Які бувають акумулятори?

ЩО ТАКЕ ЄМНІСТЬ АКУМУЛЯТОРА ТА ІНШІ ЙОГО ПАРАМЕТРИ.

Що таке акумуляторні батареї? Акумуляторна батарея це кілька акумуляторів, об’єднаних в один електричний ланцюг.

Історія створення акумулятора і принципу його роботи сягає далекого 1803 року, тоді німецький фізик, хімік і філософ Йоганн Вільгельм Ріттер створив прообраз сучасного акумулятора, побудований на принципі оборотності хімічної реакції.

Електричний акумулятор – це джерело струму (джерело електрорушійної сили, ЕРС) багаторазової дії. Основна дія в роботі акумулятора це оборотність внутрішніх хімічних процесів, що забезпечує його багаторазове циклічне використання (цикл заряд-розряд). Під час заряду відбувається хімічна реакція для накопичення енергії, а під час розряду забезпечується віддача накопиченого заряду для автономного електроживлення різних електротехнічних пристроїв та обладнання, а також для забезпечення резервних джерел енергії в медицині, виробництві, транспорті та в інших сферах.

Основними характеристиками, які використовуються для оцінювання акумуляторів (акумуляторних батарей) та їхньої якості, є: напруга осередку, напруга акумуляторної батареї, електрична ємність, внутрішній опір, струм саморозряду, для стартерних акумуляторів – пусковий струм, хімічний склад і, звісно ж, заявлений виробником термін служби.

Фізичний сенс ємності акумулятора

Ємністю акумулятора прийнято вважати кількість електрики, що дорівнює 1 Кл (Кулон), за сили струму в 1 А протягом 1 с. Іншими словами, якщо прийняти час, що розраховується в годинах, то одна ампер-година дорівнює 3600 Кл. Однак це так приймають, а не вимірюють. У побуті існує поширене явище-ошибка, що ємність акумулятора вимірюється в А*год, це не зовсім так, тому що в 1 А*с = 1 Кл або 1 А*год = 3600 Кл вимірюється кількість електрики або електричний заряд; Згідно з формулою, електричний заряд обчислюється як Q = I*t, де Q -кількість електрики або електричний заряд, I – сила струму, t – час протікання електричного струму.

Наприклад, позначення “12 В на 55 А*год” означає, що акумулятор видає кількість електрики 198 кКл (кіло Кулон) будь-яким контуром, за струму розряду 55 А за 1 год (3600 с) до порогової напруги 10,8 В. Розрахунок показує, що при струмі розряду в 255 А акумулятор розрядиться за 12,9 хвилин. Як видно 55 А*год – це не ємність (а електрична ємність вимірюється у Фарадах, 1 Ф = 1 Кл/В). Тому на акумуляторі написано кількість електрики Q, яку він видає при певному струмі розряду і певному часі його проходження

На жаль, усі акумулятори мають обмежений ресурс роботи через зміну хімічних властивостей акумулятора. На ємність та інші параметри акумулятора впливають також умови експлуатації, температура навколишнього середовища, параметри зарядного пристрою тощо.

Внутрішній опір акумулятора

Є ще одним дуже важливим параметром акумулятора. Вимірюється внутрішній опір у міліомах (мОм) і залежить від ємності елемента, числа елементів, електрохімічної системи, а також віку та умов експлуатації акумулятора. Виміряти його можна спеціальним приладом-аналізаторах акумуляторів, наприклад, вироблених фірмою Cadex. У процесі експлуатації акумулятора значення його внутрішнього опору збільшується. Наприклад, опір, що дорівнює 500 мОм, свідчить або про поважний вік акумулятора, або про його неправильну експлуатацію. Підвищення внутрішнього опору призводить до скорочення часу роботи приладів. Якщо акумулятор має великий внутрішній опір, то під час різкого збільшення споживаного приладом струму напруга на ньому істотно падає (за законом Ома). При цьому, якщо напруга падає нижче певного значення, прилад вважає, що акумулятор повністю розряджений, і відключається. Таким чином, акумулятор з високим внутрішнім опором не видає в навантаження всю накопичену ним енергію, внаслідок чого і скорочується час автономної роботи приладів.

Саморозряд акумулятора

Саморозряд – це втрата акумулятором накопиченого заряду після повного заряджання за відсутності навантаження. Саморозряд проявляється по-різному у різних типів акумуляторів, але завжди максимальний у перші години після заряду, а з плином часу – сповільнюється, але не зупиняється. Тому, як правило, оцінюється саморозряд за одну добу і за один місяць після заряду.

Наприклад, для акумуляторів, побудованих за технологією Ni-Cd, вважається припустимим не більш як 10 % саморозряду за перші 24 години після проведення заряджання, а для акумуляторів Ni-MH саморозряд буде трохи меншим. У акумуляторів Li-ion він нехтувано малий і значно сильно помітний тільки протягом кількох місяців.

У свинцево-кислотних герметичних акумуляторах саморозряд становить близько 40 % за 1 рік зберігання за температури 20°С, 15 % – за температури 5°С. В умовах підвищених температур зберігання саморозряд може значно зрости: ось, наприклад, батареї при температурі 40°С втрачають ємність у 40 % всього за 4-5 місяців.

Термін служби акумулятора

Термін служби акумулятора характеризується кількістю циклів заряду/розряду, яку він витримує в процесі експлуатації без значного погіршення своїх основних параметрів: ємності, саморозряду і внутрішнього опору. Також термін служби визначається часом, що минув від дня виготовлення, особливо для Li-Ion акумуляторів. Вважається, що акумулятор вичерпав свій ресурс після зменшення його ємності до 60% – 80% від номінального значення. Термін служби акумулятора залежить від різних чинників: від його електрохімічної системи, від методів заряду і глибини розряду, від умов експлуатації та процедури обслуговування.
Що таке ефект пам’яті в акумуляторах? У яких акумуляторах проявляється ефект пам’яті?

Багато хто чув про такий параметр акумулятора як Ефект пам’яті. Не варто цей параметр відносити до всіх типів акумуляторів і акумуляторних батарей. Суть Ефекту пам’яті – це оборотна втрата ємності акумулятора, пов’язана з несприятливими умовами експлуатації. Він розвивається внаслідок заряду не повністю розряджених акумуляторів і властивий тільки акумуляторам, побудованим з використанням нікелю. Найсильніше ефект пам’яті проявляється саме в нікель-кадмієвих акумуляторах. Річ у тім, що в акумуляторах на основі нікелю робоча речовина міститься у вигляді дрібних кристалів, забезпечуючи максимальну площу зіткнення з електролітом. З кожним циклом заряду/розряду робоча речовина поступово змінює свою структуру, зменшуючи при цьому площу активної поверхні. Як наслідок, знижується напруга і зменшується ємність. За несприятливих умов експлуатації кристали укрупнюються до розмірів, що в 150 разів перевищують початкові. У деяких випадках гострі грані кристалів проколюють сепаратор, викликаючи високий саморозряд або коротке замикання.

Як боротися з ефектом пам’яті в нікель-кадмієвих акумуляторах.

Для запобігання ефекту пам’яті необхідно проводити “тренування” акумулятора. Тренування – це періодичні (3-4 рази) цикли заряду і подальшого розряду акумулятора до напруги 1V на елемент. Найпростіше тренувати акумулятор у настільних зарядних пристроях, що мають функцію розряду. Проводити тренування Ni-Cd акумуляторів необхідно один раз на місяць. Частіше тренувати акумулятор не рекомендується: корисний ефект незначний, натомість знос акумулятора суттєво зростає. Однак тренувальні цикли допомагають не завжди. Якщо акумулятор запущений, то допомогти йому може тільки метод відновлення, заснований на глибокому розряді (до 0.4V на елемент) за спеціальним алгоритмом.

Тип акумулятора, які типи акумуляторів бувають.

• Тип акумулятора визначається використовуваними матеріалами під час його виготовлення. На даний час відомі такі типи акумуляторів:
• Cn-Po – Графен-полімерний акумулятор.
• La-Ft – лантан-фторидний акумулятор.
• Li-Ion – літій-іонний акумулятор (3,2-4,2 V), загальне позначення для всіх літієвих акумуляторів
• Li-Co – літій-кобальтовий акумулятор, (3,6 V), на базі LiCoO2, технологія в процесі освоєння
• Li-Po – літій-полімерний акумулятор (3,7 V), полімер як електроліт
• Li-Ft – літій-фторний акумулятор
• Li-Mn – літій-марганцевий акумулятор (3,6 V) на базі LiMn2O4
• LiFeS – літій-залізно-сульфідний акумулятор (1,35 V)
• LiFeP або LFP – Літій-залізно-фосфатний акумулятор (3,3 V) на базі LiFePO4
• LiFeYPO4 – літій-залізо-ітрій-фосфатний (Добавка ітрію для поліпшення властивостей)
• Li-Ti – літій-титанатний акумулятор (3,2 V) на базі Li4Ti5О12
• Li-Cl – літій-хлорний акумулятор (3,99 V)
• Li-S – літій-сірчаний акумулятор (2,2 V)
• LMPo – літій-метал-полімерний акумулятор
• Fe-air – залізо-повітряний акумулятор
• Na/NiCl – нікель-сольовий акумулятор (2,58 V)
• Na-S – натрій-сірчаний акумулятор, (2 V), високотемпературний акумулятор
• Ni-Cd – нікель-кадмієвий акумулятор (1,2 V)
• Ni-Fe – залізо-нікелевий акумулятор (1,2-1,9 V)
• Ni-H2 – нікель-водневий акумулятор (1,5 V)
• Ni-MH – нікель-метал-гідридний акумулятор (1,2 V)
• Ni-Zn – нікель-цинковий акумулятор (1,65 V)
• Pb – свинцево-кислотний акумулятор
• Pb-H – свинцево-водневий акумулятор
• Ag-Zn – срібно-цинковий акумулятор (1,85 V)
• Ag-Cd – срібно-кадмієвий акумулятор (1,6 V)
• Zn-Br – цинк-бромний акумулятор (1,8 V)
• Zn-air – цинк-повітряний акумулятор
• Zn-Cl – цинк-хлорний акумулятор
• RAM (Rechargeable Alkaline Manganese) – різновид марганцево-цинкового лужного гальванічного елемента, що перезаряджається (1,5 V)
• Ванадієвий акумулятор (1,41 V)
• Алюмінієво-графітний акумулятор (2 V)
• Алюмінієво-іонний акумулятор (2 V)

Найпоширеніші типи акумуляторів і сфери їх застосування

• Свинцево-кислотні – застосовуються в тролейбусах, трамваях, повітряних суднах, автомобілях, мотоциклах, електронавантажувачах, штабелерах, електротягачах, у системах аварійного електропостачання, джерелах безперебійного живлення (акумулятор для ДБЖ).
• Нікель-кадмієві (Ni-Cd) – застосовуються в будівельних електроінструментах, тролейбусах, повітряних суднах
• Нікель-метал-гідридні (Ni-MH) – в електромобілях
• Літій-іонні (Li ion) – застосовуються в мобільних пристроях, будівельних електроінструментах, в електромобілях
• Літій-полімерні (Li pol) – у мобільних пристроях, електромобілях

Зі споживчого погляду, для довготривалої роботи акумулятора та акумуляторної батареї необхідними умовами є: правильність вибору акумулятора під специфіку його застосування, правильно підібраний зарядний пристрій (під тип акумулятора, струм зарядного пристрою зазвичай обирають 1/10 частину ємності акумулятора), а також зовнішні умови його експлуатації (здебільшого це температура навколишнього середовища).