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 заряженной и выбрасывается после использования. Она состоит из одной или нескольких электрохимических ячеек . Термин «аккумулятор» используется, поскольку он накапливает и хранит энергию посредством обратимой электрохимической реакции . Аккумуляторные батареи производятся во многих различных формах и размерах, от таблеточных элементов до мегаваттных систем, подключенных для стабилизации электрической распределительной сети . Используются несколько различных комбинаций материалов электродов и электролитов , включая свинцово-кислотные , цинково-воздушные , никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion), литий-железо-фосфатные (LiFePO4) и литий-ионные полимерные (Li-ion polymer).
Аккумуляторные батареи обычно изначально стоят дороже одноразовых, но имеют гораздо меньшую общую стоимость владения и воздействие на окружающую среду , поскольку их можно недорого перезаряжать много раз, прежде чем потребуется замена. Некоторые типы аккумуляторных батарей доступны в тех же размерах и напряжениях, что и одноразовые типы, и могут использоваться взаимозаменяемо с ними. Миллиарды долларов инвестируются в исследования по улучшению батарей по всему миру, поскольку промышленность фокусируется на создании лучших батарей. [1] [2] [3]
Устройства, использующие перезаряжаемые батареи, включают автомобильные стартеры , портативные потребительские устройства, легкие транспортные средства (такие как моторизованные инвалидные коляски , гольф-кары , электровелосипеды и электрические погрузчики ), дорожные транспортные средства (автомобили, фургоны, грузовики, мотоциклы), поезда, небольшие самолеты, инструменты, источники бесперебойного питания и аккумуляторные электростанции . Новые приложения в гибридных транспортных средствах с внутренним сгоранием и электромобилях стимулируют технологию к снижению стоимости, веса и размера, а также увеличению срока службы. [4]
Старые аккумуляторные батареи саморазряжаются относительно быстро [ неопределенно ] и требуют зарядки перед первым использованием; некоторые новые NiMH-батареи с низким саморазрядом сохраняют заряд в течение многих месяцев и обычно продаются на заводе заряженными примерно на 70% от своей номинальной емкости.
Электростанции с аккумуляторными батареями используют перезаряжаемые батареи для выравнивания нагрузки (хранения электроэнергии в периоды низкого спроса для использования в пиковые периоды) и для использования возобновляемой энергии (например, для хранения энергии, вырабатываемой фотоэлектрическими батареями в течение дня, для использования ночью). Выравнивание нагрузки снижает максимальную мощность, которую станция должна быть способна генерировать, что снижает капитальные затраты и потребность в пиковых электростанциях .
Согласно отчету Research and Markets, аналитики прогнозируют среднегодовой темп роста мирового рынка аккумуляторных батарей на уровне 8,32% в период 2018–2022 гг. [5]
Небольшие аккумуляторные батареи могут питать портативные электронные устройства , электроинструменты, бытовую технику и т. д. Сверхмощные батареи питают электромобили , начиная от скутеров и заканчивая локомотивами и судами . Они используются в распределенной генерации электроэнергии и в автономных энергосистемах .
Во время зарядки положительный активный материал окисляется , высвобождая электроны , а отрицательный материал восстанавливается , поглощая 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 он может 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 ток мог поступать в нее, но не слишком выше, иначе батарея может быть повреждена.
Зарядные устройства заряжают аккумулятор от нескольких минут до нескольких часов. Медленные «глупые» зарядные устройства без возможности измерения напряжения или температуры будут заряжать аккумулятор с низкой скоростью, обычно для достижения полной зарядки требуется 14 часов или больше. Быстрые зарядные устройства обычно могут заряжать элементы за два-пять часов, в зависимости от модели, а самые быстрые заряжают всего за пятнадцать минут. Быстрые зарядные устройства должны иметь несколько способов определения того, когда элемент достигает полной зарядки (изменение напряжения на клеммах, температуры и т. д.), чтобы остановить зарядку до того, как произойдет опасный перезаряд или перегрев. Самые быстрые зарядные устройства часто включают в себя охлаждающие вентиляторы, чтобы предохранить элементы от перегрева. Аккумуляторные батареи, предназначенные для быстрой зарядки, могут включать в себя датчик температуры, который зарядное устройство использует для защиты батареи; датчик будет иметь один или несколько дополнительных электрических контактов.
Различные химические составы аккумуляторов требуют различных схем зарядки. Например, некоторые типы аккумуляторов можно безопасно заряжать от источника постоянного напряжения. Другие типы необходимо заряжать от регулируемого источника тока, который уменьшается по мере достижения аккумулятором полностью заряженного напряжения. Неправильная зарядка аккумулятора может повредить аккумулятор; в крайних случаях аккумуляторы могут перегреться, загореться или взорваться.
Скорость зарядки и разрядки аккумулятора часто обсуждается с использованием скорости тока "C". Скорость C - это та, которая теоретически полностью заряжает или разрядит аккумулятор за один час. Например, подзарядка малым током может выполняться при скорости C/20 (или "20-часовой"), в то время как типичная зарядка и разрядка могут происходить при скорости C/2 (два часа для полной емкости). Доступная емкость электрохимических ячеек варьируется в зависимости от скорости разрядки. Часть энергии теряется на внутреннем сопротивлении компонентов ячейки (пластины, электролит, соединения), а скорость разрядки ограничена скоростью, с которой могут перемещаться химические вещества в ячейке. Для свинцово-кислотных ячеек соотношение между временем и скоростью разрядки описывается законом Пейкерта ; свинцово-кислотная ячейка, которая больше не может поддерживать полезное напряжение на клеммах при высоком токе, может все еще иметь полезную емкость, если разряжается при гораздо более низкой скорости. В технических паспортах на перезаряжаемые ячейки часто указывается разрядная емкость при 8-часовом или 20-часовом или другом указанном времени; Элементы для систем бесперебойного питания могут быть рассчитаны на 15-минутный разряд.
Напряжение на клеммах батареи не постоянно во время зарядки и разрядки. Некоторые типы имеют относительно постоянное напряжение во время разрядки на большей части своей емкости. Неперезаряжаемые щелочные и цинково-угольные элементы выдают 1,5 В, когда они новые, но это напряжение падает по мере использования. Большинство элементов NiMH AA и AAA имеют номинал 1,2 В, но имеют более пологую кривую разрядки, 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, из которых состоит аккумулятор. Например, для зарядки свинцово-кислотного аккумулятора напряжением 12 В (содержащего 6 ячеек по 2 В каждая) при напряжении 2,3 VPC требуется напряжение 13,8 В на клеммах аккумулятора.
Воздействие на разряженный элемент тока в направлении, которое имеет тенденцию разряжать его дальше до точки, когда положительные и отрицательные клеммы меняют полярность, вызывает состояние, называемоеРеверсия ячейки . Обычно, пропускание тока через разряженную ячейку таким образом вызывает нежелательные и необратимые химические реакции, что приводит к постоянному повреждению ячейки. Реверсия ячейки может произойти при ряде обстоятельств, два наиболее распространенных из которых:
В последнем случае проблема возникает из-за того, что разные ячейки в батарее имеют немного разную емкость. Когда одна ячейка достигает уровня разряда раньше остальных, оставшиеся ячейки будут заставлять ток проходить через разряженную ячейку.
Многие устройства на батарейном питании имеют низковольтное отключение, которое предотвращает глубокие разряды, которые могут вызвать переполюсовку ячеек. Умная батарея имеет встроенную схему контроля напряжения.
Переполюсовка ячейки может произойти в слабо заряженной ячейке даже до того, как она полностью разрядится. Если ток утечки батареи достаточно высок, внутреннее сопротивление ячейки может создать резистивное падение напряжения, которое больше, чем прямая ЭДС ячейки . Это приводит к переполюсовке ячейки при протекании тока. [6] [7] Чем выше требуемая скорость разрядки батареи, тем лучше должны быть согласованы ячейки, как по типу ячейки, так и по состоянию заряда, чтобы снизить вероятность переполюсовки ячейки.
В некоторых ситуациях, например, при исправлении NiCd-аккумуляторов, которые ранее были перезаряжены, [8] может быть желательно полностью разрядить аккумулятор. Чтобы избежать повреждения от эффекта переполюсовки ячеек, необходимо получить доступ к каждой ячейке отдельно: каждая ячейка разряжается индивидуально путем подключения зажима нагрузки к клеммам каждой ячейки, тем самым избегая переполюсовки ячеек.
Если многоэлементная батарея полностью разряжена, она часто будет повреждена из-за эффекта переполюсовки ячеек, упомянутого выше. Однако возможно полностью разрядить батарею, не вызывая переполюсовки ячеек — либо разрядив каждую ячейку по отдельности, либо позволив внутренней утечке каждой ячейки со временем рассеять свой заряд.
Однако даже если ячейка полностью разряжена без реверсирования, со временем может произойти повреждение просто из-за того, что она остается в разряженном состоянии. Примером этого является сульфатация , которая происходит в свинцово-кислотных аккумуляторах , которые долгое время лежат на полке. По этой причине часто рекомендуется заряжать аккумулятор, который должен храниться, и поддерживать уровень его заряда путем периодической подзарядки. Поскольку повреждение может произойти и в случае перезарядки аккумулятора, оптимальный уровень заряда во время хранения обычно составляет около 30–70%.
Глубина разряда (DOD) обычно указывается в процентах от номинальной емкости в ампер-часах; 0% DOD означает отсутствие разряда. Поскольку полезная емкость системы батарей зависит от скорости разряда и допустимого напряжения в конце разряда, глубина разряда должна быть квалифицирована, 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 . Обычно система аккумуляторных батарей выдерживает больше циклов зарядки/разрядки, если DOD ниже в каждом цикле. [9] Литиевые батареи могут разряжаться примерно до 80–90% своей номинальной емкости. Свинцово-кислотные батареи могут разряжаться примерно до 50–60%. В то время как проточные батареи могут разряжаться до 100%. [10]
Если батареи используются многократно, даже без неправильного обращения, они теряют емкость по мере увеличения количества циклов зарядки, пока они в конечном итоге не будут считаться достигшими конца своего срока службы. Различные системы батарей 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, чтобы емкость батареи снизилась. В литий-ионных типах, особенно при глубокой разрядке, при зарядке может образовываться некоторое количество реактивного литиевого металла, который больше не доступен для участия в следующем цикле разрядки. Герметичные батареи могут терять влагу из своего жидкого электролита, особенно при перезарядке или эксплуатации при высокой температуре. Это сокращает срок службы. [11]
Время подзарядки является важным параметром для пользователя продукта, работающего от перезаряжаемых батарей. Даже если источник питания для зарядки обеспечивает достаточную мощность для работы устройства, а также для подзарядки батареи, устройство подключено к внешнему источнику питания во время зарядки. Для электромобилей, используемых в промышленности, зарядка во время смены может быть приемлемой. Для электромобилей, используемых на шоссе, быстрая зарядка необходима для зарядки в разумные сроки.
Аккумуляторную батарею нельзя заряжать с произвольно высокой скоростью. Внутреннее сопротивление батареи будет производить 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. Высокие скорости зарядки могут привести к избыточному газу в батарее или могут привести к разрушительным побочным реакциям, которые навсегда снизят емкость батареи. Очень грубо и со многими исключениями и оговорками, восстановление полной емкости батареи за один час или меньше считается быстрой зарядкой. Система зарядного устройства батареи будет включать более сложные схемы управления и стратегии зарядки для быстрой зарядки, чем для зарядного устройства, предназначенного для более медленной зарядки.
Активными компонентами во вторичной ячейке являются химические вещества, составляющие положительные и отрицательные активные материалы, и электролит . Положительные и отрицательные электроды состоят из разных материалов, причем положительный имеет восстановительный потенциал, а отрицательный — окислительный . Сумма потенциалов этих полуреакций — это стандартный потенциал ячейки или напряжение .
В первичных элементах положительный и отрицательный электроды называются катодом и анодом соответственно. Хотя эта условность иногда переносится на перезаряжаемые системы, особенно с литий-ионными элементами, из-за их происхождения от первичных литиевых элементов, эта 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 отношение энергии к весу и низкое отношение энергии к объему, ее способность обеспечивать высокие импульсные токи означает, что ячейки имеют относительно большое отношение мощности к весу . Эти особенности, наряду с низкой стоимостью, делают ее привлекательной для использования в автомобилях для обеспечения высокого тока, необходимого автомобильным стартерам .
Никель -кадмиевый аккумулятор (NiCd) был изобретен Вальдемаром Юнгнером из Швеции в 1899 году. В качестве электродов он использует гидроксид оксида никеля и металлический кадмий . Кадмий является токсичным элементом и был запрещен для большинства видов использования Европейским союзом в 2004 году. Никель-кадмиевые аккумуляторы были почти полностью вытеснены никель-металлгидридными (NiMH) аккумуляторами.
Никель -железный аккумулятор (NiFe) также был разработан Вальдемаром Юнгнером в 1899 году и коммерциализирован Томасом Эдисоном в 1901 году в Соединенных Штатах для электромобилей и железнодорожной сигнализации . Он состоит только из нетоксичных элементов, в отличие от многих видов аккумуляторов, которые содержат токсичную ртуть, кадмий или свинец.
Никель -металл-гидридные батареи (NiMH) появились в 1989 году. [12] Сейчас они являются обычным потребительским и промышленным типом. Батарея имеет водородопоглощающий сплав для отрицательного электрода вместо кадмия .
Литий -ионная батарея была представлена на рынке в 1991 году, является выбором для большинства потребительских электронных устройств, имея лучшую плотность энергии и очень медленную потерю заряда , когда не используется. У нее также есть недостатки, в частности, риск неожиданного возгорания от тепла, выделяемого батареей. [13] Такие инциденты редки, и, по словам экспертов, их можно минимизировать «с помощью соответствующей конструкции, установки, процедур и уровней защиты», поэтому риск приемлем. [14]
Литий-ионные полимерные батареи (LiPo) имеют небольшой вес, обеспечивают немного более высокую плотность энергии, чем Li-ion, при немного более высокой стоимости и могут быть изготовлены в любой форме. Они доступны [15], но не вытеснили Li-ion на рынке. [16] Основное применение LiPo-батарей — питание дистанционно управляемых автомобилей, лодок и самолетов. LiPo-батареи легко доступны на потребительском рынке в различных конфигурациях, до 44,4 В, для питания определенных радиоуправляемых транспортных средств, вертолетов или беспилотников. [17] [18] Некоторые отчеты об испытаниях предупреждают о риске возгорания, если батареи не используются в соответствии с инструкциями. [19] Независимые обзоры технологии обсуждают риск возгорания и взрыва литий-ионных батарей при определенных условиях, поскольку они используют жидкие электролиты. [20]
‡ Для этих параметров необходимы ссылки
Было разработано несколько типов литий-серных аккумуляторов , и многочисленные исследовательские группы и организации продемонстрировали, что аккумуляторы на основе лития-серы могут достигать более высокой плотности энергии, чем другие литиевые технологии. [39] В то время как литий-ионные аккумуляторы обеспечивают плотность энергии в диапазоне 150–260 Вт·ч/кг, ожидается, что аккумуляторы на основе лития-серы достигнут 450–500 Вт·ч/кг и могут исключить кобальт, никель и марганец из производственного процесса. [23] [40] Кроме того, хотя изначально литий-серные аккумуляторы страдали от проблем со стабильностью, недавние исследования достигли прогресса в разработке литий-серных аккумуляторов, которые работают так же долго (или дольше), как и аккумуляторы на основе обычных литий-ионных технологий. [41]
Тонкопленочная батарея (TFB) представляет собой усовершенствованную литий-ионную технологию от Excellatron. [42] Разработчики заявляют о значительном увеличении циклов перезарядки до примерно 40 000 и более скоростей заряда и разряда, по крайней мере, 5 C. Устойчивая разрядка 60 C и пиковая разрядка 1000 C , а также значительное увеличение удельной энергии и плотности энергии. [43]
В некоторых приложениях используются литий-железо-фосфатные батареи .
UltraBattery , гибридная свинцово-кислотная батарея и ультраконденсатор, изобретенные австралийской национальной научной организацией CSIRO , демонстрируют десятки тысяч циклов частичного состояния заряда и превзошли традиционные свинцово-кислотные, литиевые и NiMH-элементы при сравнении в тестировании в этом режиме с профилями мощности управления изменчивостью. [44] UltraBattery имеет установки в масштабах кВт и МВт в Австралии, Японии и США. Она также была подвергнута обширным испытаниям в гибридных электромобилях и, как было показано, прослужила более 100 000 миль транспортного средства в ходе коммерческих испытаний на дороге в курьерском автомобиле. Утверждается, что срок службы этой технологии в 7–10 раз больше, чем у обычных свинцово-кислотных батарей при использовании в условиях высокой скорости частичного состояния заряда, при этом заявленные преимущества в плане безопасности и экологии по сравнению с такими конкурентами, как литий-ионные. Ее производитель предполагает, что для продукта уже существует почти 100%-ная степень переработки.
Калий -ионная батарея обеспечивает около миллиона циклов благодаря исключительной электрохимической стабильности материалов для вставки/извлечения калия, таких как берлинская лазурь . [45]
Натрий -ионная батарея предназначена для стационарного хранения и конкурирует со свинцово-кислотными батареями. Она нацелена на низкую общую стоимость владения на кВт·ч хранения. Это достигается за счет длительного и стабильного срока службы. Эффективное число циклов превышает 5000, и батарея не повреждается при глубоком разряде. Плотность энергии довольно низкая, несколько ниже, чем у свинцово-кислотных. [ необходима цитата ]
Аккумуляторная батарея — это лишь один из нескольких типов перезаряжаемых систем хранения энергии. [46] Существует или разрабатывается несколько альтернатив перезаряжаемым батареям. Для таких применений, как портативные радиоприемники , перезаряжаемые батареи могут быть заменены часовыми механизмами, которые заводятся вручную, приводя в действие динамо-машины , хотя эта система может использоваться для зарядки батареи, а не для непосредственного управления радио. Фонари могут приводиться в действие динамо-машиной напрямую. Для транспорта, систем бесперебойного питания и лабораторий маховиковые системы хранения энергии хранят энергию во вращающемся роторе для преобразования в электрическую энергию при необходимости; такие системы могут использоваться для обеспечения больших импульсов мощности, которые в противном случае были бы нежелательны в общей электрической сети.
Также используются ультраконденсаторы – конденсаторы чрезвычайно высокой стоимости; электрическая отвертка , которая заряжается за 90 секунд и может закрутить примерно половину винтов, чем устройство, использующее перезаряжаемую батарею, была представлена в 2007 году [47] , и были произведены аналогичные фонарики. В соответствии с концепцией ультраконденсаторов, бета-вольтаические батареи могут использоваться в качестве метода обеспечения подзарядки вторичных батарей, значительно продлевая срок службы и энергетическую емкость используемой системы батарей; этот тип компоновки часто называют «гибридным бета-вольтаическим источником питания» в отрасли. [48]
Ультраконденсаторы разрабатываются для транспорта, используя большой конденсатор для хранения энергии вместо перезаряжаемых батарейных блоков, используемых в гибридных транспортных средствах . Одним из недостатков конденсаторов по сравнению с батареями является то, что напряжение на клеммах быстро падает; конденсатор, в котором осталось 25% его первоначальной энергии, будет иметь половину своего первоначального напряжения. Напротив, аккумуляторные системы, как правило, имеют напряжение на клеммах, которое не падает быстро, пока почти не иссякнет. Это падение напряжения на клеммах усложняет конструкцию силовой электроники для использования с ультраконденсаторами. Однако есть потенциальные преимущества в эффективности цикла, сроке службы и весе по сравнению с перезаряжаемыми системами. Китай начал использовать ультраконденсаторы на двух коммерческих автобусных маршрутах в 2006 году; один из них - маршрут 11 в Шанхае . [49]
Проточные батареи , используемые для специализированных приложений, перезаряжаются путем замены электролитной жидкости. Проточную батарею можно считать типом перезаряжаемого топливного элемента .
Исследования в области аккумуляторных батарей включают разработку новых электрохимических систем, а также увеличение срока службы и емкости типов тока.
поблизости сухой огнетушитель или большое ведро сухого песка, который является дешевым и эффективным огнетушителем.
Напряжения, количество ячеек и емкости, подходящие для вашего типа гонок... Скорость разряда от 50C до 100C... Сбалансировано для более длительного срока службы и достижения максимальных 4,2 В/ячейка
еще не слышал о LiPo, который загорелся бы во время хранения. Все известные мне случаи возгорания произошли во время зарядки или разрядки батареи. В этих случаях большинство проблем возникало во время зарядки. В этих случаях вина обычно лежала либо на зарядном устройстве, либо на человеке, который управлял зарядным устройством… но не всегда.
