Принцип дії акумулятора
Акумулятор (від лат. Accumulatio - накопичення) - пристрій накопичення енергії для її подальшого використання. Електричний акумулятор (далі - просто «акумулятор») накопичує енергію за рахунок оборотного хімічного процесу - перетворює при зарядці електричну енергію в хімічну, а потім у міру потреби віддає її споживачеві. Акумуляторна батарея є набором послідовно з'єднаних акумуляторів і може додатково забезпечуватися вбудованими логічними елементами, термодатчиками і запобіжниками, які дозволяють контролювати процес зарядки.
Основні принципи дії хімічних джерел електричного струму були відкриті ще в кінці 18 століття, і всі сучасні акумулятори виготовлені на їх основі, а конструкція з того часу практично не змінилася - з'явилися лише нові матеріали і технології, що дозволили зменшити розміри і підвищити ємність батарей.
Якщо в електроліт (розчини кислот, лугів або солей, а також розплави солей, в яких присутні вільні іони - частини молекул з позитивним або негативним зарядом) занурити два електрода з різних матеріалів (з різним хімічним потенціалом), то на них почнеться осадження заряджених іонів . При цьому на аноді - електроді з негативним хімічним потенціалом (наприклад, графитовом стрижні) - будуть осідати позитивні іони (катіони), і він стане позитивним полюсом акумулятора. Відповідно на другому електроді - катоді (наприклад, цинкової банку) - осядуть негативні іони (аніони), і він стане негативним полюсом. Цей електрохімічний окислювально-відновний процес називається «гальванічним» (на честь Луїджі Гальвані - італійського вченого, який відкрив виникнення різниці потенціалів при контакті металу з електролітом). На цьому принципі заснована робота гальванічних елементів живлення - як одноразових (елементів «першого роду», елементів Лекланше), так і перезаряджаються (елементів «другого роду» - акумуляторів), а також паливних елементів, в яких електроліт для реакції подається безперервно.
перезарядка
Перезарядка акумуляторів можлива за рахунок оборотності хімічних процесів при пропущенні електричного струму. При цьому відбувається процес відновлення матеріалу електродів і насичення електроліту (повернення осіли на електродах іонів в розчин). Так як хімічні процеси окислення-відновлення є досить повільними і супроводжуються виділенням тепла (акумулятори при зарядці і швидкої розрядки гріються, кислотні можуть закипіти, а літієві - навіть вибухнути), то зарядка є досить тривалим процесом (8-16 годин). Природно, і віддати енергію відразу акумулятори не здатні. У цьому їхня відмінність від конденсаторів, які не є гальванічними елементами - вони тільки накопичують заряд на поверхні обкладок, набагато менший, ніж може зберігати електроліт в тому ж обсязі, але зате можуть і віддати весь заряд практично миттєво.
Нікель-кадмієві акумулятори мають нікелевий анод і кадмієвий катод, робоча напруга 1.2 В. Незважаючи на невисоку ємність Ni-Cd елементів (порядку 0.5-1 Ач для елементів формату АА - «пальчикові батарейки»), вони мають свої переваги. Вони володіють низьким внутрішнім опором, тому здатні подавати на вихід досить сильний струм без падіння напруги до повної розрядки, забезпечують велику кількість циклів зарядки / розрядки (500-1000). Але застосування кадмію в процесі електролізу викликає виділення водню, який може призвести до вибуху. Для запобігання руйнуванню корпусу акумулятора в ньому роблять вентиляційні отвори, через які виходять надлишки водню. З цієї причини не можна герметично закривати ці елементи, а корпусу батарей необхідно робити з отворами. Крім того, кадмій є токсичною речовиною, і повинен бути перероблений після утилізації. Нікель-кадмієві акумулятори характеризуються саморазрядом в межах 10% в першу добу після зарядки і приблизно по 10% кожен місяць. Саморозряд є наслідком хімічної реакції, що протікає в акумуляторі навіть при відсутності навантаження.
Ефект «пам'яті» акумуляторів
Основна проблема Ni-Cd акумуляторів - це ефект «пам'яті» рівня заряду: якщо такий елемент розрядити в повному обсязі, то на аноді утворюються кристали кадмію, що зменшують корисну ємність батареї. При досягненні того ж «неповного» рівня при наступній розрядці напруга впаде точно так же, як якби акумулятор був повністю розряджений. Для відновлення початкової ємності необхідно проводити «розгойдування», цикли «повна зарядка - повна розрядка». Причому, так як електронні прилади при падінні напруги просто відключаються, то для «глибокої» розрядки необхідна наявність електричного споживача, не відключати при падінні напруги (наприклад, електрична лампочка або реостат).
Причина «пам'яті» Ni-Cd акумуляторів - матеріал катода. Для катода ідеальним матеріалом є водень, але при кімнатній температурі і атмосферному тиску він знаходиться в газоподібному стані. Зате є метали, що дозволяють пов'язувати в своїй структурі атомарний водень в обсязі в 1000 разів перевищує їх власний. Це цинк, нікель і літій, чиї з'єднання з воднем отримали назву «гідриди». Відповідно, у Ni-MH акумуляторів нікелевий анод і нікель-гідридний катод. Такі акумулятори практично не мають пам'ять, є екологічно чистими (за рахунок відсутності токсичних металів), мають більшу місткість (в 1,5-2 рази більше, ніж у Ni-Cd), також можуть витримувати струм великої сили. Але у Ni-MH акумуляторів є і суттєві недоліки в порівнянні з Ni-Cd. Ni-MH більш схильні до саморазрядка: при зарядці до 1.4 В напруга падає до 1.2 В в перші години, а іноді і хвилини, потім воно тримається постійним до повної розрядки. При цьому акумулятор втрачає по 3-5% заряду на добу (80-100% на місяць), відповідно при зберіганні їх необхідно щомісяця підзаряджати. Крім того, Ni-MH акумулятори при зарядці сильно нагріваються, тому для них необхідна наявність спеціальних зарядних пристроїв з контролем температури.
Боротьба за ємність
Крім підвищення ємності акумуляторів за рахунок застосування нових речовин, можна підвищити питому ємність за рахунок більш раціонального використання простору: батареї з елементами прямокутної або плоскої форми дозволяють підвищити ємність на 20% в порівнянні з батареями з циліндричних елементів. У таких «нестандартних» елементах замість рідкого електроліту застосовується полімер (наприклад, такий композитний матеріал, як поліакрилонітрил), який містить літієвий сіль. Відповідно, такі елементи не потребують надійної герметичній захисній оболонці, за рахунок чого знижується їх маса і підвищується питома заряд.
Але і у літій-іонних акумуляторів ще не вичерпаний ресурс ємності. Фахівцям з Sandia National Laboratories вдалося підвищити ємність акумуляторних батарей в 10 разів за рахунок застосування кремній-вуглецевого анода. Але вони зіткнулися з проблемою зниження ємності при кожній наступній зарядці, пов'язаної з руйнуванням анода під впливом великого струму. Уповільнити руйнування анода і зменшення ємності вдалося за рахунок застосування композитних матеріалів, більш стійких до дії великого струму. Поки такі акумулятори знаходяться в стадії розробки, і їх масовий випуск очікується в тому випадку, якщо вдасться сповільнити зниження ємності до прийнятного рівня.
Електричними параметрами акумуляторів є напруга, ємність, струм зарядки / розрядки, внутрішній опір.
Ємність батареї - це її максимальний заряд, або той час, який повністю заряджена батарея зможе безперервно давати заданий струм:
C = q [Кл] = I * t [A * c]. де q - заряд, I - сила струму, t - час.
Для зручності час вказують не в секундах (як прийнято в системі Сі), а в годинах:
C = I * t [А * ч]. що дорівнює 3600q [Кл].
Це означає, що замість маркування 5400 А * з ми зазвичай бачимо більш зручне і звичне позначення 1.5 А * ч.
Характеристикою типу акумулятора є питома ємність - потужність одиниці маси елемента [Вт * ч / кг]. Для Ni-Cd елементів ця величина складає 40-80, для Ni-MH - 60-80, для Li-Ion - 90-110, для Li-полімерних - 130-150 Вт * ч / кг.
Ще один важливий робочий параметр акумулятора - це максимальний струм. Якщо струм розрядки - це тільки обмеження експлуатаційних можливостей, то струм зарядки - це обмеження, перевищення якого виведе акумулятор з ладу. В електронних пристроях цей струм зазвичай істотно нижче максимального, щоб збільшити термін служби батареї. У деяких пристроях відсутній контролер зарядки, і акумулятори постійно знаходяться в режимі підзарядки малим струмом. Згодом цього струму вже не вистачає для досягнення повного заряду - відбувається відкладення продуктів реакції на електродах, і для процесу відновлення необхідний більший струм. Часто «оживити» незаряжающіеся акумулятори виходило короткочасної подачею струму в 2 рази більшої сили при напрузі близько 1.5 В, після чого зарядка проводилася з номінальними параметрами.
Сила струму розрядки зазвичай обмежується виробником і знаходиться в межах 0.2-0.5 від величини ємності елемента. Сила струму зарядки визначається за правилом:
I (зар) = k * C (бат) [А]. де С (бат) - ємність батареї [А * ч], k - коефіцієнт, що залежить від типу батареї.
Алгоритм відновлення Ni-MH акумуляторів
Як було сказано вище, втрата ємності акумулятора пов'язана з відкладенням продуктів реакції на електродах. Для відновлення акумулятора необхідно повернути ці продукти в початковий стан.
Для цього необхідно мати в наявності наступне:
- джерело живлення з плавним регулюванням напруги, індикаторами сили струму і напруги (можна також скористатися окремими вольтметром і амперметром);
- підготовлені для зарядки акумуляторні елементи;
- навантаження - реостат або лампочку, опір яких необхідно підібрати виходячи з формули:
R = U / I [Ом]. де U - номінальна напруга батареї. I - необхідна сила струму [A], яка береться з розрахунку I = 0.4 С (бат).
Бажано також мати в наявності термодатчик або термореле, щоб можна було вчасно відключити струм при перегріванні.
Перед зарядкою розрядимо акумулятор до напруги близько 1 В - підключаємо вольтметр і навантаження паралельно елементу. Періодично контролюємо напруга (воно не повинно впасти нижче 0.9 В - можуть початися незворотні процеси). Періодично контролюємо температуру - вона не повинна підніматися вище 50 градусів Цельсія. В іншому випадку необхідно відключати навантаження до тих пір, поки елемент не охолоне до кімнатної температури. Після розрядки необхідно витримати час для нормалізації процесів всередині елемента (15-20 хвилин). За цей час елемент «регенерується», напруга підвищиться, і його можна доразрядіть до напруги 0.9 В. Далі, почекавши 10-15 хвилин, можна приступати до зарядки.
Для зарядки приєднуємо амперметр послідовно до заряджається елементу, джерело живлення і вольтметр - паралельно, одним контактом до вільного полюсу акумулятора, іншим - до вільного контакту амперметра. Термодатчик або чутливий елемент, термореле, бажано закріпити на акумуляторі з використанням термопасти для більш точних вимірювань. Встановлюємо регулятор напруги джерела живлення на мінімальну напругу (реостат - на максимальний опір). Далі - плавно піднімаємо напруга так, щоб сила струму на амперметр досягла значення:
I (зар) = 0.1C (бат)
Наприклад, для акумулятора ємністю 1500 мАг максимальна сила струму буде 150 мА. Сила струму буде поступово знижуватися, і відповідно, необхідно підвищувати напругу. Спочатку - раз в 3-5 хвилин протягом першої години, далі - щогодини. Як тільки напруга досягне 1.3 номінального (1.4-1.5 вольт), потрібно залишити акумулятор на зарядку як є - далі підвищувати напругу можна. Коли сила струму впаде до значення близького до нуля (через 4-6 годин), потрібно відключити зарядку, почекати 15-20 хвилин для нормалізації процесів, і поставити заряджатися на 8 годин. На всьому протязі зарядки необхідно стежити за тим, щоб температура не піднімалася вище 50 градусів Цельсія. Якщо ж температура перевищує це значення - треба знизити струм зарядки (в 1.5-2 рази) до тих пір, поки акумулятор не охолоне до 30 градусів. Потім можна плавно підняти струм до номінального значення. Для відновлення початкової ємності буде потрібно 3-4 таких циклу.
2. очікування регенерації (10-15 хвилин);
3. повторне включення до повної розрядки;
4. постановка на зарядку до повного заряду (відключення індикатора зарядки, повідомлення «зарядка завершена»);
5. відключення зарядки (2-5 хвилин);
6. повторне включення на зарядку на 8 годин.
Необхідно виробити близько трьох таких циклів, причому рекомендується проводити ці операції як відразу після придбання нового апарату або нової батареї, так і через кожні 3-6 місяців експлуатації.
Tips Tricks
1. Щоб розібрати склеєний акумуляторний блок, можна використовувати викрутку з пластиковою ручкою і короткий округлений ніж. Ручкою викрутки обстукував корпус батареї по шву, потім в щілину вставляємо ніж, і, створюючи невелике зусилля його нахилом, продовжуємо обстукувати батарею. Корпус почне розходитися, і ніж потрібно буде пересувати далі, до повного розбирання батареї. Звичайно, не всі батареї розбираються легко, є ризик пошкодити тонкий корпус, але при достатній тренуванні можна буде розбирати практично будь-які клеєні корпусу швидко і без пошкоджень, а потім склеювати їх назад.
2. Для відновлення акумулятора може знадобитися заміна елементів. Необхідно придбати елементи не тільки такого ж типу (Ni-Cd або Ni-MH) і розміру, але і бажано не перевищувати номінальної ємності «рідних» елементів - в іншому випадку струм зарядки може бути вище, або буде некоректно спрацьовувати логічна схема контролера зарядки, що викличе помилкове відображення заряду акумуляторів і несвоєчасне відключення зарядного пристрою.
3. Зберігання акумуляторів. Акумулятори потрібно зберігати повністю заряджені! При зберіганні треба регулярно (раз в 1-2 місяці) перевіряти напругу. Воно не повинно падати нижче 1 В. Якщо ж напруга впало, необхідно зарядити акумулятори заново. Єдині акумулятори, які можуть зберігатися вбраними - це Ni-Cd.
Саморозряд батарей відбувається через ту ж хімічної реакції електродів і електроліту, яка відбувається в процесі роботи (розрядки під навантаженням), тільки без навантаження ці процеси протікають значно повільніше. Причому, при зниженні температури ці процеси сповільнюються, відповідно для зниження саморозряду зберігати акумулятори треба в прохолодному сухому місці. Для цих цілей цілком підходить холодильник. Але не можна поміщати акумулятори в морозильну камеру - почне конденсуватися волога, що є причиною корозії і витоку струму. А через різкий перепад температури може расслоиться електроліт. Оптимальна температура зберігання - 1-5 градусів Цельсія.
Навіщо обжимають «сіли» батарейки
Якщо обжати корпус сіла батарейки, то устранятся порожнини між електродами і електролітом, що виникли в процесі реакції. Сам електроліт розподілиться більш рівномірно. Збільшиться швидкість реакції і відновиться струм. Таким чином, батарейка протягне ще деякий час. Головне - не перестаратися і не замкнути електроди :).
Корисна інформація для автовласників. Взимку, при сильному морозі, процеси в акумуляторі сповільнюються настільки, що сили струму навіть повністю зарядженого акумулятора не вистачає для розкрутки стартера. Звичайно, це також пов'язано з загустіння масла, тому для полегшення запуску двигуна зазвичай відразу після вимкнення двигуна додають трохи бензину в картер і роблять 5-10 обертів коленвала стартером (без запуску двигуна), а запускають двигун з вичавленим зчепленням. Але підвищити струм акумулятора можна за рахунок нагріву, який можна зробити включенням на 10-15 хвилин ламп ближнього світла. Під дією споживача електроенергії акумулятор розігрівається, збільшується швидкість хімічної реакції, зростає струм (що можна побачити по підвищенню яскравості світіння фар). Цього струму цілком вистачить для запуску двигуна. І ще: краще довше безперервно «крутити стартер», ніж намагатися запустити двигун короткими включеннями. Кожне включення супроводжується різким підвищенням струму, який падає в міру розкручування стартера, і чим менше таких включень, тим довше пропрацює стартер від акумулятора, і тим вище буде ймовірність успішного запуску.