Аккумуляторы: история и принципы работы
NiMh - никель-метал-гидридные аккумуляторы Еще в конце 60-ых годов 20 века ученые открыли ряд сплавов, способных связывать атомарный водород в объеме, в 1000 раз превышающем их собственный. Они получили название гидриды, а химически они обычно представляют соединения таких металлов, как цинк, литий и никель. При грамотном использовании, с помощью гидридов можно хранить достаточно водорода, чтобы использовать его в обратимых реакциях внутри аккумуляторов. Они имеют гидридный катод и никелевый анод Исследования в области технологии изготовления NiMH аккумуляторов начались в семидесятые годы и были предприняты как попытка преодоления недостатков никель–кадмиевых аккумуляторов. Однако применяемые в то время металл–гидридные соединения были нестабильны и требуемые характеристики не были достигнуты. В результате разработка NiMH аккумуляторов замедлилась. Новые металл–гидридные соединения, достаточно устойчивые для применения в аккумуляторах, были разработаны в 1980. Начиная с конца восьмидесятых годов, NiMH аккумуляторы постоянно улучшались, главным образом по плотности запасаемой энергии. Их разработчики отмечали, что для NiMH технологии имеется потенциальная возможность достижения еще более высоких плотностей энергии. Число циклов заряда/разряда для NiMH аккумуляторов примерно равно 500. Предпочтителен скорее поверхностный, чем глубокий разряд. Долговечность аккумуляторов непосредственно связана с глубиной разряда. NiMH аккумулятор по сравнению с NiCd выделяет значительно большее количество тепла во время заряда и требует более сложного алгоритма для обнаружения момента полного заряда, если не используется контроль по температуре. Большинство NiMH аккумуляторов оборудовано внутренним температурным датчиком для получения дополнительного критерия обнаружения полного заряда. Кроме того, NiMH аккумулятор не может заряжаться так быстро – время заряда обычно вдвое больше, чем у NiCD. Плавающий заряд должен быть более контролируемым, чем для NiCd аккумуляторов. Рекомендуемый ток разряда для NiMH аккумуляторов значительно меньше, чем для NiCD. Так изготовители рекомендуют ток нагрузки от 0.2C до 0.5C (от одной пятой до половины номинальной емкости). Этот недостаток не критичен, если требуемый ток нагрузки низок. Для применений, требующих высокого тока нагрузки или имеющих импульсную нагрузку, типа переносных радиостанций и мощных инструментов, рекомендуются NiCD аккумуляторы. И для NiMH и для NiCD аккумуляторов характерен приемлемо высокий саморазряд. NiCD аккумулятор теряет около 10% своей емкости в течение первых 24 часов, после чего саморазряд укладывается примерно в 10% в месяц. Саморазряд NiMH аккумуляторов – в 1.5–2 раза выше, чем у NiCD. Применение гидридных материалов, улучшающих связывание водорода для уменьшения саморазряда, обычно приводит к уменьшению емкости аккумулятора. Емкость NiMH аккумуляторов примерно на 30% больше емкости стандартного NiCD аккумулятора того же размера. NiCD элементы очень высокой емкости обеспечивают уровень емкости, близкий к емкости NiMH. Цена NiMH аккумуляторов приблизительно на 30% выше, чем NiCD. Однако цена не главная проблема, если пользователю требуется большая емкость и небольшие габариты. Для сравнения, NiCD элементы очень высокой емкости только немного выше по цене стандартных NiCD элементов. По отношению емкость/стоимость NiCD аккумуляторы очень высокой емкости – более экономичны чем NiMH.
Li-Ion - литий-ионные аккумуляторы Литий - наиболее химически активный металл. На его основе работают современные источники питания для ноутбуков. Практически все высокоплотные источники питания используют литий в силу его химических свойств. Килограмм лития способен хранить 3860 ампер-часов. Для сравнения, показатель цинка - 820, а у свинца - и вовсе 260. В зависимости от типа анода, литиевые элементы могут создавать напряжение от полутора до 3,6 вольт, что выше, чем у любых других элементов. Проблема заключалась в том, что литий слишком активен. Литий является самым легким металлом, в то же время он обладает и сильно отрицательным электрохимическим потенциалом. Благодаря этому литий характеризуется наибольшей теоретической удельной электрической энергией. Вторичные источники тока на основе лития обладают высоким разрядным напряжением и значительной емкостью. Первые работы по литиевым аккумуляторам были осуществлены Г.Н. Льюисом (G.N. Lewis) в 1912 году. Однако, только в 1970 году появились первые коммерческие экземпляры первичных литиевых источников тока. Попытки разработать перезаряжаемые литиевые источники тока предпринимались еще в 80е годы, но были неудачными из–за невозможности обеспечения приемлемого уровня безопасности при обращении с ними. В результате исследований, проведенных в 80х годах, было установлено, что в ходе циклирования источника тока с металлическим литиевым электродом, на поверхности лития формируются дендриты. Прорастание дендрита до положительного электрода и возникновение короткого замыкания внутри литиевого источника тока является причиной выхода элемента из строя. При этом температура внутри аккумулятора может достигать температуры плавления лития (180оС). В результате бурного химического взаимодействия лития с электролитом происходит взрыв. Так, большое количество литиевых аккумуляторов поставленных в Японию в 1991г., было возвращено производителям после того, как в результате взрывов элементов питания сотовых телефонов от ожогов пострадали несколько человек. Принцип работы Li-ion аккумулятора Производители батарей постарались использовать литий в виде ионов. В попытке создать безопасный источник тока на основе лития, исследования привели к замене неустойчивого при циклировании металлического лития в аккумуляторе на соединения внедрения лития в угле и оксидах переходных металлов. Таким образом, им удалось получить все полезные электрохимические качества, не связываясь с капризной металлической формой. В литий-ионных элементах ионы лития связаны молекулами других материалов.Наиболее популярными материалами для создания литий–ионных аккумуляторов в настоящее время являются графит и литийкобальтоксид (LiCoO2). В таком источнике тока в ходе заряда–разряда ионы лития переходят из одного электрода внедрения в другой и наоборот. Хотя эти электродные материалы обладает в несколько раз меньшей по сравнению с литием удельной электрической энергией, при этом аккумуляторы на их основе являются достаточно безопасными при условии соблюдения некоторых мер предосторожности в ходе заряда–разряда. В 1991, фирма Sony начала коммерческое производство литий–ионных аккумуляторов и в настоящее время является их самым крупным поставщиком. Удельные характеристики литий–ионных аккумуляторов по крайней мере вдвое превышают аналогичные показатели никель–кадмиевых аккумуляторов и хорошо характеризуют себя при работе на больших токах, что необходимо, например, при использовании данных аккумуляторов в сотовых телефонах и портативных компьютерах. Литий–ионные аккумуляторы имеют достаточно низкий саморазряд (2–5% в месяц). Для обеспечения безопасности и долговечности, каждый пакет аккумуляторов должен быть оборудован электрической схемой управления, чтобы ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время заряда и предотвратить понижение напряжения элемента при разряде ниже допустимого уровня. Кроме того, должен быть ограничен максимальный ток заряда и разряда и должна контролироваться температура элемента. При соблюдении этих предосторожностей, возможность образования металлического лития на поверхности электродов в ходе эксплуатации (что наиболее часто приводит к нежелательным последствиям), практически устранена. По материалу отрицательного электрода литий–ионные аккумуляторы можно разделить на два основных типа: - с отрицательным электродом на основе кокса (фирма Sony) - и на основе графита (большинство других изготовителей). Источники тока с отрицательным электродом на основе графита имеют более плавную разрядную кривую с резким падением напряжения в конце разряда, по сравнению с более пологой разрядной кривой аккумулятора с коксовым электродом. Поэтому, в целях получения максимально возможной емкости, конечное напряжение разряда аккумуляторов с коксовым отрицательным электродом обычно устанавливают ниже (до 2.5V), по сравнению с аккумуляторами с графитовым электродом (до 3V). Кроме того, аккумуляторы с графитовым отрицательным электродом способны обеспечить более высокий ток нагрузки и меньший нагрев во время заряда и разряда, чем аккумуляторы с коксовым отрицательным электродом. Производители непрерывно совершенствуют технологию литий–ионных аккумуляторов. Идет постоянный поиск и совершенствование материалов электродов и состава электролита. Параллельно предпринимаются усилия для повышения безопасности литий ионных аккумуляторов как на уровне отдельных источников тока, так и на уровне управляющих электрических схем. Литий–ионные аккумуляторы являются наиболее дорогими из доступных сегодня на рынке. Совершенствование технологии производства и замена оксида кобальта на менее дорогой материал может приведет к уменьшению их стоимости на 50% в течение ближайших нескольких лет. Продолжается развитие других литий–ионных технологий, о чем говорят опубликованные результаты исследований. Так, согласно данным FujiFilm, разработанный этой фирмой аморфный композиционный окисный материал на основе олова для отрицательного электрода способен обеспечить в 1,5 раза более высокую электрическую емкость по сравнению с аккумуляторами со стандартным углеродным электродом. Возможные преимущества аккумуляторов с этим материалом заключаются в большей безопасности, более быстром заряде, хороших разрядных характеристиках и высокой эффективности при низкой температуре. Недостатки на ранних этапах исследований обычно не упоминаются. Литий–ионные аккумуляторы обладают очень высокой удельной энергией. Соблюдайте осторожность при обращении и тестировании. Не допускайте короткого замыкания аккумулятора, перезаряда, разрушения, разборки, протыкания металлическими предметами, подключения в обратной полярности, не подвергайте их воздействию высоких температур. Это может нанести Вам физический ущерб.
Li-Pol - литий-полимерные аккумуляторы Это последняя новинка в литиевой технологии. Анод отделен от катода полимерной перегородкой, композитным материалом, таким как полиакрилонитрит, который содержит литиевую соль. В результате становится возможной упрощение конструкции элемента, поскольку любая утечка гелеобразного электролита невозможна. Таким образом, при одинаковой удельной плотности, литий-полимерные батареи оптимальной формы могут хранить на 22% больше энергии, чем аналогичные литий-ионные. Это достигается за счет заполнения "мертвых" объемов в углах отсека, которые остались бы неиспользованными в случае применения цилиндрической батареи. Кроме этих очевидных преимуществ, литий-полимерные элементы являются экологически безопасными и более легкими, за счет отсутствия внешнего металлического корпуса.
Источники:www.konnoc.ru www.batteryteam.ru www.3dnews.ru www.2sheds.ru www.samsungsdi.co.kr
Распечатать Переслать
