Акумулятори

Основні види акумуляторних батарей

- свинцево-кислотні

- нікель-кадмієві (варіант – нікель-залізні метал-гидридні)

- літієві

Назви відображають відмінності активних матеріалів в конструкції. Свинцево-кислотні – зі свинцевими пластинами і кислотним електролітом, у нікель-кадмієвих – одна пластина містить нікель, а інша – кадмій (іноді залізо), електролітом тут виступає луг. В літієвих батареях застосовується твердий електроліт, а у вигляді електродів – літій (негативний потенціал) та інші матеріали (нерідко полімерного походження).

Ключові параметри акумуляторів:

- напруга елемента, яке може змінюватися в межах від 1 до 3,6 Ст.

- ємність (запас енергії, який може живити навантаження з певною силою струму протягом певного часу, вимірюється в ампер-годинах – Ач).

- кількість циклів заряду-розряду, що прямо пов'язано з терміном служби АКБ.

- діапазон робочих температур, глибина розряду, значення струмів заряду і розряду.

Найпоширеніші акумулятори на сьогоднішній день – це свинцево-кислотні (СК). Вони характеризуються відносною простотою і доступністю. При виготовленні СК використовуються відносно недорогі матеріали: свинець в якості електродів і розчин сірчаної кислоти. Стандартний елемент має напругу 2 В, а діапазон ємностей АКБ варіюється в діапазоні від часток Ач до тисяч Ач. Такі АКБ широко застосовуються в якості стартерних в автомобілі. Промислові моделі зазвичай відрізняються за виконанням і характеристиками.

Нікель-кадмієві (ПК) акумулятори відносяться до групи лужних. Тут одна пластина містить гідроксид кадмію, інша – гідроксид нікелю. Активний матеріал у вигляді порошку запресований у пластини, що представляють собою гратчасту або перфоровану структуру Перфорація забезпечує обмін зарядами через електроліт. Втім, бувають і інші варіанти конструкції, наприклад, з так званими «спечені електродами».

Акумулятори ПК відрізняються високою надійністю. Одне з головних їхніх переваг – низька чутливість до перепадів температур вони перевершують свинцево-кислотні. Тому для роботи в особливих кліматичних умовах, низьких і високих температурах вибираються саме НК. Вони невибагливі, не бояться глибокого розряду, перезаряду, вони не можуть раптово вийти з ладу, що іноді трапляється з акумуляторами СК. Як наслідок, і термін служби добре зроблених ПК помітно перевершує стандартний термін служби для СК у півтора-два рази – 15-25 років проти 5-10-ти.

Літієві батареї, перш відомі головним чином по батареям в мобільних телефонах або в ноутбуках. Раніше в серйозних потужних системах літій-іонні акумулятори не застосовувалися через дорожнечу. Однак в останні кілька років все рішуче змінилося. По-перше, літієві батареї майже однакові за вартістю з традиційними АКБ (з ПК практично зрівнялися, і лише вдвічі дорожче СК). А по-друге, як з'ясувалося, літій-іонні (точніше, літій-залізо-фосфатні) акумулятори перевершують всі інші по всім статтям. Який параметр не візьми, будь то температурний діапазон, ресурс служби, стійкість до глибоких розрядів – скрізь вони кращі. Додамо сюди ще кращий показник питомої енергії запасається, тобто максимальний запас енергії в мінімальному обсязі – і стане ясно, що за цими АКБ майбутнє. Сьогодні вони в основному використовуються в електромобілях, але вже поступово завойовують місце і в інших сферах. Особливо цікаво напрямок альтернативної енергетики.

Ємність АКБ зазвичай прив'язують до часу, тому на виробі можна зустріти позначення: 5, 10 або 20. Найбільшу абсолютну ємність АКБ мають при тривалому розряді в стаціонарному режимі. Ємність при віддачі за короткий час менше.

Значення ємності багато в чому залежить від температури експлуатації. Номінальна ємність нормується для кімнатної температури, при підвищенні температури ємність зростає, при зниженні – знижується, причому дуже швидко, експоненціально (уповільнення хімічних процесів). Скажімо, на нульовій температурної позначки в залежності від струму ємність може впасти на 50-70% для різних типів АКБ. Найбільш чутливі в цьому плані свинцево-кислотні АКБ: робочий температурний діапазон для них – від -30 до +40°С, а самі стійкі нікель-кадмієві та літієві – від -40-50 до + 50-60°С. Перевищення цих норм, особливо в бік тепла, призводить до різкого скорочення терміну служби.

Ємність залежить від тривалості заряду, і у кожної АКБ такий час задано. Зазвичай вони заряджаються кілька годин, наприклад, свинцево-кислотні залежно способу заряду можуть заряджатися від 8 до 48 годин. Нікель-кадмієві можна зарядити до 90% за кілька годин, а літієвим для повного заряду вистачить і години (а для деяких типів літієвих батарей – і 20 хвилин).

Строк служби. Зазвичай за норму приймається розрахунковий термін служби в АКБ в режимі буферного підзаряду (коли акумулятор постійно підключений до джерела постійного струму). Тобто вони періодично знаходяться в цьому режимі і іноді, від випадку до випадку розряджаються. У свинцево-кислотних, наприклад, такий строк становить 3-5 років, але може бути і 10-15, у найбільш просунутих – 8-20 років, є й інші, які служать ще більше. Все залежить від виконання АКБ, від технологи і, від складу активних матеріалів, від якості матеріалу, добавок. Чистота матеріалу – це дуже важливий фактор, оскільки перероблений свинець рафінувати до безкінечності неможливо, змінюється структура матеріалу, і термін служби різко знижується. На жаль, в Україні така продукція може іноді зустрічатися.

Найбільш довговічні АКБ свинцево-кислотного типу – це АКБ суцільного свинцю. Так звані елементи Планте, або як їх зараз називають GroE, можуть бути і 20, і 30 років.

Гелеві або так звані AGM батареї. У них простір між пластинами заповнюється пористим губчастим речовиною, зазвичай це стеклокапиллярный матеріал, серветка з скловолокна, яка насичується електролітом (тільки електроліт тут більш рідкий). За рахунок довгого шляху, який кисню і водню потрібно пройти по лабіринтах цієї губки, рекомбінація виходить ще ефектніше, ніж в гелі. Ось чому ці АКБ і називаються AGM – Absorbent Glass Mat, або абсорбція в скловолоконному матеріалі.

 

Гелеві АКБ мають досить сильний плюс – більший циклічний ресурс. Якщо говорити про глибокому розряді, то гелеві глибокого заряду і розряду можуть забезпечити вдвічі, а то і втричі більше циклів. Гелеві можуть мати 500-600 циклів, a AGM – 250-300 (є винятки), причому пристрою приблизно одного рівня за якістю. З-за свого потенціалу циклічності гелеві АКБ і коштують дорожче. Їх бажано застосовувати в системах, що мають стаціонарний тривалий розряд, і точно так само неспішно можуть заряджатися, тому що заряд великим струмом веде до їх руйнування.

Літієві батареї застосовуються вже не тільки в електромобілях, але і телекомунікації, джерела безперебійного живлення, системах резервного живлення і в альтернативній енергетиці, де потрібен великий циклічний ресурс батарей.

Термін служби літієвих батарей на сьогодні на позначці 15 років. У свинцево-кислотних очікуваний строк служби, у батарей середньої ємності, 30-300 Ач, – 10-12 років. Але в реальних умовах, з поправкою на умови експлуатації, з урахуванням людського фактора, цей строк служби зазвичай 7-8 років. У літій-іонних – 15.

Циклічний ресурс у свинцево-кислотних, найкращих, найбільш поширених, зазвичай в межах декількох сотень циклів глибокого розряду, максимум 600-700. У літієвих батарей – 4000 циклів.

Літієві батареї абсолютно іншого типу, ніж СК. По-перше, вони керовані на програмному рівні, вони не можуть працювати без блоку управління BMS. По суті, це комп'ютер, який відстежує всі параметри, стежить за зарядкою, припиняє розряд, фіксує параметри опору – і все це транслює на монітор. Звичайні батареї – це взагалі чорний ящик, там важко навіть визначити, з якої причини батарея вийшла з ладу, чому втратила ємність. Тут же ми всі бачимо, можемо подивитися історію, скільки циклів розряду пройшла батарея.