Аккумуляторы : консервы из электричества

Митилино С. Аккумуляторы : консервы из электричества // Компьютерное обозрение. 2001 . №20. C. 24-28

2Pb + O2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O.

Конечно, когда-нибудь и этой реакции придет конец, но для таких случаев и существует выпускной клапан.Свинцовые батареи отличаются большей массой, низкой электрической плотностью и коротким сроком эксплуатации (200, максимум 500 циклов). Что привлекает покупателей, так это высокое напряжение элемента (6 или 12 В), низкая цена и неприхотливость SLA. У них отсутствует эффект памяти, а скорость саморазрядки не превышает 40% в год. Хранить их следует только в заряженном состоянии, поскольку при глубоком разряде начинается процесс сульфитации, значительно ухудшающий показатели батареи. Относительно недавно SLA-аккумуляторы можно было заряжать исключительно с помощью метода медленной зарядки (6--12 ч). Однако в последних моделях (в частности, Panasonic) возможно использование и быстрого режима (1--2 ч). Диапазон допустимых температур для зарядки от 0 до +40 ?C, для разрядки от --15 до +50 ?C.Свинцовые батареи находят применение в самом разнообразном портативном оборудовании, в том числе в профессиональных видеокамерах и мощных сотовых телефонах класса "Атташе" (перевозятся в кейсах или встраиваются в автомобиль).

Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd)

Щелочные аккумуляторы,содержащие никель, пожалуй, наиболее популярны сегодня. Во всяком случае, среди производителей и покупателей мобильных телефонов, карманных ПК и ноутбуков. Никель-кадмиевые батареи были изобретены еще 1899 г. Вальдмаром Джунгнером (Waldmar Jungner). На пути к широкому внедрению они прошли все этапы эволюции, которые преодолели в свое время и свинцовые аккумуляторы. Вначале выделяющийся во время зарядки на положительном электроде кислород мешал созданию герметического корпуса, однако в 1947 г. инженеры додумались сделать отрицательный электрод больше положительного -- теперь весь газ поглощается непрореагировавшей его частью. На случай, если процесс зарядки затянется на непредвиденно долгое время, в конструкции аккумулятора обычно предусмотрен предохранительный клапан, который выпустит излишек кислорода из корпуса. Однако, как несложно догадаться, "выхлоп" будет мало похож на "дуновение зефира", и вместе с газом выплеснется солидная порция щелочного электролита, что не слишком хорошо для устройства, в котором установлена батарея. Основными ее элементами являются положительный и отрицательный электроды, свернутые в цилиндр вместе с разделяющим слоем, помещенные в металлический корпус и залитые электролитом. Положительный электрод содержит гидрооксид никеля (NiOOH), а отрицательный -- кадмий в составе компаунда. Разделяющий слой по традиции изготовлен из нетканого материала, устойчивого к воздействию щелочи. Во время разрядки активные никель- и кадмийсодержащие компоненты электродов трансформируются в соответствующие гидрооксиды -- Ni(OH)2 и Cd(OH)2. Щелочной электролит не участвует в реакции.Скорость саморазрядки -- одно из наиболее слабых мест NiCd-батареи. Потеря заряда достигает 10% за первые сутки, а затем по 10% в месяц. Но здесь потребителя подстерегает коварная двойственность природы никель-кадмиевого химического процесса. С одной стороны, нельзя допускать глубокого разряда аккумулятора (т. е. снижения выходного напряжения ниже предела, обозначенного в паспорте устройства), но с другой -- заряжать его раньше, чем он достигнет этой границы, -- себе навредить. Ставший уже притчей во языцех "эффект памяти" приведет к потере остаточной емкости, иначе говоря, емкости, сохранившейся на момент начала зарядки. Эффект обусловлен появлением кристаллических образований на кадмиевом электроде, что ведет к уменьшению его полезной площади. Чтобы избежать этого, всегда необходимо проводить полную разрядку аккумулятора. Производители вообще советуют ежемесячно выполнять так называемые восстановительные циклы (несколько полных разрядок/зарядок). Соблюдая эти нехитрые, хотя и довольно утомительные правила эксплуатации, вы сможете продлить срок службы никель-кадмиевого аккумулятора с гарантированных 500--1000 и более циклов. Учитывая его невысокую стоимость, с экономической точки зрения -- это весьма выгодный вариант.Напряжение одного никель-кадмиевого элемента всего 1 В, поэтому их собирают в батареи. Рекомендуемая сила тока разрядки 0,1--0,5 [mA* емкость аккумулятора]. Плотность энергии ~60 Вт?ч/кг. Температурный диапазон зарядки: от 0 до +45 ?C, разрядки -- от --20 до +65 ?C. Допускается быстрая зарядка.

Никельметаллгидридные аккумуляторы (NiMH)

Разрабатывались с целью заменысвоих несовершенных никель-кадмиевых собратьев, однако далеко не все задуманное удалось. По конструкции никельметаллгидридные батареи, как вы понимаете, чрезвычайно похожи на своих предшественников.Однако на этот раз отрицательный электрод изготовляется из сплавов, поглощающих водород. Эти двухкомпонентные сплавы были открыты более 20 лет назад и способны связывать объемы водорода в тысячи раз больше собственного. Металлы, входящие в состав материала, принято обозначать буквами A и B, а все возможные комбинации классифицируют по соотношению компонентов, например AB, AB2, A2B, AB5 и т. д. В настоящий момент наилучшими считаются варианты AB2 (TiNi2, ZnMn2) и AB5 (например, LaNi5). В частности, сплавы, относящиеся к последнему типу, используются в продукции Matsushita Electric, которой принадлежит торговая марка Panasonic. Щелочной электролит по-прежнему не принимает участия в реакции, основывающейся на перемещении ионов водорода между электродами. В ходе зарядки гидрооксид никеля (Ni(OH)2) превращается в оксигидрит (NiOOH), отдавая водород сплаву отрицательного электрода. Поглощение водорода не является изотермической реакцией, поэтому металлы для сплава всегда подбирают таким образом, чтобы один из них при связывании газа выделял тепло, а другой, наоборот, поглощал. В теории это должно было обеспечить тепловой баланс, тем не менее никельметаллгидридные аккумуляторы греются существенно сильнее, нежели никель-кадмиевые. Не увеличился и срок службы: для нового типа, как и для старого, он равняется 500 циклам. Кроме того, проявляется даже эффект памяти несмотря на отсутствие кадмия. Восстановить прежнюю емкость можно выполнив цикл полной разрядки/зарядки. Саморазряд для NiMH-технологии -- особая проблема, он в 1,5--2 раза выше, чем для NiCd-аккумуляторов. Напряжение, получаемое на одном элементе, равняется 1,2 В, но рекомендуемый ток разряда всего 0,3 [mA* емкость аккумулятора].

Чего удалось достичь, так это повышения электрической плотности батареи (до ~90 Вт?ч/кг). Однако и стоимость их, соответственно, тоже больше. NiMH-аккумуляторы необходимо хранить в заряженном состоянии, не допускаются глубокая разрядка и чрезмерная зарядка. Из-за сильного нагрева многие модели поставляются со встроенной электроникой, контролирующей температуру.

Современные разработки в области совершенствования NiMH-батарей направлены, в основном, на повышение эффективности разрядки, емкости и количества рабочих циклов. Например, уже упомянутая компания Matsushita занимается активными исследованиями новых сплавов типа AB5, где в качестве компонента A используется так называемый мишметалл, состоящий из смеси нескольких редкоземельных элементов. Сингапурская компания GP Batteries International уже поставляет в коммерческих объемах никельметаллгидридные аккумуляторы без эффекта памяти и с гарантией на 1000 циклов зарядки/разрядки, которыми, в частности, уже комплектуются мобильные телефоны Micro Tac корпорации Motorola.

Ионолитиевые аккумуляторы (Li-Ion)

Наиболее совершенные и дорогие аккумуляторы -- мечта владельца мобильной техники. Основной недостаток -- ограничение срока службы по времени. Li-Ion-батарея проработает полтора или два года, и длительность ее функционирования никак не связана с количеством рабочих циклов. В качестве активного элемента используется литий, который, являясь самым легким металлом, обеспечивает наибольшую плотность электрохимического заряда (до 200 Вт?ч/кг). Она мало отличается от двух рассмотренных выше разновидностей. Отличие -- в химическом процессе. Положительный электрод изготовлен из литийкобальтоксида (LiCoO2). Во время реакции зарядки ионы лития мигрируют и связываются материалом отрицательного электрода, состоящего из углерода . В качестве электролита выступает органический растворитель. Напряжение, обеспечиваемое химическим процессом, настолько высоко (3,7 В), что обычно батарея содержит всего один элемент.Изобретенные в 1912 г. ионолитиевые аккумуляторы получили широкое распространение только десять лет назад. Проблема заключалась в дендритах -- эти древоподобные кристаллические структуры растут на поверхности литиевого электрода и после нескольких рабочих циклов достигают поверхности отрицательного электрода, что приводит к короткому замыканию и взрыву аккумулятора. В 1991 г. путем внедрения в производство литиевых сплавов специалисты корпорации Sony сумели преодолеть все трудности. И тем не менее литиевые батареи всегда снабжаются контролирующей электроникой, которая отключает элемент от нагрузки в случае аномальных значений температуры или напряжения. Вот почему владельцы таких аккумуляторов могут не беспокоиться о длительности зарядки. Мало того что ионолитиевые батареи следует хранить в заряженном состоянии, так и зарядить их сверх меры, благодаря встроенным схемам, не удастся. Допускается быстрая зарядка.

В настоящее время существуют две основные разновидности Li-Ion-батарей: графитовые и коксовые. Последние изготовляются Sony, их недостаток заключается в неравномерной кривой разрядки. Как видно из графика, использование коксового электрода приводит к резкому падению напряжения в конце цикла разрядки.Еще одно существенное преимущество ионолитиевой технологии состоит в низкой скорости саморазрядки -- всего 2--5% в месяц. Рекомендуемый ток разряда равен емкости аккумулятора, нижняя граница по напряжению -- 3 В (графит), 2,5 В (кокс). Температурный диапазон для зарядки находится между 0 и +45 ?C, разрядки -- между --20 и +60 ?C. Глубокая разрядка не допускается.В настоящее время ведутся интенсивные работы по разработке новых разновидностей ионолитиевых аккумуляторов. В частности, компания Fujifilm создала аморфный композиционный окисный материал на основе олова для изготовления отрицательных электродов. Его внедрение сулит значительное увеличение (на ~50%) и без того немалой энергетической емкости аккумуляторов этого типа, ускорение процедуры заряда, повышение эффективности разряда при низких температурах.Другая новинка, уже получившая довольно широкое распространение, -- литийполимерные (Li-Pol) аккумуляторы. Они обладают высокой пластичностью, что позволяет придавать им любую форму и наилучшим образом использовать внутреннее пространство компактных мобильных устройств. Электролит в Li-Pol-батареях -- гелевый, что исключает возможность его вытекания.

Типы зарядных устройств и методики зарядки

Для свинцово-кислотных герметических аккумуляторов существует три основных метода зарядки. Одним из лучших является метод постоянного напряжения, когда батарея заряжается путем приложения к ней напряжения 2,45 В. После того как в течение трех часов сохраняется стабильный уровень напряжения, зарядка прекращается. Считается, что этот метод позволяет добиться наибольшей эффективности работы SLA-аккумулятора. Также широко применяется метод постоянного тока/постоянного напряжения. Напряжение контролируется на уровне 2,45 В, а ток -- на уровне 0,4 [A* емкость аккумулятора]. Для быстрой зарядки предназначен двухшаговый метод постоянного напряжения. На первом этапе используется устройство для зарядки высоким напряжением: как только ток уменьшается до определенного значения, включается устройство медленной зарядки (trickle charge) с низким уровнем напряжения.

Два других способа применяются в блоках бесперебойного питания. Один из них подразумевает отключение батареи от нагрузки и медленную ее подзарядку от сети электропитания. Согласно другому аккумулятор подключают параллельно нагрузке к общему блоку питания, который обеспечивает постоянное напряжение. При этом разработчик должен позаботиться о достаточной мощности блока питания. Метод называется "плавающей зарядкой" (float charge).

Зарядку никель-кадмиевых и никельметаллгидридных аккумуляторов можно осуществлять, используя множество различных методик. Наиболее умеренный вариант -- уже упомянутая медленная зарядка, которая находит применение в блоках бесперебойного питания и выполняется малым постоянным током: 0,02--0,05 [mA * емкость аккумулятора], не имеет ограничений по времени и проводится, когда аккумулятор отключен от нагрузки. Основное ее назначение -- компенсация саморазряда (поэтому иногда носит название "компенсационно&#