Что такое первичный элемент питания

Как и большинство устройств, которые мы используем сегодня, современные батареи являются результатом многочисленных исследований и революционных открытий. Термин «батарея» был впервые использован еще в 1748 году, когда Бенджамин Франклин описал лейденскую банку. Затем в 1880 году Алессандро Вольта представил миру свою вольтовую батарею, возможно, первую электрическую батарею.

Эти две формы батареи являются:

Первичные батареи

Первичные аккумуляторы предназначены для одноразового использования. Это означает, что они не могут быть заряжены, потому что они сделаны из электрохимических ячеек, чья реакция не может быть обращена вспять.

Сегодня на мировом рынке аккумуляторных батарей доминируют первичные элементы. Они создают некоторые серьезные угрозы для здоровья населения и окружающей среды. Ниже мы объяснили несколько типов первичных батарей, которые находятся в популярном использовании.

10. Цинк-углеродная батарея

Поперечное сечение цинково-углеродной батареи

Емкость: 400-1700 мАч
Напряжение: 1,5 В

В цинк-углеродной батарее электричество вырабатывается в результате необратимой электрохимической реакции между цинком и оксидом марганца. Внешний слой такой батареи выполнен из цинка. Следующий слой состоит из хлорида аммония (выступающего в качестве электролита), который отделен от оксида марганца одним слоем бумаги.

В центре батареи находится углеродный стержень, который выступает в качестве положительного электрода. Углеродный стержень, в основном, собирает весь ток, генерируемый в результате окислительно-восстановительной реакции между цинком и оксидом марганца.

Идея цинково-углеродных батарей возникла из элемента Лекланше, влажного элемента, который был изобретен в 1866 году. К началу 1900-х годов цинк-углеродные батареи стали первыми сухими батареями, которые были доступны на рынке. Цинк-углеродные батареи популяризировали использование портативных устройств, таких как фонарики. Сегодня они в основном используются в радиотранзисторах и пультах дистанционного управления.

Цинкхлоридные батареи обеспечивают гораздо более высокую общую производительность, что является улучшением по сравнению с оригиналом. Из-за гораздо более чистого химического состава, хлоридно-цинковые батареи способны производить более стабильное напряжение с более длительным сроком службы.

9. Атомная батарея

Они, однако, имеют высокую выходную плотность энергии и подходят для использования в системах, которые должны работать в изолированных средах в течение длительного периода времени, таких как кардиостимуляторы, глубоководные инструменты и космические аппараты.

Основываясь на подходе преобразования энергии, атомные батареи делятся на две широкие группы; тепловой и нетепловой. Термопреобразователи, в том числе радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) и термофотовольтаические элементы, генерируют энергию за счет разности температур (тепло сначала генерируется ядерной энергией, а затем используется для производства электроэнергии).

Нетепловые преобразователи, такие как бета-гальваника, с другой стороны, производят электричество, захватывая высокоэнергетические электроны, образующиеся при распаде изотопа водорода, называемого тритием. Первая атомная батарея была разработана Генри Мозли в 1913 году на основе радия.

8. Серебряно-оксидная батарея

Напряжение Тока: 1,55 В

Однако в некоторых секторах (включая военную и космическую), где стоимость не является серьезной проблемой и необходима высокая производительность, в большом количестве используются большие оксидно-серебряные батареи нестандартного дизайна.

До настоящего времени были проведены тысячи исследований по ассимиляции серебряно-оксидных батарей в товары народного потребления.

7. Литиевая батарея

Разобранная батарея CR2032

Напряжение: от 1,5 В до 3,7 В

Термин «литиевая батарея» используется совместно для описания определенной группы батарей, основанной на химии металлов лития, в которой в качестве общего вещества используется несколько комбинаций химических веществ, в которых в качестве общего вещества используется только металлический литий (для анода). В качестве катода в наиболее широко используемых литиевых батареях используется диоксид марганца, а также растворенная литиевая соль.

Другим редким типом литиевых элементов является литий-тионилхлоридная батарея. Изобретенные в 1973 году, литий-тионилхлоридные батареи подходят для электроники малой / средней мощности и в основном не доступны для приобретения.

Имейте в виду, что литиевые батареи не перезаряжаются и отличаются от литий-ионных или литий-железо-фосфатных батарей вторичных элементов.

Хотя литиевые батареи доступны в различных формах и размерах, ячейки монетного типа являются наиболее популярными. Они также способны заменить обычные щелочные элементы в таких устройствах, как камеры.

С другой стороны, литиевые батареи представляют гораздо большую угрозу для окружающей среды и здоровья человека, чем большинство других типов батарей.

6. Никель-Оксигидроксидная батарея

Никель-оксигидроксидная батарея производства Panasonic

Напряжение: 1,7 В

Никель-оксигидроксидные (NiOx) батареи немного отличаются от стандартных щелочных батарей. Вместо того чтобы использовать только диоксид цинка и марганца для катода, они добавляют оксигидроксид никеля и графит в смесь. Это позволяет NiOx-батареям достигать относительно более высокого напряжения на элемент, что позволяет устройствам с батарейным питанием работать намного лучше.

Что ж, выход высокого напряжения обусловлен не только их новым, улучшенным химическим составом, но и производственным процессом в вакууме, в котором в батарею попадает больше электролита.

Однако более высокое напряжение может привести к неисправностям приборов с включением ламп накаливания, таких как фонари и фонарики. Это также может привести к неправильной работе индикатора заряда батареи.

5. Щелочная батарея

Ряд щелочных батарей разных размеров. Изображение предоставлено Викимедиа

Емкость: 700 мАч при нагрузке в 1 ампер (ячейка стандартного размера)
Напряжение: 1,5 В (новая батарея)

Щелочные батареи являются одними из наиболее широко используемых первичных элементов батарей в мире, которые используют химическую реакцию между цинком и диоксидом марганца для выработки электроэнергии. В качестве электролита они используют гидроксид калия, также известный как едкий калий.

В то время как есть другие типы батарей, которые используют щелочные электролиты, особенно перезаряжаемые щелочные батареи, они используют другие вещества в электродах, чем щелочные батареи. Такие ячейки обычно используются в легко переносимых предметах, таких как цифровые камеры, электрические игрушки, радиоприемники и MP3-плееры.

Вторичные батареи

4. Свинцово-кислотный аккумулятор

Свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор

Напряжение: 2,1 В номинальное

До того, как все экологичные, энергосберегающие аккумуляторы стали популярными, свинцово-кислотные аккумуляторы лидировали на рынке. Первоначально изобретенный французским физиком Гастоном Планте в 1859 году, свинцово-кислотные батареи стали хитом ранних электромобилей.

Полностью заряженная свинцово-кислотная батарея несет гелеобразный свинец на отрицательном конце (электрод) и диоксид свинца на положительном конце с серной кислотой в качестве электролита. Электричество вырабатывается, когда ионы от отрицательной клеммы перемещаются в электролит, а затем поглощаются положительной клеммой. Обратная реакция происходит при зарядке.

Свинцово-кислотные батареи обычно используются в автомобильной промышленности для зажигания и освещения. Другие применения включают резервный источник питания в телефонных вышках.

Однако, эти батареи гораздо вреднее, чем другие. Токсичные соединения, выделяемые из свинцово-кислотных аккумуляторов, находятся в центре внимания природоохранных учреждений во всем мире на протяжении последних двух десятилетий.

3. Никель-кадмиевая батарея

Напряжение: 1,2 В

Никель-кадмиевые батареи не подходят для многих электронных устройств, поскольку их номинальное напряжение (1,2 В) ниже, чем у стандартных цинк-углеродных и щелочных батарей. Однако, в отличие от других, напряжение никель-кадмиевого элемента уменьшается лишь незначительно по мере его разрядки. Многие портативные приборы предназначены для работы при низких напряжениях (от 0,90 до 1,0 В / элемент).

Никель-кадмиевые элементы являются одной из очень немногих известных батарей, которые потенциально могут страдать от «эффекта памяти», временного состояния, в котором батарея теряет свою максимальную емкость после многократного частичного разряда (только до определенного процента в течение длительного периода времени).

Такие батареи широко используются в индустрии игрушек и когда-то широко использовались в портативных инструментах, электронных устройствах, камерах и фонарях.

2. Никель-металлогидридная батарея

Разобранная никель-металлогидридная батарея 1. положительный вывод 2. отрицательный вывод 3. положительный электрод 4. отрицательный электрод с токосъемником 5. разделитель электродов

Напряжение: 1,2 В номинальное

Никель-металлгидридные (NiMH) батареи в основном являются обновлением по сравнению с никель-кадмиевыми ячейками. Они оба используют один и тот же щелочной электрод (гидроксид калия) и гидроксид никеля в качестве положительного электрода. Единственное отличие состоит в том, что вместо кадмия в гидриде никеля и металла используются ионы водорода для отрицательного электрода.

Это позволяет батарее NiMH иметь почти втрое большую емкость по сравнению с никель-кадмиевой батареей. Во многих случаях их плотность энергии достигает уровня литий-ионных аккумуляторов.

Никель-металл-гидридные батареи заменили некогда популярные никель-кадмиевые батареи практически во всех областях, особенно в бытовой электронике, где используются батареи типа «двойной А». Кроме того, они имеют преимущество перед стандартными щелочными батареями благодаря высокой прочности и низкому внутреннему сопротивлению.

Они также используются в различных электромобилях, хотя и реже, чем литий-ионные батареи.

1. Литий-ионная батарея

Напряжение: 3,2 В (литий-фосфат железа), 3,6-3,7 В номинальная
Емкость: 3000 мАч

Значительный рост количества литий-ионных аккумуляторов (LIB) объясняется его высокими эксплуатационными характеристиками, общими стандартами безопасности и более четырех десятилетий непрерывных исследований. Они почти везде; в наших смартфонах, ноутбуках, планшетах, электроинструментах, автомобилях и даже в различных аэрокосмических системах.

Литий-ионные аккумуляторы бывают разных форм, размеров и химических конфигураций. Одна из самых популярных LIB, которые используются в портативной электронике с высокой плотностью энергии, основана на оксиде лития-кобальта. Другие типы, такие как литий-ионный марганцевый оксид и литиево-железо-фосфатный аккумулятор, обеспечивают более низкую плотность энергии, но менее подвержены взрыву.

Эти батареи заряжаются при перенапряжении, при котором подается немного более высокое напряжение, чем то, что производит батарея. Во время процесса зарядки ток внутри батареи течет от положительного электрода к отрицательному электроду. Направление потока меняется при разрядке батареи.

Источник

Преимущества первичных (неперезаряжаемых) батарей

В последнее время к вторичным перезаряжаемым батареям (аккумуляторам) приковано настолько большое внимание, что некоторые люди могут думать о первичных неперезаряжаемых батареях как о старой ненужной технологии. Но первичные батареи до сих пор играют очень важную роль, особенно в тех сферах, где зарядка невозможна или непрактична, например? в военной отрасли, при проведении спасательных операций или во время стихийных явлений. Такие батареи также применяются в кардиостимуляторах, датчиках давления в шинах, для слежения за животными в сельском хозяйстве, сигнальных маячках, наручных часах, пультах дистанционного управления, электрических ключах, детских игрушках и так далее.

Большинство батареек для кардиостимуляторов созданы на основе литий-ионной технологии, имеют емкость 10-20 микроампер-часов и могут служить в течение 5-10 лет. Источники питания для слуховых аппаратов также в большинстве своем неперезаряжаемые, емкостью от 70 до 600 миллиампер-часов и способны обеспечивать работу от 5 до 14 дней. Существуют и аккумуляторы для слуховых аппаратов, у них меньше емкость и, соответственно, время работы (около 20 часов), но их использование позволяет экономить средства в долгосрочной перспективе.

Высокая удельная энергия, длительный срок хранения и моментальная готовность к работе дают первичным батареям уникальные преимущества. Они могут быть доставлены в отдаленные районы и начать использоваться как мгновенно, так и после длительного хранения, также стоит отметить их легкую доступность и экологичность при утилизации.

Необходимость в источниках питания с большей емкостью и мощностью заставляет обратить внимание на литий-воздушные батареи. Но они требуют очень строгих правил при воздушной транспортировке, так как при их использовании присутствует риск короткого замыкания. На рисунке 1 сравнивается удельная энергоемкость перезаряжаемых (свинцово-кислотной, никель-металл-гидридной, литий-ионной) и неперезаряжаемых (щелочной и литиевой) электрических батарей.

Рисунок 1: Сравнение удельной энергоемкости первичных и вторичных батарей. Вторичные батареи указаны с показателем с-рейтинга 1С; щелочная батарея использует гораздо более низкий разрядный ток.

Удельная энергоемкость указывает на объем энергии, которую может содержать батарея. Но этот показатель не вмещает в себя значение способности передачи энергии, которое является слабым местом большинства первичных батарей, не исключая и батареек на основе лития.

Производители первичных батарей указывают только удельную энергоемкость, удельная мощность скромно не публикуется. Для примера, на большинстве аккумуляторов указывается с-рейтинг 1С, то есть пробные измерения производятся с силой тока, равной емкости данного аккумулятора, что в любом случае составляет немалую цифру. Для первичных же батарей все измерения емкости производятся при силе тока всего лишь в 25 миллиампер. Кроме того, батарейка считается функционирующей в диапазоне напряжений от 1.5 до 0.8 вольт. Эти ухищрения обеспечивают впечатляющие показатели на бумаге, насколько же они соответствуют реальности, остается на совести производителей.

В таблице 3 показаны параметры стандартных щелочных батареек при нормальных для них нагрузках, таких как портативное развлекательное устройство или небольшой фонарик.

Таблица 3: Характеристики щелочных батарей при невысоких нагрузках, таких как портативное развлекательное устройство.

Одними из самых распространенных форматов для первичных батарей являются типоразмеры АА и ААА. Также известный как пальчиковая батарейка, типоразмер АА был разработан в 1915 году и использовался во время Второй мировой войны как элемент для шпионского инструментария. Был стандартизирован Американским Национальным Институтом Стандартов уже в 1947 году. Типоразмер ААА был разработан в 1954 году с целью уменьшить размеры фотоаппаратов Kodak и Polaroid. В 1990-х как ответвление при разработке 9-вольтовых батарей, был создан типоразмер АААА, который используется для лазерных указателей, светодиодных фонариков, компьютерных стилусов и наушников. В таблице 4 сравниваются марганцево-цинковые, щелочные, литиевые, никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные электрические батареи типоразмера АА и ААА. (Смотрите также: История типоразмеров электрических батарей).

Таблица 4: Сравнение батарей типоразмера АА и ААА.

У батареек типоразмера АА емкость примерно в 2 раза больше чем у ААА. Это по сути удваивает стоимость энергии в последней. Но сейчас производители больше ориентированы на уменьшение размеров и массы, стоимость энергии стоит на втором месте. Это тот случай, когда использование АА батарей для фары велосипеда конечно же приведет к увеличению самой фары, но и обеспечит более долгое время работы за ту же цену.

Розничные цены на щелочные батарейки типоразмера АА весьма разнятся, как впрочем и их производительность. Американская кампания Exponent Inc. провела исследование восьми фирменных батарей формата АА и выявила 800-процентное расхождение между лучшими и худшими показателями. Тест был основан на подсчете количества снимков цифровой камеры, сделанных до полного исчерпания заряда источника питания. Эти условия эксперимента позволили выполнить его при умеренных нагрузках.

На рисунке 5 показано количество сделанных снимков цифровой камеры при импульсной мощности в 1,3 ватта на щелочной, никель-металл-гидридной и литиевой Li-FeS2 батарее типоразмера АА (при двух последовательно соединенных элементах для получения напряжения 3 вольта, мощность 1,3 ватта будет потреблять силу тока в 433 миллиампера). Явным победителем является литиевая батарейка с 690 снимками, второй следует NiMH с 520, третье место досталось стандартной щелочной батарейке, которая смогла произвести всего лишь 85 снимков. В данном случае главным фактором, влияющим на количество произведенных снимков, выступило внутреннее сопротивление, а не мощность подключенной нагрузки.

Рисунок 5: Количество возможных снимков цифровой камеры с различными источниками питания (щелочным, литиевым и никель-металл-гидридным) Li-FeS2, NiMH и щелочная батарейки имеют схожий потенциал, однако влияние на количество сделанных снимков лежит на внутреннем сопротивлении.

Li-FeS2, 3 Ач, 690 снимков

NiMH, 2,5 Ач, 520 снимков

Щелочная, 3 Ач, 85 снимков

Взаимосвязь между емкостью батареи и поставляемым током лучше всего иллюстрируется на графике Рэгона. Названный в честь Дэвида В. Рэгона, этот график оценивает энергетические и мощностные характеристики источника питания. Энергия в ампер-часах (Ач) представляет доступную емкость батареи, которая ответственна за время работы, мощность в ваттах (Вт) определяет ток нагрузки.

Рисунок 5 иллюстрирует график Рэгона при работе с цифровой камерой мощностью 1,3 ватта для литиевой, никель-металл-гидридной и щелочной батареи. Горизонтальная ось отображает энергию в ватт-часах, а вертикальная отвечает за мощность в ваттах. Масштабирование было взято логарифмическое для возможности отображения широкого диапазона емкостей батарей.

Рисунок 6: Диаграмма Рэгона иллюстрирует работу батареи с различными условиями нагрузки.

Цифровая камера выступает в роли нагрузки с импульсной мощностью 1,3 ватта (пунктирная линия на графике) для щелочной, литиевой и никель-металл-гидридной батареи. Результаты:

Li-FeS2, 690 снимков

Щелочная, 85 снимков

Энергия = Емкость x V

Эксплуатационные характеристики электрохимических батарей варьируются в зависимости от расположения линии на графике Рэгона. NiMH обеспечивает наибольшую мощность, но имеет самую низкую удельную энергию и хорошо работает при высоких нагрузках. Литиевая Li-FeS2 имеет самую высокую удельную энергию и удовлетворяет умеренным условиям нагрузки, а щелочная предлагает экономичное решение с не самыми высокими показателями.

Резюме

Первичные батареи практичны для устройств, у которых потребление электроэнергии носит периодический характер, в случае же с непрерывным потреблением их использование экономически нецелесообразно. Также экономические проблемы возникают при регламентированном использовании первичных батарей, когда они меняются после выполнения определенной задачи или миссии, независимо от степени разряженности. Например, по оценке американских исследователей в половине выброшенных армией США батарей оставался заряд на уровне 50 процентов.

Батарейный монитор	Защита от глубокого разряда	Батарейный балансир
контроль более 25 параметров, история и синхронизация	защита от низкого и высокого напряжения, возможность регулировки	для 12, 24, 36 и 48В систем, возможность параллельного подключения

Состояние заряда первичных элементов может быть определено с помощью кратковременного подключения нагрузки и проверки падения напряжения. Для разных типов батарей проверочные характеристики будут отличатся из-за различного значения внутреннего сопротивления. Существует и более точный метод подсчета остаточной энергии, также известный как кулоновский подсчет, но так как он требует постройки дорогостоящей проверочной цепи, то используется редко.

Источник

Классификация элементов питания

Все химические элементы питания принято разделять на две группы: первичные и вторичные. Первичные элементы – это привычные всем одноразовые батарейки. Служат они один раз до полной разрядки и потом утилизируются. Вторичные элементы – это аккумуляторы. Их главное достоинство – возможность многократного использования. После разрядки аккумуляторы устанавливаются в зарядное устройство и подзаряжаются, после чего их можно повторно использовать в качестве источника тока. Ниже приводится перечень различных элементов питания.

Первичные элементы питания

Вторичные элементы питания

Вторичные элементы питания – перезаряжаемые

Никель-металлогидридные батареи (NiMH)

NiMH-батареи имеют большую емкость, чем их предшественницы NiCd-батареи, и менее вредны для окружающей среды. Существует множество типов NiMH-батарей с различными характеристиками: высокотемпературные элементы, элементы с высоким током и емкостью. Саморазряд NiMH-батарей составляет 1-2% в день. Заряжаются в течение короткого времени, менее часа, однако для продления срока службы рекомендуется медленная зарядка. Используются практически во всех потребительских товарах – плейерах, цифровых камерах, электробритвах и т п.

Ионно-литиевые батареи (Li-Ion)

Термин «ионно-литиевый» происходит от принципа работы батареи, где энергия элемента накапливается при прохождении ионов лития между электродами батареи. Характеристики элементов батареи зависят от подборки материала анода и катода, а также электролита.

Батареи на базе кобальтита лития (LiCoO2)

По сравнению с NiMH-батареями эти батареи имеют более длительный срок службы, более высокую плотность энергии и более легкий вес. Энергетическая плотность примерно на 25% выше, чем у NiMH-батарей, что означает не такую частую подзарядку. Кроме того, их напряжение почти в три раза выше (3.7 V), чем у NiMH- батарей, а саморазряд – очень низкий. Используются, главным образом, в ноутбуках, мобильных телефонах, видеокамерах, коммуникационном оборудовании, электронных инструментах и т д.

Литий-полимерные батареи на диоксиде кобальта (CoO2)

Ультратонкие батареи, от 0.7 мм, гибкой формы с хорошими циклическими характеристиками. Емкость полимера лития в 1,5-2 раза выше емкости иона лития. Используются, главным образом, там, где требуется максимальная емкость при минимальных размерах и легком весе, например, в наушниках, MP3 и все больше в мобильных телефонах.

Литий-фосфатные батареи (LiFePO4)

Новаторская технология для высокоемкостных решений. По сравнению с другими литиевыми батареями имеют большую стабильность и высокий уровень безопасности. Подходят для высоких температур. Используются в приложениях, требующих продолжительного времени работы и высоких критериев безопасности – инструментах, аварийном освещении, солнечных батареях, медицинском оборудовании и т.п.

Батареи на основе литий-марганцевой шпинели (LiMn2O4)

Батареи с большим током и высоким номинальным напряжением, специально предназначенные для ручных инструментов, медицинского и садового оборудования, электровелосипедов и т.д.

Одноразовые первичные батареи

Бытовые щелочные и диоксид-марганцевые батареи

Бытовые батареи по типу использования химического вещества подразделяются на щелочные и диоксид-марганцевые. Используются в игрушках, MP3-плейерах, карманных фонариках, видеокамерах и т.д.

Кнопочные батареи (щелочные, литиевые, воздушно-щелочные и пр.)

Литиевые батареи

Литиевые батареи имеют более высокое напряжение (3.0 или 3.6 V), чем щелочные и диоксид-марганцевые и предназначены для приложений с высокой импульсной способностью – навигационное, резервное оборудование и т.д. (высокая емкость, небольшие размеры).

194044, Санкт-Петербург
Большой Сампсониевский проспект, д. 45А оф. 134

Телефон: (812) 648-21-98
Телефон: (812) 648-21-58
Телефон: (812) 325-13-95
Факс: (812) 325-40-92
Электронная почта: info@west-l.ru

107076, Москва, Колодезный пер.
д. 3, стр. 4 (на территории ООО «Красный Дом»), оф. 209

Телефон: (495) 781-35-79
Телефон: (495) 215-01-91
Факс: (495) 781-59-58
Электронная почта: msk@west-l.ru

Просим обратить Ваше внимание на то, что данный сайт носит информационный характер и не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 Гражданского кодекса Российской Федерации. Цены в каталоге указаны без НДС. Для получения детальной информации о стоимости компонентов и сроках поставки обращайтесь к нашим менеджерам.

Источник