Основные виды аккумуляторных батарей

Обзор технологий «консервированного» электричества

 

Аккумуляторные батареи являются неотъемлемой частью деятельности человека. Они используются во многих областях промышленности и производственной индустрии. АКБ нашли широкое потребление в телекоммуникации, электротранспорте, энергетике. Огромное применение аккумуляторов занимает работа вычислительной техники, систем передачи данных с участием ИБП:

• центры обработки данных;
• банковская система;
• промышленные предприятия;
• государственные и научные учреждения;
• офисы;
• любой участок производства, на котором используется компьютер. 

Помимо крупных предприятий и организаций, довольно широко эксплуатируются аккумуляторные батареи в частном жилом секторе. Да что говорить, мини-аккумуляторы питают нескончаемое количество мобильных устройств и прочих гаджетов.

Основываясь на широкий и регулярный потребительский спрос, аккумуляторная промышленность заняла внушительную производственную нишу и стала отдельной самостоятельной отраслью. Тысячи заводов в мире ежедневно производят «про запас» миллионы единиц, так называемого «консервированного электричества». Поэтому потребителям зачастую довольно сложно сделать правильный и обоснованный выбор. Ведь учитывать приходится очень много нюансов, начиная от технических возможностей АКБ и заканчивая конструкцией.

Основные виды аккумуляторных батарей

 Перед тем как мы начнём рассматривать виды и типы аккумуляторов, стоит разобраться с основными понятиями. В принципе, Аккумулятор и Аккумуляторная батарея – это одно и то же. Но если подходить к вопросу более скрупулёзно, то Аккумулятором считают единичный элемент любого напряжения (пара электродов с электролитом). А вот Батарея – это несколько аналогичных элементов, соединённых между собой. Чаще всего используются именно батареи, хотя все называют их аккумуляторами.

 Существует три основных вида АКБ:

• свинцово-кислотные;
• никель-кадмиевые (разновидность: никель-железные металл-гидридные);
• литиевые.

 Название конкретного вида отражает отличие активных компонентов в конструкции. Так, свинцово-кислотные, например, состоят из свинцовых пластин и заливаются кислотным электролитом. У никель-кадмиевых одна пластина содержит никель, а другая – кадмий (иногда железо), заливаются щелочным электролитом. В литиевых аккумуляторах в качестве электродов выступает отрицательно заряженный литий и другие компоненты (иногда полимерные), а вот электролит используется твёрдый. 

Свойства и характеристики аккумуляторов зависят от электрохимических процессов, происходящих в батарее. Одним из наиболее значимых параметров является напряжение элемента, оно может варьироваться в рамках от 1 до 3,6 В. Второй, не менее значимый показатель – это ёмкость батареи, единица измерения которой Ач (апмер-час). Ёмкость АКБ – это запас энергии, который питает нагрузку с определённой силой тока на протяжении определённого времени. Следующий важный параметр, на который стоит обращать внимание – это количество циклов заряда-разряда. Именно он определяет срок службы аккумуляторной батареи. Естественно, при выборе АКБ нужно учитывать и такие характеристики, как: глубина разряда, диапазон рабочих температур, значения токов заряда и разряда.

 Наиболее распространённая модель аккумуляторных батарей – это свинцово-кислотные (СК). Они довольно простые в использовании и доступные по стоимости. При их производстве применяются сравнительно недорогостоящие компоненты: свинец в виде электродов и раствор серной кислоты в качестве электролита. Чаще всего напряжение одного элемента равно 2 В, а диапазон ёмкостей может иметь значение до нескольких тысяч Ампер-часов. Такой вид аккумуляторов в основном используется в автомобилях, как стартерный. Промышленные модели будут существенно отличаться по характеристикам, габаритам и конструкции.

 Никель-кадмиевые (НК) батареи входят в группу щелочных АКБ. В них находится две разных по содержанию пластины: одна выполнена из гидроокиси никеля, вторая из гидроокиси кадмия. Активный порошкообразный компонент запрессован в пластины, которые имеют перфорированную либо решётчатую структуру. Благодаря перфорации происходит обмен зарядами через электролит. Но стоит учесть, что встречаются и иные конструктивные исполнения, например, со спеченными электродами.

 Преимуществом никель-кадмиевых АКБ является высокий уровень надёжности. Их отличительная особенность перед свинцово-кислотными – это низкая чувствительность к температурным изменениям. Именно поэтому для эксплуатации в сложных климатических зонах стоит выбирать Ni-Cd батареи. Они неприхотливы, не боятся глубоких разрядов и частых перезарядов, исключены внезапные поломки, которые возможны у СК. Вследствие этого срок эксплуатации у качественных никель-кадмиевых аккумуляторов существенно больше, чем у классических, примерно в 1,5-2 раза. Естественно, это влияет на их немалую стоимость.

 К общей группе никель-кадмиевых относится менее распространённая подгруппа никель-железных аккумуляторов. Этот класс АКБ имеют более низкие технические характеристики и возможности. Они заметно уступают НК по уровню надёжности, довольно сложные в обслуживании, имеют низкий КПД и большие потери. Можно было бы смело сказать, что никель-железные батареи давно уже не актуальны. Но, с недавних пор к ним заметно возрос интерес в европейских странах. Это связано с простотой утилизации и экологичностью самих устройств. Поэтому технологию производства стали возрождать и модернизировать.

 Ещё один, не менее известный вид аккумуляторов – это литиевые батареи. Большую популярность они приобрели за счёт всевозможных гаджетов: мобильных телефонов, планшетов, ноутбуков. Ранее в более мощных устройствах литий-ионные АКБ не использовались из-за их высокой стоимости, но за последние годы ситуация существенно поменялась.

1. Литиевые аккумуляторные батареи практически сравнялись в цене с классическими. Например, их стоимость по сравнению с НК почти одинаковая, а от СК они стоят всего в 2 раза дороже.
2. Литий-ионные (точнее, литий-железо-фосфатные) батареи превосходят все остальные виды по всем характеристикам: ресурс работы, температурный диапазон, стойкость к глубоким разрядам. Помимо этого, у них лучший показатель удельной запасаемой энергии, то есть максимальный запас энергии в минимальном объёме.

 Учитывая все вышеперечисленные достоинства, становится ясно, что именно эти аккумуляторы будут лидерами продаж в ближайшем будущем. На данный момент их широко применяют в электромобилях, постепенно идёт активное использование и в других сферах, например, в альтернативной энергетике.

Подробнее о характеристиках

 Описание возможностей и характеристик любого типа аккумуляторов осуществляется одинаковыми параметрами. Основными являются показатель ёмкости и уровень напряжения. Ёмкость отображает количество тока в течение определённого времени (при заданном напряжении), которое аккумулятор способен отдать до своего полного разряда. Поэтому измеряется этот показатель в ампер-часах. Как правило, ёмкость батареи привязывают ко времени, и в характеристике устройства указывают такие обозначения: С5, С10 или С20. Самая большая абсолютная ёмкость аккумулятора бывает при длительном разряде в стационарном режиме. А вот уровень ёмкости при отдаче за короткое время меньше.

 Такой параметр, как ёмкость очень зависим от температуры окружающей среды при использовании. Норматив номинальной ёмкости учитывается при комнатной температуре. Если значение Т повышается, то и значение ёмкости тоже растёт. При понижении Т, уровень ёмкости падает, так как замедляются химические процессы. Например, при Т = 0°С ёмкость батареи может снизиться на 50-70%, в зависимости от напряжения и от вида аккумулятора. Наиболее подверженные воздействию температур СК батареи, у них эксплуатационный диапазон от -30 до +40°С, а более стойкие НК и литиевые: от -40-50 до + 50-60°С. Несоблюдение рекомендуемых диапазонов приводит к существенному уменьшению сроков работы.

 Каждый вид АКБ имеет своё время заряда, от которого будет зависеть ёмкость. Как правило, заряд аккумулятора осуществляется в течение нескольких часов. Литиевым батареям для полной зарядки хватит и часа, а вот НК батареям для заряда в 90% необходимо несколько часов. А вот СК могут заряжаться от 8 часов до двух суток.

 Не менее важный показатель – это срок эксплуатации АКБ. Чаще всего стандартным значением выступает расчётный срок работы в буферном режиме. То есть когда батарея постоянно подключена к источнику постоянного тока. У СК срок эксплуатации (службы) равен 3-5 лет, но бывает и 10-15 лет, а у изделий нового поколения 8-20 лет. Многое зависит от состава и чистоты применяемых компонентов. При этом именно чистота материала существенно влияет на срок применения. Вторичный переработанный свинец долго не прослужит.

 Наиболее долговечные аккумуляторы свинцово-кислотной группы – это батареи из сплошного свинца. Т. н. элементы Планте, или их новое название GroE, они могут работать и 20, и 30 лет.

 Обслуживаемые и герметизированные

 Аккумуляторы делятся на: обслуживаемые, малообслуживаемые и необслуживаемыe. Обслуживание включает в себя долив дистиллированной воды при необходимости и регулярный контроль уровня электролита. Стоит понимать, что во время разряда аккумуляторов вода не просто испаряется, а происходит диссоциация, то есть разложение воды на два элемента: водород и кислород. Испарение осуществляется через специальный фильтр пробки, которая защищает от улетучивания аэрозолей, паров, и от проникновения искры внутрь.

Литиевые АКБ не подлежат обслуживанию. А вот никель-кадмиевые и свинцово-кислотные считаются обслуживаемыми и бывают вентилируемого типа. Вентилируемые аккумуляторы необходимо размещать в помещениях с хорошей вентиляцией. Они требуют обязательного обслуживания: долива воды, измерения плотности электролита и периодических испытаний.

 Но эти же типы батарей могут являться и необслуживаемыми. Так, некоторые модели никель-кадмиевых нуждаются в редком доливе воды, примерно 1 раз в 10-12 лет!

 Когда в процессе разряда выделенный на разных пластинах водород и кислород преобразуется обратно в воду, не испаряясь, то батарея в обслуживании не нуждается. Этот процесс называют рекомбинацией газов. Наиболее часто такой метод встречается в свинцово-кислотных АКБ.

 Для того чтобы обязательно происходил процесс рекомбинации, необходимы определённые условия. Для этой цели электролит насыщают силиконовыми добавками. Образуется состав по консистенции схожий на густую или гель, и находится он между пластинами. В процессе диффузии отдельные частички газов увязают в густой массе электролита и могут быстро испариться. Вероятность на встречу двух разных элементов повышается и образуется молекула воды. Так осуществляется процесс рекомбинации. Аккумуляторы с таким электролитом называются гелевыми. Преимуществом АКБ типа Gel является их возможность службы в любом положении. Если их установить боком или в перевёрнутом виде, то ничего не вытечет.

 Наиболее выгодным представителем герметичных аккумуляторов являются батареи типа AGM. В них пространство между пластинами заполняется пористым губчатым компонентом, чаще всего это стеклокапиллярный материал, салфетка из стекловолокна, которая напитывается электролитом (только электролит здесь более жидкий). Лабиринты такой губки создают дополнительные препятствия для водорода и кислорода, поэтому рекомбинация проходит ещё эффективнее, нежели в геле. От этого и образовалось название AGM, то есть Absorbent Glass Mat, что в переводе означает: абсорбция в стекловолоконном материале.

 Аккумуляторные батареи типа AGM имеют минимальные потери воды и максимальный коэффициент рекомбинации, около 99% и более при условии правильного процесса заряда/разряда. Несмотря на такую технологию, газы всё-таки по чуть-чуть стравливаются. Этому способствует специальный клапан, который выполнен в виде мембраны, рассчитанной на определённое избыточное давление. Её действие напоминает работу ниппеля, но в обратном порядке.

 Сбрасывание газов через мембрану и приводит непосредственно к окончанию срока эксплуатации. Хоть и происходит это довольно медленно. Обслуживанию AGM батареи не подлежат, доливать воду в них нет возможности.

 Все вышеперечисленные типы аккумуляторов имеют свою сферу использования. Батареи с жидким электролитом стандартной плотности имеют лучшие динамические характеристики. То есть благодаря подвижности заряда скорость заряда/разряда у них выше.

 Гелевые АКБ стоит эксплуатировать в устройствах, которые имеют стационарный продолжительный разряд. Им необходим неспешный процесс заряда, так как заряд большим уровнем напряжения приведёт к их разрушению.

 Гелевые аккумуляторы наделены большим преимуществом – это больший циклический ресурс. Когда речь идёт о полных, глубоких разрядах, то гелевые батареи смогут обеспечить в 2-3 раза больше циклов. Так, например, AGM аккумуляторы рассчитаны на 250-300 циклов (не считая исключений), а GEL 500-600 циклов. При этом качество этих типов устройств примерно одинаковое. Поэтому стоимость гелевых будет выше. 

 Несмотря на стандартные параметры, компания ООО Пульсар представляет AGM аккумуляторы ТМ EverExceed, которые способны обеспечивать более 600 полных циклов. А обслуживаемые батареи могут похвастаться ещё более высоким ресурсом.

 Скромная привлекательность литиевых батарей

 Технология изготовления литиевых аккумуляторов настолько быстро развивается, что вполне может оставить «не у дел» более консервативные АКБ. В первую очередь это относится к свинцово-кислотным. Так как разница в стоимости стремительно уменьшается. Так, ещё 5-7 лет назад литиевые батареи были в 5-6 раз дороже, а сейчас разница в цене составляет в 1,5-2 раза.

 Спектр применения литиевых аккумуляторов постепенно растёт, сейчас их активно используют в телекоммуникации, в системах резервного питания, в ИБП и альтернативной энергетике, ну и, конечно, в электромобилях. То есть везде, где необходим большой циклический ресурс.

 Отмечена тенденция роста спроса потребителей, поэтому всё большее количество поставщиков стали пополнять свой ассортимент литиевыми АКБ.

Преимущества литиевых батарей

1. Срок эксплуатации литиевых батарей на сегодня – 15 лет. У СК ожидаемый срок работы, у аккумуляторов средней ёмкости, 30-300 Ач, – 10-12 лет. Но в реальных условиях, с поправкой на условия использования, с учётом человеческого фактора, этот срок работы обычно составляет 7-8 лет.
2. Циклический ресурс у свинцово-кислотных, самых лучших и наиболее распространённых, обычно в пределах нескольких сотен циклов глубокого разряда, максимум 600-700. У литиевых батарей – 4000 циклов.
   

   Форма литий-ионной аккумуляторной батареи на автомобиле KIA Motors

3. Литиевые АКБ абсолютно другого типа, нежели свинцово-кислотные. Они управляются на программном уровне, эти батареи не могут работать без блока управления BMS. Это практически компьютер, который отслеживает все параметры, следит за зарядкой, прекращает разряд, фиксирует параметры сопротивления – и всё это транслирует на монитор. Обычные батареи – это вообще чёрный ящик, там трудно даже определить, по какой причине батарея вышла из строя, почему потеряла ёмкость. Здесь же пользователь всё видит, может посмотреть историю, сколько циклов разряда прошла батарея.
4. Литий-ионные аккумуляторы собираются из маленьких элементов, похожих на пальчиковые батарейки или патроны. Благодаря такому модульному исполнению батареи могут принимать самые необычные формы разных размеров, заполняя пустоты. А могут сохранять и обычную форму, свойственную стандартным аккумуляторам. В электромобиле конструкция неправильной формы вдоль днища набита этими кассетами. Для телекоммуникаций подходит стоечное исполнение 19¨.
5. Литиевые батареи легче и компактней. Помимо этого, у них: быстрая зарядка, большие токи разряда, высокая плотность энергии (Втч/кг), работа в широком температурном диапазоне и множество других, менее значимых преимуществ.

Назначение аккумуляторных батарей 

Исполняя роль источников автономного и резервного питания, АКБ разных типов широко применяются в разных сферах жизни, и, естественно, в промышленности. В связи с тем, что у каждой отрасли есть свои определённые задачи, то каждой из них подходит конкретный тип аккумулятора.

 В телекоммуникациях (мо­бильные операторы, системы фиксированной связи) используются, чаще всего, стационарные свинцово-кислотные АКБ, потому что в телекоммуникациях применяется длитель­ный стационарный разряд и не требуются динамические режимы. Важный пара­метр здесь – это срок эксплуатации. На участ­ках, где возможен глубокий разряд, устанавливаются СК с трубчатыми пластинами типа OPzS или OPzV, об­ладающие, между прочим, отличным ресурсом циклического разряда – 1500 циклов.

 В системах, где нагрузка несущественная, где нужна ёмкость десятками или не­большими сотнями ампер-часов, применяются герметизированные батареи типа АGМ, изредка гелевые. В телекоммуникациях в шкафах с оснащением изредка используют какие-то другие виды АКБ, кроме герме­тизированных. Факторами их подбора могут выступать только ёмкость и напряжение. По габаритам они компактны и удобно размещаются в шкафах электропитания, в источ­никах бесперебойного питания, рядом с чувствительной электроникой.

В энергетике аккумуляторы нашли довольно широкое применение. В большущем объёме электростан­ций, подстанций, систем разной автоматики, механики слежения непременно есть АКБ. В большинстве производственных процессов батареи выполняют миссию безопасности и резервного питания. Подача мас­ла насосами на подшипники в генера­торе – это беспрерывный процесс, кото­рый нельзя прерывать. В таких случаях обязательно необходим аккумулятор для резервирования пита­ния. Причём подойдёт батарея любо­го типа, потому что каких-то больших толчковых токов здесь не предвидится.

 А вот при аварийных включениях, наоборот, необходимы большие пусковые, толчковые токи, кратковременные, которые длятся доли секунды, включение – и напряжение заканчивается. В таких случаях подойдут свинцово-кислотные АКБ типа GrоЕ.

Стоит отметить, что в наши дни в энергетике всё чаще эксплуатируют стационарные необслу­живаемые батареи герме­тизированного типа АGМ.

 На промышленных предприятиях невероятно много примеров использования аккумуляторов. На любом крупном заводе или фабрике есть свои подстанции, UPS, система ава­рийного питания.

 Возьмём, напри­мер, шахты. Там довольно редко бывает контакт­ная сеть (опасно по газу, по пыли), поэтому уголь вывозится электровозами с вагонетками, которые приводят в движение тяговые аккумуляторы.

 Традиционно в шахтах используются никель-железные батареи и никель-кадмиевые, но в последние годы в шахтах в подвижном электротранспорте служат и свинцово-кислотные АКБ. Тоже тяговые, которые имеют высокие пока­затели и дешевле (никель-кадмиевые по надёжности и безопасности выше, но они дороже в 2-3 раза).

 То ли к промышленности, то ли к транспорту можно отнести погру­зочно-разгрузочный парк. Это тоже очень большая сфера: склады, мага­зины, логистические центры, заводы, здесь в основном применяются КС тягового назначения с трубчатыми пластинами (а сейчас уже и литиевые). К тяговым аккумуля­торам довольно повышенные требования по механической устойчивости. А также они должны быть устойчивы к циклическому режиму дня: день разряжаются, но­чью заряжаются. Хороший тяговый аккумулятор на 1500 циклов, учитывая 250 рабочих дней, отработает около 6 лет.

 В транспорте также роль аккумуляторных батарей слож­но переоценить. На ЖД аккумуляторы служат для резервирования функций включения-отключения, в локомотивах, электропоездах и теплово­зах. Помимо этого их используют для автономного питания в вагонах. Находясь в движении, вагон питается от генератора, и он же заряжает эти АКБ, а во время стоянки, наоборот, эти батареи дают освещение, вентиляцию, кондиционирование в вагоны. На железной до­роге используются как свинцово-кислотные, так и никель-кадмиевые, и никель-железные, причём последние, щелочные, немного чаще.

 На городском электротранспорте обычно в работе НК, там довольно сильные вибрации, низкие или высо­кие сезонные температуры, там СК не выдержит. Аккумуляторы на электротранспорте могут выполнять одновременно несколько функций. Например, в метро они используются для резервирования открывания дверей и работы автома­тики, в трамвае обеспечивают питание электромагнитного тормоза.

Объекты малого бизнеса. Обычно применяются источники бесперебойного питания. Но те, что используются в банках, офисах, как правило, рассчитаны на непродолжительное время работы (5-10 минут, изредка час). Чаще всего, такие UPS могут работать только от батареи ограниченной ёмкости.

 Частный сектор. Здесь аккумуляторы питают: системы безо­пасности, сигнализации, а это любой киоск, магазинчик и частная сигнализация в домах. В этих целях используют батареи АGМ-типа, небольшой ёмкости, 5-20 Ач.

 Когда люди хотят за­резервировать себе какие-то системы, на­пример, газовые котлы с собственной систе­мой прокачки и элек­троприводом, то им потребуются аккумуляторы АGМ типа с большим уровнем ёмкости, либо гелевые, если есть финансовая возможность.

 Для жилья необходимо ду­мать о большом времени резервиро­вания. Здесь потребуется очень мощное ЗУ, способное под­держивать аккумулятор очень большой ёмкости, обеспечивая многочасовую авто­номность, может даже суточную.

 Завершая обзор, стоит сказать, что мир аккумуля­торов безграничен, и на рынке существует мно­жество вариантов как внутри самих технологий, так и у отдельных произ­водителей.

Подготовил Евгений ПОЛИЩУК