Аккумулятор: как работает и принципы его устройства

Аккумуляторные батареи (АКБ) используются повсюду в качестве мобильных и стационарных источников питания: в подъемно-транспортном оборудовании, как элементы аварийного и резервного энергоснабжения, являются основой для автономности огромного разнообразия портативных устройств. Понимание того, как работает аккумулятор, поможет правильно заряжать смартфон и продлить срок службы батареи автомобиля.

Исторический обзор

Разработку первого гальванического элемента приписывают итальянскому физику Алессандро Вольта. Он проводил серию экспериментов с электрохимическими явлениями в течение 1790-х годов и примерно в 1800-м создал первую батарею, которую современники назвали «вольтовым столбом». Устройство состояло из чередующихся цинковых и серебряных дисков, разделённых слоями бумаги или ткани, которые были смочены в растворе натрия гидроксида.

Эти эксперименты стали основой работы над количественными законами электрохимии для Майкла Фарадея. Он описал принцип действия аккумулятора и на основе работ учёного были созданы первые коммерческие электрические элементы. Дальнейшая эволюция выглядела так:

• 1836 году британский химик Джон Даниель представил усовершенствованную модель ячейки, состоящую из медных и цинковых электродов, погруженных в соляную кислоту. Элемент Даниеля был в состоянии обеспечить постоянное напряжение несравнимо эффективнее, чем устройства Вольта.
• 1839 год. Дальнейший прогресс состоялся благодаря физику Гроуву с его двухжидкостной ячейкой, состоящей из цинка, погружённого в разбавленную серную кислоту, находящуюся в пористой ёмкости. Последняя отделяла серную кислоту от сосуда, содержащего азотную с помещённым в неё платиновым катодом. Азотная кислота служила в качестве окисляющего агента, предотвращающего потерю напряжения в результате накопления водорода на катоде. Немецкий химик Роберт Бунзен заменил платину на недорогой уголь в элементе Гроува и тем самым содействовал широкому признанию этого типа батарей.
• В 1859 году Гастон Планте изобрёл свинцово-кислую ячейку — предтечу современного автомобильного аккумулятора. Устройство Планте было в состоянии произвести необычайно большой ток, но использовалось только для опытов в лабораториях на протяжении почти двух десятилетий.
• 1895—1905 годы. Изобретение щелочных элементов никель-кадмиевого и никель-железного типа. Это позволило создавать системы со значительным количеством циклов заряда-разряда.
• С 1930-х началось развитие серебряно цинковых и ртутно-цинковых щелочных батарей, которые обеспечивали высокую плотность энергии на единицу веса и объёма.
• С середины XX века достижения в области производственных технологий и появление новых материалов привели к созданию ещё более мощных и компактных аккумуляторов. Самым заметным было появление на рынке никель-металл-гидридных и литиевых батарей.

Устройство и принцип работы

Батареей называют устройство, которое преобразует энергию химических реакций в электрическую. Хотя термин «батарея» и обозначает сборку из двух или более гальванических элементов, способных к такому преобразованию, в широком смысле он применяется и к единичному элементу такого типа.

Каждый такая ячейка имеет катод (положительный электрод) и анод (отрицательный). Эти электроды разделены электролитом, обеспечивающим обмен ионами между ними. Электродные материалы и состав электролита подбираются таким образом, чтобы обеспечить достаточную электродвижущую силу между клеммами батареи.

Поскольку электроды содержат ограниченный потенциал химической энергии, батарея во время работы будет истощена. Тип гальванических элементов, который приспособлен для пополнения после частичного или полного разряда, называется аккумуляторами. Сборка из таких соединённых между собой ячеек — аккумуляторной батареей. Работа АКБ предполагает циклическую смену двух состояний:

• Зарядка — батарея работает в качестве приёмника электроэнергии, внутри ячеек электрическая энергия реализуется в химические изменения.
• Разрядка — устройство функционирует как источник электрического тока благодаря преобразованию энергии химических реакций в электрическую.

Особенности зарядки и разрядки

Энергия, используемая для восстановления ёмкости АКБ, поступает из зарядных устройств, подключённых к электрической сети. Чтобы заставить ток протекать внутри элементов, напряжение источника должно быть выше, чем у батареи. Значительное превышение расчётного зарядного напряжения может привести к выходу АКБ из строя.

Алгоритмы зарядки напрямую зависят от того, как устроен аккумулятор и к какому типу он относится. Например, некоторые батареи могут безопасно пополнять свою ёмкость от источников постоянного напряжения. Другие работают только с регулируемым источником тока, способными менять параметры в зависимости от уровня заряда.

Неверно организованный процесс заряда может повредить батарею. В крайних случаях возможно возгорание АКБ или взрыв её содержимого. Существуют интеллектуальные аккумуляторы, оснащённые устройствами контроля напряжения. Основными параметрами, которые следует учитывать при эксплуатации обращаемых гальванических батарей:

• Продолжительность жизни. Даже при правильном обращении количество циклов зарядки у АКБ ограничено. Различные системы АКБ изнашиваются не всегда по одинаковым причинам. Но в целом срок жизни аккумуляторов ограничен в первую очередь количеством циклов полного разряда-заряда, а во вторую — проектным сроком службы без привязки к интенсивности использования.
• Время заряда. Принципиальное устройство АКБ не предполагает зарядку при сколь угодно высокой скорости: внутреннее сопротивление гальванического элемента приведёт к преобразованию избытка зарядного тока в тепло, что может необратимо повредить устройство. С физической точки зрения, время заряда ограничено максимальной скоростью диффузии активного материала через электролит. Упрощённо можно считать, что восстановление полной ёмкости за один час — хороший показатель.
• Глубина разряда. Указывается в процентах от номинальной мощности. Характеризует полезную ёмкость. Для разных типов аккумуляторов рекомендуемый уровень эксплуатационного разряда может отличаться. Из-за изменений в процессе работы или старения показатель максимальной глубины теряет первоначальное значение.

Типы аккумуляторов

Конструктивно батареи различаются в зависимости от назначения и от типа протекающих в них электрохимических реакций. По способу их применения АКБ можно разделить на две основные категории:

1. Интегрированные в сеть. Эти батареи используются как устройство хранения, постоянно заряжаемое от главного источника энергии и подающее электричество к нагрузке в случаях, когда основной источник отсутствует или его недостаточно для выполнения задач. Примеры такого применения — автомобильные и авиационные системы, бесперебойное и резервное питание, гибридные установки.
2. Автономные. Эти АКБ предназначены для устройств, в которых аккумулятор разряжается аналогично обычной необратимой батарее, а затем заряжается после истощения. Обратимые батареи в таких случаях применяют для удобства, экономии средств (пополнение ёмкости дешевле замены) или для питания оборудования за пределами возможностей обычных гальванических элементов. АКБ для большинства бытовой электроники, транспортных средств, тягового и грузового промышленного оборудования и некоторых стационарных устройств попадают в эту категорию.

В дополнение к способности перезаряжаться, аккумуляторные батареи, в сравнении с обычными гальваническими элементами, характеризуются высокой плотностью мощности и хорошей производительностью даже при низких температурах. В зависимости от состава электролита, материалов электродов и особенностей конструкции можно выделить три распространённых типа аккумуляторов.

Свинцово-кислотные

Эти АКБ имеют самую долгую историю популярности в качестве автономных источников питания. Большинство таких батарей изготовлены из свинцовых пластин или сеток, где одна из решёток (положительный электрод) покрыта диоксидом свинца в кристаллической форме. Электролит, состоящий из серной кислоты, участвует в реакциях свинца и диоксида свинца с образованием сульфата свинца. Перемещение ионов последнего образует ток разряда. Заряд происходит при помощи восстановления током заряда диоксида свинца на катоде.

Этот тип батарей был востребован на протяжении более чем сотни лет благодаря следующим особенностям:

• широкому диапазону возможностей как при производстве сильных, так и слабых токов;
• надёжностью в течение сотен циклов в присутствии контроля заряда;
• относительно низкой стоимости (свинец дешевле в пересчёте на ёмкость чем никель, кадмий, литий или серебро);
• большой срок годности при хранении для перезаряжаемого устройства;
• высокое напряжение единичной ячейки;
• простотой изготовления (литьё, сварка, прокатка).

Автомобильный аккумулятор — наиболее известный свинцово-кислотный перезаряжаемый источник питания. Широко их применение в качестве тяговых в автофургонах, погрузчиках и других транспортных средствах. Хотя большинство их портативны, некоторые могут весить несколько тонн.

Щелочные батареи

В этом типе батарей электрическая энергия генерируется в результате химических реакций в щелочном растворе с использованием различных электродных материалов. Наиболее известные из них:

• Никель-кадмиевые. Способны выдавать исключительно высокие токи, перезаряжаться сотни раз, терпимы к ошибкам в обслуживании. Но, в сравнении со свинцово-кислотными, тяжелы и имеют ограниченную плотность энергии. Их долговечность напрямую зависит от полной разрядки в каждом цикле. Если её не делать, элементы проявляют так называемый эффект памяти, который выражается в снижении их ёмкости. Используются широко для запуска авиадвигателей, систем аварийного жизнеобеспечения и в сочетании с источниками солнечной энергии.
• Никель-цинковые. Самые привлекательные, с точки зрения их развития. Если их жизненный цикл будет значительно продлён, системы такого рода могут стать жизнеспособной заменой для никель-кадмиевых и свинцово-кислых батарей.
• Никель-железные. Могут обеспечить тысячи циклов, но не перезаряжаются эффективно. При пополнении ёмкости заметно выделяют тепло и потребляют много электроэнергии.
• Никель-водородные. Были изобретены прежде всего для космической программы США. Водород в таких системах служит активным анодным материалом. Заменяют собой никель-кадмиевые во многих областях, благодаря высокой мощности на единицу объёма и терпимости к качеству обслуживания. Используются в электрических транспортных средствах.
• Цинково-марганцевые. Применяются в системах, не нуждающихся в большом количестве электричества. Высокая плотность энергии и низкая стоимость этих батарей способствует дальнейшей инженерной работе над их усовершенствованием.
• Серебряно-цинковые. Одни из самых дорогих. Используются там, где высокая плотность мощности, малый вес и малый объём имеют решающее значение: в специальных транспортных средствах и портативных радиолокационных узлах.

Литиевые перезаряжаемые устройства

К ним относятся аккумуляторы с литиевым анодом или использованием в электрохимической реакции ионов лития. На момент появления батареи на основе металлического лития были многообещающими благодаря впечатляющему потенциалу к миниатюризации, но оказались крайне нестабильны из-за риска протекания бурных химических реакций на аноде. Поэтому основной коммерческий успех этого типа АКБ состоялся с применением литий ионных технологий, суть которых заключалась в том, что вместе с отказом от металлического анода роль электролита взяли на себя сложные соли лития.

Благодаря высокой плотности накапливаемой энергии и ничтожному саморазряду, этот тип АКБ популярен как источник питания потребительской электроники. Главный недостаток литиевых батарей — риск неожиданного возгорания от перегрева. Даже самые современные из них оснащаются дополнительным электронным контролем процессов зарядки-разрядки в целях безопасности. Литий полимерные батареи — более совершенные в своём классе. В них вместо жидкого электролита используют твёрдый полимерный. Эти батареи легче обычных литий ионных, но из-за высокой цены не смогли полностью их заменить.

Прогресс не стоит на месте. Сейчас инженеры и технологи разрабатывают модели принципиального устройства аккумуляторов будущего, которые придут на смену литий-ионным аккумуляторам.

Появление наноматериалов способно дать толчок новому витку эволюции батарей с такими удивительными для современных устройств свойствами, как мгновенная зарядка, эластичность, сверхкомпактность и экологическая безопасность.