Первинні батареї та їх особливості
Первинні батареї, також відомі як неперезаряджувані батареї, як правило, залишаються в тіні уваги ЗМІ, яку отримують вторинні або перезаряджувані батареї. Зосередження уваги на одному продукті може створити враження, що первинні батареї – це застаріла технологія. Це не так.
Застосування
Первинні батареї відіграють важливу роль, особливо коли заряджання недоцільне або неможливе: у військових діях, рятувальних операціях, при гасінні лісових пожеж. Вони регламентуються стандартом IEC 60086 та використовуються у:
- кардіостимуляторах;
- манометрах тиску в шинах;
- інтелектуальних лічильниках;
- бурильних установках у гірничій справі;
- системах відстеження тварин;
- маячках, наручних годинниках, пультах ДК та іграшках.
Медичні та побутові приклади
Більшість кардіостимуляторів оснащено літієвими батарейками, що працюють 5–10 років при споживанні лише 10–20 мкА. Батарейки для слухових апаратів мають ємність 70–600 мА·год і забезпечують роботу 5–14 днів. Акумуляторні аналоги мають меншу ємність та працюють лише близько 20 годин, хоча й дозволяють економити кошти.
Переваги первинних батарей
Первинні батареї мають високу питому енергію, тривалий термін зберігання та миттєву готовність до роботи. Їх можна використовувати після багаторічного зберігання, вони зручні у транспортуванні та відносно безпечні в утилізації.
Лужні батареї
Найпопулярнішою первинною батареєю є лужна. Вона має високу питому енергію, є економічно ефективною, екологічно чистою та герметичною навіть після повного розряду. Лужну батарею можна зберігати до 10 років, вона має хороші показники безпеки та може перевозитися в літаку без дотримання правил ООН щодо транспортування та інших правил. Недоліком є низькі струми навантаження, що обмежує її використання легкими навантаженнями, такими як пульти дистанційного керування, ліхтарики та портативні розважальні пристрої.
Літій-металеві батареї
Перехід до більшої ємності та кращого завантаження призводить до появи літій-металевих акумуляторів. Вони мають дуже суворі правила авіаперевезення та підпадають під дію Правил перевезення небезпечних вантажів, що стосуються небезпечних матеріалів 9 класу.
На іконографіку порівнюється питома енергія свинцево-кислотних, нікель-металгідридних та літій-іонних акумуляторів як вторинних, а також лужних та літій-металевих акумуляторів як первинних.
Порівняння вторинних (rechargeable) та первинних (non-rechargeable) джерел, Wh/кг
Недоліки первинних батарей
Питома енергія вказує лише на ємність, яку може утримувати акумулятор, і не включає подачу енергії, що є недоліком більшості первинних акумуляторів. Виробники первинних акумуляторів публікують конкретну питому енергію; питома потужність рідко публікується. Хоча більшість вторинних акумуляторів розраховані на струм розряду 1C, ємність первинних акумуляторів споживчого класу вимірюється дуже низьким струмом 25 мА. Крім того, акумуляторам дозволяють розряджатися від номінальних 1,5 В для лужних акумуляторів до 0,8 В, перш ніж вважатися повністю розрядженими. Це забезпечує вражаючі показники на папері, але результати менш переконливі при застосуванні навантажень, які споживають вищі струми.
На іконографіці порівнюються характеристики первинних та вторинних акумуляторів, визначені як «номінальні» та «фактичні». Номінальна ємність стосується питомої енергії під час розряду дуже низьким струмом; фактичний струм розряду становить 1C, що відповідає характеристикам більшості вторинних акумуляторів. Рисунок чітко демонструє, що первинні лужні акумулятори добре працюють з легким навантаженням, типовим для розважальних пристроїв, тоді як вторинні акумулятори, представлені свинцево-кислотними, нікель-металгідридними та літій-іонними, мають нижчу номінальну ємність (номінальна), але кращі при зарядженні струмом розряду 1C (фактична).
Rated vs Actual Energy Density
Порівняння паспортних (Rated) та фактичних (Actual) значень питомої енергії батарей, Wh/кг
Однією з причин низької продуктивності під навантаженням є високий внутрішній опір первинних батарей, що призводить до падіння напруги. Опір визначає, наскільки добре електричний струм протікає через матеріал або пристрій, і вимірюється в омах (Ω). У міру того, як батарея розряджається, і без того підвищений опір ще більше зростає. Цифрові камери з первинними батареями є прикордонними випадками — використання електроінструмента на лужних батареях буде непрактичним. Використаної лужної батареї в цифровій камері часто залишає достатньо енергії, щоб працювати кухонний годинник протягом двох років.
Нижче показано ємність стандартних лужних батарейок з навантаженнями, що живлять типові персональні розважальні пристрої або невеликі ліхтарики.
| Тип батареї | Номінальна напруга | Номінальна ємність | Гранична напруга | Номінальне навантаження | Розряд, C-rate |
|---|---|---|---|---|---|
| 9V | 9 V | 570mAh | 4.8 V | 620 Ω | 0.025 |
| AAA | 1.5 V | 1,150mAh | 0.8 V | 75 Ω | 0.017 |
| AA | 1.5 V | 2,870mAh | 0.8 V | 75 Ω | 0.007 |
| C | 1.5 V | 7,800mAh | 0.8 V | 39 Ω | 0.005 |
| D | 1.5 V | 17,000mAh | 0.8 V | 39 Ω | 0.0022 |
Формати та стандарти
AA та AAA – найпоширеніші формати елементів для первинних батарейок. Відомі як батарейки для кишенькових ліхтариків, батарейки 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 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 AAAA для лазерних указок, світлодіодних пальчикових ліхтариків, комп'ютерних стилусів та підсилювачів для навушників. (9V використовує шість батарейок AAAA послідовно.)
У таблиці порівнюються поширені первинні батареї
| Характеристика | Zinc-carbon | Alkaline | Lithium (Li-FeS₂) |
NiCd | NiMH |
|---|---|---|---|---|---|
| Ємність AA / AAA |
400–1,700 ~300 |
1,800–2,600 800–1,200 |
2,500–3,400 1,200 |
600–1,000 300–500 |
800–2,700 600–1,250 |
| Номінальна напруга | 1.50 | 1.50 | 1.50 | 1.20 | 1.20 |
| Швидкість розряду | Дуже низька | Низька | Середня | Дуже висока | Висока |
| Акумуляторні | Ні | Ні | Ні | Так | Так |
| Термін зберігання | 1–2 роки | 7 років | 10–15 років | 5 років | 5 років |
| Ціна (2015) AA / AAA |
Не у всіх магазинах | $0.75 $1.00 |
$3.00–5.00 $4.00–5.00 |
Не у всіх магазинах | $1.60–2.00 $1.00 |
Ринок і вартість
Елемент типу AA має приблизно вдвічі більшу ємність, ніж менший акумулятор типу AAA, за аналогічною ціною. Це подвоює вартість енергії для акумулятора типу AAA порівняно з акумулятором типу AA. Вартість енергії часто поступається місцем зменшенню розміру. Це стосується велосипедних ліхтарів, де формат AA лише трохи збільшує розмір ліхтаря, але може забезпечити вдвічі більший час роботи за ту ж ціну.
Щоб скоротити витрати, міста часто об’єднують закупівлі, і це включає оптові закупівлі лужних батарейок. Місто розміром з Ванкувер, Канада, з населенням близько 600 000 мешканців закупило б приблизно 33 000 лужних батарейок типу AA, 16 000 AAA, 4500 C та 5600 лужних батарейок типу D для загального використання.
Роздрібні ціни на лужні батарейки типу АА різняться, як і їхня продуктивність. Американська інженерна фірма Exponent Inc. перевірила ємність восьми фірмових лужних батарейок у корпусах типу АА та виявила 800-відсоткову розбіжність між найвищими та найнижчими показниками. Стандарт тестування базувався на підрахунку знімків цифрової камери до повного розряду батарейок, що враховував ємність та здатність батарейки до заряджання.
Порівняння у цифрових камерах
На іконографіці показано кількість знімків, які може зробити цифрова камера імпульсами розряду 1,3 Вт, використовуючи лужні, NiMH та літій-літій-літій-фіолетові акумулятори формату AA. (З двома послідовно з'єднаними елементами на 3 В, 1,3 Вт споживає 433 мА.) Явним переможцем став Li-FeS2 (літій-фіолетовий акумулятор) з 690 імпульсами; другим був NiMH з 520 імпульсами, а третім, що залишився далеко позаду, був стандартний лужний акумулятор, який видавав лише 85 імпульсів. Кількість знімків визначається внутрішнім опором, а не ємністю.
Кількість знімків, яку може зробити цифрова камера з лужними NiMH та літієвими акумуляторами.
Зв'язок між ємністю акумулятора та струмом, що віддається, найкраще ілюструється діаграмою Рагона . Названа на честь Девіда В. Рагона, діаграма Рагона оцінює пристрій накопичення енергії за енергією та потужністю . Енергія в Аг відображає доступну ємність акумулятора, яка відповідає за час роботи; потужність у ватах визначає струм навантаження.
На малюнку зображено діаграму Рагона з навантаженням 1,3 Вт для цифрової камери (позначено червоною стрілкою та пунктирною лінією) з використанням літієвих (Li-FeS2), нікель-металгідридних та лужних акумуляторів. Горизонтальна вісь відображає енергію у Вт·год, а вертикальна — потужність у ватах. Шкала є логарифмічною, що дозволяє використовувати широкий вибір розмірів акумуляторів.
Діаграма Рагоне ілюструє продуктивність акумулятора за різних умов навантаження
Короткий зміст
Первинні акумулятори практичні для застосувань, які споживають електроенергію періодично, але вони можуть бути дорогими при постійному використанні. Ціна є ще однією проблемою, коли акумулятори замінюють після кожного завдання, незалежно від тривалості використання. Утилізація частково використаних акумуляторів є поширеним явищем, особливо у флоті та критично важливих місіях, оскільки зручно просто видавати нові акумулятори з кожним завданням, а не оцінювати використання. На конференції, присвяченій акумуляторам, генерал армії США заявив, що половина акумуляторів, що викидаються, все ще мають 50 відсотків енергії.
Стан заряду первинних акумуляторів можна оцінити, вимірявши внутрішній опір. Для кожного типу акумулятора потрібна власна таблиця довідки, оскільки характеристики резистиву можуть відрізнятися. Точнішим методом є кулонівський підрахунок, який спостерігає за витіканням енергії, але це вимагає дорожчої схеми та рідко використовується. Це вимагає дорожчої схеми та рідко використовується.
