9990713a Интересные места...

Введение

Поиск идеального источника питания, применяемого в переносной аппаратуре, началось со времен изобретения Вольтом первой батареи. С тех пор прошло уже много лет, сменилось множество гальванических элементов и аккумуляторов. Производство одних прекращалось из-за ограниченных возможностей элементов, других - из-за вредоносного влияния на окружающую среду (ртутные элементы).

Кратко требования к автономным источникам питания можно охарактеризовать следующим списком:

• Минимально-возможные масса и габариты;

• Максимальная энергоемкость (характеризует продолжительность работы);

• Многократное использование;

• Безопасность для окружающей среды.

Как наиболее удовлетворяющие данным требованиям, в настоящий момент можно выделить три типа наиболее распространенных аккумуляторов:

• никель-кадмиевые (NiCd);

• никель-металлгидридные (NiMH);

• литий-ионные (Li-ion).

Никель-кадмиевые элементы

Никель-кадмиевые элементы из всех выше перечисленных являются наиболее известными и широко распространенными. Технология производства этих аккумуляторов была впервые предложена в 1899 году Янгнером. Использовавшиеся в производстве материалы и технологии были достаточно дороги, вследствие чего их производство было сильно ограничено. В 1932 году было предложено использовать пористый никелевый электрод, который был способен поглощать выделяющиеся при зарядке газы, и с 1947 года началось массовое производство этих элементов.

Среди всех производимых сейчас аккумуляторов никель-кадмиевые остаются пока наиболее популярными при использовании в переносных радиоприемниках, плеерах, медицинском оборудовании и т.п. Сейчас намечается постепенное снижение их производства вследствие появления новых типов.

* * *

Никель-металлгидридные аккумуляторы

Исследования по созданию элементов этого типа начались в начале 70-х годов с появлением сложных соединений металлов с водородом – металлгидридов. Полученные в это время соединения были нестабильны, что не позволяло широко использовать данную технологию. К ней вернулись лишь в середине 80-х, когда удалось найти технологию производства стабильных металлгидридов. С тех пор их технология была улучшена, что позволило получить достаточно высокие показатели энергетических характеристик.

* * *

Литий-ионные аккумуляторы.

Работы по созданию литиевых элементов питания начались еще в 1912 году Льюисом, однако коммерческие образцы появились лишь в начале 70-х. Это были одноразовые неперезаряжаемые литиевые элементы. Аккумуляторы же этого типа появились только в 90-е годы.

Литий, самый легкий из всех металлов, обладает самым большим электрохимическим потенциалом, что делает его самым привлекательным элементом для создания источников питания. Аккумуляторы, в которых один из электродов выполнен из лития, обладают самым высоким выходным напряжением и самым высоким показателем энергетической плотности (выраженным в ватт*час на кг).

В результате проведенных в 80-е годы исследований по созданию таких аккумуляторов было обнаружено, что случайное короткое замыкание приводит к взрыву аккумулятора. Температура быстро приближается к температуре плавления лития, что приводит к возникновению реакций окисления лития с выделением большого количества тепла. Большое количество выпущенных в 1991 году в Японии элементов были изъяты из обращения после ряда случаев взрыва телефонных трубок, где данные аккумуляторы использовались в качестве аккумуляторов питания.

Вследствие присущей литию, как самому активному металлу, нестабильности, особенно во время заряда, работы по созданию аккумуляторов на его основе привели к началу исследований соединений с ионами этого металл, в частности с диоксидом кобальта LiCoO₂. Хотя получившиеся литий-ионные аккумуляторы имеют меньшую энергетическую плотность, они намного безопаснее литиевых элементов, что особенно касается поведения аккумулятора при заряде. Начало продаж этих аккумуляторов было начато фирмой Sony в 1991 году, сейчас она является крупнейшим поставщиков таких батарей.

Энергетическая плотность литий-ионных аккумуляторов по меньшей мере в два раза выше чем у металлгидридных, а максимальный ток достаточно высокий (порядка 100% емкости). Кривые разряда литий-ионного и никель-кадмиевого аккумуляторов фактически совпадают, при этом литий-ионные аккумуляторы имеют гораздо меньший ток саморазряда.

Сейчас существуют две основные версии таких аккумуляторов, различаются они материалами, из которых выполняется отрицательный электрод. Фирмой Sony применяется угольный электрод, в то время как другие производители предпочитают использовать графит. Аккумуляторы, выполненные с применением графитовых электродов, обеспечивают более пологий наклон разрядной характеристики, допускают больший разрядный ток и выделяют меньше тепла, чем с угольным электродом.

Литий-ионные аккумуляторы на сегодняшний день являются наиболее дорогими элементами питания. Ожидается, что совершенствование технологий и замена соединений кобальта более дешевыми снизит стоимость элементов на 50% в начале следующего века. Появляются другие технологии, которые обещают стать более перспективными. В частности, фирмой Fujifilm ведутся работы по созданию отрицательного электрода с применением аморфных композитных оксидных соединений. Эта технология должна повысить надежность и безопасность аккумуляторов, ввести режим быстрого заряда, обеспечить более высокие показатели нагрузочных характеристик.

Вследствие высокой энергетической плотности и малого внутреннего сопротивления литий-ионные аккумуляторы обладают очень большим током короткого замыкания (десятки ампер). По этой причине необходимо избегать коротких замыканий при использовании этих аккумуляторов и применять специальные схемы защиты. В аккумуляторах старых типов последовательно устанавливался предохранитель, который обрывался при токе в три раза превышающем емкость аккумулятора.

Внимание! Литий-ионные аккумуляторы обладают высокой энергетической плотностью. При эксплуатации соблюдайте меры предосторожности. Запрещается:

•  
• замыкать электроды аккумуляторов;
•  
• бросать, ударять, наносить повреждения;
•  
• вскрывать элементы аккумулятора;
•  
• подвергать воздействию высокой температуры;
•  
• превышать заряд.

Разрядные характеристики для литий-ионных аккумуляторов на примере аккумулятора Sony NP-F10 представлены на рисунке ниже.

Результаты сравнения описанных типов аккумуляторов сведены в приводимую ниже таблицу.