Никель-кадмиевые, никель-металлогидридные, литий-ионные батареи

Существует множество типов аккумуляторных батарей, но самые распространенные никель-кадмиевые, никель-металлогидридные, литий-ионные аккумуляторы.

Никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd)

Аккумулятор никель — кадмиевый открыт в 1899 году, но серийно стал выпускаться с 1960-х годов. Батареи этого типа имеют напряжение ячейки 1,2 Вольта с плотностью энергии, в два раза превышающей плотность свинцово-кислотных батарей. В качестве катода эта батарея использует гидроксид никеля Ni(OH)₂ и кадмий (Cd) в качестве анода. Изготовлена из пластин, которые разделены щелочным гидроксидом калия в качестве электролита. имеет небольшое значение внутреннего сопротивления и позволяет заряжать и разряжаться с высокой скоростью.

Как правило, батареи этого типа имеют количество перезарядов порядка 500 циклов. Одним из недостатков аккумуляторов никель-кадмиевого типа является наличие эффекта памяти, что означает, что аккумулятор может запоминать количество энергии, выделившееся в момент разряда ранее. Эффект памяти вызван изменениями, происходящими в кристаллической структуре электрода, когда никель-кадмиевая батарея заполнена электрическим зарядом еще до того, как вся мощность, содержащаяся в батарее, была использована.

Кроме того, никель-кадмиевая батарея также очень чувствительна к избытку заряда, поэтому она требует особого внимания во время зарядки.

Никель-металлогидридная батарея Ni-MH

Никель-металлогидридная батарея на самом деле имеет те же характеристики, что и никель-кадмиевая.

Разница заключается в использовании материалов: аноды изготавливаются из пластин. Если никель-кадмиевый аккумулятор в качестве анода использует кадмий, то на батарее этого типа используется гидрид металла. Металлогидридные батареи, изготовленные из смеси лантана могут поглощать и производить водород. Аккумуляторы этого типа имеют плотность энергии в два раза большую по сравнению с аккумуляторами свинцово-кислотного типа и на 40 % выше  по сравнению с никель-кадмиевой батареей.

Преимуществом использования никель-металлогидридного аккумулятора является низкое внутреннее сопротивление, количество перезарядов более 500 циклов и обладает достаточной емкостью электрической энергии. Кроме того, эта батарея более экологична, поскольку не содержит кадмия, ртути и свинца.

Что касается недостатка никель-металлогидридных аккумуляторов, то имеется высокая скорость высвобождения собственного заряда (саморазряд), эффект памяти, а эффективность использования энергии довольно низкая (65 %).

Литий-ионные (Li-On)

По сравнению с 2 предыдущими поколениями, этот тип не обладает эффектом памяти. Таким образом, вы можете заряжать, не дожидаясь, пока разрядится источник энергии. Литий-ионный аккумулятор имеет жизненный цикл  короче.

Литий-ионный аккумулятор представляет один из самых популярных типов, с одним из лучших соотношений энергии к весу, отсутствием эффекта памяти и медленным снижением мощности при использовании. В дополнение к использованию в электронном оборудовании, литий-ионные аккумуляторы набирают все большую популярность.

Они используются в оборонной, автомобильной и прикладной областях из-за высокой плотности энергии. Однако при неправильной эксплуатации литий-ионный аккумулятор может взорваться.

Срок службы и долговечность батареи аккумуляторов

Как мы знаем, есть несколько факторов, влияющих на срок службы и долговечность батареи.

Следующие некоторые факторы :

• Цикл заряда/разряда

Количество циклов заряда/разряда аккумулятора влияет на срок службы.

• Глубина разряда- это показатель того, насколько осталась общая емкость используемой (разряженной) батареи. Единица измерения измеряется в процентах (%).
• Работоспособность сильно зависит от температуры.

Высокая температура батарейного блока создает давление в батарейных элементах, которое приводит к тому, что батарея разряжается быстрее, чем в нормальном состоянии. Как правило, аккумулятор будет долговечным и обеспечит наилучшую производительность в диапазоне рабочих температур.

• Возможность перезарядки.

При перезаряде аккумулятора давление внутри  батареи будет значительно увеличено. Решением этой проблемы является использование схемы зарядки, которая автоматически отключит зарядку.

Как мы знаем, аккумулятор в процессе эксплуатации может быть подвержен высокой температуре, а также перезарядке. Это может привести к тому, что батарея разряжается быстрее, чем обычно. А также перезарядка может привести к быстрому выходу из строя аккумулятора.

Анализ химической и физической технологии аккумуляторов

Никель-кадмиевый аккумулятор Ni-Cd

Катод:  Ni(OH)₂ + OH ↔ NiOOH + H₂O + e –

анод: Cd(OH)₂ + 2e  ↔ Cd + 2OH

Результат реакции: Cd(OH)₂ + 2Ni(OH)₂  ↔ Cd + 2NiOOH +2H₂O

Напряжение : 1,4 В

Количество циклов перезарядки 500-700 циклов

Температура зарядки от 0° C до 45 °

Температура разряда от -20°C до 45°C.

Хранение  —  от-40 ° C до 60 ° C

Ni-Cd батарея саморазряжается примерно на 1% в день при хранении.

Химическая реакция 2NiOOH + Cd + 2H₂O = 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂

Низкая температура влияет на производительность батареи, высокая приводят к саморазряду батареи намного быстрее.

Начальное напряжение 1,25 вольта.

Следует полностью разрядить перед зарядкой для поддержания максимальной емкости аккумулятора.

Литий-ионная (Li-On)

Катод LiCO₂ ↔ CoO₂ + Li + + e

Анод Li+ +e- ↔ Li

Раствор электролита : напряжение : 3,70 В

Срок службы перезарядки 300 — 400 циклов

Температура зарядки от 0° C до 60° C

Температура разряда- от -20° C до 45°C.

Хранение – от -40° C до 60° C

Батарея саморазряжается примерно на 1% в день при хранении.

Начальное напряжение 3,6 вольта

Никель-металлогидридная Ni-MH

Катод  Ni(OH)₂ + OH- ↔ NiOH + H₂O + e

Анод  M + H₂O + e- ↔ MH + OH

Ni(OH)₂ + M ↔ NiOH + MH

Напряжение : 1,32 В

Расчет может быть выполнен химически с использованием электрохимической формулы:

Ячейка E° = катод E° – анод E°

Количество циклов перезарядки 300-400 циклов

Емкость NiMH-аккумулятора выше, чем у Ni-Cd.

Они, как правило, обеспечивают более длительный срок службы — на 30% дольше.

Химическая реакция NiOOH + (M)H = Ni(OH)₂ + (М)

Аккумуляторы NiMH саморазряжаются примерно на 4% в день при хранении.

Низкая температура может повлиять на работу аккумулятора.

Начальное напряжение 1,2 вольта

Преимущества и недостатки

Каждая батарея имеет свои преимущества и недостатки. Никелевые батареи имеют цикл заряда-разряда порядка 500 циклов. Особенности литиевой батареи  в способности вырабатывать 150 Вт в батарее весом 1 кг или 50 Вт в течение 3 часов, без эффекта памяти. Это означает, что батарею не нужно полностью разряжать  перед зарядкой.

Несмотря на преимущества каждой батареи, у них также есть свои недостатки.

• Никелевые аккумуляторы не являются экологически чистыми, они дорогие и очень чувствительны к перезарядке.
• Технология литиевых аккумуляторов поврежденная батарея не защищает от высокой температуры. При перегреве аккумулятор быстро разряжается, и обычно срок службы составляет всего 2-3 года, используется он или нет.

Фактическая технологий литиевых аккумуляторов существует две.  А именно литий-ионный и усовершенствованная конструкция литий-полимерный. В качестве электролита проводящего электрический ток используется полимерный материал. Полимерно-литиевая батарея на самом деле обладает большей мощностью, но из-за недостатка связанного с перезарядом должна иметь встроенную электронную схему, которая контролирует перезаряд и перегрев.