Электрический аккумулятор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы
Никель-металл-гидридная (Ni-MH) аккумуляторная батарея типа «Крона» ёмкостью 170 мА·ч и напряжением 8,4 вольта.
Зарядное устройство «Duracell» для зарядки аккумуляторов типоразмеров AA и AAA (видны пружинные прижимы для них) и аккумуляторных батарей типа «Крона». Во время зарядки горят красные светодиодные индикаторы.

Электри́ческий аккумуля́тор — химический источник тока многоразового действия, который может быть вновь заряжен после разряда.[1] Вторичный элемент, в процессе заряда функционирует как электролитическая ячейка (электролизер). В первичном элементе используется самопроизвольная химическая реакция. В электролизере электрическая энергия вызывает желаемую химическую реакцию.[2] Перезарядка аккумулятора происходит путем пропускания тока внешнего источника. Многие реакции, используемые в гальванических (первичных) элементах непригодны для аккумуляторов даже в случае их обратимости, так как цикл разряд — заряд может изменить состояние электродов. Наибольшее распространение получили свинцовые и щелочные (железно-никелевые и кадмий-никелевые) аккумуляторы, также используются цинк-серебряные, цинк-воздушные и марганцевые.[3] Два и более аккумулятора для повышения напряжения, тока, мощности или надежности могут быть гальванически соединены в аккумуляторную батарею.[4]

Используется для циклического накопления энергии (через заряд-разряд) и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования, а также для обеспечения резервных источников энергии в медицине, производстве, транспорте и в других сферах.

Значение и употребление слова[править | править код]

Термин «аккумулятор» используется для обозначения отдельного элемента: например, аккумулятор, аккумуляторная банка, аккумуляторная ячейка. Но, в разговорной речи на бытовом уровне может также применяться в отношении нескольких отдельных элементов, соединённых последовательно (для увеличения напряжения) или параллельно (для увеличения силы тока и ёмкости) друг с другом, то есть для обозначения аккумуляторной батареи. Для параллельного соединения рекомендуется использовать аккумуляторные батареи одинаковой ёмкости и одинаковой модели. Однако, возможно использование разных моделей и даже разных емкостей, но при этом зарядные токи будут распределяться неравномерно, что может привести к сокращению срока службы АКБ. Соединяя аккумуляторы последовательно, получают батарею той же емкости, что и емкость одного из аккумуляторов, входящих в батарею, при условии, что емкости равны. При этом напряжение батареи будет равно сумме напряжений каждого из составляющих батарею аккумуляторов.

История[править | править код]

Первый прообраз аккумулятора, который, в отличие от батареи Алессандро Вольты, можно было многократно заряжать, был создан в 1803 году Иоганном Вильгельмом Риттером. Его аккумуляторная батарея представляла собой столб из пятидесяти медных кружочков, между которыми было проложено влажное сукно. После пропускания через данное устройство тока от вольтова столба оно само начинало вести себя как источник электричества[5].

Принцип действия[править | править код]

Замена аккумуляторной батареи на электропогрузчике

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, объединённых в одну электрическую цепь, составляют аккумуля́торную батаре́ю.

Свинцово-кислотный аккумулятор[править | править код]

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в растворе серной кислоты.

Химическая реакция (слева направо — разряд, справа налево — заряд):

Литий-ионный аккумулятор[править | править код]

Основная статья: Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который внедряется (интеркалируется) в кристаллическую решетку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи (например: в графит с образованием LiC6, оксиды (LiMO2) и соли (LiMRON) металла).

Алюминий-ионный аккумулятор состоит из металлического алюминиевого анода, катода из графита в виде пены и жидкого ионного невоспламеняющегося электролита. Батарея работает по принципу электрохимического осаждения: происходит растворение алюминия на аноде, далее в среде жидкого электролита анионы хлоралюмината интеркалируют в графит. Количество возможных перезарядок батареи — более 7,5 тыс. циклов без потери мощности[6][7].

Характеристики[править | править код]

Ёмкость аккумулятора[править | править код]

За ёмкость аккумулятора чаще всего принимают количество электричества равное 1 Кл, при силе тока 1 А в течение 1 с, (при переводе времени в часы получаем 1 А*ч=3600 Кл). Однако принимают, а не измеряют. Существует распространенное заблуждение, что ёмкость аккумулятора измеряется в А*ч, это не совсем так, так как в 1 А*с=1 Кл или 1 А*ч=3600 Кл измеряется количество электричества или электрический заряд; по формуле Q= I*t, где Q -количество электричества или электрический заряд, I — сила тока, t — время протекания электрического тока. Например, обозначение «12 В на 55 А*ч» означает, что аккумулятор выдаёт количество электричества 198 кКл (килокулон) по какому-либо контуру, при токе разряда 55 А за 1 ч (3600 с) до порогового напряжения 10,8 В. Расчёт показывает, что при токе разряда в 255 А аккумулятор разрядится за 12,9 минут. Как видно 55 А*ч — это не ёмкость (электрическая ёмкость измеряется в Фарадах, 1 Ф= 1 Кл/В). Поэтому на аккумуляторе написано количество электричества Q, которое он выдаёт при определённом токе разряда и определённом времени его прохождения.[источник не указан 1388 дней]

Плотность энергии[править | править код]

Плотность энергии — количество энергии на единицу объёма или единицу массы аккумулятора (см. ст. Плотность энергии).

Саморазряд[править | править код]

Саморазряд — это потеря аккумулятором заряда после полной зарядки при отсутствии нагрузки. Саморазряд проявляется по-разному у разных типов аккумуляторов, но всегда максимален в первые часы после заряда, а после — замедляется.

Для Ni-Cd аккумуляторов считают допустимым не более 10 % саморазряда за первые 24 часа после проведения зарядки. Для Ni-MH саморазряд чуть меньше. У Li-ion он крайне мал и значительно себя проявляет только в течение нескольких месяцев после зарядки.

В свинцово-кислотных герметичных аккумуляторах саморазряд составляет около 40 % за 1 год хранения при 20°С, 15 % — при 5°С. Если температуры хранения более высокие, то саморазряд возрастает: батареи при 40°С теряют 40 % ёмкости всего за 4-5 месяцев.

Температурный режим[править | править код]

Следует беречь аккумуляторы от огня и воды, чрезмерного нагревания и охлаждения, резких перепадов температур.

Не следует использовать аккумуляторы при температурах выше +50°С и ниже −25°С. При эксплуатации аккумулятора в условиях «холодной зимы» рекомендуется его снимать и хранить в тёплом помещении. Нарушение температурного режима может привести к сокращению срока службы или потере работоспособности.

Тип аккумулятора[править | править код]

Тип аккумулятора определяется используемыми материалами. Различают следующие:

Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита. Сейчас наиболее распространены следующие аккумуляторы:

Тип ЭДС (В) Область применения
свинцово-кислотные

Pb

2,1 троллейбусы, трамваи, воздушные суда, автомобили, мотоциклы, электропогрузчики, штабелеры, электротягачи, аварийное электроснабжение, источники бесперебойного питания
никель-кадмиевые

Ni-Cd

1,2 замена стандартного гальванического элемента, строительные электроинструменты, троллейбусы, воздушные суда
никель-металл-гидридные

Ni-MH

1,2 замена стандартного гальванического элемента, электромобили
литий-ионные

Li‑ion

3,7 мобильные устройства, строительные электроинструменты, электромобили
литий-полимерные

Li‑pol

3,7 мобильные устройства, электромобили
никель-цинковые

Ni-Zn

1,6 замена стандартного гальванического элемента

Форм-факторы[править | править код]

Литий-ионный аккумулятор форм-фактора 18650

Внешний аккумулятор[править | править код]

Внешний аккумулятор (аккумуляторная батарея) (англ. power bank) — устройство для многократной подзарядки мобильного устройства (телефона, смартфона, планшетного компьютера) при отсутствии источника переменного тока (электросети).

Причиной появления этих устройств стало то, что при активном использовании современных смартфонов и планшетов заряда их аккумуляторов хватает на сравнительно короткое время — полдня или день. Для их зарядки в полевых условиях и были разработаны портативные аккумуляторы[9][10]. Типичная масса таких устройств — 200—800 граммов, ёмкость от нескольких тысяч мА*ч до 10-20 А*ч[11]. С их помощью можно зарядить телефон 2-5 раз. Чаще всего они предоставляют для подключения порт USB. Некоторые из них имеют разъёмы или переходники для популярных разъёмов мобильных телефонов. Внешние аккумуляторы больших ёмкостей могут иметь переходники для зарядки ноутбуков. Иногда на внешних аккумуляторах имеется индикатор заряда или встроенный светодиодный фонарик.

Применение[править | править код]

В большинстве случаев возможность систематического использования аккумуляторов есть только в портативных устройствах радиосвязи и иной цифровой технике, где используются литий-ионные аккумуляторы и система контроля заряда-разряда встроена в устройство. В бюджетном сегменте «простые» никель-металл-гидридные и никель-кадмиевые аккумуляторы используются в качестве бюджетной замены щелочных элементов питания (батареек). В качестве источника тока для бюджетного аккумуляторного электроинструмента используются никель-кадмиевые аккумуляторы.

Если в первом случае обычно есть возможность выбирать между бюджетным устройством «стандартного» заряда и зарядным устройством с контролем заряда (капельный заряд, импульсный заряд, ускоренный заряд с контролем напряжения и т. д.), то во втором случае изделие комплектуется, как правило, трансформаторным источником питания для зарядки постоянным током, что при несоблюдении технических условий эксплуатации аккумулятора снижает срок его службы.

Зарядка аккумуляторов[править | править код]

Основная статья: Зарядное устройство

По мере исчерпания химической энергии напряжение и ток падают, аккумулятор перестаёт действовать. Зарядить аккумулятор (батарею аккумуляторов) можно от любого источника постоянного тока с бо́льшим напряжением при ограничении тока. Наиболее распространённым считается зарядный ток (в амперах), пропорциональный 1/10 условной номинальной ёмкости аккумулятора (в ампер⋅часах).

Однако, основываясь на техническом описании, распространяемом изготовителями широко применяемых электрических аккумуляторов (NiMH, NiCd), можно сделать предположение о том, что данный режим заряда, обычно именуемый стандартным, рассчитывается исходя из продолжительности восьмичасового рабочего дня, когда разряженный в конце рабочего дня аккумулятор подключается к сетевому зарядному устройству до начала нового рабочего дня. Применение такого режима заряда для этих типов аккумуляторов при систематическом использовании позволяет соблюсти качественно-стоимостной баланс эксплуатации изделия. Таким образом, с подачи изготовителя данный режим можно применять только для никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов.

Многие типы аккумуляторов имеют различные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке и последующей эксплуатации, например, NiMH-аккумуляторы чувствительны к перезаряду и низкой температуре, литий-ионные — к переразряду, повышенному напряжению, низкой или высокой температуре. NiCd- и NiMH-аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, заключающийся в снижении ёмкости в случае, когда зарядка осуществляется при не полностью разряженном аккумуляторе. Также эти типы аккумуляторов обладают заметным саморазрядом, то есть они постепенно теряют заряд, не будучи подключенными к нагрузке. Для борьбы с этим эффектом может применяться капельная подзарядка.

Методы заряда аккумуляторов[править | править код]

Для заряда аккумуляторов применяется несколько методов; как правило, метод заряда зависит от типа аккумулятора[12].

Медленный заряд постоянным током

Заряд постоянным током, пропорциональным 0,1-0,2 условной номинальной ёмкости Q в течение примерно 15-7 часов соответственно.

Самый длительный и безопасный метод заряда. Подходит для большинства типов аккумуляторов.

Быстрый заряд

Заряд постоянным током, пропорциональным 1/3 Q в течение примерно 3—5 часов.

Первые смартфоны с поддержкой подобной технологии вышли в 2013 году. Тогда производители увеличивали напряжение блока питания, чтобы добиться заметных результатов — скорость вырастала на 30-40 % по сравнению со стандартной (медленной) зарядкой.

Ускоренный или «дельта-V» заряд

Заряд с начальным током заряда, пропорциональным величине условной номинальной ёмкости аккумулятора, при котором постоянно измеряется напряжение аккумулятора и заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен. Время заряда — примерно час-полтора. Возможен разогрев аккумулятора и даже его разрушение.

Технология от OPPO — SuperVOOC — позволяет зарядить смартфон почти на 30 % всего за пять минут.[13]

Реверсивный заряд

Выполняется чередованием длинных импульсов заряда с короткими импульсами разряда. Реверсивный метод наиболее полезен для заряда NiCd и NiMH аккумуляторов, для которых характерен т. н. «эффект памяти».

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Аккумулятор электрический//Силовая электроника: краткий энциклопедический словарь терминов и определений —М.:Издательский дом МЭИ, 2008
  2. Гальванический элемент//Девис С., Джеймс А. Электрохимический словарь —М.:Мир, 1979
  3. Аккумулятор//Девис С., Джеймс А. Электрохимический словарь —М.:Мир, 1979
  4. Аккумуляторная батарея//Силовая электроника: краткий энциклопедический словарь терминов и определений —М.:Издательский дом МЭИ, 2008
  5. Лебедев Ю.А. Второе дыхание марафонца (о свинце). — М.: Металлургия, 1990. — 144 с. — ISBN 5-229-00435-5.
  6. Ученые разработали «аккумулятор будущего»
  7. Создан революционный аккумулятор для гаджетов.
  8. Ученые создали гибкие аккумуляторы, которые заряжаются за минуту // vesti.ru, 7.04.2015
  9. Руководство по выбору портативного аккумулятора — КомпьютерПресс 11’2012
  10. Внешние USB аккумуляторы (недоступная ссылка). Дата обращения: 12 октября 2014. Архивировано 19 октября 2014 года.
  11. Ten external battery packs. Worth the charge? // The Register, 2012
  12. Зайцев И.П. Сноровка в зарядке — тренировке. Контроллеры заряда аккумуляторов автономных устройств // Компоненты и технологии : журнал. — 2006. — № 9.
  13. Смартфоны с молниеносной зарядкой. Как это работает? // hi-tech.mail.ru

Литература[править | править код]