Оглавление
Введение
Аккумуляторами называют химические
источники тока, в которых в последствии
обратимых химических реакций внутренняя
энергия превращается в электрическую.
Именно из-за обратимости данной реакции,
аккумуляторы можно заряжать и разряжать.
Аккумуляторы созданы для накопления
электрического тока и нашли широкое применение
в самых разных областях. Без них трудно
представить нашу жизнь, они везде окружают
нас. Аккумуляторы предназначены для многократного
использования и имеют достаточно большой
срок службы. Простейший аккумулятор -
это два электрода, которые сделаны из
разных металлов и поглощены в раствор
электролита (кислоты). Один из электродов
называют катодом, а другой анодом.
Применение аккумуляторов в
какой-либо области зависит не только
от их видов, но и от емкости устройств.
И у обычной батарейки, и у автоаккумулятора
этот основной параметр рассчитывается
в одинаковых единицах, ампер-часах. Так,
емкость 800 мА*ч означает, что данная батарея
за час отдает 800 мА электроэнергии. Еще
один немаловажный параметр аккумуляторной
батареи – число циклов перезарядки. Чем
больше это число, тем дольше
прослужит устройство.
Кроме внутренних компонентов,
все электронакопители различаются по
области применения. К бытовым элементам
относятся батарейки различных типов
и ультратонкие аккумуляторные батареи
ноутбуков и планшетов. Промышленные аккумуляторы,
как правило, являются вторичными источниками
электроэнергии и используются как замена
стационарной электросети. Обычно подобные
аккумуляторы состоят из нескольких пар
последовательно соединенных электролитов.
К этому типу относятся как автомобильные
батареи, так и мощные устройства, «выпрямляющие»
электроток. Все промышленные энергонакопители
распределяются по четырем категориям.
Статерные батареи используются для запуска
транспортных двигателей, стационарные
поддерживают электропитание выпрямительных
устройств, тяговые обеспечивают энергией
электрокары, портативные «питают» измерительную
аппаратуру. Применение аккумуляторов
промышленного типа, как правило, осуществляется
на заводах и других промышленных предприятиях.
Мощные батареи обеспечивают электроэнергией
станки, автопогрузчики и прочую крупную
технику. Производство аккумуляторов
постоянно развивается. Изобретаются
новые виды миниатюрных, емких батарей,
не наносящих вреда окружающей среде.
Применение аккумуляторов с новыми технологиями
делает современную
жизнь комфортнее и мобильнее.
В практике чаще
всего применяют свинцовые и
литиевые аккумуляторы. Свинцовый
аккумулятор выполнен из двух
свинцовых пластинок которые поглощены
в серную кислоту. Аккумулятор имеют разное
напряжение, например один блок (банка)
свинцового аккумулятора дает напряжение
2 вольта, один блок литий-ионного аккумулятора
- 3,7 вольт, щёлочный - 1,2 вольт. Создателем первого
аккумулятора считают Алессандро Вольту
(от его фамилии образовалось значение
величины напряжения - вольт). Вольтов
столб имел простую конструкцию - медные
и циньковые кружки, а между ними кусок
ватты смоченный в растворе воды и поваренной
соли. Сегодня существует огромное количество
разновидностей аккумуляторов тока.
В последние годы было изобретено
еще два вида аккумуляторных батарей.
В литиево-полимерном элементе вместо
жидкого электролита используется полимерная
пленка. Как правило, подобные батареи
отличаются высокой плотностью заряда
и очень небольшими размерами. Благодаря
этим качествам подобные батареи используются
в малогабаритных устройствах, например,
в телефонах. Вторым новым видом стали
аккумуляторы гелевые. Роль электролита
в них играет силикагель. Эта желеобразная,
чуть подсушенная прослойка между электролитами
пронизана сотнями микроскопичесих трещин.
Вещества, испаряемые электролитами, впитываются
в гель и превращаются в жидкость. Таким
образом, большая часть вредных
испарений остается внутри аккумулятора.
Характеристики
аккумуляторов
Среднее разрядное напряжение
аккумуляторов находится в широком диапазоне
от 1,25В у никель-кадмиевых аккумуляторов
до 3,5В у литиевых аккумуляторов. С повышением
скорости разряда емкость аккумуляторов
уменьшается, причем в минимальной степени
у Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов.
Емкость также снижается при
понижении температуры. Наибольшее снижение
емкости при низких температурах наблюдается
у никель-железных аккумуляторов и минимальное
снижение - у никель-кадмиевых со спеченными
электродами и у свинцовых аккумуляторов.
Высокую удельную мощность
можно получить от никель-кадмиевых
аккумуляторов, свинцовых (стартерных
и герметизированных), никель-цинковых
и серебряно-цинковых аккумуляторов.
Невысокую удельную мощность
имеют никель-железные аккумуляторы.
Удельная массовая энергия
минимальна у свинцовых аккумуляторов
и максимальна у литиевых аккумуляторов.
Наибольшую наработку имеют никель-водородные
аккумуляторы, низким ресурсом характеризуются
серебряно-цинковые и никель-цинковые
аккумуляторы.
Следует отметить, что
по мере циклирования уменьшаются
емкость, напряжение и соответственно
удельная энергия аккумуляторов, причем
скорости понижения удельной энергии
у разных аккумуляторов существенно различаются.
В наименьшей степени снижаются емкость
и энергия при циклировании Ni-Cd аккумуляторов.
Наработка зависит от многих
причин и прежде всего от глубины разряда. Наиболее
высокая скорость саморазряда отмечается
у никель-водородных и никель-железных
аккумуляторов, наименьшая - у серебряно-кадмиевых
и серебряно-цинковых аккумуляторов. К
наиболее дешевым принадлежат свинцовые
аккумуляторы, к наиболее дорогим - никель-водородные,
серебряно-кадмиевые и серебряно-цинковые
аккумуляторы.
Влияние тока разряда на емкость отдаваемую
аккумулятором:
1-никель-кадмиевые аккумуляторы со спеченным
электродом и никель-металлгидридные
аккумуляторы, 2-серебрянно-цинковые аккумуляторы,
3- никель-кадмиевые аккумуляторы с ламельным
электродом, 4-никель-цинковые аккумуляторы,
5-литий-инные аккумуляторы, 6-свинцовые
аккумуляторы, 7-никель-железные аккумуляторы.
Различные
виды аккумуляторов:
Железно-воздушный
аккумулятор
Железно-никелевый
аккумулятор
Лантано-фторидный
аккумулятор
Литиево-железно-сульфидный
аккумулятор
Литиево-железно-фосфатный
аккумулятор
Литиево-ионный аккумулятор
Литиево-полимерный
аккумулятор
Литиево-фторный
аккумулятор
Литиево-хлорный
аккумулятор
Литиево-серный аккумулятор
Натриево-никелево-хлоридный
аккумулятор
Натриево-серный
аккумулятор
Никелево-кадмиевый
аккумулятор
Никелево-металлогидридный
аккумулятор
Никелево-цинковый
аккумулятор
Свинцово-водородный
аккумулятор
Свинцово-кислотный
аккумулятор
Серебряно-кадмиевый
аккумулятор
Серебряно-цинковый
аккумулятор
Цинково-бромный
аккумулятор
Цинково-воздушный
аккумулятор
Цинково-хлорный
аккумулятор
Никель-водородный
аккумулятор
Виды аккумуляторов
и их применение
- Свинцовые аккумуляторы
(Pb).
Данный тип аккумуляторов, изобретен
в 1859 году французским физиком Гастоном
Планте. Основные области применения: стартерные батареи
в автомобильном транспорте, аварийные
источники электроэнергии.
Свинцовые аккумуляторы являются
наиболее распространенными среди всех
существующих в настоящее время химических
источников тока. Их масштабное производство
определяется как относительно низкой
ценой, обусловленной сравнительной не
дефицитностью исходных материалов, так
и разработкой разных вариантов этих аккумуляторов,
отвечающих требованиям широкого круга
потребителей.
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 аккумуляторов,
широкий интервал рабочих температур.
Недостатками кислотных аккумуляторов
являются невозможность хранения в разряженном
состоянии, трудность изготовления аккумуляторов
малых размеров.
Принцип работы свинцово-кислотных
аккумуляторов основан на электрохимических
реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной
среде. Во время разряда происходит восстановление
диоксида свинца на катоде и окисление
свинца на аноде. При заряде протекают
обратные реакции, к которым в конце заряда
добавляется реакция электролиза воды,
сопровождающаяся выделением кислорода на
положительном электроде и водорода —
на отрицательном.
При эксплуатации «обслуживаемых»
аккумуляторов (с открываемыми крышками
над банками) на автомобиле при движении
по неровностям неизбежно происходит
просачивание проводящего электролита
на корпус аккумулятора. Во избежание
сильного саморазряда необходимо периодически
нейтрализовывать электролит протиранием
корпуса, например слабым раствором пищевой соды. Кроме того, особенно
в жаркую погоду, происходит испарение
воды из электролита, что увеличивает
его плотность и может оголить свинцовые
пластины. Поэтому необходимо следить
за уровнем электролита и своевременно
доливать дистиллированную воду.
Щелочные аккумуляторы - аккумуляторы,
в которых в качестве электролита используют
раствор щелочи в воде.
Главная особенность щелочных
аккумуляторных батарей - способность
постепенно отдавать накопленный заряд
за достаточно длительный промежуток
времени. Это свойство способствует обеспечению
бесперебойного питания огромному количеству
различных устройств.
Применяются данные аккумуляторы
в качестве:
- основных источников
электроэнергии на электрокарах
и в мобильных устройствах (фотоаппараты,
видеокамеры, телефоны, карманные и
переносные фонари и т.д.);
- дополнительных источников
энергии в трамваях и троллейбусах,
тепловозах и электровозах;
- источников энергии для
питания аварийных устройств, таких
как аварийное освещение, охранно-пожарные
сигнализации, источники бесперебойного
питания персональных компьютеров
и т. п.
Сегодня щелочные аккумуляторы
применяются только на машинах, работа
которых осуществляется в тяжелых условиях
эксплуатации, или там, где необходима
долговечность и надежность (строительная
и сельскохозяйственная техника).
Наиболее распространены никель-железные
и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы.
Их широко применяют на тепловозах и пассажирских
вагонах.
- Никель-кадмиевые аккумуляторы
(Ni-Cd).
Данный тип аккумулятора выпускается
в разных странах мира примерно с 1950 года.
На сегодняшний день более 50% всех аккумуляторов
для портативного оборудования являются
никелево-кадмиевыми.
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.
- 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.