Исследование характеристик нагрузки первичных и вторичных батарей

Роль первичных батарей в современном мире

Аккумуляторные батареи привлекают такое пристальное внимание СМИ, что некоторые считают неперезаряжаемые батареи устаревшей технологией. Первичные батареи все еще играют важную роль, особенно когда зарядка нецелесообразна или невозможна, например, в военных боевых действиях, спасательных миссиях и службах тушения лесных пожаров. Другие области применения первичных батарей — это кардиостимуляторы для пациентов с заболеваниями сердца, манометры для измерения давления в шинах, передатчики для отслеживания птиц, интеллектуальные буровые долота в горнодобывающей промышленности, световые маяки в океанах, не говоря уже о наших наручных часах, пультах дистанционного управления, электрических ключах и детских игрушках. Высокая удельная энергия, длительный срок хранения и мгновенная готовность придают первичной батарее уникальное преимущество перед другими источниками питания. Первичные батареи, как правило, недороги, легкодоступны и экологически чисты.

Классические решения: Углеродно-цинковые и щелочные батареи

Углеродно-цинковые батареи, также известные как элементы Лекланше, являются одними из самых дешевых первичных батарей и часто поставляются с потребительскими устройствами, когда батареи уже в комплекте. Щелочно-марганцевые батареи, известные как щелочные, являются усовершенствованной версией старых углеродно-цинковых батарей. Льюис Урри изобрел их в 1949 году, работая в лаборатории компании Eveready Battery Company в Парме, штат Огайо. Щелочные батареи обеспечивают больше энергии при более высоких токах нагрузки, чем углеродно-цинковые, и не протекают при разряде, хотя и не являются полностью герметичными. Разряжающиеся щелочные батареи образуют гидроксидные газы. Нарастание давления может нарушить герметичность и вызвать коррозию в виде перистого кристаллического образования, которое может распространиться на соседние части и вызвать повреждение. Все первичные батареи выделяют газ во время разряда, и портативное устройство должно иметь возможность вентиляции.

Современная альтернатива: Литий-железо-дисульфид (Li-FeS2)

Литий-железо-дисульфид (Li-FeS2) – это новичок в семействе первичных батарей, который предлагает улучшенную производительность. Литиевые батареи обычно выдают напряжение 3 вольта и выше, но Li-FeS2 выдает 1,5 вольта, что обеспечивает совместимость с форматами AA и AAA. Он имеет более высокую емкость и более низкое внутреннее сопротивление, чем щелочные батареи. Это позволяет выдерживать умеренные и тяжелые нагрузки и идеально подходит для цифровых камер. Дополнительными преимуществами являются улучшенные низкотемпературные характеристики, превосходная устойчивость к утечке и низкий саморазряд, что позволяет хранить батарею до 15 лет при комнатной температуре. Дополнительными преимуществами являются малый вес и минимальная токсичность.

Недостатками Li-FeS2 являются более высокая цена и проблемы с транспортировкой из-за содержания металлического лития в аноде. Это вызывает ограничения на авиаперевозки. В 2004 году Министерство транспорта США и Федеральное управление гражданской авиации (FAA) запретили оптовые перевозки первичных литиевых батарей на пассажирских рейсах, но пассажиры авиакомпаний все еще могут проносить их на борт или в зарегистрированном багаже. Каждая Li-FeS2 батарейка размера AA содержит 0,98 грамма лития; ограничение для первичных литиевых батарей в воздухе составляет 2 грамма (8 граммов для перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторов). Это ограничивает каждого пассажира двумя элементами, но были сделаны исключения, когда можно перевозить 12 образцов батарей.

Аккумулятор Li-FeS2 имеет предохранительные устройства в виде сбрасываемого термопереключателя PTC, который ограничивает ток при высоких температурах. Элемент Li-FeS2 нельзя перезаряжать, как это возможно с аккумуляторами NiMH форматов AA и AAA. Перезарядка, неправильная установка элемента или смешивание с использованными или другими типами аккумуляторов может привести к утечке или взрыву.

На рисунках 1 и 2 сравниваются напряжение разряда и внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов и Li-FeS2 при импульсной нагрузке 50 мА. Интересной является плоская кривая напряжения и низкое внутреннее сопротивление литиевых аккумуляторов; щелочные аккумуляторы демонстрируют постепенное падение напряжения и постоянное увеличение сопротивления во время использования. Это сокращает время работы, особенно при повышенной нагрузке.

Рисунок 1: Напряжение и внутреннее сопротивление щелочного аккумулятора при разряде. Напряжение быстро падает, что приводит к росту внутреннего сопротивления.

Рисунок 2: Напряжение и внутреннее сопротивление литиевой батареи при разряде. Кривая напряжения ровная, а внутреннее сопротивление остается низким.

Популярные форматы и их сравнение

Самыми распространенными форматами элементов питания являются батарейки типа AA и AAA. Известные как батарейки для карманных фонариков, батарейки типа AA стали доступны для общественности в 1915 году и использовались как шпионский инструмент во время Первой мировой войны; Американский национальный институт стандартов стандартизировал этот формат в 1947 году. Батарейки типа AAA были разработаны в 1954 году для уменьшения размера камер Kodak и Polaroid, а также других портативных устройств. В 1990-х годах ответвление от 9-вольтовой батарейки привело к появлению батареек типа AAAA для лазерных указок, светодиодных фонариков, компьютерных стилусов и усилителей для наушников. В таблице 3 сравниваются углеродно-цинковые, щелочные, литиевые, никель-кадмиевые, никель-металлгидридные и никель-цинковые аккумуляторы, а также размеры элементов типа AA и 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

Элемент типа AAA содержит примерно половину емкости большего аккумулятора AA при аналогичной цене. По сути, стоимость энергии для аккумулятора AAA вдвое выше, чем для аккумулятора AA. В стремлении уменьшить размер, стоимость энергии часто отходит на второй план, и производители устройств предпочитают использовать меньшие аккумуляторы AAA вместо больших. Это касается велосипедных фонарей, где формат AA лишь незначительно увеличит емкость устройства, но обеспечит вдвое больше энергии при тех же затратах на батареи. Правильный подход к проектированию способствует защите окружающей среды.

Производительность под высокой нагрузкой

Розничные цены на щелочные батарейки типа АА различаются, как и их производительность. Американская инженерная фирма Exponent проверила емкость восьми фирменных щелочных батареек в корпусах типа АА и выявила расхождение между лучшими и худшими показателями в 800 процентов. Простым способом проверки батареек является подсчет количества снимков, которые цифровая камера может сделать с одним набором элементов. Повышенный ток цифровой камеры нагружает батарею больше, чем пульт дистанционного управления или кухонные часы. Когда обычная щелочная батарейка перестает работать в цифровой камере, оставшаяся энергия все еще может питать пульт дистанционного управления и работать с кухонными часами до двух лет.

На рисунке 4 показано количество снимков, которое может сделать цифровая камера с импульсами разряда 1,3 Вт на щелочных, NiMH и литиевых Li-FeS2 батареях в корпусах типа AA. (С двумя последовательно соединенными элементами на 3 В, 1,3 Вт потребляет 433 мА.) Хотя три протестированных химических типа батарей имеют схожую емкость, результаты существенно различаются. Явным победителем является Li-FeS2 с 690 импульсами; вторым является NiMH с 520 импульсами, а на третьем месте с большим отрывом находится стандартная щелочная батарея, которая выдает всего 85 импульсов. Количество снимков определяется внутренним сопротивлением, а не емкостью.

Рисунок 4: Количество снимков, которое может сделать цифровая камера с щелочными, никель-металлгидридными и литиевыми аккумуляторами

Диаграмма Рагона: Баланс между энергией и мощностью

Номинальная емкость как показатель производительности наиболее полезна при низких токах разряда, при более высоких нагрузках коэффициент мощности начинает играть важную роль. Связь между емкостью и способностью выдавать ток лучше всего проиллюстрировать с помощью диаграммы Рагона. Названная в честь Дэвида В. Рагона, диаграмма Рагона оценивает устройство накопления энергии по энергии и мощности. Энергия в Ач отражает доступную емкость аккумулятора и отвечает за время работы; мощность в ваттах определяет ток нагрузки. Эти два атрибута важны для цифровых приложений, которые требуют длительного времени работы, но также должны учитывать импульсы тока. Диаграмму Рагона можно перемещать вверх и вниз в зависимости от потребностей в мощности.

На рисунке 5 изображена диаграмма Рагона с нагрузкой 1,3 Вт для цифровой камеры, использующей литиевые (Li-FeS2), никель-металлгидридные и щелочные аккумуляторы. Горизонтальная ось отображает энергию в ватт-часах, а вертикальная – мощность в ваттах. Шкала является логарифмической, что позволяет использовать широкий выбор размеров аккумуляторов.

Рисунок 5: Диаграмма Рагона иллюстрирует производительность аккумулятора при различных условиях нагрузки.

Цифровая камера нагружает NiMH, Li-FeS2 и щелочные аккумуляторы импульсами 1,3 Вт в соответствии с ANSI C18.1 (пунктирная линия). Результаты:

- Li-FeS2 690 импульсов
- NiMH 520 импульсов
- Щелочные 85 импульсов

Энергия = Емкость x В
Мощность = Ток x В