История и стандартизация батарей
Первые батареи XVIII–XIX веков
Ранние батареи 1700-х и 1800-х годов, разработанные в Европе, в основном были упакованы в стеклянные банки. С увеличением размеров батарей банки сменились герметичными деревянными контейнерами и композитными материалами. В 1890-х годах производство батарей распространилось из Европы в Соединенные Штаты, и в 1896 году Национальная углеродная компания успешно выпустила стандартный элемент для широкого использования потребителями. Это была цинк-углеродная сухая батарея Columbia, которая производила 1,5 В и имела длину 6 дюймов.
Стандартизация и новые форматы
С переходом к портативности появились герметичные цилиндрические элементы, что привело к стандартизации размеров. Международная электрохимическая комиссия (IEC), основанная в 1906 году, разработала стандарты для большинства аккумуляторных батарей. Примерно в 1917 году Национальный институт стандартов и технологий формализовал алфавитную номенклатуру, которая используется и по сей день. Стандартизация охватывала первичные элементы, преимущественно цинк-углеродные; щелочные батареи появились только в начале 1960-х годов. В 1950–1960-х годах развитие никель-кадмиевых аккумуляторов привело к новым форматам. С 1990-х годов производители литий-ионных батарей начали создавать собственные стандарты. В таблице 1 подведены итоги этих исторических и современных размеров батарей.
История и стандарты элементов батарей
| Размер | Размеры | История |
|---|---|---|
| Элемент F | 33 × 91 мм | Представлен в 1896 году для фонарей; позже для радиоприемников; сегодня доступен только в NiCd. |
| Элемент E | Нет данных | Представлен около 1905 г. для фонарей; снят с производства примерно в 1980 г. |
| Элемент D | 34,2 × 61,5 мм | Представлен в 1898 г. для фонариков и радио; используется до сих пор. |
| Элемент C | 25,5 × 50 мм | Представлен примерно в 1900 г. для более компактных приборов. |
| Подгруппа C | 22,2 × 42,9 мм 16,1 мм |
Аккумуляторы для инструментов; в основном NiCd; существуют варианты ½, 4/5 и 5/4. |
| Элемент B | 20,1 × 56,8 мм | Представлен в 1900 г. для портативного освещения; снят с производства в Сев. Америке в 2001 г. |
| Элемент A | 17 × 50 мм | Доступны NiCd, NiMH, литий; популярны в старых ноутбуках и для хобби. |
| AA | 14,5 × 50 мм | 1907 г. для карманных фонариков; ANSI с 1947 г. |
| AAA | 10,5 × 44,5 мм | 1954 г. для камер Kodak и Polaroid; ANSI с 1959 г. |
| AAAA | 8,3 × 42,5 мм | Производная от 9V; с 1990-х годов используется в лазерах, стилусах, LED-фонариках. |
| 4,5V | 67 × 62 × 22 мм | Три элемента в плоской упаковке; распространены в Европе и России. |
| 9V | 48,5 × 26,5 × 17,5 мм | Представлена в 1956 г. для транзисторных радио; ANSI с 1959 г. |
| 18650 | 18 × 65 мм 16,5 мм |
Середина 1990-х; для Li-ion; ноутбуки, электровелосипеды, Tesla. |
| 26650 | 26 × 65 мм 34,5 мм |
Более крупный Li-ion; часто LiFePO₄ для ИБП, авто. |
| 14500 | 14 × 50 мм | Li-ion, аналог AA; разное напряжение (1,2–3,6 В). |
| 21700 | 21 × 70 мм | Новый (2016); Tesla Model 3; Samsung, Panasonic, Molicel. |
| 32650 | 32 × 65 мм | В основном LiFePO₄; популярен для стационарных систем. |
Таблица 1: Общие стандарты для старых и новых аккумуляторов.
С ростом популярности герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов в 1950-х и 1960-х годах появились новые размеры, многие из которых были производными от размеров «A» и «C». Начиная с 1990-х годов, производители литий-ионных аккумуляторов отошли от традиционных размеров и изобрели собственные стандарты.
Успешным стандартом является цилиндрический элемент 18650. Разработанные в начале 1990-х годов для литий-ионных аккумуляторов, эти элементы используются в ноутбуках, электрических велосипедах и даже электромобилях (Tesla). Первые две цифры 18650 обозначают диаметр в миллиметрах; следующие три цифры – длину в десятых долях миллиметра. Элемент 18650 имеет диаметр 18 мм и длину 65,0 мм.
Другие размеры обозначаются по аналогичной схеме нумерации. Например, призматический элемент имеет номер 564656P. Он имеет толщину 5,6 мм, ширину 46 мм и длину 56 мм. P означает призматический. Из-за большого разнообразия химических веществ и их вариаций внутри, элементы аккумулятора не отражают этот химический состав.
С момента появления 18650 примерно в 1991 году появилось немного новых популярных стандартов. Несколько производителей аккумуляторов начали экспериментировать с использованием несколько больших диаметров – 20x70 мм, 21x70 мм и 22x70 мм. Panasonic и Tesla выбрали 21x70, как и Samsung, и другие производители последовали этому примеру. «2170» лишь немного больше 18650, но имеет на 35% больше энергии (по объему). Этот новый элемент используется в Tesla Model 3, в то время как Samsung рассматривает новые применения в ноутбуках, электроинструментах, электровелосипедах и т.д. Говорят, что лучшие диаметры с точки зрения технологичности – от 18 мм до 26 мм, а 2170 находится где-то посередине. (2170 также известен как 21700.) 26650, представленный ранее, так и не стал бестселлером.
Аккумулятор 32650 в основном доступен в варианте LiFePO4 (литий-железо-фосфат) с номинальным напряжением 3,2 В/элемент и типовой емкостью 5000 мАч. Размеры составляют 32x65 мм; реальные размеры могут быть немного больше для изоляции и нанесения этикеток.
Зарядные устройства Victron Energy
Высококачественные зарядные устройства для долговечной службы и надежной работы
Зарядное устройство Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)
Идеально подходит для использования в мастерских, а также для зарядки аккумуляторов автомобилей, мотоциклов, лодок и кемперов.
Купить
Зарядное устройство Blue Smart IP65 Charger 12/15
Благодаря классу защиты IP65, устройство устойчиво к пыли и воде, что делает его идеальным для использования в жестких условиях.
Купить
Зарядное устройство Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V
Оснащено Bluetooth-интерфейсом для простого настройки и мониторинга через приложение VictronConnect. Высокая эффективность и надежность делают его идеальным решением для коммерческих, промышленных и морских применений.
КупитьПризматические и пакетные элементы
Что касается призматических и пакетных элементов, то разрабатываются новые элементы для электромобилей (EV) и систем накопления энергии (ESS). Некоторые из этих форматов могут когда-нибудь стать легкодоступными, подобно 18650, изготовленным в высокоэнергетических и высокомощных версиях, поставляемым несколькими производителями и продаваемым по конкурентным ценам. Призматические и пакетные элементы в настоящее время имеют более высокую цену за Вт·ч, чем 18650.
Рынки электромобилей и энергосберегающих устройств развиваются с двумя разными философиями: использование большого количества малых элементов, произведенных автоматизированным процессом по низкой цене, как это делает Tesla, против более крупных элементов в призматическом и пакетном форматах по более высокой цене за Вт·ч в настоящее время, как это делают другие производители электромобилей. Мы не видели явных победителей ни одного из форматов, время покажет.
Современные тенденции и будущее
Глядя на аккумуляторы в мобильных телефонах и ноутбуках, можно увидеть отклонение от устоявшихся стандартов. Частично это связано с неспособностью производителей договориться о стандарте, а это означает, что большинство потребительских устройств поставляются с изготовленными на заказ элементами или аккумуляторными блоками. Компактный дизайн и рыночный спрос побуждают производителей идти своим путем. Высокие объемы производства с плановым устареванием позволяют производить потребительские товары уникальных размеров.
В старину батарейка считалась «большой» по своей природе, и это отражается в условности обозначения размеров. Хотя номенклатура «F» могла считаться среднего размера в конце 1800-х годов, наши предки не ожидали, что батарейка, похожая на кредитную карту, сможет питать компьютеры, телефоны и камеры. Нехватка букв в сторону меньших размеров привела к неудобной нумерации AA, AAA и AAAA.
С момента появления 9-вольтовой батареи в 1956 году не появилось никаких новых форматов. Между тем портативные устройства снизили рабочее напряжение до 3–5 В. Соединение шести элементов (6S) последовательно для достижения 9 В дорого в производстве, поэтому альтернатива на 3,6 В подошла бы лучше. Эта воображаемая новая батарея будет иметь систему кодирования, которая будет предотвращать зарядку первичных элементов и выбирать правильный алгоритм зарядки для вторичных химических элементов.
Стартерные аккумуляторы для транспортных средств также соответствуют нормам для аккумуляторов, основанным на североамериканском стандарте BCI, европейском стандарте DIN и японском стандарте JIS. Эти аккумуляторы имеют схожие размеры, что позволяет их замену. Аккумуляторы глубокого цикла разряда и стационарные аккумуляторы не соответствуют стандартизированным нормам, а запасные комплекты должны быть приобретены у оригинального производителя. Попытка стандартизировать аккумуляторы для электромобилей может не сработать и последовать неудачной попытке стандартизировать аккумуляторы для ноутбуков в 1990-х годах.
Будущие форматы ячеек
Стандартизация форматов литий-ионных элементов разнообразна, особенно для электромобилей. Исследовательские группы, включая Фраунгофера*, исследуют и оценивают различные форматы, и наиболее перспективными типами элементов до 2025 года будут пакетные и цилиндрические форматы 21700. Заглядывая дальше, эксперты прогнозируют, что крупноразмерные призматические литий-ионные элементы будут доминировать на рынке аккумуляторов для электромобилей. Между тем Samsung и другие делают ставку на призматические элементы, LG тяготеет к пакетному формату, а Panasonic больше всего устраивают цилиндрические элементы 18650 и 21700.
Крупные аккумуляторные системы для ESS, UPS, морских судов и тяговых систем используют преимущественно пакетные элементы большого формата, уложенные под небольшим давлением, чтобы продлить срок службы и предотвратить расслоение. Термический менеджмент часто осуществляется с помощью пластин, отводящих тепло между слоями наружу, и жидкостного охлаждения.
Проблемы безопасности с аккумуляторными элементами
Обычные батареи в основном не перезаряжались и использовались в общественных местах. Типичным применением являются запасные части для фонариков, портативных развлекательных устройств и пультов дистанционного управления. Случайное короткое замыкание ключами или монетами в кармане джинсов приводит лишь к нагреву щелочного элемента, а не к возгоранию. Напряжение падает во время электрического короткого замыкания из-за высокого внутреннего сопротивления, устранение короткого замыкания останавливает реакцию.
Аккумуляторные элементы обычно упакованы в специализированный пакет. Исключением является аккумулятор 18650, доступный как сменный элемент для вейпинга. Внешне похожие на большой элемент типа АА, эти литий-ионные элементы могут нанести серьезную травму, даже смерть, если с ними неправильно обращаться. В случае короткого замыкания незащищенный литий-ионный элемент взорвется пламенем. После того, как начнется струеподобный взрыв, устранение короткого замыкания больше не останавливает реакцию, и элемент сгорает. Способность литий-ионного аккумулятора выдавать высокую мощность – это характеристика, которую необходимо уважать.
Элемент 18650 можно сделать безопасным с помощью встроенных схем безопасности. Благодаря защите избыточный ток выключает элемент либо на мгновение с помощью теплового элемента, либо навсегда с помощью электрического предохранителя. Но предохранитель 18650 имеет недостаток: он отключается, когда намеренно требуется высокий ток, например, для вейпинга. Сменные элементы для вейпинга обычно незащищены.
Еще одной причиной пожара являются низкокачественные элементы небрендового производства. Литий-ионные аккумуляторы безопасны, если изготовлены авторитетным производителем. Многие элементы вторичного рынка не проходят таких же строгих проверок безопасности, как брендовые продукты. Элементы также могут быть повреждены в результате нагрузки, связанной с теплом, ударами, вибрацией и неправильной зарядкой или нагрузкой.
* Фраунгофер — крупнейшая европейская исследовательская организация, специализирующаяся на вопросах здравоохранения, безопасности, связи, энергетики и окружающей среды.
