Аккумуляторы. История, технология, реальность.

Аккумуляторы. История, технология,реальность.

Васильев Владимир Юрьевич
Петров Николай Николаевич,
кандидат технических наук

В статье сделана попытка в сжатом виде изложить информацию об аккумуляторах, используемых в настоящее время в радиотехнической аппаратуре.

Статья носит обзорный характер и предназначена для читателей нашего журнала, работающих с аккумуляторами.

Все использованные материалы приведены с разрешения г-на Isidor Buchmann, основателя и главы Канадской компании Cadex Electronics Inc., in Burnaby (Vancouver) British Columbia, Canada.

Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной техники связи, компьютеров и других портативных приборов, советы по эксплуатации и обслуживанию можно найти на странице:    Аккумуляторы для мобильных устройств и портативных приборов. Оценка состояния.

Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы.

В международной интерпретации принято обозначение в виде SEALED LEAD ACID BATTERY или сокращенно SLA.

Свинцово-кислотный аккумулятор, изобретенный в 1859 году, был первым заряжаемым аккумулятором, предназначенным для использования в коммерческих целях.

Сегодня заливаемые свинцово-кислотные аккумуляторы используются в автомобилях и оборудовании, требующим отдачи большой мощности.

В портативных приборах используются герметичные аккумуляторы или аккумуляторы с регулирующим клапаном, открывающимся при увеличении давления внутри корпуса выше заданного порогового значения.

Существует несколько технологий изготовления SLA-аккумуляторов: Gelled Electrolite (GEL), Absorptive Glass Mat (AGM), а также различные гибридные технологии, использующие один или несколько способов улучшения параметров аккумуляторов.

При изготовлении по GEL-технологии путем добавления в электролит специальных веществ обеспечивается его переход в желеобразное состояние через несколько часов после заполнения аккумулятора.

В толще желеобразного электролита происходит образование пор и раковин, имеющих значительный объем и площадь поверхности, где происходит встреча и рекомбинация молекул кислорода и водорода с образованием воды.

В результате количество электролита остается неизменным и доливка воды не требуется в течение всего срока службы.

При технологии AGM использует пропитанный жидким электролитом пористый заполнитель из стекловолокна. Микропоры этого материала заполнены электролитом не полностью.

Свободный объем используется для рекомбинации газов.

SLA-аккумуляторы обычно используется в случаях, когда требуется отдача большой мощности, вес не критичен, а стоимость должна быть минимальной. Диапазон значений емкости для портативных приборов лежит в диапазоне от 1 до 30 A*час.

Большие SLA-аккумуляторы для стационарных применений имеют емкость от 50 до 200 A*час.

SLA-аккумуляторы не подвержены эффекту памяти”.

Без всякого вреда допускается оставлять аккумулятор в зарядном устройстве на плавающем заряде в течение длительного времени.

Сохранение заряда – лучшее среди заряжаемых аккумуляторов.

Принимая во внимание, что NiCd аккумуляторы саморазряжаются за три месяца на 40 % от запасенной энергии, SLA-аккумуляторы саморазряжаются на то же самое количество за один год.

Эти аккумуляторы недороги, но стоимость их эксплуатации может быть выше, чем у NiCd, если в течение срока эксплуатации требуется большое количество циклов заряд/разряд.

Для SLA-аккумуляторов неприемлем режим быстрого заряда. Типовое время заряда – от 8 до 16 часов.

В отличие от NiCd, SLA-аккумуляторы не любят” глубоких циклов разряда и хранения в разряженном состоянии.

Это приводит к сульфатации пластин аккумулятора, в результате чего их заряд становится трудным, если не невозможным.

Фактически, каждый цикл заряда/разряда отнимает у аккумулятора небольшое количество емкости. Эта потеря очень небольшая, если аккумулятор находится в хорошем состоянии, но становится более ощутима, как только емкость понижается ниже 80 % от номинальной.

Это в различной степени справедливо и для аккумуляторов других электрохимических систем. Чтобы ослабить влияние глубокого разряда, можно использовать SLA-аккумулятор немного большего размера.

В зависимости от глубины разряда и температуры эксплуатации, SLA-аккумулятор обеспечивает от 200 до 500 циклов заряд/разряд. Основная причина относительно небольшого количества циклов – расширение положительных пластин в результате внутренних химических реакций.

Это явление наиболее сильно проявляется при более высоких температурах.

SLA-аккумуляторы обладают относительно низкой плотностью энергии по сравнению с другими аккумуляторами и, вследствие этого, непригодны для компактных устройств.

Это становится особенно критичным при низких температурах, так как способность отдавать ток в нагрузку при низких температурах значительно уменьшается.

Как ни парадоксально, SLA-аккумулятор весьма хорошо заряжается с чередующимися импульсами разряда.

В течение этих импульсов ток разряда может достигать значения более 1C (номинальной емкости).

Из-за высокого содержания свинца, SLA-аккумуляторы при неправильной утилизации экологически вредны.

Никель-кадмиевые аккумуляторы.

В международной интерпретации принято обозначение в виде NICKEL-CADMIUM BATTERY или сокращенно NiCd.

Технология изготовления щелочных никелевых аккумуляторов была впервые предложена в 1899 году.

Используемые в них материалы были в то время дорогими и аккумуляторы применялись только при изготовлении специальной техники.

В 1932 году в пористый пластинчатый никелевый электрод были добавлены активные вещества, а в 1947 году было положено начало исследованиям герметичных NiCd-аккумуляторов, в которых внутренние газы, выделяющиеся во время заряда, рекомбинировались внутри, а не выпускались наружу как в предыдущих вариантах.

Эти усовершенствования привели к современному герметичному NiCd-аккумулятору, который и используется сегодня.

NiCd-аккумулятор – ветеран на рынке мобильных и портативных устройств.

Отлаженная технология и надежная работа обеспечили ему широкое распространение для электропитания переносных радиостанций, медицинского оборудования, профессиональных видеокамер, регистрирующих устройств, мощных ручных инструментов и другой портативной техники и оборудования.

Появление аккумуляторов более новых электрохимических систем хотя и привело к уменьшению использования NiCd-аккумуляторов, однако, выявление недостатков новых видов аккумуляторов привело к возобновлению интереса к NiCd-аккумуляторам.

Их основные достоинства:

• быстрый и простой метод заряда;
• длительный срок службы – свыше тысячи циклов заряда/разряда при соблюдении правил эксплуатации и обслуживания;
• превосходная нагрузочная способность, даже при низких температурах. NiCd-аккумулятор можно перезаряжать при низких температурах;
• простое хранение и транспортировка. NiCd-аккумуляторы принимаются большинством воздушных грузовых компаний;
• легкое восстановление после понижения емкости и длительного хранения;
• низкая чувствительность к неправильным действиям потребителя;
• доступная цена;
• широкий диапазон типоразмеров.

NiCd-аккумулятор подобен сильному и молчаливому работнику, который интенсивно трудится и при этом не доставляет больших хлопот.

Для него предпочтителен быстрый заряд по сравнению с медленным и импульсный заряд по сравнению с зарядом постоянным током.

Улучшение эффективности достигается распределением импульсов разряда между импульсами заряда.

Этот метод заряда, обычно называемый реверсивным, восстанавливает структуру кадмиевых анодов, устраняя тем самым «эффект памяти», и увеличивает эффективность и срок эксплуатации аккумулятора.

Кроме этого, реверсивный заряд позволяет проводить заряд большим током за меньшее время, т.к. помогает рекомбинации газов, выделяющихся во время заряда.

В результате аккумулятор меньше нагревается и более эффективно заряжается по сравнению со стандартным методом заряда постоянным током.

Исследования, проведенные в Германии, показали, что реверсивный заряд добавляет около 15 % к сроку службы NiCd-аккумулятора.

Для NiCd-аккумуляторов вредно нахождение в зарядном устройстве в течение нескольких дней.

Фактически, NiCd аккумуляторы это единственный тип аккумуляторов, который выполняет свои функции лучше всего, если периодически подвергается полному разряду, а если он не производится, то аккумуляторы постепенно теряют эффективность из-за формирования больших кристаллов на пластинах элемента, явления, называемого “эффектом памяти”.

Для всей остальной разновидности аккумуляторов по электрохимической системе предпочтителен неглубокий разряд.

Среди недостатков NiCd-аккумулятора следует отметить:

• наличие “эффекта памяти” и, вследствие этого, необходимость полной периодической разрядки для сохранения эксплуатационных свойств;
• высокий саморазряд (до 10 % в течение первых 24-х часов), поэтому аккумуляторы должны храниться в разряженном состоянии;
• аккумулятор содержит кадмий и требует специальной утилизации. В ряде стран по этой причине в настоящее время он уже запрещен к использованию.

Никель-металлгидридные аккумуляторы.

В международной интерпретации принято обозначение в виде NICKEL METAL-HYDRIDE BATTERY или сокращенно NiMH.

Исследования в области технологии изготовления NiMH-аккумуляторов были начаты в семидесятые годы с целью преодоления недостатков никель-кадмиевых аккумуляторов.

Однако применяемые в то время металлгидридные соединения были нестабильны и требуемые характеристики не были достигнуты.

В результате разработки в области NiMH-аккумуляторов замедлились.

Новые металлгидридные соединения, достаточно устойчивые для применения в аккумуляторах, были разработаны в 1980 году.

Начиная с конца восьмидесятых годов, технология изготовления NiMH-аккумуляторов постоянно совершенствовалась, и плотность запасаемой ими энергии возрастала.

Некоторые отличительные преимущества сегодняшних NiMH-аккумуляторов:

• примерно на 40 – 50 % большая удельная емкость по сравнению со стандартными NiCd-аккумуляторами;
• меньшая склонность к “эффекту памяти”, чем у NiCd. Периодические циклы восстановления должны выполняться реже;
• меньшая токсичность. NiMH-технология считается экологически чистой.

К сожалению, NiMH-аккумуляторы имеют недостатки и по некоторым параметрам проигрывают NiCd:

• число циклов заряд/разряд для NiMH-аккумуляторов примерно равно 500. Предпочтителен скорее поверхностный, чем глубокий разряд. Долговечность аккумуляторов непосредственно связана с глубиной разряда;
• NiMH-аккумулятор по сравнению с NiCd выделяет значительно большее количество тепла во время заряда и требует более сложного алгоритма для обнаружения момента полного заряда, если не используется контроль по температуре. Большинство NiMH-аккумуляторов оборудовано внутренним температурным датчиком для получения дополнительного критерия обнаружения полного заряда. NiMH-аккумулятор не может заряжаться так быстро, как NiCd; время заряда обычно вдвое больше, чем у NiCd. Плавающий заряд должен быть более контролируемым, чем для NiCd-аккумуляторов;
• рекомендуемый ток разряда для NiMH-аккумуляторов – от 0.2C до 0.5C – значительно меньше, чем для NiCd. Этот недостаток не критичен, если требуемый ток нагрузки низок. Для применений, требующих высокого тока нагрузки или имеющих импульсную нагрузку, типа переносных радиостанций и мощных ручных инструментов, рекомендуются NiCd-аккумуляторы;
• саморазряд NiMH-аккумуляторов – в 1.5-2 раза выше, чем у NiCd;
• цена NiMH-аккумуляторов примерно на 30 % выше, чем NiCd. Однако это не главная проблема, если пользователю требуется большая емкость и небольшие габариты.

Технология изготовления никель-металлгидридных аккумуляторов постоянно совершенствуется.

Так, например, фирма GP Batteries International Limited   изготавливает NiMH-аккумуляторы для сотовых телефонов фирмы Motorola со следующими характеристиками: количество циклов заряда/разряда – 1000, отсутствие “эффекта памяти” и необходимости разряда аккумулятора перед зарядом.

Литий-ионные аккумуляторы.

В международной интерпретации принято обозначение в виде LITHIUM ION BATTERY или сокращенно Li-ion.

Литий является самым легким металлом и обладает сильно отрицательным электрохимическим потенциалом.

Благодаря этому литий характеризуется наибольшей теоретической удельной электрической энергией.

Первые работы по литиевым аккумуляторам относятся к 1912 году. Однако только в 1970 году впервые были изготовлены коммерческие экземпляры литиевых источников тока.

Попытки разработать перезаряжаемые литиевые источники тока предпринимались в 80-е годы, но были неудачными из-за невозможности обеспечения приемлемого уровня безопасности при их эксплуатации.

В результате исследований, проведенных в 80-х годах, было установлено, что в ходе циклирования источника тока с металлическим литиевым электродом возможно возникновение короткого замыкания внутри литиевого источника тока.

При этом температура внутри аккумулятора может достигать температуры плавления лития. В результате бурного химического взаимодействия лития с электролитом происходит взрыв.

Поэтому, например, большое количество литиевых аккумуляторов, поставленных в Японию в 1991г., было возвращено производителям после того, как в результате взрывов элементов питания сотовых телефонов от ожогов пострадали несколько человек.

В процессе создания безопасного источника тока на основе лития, исследования привели к замене в аккумуляторе неустойчивого при циклировании металлического лития на его соединения с другими веществами.

Эти электродные материалы обладают в несколько раз меньшей по сравнению с литием удельной электрической энергией, однако, аккумуляторы на их основе являются достаточно безопасными при условии соблюдения некоторых мер предосторожности в ходе заряда/разряда.

В 1991 году, фирма Sony начала коммерческое производство литий-ионных аккумуляторов и в настоящее время она является одним из самых крупных поставщиков.

Для обеспечения безопасности и долговечности, каждый аккумулятор должен быть оборудован электрической схемой управления для того, чтобы ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время заряда и предотвратить понижение напряжения элемента при разряде ниже допустимого уровня.

Кроме того, должен быть ограничен максимальный ток заряда и разряда и должна контролироваться температура элемента.

При соблюдении этих предосторожностей возможность образования металлического лития на поверхности электродов в ходе эксплуатации (что наиболее часто приводит к нежелательным последствиям) практически устранена.

По материалу отрицательного электрода литий-ионные аккумуляторы можно разделить на два основных типа: с отрицательным электродом на основе кокса (фирма Sony) и на основе графита (большинство других изготовителей).

Источники тока с отрицательным электродом на основе графита имеют более плавную разрядную кривую с резким падением напряжения в конце разряда, по сравнению с более пологой разрядной кривой аккумулятора с коксовым электродом.

Поэтому, в целях получения максимально возможной емкости, конечное напряжение разряда аккумуляторов с отрицательным коксовым электродом обычно устанавливают ниже (до 2.5 V), по сравнению с аккумуляторами с графитовым электродом (до 3.0 V).

Кроме того, аккумуляторы с отрицательным графитовым электродом способны обеспечить более высокий ток нагрузки и меньший нагрев во время заряда и разряда, чем аккумуляторы с отрицательным коксовым электродом.

Напряжение окончания разряда 3.0 V для аккумуляторов с отрицательным графитовым электродом является его основным преимуществом, так как полезная энергия в этом случае сконцентрирована внутри плотного верхнего диапазона напряжения, упрощая тем самым проектирование портативных устройств.

Производители непрерывно совершенствуют технологию Li-ion аккумуляторов.

Идет постоянный поиск и совершенствование материалов электродов и состава электролита.

Параллельно предпринимаются меры для повышения безопасности Li-ion аккумуляторов, как на уровне отдельных источников тока, так и на уровне управляющих электрических схем.

Поскольку эти аккумуляторы обладают очень высокой удельной энергией, то необходимо соблюдать осторожность при обращении с ними и тестировании: не допускать короткого замыкания аккумулятора, перезаряда, разрушения, разборки, подключения в обратной полярности, не подвергать их воздействию высоких температур.

Нарушение этих правил может привести к физическому и материальному ущербу.

Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее перспективными аккумуляторами в настоящее время и начинают широко применяться в портативных компьютерах и мобильных устройствах связи.

Это обусловлено:

• высокой плотностью электрической энергии, по крайней мере, вдвое большей, чем у NiCd того же размера, а значит и вдвое меньшими габаритами при той же самой емкости;
• большим числом циклов заряд/разряд (от 500 до 1000);
• хорошей работой на больших токах нагрузки, что необходимо, например, при использовании данных аккумуляторов в сотовых телефонах и портативных компьютерах;
• достаточно низким саморазрядом (2-5% в месяц плюс примерно 3 % на питание встроенной электронной схемы защиты);
• отсутствием каких-либо требований к обслуживанию, за исключением необходимости предварительного заряда перед длительным хранением;
• позволяют проводить заряд при любой степени разряда аккумулятора.

Но и здесь примешивается «ложка дегтя»: для аккумуляторов некоторых производителей гарантируется работа только при положительных температурах, высокая цена (примерно вдвое превышающая цену NiCd-аккумуляторов) и подверженность процессу старения, даже в случае, если аккумулятор не используется. Ухудшение параметров наблюдается примерно после одного года с момента изготовления.

После двух лет службы аккумулятор часто становится неисправным.

Поэтому не рекомендуется хранить Li-ion аккумуляторы в течение длительного времени. Максимально используйте их, пока они новые.

Кроме этого, Li-ion-аккумуляторы должны храниться в заряженном состоянии. При длительном хранении в глубоко разряженном состоянии они выходят из строя.

Li-ion-аккумуляторы сегодня являются наиболее дорогими.

Совершенствование технологии их производства и замена оксида кобальта на менее дорогой материалом может привести к уменьшению их стоимости до 50 % в течение ближайших нескольких лет.

Литий-полимерные аккумуляторы.

В международной интерпретации принято обозначение в виде LITHIUM POLIMER BATTERY или сокращенно Li-Pol.

Литий-полимерные аккумуляторы последняя новинка в литиевой технологии.

Имея примерно такую же плотность энергии, что и Li-ion-аккумуляторы, литий-полимерные допускают изготовление в различных пластичных геометрических формах, нетрадиционных для обычных аккумуляторов, в том числе достаточно тонких по толщине, и способных заполнять любое свободное место в разрабатываемой аппаратуре.

Этот аккумулятор, называемый также «пластиковым», конструктивно подобен Li-ion, но имеет гелевый электролит.

В результате становится возможной упрощение конструкции элемента, поскольку любая утечка электролита невозможна.

Li-pol-аккумуляторы начинают применяться в портативных компьютерах и сотовых телефонах.

Например, сотовые телефоны Panasonic GD90 и Ericsson T28s (стандарт GSM 900/1800), укомплектованы литий-полимерными аккумуляторами толщиной всего 3 мм и имеют емкость, достаточную для работы в течение 3-х часов в режиме разговора и до 90 часов в режиме ожидания.

Топливные элементы.

Компания Motorola в настоящее время ведет разработку миниатюрного топливного элемента, который можно будет использовать в качестве батареи питания для малогабаритных компьютеров, сотовых телефонов и других электронных устройств.

По заявлению компании эта технология позволит в 10 раз увеличить срок службы батарей питания.

Над этим проектом Motorola работает вместе со специалистами Лос-Аламосской Национальной Лаборатории. По сообщению разработчиков в продаже такие топливные элементы появятся через 3 года.

Пока имеется только прототип топливного элемента.

Его площадь составляет 6,45 кв. см, а толщина – около 2,5 мм.

В нем используется жидкий метиловый спирт, который при химической реакции с кислородом дает электрический ток.

По замыслу разработчиков, топливные элементы смогут обеспечивать питание сотовых телефонов более месяца, а весить они будут намного меньше обычных батареек.

Не все изготовители аккумуляторов доводят до потребителей необходимые сведения о характеристиках своей продукции.

Приятным исключением в этом плане является фирма Panasonic.

На её сайте приведены подробнейшие сведения о производимых ею NiCd-, NiMH- и Li-ion-аккумуляторах: внешний вид; внутреннее устройство; электрохимические реакции, происходящие внутри аккумулятора; особенности; основные характеристики: зарядные, разрядные, число циклов заряда/разряда, хранение (саморазряд), безопасность, а также различного рода рекомендации.

Ниже с разрешения компании LANDATA  приведена таблица сравнительных характеристик наиболее распространенных типов аккумуляторов.

Примечания:

1. При условии правильного и регулярного обслуживания число рабочих циклов заряд /может достигать 4000 против 1500 циклов гарантируемых производителем. Без проведения тренировочных циклов число рабочих циклов может уменьшиться в три раза.
2. Число рабочих циклов зависит от глубины разряда. Малая глубина разряда обеспечит больше циклов.
3. Саморазряд практически прекращается после первых 24 часов после полной зарядки аккумулятора. Саморазряд NiCd аккумуляторов составляет 10% в течение первых 24 часов, затем снижается до 10% в месяц. Саморазряд увеличивается при увеличении температуры.
4. Встроенная схема защиты потребляет около 3% в месяц.
5. 1.25 – значение напряжения одного элемента , 1.2 – часто встречается в литературе и описаниях. Оба значения относятся к одному типу элемента .
6. 2.5-3.0 в зависимости от материала положительного электрода.
7. Допускается кратковременный ток нагрузки до 1С.
8. Относится только к разряду; диапазон температур заряда более ограничен.
9. Значение стоимости приведено на момент создания таблицы.