Батарея — это совокупность одной или нескольких ячеек, которые вступают в химические реакции, создавая поток электронов внутри цепи. В настоящее время в области аккумуляторных технологий ведется множество исследований и разработок, и в результате во всем мире испытываются и используются революционные технологии. Батареи появились в связи с необходимостью хранить вырабатываемую электрическую энергию. Несмотря на то, что вырабатывалось достаточное количество энергии, было важно хранить ее, чтобы ее можно было использовать в случае прекращения выработки или когда возникает необходимость питать автономные устройства, которые нельзя держать привязанными к электросети. Здесь следует отметить, что в батареях можно хранить только постоянный ток, переменный ток в них хранить нельзя.

Аккумуляторные элементы обычно состоят из трех основных компонентов:

1. Анод (отрицательный электрод).
2. Катод (положительный электрод).
3. Электролиты.

Анод — это отрицательный электрод, который производит электроны во внешнюю цепь, к которой подключена батарея. Когда батареи подключены, на аноде инициируется накопление электронов, что вызывает разность потенциалов между двумя электродами. Затем электроны, естественно, пытаются перераспределиться, этому препятствует электролит, поэтому, когда электрическая цепь подключена, она обеспечивает свободный путь для движения электронов от анода к катоду, тем самым питая цепь, к которой она подключена. Изменяя конструкцию и материал, используемый для изготовления анода, катода и электролита, мы можем добиться множества различных типов химического состава батарей, что позволяет нам разрабатывать различные типы аккумуляторных элементов. В этой статье мы разберемся с различными типами батарей и их использованием , поэтому давайте начнем.

Типы батарей

Батареи обычно можно разделить на различные категории и типы, в зависимости от химического состава, размера, форм-фактора и вариантов использования, но под всеми ними выделяются два основных типа батарей:

1. Первичные батареи.
2. Вторичные батареи.

Давайте посмотрим глубже, чтобы понять основные различия между этими типами батарей. 

Первичные батареи

Первичные батареи — это батареи, которые после разрядки невозможно перезарядить. Первичные батареи состоят из электрохимических элементов, электрохимическая реакция которых не может быть обращена вспять.

Первичные батарейки существуют в различных формах: от батарей типа «таблетка» до батарей типа АА . Они обычно используются в автономных приложениях, где зарядка нецелесообразна или невозможна. Хорошим примером этого являются устройства военного уровня и оборудование с батарейным питанием. Использовать аккумуляторные батареи будет непрактично, так как о подзарядке батареи солдаты будут думать в последнюю очередь. Первичные батареи всегда имеют высокую удельную энергию, а системы, в которых они используются, всегда рассчитаны на потребление небольшого количества энергии, чтобы батарея прослужила как можно дольше.

Некоторые другие примеры устройств, использующих первичные батареи: кардиостимуляторы, трекеры для животных, наручные часы, пульты дистанционного управления, детские игрушки и т.п.

Самым популярным типом первичных батарей являются щелочные батареи. Они обладают высокой удельной энергией, экологически безопасны, экономичны и не протекают даже при полной разрядке. Они могут храниться в течение нескольких лет, имеют хорошие показатели безопасности и могут перевозиться на самолете, не подпадая под действие транспортных и других правил ООН. Единственным недостатком щелочных батарей является низкий ток нагрузки, что ограничивает их использование устройствами с низкими требованиями к току, такими как пульты дистанционного управления, фонарики и портативные развлекательные устройства.

Вторичные батареи

Аккумуляторные батареи — это батареи с гальваническими элементами, химические реакции которых можно обратить вспять, подав на батарею определенное напряжение в обратном направлении. Вторичные элементы , также называемые перезаряжаемыми батареями или аккумуляторами, в отличие от первичных элементов, могут заряжаться после того, как энергия батареи израсходована.

Они обычно используются в приложениях с высоким потреблением энергии и в других сценариях, где использование однозарядных батарей будет либо слишком дорогим, либо непрактичным. Вторичные батареи малой емкости используются для питания портативных электронных устройств, таких как мобильные телефоны и другие гаджеты и приборы, в то время как батареи большой емкости используются для питания различных электромобилей и других приложений с высоким потреблением энергии, таких как выравнивание нагрузки при выработке электроэнергии. Они также используются в качестве автономных источников питания вместе с инверторами для подачи электроэнергии . Хотя первоначальная стоимость приобретения перезаряжаемых батарей всегда намного выше, чем стоимость первичных батарей, они являются наиболее экономически эффективными в долгосрочной перспективе.

Вторичные батареи можно разделить на несколько других типов в зависимости от их химического состава. Это очень важно, поскольку химический состав определяет некоторые характеристики батареи, включая ее удельную энергию, срок службы, срок хранения и цену, и это лишь некоторые из них.

Ниже приведены различные типы часто используемых  аккумуляторов:

1. Литий-ионный(Li-ионный).
2. Никель-кадмий (Ni-Cd).
3. Никель-металлогидридный (Ni-MH).
4. Свинцово-кислотные.

Рассмотрим каждый из этих типов более подробно.

1. Никель-кадмиевые аккумуляторы

Никель-кадмиевая батарея (NiCd или NiCad) — это тип аккумуляторной батареи, в которой в качестве электродов используются гидроксид оксида никеля и металлический кадмий. Ni-Cd аккумуляторы превосходно поддерживают напряжение и заряд, когда они не используются. Однако никель-кадмиевые аккумуляторы легко становятся жертвой ужасного эффекта «памяти», когда частично заряженный аккумулятор перезаряжается, что снижает будущую емкость аккумулятора.

По сравнению с другими типами перезаряжаемых элементов, Ni-Cd батареи имеют хороший срок службы и производительность при низких температурах, а также достаточную емкость, но их наиболее важным преимуществом будет способность обеспечивать полную номинальную емкость при высоких скоростях разряда. Они доступны в различных размерах, включая размеры, используемые для щелочных батарей, от AAA до D. Ni-Cd элементы используются индивидуально или собраны в блоки из двух или более элементов. Небольшие аккумуляторы используются в портативных устройствах, электронике и игрушках, а более крупные — в стартовых аккумуляторах самолетов, электромобилях и резервных источниках питания.

Основные свойства никель-кадмиевых аккумуляторов:

• Удельная энергия: 40-60 Вт-ч/кг.
• Плотность энергии: 50–150 Втч/л.
• Удельная мощность: 150 Вт/кг.
• Эффективность зарядки/разрядки: 70-90%.
• Скорость саморазряда: 10%/месяц.
• Количество циклов перезарядки: 2000.

2. Никель-металлогидридные аккумуляторы

Никель-металлогидрид (Ni-MH) — это еще один тип химической конфигурации, используемый для перезаряжаемых батарей. Химическая реакция на положительном электроде батарей аналогична реакции в никель-кадмиевых элементах (NiCd), причем в обоих типах батарей используется один и тот же гидроксид оксида никеля (NiOOH). Однако в отрицательных электродах из никель-металлогидридного материала используется сплав, поглощающий водород, вместо кадмия, который используется в NiCd батареях.

NiMH аккумуляторы находят применение в устройствах с высоким потреблением энергии из-за их высокой емкости и плотности энергии. NiMH аккумулятор может иметь емкость в два-три раза большую, чем NiCd аккумулятор того же размера, а его плотность энергии может приближаться к плотности энергии литий-ионного аккумулятора. В отличие от NiCd-химии, NiMH-аккумуляторы не подвержены эффекту «памяти», свойственному NiCad.

Основные свойства батарей на основе никель-металлогидридной химии:

• Удельная энергия: 60-120ч/кг.
• Плотность энергии: 140–300 Втч/л.
• Удельная мощность: 250-1000 Вт/кг.
• Эффективность зарядки/разрядки: 66% - 92%.
• Скорость саморазряда: 1,3-2,9%/месяц при 20 ^o C.
• Количество циклов перезарядки: 180-2000.

3. Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы – один из самых популярных типов аккумуляторных батарей. Существует множество различных типов литиевых батарей, но среди всех наиболее часто используются литий-ионные. Вы можете обнаружить, что эти литиевые батареи в различных формах широко используются в электромобилях и других портативных гаджетах. Они встречаются в различных портативных устройствах, включая мобильные телефоны, интеллектуальные устройства и некоторые другие аккумуляторные устройства, используемые дома. Они также находят применение в аэрокосмической и военной промышленности благодаря своему легкому весу.

Литий-ионные батареи — это тип перезаряжаемой батареи, в которой ионы лития с отрицательного электрода мигрируют к положительному электроду во время разрядки и мигрируют обратно к отрицательному электроду, когда батарея заряжается. В литий-ионных батареях в качестве материала электрода используется интеркалированное соединение лития, по сравнению с металлическим литием, используемым в неперезаряжаемых литиевых батареях.

Литий-ионные аккумуляторы обычно обладают высокой плотностью энергии, незначительным эффектом памяти или его отсутствием и низким саморазрядом по сравнению с другими типами аккумуляторов. Их химический состав, а также производительность и стоимость различаются в зависимости от варианта использования, например, литий-ионные аккумуляторы, используемые в портативных электронных устройствах, обычно основаны на оксиде лития-кобальта (LiCoO2), который обеспечивает высокую плотность энергии и низкие риски безопасности при повреждении, когда литий-ионные аккумуляторы батареи на основе литий-железо-фосфата, которые имеют меньшую плотность энергии, более безопасны из-за снижения вероятности возникновения нежелательных событий и широко используются в электроинструментах и ​​медицинском оборудовании. Литий-ионные батареи обеспечивают лучшее соотношение производительности и веса, а литий-серная батарея имеет самое высокое соотношение этих параметров.

Основные характеристики литий-ионных аккумуляторов:

• Удельная энергия: 100-265 Вт-ч/кг.
• Плотность энергии: 250-693 Втч/л.
• Удельная мощность: 250-340 Вт/кг.
• Процент заряда/разряда: 80-90%.
• Долговечность: 400-1200 циклов.
• Номинальное напряжение элемента: NMC 3,6/3,85 В.

4. Свинцово-кислотные аккумуляторы

Свинцово-кислотные аккумуляторы — это недорогая и надежная рабочая лошадка, используемая в тяжелых условиях. Они обычно очень большие и из-за своего веса всегда используются в непереносных устройствах, таких как хранение энергии на солнечных панелях, зажигание и освещение транспортных средств, резервное питание и выравнивание нагрузки при выработке/распределении электроэнергии. Свинцово-кислотные аккумуляторы — старейший тип аккумуляторной батареи, который до сих пор очень актуален и важен в современном мире. Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют очень низкое соотношение энергии к объему и энергии к весу, но имеют относительно большое соотношение мощности к весу и, как следствие, при необходимости могут выдавать огромные импульсные токи. Эти характеристики наряду с низкой стоимостью делают эти батареи привлекательными для использования в ряде сильноточных приложений, таких как питание автомобильных стартеров и для хранения в резервных источниках питания.

У каждой из рассмотренных батарей есть своя область наилучшего применения, и следующий рисунок может помочь вам сделать выбор между ними.

Выбор подходящей батареи

Одной из основных проблем, препятствующих таким технологическим революциям, как интернет вещей, является мощность, срок службы батареи влияет на успешное развертывание устройств, которым требуется длительный срок службы батареи, и хотя для продления срока службы батареи применяется несколько методов управления питанием, все равно необходимо выбирать совместимую батарею для достижения желаемого результата.

Ниже приведены некоторые факторы, которые следует учитывать при выборе правильного типа батареи для вашего проекта.

1. Плотность энергии  — это общее количество энергии, которое может быть сохранено на единицу массы или объема. Это определяет, как долго ваше устройство будет оставаться включенным, прежде чем ему потребуется подзарядка.

2. Плотность мощности: максимальная скорость разряда энергии на единицу массы или объема. Низкое энергопотребление: ноутбук, iPod. Высокая мощность: электроинструменты.

3. Безопасность. Важно учитывать температуру, при которой будет работать создаваемое вами устройство. При высоких температурах некоторые компоненты батареи разрушаются и могут подвергаться экзотермическим реакциям. Высокие температуры обычно снижают производительность большинства аккумуляторов.

4. Долговечность жизненного цикла. Стабильность плотности энергии и плотности мощности батареи при повторяющихся циклических циклах (зарядка и разрядка) необходима для длительного срока службы батареи, необходимого для большинства приложений.

5. Стоимость - является важной частью любых инженерных решений, которые вы будете принимать. Важно, чтобы стоимость выбранного вами аккумулятора была соизмерима с его производительностью и не приводила к чрезмерному увеличению общей стоимости проекта.

148 просмотров