Как устроен электрический аккумулятор, его принцип работы, виды, назначение и основные характеристики

Сфера применения электрических аккумуляторов чрезвычайно широка. В качестве источников электроэнергии они используются как в детских игрушках, так и в электроинструменте, и в качестве источника тяги в электромобилях. Чтобы грамотно применять аккумуляторы, надо знать их свойства, их сильные и слабые стороны.

Что такое электрический аккумулятор и как он устроен

Электрический аккумулятор – это возобновляемый источник электрической энергии. В отличие от гальванических элементов, после разряда он может быть заряжен вновь. Принципиально все аккумуляторы устроены одинаково и состоят из катода и анода, помещенных в электролит.

Материал электродов и состав электролита бывает разным, и именно это определяет потребительские свойства аккумуляторов и сферу их применения. Между катодом и анодом может быть проложен пористый диэлектрический разделитель – сепаратор, пропитанный электролитом. Но он определяет, большей частью, механические свойства сборки и принципиально на работу элемента не влияет.

В целом работа аккумулятора основана на двух преобразованиях энергии:

• электрической в химическую при заряде;
• химической в электрическую при разряде.

Оба вида преобразования основаны на протекании обратимых химических реакций, течение которых обусловлено применённых в аккумуляторе веществ. Так, у свинцово-кислотного элемента активная часть анода выполняется из диоксида свинца, а катода – из металлического свинца. Электроды находятся в электролите из серной кислоты. При разряде на аноде диоксид свинца восстанавливается с образованием сульфата свинца и воды, а свинец на катоде окисляется до сульфата свинца. При заряде протекают обратные реакции. В аккумуляторах других конструкций составляющие реагируют по-другому, но принцип схож.

Виды и типы аккумуляторов

Потребительские свойства аккумуляторов определятся, в основном, его технологией производства. В быту и промышленности наиболее распространены несколько типов элементов АКБ.

Свинцово-кислотные

Этот тип аккумуляторов изобретен ещё в середине XIX века, и до сих пор имеет свою нишу применения. К его достоинствам относят:

• простую, недорогую и отработанную десятилетиями технологию производства;
• высокую токоотдачу;
• длительный ресурс (от 300 до 1000 циклов заряд-разряд);
• самый низкий ток саморазряда;
• отсутствие эффекта памяти.

Есть и недостатки. В первую очередь это низкая удельная энергоёмкость, ведущая к увеличению габаритов и веса. Также отмечается плохая работа при отрицательных температурах, особенно ниже минус 20 °C. Имеются и проблемы с утилизацией – соединения свинца довольно токсичны. Но эту задачу необходимо решать и для других типов аккумуляторов.

Несмотря на то, что устройство кислотно-свинцовых АКБ доведено до оптимума, даже здесь есть варианты для улучшения. Например, существует технология AGM, согласно которой между электродами помещается пористый материал, пропитанный электролитом. На электрохимические процессы заряда и разряда это не влияет. В основном это позволяет улучшить механические характеристики батарей (стойкость к вибрации, возможность работы в почти любом положении и т.п.) и несколько повышает безопасность эксплуатации.

Также заметным достоинством является улучшенная работа без потери ёмкости и токоотдачи при температурах до минус 30 °C. Производителями AGM-батарей заявляется повышение пускового тока и ресурса.

Другой модификацией кислотно-свинцовых батарей являются гелевые аккумуляторы. Электролит загущается до состояния желе. Этим достигается исключение вытекания электролита при эксплуатации и устраняется возможность образования газов. Зато несколько снижается токоотдача, и это ограничивает возможность применения гелевых батарей в качестве стартерных. Декларируемые чудесные свойства таких аккумуляторов в плане повышенной ёмкости и увеличенного ресурса – на совести маркетологов.

Заряжают свинцово-аккумуляторные АКБ обычно в режиме стабилизации напряжения. При этом растет напряжение на АКБ и падает ток зарядки. Критерием окончания процесса заряжания служит падение тока до установленного предела.

Никель-кадмиевые

Их век подходит к концу, а сфера применения постепенно сокращается. Их основной недостаток – ярко выраженный эффект памяти. Если начать подзарядку неполностью разряженного Ni-Cd аккумулятора, то элемент «запоминает» этот уровень, и ёмкость в дальнейшем определяется уже от этого значения. Другая проблема – низкая экологичность. Токсичные соединения кадмия создают проблемы с утилизацией таких аккумуляторов. К прочим недостаткам можно отнести:

• высокую склонность к саморазряду;
• относительно низкую энергоёмкость.

Но есть и плюсы:

• невысокая стоимость;
• длительный ресурс (до 1000 циклов заряд-разряд);
• способность отдавать высокий ток.

Также к достоинствам таких аккумуляторов относят способность работать при низких отрицательных температурах.

Зарядку Ni-Cd элементов производится в режиме постоянного тока. Полностью использовать ёмкость можно дозарядкой плавным или ступенчатым снижением тока зарядки. Окончание процесса контролируется по уменьшению напряжения на ячейке.

Никель-металлогидридные

Разработаны для замены никель-кадмиевых батарей. Многие характеристики и потребительские свойства у них выше, чем у Ni-Cd. Удалось частично избавиться от эффекта памяти, примерно в полтора раза повысить энергоёмкость и снизить склонность к саморазряду. При этом сохранилась высокая токоотдача и осталась примерно на том же уровне стоимость. Смягчена экологическая проблема – аккумуляторы производятся без использования токсичных соединений. Но за это пришлось заплатить сниженным в разы ресурсом (до 5 крат) и способностью работать при отрицательных температурах – всего до -20 °C против -40 °C у никель-кадмиевых.

Заряжаются такие элементы в режиме постоянного тока. Окончание процесса контролируется по возрастанию напряжения на каждом элементе до 1,37 вольт. Наиболее благоприятным является режим импульсного тока с отрицательными выбросами. Так устраняются последствия эффекта памяти.

Литий-ионные

Аккумуляторы литий-ионного типа завовевывают мир. Они вытесняют остальные типы АКБ из тех сфер, где положение казалось незыблемым. Li-ion элементы практически не имеют эффекта памяти (он присутствует, но на теоретическом уровне), выдерживают до 600 циклов заряд-разряд, энергоёмкость в 2-3 раза превышает соотношение ёмкости и веса никель-металлогидридных аккумуляторов.

Склонность к саморазряду при хранении также минимальна, но за все это приходится платить в буквальном смысле – такие батареи стоят намного дороже традиционных. Можно ожидать снижения цен с развитием производства, как это бывает обычно, но другие врожденные недостатки таких АКБ – пониженная токоотдача, невозможность работы при отрицательных температурах – вряд ли будут преодолены в рамках существующих технологий.

Наряду с повышенной пожароопасностью это несколько сдерживает применение Li-ion батарей. Также надо учитывать, что такие элементы подвержены деградации. Даже если они не заряжаются и разряжаются, их ресурс сам по себе сходит к нулю за 1,5…2 года хранения.

Наиболее благоприятный режим зарядки – в два этапа. Сначала стабильным током (с плавно возрастающим напряжением), потом стабильным напряжением (с плавно спадающим током). На практике второй этап реализуется в виде ступенчато снижаемого тока зарядки. Ещё чаще эта стадия состоит из одной ступени – просто снижается стабилизированный ток.

Основные характеристики аккумуляторов

Первый параметр, на который обращают внимание при подборе аккумулятора, это его номинальное напряжение.  Напряжение одной ячейки АКБ определяется физико-химическими процессами, протекающими внутри элемента, и зависит от типа аккумулятора. Одна полностью заряженная банка выдает:

• свинцово-кислотный элемент – 2,1 вольт;
• никель-кадмиевый – 1,25 вольт;
• никель-металлогидридный – 1,37 вольт;
• литий-ионный – 3,7 вольт.

Чтобы получить более высокое напряжение, элементы собирают в батареи. Так, для автомобильного аккумулятора надо соединить последовательно 6 свинцово-кислотный банок для получения 12 вольт (точнее, 12,6 В), а для 18-вольтового шуруповерта – 5 литий-ионных банок по 3,7 вольт.

Второй важный параметр – ёмкость. Определяет время работы аккумулятора под нагрузкой. Измеряется в ампер-часах (произведение тока на время). Так, АКБ емкостью 3 А⋅ч при разрядке током 1 ампер будет разряжена за 3 часа, а при токе в 3 ампера – за 1 час.

Важно! Строго говоря, ёмкость аккумулятора зависит от тока разряда, поэтому произведение тока и времени разряда при разных значениях нагрузки для одного аккумулятора не будет одинаковым.

И третий важный параметр – токотдача. Это максимальный ток, который может выдать аккумулятор. Он важен, например, для автомобильной АКБ – определяет возможность провернуть вал двигателя в холодное время года. Также способность отдавать большой ток, создавая высокий вращающий момент, имеет значение, например, для электроинструмента. А для мобильных гаджетов эта характеристика не так важна.

Электрические свойства и потребительские качества аккумуляторов зависят от их конструкции, технологии производства. Правильное применение АКБ подразумевает использование достоинств возобновляемых химических источников питания и нивелирование недостатков.

Что такое литий ионный аккумулятор — устройство и виды

Как правильно зарядить автомобильный аккумулятор: пошаговая инструкция

Что такое внешний аккумулятор для телефона и какой лучше выбрать?

Как выбрать зарядное устройство для автомобильного аккумулятора

Какие существуют виды источников электрического тока?

Проверка электрических параметров автомобильного аккумулятора с помощью мультиметра