ДОКЛАД
Тема: «Типы аккумуляторов»
Автор: старший матрос Аникин Д.А.
Учебная группа: 5124
Калининград
Типы аккумуляторов
Свинцовые аккумуляторы (Pb). Реагентами в свинцовых аккумуляторах служат диоксид свинца (PbO2) и свинец (Pb), электролитом - раствор серной кислоты. Они также называются свинцово-кислотными аккумуляторами. Их разделяют на четыре основные группы; стартерные, стационарные, тяговые и портативные (герметизированные). Наиболее распространенные из свинцовых аккумуляторов - стартерные аккумуляторы, предназначены для запуска двигателей внутреннего сгорания и энергообеспечения устройств машин. В последние годы в основном используются аккумуляторы, не требующие ухода. К недостаткам относят невысокие удельную энергию и наработку, плохую сохранность заряда, выделение водорода.
Стационарные аккумуляторы используются в энергетике, на телефонных станциях, в телекоммуникационных системах, в качестве аварийного источника тока и т.д. Обычно они работают в режиме непрерывного подзаряда. Относятся к недорогим аккумуляторам.
Тяговые аккумуляторы предназначены для электроснабжения электрокаров, подъемников, шахтных электровозов, электромобилей и других машин. Действуют в режимах глубокого разряда, имеют большой ресурс и низкую стоимость.
Портативные (герметизированные) свинцовые аккумуляторы используются для питания приборов, инструмента, аварийного освещения. К их достоинствам относятся более низкая стоимость по сравнению со стоимостью других портативных аккумулторов, широкий интервал рабочих температур. Недостатками кислотных аккумуляторов являются невозможность хранения в разряженном состоянии, трудность изготовления аккумуляторов малых размеров. Свинцово-Кислотные Аккумуляторы
Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd). Реагентами в никель-кадмиевых аккумуляторах служат гидроксид никеля и кадмий, электролитом - раствор КОН, поэтому они именуются щелочными аккумуляторами. Существуют три основных вида никель-кадмиевых аккумуляторов: негерметичные с ламельными (ламельные аккумуляторы) и спеченными электродами (безламельные аккумуляторы) и герметичные. Наиболее дешевые ламельные никель-кадмиевые аккумуляторы характеризуются плоской разрядной кривой, высокими ресурсом и прочностью, но не низкой удельной энергией. Удельная энергия, скорость разряда Ni-Cd аккумуляторов со спеченными электродами выше, они работоспособны при низких температурах, но дороже, характеризуются эффектом памяти и способностью к тепловому разгону.
Применяются никель-кадмиевые аккумуляторы для питания шахтных электровозов, подъемников, стационарного оборудования, средств связи и электронных приборов, для запуска дизелей и авиационных двигателей и т.п.
Герметичные Ni-Cd аккумуляторы характеризуются горизонтальной разрядной кривой, высокими скоростями разряда и способностью действовать при низких температурах, но они дороже герметизированных свинцовых аккумуляторов и характеризуются эффектом памяти. Применялись для питания портативной аппаратуры (сотовых телефонов, магнитофонов, компьютеров и т.д.), бытовых приборов, игрушек и т.д. Недостатком никель-кадмиевых аккумуляторов является применение токсичного кадмия. Ni-Cd Аккумуляторы
Никель-железные аккумуляторы. Вместо кадмия в этих аккумуляторах используется железо. Из-за выделения водорода с самого начала заряда аккумуляторы производят только в негерметичном варианте. Они дешевле никель-кадмиевых аккумуляторов, не содержат токсичный кадмий, имеют длинный срок службы и высокую механическую прочность. Однако они характеризуются высоким саморазрядом, низкой отдачей по энергии, практически неработоспособны при температуре ниже -10 °С. Выпускаются в призматическом виде и используются в основном как тяговые источники тока в шахтных электровозах, электрокарах и промышленных подъемниках.
Никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH). Активным материалом отрицательного электрода является интерметаллид, обратимо сорбирующий водород, т.е. фактически отрицательный электрод является водородным электродом, у которого восстановленная форма водорода находится в абсорбированном состоянии. Разрядная кривая Ni-MH аккумулятора аналогична кривой Ni-Cd аккумулятора. Удельная емкость и энергия никель-металлогидридных аккумуляторов в 1,5-2 раза выше удельной энергии никель-кадмиевых аккумуляторов, кроме того, они не содержат токсичный кадмий. Изготавливаются в герметичном исполнении цилиндрической, призматической и дисковой форм. Применяются для питания портативных приборов и аппаратуры. Ni-MH Аккумуляторы
Никель-цинковые аккумуляторы. Это щелочные аккумуляторы, у которых отрицательный электрод - цинковый. Удельная энергия никель-цинковых аккумуляторов примерно в 2 раза выше удельной энергии Ni-Cd аккумуляторов. Они характеризуются горизонтальной разрядной кривой, высокой удельной мощностью и относительно невысокой начальной ценой, однако ресурс их мал, поэтому массового применения не имеют. Применяются для питания портативной аппаратуры
Серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы. Активными материалами служат оксид серебра на положительном и цинк или кадмий - на отрицательном электродах соответственно, электролитом является раствор щелочи. Характеризуются высокими удельными энергиями и мощностью, низким саморазрядом, но весьма дороги. Серебряно-цинковые аккумуляторы имеют незначительный ресурс. Выпускаются в призматической и дисковой формах, применяются для питания портативных приборов и аппаратов, в военной технике.
Никель-водородные аккумуляторы. Отрицательным электродом служит пористый газодиффузионный электрод с платиновым катализатором, на котором обратимо реагирует газообразный водород. Характеризуются высокой удельной энергией и очень высоким ресурсом, но значительным саморазрядом и очень дороги. Применялись в космической технике.
Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion). В качестве отрицательного электрода применяется углеродистый материал, в который обратимо внедряются ионы лития. Активным материалом положительного электрода обычно служит оксид кобальта, в который также обратимо внедряются ионы лития. Электролитом является раствор соли лития в неводном апротонном растворителе. Аккумуляторы имеют высокую удельную энергию, высокий ресурс и способны работать при низких температурах. Благодаря высокой удельной энергии их производство в последние годы резко увеличилось. Выпускаются в цилиндрической и призматической формах. Они применяются в сотовых телефонах, ноутбуках и других портативных устройствах. Li-ion Аккумуляторы
Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol). Анодом служит углеродистый материал, в который обратимо внедряются ионы лития. Активными материалами положительных электродов являются оксиды ванадия, кобальта или марганца. Электролитом является или раствор соли лития в неводных апротонных растворителях, заключенный в микропористую полимерную матрицу, или полимер (полиакрилонитрил, полиметилметакрилат, поливинилхлорид либо другие), пластифицированный раствором соли лития в апротонном растворителе (гель-полимерный электролит). По сравнению с литий-ионными аккумуляторами литий-полимерные аккумуляторы имеют более высокие удельную энергию и ресурс и лучшую безопасность. Применяются для питания портативных электронных устройств. Li-pol Аккумуляторы
Перспективы развития
Хорошей новостью является то, что следующее поколение литий-ионных батарей уже почти соответствует требованиям рынка. В качестве аккумулирующего материала в них применяется литий, который теоретически позволяет в десять раз увеличить плотность хранения энергии.
Наряду с этим приводятся исследования других материалов. Хотя литий и обеспечивает приемлемую плотность энергии, однако речь идет о разработках на несколько порядков оптимальнее и дешевле. В конце концов, природа могла бы предоставить нам лучшие схемы для высококачественных аккумуляторов.
Научно-исследовательские лаборатории университетов разрабатывают первые образцы органических аккумуляторов. Однако до выхода таких биобатарей на рынок может пройти не одно десятилетие. Мостик в будущее помогают протянуть малогабаритные батареи, которые заряжаются путем улавливания энергии.
Емкость аккумуляторов растет при включении кремния между слоями графита. Она увеличивается в три-четыре раза при соединении кремния с литием, однако после нескольких циклов зарядки графитовый слой разрывается.
Решение этой проблемы найдено в стартап-проекте Amprius
рамках этого проекта доступны три метода решения «проблемы графита». Первый из них — применение пористого кремния, который можно рассматривать как «губку». При сохранении лития он крайне мало увеличивается в объеме, следовательно, слои графита остаются неповрежденными. Amprius может создать аккумуляторы, которые сохраняют до 50% больше энергии, чем обычные.
Более эффективно, чем пористый кремний, накапливает энергию слой кремниевых нанотрубок. В прототипах было достигнуто почти двукратное увеличение зарядной емкости (до 350 Вт·ч/кг).
«Губка» и трубки должны быть по-прежнему покрыты графитом, так как кремний вступает в реакцию с раствором электролита и тем самым уменьшает время работы аккумулятора.
Но есть и третий метод. Исследователи проекта Ampirus внедрили в углеродную оболочку группы частиц кремния, которые непосредственно не соприкасаются, а обеспечивают свободное пространство для увеличения частиц в объеме. Литий может накапливаться на этих частицах, а оболочка остается неповрежденной. Даже после тысячи циклов зарядки емкость прототипа снизилась только на 3%.
Основные преимущества использования свинцово-кислотных тяговых аккумуляторов:
1. Технология таких батарей широко распространена, известна и полностью автоматизирована. В настоящее время их довольно легко приобрести за относительно небольшую стоимость. Забегая вперед, хочется отметить, что именно это качество зачастую перевешивает все недостатки кислотно-щелочных АКБ.
2. Очень низкий саморазряд аккумулятора (как правило, в 5-7 раз меньше, нежели у никель-кадмиевой батареи).
3. Хорошо переносят большие мощностные нагрузки.
4. Очень экологичны и дружественны по отношению к окружающей среде – сейчас вторичная переработка кислотно-щелочных тяговых аккумуляторов уже очень хорошо отработана.
5. Тяговые АКБ изготавливаются и собираются на специализированных заводах с применением высокотехнологичного современного оборудования.
6. Все тяговые аккумуляторы сертифицированы.
7. Оптимальное соотношение качества и стоимости.
8. Срок гарантии на тяговые АКБ – 1.5 года с момента покупки. Гарантийный ремонт проводят бесплатно в том случае, если полностью соблюдались все требования инструкции.
9. Срок работы кислотно-щелочных тяговых батарей составляет около 5-6 лет регулярного непрерывного использования. Срок службы гелиевых АКБ немного меньше – около 1200 циклов.
10. Тяговые батареи можно ремонтировать, так как на таких аккумуляторах используют болтовое, а не клеевое, крепление (при необходимости можно легко заменить вышедшие из строя элементы).
11. Тяговые АКБ очень удобны в применении. Наличие заливных горловин и меток «min» и «max» позволяет контролировать количество электролита в элементах.
Недостатки использования кислотно-щелочных тяговых аккумуляторов:
1. Довольно низкая плотность энергии в батарее. По этой причине вес таких батарей выше, чем у других аккумуляторов.
2. Сильная толерантность к глубокому разряду: если разряд батареи превышает 80%, то продолжительность службы аккумулятора значительно снижается. А рекомендуемые 60 процентов разряда только еще более снижают плотность энергии в аккумуляторе.
3. Проблема обслуживания – требуется регулярный контроль за уровнем электролита в батарее (как минимум, раз в неделю), а также зарядка в специализированном, очень хорошо проветриваемом помещении.
4. Достаточно низкий КПД зарядки – при зарядке АКБ теряется около 30 процентов изначально затраченной электроэнергии.
5. Аккумулятор боится полной разрядки: если это происходит, то срок его службы серьезно уменьшается.
6. Очень сложно сделать хоть приблизительный прогноз о времени выхода из строя АКБ.
7. При большом токе разряда существует проблема неполной отдачи заряда аккумулятором.
Плюсы и минусы щелочных аккумуляторов
Плюсы
Длительный срок службы при правильной эксплуатации;
Возможность глубокого разряда;
Работа при отрицательных температурах без потери свойств;
Небольшой саморазряд;
Небольшой удельный вес.
При снижении температуры с 25 градусов Цельсия ёмкость щелочного аккумулятора понижается с каждым градусом на 0,5 процента. Показатель лучше, чем у свинцово-кислотных практически в два раза. Но стоит отметить, что при низкой температуре возрастает и скорость уменьшения ёмкости
Минусы
Эффект памяти, приводящий к потере ёмкости. Появляется, если не разряжать щелочной аккумулятор до конца;
Существенный разброс рабочего напряжения элементов (1─1,75 вольта). Для набора под 12В аккумулятор разброс уже составит 10─17,5 вольта. Для работы в таком диапазоне напряжений нужно специальное зарядное устройство;
КПД заряда у щелочных составляет всего 55 процентов. У кислотных АКБ этот показатель равен 80 процентов;
Обслуживание должен выполнять квалифицированный работник, поскольку в щелочных аккумуляторах периодически необходимо менять электролит.