Аккумуляторы: виды и происхождение
Никель-металлогидридные аккумуляторы
Основные процессы Ni-MH аккумуляторов
Конструкция Ni-MH аккумуляторов
Зарядка Ni-MH аккумулятора
Достоинства и недостатки Ni-MH аккумуляторов
Хранение и эксплуатация Ni-MH аккумуляторов
Производители и перспективность НМ-аккумуляторов
Навигация
Аккумуляторы: виды и происхождение
Никель-металлогидридные аккумуляторы
56035
знаков
2
таблицы
9
изображений
2. Аккумуляторы: виды и происхождение
Лидирующее положение на рынке по производству аккумуляторов занимает Япония, Тайвань, Китай, Южная Корея, и они постоянно увеличивают масштабы своего «скромного» присутствия на мировом рынке.
На рынке сегодня присутствуют десятки различных конструкций аккумуляторов, и каждая фирма-изготовитель старается достичь оптимального сочетания характеристик — высокой емкости, малых размеров и веса, работоспособности в широком температурном диапазоне и в экстремальных условиях.
В то же время исследования показывают, что более 65% пользователей мобильной и портативной техники хотят иметь еще более емкие аккумуляторы, и они готовы заплатить немалые деньги за возможность пользоваться «машинкой» (или телефоном) в течение нескольких дней без подзарядки. Именно поэтому в большинстве случаев, требуется покупка более емкой батареи, чем идущая в комплекте.
По электрохимической системе аккумуляторы делятся на несколько видов:
- свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid, SLA);
- никель-кадмиевые (Ni-Cd);
- никель-металлогидридные (Ni-MH);
- литий-ионные (Li-Ion);
- литий-полимерные (Li-Pol);
- топливные.
В современной портативной электронике свинцовые аккумуляторы уже не используются, поэтому мы начнем наш экскурс с никелевых батарей, все еще применяемых в аккумуляторах для фотоаппаратов, ноутбуков, видеокамер и других устройств.
Родоначальником никелевых аккумуляторов были никель-кадмиевые (Ni-Cd) батареи, изобретенные еще в далеком 1899 году шведским ученым Вальдемаром Юнгнером (Waldmar Jungner). Принцип их работы заключался в том, что никель выступает в качестве положительного электрода (катода), а кадмий в качестве отрицательного (анода). На первых порах это был открытый аккумулятор, в котором кислород, выделяющийся во время заряда, уходил прямиком в атмосферу, что мешало созданию герметичного корпуса и, вкупе с дороговизной необходимых материалов, заметно притормозило начало массового производства.
C 1932 года предпринимались попытки возобновить эксперименты. В то время была предложена идея введения внутрь пористого пластинчатого никелевого электрода из активных металлов, которые обеспечили бы лучшее движение зарядов и значительно снизили бы стоимость производства аккумуляторов.
Но только после второй мировой войны (в 1947 году) разработчики пришли к почти современной схеме герметичных Ni-Cd аккумуляторов. При такой конструкции внутренние газы, выделяющиеся во время заряда поглощались не прореагировавшей частью катода, а не выпускались наружу, как в предыдущих вариантах.
Если по каким-либо причинам (превышение зарядного тока, понижение температуры) скорость анодного образования кислорода окажется выше скорости его катодной ионизации, то резкое повышение внутреннего давления может привести к взрыву аккумулятора. Для предотвращения этого корпус батареи изготавливается из стали, а иногда даже имеется предохранительный клапан.
С тех пор конструкция Ni-Cd батарей существенных изменений не претерпела (рисунок 2).
Рисунок 2 - Строение Ni-Cd аккумулятора
Основу любого аккумулятора составляют положительный и отрицательный электроды. В данной схеме положительный электрод (катод) содержит гидрооксид никеля NiOOH с графитовым порошком (5-8%), а отрицательный (анод) — металлический кадмий Cd в виде порошка.
Аккумуляторы этого типа часто называют рулонными, так как электроды скатаны в цилиндр (рулон) вместе с разделяющим слоем, помещены в металлический корпус и залиты электролитом. Разделитель (сепаратор), увлажненный электролитом, изолирует пластины друг от друга. Он изготавливается из нетканого материала, который должен быть устойчив к воздействию щелочи. Электролитом чаще всего выступает гидрооксид калия KOH с добавкой гидроксида лития LiOH, способствующего образованию никелатов лития и увеличения емкости на 20%.
Рисунок 3 - Напряжение на аккумуляторе во время заряда или разряда, в зависимости от текущего уровня зарядки.
Во время разрядки активные никель и кадмий трансформируются в гидрооксиды Ni(OH)2 и Cd(OH)2.
К основным преимуществам Ni-Cd аккумуляторов относятся:
- низкая стоимость;
- работа в широком температурном диапазоне и устойчивость к ее перепадам (например, Ni-Cd аккумуляторы могут заряжаться при отрицательной температуре, что делает их незаменимыми при работе в условиях крайнего севера);
- они могут отдавать в нагрузку значительно больший ток, чем другие виды аккумуляторов;
- устойчивость к большим токам заряда и разряда;
- относительно короткое время заряда;
- большое количество циклов «заряда-разряда» (при правильной эксплуатации они выдерживают более 1000 циклов);
- легко восстанавливаются после длительного хранения.
Недостатки Ni-Cd аккумуляторов:
- наличие эффекта памяти — если регулярно ставить не до конца разряженный аккумулятор на зарядку, его емкость будет снижаться за счет роста кристаллов на поверхности пластин и других физико-химических процессов. Чтобы аккумулятор не «отдал концы» раньше времени, хотя бы раз в месяц его необходимо «тренировать», о чем сказано чуть ниже;
- кадмий — очень токсичное вещество, поэтому производство Ni-Cd аккумуляторов плохо сказывается на экологии. Также возникают проблемы с переработкой и утилизацией самих аккумуляторов.
- низкая удельная емкость;
- большой вес и габариты по сравнению с другими типами аккумуляторов при одинаковой емкости;
- высокий саморазряд (после заряда за первые 24 часа работы теряют до 10%, а за месяц — до 20% запасенной энергии).
Рисунок 4 - Саморазряд Ni-Cd аккумуляторов
В настоящее время число выпускаемых Ni-Cd аккумуляторов стремительно сокращается, им на смену пришли, в частности, Ni-MH батареи.
Похожие работы
... много вариантов ТХИТ, в которых механическое соединение элементов не применяется, а сборка получается просто при прессовании всех ее компонентов. 3. Конструктивное исполнение электродов во вторичных химических источниках тока 3.1. Свинцовые аккумуляторы и батареи Стартерные батареи. Конструкция и параметры. Конструктивно стартерные АБ различаются незначительно. Схема их устройства ...
... на водородное топливо и электрохимические генераторы на основе использования топливных элементов (ТЭ). Водородные топливные элементы считаются будущим мировой энергетики благодаря своей эффективности и экологической безопасности. Использование водорода в качестве основного энергоносителя приведет к созданию принципиально новой водородной экономики, станет научно-техническим прорывом, сравнимым ...
... чаще всего к росту металлического перенапряжения. Значительное его повышение наблюдается в присутствии поверхностно-активных катионов типа тетразамещенного аммония. Высокая чувствительность процесса электроосаждения металлов к чистоте растворов указывает на то, что присутствие не только электролитов, но и любых веществ, особенно обладающих поверхностно-активными свойствами, должно играть здесь ...
... обладают серебряно-цинковые элементы Ag-Zn, но они чрезвычайно дороги, а значит, экономически неэффективны. В настоящее время известно более 40 различных типов портативных гальванических элементов, называемых в быту «сухими батарейками». 2. Электрические аккумуляторы Электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ)— перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока ...
0 комментариев