Типы аккумуляторных батарей и области их применения

Никель-кадмиевые аккумуляторы

При таких минусах, как низкая плотность энергии и высокая скорость саморазряда, данные источники тока весьма дешевы, долговечны, переносят высокий ток разрядки и хорошо себя зарекомендовали в эксплуатации при низких температурах. Помимо сменных элементов для портативной техники, в нашем ассортименте такие аккумуляторы можно найти в плавающих и ездящих радиоуправляемых моделях, а также в электроинструменте Makita.     К основным недостаткам никель-кадмиевых батарей относится так называемый эффект памяти, который заключается в уменьшении полезной емкости аккумулятора при его неполной разрядке. Например, если батарея была разряжена до половины своей емкости, а затем снова заряжена, то она зарядится только на 50% своей номинальной емкости, а время ее работы уменьшится примерно вдвое. Восстановить ёмкость аккумулятора можно только циклом принудительной глубокой разрядки и последующей полной зарядки. Именно поэтому главным требованием для сохранения срока службы подобных источников тока является их полная разрядка перед последующей зарядкой. Заряд аккумуляторов необходимо производить при помощи того зарядного устройства, в комплекте с которым они продавались, либо в том, где условия заряда соответствуют требованиям производителя аккумуляторов. Не все аккумуляторы могут быть рассчитаны на быстрый заряд (током, примерно в три раза превышающий таковой при нормальном заряде).

Литий-ионная альтернатива

Пожалуй, из всех существующих видов аккумуляторов для автомобилей и не только самым лучшим можно назвать Li-ion. Он стоит значительно дороже своих Ni-MH и Ni-Cd аналогов. Это можно объяснить тем, что аккумуляторы с ионами лития не имеют тех недостатков, которыми обладают рассмотренные ранее модели. Хотя приспособления такого вида, равно как и все существующие устройства, все же не лишены своих слабых сторон, причем действительно существенных.

Среди главных уязвимостей можно выделить:

• чрезмерную чувствительность к низким температурам, из-за чего уменьшается ток, отправляемый li-ion батареей;
• уменьшение вместимости с каждым годом;
• литий-ионные приспособления не выдерживают тотальной разрядки и зарядки до конца — в противном случае это оканчивается разрушением и даже взрывом прибора. Подробнее о том, как правильно заряжать Li-ion аккумуляторы →

Модели такого типа широко применимы в качестве зарядного устройства для мобильных устройств. В случае, если технологический прогресс дойдет до достаточного уровня, чтобы Li-Ion приспособления лишились своих уязвимостей, они сумеют встать на замену кислотным батареям.

Стоит также заметить, что в старых моделях литий-ионных аккумуляторов применялись разнообразные оксиды лития, в которых также содержался марганец либо кобальт. Однако в более новые модели эти элементы добавлять перестали, заменив их сплавами литий-ферро-фосфатов в связи с их дешевизной, уменьшенной токсичностью и более простой возможносттю переработки.

Виды аккумуляторов

Классификация АКБ по составу активного вещества

Свинцовые пластины, используемые в старых аккумуляторах перестали устраивать потребителей. Таким образом, возникала необходимость по улучшению качества работы АКБ. Сначала добавили сурьму к свинцу, что позволило заметно продлить срок эксплуатации батареи. На следующем этапе – уменьшили процентное содержания сурьмы до оптимальной концентрации. Такой подход привел к созданию малообслуживаемых аккумуляторов, характерной чертой которых является более редкий процесс долива воды.

При использовании металлического кальция для покрытия пластин появились кальциевые энергосберегающие источники. В предыдущих моделях потери воды из-за электролиза на 12 вольт нуждались в постоянном доливе, а кальций позволил повысить этот порог до 16 вольт. Так появилась возможность в производстве необслуживаемых аккумуляторов и использовать герметичный, неразборной корпус.

Виды АКБ

• Сурьмянистые батареи. Этот вид относится к классике из-за повышенного состава сурьмы, которая ускоряет процесс электролиза.
• АКБ со свинцом. В малосурьмянистых АКБ материалом для пластин служит свинец с небольшой примесью сурьмы. В них степень саморазряда значительно меньше, чем в сурьмянистых АКБ.
• Калициевые источники. При производстве кальциевых источников свинцовые пластины легированы до 0,1% кальцием. Они могут иметь различные заряды, как отрицательный, так и положительный.
• Гибридные источники энергии вытесняют кальциевые. При их производстве, две объединенные основные технологии имеют конструктивные отличия: одна, когда пластины формируются из сплава свинца и сурьмы, положительные электроды, а другая – когда пластины формируются из сплава свинца и кальция, отрицательные электроды.
• EFB является улучшенной жидкозаполненной батареей. Свинцовые пластины в ЕФБ аккумуляторах в два раза толще, чем у обычных, вследствие чего увеличивается их ёмкость. Каждая платина закрыта в пакет из специальной ткани, который наполнен жидким сернокислотным электролитом.
• В гелевых аккумуляторах применяется гелеобразный электролит. Суть такой технологии в том, что она позволяет снизить текучесть электролита, который содержит агрессивную серную кислоту.
• В литиевых АКБ используется жидкий электролит, представляющий собой раствор фторсодержащих солей лития в смеси эфиров угольной кислоты.
• AGM имеет отличительную особенность в электролите, где с помощью специальной технологии между пластинами вставляются стекловолоконные микропористые прокладки.
• Во всех щелочных батареях применяется растворенная в воде щёлочь.

Классификация батарей по типу электролита

Электролиты бывают кислотными и щелочными.

Щелочные растворы применяются в заправке аккумуляторных батарей. Щелочные аккумуляторные жидкости этот такие жидкости, которые проявляют большую активность по отношению к металлам и кислотам. При реакциях с кислотами образуются соль и вода. Растворы щелочей подвергаются гидролизу. Химические свойства позволяют использовать этот тип электропроводящей жидкости для накопления электрической энергии в аккумуляторе.

Кислотные смеси с дистиллированной водой применяются в основном в автомобильных аккумуляторах. Составы этого типа легко можно приобрести в специализированных магазинах либо, при желании, приготовить самостоятельно на дому. На заводе процесс изготовления таких смесей осуществляется в масштабном производстве по ГОСТу. В домашней обстановке его приготовление так же возможно при соблюдении обязательных пропорций и правил техники безопасности. Для этого нужно смешать кислоту с дистиллированной водой.

Сурьмянистые

Сурьмянистые аккумуляторы относятся к классическим, но также и устаревшим типам АКБ по причине повышенного состава сурьмы (более 5%). Свинец в чистом виде не используется при изготовлении аккумуляторных батарей, поэтому в пластины для повышения прочности добавляется сурьма. Такая добавка позволяет ускорить процесс электролиза.

На современном этапе для автомобилей применяются различные типы аккумуляторов, имеющие низкое содержание сурьмы или не имеющие её вовсе. От сурьмянистых аккумуляторов однако не отказались совсем. Их применение осуществляется там, где работает квалифицированный персонал. К достоинствам сурьмяных батарей необходимо отнести невысокую стоимость, доступность в обслуживании. Однако этих достоинств уже оказывается недостаточно, чтобы сохранять лидерство на рынке автомобильных батарей.

Технология

От того, какие физические процессы лежат в основе генерирования электрического тока, зависит много параметров: чувствительность к условиям окружающей среды, скорость заряда, наличие «эффекта памяти» и другое.

Эффект памяти — это особенность, в результате которой аккумуляторы «запоминают» режим работы, если их разряжать не полностью перед следующей зарядкой. Это приводит к падению ёмкости, так как при последующих циклах батарея будет отдавать ток лишь до зафиксированного химическими элементами предела. Что избежать эффекта памяти, нужно полностью разряжать аккумулятор перед восстановлением.

Никель-кадмиевые

Эти аккумуляторные батарейки появились одними из первых и долгое время им не было альтернативы. Несмотря на появления других, более совершенных систем, они сохраняют свои позиции в устройствах, где нужно надёжное бесперебойное питание под высокой нагрузкой.

Причиной тому — ряд преимуществ:

• Возможность работы под высокой нагрузкой.
• Допускается заряд сильным током за короткое время.
• Термостойкость — сами батареи почти не разогреваются при заряде благодаря малому сопротивлению.
• Возможность хранения в разряженном состоянии.
• Невосприимчивость к низким температурам.

Среди недостатков отмечается:

• Вредное воздействие на окружающую среду.
• Дорогая безопасная утилизация.
• Эффект памяти.
• Внушительный саморазряд при простое.
• Невозможность использования в буферном режиме.

Вытеснение никель-кадмиевых батарей наблюдается в развитых странах, где ужесточаются экологические стандарты.

Мнение эксперта
Торсунов Павел Максимович

В бытовом использовании никель-кадмиевые аккумуляторы чаще всего применяются в фото- и видеотехнике, а также в радиоуправляемых моделях.

Никель-металлогидридные

Возникли как попытка избавиться от двух основных негативных параметров никель-кадмиевых батарей — эффекта памяти и вредного воздействия на окружающую среду. Удалось добиться полной экологической безопасности этих элементов питания. Они практически не подвержены эффекту памяти — их можно дозаряжать в любом состоянии. Большим плюсом является также повышение ёмкости при схожих параметрах — примерно на 20%. Однако не обошлось и без минусов: из-за особенностей технологии срок службы никель-металлгидридных батарей ниже, чем конкурентных вариантов, их саморазряд больше, чем у конкурентов.

В 2005 году были презентованы аккумуляторы серии Eneloop — первые LSD Ni-Mh. Они соединили в себе преимущества кадмиевых и старых гидридных батарей. Оставленные храниться на длительное время, эти инновационные аккумуляторы теряют значительно меньший процент своей ёмкости. Да и к температурным условиям они менее требовательны.

Если нужно хранить Ni-Mh аккумуляторы, то их нужно полностью зарядить и отправить в холодильник, желательно в герметичном zip-пакете против воздействия влажности.

Литий-ионные

Данный тип аккумуляторов чрезвычайно распространён в мобильных телефонах, плеерах, смарт-часах и других гаджетах. Однако производитель нередко выпускает их и в форм-акторе пальчиковых батареек.

Причины популярности литий-ионной технологии:

• Крайне низкий ток саморазряда (неработающее устройство сохраняет заряд месяцами).
• Большая ёмкость при небольших размерах.

• Возможность работы с разными токами.
• Выходное напряжение не падает, а сохраняется вплоть до полного разряда.

Главный минус литий-ионных батарей — это чувствительность к изменению токов, а также к полному разряду. Потому лучше всего данный тип функционирует в связке с электронными контроллерами и блокираторами, которые выравнивают входное напряжение, а также автоматически отключают аккумулятор при достижении определённых показателей.

Мнение эксперта
Торсунов Павел Максимович

Литий-ионные аккумуляторы «боятся» холода, активно теряя заряд. Также они могут загореться, поэтому с ними стоит быть осторожным.

Виды и типы автомобильных аккумуляторов

Традиционная аккумуляторная батарея со свинцовыми пластинами и раствором серной кислоты в качестве электролита относится к классу свинцово-кислотных или WET («мокрых» в зарубежной терминологии) аккумуляторов. В автомобилях такой тип аккумуляторов используется давно и пережил уже несколько этапов эволюции, связанных с трудоёмкостью технического обслуживания.

Дело в том, что в процессе циклов заряда и разряда происходит образование дополнительного количества воды, которая испаряясь, меняет плотность электролита. Кроме того химическая реакция в электролите сопровождается не только образованием сульфата свинца и воды, но и выделением газов (водорода и кислорода) и образованием паров самого электролита.

Особенно активно процесс газообразования происходит во время интенсивной езды и заряда аккумулятора большими токами – тогда говорят что АКБ «кипит».

Испарение части электролита не только меняет плотность, но и оголяет верхнюю часть пластин, ухудшая эффективность работы аккумулятора и его долговечность. Вот почему ещё в недалёком прошлом свинцово-кислотные аккумуляторы помимо контроля над уровнем заряда требовали постоянной проверки плотности и уровня электролита, а периодическое обслуживание являлось неотъемлемой частью эксплуатации.

Помимо сульфатации и испарения электролита у аккумуляторов этого типа материал пластин взаимодействует с водой, образуя окислы свинца – источники коррозии и постепенного разрушения пластин.

Совершенствование аккумуляторов предусматривало в первую очередь снижение отрицательного эффекта от этих трёх факторов, а основные пути решения проблем – в применении новых материалов.

Так, использование сурьмы для увеличения долговечности пластин было известно давно. Современные технологии позволили уменьшить процентное содержание этого элемента и за счёт этого добиться заметного снижения интенсивности «кипения». Время на обслуживание батарей значительно сокращается, и их уже называют малообслуживаемыми.

Следующий шаг к совершенствованию автомобильных аккумуляторов – использование в свинцовом сплаве кальция – позволил еще больше снизить интенсивность газообразования и повысить напряжение саморазряда. Теперь аккумуляторы можно было дольше хранить в разряженном состоянии, а процесс выкипания электролита стал играть настолько несущественную роль, что аккумуляторы перешли в класс необслуживаемые (хотя это не совсем так: зарядка АКБ – это одна из операций обслуживания).

«Необслуживаемые» аккумуляторы для легковых автомобилей уже почти не выпускаются. А вот «малообслуживаемые» (иногда их причисляют к «необслуживаемым») вполне разумно использовать на тех машинах (особенно с пробегом), в которых бортовая сеть нестабильна: эти АКБ устойчивы к перепадам нагрузки.

Промежуточное положение между малосурьмянистыми и кальциевыми аккумуляторами занимают гибридные АКБ. В них пластины положительных электродов выполняют с малым содержанием сурьмы, а отрицательные содержат кальций. Такое решение позволяет сочетать в какой-то степени достоинства обоих вариантов, но, увы, и недостатки тоже. Дело в том, что «кальциевые» аккумуляторы как раз чувствительны к перепадам бортовой сети.

Следующими важными шагами в совершенствовании автомобильных аккумуляторов стали конструкторско-технологические решения, обеспечившие переход электролита из жидкого состояния в гелеобразное. Аккумуляторы, изготовленные по технологии, предусматривающей в качестве электролита гель, а не жидкость стали называть гелевыми.

Применение геля позволило решить сразу несколько задач:

• безопасности – раствор серной кислоты чрезвычайно опасен и для человека и для окружающей среды, а вероятность утечек существует всегда;
• ориентации – гелеобразное состояние позволяет эксплуатировать аккумулятор под любым наклоном линии горизонта – электролит в нём надёжно зафиксирован;
• вибростойкости – гелиевому наполнителю не страшна тряска на ухабах – он закреплён по отношению к электродным пластинам, исключается вероятность оголения части поверхности электрода.

Одной из разновидностей гелевых (хотя по этому поводу идут терминологические споры) стали AGM аккумуляторы (AGM – аббревиатура Absorbent Glass Mat – абсорбирующий стекломатериал), названные так по соответствующей технологии. Особенность AGM в том, что между пластинами находится специальный пористый материал, удерживающий электролит и дополнительно предохраняющий пластины от осыпания.

Аккумуляторы, в которых в качестве электролита используется загущённая до консистенции геля жидкость, в легковых автомобилях не применяются.

Основные технические характеристики аккумуляторов

Номинальная емкость аккумулятора

Номинальная емкость элемента – способность накапливать и отдавать электроэнергию постоянного тока, определяет время автономной работы ИБП. Емкость электрического аккумулятора показывает время питания подключенной к нему нагрузки.

Емкость всегда указывается на корпусе АКБ, а также на упаковке, ведь именно по этому критерию большинство пользователей выбирают нужную модель.

Пусковой ток

Величину, характеризующую параметр тока, протекающего в стартере автомобиля в момент пуска силового узла, принято считать пусковым током. Пусковой ток или стартерный возникает в момент, когда в замке зажигания поворачивается ключ и начинает проворачиваться стартер. Единица измерения величины – Ампер. Он же ток холодной прокрутки является показателем, как аккумулятор поведет себя в морозную погоду и сможет запустить двигатель при минусовых показателях. Определяется мощностью тока, которую батарея может выдать в течение первых 30 секунд при температуре -18°С. При высоких показателях пускового тока увеличиваются шансы завести машину при минусовой температуре.

Полярность

Порядок расположения на крышке аккумулятора присоединительных клемм, которые являются токовыводящими соединительными элементами, называется полярностью. Полюса всего два – положительный и отрицательный, вариантов расположения – прямое и обратное.

Прямая полярность – отечественная разработка. Чтобы ее определить, нужно повернуть аккумулятор таким образом, чтобы этикетка была перед глазами. При расположении плюсовой клеммы слева, а минусовой справа, можно утверждать, что акб с прямой полярностью. На иномарках устанавливаются аккумуляторные батареи обратной полярности.

Прямая, обратная полярность

Исполнение корпуса

Корпус большинства аккумуляторов состоит из ударопрочного полипропилена, который характеризуется как материал легкий, не вступающий в химическую реакцию с агрессивным электролитом АКБ. Полипропилен довольно стоек к перепадам температур, возникающих под капотом автомобиля, нагрев может достигать до +60 ̊С, а при морозах до -30°С. Корпус большинства АКБ состоит из ручки для переноса, пробок, индикатора заряда, клемм для подключения к электросети. Вес АКБ емкостью 55Ач около 16,5 кг. Традиционно появились американский, европейский, азиатский и российский типы корпусов.

Европейские корпусы и американские имеют идентичные габариты. Например, у батарей емкостью 60 Ач общая высота от 17,5 до 19 сантиметров. У азиатских этот показатель немного выше, до 22 сантиметров за счет верхнего расположения электродов

Именно поэтому важно корректно анализировать возможности посадочного места под капотом, чтобы надежно закрепить АКБ прижимной планкой и избежать замыкания при случайном касании токоотводами металлических частей кузова

У АКБ с европейским типом корпуса клеммы находятся в углублении, их верхний край не выступает над плоскостью крышки. Иногда клеммы дополнительно защищены от внешнего воздействия специальными крышечками. Азиатский тип корпуса – это коробка, на которой клеммы расположились на верхней крышке, верхний край клемм является самой высокой точкой аккумулятора. Какую клемму снимать с аккумулятора первой читайте здесь. 

Российский стандарт акб

Европейские корпусы и американские имеют идентичные габариты

Тип и размер клемм

Распространены аккумуляторы с клеммами трех разных стандартов: тип Euro – Type 1, и Asia –Type 3, «под болт» – американский стандарт. В типе Euro плюсовая клемма имеет диаметр 19,5 мм, минусовая клемма – 17,9 мм. В типе Asia клемма плюс имеет диаметр 12,7 мм, клемма минусовая – 11,1 мм. Клеммы «под болт» находятся на боковой стенке аккумулятора и сверху. Болт, соединённый с проводом, продевается в отверстие клеммы и фиксируется гайкой.

Американский стандарт

Лучшие варианты

Понятие лучшего элемента питания абстрактно: то, что хорошо для игрушек, может не подойти для серьёзного оборудования. Поэтому элементы питания, попавшие в обзор, просто выделяются каким-либо выдающимися характеристиками, ценой либо благосклонностью пользователей.

Robiton Ni-MH PR44 40mAh (40BVH)

Данный аккумулятор — это самый миниатюрный и дешёвый перезаряжаемый элемент питания в продаже. Всего 40 мА-ч, зато и размеры — не больше булавочной головки. Область применения весьма специфическая — слуховые аппараты. Люди с нарушениями слуха сталкиваются с необходимостью подзарядки очень редко, ведь энергопотребление этих устройств минимальное.

Perfeo AA 2700 мА/ч Ni-MH

Эти перезаряжаемые батарейки являются одними из самых дешёвых в пальчиковом типоразмере. Четыре полноценных элемента, да ещё и с пластиковым кейсом менее, чем за 500 рублей. Ёмкость каждого элемента 2700 мА-ч, что позволяет их использовать в различных приборах, характеризующихся высоким энергопотреблением.

Camelion R20, 1.2 В, 4500 мАч, NiCd BL2

Батареи китайского производства Camelion пользуются популярностью не только в России, но и на рынках Европы, Индонезии, Латинской Америки. Они занимают позицию посередине — между такими брендами, как Duracell или Panasonic, и совсем дешёвым «ноунеймом». Размер D и приличная ёмкость позволяют использовать эти батареи в мощной аппаратуре, а никель-кадмиевая технология адаптирована под высокий зарядный ток

GP Rechargeable 1000 Series AAA Ni-Mh 950 мА·ч

Батарейки и аккумуляторы GP стали в России самым продаваемым брендом, опередив более дорогие. Причина — умеренная цена, продуманная маркетинговая политика, а главное — правильное выстраивание отношений B2B. Обеспечивая выгодные условия торговым сетям, GP активно внедряет свои устройства на полки магазинов. Качество приведённых в обзоре аккумуляторов вполне сносное, а ёмкость в 1000 мА-ч является золотой серединой для большинства устройств.

Energizer Accu Recharge Power Plus 9V Крона Ni-Mh 175 мА·ч

Типоразмер PP3 от известной американской компании Энерджайзер. Производство, естественно, Китай. Качество на высоте, а низкая по сравнению с пальчиковыми ёмкость обусловлена выходом тока в 9 вольт. Хороший вариант для замены обычной батарейки соответствующих устройствах, несмотря на цену.

ROBITON 18650-3400 Protected, 3,7 V Li-Ion 3400 мА·ч

Помимо доступных решений в никель-металлгидридном исполнении, компания Robiton выпускает недорогие литий-ионные аккумуляторы в классическом формате АА — в данном случае маркировка 18650. Аккумулятор характеризуется большой ёмкостью, а главное, оснащён электронным блоком, предохраняющим от перезаряда и выхода из строя.

DURACELL Rechargeable HR03-4BL, 850мAч, AAA

Компания по праву считается лидером среди производителей как батареек, так и аккумуляторов. Акцент делается на самые ходовые форматы АА и ААА. Например, комплект из четырёх мизинчиковых аккумуляторов ёмкостью 850 мА-ч каждый придётся выложить больше тысячи рублей. Что поделаешь, за качество нужно платить.

Panasonic eneloop AAA Ni-Mh 750 мА·ч

Пример эволюции стандартного никель-металлогидридного аккумулятора. Производитель гордо заявляет о 2100 циклах перезарядки. Вряд ли обычные пользователи могут проверить этот показатель. Но даже исключив маркетинг, можно отметить почти полное отсутствие саморазряда и возможность длительного хранения серии Eneloop.

Разновидности батарей по материалам

Аккумуляторы для автомобилей бывают разных типов:

• Сурьмянистые. В нем есть 5% сурьмы. Он считается устаревшим видом сегодня, так как современные аккумуляторы содержат меньше сурьмы. Такие АКБ сохранились в разных источниках тока.
• Малосурьмянистые. Чтобы снизить испарение воды из электролита, первый вид аккумуляторов заменили малосурьмянистыми. Эти АКБ имеют менее 5% сурьмы. Они во многом смогли решить проблему доливки воды. Но они тоже нуждаются в обслуживании, так как потери воды все равно есть. Когда говорят, что их не надо обслуживать, это просто реклама. По словам специалистов, такой вид лучше подходит для легковых автомобилей.
• Кальциевые. В таких современных АКБ стали использовать кальций вместо воды. На этих моделях есть маркировка, которая говорит о содержании кальция в положительных и отрицательных электродах. В современных кальциевых аккумуляторах не существует потеря воды. Если сравнить его с сурьмянистыми аккумуляторами, можно сказать, что саморазряд у этого вида меньше 70%. Вот почему они дольше работают по сравнению с другими. Цена таких батарей выше, чем малосурьмянистых. Такие аккумуляторы встречаются на иномарках. Во время использования не надо допускать глубокого разряда батареи.
• Гибридные и гелиевые. На них есть маркировка Ca +. Они производятся по нескольким технологиям. Есть варианты гибридных аккумуляторов, в содержании которых есть сурьма. Создатели этого вида попытались собрать положительные стороны всех батарей. Но результат получился средним. Среди разновидностей гелиевых батарей, есть такой тип, который выпускают по технологии AMG и GEL.
• Щелочные. Здесь используется щелочь, а не кислота. Есть довольно много видов щелочных батарей. Они редко могут использоваться в автомобилях. В основном их применяют в складской технике. Во время реакции таких АКБ электролит не расходуется.
• Литий-ионные. Такие батареи используются как дополнительный источник тока. Здесь ионы лития являются носителями тока. Один из наиболее популярных видов аккумуляторных батарей для автомобиля.