Виды аккумуляторов

Аккумулятор представляет собой устройство, в котором происходит накопление и хранении энергии. Большинство таких приборов работает за счет преобразования электрической энергии в химическую и наоборот. Этот процесс позволяет заряжать и разряжать устройство. При этом оборудование может использоваться как зарядное устройство, источник питания, контролирующая или компенсационная установка.

Современные аккумуляторы

Аккумуляторы необходимы для работы самых разных устройств, начиная от простых пультов для телевизора и заканчивая атомной энергетикой и космической отраслью. Все эти приборы подразделяются, в зависимости от разных технологических характеристик и особенностей использования. Работа аккумулятора характеризуется емкостью, напряжением, внутренним сопротивлением, током саморазряда и сроком службы.

Какие бывают аккумуляторы? Все существующие приборы можно разделить на несколько видов:

• электрохимические;
• магнитные;
• механические;
• тепловые;
• световые.

Электрохимические аккумуляторы

Этот вид оборудования подразделяется на несколько больших групп:

• электрические;
• газовые;
• обратимые топливные элементы;
• щелочные;
• конденсаторы.

Электрические приборы относятся к самому распространенному типу аккумуляторов. В работе используются свинцовые, никелевые, железные, цинковые, серебряные и другие виды пластин, сделанные из сплавов. В качестве электролита применяется кислоты, растворы магния, кадмия солей и других элементов.

Виды электрических аккумуляторных батарей

Устройство подобных приборов проще всего объяснить на примере свинцово-кислотных батарей. В работе оборудования используется обратимая реакция взаимодействия жидкости (в данном случае кислоты) и металла – свинца. Благодаря обратимости химических процессов, появляется возможность многоразового использования батареи через разряд-заряд. При пропускании тока в направлении, обратном процессу разряда, аккумулятор заряжается, если подключить оборудование в другую сторону, разряжается.

Химическая реакция идет по следующей схеме:

• анод: Pb+SO42_2е-⇄PbSO4;
• катод: Pb2+SO42-+4H++2е-⇄PbSO4+2H2O.

Как это происходит в реальности? Если к пластинам подключить лампочку, то в аккумуляторе начнется движение электронов, то есть возникнет электрический ток, и пойдет химическая реакция. За счет этого на пластинах образуется сульфат свинца. После подключения источников питания реакция пойдет в обратном направлении. Кислота будет расщепляться, налет –удаляться. Далее при включении лампочки процесс снова идет в обратном направлении.

Все типы аккумуляторных батарей и электрохимические аккумуляторы можно разделить на три большие группы:

1. Ремонтнопригодные – отличаются от других батарей тем, что могут быть разобраны. С другой стороны, эти приборы требуют постоянных проверок уровня электролита. К тому же модели больше подвержены разгерметизации, которая, в свою очередь, может привести к повышению концентрации кислотных паров;
2. Необслуживаемые – отремонтировать что-то в конструкции этого оборудования или залить электролит невозможно. При возникновении любых проблем с работой АКБ батарея подлежит полной замене;
3. Малообслуживаемые – в оборудовании обеспечен доступ к уровню электролита и возможно его добавление при высыхании батареи.

Существуют определенные разновидности свинцово-кислотных батарей:

• Lead–Acid,
• Valve Regulated Lead–Acid (VRLA),
• Absorbent Glass Mat Valve Regulated Lead–Acid (AGM VRLA),
• GEL Valve Regulated Lead–Acid (GEL VRLA),
• OPzV.

Принцип работы свинцовых батарей

В литий-ионных аккумуляторах используются электроды из алюминиевой (катод) и медной (анод) фольги, которые пропитаны электролитами с литием. Дополнительно используются литийкобальтоксид и графит. Зарядом является ион лития, который заряжен положительно и интеркалируется в процессе химической реакции в кристаллические решетки. При работе аккумулятора ионы преодолевают сепараторный барьер по пути к электроду. Для качественной работы дополнительно используется разделительный сепаратор (обычно бумажный). Этот элемент необходим для воспрепятствования перемещению ионов в произвольном порядке.

В современных литий-ионных батареях в состав катодов и анодов вводятся дополнительные элементы. Поэтому в аббревиатуре названий упоминаются вещества, участвующие в реакции химического разложения:

• LiCoO2 – литий-кобальтовые аккумуляторы отличаются высокой удельной энергией, но имеют небольшую термическую стойкость;
• LiMn2O4, LMO – литий-марганцевые модели необходимы для мощных электроинструментов и транспортных средств. При работе литий-марганцевых аккумуляторов ток заряда существенно возрастает за счет образования трехмерных структур шпинели, улучшающей поток ионов. Но потенциал этих батарей ниже, чем у литий-кобальтовых;
• LiNiMnCoAlO2 или NCA – использование в одном аккумуляторе сразу никеля, марганца и кобальта в составе катода помогает повысить удельную мощность или энергию. За счет этого обеспечиваются оптимальные характеристики для разных режимов эксплуатации. Кроме того, снижение содержания кобальта уменьшает стоимость без потери в качестве;
• LiFePO4 – здесь для катода применяют фосфат. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы отличаются длительным сроком эксплуатации и повышенной безопасностью;
• Li4Ti5O12 – литий-титанатная батарея обладает повышенным ресурсом и способностью работать при температуре до -300С;
• Li-pol, Li-polymer, LiPo, LIP, Li-poly – в этих аккумуляторах в качестве электролита применяется полимер. Поэтому конструкции полимерных батарей могут быть любой формы.

Следующий вид – газовые аккумуляторы, основаны на использовании электрохимического потенциала газов. Во время работы прибора на электродах выделяется газ, который поглощается адсорбентом. Чаще всего для этого используется активированный уголь. Конструкция состоит из угольного электрода, адсорбента и проницаемой мембраны.

Обратимые топливные элементы представляют собой углеродистые нанотрубки с катализаторами, которые погружены в электролит. При заряде вода разлагается на водород и кислород, а при разрядке идет обратная реакция. В системах используется водород высокой степени очистки.

Схема газового аккумулятора

На рисунке показаны три проекции модели самодельного газового аккумулятора, где:

1. емкость;
2. электролит (в данном случае это дистиллированная вода с солью в пропорции 1 стакан воды/1 столовую ложку соли);
3. стержни (подойдет стержень от батареек или карманного фонаря);
4. мешочки;
5. активированный уголь внутри мешков.

Один из выходов электродов маркируется для обозначения положительного заряда. Для зарядки используют источник питания в 4,5 В, зарядка ведется до достижения напряжения в 2,5 В.

Щелочной тип аккумуляторов (АКБ) использует в качестве анода цинк в порошкообразном состоянии, катода – диоксид марганца, электролита – гидроксид калия. Батареи данного вида представляют собой цилиндрический корпус, в середине которого находится латунный стержень. Этот стержень снимает отрицательный потенциал с цинкового порошка, пропитанного щелочным электролитом. Вся эта паста окружена сепаратором, также пропитанным электролитом. Дальше находится активная масса в виде графита или сажа. Масса смешана с диоксидом марганца. Затем идет оболочка, которая предохраняет батарею от короткого замыкания. Положительный вывод представляет собой стальной никелированный стакан, а отрицательный – стальную окружность. Важным преимуществом щелочных батарей является то, что при работе электролит практически не расходуется.

Следующий вид электрических аккумуляторов – это конденсаторы, которые обладают способностью быстро разряжаться и заряжаться. Эти элементы имеют постоянную или переменную емкость. Конденсаторы применяются для уменьшения перебоев в напряжении, выделении переменной или постоянной составляющей, а, значит, получения необходимых постоянных значений тока.

Механические аккумуляторы

Этот тип аккумуляторных батарей можно поделить на 3 большие группы:

1. упругие, где увеличение потенциальной энергии происходит при упругой деформации;
2. инерционные – работают на кинетической энергии;
3. гравитационные – функционируют за счет потенциальной энергии взаимного положения тел.

К первой группе относят гидро,- и пневматические аккумуляторы, а также резинмоторы, пружинные аккумуляторы и аккумуляторы давления.

Инерционными являются маховики и гироскопы.

Как работает гидроаккумуляторная станция

Гравитационные – это большие системы, например, гидроаккумуляторная электростанция.

Тепловые аккумуляторы

Несмотря на то, что эти аккумуляторы получили название тепловых, основными приборами здесь являются охлаждающие элементы для бытовых и переносных холодильников, а также приборы, используемые в холодовой цепи для перевозки медицинских препаратов, биологических тканей.

Принцип работы состоит в том, что основное вещество (обычно для этого берут карбоксиметилцеллюлозу) охлаждается до нужной температуры. Затем аккумулятор постепенно отдает накопленный холод окружающей среде и предметам.

Световые аккумуляторы

Так называют уже ставшие привычными солнечные батареи, в которых солнечная энергия преобразуется в постоянный электрический ток. Вид и принцип построения приборов зависит от требуемой мощности оборудования. Солнечные батареи необходимы для портативной электроники и создания систем энергоснабжения зданий.

Магнитные аккумуляторы

Эти устройства также называют спин-аккумуляторами, так как в работе используется туннельное магнитное соединение (ТМС). Конструкция состоит из чередующихся магнитных и немагнитных пленок, в которые встроены наномагниты MnAs. За счет этого чередования возникает ТМС, которое приводит к появлению электродвижущей силы. Таким образом, происходит квантовое туннелирование электронов, и магнитная энергия переходит в электрическую напрямую. Этот вид оборудования только начинает внедряться в производство, поэтому большинство спин-аккумуляторов являются отдельными лабораторными образцами либо выпускаются небольшими партиями.

Потребности в более мощных и специализированных устройствах для хранения и накопления энергии постоянно растут. Поэтому современное производство постоянно предлагает новые виды аккумуляторов и батарей.

Видео