Основні типи електрохімічних акумуляторів

1. Свинцево-кислотний акумулятор
2. Залізо-нікелевий акумулятор
3. Нікель-кадмієвий акумулятор
4. Літій-іонний акумулятор

Наши партнеры ArtmMisto

Сьогодні ринок надає великий вибір різних електрохімічних акумуляторів. Нам часто задають питання: «Який акумулятор краще? ». Для того щоб вибрати підходящий, давайте розберемося в властивостях найбільш популярних акумуляторів.

Свинцево-кислотний акумулятор

За більш ніж столітню історію, найбільшого поширення набув свинцево-кислотний акумулятор, винайдений французьким фізиком Гастоном Планте в 1859 році. Його поширеність пов'язана, в основному, з успішним використанням даного типу акумуляторів в якості джерела електроенергії на автотранспорті (для пуску двигуна).

Суть роботи свинцево-кислотного акумулятора зводиться до переведення сульфату свинцю, що покриває обидві пластини акумулятора в розрядженому стані, під дією постійного електричного струму в металевий свинець на катоді:
PbSO4 + 2e = Pb + SO42-
і чотиривалентний оксид свинцю на аноді:
PbSO4 - 2e + 2H2O = PbO2 + 4H + + SO42-

Зарядка акумулятора призводить до того, що однакові спочатку електроди стають хімічно різними і між ними з'являється різниця потенціалів. Якщо пластини зарядженого акумулятора з'єднати провідником, то буде проходити зворотний процес - розряд, і по провіднику піде електричний струм.

Елемент свинцево-кислотного акумулятора складається з електродів (позитивних і негативних) і розділових пористих пластин (сепараторів), виготовлених з матеріалу, невзаємодіючими з кислотою, що перешкоджають замикання електродів, які занурені в електроліт - сірчану кислоту. Електроди представляють собою плоскі решітки з металевого свинцю. У ці решітки запресовані порошки діоксиду свинцю (PbO2) - в анодних пластинах і металевого свинцю - в катодних пластинах. Застосування порошкових матеріалів збільшує поверхню розділу фаз електроліт - електрод, тим самим збільшуючи електричну ємність акумулятора.

Основні переваги свинцево-кислотного акумулятора:

• Висока питома потужність;
• Цікліруемость (витримують від 500 до 1000 циклів заряду-розряду);
• Екологічність. Адже цикл вторинного використання свинцю, з автомобільних акумуляторів, є найповнішим і успішним за всю історію;
• Високий ККД (близько 80-90%)

Окремо хочеться відзначити високу ступінь вторинного використання даного типу акумуляторів. Як уже було відзначено вище, цикл вторинного використання свинцево-кислотних акумуляторів є найповнішим і успішним. Сьогодні в США утилізуються більше 97% свинцю з батарей. Завдяки простоті процесів, більш 70% від ваги батареї піддається вторинній переробці. Вище 50% щорічного виробництва свинцю - це вторинне перероблений свинець. Також слід зазначити, що з позиції досконалості технології вторинного використання свинцево-кислотні акумулятори є більш «зеленими» ніж алюмінієві банки для напоїв, газети, склотара, а також автопокришки.

недоліки:

• Низька питома щільність енергії;
• Зниження ємності, внаслідок сульфатации, при зберіганні в незарядженому стані;
• Боязнь глибоких розрядів;
• Боязнь сильних механічних впливів (призводять до осипання електродів).

Необхідно згадати про розроблених технологіях поліпшення кислотно-свинцевих акумуляторів, об'єднаних загальною назвою - герметичні свинцево-кислотні акумулятори:

а) Гелеві акумулятори ( подивитися в нашому каталозі >> )

б) АGM акумулятори ( подивитися в нашому каталозі >> )

Перший тип - це гелеві акумулятори (що беруть свій початок з кінця 1920-х, початку 30-х років), другий - AGM (1972). Обидві технології пов'язані з «загущення» електроліту, в разі гелевих - використовується силікагель або інші загусники, а в разі AGM - електроліт абсорбується в пористому матеріалі (наприклад, скловолоконних матах). Такі акумулятори, мають перед класичними акумуляторами ряд переваг:

• Стійкість до вібрації;
• Можливість установки в будь-якому положенні;
• Відсутність необхідності обслуговування;
• Зниження ймовірності короткого замикання пластин;
• Деяке зниження ймовірності сульфатации.

Головною перешкодою широкого застосування є їх висока ціна. Так AGM в два, а гелеві до п'яти разів дорожче, ніж звичайні стартерні батареї.

Розглянемо найбільш успішні типи акумуляторів, які мають окремі переваги перед свинцево-кислотними.

Залізо-нікелевий акумулятор

У 1899 році шведським винахідником В. Юнгнер (W. Jungner) були розроблені нікель-кадмієві акумулятори. Також вченим проводились дослідження по заміщенню частини кадмію залізом (в тому числі зі 100% заміщенням). Незалежно від цих робіт, нікель-залізні акумулятори винайдені і остаточно вдосконалені, з впровадженням в масове виробництво, Т. Едісоном в 1901 році. Взагалі Едісон вважав, що за даним типом акумуляторів майбутнє і вони повністю витіснять свинцево-кислотні з використання. Ці акумулятори використовувалися на електромобілях того часу: «Detroit Electric» і «Baker Electric».

У цьому типі акумуляторних батарей, в якості активного матеріалу анода - використовується залізо, катода - гідрат окису нікелю (III), а в якості електроліту - водний розчин гідроксиду натрію / калію з домішкою гідроксиду літію. Активний матеріал міститься в перфорованих нікельованих сталевих трубках або перфорованих кишенях (див. Малюнок нижче).

Електродні реакції, що забезпечують роботу акумулятора, записуються наступним чином (читання зліва направо описує процеси розряду, справа наліво - заряду):
2 NiOOH + 2 H2O + 2 e- ↔ 2 Ni (OH) 2 + 2 OH- на катоді
Fe + 2 OH- ↔ Fe (OH) 2 + 2 e- на аноді.

Основні переваги:

• здатність витримувати вібрацію;
• стійкість до низьких температур (до-40С), відсутня небезпека замерзання електроліту;
• повні цикли розряду мало впливають на термін служби;
• великий термін служби (більше 50 років)
• відсутність високотоксичних речовин;

А також недоліки:

• великий рівень саморозряду (до 30% в місяць);
• невисока ємність;
• невисока ефективність заряду-розряду (65%).

Здатність цих акумуляторів виносити часті цикли розряд / заряд пов'язана з низькою розчинністю реагентів в електроліті.

Ці акумулятори вважаються найкращим рішенням для акумулювання електроенергії в стаціонарних автономних системах альтернативної енергетики (з використанням сонячних панелей, вітрогенераторів і мікро-ГЕС, як джерела електроенергії). Багато років вони є стандартом в системах резервного електроживлення на залізничному транспорті, в гірничодобувній промисловості (стійкі до вібрацій). Є більш екологічно безпечними, оскільки не містять важких металів (свинцю і кадмію, ртуті).

Нікель-кадмієвий акумулятор

Нікель-кадмієвий акумулятор (NiCd) - вторинний хімічний джерело струму. Катодом є гідрат закису нікелю Ni (OH) 2 з графітовим порошком (близько 5-8%), електролітом - гідроксид калію KOH з добавкою гідроксиду літію LiOH (для освіти нікелатов літію і збільшення ємності на 21-25%), анодом - гідрат закису кадмію Cd (OH) 2 або металевий кадмій Cd (у вигляді порошку).

Принцип дії нікель-кадмієвих акумуляторів заснований на оборотному процесі:
2NiOOH + Cd + 2H2O ↔ 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2

В даний час використання нікель-кадмієвих акумуляторів сильно обмежена з екологічних міркувань, тому вони застосовуються тільки там, де використання інших систем неможливо.

Літій-іонний акумулятор

Літій-іонний акумулятор - тип електричного акумулятора, який широко поширений в сучасній побутовій електронній техніці і знаходить своє застосування в якості джерела енергії в електромобілях і накопичувачах енергії в енергетичних системах. Перший літій-іонний акумулятор випустила корпорація Sony в 1991 році. Принципи заряду і розряду дещо відрізняються від традиційних електрохімічних систем. Заряд і розряд, в акумуляторах даного типу, пов'язаний з переносом іона літію Li + між позитивним і негативним електродами. Іон літію має здатність впроваджуватися (інтеркалірованних) в кристалічну решітку інших матеріалів (наприклад, в графіт, оксиди і солі металів) з утворенням хімічного зв'язку, наприклад: в графіт з утворенням LiC6, оксиди (LiMO2) і солі (LiMRON) металів:

Літій-іонний акумулятор складається з електродів (катодного матеріалу на алюмінієвій фользі і анодного матеріалу на мідній фользі), розділених просоченим електролітом пористим сепаратором.

Переваги літій-іонних акумуляторів:

• висока напруга осередку (більше 3В);
• низький саморозряд;
• можливість швидкого заряду (до 15 хв.);
• висока питома ємність;
• хороша цікліруемость;
• висока ефективність заряд-розряду (понад 80%).

Необхідно відзначити, що для приватних систем накопичення електроенергії, даний тип батарей малопридатний внаслідок високої вартості. Маючи основна перевага перед свинцево-кислотними акумуляторами у вигляді більш тривалого терміну служби (до 3000 циклів заряду розряду проти 500-1000) вони мають вартість в три і більше разів більшу. Тобто відбувається нівелювання переваги - за термін експлуатації одного комплекту літій-іонних акумуляторів буде використано близько трьох комплектів свинцевих акумуляторів, при цьому комплекти матимуть близьку вартість. Крім того, можна виділити наступні недоліки літій іонної технології:

• вибухонебезпечність (містять займисті органічні розчинники в складі електроліту);
• мають ефект пам'яті заряду;
• не можуть зберігатися в розрядженому стані тривалий час (вимагають заряду на 40%);
• вимогливі до температурного режиму (не працюють при низьких температурах);
• не можуть працювати без спеціальних систем менеджменту заряду-розряду;
• схильні до старіння.

Немає однозначної відповіді на питання: «Який акумулятор краще? ». Така різноманітність видів було обумовлено тим, що вони створювалися для вирішення різних завдань. Наші інженери допоможуть Вам підібрати акумулятор, що ідеально підходить для ваших цілей.

подивіться повний каталог акумуляторів >>