Електричний акумулятор

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Нікель-кадмієві (NiCd) акумулятори

Електри́чний акумуля́тор (лат. accumulare — «нагромаджувати»), а також акумуляторна батарея (послідовно з'єднані акумуляторні електрохімічні комірки) — хімічне джерело електричного струму багаторазової дії, основна специфіка якого полягає в зворотності внутрішніх хімічних процесів, що забезпечує його багаторазове циклічне використання (через заряд-розряд) для накопичення електричної енергії та автономного електроживлення різноманітних електротехнічних пристроїв та систем. Електричний акумулятор належить до категорії вторинних хімічних джерел струму.

Принцип дії[ред.ред. код]

Принцип дії акумулятора заснований на зворотності хімічної реакції. Найпоширеніші електричні (кислотні та лужні) акумулятори накопичують хімічну енергію (внаслідок зворотних хімічних реакцій між речовиною електродів та електролітом), і віддають електричну енергію, являючи собою гальванічні елементи. Працездатність акумулятора може бути відновлена ​​шляхом заряду, тобто пропусканням електричного струму в напрямку, зворотному напрямку струму при розряді: на від'ємному електроді (катоді) реакція окислення замінюється реакцією відновлення, а на позитивному електроді (аноді) реакція відновлення змінюється на реакцію окислення.[1]

Характеристики[ред.ред. код]

  • Ємність акумулятора — це максимально можливий корисний заряд, що віддається повністю зарядженим акумулятором при розряді до найменшої допустимої напруги.

В міжнародні системі одиниць СІ ємність акумуляторів вимірюють в кулонах. На практиці використовується позасистемна одиниця Ампер-година: 1 А ⋅ год = 3600 Кл.

  • Енергетична ємність — енергія, що віддається повністю зарядженим акумулятором при розряді до найменшої допустимої напруги.

В системі СІ енергетична ємність вимірюється в джоулях. На практиці використовується позасистемна одиниця Ват-година: 1 Вт ⋅ год = 3600 Дж.

При низьких температурах ефективність акумуляторів всіх електрохімічних систем різко знижується.[2] Разом з тим, NiCd акумулятори можуть працювати й при -40оС, у той час як температура -20оС є межею, при якому NiMH, SLA й Li-ion акумулятори припиняють функціонувати.[2]

Хоча акумулятор і може працювати при холодних температурах, але це зовсім не означає, що він автоматично може також бути заряджений при тих умовах. Сприйнятливість до заряду більшості акумуляторів при дуже низьких температурах надзвичайно обмежена і струм заряду за таких умов повинен бути зменшений до 0,1оС.[2]

Застосування[ред.ред. код]

Акумулятори широко застосовують в техніці: на автомобільному, морському, повітряному і залізничному транспорті, в радіотехніці, на телефонних і електричних станціях, електромобілях, для освітлення і сигналізації на штучних супутниках Землі, космічних апаратах тощо.

У 2016 році міжнародна енергетична компанія AES ввела в експлуатацію сховище електроенергії з батарей літій-іонних акумуляторів ємністю 20 МВт•год, під’єднане до єдиної енергосистеми Нідерландів, призначене для зберігання надлишку електроенергії від віднолюваних джерел енергії[3].

Склад, будова, принцип дії[ред.ред. код]

Акумулятор, як і будь-яке хімічне джерело струму, складається з позитивного і негативного електродів та електроліту, в який вони занурені. Різниця потенціалів, що виникають на межі стикання електродів з електролітом, утворює ЕРС акумулятора (або напругу акумулятора при розімкнутому колі). Під час розряду акумулятора енергія хімічних реакцій перетворюється на електричну енергію; при зарядці, навпаки, електрична енергія перетворюється на хімічну.

Стартерна акумуляторна батарея виконана у формі системи із декількох електрохімічних комірок. Послідовно з'єднані електрохімічні комірки називають «батареєю».[1]

Акумуляторна батарея може бути виконана із декількох електрохімічних комірок, об'єднаних в один електричний ланцюг. Ці комірки сполучені електрично і конструктивно для отримання необхідних значень струму і напруги. Використовується, зокрема, як джерело енергії для живлення тягових електродвигунів акумуляторних електровозів. Основні параметри, які характеризують такий акумулятор, — електрорушійна сила, напруга, опір внутрішній, струм та ємність.

В акумуляторах глубокого заряду-розряду (поїздів, човнів, автонавантажувачів), автомобільних акумуляторах (забезпечують постійну подачу струму протягом тривалого періоду часу) енергію виробляють елементи — група свинцевих пластин покритих окисом свинцю і кислотою.[4] Свинцеві решітки покриті окисом свинцю і кислотою називають пластинами. Поперемінно чергуючи позитивні і негативні пластини складені стопками і вставлені у футляри називають елементами.[4]

Лужні залізонікелеві акумулятори (що застосовуються частіше) у порівнянні з кислотними свинцевими мають ряд переваг: можуть зберігатися в розрядженому або напіврозрядженому стані, не виходять з ладу в результаті коротких замикань, мають більший строк служби. Переваги кислотних А.б.: вищий ККД, вища розрядна напруга, менший внутрішній опір. На шахтах в А.б. використовують кислотні (свинцеві) і лужні (залізонікелеві) акумулятори.

Акумуляторний завод в Тюмені освоїв технологію промислового випуску акумуляторів 3СТ-55А в 1986 році.[5]

Нині одним з найбільших в Європі виробників стартерних акумуляторних батарей є Національна акумуляторна корпорація "ISTA".

Види[ред.ред. код]

Розрізняють кислотні (свинцеві) і лужні акумулятори.

Кислотні акумулятори мають високу номінальну напругу (2 В), малий внутрішній електричний опір та відносно високий коефіцієнт корисної дії (до 0.85). Проте невеликий термін служби, недостатня міцність та незадовільна робота при низьких і високих температурах обмежують їх застосування.

Лужні акумулятори мають ряд переваг перед кислотними: вони міцніші, не бояться перевантажень, добре працюють в широкому інтервалі температур, невимогливі до виробничих умов. Основні їх недоліки: низький ККД (до 60 %) і напруга (1,2; 1,25; 1,33 В).

За складом електродів (активної маси) лужні акумулятори поділяють на:

  • Кадмій-нікелеві;
  • Залізо-нікелеві;
  • Цинк-нікелеві;
  • Срібло-цинкові.

За способом утримання електродів акумулятори поділяють на:

Безламельні акумулятори мають підвищену ємність і менші розміри. Останнім часом почали застосовувати стартерні залізо-нікельові акумулятори, які працюють при низьких температурах краще, ніж кислотні. Для одержання великих імпульсних струмів при низьких і високих температурах та значних змінах атмосферного тиску застосовують срібло-цинкові акумулятори.

Кадмійо-нікельові акумулятори можуть бути дуже малих розмірів — 1—3 см² (т. з. ґудзики), їх застосовують у слухових апаратах для глухих та в напівпровідникових радіоприладах. Лужні акумулятори виробляють сухими.

Порівняння[ред.ред. код]

Електричні та експлуатаційні характеристики акумулятора залежать від матеріалу електродів і складу електроліту. Зараз найбільш поширені такі акумулятори:

Тип Напругаa Щільність енергіїb Потужністьc ККДd E/$e Розряд.f Кількість
циклівg
Тривалість
використанняh
(В) (МДж/кг) (Вт*г/кг) (Вт*г/л) (Вт/кг) (%) (Вт*г/$) (%/міс.) (#) (років)
Лужно-кислотний 2.1 0.11-0.14 30-40 60-75 180 70%-92% 5-8 3%-4% 500-800 3 (автомобільний акумулятор), 20 (стаціонарний)
VRLAi 2.105
Лужний 1.5 0.31 85 250 50 99.9% 7.7 <0.3 100-1000 <5
Ni-залізо 1.2 0.18 50 100 65% 5-7.3[6] 20%-40% 50+
Ni-кадмій 1.2 0.14-0.22 40-60 50-150 150 70%-90% 20% 1500
NiH2 1.5 75 20.000 15+
NiMH 1.2 0.11-0.29 30-80 140-300 250-1000 66% 1.37 20% 1000
Ni-цинк 1.7 0.22 60 170 900 2-3.3 100-500
Li-іонний 3.6 0.58 160 270 1800 99.9% 2.8-5[7] 5%-10% 1200 2-3
Тонкоплівчастий Li  ? 350 959  ?  ?p[8] 40000
ZnBr 75-85
V-редокс 1.4-1.6 25-35[9] 96%[10] 14,000[11] 10 (стаціонарний)[10]
NaS 2 0.54 150 89%-92% 2500-4500
Розплавлена сіль 70-110[12] 150-220 4.54[13] 3000+ 8+
Супер залізо
Срібло-цинк 130 240
Примітки

Задля лаконічності, записи в таблиці було скорочено. Для повного описання, дивіться окремі статті про кожний тип.

  • a Номінальна напруга елементу, Вольт.
  • b Щільність енергії = накопичена енергія/вага або енергія/об’єм, в трьох одиницях вимірювання
  • c Питома потужність = потужність/вага, Вт/кг
  • d Коефіціент корисної дії заряду/розрядки у відсотках, %
  • e Енергія/вартість споживання в Вт*г/US$ (приблизно)
  • j Безпечна для працездатності акумулятора глибина розряду
  • f Коефіцієнт саморозряду у відсотках на місяць
  • g Кількість робочих циклів
  • h Тривалість періоду працездатності, років
  • i До VRLA або рекомбінантів належать гелеві акумулятори та абсорбційні скляні пластинки
  • p Пілотне виробництво
  • r В залежності від кількості циклів розряду

Примітки[ред.ред. код]

  1. а б Алабышев А. Ф., Вячеславов П. М., Гальнбек А. А., Животинский П. Б., Ротинян А. Л., Федотьев Н. П. Прикладная электрохимия. Л., Издательство «Химия» 1962. 536 с. (c.:483)
  2. а б в Шембель О. М., Білогуров В. А. Основні характеристики сучасних хімічних джерел струму різних електрохімічних систем // Сучасна спеціальна техніка. Науково-практичний журнал. — № 2(17), 2009. (с.:66-86)
  3. В Нідерландах побудували сховище ємністю 20 МВт-год для зберігання надлишку «сонячної» електроенергії : EcoTown. ecotown.com.ua. Процитовано 2016-02-21. 
  4. а б How it's Made (Discovery) - Как это делается (выпуск 95)
  5. Стаття «Действительно необслуживаемые», с.-26. Журнал «За рулем» № 03, 1989 рік.
  6. mpoweruk.com: Accumulator and battery comparisons (pdf)
  7. http://www.werbos.com/E/WhoKilledElecPJW.htm (which links to http://www.thunder-sky.com/home_en.asp)
  8. Excellatron - the Company
  9. Vanadium Redox Battery
  10. а б Energy Storage Systems Specifications - VRB Power Systems
  11. The Vanadium Advantage: Flow Batteries Put Wind Energy in the Bank
  12. http://www.betard.co.uk/new_zebra.pdf
  13. EVWORLD FEATURE: Fuel Cell Disruptor - Part 2:BROOKS | FUEL CELL | CARB | ARB | HYDROGEN | ZEBRA | EV | ELECTRIC

Література[ред.ред. код]

Див. також[ред.ред. код]

Шаблон:Хімічні джерела живлення Шаблон:Електрохімія