Аккумулятор

Что такое аккумулятор? Полное описание электрического аккумулятора.

Электрический аккумулятор - источник тока многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование (через заряд-разряд) для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования, а также для обеспечения резервных источников энергии в медицине, производстве и в других сферах

История появления аккумулятора
Первый прообраз аккумулятора, который, в отличие от батареи Алессандро Вольты, можно было многократно заряжать, был создан в 1803 году Иоганном Вильгельмом Риттером. Его аккумуляторная батарея представляла собой столб из пятидесяти медных кружочков, между которыми было проложено влажное сукно. При пропускании через данное устройство тока от вольтова столба оно само стало вести себя как источник электричества.

Принцип действия

Замена аккумулятор­ной батареи на электро­погруз­чике
Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, объединённых в одну электрическую цепь, составляют аккумуля́торную батаре́ю.

Свинцово-кислотный аккумулятор
Основная статья: Свинцово-кислотный аккумулятор
Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в среде серной кислоты. Химическая реакция (слева направо - разряд, справа налево - заряд):

Анод:
PbO_2 + SO_4^{2-} + 4 H^+ + 2 e^- \longrightarrow PbSO_4 + 2 H_2O
Катод:
Pb + SO_4^{2-} - 2 e^- \longrightarrow PbSO_4 

Литий-ионный аккумулятор
Основная статья: Литий-ионный аккумулятор
Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделенных пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решетку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, окислы (LiMO2) и соли (LiMRON) металлов.

Литий-полимерный аккумулятор
Основная статья: Литий-полимерный аккумулятор
В качестве электролита используется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя. Используется в мобильных телефонах, цифровой технике и пр.

Алюминий-ионный аккумулятор
Алюминий-ионный аккумулятор состоит из металлического алюминиевого анода, катода из графита в виде пены и жидкого ионного невоспламеняющегося электролита. Батарея работает через электрохимическое осаждение и растворение алюминия на аноде, и интеркаляцию / деинтеркаляцию анионов хлоралалюмината в графит, используя ионный жидкий электролит. Количество возможных перезарядок батареи - более 7,5 тыс. циклов без потери мощности. Время перезарядки - 1 минута.

Характеристики

Ёмкость аккумулятора
Максимально возможный полезный заряд аккумулятора называется зарядной ёмкостью, или просто ёмкостью. Ёмкость аккумулятора — это заряд, отдаваемый полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ ёмкость аккумуляторов измеряют в кулонах, на практике часто используется внесистемная единица — ампер-час. 1 А⋅ч = 3600 Кл. Ёмкость аккумулятора указывается производителем. Не путать с электрической ёмкостью конденсатора.

В настоящее время всё чаще на аккумуляторах указывается энергетическая ёмкость — энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ она измеряется в джоулях, на практике используется внесистемная единица — ватт-час. 1 Вт⋅ч = 3600 Дж.

Плотность энергии
Плотность энергии - количество энергии на единицу объёма или единицу веса аккумулятора.

Саморазряд
Саморазряд - это потеря аккумулятором ёмкости после полной зарядки при отсутствии нагрузки. Саморазряд проявляется по-разному у разных типов аккумуляторов, но всегда максимален в первые часы после заряда, а после замедляется.

Для Ni-Cd аккумуляторов считают допустимым не более 10% саморазряда за первые 24 часа после проведения зарядки. Для Ni-MH саморазряд чуть меньше. У Li-ion он пренебрежимо мал и значительно себя проявляет в течение месяцев.

В свинцово-кислотных герметичных аккумуляторах саморазряд составляет около 40% за 1 год при условии 20°С и 15% при 5°С. Если температуры хранения более высокие, то саморазряд возрастает: батареи при 40°С теряют ёмкости 40% всего за 4-5 месяцев.

Температурный режим
Берегите аккумуляторы от огня и воды, чрезмерного нагревания (охлаждения), резких перепадов температур.

Не используйте аккумуляторы при температурах выше +40°С и ниже -25°С.

Нарушение температурного режима может привести к сокращению срока службы или потере работоспособности.

Тип аккумулятора
Тип аккумулятора определяется используемыми материалами. Различают следующие:

Cn–Po – Графен-полимерный аккумулятор. Выпускается на рынок в первой половине 2015 года. Время её зарядки составляет всего 8 минут. На 77% дешевле других батарей для электромобилей.
La-Ft – лантан-фторидный аккумулятор
Li-Ion – литий-ионный аккумулятор (3,2-4,2 V), общее обозначение для всех литиевых аккумуляторов
Li-Co – литий-кобальтовый аккумулятор, (3,6 V), на базе LiCoO2, технология в процессе освоения
Li-Po – литий-полимерный аккумулятор (3,7 V), полимер в качестве электролита
Li-Ft – литий-фторный аккумулятор
Li-Mn – литий-манганный аккумулятор (3,6 V) на базе LiMn2O4
LiFeS – литий-железно-сульфидный аккумулятор (1,35 V)
LiFeP или LFP – Литий-железно-фосфатный аккумулятор (3,3 V) на базе LiFePO4
LiFeYPO4 – литий-железо-иттрий-фосфатный (Добавка иттрия для улучшения свойств)
Li-Ti – литий-титанатный аккумулятор (3,2 V) на базе Li4Ti5О12
Li-Cl – литий-хлорный аккумулятор (3,99 V)
Li-S – литий-серный аккумулятор (2,2 V)
LMPo – литий-металл-полимерный аккумулятор
Fe-air – железо-воздушный аккумулятор
Na/NiCl – никель-солевой аккумулятор (2,58 V)
Na-S – натрий-серный аккумулятор, (2 V), высокотемпературный аккумулятор
Ni-Cd – никель-кадмиевый аккумулятор (1,2 V)
Ni-Fe – железо-никелевый аккумулятор (1,2–1,9 V)
Ni-H2 – никель-водородный аккумулятор (1,5 V)
Ni-MH – никель-металл-гидридный аккумулятор (1,2 V)
Ni-Zn – никель-цинковый аккумулятор (1,65 V)
Pb – свинцово-кислотный аккумулятор (2 V)
Pb-H – свинцово-водородный аккумулятор
Ag-Zn – серебряно-цинковый аккумулятор (1,85 V)
Ag-Cd – серебряно-кадмиевый аккумулятор (1,6 V)
Zn-Br – цинк-бромный аккумулятор (1,8 V)
Zn-air – цинк-воздушный аккумулятор
Zn-Cl – цинк-хлорный аккумулятор
RAM – щелочной элемент (1,5 V)
Ванадиевый аккумулятор (1,41 V)
Алюминиево-графитный аккумулятор (2 V)
Алюминиево-ионный аккумулятор (2 V)
 

По мере исчерпания химической энергии напряжение и ток падают, аккумулятор перестаёт действовать. Зарядить аккумулятор (батарею аккумуляторов) можно от любого источника постоянного тока с бо́льшим напряжением при ограничении тока. Наиболее распространённым считается зарядный ток (в амперах) в 1/10 номинальной ёмкости аккумулятора (в ампер⋅часах), однако эта величина не имеет никакого научного обоснования.

Однако, основываясь на техническом описании, распространяемом изготовителями широко применяемых электрических аккумуляторов (NiMh, NiCd), можно сделать предположение о том, что данный режим заряда, обычно именуемый стандартным, рассчитывается исходя из продолжительности восьмичасового рабочего дня, когда разряженный в конце рабочего дня аккумулятор подключается к сетевому зарядному устройству до начала нового рабочего дня. Применение такого режима заряда для этих типов аккумуляторов при систематическом использовании позволяет соблюсти качественно-стоимостной баланс эксплуатации изделия. Таким образом с подачи изготовителя данный режим можно применять только для никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов.

Многие типы аккумуляторов имеют различные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке и последующей эксплуатации, например NiMH-аккумуляторы чувствительны к перезаряду, литиевые — к переразряду, напряжению и температуре. NiCd- и NiMH-аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, заключающийся в снижении ёмкости, в случае когда зарядка осуществляется при не полностью разряженном аккумуляторе. Также эти типы аккумуляторов обладают заметным саморазрядом, то есть они постепенно теряют заряд, даже не будучи подключенными к нагрузке. Для борьбы с этим эффектом может применяться капельная подзарядка.

К сожалению, в большинстве случаев возможность систематического использования аккумуляторов есть только в портативных устройствах радиосвязи и иной цифровой технике, где используются литий-ионные аккумуляторы и система контроля заряда и разряда встроена в устройство. В бюджетном сегменте "простые" никель-металл-гидридные и никель-кадмиевые аккумуляторы используются в качестве бюджетной замены щелочных элементов питания. В качестве источника тока для бюджетного аккумуляторного электроинструмента используются никель-кадмиевые аккумуляторы. Если в первом случае обычно есть возможность выбирать между бюджетным устройством "стандартного" заряда и з. у. с контролем заряда (капельный заряд, импульсный заряд, ускоренный заряд с контролем напряжения и т. д.), то во втором случае изделие комплектуется как правило трансформаторным источником питания для зарядки постоянным током, что при несоблюдении технических условий эксплуатации аккумулятора снижает срок его службы.

Методы заряда аккумуляторов
Для заряда аккумуляторов применяется несколько методов. Как правило, метод заряда зависит от типа аккумулятора и обеспечивается зарядным устройством[8].-

Медленный заряд постоянным током
Заряд постоянным током величиной 0.1 С или 0.2 С в течение примерно 15 или 6-8 часов соответственно.

Самый длительный и безопасный метод заряда. Подходит для большинства типов аккумуляторов.

Быстрый заряд
Заряд постоянным током, равным 1/3 С в течение примерно 3-5 часов

Ускоренный или дельта V заряд
Заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора, при котором постоянно измеряется напряжение аккумулятора и заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен. Время заряда -- примерно час-полтора. Возможен разогрев аккумулятора и даже его разрушение.

Реверсивный заряд
Выполняется чередованием длинных импульсов заряда с короткими импульсами разряда. Реверсивный метод наиболее полезен для заряда NiCd и NiMH аккумуляторов, для которых характерен так называемый «эффект памяти».

Современная аккумуляторная батарея это технически и технологически сложный продукт. При внешней простоте использования нужно помнить несколько не сложных правил:

1. Современные необслуживаемые аккумуляторы боятся глубоких разрядов. Не доводите свой аккумулятор, особенно зимой, до состояния полного разряда. Разряженный аккумулятор в мороз может замёрзнуть. Ввостановлению такой замёрзший аккумулятор уже не подлежит.

2. Если Ваши ежедневные поездки не превышают 30 – 60 минут в день, то для продления жизни аккумулятору необходимо раз в месяц проводить зарядку. Дело в том, что при движении, особенно в пробках, с включенными фарами, печкой, музыкой генератор практически не заряжает батарею. При запуске двигателя аккумулятор отдаёт энергию, а ввостановиться во время коротких поездок не успевает. В результате Ваш автомобиль не заводится.

3. Обращайте внимание на клеммы Вашего аккумулятора. Если клеммы Вашего аккумулятора окислились, то возникает переходное сопротивление между клеммой аккумулятора и клеммой эл. системы автомобиля. Это значительно ухудшает зарядку аккумулятора и отдачу энергии аккумулятором при пуске двигателя. 

4. Если у Вас есть возможность самостоятельной зарядки аккумулятора, то заряжайте его током не более 10 – 15% емкости аккумулятора. А лучше воспользуйтесь электронным зарядным устройством, которое регулирует зарядный ток.

5. Перед тем, как прикурить автомобиль, выключите зажигание. В противном случае скачёк тока в электрической системе автомобиля может привести в неисправность электронные блоки.

6. Провода для запуска, как правило, продаются красного и чёрного цвета с «крокодилами» в цвет провода. Для запуска двигателя от другого автомобиля подключайте провода для прикуривания в следующей последовательности:

6.1 Сначала подсоедините красную клемму к плюсу севшего аккумулятора, потом вторую красную клемму к плюсу донора.
6.2 Повторите данную операцию с чёрным проводом. Будьте внимательны не перепутайте плюс с минусом, а то недвижимыми останутся уже два автомобиля. 
6.3 Заведите мотор автомобиля донора и дайте поработать 15-20 минут. Это необходимо для подзарядки севшего аккумулятора и меньшей токовой нагрузки на провода.
6.4 После этого запускайте двигатель. После запуска дайте двигателю прогреться до рабочей температуры и поработать 40 – 60 минут. Постарайтесь в это время не включать фары, обогрев стекол, сиденья и пр. Тем самым Вы уменьшаете нагрузку на генератор и высвобождаете энергию для зарядки аккумулятора.
6.5 После запуска снимите провода в обратной последовательности.