Типы аккумуляторных батарей: какие и для чего используются

Существуют разные виды аккумуляторных батарей. Они отличаются не только размерами, но и способом изготовления и, соответственно, предназначением. Например, большие свинцовые батареи в основном используются в автомобилях, а широко известные литий-ионные аккумуляторы – самый распространенный тип ИБП для электроники.

В дополнение к вышеперечисленным, существуют никель-кадмиевые и никель-металл-гибридные аккумуляторы. У каждой технологии есть свои явные преимущества и недостатки. О преимуществах и недостатках разных типов аккумуляторных батарей и правилах выбора вы узнаете из нашего материала.

Принцип работы аккумуляторных батарей

Аккумуляторная батарея является относительно новым изобретением, появившимся около 160 лет назад. До этого момента такие батареи просто не существовали. Основная функция ИБП заключается в использовании обратимой электрохимической реакции. Если подключить источник постоянного напряжения к контактам элемента, на его электродах начнет накапливаться электрическая энергия, которая будет расходоваться при подключении нагрузки.

Такой процесс может происходить множество раз, совершая ротации разряда и заряда. Обычно количество возможных перезарядок зависит от типа аккумуляторной батареи. Однако практика показывает, что большинство современных батарей гарантированно обеспечивают от 300 до 1 000 полных циклов перезарядки.

Для дальнейшей эксплуатации аккумулятор считается рабочим, если его остаточная емкость составляет от 70 до 80% от начальной. Если показатель ИБП ниже этого значения, то его нельзя использовать, так как он не сможет обеспечить необходимую автономность.

В основе конструкции и принципа действия всех типов аккумуляторных батарей лежат одни и те же принципы. Все они включают в себя два электрода – отрицательный и положительный, которые также называются катодом и анодом соответственно. Эти электроды находятся в специальной среде – электролите, который является отличным поставщиком ионов благодаря своей диссоциации. Ионы переносят электрический заряд. Когда заряд положительный, частица называется катионом, а когда отрицательный – анионом.

Существует множество разновидностей аккумуляторных батарей, каждая из которых имеет свои особенности в зависимости от типа электродов и электролита. Ниже приведены описания наиболее распространенных типов аккумуляторов, их областей применения, преимуществ и недостатков, а также подробные характеристики эксплуатации.

Свинцовые аккумуляторные батареи

Несмотря на то, что использование батарей в технике началось много лет назад, свинцовые аккумуляторы по-прежнему широко применяются в системах возобновляемых источников энергии (в ветроэнергетике, солнечной энергетике, гидроэнергетике и других), автомобильном транспорте и блоках резервного питания.

Само название указывает на то, что основным материалом в данном случае является свинец. Более точно, для изготовления положительных электродов используется обычный свинец, а для производства отрицательных – оксид свинца. В качестве электролита обычно применяется раствор серной кислоты.

На данный момент на рынке имеется множество разновидностей свинцовых аккумуляторных батарей, каждая из которых предназначена для улучшения их эксплуатационных характеристик. Основным недостатком свинца является его мягкость и низкая физическая прочность, что делает невозможным его использование без дополнительных материалов при воздействии вибраций. Для применения аккумуляторов в транспортных средствах, например, к свинцу добавляется определенное количество кальция, что повышает прочность и стабильность структуры.

Для обеспечения безопасной эксплуатации свинцовой аккумуляторной батареи в устройствах бесперебойного питания, предотвращения контакта пользователя с кислотой, устранения необходимости проведения специального обслуживания и предотвращения взрыва водорода, выделяемого в процессе зарядки, применяются определенные типы аккумуляторов. Один из таких типов – это аккумуляторы модели AGM (Absorbent Glass Mat), в которых электролит, абсорбированный в специальном стекловолоконном пористом материале, не является жидким.

Часто свинцовые источники питания, изготовленные по технологии AGM, неправильно называют гелевыми. Однако это совершенно разные типы свинцовых батарей, используемых в промышленности.

Аккумуляторы, которые используют желеобразный раствор серной кислоты в качестве электролита, называются гелевыми. Они предназначены для медленного выделения энергии, поэтому их основным применением являются инертные системы накопления и расходования электроэнергии (питание гольф-каров и инвалидных колясок, солнечная энергетика и т.д.).

Свинцовые аккумуляторные батареи имеют неоспоримое преимущество – возможность работы в широком температурном диапазоне окружающей среды (от -40°C до +40°C) и их низкая стоимость.

Каждый из аккумуляторов на основе свинца может выдавать напряжение около 2 вольт и иметь удельную энергию в диапазоне от 30 до 60 ватт-часов на каждый килограмм массы. Это значение сравнительно невысоко по сравнению с другими типами аккумуляторных батарей. Кроме того, такие аккумуляторы характеризуются высоким уровнем саморазряда, а глубокий разряд может привести к отслоению пластин электродов, разрушению и полной потере функциональности батареи.

Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи

В различных промышленных секторах широко используются никеле-кадмиевые аккумуляторные батареи (NiCd). Они наиболее распространены в ручных электроинструментах, фонариках, пультах управления, детских игрушках и других областях.

Элементы конструктивно остались неизменными, за исключением использования кадмия и никеля для создания электродов. Вместо этого используются гидраты соответствующих металлов. Как электролит, применяется гидроксид калия. Каждый элемент, основанный на этих металлах, обладает напряжением 1,2-1,35 В и имеет удельную энергию порядка 40-80 Вт*ч/кг.

Морозоустойчивость никель-кадмиевых аккумуляторных батарей является одним из самых высоких. Они способны работать без уменьшения емкости при достаточно низких температурах (приблизительно -50°C), и не подвержены глубокому разряду, после полной зарядки их характеристики полностью восстанавливаются.

Однако у них есть негативные стороны, такие как явно выраженный “эффект памяти”, длительное время зарядки (энергия восполняется малыми токами), низкая удельная емкость и высокий уровень саморазряда.

Чтобы избежать поломки аккумуляторной батареи, необходимо заряжать ее только после полного разряда! Не соблюдение этого правила приведет к преждевременной потере емкости и выходу элемента из строя.

Для зарядки NiCd-аккумуляторов следует использовать низкий ток, который составляет примерно 0,1% от общей емкости батареи.

Аккумуляторные батареи типа NiMH

Никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторные батареи появились в результате устранения недостатков никель-кадмиевых элементов питания и их предшественников. По сравнению с ними, NiMH батареи обладают в 2–3 раза большей емкостью при тех же массе и габаритах. Кроме того, у них менее выраженный эффект памяти, они легко переносят перезарядку и глубокий разряд, а также обладают повышенной надежностью.

Применение элементов NiMH в промышленности стало широко распространено и популярно благодаря отсутствию кадмия, который является очень вредным для окружающей среды. В связи с этим, вопросы утилизации и правильного хранения таких аккумуляторных батарей отпадают сами собой.

Для создания анода используется специальный электрод из металлогидрида, который по сути представляет собой соединение никеля с литием или лантаном. Катодом служит оксид этого же металла. В качестве электролита используется гидроксид калия.

При зарядке никель-металлогидридных аккумуляторов применяются более высокие токи по сравнению с NiCd-элементами (примерно 20-25% от общей емкости батареи), при этом очень важно следить за температурой элемента. Если температура превышает 45 °С, необходимо немедленно остановить зарядку, чтобы не повредить элемент.

Можно заряжать NiMH-батарею вместе с NiCd-элементами, но не допускается обратная совместимость! Так как у никель-кадмиевых элементов более простые алгоритмы зарядки, они могут повредить NiMH-элемент.

Хранение аккумуляторов никель-металлогидридных (NiMH) следует проводить только в полностью заряженном состоянии. Из-за высокого уровня саморазряда, для сохранения работоспособности таких батарей, рекомендуется периодически полностью разряжать их, а затем полностью заряжать.

Аккумуляторы NiMH используются в тех же отраслях промышленности, что и аккумуляторы никель-кадмиевые (NiCd), но благодаря высокой емкости они широко применяются в фототехнике, где источниками питания служат элементы типа АА и ААА.

NiMH элементы обладают отличной морозоустойчивостью. Их можно использовать при экстремально низких температурах, вплоть до -60 °С, без каких-либо проблем. Это свойство позволяет широко применять их в электроинструменте для работы на открытом воздухе в зимнее время.

Один компонент порождает натяжение от 1,2 до 1,25 вольт при уровне энергии в пределах 60-75 ватт-часов на килограмм. Теоретический расчёт показывает, что предельное значение этого параметра может достигать 300 ватт-часов на килограмм, поэтому производственные технологии для NiMH-ИБП могут ещё улучшаться.

Преимущества и недостатки аккумуляторных батарей Li-Ion

В настоящее время невозможно обойти ни одно современное мобильное устройство без использования литий-ионных батарей. Эта новая технология стремительно выходит вперед по сравнению с многими передовыми отраслями производства. Существует множество различных химических процессов, использующихся в литий-ионных технологиях, но в данной статье мы не будем на них останавливаться.

Литий-ионные аккумуляторные батареи широко применяются в малых электронных устройствах, таких как ноутбуки, карманные компьютеры, электронные часы, аудиоплееры, гаджеты и мобильные телефоны. Этот тип батарей позволяет длительное время использовать устройства с небольшой мощностью.

Литий-ионные аккумуляторные батареи обладают высокой плотностью заряда, что позволяет хранить большое количество электрической энергии в небольшом объеме. Однако, их способность концентрировать энергию делает их в некоторой степени уязвимыми.

Для нормального протекания химических реакций в литий-ионных аккумуляторах необходимо соблюдать технологичность производства. Кроме того, любые загрязнения при изготовлении таких батарей часто приводят к снижению их качества.

Возможно, многие не забыли о событиях летом 2006 года, когда тысячи ноутбуков от Apple и Dell были отозваны, так как обнаружено, что аккумуляторы, поставленные фирмой Sony, содержат загрязняющие вещества, вызывающие перегрев.

С целью обеспечения безопасности и нормальной работы литиевые аккумуляторы, которые не переносят перегревания, оснащаются встроенными электронными схемами. Эти схемы выполняют функцию защиты, которая заключается в предотвращении перезаряда: когда напряжение достигает критического значения, заряд аккумулятора сразу же прекращается.

Недавно были разработаны литий-полимерные аккумуляторы, которые являются “сухой” версией литий-ионных аккумуляторов. Они хорошо работают при высоких температурах (более 25 °C) и могут быть изготовлены в виде плоских батарей, толщиной как кредитная карта. Однако из-за особенностей производства, стоимость таких аккумуляторов достаточно высока, и в редких случаях их использование экономически целесообразно по сравнению с обычными литий-ионными моделями.

Наилучшим решением для электроснабжения систем будет выбор литий-железо-фосфатного аккумулятора.

Сравнительно недорогие литий-железо-фосфатные батареи с завода-производителя «Лиотех» недавно появились на российском рынке. Их выпускная емкость составляет от 250 А*ч, что ограничивает их использование для более мощных систем резервного или автономного электроснабжения. Кроме того, появились различные мнения о таких типах аккумуляторных батарей.

В данной области последней новинкой является производство литий-титанатных аккумуляторов, которые могут прослужить до 25 000 тысяч циклов.

Правила выбора аккумуляторных батарей

Теперь перейдем к главному вопросу – какой тип аккумуляторной батареи будет наилучшим выбором для меня? Ответ на него достаточно простой и заключается в технологических возможностях каждого из перечисленных выше видов:

Мобильные телефоны, карманные компьютеры и другие подобные устройства используют литиевые аккумуляторные батареи. Они не требуют особого обслуживания, быстро заряжаются, легкие и компактные. Часто бывает так, что электронное устройство выходит из строя быстрее, чем истощается его литиевая батарея.

Большинство таких устройств оснащены автомобильными адаптерами, которые также можно использовать с солнечной батареей в 12 В (обычно с мощностью до 10 Вт).

В данных устройствах широко применяются аккумуляторы NiMh, которые заменили стандартные алкалиновые элементы типа «AA» или «AAA». Они хорошо подходят для питания фотовспышек, легко доступны и всегда можно выбрать качественное зарядное устройство в специализированном магазине.

Основным недостатком аккумуляторов NiMh является их низкая емкость. Однако в 2008 году появились новые технологии NiMh-аккумуляторов (например, PowerEx Imedion), которые успешно решают эту проблему.

Что касается зарядки АА-батарей, то здесь есть больше возможностей. Однако рекомендуется приобрести качественное зарядное устройство. Многие из них способны быстро зарядить аккумулятор, но могут вызвать его перегрев. Важно помнить, что оптимальный ток заряда должен быть в пределах от 200 до 300 мА.

В последнее время на рынке появились мощные зарядные устройства с током до 1 А, однако они не способны полностью зарядить вашу батарею, что в конечном итоге может привести к сокращению ее срока службы.

Чтобы сохранить накопленную солнечными батареями энергию, все еще используются свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. В домашних фотоэлектрических системах применяются специальные аккумуляторы с глубоким разрядом, которые похожи на аккумуляторы для гольф-каров.

Цена на такие аккумуляторы довольно низкая, они доступны и способны сохранять накопленную энергию в течение нескольких месяцев с очень низким уровнем саморазряда. Если вы планируете приобрести солнечные батареи, то для вас будет важно не потерять такую ценную электроэнергию. Свинцово-кислотные батареи за многие годы использования зарекомендовали себя своей надежностью и стабильностью.

Для устройств с маленькими размерами и солнечными батареями применяются литиевые маломощные аккумуляторы, чтобы не увеличивать их вес и не нарушать внешний вид.

Аккумуляторы – одно из великих изобретений века, позволяющее использовать электронику и другую технику без привязки к стационарному источнику питания, делая людей более мобильными. На рынке представлен большой выбор моделей аккумуляторов: от миниатюрных, используемых в часовых механизмах, до гигантских, предназначенных для питания домов и целых кварталов. Главное – правильно выбрать подходящий тип.

Персональные тренировки – не дешевое удовольствие. Покупайте абонемент у наших партнеров и получайте беспроцентную рассрочку на несколько месяцев.