Історія та стандартизація батарей
Перші батареї XVIII–XIX століть
Ранні батареї 1700-х та 1800-х років, розроблені в Європі, здебільшого були упаковані в скляні банки. Зі збільшенням розмірів батарей банки перейшли до герметичних дерев'яних контейнерів та композитних матеріалів. У 1890-х роках виробництво батарей поширилося з Європи до Сполучених Штатів, і в 1896 році Національна вуглецева компанія успішно випустила стандартний елемент для широкого використання споживачами. Це була цинк-вуглецева суха батарея Columbia, яка виробляла 1,5 В та мала довжину 6 дюймів.
Стандартизація та нові формати
З переходом до портативності з'явилися герметичні циліндричні елементи, що призвело до стандартизації розмірів. Міжнародна електрохімічна комісія (IEC), заснована в 1906 році, розробила стандарти для більшості акумуляторних батарей. Приблизно в 1917 році Національний інститут стандартів і технологій формалізував алфавітну номенклатуру, яка використовується й донині. Стандартизація охоплювала первинні елементи, переважно цинк-вуглецеві; лужні батареї з'явилися лише на початку 1960-х років. У 1950–1960-х роках розвиток нікель-кадмієвих акумуляторів привів до нових форматів. З 1990-х років виробники літій-іонних батарей почали створювати власні стандарти. У таблиці 1 підсумовано ці історичні та сучасні розміри батарей.
Історія та стандарти елементів батарей
| Розмір | Розміри | Історія |
|---|---|---|
| F-клітина | 33 × 91 мм | Введений у 1896 році для ліхтарів; пізніше для радіоприймачів; сьогодні доступний лише у NiCd. |
| E-клітина | Немає даних | Введений близько 1905 р. для ліхтарів; знятий з виробництва приблизно у 1980 р. |
| D-клітина | 34,2 × 61,5 мм | Введений у 1898 р. для ліхтариків та радіо; досі у використанні. |
| C-клітина | 25,5 × 50 мм | Введений приблизно у 1900 р. для компактніших приладів. |
| Підгрупа C | 22,2 × 42,9 мм 16,1 мм |
Акумулятори для інструментів; переважно NiCd; існують варіанти ½, 4/5 та 5/4. |
| B-клітина | 20,1 × 56,8 мм | Введений у 1900 р. для портативного освітлення; знятий у Пн. Америці у 2001 р. |
| Клітина | 17 × 50 мм | Доступні NiCd, NiMH, літій; популярні у старих ноутбуках та для хобі. |
| AA | 14,5 × 50 мм | 1907 р. для кишенькових ліхтариків; ANSI з 1947 р. |
| AAA | 10,5 × 44,5 мм | 1954 р. для камер Kodak та Polaroid; ANSI з 1959 р. |
| AAAA | 8,3 × 42,5 мм | Відгалуження 9V; з 1990-х років використовується у лазерах, стилусах, LED-ліхтариках. |
| 4,5V | 67 × 62 × 22 мм | Три елементи у плоскій пачці; поширені в Європі та Росії. |
| 9V | 48,5 × 26,5 × 17,5 мм | Введений у 1956 р. для транзисторних радіо; ANSI з 1959 р. |
| 18650 | 18 × 65 мм 16,5 мм |
Середина 1990-х; для Li-ion; ноутбуки, e-bike, Tesla. |
| 26650 | 26 × 65 мм 34,5 мм |
Більший Li-ion; часто LiFePO₄ для ДБЖ, авто. |
| 14500 | 14 × 50 мм | Li-ion, аналог AA; різна напруга (1,2–3,6 В). |
| 21700 | 21 × 70 мм | Новий (2016); Tesla Model 3; Samsung, Panasonic, Molicel. |
| 32650 | 32 × 65 мм | В основному LiFePO₄; популярний для стаціонарних систем. |
Таблиця 1: Загальні норми для старих та нових акумуляторів.
Зі зростанням популярності герметичних нікель-кадмієвих акумуляторів у 1950-х і 1960-х роках з'явилися нові розміри, багато з яких були похідними від розмірів «A» та «C». Починаючи з 1990-х років, виробники літій-іонних акумуляторів відійшли від традиційних розмірів і винайшли власні стандарти.
Успішним стандартом є циліндричний елемент 18650. Розроблені на початку 1990-х років для літій-іонних акумуляторів, ці елементи використовуються в ноутбуках, електричних велосипедах і навіть електромобілях (Tesla). Перші дві цифри 18650 позначають діаметр у міліметрах; наступні три цифри – довжину в десятих частках міліметра. Елемент 18650 має діаметр 18 мм і довжину 65,0 мм.
Інші розміри позначаються за аналогічною схемою нумерації. Наприклад, призматичний елемент має номер 564656P. Він має товщину 5,6 мм, ширину 46 мм і довжину 56 мм. P означає призматичний. Через велику різноманітність хімічних речовин та їхню різноманітність всередині, елементи акумулятора не відображають цей хімічний склад.
З моменту появи 18650 приблизно у 1991 році з'явилося небагато нових популярних стандартів. Кілька виробників акумуляторів почали експериментувати з використанням дещо більших діаметрів – 20x70 мм, 21x70 мм та 22x70 мм. Panasonic та Tesla обрали 21x70, як і Samsung, та інші виробники наслідували цей приклад. «2170» лише трохи більший за 18650, але має на 35% більше енергії (за об'ємом). Цей новий елемент використовується в Tesla Model 3, тоді як Samsung розглядає нові застосування в ноутбуках, електроінструментах, електровелосипедах тощо. Кажуть, що найкращі діаметри з точки зору технологічності – від 18 мм до 26 мм, а 2170 знаходиться десь посередині. (2170 також відомий як 21700.) 26650, представлений раніше, так і не став бестселером.
Акумулятор 32650 в основному доступний у варіанті LiFePO4 ( літій-залізофосфат) з номінальною напругою 3,2 В/елемент та типовою ємністю 5000 мАг. Розміри становлять 32x65 мм; справжні розміри можуть бути трохи більшими для ізоляції та нанесення етикеток.
Зарядні пристрої Victron Energy
Високоякісні зарядні пристрої для довговічної служби та надійності роботи
Зарядний пристрій Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)
Ідеально підходить для використання в майстернях, а також для заряджання акумуляторів автомобілів, мотоциклів, човнів та кемперів.
Купити
Зарядний пристрій Blue Smart IP65 Charger 12/15
Завдяки класу захисту IP65, пристрій стійкий до пилу та води, що робить його ідеальним для використання в суворих умовах.
Купити
Зарядний пристрій Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V
Оснащений Bluetooth-інтерфейсом для простого налаштування й моніторингу через додаток VictronConnect. Висока ефективність та надійність роблять його ідеальним рішенням для комерційних, промислових та морських застосувань.
КупитиПризматичні та пакетні елементи
Що стосується призматичних та пакетних елементів, то розробляються нові елементи для електромобілів (EV) та систем накопичення енергії (ESS). Деякі з цих форматів можуть колись стати легкодоступними, подібно до 18650, виготовлених у високоенергетичних та високопотужних версіях, постачаються кількома виробниками та продаються за конкурентними цінами. Призматичні та пакетні елементи наразі мають вищу ціну за Вт·год, ніж 18650.
Ринки електромобілів та енергозберігаючих пристроїв розвиваються з двома різними філософіями: використання великої кількості малих елементів, вироблених автоматизованим процесом за низькою ціною, як це робить Tesla, проти більших елементів у призматичному та пакетному форматах за вищою ціною за Вт·год наразі, як це роблять інші виробники електромобілів. Ми не бачили явних переможців жодного з форматів, час покаже.
Сучасні тенденції та майбутнє
Дивлячись на акумулятори в мобільних телефонах і ноутбуках, можна побачити відхилення від усталених стандартів. Частково це пов'язано з нездатністю виробників домовитися про стандарт, а це означає, що більшість споживчих пристроїв постачаються з виготовленими на замовлення елементами або акумуляторними блоками. Компактний дизайн і ринковий попит спонукають виробників йти своїм шляхом. Високі обсяги виробництва з плановим застарінням дозволяють виробляти споживчі товари унікальних розмірів.
У давнину батарейка вважалася «великою» за своєю природою, і це відображається в умовності позначення розмірів. Хоча номенклатура «F» могла вважатися середнього розміру наприкінці 1800-х років, наші предки не очікували, що батарейка, схожа на кредитну картку, зможе живити комп’ютери, телефони та камери. Нестача літер у бік менших розмірів призвела до незручної нумерації AA, AAA та AAAA.
З моменту появи 9-вольтової батареї в 1956 році не з'явилося жодних нових форматів. Тим часом портативні пристрої знизили робочу напругу до 3–5 В. Перемикання шести елементів (6S) послідовно для досягнення 9 В є дорогим у виробництві, тому альтернатива на 3,6 В підійде краще. Цей уявний новий акумулятор матиме систему кодування, яка запобігатиме зарядженню первинних об'єктів та вибиратиме правильний алгоритм заряджання для вторинних хімічних елементів.
Стартерні акумулятори для транспортних засобів також відповідають нормам для акумуляторів, що базуються на північноамериканському стандарті BCI, європейському стандарті DIN та японському стандарті JIS. Ці акумулятори мають схожі розміри, що дозволяє їх заміну. Акумулятори глибокого циклу розряду та стаціонарні акумулятори не відповідають стандартизованим нормам, а запасні комплекти повинні бути придбані у оригінального виробника. Спроба стандартизувати акумулятори для електромобілів може не спрацювати та наслідувати невдалу спробу стандартизувати акумулятори для ноутбуків у 1990-х роках.
Майбутні формати комірок
Стандартизація форматів літій-іонних елементів є різноманітною, особливо для електромобілів. Дослідницькі групи, включаючи Фраунгофера*, досліджують та оцінюють різні формати, і найперспективнішими типами елементів до 2025 року будуть пакетні та циліндричні формати 21700. Заглядаючи далі, експерти прогнозують, що великорозмірні призматичні літій-іонні елементи домінуватимуть на ринку акумуляторів для електромобілів. Тим часом Samsung та інші роблять ставку на призматичні елементи, LG тяжіє до пакетного формату, а Panasonic найбільше влаштовують циліндричні елементи 18650 та 21700.
Великі акумуляторні системи для ESS, UPS, морських суден та тягових систем використовують переважно пакетні елементи великого формату, укладені під невеликим тиском, щоб подовжити термін служби та запобігти розшаруванню. Термічний менеджмент часто здійснюється за допомогою пластин, що відводять тепло між шарами назовні, та рідинного охолодження.
Проблеми безпеки з акумуляторними елементами
Звичайні акумулятори переважно не перезаряджалися та використовувалися в громадських місцях. Типовим застосуванням є запасні частини для ліхтариків, портативних розважальних пристроїв та пультів дистанційного керування. Випадкове коротке замикання ключами або монетами в кишені джинсів призводить лише до нагрівання лужного елемента, а не до займання. Напруга падає під час електричного короткого замикання через високий внутрішній опір, усунення короткого замикання зупиняє реакцію.
Акумуляторні елементи зазвичай упаковані в спеціалізований пакет. Винятком є акумулятор 18650, доступний як запасний елемент для вейпінгу. Зовні схожі на великий елемент типу АА, ці літій-іонні елементи можуть завдати серйозної травми, навіть смерті, якщо з ними неправильно поводитися. У разі короткого замикання незахищений літій-іонний елемент вибухне полум'ям. Після того, як почнеться струменеподібний вибух, усунення короткого замикання більше не зупиняє реакцію, і елемент згорає. Здатність літій-іонного акумулятора видавати високу потужність – це характеристика, яку необхідно поважати.
Елемент 18650 можна зробити безпечним за допомогою вбудованих схем безпеки. Завдяки захисту надмірний струм вимикає елемент або на мить за допомогою теплового елемента, або назавжди за допомогою електричного запобіжника. Але запобіжник 18650 має недолік: він вимикається, коли навмисно потрібен високий струм, наприклад, для вейпінгу. Запасні елементи для вейпінгу зазвичай незахищені.
Ще однією причиною пожежі є низькоякісні елементи небрендового виробництва. Літій-іонні акумулятори безпечні, якщо виготовлені авторитетним виробником. Багато елементів вторинного ринку не проходять таких самих суворих перевірок безпеки, як брендові продукти. Елементи також можуть бути пошкоджені внаслідок навантаження, пов'язаного з теплом, ударами, вібрацією та неправильним заряджанням або навантаженням.
* Фраунгофер — найбільша європейська дослідницька організація, що спеціалізується на питаннях охорони здоров'я, безпеки, зв'язку, енергетики та навколишнього середовища.
