Типовые характеристики разряда Li-ion и Li-polymer элементов
Конструкция Li-ion элемента (не аккумулятора).
|
Как выбрать аккумулятор для электроники и бытовой техники
На рынке автономных источников питания в настоящее время очень большой выбор аккумуляторов и батареек, сотни разных моделей от различных производителей. Как правильно выбрать аккумулятор или аккумуляторную батарею (АКБ), по каким параметрам?
Для подбора источника питания, наиболее подходящего к вашему устройству, в данном обзоре проанализированы достоинства и недостатки аккумуляторных батареек различного химического состава и даны их стандартные типоразмеры (форм-фактор). В данной статье описаны только модели для бытовой техники и электроники.
Бытовые аккумуляторы по назначению можно разделить на несколько групп:
Аккумуляторные батарейки
Аккумуляторные батарейки – это сложившееся в обиходе название небольших аккумуляторов, обычно цилиндрической формы, для питания электроники и бытовой техники. Несмотря на то, что батарея (или батарейка) это соединение нескольких элементов питания в единый блок, такое название закрепилось также и для отдельных элементов.
Аккумуляторные батарейки очень разнообразны по типоразмеру и химическому составу в отличие, например, от автомобильных АКБ. Если с типоразмером (форм-фактором) все более-менее понятно, так как элементы неподходящего размера в конкретное устройство просто невозможно установить, то с химическим составом элементов питания не все так однозначно. Каждый тип элементов, в зависимости от химической технологии изготовления, имеет как свои достоинства, так и особенности (недостатки).
Аккумуляторные батарейки Panasonic Eneloop 750 mAh R03/ААА.
Никель-кадмиевые аккумуляторы
В основе работы никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd) лежат электрохимические процессы между положительным и отрицательным электродами из никеля и кадмия.
Достоинства
- Низкая стоимость – основное преимущество Ni-Cd элементов.
- Возможность долгого хранения в разряженном виде.
- Безопасность использования.
Особенности
- Невысокая емкость (количество запасаемого электричества).
- “Эффект памяти” – при неполном заряде или разряде никель-кадмиевый аккумулятор “запоминает” новые крайние верхнее и нижнее значения емкости, которая в результате этого снижается.
Никель-кадмиевая аккумуляторная батарейка Minamoto 1300 mAh
Никель-металл-гидридные аккумуляторы
Никель-металл-гидридные аккумуляторы (Ni-MH) по своим параметрам очень близки к никель-кадмиевым, однако за счет использования немного более продвинутой технологии, они имеют лучшие технические характеристики.
Достоинства
- Невысокая цена, близкая к стоимости никель-кадмиевых аккумуляторных батареек.
- Увеличенная емкость по сравнению с Ni-Cd.
- Немного уменьшен эффект памяти.
- Простые зарядные устройства для Ni-MH.
Особенности
- Малая емкость.
В настоящее время никель-металл-гидридные аккумуляторы практически везде заменили никель-кадмиевые.
Никель-металл-гидридные аккумуляторные батарейки Varta 1000 vAh R03/AAA
Литий-ионные аккумуляторы
Литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion) значительно отличаются от выше описанных элементов питания по всем характеристикам. У них в три раза большее напряжение. И, чтобы их случайно не вставить вместо обычных никель-металл-гидридных, они имеют, как правило, отличающиеся типоразмеры.
Основные преимущества литий-ионных аккумуляторных батареек
- Высокая емкость.
- Увеличенное напряжение.
- Отсутствие эффекта памяти.
Особенности литий-ионных аккумуляторов
- Хранение только в заряженном виде.
- Необходимость использования защиты от перезаряда и перегрева.
- Необходимость применения зарядных устройств, работающих по определенному алгоритму.
- Большое снижение напряжения к концу разряда.
- Старение (снижение емкости с течением времени).
Литий-ионная аккумуляторная батарейка с USB портом Fenix ARB L-18 18650.
Литий-железо фосфатные аккумуляторы
Литий-железо фосфатные аккумуляторы по своей сути являются литий-ионными, но отличаются материалом изготовления катода. Отрицательный электрод изготавливается из материала LiFePO4. Несмотря на такие малые различия, литий-железо-фосфатные элементы имеют все же большие отличия в технических характеристиках.
Достоинства
- Длительный срок службы (в среднем, 7 лет).
- Стабильное напряжение разряда.
- Высокий пиковый ток.
- Работа в широком диапазоне температур, в том числе и минусовых (-30 … +55 С).
Особенности
Литий-железо-фосфатная аккумуляторная батарейка A123 System APR18650M.
Литий-полимерные аккумуляторы
Литий-полимерные аккумуляторы (Li-polymer) являются результатом дальнейшего усовершенствования литий-ионной технологии. В данном случае в качестве электролита применяется полимерный материал. В результате этого элементы питания, изготовленные по этой новейшей технологии получили много преимуществ. Именно такие аккумуляторные батарейки используются в современных сотовых телефонах.
Достоинства
- Высокая удельная емкость.
- Возможность изготовления батарей малой толщины и гибкой формы.
- Малое изменение напряжения при разряде.
Особенности
Литий-ионный аккумулятор Robiton Li-Po 7,4B.
Форматы цилиндрических аккумуляторов 18650, 16340, 14500, AA, AAA
Аккумуляторы для электроники и бытовой техники изготавливаются в корпусах различного формата: цилиндрические (круглые), призматические (квадратные и прямоугольные), плоские. Для призматических аккумуляторных батареек нет единой системы нумерации. А вот для цилиндрических элементов производители сумели договориться и создали простую систему маркировки размеров, состоящую из 5-ти цифр. В ней первые две цифры показывают диаметр элемента в миллиметрах, третья и четвертая цифры – это длина, а последний символ 0 символизирует круг, говоря о цилиндрической форме. Таким образом, аккумулятор 18650 имеет диаметр 18 мм и длину 60 мм. Аккумуляторная батарейка 14500, соответственно, 14 мм в диаметре и 50 мм по длине.
В предлагаемой таблице показаны часто используемые форматы аккумуляторов, а также соответствие стандартной цифровой и альтернативной буквенной маркировок.
Аккумуляторные батарейки формата 14500 – АА Duracell 2500 mAh.
Расшифровка маркировки аккумуляторов 18650 по химическому составу
Литий-ионные аккумуляторы 18650 имеют буквенную систему маркировки, обозначающую химический состав элемента. Рассмотрим расшифровку маркировки:
- Первая буква I – это признак Li-Ion технологии;
- Вторая буква показывает химическую основу катода:
- C – кобальтовая,
- N – никель-марганцевая,
- M – марганцевая,
- F – железо-фосфатная.
- Третья буква R обозначает перезаряжаемый аккумулятор (Rechargeable).
Компания Panasonic сделала немного другую маркировку, у которой в обозначении NCR:
- первая буква N обозначает никель,
- вторая буква С – кобальт.
Аккумулятор NCR 18650 Panasonic
Аккумуляторы для ИБП 12V
Аккумуляторы для ИБП принципиально отличаются от элементов питания для электроники. Они должны обеспечить питание компьютера или другой мощной техники на время от нескольких минут до нескольких часов. Поэтому АКБ для ИБП 12V имеют высокую электрическую емкость, однако, вместе с тем, и большой вес и размеры.
Данные АКБ являются свинцово-кислотными. Их принцип работы основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты, также как и автомобильных АКБ. Но, в отличие от них, в гелевых аккумуляторах для ИБП используется электролит, загущенный до гелеобразного состояния с помощью водного раствора силиката натрия. Еще более лучшие результаты в бесперебойных источниках питания показывают АКБ, выполненные по технологии AGM (Absorbent Glass Mat). Эти два типа АКБ сходны по принципу не текучести электролита, поэтому AGM аккумуляторы часто называют гелевыми, хотя это не совсем верно.
AGM аккумуляторы для ИБП 12V и электромобилей 6V
В аккумуляторах, изготовленных по технологии AGM, заложен принцип нетекучего электролита. Отличие AGM АКБ от обычных свинцово-кислотных заключается в использовании абсорбированного электролита. AGM аккумуляторные батареи были разработаны специально для применения в системах резервного бесперебойного питания. Эти АКБ отлично работают в ИБП в буферном режиме.
Для использования в бесперебойниках применяются АКБ на напряжение 12V, а для детских электромобилей – 6V. Зарядные устройства для аккумуляторов ИБП 12V и электромобилей 6V используются, чаще всего, одни и те же, поскольку многие из них имеют переключатель выбора зарядного напряжения.
Преимущества гелевых и AGM аккумуляторов 12V для ИБП
Гелевые и AGM аккумуляторы имеют во многом схожие преимущества:
- Приспособлены для работы в ИБП в буферном режиме
- Длительный срок службы 5-10 лет (гелевые до 12 лет)
- Устойчивость к вибрации
- Установка в любом положении, кроме вверх дном
- Не требуют обслуживания
- Герметичность
- Работа при температурах до -30 С
Особенности
- Большой вес
- Чувствительны к перезаряду
- Не допускают хранения в разряженном виде
Удачным примером AGM аккумуляторной батареи для бесперебойников является продукция компании DELTA Battery.
АКБ для ИБП модели Delta HR 12-12.
Аккумуляторы для ИБП газовых котлов
Аккумуляторы для газовых котлов не имеют принципиальных отличий от АКБ для ИБП компьютерной и офисной техники. Однако, они обязаны иметь гораздо большую емкость, так как должны обеспечить питание газового котла в течение нескольких часов или даже дней в случае длительного отключения электроэнергии. Компания Delta Battery выпускает также AGM аккумуляторы повышенной емкости для ИБП котлов.
АКБ большой емкости для газовых котлов Delta HR 12-65.
Аккумуляторы для детских электромобилей 6V
Аккумуляторы для детских электромобилей изготавливаются по AGM технологии, также как и АКБ для источников бесперебойного питания. Вместе с тем, важным отличием является выходное напряжение, которое у аккумуляторных батарей для электромобилей составляет 6V. Для использования в детских электрических автомобилях рекомендуем использовать 6-Вольтовую серию АКБ Delta.
АКБ для детского электромобиля Delta HR 6-12.
Аккумуляторы для фонарика
Чтобы правильно выбрать аккумулятор для фонарика, вначале надо внимательно прочитать инструкцию, которая к нему прилагается. В ней указано под какие типы, форм-фактор и количество аккумуляторов рассчитан данный фонарь. Зная эти параметры, можно подобрать элементы подходящего для вашего устройства типа и емкости. Чаще всего применяются никель-металл-гидридные аккумуляторы типоразмера АА или ААА. В более мощных фонарях используются элементы форм-фактора C или D. В последнее время появились и фонарики с аккумуляторами 18650 и 14500 литий-ионной технологии, которые имеют более высокую емкость и напряжение, обеспечивая более длительную работу и мощный световой поток. Кроме того, некоторые модели фонарей, например Fenix E25UE XP-L V5, могут работать как от никель-металл-гидридных аккумуляторных батареек, так и от литий-ионных. Все это надо учитывать при подборе.
Аккумуляторные батарейки АА для фонарика типа Panasonic Eneloop 2500 мАч.
Высокотоковые аккумуляторы 18650 для вейпа и шуруповертов
Аккумуляторы 18650 для вейпа и шуруповертов – это литий-ионные элементы, рассчитанные на высокий ток разряда. На таких аккумуляторных батарейках или прямо указывают, что они для электронных сигарет (for Vape) или пишут номинал максимального тока, например, 20, 25, 30, 40 А. Кроме того, такие элементы должны быть безопасны, поскольку испаритель с аккумулятором находится непосредственно около лица. Этим требованиям соответствует аккумуляторы 18650 литий-марганцевые, литий-марганец-никелевые и литий-железофосфатные, а также высокотоковая серия литий-кобальтовых акб 18650.
Высокотоковый аккумулятор для вейпа 18650 LG HG2.
Аккумулятор 18650 для вейпа и шуруповерта Samsung 25R.
Аккумуляторы для радиотелефона
В зависимости от марки и модели радиотелефонной трубки, в ней могут использоваться обычные Ni-MH элементы типоразмера ААА и АА или специализированные аккумуляторы для радиотелефона. Это так называемые “аккумуляторные сборки” для радиотелефонов, содержащие три или четыре никель-металл-гидридных элемента, и соответственно, 3.6 или 4.8 Вольтовые.
Аккумуляторная сборка для радиотелефона модели Robiton DECT-T207-3XAAA.
Наш магазин цифровой техники “Вольта” предлагает большой выбор лучших бытовых аккумуляторов и аккумуляторных батареек для электроники, ИБП, детских электромобилей, фонариков, электронных испарителей, шуруповертов и радиотелефонов по самым минимальным ценам с доставкой в ваш город по России. Ассортимент включает в себя лучшие модели производителей Panasonic, GP, LG, Varta, Robiton,NiteCore, Delta, Duracell, Fenix, A123 SYSTEMS, Ansmann, Petzl, ZMI.
Советы по самостоятельной сборке АКБ из болтовых элементов
Самостоятельная сборка аккумуляторной батареи без специального оборудования является весьма сложным процессом. Даже если вы обладаете определенными знаниями в области электроники и умеете паять, без такого дорогостоящего прибора, как, аппарат контактной сварки зачастую не обойтись, так как литиевые аккумуляторы не переносят высокую температуру, и паять их соответственно нельзя.
В некоторых ситуациях помогут аккумуляторы под резьбовое соединение. Для сборки батареи из таких элементов не понадобится аппарат контактной сварки, а это открывает возможность для самостоятельной сборки. Последовательное и параллельное соединение таких аккумуляторов производится посредством прижима проводника (медная, алюминиевая пластина) к контактам с помощью болтов или гаек.
К недостаткам подобных сборок можно отнести не большой выбор типоразмеров аккумуляторов под резьбовое соединение. В основном это ячейки в форме прямоугольного параллелепипеда. Так же встречаются цилиндрические элементы с емкостью примерно от 10А*ч. Из таких аккумуляторов достаточно сложно собрать батарею замысловатой формы в компактные размеры, например, в треугольную раму электровелосипеда.
На первый взгляд может показаться, что в сборке АКБ с резьбовыми соединениями нет ничего сложного, но существуют некоторые правила, благодаря которым батарея будет работать правильно, и прослужит долго. Об этих правилах мы и поговорим.
Выбор аккумуляторов
И так, допустим, мы уже определились с напряжением, емкостью и размерами будущей батареи. Первое, о чем стоит позаботиться – качественные элементы. Разброс по внутреннему сопротивлению не должен превышать 3-5%, в противном случае со временем батарея может уйти в разбаланс. Если нет возможности протестировать аккумуляторы на емкость и узнать их внутренние сопротивление, следует покупать их только у надежных поставщиков, и из одной партии. Это поможет минимизировать риски связанные с низкой емкостью и большим разбросом по сопротивлению.
Нюансы при сборке
Перед тем как склеивать элементы, хорошим решением будет позаботиться об изоляции. Дело в том, что многие болтовые элементы обладают одной неприятной особенностью – если попытаться замерить напряжение между плюсовым/минусовым контактом и корпусом аккумулятора то мы увидим, что действительно там есть напряжение. В случае если изоляция повредится, и металлические корпуса элементов соприкоснуться друг с другом в уже собранной батарее, появляется большая вероятность короткого замыкания со всеми вытекающими последствиями. Так как изоляция у элементов довольно тонкая, необходимо ее усилить – проложить между ними изоляционный материал, например, электроизоляционный картон.
Также необходимо соединить аккумуляторы между собой как можно плотнее. В случае если элементы в сборке будут «гулять» велик шанс повреждения резьбового соединения, что в свою очередь повлечет ухудшение контакта в месте повреждения.
Подбор проводника
Следующим шагом нужно будет определиться с нагрузкой и, исходя из нее, подобрать материал и сечение проводника, которым будут соединены элементы в сборке.
Оптимальным решением будут медные либо алюминиевые пластины, так как эти материалы выдерживают высокие токи и легко поддаются обработке. Подобрать сечение проводника можно с помощью таблиц.
Соединение элементов
Правильному соединению аккумуляторов в сборке следует уделить особое внимание, так как именно в этом месте можно допустить серьезные ошибки, которые в дальнейшем могут привести батарею к полному выходу из строя.
В аккумуляторах с резьбовым соединением под болты в качестве материала контактов, как правило, используется медь или алюминий. Это относительно мягкие материалы, поэтому, чем больше сечение резьбы – тем лучше. В элементы с большой резьбой (М6, М8) можно вкручивать болты с большим усилием, тем самым обеспечивая лучший контакт проводника с контактом аккумулятора. Так же при затягивании болтов не следует переусердствовать с усилием. Идеальным решением будет динамометрический ключ – он позволит затягивать все болты с одинаковым усилием.
С аккумуляторами со шпильками немного проще. Как правило, шпильки делают из достаточно твердого материала – латунь, сталь. Сорвать резьбу на таких элементах гораздо сложнее.
Перед тем как затягивать болты\гайки, нужно позаботиться о защите от самопроизвольного раскручивания, так как во время использования, батарея наверняка будет подвержена вибрациям. Даже самые мелкие и незначительные вибрации способны ослабить болты, что может привести к потере контакта и поломке батареи. В идеале нужно использовать не одну, а хотя бы пару степеней защиты. Оптимальным вариантом будет использование гроверов и фиксатора резьбы.
Фиксатор подойдет синего или красного цвета. Красный считается самым «сильным».
С гроверами есть один нюанс. Самый распространенный вид гроверов – это простая пружинная шайба. При деформации она оказывает некоторую нагрузку на крепеж, что и препятствует самопроизвольному раскручиванию. Как мы помним, материал резьбы в аккумуляторах под болты довольно мягкий, поэтому такие гроверы использовать не желательно, особенно если сечение резьбы мало (М4, М5) так как они подвергают крепеж дополнительной нагрузке.
Хорошее решение – использование зубчатых гроверов. Такой вид гроверов практически не оказывает нагрузки на крепеж, и работает не хуже.
Также не стоит забывать про такое понятие, как, гальваническая пара. Это понятие означает недопустимое совмещение разнородных металлов способствующих к их постепенному, но верному разрушению (коррозии). Таких совмещений существует немалое количество, например, медь и алюминий. Что бы избежать коррозии необходимо использовать специальную токопроводящую смазку в местах контакта.
Сборка LiFePO4 аккумулятора своими руками
Аккумуляторную батарею вполне можно собрать собственными руками. Для этих целей понадобятся следующие составные элементы:
- аккумуляторные ячейки;
- плата BMS для контроля уровня заряда/разряда и балансировки батареи;
- пассивные балансиры для выравнивания заряда установленных элементов, балансиры необходимы, если емкость собираемого аккумулятора превышает 30Ah, при емкости ниже 30Ah, с балансировкой ячеек справится BMS плата;
- перемычки, клеммы, провода и разъемы;
- очень важно при сборки аккумулятора, использовать прокладки-изоляторы, их необходимо установить межку ячейками;
- стоит обратить внимание, если вам необходима индикация аккумулятора, то необходимо использовать ваттметр, так как стандартные индикаторы, отображают остаточную емкость некорректно, поскольку литий-железо-фосфатный аккумулятор выдает стабильное напряжение и проседает только тогда, когда емкость практически исчерпана.
Последовательность сборки LiFePO4 аккумулятора
Перед тем, как приступить к сборке, необходимо убедиться в наличии и исправности всех составных элементов. Если есть возможность, измерьте уровень внутреннего сопротивления или напряжения ячеек с помощью специального прибора. При наличии расхождения в показателях требуется дозарядить ячейку до единого уровня. В случае если у вас нет возможности зарядить ячейки до сборки батареи, тогда после сборки, при первой зарядке, оставьте аккумулятор заряжаться до тех пор пока BMS плата не отбалансирует все ячейки аккумулятора.
Ячейки аккумулятора коммутируются путем параллельного или последовательного соединения. При параллельной комутации ячеей, увеличивается емкость, например: возьмем четыре ячейки 3,2V 25Ah и соединим параллельно, получится 3,2V 100Ah. При последовательной коммутации ячеек, увеличивается напряжение, например: возьмем четыре ячейки 3,2V 25Ah и соединим последовательно, получится 12V 25Ah. Если при сборке необходимо коммутировать и параллельно и последовательно, то первым этапом заготавливаются параллельные сборки, а затем параллельные сборки соединяются последовательно.
Очень важным моментом при сборке аккумулятора, является установка прокладок-изоляторов между ячейками, лучшим и удобным материалом для изоляции является стеклотекстолит, также возможно применение других изоляционных материалов.
Для того, чтобы защитить ячейки аккумулятора от переразряда-перезаряда и обеспечить балансировку ячеек между собой, на аккумуляторную сборку устанавливается BMS плата. В настоящее время, существует много разновидностей BMS плат, поэтому подключать плату надо согласно своей схемы.
Если вы собираете аккумулятор большой емкости (от 30Ah и более), то помимо BMS платы на каждую ячейку или параллельную сборку аккумулятора необходимо установить пассивный балансир. Устанавливаются данные балансиры между плюсом (+) и минусом (-) ячейки.
После того, как вы завершили сборку аккумуляторной батареи, до упаковки его в корпус, протестируйте корректность его работы, прежде всего работу BMS платы. Для этого, первый заряд и разряд необходимо произвести под тщательным контролем, постоянно измеряя напряжение на отдельных ячейках в аккумуляторе. По завершении заряда BMS плата должна отключить весь аккумулятор, как только напряжение на одной из ячеек достигнет напряжения отсечки BMS платы, как правило это от 3,65V до 3,75V в зависимости от модели платы, после выравнивания напряжения BMS плата включит зарядное устройство и продолжит дозаряд аккумулятора, внешне процесс балансировки выглядит как частое включение-выключение зарядного устройства. По такомуже принципу необходимо проверить аккумулятор на разряде, как только напряжение на одной из ячеек сборки достигнет нижнего порога напряжения, примерно от 2,5V 2,2V в зависимости от модели платы, BMS плата должна отключить аккумулятор от потребителя.
На этом этап сборки LiFePO4 аккумулятора завершен и вам остается только аккуратно упаковать сборку в корпус.
Меры безопасности
- в процессе сборки требуется соблюдать аккуратность и осторожность;
-
не допускать воздействий механического характера на аккумуляторную батареи и используемые элементы питания;
-
соблюдать полярность;
-
не допускать возникновения коротких замыканий и перезарядки элементов;
-
при высоком нагреве нужно отключить батарею от источника тока;
-
не использовать поврежденные ячейки.
Преимущества LiFePO4 аккумуляторов
-
полная безопасность для здоровья человека и окружающей среды – в процессе утилизации не происходит выброс токсичных элементов. Это вызвано тем, что кобальт заменен на более безопасные фосфаты;
-
уровень напряжения остается стабильным во все время эксплуатации батареи;
-
продолжительный эксплуатационный срок – не менее 2000 циклов;
-
возможность применения в условиях низких (до -20) и высоких (до +60) температур;
-
компактные размеры;
-
небольшой вес;
-
возможность использования при пиковом напряжении и высоком токе.
16.12.2019 18:19:32
0
2312
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ: САМОДЕЛЬНАЯ БАТАРЕЯ
Каждому из нас знакомы химические источники тока различных типов и форм. Но как это часто случается, мы редко задумываемся о том, как устроен этот совершенно привычный и обыденный предмет. А между тем, появление первых химических источников тока, положило начало превращению электричества из лабораторной диковинки в нашего повседневного помощника.
В 1790 г. итальянский физиолог Луиджи Гальвани заметил, что лапка препарированной лягушки дергается, если к ней одновременно прикоснуться двумя инструментами из разных металлов. В то время уже было известно, что мышцы могут сокращаться под действием электрического тока, так, что Гальвани правильно приписал это явление действию электрического тока. Правда, он считал, что электрический ток появляется благодаря каким-то физиологическим процессам в лапке лягушки.
Правильное объяснение этому явлению смог дать другой итальянский ученый Алессандро Вольта. Он установил, что это явление связано с наличием двух разнородных металлов, соприкасающихся с электролитом, в роли которого выступала кровь лягушки, а сама лапка играла лишь роль чувствительного индикатора электрического тока [1]. Опираясь на свои исследования Вольта в 1799г. создал первый химический источник тока. В этом устройстве Вольта использовал медный и цинковый электроды, погруженные в раствор серной кислоты.
Цинк бурно реагирует с кислотами. В раствор переходят не атомы цинка, а положительные ионы, так что в электроде остается избыток электронов, следовательно, цинковая пластина заряжается отрицательно. Вообще, большинство металлов при погружении в электролит заряжается отрицательно, на поверхности медной пластинки протекает подобный процесс. Но избыток отрицательных зарядов на медном электроде гораздо меньше, а значит, относительно цинкового электрода его потенциал получается более высоким. Если соединить внешним проводником медную и цинковую пластины, то электроны начнут перемещаться с цинковой пластины на медную, т.е. в цепи потечет электрический ток [2].
Электрическое напряжение, возникающее между электродами, зависит от того, из каких металлов изготовлены электроды и от их взаимодействия с электролитом. Напряжение, даваемое элементом, никак не зависит от площади пластин.
Часто напряжения, даваемого одним гальваническим элементом, недостаточно. Тогда их можно соединять последовательно в батареи.
Вообще изготовить химический источник тока совсем нетрудно: надо поместить в электролит две пластинки из разных металлов [3]. Такие гальванические элементы возникают самопроизвольно. Например, намочил дождь крышу, покрытую оцинкованным железом, на железе наверняка имеются царапины, так, что и железо, и цинк вступили в контакт с водой, которая играет роль электролита. Цинк в такой паре начнёт активно разрушаться, а вот железо не пострадает, пока не разрушится весь цинк. Именно для этого и покрывают железо слоем цинка.
По той же самой причине скручивать вместе медные и алюминиевые провода, это, мягко говоря, не самая лучшая идея. В месте контакта начнется гальваническая коррозия, которая приведет к росту электрического сопротивления контакта, что в свою очередь приведет к большему выделению тепла и еще более быстрой коррозии. Все вместе это может стать причиной разрушения соединения и даже пожара.
Нагляднее всего можно пронаблюдать гальваническую коррозию на примере контактов железа с цинком и медью в растворе соли. Железные скрепки были надеты на цинковую и медную пластины и погружены в раствор соли.
Через сутки скрепка, соединенная с медной пластиной, покрылась ржавчиной. В то время, как скрепка, бывшая в контакте с цинком, совершенно не пострадала.
Ученые составили электрохимический ряд напряжений металлов. Чем дальше друг от друга отстоят металлы в этом ряду, тем более высокое напряжение дает гальванический элемент, составленный из этих металлов. Так пара золото – литий теоретически может дать электродвижущую силу (ЭДС) 4,72 В. Но такая пара в водной среде работать не сможет – литий это щелочной металл, легко реагирующий с водой, а золото стоит слишком дорого для подобного применения.
На практике элемент Вольта обладает рядом серьёзных недостатков.
- Во-первых, электролитом ему служит весьма едкая жидкость – раствор серной кислоты. Жидкий электролит всегда представляет собой неудобство или даже опасность. Он может расплескаться, разлиться при повреждении корпуса.
- Во-вторых, на медном электроде такого элемента будет выделяться водород. Это явление называется поляризацией. По многим свойствам водород весьма близок к металлам, так что его пузырьки создадут дополнительную ЭДС поляризации, стремящейся вызвать ток противоположного направления [2]. Кроме того, пузырьки газа не пропускают электрический ток, что тоже ведет к ослаблению тока. Поэтому приходится периодически встряхивать сосуд, удаляя пузырьки механически, или вводя в состав электролита специальные деполяризаторы.
- В третьих, в процессе работы гальванического элемента Вольта, цинковый электрод постепенно растворяется. Теоретически, когда гальванический элемент не используют, разрушение цинкового электрода должно прекратиться, но поскольку почти всегда в составе цинка есть примеси других металлов, они при соприкосновении с электролитом играют роль второго электрода, образуя короткозамкнутый элемент, что ведет к гальванической коррозии цинкового электрода [2]. Для того, чтобы устранить этот недостаток, приходится использовать сверхчистый цинк или конструктивно предусматривать возможность извлечения цинкового электрода из электролита. Так что когда батарея не используется, электролит из нее следует сливать.
Но для демонстрационных целей всеми этими недостатками можно пренебречь, если заменить серную кислоту более безопасным электролитом.
Изготовление батарейки
При изготовлении демонстрационной батареи гальванических элементов будем использовать стандартную пару – медь и цинк. Медную фольгу можно найти в некоторых трансформаторах. В крайнем случае, можно сделать медный электрод из свернутой в спираль голой медной проволоки [4]. Цинк можно добыть из разрядившихся солевых элементов питания, как правило, в них остается достаточно много металлического цинка даже, когда элемент непригоден к дальнейшему использованию. Вместо раствора кислоты, возьмем 10% раствор поваренной соли. В качестве емкости для электролита взяты пластиковые емкости от витаминов объемом примерно 50-100 мл.
В качестве контактов использованы винты, которые одновременно закрепляю электроды на крышке. При этом крайне желательно крепить медные электроды латунным винтом. Цинковую пластину можно без проблем крепить стальным винтом. Для герметизации под гайку подложена подходящая по размеру резиновая сантехническая прокладка.
Батарея из трех гальванических элементов позволяет питать светодиод.
Напряжение на одном элементе батареи составляет около 1 В.
Ток, отдаваемый в нагрузку, составляет около 0,23 мА
Такого тока достаточно для свечения светодиода. Однако на фотографии это свечение можно заметить, только если снимать при большой светочувствительности.
Такую батарею можно использовать в школе, например для выполнения лабораторной работы, по определению внутреннего сопротивления источника тока [5].
Литература
- Карцев В., Приключения знаменитых уравнений – М.: Просвещение, 2007 г.
- Элементарный учебник физики: учеб.пособие. в 3 т. под ред. Г.С.Ландсберга: т.2 Электричество и магнетизм – М.: Физматлит, 2006 г.
- Зверев И., Элемент? Элементарно!, «Юный техник» №6 2007 г.
- Юрьев П., ХИТ-парад, но отнюдь не музыкальный, «Юный техник» №2 1994 г.
- Лекомцев Д., Вокруг обычной батарейки, «Читаем, учимся, играем» №5 2014 г.
Автор материала Denev.
Форум
Обсудить статью ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ: САМОДЕЛЬНАЯ БАТАРЕЯ
принцип работы аккумуляторной батареи, устройство АКБ автомобиля, типы устройств
Независимые элементы питания сейчас стали одними из наиболее востребованных устройств, изобретённых людьми. Конструкция большинства гаджетов и их назначение часто предполагает отсутствие непрерывного доступа к электросети, поэтому и стали необходимыми такие устройства, как аккумуляторы. Они дают возможность пользоваться нужными приборами в любых требуемых условиях.
Что называют аккумулятором
Аккумулятором в самом общем значении этого понятия называется техническое приспособление, которое используется для накопления какого-либо вида энергии с целью её последующей равномерной отдачи в течение достаточно длительного периода времени (в отличие от конденсатора, который отдаёт накопленный заряд моментально). Конденсатор сохраняет непосредственно электрический заряд, в отличие от аккумулятора, который при зарядке преобразует электрическую энергию в энергию химической реакции, а когда будет работать под нагрузкой, превратит накопленную химическую энергию в электрическую.
Принцип работы аккумуляторной батареи заключается в том, что постоянно происходит химическая реакция между жидкостью-электролитом и металлическими пластинами-электродами. Единичные аккумуляторы очень слабы и не могут давать ток, достаточный для работы большинства устройств. Поэтому чаще всего они объединяются в аккумуляторные батареи, в которых используется последовательное или параллельное соединение отдельных элементов питания.
Разряд элемента питания
Конструкция подобных источников питания предполагает наличие двух клемм: плюса и минуса. Их работа происходит таким образом: при отсутствии нагрузки электрическая цепь разомкнута, а при подключении к полюсам какого-либо устройства цепь замыкается и начинается разрядка АКБ. Ток разряда, протекающий по батарее в таких условиях, возникает за счёт перемещения между электродами ионов: анионов и катионов.
Более подробно процесс разрядки батареи удобнее всего будет рассмотреть на конкретном примере. Катод (положительный электрод в источнике тока) состоит из гидрата закиси никеля, в который для улучшения проводимости добавляется графитовый порошок.
Для изготовления анода (отрицательного электрода) в батареях такого типа применяются железные сетки с губчатым кадмием. Электролитом в таком устройстве будет смесь гидроксидов калия и лития. Оксид-гидроксид никеля в таком щелочном источнике питания вступает в химическое взаимодействие с атомами кадмия и молекулами воды. В результате такой реакции образуются гидроксиды кадмия и лития, а также выделяется электроэнергия.
Цикл заряда батареи
Для начала зарядки от клемм аккумулятора необходимо отключить нагрузку. На свободные клеммы батареи подаётся постоянный ток со значением напряжения большим, чем выходное напряжение заряжаемого устройства.
При осуществлении зарядки следует строго соблюдать полярность, то есть должны совпадать положительные и отрицательные контакты батареи и зарядного устройства. Важно учитывать, что устройство для зарядки необходимо выбирать с большей мощностью, чем сам аккумулятор, для того, чтобы преодолевать сопротивление оставшейся в нём энергии и производить электрический ток с направлением, противоположным току разряда. В результате обратимые химические реакции, протекающие в АКБ, поменяют своё направление.
Для рассмотрения примера можно взять также никель-кадмиевую батарею. В реакцию вступают гидроксиды кадмия и никеля, образовавшиеся при цикле разряда. Продуктами этой реакции будут оксид-гидроксид никеля, вода и восстановленный кадмий.
Из всего вышесказанного следует, что во время рабочего цикла меняется только химический состав электродов. Электролит лишь создаёт требуемую для протекания реакций среду. С течением времени он может испаряться, что не самым лучшим образом скажется на продолжительности работы батареи. Рассмотренный принцип работы верен для любого типа аккумуляторов, будет изменяться только химический состав электродов и электролита.
Типы соединения аккумуляторов
Отдельные аккумулирующие элементы позволяют получать малые напряжение и силу тока. Например, чаще всего значение напряжения будет находиться в пределах 1−2 вольта. Для работы большинства устройств таких значений явно недостаточно. Чтобы повысить получаемое напряжение или силу тока, нужно устроить соединение аккумуляторов в батарею. Нужно подробнее остановиться на описании этих способов.
Параллельное соединение
Для соединения аккумулирующих элементов в батарею или нескольких АКБ требуется соединять их положительные клеммы с положительными, а отрицательные с отрицательными. К нагрузке присоединяются соединённые выводы всех элементов. При таком способе соединения напряжение в цепи будет таким же, как у каждой батареи по отдельности (если использовать батареи с одинаковым напряжением). А ёмкость станет равна сумме ёмкостей всех входящих в батарею элементов. Соответственно, вырастет и сила тока, которую такое устройство будет способно давать за определённый период до полной разрядки.
Последовательный способ
При использовании последовательного способа соединения АКБ следует связывать разнополярные контакты. Положительную клемму одного устройства соединяют с отрицательной клеммой другого, а электрическая схема подключается к свободным контактам первой и последней батарей. Итоговое выходное напряжение при применении такого вида соединения будет равняться сумме выходных напряжений всех задействованных источников электрического тока.
Например, чтобы получить АКБ с выходным напряжением двенадцать вольт, следует соединить последовательно четыре источника с напряжением три вольта или десяток аккумуляторов с выходным напряжением 1,2 вольта. Общая ёмкость собранных при помощи последовательного соединения АКБ будет равна ёмкости каждого аккумулятора по отдельности, то есть не изменится.
Типы источников тока
АКБ различаются по своему предназначению, характеристикам, тому как устроен аккумулятор и материалам, используемым при их изготовлении. На сегодняшний день в мире производится более трёх десятков типов различных аккумуляторов, основное различие между которыми заключается в химическом составе электродов, а также используемым видом электролита. Так, к примеру, в группу литий-ионных аккумуляторов входит двенадцать различных моделей. Наиболее популярными из всех производимых являются следующие типы:
- свинцово-кислотные;
- литиевые;
- никель-кадмиевые.
На них приходится значительная часть рынка элементов питания. Для лучшего представления о том, из каких материалов могут изготавливаться современные аккумуляторы стоит привести их полный список:
- железо;
- свинец;
- титан;
- литий;
- кадмий;
- кобальт;
- никель;
- цинк;
- ванадий;
- серебро;
- алюминий;
- целый ряд прочих металлов, которые, правда, используются крайне редко.
Применение при производстве различных материалов оказывает значительное влияние на итоговые эксплуатационные показатели и, как следствие, на область возможного использования. Например, литий-ионные АКБ часто устанавливаются в мобильные компьютеры и другие гаджеты.
В то время как никель-кадмиевые аккумуляторы в основном используются как альтернатива простым одноразовым батарейкам. В теории аккумуляторные батареи любого типа могут сочетаться с любым устройством. Дело лишь в целесообразности и себестоимости производства.
Основные характеристики
Выше были рассмотрены материалы, применяющиеся при изготовлении перезаряжаемых элементов питания, основные принципы их работы и способы соединения. Теперь можно перейти к их эксплуатационным качествам. Важнейшими эксплуатационными характеристиками являются:
- Плотность энергии АКБ. Этот показатель равен отношению полного количества электроэнергии, которую аккумулятор способен отдать, к его массе или объёму.
- Ёмкостью называют максимальный отдаваемый аккумулятором заряд во течение цикла разрядки, до достижения минимального значения напряжения на клеммах. В метрической системе такая величина выражается в кулонах (Кл), но в повседневной жизни гораздо чаще применяется внесистемная единица ампер-час (Ah) или, для слабых элементов питания миллиампер-час. Также в некоторых случаях может использоваться показатель, называемый энергетической ёмкостью. Он выражается в джоулях (система СИ) или в ватт-часах. Ёмкость показывает прибор какой мощности и в течение какого времени может питаться от конкретной АКБ.
- Температурный режим — диапазон значений температуры окружающей среды, в котором производитель рекомендует использование этого аккумулятора. При значительном отклонении от рекомендуемого изготовителем диапазона эксплуатационных температур, сильно возрастает вероятность того, что источник питания придёт в негодность. Это можно объяснить влиянием пониженных и повышенных температур на скорость течения химических реакций, а также на изменение давления внутри батареи.
- Саморазрядом АКБ называют потерю заряда, происходящую в заряженной батарее, при условии отсутствия нагрузки, подключённой к контактам. Величина этого показателя определяется, в основном, конструкцией батареи. Она может со временем возрастать из-за нарушения изоляции межу электродами по целому ряду причин.
Все эти параметры аккумуляторных батарей предоставляют наибольший интерес для конечного пользователя.
Устройство электродов
В качестве примера можно использовать свинцово-кислотную батарею. Каждая ячейка такого аккумулятора содержит пару электродов и разделительные пластины, которые изготовляются из пористого материала, не вступающего в химическое взаимодействие с кислотой. Такие пластины призваны препятствовать короткому замыканию погруженных в электролит электродов, и называются сепараторами.
Электроды в таких аккумуляторах выполняются в виде плоских свинцовых решёток. В ячейки таких решёток запрессовывается порошкообразная двуокись свинца (в пластинах-анодах) и металлический свинец в порошковой форме (в пластинах-катодах). Применение порошков обусловлено стремлением увеличить площадь поверхности раздела на границе электролит — электрод, что значительно повышает ёмкость такого источника тока.
Имеются экспериментальные образцы аккумуляторов, в которых свинцовые решётки замешены электродами, состоящими из сплетённых нитей углеволокна, которые покрываются тончайшим свинцовым напылением. Такая технология позволяет использовать значительно меньше свинца за счёт распределения его по большой площади, что делает аккумуляторную батарею не только миниатюрнее и легче, но и повышает её эффективность. КПД выше, чем у традиционных, а время зарядки сильно снижено.
Проводящее вещество
Пластины электродов и сепараторов опущены в электролит, в качестве которого в свинцово-кислотных аккумуляторах используется серная кислота, разведённая дистиллированной водой. Такая вода применяется для приготовления раствора потому, что она не оказывает влияния на кислотность среды. Проводимость получаемого таким образом раствора зависит лишь от концентрации серной кислоты и комнатных условиях будет максимальной при значении плотности жидкости-электролита в 1,23 грамма на кубический сантиметр.
Проводимость электролита обратно пропорциональна внутреннему сопротивлению источника питания, и, соответственно, повышение проводимости снижает потери энергии и увеличивает КПД. Стоит отметить, что в областях холодного климата часто используют повышенные до 1,29−1,31 грамма на кубический сантиметр концентрации серной кислоты. Это делается для предотвращения замерзания электролита. Ведь образующийся лёд может повредить корпус аккумулятора.
В батареях, которые устанавливаются в бытовые источники бесперебойного питания, системы сигнализации и другие бытовые приборы, жидкий электролит иногда сгущается до состояния пасты раствором силиката натрия. Но принцип работы АКБ остаётся тем же.
Области применения АКБ
Аккумуляторные батареи получили широчайшее распространение во всех видах технических устройств. Без них не обходится ни одно портативное электронное устройство: от наручных часов до ноутбуков. Даже в простых электрических фонарях производители предпочитают использовать встроенные АКБ вместо сменных элементов питания.
Не стали исключением и автомобили. В машинах привычных конструкций автомобильный аккумулятор используется для запуска двигателя и бесперебойного питания бортовой электрики и электроники. В набирающих всё большую популярность гибридных и электромобилях аккумуляторы играют ещё более важную роль. Причём в этом случае требования, предъявляемые к устройству АКБ автомобиля, ещё выше.
БатареяКрайне важны такие параметры: ток запуска, глубина разряда и максимальное количество циклов перезарядки, которое способен выдержать аккумулятор. Можно смело утверждать, что современный образ жизни был бы невозможен без аккумуляторных батарей.
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.
Батареиработают 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.
Вы также должны 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 показывает объемную и удельную плотности энергии, показывая меньшие размеры и меньший вес элементов.
Спецификации Battery Chemistry
Технические характеристики | Свинцово-кислотный | NiCd | NiMH | Литий-ионный | ||
---|---|---|---|---|---|---|
Кобальт | Марганец | Фосфат | ||||
Удельная плотность энергии (Втч / кг) |
Эмуляция напряжения аккумуляторной батареи – dSPACE
Для лучшего опыта работы с dSPACE.com, включите JavaScript в своем браузере. Спасибо!
- Северная Америка
- отдел новостей
- Публикации
- Связаться с нами
- Вход в систему Войдите в mydSPACE.
Если у вас еще нет идентификатора mydSPACE ID, сначала зарегистрируйтесь. Зарегистрироваться Сброс пароля О mydSPACE
- Отрасли и решения
- Автомобильная промышленность
- Автономное вождение
- Аэрокосмическая промышленность
- Коммерческие автомобили и внедорожники
- Электроприводы
- Академия
- Прочие поля
- Технологии и стандарты
- Все статьи
- Товары
- Что нового?
- Все товары
- Портфолио
- Системы
- Программное обеспечение
- Оборудование
- dSPACE Engineering Services
- dSPACE Consulting
- Информация о выпуске
- Поддержка
- Что нового?
- Запрос поддержки
- Центры поддержки продуктов
- База знаний
- Пользовательская документация
- Установка и лицензирование
- Программное обеспечение для загрузки и исправления
- Версия и совместимость
- Информация о жизненном цикле продукта
- Обучение
CATL Аккумулятор
CATL , полное название Contemporary Amperex Technology Co., Limited, является ведущей компанией по производству литиевых аккумуляторов во всем мире, расположенной
в Ниндэ, Фуцзянь, Китай. CATL – производитель литиевых батарей номер один в Китае.
Его первая производственная фабрика находится в Ниндэ, провинция Фуцзянь, Китай.с производственной мощностью 1,4 ГВтч. Это один из крупнейших заводов по производству высококачественных аккумуляторов
LiFePO4 в Китае до 2017 года.
CATL имеет завод высокого качества с новейшими автоматическими технологиями. В отделе исследований и разработок работает более 900 инженеров и специалистов по технологии литиевых батарей
, 5% дохода будет инвестировано в исследования и разработки, которые гарантируют, что CATL всегда будет пионером новейших литиевых технологий. Плотность энергии
батареи CATL составляет 190 Втч / кг.
CATL Аккумуляторные элементы высокого качества, они используются для производства аккумуляторов BMW. они являются единственным партнером BMW в области литиевых батарей в Китае. CATL и BMW
строят новое предприятие John по производству литиевых батарей в Пекине, Китай.
Предприятие CATL и BMW Johnt, производящее высококачественные литиевые батареи на севере Китая.
_______________________________________________________________________________________________________________
CATL 12.8V 201Ah 271Ah Модуль литиевой батареи LFP
No. | Деталь | Параметры | Параметры | 12,88В271Ач | |||
2 | Номинальная мощность | 202Ач при RT 1C | 271Ah при RT 1C | 271Ah3 при RT 1C | 271Ah3 | 956 1C12.88 В при 25 | |
4 | Рабочее напряжение | 10 В 14,6 В | |||||
5 | Энергия | 2601WhBOL | 2601WhBOL при 10003 900 Вт RT | ||||
6 | Доступный диапазон SOC | 0% ~ 100% | |||||
7 | Транспортный диапазон SOC | 40% 3 | 8Рабочая температура | Зарядка 0 ~ 65 Разрядка-3065 | |||
9 | Температура хранения | -40C ~ 60 C | |||||
Рабочая Влажность | 5% ~ 95% | ||||||
11 9 0056 | Стандартный ток заряда | 0.5C = 101A | 0,5C = 135,5A | ||||
12 | Срок службы | 1C / 1C RT, 3500цикл, глубина разряда 80% | |||||
902 34 13 Скорость саморазряда | RT100% SOC3,5% / месяц | ||||||
14 | Вес | 19,7 кг | 25,2 кг | ||||
902 Размер | 266.22L * 177,5W * 236,6H | 337,5L * 177,5W * 236,6H |
Модуль состоит из 4 последовательно соединенных электрических ячеек и состоит из торцевой пластины из листового металла, боковой пластины, нагревательной пленки ,
FPC и верхняя крышка модуля. Нагревательная пленка модуля обеспечивает функцию нагрева модуля,
FPC отвечает за сбор напряжения и температуры ячейки во время работы модуля. Блистерная крышка
модуля может защитить ячейку и изоляцию.
A) погрешность измерения напряжения мономера 5 мВ;
B) Ошибка точности оценки SOC 8%;
C) Погрешность точности SOH 5%;
D) точность выборки тока 1% от полной шкалы;
E) точность измерения температуры 2; _______________________________________________________________________________________________________________
CATL 3.7V50Ah Литий-ионные аккумуляторы NCM для автомобилей, электромобилей, аккумуляторов энергии
Деталь | 0003 | Номинальная мощность | 50 Ач |