Какие бывают аккумуляторы Статья

Под электрическим аккумулятором понимают источник тока, который можно использовать неоднократно. В основе работы аккумулятора лежат химические реакции, которые являются обратимыми. То есть, происходят циклы химических реакций, которые мы называем разрядом и зарядом. Разные типы аккумуляторов имеют свои особенности, которые обуславливают определенные требования к их эксплуатации. На сегодняшний день можно сказать, что идеального типа не существует, у всех есть как достоинства, так и недостатки.

Типы аккумуляторов

В настоящее время существует несколько десятков типов аккумуляторов. О некоторых мы писали отдельные статьи и в рамках этого материала их рассматривать уже не будем: литий-ионные, свинцово-кислотные и никель-кадмиевые. Это три самых распространенных типа, которые встречаются повсеместно, особенно если говорить про литий-ионные, которыми оснащаются все компактные устройства вроде смартфонов, ноутбуков и т.д. Ниже мы рассмотрим другие типы аккумуляторов, однако не будем говорить о совсем специфических или тех, которые еще не производятся, таких как графен-полимерный или ванадиевые.

Аккумулятор

Цинк-воздушные

В цинко-воздушных аккумуляторах в качестве анода применяют газовый электрод, а в качестве электролита используют растворы гидроксида калия или хлорида цинка, а катод сделан из цинка. Ключевая особенность аккумуляторов данного типа – очень высокая энергоемкость. Однако, электролит имеет свойство быстро высыхать, поэтому этот тип аккумуляторов получил ограниченное распространение – слишком короткий срок эксплуатации. В настоящее время цинк-воздушные аккумуляторы используются преимущественно в качестве источника питания для слуховых аппаратов.

Также существуют цинк-хлорные, которые отличаются другим электродом и тоже обладают достаточно высокой энергоемкостью. У них существуют определенные недостатки, в частности хлор должен содержаться вне реакционной зоны до момента разряда. Были изобретены около 50 лет назад, работы над ними продолжаются и сегодня.

Литий-полимерные

Литий-полимерные аккумуляторы являются следующей ступенью развития литий-ионных. Здесь в качестве электролита выступает полимерный материал, такие аккумуляторы обозначаются аббревиатурой Li-pol. Отличаются низким саморазрядом, большой энергоемкостью, практически отсутствием эффекта памяти и довольно широким температурным диапазоном эксплуатации. К недостаткам относят их пожароопасность: они могут загореться при перегреве или перезаряде. Впрочем, эту проблему решили встраиванием электронного чипа, который предотвращает как перегрев, так и перезаряд, защищая аккумулятор.

Литий-полимерные аккумуляторы чаще всего можно увидеть в радиоуправляемых игрушках, электроинструментах и в электромобилях. В целом, можно сказать, что у данного типа аккумуляторов есть хорошие перспективы, однако технология все еще требует доработки. Все же появились они относительно недавно и не все недостатки устранены к настоящему моменту.

Литий-полимерный аккумулятор

Литий-железо-сульфидные

Литий-железо-сульфидные (Li-FeS) аккумуляторы появились относительно недавно. В качестве катода выступает сульфид железа, анода сплав из лития и алюминия, а электролитом служит сплав хлорд-фторида с сульфидом лития, которые находятся в матрице их оксида магния. Данный электролит является твердым. Отличаются возможностью очень быстрого заряда (до 100% за 15 минут), способны работать при низких температурах (не теряют свои свойства при температурах до -30), обладают низким саморазрядом. Но для них требуются специальные зарядные устройства, кроме того, они тяжелее, чем многие другие аккумуляторы. В настоящее время литий-железо-сульфидные аккумуляторы можно увидеть в электроинструментах и электромобилях. В целом, этот тип аккумуляторов считается достаточно перспективным, в том числе благодаря возможности отдавать большие токи.

Литий-титанатный

Литий-титанатные аккумуляторы являются одной из вариаций привычных нам литий-ионных, в которых в качестве анода применяют пентатитанат лития. Характеризуются высокой плотностью тока и возможностью быстрой зарядки. Также не теряют своих свойств при низких температурах, вплоть до -30 градусов по Цельсию. Однако они обладают низким рабочим напряжением и меньшей энергоемкостью. Из-за этого их не используют в ноутбуках, смартфонах и т.д., где крайне важна высокая энергоемкость при небольшом размере и весе. Применяют их в электромобилях, электросамокатах и в других средствах передвижения, которые работают на электричестве.

Также их рассматривают в качестве аккумуляторов в альтернативной энергетике, благодаря тому, что они обладают очень низким саморазрядом и способны хранить энергию очень долго. За месяц они теряют не более 0,6% заряда, а КПД сохранения энергии у литий-титанатных АКБ один из самых высоких – до 96%.

Литий-серные

Литий-серные аккумуляторы (Li-S) были разработаны около 15 лет назад. Отличаются низкой себестоимостью, высокой энергоемкостью, безопасностью (в том числе и с точки зрения экологии) и очень широким температурным диапазоном, при котором АКБ не теряет своих свойств. Схема похожа на устройство литий-ионного аккумулятора, однако здесь используется катод, который содержит серу.

Этот тип также можно отнести к очень перспективным, который в теории найдет широкое применение, но технологию все еще дорабатывают. У первых моделей был критический недостаток: очень короткий срок службы, которые не превышал 60 циклов разряд-заряд). Но позже были разработаны литий-серные аккумуляторы, срок жизни которых составил более 500 циклов, а самые последние модели выдерживают от 1000 до 1500, что можно назвать очень хорошим показателем. Тем не менее, работы по совершенствованию данного типа аккумуляторов все еще ведутся.

Литий-полимерный аккумулятор

Никель-солевые

Никель-солевые (Ni-NaCl) аккумуляторы используют металлический натрий в качестве катода, проволоку из никеля в качестве анода, а электролитом выступает керамический сепаратор, который делают из корунда и расплавленной соли. К их преимуществам относят высокую энергоемкость, большой ресурс службы (это относится как к циклам заряд-разряд, так и к сроку хранения), широкий температурный диапазон эксплуатации (некоторые модели способны работать при температурах до +150 градусов), невысокая стоимость. Серийное производство началось около 20 лет назад, а саму технологию никель-солевых аккумуляторов изобрели 50 лет назад.

Однако они достаточно объемные, что ограничивает сферу их применения. В настоящее время их применяют в системах связи, на железнодорожном транспорте, в автомобилях, а также в энергетике, где они выступают в качестве основного элемента накопления энергии. Отдельно отметим и то, что в никель-солевых аккумуляторах нет токсичных и ядовитых компонентов, они полностью утилизируются без применения специальных технологий.

Никель-цинковые

В никель-цинковых аккумуляторах (NiZn) в качестве анода выступает цинк, катод делают из оксида никеля, а электролитом служат гидроксиды лития и калия. Их ключевой особенностью является самое большое напряжение из всех щелочных аккумуляторов (1,6 В), а также высокая энергоемкость. Но есть и недостатки: их ресурс не слишком большой и редко превышает 350 циклов заряд-разряд. Кроме того, они отдают только 80% энергии, а также требуют особого зарядного устройства (напряжением 1,8 В). Имеют ярко выраженный эффект памяти, поэтому требуют соблюдения правил зарядки. В настоящее время не относятся к самым распространенным, а в продаже чаще всего встречаются никель-цинковые аккумуляторы форм-факторов АА и ААА. Раньше они использовались гораздо чаще, в основном в цифровых фотоаппаратах.

Это основные типы аккумуляторов, как мы писали выше, их гораздо больше, но некоторые технологии уже устарели, другие не имеют перспектив или же предназначены для совсем узких сфер применения. В целом можно сказать, что перед человечеством все еще стоит задача разработки более совершенных АКБ чем те, которые есть в настоящий момент. У любого вида есть свои недостатки, которые ограничивают их применение. Даже на примере смартфонов видно, что технологии практически подошли к своему потолку. Производители придумывают все более совершенные литий-ионные (или полимерные) аккумуляторы, но сами устройства требуют все больше и больше энергии, поэтому нельзя сказать, что есть рост времени автономной работы. Очевидно, что в будущем тенденция роста энергопотребления продолжится, что потребует разработки совершенно иных типов аккумуляторов.

Эффект памяти аккумуляторов

Эффектом памяти называют потерю емкости до определенного значения. Аккумулятор как бы «запоминает», что его не использовали полностью и при следующем цикле отдаст ток только до этого значения. Именно поэтому для некоторых типов АКБ необходимым условием эксплуатации является их полная разрядка, что позволяет предотвратить появление эффекта памяти.

Этому явлению наиболее подвержены никель-кадмивые, никель-металл-гидридные и серебряно-цинковые аккумуляторы. При их использовании соблюдение рекомендаций по эксплуатации и правильная зарядка попросту необходимы, в противном случае они могут серьезно потерять в емкости или даже полностью выйти из строя. Зачастую эффект памяти является обратимым процессом, при заряде асимметричным переменным током или при нескольких полных циклах разряд-заряд емкость восстановится, хотя и не всегда до 100%.

Относительно распространенных литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов считается, что эффекта памяти у них нет. Это ошибка, на самом деле, эффект присутствует, однако он носит такой незначительный характер, что его попросту не учитывают. Теоретические максимальные потери могут составить доли процента, что не является значительным показателем.

Емкость аккумулятора

Емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах или же миллиамер-часах. Именно последние вы и видите в характеристиках смартфонов и других устройств, которые используют АКБ (мАч или mAh). Емкость находится в зависимости от активной массы (которая накапливает энергию), а также от ее энергоемкости. Это значение нельзя привязать к времени работы, так как универсальной формулы нет, все зависит от таких факторов как: уровень потребления энергии, тип аккумулятора, условия его эксплуатации (прежде всего температурные). Те же литий-ионные АКБ используются в компактных устройствах только потому, что обладают хорошим соотношением размера и энергоемкости, но не самым лучшим.

У Li-Ion показатель удельной энергоемкости находится на уровне до 270 Втч/кг, тогда как у литий-серных 500 Втч/кг (в теории можно достигнуть 2500 Втч/кг, что будет выдающимся значением). Для сравнения, у свинцово-кислотных, которые используются в автомобилях, это максимум 40 Втч/кг (обычно это 25-30). Именно поэтому они такие тяжелые, но, с другой стороны, в автомобилях не нужно использовать аккумуляторы с более высоким значением энергоемкости так как они будут значительно дороже, а проблема веса в данном случае не влияет. А вот в электромобилях уже другая картина, там требуются гораздо большие запасы энергии, поэтому и используются АКБ с высоким показателем энергоемкости.

Интересные факты об аккумуляторах

• Некоторые типы аккумуляторных батарей, которые считаются самыми современными (AGM, гелиевые) были изобретены сто лет назад. Просто уровень технологий в те времена не позволял довести их до ума.
• Идеального аккумулятора, который подойдет для любых целей, не существует. И дело не только в его технических характеристиках, но и в цене. Именно поэтому и существует столько типов АКБ. Да, в будущем возможно создание идеальной аккумуляторной батареи, но на сегодняшний день это выглядит фантастикой.
• Понижение температуры негативно сказывается на любом типе аккумуляторов. Другое дело, что у разных типов разные температурные диапазоны, при которых они начинают терять своих характеристики вроде емкости и т.д.
• Далеко не факт, что известные (и дорогие) бренды будут лучше малоизвестных. Особенно это относится к обычным батарейкам. Помните, что покупая продукцию широко известного бренда, вы оплачиваете, в том числе и их рекламу. С другой стороны, неизвестные бренды нужно тестировать, здесь может, как повезти, так и нет. Но нередко можно увидеть картину, что характеристики малоизвестного бренда на практике хуже на 10-30%, но при этом цена ниже в 2-3 раза.
• Существует миф, согласно которому аккумуляторы и батареи нужно хранить в холодильнике, так как это продлевает срок их службы. Разумеется, это неверная информация, наоборот, этим вы можете нанести только вред. Оптимальные условия хранения – комнатная температура и сухое место. Кстати, некоторые типы аккумуляторов вообще не имеет никакого смысла покупать «про запас» так как они со временем теряют емкость.
• Первую батарею изобрел Алессандо Вольт в 1800 году. А первый аккумулятор, который можно разряжать и заряжать, появился в 1803 году, его изобрел Вильгельм Риттер.
• Затраты электроэнергии на производство аккумуляторов значительно выше, чем они отдают за весь срок своей эксплуатации, разница может быть и в 50-60 раз (зависит от типа).

Аккумуляторы типа ААА

Будущее аккумуляторов

В новостях зачастую проскакивают заголовки вида «Создан аккумулятор будущего», но зачастую журналисты слабо разбираются в сути вопроса. Создать прототип – это одно, запустить серийное производство – это совсем другое. Что такое идеальный аккумулятор и какие у него должны быть параметры?

• Очень высокая энергоемкость, что позволит хранить много энергии и при этом сохранить небольшой объем;
• Длительный срок службы, большое количество циклов разряда и заряда.
• Широкий температурный диапазон эксплуатации. Он не должен терять свои свойства при небольших отрицательных температурах, а высокие температуры не должны представлять опасности.

Это основные параметры, но также важно учитывать экологичность (наличие ядовитых и токсичных веществ, что потребует особой утилизации), безопасность, а самое главное – стоимость. Просто представим, что завтра изобретут аккумулятор для смартфона, который при аналогичном объеме будет обладать емкостью в 50 раз больше, выдерживать 10 тысяч циклов разряд-заряд и не терять характеристик при температурах до -30 градусов. Звучит здорово, но что толку, если он будет стоить, скажем, 200 тысяч рублей? Практического широкого применения он не найдет, это совершенно точно. Просто потому, что это слишком дорого для рядового потребителя.

Но это совершенно нормально, выше мы уже писали, что сегодня «вспоминают» старые технологии, дорабатывают их и выпускают новые типы аккумуляторов. Также и с принципиально новыми типами: у всех есть недостатки, на устранение которых могут потребоваться десятилетия. И если посмотреть на те перспективные виды аккумуляторов, которые появились в последнее десятилетие, сказать однозначно, какие станут массовыми, нельзя. Несомненно одно: технологии сохранения максимального количества энергии в минимальном объеме будут развиваться непрерывно, ведь это нужно всему человечеству.