Международные универсальные коды переработки батарей и аккумуляторов
Электрический аккумулятор — вторичный химический источник тока многоразового действия, который может быть вновь заряжен после разряда. Для заряда аккумулятора электрический ток пропускается в направлении, обратном направлению тока при разряде.
Используется для циклического накопления энергии (заряд-разряд) и автономной работы электротехнических устройств и оборудования либо непосредственно, либо в составе источников бесперебойного электропитания или систем накопления электроэнергии.
Наибольшее распространение получили литийионные, свинцово-кислотные, литий-железо-фосфатные (LFP) и никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы.
Значение и употребление слова В подавляющем большинстве контекстов «аккумулятор» относится к электрическому аккумулятору — вторичному химическому источнику тока, который способен к многократным циклам электрохимической зарядки и разрядки. Он функционирует путем преобразования электрической энергии в химическую энергию в процессе зарядки и последующего обратного преобразования химической энергии в электрическую при разрядке.
Термин «аккумулятор» используется для обозначения отдельного элемента: например, аккумулятор, аккумуляторная банка, аккумуляторная ячейка. Но в разговорной речи на бытовом уровне может также применяться в отношении нескольких отдельных элементов, соединённых последовательно (для увеличения напряжения) или параллельно (для увеличения силы тока и емкости) друг с другом, то есть для обозначения аккумуляторной батареи. Для параллельного соединения рекомендуется использовать аккумуляторные батареи одинаковой емкости и одинаковой модели. Однако, возможно использование разных моделей и даже разной емкости, но при этом зарядные токи будут распределяться неравномерно, что может привести к сокращению срока службы аккумуляторов. При соединении аккумуляторов последовательно они будут функционировать как одна батарея той же емкости, что и емкость одного из аккумуляторов, входящего в неё, при условии, что ёмкости равны. При этом напряжение батареи будет равно сумме напряжений каждого из составляющих батарею аккумуляторов. История
Первый прообраз аккумулятора, который, в отличие от батареи Алессандро Вольты, можно было многократно заряжать, был создан в 1803 году Иоганном Вильгельмом Риттером. Его аккумуляторная батарея представляла собой столб из пятидесяти медных кружочков, между которыми было проложено влажное сукно. После пропускания через данное устройство тока от вольтова столба оно само начинало вести себя как источник электричества.
В 1859 году Гастон Планте изобрёл свинцово-кислотную батарею — первую батарею, которую можно было заряжать, пропуская через неё противоположный ток, то есть вторичный источник тока.
Принцип действия
Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. В первичном элементе используется самопроизвольная химическая реакция. Вторичный элемент в процессе заряда функционирует как электролитическая ячейка (электролизер). В ней электрическая энергия вызывает желаемую химическую реакцию.
Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению при разряде. Два и более аккумулятора для повышения напряжения, тока, мощности или надежности могут быть гальванически соединены в аккумуляторную батарею.
Свинцово-кислотный аккумулятор
Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в растворе серной кислоты.Химическая реакция (слева направо — разряд, справа налево — заряд): Анод:
Катод:
Щелочной аккумулятор Щелочной аккумулятор — аккумулятор, получивший своё название из-за электролита, который в нём используется. В большинстве случаев это водный раствор КОН (едкий калий) или NaOH (едкий натрий). Данный вид аккумулятора имеет ряд преимуществ перед другими типами, но также имеет недостатки. Самыми распространёнными видами щелочных аккумуляторов являются никель-кадмиевые и никель-металлогидридные (также раньше был вид никель-железных аккумуляторов, в которых анодом служило металлическое железо).
Литийионный аккумулятор
Литийионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Переносчиком заряда в литийионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который внедряется (интеркалируется) в кристаллическую решетку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи (например: в графит с образованием LiC6, оксиды (LiMO2) и соли (LiMRON) металла).
Алюминий-ионный аккумулятор
Алюминий-ионный аккумулятор состоит из металлического алюминиевого анода, катода из графита в виде пены и жидкого ионного невоспламеняющегося электролита. Батарея работает по принципу электрохимического осаждения: происходит растворение алюминия на аноде, затем в среде жидкого электролита анионы хлоралюмината интеркалируют в графит. Количество возможных перезарядок батареи — более 7,5 тыс. циклов без потери мощности.
Сравнение аккумуляторов ПараметрСвинцово-кислотныеNi-CdNi-MHLi-IonКобальт литиевыеЛитий-марганцевыеЛитий-ферро-фосфатныеУдельная плотность энергии, Вт⋅ч/кг30–5045–8060–120150–190100–13590–120Внутреннее сопротивление1 (мОм)Жизненный цикл4 (80% разряда)200–30010003300–500500–1000500–10001000–2000Время быстрой зарядки, ч8–16~12–42–4<1<1Терпимость к перезарядкеВысокаяСредняяНизкаяНизкая. Не переносят постоянную перезарядкуСаморазрядка/месяц (при комнатной температуре), %5%20%530%5<10%6Номинальное напряжение, В21,271,273,683,883,38Напряжение отсечки при зарядке (В/элемент, 1С)2,25–2,44,23,6Напряжение отсечки при разрядке (В/элемент, 1С)1,751,002,5–3,02,8Пиковый ток нагрузки5С920С5С>3C>30C>30CТемпература зарядки, °С -20...+500...+450...+4510Температура разрядки, °С -20...+50 -20...+65 -20...+60Требования к обслуживанию3–6 месяцев11 (подзарядка)30–60 дней (разрядка)60–90 дней (разрядка)Не требуетсяТребования к безопасноститермически стабильныТермически стабильны. Обычно используются термопредохранителиОбязательный защитный контур12Начало использованияконец XIX века19501990199119961999 1 Внутреннее сопротивление аккумуляторов зависит от величины миллиампер-часов (мА·ч), проводки и количества элементов. Контур защиты литийионных батарей добавляет около 100 mΩ.
2 Типоразмер элемента 18650. Размер элемента и дизайн определяет внутреннее сопротивление.
3 Жизненный цикл у батарей, проходящих регулярное техническое обслуживание.
4 Жизненный цикл зависит от величины разряда. Меньшая величина разряда повышает срок службы.
5 Самая большая скорость саморазряда — сразу после заряда. Ni-Cd-аккумулятор теряет 10 % заряда в течение первых 24 часов, затем скорость потери заряда снижается до 10 % за каждые 30 дней. Высокая температура увеличивает саморазряд.
6 Защитный контур, как правило, потребляет 3 % от запасенной энергии в месяц.
7 Чаще используется традиционное напряжение 1,25, 1,2 В.
8 Низкое внутреннее сопротивление уменьшает падение напряжения под нагрузкой и литийионные аккумуляторы часто имеют маркировку с большим значением, чем 3,6 В/элемент. Элементы с маркировкой 3,7 В и 3,8 В полностью совместимы с 3,6 В.
9 Способен выдерживать большой импульс тока нагрузки, но нужно время для восстановления.
10 Регулярная зарядка литийионных аккумуляторов при температуре ниже нуля вредна.
11 Техническое обслуживание, такое как балансировка или подзарядка, для предотвращения сульфатации.
12 Для большинства типов литийионных систем отсечка происходит, если напряжение меньше, чем 2,20 В и больше, чем 4,30 В, другие значения напряжения применяются для литий-феррофосфатных аккумуляторов. Характеристики
Ёмкость аккумулятора
За ёмкость аккумулятора чаще всего принимают количество электричества, равное 1 Кл, при силе тока 1 А в течение 1 с (при переводе времени в часы получаем 1 А·ч=3600 Кл). Однако принимают, а не измеряют. Существует распространенное заблуждение, что ёмкость аккумулятора измеряется в А·ч, это не совсем так: 1 А·с=1 Кл или 1 А·ч=3600 Кл, и этой величиной измеряется количество электричества или электрический заряд; по формуле , где - количество электричества или электрический заряд, — сила тока, — время протекания электрического тока. Например, обозначение «12 В на 55 А·ч» означает, что аккумулятор выдаёт количество электричества 198 кКл (килокулон) по какому-либо контуру, при токе разряда 55 А за 1 ч (3600 с) до порогового напряжения 10,8 В. Расчёт показывает, что при токе разряда в 255 А аккумулятор разрядится за 12,9 минуты. Как видно, 55 А·ч — это не ёмкость (электрическая ёмкость измеряется в Фарадах, 1 Ф= 1 Кл/В).
Поэтому на аккумуляторе написано количество электричества Q, которое он выдаёт при определённом токе разряда и определённом времени его разряда, например, для автомобильных аккумуляторов указывают номинальную ёмкость (C, Capacity) при тестовом 20-часовом, около суток, режиме разряда (C20).
Плотность энергии
Плотность энергии — количество энергии на единицу объёма или единицу массы аккумулятора.
Саморазряд Саморазряд — это потеря аккумулятором заряда после полной зарядки при отсутствии нагрузки. Саморазряд проявляется по-разному у разных типов аккумуляторов, но всегда максимален в первые часы после заряда, а после — замедляется.
Для Ni-Cd аккумуляторов считают допустимым не более 10 % саморазряда за первые 24 часа после проведения зарядки. Для Ni-MH саморазряд чуть меньше. У Li-Ion он крайне мал и значительно себя проявляет только в течение нескольких месяцев после зарядки.
В свинцово-кислотных герметичных аккумуляторах саморазряд составляет около 40 % за 1 год хранения при 20 °С, 15 % — при 5 °С. Если температуры хранения более высокие, то саморазряд возрастает: батареи при 40 °С теряют 40 % ёмкости всего за 4–5 месяцев.
Температурный режим Следует беречь аккумуляторы от огня и воды, чрезмерного нагревания и охлаждения, резких перепадов температур.
Как правило, для большинства аккумуляторов существует ограничение не при температурах выше +50 °С и ниже -25 °С. При эксплуатации аккумулятора в условиях «холодной зимы» рекомендуется его снимать и хранить в тёплом помещении. Нарушение температурного режима может привести к сокращению срока службы или потере работоспособности.
Изветстно, что натрий-ионные аккумуляторы могут эффективно работать при низких температурах до - 40 °С.
Тип аккумулятора Тип аккумулятора определяется используемыми материалами. Различают следующие:
Cn-Po — графен-полимерный аккумулятор. La-Ft — лантан-фторидный аккумулятор. Li-Ion — литийионный аккумулятор (3,2-4,2 В), общее обозначение для всех литиевых аккумуляторов. Li-Co — литий-кобальтовый аккумулятор, (3,6 В), на базе LiCoO2, технология в процессе освоения. Li-Po — литий-полимерный аккумулятор (3,7 В), полимер в качестве электролита. Li-Ft — литий-фторный аккумулятор. Li-Mn — литий-марганцевый аккумулятор (3,6 В) на базе LiMn2O4.
LiFeP или LFP — литий-железно-фосфатный аккумулятор (3,3 В) на базе LiFePO4. LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатный (добавка иттрия для улучшения свойств). Li-Ti — литий-титанатный аккумулятор (2,3 В) на базе Li4Ti5О12. Li-Cl — литий-хлорный аккумулятор (3,99 В). Li-S — литий-серный аккумулятор (2,2 В). LMPo — литий-металл-полимерный аккумулятор. Fe-air — железо-воздушный аккумулятор. Na/NiCl — никель-солевой аккумулятор (2,58 В). Na-S — натрий-серный аккумулятор, (2 В), высокотемпературный аккумулятор. Ni-Cd — никель-кадмиевый аккумулятор (1,2 В). Ni-Fe — железо-никелевый аккумулятор (1,2-1,9 В). Ni-H2 — никель-водородный аккумулятор (1,5 В). Ni-MH — никель-металл-гидридный аккумулятор (1,2 В). Ni-Zn — никель-цинковый аккумулятор (1,65 В). Pb — свинцово-кислотный аккумулятор (2 В). Pb-H — свинцово-водородный аккумулятор. Ag-Zn — серебряно-цинковый аккумулятор (1,85 В).