Аккумуляторная батарея § история цен

Аккумуляторная батарея, аккумуляторная батарея, вторичная ячейка или аккумулятор-это тип электрической батареи, которая может быть заряжена, разряжена в нагрузку и заряжена много раз, в отличие от одноразовой или первичной батареи , которая поставляется полностью заряженной и отбрасывается после использования. Он состоит из одного или нескольких электрохимических элементов . Термин "аккумулятор" используется, поскольку он накапливает и накапливает энергию посредством обратимой электрохимической реакции . Перезаряжаемые батареи произведены в много различных формах и размеров, колебаясь от клеток кнопки к системам мегаватта Соединенным для того чтобы стабилизировать электрическая распределительная сеть . Используется несколько различных комбинаций электродных материалов и электролитов , включая свинцово–кислотные, никель–кадмиевые (NiCd), никель–металлгидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion) и литий-ионные полимеры (Li-Ion polymer).

Аккумуляторные батареи, как правило, первоначально стоят больше , чем одноразовые батареи, но имеют гораздо более низкую общую стоимость владения и воздействия на окружающую среду, так как они могут быть перезаряжены недорого много раз, прежде чем они нуждаются в замене. Некоторые типы аккумуляторных батарей доступны в тех же размерах и напряжениях, что и одноразовые типы, и могут использоваться взаимозаменяемо с ними.

Приложения

Устройства, использующие аккумуляторные батареи, включают автомобильные стартеры, портативные потребительские устройства , легкие транспортные средства (такие как моторизованные инвалидные коляски , тележки для гольфа , электрические велосипеды и электрические вилочные погрузчики ), инструменты, источники бесперебойного питания и аккумуляторные электростанции . Новые области применения в гибридных системах внутреннего сгорания-аккумуляторах и электромобилях-позволяют снизить себестоимость, массу и габариты, а также увеличить срок службы.

Более старые перезаряжаемые батареи саморазряжаются относительно быстро и требуют зарядки перед первым использованием; некоторые новые низкоразрядные батареи NiMH удерживают заряд в течение многих месяцев и, как правило, продаются с заводской зарядкой примерно до 70% от их номинальной емкости.

Аккумуляторные электростанции используют аккумуляторные батареи для выравнивания нагрузки (хранение электрической энергии в периоды низкого спроса для использования в пиковые периоды) и для использования возобновляемых источников энергии (таких как хранение энергии, вырабатываемой от фотоэлектрических батарей в течение дня для использования в ночное время). Выравнивание нагрузки снижает максимальную мощность, которую должна генерировать станция, уменьшая капитальные затраты и необходимость в пиковых электростанциях .

Согласно отчету Research and Markets, аналитики прогнозируют рост мирового рынка аккумуляторных батарей в среднем на 8,32% в период 2018-2022 годов.

Малые перезаряжаемые батареи могут привести портативные электронные устройства в действие, електричюеские инструменты, приборы, и так далее. Сверхмощные батареи приводят в действие электротранспорты , колебаясь от самокатов к локомотивам и кораблям . Они используются в распределенном производстве электроэнергии и в автономных энергосистемах .

Зарядка и разрядка

Дополнительная информация: Зарядное устройство

Во время зарядки положительный активный материал окисляется, производя электроны , а отрицательный материал уменьшается , потребляя электроны. Эти электроны составляют поток тока во внешнем контуре . Электролит может служить простым буфером для внутреннего потока ионов между электродами, как в литий-ионных и никель-кадмиевых ячейках, или же он может быть активным участником электрохимической реакции, как в свинцово–кислотных ячейках.

Энергия, используемая для зарядки аккумуляторных батарей , обычно поступает от зарядного устройства, использующего электричество от сети переменного тока, хотя некоторые из них оборудованы для использования 12-вольтовой электрической розетки постоянного тока автомобиля. Напряжение источника должно быть выше, чем у батареи, чтобы заставить ток течь в него, но не слишком выше, иначе батарея может быть повреждена.

Зарядные устройства занимают от нескольких минут до нескольких часов, чтобы зарядить батарею. Медленные" немые " зарядные устройства без напряжения или температур-воспринимая возможности поручат на низком тарифе, типично принимая 14 часов или больше для достижения полного разряда. Быстрые зарядные устройства обычно могут заряжать ячейки за два-пять часов, в зависимости от модели, с самым быстрым занимает всего пятнадцать минут. Быстрые заряжатели должны иметь множественные пути обнаруживать когда клетка достигает полный разряд (изменение в терминальном напряжении тока, температуре, ЕТК.) для того чтобы остановить поручить перед вредными начислять или перегревать происходят. Самые быстрые заряжатели часто включают охлаждающие вентиляторы для того чтобы держать клетки от перегревать. Блоки батарей, предназначенные для быстрой зарядки, могут включать в себя датчик температуры, который зарядное устройство использует для защиты пакета; датчик будет иметь один или несколько дополнительных электрических контактов.

Различные химические вещества батареи требуют различных схем зарядки. Например, некоторые типы батарей можно безопасно заряжать от источника постоянного напряжения. Другие типы должны быть заряжены с регулируемым источником тока, который сужается, когда батарея достигает полностью заряженного напряжения. Неправильная зарядка аккумулятора может привести к его повреждению; в крайних случаях аккумуляторы могут перегреться, загореться или взрывоопасно выпустить свое содержимое.

Скорость разряда

Главная статья: Батарея (электричество) тариф c §

Схема зарядки вторичного элемента питания или аккумулятора.

Скорость зарядки и разрядки аккумулятора часто обсуждается путем ссылки на скорость тока "C". Скорость C-это то, что теоретически полностью зарядит или разрядит батарею за один час. Например, тонкая зарядка может выполняться с частотой C/20 (или "20 час"), в то время как типичная зарядка и разрядка может происходить с частотой C/2 (два часа для полной мощности). Имеющаяся емкость электрохимических ячеек изменяется в зависимости от скорости разряда. Некоторая энергия теряется во внутреннем сопротивлении компонентов ячейки (пластин, электролита, межсоединений), а скорость разряда ограничивается скоростью, с которой химические вещества в ячейке могут перемещаться.

Положительный и отрицательный электрод против анода и катода для вторичной батареи

Для свинцово-кислотных элементов зависимость между временем и скоростью разряда описывается законом Пьюкерта; свинцово-кислотный элемент, который больше не может выдерживать полезное напряжение на клемме при высоком токе, может по-прежнему иметь полезную емкость, если он разряжается с гораздо меньшей скоростью. Технические спецификации для перезаряжаемых элементов часто перечисляют разрядную емкость на 8-часовом или 20-часовом или другом заявленном времени; клетки для систем бесперебойного электропитания могут быть расклассифицированы на 15-минутной разрядке.

Терминальное напряжение тока батареи не постоянн во время поручать и discharging. Некоторые типы имеют относительно постоянн напряжение тока во время разрядки над большей частью из их емкости. Не перезаряжаемые щелочные и цинкуглеродные элементы выводят 1,5 В, когда они новые, но это напряжение падает с использованием. Большинств клетки NiMH AA и AAA расклассифицированы на 1.2 V, но имеют более плоскую кривую разряда чем алкалиы и могут Обычно быть использованы в оборудовании конструированном для использования батарей щелочных аккумуляторов .

Технические Примечания изготовителей батарей часто ссылаются на напряжение тока в клетку (VPC) для индивидуальных клеток которые составляют батарею. Например, для зарядки свинцово-кислотной батареи 12 В (содержащей 6 элементов по 2 в каждый) при 2,3 ВП требуется напряжение 13,8 В на клеммах батареи.

Повреждение от реверса ячеек

Подвергая разряженную ячейку току в направлении, которое имеет тенденцию разряжать ее дальше до точки положительной и отрицательной полярности переключателя клемм, возникает условие, называемое реверсированием ячейки . Как правило, проталкивание тока через разряженную клетку таким образом вызывает нежелательные и необратимые химические реакции, приводящие к необратимому повреждению клетки. Реверсирование клеток может происходить при ряде обстоятельств, наиболее распространенными из которых являются два:

1. Когда батарея или элемент подключен к зарядной цепи неправильным образом.
2. Когда батарея, состоящая из нескольких последовательно соединенных элементов, глубоко разряжается.

В последнем случае проблема возникает из-за различных элементов в батарее, имеющей несколько различную емкость. Когда одна ячейка достигает уровня разряда раньше остальных, остальные ячейки будут пропускать ток через разряженную ячейку.

Многие устройства с батарейным питанием имеют отсечку низкого напряжения, которая предотвращает возникновение глубоких разрядов, которые могут вызвать реверс ячеек. Умная батарея имеет Сети контроля напряжения тока построенные внутрь.

Реверсирование клетки может произойти к слабо порученной клетке даже прежде чем оно полно discharged. Если ток разряда батареи достаточно высок, внутреннее сопротивление элемента может создать резистивное падение напряжения, которое больше, чем прямая ЭДС элемента . Это приводит к в реверсировании полярности клетки пока течение пропускает.[3] [4] Чем выше требуемая скорость разряда батареи, тем лучше подобранные элементы должны быть, как по типу элемента, так и по состоянию заряда, чтобы уменьшить вероятность реверсирования элемента.

В некоторых ситуациях, например, при исправлении NiCd батарей, которые ранее были перегружены, [5] может быть желательно полностью разрядить батарею. Для того чтобы избежать повреждения от влияния реверсирования клетки, необходимо достигнуть каждой клетки отдельно: каждая клетка индивидуально discharged путем соединять зажим нагрузки через стержни каждой клетки, таким образом во избежание реверсирование клетки.

Повреждение во время хранения в полностью разряженном состоянии

Если многоэлементная батарея полностью разряжена, она часто будет повреждена из-за эффекта реверсирования клеток, упомянутого выше. Однако можно полностью разрядить батарею, не вызывая реверса ячеек—либо путем разрядки каждой ячейки отдельно, либо позволяя внутренней утечке каждой ячейки рассеивать ее заряд с течением времени.

Даже если клетка доведена до полностью разряженного состояния без обращения вспять, однако, повреждение может произойти с течением времени просто из-за того, что она остается в разряженном состоянии. Примером этого является сульфатирование, которое происходит в свинцово-кислотных батареях, которые оставляют сидеть на полке в течение длительного периода времени. По этой причине часто рекомендуется заряжать аккумулятор, который предназначен для хранения, и поддерживать его уровень заряда, периодически перезаряжая его. Поскольку повреждение может также произойти, если аккумулятор перегружен, оптимальный уровень заряда во время хранения обычно составляет от 30% до 70%.

Глубина разряда

Главная статья: Глубина разрядки

Глубина разряда (DOD) обычно указывается в процентах от номинальной емкости ампер-часа; 0% DOD означает отсутствие разряда. Поскольку полезная емкость аккумуляторной системы зависит от скорости разряда и допустимого напряжения в конце разряда, глубина разряда должна быть квалифицирована, чтобы показать способ ее измерения. Должно к изменениям во время изготовления и вызревания, DOD для полной разрядки может изменить над временем или числом циклов обязанности . Как правило, система перезаряжаемых батарей будет выдерживать больше циклов зарядки / разрядки, если DOD ниже на каждом цикле. Продолжительность жизни и стабильность цикла

Если батареи используются повторно даже без плохого обращения, они теряют емкость по мере увеличения числа циклов зарядки, пока в конечном итоге не считается, что они достигли конца своего полезного срока службы. Различные системы батарей имеют различные механизмы для изнашивания. Например, в свинцово-кислотных батареях не весь активный материал восстанавливается на пластинах при каждом цикле заряда / разряда; в конечном итоге теряется достаточное количество материала, что снижает емкость батареи. В литий-ионных типах, особенно на глубоком разряде, некоторый реактивный металл лития можно сформировать на поручать, который больше не доступен для того чтобы участвовать в следующем цикле разрядки. Герметичные аккумуляторы могут потерять влагу из своего жидкого электролита, особенно если они перегружены или работают при высокой температуре. Это уменьшает задействуя жизнь.

Время подзарядки

Основная статья: Зарядное устройство § c-rate Время подзарядки является важным параметром для пользователя продукта, работающего от аккумуляторных батарей. Даже если зарядный блок питания обеспечивает достаточную мощность для работы устройства, а также зарядки аккумулятора, устройство подключается к внешнему источнику питания во время зарядки. Для электромобилей, используемых в промышленном производстве, может быть приемлемой зарядка в нерабочее время. Для электромобилей шоссе, быстрая зарядка необходима для зарядки в разумное время.

Перезаряжаемые батарею нельзя перезарядить на произвольно высоком тарифе. Внутреннее сопротивление батареи будет производить тепло, а чрезмерное повышение температуры приведет к повреждению или разрушению батареи. Для некоторых типов максимальная скорость зарядки будет ограничена скоростью, с которой активное вещество может диффундировать через жидкий электролит. Высокая скорость зарядки может привести к образованию избыточного газа в батарее или к повреждению побочных реакций, которые постоянно снижают емкость батареи. Очень грубо, и со многими исключениями и деталями, восстановление полной емкости батареи за один час или меньше считается быстрой зарядкой. Система зарядного устройства батареи будет включать в себя более сложные схемы управления и зарядки стратегии для быстрой зарядки, чем для зарядного устройства, предназначенного для более медленной зарядки.

Активные компоненты

Активными компонентами во вторичной ячейке являются химические вещества, которые составляют положительные и отрицательные активные вещества, а также электролит . Позитв и недостаток составлены различных материалов, при позитв показывая потенциал уменьшения и недостаток имея потенциал оксидации. Сумма этих потенциалов является стандартным потенциалом ячейки или напряжением .

В первичных ячейках положительные и отрицательные электроды известны как катод и анод соответственно. Хотя эта конвенция иногда распространяется на перезаряжаемые системы-особенно на литий-ионные элементы, поскольку они происходят из первичных литиевых элементов,—такая практика может привести к путанице. В аккумуляторах положительный электрод является катодом при разряде и анодом при зарядке, и наоборот для отрицательного электрода.

Типы

Смотрите также: Список типов батарей и сравнение коммерческих типов батарей

Свинцово-кислотная батарея, изобретенная в 1859 году французским физиком Гастоном Планте, является самым старым типом аккумуляторной батареи. Несмотря на наличие очень низкого отношения энергии к весу и низкого отношения энергии к объему, его способность поставлять высокие токи перенапряжения означает, что ячейки имеют относительно большое отношение мощности к весу . Эти характеристики, вместе с низкой ценой, делают его привлекательным для пользы в моторных транспортах обеспечить большой ток необходимы моторами стартера автомобиля .

Никель-кадмиевая батарея (NiCd) была изобретена Вальдемаром Юнгнером из Швеции в 1899 году. Он использует гидроксид оксида никеля и металлический кадмий в качестве электродов . Кадмий является токсичным элементом и был запрещен для большинства видов применения Европейским Союзом в 2004 году. Никель-кадмиевые батареи были почти полностью заменены никель-металлгидридными (NiMH) батареями.

Никель-металлгидридный аккумулятор (NiMH) стал доступен в 1989 году.[7] они в настоящее время являются общим потребительским и промышленным типом. Батарея имеет водопод-поглощая сплав для отрицательного электрода вместо кадмия .

Литий-ионный аккумулятор был представлен на рынке в 1991 году, является выбором в большинстве бытовой электроники, имеющей лучшую плотность энергии и очень медленную потерю заряда, когда он не используется. Он также имеет недостатки,в частности риск неожиданного воспламенения от тепла, генерируемого батареей.[8] такие инциденты редки и, по мнению экспертов, они могут быть сведены к минимуму "с помощью соответствующей конструкции, установки, процедур и уровней гарантий", поэтому риск является приемлемым.

Литий-ионные полимерные батареи (LiPo) имеют легкий вес, предлагают несколько более высокую плотность энергии, чем Li-ion по несколько более высокой стоимости, и могут быть изготовлены в любой форме. Они имеющиеся но не вытесняли Li-ион в рынке. первичное использование для батарей LiPo в приведении в действие дистанционного управления автомобилей, шлюпок и самолетов. Пакеты LiPo охотно-имеющиеся на потребительском рынке, в различных конфигурациях, до 44.4 v, для приводить в действие некоторые корабли R/C и вертолеты или трутни. Некоторые протоколы испытаний предупреждают о риске возгорания, когда батареи не используются в соответствии с инструкциями. независимые обзоры технологии обсуждают риск возникновения пожара и взрыва от литий-ионных батарей при определенных условиях, поскольку они используют жидкие электролиты.

Другие экспериментальные типы

См. таблицу на википедии.

Литий-серная батарея была разработана компанией Sion Power в 1994 году. компания претендует на превосходную плотность энергии по сравнению с другими литиевыми технологиями.

Батарея тонкой пленки (TFB) уточнение технологии Иона лития Excellatron. разработчики заявляют о большом увеличении циклов перезарядки до примерно 40 000 и более высоких скоростей заряда и разряда, по крайней мере, на 5 C скорости заряда. Вытерпели разрядку 60 C и пиковую скорость разряда 1000 C и значительное увеличение в специфической энергии, и плотности энергии.

UltraBattery, гибридная свинцовокислотная батарея и ultracapacitor, изобретенные Национальной научной организацией Австралии CSIRO, показывают десятки тысяч частичных состояний циклов заряда и превзошли традиционные свинцовокислотные, литиевые и NiMH-основанные клетки при сравнении в испытании в этом режиме против профилей силы управления изменчивости. UltraBattery имеет установки kW и MW-маштаба in place in Australia, Япония и США оно также было подвергнуто к обширному испытанию в гибридных электротранспортах и было показаны, что продолжает больше чем 100.000 миль корабля в испытании рекламы на-дороги в корабле курьера. Заявлено, что технология имеет продолжительность жизни 7 до 10 времен которые обычных свинцовокислотных батарей в пользе положения -- обязанности высокого темпа частично, при безопасность и относящие к окружающей среде преимущества востребованные над конкурентами как лити-Ион. Его производитель предлагает почти 100% скорость переработки уже на месте для продукта.

Батарея калий-Иона поставляет вокруг миллиона циклов, должных к внесметной электрохимической стабилности материалов ввода/извлечения калия как берлинская лазурь .

Натриево-ионный аккумулятор предназначен для стационарного хранения и конкурирует со свинцово–кислотными аккумуляторами. Оно направляет на низкую общую стоимость владения в кВтч хранения. Это достигается длительным и стабильным сроком службы. Эффективное число циклов составляет более 5000, и батарея не повреждена глубокой разрядкой. Плотность энергии довольно низкая, несколько ниже, чем свинцово–кислотная.

Альтернативы

Аккумуляторная батарея-это только один из нескольких типов аккумуляторных систем хранения энергии . существует или разрабатывается несколько альтернатив перезаряжаемым батареям. Для таких целей , как переносные радиоприемники, аккумуляторные батареи могут быть заменены часовыми механизмами , которые заводятся вручную, приводя в действие динамомашины, хотя эта система может использоваться для зарядки аккумулятора, а не для непосредственного управления радио. Электрофонари могут управляться динамомашиной сразу. Для транспорта, систем бесперебойного питания и лабораторий, накопителей энергии маховика системы хранят энергию в вращающемся Роторе для преобразования в электрическую энергию, когда это необходимо; такие системы могут использоваться для обеспечения больших импульсов мощности, которые в противном случае были бы нежелательны в общей электрической сети.

Также используются ультраконденсаторы —конденсаторы чрезвычайно высокой ценности; в 2007 году была введена электрическая отвертка, которая заряжается за 90 секунд и приводит в движение около половины винтов, как устройство, использующее аккумуляторную батарею , и были произведены аналогичные фонари. В соответствии с концепцией ультраконденсаторов, бетавольтаические батареи могут быть использованы как метод снабубежать тонк-обязанность вторичная батарея, значительно расширяя жизнь и емкость энергии будучи использованными системы батареи; Этот тип расположения часто назван "гибридный betavoltaic источник питания" теми в индустрии.

Ультраконденсаторы разрабатываются для транспортировки, используя большой конденсатор для хранения энергии вместо аккумуляторных батарей, используемых в гибридных транспортных средствах. Один из недостатков конденсаторов по сравнению с батареями заключается в том, что напряжение на клемме быстро падает; конденсатор, в котором осталось 25% его начальной энергии, будет иметь половину своего начального напряжения. В отличие от этого, аккумуляторные системы, как правило, имеют клеммное напряжение, которое не снижается быстро, пока почти не исчерпано. Нежелательная характеристика усложняет конструкцию силовой электроники для использования с ультраконденсаторами. Однако, потенциальные преимущества в эффективности цикла, продолжительности жизни, и весе сравненных с перезаряжаемые системами. Китай начал использовать ультраконденсаторы на двух коммерческих автобусных маршрутах в 2006 году; один из них-маршрут 11 в Шанхае .

Батареи подачи, используемые для специализированных применений, перезаряжены путем замена жидкости электролита. Проточная батарея может рассматриваться как тип перезаряжаемого топливного элемента .

Исследование

Исследование аккумуляторных батарей включает в себя разработку новых электрохимических систем, а также повышение срока службы и емкости токовых типов.

АА - пальчиковая ,ААА - мизинчик , АААА - 4А - меньше мизинчика для стилуса.

Смотрите также

• Батарейный блок
• Сравнение типов аккумуляторов
• Хранение энергии
• Список типов батарей
• Список плотностей энергии
• Металловоздушная электрохимическая ячейка
• Поиск супер батареи (2017 PBS фильм)

Дальнейшее чтение

• Belli, Brita. "Battery University" стремится подготовить рабочую силу для хранения энергии следующего поколения, The New York Times, 8 апреля 2013 года. Обсуждается программа повышения квалификации в Государственном Университете Сан-Хосе .
• Власич, Билл. Китайская фирма выигрывает тендер для производителя автомобильных аккумуляторов, The New York Times, опубликованный на сайте 9 декабря 2012 года, стр. B1.
• Кардуэлл, Диана. Аккумулятор рассматривается как способ сокращения потерь тепловой энергии, 16 июля 2013 года в интернете и 17 июля 2013 года в печати 17 июля 2013 года , на странице B1 в нью-йоркском издании The New York Times, стр. B1. Обсуждает батареи цинк–воздуха энергетических систем Eos.
• Кардуэлл, Диана. SolarCity будет использовать батареи от Tesla для хранения энергии, 4 декабря 2013 года на линии , а 5 декабря 2013 года в нью-йоркском издании The New York Times, p. B-2. Обсуждает SolarCity, DemandLogic и Tesla Motors .
• Гэлбрейт, Кейт. В Пресидио, хватка на Святой Грааль хранения энергии, The New York Times, 6 ноября 2010 года.
• Гэлбрейт, Кейт. Заполнение пробелов в потоке возобновляемых источников энергии, The New York Times, 22 октября 2013 года.
• Виткин, Джим. Создание лучших батарей для электромобилей, The New York Times, 31 марта 2011 года, стр. F4. Опубликовано на сайте 30 марта 2011 года. Обсуждаются аккумуляторные батареи и новые технологии литий-ионного аккумулятора .
• Уолд, Мэтью Л. Держи Этот Мегаватт!, The New York Times, 7 Января 2011 Года. Обсуждается хранение энергии AES.
• Wald, Matthew L. Green Blog: Это Вы Луком Пахнете? Или Аккумуляторный Сок?, The New York Times, 9 Мая 2012 Года. Обсуждается технология ванадиевых редокс-аккумуляторов .
• Wald, Matthew L. Green Blog: сокращение счета за электричество с помощью гигантской батареи , The New York Times , 27 июня 2012 года. Обсуждает Saft Groupe S. A.
• Wald, Matthew L. Seeking to Start a Silicon Valley for Battery Science , The New York Times, 30 November 2012.
• Wald, Matthew L. From Harvard, A Cheaper Storage Battery, The New York Times, 8 January 2014. Обсуждаются исследования в потоковых батареях, использующих молекулы на основе углерода, называемые хинонами .
• Виткин, Джим. Создание лучших батарей для электромобилей, The New York Times, 31 марта 2011 года, стр. F4. Опубликовано на сайте 30 марта 2011 года. Обсуждаются аккумуляторные батареи и литий-ионные аккумуляторы .
• Виткин, Джим. Green Blog: a Second Life for the Electric Car Battery, The New York Times, 27 апреля 2011 года. Описывает: ABB; аккумулирование энергии сообщества для пользы батарей электротранспорта для аккумулирования энергии решетки.
• Вуди, Тодд. Зеленый блог: когда речь заходит о автомобильных батареях, закон Мура не вычисляет , The New York Times , 6 сентября 2010 года. Обсуждаются литий-воздушные аккумуляторы .
• Чан Ук Чой. Посыл и реальность батарей столб-лити-Иона с плотностями высокой энергии.

Пруф

. электропедия

• .scientificamerican.com/article/how-do-rechargeable-that/
• .nature.com/articles/nnano.2007.411