Виды аккумулятор: Характеристики автомобильного аккумулятора

Кислотные и щелочные
Батареи часто классифицируют по типу электролита, используемого в их конструкции. Есть три общие классификации; кислая, слабокислая и щелочная.
Кислотные батареи часто используют серную кислоту в качестве основного компонента электролита. Автомобильные аккумуляторы имеют кислотную основу. Электролит, используемый в слабокислотных батареях, гораздо менее агрессивен, чем обычные кислотные батареи, и обычно включает в себя множество солей, которые производят желаемый уровень кислотности.Недорогие бытовые батареи — это умеренно кислотные батареи.
В щелочных батареях в качестве основного компонента электролита обычно используется гидроксид натрия или гидроксид калия. Щелочные батареи часто используются в приложениях, где требуется длительный срок службы и высокая мощность, например, в сотовых телефонах, портативных проигрывателях компакт-дисков и радиоприемниках, пейджерах и камерах со вспышками.
Влажные и сухие
«Влажные» элементы относятся к гальваническим элементам, в которых электролит имеет жидкую форму и может свободно течь внутри корпуса элемента.Влажные батареи часто чувствительны к ориентации батареи. Например, если влажная ячейка ориентирована так, что вокруг одного из электродов скапливается газовый карман, ячейка не будет производить ток. Большинство автомобильных аккумуляторов представляют собой влажные элементы.
«Сухие» элементы — это элементы, в которых используется твердый или порошкообразный электролит. Такие электролиты используют влажность воздуха из окружающей среды для завершения химического процесса. Элементы с жидким электролитом можно классифицировать как «сухие», если электролит иммобилизован каким-либо механизмом, например, путем его гелеобразования или удерживания на месте абсорбирующим веществом, таким как бумага.
В общем, «сухие» батареи обычно относятся к цинково-угольным элементам (раздел 2.3.1) или цинк-щелочно-марганцевым элементам (раздел 2.3.2), где электролит часто желатинируется или удерживается. помещается впитывающей бумагой.
Некоторые клетки сложно классифицировать. Например, один тип элемента предназначен для длительного хранения без электролита. Непосредственно перед потреблением энергии от ячейки добавляется жидкий электролит.
Категории
Батареи можно дополнительно классифицировать по их предполагаемому использованию.В следующих разделах обсуждаются четыре общие категории батарей; «автомобильные» аккумуляторы, «бытовые» аккумуляторы, «специальные» аккумуляторы и «прочие» аккумуляторы. В каждом разделе основное внимание уделяется общим свойствам батареи данной категории. Обратите внимание, что некоторые типы батарей (кислотные или щелочные, влажные или сухие) можно разделить на несколько категорий. В данном руководстве типы батарей помещены в категорию в
которые, скорее всего, будут использоваться в коммерческих целях.
Автомобильные аккумуляторы
В этом разделе обсуждаются типы и конфигурации аккумуляторов, которые обычно используются в транспортных средствах.В эту категорию могут входить батареи, которые напрямую приводят в действие электродвигатели, или батареи, обеспечивающие пусковую энергию для двигателей внутреннего сгорания. Эта категория также будет включать большие стационарные батареи, используемые в качестве источников питания для аварийного освещения зданий, электроснабжения удаленных объектов и резервного копирования компьютеров. Автомобильные аккумуляторы обычно доступны в стандартном исполнении или могут быть
специально созданный для конкретных приложений.
Свинцово-кислотные батареи, разработанные в конце 1800-х годов, были первыми коммерчески практичными батареями.Батареи этого типа остаются популярными, потому что они относительно недороги в производстве. Свинцово-кислотные аккумуляторы наиболее широко используются в качестве автомобильных аккумуляторов. Перезаряжаемые свинцово-кислотные батареи доступны с 1950-х годов и стали наиболее широко используемым типом аккумуляторов в мире, более чем в 20 раз превышающим уровень использования ближайших конкурентов. На самом деле аккумулятор
производство является самым крупным потребителем свинца в мире1. Уравнение 1 показывает химическую реакцию в свинцово-кислотном элементе.
PbO2 + Pb + 2h3SO4> 2PbSO4 + 2h3O
Свинцово-кислотные батареи остаются популярными, потому что они могут производить высокие или низкие токи в широком диапазоне температур, имеют хороший срок хранения и жизненные циклы, а также относительно недороги в производстве и покупке. . Свинцово-кислотные батареи обычно перезаряжаемые.
Производство аккумуляторов является крупнейшим в мире потребителем свинца. Свинцово-кислотные батареи бывают самых разных форм и размеров, от бытовых батарей до больших батарей для использования на подводных лодках.Наиболее заметными недостатками свинцово-кислотных аккумуляторов являются их относительно большой вес и падение напряжения при разряде (п. 3.5).
Герметичные и затопленные
В «затопленных» аккумуляторах кислород, создаваемый на положительном электроде, выделяется из элемента и выбрасывается в атмосферу. Точно так же водород, образующийся на отрицательном электроде, также выбрасывается в атмосферу. Общий результат — чистая потеря воды (h3O) из ячейки. Эту потерянную воду необходимо периодически заменять.Залитые батареи необходимо удалить, чтобы предотвратить образование избыточного давления из-за скопления этих газов. Кроме того, помещение или корпус, в котором находится аккумулятор
необходимо удалить воздух, так как концентрация концентрированного водорода и кислорода взрывоопасна.
Однако в герметичных батареях образующийся кислород химически соединяется со свинцом, затем с водородом на отрицательном электроде, а затем снова с реактивными агентами в электролите, чтобы воссоздать воду. Конечный результат — отсутствие значительной потери воды из ячейки.
Батареи глубокого разряда
Батареи глубокого разряда имеют конфигурации, аналогичные конфигурациям обычных батарей, за исключением того, что они специально разработаны для длительного использования, а не для коротких периодов использования с последующим коротким периодом утилизации. Термин «глубокий цикл» чаще всего применяется к свинцово-кислотным аккумуляторам. Аккумуляторы глубокого разряда требуют более длительного времени зарядки с более низким уровнем тока, чем для обычных аккумуляторов.
В качестве примера, типичный автомобильный аккумулятор обычно используется для обеспечения короткой и интенсивной подачи электричества на стартер автомобиля.Затем аккумулятор быстро перезаряжается электрической системой автомобиля во время работы двигателя. Типичный автомобильный аккумулятор не является аккумулятором глубокого разряда. С другой стороны, ожидается, что батарея, обеспечивающая питание транспортного средства для отдыха (RV), будет питать фары, мелкую бытовую технику и другую электронику в течение длительного периода времени.
время, даже когда двигатель RV не работает. Аккумуляторы глубокого разряда больше подходят для этого типа непрерывного использования.
Категории аккумуляторов для автомобильных аккумуляторов
Автомобильные свинцово-кислотные аккумуляторы далее сгруппированы (по типичному использованию) на три различные категории;
Запуск-зажигание-зажигание (SLI) — Как правило, эти батареи используются для коротких, быстрых и сильноточных приложений. Примером может служить автомобильный аккумулятор, который, как ожидается, будет время от времени подавать большой ток на стартер двигателя.
Тяговые — Тяговые батареи должны обеспечивать умеренную мощность в течение многих циклов глубокой разрядки. Одним из типичных способов использования тяговых аккумуляторов является обеспечение энергией небольших электромобилей, таких как тележки для гольфа. Этот тип использования батареи также называется циклическим обслуживанием.
Стационарные — Стационарные батареи должны иметь длительный срок хранения и обеспечивать при необходимости токи от умеренного до высокого.Эти батареи чаще всего используются в аварийных ситуациях. Обычно стационарные батареи используются в источниках бесперебойного питания (ИБП) и для аварийного освещения лестничных клеток и коридоров. Этот тип использования батареи также называется Standby или Float.
«Бытовые» аккумуляторы
«Бытовые» аккумуляторы — это аккумуляторы, которые в основном используются для питания небольших портативных устройств, таких как фонарики, радио, портативные компьютеры, игрушки и сотовые телефоны. В следующих подразделах описаны технологии для многих ранее использовавшихся и используемых в настоящее время типов бытовых батарей.Как правило, бытовые батареи представляют собой небольшие батареи на 1,5 В, которые можно легко купить с полки. Эти батареи бывают стандартных форм и размеров, как показано в таблице 2.
Они также могут быть изготовлены по индивидуальному заказу и отформованы так, чтобы соответствовать батарейному отсеку любого размера (например, чтобы поместиться внутри сотового телефона, видеокамеры или портативного компьютера). Большая часть остальной части этого руководства будет посвящена конструкции, характеристикам и использованию бытовых батарей.

Различные популярные размеры бытовых аккумуляторов
Размер Форма и размеры Напряжение
D Цилиндрический, 61.Высота 5 мм, диаметр 34,2 мм. 1,5 В
C Цилиндрический, высота 50,0 мм, диаметр 26,2 мм. 1,5 В
AA Цилиндрический, высота 50,5 мм, диаметр 14,5 мм. 1,5 В
AAA Цилиндрический, высота 44,5 мм, диаметр 10,5 мм. 1,5 В
9 В Прямоугольный, 48,5 мм в высоту, 26,5 мм в ширину, 17,5 мм в глубину. 9 В
Примечание. Доступны бытовые батареи трех других стандартных размеров: AAAA, N и 6-вольтовые (фонарные). Подсчитано, что 90% портативных устройств с батарейным питанием требуют батарейки размера AA, C или D.

Цинк-углеродные (Z-C)
Цинк-углеродные элементы, также известные как «элементы Лекланча», широко используются из-за их относительно низкой стоимости. Уравнение ниже показывает химическую реакцию в ячейке Лекланча.
Zn + 2MnO2 + 2Nh5Cl> Zn (Nh4) 2Cl2 + 2MnOOH
Это были первые широко доступные бытовые аккумуляторы. Цинк-углеродные элементы состоят из катода из диоксида марганца и углерода, цинкового анода и хлорида цинка (или хлорида аммония) в качестве электролита.Как правило, углеродно-цинковые элементы не являются перезаряжаемыми, и они имеют наклонную кривую разряда (т.е. уровень напряжения уменьшается относительно величины разряда). Цинк-угольные элементы будут вырабатывать 1,5 В, и они в основном используются для некритических применений, таких как небольшое домашнее хозяйство.
такие устройства, как фонарики и портативные личные радиоприемники. Одним из заметных недостатков такого типа батарей является то, что внешний защитный кожух батареи сделан из цинка. Кожух служит анодом для элемента, и в некоторых случаях, если анод не окисляется равномерно, в кожухе могут образоваться отверстия, которые допускают утечку слабокислого электролита, что может повредить устройство, на которое подается питание.
Цинк-марганцевые щелочные элементы («Щелочные батареи»)
Когда в обычной угольно-цинковой батарее используется щелочной электролит вместо слабокислотного электролита, он называется «щелочной» батареей. Срок службы щелочной батареи в 5-6 раз больше, чем у угольно-цинковой батареи. По оценкам одного производителя, 30% бытовых батарей, продаваемых сегодня в мире, представляют собой цинково-марганцевые (то есть щелочные) батареи. Как и угольно-цинковые батареи, щелочные батареи обычно не перезаряжаются.
Никель-кадмиевые (Ni-Cd)
Никель-кадмиевые элементы являются наиболее часто используемыми перезаряжаемыми бытовыми батареями. Они полезны для питания небольших приборов, например садовых инструментов и сотовых телефонов. Основной гальванический элемент в никель-кадмиевой батарее содержит кадмиевый анод, катод из гидроксида никеля и щелочной электролит. Уравнение ниже показывает химическую реакцию в Ni-Cd элементе.
Cd + 2h3O + 2NiOOH> 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2
Батареи, изготовленные из никель-кадмиевых элементов, обладают высокими токами при относительно постоянном напряжении и устойчивы к физическому насилию.Никель-кадмиевые батареи также терпимы к неэффективному циклическому использованию. Если Ni-Cd аккумулятор потерял память (раздел 3.4), несколько циклов разрядки и подзарядки часто могут восстановить почти «полную» память аккумулятора.
К сожалению, никель-кадмиевая технология относительно дорога. Кадмий — дорогой металл и ядовит. Недавние постановления, ограничивающие удаление отработанного кадмия (при производстве элементов или при утилизации использованных батарей), способствовали увеличению затрат на производство и использование этих батарей. Однако у этих увеличенных затрат есть одно неожиданное преимущество: переработка и повторное использование многих компонентов никель-кадмиевой батареи более рентабельна, чем переработка.
компоненты других типов аккумуляторов. Некоторые крупные производители аккумуляторов являются лидерами в таких усилиях по переработке.
Никель-металлогидрид (Ni-MH)
Разработчики батарей исследовали несколько других типов металлов, которые можно было бы использовать вместо кадмия для создания высокоэнергетических вторичных батарей, компактных и недорогих.Никель-металл-гидридная ячейка — широко используемая альтернатива. Анод Ni-MH элемента изготовлен из сплава металлов-аккумуляторов водорода, катод — из оксида никеля, а электролит — из раствора гидроксида калия. По словам одного производителя, никель-металлгидридные элементы могут служить на 40% дольше, чем такие же.
никель-кадмиевые элементы и будут иметь срок службы до 600 циклов5. Это делает их полезными для устройств с высоким энергопотреблением, таких как портативные компьютеры, сотовые телефоны и видеокамеры. Ni-MH аккумуляторы обладают высокой скоростью саморазряда и относительно дороги в покупке.
Никель-железо (Ni-I)
Никель-железные элементы, также известные как батареи Эдисона, намного дешевле в изготовлении и утилизации, чем никель-кадмиевые элементы. Никель-железные элементы были разработаны еще до никель-кадмиевых элементов. Элементы прочные и надежные, но не заряжаются очень эффективно. Они широко используются в промышленных условиях и в Восточной Европе, где железо и никель легко доступны и недороги.
Никель-цинк (Ni-Z)
Другой альтернативой использованию кадмиевых электродов является использование цинковых электродов.Хотя никель-цинковый элемент дает многообещающую выходную мощность, элемент имеет некоторые досадные ограничения производительности, которые не позволяют аккумулятору иметь полезный срок службы более 200 циклов зарядки или около того. При перезарядке никель-цинковых элементов цинк не осаждается повторно в тех же «отверстиях» на аноде, которые образовались во время разряда. Вместо этого цинк переотлагается несколько случайным образом,
деформация электрода. Со временем это приводит к физическому ослаблению и возможному выходу из строя электрода.
Литий и ионно-литиевый
Литий — многообещающий реагент в аккумуляторной технологии из-за его высокой электроположительности. Удельная энергия некоторых литиевых элементов может быть в пять раз больше, чем у свинцово-кислотных элементов того же размера, и в три раза больше, чем у щелочных батарей.6 Литиевые элементы часто имеют пусковое напряжение 3,0 В. Эти характеристики означают батареи, которые они легче по весу, имеют более низкие затраты на использование и имеют более высокие и стабильные профили напряжения.Уравнение
ниже показана химическая реакция в литиевом элементе одного типа.
Li + MnO2> LiMnO2
Литий воспламеняется или взрывается при контакте с водой. К сожалению, та же особенность, которая делает литий привлекательным для использования в батареях, обладает высоким электрохимическим потенциалом, также может вызвать серьезные трудности при производстве и использовании таких батарей. Многие неорганические компоненты батареи и ее корпуса разрушаются ионами лития, и при контакте с водой литий будет реагировать с образованием огромных объемов водорода, который может воспламениться или создать избыточное давление.
в камере.Многие огнетушители изготовлены на водной основе и могут привести к катастрофическим результатам при использовании с литиевыми продуктами. Если известно, что литий находится в пределах очага пожара, необходимо использовать специальные огнетушители класса D. Литий также имеет относительно низкую температуру плавления для металла 180 ° C (356 ° F). Если литий плавится, он может напрямую контактировать с катодом, вызывая бурные химические реакции.
Некоторые производители добились успеха с литий-железным сульфидом, литий-марганцевым диоксидом, литий-углеродным монофторидом, литий-кобальтовым оксидом и литий-тиониловыми элементами.Признавая потенциальную опасность литиевых компонентов, производители литиевых батарей предприняли значительные шаги по добавлению к батареям средств безопасности, чтобы гарантировать их безопасное использование. Литиевые первичные батареи (небольших размеров по соображениям безопасности) в настоящее время продаются для использования во флэш-памяти.
фотоаппараты и память компьютера. Литиевые батареи могут служить в три раза дольше, чем щелочные батареи того же размера. Но поскольку стоимость литиевых батарей может в три раза превышать стоимость щелочных батарей, рентабельность использования литиевых батарей незначительна.
Литиевые батарейки размером с таблетку становятся популярными для использования в резервных копиях памяти компьютеров, в калькуляторах и часах. В таких приложениях, как эти, где замена батареи затруднена, более длительный срок службы литиевой батареи делает ее желательным выбором. Одна компания теперь производит вторичные литий-ионные батареи с напряжением 3,7 В, что «в четыре раза превышает плотность энергии никель-кадмиевых аккумуляторов», «в пять раз меньше веса никель-кадмиевых аккумуляторов», и их можно заряжать 500 раз. В
Обычно вторичные (перезаряжаемые) литий-ионные батареи обладают хорошими характеристиками высокой мощности, отличным сроком хранения и более длительным сроком службы, чем никель-кадмиевые батареи. К сожалению, они имеют очень высокую начальную стоимость, а общая энергия, доступная за цикл использования, несколько меньше, чем у никель-кадмиевых батарей.
Специальные батарейки («кнопочные» и миниатюрные батарейки)
«Кнопочные» батарейки — это прозвище, данное категории батарей, которые имеют небольшую форму и имеют форму монеты или пуговицы. Обычно они используются для небольших устройств, таких как фотоаппараты, калькуляторы и электронные часы.
Миниатюрные батарейки — это очень маленькие батарейки, которые могут быть изготовлены на заказ для таких устройств, как слуховые аппараты и электронные «жучки», где даже кнопочные батарейки могут быть слишком большими.Стандартизация отрасли привела к появлению от 5 до 10 стандартных типов миниатюрных батареек, которые используются во всей индустрии слуховых аппаратов. Вместе кнопочные батарейки и миниатюрные батарейки называются специальными батареями.
Для большинства кнопочных и миниатюрных батарей требуется очень высокая плотность энергии, чтобы компенсировать их небольшой размер. Высокая плотность энергии достигается за счет использования очень электроположительных и дорогих металлов, таких как серебро или ртуть. Эти металлы недостаточно экономичны, чтобы их можно было использовать в более крупных батареях.

В следующих разделах описаны несколько составов специальных аккумуляторов.
Металло-воздушные элементы
Очень практичный способ получить высокую плотность энергии в гальваническом элементе — это использовать кислород воздуха в качестве «жидкого» катода. В качестве анода используется металл, например цинк или алюминий. Кислородный катод восстанавливается в части ячейки, которая физически изолирована от анода. При использовании газового катода для анода и электролита остается больше места, поэтому размер ячейки может быть очень маленьким, обеспечивая при этом хороший выход энергии.Небольшие металлические воздушные ячейки доступны для
такие приложения, как слуховые аппараты, часы и тайные устройства для прослушивания.
Металлические воздушные ячейки, однако, имеют некоторые технические недостатки. Трудно построить и поддерживать ячейку, в которой кислород, действующий как катод, полностью изолирован от анода. Кроме того, поскольку электролит находится в прямом контакте с воздухом, примерно через 1–3 месяца после активации электролит станет слишком сухим, чтобы химическая реакция продолжилась.Чтобы предотвратить преждевременное высыхание ячеек, на каждую ячейку во время изготовления устанавливается пломба. Эта печать
должен быть удален покупателем перед первым использованием ячейки. В качестве альтернативы производитель может предоставить аккумулятор в герметичной упаковке.
Оксид серебра
В элементах с оксидом серебра в качестве катода используется оксид серебра, в качестве анода — цинк, а в качестве электролита — гидроксид калия. Элементы с оксидом серебра имеют умеренно высокую плотность энергии и относительно плоский профиль напряжения.В результате их можно легко использовать для создания специальных батарей. Элементы из оксида серебра могут обеспечивать более высокие токи в течение более длительных периодов времени, чем большинство других специальных аккумуляторов, например, разработанные по технологии металл-воздух. Из-за высокой стоимости серебра оксид серебра
технология в настоящее время ограничена использованием в специальных батареях.
Оксид ртути
Элементы с оксидом ртути сконструированы с цинковым анодом, катодом из оксида ртути и гидроксидом калия или гидроксидом натрия в качестве электролита.Элементы из оксида ртути имеют высокую плотность энергии и плоский профиль напряжения, напоминающий профиль плотности энергии и напряжения элементов из оксида серебра. Эти элементы на основе оксида ртути также идеально подходят для производства специальных аккумуляторов. Компонент ртути, к сожалению, относительно дорог, и его утилизация создает проблемы для окружающей среды.
Другие аккумуляторы
В этом разделе описывается технология аккумуляторов, которая недостаточно развита, чтобы быть доступной в готовом виде, имеет особые ограничения на использование или по другим причинам нецелесообразна для общего использования.
Никель-водородные (Ni-H)
Никель-водородные элементы были разработаны для космической программы США. При определенных давлениях и температурах водород (который, что удивительно, классифицируется как щелочной металл) может использоваться в качестве активного электрода, противоположного никелю. Хотя в этих элементах используется экологически привлекательная технология, относительно узкий диапазон условий, в которых они могут использоваться, в сочетании с прискорбной летучестью водорода ограничивает долгосрочные перспективы этих элементов для наземного использования.
использует.
Тепловые батареи
Тепловые батареи — это высокотемпературные первичные батареи с расплавом солей. При температуре окружающей среды электролит представляет собой твердую непроводящую неорганическую соль. Когда от батареи требуется питание, внутренний пиротехнический источник тепла воспламеняется для расплавления твердого электролита, что позволяет электрохимически вырабатывать электричество в течение периодов от нескольких секунд до часа. Термобатареи полностью инертны до тех пор, пока не расплавится электролит, и поэтому имеют отличную
срок годности, не требует обслуживания и может выдерживать физическое насилие (например, вибрацию или удары) между использованием.
Тепловые батареи могут генерировать напряжение от 1,5 до 3,3 В в зависимости от конструкции батареи. Из-за их прочной конструкции и отсутствия требований к техническому обслуживанию они чаще всего используются для военных целей, таких как ракеты, торпеды и космические миссии, а также для аварийных ситуаций, таких как на самолетах или подводных лодках.
Высокие рабочие температуры и короткий срок службы тепловых батарей ограничивают их использование в военных и других крупных учреждениях.