Дослідження характеристик навантаження первинних та вторинних батарей

Роль первинних батарей у сучасному світі

Акумуляторні батареї привертають таку пильну увагу ЗМІ, що деякі вважають неакумуляторні батареї застарілою технологією. Первинні батареї все ще відіграють важливу роль, особливо коли заряджання недоцільне або неможливе, наприклад, у військових бойових діях, рятувальних місіях та службах гасіння лісових пожеж. Інші застосування первинних батарей — це кардіостимулятори для пацієнтів із захворюваннями серця, манометри для вимірювання тиску в шинах, передавачі для відстеження птахів, інтелектуальні бурові долота в гірничодобувній промисловості, світлові маяки в океанах, не кажучи вже про наші наручні годинники, пульти дистанційного керування, електричні ключі та дитячі іграшки. Висока питома енергія, тривалий час зберігання та миттєва готовність надають первинній батареї унікальну перевагу над іншими джерелами живлення. Первинні батареї, як правило, недорогі, легкодоступні та екологічно чисті.

Класичні рішення: Вуглецево-цинкові та лужні батареї

Вуглецево-цинкові батареї , також відомі як батареї Лекланше , є одними з найдешевших первинних батарей і часто постачаються зі споживчими пристроями, коли батареї вже в комплекті. Лужно-марганцеві батареї , відомі як лужні, є вдосконаленою версією старих вуглецево-цинкових батарей. Льюїс Уррі винайшов їх у 1949 році, працюючи в лабораторії компанії Eveready Battery Company у Пармі, штат Огайо. Лужні батареї забезпечують більше енергії при вищих струмах навантаження, ніж вуглецево-цинкові, і не протікають при розрядженні, хоча й не є повністю герметичними. Розряджаються лужні батареї утворюють гідроксидні гази. Нарощування тиску може розірвати герметичність і спричинити корозію у вигляді пір'ястої кристалічної структури, яка може поширитися на сусідні частини та спричинити пошкодження. Усі первинні батареї виділяють газ під час розряду, і портативний пристрій повинен мати можливість вентиляції.

Сучасна альтернатива: Літій-залізний дисульфід (Li-FeS2)

Літій-залізний дисульфід (Li-FeS2) – це новачок у сімействі первинних батарей, який пропонує покращену продуктивність. Літієві батареї зазвичай видають напругу 3 вольти і вище, але Li-FeS2 видає 1,5 вольта, що забезпечує сумісність з форматами AA та AAA. Він має вищу ємність і нижчий внутрішній опір, ніж лужні батареї. Це дозволяє витримувати помірні та важкі навантаження та ідеально підходить для цифрових камер. Додатковими перевагами є покращені низькотемпературні характеристики, чудова стійкість до витоку та низький саморозряд, що дозволяє зберігати батарею до 15 років за кімнатної температури. Додатковими перевагами є мала вага та мінімальна токсичність.

Недоліками Li-FeS2 є вища ціна та проблеми з транспортуванням через вміст металевого літію в аноді. Це спричиняє обмеження на авіаперевезення. У 2004 році Міністерство транспорту США та Федеральне управління цивільної авіації (FAA) заборонили оптові перевезення первинних літієвих батарей на пасажирських рейсах, але пасажири авіакомпаній все ще можуть проносити їх на борт або в зареєстрованому багажі. Кожна Li-FeS2 батарейка розміру AA містить 0,98 грама літію; обмеження щодо первинних літієвих батарей у повітрі становить 2 грами (8 грамів для літій-іонних акумуляторів, що перезаряджаються). Це обмежує кожного пасажира двома елементами, але були зроблені винятки, коли можна перевозити 12 зразків батарей.

Li-FeS2 акумулятор має запобіжні пристрої у вигляді термоперемикача PTC, що скидається, що обмежує струм за високих температур. Li-FeS2 елемент не можна перезаряджати, як це можливо з NiMH акумуляторами форматів AA та AAA. Перезаряджання, встановлення елемента неправильно або змішування з використаними чи іншими типами акумуляторів може призвести до витоку або вибуху.

На рисунках 1 та 2 порівнюються напруга розряду та внутрішній опір лужних акумуляторів та Li-FeS2 при імпульсному навантаженні 50 мА. Цікавою є плоска крива напруги та низький внутрішній опір літієвих акумуляторів; лужні акумулятори демонструють поступове падіння напруги та постійне збільшення опору під час використання. Це скорочує час роботи, особливо при підвищеному навантаженні.

Рисунок 1: Напруга та внутрішній опір лужного акумулятора під час розряду . Напруга швидко падає та призводить до зростання внутрішнього опору.

Рисунок 2: Напруга та внутрішній опір літію під час розряду . Крива напруги є плоскою, а внутрішній опір залишається низьким.

Популярні формати та їх порівняння

Найпоширенішими форматами елементів живлення є батарейки типу AA та AAA. Відомі як батарейки для кишенькових ліхтариків, батарейки типу AA стали доступними для громадськості в 1915 році та використовувалися як шпигунський інструмент під час Першої світової війни; Американський національний інститут стандартів стандартизував цей формат у 1947 році. Батарейки типу AAA були розроблені в 1954 році для зменшення розміру камер Kodak та Polaroid, а також інших портативних пристроїв. У 1990-х роках відгалуження 9-вольтової батарейки призвело до появи батарейок типу AAAA для лазерних указок, світлодіодних пальчикових ліхтариків, комп'ютерних стилусів та підсилювачів для навушників. У таблиці 3 порівнюються вуглецево-цинкові, лужні, літієві, нікель-кадмієві, нікель-металгідридні та нікель-цинкові акумулятори, а також розміри елементів типу AA та AAA.

Акумулятори NiCd

Надійні нікель-кадмієві акумулятори для резервного живлення та побудови великих енергетичних систем

EBH10 / KHP10 1,2В 10Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Надійна робота при високих розрядних струмах. Стійкість до перезаряду, глибокого розряду та ударів

Купити

SEBM20 / KMP20 1,2В 20Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Герметичний корпус з клапаном — обслуговування 1 раз на 3–5 років. Надійна конструкція з довговічністю до 20+ років

Купити

EBM700 / KMP700 1,2В 700Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Серія акумуляторів EBM/KMP оптимізована роботу при розрядах від 30 хвилин до 2 годин, але може виконувати задачі при більш тривалих розрядах

Купити

Подивитися більше

Елемент типу AAA містить приблизно половину ємності більшого акумулятора AA за аналогічною ціною. По суті, вартість енергії для акумулятора AAA вдвічі більша, ніж для акумулятора AA. Прагнучи зменшити розмір, вартість енергії часто відходить на другий план, і виробники пристроїв віддають перевагу використанню менших акумуляторів AAA над більшими. Це стосується велосипедних ліхтарів, де формат AA лише незначно збільшить ємність пристрою, але забезпечить вдвічі більше енергії за тих самих витрат батареї. Правильний підхід до проектування сприяє захисту навколишнього середовища.

Продуктивність під високим навантаженням

Роздрібні ціни на лужні батарейки типу АА різняться, як і їхня продуктивність. Американська інженерна фірма Exponent перевірила ємність восьми фірмових лужних батарейок у корпусах типу АА та виявила розбіжність між найкращими та найгіршими показниками у 800 відсотків. Простим способом перевірки батарейок є підрахунок кількості знімків, які цифрова камера може зробити з одним набором елементів. Підвищений струм цифрової камери навантажує батарею більше, ніж пульт дистанційного керування або кухонний годинник. Коли звичайна лужна батарейка перестає працювати в цифровій камері, решта енергії все ще може живити пульт дистанційного керування та працювати з кухонним годинником до двох років.

На рисунку 4 показано кількість знімків, які може зробити цифрова камера з імпульсами розряду 1,3 Вт на лужних, NiMH та літієвих Li-FeS2 батареях у корпусах типу AA. (З двома послідовно з'єднаними елементами на 3 В, 1,3 Вт споживає 433 мА.) Хоча три протестовані хімічні типи батарей мають подібну ємність, результати суттєво різняться. Явним переможцем є Li-FeS2 з 690 імпульсами; другим є NiMH з 520 імпульсами, а на третьому місці з великим відривом знаходиться стандартна лужна батарея, яка видає лише 85 імпульсів. Кількість знімків визначається внутрішнім опором, а не ємністю.

Рисунок 4: Кількість знімків, які може зробити цифрова камера з лужними нікель-металгідридними та літієвими акумуляторами

Діаграма Рагона: Баланс між енергією та потужністю

Номінальна ємність як показник продуктивності найбільш корисна при низьких струмах розряду, при вищих навантаженнях коефіцієнт потужності починає відігравати важливу роль. Зв'язок між ємністю та здатністю видавати струм найкраще проілюструвати за допомогою діаграми Рагона . Названа на честь Девіда В. Рагона, діаграма Рагона оцінює пристрій накопичення енергії за енергією та потужністю. Енергія в Аг відображає доступну ємність акумулятора та відповідає за час роботи; потужність у ватах визначає струм навантаження. Ці два атрибути важливі для цифрових застосувань, які потребують тривалого часу роботи, але також повинні враховувати імпульси струму. Діаграму Рагона можна переміщувати вгору та вниз залежно від потреб у потужності.

На рисунку 5 зображено діаграму Рагоне з навантаженням 1,3 Вт для цифрової камери, що використовує літієві (Li-FeS2), нікель-металгідридні та лужні акумулятори. Горизонтальна вісь відображає енергію у ватах/годинах, а вертикальна – потужність у ватах. Шкала є логарифмічною, що дозволяє використовувати широкий вибір розмірів акумуляторів.

Рисунок 5: Діаграма Рагоне ілюструє продуктивність акумулятора за різних умов навантаження.

Цифрова камера заряджає NiMH, Li-FeS2 та лужні акумулятори імпульсами 1,3 Вт відповідно до ANSI C18.1 (пунктирна лінія). Результати:

- Li-FeS2 690 імпульсів
- NiMH 520 імпульсів
- Лужні 85 імпульсів

Енергія = Ємність x В
Потужність = Струм x В