1. Нікель-кадмієві акумулятори (NiCd)
Винайдений Вальдмаром Юнгнер в 1899 році, нікель-кадмієвий акумулятор мав кілька переваг у порівнянні зі свинцево-кислотних, єдиним існуючим тоді акумулятором, проте був більш дорогим через вартість матеріалів. Розвиток цієї технології було досить повільним, але в 1932 році був зроблений значний прорив - в якості електрода став використовуватися пористий матеріал з активною речовиною всередині. Подальше вдосконалення було зроблено в 1947 році і вирішило проблему газопоглинання, що дозволило створити сучасну герметичну необслуговується нікель-кадмієві батареї.
універсальна серія GEL
NiCd стандарт залишається одним з найнадійніших і невибагливих серед акумуляторних батарей, і авіаційна галузь залишається вірною цій системі. Проте, довговічність цих акумуляторів залежить від належного обслуговування. NiCd, і почасти NiMH акумулятори, схильні до ефекту "пам'яті", який призводить до втрати ємності, якщо періодично не робити повний цикл розряду. При порушенні рекомендованого режиму зарядки акумулятор ніби пам'ятає, що в попередні цикли роботи його ємкість не була використана повністю, і при розряді віддає електроенергію тільки до певного рівня. (Дивіться: Як відновити нікелевий акумулятор). У таблиці 1 перераховані переваги і недоліки стандартного нікель-кадмиевого акумулятора.
надійний; велика кількість циклів при правильному обслуговуванні
Єдиний акумулятор, здатний до ультрашвидкий зарядці з мінімальним стресом
Хороші характеристики навантажень, прощає їх перебільшення
Тривалий термін зберігання; можливість зберігання в розрядженому стані
Відсутність спеціальних вимог до зберігання і транспортування
Хороша продуктивність при низьких температурах
Найнижча вартість одного циклу роботи серед всіх акумуляторів
Можна користуватися в широкому діапазоні розмірів і варіантів виконання
Відносно низька питома енергоємність в порівнянні з більш новими системами
Ефект "пам'яті"; необхідність періодичного обслуговування для його уникнення
Кадмій є токсичним матеріалом, необхідна спеціальна утилізація
Високий саморозряд; потребує підзарядки після зберігання
Низька напруга осередку в 1,2 вольта, вимагає побудови багатокоміркової систем для забезпечення високої напруги
Таблиця 1: Переваги і недоліки нікель-кадмієвих батарей.
2. Нікель-метал-гидридні акумулятори (NiMH)
Дослідження нікель-метал-гидридной технології почалися ще в 1967 році. Однак нестабільність метал-гідриду гальмувала розробку, що в свою чергу призвело до розвитку нікель-водневої (NiH) системи. Нові гідридні сплави, виявлені в 1980-х, вирішили проблеми з безпекою, і дозволили створити акумулятор з питомою енергоємністю на 40% більшою, ніж у стандартного нікель-кадмиевого.
Нікель-метал-гидридні акумулятори не позбавлені недоліків. Наприклад, їх процес зарядки більш складний, ніж у NiCd. З саморазрядом в 20% за першу добу і подальшої щомісячної в 10%, NiMH займають одну з лідируючих позицій в своєму класі. Модифікуючи гідридний сплав, можна домогтися зниження саморозряду і корозії, але це додасть недолік у вигляді зменшення питомої енергоємності. Але в разі використання в електротранспорті, ці модифікації вельми корисні, так як підвищують надійність і збільшують термін служби батарей.
3. Використання в споживчому сегменті
NiMH батареї в даний момент є одними з найбільш легкодоступних. Такі гіганти галузі як Panasonic, Energizer, Duracell і Rayovac визнали необхідність присутності на ринку недорогого і довговічного акумулятора, і пропонують нікель-метал-гидридні джерела живлення різних типорозмірів, зокрема АА і ААА. Виробниками витрачаються великі зусилля, щоб відвоювати частину ринку у лужних батарей.
У таблиці 2 порівнюються питома енергоємність, напруга, саморозряд і час роботи батарейок і акумуляторів споживчого сегмента. Представлені в АА, ААА і інших типорозмірах, ці джерела живлення можуть використовуватися в портативних пристроях. Навіть якщо у них може трохи різниться номінальний вольтаж, стан розряду, як правило, настає при однаковому для всіх фактичному значенні напруги в 1 В. Ця широта значень напруги допустима, так як портативні пристрої мають деяку гнучкість в плані діапазону напруг. Головне - необхідно разом використовувати тільки однотипні електричні елементи. Проблеми безпеки і несумісність напруги перешкоджають розвитку літій-іонних батарей в АА і ААА типорозмірі.
Ємність АА версії
Таблиця 2: Порівняння різних батарей типорозміру АА.
* Eneloop є торговою маркою корпорації Sanyo, заснованої на NiMH системі.
Високий показник саморазряда NiMH є причиною триваючої заклопотаності споживачів. Ліхтар або портативний пристрій з батареєю NiMH розрядиться, якщо не користуватися ним кілька тижнів. Пропозиція заряджати пристрій перед кожним використанням навряд чи знайде розуміння, особливо у випадку з ліхтарями, які позиціонуються як джерела резервного освітлення. Перевага лужної батареї з терміном зберігання в 10 років тут бачиться безперечним.
В нікель-метал-гидридной батареї від Panasonic і Sanyo під торговою маркою Eneloop вдалося значно зменшити саморазряд. Eneloop може зберігатися без підзарядки в шість разів довше ніж звичайна NiMH. Але недоліком такої поліпшеної батареї є трохи менша питома енергоємність.
У таблиці 3 наведено переваги та недоліки нікель-метал-гидридной електрохімічної системи. У таблиці не враховані характеристики Eneloop і інших споживчих торгових марок.
Обмежений термін служби; глибокі розряди сприяють її зменшенню
Складний алгоритм зарядки; чутливі до перезаряду
Особливі вимоги до режиму підзарядки
Виділяють тепло під час швидкої зарядки і розряду потужної навантаженням
високий саморозряд
Кулонівська ефективність на рівні 65% (для порівняння у літій-іонних - 99%)
Таблиця 3: Переваги і недоліки NiMH батарей.
4. Залізо-нікелеві акумулятори (NiFe)
Після винаходу в 1899 році нікель-кадмиевого акумулятора шведський інженер Вальдмар Юнгнер продовжив дослідження і намагався замінити дорогий кадмій дешевшим залізом. Але низька ефективність заряду і надмірне газоутворення водню змусили його відмовитися від подальшого розвитку NiFe батареї. Він навіть не став патентувати цю технологію.
У 1901 році Томас Едісон продовжив розвиток цієї електрохімічної системи в якості заміни свинцево-кислотного акумулятора для електричних транспортних засобів. Едісон був упевнений, що NiFe набагато перевершує свинцево-кислотну систему і розраховував на великий успіх на зароджувався ринку електротранспорту. Але в підсумку автомобілі з двигуном внутрішнього згоряння повністю зайняли ринок, а залізо-нікелева батарея не зацікавила виробників навіть в ролі стартера акумулятора або як джерело електрики для освітлювальних приладів. (Дивіться: Історія електричних силових агрегатів).
Акумулятори EverExceed GEL
для сонячних електростанцій
Залізо-нікелевий акумулятор (NiFe) використовує в якості катода гідрат окису нікелю, анода - залізо, а електроліту - водний розчин гідроксиду калію. Осередок такого акумулятора генерує напруга в 1,2 В. NiFe стійкий до зайвого перезаряду і глибокого розряду; може експлуатуватися в якості резервного джерела живлення протягом більш ніж 20 років. Стійкість до вібрацій і високих температур зробили цей акумулятор самим використовуваним в гірській промисловості в Європі; також він знайшов своє застосування для забезпечення харчування залізничної сигналізації, також використовується як тягової акумулятор для навантажувачів. Можна відзначити, що під час Другої світової війни саме залізо-нікелеві батареї використовувалися у німецькій ракеті "Фау-2".
NiFe має низьку питому потужність - приблизно 50 Вт / кг. Також до недоліків варто віднести погану продуктивність при низьких температурах і високий показник саморазряда (20-40 відсотків на місяць). Саме це, укупі з високою вартістю виробництва, спонукає виробників залишатися вірними свинцево-кислотних батарей.
Але залізо-нікелевий електрохімічна система активно розвивається і в недалекому майбутньому здатна стати альтернативою свинцево-кислотної в деяких галузях. Перспективно виглядають експериментальна модель ламельної конструкції, в ній вдалося знизити саморазряд акумулятора, він став практично несприйнятливий до впливу пере- і недозарядке, а його термін служби очікується на рівні 50 років, що можна порівняти з 12-річним терміном служби свинцево-кислотної батареї в режимі роботи при глибоких циклічних розрядах. Очікувана ціна такої NiFe батареї буде порівнянна з ціною літій-іонної, і всього в чотири рази перевищувати ціну свинцево-кислотної.
NiFe акумулятори, так само як і NiCd і NiMH. вимагають особливих правил зарядки - крива напруги має синусоїдальну форму. Відповідно, використовувати зарядний пристрій для свинцево-кислотного або літій-іонного акумулятора не вийде, це навіть може нашкодити. Як і всі батареї на основі нікелю, NiFe бояться перезарядження - він викликає розкладання води в електроліті і призводить до її втрати.
Акумулятори Victron Energy
Знижену в результаті неправильної експлуатації ємність такого акумулятора можна відновити шляхом додатка високих струмів розрядки (пропорційних значенням ємності акумулятора). Дану процедуру необхідно проводити до трьох разів з тривалістю періоду розряду в 30 хвилин. Також слід стежити за температурою електроліту - вона не повинна перевищувати 46 ° С.
5. Нікель-цинкові акумулятори (NiZn)
Нікель-цинковий акумулятор схожий на нікель-кадмієвий тим, що використовує лужної електроліт і нікелевий електрод, але відрізняється по напрузі - NiZn забезпечує 1,65 В на клітинку, в той час як NiCd і NiMH мають показник в 1,20 В на клітинку. Заряджати NiZn акумулятор необхідно постійним струмом з значенням напруги 1,9 В на клітинку, також варто пам'ятати, що цей вид акумуляторів не розрахований для роботи в режимі підзарядки. Питома енергоємність становить 100Вт / кг, а кількість можливих циклів - 200-300 раз. NiZn не має в своєму складі токсичних матеріалів і може бути легко утилізовано. Випускається в різних типорозмірах, в тому числі в АА.
У 1901 році Томас Едісон отримав патент США на акумуляторну нікель-цинкову батарею. Пізніше його розробки були удосконалені ірландським хіміком Джеймсом драми, який встановив ці акумулятори на автомотриси, які курсували за маршрутом Дублін-Брей з 1932 по 1948 рік. NiZn не отримав належного розвитку через сильний саморазряда і короткого життєвого циклу, викликаного утвореннями дендритів, що також часто призводило до короткого замикання. Але вдосконалення складу електроліту зменшило цю проблему, що дало привід знову розглядати NiZn для комерційного використання. Низька вартість, висока вихідна потужність і широкий діапазон робочих температур роблять цю електрохімічний систему вкрай привабливою.
6. Нікель-водневі акумулятори (NiH)
Коли в 1967 почалася розробка нікель-метал-гідридних батарей, дослідники зіткнулися з нестабільністю гидрита металу, що викликало зсув в бік розвитку нікель-водневого (NiH) акумулятора. Осередок такого акумулятора включає в себе інкапсульований в посудину електроліт, нікелевий і водневий (водень укладений в сталевий балон під тиском в 8207 бар) електроди.
NiH має номінальну напругу осередку в 1,25 В, а питома енергоємність становить 40-75 Вт / кг. Перевагами є тривалий термін служби, навіть при глибоких циклах розряду, стійкість до оточуючих впливам внаслідок низького показника корозії, мінімальний саморозряд і видатною діапазон робочих температур - від -28 ° С до 54 ° С. Ці властивості роблять NiH батареї ідеальним рішенням для використання в супутниках. Вчені намагалися розробити версії і для наземного використання, але низька питома енергоємність і висока вартість призводять до недоцільності цього напрямку. Вартість одного осередку такого акумулятора може досягати тисячі доларів. Свого часу NiMH батареї замінили в супутниках нікель-кадмієві, зараз же існує тенденція до заміни NiH на літій-іонні. (Дивіться: Альтернативні електрохімічні системи).
Контроль і захист акумуляторів