла (тело человека, прямые солнечные лучи, радиатор отопления).
Желательно часто не заряжать аккумулятор сотового телефона полностью, а также ставить аккумулятор на подзарядку раньше, чем уровень заряда достигнет красного значения индикатора заряда (примерно 20% остаточной емкости).
Старение литий-кобальтовых аккумуляторов (наиболее распространенных аккумуляторов для сотовых напрямую зависит от уровня нагрузки). Говорите по мобильному меньше и реже — это позволит сохранить здоровье не только вашему аккумулятору, но и вам самим.
Не заряжайте аккумулятор, побывавший на морозе до тех пор, пока он не прогреется до положительной (по Цельсию) температуры — это важное требование безопасности эксплуатации литий-ионных аккумуляторов.

Правильная эксплуатация аккумуляторных батарей ноутбуков

Аккумуляторная батарея ноутбука содержит полноценную систему управления, что часто позволяет пользователю забыть о том, правильно ли он эксплуатирует батарею. Однако, при работе с ноутбуком следует помнить о некоторых вещах.
При первом подключении аккумуляторную батарею ноутбука следует полностью зарядить, после чего произвести калибровку системы управления. Калибровка осуществляется полным разрядом батареи при постоянной нагрузке (необходимо войти в настройки BIOS, и оставить ноутбук работать при отключении от сети до выключения, во многих настройщиках BIOS есть специальный пункт Calibration, предназначенный для выполнения данной задачи). Не забудьте сразу же зарядить батарею своего ноутбука после полной разрядки.
Калибровка аккумуляторной батареи ноутбука обычно осуществляется раз в 1-3 месяца, для исключения эффекта «цифровой памяти» — в процессе работы от аккумулятора постепенно накапливаются ошибки определения остаточной емкости, из-за чего снижается время автономной работы ноутбука.
Для некоторых моделей ноутбуков существуют утилиты производителя для задания уровня разряда батареи, при котором начинает производится заряд. Если аккумулятор ноутбука служит как источник бесперебойного питания (работа осуществляется стационарно с питанием от сети), то установка уровня допустимого разряда в 40% и поддержание аккумуляторной батареи в полуразряженном состоянии позволит продлить жизнь батареи в два раза.
Часть ноутбуков поставляются с дополнительной батареей. Если вы долго не пользуетесь ей, имеет смысл разрядить дополнительную батарею до 40%, упаковать в полиэтиленовый пакет с вакуум-замком и оставить пакет в холодильной камере холодильника при температуре 3-4°C.

Правильная эксплуатация батарей Power Tools и видеокамер

Правила эксплуатации батарей Power Tools (в основном, батарей шуруповертов) и видеокамер мало отличаются от правил эксплуатации аккумуляторов сотовых телефонов.
Отличием является то, что использование этих устройств в быту осуществляется довольно редко, а стоимость аккумуляторов высока и эти аккумуляторы со временем становятся мало доступны. Для обеспечения длительной жизни таких аккумуляторов следует хранить их в полуразряженном состоянии в холодильнике при температуре 3-4°C, предварительно упаковав в полиэтиленовый пакет с вакуум-замком. Перед использованием аккумулятор необходимо полностью зарядить с помощью штатного зарядного устройства, и при работе не допускать полного разряда аккумулятора (при первой же возможности подзаряжайте батарею в процессе работы).
В заключение статьи хочу сказать, что хоть правила эксплуатации и позволяют сохранить параметры аккумулятора длительное время, однако жизнь диктует свои условия работы, часто не совместимые с понятием правильной эксплуатации такой высокотехнологичной вещи, как литий-ионный аккумулятор.

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 3.9 (9 голоса)

Внутреннее устройство литий-ионного аккумулятора

Пришло время погрузиться в глубины химии литий-ионных аккумуляторов.

Попытки создания вторичных химических источников тока восходят к двадцатым годам прошлого века. Исследователей привлекала высокая теоретическая емкость таких аккумуляторов.

Препятствием на пути к литиевому аккумулятору стала высокая реакционная способность лития. Даже в 1980-х промышленные литиевые аккумуляторные батареи представляли весьма взрыво- и огнеопасные изделия, со средней циклируемостью в 50 циклов. Основной причиной выхода из строя литиевых аккумуляторов было прорастание дендритов лития, образующиеся при циклировании, до электрода с противоположным знаком, что приводило к короткому замыканию внутри элемента и быстрому разогреву. При этом литий бурно реагировал с органическим электролитом, что достаточно часто приводило к взрыву.

Прогресс в области электроники усилил потребность в емких и легких перезаряжаемых источниках тока, а также создал предпосылки к появлению систем управления аккумуляторными батареями (BMS). В 1992 году корпорация Sony представила миру новое видение аккумулятора на основе лития.

В новых аккумуляторах металлический литий был заменен более безопасной ионной формой. Для обеспечения безопасности аккумуляторные батареи оснащались системой BMS (контроль режимов заряда и разряда позволил резко снизить риск появления в аккумуляторе металлического лития - основного виновника взрывоопасности литий-ионного аккумулятора).

Первый литий-ионный аккумулятор имел положительный электрод на основе кобальтата лития, отрицательный электрод на основе углерода (Sony применила кокс - материал, получаемый при термической обработке каменного угля) и электролит на базе гексафторфосфида лития, растворенного в органическом растворителе.

Поскольку Sony не спешила делиться патентом на свои новые аккумуляторы, другие производители нашли выход из положения в применении новых химических составов электродов и изменении свойств электролита.

Первые модификации затронули структуру отрицательного электрода - кокс заменяли на графит различной степени зернистости. Однако, химики Sony настолько удачно применили дешевый кокс с великолепными характеристиками, что другим производителям аналогичных аккумуляторов с графитовыми электродами пришлось пройти долгий путь до подбора правильной структуры графитового порошка, обеспечивающего такие же параметры при эксплуатации.

Поскольку литий-кобальтовый положительный электрод уже был запатентован Sony, то взоры исследователей обратились к альтернативным вариантам - электроды создавались на базе литий-марганцевых, литий-железо-фосфатных и многих других химических составляющих.
Схема кристаллической решетки литий-кобальтового электродаСхема кристаллической решетки литий-кобальтового электрода

Многие из новых электродов показали себя с лучшей стороны и оказались востребованными рынком. В настоящее время наибольшее распространение получили литий-марганцевые, литий-кобальтовые и литий-железофосфатные литий-ионные аккумуляторы.

С помощью замечательной бесплатной программы 3D моделирования Blender мне удалось схематично представить кристаллические решетки различных вариантов положительных электродов литий-ионных аккумуляторов.

Как вы можете видеть - для литий-кобальтовой кристаллической решетки характерно расположение ионов лития послойно. Такое расположение предсказывает достаточно хорошие разрядные характеристики аккумулятора, однако стабильность такой кристаллической решетки относительно низка, поэтому литий-кобальтовые аккумуляторы плохо переносят разряд большими токами.
Кристаллическая решетка литий-марганцевого электродаКристаллическая решетка литий-марганцевого электрода

Для литий-марганцевых аккумуляторов характерно "трехмерное" расположение ионов лития в кристаллической решетке положительного электрода. Такое расположение ведет к хорошей переносимости высоких токов разряда и достаточно хорошей стабильности электрода в процессе эксплуатации.

Литий-железофосфатные положительные электроды весьма стабильны - что очень хорошо видно по крепкой кристаллической решетке с "каналами" для ионов лития. Однако этот факт резко ограничивает подвижность ионов лития и такими электродами стали пользоваться относительно недавно - после того, как производителям удалось создать электроды, собираемые из частиц литий-железофосфата размером в сотни нанометров (размер частиц в сто раз меньше, чем у "3D" литий-марганцевых аккумуляторов, следовательно общая площадь на четыре порядка выше и этот факт кардинально улучшает характеристики литий-железофосфата).
Схема кристаллической решетки железофосфата литияСхема кристаллической решетки железофосфата лития

Приобретя модную нынче приставку "нано-" к своему названию, литий-железофосфатные аккумуляторы оказались одними из самых перспективных для дальнейшего использования в мощных устройствах (их можно использовать даже как стартерные аккумуляторы для автомобилей).

Кроме материала для отрицательного электрода производители научились применять в качестве электролита полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя. Такие литий-ионные аккумуляторы с полимерным электролитом сейчас стали стандартом для миниатюрных устройств.

Разработки в области полимерных электролитов позволили создать твердый электролит, проводящий ионы лития по механизму обмена ионов внутри матрицы электролита. Такой электролит позволил вернуть к жизни захиревшие аккумуляторы с электродами из металлического лития.

Твердый электролит создает в месте контакта с металлическим литием поверхность, препятствующую образованию дендритов лития при циклировании, что позволяет забыть об основной проблеме, приводящей к возгоранию и взрыву литиевых аккумуляторов.

Как всегда, в бочке меда оказалась хорошая примесь дегтя - литий-полимерные аккумуляторы могут работать только при температурах свыше 40 градусов Цельсия (так как ионная проводимость твердого электролита при комнатной температуре ничтожна). Необходимость высокой рабочей температуры диктует необходимость системы подогрева аккумулятора - поэтому можно не верить производителям, гордо маркирующим свои аккумуляторы для мобильных телефонов как "Li-Pol" (на самом деле это литий-ионный аккумулятор с полимерным электролитом).

Как бы мне не хотелось закончить статью, однако осталась еще тема отрицательного электрода в литий-ионном аккумуляторе. В настоящее время появляются разработки на базе титаната лития (с модной приставкой "нано-"). Сочетание этих электродов с положительными электродами на основе литий-железофосфата сулит резкое увеличение срока жизни и уровня безопасности литий-ионных аккумуляторов.

Конечно же, в небольшой статье невозможно охватить такую емкую тему, как химия основанных на литии вторичных химических источников тока, однако беглый обзор существующих решений поможет читателю не утонуть в огромной массе рекламных заявлений производителей. Каждые полгода появляются новые разработки на ниве литий-ионных аккумуляторов, и только время и опыт может дать ответы на вопросы соответствия эксплуатационных характеристик, заявленных производителями, реальным показателям.

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 4.1 (136 голоса)

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Никель-кадмиевые аккумуляторы и зарядное
Раздел книги, посвящен никель-кадмиевым аккумуляторам - неустанным труженикам, до сих пор используемым во многой технике, где нужна стабильность, мощность и долгая жизнь аккумулятора.

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 4.9 (9 голоса)

История никель-кадмиевых аккумуляторов

Никель-кадмиевые аккумуляторы изобретены шведом Вальдмаром Юнгнером (Waldmar Jungner) в 1899 году. В те времена материал для никель-кадмиевых аккумуляторных батарей был дорогим по сравнению с другими аккумуляторами и использование этого типа батарей ограничилось небольшим числом мест применения. Начало герметичным никель-кадмиевым батареям положило изыскание в 1932 году расположение активного материала внутри пористого никелевого электрода.

С 1947 стали серийно выпускаться герметичные никель-кадмиевые батареи, не сильно отличающиеся от современных. В этих батареях образующиеся при зарядке газы рекомбинируют и не выходят за пределы батареи, что исключает необходимость слежения за уровнем и периодического долива электролита.

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 3.4 (5 голоса)

Правила эксплуатации NiCd аккумуляторов

Несмотря на то, что никель-кадмиевые аккумуляторы с этого года запрещены к производству в странах Евросоюза, эти неустанные труженики до сих пор используются во многих недорогих и мощных автономных устройствах (шуруповерты, электробритвы, фонари).

Даже если в инструкции по эксплуатации о типе аккумулятора устройства ничего не сказано, определить то, что именно никель-кадмиевый аккумулятор служит источником тока достаточно просто — чаще всего время зарядки указывается в диапазоне 5-12 часов и присутствует указание на необходимость самостоятельного отключение зарядного по истечению времени заряда.

Для никель-кадмиевых батарей предпочтительнее быстрая импульсная зарядка чем медленная постоянным током. Эти батареи могут выдать большую мощность, что что определяет их выбор для мощных автономных устройств. Никель-кадмиевые батареи единственный тип батарей, который выдерживает полную разрядку при большой нагрузке без каких-либо последствий. Остальные типы батарей требуют неполной разрядки при относительно невысоких мощностных нагрузках.

Никель-кадмиевые батареи не любят длительной зарядки при эпизодической небольшой нагрузке. Периодическая полная разрядка необходима для них как воздух для человека - при отсутствии полной разрядки на электродах образуются большие кристаллы металла (что приводит к проявлению так называемого "эффекта памяти") - аккумулятор скачкообразно теряет свою емкость. Для долгой и эффективной работы NiCd батарей необходимы циклы обслуживания батареи - полная разрядка с последующей полной зарядкой, исходя из большинства рекомендаций - раз в месяц, в крайнем случае раз в 2-3 месяца.

Никель-кадмиевые аккумуляторы являются самыми «дуракоустойчивыми» из современных массовых аккумуляторов — для их использования не требуется даже системы мониторирования параметров аккумулятора, что определяет их использование в недорогих и мощных устройствах.

Зарядка малыми токами за 5-12 часов позволяет обойтись без каких-либо предосторожностей в виде систем контроля заряда-разряда. При перезаряде аккумулятор просто медленно будет терять емкость (на радость производителя). Необходимо помнить об этом при использовании «bad-boy» зарядных устройств (зарядных без механизма автоматического контроля заряда). Поэтому, лучше всего заряжать полностью разряженный аккумулятор и строго соблюдать время зарядки, что позволит сохранить емкость NiCd аккумулятора достаточно долгое время.

При использовании «быстрой» зарядки (со временем заряда менее 5 часов) желательно иметь зарядное устройство с температурным датчиком, поскольку при заряде повышается температура аккумулятора, вместе с температурой растет емкость, с ростом емкости зарядный прибор может перезарядить батарею свыше необходимого уровня, что приводит к еще большему росту температуры (явление «терморазгона» аккумулятора) и, как минимум, к ухудшению параметров батареи. Подобная ситуация существует и при заряде батареи при низких температурах. Температурный датчик позволяет сдвинуть параметры заряда в зависимости от температуры аккумулятора, а также отключить батарею от заряда при превышении скорости роста температуры выше 1 градуса Цельсия в минуту или по достижении температуры батареи в 60 градусов Цельсия что позволяет избежать трагических последствий терморазгона.

В качестве иллюстрации необходимости термодатчика в зарядном могу привести пример двухлетней давности заряда никель-кадмиевой батареи для профессионального шуруповерта на зарядном без термодатчика (на фото - это самое зарядное устройство), позволяющего заряжать батарею ускоренным темпом – за час. В то время была температура в квартире около 30°C, зарядное автоматически должно заряжать аккумулятор до достижения целевого напряжения и автоматически отключаться, что английским по-белому было сказано в инструкции в разделе безопасность. Утром первый аккумулятор из комплекта был заряжен без всяких эксцессов – через 50 минут зарядное отключилось, ближе к вечеру второй аккумулятор при заряде преподнес сюрприз: из-за отсутствия термодатчика в зарядном, батарея вошла в режим терморазгона. Так как заряд был ускоренным проблема была замечена поздно – когда аккумулятор пошел дымом и стал разбрызгивать горячий электролит. Быстро отключенный от сети зарядник удалось спасти. Аккумулятор же еще долго сопел в агонии, пытаясь причинить как можно больше вреда при отходе в мир иной, однако ему это не удалось и вред ограничился стоимостью самого аккумулятора – 15USD. С тех пор зарядное подключается к сети через таймер.

Несмотря на свои недостатки, никель-кадмиевые аккумуляторы до сих пор существуют среди нас. Надеюсь, немного теории и практического опыта, изложенного в статье, позволят читателю получить от никель-кадмиевого аккумулятора своего устройства максимум того, на что он способен.

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 3.8 (25 голоса)

Преимущества и недостатки NiCd батарей

Никель-кадмиевые аккумуляторы - первые из герметизированных аккумуляторов, появившиеся на рынке. Несмотря на длительную историю и проблемы с экологией, применение никель-кадмиевых аккумуляторов все еще актуально в некоторых областях. Знание преимуществ и недостатков позволит читателю осознанно подойти к выбору типа аккумулятора.

Преимущества

  • быстрый и простой процесс заряда, даже после длительного хранения
  • большое количество циклов заряда/разряда при соблюдении правильного ухода - более 1000 циклов
  • прекрасная переносимость большой мощностной нагрузки
  • возможность длительного хранения в разряженном состоянии без потери характеристик - до 5-10 лет
  • простая возможность транспортировки - авиакомпании перевозят без всяких предварительных условий
  • прекрасная сохранность показателей при низких температурах
  • прощают полный разряд - по этому показателю NiCd аккумуляторы наиболее надежный выбор из всех существующих
  • экономически выгодны - представляют одну из наименьших цен на один цикл заряда/разряда

Недостатки

  • относительно низкая плотность энергии
  • эффект памяти - NiCd батареи требуют периодической тренировки (цикла полного разряда/заряда аккумулятора)
  • компоненты батареи токсичны для окружающей среды и переработка этих батарей затруднительна, из-за чего многие страны ограничивают их использование
  • Относительно высокий саморазряд батарей
Ваша оценка: Нет Рейтинг: 4.3 (22 голоса)

Никель-металлогидридные аккумуляторы

Никель-металлогидридные аккумуляторы являются одними из самых долгоживущих - в гибридных автомобилях Toyota Prius NiMH аккумуляторная батарея живет более 10 лет без замены.
NiMH AA аккумулятор

В данном разделе книги вы познакомитесь с историей никель-металлогидридных аккумуляторов, их преимуществами и недостатками, внутренним устроством как самих аккумуляторов так и NiMH аккумуляторных батарей. Также вы сможете почитать несколько слов о правилах эксплуатации никель-металлогидридных аккумуляторов.

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 3.7 (12 голоса)

История NiMH аккумуляторов

NiMH аккумуляторы и зарядное
Исследования в области никель-металлогидридных батарей начались в 1970х годах как совершенствование никель-водородных батарей, поскольку вес и объем никель-водородных батарей не удовлетворял производителей (водород в этих батареях находился под высоким давлением, что требовало прочного и тяжелого стального корпуса). Использование водорода в виде гидридов металлов позволило снизить вес и объем батарей, также снизилась и опасность взрыва батареи при перегреве.

Начиная с 1980х была существенно улучшена технология производства NiMH батарей и началось коммерческое использование в различных областях. Успеху NiNH батарей способствовала увеличенная емкость (на 40% по сравнению с NiCd), использование материалов, годных к вторичной переработке ("дружественность" природной среде), а также весьма длительных срок службы, часто превышающий показатели NiCd аккумуляторов.

Для создателей электромобилей есть один большой облом: для использования в электромобилях NiMH батареи не продаются. Причина проста - корпорация Texaco выкупила долю патентодержателя на никель-металлогидридные батареи (фирмы Ovonics) у General Motors и теперь объединенная Texaco/Chevron не дает лицензий на производство аккумуляторных элементов большого размера до конца 2014 года (и кто же после этого скажет, что нет заговора нефтяных корпораций против электромобилестроения).

Вы можете сказать, что в Toyota Prius используется тяговый никель-металлогидридный аккумулятор. Это так, только Тойоте приходится идти на жертвы в виде высоковольтной аккумуляторной батареи с сотнями элементов для того, чтобы из малоемких аккумуляторов можно было собрать батарею с приемлемой токовой нагрузкой. Наградой за такие ухищрения стала аккумуляторная батарея емкостью 1,3КВт*ч - этого хватает только на 10км пробега.

До введения запрета на NiMH аккумуляторы достаточно большим успехом пользовался электромобиль Toyota RAV4 EV. Хотя из-за окончания производства больших аккумуляторов RAV4 EV перестали производить более 6 лет назад, до сих пор многие из этих электромобилей ездят на родных аккумуляторах.

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 4.8 (9 голоса)

Преимущества и недостатки NiMH аккумуляторов

Преимущества


  • бОльшая емкость — на 40% и более, чем обычные NiCd батареи
  • меньшая выраженность эффекта "памяти" — циклы обслуживания батареи можно проводить в 2-3 раза реже
  • простая возможность транспортировки — авиакомпании перевозят без всяких предварительных условий
  • экологически безопасны — возможна переработка

Недостатки

  • ограниченное время жизни батареи — обычно около 500 циклов полного заряда/разряда (хотя в зависимости от режимов работы и внутреннего устройства могут быть различия в разы).
  • эффект памяти — NiMH батареи требуют периодической тренировки (цикла полного разряда/заряда аккумулятора)
  • Относительно малый срок хранения батарей — обычно не более 3х лет при хранении в разряженном состоянии, после чего теряются основные характеристики. Хранение в прохладных условиях при частичном заряде в 40-60% замедляют процесс старения батарей.
  • Высокий саморазряд батарей
  • Ограниченная мощностная емкость — при превышении допустимых нагрузок уменьшается время жизни батарей.
  • Требуется специальное зарядное устройство со стадийным алгоритмом заряда, поскольку при заряде выделяется большое количество тепла и никель-металлгидридные батареи прохо переносят перезаряд.
  • Плохая переносимость высоких температур (свыше 25-30 по Цельсию)

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 3.9 (7 голоса)

Конструкция NiMH аккумуляторов и АКБ

Современные никель-металлогидридные аккумуляторы имеют внутреннюю конструкцию, схожую с конструкцией никель-кадмиевых аккумуляторов. Положительный оксидно-никелевый электрод, щелочной электролит и расчетное давление водорода совпадают в обеих аккумуляторных системах. Различны только отрицательные электроды: у никель-кадмиевых аккумуляторов – кадмиевый электрод, у никель-металлогидридных – электрод на базе сплава поглощающих водород металлов.

В современных никель-металлогидридных аккумуляторах используется состав водородоадсорбирующего сплава вида AB2 и AB5. Другие сплавы вида AB или A2B не получили широкого распространения. Что же обозначают загадочные буквы A и B в составе сплава? – Под символом A скрывается металл (или смесь металлов), при образовании гидридов которых выделяется тепло. Соответственно, символ B обозначает металл, который реагирует с водородом эндотермически.

Для отрицательных электродов типа AB5 используется смесь редкоземельных элементов группы лантана (компонент А) и никель с примесями других металлов (кобальт, алюминий, марганец) – компонент B. Для электродов типа AB2 используются титан и никель с примесями циркония, ванадия, железа, марганца, хрома.

Никель-металлогидридные аккумуляторы с электродами типа AB5 имеют большее распространение из-за лучших показателей циклируемости, несмотря на то, что аккумуляторы с электродами типа AB2 более дешевы, имеют большую емкость и лучшие мощностные показатели.

В процессе циклирования происходит колебания объема отрицательного электрода до 15-25% от исходного за счет поглощения/выделения водорода. В результате колебаний объема возникает большое количество микротрещин в материале электрода. Это явление объясняет, почему для нового никель-металлогидридного аккумулятора необходимо произвести несколько циклов "тренировочных" циклов заряда/разряда для приведения значений мощности и емкости аккумулятора к номинальным. Также у образования микротрещин есть и отрицательная сторона – увеличивается площадь поверхности электрода, которая подвергается коррозии с расходованием электролита, что приводит к постепенному увеличению внутреннего сопротивления элемента и снижению емкости. Для уменьшения скорости коррозийных процессов рекомендуется хранить никель-металлогидридные аккумуляторы в заряженном состоянии.

Отрицательный электрод имеет избыточную емкость по отношению к положительному как по перезаряду, так и по переразряду для обеспечения приемлемого уровня выделения водорода. Из-за коррозии сплава постепенно уменьшается емкость по перезаряду отрицательного электрода. Как только избыточная емкость по перезаряду исчерпается, на отрицательном электроде в конце заряда начнет выделяться большое количество водорода, что приведет к стравливанию избыточного количества водорода через клапаны элемента, "выкипанию" электролита и выходу аккумулятора из строя. Поэтому для заряда никель-металлогидридных аккумуляторов необходимо специальное зарядное усройство, учитывающее специфику поведения аккумулятора для избегания опасности саморазрушения аккумуляторного элемента. При сборе батареи аккумуляторов необходимо предусмотреть хорошую вентиляцию элементов и не курить рядом с заряжающейся никель-металлогидридной батареей большой емкости.

Со временем в результате циклирования возрастает и саморазряд аккумулятора за счет появления больших пор в материале сепаратора и образовании электрического соединения между пластинами электродов. Эта проблема может быть временно решена путем нескольких циклов глубокого разряда аккумулятора с последующим полным зарядом.

При заряде никель-металлогидридных аккумуляторов выделяется достаточно большое количество тепла, особенно в конце заряда, что является одним из признаков необходимости завершения заряда. При собирании нескольких аккумуляторных элементов в батарею необходима система контроля параметров батареи (BMS), а также наличие терморазмыкающихся токопроводящих соединительных перемычек между частью аккумуляторных элементов. Также желательно соединять аккумуляторы в батарее путем точечной сварки перемычек, а не пайки.

Разряд никель-металлогидридных аккумуляторов при низких температурах лимитируется тем фактом, что эта реакция эндотермическая и на отрицательном электроде образуется вода, разбавляющая электролит, что приводит к высокой вероятности замерзания электролита. Поэтому, чем меньше температура окружающей среды, тем меньше отдаваемая мощность и емкость аккумулятора. Напротив, при повышенной температуре в процессе разряда разрядная емкость никель-металлогидридного аккумулятора будет максимальной.

Знание конструкции и принципов работы позволит с большим пониманием отнестись к процессу эксплуатации никель-металлогидридных аккумуляторов. Надеюсь, информация, почерпнутая в статье, позволит продлить жизнь вашей аккумуляторной батареи и избежать возможных опасных последствий из-за недопонимания принципов безопасного использования никель-металлогидридных аккумуляторов.

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 3.4 (17 голоса)

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Свинцово-кислотные аккумуляторы являются на сегодняшний день наиболее дешевыми и практичными для нужд электротранспорта. Несмотря на длительную (более полутора веков) историю существования до сих пор появляются интересные решения на базе свинцово-кислотной технологии.

В этом разделе книги описывается информация о сущесвующих на сегодняшний день реалий в мире свинцово-кислотных аккумуляторов.

Ваша оценка: Нет Рейтинг: 5 (2 голоса)

История свинцово-кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен в 1859 году французским врачом Гастоном Планте. Из-за примитивной конструкции пластин и сепаратора (пластины из листового свинца, обернутые в полотняный сепаратор, скрученые в спираль, опускались в 10% раствор серной кислоты) отличались низкой емкостью. Также для увеличения емкости аккумулятора его требовалось многократно "тренировать" зарядом-разрядом, для получения достаточного количества окислов свинца на пластинах.

Далее конструкция свинцово-кислотных аккумуляторов неоднократно совершенствовалась за счет изменения структуры пластин и сепаратора.

В 1880 году была предложена технология изготовления намазных электродов (на пластины наносились окислы свинца), в связи с этим значительно повысилась емкость аккумуляторов и отпала необходимость в "тренировочных" циклах для аккумуляторов.

В 1881 году было предложено использовать в качестве электродов намазную решетку, позволивщую увеличить прочность и долговечность электродов. В этом же году была изобретена технология производства электродов из сплава свинца и сурьмы.

С 1890 года свинцово-кислотные батареи стали выпускаться в промышленных масштабах.

В 1957 году были изобретены батареи с гелеобразным электролитом, не требующие ухода.

В 1970х годах в промышленности появились также герметизированные батареи, в которых электролит был адсорбирован на сепараторе.

В 1980х появились электроды из сплава свинца с кальцием для улучшения прочности электрода при снижении его веса.

В 1990х годах технология свинцово-кислотных аккумуляторов получила очередной толчок в виде изобретения аккумуляторных батарей с биполярными электродами. В настоящее время уже существуют технологии массового производства таких аккумуляторных батарей, однако массового выхода на рынок биполярных АКБ еще не произошло.

Несмотря на давность и отработанность технологии, свинцово-кислотные аккумуляторы все еще имеют перспективы для улучшения своих характеристик. Существующие реалии делают проверенную веками технологию жизнеспособной даже в условиях жесткой конкуренции с аккумуляторами более молодых систем.

Голосов пока нет

Преимущества и недостатки тяговых свинцово-кислотных аккумуляторов

Как и у любой технологии, применение тяговых свинцово-кислотных аккумуляторов имеет свои преимущества и недостатки. Рассмотрим основные черты применения тяговых свинцово-кислотных аккумуляторов для того, чтобы со знанием дела согласиться или отказаться от применения таких аккумуляторов в своих проектах.

Плюсы использования тяговых свинцово-кислотных аккумуляторов:

  • Широкая распространенность технологии - такие батареи достаточно легко купить за приемлемые деньги (где-то в районе 1000-1500 USD за 8КВт*ч аккумуляторную батарею), и этот параметр часто перевешивает все минусы свинцово-кислотных аккумуляторов
  • Низкий саморазряд батареи - в 5-8 раз меньше, чем у никель-кадмиевых батарей
  • Хорошая переносимость мощностных нагрузок
  • Относительная дружественность к окружающей среде - вторичная переработка свинцово-кислотных аккумуляторов хорошо отработана

    Минусы использования тяговых свинцово-кислотных аккумуляторов:

  • Низкая плотность энергии в аккумуляторе, в связи с чем вес батареи выше, чем у большинства других батарей
  • Проблема толерантности к глубокому разряду - при разряде свыше 80% резко снижается продолжительность жизни батареи. Рекомендуемые 60% разряда (при которых достигается до 1500 цилов разряда-заряда) еще больше усиливают проблему низкой плотности энергии.
  • Проблема обслуживания для вентилируемых батарей - требуется постоянный контроль уровня электролита раз в неделю, зарядка в специальном хорошо проветриваемом помещении
  • При заряде теряется до 30% затраченной электроэнергии
  • Нельзя оставлять сильно разряженную батарею на морозе
  • Трудно прогнозировать выход из строя аккумулятора
  • При больших токах разряда стоит проблема неполной одномоментной отдачи заряда батареей
  • Ваша оценка: Нет Рейтинг: 3.6 (8 голоса)