Різні типи акумуляторів та їх застосування

Акумулятор - це сукупність однієї або декількох клітин, які піддаються хімічним реакціям, створюючи потік електронів всередині кола. У галузі акумуляторних технологій проводиться багато досліджень та вдосконалення, і, як наслідок, нині в усьому світі досвідчені технології переживають і використовують. Акумулятори почали діяти через необхідність накопичувати генеровану електричну енергію. Оскільки генерується хороша кількість енергії, важливо зберігати енергію, щоб її можна було використовувати, коли виробництво припиняється або коли існує потреба в живленні автономних пристроїв, які не можуть бути прив’язані до електромережі. Тут слід зазначити, що в батареях можна зберігати лише постійний струм, змінний струм не можна зберігати.

Елементи батареї, як правило, складаються з трьох основних компонентів;

Анод (негативний електрод)
Катод (позитивний електрод)
Електроліти

Анод - це негативний електрод, який виробляє електрони до зовнішнього кола, до якого підключена батарея. Коли батареї підключені, на аноді ініціюється накопичення електронів, що викликає різницю потенціалів між двома електродами. Потім електрони намагаються перерозподілитись самі, це заважає електроліт, тому, коли підключена електрична ланцюг, він забезпечує чіткий шлях для руху електронів від анода до катода, тим самим живлячи ланцюг, до якого він підключений. Змінюючи розташування та матеріали, що використовуються для побудови анодів, катодів та електролітів, ми можемо досягти багатьох різних типів хімічних речовин акумуляторів, що дозволяє нам проектувати різні типи акумуляторних елементів. У цій статті можна зрозуміти різні типи акумуляторів та їх використання, так що давайте почнемо.

Види акумуляторів

Як правило, акумулятори можна класифікувати на різні категорії та типи, починаючи від хімічного складу, розміру, форм-фактора та випадків використання, але під усіма цими типами можна виділити два основних типи;

Первинні батареї
Вторинні батареї

Давайте розглянемо глибше, щоб зрозуміти основні відмінності між клітиною Primacy та Secondary Cell.

1. Первинні батареї

Первинні батареї - це батареї, які неможливо перезарядити після розрядження. Первинні батареї виготовлені з електрохімічних елементів, електрохімічну реакцію яких неможливо змінити.

Первинні батареї існують у різних формах - від монетних комірок до батарейок типу АА. Вони зазвичай використовуються в автономних додатках, де зарядка недоцільна або неможлива. Хорошим прикладом цього є військові пристрої та обладнання на батареях. Використовувати акумуляторні батареї буде недоцільним, оскільки перезарядка батареї буде останньою справою у свідомості солдатів. Первинні батареї завжди мають високу питому енергію, і системи, в яких вони використовуються, завжди розроблені для споживання низької кількості енергії, щоб батарея могла жити якомога довше.

Деякі інші приклади пристроїв, що використовують первинні батареї, включають; Виробники темпів, трекери для тварин, наручні годинники, пульти дистанційного керування та дитячі іграшки.

Найпопулярніший тип первинних батарей - лужні. Вони мають високу питому енергію, екологічно чисті, економічно вигідні і не витікають навіть при повному розряді. Вони можуть зберігатися протягом декількох років, мати хороший облік безпеки та перевозитись на літаку, не підпадаючи під дію транспортних та інших норм ООН. Єдиним недоліком лужних батарей є низький струм навантаження, що обмежує його використання пристроями з низьким рівнем струму, такими як пульти дистанційного керування, ліхтарики та портативні розважальні пристрої.

2. Вторинні батареї

Вторинні батареї - це батареї з електрохімічними елементами, хімічні реакції яких можна змінити шляхом подачі певної напруги на батарею в зворотному напрямку. Також називаються акумуляторними батареями, вторинні елементи, на відміну від первинних, можуть заряджатися після того, як енергія на батареї буде витрачена.

Вони, як правило, використовуються в додатках із високим розрядом та інших сценаріях, коли використання однозарядних батарей буде занадто дорогим або нездійсненним. Вторинні акумулятори невеликої ємності використовуються для живлення переносних електронних пристроїв, таких як мобільні телефони та інші пристрої та прилади, тоді як важкі батареї використовуються для живлення різноманітних електромобілів та інших додатків із високим розрядом, таких як вирівнювання навантаження при виробництві електроенергії. Вони також використовуються як самостійні джерела живлення поряд з інверторами для подачі електроенергії. Хоча початкові витрати на придбання акумуляторних батарей завжди набагато вищі, ніж у первинних батарей, але вони є найбільш економічно вигідними в довгостроковій перспективі.

Вторинні акумулятори можна класифікувати на кілька інших типів на основі їх хімії . Це дуже важливо, оскільки хімія визначає деякі атрибути акумулятора, включаючи його питому енергію, термін служби, термін придатності та ціну.

Нижче наведено різні типи акумуляторних батарей, які зазвичай використовуються.

Літій-іонний (Li-ion)
Нікель-кадмій (Ni-Cd)
Нікель-метал-гідрид (Ni-MH)
Свинцево-кислотна

1. Нікель-кадмієві батареї

Нікель-кадмієва батарея (NiCd-акумулятор або NiCad-акумулятор) - це тип акумуляторної батареї, яка розробляється з використанням в якості електродів гідроксиду оксиду нікелю та металевого кадмію. Ni-Cd акумулятори чудово підтримують напругу та утримують заряд, коли не використовуються. Однак батареї NI-Cd легко стають жертвою страшного ефекту "пам'яті", коли частково заряджений акумулятор перезаряджається, зменшуючи майбутню ємність акумулятора.

У порівнянні з іншими типами акумуляторних елементів, Ni-Cd акумулятори забезпечують хороший життєвий цикл та ефективність роботи при низьких температурах із справедливою ємністю, але їх найважливішою перевагою буде здатність забезпечити повну номінальну ємність при високій швидкості розряду. Вони доступні в різних розмірах, включаючи розміри, що використовуються для лужних батарей, від AAA до D. Елементи Ni-Cd використовуються окремо або зібрані в упаковках з двох або більше комірок. Маленькі пакети використовуються в портативних пристроях, електроніці та іграшках, тоді як більші знаходять застосування в пускових батареях літаків, електромобілях та резервному джерелі живлення.

Деякі властивості нікель-кадмієвих батарей перелічені нижче.

Питома енергія: 40-60 Вт-год / кг
Щільність енергії: 50-150 Вт / л
Питома потужність: 150 Вт / кг
Ефективність заряду / розряду: 70-90%
Швидкість саморозряду: 10% / місяць
Довговічність / тривалість циклу: 2000 циклів

2. Нікель-металгідридні батареї

Гідрид металевого нікелю (Ni-MH) - це ще один тип хімічної конфігурації, що використовується для акумуляторних батарей. Хімічна реакція на позитивному електроді акумуляторів подібна до реакції нікель-кадмієвих елементів (NiCd), причому обидва типи батарей використовують один і той же гідроксид оксиду нікелю (NiOOH). Однак негативні електроди в нікель-метал-гідриді використовують водопоглинаючий сплав замість кадмію, який використовується в NiCd-батареях

NiMH-батареї знаходять застосування в пристроях з високим розрядом через високу ємність та щільність енергії. NiMH-акумулятор може мати в два-три рази більше ємності NiCd-батареї такого ж розміру, а щільність його енергії може наближатись до літій-іонної батареї. На відміну від хімії NiCd, батареї на основі хімії NiMH не сприйнятливі до ефекту «пам'яті», який відчувають NiCads.

Нижче наведені деякі властивості батарей на основі хімії нікель-металогідриду;

Питома енергія: 60-120 год / кг
Щільність енергії: 140-300 Вт / л
Питома потужність: 250-1000 Вт / кг
Ефективність заряду / розряду: 66% - 92%
Швидкість саморозряду: 1,3-2,9% / місяць при 20 ^o C
Довговічність / тривалість циклу: 180 -2000

3. Літій-іонні батареї

Літій-іонні акумулятори - один з найпопулярніших видів акумуляторних батарей. Існує багато різних типів літієвих батарей, але серед усіх літій-іонних акумуляторів вони найчастіше використовуються. Ви можете знайти ці літієві батареї, що використовуються в різних формах, популярних серед електромобілів та інших портативних пристосувань. Якщо вам цікаво дізнатись більше про батареї, що використовуються в електромобілях, ви можете ознайомитися з цією статтею про акумулятори для електромобілів. Вони містяться в різних портативних приладах, включаючи мобільні телефони, смарт-пристрої та кілька інших акумуляторних приладів, що використовуються вдома. Вони також знаходять застосування в аерокосмічній та військовій галузі завдяки своїй легкій природі.

Літій-іонні акумулятори - це тип акумуляторних батарей, в яких іони літію від негативного електрода мігрують до позитивного електрода під час розряду і повертаються назад до негативного електрода, коли акумулятор заряджається. Літій-іонні акумулятори використовують інтеркальований з'єднання літію як один електродний матеріал, порівняно з металевим літієм, що використовується в літієвих батареях, що не заряджаються.

Літій-іонні акумулятори, як правило, мають високу щільність енергії, незначний ефект пам'яті або майже відсутність її, а також низький рівень саморозряду в порівнянні з іншими типами батарей. Їх хімія, а також продуктивність та вартість різняться залежно від різних випадків використання, наприклад, літій-іонні батареї, що використовуються в портативних електронних пристроях, зазвичай засновані на оксиді кобальту літію (LiCoO ₂), що забезпечує високу щільність енергії та низький ризик безпеки при пошкодженні під час дії літій-іонних Акумулятори на основі літієвого фосфату заліза, які забезпечують меншу щільність енергії, безпечніші через зменшену ймовірність нещасних подій, широко використовуються для живлення електричних інструментів та медичного обладнання. Літій-іонні акумулятори пропонують найкраще співвідношення продуктивності та ваги, а літієво-сіркові акумулятори пропонують найвищий коефіцієнт.

Деякі атрибути літій-іонних батарей перелічені нижче;

Питома енергія: 100: 265 Вт-год / кг
Щільність енергії: 250: 693 Вт / л
Питома потужність: 250: 340 Вт / кг
Відсоток заряду / розряду: 80-90%
Довговічність циклу: 400: 1200 циклів
Номінальна напруга комірки: NMC 3,6 / 3,85 В

4. Свинцево-кислотні батареї

Свинцево-кислотні акумулятори - це недорога надійна робоча конячка, що використовується у важких умовах експлуатації. Вони, як правило, дуже великі, і через свою вагу вони завжди використовуються в непереносних додатках, таких як зберігання енергії на сонячних панелях, запалювання та освітлення автомобіля, резервне живлення та вирівнювання навантаження при виробництві / розподілі електроенергії. Свинцево-кислотна - це найдавніший тип акумуляторних батарей, який досі є дуже актуальним і важливим у сучасному світі. Свинцево-кислотні акумулятори мають дуже низькі співвідношення енергії до об’єму та енергії до ваги, але вони мають відносно велике співвідношення потужності до ваги, і, як результат, можуть подавати величезні імпульсні струми, коли це необхідно. Ці атрибути поряд з низькою вартістю роблять ці акумулятори привабливими для використання в декількох сучасних додатках, таких як живлення автомобільних стартерних двигунів та для зберігання в резервних джерелах живлення.Ви також можете ознайомитися зі статтею про працюючі свинцево-кислотні акумулятори, якщо ви хочете дізнатись більше про різні типи свинцево-кислотних акумуляторів, їх конструкцію та застосування.

Кожна з цих батарейок має свою область, яка найкраще підходить, і на малюнку нижче ви можете вибрати між ними.

Вибір правильної батареї для вашої програми

Однією з основних проблем, що заважають технологічним революціям, таким як IoT, є потужність, час автономної роботи впливає на успішне розгортання пристроїв, які вимагають тривалого часу автономної роботи, і навіть незважаючи на те, що для впровадження батареї довше використовується кілька методів управління живленням, все одно потрібно вибрати сумісну батарею для досягнення бажаного результату.

Нижче наведено кілька факторів, які слід враховувати при виборі відповідного типу акумулятора для вашого проекту.

1. Щільність енергії: Щільність енергії - це загальна кількість енергії, яку можна накопичити в одиниці маси або об’єму. Це визначає, як довго ваш пристрій залишається увімкненим до того, як йому потрібно буде зарядитися.

2. Щільність потужності: Максимальна швидкість розряду енергії на одиницю маси або об’єму. Мала потужність: ноутбук, i-pod. Висока потужність: електроінструмент.

3. Безпека: Важливо враховувати температуру, при якій буде працювати пристрій, який ви будуєте. При високих температурах певні компоненти батареї руйнуються і можуть зазнати екзотермічних реакцій. Високі температури зазвичай знижують ефективність роботи більшості акумуляторів.

4. Довговічність життєвого циклу: стабільність щільності енергії та щільності енергії акумулятора при багаторазовому циклі (зарядці та розряді) необхідна для тривалого терміну служби батареї, необхідного для більшості програм.

5. Вартість: Вартість є важливою частиною будь-яких інженерних рішень, які ви будете приймати. Важливо, щоб вартість обраного вами акумулятора була співмірною з його продуктивністю і не призвела до ненормальної загальної вартості проекту.