Батарея для чего нужна
Что выгоднее использовать – аккумуляторы или одноразовые батарейки
Жизнь – это просто серия решений. И пока вы пытаетесь понять, как уменьшить свой разрушительный след Земле, это может частично сводиться к выбору между перезаряжаемыми и одноразовыми батареями.
Оба варианта, в конечном итоге, достигают одной и той же цели – питание ваших электронных устройств, хотя одно из них кажется гораздо более экологичным. Мы окунемся в захватывающий мир аккумуляторов, чтобы точно увидеть, чем эти две технологии отличаются и где они обе превосходны.
Акцент на потребительские аккумуляторы
Всё началось в 1800-х годах в Италии, когда человек по имени Алессандро Вольта создал первую батарейку, способную давать постоянный ток. Перемотаем вперёд. Вы стоите на кассе супермаркета, пытаясь решить, хотите ли вы снова потратить всего несколько десятков рублей на одноразовые батарейки типа АА или, наконец, сделать решающий шаг и оплатить крупную сумму за переход на перезаряжаемые аккумуляторы. Это дилемма всех распространенных потребительских аккумуляторов, включая варианты AA, AAA, C и D.
Аккумуляторы относительно дороги, по крайней мере, сначала. Они требуют некоторого внимания, чтобы, например, не потерять зарядник. Они требуют, чтобы вы помнили, в каких устройствах использовали аккумуляторы вместо одноразовых батареек. И они требуют от вас предусмотрительности, чтобы заранее зарядить аккумуляторы, когда вам нужно включить устройство. Это звучит как куча проблем. Исключительно заманчиво (я виноват) снова выбрать одноразовые батарейки, вставить их и выбросить. Но, какой ценой?
Аккумуляторы и батарейки – сравнение затрат
Давайте использовать обычные батарейки АА в качестве примера. Они питают пульты телевизоров, игровые контроллеры, фонарики, динамики, электробритвы, лампы для чтения, зубные щетки, фонари, детекторы дыма и десятки других вещей, лежащих в вашем дому. Если вы возьмете хотя бы четыре предмета с двумя батарейками, то это восемь батареек АА. Распределите стоимость покупки восьми аккумуляторов на четыре раза в год, и вы получите около 1600 рублей, если вы покупаете батарейки по цене около 50 рублей за штуку. Распространите это на пять лет, и вы получите около 8000 рублей, потраченных на одноразовые батарейки.
Одноразовые батареи стоят дешевле, но перезаряжаемые батареи сэкономят вам деньги в долгосрочной перспективе.
Это действительно немного по сравнению с другими обычными покупками, но вы могли бы тратить меньше в долгосрочной перспективе. Ибо восемь аккумуляторов обойдутся вам в куда меньшую сумму, а прослужить они могут куда больше 5 лет.
Нет ртути, но всё ещё расточительно
В обычных батарейках содержится ртуть, – тяжелый элемент, который в больших количествах может нанести вред окружающей среде. Представьте себе миллионы ртутных батарей, разлагающихся на полигонах по всему миру. Она должна куда-то уходить, и в большинстве случаев попадает в систему водоснабжения. Эффекты настолько плохи, насколько вы можете себе представить: отравление ртутью не стоит воспринимать легкомысленно.
Но, большинство аккумуляторов больше не содержат ртути, и выбрасывание их не является такой большой проблемой. Это всё ещё осуждается, и вы должны попытаться утилизировать любые батареи, которые используете. Существует множество частных компаний, готовых протянуть руку помощи, и вы даже можете взять их с собой в большинство крупных магазинов электроники, чтобы сдать на переработку.
Тем не менее, вы все равно должны принимать во внимание пластиковую упаковку, доставку и все компоненты, которые необходимы для производства одноразовых батарей без содержания ртути.
Сокращение отходов каким-либо образом невероятно важно для нашей планеты и для будущих поколений, и каждая небольшая инициатива – даже выбор перезаряжаемого аккумулятора вместо одноразовой батарейки – способствует общему результату.
Когда использовать одноразовые батарейки
Я здесь не для того, чтобы пристыдить вас, чтобы вы пошли и сейчас же купили аккумуляторы. Нет сомнений в том, что где-то в вашем доме лежит упаковка одноразовых батареек, у меня одна точно. Где использовать их, прежде чем инвестировать в более экологичную и экономически эффективную систему энергоснабжения?
Предметы, требующие небольшого заряда, всё же идеально подходят для одноразовых батарей. Вы можете вставить пару AA в детектор дыма и не думать об этом в течение года. То же самое касается часов, телевизионных пультов и всего, что не требует большого количества энергии.
Большинство устройств с высокой потребляемой мощностью уже пришли к аккумуляторным батареям. Я сижу здесь за столом в гостиной и вижу ноутбук, беспроводную мышь, телефон, Nintendo Switch (и его контроллеры), портативный динамик и наушники Bluetooth. Это восемь перезаряжаемых батарей, способных работать годами, перезаряжаться за считанные минуты.
Нет никаких сомнений в том, что в вашем доме куча устройств, которые постепенно расходуют энергию от одноразовых батарей. В следующий раз им понадобится новый источник энергии, подумайте о том, чтобы потратить большие деньги и внесите небольшое изменение, которое имеет большое значение для планеты.
Аккумуляторные батареи — виды и их особенности
Большинство современных устройств работает на аккумуляторах. Это позволяет решать задачи без привязки к розетке, существенно повысить функциональность разнообразной техники, требующей в работе энергии.
Аккумуляторные батареи предназначены для накопления, хранения и отдачи энергии.
Что такое АКБ
Аккумуляторная батарея – источник постоянного тока, предназначенный для накопления, хранения, отдачи энергии. Работа большинства АКБ в основана на циклической химической реакции, что позволяет перезаряжать источник питания несколько сотен раз.
Принцип работы аккумулятора был найден Алессандро Вольтом, который ещё в 1800 году опустил две пластины из меди и цинка в кислоту, доказав таким образом, что по соединяющей их проволоке способен протекать ток. Открытие нашло своё применение, даже через 200 лет батареи нового типа используют данный принцип.
Особенности конструкции
Ранее все аккумуляторы производились по единому принципу, по строению были похожи на автомобильные, где катоды и аноды покрыты кислотой, размещены в банках, последовательно соединённых в единую цепь. Уменьшение размеров портативных устройств потребовало разработки новой технологии, чтобы в компактном корпусе уместить не только высокотехнологичную начинку, но и ёмкий аккумулятор, полностью удовлетворяющий энергопотребностям гаджетов. Новые технологии предполагают отказ от кислоты в пользу гелеобразной жидкости, покрытие катодов алюминием, анодов – медной фольгой. В результате получается компактный источник питания с повышенной ёмкостью.
Для контроля заряда, защиты от короткого замыкания, переразряда, в АКБ устанавливается электронная плата-контроллер. Элементы питания могут подключаться к устройству как стандартно – при помощи двух контактов +/-, так и с применением конвектора – многополюсного соединения (например, применяется в смартфонах).
Принцип работы
Аккумуляторная батарея работает на базе технологии преобразования электрической энергии в химическую. При разряде в банках происходит обратный процесс. Для обеспечения многократной повторной зарядки используется цикличный принцип работы.
В процессе химической реакции активная масса катодов и анодов вступает в хим. Реакцию с электролитом. В результате отдачи энергии изменяется соотношение дистиллированной воды и сульфата свинца, снижается плотность электролита.
Для восстановления нормальной плотности, а соответственно и ёмкости, АКБ необходимо подключить к источнику питания (зарядное устройство, генератор). Подача напряжения синтезирует сульфат свинца и воду в серную кислоту, двуокись свинца и свинец.
Принцип работы АКБ.
Для бытовых устройств, инструмента в продаже предлагается несколько типов АКБ, они отличаются по используемому в банках материалу:
Никель-кадмиевые
Перезаряжаемый источник питания способен выдержать несколько сотен зарядов-разрядов, устойчив к экстремальным температурам, имеет большой допустимый ток разряда. Среди достоинств – длительная эксплуатация и цена. При этом Ni-Cd обладает низкой ёмкостью, быстро саморазряжается. Основная область применения: авиация, электрокары, суда, бытовые приборы.
Никель-кадмиевые аккумуляторы обладают «эффектом памяти» – со временем полезная ёмкость снижается, для сброса требуется полная разрядка с последующей зарядкой пониженным током. АКБ чувствительны к качеству используемого зарядного устройства.
Литий-ионные
Долгое время у учёных не получалось создать безопасный аккумулятор. Только в 1992 году появились первые безопасные образцы. Li-Ion-батарея обладает высокой плотностью, поэтому при аналогичных размерах, имеет в 2-4 раза большую ёмкость, чем свинцово-кислотные аналоги. Ещё одно преимущество – скорость зарядки. Используя штатное зарядное устройство можно полностью восполнить ёмкость за 1-2 часа.
Литий-ионные аккумуляторы востребованы в компактных, высокотехнологичных приборах, устройствах: смартфонах, ноутбуках, радиостанциях. Размеры, цена, безопасная эксплуатация сделали Li-Ion-батареи популярными и у производителей, и у потребителей.
Литий-полимерные
В химической реакции вместо жидкости используется полимерный электролит, занимающий значительно меньше места. Отсутствие жидкости или геля позволяет создавать батареи любой формы. Основная проблема – плохая проводимость при комнатной температуре. Поэтому для нормальной работы таких батарей производители добавляют немного геля, повышая проводимость тока. Данная технология пока только входит в массы. Текущая проблема – высокая себестоимость, не позволяющая устанавливать такие АКБ на недорогих гаджетах.
Области применения
Аккумуляторы используют фактически во всех сферах. Рассматривая области использования с привязкой по типу аккумуляторной батареи, выстраивается следующая классификация:
В продаже представлены десятки типов аккумуляторных батарей с разными характеристиками. Каждая оптимизирована для определённых задач, обеспечения питания с различной интенсивностью.
Основные правила эксплуатации
Аккумуляторы чувствительны к критическим температурам. По мере снижения падает ёмкость. Если температура упадёт ниже критической, технологическая жидкость в банках может замёрзнуть, что может привести к разрушению пластин, механическим повреждениям корпуса. Перегрев аккумуляторных батарей также негативно влияет на потребительские характеристики, может привести к взрыву, воспламенению.
Зарядка
Правила зарядки зависят от типа АКБ, определяются производителям. Чтобы гарантировать безопасную эксплуатацию, рекомендуется использоваться фирменные зарядные устройства. При покупке сторонних аналогов следует смотреть на параметры сменного блока питания. Несоблюдение полярности, мощности, напряжения может привести не только к быстрому выходу батареи из строя, но и к возгоранию взрыву.
Зарядное устройство для автомобильной АКБ.
Хранение
Правила хранения аккумуляторных батарей отличаются от типа. Если АКБ длительное время не используется, его рекомендуется полностью зарядить, перенести в помещение, где поддерживается комнатная температура, нормальная влажность. Если источник питания не используется более полугода, его следует подзарядить, восстановив нормальную кислотность внутри банок. Необходимо помнить, что даже соблюдение рекомендаций производителя, не сохранит 100%-состояние – деградация пластин, саморазряд будут происходить в любом случае.
Утилизация
И аккумулятор в машине, и обычная многоразовая батарейка, используемая в быту содержат набор токсичных тяжёлых металлов, способных нанести серьёзный урон окружающей среде. Правила утилизации, как правило, указаны, на упаковочном блистере. Во всех странах, независимо от вида аккумулятора, запрещено выбрасывать АКБ вместе с обычным мусором. Выброшенный ИП попадает на мусорный полигон, в результате разложения свинец, соли, другие вредные металлы, примеси попадут в землю, что негативно отразится на окружающей природе.
Среди способов утилизации:
Точки по приёму отработанных аккумуляторов расположены как в городах, так и небольших посёлках.
Аккумулятор – одно из величайших изобретений, позволившее отвязать электронику, другую технику от стационарного источника питания, сделав людей мобильней. Покупателям доступны десятки видов АКБ: от миниатюрных, для работы часов, до гигантских, способных питать дома, и даже кварталы.
Какие бывают аккумуляторы в мобильной, компьютерной и бытовой технике
Содержание
Содержание
Аккумуляторы окружают нас повсеместно. Их можно встретить как в привычных каждому пользователю мобильных гаджетах, так и в сложных системах резервного электропитания. В каждой из областей используется свой тип аккумуляторной батареи, в которой ее характеристики «раскрываются» наилучшим образом. В данном материале поговорим о типах аккумуляторных элементов, областях применения и основных правилах эксплуатации.
Аккумуляторы. Общие принципы
По историческим меркам аккумулятор — довольно «молодое» изобретение, которому немногим более 160 лет. Основной принцип работы любого аккумуляторного элемента — протекание в нем обратимой электрохимической реакции, т. е. при приложении к контактам элемента постоянного напряжения, на его пластинах (электродах) накапливается электрическая энергия, при приложении нагрузки — происходит ее расходование. Причем протекает такая реакция на протяжении большого количества циклов заряда/разряда. Как правило, возможное количество перезарядок зависит от типа аккумуляторного элемента, но в среднем, современный аккумулятор способен обеспечить 300–1000 полных циклов.
Работоспособным считается аккумулятор, остаточная емкость которого составляет 70–80 % от начальной. Элементы с меньшими показателями остаточной емкости считаются непригодными для дальнейшей эксплуатации, поскольку не могут обеспечить расчетную автономность.
Какого бы типа не был аккумулятор, костяк конструкции и основной принцип действия у них остается неизменным. В каждом аккумуляторе есть два электрода (положительный и отрицательный, иначе именуемые анод и катод), погруженные в специальную среду — электролит, являющуюся прекрасным «поставщиком» ионов вследствие электролитической диссоциации.
Ион — атом или молекула, несущая на себе электрический заряд. Если ион положительно заряжен — его называют катион, если отрицательно — анион.
В зависимости от используемого материала электродов и применяемого типа электролита существуют различные вариации аккумуляторных элементов, каждый из которых имеет свои конструкционные и эксплуатационные особенности. Ниже поговорим о наиболее распространенных типах аккумуляторов, сферах их применения и особенностях эксплуатации.
Свинцовые аккумуляторы
Несмотря на преклонный возраст технологии, свинцовые аккумуляторы до сих пор успешно применяются в системах резервного питания, автомобильном транспорте, системах аккумулирования возобновляемых источников энергии (солнечная и ветряная энергетика, гидроэнергетика и т. д.).
Как видно из названия, в качестве основного материала, из которого изготавливают электроды, выступает свинец. Точнее, для производства положительных электродов — просто свинец, а для изготовления отрицательных электродов — оксид свинца. В качестве электролита, как правило, выступает раствор серной кислоты.
Существует большое количество конструкций свинцового аккумулятора, направленных на улучшение его эксплуатационных характеристик. Поскольку свинец сам по себе достаточно мягкий металл с невысокой физической прочностью, в чистом виде он слабо противостоит вибрационным нагрузкам, поэтому для использования аккумуляторов, например, в транспорте, в сплав свинца добавляют кальций, делающий структуру металла более прочной.
Для использования свинцового аккумулятора в источниках бесперебойного питания, дабы не допустить контакт пользователя с кислотой, исключить необходимость обслуживания, а также не создавать условия для взрыва водорода, выделяемого из АКБ, при ее заряде, используют свинцовые аккумуляторы определенного типа. Такими аккумуляторами являются источники питания типа AGM (Absorbent Glass Mat), в которых абсорбированным электролитом (не жидким) пропитан специальный пористый мат из стекловолокна.
Довольно часто свинцовые аккумуляторы, выполненные по технологии AGM, ошибочно называют гелевыми. На самом деле это не так. Гелевые аккумуляторы — отдельная ветвь развития свинцовых источников питания.
Аккумуляторы, электролитом в которых выступает раствор серной кислоты в желеобразном состоянии, называются гелевыми. Они рассчитаны на медленную отдачу энергии, поэтому основная область их применения — использование в инертных системах накопления и расходования электроэнергии (солнечная энергетика, питание моторов кресел для инвалидов, гольф-каров и т. д.).
Один свинцовый аккумуляторный элемент выдает напряжение порядка 2 В и способен выдать удельной энергии из расчета 30–60 Вт*ч с 1 кг массы, что в сравнении с другими типами — достаточно мало. Такие аккумуляторы имеют высокие значения саморазряда, а их глубокий разряд приводит к разрушению и осыпанию пластин электродов и безвозвратной порче аккумулятора.
Никель-кадмиевые аккумуляторы
Следующим типом аккумуляторных элементов, активно использующихся во многих сферах, являются никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd). Их можно встретить в детских игрушках, пультах управления, фонариках, ручном аккумуляторном электроинструменте и т. д.
Конструкция элемента не претерпела изменений, только в качестве материала для изготовления электродов используются никель и кадмий, а точнее гидраты закиси этих металлов. В качестве электролита применяют гидроксид калия. Один элемент на основе этих металлов может выдать напряжение 1,2–1,35 В, а значение удельной энергии находится в диапазоне 40–80 Вт*ч/кг.
Никель-кадмиевые аккумуляторы — одни из самых морозоустойчивых. Они работают без существенной потери своей емкости при температурах, близких к –50 ° С, к тому же, абсолютно не боятся глубокого разряда, и после цикла зарядки полностью восстанавливают свои эксплуатационные характеристики.
Хранить NiCd аккумуляторы рекомендуется полностью разряженными.
К отрицательным моментам относят их малую удельную емкость, высокий саморазряд, длительное время зарядки (восполнять энергию нужно малыми зарядными токами) и ярко выраженный «эффект памяти».
Чтобы не испортить аккумулятор, его необходимо заряжать только после полного разряда! Пренебрежение этим правилом повлечет быструю потерю емкости и выход элемента из строя.
Заряжают NiCd-элементы малыми зарядными токами, значения которых составляет порядка 10 % от емкости аккумулятора.
Никель-металлогидридные аккумуляторы
Логическим продолжением никель-кадмиевых аккумуляторов стали никель-металлогидридные (NiMH) элементы питания. В них учтены и практически устранены недостатки предшественников. Аккумуляторы при тех же массогабаритных показателях имеют большую в 2–3 раза емкость, обладают высокой надежностью, с легкостью переносят глубокий разряд и перезаряд, менее подвержены эффекту памяти.
Немаловажную роль в популяризации и широком распространении NiMH элементов сыграл тот факт, что они не содержат в своем составе кадмия, очень вредного для окружающей среды металла. Следовательно, с повестки дня снимаются вопросы правильного хранения и утилизации таких элементов.
Для производства анода используют гидрид никеля с лантаном или литием — так называемый металлогидридный электрод. В качестве катода — оксид никеля. Электролитом выступает соединение гидроксида калия.
Заряжают никель-металлогидридные аккумуляторы большими (в сравнении с NiCd-элементами) токами, величины которых составляют порядка 20–25 % от емкости аккумулятора, но очень важно контролировать температуру элемента во время заряда. Если она превышает 45 °С, нужно немедленно прервать процесс зарядки, в противном случае существует риск порчи элемента.
Зарядку для NiMH-аккумуляторов можно использовать в паре с NiCd-элементами. Обратная совместимость недопустима! Алгоритмы зарядки никель-кадмия более примитивны, они могут причинить вред NiMH-элементу.
Никель-металлогидридные аккумуляторы хранят полностью заряженными. Поскольку этому типу элементов присущ высокий саморазряд, для сохранения работоспособности элемента его нужно периодически подвергать полному циклу разряда/заряда.
Никель-металлогидридные аккумуляторы используют в тех же сферах, что и никель-кадмиевые, однако, благодаря повышенной емкости, их охотно применяют в фототехнике, использующей для питания элементы типа АА и ААА.
Один элемент генерирует 1,2–1,25 в ЭДС, а его удельная энергия составляет 60–75 Вт*ч/кг. Теоретический расчетный «потолок» этого параметра находится на уровне 300 Вт*ч/кг, но видимо технологии производства NiMH-элементов, еще не до конца совершенны.
Литий-ионные аккумуляторы
Современные мобильные устройства уже сложно представить без литий-ионных аккумуляторов. Именно их разработка дала мощный толчок к развитию легких и миниатюрных решений источников питания, и, как следствие, миниатюризации всего сегмента мобильных гаджетов.
Сильными сторонами Li-ion являются высокая плотность аккумулируемой энергии, ее удельное значение, в большинстве случаев, составляет солидные 280 Вт*ч/кг, недостижимые при использовании аккумуляторов другого типа. Именно по этой причине Li-ion аккумуляторы используются не только для питания персональных гаджетов, но и для приведения в движение различных самокатов, велосипедов с электродвигателем и даже автомобилей.
Справедливости ради следует сказать, что «литий-ионный аккумулятор» — это обобщенное название целой группы электрохимических элементов, переносчиком заряда в которых выступают ионы лития. Разница заключается в составе материала катода и типе электролита.
Наибольшее распространение в бытовом сегменте получили литий-полимерные аккумуляторы, в которых в качестве электролита используется специальный твердый полимер, а катодный и анодный материал нанесены на тонкие слои алюминиевой и медной фольги соответственно. Такое конструктивное решение позволяет производить аккумуляторы любой формы и размера, изящно «вписывая» их в разрабатываемые устройства.
Существенный недостаток твердого полимера — его плохая проводимость при нормальной температуре окружающей среды (+ 25 °С). Наилучшие показатели достигаются при увеличении температуры до + 60 °С, а это уже опасно с точки зрения обычного использования. Поэтому производители идут на небольшие ухищрения, добавляя к полимеру электролит в жидком или желеобразном состоянии.
Существенное отличие конструкции литий-ионных аккумуляторов от традиционной конструкции заключается в обязательном наличии разделительного сепаратора, исключающего свободное перемещение ионов лития, в моменты, когда аккумулятор не используется.
Другой элемент, который должен обязательно присутствовать в схеме аккумулятора — BMS-контроллер (Battery Management System), отвечающий за корректную и сбалансированную зарядку ячеек аккумулятора.
Li-ion аккумуляторы при высокой удельной емкости обладают малым весом. Для их зарядки нужно не так уж много времени. У них практически отсутствует эффект памяти и саморазряд. К аккумуляторам литий-ионного типа не предъявляется особых требований к соблюдению циклов заряда/разряда. Заряжать их можно в любое удобное время, не привязываясь к величине остаточного заряда элемента. Хранить Li-ion батареи рекомендуется наполовину заряженными.
Самым существенным недостатком литий-ионного элемента является его категорическое «нежелание» полноценно работать при отрицательных температурах. Эксплуатация литиевого элемента на морозе очень быстро приблизит его выход из строя.