Аккумуляторы и принцип их работы

Электри́ческий  аккумуля́тор — химический источник тока многоразового действия (в отличие от гальванического элемента, химические реакции, непосредственно превращаемые в электрическую энергию в них, многократно обратимы). Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных устройств.

Принцип действия

Замена аккумуляторной батареи на электропогрузчике

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости  химической реакции. Работоспособность  аккумулятора может быть восстановлена  путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, объединенных в одну электрическую цепь, составляют аккумуля́торную батаре́ю. Ёмкость аккумуляторов обычно измеряют в ампер⋅часах.

Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала  электродов и состава электролита. Сейчас наиболее распространены следующие  аккумуляторы:

По мере исчерпания химической энергии напряжение и  ток падают, аккумулятор перестаёт  действовать. Зарядить аккумулятор (батарею  аккумуляторов) можно от любого источника  постоянного тока с бо́льшим напряжением  при ограничении тока. Стандартным  считается зарядный ток (в амперах) в 1/10 номинальной ёмкости аккумулятора (в ампер⋅часах). Многие типы аккумуляторов имеют различные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке и последующей эксплуатации, например NiMH-аккумуляторы чувствительны к перезаряду, литиевые — к переразряду, напряжению и температуре. NiCd- и NiMH-аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, заключающийся в снижении ёмкости, в случае когда зарядка осуществляется при не полностью разряженном аккумуляторе. Также эти типы аккумуляторов обладают заметным саморазрядом, то есть они постепенно теряют заряд, даже не будучи подключенными к нагрузке. Для борьбы с этим эффектом может применяться капельная подзарядка.

Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор (NiCd) — вторичный химический источник тока, в котором анодом является гидрат закиси никеля Ni(OH)₂ с графитовым порошком (около 5–8 %) , электролитом — гидроксид калия KOH плотностью 1,19-1,21 с добавкой гидроксида лития LiOH (для образования никелатов лития и увеличения ёмкости на 21–25 %), катод — гидрат закиси кадмия Cd(OH)₂ или металлический кадмий Cd (в виде порошка). ЭДС никель-кадмиевого аккумулятора около 1,37 В, удельная энергия около 45 — 65 Вт·ч/кг. В зависимости от конструкции, режима работы (длительные или короткие разряды) и чистоты применяемых материалов, срок службы составляет от 100 до 3500 циклов заряд-разряд.

Параметры

• Теоретическая энергоёмкость: 237 Вт·ч/кг.
• Удельная энергоёмкость: 45–65 Вт·ч/кг.
• Удельная энергоплотность: 50–150 Вт·ч/дм³.
• Удельная мощность: 150..500 Вт/кг.
• ЭДС = 1,37 В.
• Рабочее напряжение = 1,2 В.
• Нормальный ток зарядки = 1/4 ёмкости, время зарядки = 6 часов.
• Саморазряд: 10 % в месяц.
• Рабочая температура: −15…+40 °С.

 
В настоящее время использование  никель-кадмиевых аккумуляторов  сильно ограничено по экологическим  соображениям, поэтому они применяются  только там, где использование других систем невозможно, а именно, в приложениях, характеризующихся большими разрядными и зарядными токами. Типичный аккумулятор  для летающей модели можно зарядить за пол-часа, а разрядить за 5 минут. Благодаря очень низкому внутреннему  сопротивлению аккумулятор не нагревается  даже при зарядке большим током. Только когда аккумулятор зарядится, начинается заметный разогрев, что  и используется большинством зарядных устройств как сигнал окончания  зарядки. Никель-кадмиевые аккумуляторы стойки к перезарядке и не быстро деградируют при переразрядке. Благодаря  этому было возможно использование  этих аккумуляторов во времена, когда  об электронных контроллерах зарядки-разрядки еще и речи не было. Взрыво-пожаро безопасен, выдерживает короткие замыкания. Конструктивно все никель-кадмиевые аккумуляторы оснащены прочным герметичным корпусом, который выдерживает давление внутренних газов в тяжелых условиях эксплуатации.

В отличие  от обычных, одноразовых, элементов  питания, NiCd-аккумулятор держит напряжение «до последнего», а затем, когда  энергия аккумулятора будет исчерпана, напряжение быстро снижается. Это приводит к проблемам при использовании батарей, состоящих из большого количества элементов. Недорогой контроллер аппаратуры, использующей аккумуляторы, может "не заметить" переразряда одного элемента, в результате чего резко падает ресурс батареи в целом.

Электроды никель-кадмиевых аккумуляторов  изготавливаются как штамповкой из листа, так и прессованием из порошка. Прессованные электроды технологически дешевле и обладают более высокими показателями заявленной емкости, в  связи с чем все аккумуляторы "бытового" назначения — прессованные. Однако прессованные системы подвержены так называемому "эффекту памяти". Эффект памяти проявляется, когда аккумулятор подвергают зарядке раньше, чем он реально разрядится. В электро-химической системе аккумулятора появляется "лишний" двойной электрический слой и его напряжение снижается на 0.1В. Типичный контроллер аппарата, использующего аккумулятор, интерпретирует это снижение напряжения как разрядку батареи и сообщает, что батарея "плохая". Реального снижения энергоемкости при этом не происходит, и хороший контроллер может обеспечить полное использование емкости аккумулятора. Тем не менее, в типичном случае, контроллер побуждает пользователя производить все новые и новые циклы зарядки. А это и приводит к тому, что пользователь своими руками, из лучших побуждений, "убивает" батарею. То есть, можно сказать, что батарея выходит из строя не столько от "эффекта памяти" прессованных электродов, сколько от "эффекта беспамятства" недорогих контроллеров.

Аккумулятор, разряжаемый и заряжаемый слабыми  токами (например, в пульте дистанционного управления телевизором), быстро теряет ёмкость и пользователь считает его вышедшим из строя. Так же и аккумулятор, длительное время стоявший на подзарядке (например, в системе бесперебойного питания) потеряет емкость, хотя напряжение будет правильным. То есть, использовать никель-кадмиевый аккумулятор в буферном режиме нельзя. Тем не менее, один цикл глубокой разрядки и последующая зарядка полностью восстановят ёмкость аккумулятора.

При систематических недозарядках NiCd аккумуляторы теряют первоначальную ёмкость, но перезарядов они не боятся, а наоборот, повышают свою активность. Поэтому их лучше перезаряжать, чем недозаряжать.

При хранении NiCd аккумуляторы также теряют ёмкость, хотя и сохраняют выходное напряжение. Чтобы избежать неверной разбраковки  при снятии аккумулятора с хранения, рекомендуется хранить их в разряженном  виде, тогда после первой же зарядки  аккумулятор будет полностью  готов к использованию.

Области применения

Малогабаритные  никель-кадмиевые аккумуляторы используются в различной аппаратуре как замена стандартного гальванического элемента, особенно, если аппаратура потребляет большой ток. Так как внутреннее сопротивление никель-кадмиевого аккумулятора на порядок-два ниже , мощность выдается стабильнее и без перегрева.

Никель-кадмиевые  аккумуляторы применяются на электрокарах, трамваях и троллейбусах (для питания цепей управления), речных и морских судах. Широко применяются в авиации в качестве бортовых аккумуляторных батарей самолётов и вертолётов. Используются как источники питания для аккумуляторных шуруповёртов, винтовёртов и дрелей.

Несмотря  на развитие других электро-химических систем и ужесточение требований по экологичности, никель-кадмиевые аккумуляторы остаются безальтернативным выбором для высоконадежных решений с большой удельной мощностью, например, фонари для дайвинга.

Литература.

• Аккумуляторы // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб.: 1890—1907.
• История создания первых аккумуляторов
• Сравнение характеристик NiCd, NiMH, Lead acid, Li-ion, Li-ion polymer и alkaline аккумуляторных батарей(англ.)
• Battery University(англ.) Все о гальванических элементах и аккумуляторах.
• Аккумуляторы и аккумуляторные батареи на Dig.by
• ГОСТ 15596-82 Источники тока химические. Термины и определения
• ↑ http://auto.lenta.ru/news/2006/12/19/battery/ Американцы облегчили и уменьшили аккумуляторы
• ↑ Дасоян М. А. Современная теория свинцового аккумулятора. — Л.: «Энергия», 1975. С. 312
• ↑ Восстановление кислотных аккумуляторов переменным током
• ↑ How to Fix a 12 Volt Rechargeable Battery | eHow.com
• Хрусталёв Д. А. Аккумуляторы. М: Изумруд, 2003.