Технологические характеристики аккумуляторных батарей
Сепараторы аккумуляторных батарей
В настоящее время на мировом рынке представлено несколько видов аккумуляторных батарей, различное устройство которых предъявляет обособленные требования к сепараторам. Тип химии аккумулятора определяет все его основные характеристики, достоинства и недостатки. Невозможно выделить «лучший» тип аккумулятора. Каждому из них свойственны свои плюсы и минусы, которые делают аккумулятор оптимальным для одних применений и совершенно неприемлемым для других.
В современной технике используются пять основных типов аккумуляторов, отличающихся по своему химическому составу:
1. Никель-кадмиевые (NiCd).Хорошо отработанная и изученная технология, но обладает низкой плотностью энергии. Используется там, где важны долговечность, способность обеспечить высокий ток нагрузки и малая стоимость. Основные области применения: портативные радиостанции, медицинское оборудование, профессиональные видеокамеры и электроинструмент. NiCd аккумуляторы содержат токсичные материалы и являются экологически грязными.
2. Никель-металлогидридные (NiMH). По сравнению с NiCd имеют более высокую плотность энергии, но меньшее время жизни. NiMH не содержат токсичных материалов. Применяются в мобильных телефонах и портативных компьютерах.
3. Литий-ионные (Li-ion). Наиболее бурно развивающаяся технология. Используются там, где нужна высокая плотность энергии и малый вес. Li-ion дороже всех других аккумуляторов. При эксплуатации необходимо строго соблюдать режимы заряда и разряда, указанные производителем из соображений безопасности. Применяются в компьютерах и сотовых телефонах.
4. Литий-полимерные (Li-polymer). Задуманы как удешевленная версия Li-ion аккумуляторов. Этот тип химии по плотности энергии аналогичен Li-ion . Это позволяет делать Li-polymer аккумуляторы очень компактными. В основном, используются в мобильных телефонах.
5. Свинцово-кислотные аккумуляторы (LA). Применяются там, где требуется большая мощность, а вес не имеет значения. Наиболее распространенный тип аккумулятора в мире (из расчета ампер-часов). Основная область применения — стартерные батареи. Герметичные свинцово-кислотные (SLA) — один из видов свинцово-кислотных аккумуляторов. Применяются там, где требуется большая мощность, а вес не имеет значения. Типовые области применения — стационарное медицинское оборудование, электромобили, системы аварийного энергоснабжения, UPS (источники бесперебойного питания).
6. Алкалиновые аккумуляторы — созданы для замены бытовых батареек. Хорошо подходят в случаях, когда не требуется большой мощности. Небольшое время жизни этих аккумуляторов компенсируется очень низким током саморазряда, что делает их оптимальными для применения в портативных магнитолах и фонарях.
Ниже приведена сводная таблица параметров наиболее популярных аккумуляторов.
Технологические характеристики аккумуляторных батарей
| Наименование показателя | NiCd | NiMH | Lead Acid | Li-ion | Li-ion polymer | Reusable Alkaline |
| Плотность энергии (Вт*час/кг) | 45-80 | 60-120 | 30-50 | 110-160 | 100-130 | |
| Внутреннее сопротивление мОм | 100-200 6V | 200-300 6V | <100 12V | 150-250 7.2V | 200-300 7.2V | 200-2000 6V |
| Время жизни (до 80% от номинальной емкости) | 300 — 500 | 200 — 300 | 500 — 1000 | 300 — 500 | 50 (до 50%) | |
| Время быстрого заряда | 1час | 2-4час | 8-16час | 2-4час | 2-4час | 2-3час |
| Чувствительность к перезаряду | средняя | высокая | низкая | очень высокая | высокая | средняя |
| Саморазряд / Месяц (комнатная температура) | 20% | 30% | 5% | 10% | ~10% | 0.3% |
| Напряжение ячейки (номинальное) | 1.25В | 1.25В | 2В | 3.6В | 3.6В | 1.5В |
| Нагрузочный ток — пиковый — оптимальный | 20C 1C | 5C 0.5C или ниже | 5C7 0.2C | >2C 1C или ниже | >2C 1C или ниже | 0.5C 0.2C или ниже |
| Рабочая температура (только в части разряда) | -40 — 60°C | -20 — 60°C | -20 — 60°C | -20 — 60°C | 0 — 60°C | 0 — 65°C |
| Требования к периодичности обслуживания | 30 — 60 дней | 60 — 90 дней | 3 — 6 месяцев | не требуется | не требуется | не требуется |
Наибольшее распространение в мире получили свинцово-кислотные аккумуляторы. Свыше 90% производимых в России аккумуляторов относятся к данному типу. В мировой структуре производства аккумуляторных батарей доля свинцово-кислотных аккумуляторов составляет 85%.
Аккумулятор состоит из положительного и отрицательного электродов, раствора серной кислоты (27...39%-ный раствор) и сепаратора, разделяющего положительные и отрицательные пластины.
Стандартная свинцовая аккумуляторная батарея состоит из пяти основных элементов:
1. Пластиковый бокс (контейнер);
2. Положительные и отрицательные электроды из свинца;
3. Сепараторы между электродами из синтетических пористых материалов;
4. Электролит, представляющий собой раствор серной кислоты;
5. Питающие элементы — место, в котором происходит соединение аккумуляторной батареи с предметом, который она снабжает энергией.
Сепаратор внутри аккумуляторной батареи применяется при разделении положительных и отрицательных электродов для избегания короткого замыкания.
Сепараторы, как правило, представляют собой тонкие пористые листы. Малые поры сепаратора позволяют электрическому заряду переходить между пластинами без короткого замыкания. Соответственно, от размера пор сепаратора, его эластичности и устойчивости к среде агрессивной среде внутри аккумулятора зависит качество и время работы самой батареи.
В течение всей истории развития современных аккумуляторов в качестве сепараторов использовалось множество различных материалов.
Натуральные продукты (1800 до середины 1900):
· Стекло;
· Волоконное полотно;
· Каучук;
· Полотно различных типов;
· Деревянная и целлюлозная основа.
Деревянный шпон (середина 1900 — 1960)
· Port Orford Cedar (наиболее используемый тип древесины);
· Пористая структура, предварительно вымоченная до ее использования
Стеклянные и целлюлозные волокна (конец 1960-х до наших дней в ограниченном количестве):
· 100% стекловолокно;
· Стеклянное и целлюлозное волокно.
Полимеры (конец 1930-х по настоящее время);
· ПВХ;
· Пористый каучук (1940-е);
· Полиэтилен (1970-е).
Это несколько ранних типов батарей, но и сегодня многие из них используются в их основной электрохимической форме. Кислотно-свинцовая батарея, впервые продемонстрированная Раймондом Гастоном Плантом, является одной из ведущих.
В зависимости от типа аккумулятора требования к сепарационным материалам меняются. Тип сепаратора определяется химией аккумуляторной батареи и требуемыми показателями данной батареи.