Технические средства и организованная преступность

Архив ресурса Фрикинг.RU [ приостановлен в 2007г. ]

Это архив. Материалы носят исключительно информационно ознакомительный характер.

Реклама

Фрикинг.RU ››› Аналитическая и справочная информация ››› Разное ››› АККУМУЛЯТОРЫ. ИСТОРИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ, РЕАЛЬНОСТЬ.


АККУМУЛЯТОРЫ. ИСТОРИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ, РЕАЛЬНОСТЬ.


АККУМУЛЯТОРЫ. ИСТОРИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ, РЕАЛЬНОСТЬ.


В статье сделана попытка в сжатом виде изложить информацию об аккумуляторах, используемых в настоящее время в радиотехнической аппаратуре. Статья носит обзорный характер и предназначена для читателей нашего журнала, работающих с аккумуляторами. При написании статьи использована информация, приведенная в Internet по адресу - http://www.cadex.com.

Все использованные материалы приведены с разрешения г-на Isidor Buchmann, основателя и главы Канадской компании Cadex Electronics Inc., in Burnaby (Vancouver) British Columbia, Canada.

Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной техники связи, компьютеров и других портативных приборов, советы по эксплуатации и обслуживанию можно найти на сайте http://www.mari-el.ru/marmobile/battery

Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы.

В международной интерпретации принято обозначение в виде SEALED LEAD ACID BATTERY или сокращенно SLA.

Свинцово-кислотный аккумулятор, изобретенный в 1859 году, был первым заряжаемым аккумулятором, предназначенным для использования в коммерческих целях. Сегодня заливаемые свинцово-кислотные аккумуляторы используются в автомобилях и оборудовании, требующим отдачи большой мощности. В портативных приборах используются герметичные аккумуляторы или аккумуляторы с регулирующим клапаном, открывающимся при увеличении давления внутри корпуса выше заданного порогового значения.

Существует несколько технологий изготовления SLA-аккумуляторов: Gelled Electrolite (GEL), Absorptive Glass Mat (AGM), а также различные гибридные технологии, использующие один или несколько способов улучшения параметров аккумуляторов. При изготовлении по GEL-технологии путем добавления в электролит специальных веществ обеспечивается его переход в желеобразное состояние через несколько часов после заполнения аккумулятора. В толще желеобразного электролита происходит образование пор и раковин, имеющих значительный объем и площадь поверхности, где происходит встреча и рекомбинация молекул кислорода и водорода с образованием воды. В результате количество электролита остается неизменным и доливка воды не требуется в течение всего срока службы. При технологии AGM использует пропитанный жидким электролитом пористый заполнитель из стекловолокна. Микропоры этого материала заполнены электролитом не полностью. Свободный объем используется для рекомбинации газов.

SLA-аккумуляторы обычно используется в случаях, когда требуется отдача большой мощности, вес не критичен, а стоимость должна быть минимальной. Диапазон значений емкости для портативных приборов лежит в диапазоне от 1 до 30 A*час. Большие SLA-аккумуляторы для стационарных применений имеют емкость от 50 до 200 A*час.

SLA-аккумуляторы не подвержены “эффекту памяти”. Без всякого вреда допускается оставлять аккумулятор в зарядном устройстве на плавающем заряде в течение длительного времени. Сохранение заряда – лучшее среди заряжаемых аккумуляторов. Принимая во внимание, что NiCd аккумуляторы саморазряжаются за три месяца на 40 % от запасенной энергии, SLA-аккумуляторы саморазряжаются на то же самое количество за один год. Эти аккумуляторы недороги, но стоимость их эксплуатации может быть выше, чем у NiCd, если в течение срока эксплуатации требуется большое количество циклов заряд/разряд.

Для SLA-аккумуляторов неприемлем режим быстрого заряда. Типовое время заряда – от 8 до 16 часов.

В отличие от NiCd, SLA-аккумуляторы “не любят” глубоких циклов разряда и хранения в разряженном состоянии. Это приводит к сульфатации пластин аккумулятора, в результате чего их заряд становится трудным, если не невозможным. Фактически, каждый цикл заряда/разряда отнимает у аккумулятора небольшое количество емкости. Эта потеря очень небольшая, если аккумулятор находится в хорошем состоянии, но становится более ощутима, как только емкость понижается ниже 80 % от номинальной. Это в различной степени справедливо и для аккумуляторов других электрохимических систем. Чтобы ослабить влияние глубокого разряда, можно использовать SLA-аккумулятор немного большего размера.

В зависимости от глубины разряда и температуры эксплуатации, SLA-аккумулятор обеспечивает от 200 до 500 циклов заряд/разряд. Основная причина относительно небольшого количества циклов – расширение положительных пластин в результате внутренних химических реакций. Это явление наиболее сильно проявляется при более высоких температурах. SLA-аккумуляторы обладают относительно низкой плотностью энергии по сравнению с другими аккумуляторами и, вследствие этого, непригодны для компактных устройств. Это становится особенно критичным при низких температурах, так как способность отдавать ток в нагрузку при низких температурах значительно уменьшается. Как ни парадоксально, SLA-аккумулятор весьма хорошо заряжается с чередующимися импульсами разряда. В течение этих импульсов ток разряда может достигать значения более 1C (номинальной емкости).

Из-за высокого содержания свинца, SLA-аккумуляторы при неправильной утилизации экологически вредны.

Никель-кадмиевые аккумуляторы.

В международной интерпретации принято обозначение в виде NICKEL-CADMIUM BATTERY или сокращенно NiCd.

Технология изготовления щелочных никелевых аккумуляторов была впервые предложена в 1899 году. Используемые в них материалы были в то время дорогими и аккумуляторы применялись только при изготовлении специальной техники. В 1932 году в пористый пластинчатый никелевый электрод были добавлены активные вещества, а в 1947 году было положено начало исследованиям герметичных NiCd-аккумуляторов, в которых внутренние газы, выделяющиеся во время заряда, рекомбинировались внутри, а не выпускались наружу как в предыдущих вариантах. Эти усовершенствования привели к современному герметичному NiCd-аккумулятору, который и используется сегодня.

NiCd-аккумулятор – ветеран на рынке мобильных и портативных устройств. Отлаженная технология и надежная работа обеспечили ему широкое распространение для электропитания переносных радиостанций, медицинского оборудования, профессиональных видеокамер, регистрирующих устройств, мощных ручных инструментов и другой портативной техники и оборудования. Появление аккумуляторов более новых электрохимических систем хотя и привело к уменьшению использования NiCd-аккумуляторов, однако, выявление недостатков новых видов аккумуляторов привело к возобновлению интереса к NiCd-аккумуляторам.

Их основные достоинства:

быстрый и простой метод заряда;
длительный срок службы – свыше тысячи циклов заряда/разряда при соблюдении правил эксплуатации и обслуживания;
превосходная нагрузочная способность, даже при низких температурах. NiCd-аккумулятор можно перезаряжать при низких температурах;
простое хранение и транспортировка. NiCd-аккумуляторы принимаются большинством воздушных грузовых компаний;
легкое восстановление после понижения емкости и длительного хранения;
низкая чувствительность к неправильным действиям потребителя;
доступная цена;
широкий диапазон типоразмеров.
NiCd-аккумулятор подобен сильному и молчаливому работнику, который интенсивно трудится и при этом не доставляет больших хлопот. Для него предпочтителен быстрый заряд по сравнению с медленным и импульсный заряд по сравнению с зарядом постоянным током. Улучшение эффективности достигается распределением импульсов разряда между импульсами заряда. Этот метод заряда, обычно называемый реверсивным, восстанавливает структуру кадмиевых анодов, устраняя тем самым "эффект памяти", и увеличивает эффективность и срок эксплуатации аккумулятора. Кроме этого, реверсивный заряд позволяет проводить заряд большим током за меньшее время, т.к. помогает рекомбинации газов, выделяющихся во время заряда. В результате аккумулятор меньше нагревается и более эффективно заряжается по сравнению со стандартным методом заряда постоянным током. Исследования, проведенные в Германии, показали, что реверсивный заряд добавляет около 15 % к сроку службы NiCd-аккумулятора.

Для NiCd-аккумуляторов вредно нахождение в зарядном устройстве в течение нескольких дней. Фактически, NiCd аккумуляторы – это единственный тип аккумуляторов, который выполняет свои функции лучше всего, если периодически подвергается полному разряду, а если он не производится, то аккумуляторы постепенно теряют эффективность из-за формирования больших кристаллов на пластинах элемента, явления, называемого “эффектом памяти”. Для всей остальной разновидности аккумуляторов по электрохимической системе предпочтителен неглубокий разряд.

Среди недостатков NiCd-аккумулятора следует отметить:

наличие “эффекта памяти” и, вследствие этого, необходимость полной периодической разрядки для сохранения эксплуатационных свойств;
высокий саморазряд (до 10 % в течение первых 24-х часов), поэтому аккумуляторы должны храниться в разряженном состоянии;
аккумулятор содержит кадмий и требует специальной утилизации. В ряде стран по этой причине в настоящее время он уже запрещен к использованию.
Никель-металлгидридные аккумуляторы.

В международной интерпретации принято обозначение в виде NICKEL METAL-HYDRIDE BATTERY или сокращенно NiMH.

Исследования в области технологии изготовления NiMH-аккумуляторов были начаты в семидесятые годы с целью преодоления недостатков никель-кадмиевых аккумуляторов. Однако применяемые в то время металлгидридные соединения были нестабильны и требуемые характеристики не были достигнуты. В результате разработки в области NiMH-аккумуляторов замедлились. Новые металлгидридные соединения, достаточно устойчивые для применения в аккумуляторах, были разработаны в 1980 году. Начиная с конца восьмидесятых годов, технология изготовления NiMH-аккумуляторов постоянно совершенствовалась, и плотность запасаемой ими энергии возрастала.

Некоторые отличительные преимущества сегодняшних NiMH-аккумуляторов:

примерно на 40 – 50 % большая удельная емкость по сравнению со стандартными NiCd-аккумуляторами;
меньшая склонность к “эффекту памяти”, чем у NiCd. Периодические циклы восстановления должны выполняться реже;
меньшая токсичность. NiMH-технология считается экологически чистой.
К сожалению, NiMH-аккумуляторы имеют недостатки и по некоторым параметрам проигрывают NiCd:

число циклов заряд/разряд для NiMH-аккумуляторов примерно равно 500. Предпочтителен скорее поверхностный, чем глубокий разряд. Долговечность аккумуляторов непосредственно связана с глубиной разряда;
NiMH-аккумулятор по сравнению с NiCd выделяет значительно большее количество тепла во время заряда и требует более сложного алгоритма для обнаружения момента полного заряда, если не используется контроль по температуре. Большинство NiMH-аккумуляторов оборудовано внутренним температурным датчиком для получения дополнительного критерия обнаружения полного заряда. NiMH-аккумулятор не может заряжаться так быстро, как NiCd; время заряда обычно вдвое больше, чем у NiCd. Плавающий заряд должен быть более контролируемым, чем для NiCd-аккумуляторов;
рекомендуемый ток разряда для NiMH-аккумуляторов – от 0.2C до 0.5C – значительно меньше, чем для NiCd. Этот недостаток не критичен, если требуемый ток нагрузки низок. Для применений, требующих высокого тока нагрузки или имеющих импульсную нагрузку, типа переносных радиостанций и мощных ручных инструментов, рекомендуются NiCd-аккумуляторы;
саморазряд NiMH-аккумуляторов – в 1.5-2 раза выше, чем у NiCd;
цена NiMH-аккумуляторов примерно на 30 % выше, чем NiCd. Однако это не главная проблема, если пользователю требуется большая емкость и небольшие габариты.
Технология изготовления никель-металлгидридных аккумуляторов постоянно совершенствуется. Так, например, фирма GP Batteries International Limited изготавливает NiMH-аккумуляторы для сотовых телефонов фирмы Motorola со следующими характеристиками: количество циклов заряда/разряда – 1000, отсутствие “эффекта памяти” и необходимости разряда аккумулятора перед зарядом.

Литий-ионные аккумуляторы.

В международной интерпретации принято обозначение в виде LITHIUM ION BATTERY или сокращенно Li-ion.

Литий является самым легким металлом и обладает сильно отрицательным электрохимическим потенциалом. Благодаря этому литий характеризуется наибольшей теоретической удельной электрической энергией.

Первые работы по литиевым аккумуляторам относятся к 1912 году. Однако только в 1970 году впервые были изготовлены коммерческие экземпляры литиевых источников тока. Попытки разработать перезаряжаемые литиевые источники тока предпринимались в 80-е годы, но были неудачными из-за невозможности обеспечения приемлемого уровня безопасности при их эксплуатации.

В результате исследований, проведенных в 80-х годах, было установлено, что в ходе циклирования источника тока с металлическим литиевым электродом возможно возникновение короткого замыкания внутри литиевого источника тока. При этом температура внутри аккумулятора может достигать температуры плавления лития. В результате бурного химического взаимодействия лития с электролитом происходит взрыв. Поэтому, например, большое количество литиевых аккумуляторов, поставленных в Японию в 1991г., было возвращено производителям после того, как в результате взрывов элементов питания сотовых телефонов от ожогов пострадали несколько человек.

В процессе создания безопасного источника тока на основе лития, исследования привели к замене в аккумуляторе неустойчивого при циклировании металлического лития на его соединения с другими веществами. Эти электродные материалы обладают в несколько раз меньшей по сравнению с литием удельной электрической энергией, однако, аккумуляторы на их основе являются достаточно безопасными при условии соблюдения некоторых мер предосторожности в ходе заряда/разряда. В 1991 году, фирма Sony начала коммерческое производство литий-ионных аккумуляторов и в настоящее время она является одним из самых крупных поставщиков.

Для обеспечения безопасности и долговечности, каждый аккумулятор должен быть оборудован электрической схемой управления для того, чтобы ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время заряда и предотвратить понижение напряжения элемента при разряде ниже допустимого уровня. Кроме того, должен быть ограничен максимальный ток заряда и разряда и должна контролироваться температура элемента. При соблюдении этих предосторожностей возможность образования металлического лития на поверхности электродов в ходе эксплуатации (что наиболее часто приводит к нежелательным последствиям) практически устранена.

По материалу отрицательного электрода литий-ионные аккумуляторы можно разделить на два основных типа: с отрицательным электродом на основе кокса (фирма Sony) и на основе графита (большинство других изготовителей). Источники тока с отрицательным электродом на основе графита имеют более плавную разрядную кривую с резким падением напряжения в конце разряда, по сравнению с более пологой разрядной кривой аккумулятора с коксовым электродом. Поэтому, в целях получения максимально возможной емкости, конечное напряжение разряда аккумуляторов с отрицательным коксовым электродом обычно устанавливают ниже (до 2.5 V), по сравнению с аккумуляторами с графитовым электродом (до 3.0 V). Кроме того, аккумуляторы с отрицательным графитовым электродом способны обеспечить более высокий ток нагрузки и меньший нагрев во время заряда и разряда, чем аккумуляторы с отрицательным коксовым электродом. Напряжение окончания разряда 3.0 V для аккумуляторов с отрицательным графитовым электродом является его основным преимуществом, так как полезная энергия в этом случае сконцентрирована внутри плотного верхнего диапазона напряжения, упрощая тем самым проектирование портативных устройств.

Производители непрерывно совершенствуют технологию Li-ion аккумуляторов. Идет постоянный поиск и совершенствование материалов электродов и состава электролита. Параллельно предпринимаются меры для повышения безопасности Li-ion аккумуляторов, как на уровне отдельных источников тока, так и на уровне управляющих электрических схем. Поскольку эти аккумуляторы обладают очень высокой удельной энергией, то необходимо соблюдать осторожность при обращении с ними и тестировании: не допускать короткого замыкания аккумулятора, перезаряда, разрушения, разборки, подключения в обратной полярности, не подвергать их воздействию высоких температур. Нарушение этих правил может привести к физическому и материальному ущербу.

Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее перспективными аккумуляторами в настоящее время и начинают широко применяться в портативных компьютерах и мобильных устройствах связи. Это обусловлено:

высокой плотностью электрической энергии, по крайней мере, вдвое большей, чем у NiCd того же размера, а значит и вдвое меньшими габаритами при той же самой емкости;
большим числом циклов заряд/разряд (от 500 до 1000);
хорошей работой на больших токах нагрузки, что необходимо, например, при использовании данных аккумуляторов в сотовых телефонах и портативных компьютерах;
достаточно низким саморазрядом (2-5% в месяц плюс примерно 3 % на питание встроенной электронной схемы защиты);
отсутствием каких-либо требований к обслуживанию, за исключением необходимости предварительного заряда перед длительным хранением;
позволяют проводить заряд при любой степени разряда аккумулятора.
Но и здесь примешивается "ложка дегтя": для аккумуляторов некоторых производителей гарантируется работа только при положительных температурах, высокая цена (примерно вдвое превышающая цену NiCd-аккумуляторов) и подверженность процессу старения, даже в случае, если аккумулятор не используется. Ухудшение параметров наблюдается примерно после одного года с момента изготовления. После двух лет службы аккумулятор часто становится неисправным. Поэтому не рекомендуется хранить Li-ion аккумуляторы в течение длительного времени. Максимально используйте их, пока они новые.

Кроме этого, Li-ion-аккумуляторы должны храниться в заряженном состоянии. При длительном хранении в глубоко разряженном состоянии они выходят из строя.

Li-ion-аккумуляторы сегодня являются наиболее дорогими. Совершенствование технологии их производства и замена оксида кобальта на менее дорогой материалом может привести к уменьшению их стоимости до 50 % в течение ближайших нескольких лет.

Литий-полимерные аккумуляторы.

В международной интерпретации принято обозначение в виде LITHIUM POLIMER BATTERY или сокращенно Li-Pol.

Литий-полимерные аккумуляторы – последняя новинка в литиевой технологии. Имея примерно такую же плотность энергии, что и Li-ion-аккумуляторы, литий-полимерные допускают изготовление в различных пластичных геометрических формах, нетрадиционных для обычных аккумуляторов, в том числе достаточно тонких по толщине, и способных заполнять любое свободное место в разрабатываемой аппаратуре.

Этот аккумулятор, называемый также "пластиковым", конструктивно подобен Li-ion, но имеет гелевый электролит. В результате становится возможной упрощение конструкции элемента, поскольку любая утечка электролита невозможна.

Li-pol-аккумуляторы начинают применяться в портативных компьютерах и сотовых телефонах. Например, сотовые телефоны Panasonic GD90 и Ericsson T28s (стандарт GSM 900/1800), укомплектованы литий-полимерными аккумуляторами толщиной всего 3 мм и имеют емкость, достаточную для работы в течение 3-х часов в режиме разговора и до 90 часов в режиме ожидания.

Топливные элементы.

Компания Motorola в настоящее время ведет разработку миниатюрного топливного элемента, который можно будет использовать в качестве батареи питания для малогабаритных компьютеров, сотовых телефонов и других электронных устройств. По заявлению компании эта технология позволит в 10 раз увеличить срок службы батарей питания. Над этим проектом Motorola работает вместе со специалистами Лос-Аламосской Национальной Лаборатории. По сообщению разработчиков в продаже такие топливные элементы появятся через 3 года.

Пока имеется только прототип топливного элемента. Его площадь составляет 6,45 кв. см, а толщина – около 2,5 мм. В нем используется жидкий метиловый спирт, который при химической реакции с кислородом дает электрический ток. По замыслу разработчиков, топливные элементы смогут обеспечивать питание сотовых телефонов более месяца, а весить они будут намного меньше обычных батареек.

Не все изготовители аккумуляторов доводят до потребителей необходимые сведения о характеристиках своей продукции. Приятным исключением в этом плане является фирма Panasonic. На её сайте приведены подробнейшие сведения о производимых ею NiCd-, NiMH- и Li-ion-аккумуляторах: внешний вид; внутреннее устройство; электрохимические реакции, происходящие внутри аккумулятора; особенности; основные характеристики: зарядные, разрядные, число циклов заряда/разряда, хранение (саморазряд), безопасность, а также различного рода рекомендации.


Васильев Владимир Юрьевич
Петров Николай Николаевич,
кандидат технических наук


http://st.ess.ru/index.htm



 Пользователей: 17814 Специалистов: 1472 Экспертов: 125  - ONLINE: 11.40.0 - Тем: 41578 Сообщений: 308473 Аккаунтов: 46802
Since 1999