Электрическая батарея

Аккумулятор

Различные элементы и батареи (верхний слева внизу справа): два AA , один D , один портативный радиолюбитель батареи, два 9-вольтовый (PP3), две AAA , один C , одна видеокамера аккумулятор, один беспроводной телефон батареи
Тип	Источник питания
Принцип работы	Электрохимические реакции , Электродвижущая сила
Первая продукция	1800-е годы
Электронный символ
Символ для батареи в электрической схеме . Он возник как схематический рисунок батареи самого раннего типа - гальванической батареи .

Батареи представляют собой устройство , состоящее из одного или более электрохимических элементов с внешними соединениями ^[1] для питания электрических устройств , таких как фонари , мобильные телефоны , и электрических автомобили . Когда батарея подает электроэнергию , ее положительный вывод является катодом, а отрицательный вывод - анодом . ^[2] Клемма, отмеченная как отрицательная, является источником электронов, которые проходят через внешнюю электрическую цепь к положительной клемме. Когда аккумулятор подключен к внешней электрической нагрузке, окислительно-восстановительныйреакция превращает реагенты с высокой энергией в продукты с более низкой энергией, и разница свободной энергии передается во внешнюю цепь в виде электрической энергии. ^[3] Исторически термин «батарея» конкретно относился к устройству, состоящему из нескольких ячеек, однако его использование расширилось и теперь включает устройства, состоящие из одной ячейки. ^[4]

Первичные (одноразовые или « одноразовые ») батареи используются один раз и выбрасываются, так как материалы электродов необратимо меняются во время разряда; Типичным примером является щелочная батарея, используемая для фонарей и множества портативных электронных устройств. Вторичные (аккумуляторные) батареи можно многократно разряжать и заряжать с помощью приложенного электрического тока; первоначальный состав электродов можно восстановить обратным током. Примеры включают свинцово-кислотные батареи, используемые в транспортных средствах, и литий-ионные батареи, используемые для портативной электроники, такой как ноутбуки и мобильные телефоны.

Батареи бывают разных форм и размеров, от миниатюрных элементов, используемых для питания слуховых аппаратов и наручных часов, до небольших тонких элементов, используемых в смартфонах , до больших свинцово-кислотных аккумуляторов или литий-ионных аккумуляторов в транспортных средствах, и, в самом большом случае, огромных аккумуляторов размер помещений, обеспечивающих резервное или аварийное питание телефонных станций и компьютерных центров обработки данных .

Аккумуляторы имеют гораздо более низкую удельную энергию (энергию на единицу массы), чем обычные виды топлива, такие как бензин. В автомобилях это несколько компенсируется более высокой эффективностью электродвигателей при преобразовании электрической энергии в механическую работу по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.

История

Использование «батареи» для описания группы электрических устройств восходит к Бенджамину Франклину , который в 1748 году описал несколько лейденских сосудов по аналогии с пушечной батареей ^[5] (Бенджамин Франклин позаимствовал термин «батарея» у военных, который относится к к оружию, действующему вместе ^[6] ).

Итальянский физик Алессандро Вольта построил и описал первый электрохимическую батарею, вольтовой кучу , в 1800. ^[7] Это была стопка меди и цинка пластин, разделенных рассола пропитанной бумаги дисков, которые могли бы привести к устойчивому тока в течение значительного периода времени. Вольта не понимал, что напряжение возникло из-за химических реакций. Он думал, что его клетки были неисчерпаемым источником энергии ^[8], и что связанные с этим эффекты коррозии на электродах были просто неприятностью, а не неизбежным следствием их работы, как показал Майкл Фарадей в 1834 году ^[9].

Хотя первые батареи имели большое значение для экспериментальных целей, на практике их напряжения колебались, и они не могли обеспечивать большой ток в течение длительного периода. Даниеля клетки , изобретенный в 1836 году британский химик Джон Фредерик Даньелла , был первым практическим источником электроэнергии , становится промышленным стандартом и видя широкое распространение в качестве источника питания для электрических телеграфных сетей. ^[10] Он состоял из медного горшка, наполненного раствором сульфата меди , в который был погружен неглазурованный глиняный сосуд с серной кислотой и цинковый электрод. ^[11]

В этих влажных элементах использовались жидкие электролиты, которые при неправильном обращении были склонны к утечке и разливу. Многие использовали стеклянные банки для хранения своих компонентов, что делало их хрупкими и потенциально опасными. Эти характеристики сделали влажные камеры непригодными для портативных приборов. Ближе к концу девятнадцатого века изобретение сухих аккумуляторных батарей , в которых жидкий электролит заменили пастой, сделало портативные электрические устройства практичными. ^[12]

Принцип действия

Батареи преобразуют химическую энергию непосредственно в электрическую . Во многих случаях высвобождаемая электрическая энергия представляет собой разницу в энергиях когезии ^[13] или связи металлов, оксидов или молекул, подвергающихся электрохимической реакции. ^[3] Например, энергия может храниться в Zn или Li, которые являются высокоэнергетическими металлами, потому что они не стабилизируются связью d-электронов, в отличие от переходных металлов . Батареи сконструированы таким образом, что энергетически выгодная окислительно-восстановительная реакция может происходить только при движении электронов через внешнюю часть цепи.

Батарея состоит из некоторого количества гальванических элементов . Каждая ячейка состоит из двух полуэлементов, соединенных последовательно проводящим электролитом, содержащим катионы металлов . Одна полуячейка включает электролит и отрицательный электрод, электрод, к которому перемещаются анионы (отрицательно заряженные ионы); другая полуячейка включает электролит и положительный электрод, к которым перемещаются катионы (положительно заряженные ионы ). Катионы восстанавливаются (добавляются электроны) на катоде, а атомы металлов окисляются (удаляются электроны) на аноде. ^[14]Некоторые ячейки используют разные электролиты для каждой полуячейки; затем используется сепаратор для предотвращения смешивания электролитов, позволяя ионам течь между полуячейками, замыкая электрическую цепь.

Каждая полуячейка имеет электродвижущую силу ( ЭДС , измеряемую в вольтах) относительно эталона . Чистая ЭДС ячейки - это разница между ЭДС ее полуячеек. ^[15] Таким образом, если электроды имеют ЭДС и , то чистая ЭДС равна ; Другими словами, чистая эдс разница между потенциалами восстановления этих половин реакций . ^[16]${\displaystyle {\mathcal {E}}_{1}}$${\displaystyle {\mathcal {E}}_{2}}$${\displaystyle {\mathcal {E}}_{2}-{\mathcal {E}}_{1}}$

Электрическая движущая сила на выводах ячейки известна как напряжение на клеммах (разность) и измеряется в вольтах . ^[17] Напряжение на клеммах элемента, которое не заряжается и не разряжается, называется напряжением холостого хода и равно ЭДС элемента. Из-за внутреннего сопротивления ^[18] напряжение на клеммах разряженного элемента меньше по величине, чем напряжение холостого хода, а напряжение на клеммах заряжаемого элемента превышает напряжение холостого хода. ^[19] Идеальная ячейка имеет незначительное внутреннее сопротивление, поэтому она будет поддерживать постоянное напряжение на клеммах${\displaystyle \displaystyle {\Delta V_{bat}}}$${\displaystyle {\mathcal {E}}}$пока не иссякнет, затем упадет до нуля. Если бы такой элемент поддерживал 1,5 вольта и производил заряд в один кулон, то при полном разряде он бы выполнил 1,5 джоулей работы. ^[17] В реальных элементах внутреннее сопротивление увеличивается при разряде ^[18], а напряжение холостого хода также уменьшается при разряде. Если напряжение и сопротивление нанесены в зависимости от времени, результирующие графики обычно представляют собой кривую; форма кривой меняется в зависимости от используемого химического состава и внутреннего устройства.

Напряжение , развиваемое на терминалах клетки зависит от высвобождения энергии химических реакций ее электродов и электролита. Щелочные и цинк-углеродные элементы имеют разный химический состав, но примерно одинаковую ЭДС 1,5 В; точно так же NiCd и NiMH элементы имеют разный химический состав, но примерно одинаковую ЭДС 1,2 вольта. ^[20] Высокие электрохимические потенциальные изменения в реакциях лития соединения лития клетки дают ЭМП 3 вольт или больше. ^[21]

Категории и типы батарей

Батареи подразделяются на первичные и вторичные:

• Первичные батареи предназначены для использования до полного истощения энергии, а затем выбрасываются. Их химические реакции, как правило, необратимы, поэтому их нельзя перезарядить. Когда запас реагентов в батарее исчерпан, батарея перестает вырабатывать ток и становится бесполезной. ^[22]
• Вторичные батареи можно заряжать; то есть, они могут обратить свои химические реакции, подав электрический ток на ячейку. Это регенерирует исходные химические реагенты, поэтому их можно использовать, перезаряжать и использовать снова несколько раз. ^[23]

Некоторые типы первичных батарей, используемых, например, для телеграфных цепей, были восстановлены в рабочем состоянии путем замены электродов. ^[24] Вторичные батареи нельзя перезаряжать на неопределенный срок из-за рассеивания активных материалов, потери электролита и внутренней коррозии.

Начальный

Первичные батареи или первичные элементы могут вырабатывать ток сразу после сборки. Чаще всего они используются в портативных устройствах с низким потреблением тока, используются только с перерывами или используются далеко от альтернативных источников питания, например, в цепях сигнализации и связи, где другая электроэнергия доступна только периодически. Одноразовые первичные элементы не могут быть надежно перезаряжены, поскольку химические реакции труднообратимы, и активные материалы могут не вернуться к своей первоначальной форме. Производители батарей не рекомендуют пытаться перезарядить первичные элементы. ^[25] Как правило, они имеют более высокую плотность энергии, чем аккумуляторные батареи, ^[26]но одноразовые батареи плохо себя чувствуют в приложениях с высоким энергопотреблением и нагрузкой менее 75 Ом (75 Ом). К распространенным типам одноразовых батарей относятся угольно-цинковые батареи и щелочные батареи .

Вторичный

Вторичные батареи, также известные как вторичные элементы или аккумуляторные батареи , необходимо зарядить перед первым использованием; они обычно собираются с активными материалами в разряженном состоянии. Перезаряжаемые батареи заряжаются (повторно) с помощью электрического тока, который меняет химические реакции, происходящие во время разрядки / использования. Устройства для подачи соответствующего тока называются зарядными устройствами.

Самой старой формой аккумуляторных батарей являются свинцово-кислотные батареи , которые широко используются в автомобилях и на лодках . Эта технология содержит жидкий электролит в негерметичном контейнере, поэтому аккумулятор должен храниться в вертикальном положении, а место должно быть хорошо вентилируемым, чтобы обеспечить безопасное рассеивание газообразного водорода, выделяемого при перезарядке. Свинцово-кислотная батарея относительно тяжелая для того количества электроэнергии, которое она может поставлять. Низкая стоимость производства и высокие уровни импульсного тока делают его обычным, когда его емкость (более 10 Ач) важнее веса и проблем с обращением. Распространенное применение - современный автомобильный аккумулятор., который, как правило, может обеспечить пиковый ток до 450 ампер .

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея с герметичным клапаном (VRLA) популярна в автомобильной промышленности в качестве замены свинцово-кислотной аккумуляторной батареи. В батарее VRLA используется иммобилизованный сернокислый электролит, что снижает вероятность утечки и продлевает срок хранения . ^[27] Аккумуляторы VRLA удерживают электролит. Есть два типа:

• Гелевые батареи (или «гелевые элементы ») используют полутвердый электролит.
• Поглощенные Glass Mat (AGM) батареи поглощают электролит в специальных стекловолокна матирования.

Другие портативные перезаряжаемые батареи включают несколько типов герметичных «сухих» элементов, которые используются в таких приложениях, как мобильные телефоны и портативные компьютеры . Элементы этого типа (в порядке увеличения плотности мощности и стоимости) включают никель-кадмиевые (NiCd), никель-цинковые (NiZn), никель-металлогидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-ion) элементы. На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы занимают самую высокую долю рынка сухих аккумуляторных батарей. NiMH заменил NiCd в большинстве приложений из-за его большей емкости, но NiCd по-прежнему используется в электроинструментах , двусторонних радиоприемниках и медицинском оборудовании .

В 2000-х годах разработки включают батареи со встроенной электроникой, такие как USBCELL , который позволяет заряжать батарею AA через разъем USB , ^[28] батареи типа nanoball , которые обеспечивают скорость разряда примерно в 100 раз больше, чем у нынешних батарей, и интеллектуальные аккумуляторные блоки с состоянием- мониторы заряда и схемы защиты аккумуляторов, предотвращающие повреждение при чрезмерной разрядке. Низкий саморазряд (LSD) позволяет заряжать вторичные элементы перед отправкой.

Типы клеток

Было произведено много типов электрохимических ячеек с различными химическими процессами и конструкциями, включая гальванические элементы , электролитические элементы , топливные элементы , проточные ячейки и гальванические батареи . ^[29]

Влажная камера

Мокрая ячейка батарея имеет жидкий электролит . Другие названия - затопленная ячейка , так как жидкость покрывает все внутренние части, или вентилируемая ячейка , поскольку газы, образующиеся во время работы, могут выходить в воздух. Влажные клетки были предшественниками сухих клеток и обычно используются в качестве инструмента обучения электрохимии . Они могут быть построены с использованием обычных лабораторных принадлежностей, таких как химические стаканы , для демонстрации того, как работают электрохимические элементы. Конкретный тип влажной ячейки, известный как ячейка концентрации, важен для понимания коррозии . Влажные элементы могут быть первичными (неперезаряжаемыми) или вторичными.(перезаряжаемый). Первоначально все практические первичные батареи, такие как элемент Даниэля, были построены в виде влажных элементов в стеклянной банке с открытым верхом. Другие первичные влажные клетки являются клетками Leclanché , Гроув клетки , Бунзена клеткой , клетка хромовой кислоты , Кларк клетки и Уэстон клетки . Химический состав клеток Лекланша был адаптирован к первым сухим клеткам. Влажные элементы по-прежнему используются в автомобильных аккумуляторах и в промышленности для резервного питания распределительных устройств , телекоммуникаций или крупных источников бесперебойного питания , но во многих местах батареи с гелевыми элементамибыли использованы вместо этого. В этих приложениях обычно используются свинцово-кислотные или никель-кадмиевые элементы.

Сухая ячейка

В сухом элементе используется пастообразный электролит с достаточным количеством влаги для протекания тока. В отличие от влажного элемента, сухой элемент может работать в любой ориентации, не проливаясь, поскольку он не содержит свободной жидкости, что делает его пригодным для портативного оборудования. Для сравнения: первые влажные камеры обычно представляли собой хрупкие стеклянные контейнеры со свинцовыми стержнями, свисающими с открытого верха, и требовали осторожного обращения, чтобы избежать утечки. Свинцово-кислотные батареи не обеспечивали безопасность и портативность сухих элементов до разработки гелевых батарей .

Распространенная сухая клетка является цинк-углерод батареи , иногда называемая сухим Leclanché клетками , с номинальным напряжением 1,5 вольта , так же , как щелочная батарея (поскольку оба используют тот же цинк - диоксид марганца комбинации). Стандартный сухой элемент содержит цинковый анод, обычно в форме цилиндрического резервуара, с углеродным катодом в виде центрального стержня. Электролит - хлорид аммония в виде пасты рядом с цинковым анодом. Оставшееся пространство между электролитом и углеродным катодом занято второй пастой, состоящей из хлорида аммония и диоксида марганца, последний действует какдеполяризатор . В некоторых конструкциях хлорид аммония заменен хлоридом цинка .

Расплавленная соль

Батареи на расплавленной соли - это первичные или вторичные батареи, в которых в качестве электролита используется расплав соли. Они работают при высоких температурах и должны быть хорошо изолированы, чтобы сохранять тепло.

бронировать

Резервной батареи можно хранить в разобранном виде (неактивированной и не поставляет никакой силы) в течение длительного периода (возможно , лет). Когда нужен аккумулятор, его собирают (например, добавляя электролит); после сборки аккумулятор заряжен и готов к работе. Например, батарея электронного артиллерийского взрывателя может сработать от выстрела из орудия. Ускорение разрушает капсулу с электролитом, который активирует аккумулятор и питает цепи взрывателя. Резервные батареи обычно рассчитаны на короткий срок службы (секунды или минуты) после длительного хранения (годы). Водоактивируемая батарея для океанографических приборов или военных применений Активируется на погружении в воде.

Производительность ячейки

Характеристики батареи могут изменяться в течение цикла нагрузки, цикла зарядки и в течение срока службы из-за многих факторов, включая внутренние химические процессы, потребление тока и температуру. При низких температурах батарея не может обеспечить такую ​​большую мощность. Таким образом, в холодном климате некоторые автовладельцы устанавливают подогреватели аккумулятора, которые представляют собой небольшие электрические грелки, которые сохраняют тепло автомобильного аккумулятора.

Емкость и разряд

Емкость батареи - это количество электрического заряда, которое она может доставить при номинальном напряжении. Чем больше электродного материала содержится в ячейке, тем больше ее емкость. Маленькая ячейка имеет меньшую емкость, чем большая ячейка с тем же химическим составом, хотя они развивают такое же напряжение холостого хода. ^[30] Емкость измеряется в таких единицах, как ампер-час (А · ч). Номинальная емкость батареи обычно выражается как произведение 20 часов, умноженное на ток, который новая батарея может стабильно обеспечивать в течение 20 часов при 68 ° F (20 ° C), оставаясь при этом выше указанного напряжения на клеммах на элемент. Например, аккумулятор на 100 А · ч может выдавать 5 А в течение 20 часов при комнатной температуре.. Доля накопленного заряда, которую может доставить аккумулятор, зависит от множества факторов, включая химический состав аккумулятора, скорость, с которой доставляется заряд (ток), требуемое напряжение на клеммах, период хранения, температура окружающей среды и другие факторы. ^[30]

Чем выше скорость разряда, тем меньше емкость. ^[31] Соотношение между током, временем разряда и емкостью свинцово-кислотной батареи приблизительно (в типичном диапазоне значений тока) определяется законом Пойкерта :

${\displaystyle t={\frac {Q_{P}}{I^{k}}}}$

куда

${\displaystyle Q_{P}}$ - емкость при разряде в 1 ампер.

${\displaystyle I}$это ток, потребляемый от батареи ( А ).

${\displaystyle t}$ время (в часах), которое может выдержать батарея.

${\displaystyle k}$ - константа около 1,3.

Батареи, которые хранятся в течение длительного периода или которые разряжены при небольшой доле емкости, теряют емкость из-за наличия обычно необратимых побочных реакций, которые потребляют носители заряда без выработки тока. Это явление известно как внутренний саморазряд. Кроме того, при перезарядке батарей могут возникать дополнительные побочные реакции, снижающие емкость для последующих разрядов. После достаточного количества перезарядок, по сути, вся емкость теряется, и батарея перестает вырабатывать энергию.

Потери внутренней энергии и ограничения скорости прохождения ионов через электролит приводят к изменению эффективности батареи . При превышении минимального порога разряд с низкой скоростью обеспечивает большую емкость аккумулятора, чем при более высокой скорости. Установка батарей с различными номиналами A · h не влияет на работу устройства (хотя это может повлиять на интервал работы), рассчитанных на определенное напряжение, если не превышены пределы нагрузки. Потребители с большим потреблением энергии, такие как цифровые камеры, могут снизить общую емкость, как это происходит с щелочными батареями. Например, батарея, рассчитанная на 2 А · ч на 10 или 20 часов разряда, не будет выдерживать ток 1 А в течение полных двух часов, как предполагает заявленная емкость.

C рейтинг

C-rate - это мера скорости, с которой батарея заряжается или разряжается. Он определяется как ток через батарею, деленный на теоретическое потребление тока, при котором батарея будет обеспечивать свою номинальную емкость за один час. ^[32] Он имеет единицы измерения h ⁻¹ .

Из-за потери внутреннего сопротивления и химических процессов внутри элементов аккумулятор редко обеспечивает номинальную емкость, указанную на паспортной табличке, всего за один час.

Обычно максимальная емкость достигается при низкой скорости C, а зарядка или разрядка при более высокой скорости C сокращает срок службы и емкость батареи. Производители часто публикуют таблицы данных с графиками, показывающими кривые зависимости емкости от C-скорости. C-rate также используется в качестве рейтинга аккумуляторов, чтобы указать максимальный ток, который аккумулятор может безопасно обеспечить в цепи. Стандарты для аккумуляторных батарей обычно оценивают емкость и циклы зарядки в течение 4 часов (0,25 ° C), 8 часов (0,125 ° C) или более длительного времени разряда. Типы, предназначенные для специальных целей, например, для источников бесперебойного питания компьютеров , могут быть рассчитаны производителями на периоды разряда менее одного часа (1С), но могут иметь ограниченный срок службы.

Быстро заряжаемые, большие и легкие батареи

По состоянию на 2012 ^[update]год фосфат лития-железа ( LiFePO4) Аккумуляторная технология была самой быстрой - зарядка / разрядка, полная разрядка за 10–20 секунд. ^[33]

По состоянию на 2017 год ^[update]самая большая в мире батарея была построена в Южной Австралии компанией Tesla . Он может хранить 129 МВтч. ^[34] Батарея в провинции Хэбэй , Китай, которая может хранить 36 МВт-ч электроэнергии, была построена в 2013 году и обошлась в 500 миллионов долларов. ^[35] Еще одна большая батарея, состоящая из никель-кадмиевых элементов, находилась в Фэрбенксе, Аляска . Он занимал 2 000 квадратных метров (22 000 квадратных футов) - больше футбольного поля - и весил 1300 тонн. Он был изготовлен компанией ABB для обеспечения резервного питания в случае отключения электроэнергии. Батарея может обеспечить мощность 40 МВт в течение семи минут. ^[36] Натрий-серные батареи использовались для храненияэнергия ветра . ^[37] Аккумуляторная система 4,4 МВтч, которая может обеспечить мощность 11 МВт в течение 25 минут, стабилизирует мощность ветряной электростанции Аувахи на Гавайях. ^[38]

Литий-серные батареи использовались в самом продолжительном и высоком полете на солнечной энергии. ^[39]

Продолжительность жизни

Срок службы батареи (и его синоним срок службы батареи) имеет два значения для аккумуляторных батарей и только одно для не заряжаемых. Для аккумуляторов это может означать либо время, в течение которого устройство может работать от полностью заряженной батареи, либо количество возможных циклов зарядки / разрядки, прежде чем элементы перестанут работать удовлетворительно. Для неперезаряжаемых аккумуляторов эти две жизни равны, так как по определению элементов хватает только на один цикл. (Термин «срок годности» используется для описания того, как долго батарея будет сохранять свои рабочие характеристики между производством и использованием.) Доступная емкость всех батарей падает с понижением температуры. В отличие от большинства современных батарей, куча ZamboniИзобретенный в 1812 году, он обеспечивает очень долгий срок службы без ремонта или перезарядки, хотя подает ток только в диапазоне наноампер. Oxford Electric Bell был звонким почти непрерывно с 1840 года на своей первоначальной пару батарей, считается Zamboni сваей. ^{[ необходима цитата ]}

Саморазряд

Одноразовые батареи обычно теряют от 8 до 20 процентов своего первоначального заряда в год при хранении при комнатной температуре (20–30 ° C). ^[40] Это известно как скорость «саморазряда» и связано с «побочными» химическими реакциями, не производящими ток, которые происходят внутри элемента даже при отсутствии нагрузки. Скорость побочных реакций снижается для батарей, хранящихся при более низких температурах, хотя некоторые из них могут быть повреждены замораживанием.

Старые аккумуляторные батареи саморазряжаются быстрее, чем одноразовые щелочные батареи, особенно никелевые батареи; Свежезаряженный никель-кадмиевый (NiCd) аккумулятор теряет 10% своего заряда в течение первых 24 часов, а затем разряжается примерно на 10% в месяц. Однако новые никель-металлогидридные (NiMH) батареи с низким саморазрядом и современные литиевые батареи демонстрируют более низкую скорость саморазряда (но все же выше, чем у первичных батарей).

Коррозия

Внутренние части могут подвергнуться коррозии и выйти из строя, или активные материалы могут медленно преобразоваться в неактивные формы.

Изменения физических компонентов

Активный материал на пластинах батареи меняет химический состав при каждом цикле зарядки и разрядки; активный материал может быть потерян из-за физических изменений объема, что еще больше ограничивает количество раз, когда аккумулятор может быть перезаряжен. Большинство никелевых батарей при покупке частично разряжены, и перед первым использованием их необходимо зарядить. ^[41] Новые никель-металлгидридные аккумуляторы готовы к использованию сразу после покупки и разряжаются всего на 15% в год. ^[42]

Некоторое ухудшение происходит в каждом цикле заряда-разряда. Деградация обычно происходит из-за миграции электролита от электродов или из-за отделения активного материала от электродов. NiMH аккумуляторы малой емкости (1700–2000 мА · ч) можно заряжать около 1000 раз, тогда как никель-металлгидридные аккумуляторы большой емкости (более 2500 мА · ч) рассчитаны на 500 циклов. ^[43] Никель-кадмиевые батареи обычно рассчитаны на 1000 циклов, прежде чем их внутреннее сопротивление постоянно превысит допустимые значения.

Скорость зарядки / разрядки

Быстрая зарядка увеличивает количество замен компонентов, сокращая срок службы батареи. ^[43]

Перезарядка

Если зарядное устройство не может определить, когда аккумулятор полностью заряжен, вероятно, перезарядка приведет к его повреждению. ^[44]

Эффект памяти

Ячейки NiCd, если они используются определенным повторяющимся образом, могут показывать уменьшение емкости, называемое « эффектом памяти ». ^[45] Эффекта можно избежать с помощью простых приемов. NiMH-клетки, хотя и схожи по химическому составу, меньше страдают от эффекта памяти. ^[46]

Условия окружающей среды

Автомобильные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи должны выдерживать нагрузку из-за вибрации, ударов и температурного диапазона. Из-за этих нагрузок и сульфатирования свинцовых пластин немногие автомобильные аккумуляторы служат дольше шести лет регулярного использования. ^[47] Автомобильные пусковые батареи ( SLI : пуск , освещение, зажигание ) имеют множество тонких пластин для максимального увеличения тока. Как правило, чем толще пластины, тем дольше срок службы. Как правило, перед подзарядкой они слегка разряжаются.

Свинцово-кислотные батареи «глубокого цикла», такие как те, которые используются в электрических гольф-карах, имеют гораздо более толстые пластины для увеличения срока службы. ^[48] Основным преимуществом свинцово-кислотных аккумуляторов является их низкая стоимость; его основные недостатки - большие размеры и вес при заданной емкости и напряжении. Свинцово-кислотные батареи никогда не следует разряжать до уровня ниже 20% от их емкости ^[49], потому что внутреннее сопротивление вызовет нагрев и повреждение при их перезарядке. В свинцово-кислотных системах глубокого цикла часто используется сигнальная лампа низкого заряда или выключатель низкого заряда, чтобы предотвратить повреждения, которые сокращают срок службы батареи. ^[50]

Место хранения

Срок службы батарей можно продлить, если хранить их при низкой температуре, например, в холодильнике или морозильнике , что замедляет побочные реакции. Такое хранение может продлить срок службы щелочных батарей примерно на 5%; аккумуляторные батареи могут удерживать свой заряд намного дольше, в зависимости от типа. ^[51] Для достижения максимального напряжения батареи необходимо вернуть к комнатной температуре; разрядка щелочной батареи при 250 мА при 0 ° C вдвое эффективнее, чем при 20 ° C. ^[26] Производители щелочных батарей, такие как Duracell , не рекомендуют холодильные батареи. ^[25]

Размеры батареи

Первичные батареи, легко доступные потребителям, варьируются от крошечных кнопочных элементов, используемых для электрических часов, до элемента № 6, используемого для сигнальных цепей или других длительных приложений. Вторичные ячейки изготавливаются очень больших размеров; очень большие батареи могут питать подводную лодку или стабилизировать электрическую сеть и помогать выравнивать пиковые нагрузки.

Опасности

Взрыв

Взрыв батареи обычно вызван неправильным использованием или неисправностью, например попыткой перезарядки основной (неперезаряжаемой) батареи или коротким замыканием .

Когда аккумулятор перезаряжается с чрезмерной скоростью, взрывоопасная газовая смесь водорода и кислорода может образовываться быстрее, чем она может выйти изнутри батареи (например, через встроенное вентиляционное отверстие), что приведет к повышению давления и возможному взрыву батарейный отсек. В крайних случаях химические вещества аккумуляторной батареи могут сильно брызнуть из корпуса и вызвать травму. Избыточная зарядка, то есть попытка зарядить аккумулятор сверх его электрической емкости, также может привести к взрыву аккумулятора, помимо утечки или необратимого повреждения. Это также может вызвать повреждение зарядного устройства или устройства, в котором позже будет использоваться перезаряженная батарея.

Автомобильные аккумуляторы, скорее всего, взорвутся, когда при коротком замыкании генерируются очень большие токи. Такие батареи выделяют водород , который очень взрывоопасен при перезарядке (из-за электролиза воды в электролите). При нормальном использовании величина перезарядки обычно очень мала, при этом выделяется мало водорода, который быстро рассеивается. Однако при "запуске от внешнего источника" автомобиля большой ток может вызвать быстрое выделение большого количества водорода, который может взорваться от ближайшей искры, например, при отсоединении соединительного кабеля .

Утилизация батареи путем сжигания может вызвать взрыв, так как пар скапливается внутри герметичного корпуса.

Отзывы об устройствах, использующих литий-ионные аккумуляторы, стали более распространенными в последние годы. Это происходит в ответ на сообщения о несчастных случаях и сбоях, иногда при возгорании или взрыве. ^{[52] [53]} Экспертный обзор проблемы указывает на то, что этот тип использует «жидкие электролиты для переноса ионов лития между анодом и катодом. Если аккумуляторная батарея заряжается слишком быстро, это может вызвать короткое замыкание, что приведет к взрывам. и пожары ». ^{[54] [55]}

Утечка

Многие химические вещества для аккумуляторов едкие, ядовитые или и то, и другое. В случае утечки, спонтанной или случайной, выделяющиеся химические вещества могут быть опасными. Например, в одноразовых батареях цинковая банка часто используется как в качестве реагента, так и в качестве контейнера для других реагентов. Если этот тип батареи чрезмерно разряжен, реагенты могут вытечь через картон и пластик, которые образуют остаток контейнера. Утечка активного химического вещества может повредить или вывести из строя оборудование, питаемое от батарей. По этой причине многие производители электронных устройств рекомендуют извлекать батареи из устройств, которые не будут использоваться в течение длительного периода времени.

Токсичные материалы

Во многих типах батарей в качестве электрода или электролита используются токсичные материалы, такие как свинец, ртуть и кадмий . Когда каждая батарея подходит к концу, ее необходимо утилизировать, чтобы предотвратить нанесение вреда окружающей среде. ^[56] Батареи являются одним из видов электронных отходов (электронных отходов). Службы по переработке электронных отходов восстанавливают токсичные вещества, которые затем могут быть использованы для новых батарей. ^[57] Из почти трех миллиардов батарей, ежегодно покупаемых в Соединенных Штатах, около 179 000 тонн попадают на свалки по всей стране. ^[58] В США Закон об обращении с ртутьсодержащими аккумуляторами.в 1996 году запретил продажу ртутьсодержащих батарей, ввел единые требования к маркировке аккумуляторных батарей и потребовал, чтобы аккумуляторные батареи были легко извлекаемыми. ^[59] Калифорния и Нью-Йорк запрещают утилизацию перезаряжаемых батарей вместе с твердыми отходами, и вместе с Мэном требуют утилизации сотовых телефонов. ^[60] В индустрии аккумуляторных батарей действуют общенациональные программы утилизации в США и Канаде с пунктами сдачи-сдачи в местных розничных магазинах. ^[60]

Директива батареи Европейского Союза имеет аналогичные требования, в дополнении к требующему увеличению утилизации батарей и содействию проведению исследований по усовершенствованным утилизации батареи методов. ^[61] В соответствии с этой директивой все батареи, продаваемые на территории ЕС, должны быть помечены «символом сбора» (перечеркнутый мусорный бак на колесах). Он должен покрывать не менее 3% поверхности призматических батарей и 1,5% поверхности цилиндрических батарей. Вся упаковка должна иметь аналогичную маркировку. ^[62]

Проглатывание

Батареи могут быть опасными или смертельными при проглатывании . ^[63] Маленькие кнопочные клетки могут проглотить, особенно маленькие дети. Находясь в пищеварительном тракте, электрический разряд аккумулятора может привести к повреждению тканей; ^[64] такие повреждения иногда бывают серьезными и могут привести к смерти. Проглоченные дисковые батареи обычно не вызывают проблем, если они не застревают в желудочно-кишечном тракте . Наиболее частым местом застревания дисковых батарей является пищевод, что приводит к клиническим последствиям.. Батареи, успешно прошедшие через пищевод, вряд ли попадут в другие места. Вероятность того, что дисковая батарея застрянет в пищеводе, зависит от возраста пациента и размера батареи. Дисковые батареи размером 16 мм застряли в пищеводе 2 детей младше 1 года. ^{[ необходима цитата ] У} детей постарше нет проблем с батареями меньше 21–23 мм. Некроз разжижения может произойти из-за того, что гидроксид натрия генерируется током, вырабатываемым батареей (обычно на аноде). Перфорация произошла через 6 часов после приема внутрь. ^[65]

Химия

Многие важные свойства элементов, такие как напряжение, плотность энергии, воспламеняемость, доступные конструкции элементов, диапазон рабочих температур и срок годности, определяются химическим составом аккумулятора.

Первичные батареи и их характеристики

Вторичные (аккумуляторные) батареи и их характеристики

Твердотельные батареи

28 февраля 2017 года Техасский университет в Остине выпустил пресс-релиз о новом типе твердотельной батареи , разработанной командой во главе с изобретателем литий-ионной батареи Джоном Гуденаф , «которая может привести к более безопасной и быстрой зарядке, аккумуляторные батареи с длительным сроком службы для портативных мобильных устройств, электромобилей и стационарных накопителей энергии ». ^[68] Более подробная информация о новой технологии была опубликована в рецензируемом научном журнале Energy & Environmental Science .

Независимые обзоры технологии обсуждают риск возгорания и взрыва от литий-ионных аккумуляторов при определенных условиях, поскольку они используют жидкие электролиты. Недавно разработанная батарея должна быть более безопасной, поскольку в ней используются стеклянные электролиты, которые должны устранять короткие замыкания. Также говорят, что твердотельный аккумулятор имеет «в три раза большую плотность энергии», что увеличивает срок его службы, например, в электромобилях. Он также должен быть более экологически безопасным, поскольку в технологии используются менее дорогие и экологически чистые материалы, такие как натрий, извлеченный из морской воды. У них также гораздо более долгая жизнь «клетки продемонстрировали более 1200 циклов с низким сопротивлением клеток». Ожидается, что исследования и прототипы не приведут к созданию коммерчески жизнеспособного продукта в ближайшем будущем, если вообще когда-либосогласно Крису Робинсону из LUX Research. «Это не окажет ощутимого влияния на внедрение электромобилей в следующие 15 лет, если оно вообще повлияет. Ключевым препятствием, с которым сталкиваются многие твердотельные электролиты, является отсутствие масштабируемого и рентабельного производственного процесса», - сказал он The American Новости энергетики по электронной почте.^[69]

Самодельные клетки

Практически любой жидкий или влажный объект, который имеет достаточно ионов, чтобы быть электропроводным, может служить электролитом для ячейки. В качестве новинки или научной демонстрации можно вставить два электрода из разных металлов в лимон , ^[70] картофель ^[71] и т. Д. И вырабатывать небольшое количество электричества. «Часы с двумя картофелинами» также широко доступны в магазинах хобби и игрушек; они состоят из пары ячеек, каждая из которых состоит из картофеля (лимона и т. д.) с двумя вставленными в него электродами, соединенными последовательно, чтобы сформировать батарею с напряжением, достаточным для питания цифровых часов. ^[72] Самодельные клетки такого типа не имеют практического применения.

Гальваническую кучу можно сделать из двух монет (например, никель и пенни ) и бумажного полотенца, смоченного в соленой воде . Такая группа генерирует очень низкое напряжение, но, когда многие из них соединены последовательно , они могут заменить обычные батареи на короткое время. ^[73]

Sony разработала биологическую батарею, которая вырабатывает электричество из сахара аналогично процессам, наблюдаемым в живых организмах. Батарея вырабатывает электричество за счет ферментов, расщепляющих углеводы. ^[74]

Свинцово-кислотные элементы можно легко изготовить в домашних условиях, но для «формирования» пластин необходим утомительный цикл заряда / разряда. Это процесс, при котором сульфат свинца образуется на пластинах и во время зарядки преобразуется в диоксид свинца (положительная пластина) и чистый свинец (отрицательная пластина). Повторение этого процесса приводит к получению микроскопически шероховатой поверхности, увеличению площади поверхности и увеличению тока, который может подавать клетка. ^[75]

Клетки Даниэля легко сделать дома. Алюминиево-воздушные батареи могут изготавливаться из алюминия высокой чистоты. Батареи из алюминиевой фольги производят некоторое количество электроэнергии, но неэффективны, отчасти потому, что производится значительное количество (горючего) водородного газа.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Динграндо, Лорел; и другие. (2007). Химия: материя и изменение . Нью-Йорк: Гленко / Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-877237-5.Гл. 21 (стр. 662–695) посвящена электрохимии.
• Финк, Дональд Г .; Х. Уэйн Бити (1978). Стандартный справочник для инженеров-электриков, одиннадцатое издание . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-020974-9.
• Найт, Рэндалл Д. (2004). Физика для ученых и инженеров: стратегический подход . Сан-Франциско: образование Пирсона. ISBN 978-0-8053-8960-9.Гл. 28–31 (стр. 879–995) содержат информацию об электрическом потенциале.
• Линден, Дэвид; Томас Б. Редди (2001). Справочник аккумуляторов . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-135978-8.
• Саслоу, Уэйн М. (2002). Электричество, магнетизм и свет . Торонто: Thomson Learning. ISBN 978-0-12-619455-5.Гл. 8–9 (стр. 336–418) содержат дополнительную информацию о батареях.

внешняя ссылка

Викискладе есть медиафайлы по теме батареи .

• Батареи в Curlie
• Неперезаряжаемые батареи
• HowStuffWorks: Как работают батареи
• Другие типы аккумуляторных батарей
• Пакет обучения и обучения DoITPoMS - "Батареи"
• Блог Physics arXiv (17 августа 2013 г.). "Первое моделирование на атомном уровне всей батареи | Обзор технологий MIT" . Technologyreview.com . Проверено 21 августа 2013 года .