Аккумуляторы: часть 2

Свинцовые аккумуляторы имеют большую массу, короткий срок эксплуатации (в среднем 300 циклов зарядки-разрядки). Из плюсов можно выделить: высокое напряжение (6 или 12 В), отсутствие эффекта памяти (про него ниже) и низкую цену. Хранение сих девайсов нужно производить только в заряженном виде.

Такие аккумуляторы находят применение прежде всего в автомобилях. Также они используются в прфессиональной видеотехнике, ИБП и других устройствах. Такие устройства можно сразу же отличить от других аккумуляторов по их весу: SLA – довольно тяжелые.

После свинцовых аккумуляторов были изобретены никелевые: никель-кадмиевые и никельметаллгидридные. Первыми были никель-кадмиевые, поэтому начнем с них.

Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd) были изобретены в 1899 г. Вальдмаром Джунгнером. Они совершенствовались так же, как и свинцовые: была проблема с выделением кислорода, которую тоже решили увеличением отрицательного электрода. На всякий случай в аккумуляторе предусмотрен калпан, который выпустит кислород в случае его накопления. Проблема в том, что с выпуском кислорода произойдет и выпуск некоторой части электролита, что не очень благоприятно скажется на девайсе. Основными элементами здесь также являются положительный (анод) и отрицательный (катод) электроды. Обычно они свернуты в цилиндр вместе с разделяющим слоем и помещены в металлический цилиндрический корпус. В корпус таже залит электролит. Анод содержит NiOOH (гидроксид никеля), а катод – кадмий (Cd). Разделяющий слой сделан из устойчивого к щелочи материала. При разрядке происходит химическая реакция, в результате которой NiOOH и Cd преобразуются в Ni(OH)2 и Cd(OH)2 соответственно.

Недостатками никель-кадмиевых аккумуляторов являются: очень быстрая скорость саморазрядки (10-11% в месяц), довольно утомительный в эксплуатации (каждую неделю желательно проводить полный цикл зарядки-разрядки для снижения эффекта памяти) и, собственно, сам эффект памяти. Этот эффект ведет к снижению емкости и заключается в том, что на кадмиевом электроде появляются кристаллические образования, которые являются причиной уменьшения полезной площади. Для его уменьшения необходимо полностью разрядить аккумулятор и зарядить его снова. Единственными преимуществами никель-кадмиевыевых аккумуляторов являются их невысокая цена и долговечность (при соблюдении зарядки-разрядки).

На данный момент эти аккумуляторы используются в старых мобилках и радиотелефонах.

В 80-х годах 20 ст. были открыты двухкомпонентные сплавы, поглощающие водород (TiNi2, LaNi5). Особенностью этих сплавов является то, что они могут поглощать обьем водорода в несколько тысяч раз больший их собственного обьема. Благодаря этому стало возможным создание нового типа аккумуляторов: никельметаллгидридного (NiMH), где эти сплавы используются в качестве катода. Конструкция этого типа аккумуляторов похожа на NiCd, только в качестве катода использовались эти самые сплавы. Сущность реакции состоит в том, что ионы водорода перемещаются между электродами. При зарядке гидрооксид никеля (Ni(OH)2) превращается в гидроксид никеля (NiOOH), отдавая водород сплаву катода. При этом происходит нагрев аккумулятора, поэтому анод стараются делать поглощающим тепло. Несмотря на эту предосторожность, NiMH все равно греется сильнее NiCd.

Основными проблемами NiMH являются: очень большой саморазряд( в 2 раза больше NiCd), присутствие эффекта памяти, нагрев. Достоинство – большая емкость по сравнению с NiCd при тех же размерах.

На данный момент широко использутся в разных переносных девайсах.

И наконец, последний тип аккумуляторов – литиевые: LiIon, LiPol – ионнолитиевый и литий-полимерный. Разница между ними несущественна, так что мы рассмотрим LiIon, а вконце я расскажу отличие LiPol от LiIon.

LiIon были изобретены в 1912 году, однако получили распространение только в 90-х годах 20 века. Это обьясняется одной серьезной проблемой: на поверхности литиевого электрода растут дендриты (древоподобные кристаллы), которые достигают катода и приводят к короткому замыканию и взрыву. Только недавно эту проблему удалось решить, используя литиевые сплавы. Итак, конструкция аккумулятора. Внутренности мало чем отличаются от предшественников, только анод изготовлен из литийкобальтоксида (LiCoO2), а катод – из графита или кокса. Во время зарядки ионы лития мигрируют и связываются материалом катода. В качестве электролита выступает органический растворитель. Существуют 2 вида LiIon – графитовые и коксовые. В основном используются графитовые. Их преимущество состоит в том, что в коксовых в конце разрядки происходит резкое падение напряжения.

Преимущества: низкий саморазряд (около 3-4% в месяц), встроенная схема отключения зарядки (не позволит зарядить сверх меры), быстрая зарядка, облегченный вес, большая емкость, большее напряжение – 1 элемент обеспечивает около 3,6 В. Единственное требование – не допускать глубокой разрядки.

LiPol отличаются от LiIon тем, что электролит у первых гелеобразный, что исключает возможность утечки и позволяет производить аккумуляторы самых разных форм.

Теперь вы узнали про основные типы аккумуляторов и мы можем приступить к еще одному не менее важному разделу – типам зарядки аккумуляторов.

Начнем, как обычно с SLA – свинцовых аккумуляторов. Для них существует 3 метода зарядки:

  • Метод постоянного напряжения – зарядка производится напряжением в 2,45 В.
  • Метод постоянного тока/постоянного напряжения – 2,45 В/0,4 А*емкость аккумулятора
  • Двухшаговый метод постоянного напряжения – сначала производится зарядка большим напряжением, при уменьшении тока до определенного значения используется зарядка маленьким напряжением.
Никелевые батареи используют множество методов зарядки, но мы остановимся на основных:
  • Медленная зарядка – выполняется малым постоянным током.
  • Управляемый режим зарядки – зарядка сначала произволится током 0,2 мА*емкость, потом после истечения некоторго времени - 0,05 мА*емкость.
  • Метод полупостоянного тока – между зарядкой и аккумулятором включается сопротивление. Оно стабилизирует ток. Зарядка выполняется током 0,1-0,15 мА*емкость.

И, наконец, ионолитиевые аккумуляторы. Тут используется только один метод зарядки, поскольку эти аккумуляторы являются «умными» и сами контролируют процесс и параметры зарядки. Используется уже знакомый нам метод – постоянного тока/постоянного напряжения – 0,1 мА*емкость – до напряжения в 3 В и 0,7 мА*емкость – после.

Aequalitas