Виды аккумуляторов - их достоинства и недостатки

🕛 08.06.2009, 11:43

Аккумулятор - это устройство для хранения энергии в химической форме, которая может использоваться как электричество. Аккумулятор работает благодаря тому, что два различных металла, находясь в кислотном растворе, вырабатывают электричество.

Все аккумуляторы, независимо от электрохимической системы, характеризуются напряжением, электрической емкостью, внутренним сопротивлением, током саморазряда и, конечно же, сроком службы.

Емкость аккумулятора

Это количество электрической энергии, которой должен обладать полностью заряженный аккумулятор. Емкость - самый важный параметр аккумулятора, ведь чем больше емкость аккумулятора - тем дольше будут работать приборы, не требуя подзарядки. Измеряется емкость в миллиампер-часах (мА.час). Номинальная емкость всегда указывается на этикетке аккумулятора или на самом аккумуляторе. Однако реальная емкость не всегда совпадает с номинальной. На практике, реальная емкость аккумулятора колеблется от 80% до 110% от номинального значения. В процессе эксплуатации емкость аккумулятора изменяется (обычно в сторону уменьшения) и зависит от различных факторов: от технологии ввода в эксплуатацию и обслуживания в процессе эксплуатации, от условий и срока эксплуатации, от используемых зарядных устройств и т.д.

Внутреннее сопротивление

Является еще одним очень важным параметром аккумулятора. Измеряется внутреннее сопротивление в миллиомах (мОм) и зависит от емкости элемента, числа элементов, электрохимической системы, а также возраста и условий эксплуатации аккумулятора. Измерить его можно на специальных приборах-анализаторах аккумуляторов, например, производимых фирмой Cadex. В процессе эксплуатации аккумулятора значение его внутреннего сопротивления увеличивается. Например, сопротивление, равное 500 мОм, говорит либо о почтенном возрасте аккумулятора, либо о его неправильной эксплуатации. Повышение внутреннего сопротивления приводит к сокращению времени работы приборов. Если аккумулятор обладает большим внутренним сопротивлением, то при резком увеличении потребляемого прибором тока напряжение на нем существенно падает (по закону Ома). При этом, если напряжение падает ниже определенного значения, прибор считает, что аккумулятор полностью разряжен, и отключается. Таким образом, аккумулятор с высоким внутренним сопротивлением не выдает в нагрузку всю запасенную им энергию, вследствие чего и сокращается время работы приборов.

Саморазряд аккумулятора

Это самопроизвольная потеря аккумулятором запасенной энергии с течением времени после того, как он был полностью заряжен. Явление саморазряда присуще всем типам аккумуляторов, независимо от их электрохимической системы. Для количественной оценки саморазряда используется величина потерянной аккумулятором за определенное время энергии, выраженная в процентах от значения, полученного сразу после заряда. Саморазряд максимален в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается. Поэтому оценивается саморазряд за одни сутки и за один месяц после заряда. Следует также отметить, что величина саморазряда зависит от температуры, с увеличением окружающей температуры саморазряд увеличивается. Например, при увеличении температуры с 20 до 30 градусов саморазряд увеличивается почти в 2 раза. Для исправных Ni-Cd аккумуляторов считается допустимым саморазряд до 10% в течение первых 24 часов после окончания заряда, для Ni-MH - немного больше, а для Li-Ion, как и для Li-Pol, пренебрежимо мал и оценивается только за месяц. За такой период Ni-Cd аккумуляторы теряют до 20% запасенной энергии, Ni-MH - до 30%, a Li-Ion - не более 10%. Срок службы аккумулятора характеризуется количеством циклов заряда/разряда, которое он выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих основных параметров: емкости, саморазряда и внутреннего сопротивления. Также срок службы определяется временем, прошедшим со дня изготовления, особенно для Li-Ion аккумуляторов. Аккумулятор, как правило, считается вышедшим из строя после уменьшения его емкости до 60% - 80% от номинального значения. Срок службы аккумулятора зависит от различных факторов: от его электрохимической системы, от методов заряда и глубины разряда, от условий эксплуатации и процедуры обслуживания.

По электрохимической системе аккумуляторы делятся на следующие типы: свинцово-кислотные SLA/Pb аккумуляторы, никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-металлгидридные (Ni-MH) и литий-ионные (Li-Ion), а также относительно новый литий-полимерный (Li-Pol) аккумулятор.

Никель-кадмиевый (Ni-Cd)

Первая никель-кадмиевая перезаряжаемая батарея была изобретена Вальдемаром Янгером (Waldmar Jungner) более 100 лет назад - в далеком 1899 году. Это был открытый аккумулятор, в котором внутренние газы, выделяющиеся во время заряда, выпускались в атмосферу. В то далекое время никель и кадмий, используемые в аккумуляторе, были дороги, поэтому такие батареи не получили широкого распространения. Только после войны - в 1947 году - был изобретен герметичный Ni-Cd аккумулятор. В таком аккумуляторе выделяемые газы не выводились наружу, а рекомбинировали внутри. Кроме того, внутрь пористого пластинчатого никелевого электрода были введены активные материалы, что позволило улучшить параметры Ni-Cd аккумуляторов и значительно снизить стоимость их производства. С тех пор конструкция Ni-Cd батарей существенно не изменялась.
Они могут работать практически при любых погодных условиях. В отличие от батарей других типов (электрохимических систем) Ni-Cd аккумуляторы могут заряжаться даже при отрицательных температурах, что делает их незаменимыми в условиях крайнего севера. При правильной эксплуатации такие аккумуляторы без проблем выдерживают более тысячи циклов заряда/разряда и легко восстанавливаются при понижении емкости и после длительного хранения. Даже при ежедневной зарядке такой аккумулятор прослужит более трех лет, а это, согласитесь, не мало. Еще одним важным достоинством Ni-Cd аккумуляторов является короткое время заряда. Кроме того, они могут отдавать в нагрузку значительно больший ток, чем аккумуляторы других типов.
Главным недостатком Ni-Cd аккумуляторов является относительно маленькая, по сравнению с аккумуляторами других типов, энергетическая плотность (отношение емкости к массе) и, соответственно больший вес и габариты при одинаковой емкости. Кроме того, Ni-Cd аккумуляторы содержат кадмий "недружественный" к окружающей среде, и поэтому требуют специальной утилизации. К минусам Ni-Cd аккумуляторов также можно отнести высокий саморазряд. За первые сутки после заряда они теряют до 10%, а за месяц - до 20% запасенной энергии. Также Ni-Cd аккумуляторы подвержены эффекту памяти.

Эффект памяти - это обратимая потеря емкости аккумулятора, связанная с неблагоприятными условиями эксплуатации. Он развивается вследствие заряда не полностью разряженных аккумуляторов и свойственен только аккумуляторам на основе никеля. Сильнее всего эффект памяти проявляется именно в никель-кадмиевых аккумуляторах. Дело в том, что в аккумуляторах на основе никеля рабочее вещество находится в виде мелких кристаллов, обеспечивая максимальную площадь соприкосновения с электролитом. С каждым циклом заряда/разряда рабочее вещество постепенно изменяет свою структуру, уменьшая при этом площадь активной поверхности. Как следствие, снижается напряжение и уменьшается емкость. При неблагоприятных условиях эксплуатации кристаллы укрупняются до размеров, в 150 раз превосходящих первоначальные. В некоторых случаях острые грани кристаллов прокалывают сепаратор, вызывая высокий саморазряд или короткое замыкание.

Для предотвращения эффекта памяти необходимо проводить тренировку аккумулятора. Тренировка - это периодические (3-4 раза) циклы заряда и последующего разряда аккумулятора до напряжения 1V на элемент. Проще всего тренировать аккумулятор в настольных зарядных устройствах, имеющих функцию разряда. Проводить тренировку Ni-Cd аккумуляторов необходимо один раз в месяц. Чаще тренировать аккумулятор не рекомендуется: полезный эффект незначителен, зато износ аккумулятора существенно возрастает. Однако тренировочные циклы помогают не всегда. Если аккумулятор запущен, то помочь ему может только метод восстановления, основанный на глубоком разряде (до 0.4V на элемент) по специальному алгоритму.

Никель-металлогидридный (Ni-MH)

Ni-MH аккумуляторы разрабатывались как замена никель-кадмиевым. Работа над ними началась в 70-е годы, однако металлогидридные соединения, достаточно устойчивые для применения в аккумуляторах, были найдены только в 80-х. И, начиная с конца 80-х, характеристики Ni-MH аккумуляторов постоянно улучшаются. Сейчас Ni-MH аккумуляторы практически заменили никель-кадмиевые в бытовых приборах. Это один из самых распространенных типов аккумуляторов. Они обладают на 30-40% большей энергетической плотностью и экологически безвредны, так как не содержат кадмий.

Кроме того, Ni-MH аккумуляторы подвержены эффекту памяти в меньшей степени, чем Ni-Cd. Так что проводить тренировку достаточно один раз в два месяца.

Однако по ряду параметров Ni-MH аккумуляторы все еще проигрывают никель-кадмиевым. Во-первых, они выдерживают всего лишь до 500 циклов заряда/разряда. Во-вторых, у них более высокий саморазряд: до 10% за первые сутки и до 30% за месяц. В-третьих, заряжаются они, как правило, в 2 раза дольше. В-четвертых, стоят Ni-MH аккумуляторы дороже.

Литий-ионный (Li-Ion)

Работа по созданию батарей на основе лития была начата еще в 1912 году Г. Н. Льюисом (G. N. Lewis). Однако первые литиевые батарейки появились в продаже только в начале 70-х. Попытки разработать перезаряжаемые источники тока на основе лития предпринимались еще в 80-е годы, но были неудачными из-за невозможности обеспечения приемлемого уровня безопасности при обращении с ними. Так, первые партии литиевых аккумуляторов, поставленных в Японию в 1991 году, были отозваны производителями после того, как в результате взрывов этих элементов питания мобильных телефонов от ожогов пострадали несколько человек. Из-за свойственной литию неустойчивости исследователи повернули свой взор в сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов лития. И в том же 1991 году корпорацией Sony был выпущен первый литий-ионный аккумулятор. Для обеспечения безопасности и долговечности Li-ion аккумуляторы оснащаются электрической схемой управления, которая ограничивает ток и напряжение заряда и разряда, а также контролирует температуру аккумулятора.
На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы наиболее перспективны, технология их изготовления совершенствуется и в наши дни. Хотя Li-Ion аккумуляторы дороже Ni-MH, однако, разница в цене с лихвой компенсируется их достоинствами. Такие аккумуляторы обладают на 20-30% большей емкостью, чем Ni-MH того же размера. Саморазряд за первые сутки составляет менее 1%, а за месяц - менее 10% (включая около 3% на питание встроенной схемы защиты). Кроме того. Li-Ion аккумуляторы не нуждаются в обслуживании, поскольку отсутствует эффект памяти, другими словами, их можно заряжать в любое время, не дожидаясь полного разряда.
Хотя литий-ионные аккумуляторы выдерживают до 1000 циклов заряда/разряда, однако они стареют (теряют емкость) с течением времени. Уменьшение их емкости необратимо. Процесс старения начинается сразу после производства, причем независимо от того используется аккумулятор или просто лежит на полке. Ухудшение емкости наблюдается примерно после одного года. После двух лет аккумулятор часто становится неисправным. Поэтому не рекомендуется хранить Li-ion аккумуляторы в течение длительного времени. Следует также отметить, что процесс старения зависит от температуры и степени заряда аккумулятора. Поэтому если по какой-то причине аккумулятор не используется, то для замедления процесса старения его рекомендуется хранить заряженным на 40% при температуре менее +15 С. В таких условиях за год аккумулятор потеряет не более 5% емкости. Для заряда Li-Ion аккумуляторов нужно использовать только предназначенные для этого зарядные устройства. Применение других зарядных устройств может привести к неполному заряду аккумуляторов и даже к сокращению срока их службы. Время заряда литий-ионных аккумуляторов обычно не превышает 4 часов, однако их можно оставлять в зарядном устройстве сколь угодно долго. По достижении полного заряда зарядное устройство просто отключает ток заряда.

Литий-полимерный (Li-Pol)

Литий-полимерный аккумулятор - новичок на рынке бытовой электроники. Главное его отличие от аккумуляторов других электрохимических систем заключается в типе используемого электролита. Изначально в литий-полимерных аккумуляторах вместо традиционного пористого сепаратора, пропитанного электролитом, использовался сухой твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку. Однако такие сухие Li-Pol аккумуляторы могут использоваться только при температуре более +60 С. При комнатной температуре они обладают недостаточной электропроводностью и не могут обеспечить величину тока, необходимую для питания современных мобильных телефонов.
Чтобы повысить электропроводность литий-полимерных аккумуляторов, в них добавляют гелеобразный электролит. По своим характеристикам такие Li-Pol аккумуляторы практически подобны литий-ионным, за исключением того, что Li-Pol могут работать только при положительных температурах. Стоят они также дороже и используются только в тех случаях, когда нужен аккумулятор нестандартной формы. Дело в том, что технология изготовления позволяет придавать Li-Pol аккумуляторам произвольную форму. Они могут быть очень тонкими (до 1 мм) или заполнять любое свободное место в телефоне.

В настоящее время исследователи продолжают работать над литий-полимерными аккумуляторами с сухим твердым электролитом, способными работать при комнатной температуре. Ожидается, что такие сухие Li-Pol аккумуляторы уже скоро появятся в продаже. Причем, по характеристикам они будут превосходить Li-Ion и будут стоить дешевле.