Батарея

Опубликовано: 10.03.2008
Версия текста: 2.0
Последняя правка: 09.03.2010
Предисловие
История аккумуляторов и их типы
Аккумуляторы NiCd (никель-кадмиевые)
Никель-металлгидридные аккумуляторы: высокая плотность энергии
Литиево-ионные аккумуляторы: практически не требуют ухода
Но и литиево-ионные аккумуляторы не идеальны
Ватты, миллиампер-часы, джоули в секунду
Типы батарей первичных элементов
Типы аккумуляторных батарей
Термины, связанные с батареями
Источники

Предисловие

Батарея представляет собой два или более элементов (cells) – контейнеров с двух электродами (electrodes), находящимися в соприкосновении с электролитом (electrolyte), которые вырабатывают напряжение, определяемое используемыми в них химическими веществами, и, как правило соединены последовательно для получения более высокого напряжения.

Например, стандартная автомобильная аккумуляторная батарея на 12 В состоит из шести элементов на 2,2 В, соединённых последовательно, что позволяет получить номинальное постоянное напряжении 13,2 В.

Существует две основные категории батарей:

История аккумуляторов и их типы

В 1800 году, с открытием так называемых "гальванических элементов", итальянский учёный Алессандро Вольта заложил фундамент современных батарей.

Вольта на эксперименте во Французском национальном институте в 1800 году. Он изобрёл гальванический элемент, неподдающийся перезарядке. Элемент стал предшественником современной щелочной батарейки.

В 1859 году французский учёный Гастон Плант открыл кислотно-свинцовые батареи, которые уже позволяли выполнять перезарядку. Их назвали аккумуляторами. Батареи, не поддерживающие перезарядку, вроде гальванических элементов, назвали первичными элементами, а перезаряжаемые батареи с тех пор относятся ко второй категории. Батареи используют два электрода, опущенных в электролит, и различаются, главным образом, материалом своих электродов и составом электролита. Кроме того, они различаются по своей физической форме. Чаще всего встречаются пальчиковые батарейки и "таблетки", а в сотовых телефонах используются плоские прямоугольные аккумуляторы.

Аккумуляторы NiCd (никель-кадмиевые)

Первая щелочная батарея была получена в 1899 году химиком Юнгером (Junger). Он применил никель для положительного электрода, а кадмий - для отрицательного. В качестве электролита использовался гидроксидкалия (едкое кали). Щелочная природа электролита и обусловила название элемента.

Почти через 50 лет (1946) Нейман (Neumann) создал первую герметично закрытую никель-кадмиевую батарею. До начала 90-х годов никель-кадмиевые батареи являлись самыми распространёнными аккумуляторами для бытовой электроники. Но в ноутбуках эти аккумуляторы не используются, что связано с появлением новых и более мощных типов батарей.

Никель-металлгидридные аккумуляторы: высокая плотность энергии

"Первой ласточкой" среди новых типов батарей стали никель-металлгидридные аккумуляторы (NiMH). Они используют прежний форм-фактор, но обеспечивают более высокую плотность накопления энергии (максимум 120 Вт/кг) по сравнению с идентичными никель-кадмиевыми элементами (максимум 80 Вт/кг). Кроме того, эти аккумуляторы не используют кадмий высокотоксичный тяжёлый металл. Однако высокая энергетическая плотность батарей NiMH нивелируется уменьшением срока службы (часто его указывают в виде числа циклов перезарядки). Два-три года назад эти батареи предлагались в качестве более дешёвой альтернативы дорогим литиево-ионным аккумуляторам, впервые появившихся в продаже в 1991 году, особенно в "бюджетных" ноутбуках. Но перезаряжаемые аккумуляторы NiMH до сих пор остаются популярными среди других мобильных устройств, если посмотреть на число применений и количество проданных батарей.

Литиево-ионные аккумуляторы: практически не требуют ухода

Сегодня в ноутбуках следует использовать только литиево-ионные аккумуляторы. Литий является самым лёгким металлом, и литиево-ионные аккумуляторы обеспечивают очень высокую энергетическую плотность (максимум 160 Вт/кг) с низкой степенью внутренних энергетических потерь (около 10% суммарной ёмкости в месяц). Те же аккумуляторы NiCd и NiMH отличаются энергетическими потерями от 20 до 30%, что существенно хуже. Конечно, с максимальным числом циклов перезарядки до одной тысячи срок службы литиево-ионных аккумуляторов не такой большой, как у NiCd (1500 циклов), но, по крайней мере, в два раза превышает срок службы NiMH-аккумуляторов (500 циклов). Кроме того, аккумуляторы Li-Ion не имеют эффекта памяти, поэтому их не надо полностью разряжать перед зарядкой. В итоге обслуживание практически сводится к нулю. Более высокое напряжение на элемент (3,6 В) позволяет создавать аккумуляторы для ноутбуков с последовательным соединением двух или более элементов. А для питания небольших устройств вроде мобильных телефонов обычно требуется только один такой элемент. Если собирать такой же аккумулятор на никелевых элементах, то из-за напряжения каждого элемента около 1,25 В требуется соединять последовательно большее их число.

Но и литиево-ионные аккумуляторы не идеальны

Вполне понятно, что и у этой технологии есть свои слабости. И, прежде всего, здесь следует отметить процесс старения практически каждого литиево-ионного аккумулятора, что приводит к уменьшению со временем его ёмкости. Другими словами, "обратный отсчёт" литиево-ионного аккумулятора начинается сразу же после его производства. Но поскольку дата производства на аккумуляторах не указывается, покупатели могут только надеяться, что производитель ноутбука установил самые свежие аккумуляторы. Наконец, покупать запасные аккумуляторы до их реальной потребности смысла не имеет.

С середины 80-х годов использование чистых высокоактивных отрицательных металлических электродов было прекращено по соображениям безопасности. Кроме того, с литиево-ионным аккумулятором следует использовать только зарядное устройство из комплекта поставки. Также эти батареи ни когда не следует замыкать на коротко. Это может привести не только к сгоранию аккумулятора, но и представляет опасность для жизни. Электролит аккумулятора строится на основе солей лития, а отрицательный электрод в литиево-ионном аккумуляторе сегодня изготавливается либо из кокса, либо из чистого графита. Для положительного электрода чаще всего используется оксид лития и марганца (LiMn), либо лития и кобальта (LiCo). Использование лития в оксиде приводит к заметному нагреву при чрезмерной зарядке. Вне которых патологических случаях электрод из оксида лития и кобальта может превратиться во время зарядки в чистый металлический литий. Если это произойдёт, то аккумулятор очень сильно нагреется и может даже загореться. Чтобы этого не случилось, во время зарядки необходимо отслеживать температуру аккумулятора и входной уровень мощности. Кроме того, вовремя зарядки нельзя подвергать избыточному напряжению ни один из отдельных элементов. Наконец, во время разрядки следует следить, что бы уровень напряжения не спадал ниже минимального порога. Всё это требует аккуратного обращения с литиево-ионными аккумуляторами. Необходимость подобных мер, как вы понимаете, негативно сказывается на ценности литиево-ионных аккумуляторов.

Ватты, миллиампер-часы, джоули в секунду

Стоит сказать несколько слов в порядке ликбеза. Для начала нужно твердо вызубрить, что мощность есть количество энергии в единицу времени. Если энергию измерять в джоулях (Дж), то мощность получится в джоулях в секунду (Дж/с), каковая величина получила отдельное название ватт (Вт или W). Разницу между энергией и мощностью легко проиллюстрировать на примере фотовспышки, которая развивает мощность до нескольких киловатт, но всего на 1/1000 долю секунды. Итого, энергия затрачивается при этом мизерная, эквивалентная той, что выделяется при горении всего лишь одного (не поверите!) миллиграмма бензина.

Уяснив, таким образом, понятие мощности, можно перейти к основным способам измерения электрических параметров источников питания. Так, надпись на компьютерном блоке "350 W" означает его мощность, то есть что он может питать нагрузку такой (или меньшей) мощности. Здесь все просто и очевидно. Куда сложнее обстоит дело с автономными (читай - электрохимическими) источниками. Для них важна не столько мощность, сколько общее количество запасённой энергии, которое определяет продолжительность работы девайса. Эту энергию можно расходовать по крупицам (в наручных часах с ЖК-дисплеем) или расточительно (на цветной TFT-экран какого-нибудь Терминала сбора данных), но меняется только время работы, а количество израсходованной энергии остаётся постоянным.

Считать энергию можно, разумеется, в официальных джоулях, но на практике это неудобно. Удобно считать, например, в ватт-часах – подчёркиваю, что это не ватты в час, то есть не дробь, а именно ватт-часы, то есть произведение энергии на время. Это следует из определения мощности - если ее умножить на единицу времени, то получим опять энергию. Ёмкость в 50 Втч означает, что нагрузка в 50 Вт будет работать ровно 1 час, или нагрузка в 10 Вт будет работать 5 часов. В ватт-часах принято считать ёмкость, например, аккумуляторов для ноутбуков.

Для батареек и пальчиковых аккумуляторов все ещё хитрее. Их ёмкость принято считать в миллиампер-часах (мАч). Откуда взялась эта единица и как она связана с энергией? Самым непосредственным образом: ещё Джоуль установил, что мощность в электрических цепях есть произведение тока на напряжение, то есть амперов на вольты, которые в случае постоянного тока дадут те же ватты (с переменным током немного сложнее, но сейчас нас это не интересует). И если мы поделим ватт-часы на вольты номинального напряжения источника (каковые для батареек есть, грубо говоря, величина постоянная и равная примерно 1,5 В), то получим ампер-часы. Измеренная в них ёмкость источника более-менее пропорциональна истинной ёмкости в единицах энергии. Таким образом, аккумулятор на 2000 мАч может отдавать ток 2000 мА (2 А) в течение часа, что эквивалентно ёмкости приблизительно в 3 Втч.

Предупреждаю законный вопрос: а к чему весь этот разнобой? Ответ элементарный: миллиамперы куда проще измерять, чем ватты, которые нужно ещё рассчитывать. Возьмите тестер, включите его на измерение тока и замкните через него батарейку на лампочку от карманного фонарика. Отметив средний потребляемый ток в миллиамперах и умножив его на время в часах, через которое лампочка погасла, вы и получите ёмкость батарейки в мАч (при данном характере нагрузки - чем выше ток, тем больше потери внутри элемента и, соответственно, тем меньше его видимая емкость). Величина мАч получила практическое распространение не только ввиду простоты измерения, но и ещё по одной причине: разработчика электронных приборов ватты не интересуют (это пусть у маркетологов голова болит), зато он всегда точно знает потребляемый тем или иным узлом ток. И рассчитать время работы оказывается гораздо проще. Батареи обладают номинальной ёмкостью, сокращено обозначаемой буквой "C" и измеряемой в ампер-часах (Ач—Ah). Обычно она определяется скоростью разряда С/10 при температуре 20°С (ёмкость батареи сильно зависит от скорости разряда и температуры).

Например, батарея ёмкостью 1 Ач способна обеспечить ток 100 мА в течении 10 часов до падения ее напряжения ниже номинального.

Типы батарей первичных элементов

Как показано в таблице №1, существует множество типов батарей первичных элементов.
Тип батареи Свойства
Стандартные батареи углеродно-цинковых элементов Изобретены более 100 лет назад Лекланшем (Leclanche). К главным преимуществам подобных батарей относиться низкая стоимость. Их номинальное напряжение составляет 1,5 В на один элемент. К недостаткам относятся низкие характеристики разряда, поскольку вместо того, чтобы сохранять высокое выходное значение, их емкость непрырывно убывает, а затем быстро падает, а также непригодность для использования при больших токах, поскольку при этом срок службы батареи слишком быстро сокращается
Мощные батареи углеродно-цинковых элементов Обладают лишь не намного лучшей удельной энергией (т.е. количеством энергии на единицу объёма), однако более эффективны при генерации больших токов и работе в более широком температурном диапазоне, чем стандартные батареи углеродно-цинковых элементов. Номинальное напряжение также составляет 1,5 В на один элемент.
Батареи щелочных элементов Широко распространённый тип батарей (например, Duracell). Вполне пригодны для использования при малых токах и большом сроке службы, например, в часах. К их преимуществам относятся более высокая удельная энергия и срок годности при хранении, чем у батарей углеродно-цинковых элементов (лучшие щелочные (alkaline) батареи могут без проблем храниться лет семь-восемь).
Батареи литиевых элементов Существует несколько типов подобного рода батарей, отличающихся химическим составом, однако все они обладают весьма высокой удельной энергией, широким диапазоном рабочих температур, весьма длительным сроком годности при хранении (более 20 лет при температуре 70°С) и очень хорошими характеристиками разряда. К недостаткам относятся потенциальная опасность воспламенения из-за высокой удельной энергии (большого тока короткого замыкания) и высокая токсичность применяемых химических веществ. Номинальное напряжение составляет 3 В на один элемент, поэтому такие батареи обычно используют для питания в режиме ожидания.
Батареи серебряно-оксидных элементов Как правило, используются в часах и камерах. Обладают очень хорошими характеристиками разряда, однако более коротким сроком годности при хранении, чем у батарей литиевых элементов. Номинальное напряжение составляет 1,5 В на один элемент.
Батареи воздушно-цинковых элементов Обладают чрезвычайно высокой удельной энергией. Приходят на замену батареям из ртутно-цинковых элементов в слуховых аппаратах. Номинальное напряжение составляет 1,4 В на один элемент.

Типы аккумуляторных батарей

Как показано в таблице №2, существует множество типов аккумуляторных батарей.
Тип батареи Свойства
Батареи из никель-кадмиевых аккумуляторов (NiCd) Недорогие батареи, которые вполне пригодны для использования при больших токах. Широко применяются в бытовых приборах, например, в инструментах с электроприводом и видеокамерах. Обладают хорошими характеристиками разряда— выходное напряжение остаётся постоянным почти до полного их разряда, после чего резко падает. Однако при перезарядке перегреваются, т.е. когда они заряжаются до слишком высокой степени, уже будучи заряженными. У NiCd-аккумуляторов есть три крупных недостатка. Первый — относительно малая удельная энергоёмкость (хотя и несколько большая, чем у SLA) – 45—60 Втч/кГ. Второй — нелюбовь к зарядке не с нуля, так называемый "эффект памяти". Правильный режим зарядки NiCd-аккумуляторов — сначала полная разрядка (формально — до напряжения 1 В на элемент), а потом уже полная зарядка. Потому для NiCd-аккумуляторов рекомендуется вырабатывать заряд до полного "умирания" девайса - редкие зарядные устройства позволяют себе тратить время на предварительную разрядку.

Обладают коротким сроком годности при хранении, причём потеря заряда составляет около 2% в день, в течении 3—4 месяцев полностью разряжается. Срок службы составляет около 500 перезарядок. Номинальное напряжении таких батарей на один элемент составляет 1,25 В. Батареи нельзя использовать после того, как их выходное напряжение упадёт ниже 1,1 В. Перед зарядкой батареи должны быть полностью разряжены (до напряжения 1,1 В) по меньшей мере в течении 60% срока их действия— это позволяет устранить эффект запоминания (memory effect), к которому восприимчивы никель-кадмиевые батареи.

Батареи из никель-металлогидридных аккумуляторов NiMh Батареи из никель-металлогидридных аккумуляторов NiMh называемые также никель-гидридными.

Обладают на 30% более высокой удельной энергией, чем высокопроизводительные никель-кадмиевые батареи, и на 100%—150% более высокой удельной энергией, чем стандартные никель-кадмиевые батареи. С другой стороны, никель-металлогидридные батареи выдерживают меньше циклов заряда-разряда, чем никель-кадмивые батареи, и менее пригодны для использования при больших токах (по сравнению с никель-кадмиевыми батареями).

Процесс их заряда аналогичен заряду никель-кадмиевых батарей, однако при обычном заряде они нагреваются больше. Номинальное напряжение такое же, как и у никель-кадмиевых, при этом батареи рассматриваемого типа обладают меньшим эффектом запоминания. Самопроизвольно разряжаются приблизительно на 30% в течении месяца. Срок службы составляет 300—500 перезарядок.

Батареи из ионно-литиевых аккумуляторов (Li-Ion) Более совершенные и более дорогие, чем никель-металлогидридные. Их характеристики такие же, как и у батарей их литиевых первичных элементов. Обладают очень высокой удельной энергией, которая почти на 50% больше по объёму и на 80% больше по весу, чем у никель-металлогидридных батарей, т.е. ионно-литиевые батареи легче, чем никель-металлогидридные. Их номинальное напряжение составляет 3,6 В на один элемент.

Li-Ion отличаются большой энергоёмкостью (110-160 Втч/кГ) и малым саморазрядом— менее 10% за месяц, причём около трети этой величины обусловлено потреблением встроенных схем защиты. Схемы защиты нужны потому, что эти аккумуляторы совершенно не выносят перезаряда и при нарушении режима взрываются без предупреждения. В 2006 году нашумела история с Sony (которая производит до 90% всех Li-Ion в мире), умудрившейся подставить немало компьютерных брендов, от Apple до Acer, выпустив на рынок почти 10 млн. батарей, склонных к самовозгоранию. Не имеют эффекта запоминания. Широко используются в мобильных устройствах. Срок службы составляет 500—800 перезарядок.

Литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы — разновидность Li-Ion, которая отличается в худшую сторону тем, что совершенно не выносит низких температур (ниже 0 градусов отказываются работать) и имеет меньшую долговечность (100-—200 циклов заряд-разряд). Зато у них "твёрдый" электролит, похожий на пластиковую плёнку, что позволяет делать батареи очень тонкими (до 1 мм), гибкими и даже произвольной формы.

Недавно проскочила новость, которая может радикально изменить ситуацию в области мобильных устройств, - группа учёных из Стэнфордского университета изобрела способ изготовления Li-Ion-элементов с использованием кремниевых нанотрубок, который якобы позволит повысить их ёмкость в десять раз (!) без ущерба для долговечности. Конечно, очень приятно иметь ноутбук, работающий в автономном режиме не три-четыре часа, а тридцать-сорок. О том, действительно ли эта технология осуществима, или это очередной пиар с целью выбивания грантов, мы узнаем в ближайшие несколько лет.

Герметичные батареи из свинцовых аккумуляторов (SLA) Это, вероятно, самая древняя разновидность аккумуляторов— первый работоспособный SLA был создан аж в 1859 году. Имеют тот же химический состав, что и автомобильные аккумуляторные батареи. К их преимуществам относятся способность обеспечивать большой выходной ток, низкая стоимость, длительный срок службы (большое число циклов разряда-заряда) и срок годности при хранении и разряде, широкий диапазон рабочих температур и отсутствие таких токсичных элементов, как кадмий и ртуть. К недостаткам относятся устрашающе низкая удельная ёмкость (30-50 Втч/кГ в самых лучших образцах) и отвратительные эксплуатационные качества: они боятся глубокого разряда, отчего в процессе хранения их надо все время подзаряжать, и недолговечны, предельное число циклов заряд-разряд не выше 300 (впрочем, в условиях идеальной эксплуатации могут вытянуть и до 500).

С другой стороны, именно у SLA из всех перечисленных типов самая высокая перегрузочная способность— стартерная батарея даже на морозе без особых усилий отдаёт ток в несколько сотен ампер, необходимый для того, чтобы прокрутить холодный двигатель. К тому же SLA дёшевы и относительно неплохо держат заряд: хороший автомобильный аккумулятор разряжается в среднем на 5% за месяц или на 50% за год.

Таким образом, герметичные батареи свинцовых аккумуляторов вполне пригодны для приложений, в которых требуется наличие батареи с высокой ёмкостью, а вес не является главным ограничением.

Номинальное напряжение составляет 2,2 В на один элемент. Герметичные батареи свинцовых аккумуляторов обычно заряжаются со скоростью С/4 до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение 2,4 В. Затем они подвергаются компенсационной подзарядке со скоростью С/10 для поддержания напряжения 2,25—2,3 В на один элемент. Широко применяются в источниках бесперебойного питания (UPS), устройствах аварийного освещения.

Батареи из щелочных аккумуляторов Патентованная система батарей, разработанная в 1986 году компанией Battery Technologies Inc, иногда ещё называемая перезаряжаемыми марганцево-щелочными батареями (rechargeable alkaline manganese—RAM). Лицензии на эту систему выданы и другим компаниям, например, компании Rayovac Corp., которая называет свой продукт Renewal (восстанавливаемые батареи), и компании Pure Energy Battery Corp.

Элементы этих батарей продаются полностью заряженными, в отличие от никель-кадмиевых батарей, которые должны быть заряжены перед использованием, и обладают сроком годности до 5 лет (в зависимости от окружающей температуры), что намного больше, чем у никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов, которые теряют около 10% своей ёмкости в течении года хранения. Кроме того, они лишены "эффекта запоминания", присущего никель-кадмиевым батареям, и не содержат такие токсичные элементы, как кадмий и ртуть.

Выходное напряжение составляет 1,5 В, поэтому они могут быть использованы в таких приложениям, где необходимо напряжение выше 1,2 В никель-кадмиевых батарей. Как правило, ёмкость элемента типа АА составляет 0,6—1,5 Ач, а напряжение разряда — около 1,0 В. Они могут быть полностью заряжены в течении 5—7 часов.

Основное ограничение в отношении применения этих батарей заключается в том, что они могут заряжаться только в течении 25 циклов в том случае, если они полностью разряжены (в зависимости от того, какие потери ёмкости допускаются). Так, если батареи разряжены только на 70% своей ёмкости, тогда срок их службы может быть продлён до 100 и более циклов. Общая накопленная ёмкость этих батарей в 8—10 раз выше чем у одноразовых батарей щелочных элементов, в зависимости от глубины из разрядки (от полного заряда до весьма мелкого разряда соответственно). Следовательно, батареи щелочных аккумуляторов наиболее эффективны по затратам для приложений, в которых обычно необходим лишь мелкий разряд перед перезарядкой.

Стоимость батарей из щелочных аккумуляторов лишь ненамного выше, чем у одноразовых щелочных батарей. Как правило, стоимость никель-кадмиевых элементов почти в 2—3 раза выше стоимости одноразовых батарей из щелочных элементов. Тем не менее использование никель-кадмиевых батарей обычно оказывается выгодным по сравнению перезаряжаемыми щелочными батареями.

Батареи из серябряно-цинковых аккумуляторов Применяются в военных и аэрокосмических приложения. Производиться без собственного электролита, который добавляется непосредственно перед "употреблением", поэтому срок годности составляет 5 лет. После этого срок службы составляет 2 года при 200 циклах заряда-разряда.

К достоинствам относятся малый вес, высокая удельная энергия, отличное удержание ёмкости и отличные характеристики разряда. К недостаткам относятся дороговизна, сложность в эксплуатации и короткий срок службы. Подобные батареи не находят применения в бытовой технике, однако могут быть использованы во вспомогательном оборудовании.

Термины, связанные с батареями

Устройства подзарядки батарей осуществляют первоначальный заряд со скоростью накопления объёмного заряда (bilk charging rate) до тех пор, пока не будет достигнуто отпирающее напряжение перезарядки (overcharge voltage). Затем они переключаются на скорость компенсационной подзарядки (trickle-charge rate) для сохранения напряжения холостого хода (float voltage) данного элемента, причём этот процесс может продолжаться сколь угодно долго без ущерба батарее, поддерживая ее в полностью заряженном состоянии.

Источники

Автоматизация магазинов, складов, переучетов