Електричний акумулятор

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Нікель-кадмієві (NiCd) акумулятори

Електри́чний акумуля́тор (від лат. accumulare — «нагромаджувати») — хімічне джерело електричного струму багаторазової дії, особливість 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.

Спосіб дії[ред. | ред. код]

Спосіб 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, являючись гальванічними елементами. Працездатність акумулятора може бути відновлена ​​шляхом заряджання, тобто пропусканням постійного електричного струму в напрямку, зворотному напрямку струму під час розряджання: на від'ємному (-) електроді (катоді) реакція окиснення замінюється реакцією відновлення, а на додатному (+) електроді (аноді) реакція відновлення змінюється на реакцію окиснення.[1]

Характеристики[ред. | ред. код]

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

В Міжнародні системі одиниць SI ємність акумуляторів вимірюють в кулонах. Насправді-ж використовується позасистемна одиниця Ампер-година: 1 А ⋅ год = 3600 Кл.

  • Енергетична ємність — енергія, що віддається цілком зарядженим акумулятором впродовж розряджання до найменшої допустимої напруги.

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

За низьких температур, дієвість акумуляторів всіх електрохімічних систем різко знижується.[2] Водночас, NiCd акумулятори можуть працювати й при -40оС, тоді як температура -20оС є межею, за якої інші: NiMH, SLA й Li-ion акумулятори, припиняють функціонувати.[2]

Хоча акумулятор і може працювати за холодних температур, це зовсім не означає, що він легко може також бути заряджений за тих умов. Сприйнятливість до заряджання більшості акумуляторів у разі дуже низьких температур, надзвичайно обмежена і струм заряджання у цьому разі, повинен бути зменшений до 0,1 С (ємності).[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.

2016 року, міжнародна енергетична компанія AES ввела у дію сховище електроенергії з батарей літій-іонних акумуляторів ємністю 20 МВт•год, під'єднане до єдиної енергосистеми Нідерландів, призначене для зберігання надлишку електроенергії від відновлюваних джерел енергії[3].

Склад, улаштування[ред. | ред. код]

Акумулятор, як і будь-яке хімічне джерело струму, складається з додатного і від'ємного електродів та електроліту, в який вони занурені. Різниця потенціалів, що виникає на межі стикання електродів з електролітом, утворює ЕРС акумулятора (або напругу акумулятора при розімкнутому колі). Під час розряджання акумулятора енергія хімічних реакцій перетворюється на електричну енергію; впродовж заряджання, навпаки, електрична енергія перетворюється на хімічну.

Стартерна акумуляторна батарея виконана у вигляді 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 одне електричне коло. 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 показники, які визначають такий акумулятор, — електрорушійна сила, напруга, внутрішній опір, струм та ємність.

В акумуляторах глибокого заряду-розряду (поїздів, човнів, автонавантажувачів), автомобільних акумуляторах (забезпечують постійне подавання 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) порівняно з кислотними свинцевими мають низку переваг: можуть зберігатися в розрядженому або напів-розрядженому стані, не виходять з ладу внаслідок коротких замикань, мають більший строк служби. Переваги кислотних А.Б.: вищий ККД, вища розрядна напруга, менший внутрішній опір. На копальнях як А.Б., використовують кислотні (свинцеві) і лужні (залізонікелеві) акумулятори.

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

Типи акумуляторів[ред. | ред. код]

Розрізняють кислотні (свинцеві) і лужні акумулятори.

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

Лужні акумулятори мають низку переваг перед кислотними: вони міцніші, не бояться перевантажень, добре працюють в широких межах температур, невимогливі до виробничих умов. Основні їх вади: 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.

Кадмій-нікелеві 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.

Класифікація за конструкцією[ред. | ред. код]

За способом утримання електродів акумулятори поділяють на:

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

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[5] 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[6] 5 %-10 % 1200 2-3
Літій товнкоплівчастий[en] ? 350 959 ? ?p[7] 40000
ZnBr 75-85
V-редокс[en] 1.4-1.6 25-35[8] 96 %[9] 14,000[10] 10 (стаціонарний)[9]
NaS 2 0.54 150 89 %-92 % 2500-4500
Розплавлена сіль[en] 70-110[11] 150-220 4.54[12] 3000+ 8+
Супер залізо
Срібло-цинк 130 240
Na-іонний 3.6 до 400 2000
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 Коефіцієнт 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[en] або рекомбінантів належать гелеві акумулятори та абсорбційні скляні пластинки
  • p Пілотне виробництво
  • r В залежності від кількості циклів розряду

Див. також[ред. | ред. код]

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. Архів оригіналу за 25 лютого 2016. Процитовано 2016-02-21 EcoTown. 
  4. а б How it's Made (Discovery) — Как это делается (выпуск 95) [Архівовано 9 грудня 2020 у Wayback Machine.]
  5. mpoweruk.com: Accumulator and battery comparisons (pdf). Архів оригіналу за 1 травня 2020. Процитовано 1 червня 2020. 
  6. http://werbos.com/E/WhoKilledElecPJW.htm [Архівовано 31 січня 2020 у Wayback Machine.] (which links to http://thunder-sky.com/home_en.asp [Архівовано 29 вересня 2007 у Wayback Machine.])
  7. Excellatron — the Company. Архів оригіналу за 8 серпня 2012. Процитовано 21 листопада 2008. 
  8. Vanadium Redox Battery. Архів оригіналу за 11 січня 2016. Процитовано 1 червня 2020. 
  9. а б Energy Storage Systems Specifications — VRB Power Systems. Архів оригіналу за 2 березня 2021. Процитовано 1 червня 2020. 
  10. The Vanadium Advantage: Flow Batteries Put Wind Energy in the Bank. Архів оригіналу за 7 вересня 2008. Процитовано 21 листопада 2008. 
  11. Архівована копія. Архів оригіналу за 28 вересня 2007. Процитовано 21 листопада 2008. 
  12. EVWORLD FEATURE: Fuel Cell Disruptor — Part 2:BROOKS | FUEL CELL | CARB | ARB | HYDROGEN | ZEBRA | EV | ELECTRIC. Архів оригіналу за 25 травня 2012. Процитовано 21 листопада 2008. 

Література[ред. | ред. код]

  • Зирін А. В. Акумулятор [Архівовано 24 жовтня 2020 у Wayback Machine.] // Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
  • Автомобильные акумуляторы . — Киев : Гостехиздат УССР, 1962. — 120 с. : ил.
  • Гальванічні елементи та акумулятори: популярний виклад теоретичних основ роботи первинних та вторинних електричних елементів для учнів електротехнічних профшкіл / М. Миколайчук. — Харків ; Київ : Енерговидав, 1932. — 112 с. : іл.
  • Електричні акумулятори. Теорія. Будова. Експлоатація [Архівовано 7 грудня 2018 у Wayback Machine.] / Д. Тарнавський. — Авґсбурґ : Українська книга, 1946.
  • Електрохемія в промисловості / З. Янкелевич, І. Шека ; АН УРСР ; Інститут хемії. — Київ : Видавництво Академії наук УРСР, 1937. — 147 с.
  • Електрохімічна енергетика. Герметичні лужні акумулятори: улаштування, виробництво, розрахунки : навч. посіб. / Нефедов В. Г., Поліщук Ю. В. ; ДВНЗ «Укр. держ. хім.-технол. ун-т». — Дніпро: ДВНЗ УДХТУ, 2017. — 177 с. : рис., табл. — Бібліогр.: с. 176—177. — 300 пр.
  • Електрохімічна енергетика: свинцеві акумулятори: улаштування, виробництво, розрахунки : навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів / В. Г. Нефедов, Ю. В. Поліщук ; Міністерство освіти і науки України, ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет». — Дніпро : ДВНЗ УДХТУ, 2016. — 292 с. : іл., табл., схеми. — ISBN 9789668018978.
  • Основи будови та експлуатації акумуляторних батарей : навч. посіб. / М. Б. Шелест, П. І. Гайда ; М-во освіти і науки України, Сум. держ. ун-т. — Суми: Сум. держ. ун-т, 2014. — 210 с. : іл. — Бібліогр.: с. 183 (5 назв). — ISBN 978-966-657-530-5
  • Системи акумулювання і перетворення енергії відновлювальних джерел : дис… д-ра техн. наук : 05.14.08 / Кудря Степан Олександрович ; НАН України, Інститут електродинаміки. — К., 1996. — 549 л.
  • Системи електроспоживання та електропостачання промислових підприємств : Підручник для ВНЗ ІІІ-IV р. а. / В. Є. Шестеренко. — Вінниця : Нова Книга, 2004. — 656 с. — ISBN 966-7890-82-1 (читати он-лайн [Архівовано 7 грудня 2018 у Wayback Machine.]; DjVu-файл [Архівовано 7 грудня 2018 у Wayback Machine.])
  • Деордиев С. С. Аккумуляторы и уход за ними : (пособие аккумуляторщику). — Киев : Техніка, 1985. — 136 с. : ил. — (Библиотека рабочего. Энергетика)
  • Crompton T. R. Battery Reference Book. — 3rd ed. — Newnes, 2000. — ISBN 07506-4625-X.

Посилання[ред. | ред. код]