Аккумуляторная батарея , аккумуляторная батарея или вторичный элемент (формально тип аккумулятора энергии ) — это тип электрической батареи , которую можно заряжать, разряжать в нагрузку и перезаряжать много раз, в отличие от одноразовой или первичной батареи , которая поставляется полностью заряженным и выбрасывается после использования. Он состоит из одной или нескольких электрохимических ячеек . Термин «аккумулятор» используется, поскольку он накапливает и сохраняет энергию посредством обратимой электрохимической реакции . Аккумуляторные батареи производятся самых разных форм и размеров: от таблеточных элементов до мегаваттных систем, подключаемых для стабилизации распределительной электрической сети . Используются несколько различных комбинаций электродных материалов и электролитов , в том числе свинцово-кислотные , цинк-воздух , никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлогидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion), литий-железофосфатные (LiFePO4). и литий-ионный полимер (литий-ионный полимер).
Аккумуляторные батареи обычно изначально стоят дороже, чем одноразовые, но имеют гораздо меньшую совокупную стоимость владения и воздействие на окружающую среду , поскольку их можно недорого перезаряжать много раз, прежде чем потребуется замена. Некоторые типы перезаряжаемых батарей доступны в тех же размерах и напряжении, что и одноразовые типы, и могут использоваться как взаимозаменяемые. Во всем мире инвестируются миллиарды долларов в исследования по улучшению аккумуляторов, поскольку промышленность сосредоточена на создании более совершенных аккумуляторов. [1] [2] [3]
К устройствам, в которых используются аккумуляторные батареи, относятся автомобильные стартеры , портативные бытовые устройства, легкие транспортные средства (такие как моторизованные инвалидные коляски , тележки для гольфа , электрические велосипеды и электрические вилочные погрузчики ), дорожные транспортные средства (легковые автомобили, фургоны, грузовики, мотоциклы), поезда, небольшие самолеты, инструменты. , источники бесперебойного питания и аккумуляторные электростанции . Новые применения в гибридных автомобилях с аккумуляторами внутреннего сгорания и электромобилях позволяют этой технологии снизить стоимость, вес и размер, а также увеличить срок службы. [4]
Старые аккумуляторные батареи разряжаются относительно быстро и требуют зарядки перед первым использованием; некоторые новые NiMH аккумуляторы с низким саморазрядом сохраняют заряд в течение многих месяцев и обычно продаются заряженными на заводе примерно до 70% от номинальной емкости.
Аккумулирующие электростанции используют перезаряжаемые батареи для выравнивания нагрузки (сохранения электроэнергии в периоды низкого спроса для использования в периоды пиковой нагрузки) и для использования возобновляемых источников энергии (например, хранения энергии, вырабатываемой фотоэлектрическими батареями в течение дня, для использования ночью). Выравнивание нагрузки снижает максимальную мощность, которую должна вырабатывать станция, снижая капитальные затраты и потребность в пиковых электростанциях .
Согласно отчету Research and Markets, аналитики прогнозируют, что мировой рынок аккумуляторных батарей будет расти в среднем на 8,32% в период 2018–2022 годов. [5]
Маленькие перезаряжаемые батареи могут питать портативные электронные устройства , электроинструменты, бытовую технику и так далее. Мощные аккумуляторы питают электромобили — от скутеров до локомотивов и кораблей . Они используются в распределенной выработке электроэнергии и в автономных энергосистемах .
Во время зарядки положительный активный материал окисляется , производя электроны , а отрицательный материал восстанавливается , потребляя электроны. Эти электроны составляют ток во внешней цепи . Электролит может служить простым буфером для внутреннего потока ионов между электродами , как в литий-ионных и никель-кадмиевых элементах , или быть активным участником электрохимической реакции , как в свинцово-кислотных элементах.
Энергия, используемая для зарядки аккумуляторных батарей, обычно поступает от зарядного устройства, работающего от сети переменного тока , хотя некоторые из них оборудованы для использования 12-вольтовой розетки постоянного тока автомобиля. Напряжение источника должно быть выше, чем напряжение батареи, чтобы заставить ток течь в него, но не слишком выше, иначе батарея может быть повреждена.
Зарядным устройствам требуется от нескольких минут до нескольких часов, чтобы зарядить аккумулятор. Медленные «тупые» зарядные устройства без возможности измерения напряжения или температуры будут заряжаться с низкой скоростью, обычно для полной зарядки требуется 14 часов или более. Быстрые зарядные устройства обычно могут заряжать аккумуляторы за два-пять часов, в зависимости от модели, причем самое быстрое из них занимает всего пятнадцать минут. Быстрые зарядные устройства должны иметь несколько способов определения момента достижения полного заряда элемента (изменение напряжения на клеммах, температуры и т. д.), чтобы остановить зарядку до того, как произойдет опасная перезарядка или перегрев. Самые быстрые зарядные устройства часто включают в себя охлаждающие вентиляторы, предотвращающие перегрев аккумуляторов. Аккумуляторные блоки, предназначенные для быстрой зарядки, могут включать датчик температуры, который зарядное устройство использует для защиты аккумулятора; датчик будет иметь один или несколько дополнительных электрических контактов.
Батареи разного химического состава требуют разных схем зарядки. Например, некоторые типы батарей можно безопасно заряжать от источника постоянного напряжения. Другие типы необходимо заряжать с помощью регулируемого источника тока, который сужается по мере того, как батарея достигает полностью заряженного напряжения. Неправильная зарядка аккумулятора может привести к его повреждению; в крайних случаях батареи могут перегреться, загореться или вызвать взрывную утечку своего содержимого.
Скорость зарядки и разрядки аккумулятора часто обсуждается со ссылкой на скорость тока «C». Скорость C — это скорость, при которой теоретически можно полностью зарядить или разрядить батарею за один час. Например, минимальная зарядка может осуществляться со скоростью C/20 (или «20-часовой» скоростью), тогда как типичная зарядка и разрядка может происходить со скоростью C/2 (два часа для полной емкости). Доступная емкость электрохимических ячеек варьируется в зависимости от скорости разряда. Некоторая энергия теряется на внутреннее сопротивление компонентов элемента (пластины, электролит, соединения), а скорость разряда ограничивается скоростью, с которой химические вещества в ячейке могут перемещаться. Для свинцово-кислотных элементов взаимосвязь между временем и скоростью разряда описывается законом Пейкерта ; свинцово-кислотный элемент, который больше не может поддерживать полезное напряжение на клеммах при высоком токе, может все еще иметь полезную емкость, если разряжается с гораздо меньшей скоростью. В технических характеристиках аккумуляторных элементов часто указывается емкость разряда за 8, 20 часов или другое установленное время; элементы для систем бесперебойного питания могут быть рассчитаны на 15-минутный разряд.
Напряжение на клеммах аккумулятора не является постоянным во время зарядки и разрядки. Некоторые типы имеют относительно постоянное напряжение во время разряда на большей части своей емкости. Неперезаряжаемые щелочные и угольно-цинковые элементы питания выдают напряжение 1,5 В, когда они новые, но это напряжение падает по мере использования. Большинство NiMH элементов AA и AAA рассчитаны на напряжение 1,2 В, но имеют более пологую кривую разряда, чем щелочные, и обычно могут использоваться в оборудовании, предназначенном для использования щелочных батарей .
В технических примечаниях производителей аккумуляторов часто упоминается напряжение на ячейку (VPC) для отдельных ячеек, составляющих батарею. Например, для зарядки свинцово-кислотной батареи напряжением 12 В (содержащей 6 ячеек по 2 В каждая) напряжением 2,3 В на клеммах батареи требуется напряжение 13,8 В.
Воздействие на разряженный элемент тока в направлении, которое имеет тенденцию разряжать его дальше до такой степени, что положительная и отрицательная клеммы меняют полярность, вызывает состояние, называемоереверс клеток . Как правило, пропускание тока через разряженный элемент таким образом вызывает нежелательные и необратимые химические реакции, приводящие к необратимому повреждению элемента. Реверсирование клеток может произойти при ряде обстоятельств, наиболее распространенными из которых являются:
В последнем случае проблема возникает из-за того, что разные элементы батареи имеют немного разную емкость. Когда одна ячейка достигает уровня разряда раньше остальных, остальные ячейки будут пропускать ток через разряженную ячейку.
Многие устройства с батарейным питанием имеют функцию отключения при низком напряжении, которая предотвращает возникновение глубоких разрядов, которые могут привести к перевороту элементов. Умная батарея имеет встроенную схему контроля напряжения.
Переворот элемента может произойти со слабо заряженным элементом еще до его полного разряда. Если ток стока батареи достаточно высок, внутреннее сопротивление элемента может создать резистивное падение напряжения, превышающее прямую ЭДС элемента . Это приводит к изменению полярности ячейки во время прохождения тока. [6] [7] Чем выше требуемая скорость разряда аккумулятора, тем лучше должны быть согласованы элементы, как по типу элемента, так и по состоянию заряда, чтобы уменьшить вероятность перепутания элементов.
В некоторых ситуациях, например, при ремонте NiCd-батарей, которые ранее были перезаряжены, [8] может оказаться желательным полностью разрядить батарею. Чтобы избежать повреждения от эффекта реверса ячейки, необходимо иметь доступ к каждой ячейке отдельно: каждая ячейка разряжается индивидуально путем подключения нагрузочного зажима к клеммам каждой ячейки, тем самым избегая реверса ячейки.
Если многоячеечная батарея полностью разряжена, она часто будет повреждена из-за упомянутого выше эффекта перестановки ячеек. Однако можно полностью разрядить батарею, не вызывая перестановки ячеек - либо путем разрядки каждой ячейки по отдельности, либо за счет внутренней утечки каждой ячейки, которая со временем рассеет ее заряд.
Однако даже если элемент переводится в полностью разряженное состояние без реверсирования, со временем может произойти повреждение просто из-за того, что он остается в разряженном состоянии. Примером этого является сульфатация, возникающая в свинцово-кислотных аккумуляторах , которые долгое время остаются на полке. По этой причине часто рекомендуется заряжать батарею, предназначенную для хранения, и поддерживать уровень ее заряда путем периодической подзарядки. Поскольку повреждение может произойти и в случае перезарядки аккумулятора, оптимальный уровень заряда во время хранения обычно составляет от 30% до 70%.
Глубина разряда (DOD) обычно указывается в процентах от номинальной емкости в ампер-часах; 0% DOD означает отсутствие разряда. Поскольку полезная емкость аккумуляторной системы зависит от скорости разряда и допустимого напряжения в конце разряда, необходимо определить глубину разряда, чтобы показать способ ее измерения. Из-за изменений в процессе производства и старения DOD для полной разрядки может меняться со временем или количеством циклов зарядки . Как правило, система перезаряжаемых аккумуляторов выдерживает большее количество циклов зарядки/разрядки, если DOD ниже в каждом цикле. [9] Литиевые батареи могут разряжаться примерно на 80–90 % от номинальной емкости. Свинцово-кислотные аккумуляторы могут разряжаться примерно на 50–60%. При этом проточные аккумуляторы могут разряжаться на 100%. [10]
Если батареи используются неоднократно, даже без неправильного обращения, они теряют емкость по мере увеличения количества циклов зарядки, пока в конечном итоге не будет считаться, что срок их полезного использования истек. Различные аккумуляторные системы имеют разные механизмы износа. Например, в свинцово-кислотных батареях не весь активный материал восстанавливается на пластинах при каждом цикле зарядки/разрядки; в конечном итоге теряется достаточно материала, и емкость аккумулятора снижается. В литий-ионных типах, особенно при глубокой разрядке, при зарядке может образоваться некоторое количество реактивного металлического лития, который больше не может участвовать в следующем цикле разряда. Герметичные аккумуляторы могут терять влагу из жидкого электролита, особенно при перезарядке или эксплуатации при высокой температуре. Это сокращает срок службы велосипеда.
Время перезарядки является важным параметром для пользователя изделия, работающего от аккумуляторных батарей. Даже если источник питания для зарядки обеспечивает достаточную мощность для работы устройства, а также для подзарядки аккумулятора, во время зарядки устройство подключается к внешнему источнику питания. Для электромобилей, используемых в промышленности, зарядка в нерабочее время может быть приемлемой. Для шоссейных электромобилей необходима быстрая зарядка, чтобы зарядиться в разумные сроки.
Аккумуляторную батарею нельзя заряжать с произвольно высокой скоростью. Внутреннее сопротивление батареи будет выделять тепло, а чрезмерное повышение температуры повредит или уничтожит батарею. Для некоторых типов максимальная скорость зарядки будет ограничена скоростью, с которой активный материал может диффундировать через жидкий электролит. Высокая скорость зарядки может привести к образованию избыточного газа в аккумуляторе или к разрушительным побочным реакциям, которые необратимо снижают емкость аккумулятора. Грубо говоря, со многими исключениями и оговорками, восстановление полной емкости аккумулятора за один час или меньше считается быстрой зарядкой. Система зарядного устройства аккумулятора будет включать более сложные схемы управления и стратегии зарядки для быстрой зарядки, чем зарядное устройство, предназначенное для более медленной подзарядки.
Активными компонентами вторичного элемента являются химические вещества, составляющие положительные и отрицательные активные материалы, а также электролит . Положительные и отрицательные электроды изготовлены из разных материалов: положительный имеет восстановительный потенциал, а отрицательный — окислительный . Сумма потенциалов этих полуреакций представляет собой стандартный потенциал ячейки или напряжение .
В первичных элементах положительные и отрицательные электроды называются катодом и анодом соответственно. Хотя это соглашение иногда применяется к перезаряжаемым системам, особенно к литий-ионным элементам, поскольку они созданы из первичных литиевых элементов, такая практика может привести к путанице. В перезаряжаемых элементах положительный электрод является катодом при разряде и анодом при заряде, и наоборот для отрицательного электрода.
Свинцово -кислотная батарея , изобретенная в 1859 году французским физиком Гастоном Планте , является старейшим типом перезаряжаемой батареи. Несмотря на очень низкое соотношение энергии к весу и низкое соотношение энергии к объему, его способность выдерживать высокие импульсные токи означает, что элементы имеют относительно большое соотношение мощности к весу . Эти особенности, наряду с низкой стоимостью, делают его привлекательным для использования в автомобилях для обеспечения высокого тока, необходимого для автомобильных стартеров .
Никель -кадмиевая батарея (NiCd) была изобретена Вальдемаром Юнгнером из Швеции в 1899 году. В качестве электродов в ней используются гидроксид оксида никеля и металлический кадмий . Кадмий является токсичным элементом и был запрещен для большинства видов использования в Европейском Союзе в 2004 году. Никель-кадмиевые батареи были почти полностью вытеснены никель-металлогидридными (NiMH) батареями.
Никель -железная батарея (NiFe) также была разработана Вальдемаром Юнгнером в 1899 году; и коммерциализирован Томасом Эдисоном в 1901 году в США для электромобилей и железнодорожной сигнализации . В его состав входят только нетоксичные элементы, в отличие от многих видов аккумуляторов, содержащих токсичную ртуть, кадмий или свинец.
Никель -металлогидридные батареи (NiMH) стали доступны в 1989 году. [11] Сейчас они являются распространенным потребительским и промышленным типом. В качестве отрицательного электрода вместо кадмия используется сплав , поглощающий водород .
Литий -ионный аккумулятор был представлен на рынке в 1991 году и является выбором для большинства бытовой электроники, поскольку имеет лучшую плотность энергии и очень медленную потерю заряда , когда он не используется. У него есть и недостатки, в частности, риск неожиданного возгорания из-за тепла, выделяемого аккумулятором. [12] Такие инциденты редки, и, по мнению экспертов, их можно свести к минимуму «за счет соответствующего проектирования, установки, процедур и уровней защиты», чтобы риск был приемлемым. [13]
Литий-ионные полимерные батареи (LiPo) имеют небольшой вес, обеспечивают немного более высокую плотность энергии, чем литий-ионные, но имеют немного более высокую стоимость и могут быть изготовлены любой формы. Они доступны [14] , но не вытеснили литий-ионные аккумуляторы на рынке. [15] Литий-полимерные аккумуляторы в основном используются для питания автомобилей, лодок и самолетов с дистанционным управлением. Аккумуляторы LiPo легко доступны на потребительском рынке в различных конфигурациях до 44,4 В для питания некоторых радиоуправляемых транспортных средств, вертолетов или дронов. [16] [17] В некоторых отчетах об испытаниях предупреждается об опасности возгорания при использовании батарей не в соответствии с инструкциями. [18] В независимых обзорах технологии обсуждается риск возгорания и взрыва литий-ионных батарей при определенных условиях, поскольку в них используются жидкие электролиты. [19]
‡ для этих параметров необходимы ссылки
Было разработано несколько типов литий-серных батарей , и многочисленные исследовательские группы и организации продемонстрировали, что батареи на основе серы лития могут достигать более высокой плотности энергии, чем другие литиевые технологии. [37] В то время как литий-ионные батареи обеспечивают плотность энергии в диапазоне 150–260 Втч/кг, батареи на основе литий-серы, как ожидается, достигнут 450–500 Втч/кг и могут исключить из производства кобальт, никель и марганец. процесс. [22] [38] Кроме того, хотя изначально литий-серные батареи страдали от проблем со стабильностью, недавние исследования добились успехов в разработке литий-серных батарей, которые работают так же долго (или дольше), как батареи на основе традиционных литий-ионных технологий. [39]
Тонкопленочная батарея (TFB) представляет собой усовершенствованную литий-ионную технологию компании Excellatron. [40] Разработчики заявляют о значительном увеличении количества циклов перезарядки примерно до 40 000 и более высоких скоростях зарядки и разрядки, не менее 5 C. Устойчивый разряд при 60 C и пиковая скорость разряда при 1000 C , а также значительное увеличение удельной энергии и плотности энергии. [41]
Литий-железо-фосфатные батареи используются в некоторых приложениях.
UltraBattery , гибридная свинцово-кислотная батарея и ультраконденсатор, изобретенная австралийской национальной научной организацией CSIRO , демонстрирует десятки тысяч циклов частичной зарядки и превосходит традиционные свинцово-кислотные, литиевые и NiMH элементы при сравнении в тестировании в этом режиме. против профилей мощности управления изменчивостью. [42] UltraBattery имеет установки мощностью в кВт и МВт в Австралии, Японии и США. Он также прошел обширные испытания на гибридных электромобилях и показал срок службы более 100 000 миль транспортного средства в ходе дорожных коммерческих испытаний. в курьерском автомобиле. Утверждается, что срок службы этой технологии в 7–10 раз превышает срок службы обычных свинцово-кислотных батарей при частом использовании в частичном состоянии заряженности, а также заявлены преимущества в области безопасности и окружающей среды по сравнению с конкурентами, такими как литий-ионные. Производитель предполагает почти 100%-ную степень переработки продукта.
Калий -ионная батарея обеспечивает около миллиона циклов работы благодаря исключительной электрохимической стабильности материалов для введения/извлечения калия, таких как берлинская лазурь . [43]
Натрий -ионный аккумулятор предназначен для стационарного хранения и конкурирует со свинцово-кислотными аккумуляторами. Его цель – низкая совокупная стоимость владения на киловатт-час хранения. Это достигается за счет длительного и стабильного срока службы. Эффективное количество циклов превышает 5000, аккумулятор не повреждается при глубокой разрядке. Плотность энергии довольно низкая, несколько ниже свинцово-кислотной. [ нужна цитата ]
Аккумуляторная батарея — это лишь один из нескольких типов перезаряжаемых систем хранения энергии. [44] Существует или находится в стадии разработки несколько альтернатив аккумуляторным батареям. Для таких целей, как портативные радиоприемники , перезаряжаемые батареи могут быть заменены часовыми механизмами, которые заводятся вручную и приводят в движение динамо-машины , хотя эту систему можно использовать для зарядки батареи, а не для непосредственного управления радиоприемником. Фонарики могут работать напрямую от динамо-машины. Для транспорта, систем бесперебойного питания и лабораторий маховичные системы хранения энергии хранят энергию во вращающемся роторе для преобразования в электроэнергию при необходимости; такие системы могут использоваться для подачи больших импульсов мощности, которые в противном случае были бы нежелательны в общей электрической сети.
Также используются ультраконденсаторы – конденсаторы чрезвычайно высокой стоимости; В 2007 году была представлена электрическая отвертка , которая заряжается за 90 секунд и закручивает примерно вдвое меньше винтов, чем устройство, использующее аккумуляторную батарею, [45] и аналогичные фонарики. В соответствии с концепцией ультраконденсаторов бетавольтаические батареи могут использоваться в качестве метода непрерывного заряда вторичной батареи, что значительно продлевает срок службы и энергетическую емкость используемой аккумуляторной системы; Представители отрасли часто называют этот тип устройства «гибридным бета-вольтаическим источником энергии». [46]
Для транспорта разрабатываются ультраконденсаторы, в которых для хранения энергии используется большой конденсатор вместо аккумуляторных батарей, используемых в гибридных транспортных средствах . Одним из недостатков конденсаторов по сравнению с батареями является то, что напряжение на их клеммах быстро падает; конденсатор, в котором осталось 25% начальной энергии, будет иметь половину своего начального напряжения. Напротив, аккумуляторные системы, как правило, имеют напряжение на клеммах, которое не снижается быстро, пока почти не разряжается. Такое падение напряжения на клеммах усложняет разработку силовой электроники для использования с ультраконденсаторами. Однако существуют потенциальные преимущества в эффективности цикла, сроке службы и весе по сравнению с перезаряжаемыми системами. Китай начал использовать ультраконденсаторы на двух маршрутах коммерческих автобусов в 2006 году; один из них — 11-й маршрут в Шанхае . [47]
Проточные аккумуляторы , используемые для специализированного применения, перезаряжаются путем замены жидкого электролита. Проточную батарею можно рассматривать как разновидность перезаряжаемого топливного элемента .
Исследования аккумуляторных батарей включают разработку новых электрохимических систем, а также увеличение срока службы и емкости типов тока.
Держите поблизости сухой огнетушитель или большое ведро с сухим песком — дешевый и эффективный огнетушитель.
Напряжение, количество элементов и емкость, подходящие для вашего вида гонок... Скорость разряда от 50°С до 100°С...Сбалансирован для увеличения срока службы и достижения максимального напряжения 4,2 В/элемент.
Я еще не слышал о LiPo, который загорелся бы во время хранения. Все известные мне происшествия с возгоранием произошли во время зарядки или разрядки аккумулятора. В этих случаях большинство проблем возникало во время зарядки. В таких случаях вина обычно лежит либо на зарядном устройстве, либо на человеке, который его эксплуатирует… но не всегда.
