Элементы для аккумулятора: Элементы питания для электроинструментов — купить аккумуляторы онлайн

Содержание

Элементы для тяговых аккумуляторов вилочных погрузчиков


Для комплектации аккумуляторных батарей любых типов техники применяются элементы тягового аккумулятора. Каждый такой элемент содержит номинальное напряжение 2V. Последовательное соединение таких элементов образует аккумулятор с напряжением 24, 48, 80V. В процессе работы некоторые тяговые элементы могут выходить из строя, но эта проблема быстро решается путем замены на новую ячейку.

Наша компания предлагает к реализации отдельные элементы для тяговых АКБ, которые избавят вас от необходимости покупать новый аккумулятор и существенно сократят расходы.

Типы тяговых элементов

  • PzS, PzB – классический тип с жидким электролитом, обеспечивающий до 1500 циклов заряда/разряда
  • PzSL – по сравнению со стандартной имеют повышенную емкость на 10-17% при тех же размерах аккумулятора
  • PzSH – новый тип батарей, в которых емкость увеличена на 20% без изменения размера аккумулятора

Элемент тяговых батарей в соответствии со своим типом имеет параметры длины, ширины, высоты и веса, отвечающие требованиям стандартов DIN. Сконструирован из компонентов высокого качества, пластины произведены по лучшим технологиям. Благодаря этому основные параметры элементов значительно улучшились: увеличились параметры емкости, улучшились показатели циклической работы, повысилась устойчивость к глубокому разряду, увеличился срок службы. К тому же новые технологии предусматривают меньшее использование свинцовых материалов для производства элементов.

Важные технические характеристики

  • продолжительный срок службы до 1500 циклов
  • обеспечение малого сопротивления и низкого уровня саморазряда благодаря высококачественным компонентам
  • высокий уровень механической прочности

Использование надежных элементов тяговых аккумуляторов поможет продлить срок службы АКБ за счет сокращения расхода энергии при эксплуатации; сократит время заряда, что будет способствовать повышению пригодности аккумулятора; снизит эксплуатационные расходы.

Мы всегда поможем приобрести элементы тяговых батарей необходимого типа и габаритных размеров, проконсультируем по вопросу технических возможностей и возможности применения, обговорим приемлемую для вас стоимость.

от одноразовых к многократно используемым

Почему места обычных солевых и щелочных батареек все чаще занимают перезаряжаемые электрические аккумуляторы? Всегда ли возможна такая замена, и как сделать правильный выбор? На эти и подобные вопросы отвечает данный материал.

Батареи электропитания образуются из отдельных элементов, соединенных, например, последовательно или параллельно, с целью получения более высокого напряжения или тока. Но поскольку в повседневной жизни термин «батарейка» часто относится даже к одному такому элементу, не будем здесь нарушать это разговорное допущение. Более важно, что существуют гальванические, или первичные (одноразовые), и вторичные (перезаряжаемые) элементы питания, называемые также электрическими аккумуляторами. Все они являются химическими источниками тока, то есть, химические реакции, протекающие в них, используются для получения электрической энергии.

Весьма упрощенно химический источник тока можно представить как два электрода (катод и анод) из разных металлов, разделенных жидким или твердым электролитом.

Нас окружает множество электронных устройств, для функционирования которых необходимы элементы питания: это пульты дистанционного управления и ручные фонарики, игровые консоли и электронные будильники, беспроводные клавиатуры и компьютерные мышки, электробритвы и радиоуправляемые игрушки и т.п. Наиболее часто в подобных девайсах используются одноразовые солевые или щелочные, более известные, как алкалиновые (alkaline — щелочной), гальванические элементы с напряжением 1,5 В. Среди основных преимуществ этих батареек обычно называют их длительное хранение и возможность использования без предварительной подготовки (зарядки) сразу после покупки.

Однако, чем больше становится электронных гаджетов c одноразовыми элементами питания, тем чаще приходится сталкиваться с ситуацией, когда батарейки внезапно «сели» (истощились) и их нужно срочно менять на новые.

В то же время массовое потребление одноразовых элементов питания наносит серьезный удар по экологии. Трудно представить, но на игровые консоли у заядлого геймера за год уходит более сотни щелочных батареек. А ведь они требуют отдельной утилизации и выкидывать вместе с общим мусором их нельзя. Куда сдавать батарейки на переработку можно узнать, например, на сайте экологического движения «Раздельный Сбор».

Всего один перезаряжаемый аккумулятор, благодаря многократному использованию, сможет заменить несколько сотен одноразовых элементов питания. При этом купить его оказывается дешевле, чем замещаемое им количество даже самых недорогих солевых батареек. Вот, например, каждая из моделей аккумуляторов Panasonic Eneloop и Varta Endless готова стать эквивалентом более двух тысяч последовательно заменяемых щелочных элементов. Действительно, 1,5-вольтовые солевые и алкалиновые батарейки во многих случаях можно без проблем поменять на никель-металлгидридные аккумуляторы (NiMH), выполненные в таком же форм-факторе — АА или ААА.

Напомним, что в ходу оказались обозначения элементов питания вовсе не по европейскому (IEC) или американскому (ANSI) стандартам. Так, щелочной элемент питания LR6 (IEC) или 24A (ANSI) чаще называют просто AA, а свою очередь, LR03 (IEC) или 15A (ANSI) – AAA. Причем в обиходе АА – это «пальчиковая» (диаметр 14,5 мм, высота 50,5 мм), а ААА — «мизинчиковая» (диаметр 10,5 мм, высота 44,5 мм) батарейка.

Но вернемся к вопросу замены одноразовых солевых и щелочных элементов никель-металлгидридными аккумуляторами, которые при всех своих недостатках, в отличие от никель-кадмиевых (NiCd), практически не страдают от «эффекта памяти», уменьшающего емкость, и не наносят такого вреда окружающей среде. Эти довольно неприхотливые источники питания, выпущенные в том числе и под знакомыми «батарейными» брендами Duracell, Energizer, GP, могут использоваться во многих электронных устройствах с разным уровнем энергопотребления. К сожалению, приборы с высоким порогом отключения, например, некоторые фотоаппараты, светодиодные вспышки, электронные весы, детские игрушки и т.п. очень капризны к уровню питающего напряжения и замещение на никель-металлгидридные аккумуляторы могут попросту «не понять». Короче говоря, рабочее напряжение никель-металлгидридного аккумулятора (1,2 В) они воспримут как истощение элемента питания и перестанут работать.

Помимо щелочных гальванических (одноразовых!) элементов встречаются и перезаряжаемые алкалиновые аккумуляторы, также обеспечивающие выходное напряжение 1,5 В. В этом случае надпись Alkaline на корпусе обязательно будет дополнена пояснением — Rechargeable. Особая конструкция корпуса перезаряжаемых марганцево-щелочных элементов RAM (Rechargeable Alkaline Manganese), первое поколение которых появилось еще в 1970-х годах, допускает пару десятков полных перезарядок, причем количество возможных циклов зависит от уровня разряда.

В особо заманчивых предложениях на площадке AliExpress речь сегодня идет о нескольких сотнях, а, например, у алкалиновых аккумуляторов под брендом Okoman вообще до тысячи циклов. Правда, похоже, что посчитано просто количество небольших «доливов» в разряженные менее чем на четверть щелочные элементы питания. Кстати, для их перезаряда необходимо применять специальные или профессиональные устройства. Алкалиновые аккумуляторы отличаются высокой степенью готовности, поскольку продаются уже заряженными, а с учетом низкого саморазряда до первого использования могут храниться довольно долго. Их рекомендуют использовать в устройствах с низким потреблением тока и периодическим характером использования, таких, например, как пульты ДУ для аудио- и видеоаппаратуры, беспроводные телефоны, погодные станции, компьютерные мышки, беспроводные клавиатуры и т.п.

А вот никель-цинковые элементы (NiZn), как часто утверждают их производители, объединяют лучшие свойства никель-металлгидридных и никель-кадмиевых аккумуляторов. Высокое номинальное напряжение (1,6 В), максимальный ресурс до 500 перезарядок и способность отдавать большие разрядные токи делают их хорошим выбором при замене одноразовых щелочных батареек, особенно когда нужны высокая мощность и продолжительность работы, например, в фотоаппаратуре, радиоуправляемых игрушках, электробритвах и т.п. Заметим, что на корпусах этих элементов значение емкости указывается не в миллиампер-часах (mAh), а более честно — в милливатт-часах (mWh), ведь напряжение-то у них выше. Чтобы получить миллиампер-часы, значение в милливатт-часах делится на напряжение (1,6 В). Например, 2 500 мВт*ч – это примерно 1 560 мА*ч.

Для регенерации NiZn-аккумуляторов требуются специальные зарядные устройства. Следует также иметь в виду появление высокого выходного напряжения (1,85-1,9 В) на клеммах сразу после полной зарядки. Отсутствие в составе NiZn-аккумуляторов токсичных веществ (по сравнению, например, c никель-кадмиевыми) предполагает более простой процесс их утилизации. В качестве примеров перезаряжаемых элементов питания с такой «электрохимией» можно привести продукцию под брендами Ansmann, BPI, Melasta, PkCell и российским Robiton.

Заменой одноразовых солевых и щелочных батареек для случая, когда требуется выходное напряжение в 1,5 В, могут также стать литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы, выгодно отличающиеся значительной емкостью и низким саморазрядом. Поскольку номинальное напряжение таких батарей обычно составляет 3,7 В, то, чтобы получить на выходе заветные 1,5 В, конструкцию аккумулятора дополняют встроенным импульсным преобразователем одного уровня постоянного напряжения в другой, более низкий (Step-Down DC/DC Converter). Кроме того, реализуют температурную защиту, а также функции предохранения от пониженного напряжения и короткого замыкания.

Примером базовой микросхемы в данном случае может служить чип LC9200D (выше на фото, справа от него — другие аналогичные решения).

Для зарядки таких аккумуляторов обычно предлагается фирменное устройство, которое подключается буквально к любому USB-порту, поскольку максимальное значение тока не превышает возможности данного интерфейса (500 мА). В качестве примеров здесь можно привести подобные элементы питания под торговыми марками Jugee и Palo.

А вот 1,5-вольтовые литий-ионные аккумуляторы под брендом Kentli существенно отличаются конструктивно – у них для заряда базового элемента питания на 3,7 В используется дополнительный контакт на торце, отделенный от анода (1,5 В) изолирующим кольцом. Разумеется, фирменное зарядное устройство для аккумуляторов АА/ААА получило дугообразные положительные электроды, которые могут соприкасаться только с дополнительными кольцевыми контактными площадками на таких аккумуляторах.

Некоторые производители перезаряжаемых элементов питания пошли еще дальше. В частности, они дополнили конструкцию литий-полимерных аккумуляторов в форм-факторах АА и ААА не только импульсным преобразователем напряжения до 1,5 В, но и схемой управления питанием. Отдельное зарядное устройство в этом случае уже не требуется.

Если на боковой поверхности корпуса типа AAA хватает места только для установки microUSB-розетки, то вот для АА-аккумуляторов используется либо такое же решение, либо вилка USB-разъема (тип А) встраивается прямо в торец корпуса со стороны анода. Так что в последнем случае для соединения с USB-розеткой на источнике тока кабель уже не нужен. Правда, к ней нельзя сразу подключить до четырех аккумуляторов, как в случае использования microUSB-разъема.

У аккумуляторов Blackube в форм-факторе АА размещение разъема microUSB на торце у анода даже запатентовано.

А вот, например, для перезаряжаемых батареек под брендами Fuvaly и Twharf и разъем оказался не нужен. Они вполне обходятся USB-кабелем с магнитными контактами-защелками, ну а на крайний случай дополняются зарядным устройством на 5 В.

Мерам безопасности у выпускаемых элементов питания крупные производители стараются уделять особое внимание. Вот, например, в аккумуляторах ARB-L14-1600U под брендом Fenix, помимо клапанов сброса давления, предусмотрено несколько уровней защиты.

Рассмотренные выше литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы отличаются практически неизменным напряжением (1,5 В) на протяжении всего цикла разряда. Помимо упомянутых брендов, подобную продукцию можно найти под торговыми марками EBL, GTF, Power Etinesan, Sorbo, Znter и т.д.

Вот, например, под российским брендом «Даджет» предлагаются литий-полимерные аккумуляторы на 1,5 В в форм-факторах AA и AAA, емкостью 1200 мА*ч и 400 мА*ч, соответственно, которые обещают до 500 циклов перезарядки. При этом полное время регенерации, которое можно отслеживать по светодиодному индикатору, составляет час-полтора. OEM-производителем аккумуляторов является компания Wenzhou Sorbo Technology (бренд Sorbo).

Надо иметь в виду, что литий-ионные и полимерные аккумуляторы, по сравнению с другими типами перезаряжаемых элементов, трудно назвать дешевыми, а уж дополненные электроникой и встроенными разъемами, тем более.

Так, под сингапурским брендом Rombica в России продаются литий-полимерные аккумуляторы на 1,5 В, выполненные к тому же в стильно оформленных корпусах AA (1300 мА*ч) и AAA (400 мА*ч). Конструкции у них одинаковые – оба корпуса с розетками microUSB на боковой поверхности рядом с анодом, поэтому в комплекте с каждым аккумулятором идет свой кабель microUSB-USB. Получившие имена собственные элементы питания Neo X2 и Neo X3 обещают аж до 3 тысяч циклов перезаряда. Вот и цена на эти аккумуляторы в разы выше, чем, например, на элементы питания «Даджет».

Кстати, покупая импортные аккумуляторы, первым делом стоит посетить сайты российских дилеров, поскольку цены у них иной раз оказываются даже ниже, чем в зарубежных интернет-магазинах.

Итак, можно резюмировать, что одноразовые 1,5-вольтовые солевые и щелочные батарейки в форм-факторах АА и ААА чаще всего без особых проблем можно заменить на никель-металлгидридные аккумуляторы таких же типоразмеров. Но вот в отдельных случаях стоит рассмотреть более дорогие решения на базе никель-цинковых (1,6 В), а также литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов (1,5 В), в том числе с прямой зарядкой от USB-портов. И не забывайте, пожалуйста, об экологии!

Тяговые литий-ионные батареи Tesla, что внутри?

Тяговые литий-ионные батареи Tesla, что внутри?

 

   Тесла Моторс является создателем поистине революционных экомобилей — электромобилей, которые не только выпускаются серийно, но и обладают уникальными показателями, позволяющими их использование буквально ежедневно. Сегодня мы заглянем внутрь тяговой аккумуляторной батареи электромобиля Tesla Model S,  узнаем, как она устроена и раскроем магию успеха этой  аккумуляторной батареи.

 

   Поставка батарей клиентам осуществляется в таких вот ящиках из ОСБ.

   Самая крупная и дорогая запчасть для Tesla Model S – блок тяговой аккумуляторной батареи.

   Блок тяговой аккумуляторной батареи находится в днище автомобиля (по сути это пол электромобиля — машины), за счёт чего Tesla Model S имеет очень низкий центр тяжести и великолепную управляемость. Батарея крепится к силовой части кузова при помощи мощных кронштейнов (см. фото ниже) или выполняет роль силовой – несущей части кузова авто.

 

 

      По данным североамериканского Агентства по защите окружающей US Environmental Protection Agency (EPA) одного заряда тяговой литий-ионной аккумуляторной батареи Tesla с номинальным напряжением 400В DC, ёмкостью 85 кВт·ч хватает на 265 миль (426 км) пробега, что позволяет преодолевать наибольшую дистанцию среди подобных электромобилей. При этом от 0 до 100 км/ч подобная машина разгоняется всего за 4,4 секунды.

 

   Секрет успеха Tesla Model S – это высокоэффективные цилиндрические литий-ионные батареи высокой энергоёмкости, поставщик базовых элементов известная японская фирма Panasonic.  Вокруг этих батарей ходит немало слухов.

                                             Один из них – это не влезай, убьёт!

   Один из владельцев и энтузиастов Tesla Model S из США решил полностью разобрать использованную батарею для Tesla Model S энергоёмкостью 85 кВт·ч, чтобы детально изучить её конструкцию. Кстати, её стоимость, как запчасти, в США составляет 12 000 USD.

   Сверху блок батареи размещено тепло и звука изоляционное покрытие, которое закрывается толстой полиэтиленовой плёнкой. Снимаем это покрытие, в виде ковра и готовимся к разборке. Для работы с батареей необходимо иметь изолированный инструмент и пользоваться резиновой обувью, и резиновыми защитными перчатками.

 

                                                                     

                                            Батарея Tesla. Разбираем!

    Тяговая аккумуляторная батарея Tesla (блок тяговой аккумуляторной батареи) состоит 16 батарейных модулей, каждый  номинальным напряжением 25В (исполнение батарейного блока — IP56). Шестнадцать батарейных модулей соединены последовательно в батарею с номинальным напряжением 400В. Каждый батарейный модуль состоит из 444 элементов (аккумуляторов) 18650 Panasonic (вес одного аккумулятора 46 г), которые соединены по схеме 6s74p (6 элементов последовательно и 74 таких групп параллельно). Всего в тяговой аккумуляторной батарее Tesla – 7104 таких элементов (аккумуляторов). Батарея защищена от окружающей среды посредством использования металлического корпуса с алюминиевой крышкой. На внутренней стороне общей алюминиевой крышки имеются пластиковые накладки, в виде плёнки. Общая алюминиевая крышка крепится винтами с металлическими, и резиновыми прокладками, которые герметизируются, дополнительно силиконовым герметиком.  Блок тяговой аккумуляторной батареи разделен на 14 отсеков, в каждом отсеке размещен батарейный модуль. В каждом отсеке сверху и снизу батарейных модулей размещены листы прессованной слюды. Листы слюды обеспечивают хорошую изоляцию батареи электрическую, и тепловую от корпуса электромобиля. Отдельно спереди батареи под своей крышкой размещены два таких же батарейных модуля. В каждом из 16 батарейных модулей имеется встроенный блок BMU, который соединён с общей системой BMS, которая управляет работой, следит за параметрами, а так же обеспечивает защиту всей аккумуляторной батареи. Общие выводные клеммы (терминал) находится в задней части блока тяговой батареи.

  

 

   До того, как полностью её разобрать, было замерено электрическое напряжение (оно составили около 313,8В), что говорит о том, что батарея разряжена, но находится в рабочем состоянии.

   Батарейные модули отличается высокой плотностью элементов (аккумуляторов) 18650 Panasonic, которые там размещены и точностью подгонки деталей. Весь процесс сборки на заводе Tesla проходит в полностью стерильном помещении, с использованием роботов, выдерживается даже определенная температура и влажность.

   Каждый батарейный модуль  состоит из 444 элементов (аккумуляторов), которые по виду крайне схожих с простыми пальчиковыми батарейками  — это литий-ионные цилиндрические аккумуляторы 18650, производства компании Panasonic. Энергоемкость каждого батарейного модуля из таких элементов составляет 5,3 кВт·ч.

   В аккумуляторах 18650 Panasonic положительный электрод — графит, а отрицательный электрод — никель, кобальт и оксид алюминия.

   Тяговая аккумуляторная батарея Tesla весит 540 кг, а её размеры равны 210 см в длину, 150 см в ширину, и 15 см в толщину. Количество энергии (5,3 кВт·ч), вырабатываемой всего одним блоком (из 16 батарейных модулей), равно количеству, производимому сотней аккумуляторов от 100 портативных компьютеров. К минусу каждого элемента (аккумулятора) в качестве соединителя припаяна проволочка (внешний токовый ограничитель), который при превышении тока (или при коротком замыкании) сгорает и защищает цепь, при этом не работает только группа (из 6 аккумуляторов), в которой был этот элемент, все остальные аккумуляторы продолжают работать.

   Тяговая аккумуляторная батарея Tesla охлаждается и подогревается с помощью жидкостной системы на основе антифриза.

   При сборке своих батарей Тесла применяет элементы (аккумуляторы), произведенные компанией Panasonic в различных странах, таких, как Индия, КНР и Мексика. Финальная доработка и размещение в корпус батарейного отсека, производятся в Соединенных Штатах. Компания Tesla предоставляет гарантийной обслуживание своей продукции (в том числе и  аккумуляторной батареи) на срок до 8 лет.

  На фото (сверху) элементы — аккумуляторы 18650 Panasonic (завальцовка у элементов со стороны плюса «+»).

  Таким образом, мы узнали, из чего состоит тяговая аккумуляторная батарея Tesla Model S.

Благодарим за внимание!

Модуль Аккумуляторы и топливные элементы – обзор выпуска COMSOL® 5.4

Модуль Аккумуляторы и топливные элементы

Для пользователей модуля Аккумуляторы и топливные элементы в пакете COMSOL Multiphysics® версии 5.4 предлагается новый физический интерфейс Lumped Battery (Сосредоточенная модель аккумулятора), а также описание механических напряжений и деформаций в электродных частицах и множественного переноса ионов в ионообменных мембранах. Подробнее об этих функциях для аккумуляторов и топливных элементов читайте ниже.

Новый интерфейс Lumped Battery (Сосредоточенная модель аккумулятора)

Новый интерфейс Lumped Battery (Сосредоточенная модель аккумулятора) используется для создания модели аккумулятора на основе небольшого набора сосредоточенных параметров, не требующих знания материала, внутренней структуры или конструкции электродов аккумулятора. Модели, построенные с помощью интерфейса Lumped Battery (Сосредоточенная модель аккумулятора), обычно могут использоваться для контроля состояния заряда (SOC) и отклика напряжения аккумулятора во время рабочего цикла. Интерфейс задает источник тепла в аккумуляторе, который может быть связан с интерфейсом теплопередачи для моделирования охлаждения батареи и управления температурой. Интерфейс также включает опцию Capacity Fade (Снижение емкости).

Работа интерфейса демонстрируется в следующих моделях:

Расчет напряжения, выполненный интерфейсом Lumped Battery (Сосредоточенный аккумулятор) во время динамического рабочего цикла.

Расчет напряжения, выполненный интерфейсом Lumped Battery (Сосредоточенный аккумулятор) во время динамического рабочего цикла.

Напряжение и деформация в электродах

Новый раздел Stress и Strain (Напряжение и деформация) узла Particle Intercalation (Интеркаляция частиц) в интерфейсе Lithium-Ion Battery (Литий-ионный аккумулятор) позволяет моделировать напряжения и деформации, возникающие в электродных частицах из-за интеркаляции лития. Напряжение в частицах особо важно при моделировании старения и моделирования снижения емкости, поскольку напряжение может привести к растрескиванию частиц, что, в свою очередь, может привести к потере активного материала электрода или к потере емкости вследствие ускоренного образования пограничного слоя «электрод — электролит» (SEI). Эта опция демонстрируется в новой учебной модели Equivalent Circuit Model of a NiMH Battery.

Анализ полученного поверхностного напряжения на частицах электрода в литий-ионном аккумуляторе на этапе постоянной нагрузки с последующей релаксацией. Анализ полученного поверхностного напряжения на частицах электрода в литий-ионном аккумуляторе на этапе постоянной нагрузки с последующей релаксацией.

Моделирование эквивалентной схемы аккумуляторов

Для задания модели аккумулятора, построенной из произвольного числа электротехнических элементов, используйте новую опцию Battery Equivalent Circuit (Эквивалентная схема аккумулятора) в Мастере создания моделей. Эта опция добавляет к модели интерфейс Electrical Circuit (Электрическая цепь), который теперь доступен в модуле Аккумуляторы и топливные элементы вместе с рядом заранее заданных электротехнических элементов. В частности, доступен новый элемент схемы Battery Open Circuit Voltage (Напряжение разомкнутой цепи аккумулятора), который добавляет источник напряжения, зависящий от состояния заряда. Пользователь может добавить дополнительные элементы схемы, такие как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Модели, созданные с помощью опции Battery Equivalent Circuit (Эквивалентная схема аккумулятора), обычно могут использоваться для грубого моделирования состояния заряда и отклика напряжения батареи во время рабочего цикла. Эта функция демонстрируется в новой учебной модели Equivalent Circuit Model of a NiMH Battery. (Эквивалентная схема никель-металлгидридного аккумулятора).

Эквивалентная схема, используемая в новой учебной модели никель-металлгидридного аккумулятора. Эквивалентная схема, используемая в новой учебной модели никель-металлгидридного аккумулятора.

Улучшенные сборки и решатели для интерфейсов аккумуляторов

Новая настройка сборки Reuse sparsity pattern (Использовать шаблон разреженности) была включена в последовательности решателей по умолчанию в интерфейсах аккумулятора, а прямой решатель по умолчанию был изменен на PARDISO. Новые настройки обычно сокращают время вычислений примерно на 10%.

Многократный ионный перенос в ионообменных мембранах

Новый узел области Ion-Exchange Membrane (Ионообменная мембрана) интерфейса Tertiary Current Distribution (Третичное распределение тока) автоматически назначает постоянный неподвижный заряд для области и задает соответствующие граничные условия Доннана соседним областям. С помощью данного узла задается ионный перенос нескольких ионов в ионообменной области и граничные условия Доннана для нескольких ионов. Узел Ion-Exchange Membrane Boundary (Граница ионообменной мембраны) поддерживает множественный перенос ионов. Это усовершенствование позволит расширить возможности для моделирования электродиализа и проточных батарей. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с соответствующей статьей в блоге: Как моделировать ионообменные мембраны и потенциалы Доннана. Использование данной функции демонстрируется в модели Vanadium Redox Flow Battery (Ванадиевая проточная батарея).

Концентрации иона натрия и хлорид-иона в ячейке электродиализа. Оба иона присутствуют в областях катионо- и анионообменной мембран. Концентрации иона натрия и хлорид-иона в ячейке электродиализа. Оба иона присутствуют в областях катионо- и анионообменной мембран.

Новые учебные модели

В пакете COMSOL Multiphysics® версии 5.4 предлагается несколько новых учебных моделей.

Использование электродов в большой пакетной ячейке литий-ионного аккумулятора
Коэффициент использования больших пакетных ячеек на момент начала разряда.

Поиск в Библиотеке приложений:
pouch_cell_utilization

Скачать из Галереи приложений

Эквивалентная схема для никель-металлгидридного аккумулятора
Эквивалентная схема, используемая в новой учебной модели никель-металлгидридного аккумулятора.

Поиск в Библиотеке приложений:
nimh_equivalent_circuit_battery

Скачать из Галереи приложений

Напряжение, вызванное диффузией, в литий-ионном аккумуляторе
Анализ полученного поверхностного напряжения на частицах электрода в литий-ионном аккумуляторе на этапе постоянной нагрузки с последующей релаксацией.

Поиск в Библиотеке приложений:
diffusion_induced_stress

Скачать из Галереи приложений

Элементы питания

О. Курапов

Взгляните на свой сотовый телефон, КПК или ноутбук: благодаря стремительному технологическому прогрессу широко доступными стали устройства, которые еще лет десять-пятнадцать назад можно было увидеть лишь в фантастических фильмах. Среди этого расцветшего буйным цветом хайтека совершеннейшим анахронизмом представляется обычная батарейка. Подумать только, принципы, лежащие в основе всех современных элементов питания, были открыты даже не в прошлом веке, а гораздо раньше. И с тех пор они претерпели не столь большие изменения, которые в основном заключались в уменьшении размеров и применении более совершенных материалов.

Казалось бы, в мире гигагерц и нанотехнологий такое «старье» должно отойти на задний план. Но с появлением большого количества современных мобильных устройств (плееров, КПК, фото- и видеокамер, ноутбуков etc.) мы наблюдаем обратную тенденцию – аккумуляторы и батарейки стали не менее важной деталью, чем процессоры. Все зависит именно от емкости источника питания. А без него даже самый навороченный гэджет будет абсолютно бесполезен.

Вообще-то солидный возраст технологии – это даже хорошо. За этот срок ученые и исследователи изучили проблему во всех подробностях. Современные «дураселлы» далеко ушли от батарей Вольты двухвековой давности. И теперь производители тратят очень большие деньги на улучшение параметров своих изделий и уменьшение их размеров. А двигателем этого процесса является постоянное стремление производителей электроники к миниатюризации.

Все последние разработки в этой сфере пытаются удовлетворить потребности современной мобильной техники. Дело в том, что они даже работают по-новому, совсем не так, как радиоприемники или фонарики. Всем этим цифровым камерам, карманным компьютерам и CD-MD-MMC-MP3-плеерам необходимы батарейки, которые выдерживают резкие скачки напряжения, возникающие во время включения экранов, раскручивания дисков и выхода устройств из «спячки».

В отличие от компьютерных компаний, свято чтящих закон Мура, у фирм, выпускающих элементы питания, нет иллюзий по поводу ближайшего (и даже не очень) будущего. Предыдущие десятилетия научили их не ждать чудесного появления новых технологий, которые увеличат емкость батарей вдвое. Напротив, надо кропотливо работать, постепенно улучшая имеющиеся. Достаточно сказать, что за десять лет существования литий-полимерных батарей ресурс этой технологии еще исчерпан не полностью, и лучшие умы отрасли продолжают по проценту, по полпроцента увеличивать их удельную емкость.

Батареи прошли долгий путь развития, но им предстоит еще немало послужить людям. Далее мы расскажем вам об истории создания батареек, а также попытаемся понять, что ждет их впереди. Ну а для начала разберемся, как они работают и что у них внутри.

Батареи – это устройства, накапливающие энергию, которую они потом отдают потребляющему эту самую энергию устройству. Впрочем, под такое определение подпадают также маховики или, скажем, часовые пружины. К сожалению, на данный момент на российском рынке заводные модели сотовых телефонов или КПК не представлены совсем, поэтому оставим эту интересную тему до лучших времен. Опустим также рассказ про свинцовые аккумуляторные батареи – несмотря на то, что они имеют огромную емкость, их мобильность (не путайте с автомобильностью) оставляет желать лучшего.

То, что мы обычно подразумеваем под словом «батарея», можно описать следующими словами: изолированная система, в которой протекают химические процессы, в результате которых вырабатывается электрическая энергия.

Появление переносных компьютеров, а также множества других мобильных «штучек» дало новый толчок к развитию технологий автономного питания. Обычные компьютеры питаются от сети, а потому практически не используют батареи. В качестве исключений можно назвать CMOS-батарейку на материнской плате, аккумуляторы устройств бесперебойного питания (UPS), ну и «пальчики», которые вставляются в разного рода беспроводные мыши, клавиатуры и т. п. То ли дело мобильные устройства: тут даже спорить не о чем, трудно назвать хотя бы одно, в котором бы не стояла батарейка (или аккумулятор).

При всем разнообразии форм и размеров устройств, все они используют практически одинаковые элементы питания. То есть, скажем, и мобильный телефон, и ноутбук оснащаются одними и теми же Li-Ion-аккумуляторами, хотя по форме и емкости их сравнивать трудно.

Принципиальная схема всех батарей, производимых для массового потребителя, практически одинакова. Два электрода – катод и анод – изготавливаются из двух разных металлов (строго говоря, они должны иметь различную степень окисления). Пространство между ними заполнено третьим материалом, называемым электролитом. Широкий выбор компонентов позволяет создавать по единой схеме множество типов батарей, имеющих порой диаметрально противоположные свойства, различную удельную емкость (отношение максимального заряда батареи к ее объему) и номинальное напряжение.

История

Принято считать, что основные принципы работы батарей, использующиеся и по сей день, были открыты в конце XVIII века итальянским физиком и естествоиспытателем Алессандро Вольтой (1745-1827). Именно тогда, работая в университете города Павия, он заинтересовался «животным электричеством», открытым несколькими годами ранее его соотечественником Луиджи Гальвани (в его честь электрохимические элементы питания часто называют гальваническими). Вольта доказал, что именно ток, вырабатываемый при контакте двух различных металлов, вызывает наблюдавшееся сокращение мышц в лягушачьих лапках. Этим он опроверг предположение Гальвани о том, что электричество вырабатывается в самих мышцах. Для того, чтобы доказать свою точку зрения, он наполнил соляным раствором две чаши и соединил их металлическими дугами. Один конец этих дуг был медным, а другой цинковым. Они были установлены так, что в каждой чаше было по одному электроду каждого типа. Эта конструкция и стала первой батареей, вырабатывающей электричество за счет химического взаимодействия двух металлов в растворе. В 1800 г. он усовершенствовал ее, создав свой знаменитый «вольтов столб», первый источник постоянного тока. Он представлял собой 20 пар кружочков, изготовленных из двух различных металлов, проложенных кусочками кожи или ткани, смоченными в соляном растворе. В знак признания заслуг итальянского ученого, его именем была названа единица электрического напряжения – вольт.

Электрохимический элемент

На полученные результаты обратили внимание другие экспериментаторы. Они усовершенствовали вольтов столб, создав новые типы батарей. К примеру, в 1836 г. английский химик Джон Дэниелл поместил медные и цинковые электроды в емкость с серной кислотой. Эта батарея получила название «плоскостной элемент» или «элемент Дэниела». Три года спустя другой англичанин, Уильям Р. Гроув, добавил окислитель для предотвращения накопления водорода около катода, что приводило к снижению напряжения на выходе. Были и другие попытки улучшить первоначальную конструкцию, но ни одно из этих примитивных устройств не используется в наши дни.

Первый значительный прорыв был совершен французом Гастоном Плантэ. В 1859 г. он провел интересный опыт, внешне похожий на то, что проделал Вольта. В его гальваническом элементе в качестве электродов использовались свинцовые пластины, а электролитом являлась разбавленная серная кислота. Плантэ подключил к элементам источник постоянного тока и некоторое время заряжал батарею. После этого прибор стал сам вырабатывать электричество, выдавая почти всю энергию, потраченную на зарядку. Причем подзаряжать его можно было много раз. Именно так и появился тот самый свинцовый аккумулятор, который еще долго будет использоваться во всех производимых автомобилях.

Еще один прибор-долгожитель был разработан и запатентован другим французским изобретателем Жоржем Лекланше в 1866 году. Названный в его честь элемент послужил прообразом современных «сухих» батарей, правда, изначально он такому названию не соответствовал. Дело в том, что в варианте, предложенном Лекланше, электролит был жидким. В производимых же сейчас батарейках он заменен на желеобразный для того, чтобы не допустить вытекания содержимого и порчи оборудования, которое эта батарея питает. В остальном же за это время технология почти не изменилась. Как и полтора века назад, сухие элементы представляют собой цинковый стаканчик (анод), в который вставлен графитовый стержень (катод), а внутреннее пространство заполнено электролитом. По такой технологии выпускают самые дешевые и массовые источники питания, которые вставляют в фонарики, плееры, детские игрушки и т. п.

Впрочем, в своем оригинальном «мокром» виде элементы Лекланше не были ни компактными, ни надежными. Поэтому многочисленные рационализаторы многократно пытались улучшить его потребительские качества, например, помещая в герметичную упаковку, не допускающую утечки электролита.

Типы батарей

Большинство современных аккумуляторных батарей – никель-кадмиевые, никель-металл-гидридные, а также все литиевые – были разработаны уже в 20-ом веке в лабораториях крупных компаний или университетов. Новые химические системы не изобретаются энтузиастами-одиночками, основывающимися на их собственной интуиции. Основные принципы, на которых основано функционирование батарей, уже досконально изучены и описаны точными формулами. Сегодня основные задачи, которые стоят перед разработчиками – это подбор оптимальных компонентов.

Химики различают гальванические элементы двух родов: первого и второго. Разница между ними заключается в том, как производится энергия, которую они вырабатывают.

– это одноразовые батареи, которые производят электроэнергию за счет химических реакций, в результате которых анод, катод и электролит претерпевают необратимые изменения. Это делает перезарядку таких батарей невозможной или очень нерациональной (к примеру, для зарядки некоторых типов батарей придется потратить в десятки раз больше энергии, чем они могут сохранить, а другие виды могут накопить только малую часть своего первоначального заряда). После этого батарею останется только выкинуть в мусорный ящик, откуда, как хотелось бы надеяться, она попадет в переработку (а скорее всего – на свалку).

чаще называют аккумуляторами. Это значит, что они могут заряжаться, если к электродам подключить источник постоянного тока. Химические реакции, протекающие в них, являются обратимыми. Таким образом, батареи второго рода не производят, а лишь сохраняют энергию.

При прочих равных аккумуляторы кажутся лучшим выбором по сравнению с одноразовыми батареями. Используя их, мы не наносим столько вреда окружающей среде, ведь после разрядки их не нужно выбрасывать. Один аккумулятор можно использовать около года, а обычных батареек на этот же срок понадобилось бы штук 100-200, и в каждом элементе содержатся токсичные вещества. Но не все так просто. На деле аккумуляторы имеют несколько серьезных недостатков, которые не позволяют им вытеснить все остальные батареи. В случае срочной необходимости одноразовые батарейки являются лучшим выбором. Они дешевы и всегда готовы к работе. Но для мобильных устройств, используемых регулярно, аккумуляторы продолжают оставаться наиболее выгодным вариантом.

Ни одна батарея не может хранить энергию вечно. Химические вещества внутри реагируют между собой и постепенно разлагаются. В результате снижается заряд батареи. У этой постепенной разрядки есть две основные причины.

Некоторые химические реакции влияют на способность хранить энергию. Через некоторое время батарея потеряет весь свой заряд. Этот промежуток времени, называемый сроком хранения, обычно указывается на ее корпусе. Он зависит от типа и конструкции батарей, но условия хранения также влияют на продолжительность их жизни. Современные литиевые батареи могут храниться более десяти лет, в то же время элементы других типов могут разрядиться за пару недель (к примеру, цинк-воздушные батареи после начала использования). Но даже самые «долгоиграющие» образцы могут прийти в негодность гораздо раньше, если они будут храниться в неблагоприятных условиях. Особенно сильно сказывается влияние высоких температур. Если же их, наоборот, охладить (а некоторые типы даже заморозить), то это часто помогает сохранить их в лучшем виде на время, значительно большее указанного срока годности.

Обратимые химические реакции в аккумуляторах протекают даже тогда, когда они не используются. Этот процесс называется саморазрядкой. Он является обратимым, также как и обычная разрядка. На скорость саморазрядки влияют те же факторы, что и на срок хранения, поэтому она также может сильно отличаться у разных типов батарей: одни теряют до 10% заряда в день, а другие лишь 1%.

Еще один показатель, который важно знать для каждого типа батарей, это удельная емкость. Она определяется как отношение энергии элемента к его массе или объему и выражается в Ватт-часах на единицу массы или объема. Чем выше этот коэффициент, тем больше энергии может храниться в единице веса, и тем более привлекательна она для использования в переносных устройствах. В этой таблице приведены отношения для различных типов аккумуляторов, выраженные в Вт-ч/кг.

Тип Вольтаж Уд. емкость
Ni-Cad 1,2 40 – 60
NiMH 1,2 60 – 80
Li-Ion 3,6 90 – 110
Li-Polymer 3,6 130 – 150

Химические системы

Одним из важнейших факторов при разработке батарей (а также любого устройства, питающегося от них) является достижение максимальной удельной емкости для элемента заданного (минимального) размера и веса. Химические реакции, протекающие внутри элемента, определяют и его емкость, и физические размеры. В принципе вся история разработки батарей сводится к нахождению новых химических систем и упаковке их в корпуса как можно меньших размеров.

Сегодня производится множество разных типов элементов питания, некоторые из которых были разработаны еще в 19-ом веке, а другие едва отметили десятилетие. Такое разнообразие объясняется тем, что каждая технология имеет свои сильные стороны. Мы расскажем о самых распространенных из тех, что используются в мобильных устройствах.

Сухие батареи

Первыми серийно выпускаемыми элементами питания стали именно сухие. Наследники изобретения Лекланше, они являются самыми распространенными в мире. Одна лишь компания Energizer продает более 6 миллиардов таких батарей ежегодно. В общем, «говорим – батарейка, подразумеваем – сухой элемент». И это несмотря на то, что они имеют самую низкую удельную емкость из всех «массовых» типов. Объясняется такая популярность, во-первых, их дешевизной, а во-вторых, тем, что этим именем называют сразу три разных химических системы: хлорно-цинковые, щелочные и марганцево-цинковые батареи (элементы Лекланше). Их имена дают представление о химических системах, на базе которых они созданы.

В сухих элементах по оси батарейки расположен угольный стержень токосъемника катода. Сам катод – это целая система, в которую входят диоксид марганца, уголь электрода и электролит. Цинковый «стаканчик» служит анодом и образует металлический корпус элемента. Электролит, в свою очередь, также представляет собой смесь, в которую входят нашатырь, диоксид марганца и хлорид цинка.

Марганцево-цинковые и хлорно-цинковые элементы отличаются, по сути, электролитом. Первые содержат в себе смесь нашатыря и хлорида цинка, разбавленную водой. Во вторых электролит почти на 100% представляет собой хлорид цинка. Различие в номинальном напряжении у них минимально: 1,55 В и 1,6 В соответственно.

Несмотря на то, что хлорно-цинковые имеют большую емкость по сравнению с элементами Лекланше, это преимущество пропадает при малой нагрузке. Поэтому на них часто пишут «heavy-duty», то есть элементы с повышенной мощностью. Как бы то ни было, эффективность всех сухих элементов сильно падает при увеличении нагрузки. Именно поэтому в современные фотоаппараты их ставить не стоит, они просто для этого не предназначены.

Сколько бы не бегали розовые зайчики в рекламе, щелочные батарейки – это все те же угольно-цинковые ископаемые родом из 19-го века. Единственное отличие заключается в специально подобранной смеси электролита, позволяющей добиться увеличения емкости и срока хранения таких батареек. В чем секрет? Эта смесь является несколько более щелочной, чем у двух других типов.

Если химический состав у щелочных батареек мало отличается от оного у элемента Лекланше, то в конструкции различия существенны. Можно сказать, что щелочная батарея – это сухой элемент, вывернутый наизнанку. Внешний корпус у них не является анодом, это просто защитная оболочка. Анодом здесь является желеобразная смесь цинкового порошка вперемешку с электролитом (который в свою очередь является водным раствором гидроксида калия). Катод, смесь угля и диоксида марганца, окружает анод и электролит. Он отделяется слоем нетканого материала, например полиэстера.

В зависимости от области применения щелочные батарейки могут прослужить в 4-5 раз дольше, чем обычные угольно-цинковые. Особенно заметна эта разница при таком режиме использования, когда короткие периоды высокой нагрузки перемежаются длительными периодами бездействия.

Важно помнить, что щелочные батарейки не являются перезаряжаемыми, потому что химические процессы, на которых они основаны, не являются обратимыми. Если ее поставить в зарядное устройство, то она будет вести себя не как аккумулятор, а скорее как резистор – начнет нагреваться. Если ее оттуда вовремя не вынуть, то она нагреется достаточно сильно, чтобы взорваться.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Название подсказывает нам, что батареи этого типа имеют никелевый анод и кадмиевый катод. Никель-кадмиевые аккумуляторы (обозначаются Ni-Cad) пользуются заслуженной популярностью у потребителей во всем мире. Не в последнюю очередь это объясняется тем, что они выдерживают большое количество циклов зарядки-разрядки – 500 и даже 1000 – без существенного ухудшения характеристик. Кроме того они, относительно легкие и энергоемкие (хотя их удельная емкость приблизительно в два раза меньше, чем у щелочных батареек). С другой стороны, они содержат токсичный кадмий, так что с ними надо быть поаккуратнее, как во время использования, так и после, при утилизации.

Напряжение на выходе у большинства батарей падает по мере разрядки, потому что в результате химических реакций увеличивается их внутреннее сопротивление. Никель-кадмиевые батареи характеризуются очень низким внутренним сопротивлением, а потому могут подать на выход достаточно сильный ток, который к тому же практически не изменяется по мере разрядки. Следовательно, напряжение на выходе также остается почти неизменным до тех пор, пока заряд почти совсем не иссякнет. Тогда напряжение на выходе резко падает практически до нуля.

Постоянный уровень выходного напряжения является преимуществом при проектировании электрических схем, но это же делает определение текущего уровня заряда практически невозможным. Из-за такой особенности остаток энергии вычисляется на основе времени работы и известной емкости конкретного типа батарей, а потому является величиной приблизительной.

Гораздо более серьезным недостатком является «эффект памяти». Если такую батарею разрядить не полностью, а потом поставить заряжаться, то их емкость может уменьшиться. Дело в том, что при такой «неправильной» зарядке на аноде образуются кристаллы кадмия. Они и играют роль химической «памяти» батарейки, запоминая этот промежуточный уровень. Когда во время следующей разрядки заряд батареи упадет до этого уровня, выходное напряжение понизится так же, как если бы батарейка была полностью разряжена. «Злопамятные» кристаллы будут продолжать формироваться на аноде, усиливая влияние этого неприятного эффекта. Чтобы избавиться от него, нужно продолжить разрядку после достижения этого промежуточного уровня. Только таким образом можно «стереть» память и восстановить полную емкость батареи.

Этот прием обычно называют глубокой разрядкой. Но глубокая не значит полная, «до нуля». Это лишь укоротит срок службы элемента. Если в процессе использования напряжение на выходе упадет ниже отметки 1 В (при номинальном напряжении 1,2 В), то это уже может привести к порче батарейки. Сложная техника, например КПК или ноутбуки, настроены таким образом, чтобы они отключались прежде чем заряд аккумулятора упадет ниже предельного уровня. Для глубокой разрядки батарей нужно использовать специальные приборы, которые выпускают многие известные фирмы.

Некоторые компании-производители заявляют, что новые никель-кадмиевые аккумуляторы не подвержены влиянию эффекта памяти. Впрочем, на практике это не было доказано.

Что бы там не обещали производители, для достижения максимальной отдачи батареи следует каждый раз полностью заряжать, а потом дожидаться нормальной разрядки, чтобы они не испортились и прослужили весь срок.

Предотвращение электролиза

В результате электролиза внутри никель-кадмиевых аккумуляторов могут накапливаться потенциально взрывоопасные газы: водород и кислород. Чтобы не допустить этого, батареи помещаются в герметичную оболочку. В ней имеются специальные микроклапаны, предназначенные для автоматического стравливания накопившихся газов. Они настолько малы, что заметить их очень сложно. Важно, чтобы эти клапаны не оказались закрыты, поэтому батареи не стоит заворачивать, склеивать или обматывать скотчем.

Никель-металл-гидридные аккумуляторы

С точки зрения химии идеальным материалом для катода был бы водород. Но в обычных условиях использовать его для этого невозможно. При комнатной температуре и атмосферном давлении он является газом, и его проще использовать для наполнения аэростатов, чем в качестве материала для батарей.

Впрочем, еще в конце 60-х годов XX века ученые открыли ряд сплавов, способных связывать атомарный водород в объеме, в 1000 раз превышающем их собственный. Они получили название гидриды, а химически они обычно представляют соединения таких металлов, как цинк, литий и никель. При грамотном использовании с помощью гидридов можно хранить достаточно водорода, чтобы использовать его в обратимых реакциях внутри аккумуляторов.

Наибольшее распространение получили никель-металл-гидридные (NiMH) батареи, имеющие гидридный катод и никелевый анод.

Использование гидридов имеет несколько преимуществ. Наиболее очевидным является то, что в производстве не используется токсичный кадмий. Отсутствие этого материала также означает, что такие батареи должны быть свободны от эффекта памяти. Кроме того, благодаря использованию водорода в качестве катода, удалось добиться 50-процентного увеличения удельной емкости (по сравнению с никель-кадмиевыми батареями). На практике это значит, что с никель-металл-гидридными аккумуляторами плеер или другое подобное устройство будет работать на 50% дольше.

Но применение водорода приносит не только положительные, но и отрицательные результаты. Главным недостатком является то, что эти батареи существенно сильнее подвержены саморазрядке. Некоторые из них теряют до 5% заряда за день, хотя в последних моделях этот показателей удалось снизить.

График разрядки никель-металл-гидридных аккумуляторов под нагрузкой немного отличается от никель-кадмиевых. По номинальному напряжению они не различаются (все те же 1,2 В). Но если батарея была полностью заряжена, то в течение некоторого времени напряжение на выходе составляет 1,4 В. После этого короткого промежутка оно падает до уровня 1,2 В, и дальше NiMH-батареи ведут себя так же, как и NiCad.

Оба типа вообще имеют достаточно похожие свойства. NiMh-батареи также могут вырабатывать ток большой силы, выдерживают много циклов зарядки/разрядки (обычно около 500). Но все же это две разные технологии.

Если во время разрядки батареи двух этих типов ведут себя почти одинаково, то при зарядке сходства не наблюдается. Говоря конкретно, никель-кадмиевые батареи при зарядке практически не изменяют свою температуру. Никель-металл-гидридные вырабатывают тепло, причем при достижении полного заряда они могут нагреться весьма значительно. Из-за этого для разных батарей нужны разные зарядные устройства. И хотя на рынке присутствуют универсальные приборы, обычно единовременно в них можно заряжать аккумуляторы только одного типа.

Литий-ионные аккумуляторы

Литий является самым химически активным металлом и используется именно в компактных системах, обеспечивающих энергией современную мобильную технику. Литиевые катоды используются практически во всех батареях с большой емкостью. Но благодаря активности этого металла батареи получаются не только очень емкими, они также имеют самое высокое номинальное напряжение. В зависимости от анода литий-содержащие элементы имеют выходное напряжение от 1,5 В до 3,6 В!

Основной проблемой при использовании лития опять-таки является его высокая активность. Он даже может вспыхнуть – что говорить, не самая приятная особенность, когда речь идет о батареях. Из-за этих проблем элементы на базе металлического лития, которые начали появляться еще в 70х-80х годах XX века, «прославились» своей низкой надежностью.

Чтобы избавиться от этих трудностей, производители батарей постарались использовать литий в виде ионов. Таким образом им удалось получить все полезные электрохимические качества, не связываясь с капризной металлической формой.

В литий-ионных элементах ионы лития связаны молекулами других материалов. Типичный Li-Ion-аккумулятор имеет угольный анод и катод из литийкобальтдиоксида. Электролит в своей основе имеет раствор солей лития.

Литиевые батареи имеют большую плотность, нежели никель-металл-гидридные. Скажем, в ноутбуках такие аккумуляторы могут работать в полтора раза дольше никель-металл-гидридных. Кроме того, литий-ионные элементы избавлены от эффектов памяти, которыми страдали ранние никель-кадмиевые батареи.

С другой стороны, внутреннее сопротивление у современных литиевых элементов выше, чем у никель-кадмиевых. Соответственно, они не могут обеспечить такие сильные токи. Если никель-кадмиевые элементы способны расплавить монету, то литиевые на это не способны. Но все равно мощности таких батареек вполне хватит для работы ноутбука, если это не связано со скачкообразными нагрузками (это значит, что некоторые устройства, например, винчестер или CD-ROM, не должны вызывать высоких скачков на предельных режимах – например, при начальной раскрутке или выходе из спящего режима). Более того, даже несмотря на то, что литий-ионные батарейки выдержат не одну сотню подзарядок, они живут меньше, чем те, в которых используется никель.

Из-за того, что в литий-ионных элементах используется жидкий электролит (пусть даже отделенный слоем ткани), по форме они почти всегда являются цилиндром. Хотя такая форма ничуть не хуже форм других элементов, с появлением полимеризованных электролитов литий-ионные батареи становятся компактнее.

Литий-полимерные аккумуляторы

Наиболее продвинутой технологией, используемой сегодня при создании аккумуляторов, является литий-полимерная. Уже сейчас среди производителей как батарей, так и компьютерных устройств наметилась тенденция постепенного перехода к этому типу элементов. Главным преимуществом литий-полимерных батарей является отсутствие жидкого электролита. Нет, это не значит, что ученые нашли способ обходиться совсем без электролита. Анод отделен от катода полимерной перегородкой, композитным материалом, таким, как полиакрилонитрит, который содержит литиевую соль.

Благодаря отсутствию жидких компонентов литий-полимерные элементы могут иметь практически любую форму, в отличие от цилиндрических батарей других типов. Обычными формами упаковки для них являются плоские пластины или бруски. В таком виде они лучше заполняют пространство батарейного отсека. В результате при одинаковой удельной плотности, литий-полимерные батареи оптимальной формы могут хранить на 22% больше энергии, чем аналогичные литий-ионные. Это достигается за счет заполнения «мертвых» объемов в углах отсека, которые остались бы неиспользованными в случае применения цилиндрической батареи.

Кроме этих очевидных преимуществ, литий-полимерные элементы являются экологически безопасными и более легкими за счет отсутствия внешнего металлического корпуса.

Литий-железодисульфидные батареи

В отличие от других литий-содержащих батарей, которые имеют выходное напряжение более 3 В, у литий-железодисульфидных оно в два раза меньше. Кроме того, их нельзя перезаряжать. Эта технология представляет собой некий компромисс, на который разработчики пошли, чтобы обеспечить совместимость литиевых источников питания с техникой, разработанной для использования щелочных батареек.

Химический состав батарей был специальным образом изменен. В них литиевый анод отделен от железодисульфидного катода прослойкой электролита. Этот сэндвич упаковывается в герметичный корпус с микроклапанами для вентиляции, как и никель-кадмиевые батареи.

Этот тип элементов был задуман как конкурент щелочным батарейкам. По сравнению с ними литий-железодисульфидные весят на треть меньше, имеют большую емкость, а, кроме того, еще и хранятся дольше. Даже после десяти лет хранения они сохраняют почти весь свой заряд.

Превосходство над конкурентами проявляется наилучшим образом при большой нагрузке. В случае высоких токов нагрузки литий-железодисульфидные элементы могут работать в 2,5 раза дольше, чем алкалиновые батареи того же размера. Если же на выходе не требуется высокая сила тока, то разница заметна гораздо меньше. К примеру, один из производителей элементов питания заявил следующие характеристики двух типов своих батарей размера AA: при нагрузке 20 мА щелочная батарейка проработает 122 часа против 135 часов у литий-железодисульфидной. Если же нагрузку увеличить до 1А, то продолжительность работы составит 0,8 и 2,1 часа соответственно. Как говорится, результат налицо.

Такие мощные батареи нет смысла ставить в устройства, потребляющие относительно немного энергии в течение длительного времени. Они были специально созданы для использования в фотоаппаратах, мощных фонарях, а в будильник или радиоприемник лучше поставить щелочные батарейки.

Зарядные устройства

Современные устройства для подзарядки – это сложные электронные приборы, оснащенные различными системами защиты – как вашей, так и ваших батареек. В большинстве случаев каждому типа элементов нужно своё собственное зарядное устройство. При неправильном использовании можно испортить не только батарейки, но и сам зарядник.

Существует два режима работы зарядных устройств – с постоянным напряжением и с постоянным током.

Устройства, работающие только с постоянным напряжением, являются самыми простыми. Они всегда подают одно и то же напряжение, но сила тока зависит от уровня заряда батарейки и других факторов. По мере накопления энергии напряжение батареи увеличивается, а значит, уменьшается разница потенциалов зарядного устройства и батареи. В результате сила тока в цепи уменьшается.

Устроены они несложно, все, что нужно – трансформатор (для уменьшения напряжения в сети до нужного уровня) и выпрямитель (для преобразования переменного тока в постоянный). Такими устройствами комплектуются некоторые литий-ионные батареи, правда, в них обычно добавляют системы защиты от перезарядки.

Второй вид зарядных устройств обеспечивает постоянную силу тока и изменяет напряжение для обеспечения требуемой величины тока. Зарядка прекращается, когда напряжение батарейки достигает уровня полного заряда. Обычно такие устройства применяются для никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных элементов. Чтобы не испортить батарейку, нужно остановить зарядку после достижения нужного уровня. В зависимости от вида батареи и «навороченности» зарядного устройства для определения необходимого времени подзарядки используются различные технологии.

В самых простых случаях измеряется напряжение, вырабатываемое батарейкой. Система следит за напряжением и разрывает цепь в тот момент, когда оно достигает порогового уровня. Но такой способ подходит далеко не для всех элементов. К примеру, этого никогда не встретишь в зарядных устройствах для никель-кадмиевых аккумуляторов, у которых кривая разряда является практически прямой большую часть времени. Это делает определение порогового напряжения невозможным.

Более сложные зарядные устройства выбирают режим работы, основываясь на измерении температуры элемента. Когда батарея начинает нагреваться, они уменьшают силу тока. Обычно в такие элементы питания встраиваются термометры, которые следят за температурой элемента и передают зарядному устройству соответствующий сигнал.

Наиболее продвинутые устройства используют оба метода сразу. Они начинают с большого тока, а потом, обрабатывая данные с датчиков напряжения и температуры, могут переключиться на малый. Если батарея уже заряжена, то они переходят в режим поддержания заряда. В этом случае батарейка подзаряжается лишь слегка, чтобы компенсировать процесс саморазряда. Ток заряда при этом составляет лишь одну двадцатую, одну тридцатую номинального тока разряда батарейки. Но для этого батарея должна поддерживать режим зарядки малым током (к примеру, никель-кадмиевые так заряжать нельзя). Большинство зарядных устройств для ноутбуков и сотовых телефонов специально разработаны таким образом, что могут постоянно быть подключены к элементам.

Хранение

Если вы хотите, чтобы ваши батареи служили как можно дольше, то о них надо заботиться. С элементами первого рода, то есть с одноразовыми батареями, попроще, их важно лишь правильно хранить, а после использования их все равно выбрасывают. Аккумуляторы, элементы второго рода, требуют больше внимания, потому что их нужно регулярно заряжать.

Все аккумуляторы при перегреве портятся. Причем губительной может стать даже зарядка, если ее во время не остановить. Ничего страшного нет в том, что ваш аккумулятор слегка нагревается, когда он подключен к зарядному устройству. Но при излишней зарядке температура поднимается значительно, батарея становится горячей, а это верный знак того, что больше ее зарядить не удастся.

Аккумулятор также может прийти в негодность, если его полностью разрядить. Это может быть вызвано коротким замыканием. Кстати, интересный факт: некоторые батареи после разрядки ниже рекомендуемого уровня могут поменять полярность! В общем, если ваш ноутбук предупреждает вас о том, что его батареи почти полностью разряжены, не пытайтесь продолжить работу – дороже выйдет.

Большинство перезаряжаемых батарей лучше хранятся в разряженном состоянии. Особенно это относится к никель-кадмиевым элементам. Поэтому те батареи, которые долго лежат на складе, обычно продаются незаряженными.

Устройства

Большая часть устройств предполагает использование батарей одного из стандартных размеров, например, AA, AAA и тому подобное. Поэтому у покупателей есть выбор, элементы какого типа предпочесть.

Надпись»Heavy-duty» (высокая нагрузка), которую можно увидеть на некоторых угольно-цинковых батарейках – не просто рекламный ход. Это означает, что они предназначены для использования в устройствах, нуждающихся в токе большой силы. Пример таких устройств – фонари, электромоторы и все приборы, в которых они применяются, например детские игрушки. Там эти батареи прослужат гораздо дольше, чем обычные. Если же прибор потребляет мало электроэнергии, то преимущество почти будет почти незаметно.

Разные литий-содержащие батарейки сильно отличаются друг от друга в том, что касается области применения. Литий-железодисульфидные являются рекордсменами при работе с большими нагрузками. Другие типы, например литиевые часовые батарейки, применяются там, где нагрузки, наоборот, не велики. Литий-ионные и литий-полимерные находятся где-то посередине, а потому являются наиболее универсальными.

Там, где могут быть использованы и аккумуляторы, и одноразовые батарейки, предпочтительнее обычно оказываются первые. Но в некоторых случаях их преимущества бывают не востребованы. Возьмем, к примеру, пульт дистанционного управления, который потребляет очень мало энергии, но используется постоянно и на протяжении длительного времени. Обычные батарейки могут прослужить в нем несколько лет, а аккумуляторы вообще столько не живут, к тому же на таких длительных промежутках времени дает о себе знать гораздо более высокая скорость саморазрядки этих элементов. На другом полюсе находятся устройства, которые используются редко, но должны быть всегда готовы к работе в случае необходимости. В них тоже лучше поставить что-нибудь одноразовое, но «долгоиграющее». В общем, принцип понятен – нет самой лучшей батареи или аккумулятора, для каждого конкретного применения что-то будет хорошо, а что-то плохо.

Напоследок повторим несколько важных правил:

  • Если какой-то металлический предмет закоротит контакты батареи, то она начнет нагреваться. Это может вызвать порчу вашего имущества и даже пожар.
  • Большинство аккумуляторов вырабатывает водород в процессе электролиза, вызванного перезарядкой. Герметизация корпусов современных батарей значительно уменьшает риск утечек и возгорания газа, но полной гарантии никто дать не может, потому что встроенные клапаны периодически выпускают излишки скопившегося водорода.
  • Гораздо большую опасность несет газ, который не может покинуть корпус. Если по какой-то причине автоматические клапаны оказались заблокированы, при повышении температуры давлении внутри может вырасти настолько, что батарея взорвется. Поэтому корпус аккумуляторов никогда не должен заклеиваться, запаиваться в пластик и тому подобное.
  • Почти все батареи содержат опасные химические соединения: токсичные, ядовитые, легковоспламеняющиеся – это зависит от технологии. Поэтому важно, чтобы они были правильно утилизированы после использования. Понятное дело, что все равно все это окажется на ближайшей свалке, но уж лучше пусть они лежат где-нибудь далеко, чем валяются на улице.

Статья опубликована на сайте HPC.RU.
Перепечатывается с разрешения редакции.

какие аккумуляторы использует Porsche Taycan?

1. Вся информация, представленная в базе данных Porsche Новости, включая, но не ограничиваясь, тексты, изображения, аудио и видео документы, охраняется авторскими правами или другими законодательными актами, защищающими интеллектуальную собственность. Данная информация предоставляется в пользование журналистам в качестве источника для их собственных публикаций в СМИ и не предназначена для коммерческого использования, в частности в рекламных целях. Передача текстов, изображений, аудио- и видео- материалов неавторизованным третьим лицам запрещена.

2. Все логотипы и товарные знаки, упомянутые в базе данных Porsche Новости, являются собственностью Др. Инж. х.с. Ф. Порше Акционерное Общество (далее Porsche AG), за исключением случаев, когда указано иное. 

3. Все содержимое базы данных Porsche Новости тщательно составлено и обработано. Тем не менее, информация может содержать расхождения и неточности. Porsche AG не несет ответственности за результаты, полученные в ходе использования предоставленной информации, в частности, касаемо точности, актуальности и полноты.

4. База данных Porsche Новости предоставляет информацию, связанную с транспортными средствами и относящуюся к рынку Германии. Все утверждения о стандартном оборудовании, юридических и налоговых нормах и последствиях действительны только для Федеративной Республики Германии.

5. При использовании базы данных Porsche Новости не могут быть исключены такие технические ошибки, как задержка передачи новостных данных. Porsche AG не несет ответственности за какой-либо причиненный этим ущерб.

6. Так как база данных Porsche Новости предоставляет ссылки на сторонние интернет — ресурсы, Porsche AG не несет ответственности за содержимое сайтов, на которые предоставлена ссылка. Используя такие ссылки, пользователь покидает информационные продукты Porsche AG.

7. Соглашаясь с изложенными условиями и положениями, пользователь обязан воздерживаться от неправомерного использования базы данных Porsche Новости.

8. В случае неправомерного использования, Porsche AG оставляет за собой право заблокировать доступ к базе данных Porsche Новости.

9. Если одно или несколько положений настоящих положений утратят силу, это не повлияет на юридическую силу остальных положений.

Ремонт батареи гибридного Lexus, высоковольтного аккумулятора гибридного автомобиля

В модельном ряду известного японского автомобильного концерна Lexus представлено несколько машин, оснащенных гибридным приводом. Движение такому автомобилю придают два двигателя: бензиновый и электрический, автоматически вступающие в работу в зависимости от условий и скорости передвижения. Неизменной составляющей электромотора служит аккумуляторная батарея. Несмотря на высокую надежность всех узлов и механизмов автомобилей Lexus, АКБ требует обслуживания и в редких случаях – ремонта. С любыми возникшими проблемами вы можете обратиться в дилерский центр ООО «Тойота Мотор».

Специалисты рекомендуют не пытаться отремонтировать высоковольтную аккумуляторную батарею самостоятельно. Неквалифицированное вмешательство может привести к полному выходу из строя АКБ, в то время как в некоторых случаях требуется лишь замена неисправных элементов. Грамотные мастера сервиса ООО «Тойота Мотор» произведут тщательную диагностику для определения степени износа батареи и установления причины поломки. В зависимости от ее результатов определяется вид работ:

— восстановление ВВБ. Данная операция возможна в том случае, когда элементы батареи случайно полностью разрядились, но находились в этом состоянии недолго. При этом весьма важно не пытаться зарядить аккумулятор авто самостоятельно ввиду того, что для восстановления требуется специальная программа с особыми токами. Данная операция будет эффективна, если АКБ ни разу не ремонтировалась;

— ремонт ВВБ. Данная операция проводится в том случае, когда потеряли производительность не более 25 % элементов аккумулятора, то есть не включается в работу одна или несколько пар. При ремонте производится их замена на новые;

— замена ВВБ. Данная операция необходима в случае, когда из строя вышло более 75 % элементов или вся батарея равномерно теряет производительность. Частичный ремонт в этом случае будет лишь временным решением до выхода из строя очередной части элементов.

Для записи на диагностику аккумуляторной батареи вашего гибрида обратитесь в ближайший сервисный центр Lexus.

Аккумуляторные батареи

Аккумуляторные батареи

Компания Tenergy, различающаяся по размеру, химическому составу и возможностям, имеет значительное количество отдельных ячеек, которые могут соответствовать вашим конкретным потребностям. С продуктами из NiMH, NiCd, Li-Ion, Li-Po и LiFePO4 вы всегда сможете найти решение.

Никель-металлогидрид

Ячейки потребительского размера, включая AA, AAA, C, D и 9V, доступны в этом химическом составе вместе с техническими ячейками для приложений сборки упаковки. Этот химический состав обычно используется в бытовых электронных устройствах, заменяющих одноразовые батареи.Технические ячейки широко используются в электроинструментах, страйкболе и приложениях дистанционного управления.

Никель Кадмий

Элементы потребительского размера, как правило, для солнечных батарей или недорогой бытовой электроники для повседневного использования. Эти элементы являются экономичным решением для ваших нужд. Решения Tech Cell широко используются в электроинструментах и ​​в некоторых приложениях RC.

Литий-ионный

Компания Tenergy предлагает широкий выбор качественных литий-ионных элементов, которые будут соответствовать вашим требованиям: от ячеек потребительского размера для капельных решений до технических ячеек для сборки упаковки. Tenergy может предложить несколько вариантов размеров, емкости и характеристик мощности с уверенностью в тщательном процессе контроля качества, чтобы обеспечить вам лучший продукт по вашим затратам.

Литий-ионный полимер

Учитывая потребность в высокой емкости в ограниченном пространстве, Tenergy предлагает широкий выбор литий-ионных полимерных элементов, отвечающих вашим требованиям. Оценивая текущие рейтинги, вы обязательно найдете ячейку, которая соответствует вашим потребностям в энергии.

Литий-железо-фосфат

Одна из новейших технологий на рынке, Tenergy быстро стала экспертом в создании решений следующего поколения для быстро меняющейся отрасли.Аккумуляторы LiFePO4 с невероятным сроком службы и впечатляющей производительностью энергии являются захватывающим и экономичным выбором на сегодняшнем развивающемся рынке.

Что такое аккумулятор? — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 22

Введение

Батареи представляют собой совокупность одной или нескольких ячеек, химические реакции которых создают поток электронов в цепи.Все батареи состоят из трех основных компонентов: анода (сторона «-»), катода (сторона «+») и какого-то электролита (вещество, которое химически реагирует с анодом и катодом).

Когда анод и катод батареи подключены к цепи, между анодом и электролитом происходит химическая реакция. Эта реакция заставляет электроны проходить через цепь и возвращаться к катоду, где происходит другая химическая реакция.Когда материал катода или анода расходуется или больше не может быть использован в реакции, батарея не может производить электричество. В этот момент ваша батарея «разряжена».

Батареи, которые необходимо выбросить после использования, известны как первичные батареи . Батареи, которые можно перезаряжать, называются вторичными батареями и .

Литий-полимерные батареи, например, можно заряжать

Без батарей ваш квадрокоптер пришлось бы привязать к стене, вам пришлось бы вручную провернуть машину, а ваш контроллер Xbox должен был бы быть постоянно подключен к розетке (как в старые добрые времена).Батареи позволяют хранить потенциальную электрическую энергию в переносном контейнере.

Батареи бывают разных форм, размеров и химического состава.

Изобретение современной батареи часто приписывают Алессандро Вольта. На самом деле все началось с удивительной аварии, связанной с рассечением лягушки.

Что вы узнаете

В этом руководстве будут подробно рассмотрены следующие темы:

  • Как были изобретены батарейки
  • Из каких частей состоит аккумулятор
  • Как работает аккумулятор
  • Общие термины, используемые для описания батарей
  • Различные способы использования батарей в схемах

Рекомендуемая литература

Есть несколько концепций, с которыми вы, возможно, захотите ознакомиться перед тем, как начать читать это руководство:


Хотите изучить различные батареи?

Мы вас прикрыли!

Щелочная батарея 9 В

В наличии PRT-10218

Это ваши стандартные щелочные батарейки на 9 вольт от Rayovac.Даже не думайте пытаться перезарядить их. Используйте их остроумие…

1

История

Термин Батарея

Исторически, слово «батарея» использовалось для описания «серии подобных объектов, сгруппированных вместе для выполнения определенной функции», как в артиллерийской батарее. В 1749 году Бенджамин Франклин впервые использовал этот термин для описания серии конденсаторов, которые он соединил вместе для своих экспериментов с электричеством.Позже этот термин будет использоваться для любых электрохимических ячеек, связанных вместе с целью обеспечения электроэнергии.

Батарея «конденсаторов» Лейденской банки, соединенная вместе
(Изображение любезно предоставлено Альвинруном из Wikimedia Commons)

Изобретение батареи

В один роковой день 1780 года итальянский физик, врач, биолог и философ Луиджи Гальвани рассекал лягушку, прикрепленную к медному крючку. Когда он коснулся лягушачьей лапы железным отростком, нога дернулась.Гальвани предположил, что энергия исходит от самой ноги, но его коллега-ученый Алессандро Вольта считал иначе.

Вольта предположил, что импульсы лягушачьей лапки на самом деле вызываются разными металлами, пропитанными жидкостью. Он повторил эксперимент, используя ткань, пропитанную рассолом, вместо трупа лягушки, что привело к аналогичному напряжению. Вольта опубликовал свои открытия в 1791 году, а позже создал первую батарею, гальваническую батарею, в 1800 году.

Гальваническая свая состояла из пакета цинковых и медных пластин, разделенных тканью, пропитанной рассолом

Стопка

Volta страдала от двух основных проблем: вес стопки вызывал утечку электролита из ткани, а особые химические свойства компонентов приводили к очень короткому сроку службы (около часа).Следующие двести лет уйдут на совершенствование конструкции Вольты и решение этих проблем.

Исправления для гальванической сваи

Уильям Круикшанк из Шотландии решил проблему утечки, положив гальваническую батарею на бок, чтобы сформировать «желобную батарею».

Лотковая батарея решила проблему утечки гальванической сваи

Вторая проблема, короткий срок службы, была вызвана разложением цинка из-за примесей и скоплением пузырьков водорода на меди.В 1835 году Уильям Стерджен обнаружил, что обработка цинка ртутью предотвратит разложение.

Британский химик Джон Фредерик Дэниелл использовал второй электролит, который вступал в реакцию с водородом, предотвращая накопление на медном катоде. Батарея Даниэля с двумя электролитами, известная как «ячейка Даниэля», станет очень популярным решением для обеспечения энергией зарождающихся телеграфных сетей.

Коллекция ячеек Даниэля из 1836 г.

Первая аккумуляторная батарея

В 1859 году французский физик Гастон Планте создал батарею из двух прокатанных листов свинца, погруженных в серную кислоту.Путем реверсирования электрического тока через батарею химия вернется в исходное состояние, создав первую перезаряжаемую батарею.

Позже, в 1881 году, Камилла Альфонса Фор улучшила конструкцию Планте, превратив листы свинца в пластины. Эта новая конструкция упростила производство аккумуляторов, и свинцово-кислотные аккумуляторы получили широкое распространение в автомобилях.

-> Дизайн обычного «автомобильного аккумулятора» существует уже более 100 лет
(Изображение любезно предоставлено Эмилианом Робертом Виколом из Wikimedia Commons) <-

Сухая камера

До конца 1800-х годов электролит в батареях был в жидком состоянии.Это сделало транспортировку аккумуляторов очень осторожным делом, и большинство аккумуляторов никогда не предназначались для перемещения после подключения к цепи.

В 1866 году Жорж Лекланше создал батарею с цинковым анодом, катодом из диоксида марганца и раствором хлорида аммония в качестве электролита. Хотя электролит в элементе Лекланше был все еще жидким, химический состав батареи оказался важным шагом для изобретения сухого элемента.

Карл Гасснер придумал, как создать электролитную пасту из хлорида аммония и гипса.Он запатентовал новую батарею с «сухими элементами» в 1886 году в Германии.

Эти новые сухие элементы, обычно называемые «угольно-цинковыми батареями», производились массово и пользовались огромной популярностью до конца 1950-х годов. Хотя углерод не используется в химической реакции, он играет важную роль в качестве электрического проводника в углеродно-цинковой батарее.

-> 3V угольно-цинковая батарея 1960-х годов
(Изображение любезно предоставлено PhFabre из Wikimedia Commons) <-

В 1950-х годах Льюис Урри, Пол Марсал и Карл Кордеш из компании Union Carbide (позже известной как «Eveready», а затем «Energizer») заменили электролит хлористого аммония щелочным веществом на основе химического состава батареи, сформулированного Вальдемаром. Юнгнер в 1899 году.Щелочные батареи с сухими элементами могут содержать больше энергии, чем угольно-цинковые батареи того же размера, и имеют более длительный срок хранения.

Щелочные батареи приобрели популярность в 1960-х годах, обогнали угольно-цинковые батареи и с тех пор стали стандартными первичными элементами для потребительского использования.

-> Щелочные батареи бывают разных форм и размеров
(Изображение любезно предоставлено Aney ~ commonswiki из Wikimedia Commons) <-

Аккумуляторы 20-го века

В 1970-х годах компания COMSAT разработала никель-водородную батарею для использования в спутниках связи.Эти батареи хранят водород в газообразной форме под давлением. Многие искусственные спутники, такие как Международная космическая станция, по-прежнему используют никель-водородные батареи.

Исследования нескольких компаний с конца 1960-х годов привели к созданию никель-металлгидридных (NiMH) аккумуляторов. NiMH батареи были выпущены на потребительский рынок в 1989 году и стали более дешевой альтернативой никель-водородным аккумуляторным элементам меньшего размера.

Asahi Chemical из Японии построила первую литий-ионную батарею в 1985 году, а Sony создала первую коммерческую литий-ионную батарею в 1991 году.В конце 1990-х годов был создан мягкий гибкий корпус для литий-ионных аккумуляторов, из которого возникли «литий-полимерные» или «LiPo» аккумуляторы.

Химические реакции в литий-полимерной батарее практически такие же, как и в литий-ионной батарее

Очевидно, было изобретено, произведено и устарело гораздо больше химических элементов батарей. Если вы хотите узнать больше о современных и популярных технологиях аккумуляторов, ознакомьтесь с нашим руководством по технологиям аккумуляторов.

Компоненты

Батареи

состоят из трех основных компонентов: анода , катода и электролита . Сепаратор часто используется для предотвращения соприкосновения анода и катода, если электролита недостаточно. Для хранения этих компонентов аккумуляторы обычно имеют какой-то кожух .

Хорошо, большинство аккумуляторов на самом деле не разделены на три равные части, но идею вы поняли.Лучшее поперечное сечение щелочной ячейки можно найти в Википедии.

И анод, и катод относятся к типу электродов . Электроды — это проводники, через которые электричество входит или выходит из компонента в цепи.

Анод

Электроны выходят из анода в устройстве, подключенном к цепи. Это означает, что обычный «ток» течет в анод .

На аккумуляторах анод обозначен как отрицательная (-) клемма

В батарее химическая реакция между анодом и электролитом вызывает накопление электронов на аноде.Эти электроны хотят перейти к катоду, но не могут пройти через электролит или сепаратор.

Катод

Электроны текут в катод в устройстве, подключенном к цепи. Это означает, что обычный «ток» протекает от катода .

На аккумуляторах катод помечен как положительный (+) вывод

В батареях в химической реакции внутри катода или вокруг него используются электроны, образующиеся на аноде.Электроны могут попасть на катод только через цепь, внешнюю по отношению к батарее.

Электролит

Электролит — это вещество, часто жидкость или гель, способное переносить ионы между химическими реакциями, происходящими на аноде и катоде. Электролит также препятствует потоку электронов между анодом и катодом, так что электроны легче проходят через внешнюю цепь, чем через электролит.

-> Щелочные батареи могут протекать из своего электролита, гидроксида калия, если подвергаются воздействию высоких температур или обратного напряжения
(Изображение любезно предоставлено Вильямом Дэвисом из Wikimedia Commons) <-

Электролит имеет решающее значение в работе аккумулятора.Поскольку электроны не могут проходить через него, они вынуждены проходить через электрические проводники в виде цепи, соединяющей анод с катодом.

Разделитель

Сепараторы представляют собой пористые материалы, которые предотвращают соприкосновение анода и катода, что может вызвать короткое замыкание в батарее. Сепараторы могут быть изготовлены из различных материалов, включая хлопок, нейлон, полиэстер, картон и синтетические полимерные пленки. Сепараторы не вступают в химическую реакцию ни с анодом, ни с катодом, ни с электролитом.

В гальванической куче использовалась ткань или картон (разделитель), пропитанные рассолом (электролитом), чтобы электроды разнесены.

Ионы в электролите могут быть положительно заряженными, отрицательно заряженными и иметь различные размеры. Могут быть изготовлены специальные сепараторы, которые пропускают одни ионы, но не пропускают другие.

Кожух

Большинству аккумуляторов требуется способ удерживать их химические компоненты. Кожухи, также известные как «кожухи» или «оболочки», представляют собой просто механические конструкции, предназначенные для удержания внутренних компонентов батареи.

Свинцово-кислотный аккумулятор в пластиковом корпусе

Корпуса батарей

могут быть изготовлены практически из чего угодно: из пластика, стали, чехлов из мягкого полимерного ламината и так далее. В некоторых батареях используется токопроводящий стальной кожух, который электрически соединен с одним из электродов. В случае обычного щелочного элемента AA стальной корпус соединен с катодом.

Эксплуатация

Батареи обычно требуют нескольких химических реакций для работы.По крайней мере, одна реакция происходит внутри или вокруг анода, и одна или несколько реакций происходят внутри или вокруг катода. Во всех случаях реакция на аноде дает дополнительные электроны в процессе, называемом окислением , а реакция на катоде использует дополнительные электроны во время процесса, известного как восстановление .

Когда переключатель замкнут, цепь замыкается, и электроны могут течь от анода к катоду. Эти электроны активируют химические реакции на аноде и катоде.

По сути, мы разделяем определенный вид химической реакции, реакцию окисления-восстановления или окислительно-восстановительную реакцию, на две отдельные части. При переносе электронов между химическими веществами происходят окислительно-восстановительные реакции. Мы можем использовать движение электронов в этой реакции, чтобы они выходили за пределы батареи и питали нашу цепь.

Анодное окисление

Эта первая часть окислительно-восстановительной реакции, окисление, происходит между анодом и электролитом и производит электроны (обозначенные как e ).

В некоторых реакциях окисления образуются ионы, например, в литий-ионной батарее. В других химических реакциях расходуются ионы, как в обычных щелочных батареях. В любом случае ионы могут свободно проходить через электролит, а электроны — нет.

Катодное восстановление

Другая половина окислительно-восстановительной реакции, восстановление, происходит в катоде или рядом с ним. Электроны, образующиеся в результате реакции окисления, расходуются во время восстановления.

В некоторых случаях, например, в литий-ионных батареях, положительно заряженные ионы лития, образующиеся во время реакции окисления, расходуются во время восстановления.В других случаях, например, в щелочных батареях, во время восстановления образуются отрицательно заряженные ионы.

Электронный поток

В большинстве батарей некоторые или все химические реакции могут происходить, даже когда батарея не подключена к цепи. Эти реакции могут повлиять на срок годности батареи.

По большей части, реакции будут происходить с полной силой только тогда, когда между анодом и катодом замыкается электропроводящая цепь. Чем меньше сопротивление между анодом и катодом, тем больше электронов может течь и тем быстрее протекают химические реакции.

Короткое замыкание в аккумуляторе (в данном случае даже случайное) может быть опасным. Известно, что литий-ионные батареи перегреваются и даже задыхаются или загораются при коротком замыкании.

Мы можем пропустить эти движущиеся электроны через различные электрические компоненты, известные как «нагрузка», чтобы выполнить что-то полезное. В анимационном ролике в начале этого раздела мы зажигаем виртуальную лампочку движущимися электронами.

Батарея разряжена

Химические вещества в батарее в конечном итоге достигают состояния равновесия. В этом состоянии химические вещества больше не будут реагировать, и в результате аккумулятор больше не будет генерировать электрический ток. На данный момент аккумулятор считается «мертвым».

Первичные элементы необходимо утилизировать, когда батарея разряжена. Вторичные элементы можно перезаряжать, и это достигается путем подачи через батарею обратного электрического тока.Перезарядка происходит, когда химические вещества выполняют еще одну серию реакций, чтобы вернуть их в исходное состояние.

Терминология

Люди часто используют общий набор терминов, говоря о напряжении батареи, емкости, возможности источника тока и так далее.

Ячейка

Элемент относится к одному аноду и катоду, разделенным электролитом, используемым для выработки напряжения и тока. Батарея может состоять из одной или нескольких ячеек.Например, одна батарея AA — это одна ячейка. Автомобильные аккумуляторы содержат шесть ячеек по 2,1 В.

Обычная 9-вольтовая батарея содержит шесть щелочных элементов по 1,5 В, установленных друг над другом

Первичный

Первичные клетки содержат химический состав, который нельзя обратить вспять. В результате аккумулятор необходимо выбрасывать после того, как он разрядился.

Среднее

Вторичные элементы можно перезаряжать, и их химический состав возвращается в исходное состояние.Эти элементы, также известные как «перезаряжаемые батареи», можно использовать много раз.

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение аккумулятора — это напряжение, указанное производителем.

Например, щелочные батареи типа AA указаны как имеющие 1,5 В. В этой статье Mad Scientist Hut показано, что их испытанные щелочные батареи начинаются с напряжения около 1,55 В, а затем медленно теряют напряжение по мере разряда. В этом примере номинальное напряжение «1,5 В» относится к максимальному или пусковому напряжению батареи.

Этот аккумулятор Storm для квадрокоптеров показывает кривую разряда для их LiPo-элементов, начиная с 4,2 В и снижаясь до 2,8 В по мере разряда. Номинальное напряжение, указанное для большинства литий-ионных и LiPo элементов, составляет 3,7 В. В этом случае номинальное напряжение «3,7 В» относится к среднему напряжению аккумулятора в течение его цикла разряда.

Вместимость

Емкость аккумулятора — это величина электрического заряда, который он может доставить при определенном напряжении. Большинство аккумуляторов рассчитаны на ампер-часы (Ач) или миллиампер-часы (мАч).

Этот LiPo аккумулятор рассчитан на 1000 мАч, что означает, что он может обеспечить 1 ампер в течение 1 часа, прежде чем он будет считаться разряженным.

Большинство графиков разряда батареи показывают зависимость напряжения батареи от емкости, например, эти тесты батареи AA, проведенные PowerStream. Чтобы выяснить, достаточно ли емкости аккумулятора для питания вашей схемы, найдите самое низкое допустимое напряжение и найдите соответствующий номинал мАч или Ач.

C-Rate

Многие батареи, особенно мощные литий-ионные, обозначают ток разряда как «C-Rate», чтобы более четко определить характеристики батареи.C-Rate — это скорость разряда относительно максимальной емкости аккумулятора.

1С — это количество тока, необходимое для разрядки аккумулятора за 1 час. Например, аккумулятор емкостью 400 мАч, обеспечивающий ток 1С, будет обеспечивать 400 мА. 5С для той же батареи будет 2 А.

Большинство батарей теряют емкость при повышенном потреблении тока. Например, этот график информации о продукте от Chargery показывает, что их LiPo-элемент имеет меньше мАч при более высоких показателях C-Rates.

ПРИМЕЧАНИЕ: Общий совет гласит, что вы должны заряжать LiPo батареи при 1С или меньше.


MIT предлагает фантастическое руководство по спецификациям и терминологии аккумуляторов, которое идет намного дальше этого обзора.

Использование

Однокамерный

Некоторые схемы могут питаться от одного элемента, но убедитесь, что батарея может обеспечивать достаточное напряжение и ток.

Этот экран для фотонной батареи питается от одного элемента LiPo

Если напряжение слишком высокое или слишком низкое для вашей схемы, вам, вероятно, понадобится преобразователь постоянного тока в постоянный.

серии

Чтобы увеличить напряжение между выводами батареи, вы можете расположить элементы последовательно. Последовательность означает штабелирование ячеек встык, соединение анода одного с катодом следующего.

Соединяя батареи последовательно, вы увеличиваете общее напряжение. Сложите напряжение всех ячеек, чтобы определить рабочее напряжение. Емкость остается прежней.

В этом примере четыре ячейки 1,5 В подключены последовательно.Напряжение на нагрузке составляет 6 В, а общий набор аккумуляторов имеет емкость 2000 мАч.

В большинстве бытовых электронных устройств, в которых используются щелочные батареи, батареи устанавливаются последовательно. Например, этот держатель батареек 2x AA может поднять номинальное напряжение до 3 В для проекта.

ПРИМЕЧАНИЕ : Если вы заряжаете литий-ионные или литий-полимерные батареи последовательно, вам необходимо использовать специальные схемы, известные как «балансировщик», чтобы обеспечить равномерное напряжение между элементами.Некоторые зарядные устройства, такие как это, имеют балансиры для безопасной зарядки.

Параллельный

Если напряжение одного элемента соответствует нагрузке, вы можете добавить батареи параллельно, чтобы увеличить емкость. Обратите внимание, что это также означает увеличение доступного тока (C-Rate).

Будьте осторожны при параллельном подключении аккумуляторов! Все элементы должны иметь одинаковое номинальное напряжение и одинаковый уровень заряда. Если есть какие-либо различия в напряжении, может произойти короткое замыкание, что приведет к перегреву и, возможно, возгоранию.

В этом примере четыре ячейки 1,5 В подключены параллельно. Напряжение на нагрузке остается на уровне 1,5 В, но общая емкость увеличивается до 8000 мАч.

Серия

и параллельный

Если вы хотите увеличить напряжение и емкость, вы можете комбинировать последовательные и параллельные батареи. Еще раз убедитесь, что уровень напряжения одинаков для батарей, включенных параллельно, так как может произойти короткое замыкание.

В этом примере полное напряжение на нагрузке составляет 3 В, а общая емкость аккумуляторов составляет 4000 мАч.

В больших аккумуляторных блоках, особенно литий-ионных, вы часто видите конфигурацию, указанную с использованием «S» и «P» для последовательного и параллельного подключения. Конфигурация схемы выше — 2S2P. В качестве практического примера современные электромобили используют массивные массивы батарей, соединенных последовательно и параллельно.

Ресурсы и дальнейшее развитие

К настоящему времени вы должны понимать, как были изобретены батареи и как они работают. Батареи — это один из способов обеспечения вашего проекта электроэнергией, и они могут быть невероятно полезны, если вам нужен портативный источник питания.

Если вы хотите больше узнать о батареях, вот еще несколько уроков:

Хотите увидеть аккумуляторы в действии? Взгляните на эти проекты, в которых используются разные батареи в разных конфигурациях:

Беспроводная связь Simon Splosion

Это учебное пособие, демонстрирующее один из многих методов «взлома» Саймона Сэйса. Мы выделим технику, чтобы взять ваш Simon Says Wireless.

Конфигурации литиевых батарей и типы литиевых элементов

Вторичная литиевая батарея работает так же, как и другие батареи, в том смысле, что она питает другие устройства (это называется разрядкой), а затем ее необходимо зарядить, чтобы вы могли использовать ее снова.Если вы ищете полную информацию о различиях между SLA (герметичные свинцово-кислотные) и литиевыми батареями, вы можете прочитать об этом здесь. В этом блоге мы подробнее рассмотрим литиевые элементы и их конфигурации, то, что они означают в практических приложениях, и то, как конструкция литиевой батареи лучше адаптирует ее для конкретных приложений.

ФАКТОР ЛИТИЕВОЙ КЛЕТКИ

Когда вы снимаете верхнюю часть литиевой батареи, вы сначала заметите отдельные элементы и какую-то печатную плату.В литиевых батареях используются три типа ячеек — цилиндрические, призматические и карманные. Для целей этого блога все элементы состоят из фосфата лития-железа (LiFePO4) и напряжения 3,2 В (В).

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ЛИТИЕВЫЕ ЯЧЕЙКИ

Цилиндрический элемент больше всего похож на то, что вы думаете о традиционном бытовом аккумуляторе — например, на батарее AA — и именно здесь этот форм-фактор вдохновил его на форму, когда они впервые появились на рынке в середине 1990-х годов.Цилиндрические литиевые элементы бывают разной ширины и длины, ампер-часов и могут использоваться в качестве энергетических или силовых элементов. Эти типы ячеек могут использоваться для больших и малых аккумуляторных батарей различной емкости и напряжения. Однако цилиндрические элементы лучше всего подходят для таких применений, как батареи AH меньшего размера, электроинструменты, дроны, детские игрушки и медицинское оборудование, где пространство ограничено, а вес является фактором общей производительности.

ПРИЗМАТИЧЕСКИЕ ЛИТИЕВЫЕ ЯЧЕЙКИ

Если вы задумаетесь о размере отсеков для батарей, вы обнаружите, что большинство из них имеют квадратную форму.Отсюда и призматический форм-фактор. Призматическая ячейка — это то, что вы найдете внутри своего ноутбука — она ​​имеет большую емкость при небольшой площади основания и имеет прямоугольную форму. Доступны также в силовых и энергетических элементах, эти типы элементов могут использоваться в батареях, разработанных с учетом размеров герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов. Несмотря на то, что призматические элементы больше по размеру, чем цилиндрический элемент, призматические элементы дают больше ампер-часов на элемент за счет большего количества лития на объем, что позволяет использовать более крупные конфигурации аккумуляторных блоков и варианты с одним элементом, и обычно используются для создания более крупных аккумуляторных блоков и являются лучшими. выбор для батарей, используемых в устройствах хранения энергии.

ЛИТИЕВЫЕ ЯЧЕЙКИ

Беспилотные спортивные литиевые изделия Power Sonic имеют призматический или цилиндрический элемент. Тем не менее, наша линейка спортивных батарей Hyper Sport Pro имеет карманный аккумулятор. Ячейка мешочка — это то, что звучит как мешочек из алюминиевой фольги, в котором находится химический состав полимера фосфата лития и железа, с двумя клеммами, выходящими из одного конца. Этот форм-фактор элемента позволяет использовать наибольшее количество лития на единицу объема и предназначен для непосредственного размещения в нем без корпуса элемента.Благодаря использованию литиевого полимера (порошка) карманные элементы могут иметь большую удельную мощность, чем другие типы элементов, из-за их конструкции и размера.

ВИДЫ ЛИТИЕВЫХ КЛЕТК

В дополнение к форм-фактору литиевого элемента вам также необходимо решить, нужен ли вам литиевый элемент питания или литиевый элемент питания. Как вы уже догадались, элемент питания предназначен для обеспечения высокой мощности. Точно так же энергетический элемент предназначен для выработки высокой энергии. Но что именно это означает и чем отличаются литиевые элементы питания и элементы питания?

В ЧЕМ РАЗНИЦА МЕЖДУ СИЛОВОЙ ЯЧЕЙКОЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКОЙ?

Во-первых, мы должны отметить, что все типы ячеек работают в цикле — это зависит только от того, насколько глубоко и как быстро (см. Рейтинги батареи C).Силовые элементы спроектированы так, чтобы обеспечивать высокие токовые нагрузки в течение короткого периода времени с прерывистыми интервалами, что делает их идеальными для использования в высокоскоростных и пусковых устройствах, а также в электроинструментах, создающих высокие нагрузки / крутящие моменты. Энергетические элементы предназначены для обеспечения постоянного, непрерывного тока в течение длительного периода времени, что делает их идеальными для использования в двигательных циклических приложениях, таких как скутеры, электронные велосипеды и т. Д. Все литиевые элементы хороши для циклических приложений — даже элементы питания — но как отмечалось выше, продолжительность цикла варьируется.Например, в электроинструменте пользователь ожидает, что инструмент проработает в общей сложности около часа перед зарядкой, но пользователь самоката не будет счастлив, если его самокат умрет после одного часа использования.

КАК НАСТРОИТЬ ЛИТИЕВУЮ БАТАРЕЮ (АККУМУЛЯТОР)

При создании литиевой батареи после того, как вы выбрали тип батареи, которую вы будете использовать, вам нужно будет определить ампер-часы и напряжение, необходимые для вашего приложения. При сборке блока вам нужно будет выбрать силу тока, необходимую для вашего приложения.

Например, если вы используете призматический элемент на 25 ампер-час (Ач) 3,2 В для создания батареи 125 Ач 12,8 В, вам понадобится аккумуляторная батарея, построенная в конфигурации 4S5P. Это означает, что ячейки должны быть расположены в 4 мастер-пакетах по 5 параллельно (5P), а 4 мастер-упаковки размещены последовательно (4S), всего 20 ячеек. Параллельное соединение предназначено для увеличения ампер-часов, а последовательное соединение — для увеличения напряжения. Узнайте, как подключить батареи последовательно или параллельно.

Причина различий в форм-факторах литиевых элементов двоякая.Одна из причин заключается в том, что вам нужны разные размеры, формы и уровни гибкости в зависимости от батареи, которую вы собираете. Другая причина заключается в том, что вам может потребоваться гибкость в отношении емкости и напряжения вашей батареи, и вы можете обнаружить, что создание батареи на 24 А · ч с большим количеством цилиндрических ячеек лучше соответствует вашим потребностям, чем создание батареи с меньшим количеством призматических ячеек (и наоборот. ).

Кроме того, как отмечалось выше, необходимо учитывать тип приложения. Например, хотя вы можете использовать литиевые элементы питания для создания стартерной батареи, было бы разумнее использовать элементы питания, поскольку они обеспечат большую мощность в этом приложении, чем элемент питания.Как и свинцово-кислотная батарея, литиевая батарея не прослужит так долго, если вы не будете использовать ее по назначению — циклической, стартерной или высокоскоростной.

В линейке литиевых элементов PSL-FP вы увидите, что мы предлагаем как силовые, так и энергетические элементы. Это позволяет настроить аккумуляторную батарею в соответствии с потребностями начального, высокоскоростного или глубокого цикла. Мы также предлагаем призматические и цилиндрические ячейки для дальнейшей настройки вашей упаковки.

Как видите, при создании литиевой батареи следует учитывать множество факторов.От приложения, для которого он предназначен, до ограничений по физическим размерам, требований к напряжению и ампер-часам, понимание вариантов конфигурации лития до того, как вы создадите аккумулятор, поможет вам построить лучшую батарею. Если у вас есть какие-либо вопросы по этой теме, свяжитесь с нами.

Батарея Сравнение плотности энергии

Рисунки на этой странице были получены из разного количества источников при различных условиях.Сравнение аккумуляторных элементов затруднено, и любое фактическое сравнение должно использовать проверенные данные для конкретной модели аккумулятора.

Батареи

работают по-разному из-за различных процессов, используемых разными производителями. Даже ячейка другой модели от того же производителя будет работать по-разному в зависимости от того, для чего они оптимизированы.

Также следует принять во внимание фактическое приложение, в котором используется аккумулятор. Это может существенно повлиять на производительность батареи, поэтому при выборе аккумуляторной батареи для вашего продукта следует учитывать множество факторов.

Для получения дополнительной информации см. Сообщение в нашем блоге о том, как выбрать тип элемента для использования в аккумуляторной батарее.


Сравнение плотности энергии в аккумуляторных элементах

Эта сравнительная таблица аккумуляторов иллюстрирует объемную и гравиметрическую плотности энергии на основе голых аккумуляторных элементов.

Фото предоставлено НАСА — Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства


Плотность энергии Сравнение размеров и веса

Приведенная ниже сравнительная таблица аккумуляторов иллюстрирует объемную и удельную плотности энергии, показывая меньшие размеры и более легкие ячейки.


Спецификации Battery Chemistry

Технические характеристики Свинцово-кислотный NiCd NiMH Литий-ионный
Кобальт Марганец Фосфат
Удельная энергия (Втч / кг) 30-50 45-80 60-120 150-190 100-135 90-120
Внутреннее сопротивление (мОм) <100
12В в упаковке
100-200
6 В в упаковке
200-300
6 В в упаковке
150-300
7.2В
25-75
на ячейку
25-50
на ячейку
Жизненный цикл (разряд 80%) 200-300 1000 300-500 500–1 000 500–1 000 1 000–2 000
Время быстрой зарядки 8-16ч 1 час стандартная 2-4ч 2-4ч 1 ч или меньше 1 ч или меньше
Допуск перезарядки Высокая Умеренная Низкая Низкий.Не переносит непрерывный заряд
Саморазряд / месяц (комнатная температура) 5% 20% 30% <10%
Напряжение элемента (номинальное) 2V 1,2 В 1.2В 3,6 В 3,8 В 3,3 В
Напряжение отключения заряда (В / элемент) 2,40
Поплавок 2,25
Обнаружение полного заряда
по сигнатуре напряжения
4,20 3,60
Напряжение отключения разряда (В / элемент, 1С) 1.75 1,00 2,50–3,00 2,80
Пиковый ток нагрузки
Лучший результат
5C
0,2C
20C
1C
5C
0,5C
> 3C
<1C
> 30C
<10C
> 30C
<10C
Температура заряда от -20 до 50 ° C
от -4 до 122 ° F
от 0 до 45 ° C
от 32 до 113 ° F
от 0 до 45 ° C
от 32 до 113 ° F
Температура нагнетания от -20 до 50 ° C
от -4 до 122 ° F
от -20 до 65 ° C
от -4 до 149 ° F
от -20 до 60 ° C
от -4 до 140 ° F
Требования к техническому обслуживанию 3-6 месяцев
(доплата)
30-60 дней
(выписка)
60-90 дней
(выписка)
Не требуется
Требования безопасности Термически стабильный Термически стабильный, общий предохранитель Обязательная схема защиты
Используется с Конец 1800-х годов 1950 1990 1991 1996 1999
Токсичность Очень высокий Очень высокий Низкая Низкий

Активная балансировка аккумуляторных ячеек | Analog Devices

При пассивной и активной балансировке ячеек каждая ячейка в батарейном стеке контролируется для поддержания работоспособного состояния заряда батареи (SoC).Это продлевает срок службы батареи и обеспечивает дополнительный уровень защиты, предотвращая повреждение элемента батареи из-за глубокой разрядки или чрезмерной зарядки. Пассивная балансировка приводит к тому, что все аккумуляторные элементы имеют одинаковую SoC, просто рассеивая избыточный заряд в спускном резисторе; однако это не увеличивает время работы системы (см. блог «Балансировка ячеек пассивной батареи»). Активная балансировка ячеек — это более сложный метод балансировки, который перераспределяет заряд между аккумуляторными элементами во время циклов зарядки и разрядки, тем самым увеличивая время работы системы за счет увеличения общего полезного заряда в аккумуляторной батарее, уменьшения времени зарядки по сравнению с пассивной балансировкой и уменьшения выделяемого тепла. при балансировке.

Активная балансировка ячеек во время разряда

На приведенной ниже диаграмме показан типичный аккумуляторный блок, в котором все элементы работают на полную мощность. В этом примере полная емкость отображается как 90% заряда, потому что поддержание батареи на уровне 100% емкости или около нее в течение длительных периодов времени сокращает срок службы батареи быстрее. 30% представляют собой полностью разряженные, чтобы предотвратить глубокую разрядку ячеек.

Рисунок 1. Полная мощность.

Со временем некоторые элементы станут слабее других, что приведет к профилю разряда, представленному на рисунке ниже.

Рисунок 2. Несоответствующий разряд.

Видно, что даже несмотря на то, что в некоторых батареях может оставаться довольно много емкости, слабые батареи ограничивают время работы системы. Несоответствие батареи 5% приводит к неиспользованию 5% емкости. С большими батареями это может быть чрезмерное количество энергии, которое не используется. Это становится критически важным для удаленных систем и систем, к которым трудно получить доступ, поскольку это приводит к увеличению количества циклов заряда и разряда батареи, что сокращает срок службы батареи, что приводит к более высоким затратам, связанным с более частой заменой батареи.

При активной балансировке заряд перераспределяется от более сильных элементов к более слабым, что приводит к полностью разряженному профилю батареи.

Рисунок 3. Полное истощение при активной балансировке.

Активная балансировка ячеек во время зарядки

При зарядке батарейного блока без балансировки слабые элементы достигают полной емкости раньше, чем более сильные батареи. Опять же, ограничивающим фактором являются слабые клетки; в этом случае они ограничивают общий объем заряда, который может удерживать наша система.На приведенной ниже диаграмме показана зарядка с этим ограничением.

Рисунок 4. Зарядка без балансировки.

При активном балансировочном перераспределении заряда во время цикла зарядки стек может достичь своей полной емкости. Обратите внимание, что такие факторы, как процент времени, отведенного для балансировки, и влияние выбранного тока балансировки на время балансировки здесь не обсуждаются, но являются важными соображениями.

Активные балансировщики ячеек

Analog Devices Inc.имеет семейство активных балансировщиков ячеек, каждое из которых соответствует различным системным требованиям. LT8584 — это монолитный обратноходовой преобразователь тока разряда 2,5 А, используемый вместе с семейством мультихимических мониторов аккумуляторных элементов LTC680x; Заряд может быть перераспределен от одного элемента к верху аккумуляторной батареи или к другой аккумуляторной ячейке или комбинации ячеек в стопке. На каждую ячейку батареи используется один LT8584.

Рис. 5. 12-элементный аккумуляторный модуль с активной балансировкой.

LTC3300 — это автономный двунаправленный контроллер обратного хода для литиевых и LiFePO4 батарей, обеспечивающий до 10 А уравновешивающего тока; поскольку он двунаправленный, заряд от любой выбранной ячейки может передаваться с высокой эффективностью к 12 или более соседним ячейкам или от них. Один LTC3300 может сбалансировать до шести ячеек.

Рисунок 6. Высокоэффективная двунаправленная балансировка.

LTC3305 — автономный стабилизатор свинцово-кислотных аккумуляторов, вмещающий до четырех ячеек; он использует пятую аккумуляторную батарею (AUX) и постоянно размещает ее параллельно с каждой из других батарей (по одной за раз), чтобы сбалансировать все элементы батареи (свинцово-кислотные батареи прочные и могут справиться с этим).

Рисунок 7. Балансир с четырьмя батареями с запрограммированными фронтами высокого и низкого напряжения батареи.

Резюме

Как активная, так и пассивная балансировка ячеек являются эффективными способами улучшения состояния системы путем мониторинга и согласования SoC каждой ячейки. Активная балансировка ячеек перераспределяет заряд во время цикла зарядки и разрядки, в отличие от пассивной балансировки ячеек, которая просто рассеивает заряд во время цикла зарядки. Таким образом, активная балансировка ячеек увеличивает время работы системы и может повысить эффективность зарядки.Для активной балансировки требуется более сложное решение, занимающее большую площадь; пассивная балансировка более рентабельна. Независимо от того, какой метод лучше всего подходит для вашего приложения, Analog Devices Inc. предлагает решения как для интегрированных в наши ИС управления батареями (например, LTC6803 и LTC6804), так и для дополнительных устройств, которые работают вместе с этими ИС, чтобы обеспечить точную и надежную систему управления батареями. .

Литий-ионные батареи — Промышленные устройства и решения

Продукты, описанные на этом веб-сайте, были разработаны и изготовлены для стандартных приложений, таких как общая электроника, офисное оборудование, оборудование для передачи данных и связи, измерительные приборы, бытовая техника и аудио-видео оборудование.

Для специальных применений, в которых требуются качество и надежность, или если отказ или неисправность продуктов могут напрямую угрожать жизни или вызвать угрозу травм (например, для самолетов и аэрокосмического оборудования, дорожного и транспортного оборудования, оборудования для сжигания, медицинского оборудования , устройства для предотвращения несчастных случаев и защиты от кражи, а также защитное оборудование), пожалуйста, используйте только после того, как ваша компания проверит пригодность наших продуктов для этого применения.

Независимо от области применения, при использовании наших продуктов в оборудовании, для которого ожидается высокий уровень безопасности и надежности, убедитесь, что схемы защиты, схемы резервирования и другие устройства установлены для обеспечения безопасности оборудования при оценке области применения путем независимой проверки безопасности. тесты.

Обратите внимание, что продукты и технические характеристики, размещенные на этом веб-сайте, могут быть изменены без предварительного уведомления в целях улучшения. Независимо от области применения, пожалуйста, подтвердите последнюю информацию и спецификации до окончательного этапа проектирования, покупки или использования.

Техническая информация на этом веб-сайте содержит примеры типичных операций и схем применения продуктов. Он не предназначен для гарантии ненарушения или предоставления лицензии на права интеллектуальной собственности этой компании или любой третьей стороны.

Если какие-либо продукты, спецификации продуктов и техническая информация на этом веб-сайте подлежат экспорту или предоставлению нерезидентам, необходимо соблюдать законы и правила страны-экспортера, особенно те, которые касаются безопасного экспортного контроля.

Информация, содержащаяся на этом веб-сайте, не может быть перепечатана или воспроизведена полностью или частично без предварительного письменного разрешения Panasonic Corporation.

Инструменты и программы, представленные на этом веб-сайте, должны использоваться по вашему усмотрению.Panasonic не гарантирует каких-либо результатов от использования этих инструментов и программ и не несет ответственности за любые убытки, возникшие в результате использования вами.

<о письме для получения сертификата соответствия директиве ЕС RoHS>
Дата перехода на продукт, соответствующий требованиям RoHS, зависит от номера детали или серии.
При использовании инвентаря, в котором неясно соответствие требованиям RoHS, выберите «Запрос на продажу».
в форме веб-запроса.

Извещение о передаче полупроводникового бизнеса


Полупроводниковый бизнес Panasonic Corporation (далее именуемой «Компания») будет передан 1 сентября 2020 года Nuvoton Technology Corporation (далее именуемой «Nuvoton»). Соответственно, Panasonic Semiconductor Solutions Co., Ltd., которая управляла полупроводниковым бизнесом Panasonic, перейдет под эгидой Nuvoton Group с новым названием Nuvoton Technology Corporation Japan (далее именуемой «NTCJ»).
В соответствии с этой передачей полупроводниковая продукция, размещенная на этом веб-сайте, будет считаться продукцией, произведенной NTCJ, после 1 сентября 2020 года. Однако такая продукция будет постоянно продаваться через Компанию.
Обратите внимание, что при запросе о полупроводниковой продукции, размещенной на этом веб-сайте, клиенты должны перейти на веб-сайт, управляемый NTCJ (далее «веб-сайт NTCJ»), и подтвердить, что NTCJ является компанией, ответственной за управление личной информацией, предоставляемой клиентами на ее веб-сайте.Мы ценим ваше понимание по этому поводу.

Однобумажные гибкие литий-ионные аккумуляторные элементы в процессе изготовления бумаги на основе нанофибриллированной целлюлозы

Однобумажные гибкие литий-ионные аккумуляторные элементы в процессе изготовления бумаги на основе нанофибриллированной целлюлозы

В последнее время возникла потребность в механически гибких и прочных батареях для питания технических решений, таких как активные RFID-метки и гибкие считывающие устройства.В этой работе представлен метод изготовления гибких и прочных аккумуляторных элементов, объединенных в единую гибкую бумажную структуру. Нанофибриллированная целлюлоза (NFC) используется как в качестве связующего материала для электродов, так и в качестве разделительного материала. Бумага для аккумуляторов изготавливается в процессе изготовления бумаги путем последовательной фильтрации водных дисперсий, содержащих компоненты аккумуляторов. Получающаяся в результате бумажная структура является тонкой, 250 мкм, и прочной, с прочностью на разрыв до 5,6 МПа при замачивании в электролите батареи.Циклические характеристики хорошие с реверсивной емкостью 146 мА ч. -1 LiFePO 4 при C / 10 и 101 мА ч. -1 LiFePO 4 при 1 С. Это соответствует до плотности энергии 188 мВт. ч. -1 полностью бумажной батареи при C / 10.

Эта статья в открытом доступе

Подождите, пока мы загрузим ваш контент.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *