V.S.Lavrus. Batarejki i akkumulyatory
---------------------------------------------------------------
Tekst predostavil Redakcionno-analiticheskij centr "Nauka i Tehnika"
Seriya "Informacionnoe Izdanie", Vypusk 1
Batarejki i akkumulyatory
V.S. Lavrus
© Copyright "Nauka i Tehnika", 1995
© Copyright "Informacionnoe Izdanie", 1995
Iz-za slozhnostej konvertacii v HTML v tekste otsutstvuyut
illyustracii i tablicy. Polnye versii etih knizhek v formate PDF
s kartinkami tablicami i stilevym oformleniem mozhno najti
na sajte "Nauka i tehnika"
http://www.nit.kiev.ua ˇ http://www.nit.kiev.ua
---------------------------------------------------------------
Seriya "Informacionnoe Izdanie", Vypusk 1
V knige izlozheny svedeniya o konstrukcii, principah
dejstviya i harakternyh osobennostyah himicheskih istochnikov toka
(batareek i akkumulyatorov).
Kak samomu vybrat' neobhodimye vam batarejki i
akkumulyatory, kak pravil'no ih zaryazhat' i vosstanavlivat', vy
uznaete iz etoj knigi.
Oglavlenie
Vvedenie
Glava 1. Gal'vanicheskie istochniki toka odnorazovogo
dejstviya
1.1. Tipy gal'vanicheskih elementov
1.2. Batarejki vedushchih firm mira
Glava 2. Akkumulyatory
2.1. Kislotnye akkumulyatory
2.1.1. Stacionarnye svincovye akkumulyatory
2.1.2. Avtomobil'nye akkumulyatory
2.1.3. Ustrojstva dlya zaryada akkumulyatorov
2.2. Germetichnye akkumulyatory
2.2.1. Akkumulyatory, tehnologiya "dryfit"
2.2.2. Germetichnye nikel'-kadmievye akkumulyatory
Spisok literatury
Terminy i opredeleniya
Anod -- polozhitel'nyj vyvod batarei.
Batareya -- dva ili bolee elementov, soedinennyh
posledovatel'no ili (i) parallel'no dlya obespecheniya nuzhnogo
napryazheniya i toka.
Vnutrennee soprotivlenie -- soprotivlenie toku cherez
element, izmerennoe v Omah. Inogda nazyvaetsya vnutrennim
impedansom.
Vyhod energii -- rashod emkosti, umnozhennyj na srednee
napryazhenie v techenie vremeni razryada batarej, vyrazhennyj v
Vatt-chasah (Vtch).
Emkost' -- kolichestvo elektricheskoj energii, kotoroe
batareya vydelyaet pri opredelennyh usloviyah razryada, vyrazhennoe
v amper-chasah (Ach) ili kulonah (1 Ach = 3600 Kl).
Zaryad -- elektricheskaya energiya, peredavaemaya elementu, s
cel'yu preobrazovaniya v zapasaemuyu himicheskuyu energiyu.
Katod -- otricatel'nyj vyvod batarei.
Kompensacionnyj podzaryad -- metod, pri kotorom dlya
privedeniya batarei v polnost'yu zaryazhennoe sostoyanie i
podderzhaniya ee v etom sostoyanii ispol'zuetsya postoyannyj tok.
Napryazhenie otsechki -- minimal'noe napryazhenie, pri kotorom
batareya sposobna otdavat' poleznuyu energiyu pri opredelennyh
usloviyah razryada.
Napryazhenie holostogo hoda -- napryazhenie na vneshnih zazhimah
batarei pri otsutstvii otbora toka.
Nominal'noe napryazhenie -- napryazhenie na polnost'yu
zaryazhennoj bataree pri ee razryade s ochen' nizkoj skorost'yu.
Plavayushchij zaryad -- metod podderzhaniya podzaryazhaemoj batarei
v polnost'yu zaryazhennom sostoyanii putem podachi vybrannogo
postoyannogo napryazheniya dlya kompensacii v nej razlichnyh poter'.
Plotnost' energii -- otnoshenie energii elementa k ego
masse ili ob®emu, vyrazhennoe v Vatt-chasah na edinicu massy ili
ob®ema.
Polyarizaciya -- padenie napryazheniya, vyzvannoe izmeneniyami
himicheskih kompozicij komponentov elementov (raznica mezhdu
napryazheniem holostogo hoda i napryazheniem v lyuboj moment
razryada).
Razryad -- potreblenie elektricheskoj energii ot elementa vo
vneshnyuyu cep'. Glubokij razryad -- eto sostoyanie, v kotorom
prakticheski vsya emkost' elementa izrashodovana. Neglubokij
razryad -- eto razryad, pri kotorom izrashodovana malaya chast'
polnoj emkosti.
Separator -- material, ispol'zuemyj dlya izolyacii
elektrodov drug ot druga. On inogda uderzhivaet elektrolit v
suhih elementah.
Srok hraneniya -- period vremeni, v techenie kotorogo,
element hranyashchijsya pri normal'nyh usloviyah (20oC), sohranyaet
90% pervonachal'noj emkosti.
Stabil'nost' -- odnorodnost' napryazheniya, pri kotorom
batareya otdaet energiyu v techenie polnogo rezhim razryada.
|lement -- bazovaya edinica, sposobnaya preobrazovyvat'
himicheskuyu energiyu v elektricheskuyu. On sostoit iz
polozhitel'nogo i otricatel'nogo elektrodov, pogruzhennyh v obshchij
elektrolit.
|lektrod -- provodyashchij material, sposobnyj pri reakcii s
elektrolitom proizvodit' nositelej toka.
|lektrolit -- material, provodyashchij nositelej zaryada v
elemente.
Cikl -- odna posledovatel'nost' zaryada i razryada elementa.
Anglijskie terminy
A battery -- batareya nakala
acid storage battery -- batareya kislotnyh (svincovyh)
akkumulyatorov
air battery -- vozdushno-metallicheskij element
alkaline battery -- (pervichnyj) shchelochnoj element
alkaline battery -- shchelochnoj margancevo-cinkovyj element
alkaline dry battery -- suhoj rtutno-cinkovyj element
alkaline dry battery -- suhoj shchelochnoj element
alkaline manganese battery -- shchelochnoj margancevo-cinkovyj
element
alkaline storage battery -- batareya shchelochnyh akkumulyatorov
alkaline storage battery -- shchelochnoj akkumulyator
anode battery -- anodnaya batareya
B battery -- anodnaya batareya
Bansen battery -- (azotno-kislotno-cinkovyj) element
Bunzena
bag-type battery -- stakanchikovyj (pervichnyj) element s
kukolkoj
balancing battery -- bufernaya batareya
battery -- batareya
bias battery -- element batarei smeshcheniya, element setochnoj
batarei
biasing battery -- batareya smeshcheniya, setochnaya batareya
bichromate battery -- (pervichnyj) element s dihromatnym
rastvorom
buffer battery -- bufernaya batareya
bypass battery -- bufernaya batareya
C battery -- batareya smeshcheniya, setochnaya batareya
Clark battery -- (rtutno-cinkovyj) element Klarka
cadmium normal battery -- (rtutno-kadmievyj) normal'nyj
element Vestona
cadmium-silver-oxide battery -- oksidno-kadmievyj
gal'vanicheskij element
carbon battery -- (pervichnyj) element s ugol'nym
elektrodom
carbon-zinc battery -- (suhoj) element s cinkovym anodom i
ugol'nym katodom
cell -- element, yachejka, gal'vanicheskij element (pervichnyj
element, akkumulyator ili toplivnyj element)
chemical battery -- batareya himicheskih istochnikov toka
chargeable battery -- perezaryazhaemyj element
cooper-zinc battery -- medno-cinkovyj element
counter (electromotive) battery -- protivodejstvuyushchij
element
Daniel battery -- (medno-cinkovyj) element Danielya
decomposition battery -- element s (pobochnoj) reakciej
elektroliticheskogo razlozheniya
dichromate battery -- (pervichnyj) element s dihromatnym
rastvorom
displacement battery -- element s (pobochnoj) reakciej
elektroliticheskogo zameshcheniya
divalent silver oxide battery -- element s oksidirovaniem
serebra do dvuhvalentnogo sostoyaniya
double-fluid battery -- dvuhzhidkostnyj element
drum storage -- batareya nikel'-cinkovyh akkumulyatorov
dry battery -- suhoj element
dry battery -- suhaya batareya
dry-charged battery -- batareya suhozaryazhennyh
akkumulyatorov
dry-charged battery -- suhozaryazhennyj akkumulyator
Edison battery -- nikel'-zheleznyj akkumulyator
electric battery -- gal'vanicheskaya batareya (batareya
pervichnyh elementov, akkumulyatorov ili toplivnyh elementov)
electric battery -- gal'vanicheskij element (pervichnyj
element), akkumulyator ili toplivnyj element
emergency batteries -- batarei akkumulyatorov avarijnogo
pitaniya
emergency battery -- batareya avarijnogo pitaniya
end batteries -- zapasnye akkumulyatornye batarei
Faradey battery -- yachejka Faradeya
Faure storage battery -- batareya akkumulyatorov s
pastirovannymi plastinami
filament battery -- batareya nakala
floating battery -- zapasnaya batareya akkumulyatorov
(vklyuchaemaya parallel'no osnovnoj bataree)
Grenet battery -- (dihromatno-cinkovyj) element Grene
galvanic battery -- elektrohimicheskaya yachejka v rezhime
gal'vanicheskogo elementa
grid battery -- setochnaya batareya, batareya smeshcheniya
grid-bias battery -- batareya smeshcheniya, setochnaya batareya
Lalande battery -- (shchelochnoj oksidmedno-cinkovyj) element
Lalanda
Leclanche battery -- (margancevo-cinkovyj) element
Leklanshe
lead (-acid) battery -- kislotnyj (svincovyj) akkumulyator
lead-acid (lead-storage) battery -- batareya svincovyh
(kislotnyh) akkumulyatorov
lead-calcium battery -- svincovo-kal'cievyj element
lead-dioxide primary battery -- pervichnyj element iz
dioksida svinca
line battery -- bufernaya batareya
lithium battery -- element s litievym anodom
lithium-iron sulfide secondary battery --
hloridzhelezno-litievyj akkumulyator
lithium-silver chromate battery --
hromatoserebryano-litievyj element
lithium-water battery -- vodno-litievyj element
long wet-stand life battery -- batareya akkumulyatorov s
dlitel'nym srokom hraneniya v zalitom sostoyanii
magnesium battery -- pervichnyj element s magnievym anodom
magnesium mercuric oxide battery --
magnievaya-oksid-rtutnaya batareya
magnesium-cuprous chloride battery --
hloridmedno-magnievyj element
magnesium-silver chloride battery --
hloridserebryano-magnievyj element
magnesium-water battery -- vodno-magnievyj element
mercury battery -- (suhoj) rtutno-cinkovyj element
mercury battery -- batareya (suhih) rtutno-cinkovyh
elementov
metal-air storage battery -- vozdushno-metallicheskij
akkumulyator
nicad (nickel-cadmium) battery -- batareya nikel'-kadmievyh
akkumulyatorov
nickel-cadmium battery -- nikel'-kadmievyj akkumulyator
nickel-iron battery -- nikel'-zheleznyj akkumulyator
nickel-iron battery -- batareya nikel'-zheleznyh
akkumulyatorov
Plante battery -- svincovyj (kislotnyj) akkumulyator s
polotnyanym separatorom
pilot battery -- kontrol'nyj akkumulyator batarei
plate battery -- anodnaya batareya
plug-in battery -- smennaya batareya
portable battery -- perenosnaya batareya
primary battery -- (pervichnyj) element
primary battery -- batareya (pervichnyh) elementov
quiet battery -- mikrofonnaya batareya
Ruben battery -- (suhoj) rtutno-cinkovyj element
rechargeable battery -- batareya akkumulyatorov
rechargeable battery -- batareya perezaryazhaemyh elementov
reserve battery -- gal'vanicheskij element rezervnoj
batarei
ringing battery -- vyzyvnaya (telefonnaya) batareya
sal-ammoniac battery -- (pervichnyj) element s rastvorami
solej ammoniya
saturated standard battery -- nasyshchennyj normal'nyj
element
sealed battery -- germetichnyj akkumulyator
sealed battery -- germetichnyj (pervichnyj) element
secondary battery -- batareya akkumulyatorov
signaling battery -- vyzyvnaya (telefonnaya) batareya
silver-cadmium storage battery -- batareya
serebryano-kadmievyh akkumulyatorov
silver-oxide battery -- (pervichnyj) element s serebryanym
katodom
silver-zinc primary battery -- serebryano-cinkovyj
pervichnyj element
silver-zinc storage battery -- batareya serebryano-cinkovyh
akkumulyatorov
solar battery -- solnechnaya batareya
standard Daniel battery -- (medno-cinkovyj) normal'nyj
element Danielya
standby battery -- batareya avarijnogo pitaniya
stationary battery -- stacionarnaya batareya akkumulyatorov
storage battery -- batareya akkumulyatorov
talking battery -- mikrofonnaya batareya
Voltaic battery -- element Vol'ta; element s
metallicheskimi elektrodami i zhidkim elektrolitom
Weston (standard) battery -- (rtutno-kadmievyj) normal'nyj
element Vestona
wet battery -- element s zhidkim elektrolitom
zinc-air battery -- batareya vozdushno-cinkovyh elementov
zinc-chlorine battery -- hlorno-cinkovyj akkumulyator
zinc-coper-oxide battery -- oksidmedno-cinkovyj element
zinc-iron battery -- zhelezocinkovyj element
zinc-manganese dioxide battery -- batareya
margancevo-cinkovyh elementov
zinc-mercury-oxide battery -- oksidrtutno-cinkovyj element
zinc-nickel battery -- batareya nikel'-cinkovyh
akkumulyatorov
zinc-silver-chloride primary battery --
hloridserebryano-cinkovyj pervichnyj element
VVEDENIE
Himicheskie istochniki toka (HIT) v techenii mnogih let
prochno voshli v nashu zhizn'. V bytu potrebitel' redko obrashchaet
vnimanie na otlichiya ispol'zuemyh HIT. Dlya nego eto batarejki i
akkumulyatory. Obychno oni ispol'zuyutsya v ustrojstvah takih, kak
karmannye fonari, igrushki, radiopriemniki ili avtomobili.
CHashche vsego, razlichayut batarejki i akkumulyatory po vneshnemu
vidu. No sushchestvuyut akkumulyatory, konstruktivno vypolnennye
takzhe kak i batarejki. Naprimer vneshnij vid akkumulyator KNG-1D
malo otlichaetsya ot klassicheskih pal'chikovyh batareek R6C. I
naoborot. Akkumulyatory i batarejki diskovoj konstrukcii vneshne
takzhe nerazlichimy. Naprimer akkumulyator D-0,55 i knopochnyj
rtutnyj element (batarejka) RC-82.
Dlya togo, chtoby razlichat' ih potrebitelyu neobhodimo
obrashchat' vnimanie na markirovku, nanesennuyu na korpus HIT.
Markirovki, nanosimye na korpusa batareek i akkumulyatorov
opisany v glave 1 i 2 na risunkah i v tablicah. |to neobhodimo
dlya pravil'nogo vybora pitayushchego elementa dlya vashego
ustrojstva.
Poyavlenie perenosnoj audio, video i drugoj bolee
energoemkoj apparatury potrebovalo uvelicheniya energoemkosti
HIT, ih nadezhnosti i dolgovechnosti.
V dannoj knige opisyvayutsya tehnicheskie harakteristiki i
sposoby vybora optimal'nogo HIT, sposoby zaryada,
vosstanovleniya, ekspluatacii i prodleniya sroka ispol'zovaniya
akkumulyatorov i batareek.
CHitatelyu sleduet obratit' vnimanie na predosterezheniya
otnositel'no bezopasnosti i utilizacii HIT.
V tom sluchae, kogda potreblyaemaya moshchnost' otnositel'no
velika (10Ach), ispol'zuyutsya akkumulyatory, v osnovnom kislotnye,
a takzhe nikel'-zheleznye i nikel'-kadmievye. Oni primenyayutsya v
portativnyh |VM (Laptop, Notebook, Palmtop), nosimyh sredstvah
svyazi, avarijnom osveshchenii i pr.
Avtomobil'nye akkumulyatory zanimayut osoboe mesto v knige.
Privodyatsya shemy ustrojstv dlya zaryadki i vosstanovleniya
akkumulyatorov, a takzhe opisyvayutsya novye, sozdannye po
tehnologii "dryfit", germetichnye akkumulyatory, ne trebuyushchie
uhoda v techenii 5...8 let ekspluatacii. Oni ne okazyvayut
vrednogo vozdejstviya na lyudej i apparaturu.
V poslednie gody takie akkumulyatory shiroko primenyayutsya v
rezervnyh istochnikah pitaniya |VM i elektromehanicheskih
sistemah, nakaplivayushchih energiyu dlya vozmozhnyh pikovyh nagruzok
i avarijnogo pitaniya elektroenergiej zhiznenno-vazhnyh sistem.
V nachale kazhdoj glavy priveden slovar' special'nyh
anglijskih terminov, kotorye ispol'zuyutsya v opisaniyah i pri
markirovke batareek i akkumulyatorov. V konce knigi nahoditsya
svodnyj otreznoj slovar' terminov.
Osnovnye harakteristiki HIT shirokogo spektra primeneniya,
predstavlyayushchih prakticheskij interes, privedeny v tablice V.1.
GLAVA 1
GALXVANICHESKIE ISTOCHNIKI TOKA ODNORAZOVOGO DEJSTVIYA
Gal'vanicheskie istochniki toka odnorazovogo dejstviya
predstavlyayut soboj unificirovannyj kontejner, v kotorom
nahodyatsya elektrolit, absorbiruemyj aktivnym materialom
separatora, i elektrody (anod i katod), poetomu oni nazyvayutsya
suhimi elementami. |tot termin ispol'zuetsya primenitel'no ko
vsem elementam, ne soderzhashchim zhidkogo elektrolita. K obychnym
suhim elementam otnosyatsya uglerodno-cinkovye elementy ili
elementy Leklanshe [1].
Suhie elementy primenyayutsya pri malyh tokah i preryvistyh
rezhimah raboty. Poetomu takie elementy shiroko ispol'zuyutsya v
telefonnyh apparatah, igrushkah, sistemah signalizacii i dr.
Poskol'ku spektr priborov, v kotoryh ispol'zuyutsya suhie
elementy, ves'ma shirok i, krome togo trebuetsya ih periodicheskaya
zamena, sushchestvuyut normy na ih gabarity [1]. Sleduet
podcherknut', chto gabarity elementov, privedennye v tablicah 1.1
i 1.2, vypuskaemye razlichnymi izgotovitelyami mogut neskol'ko
otlichat'sya v chasti raspolozheniya vyvodov i drugih osobennostej,
ogovorennyh v ih specifikaciyah.
V processe razryada napryazhenie suhih elementov padaet ot
nominal'nogo do napryazheniya otsechki (napryazhenie otsechki --
minimal'noe napryazhenie, pri kotorom batareya sposobna otdavat'
minimal'nuyu energiyu), t.e. obychno ot 1,2 V do 0,8 V/element v
zavisimosti ot osobennostej primeneniya. V sluchae razryada pri
podklyuchenii k elementu postoyannogo soprotivleniya posle
zamykaniya cepi napryazhenie na ego vyvodah rezko umen'shaetsya do
nekotoroj velichiny, neskol'ko men'shej ishodnogo napryazheniya.
Tok, protekayushchij pri etom, nazyvaetsya nachal'nym tokom razryada.
Funkcional'nye vozmozhnosti suhogo elementa zavisyat ot
potrebleniya toka, napryazheniya otsechki i uslovij razryada.
|ffektivnost' elementa povyshaetsya po mere umen'sheniya toka
razryada. Dlya suhih elementov nepreryvnyj razryad za vremya men'she
24ch mozhet byt' otnesen k kategorii razryada s vysokoj skorost'yu.
|lektricheskaya emkost' suhogo elementa ogovarivaetsya dlya
razryada cherez fiksirovannoe soprotivlenie pri zadannom konechnom
napryazhenii v chasah v zavisimosti ot nachal'nogo razryada i
predstavlyaetsya grafikom ili tablicej. Celesoobrazno
ispol'zovat' grafik ili tablicu izgotovitelya dlya konkretnoj
batarei. |to obuslovleno ne tol'ko neobhodimost'yu ucheta
osobennostej izdeliya, no i tem, chto kazhdyj izgotovitel' daet
svoi rekomendacii po nailuchshemu ispol'zovaniyu ego produkcii. V
tablice 1.3 i tablice 1.5 predstavleny tehnicheskie
harakteristiki gal'vanicheskih elementov, naibolee
rasprostranennyh v poslednee vremya na prilavkah nashih
magazinov.
Vnutrennee soprotivlenie batarei mozhet ogranichivat'
neobhodimyj tok, naprimer pri ispol'zovanii v fotovspyshke.
Nachal'nyj stabil'nyj tok, kotoryj mozhet kratkovremenno davat'
batareya, nazyvaetsya tokom vspyshki. V oboznachenii tipa elementa
prisutstvuyut bukvennye oboznacheniya, kotorym sootvetstvuyut toki
vspyshki i vnutrennee soprotivlenie elementa, izmerennye na
postoyannom i peremennom toke (tablica 1.4 [1]). Tok vspyshki i
vnutrennee soprotivlenie ves'ma slozhny dlya izmerenij, prichem
elementy mogut imet' dlitel'nyj srok hraneniya, no pri etom tok
vspyshki mozhet umen'shat'sya.
1.1. TIPY GALXVANICHESKIH |LEMENTOV
Ugol'no-cinkovye elementy
Ugol'no-cinkovye elementy (marganec-cinkovye) yavlyayutsya
samymi rasprostranennymi suhimi elementami. V ugol'no-cinkovyh
elementah ispol'zuetsya passivnyj (ugol'nyj) kollektor toka v
kontakte s anodom iz dvuokisi marganca (MnO2), elektrolit iz
hlorida ammoniya i katodom iz cinka. |lektrolit nahoditsya v
pastoobraznom sostoyanii ili propityvaet poristuyu diafragmu.
Takoj elektrolit malo podvizhen i ne rastekaetsya, poetomu
elementy nazyvayutsya suhimi.
Nominal'noe napryazhenie ugol'no-cinkovogo elementa
sostavlyaet 1,5 V.
Suhie elementy mogut imet' cilindricheskuyu, ris.1.1,
diskovuyu ris.1.2 i pryamougol'nuyu formu. Ustrojstvo
pryamougol'nyh elementov analogichno diskovym. Cinkovyj anod
vypolnen v vide cilindricheskogo stakana, odnovremenno
yavlyayushchimsya kontejnerom. Diskovye elementy sostoyat iz cinkovoj
plastiny, kartonnoj diafragmy, propitannoj rastvorom
elektrolita, i spressovannogo sloya polozhitel'nogo elektroda.
Diskovye elementy posledovatel'no soedinyayut drug s drugom,
poluchennuyu batareyu izoliruyut i upakovyvayut v futlyar.
Ugol'no-cinkovye elementy "vosstanavlivayutsya" v techenii
pereryva v rabote. |to yavlenie obuslovleno postepennym
vyravnivaniem lokal'nyh neodnorodnostej v kompozicii
elektrolita, voznikayushchih v processe razryada. V rezul'tate
periodicheskogo "otdyha" srok sluzhby elementa prodlevaetsya.
Na ris. 1.3 predstavlena trehmernaya diagramma,
pokazyvayushchaya uvelichenie prodolzhitel'nosti raboty D-elementa pri
ispol'zovanii preryvistogo rezhima raboty v sravnenii s
postoyannym. |to sleduet uchityvat' pri intensivnoj ekspluatacii
elementov (i ispol'zovat' neskol'ko komplektov dlya raboty s
tem, chtoby odin komplekt imel dostatochnyj period vremeni dlya
vosstanovleniya rabotosposobnosti. Naprimer, pri ekspluatacii
pleera ne rekomenduetsya ispol'zovat' odin komplekt batareek
bolee dvuo chasov podryad. Pri smene dvuh komplektov
prodolzhitel'nost' raboty elementov uvelichivaetsya v tri raza.
Dostoinstvom ugol'no-cinkovyh elementov yavlyaetsya ih
otnositel'no nizkaya stoimost'. K sushchestvennym nedostatkam
sleduet otnesti znachitel'noe snizhenie napryazheniya pri razryade,
nevysokuyu udel'nuyu moshchnost' (5...10 Vt/kg) i malyj srok
hraneniya.
Nizkie temperatury snizhayut effektivnost' ispol'zovaniya
gal'vanicheskih elementov, a vnutrennij razogrev batarei ego
povyshaet. Vliyanie temperatury na emkost' gal'vanicheskogo
elementa pokazana na ris. 1.4. Povyshenie temperatury vyzyvaet
himicheskuyu korroziyu cinkovogo elektroda vodoj, soderzhashchejsya v
elektrolite, i vysyhanie elektrolita. |ti faktory udaetsya
neskol'ko kompensirovat' vyderzhkoj batarei pri povyshennoj
temperature i vvedeniem vnutr' elementa, cherez predvaritel'no
prodelannoe otverstie, solevogo rastvora.
SHCHelochnye elementy
Kak i v ugol'no-cinkovyh, v shchelochnyh elementah
ispol'zuetsya anod iz MnO2 i cinkovyj katod s razdelennym
elektrolitom.
Otlichie shchelochnyh elementov ot ugol'no-cinkovyh zaklyuchaetsya
v primenenii shchelochnogo elektrolita, v sledstvii chego
gazovydelenie pri razryade fakticheski otsutstvuet, i ih mozhno
vypolnyat' germetichnymi, chto ochen' vazhno dlya celogo ryada ih
primenenij.
Napryazhenie shchelochnyh elementov primerno na 0,1 V men'she,
chem ugol'no-cinkovyh, pri odinakovyh usloviyah. Sledovatel'no
eti elementy vzaimozamenyaemy.
Napryazhenie elementov s shchelochnym elektrolitom izmenyaetsya
znachitel'no men'she, chem u elementov s solevym elektrolitom.
|lementy s shchelochnym elektrolitom takzhe imeyut bolee vysokie
udel'nuyu energiyu (65...90 Vtch/kg), udel'nuyu moshchnost' (100...150
kVtch/m3) i bolee dlitel'nyj srok hraneniya.
Zaryadka margancevo-cinkovyh elementov i batarej
Proizvoditsya asimmetrichnym peremennym tokom. Zaryazhat'
mozhno elementy s solevym ili shchelochnym elektrolitom lyuboj
koncentracii, no ne slishkom razryazhennye i ne imeyushchie
povrezhdenij cinkovyh elektrodov. V predelah sroka godnosti,
ustanovlennogo dlya dannogo tipa elementa ili batarei, mozhno
proizvodit' mnogokratnoe (6...8 raz) vosstanovlenie
rabotosposobnosti [2].
Zaryadka suhih batarej i elementov proizvodyatsya ot
special'nogo ustrojstva, pozvolyayushchego poluchit' zaryadnyj tok
neobhodimoj formy: pri sootnoshenii zaryadnoj i razryadnoj
sostavlyayushchej 10:1 i otnoshenii dlitel'nosti impul'sov etih
sostavlyayushchih 1:2. |to ustrojstvo pozvolyaet zaryazhat' batarejki
dlya chasov i aktivizirovat' starye malogabaritnye akkumulyatory.
Pri zaryadke batareek dlya chasov, zaryadnyj tok ne dolzhen
prevyshat' 2 mA. Vremya zaryada ne bolee 5 chasov. Shema takogo
ustrojstva dlya zaryadki batarej pokazana na ris. 1.5.
Zdes' zaryazhaemaya batareya vklyuchena cherez dve parallel'no
vklyuchennye cepochki diodov s rezistorami. Asimmetrichnyj tok
zaryada poluchaetsya v sledstvii razlichiya soprotivlenij
rezistorov. Okonchanie zaryada opredelyaetsya po prekrashcheniyu rosta
napryazheniya na bataree. Napryazhenie vtorichnoj obmotki
transformatora zaryadnogo ustrojstva vybiraetsya tak, chtoby
vyhodnoe napryazhenie prevyshalo nominal'noe napryazhenie elementa
na 50...60%.
Vremya zaryada batarej s pomoshch'yu opisannogo ustrojstva
dolzhno byt' poryadka 12...16 chasov. Zaryadnaya emkost' dolzhna byt'
primerno na 50% bol'she nominal'noj emkosti batarei.
Rtutnye elementy
Rtutnye elementy ochen' pohozhi na shchelochnye elementy. V nih
ispol'zuetsya oksid rtuti (HgO). Katod sostoit iz smesi poroshka
cinka i rtuti. Anod i katod razdeleny separatorom i diafragmoj,
propitannoj 40% rastvorom shchelochi.
|ti elementy imeyut dlitel'nye sroki hraneniya i bolee
vysokie emkosti (pri tom zhe ob®eme). Napryazhenie rtutnogo
elementa primerno na 0,15 V nizhe, chem u shchelochnogo.
Rtutnye elementy otlichayutsya vysokoj udel'noj energiej
(90...120 Vtch/kg, 300...400 kVtch/m3), stabil'nost'yu napryazheniya
i vysokoj mehanicheskoj prochnost'yu.
Dlya malogabaritnyh priborov sozdany modernizirovannye
elementy tipov RC-31S, RC-33S i RC-55US. Udel'naya energiya
elementov RC-31S i RC-55US -- 600 kVtch/m3, elementov RC-33S --
700 kVtch/m3. |lementy RC-31S i RC-33S primenyayutsya dlya pitaniya
ruchnyh chasov i drugoj apparatury. |lementy RC-55US
prednaznacheny dlya medicinskoj apparatury, v chastnosti dlya
vzhivlyaemyh medicinskih priborov.
|lementy RC-31S i RC-33S rabotayut 1,5 goda pri tokah
sootvetstvenno 10 i 18 mkA, a element RC-55US obespechivaet
rabotu vzhivlyaemyh medicinskih priborov v techenii 5 let. Kak
sleduet iz tablicy 1.6, nominal'naya emkost' etih elementov ne
sootvetstvuet ih oboznacheniyu.
Rtutnye elementy rabotosposobny v intervale temperatur ot
0 do +50oS, imeyutsya holodostojkie RC-83H i RC-85U i
teplostojkie elementy RC-82T i RC-84, kotorye sposobny rabotat'
pri temperature do +70oS. Imeyutsya modifikacii elementov, v
kotoryh vmesto cinkovogo poroshka (otricatel'nyj elektrod)
ispol'zuyutsya splavy indiya i titana.
Tak kak rtut' deficitna i toksichna, rtutnye elementy ne
sleduet vybrasyvat' posle ih polnogo ispol'zovaniya. Oni dolzhny
postupat' na vtorichnuyu pererabotku.
Serebryanye elementy
Oni imeyut "serebryanye" katody iz Ag2O i AgO. Napryazhenie u
nih na 0,2 V vyshe, chem u ugol'no-cinkovyh pri sopostavimyh
usloviyah [1].
Litievye elementy
V nih primenyayutsya litievye anody, organicheskij elektrolit
i katody iz razlichnyh materialov. Oni obladayut ochen' bol'shimi
srokami hraneniya, vysokimi plotnostyami energii i rabotosposobny
v shirokom intervale temperatur, poskol'ku ne soderzhat vody.
Tak kak litij obladaet naivysshim otricatel'nym potencialom
po otnosheniyu ko vsem metallam, litievye elementy
harakterizuyutsya naibol'shim nominal'nym napryazheniem pri
minimal'nyh gabaritah (ris. 1.6). Tehnicheskie harakteristiki
litievyh gal'vanicheskih elementov privedeny v tablice 1.7.
V kachestve rastvoritelej v takih elementah obychno
ispol'zuyutsya organicheskie soedineniya. Takzhe rastvoritelyami
mogut byt' neorganicheskie soedineniya, naprimer, SOCl2, kotorye
odnovremenno yavlyayutsya reaktivnymi veshchestvami.
Ionnaya provodimost' obespechivaetsya vvedeniem v
rastvoriteli solej, imeyushchih aniony bol'shih razmerov, naprimer:
LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. Udel'naya elektricheskaya provodimost'
nevodnyh rastvorov elektrolitov na 1...2 poryadka nizhe
provodimosti vodnyh. Krome togo, katodnye processy v nih obychno
protekayut medlenno, poetomu v elementah s nevodnymi
elektrolitami plotnosti toka neveliki.
K nedostatkam litievyh elementov sleduet otnesti ih
otnositel'no vysokuyu stoimost', obuslovlennuyu vysokoj cenoj
litiya, osobymi trebovaniyami k ih proizvodstvu (neobhodimost'
inertnoj atmosfery, ochistka nevodnyh rastvoritelej). Sleduet
takzhe uchityvat', chto nekotorye litievye elementy pri ih
vskrytii vzryvoopasny.
Takie elementy obychno vypolnyayutsya v knopochnom ispolnenii s
napryazheniem 1,5 V i 3 V. Oni uspeshno obespechivayut pitaniem
shemy s potrebleniem poryadka 30 mkA v postoyannom ili 100 mkA v
preryvistom rezhimah. Litievye elementy shiroko primenyayutsya v
rezervnyh istochnikah pitaniya shem pamyati, izmeritel'nyh
priborah i prochih vysokotehnologichnyh sistemah.
1.2. BATAREJKI VEDUSHCHIH FIRM MIRA
V poslednie desyatiletiya vozros ob®em proizvodstva shchelochnyh
analogov elementov Leklanshe, v tom chisle vozdushno-cinkovyh (sm.
tablicu V1).
Tak, naprimer v Evrope proizvodstvo shchelochnyh
margancevo-cinkovyh elementov stalo razvivat'sya v 1980 g., a v
1983 g. ono dostiglo uzhe 15% obshchego vypuska [10].
Ispol'zovanie svobodnogo elektrolita ogranichivaet
vozmozhnosti primeneniya avtonomnyh i v osnovnom ispol'zuetsya v
stacionarnyh HIT. Poetomu mnogochislennye issledovaniya
napravleny na sozdanie tak nazyvaemyh suhih elementov, ili
elementov s zagushchennym elektrolitom, svobodnyh ot takih
elementov, kak rtut' i kadmij, kotorye predstavlyayut ser'eznuyu
opasnost' dlya zdorov'ya lyudej i okruzhayushchej sredy.
Takaya tendenciya yavlyaetsya sledstviem preimushchestv shchelochnyh
HIT v sravnenii s klassicheskimi solevymi elementami:
sushchestvennoe povyshenie razryadnyh plotnostej toka za schet
primeneniya pastirovannogo anoda;
povyshenie emkosti HIT za schet vozmozhnosti uvelicheniya
zakladki aktivnyh mass;
sozdanie vozdushno-cinkovyh kompozicij (elementy tipa 6F22)
za schet bol'shej aktivnosti sushchestvuyushchih katodnyh materialov v
reakcii elektrovosstanovleniya dikisloroda v shchelochnom
elektrolite [11].
Batarejki kompanii Duracell (SSHA)
Firma Duracell -- priznannyj lider v mire po proizvodstvu
shchelochnyh gal'vanicheskih istochnikov odnorazovogo dejstviya.
Istoriya firmy naschityvaet bolee 40 let.
Sama firma raspolozhena v Soedinennyh SHtatah Ameriki. V
Evrope ee zavody nahodyatsya v Bel'gii. Po mneniyu potrebitelej
kak u nas, tak i za rubezhom po populyarnosti, prodolzhitel'nosti
ispol'zovaniya i sootnosheniyu ceny i kachestva batarejki firmy
Duracell zanimayut vedushchee mesto.
Poyavlenie Duracell na rynke Ukrainy privleklo vnimanie
nashih potrebitelej.
Plotnosti razryadnogo toka v litievyh istochnikah ne veliki
(po sravneniyu s drugimi HIT), poryadka 1 mA/sm2 (sm. str.14).
Pri garantirovannom sroke hraneniya 10 let i razryade malym tokom
racional'no ispol'zovat' litievye elementy Duracell v
vysokotehnologichnyh sistemah.
Zapatentovannaya v SSHA tehnologiya EXRA-POWER s primeneniem
dvuokisi titana (TiO2) i drugih tehnologicheskih osobennostej
sposobstvuet povysheniyu moshchnosti i effektivnosti ispol'zovaniya
margancevo-cinkovyh HIT firmy Duracell.
Vnutri stal'nogo korpusa shchelochnyh elementov "Duracell"
raspolozhen cilindricheskij grafitovyj kollektor, v kotorom
nahoditsya pastoobraznyj elektrolit v kontakte s igol'chatym
katodom.
Garantirovannyj srok hraneniya elementov 5 let, i pri etom
-- emkost' elementa, ukazannaya na upakovke, garantiruetsya v
konce sroka hraneniya.
Tehnicheskie harakteristiki HIT firmy Duracell privedeny v
tablice 1.8.
Batarejki koncerna Varta (Germaniya)
Koncern Varta -- odin iz mirovyh liderov po proizvodstvu
HIT. 25 zavodov koncerna raspolozheny v bolee chem 100 stranah
mira i vypuskayut bolee 1000 naimenovanij akkumulyatorov i
batareek.
Osnovnye proizvodstvennye moshchnosti zanimaet Departament
stacionarnyh promyshlennyh akkumulyatorov. Odnako poryadka 600
naimenovanij gal'vanicheskih elementov ot batareek dlya chasov do
germetichnyh akkumulyatorov proizvodyatsya na zavodah koncerna
Departamentom pribornyh batarej v SSHA, Italii, YAponii, CHehii i
t.d., pri garantii neizmennogo kachestva vne zavisimosti ot
geograficheskogo raspolozheniya zavoda. V fotograficheskoj kamere
pervogo cheloveka, stupivshego na Lunu, byli ustanovleny
batarejki koncerna Varta.
Oni dostatochno horosho izvestny nashim potrebitelyam i
pol'zuyutsya ustojchivym sprosom.
Tehnicheskie harakteristiki HIT koncerna Varta s ukazaniem
otechestvennyh analogov privedeny v tablice 1.9.
GLAVA 2
AKKUMULYATORY
Akkumulyatory yavlyayutsya himicheskimi istochnikami
elektricheskoj energii mnogorazovogo dejstviya. Oni sostoyat iz
dvuh elektrodov (polozhitel'nogo i otricatel'nogo), elektrolita
i korpusa. Nakoplenie energii v akkumulyatore proishodit pri
protekanii himicheskoj reakcii okisleniya-vosstanovleniya
elektrodov. Pri razryade akkumulyatora proishodyat obratnye
processy. Napryazhenie akkumulyatora -- eto raznost' potencialov
mezhdu polyusami akkumulyatora pri fiksirovannoj nagruzke.
Dlya polucheniya dostatochno bol'shih znachenij napryazhenij ili
zaryada otdel'nye akkumulyatory soedinyayutsya mezhdu soboj
posledovatel'no ili parallel'no v batarei. Sushchestvuet ryad
obshcheprinyatyh napryazhenij dlya akkumulyatornyh batarej: 2; 4; 6;
12; 24 V.
Kolichestvo akkumulyatorov, neobhodimoe dlya ukomplektovaniya
batarei pri posledovatel'nom soedinenii, opredelyaetsya po
formule:
N = Up / Ua, gde
N -- chislo akkumulyatornyh batarej,
Up -- napryazhenie pitaniya potrebitelya,
Ua -- napryazhenie odnogo polnost'yu zaryazhennogo
akkumulyatora.
Pod otdavaemoj emkost'yu sleduet ponimat' maksimal'noe
kolichestvo elektrichestva v kulonah (amper chasah) ( 1 Ach = 3600
Kl), kotoroe akkumulyator otdaet pri razryade do vybrannogo
konechnogo napryazheniya. V uslovnom oboznachenii tipa akkumulyatora
privoditsya nominal'naya emkost', t.e. emkost' pri normal'nyh
usloviyah razryada (pri razryade nominal'nym tokom i, obychno, pri
temperature 20oS).
Akkumulyatory sleduet vybirat' po sleduyushchim parametram:
koefficient otdachi -- eto otnoshenie kolichestva
elektrichestva v kulonah (Ach)* [3], otdannogo akkumulyatorom pri
polnom razryade, k kolichestvu elektrichestva, poluchennomu pri
zaryade;
koefficient poleznogo dejstviya akkumulyatora -- eto
otnoshenie kolichestva elektrichestva, Kl (Ach)*, kotoroe on otdaet
potrebitelyu, razryazhayas' do ustanovlennogo predela dlya
prodolzheniya normal'noj raboty poslednego, k kolichestvu,
poluchennomu im pri zaryade, Kl (Ach)*.
Znachenie koefficienta poleznogo dejstviya vsegda men'she
znacheniya koefficienta otdachi.
Pri parallel'nom soedinenii akkumulyatorov, t.e. pri
soedinenii mezhdu soboj polozhitel'nyh i otricatel'nyh polyusov
vseh elementov sootvetstvenno, mozhno sostavit' batareyu bol'shoj
emkosti s napryazheniem, ravnym nominal'nomu napryazheniyu odnogo
akkumulyatora i emkost'yu, ravnoj summe emkostej sostavlyayushchih ee
akkumulyatorov.
Dlya oblegcheniya vybora sootvetstvuyushchego potrebitelyu energii
akkumulyatora sravnim nekotorye harakteristiki.
Iz tabl. 2.1 [4] vidno, chto vesovaya udel'naya energiya
serebryano-cinkovyh akkumulyatorov v znachitel'no bol'shej stepeni
zavisit ot temperatury. Primerno tak zhe zavisit ot temperatury
ob®emnaya udel'naya energiya akkumulyatorov.
Ochen' vazhnoj harakteristikoj akkumulyatorov yavlyaetsya
orientirovochnaya otnositel'naya stoimost' 1 Vtch energii,
poluchennoj ot razlichnyh tipov akkumulyatorov odinakovoj emkosti.
Kak vidno iz tabl. 2.2 dorozhe vsego obhoditsya energiya,
poluchaemaya ot serebryano-cinkovyh i kadmievyh akkumulyatorov, i
deshevle ot svincovo-kislotnyh, prinyatyh v dannom sluchae za
edinicu.
Harakteristiki naibolee rasprostranennyh tipov
akkumulyatorov privedeny v tabl. 2.3 [1].
Pri vybore akkumulyatornoj batarei neobhodimo
sprognozirovat' rezhim raboty, harakter izmeneniya nagruzki,
diapazon izmeneniya sily toka i napryazheniya, temperaturu
okruzhayushchej sredy i dr.
Parametry naibolee rasprostranennyh tipov akkumulyatorov
privedeny v tabl. 2.4.
Ogranichimsya rassmotreniem sleduyushchih akkumulyatorov:
kislotnyh akkumulyatorov, vypolnennyh po tradicionnoj
tehnologii;
stacionarnyh svincovyh i privodnyh (avtomobil'nyh i
traktornyh);
germetichnyh neobsluzhivaemyh akkumulyatorov, germetichnyh
nikel'-kadmievyh i kislotnyh "dryfit" A400 i A500 (zheleobraznyj
elektrolit).
Oni udovletvoryayut lyubye trebovaniya po emkosti batarej ot
0,3 do 200 Ach.
2.1. KISLOTNYE AKKUMULYATORY
Akkumulyator sostoit iz polozhitel'nogo i otricatel'nogo
elektrodov, rastvora sernoj kisloty (27...39%-nyj rastvor) i
separatora, razdelyayushchego polozhitel'nye i otricatel'nye
plastiny.
Batarei sostoyat iz posledovatel'no soedinennyh mezhdu soboj
sekcij (akkumulyatorov). Nominal'noe napryazhenie kazhdogo
akkumulyatora sostavlyaet 2 V. Obychno batarei sostoyat iz treh
(obshchee napryazhenie batarei 6 V) i shesti akkumulyatorov (obshchee
napryazhenie batarei 12 V). Kolichestvo batarej v akkumulyatore
oboznachaetsya N.
Primenyayutsya dva tipa elektrodov: poverhnostnye i
pastirovannye. Poverhnostnyj elektrod sostoit iz svincovoj
plastiny, na poverhnosti kotoroj elektrohimicheskim sposobom
formiruetsya sloj aktivnoj massy. Pastirovannye elektrody
podrazdelyayutsya na reshetchatye (namaznye), korobchatye i
pancirnye.
V reshetchatyh (namaznyh) elektrodah aktivnaya massa
uderzhivaetsya v reshetke iz svincovo-sur'myanogo splava tolshchinoj
1...4 mm. V korobchatyh plastinah reshetki s aktivnoj massoj
zakryvayutsya s dvuh storon perforirovannymi svincovymi listami.
Pancirnye plastiny sostoyat iz svincovo-sur'myanyh shtyrej,
kotorye pomeshchayutsya vnutri plastmassovyh perforirovannyh trubok,
zapolnennyh aktivirovannoj massoj. Dlya otricatel'nyh elektrodov
ispol'zuyutsya namaznye i korobchatye plastiny, dlya polozhitel'nyh
-- poverhnostnye, namaznye i pancirnye. V kachestve separatorov
primenyayut mikroporistye plastiny iz vulkanizirovannogo kauchuka
(mipor), polivinilhlorida (miplast) i steklovolokna.
Svincovye akkumulyatory obychno soedinyayut v batareyu, kotoruyu
pomeshchayut v monoblok iz ebonita, termoplasta, polipropilena,
polistirola, polietilena, asfal'topekovoj kompozicii, keramiki
ili stekla.
Odnoj iz vazhnejshih harakteristik akkumulyatora yavlyaetsya
srok sluzhby ili resurs-narabotka (chislo ciklov). Uhudshenie
parametrov akkumulyatora i vyhod iz stroya obuslovleny v pervuyu
ochered' korroziej reshetki i opolzaniem aktivnoj massy
polozhitel'nogo elektroda. Srok sluzhby akkumulyatora opredelyaetsya
v pervuyu ochered' tipom polozhitel'nyh plastin i usloviyami
ekspluatacii.
Akkumulyatory i batarei imeyut uslovnoe bukvenno-cifrovoe
oboznachenie. Pervaya cifra (dlya otechestvennyh akkumulyatorov)
ukazyvaet chislo posledovatel'no soedinennyh akkumulyatorov. Tak
kak nominal'noe napryazhenie svincovogo akkumulyatora ravno dvum
vol'tam, to nominal'noe napryazhenie akkumulyatornoj batarei ravno
chislu posledovatel'no soedinennyh elementov, umnozhennomu na
dva.
Dlya nekotoryh akkumulyatorov ukazyvayutsya klimaticheskoe
ispolnenie i razmeshchenie. Naprimer, starternaya batareya iz shesti
akkumulyatorov emkost'yu 55 Ach v monobloke iz ebonita i s
separatorom iz steklovolokna imeet uslovnoe oboznachenie:
batareya 6ST-55|S, GOST 959.0-79.
Svincovye akkumulyatory imeyut vysokie razryadnye napryazheniya
(ris. 2.1) i udel'nuyu moshchnost' (do 100...150 Vt/kg) i
otnositel'no nedorogi. K osnovnym ih nedostatkam sleduet
otnesti nizkuyu udel'nuyu energiyu i otnositel'no malyj resurs.
Bukva posle pervoj cifry oboznachaet tip ili naznachenie
akkumulyatora ili batarei:
S stacionarnye
ST starternye
A aviacionnye
V vagonnye
Sovershenstvovanie svincovyh akkumulyatorov idet po puti
izyskaniya novyh splavov dlya reshetok (naprimer
svincovo-kal'cievyh), oblegchennyh i prochnyh materialov korpusov
(naprimer, na osnove sopolimera propilena i etilena), uluchsheniya
kachestva separatorov.
Nizhe rassmatrivayutsya germetichnye svincovye akkumulyatory,
kotorye ne trebuyut dolivki vody pri ekspluatacii, ne imeyut
gazovydeleniya i kislotnogo tumana. V poslednie gody voznikli
novye sfery primeneniya batarej. Rech' idet o rezervnyh
istochnikah pitaniya |VM i sistem, nakaplivayushchih energiyu dlya
vozmozhnyh pikovyh nagruzok.
2.1.1. STACIONARNYE SVINCOVYE AKKUMULYATORY
Prednaznacheny dlya ekspluatacii na postoyannom meste ili v
usloviyah, isklyuchayushchih peremeshchenie akkumulyatorov ili mashin, v
kotoryh oni ustanovleny. V bol'shinstve vypuskaemyh
akkumulyatorov (tipov S, SZ, SK i SK|) polozhitel'nymi
elektrodami sluzhat poverhnostnye plastiny, otricatel'nymi --
korobchatye plastiny. Korpusa stacionarnyh akkumulyatorov
izgotavlivayut iz stekla, ebonita i dereva (vylozhennogo iznutri
svincom).
Parametry stacionarnyh svincovyh akkumulyatorov privedeny v
tabl. 2.5.
Maksimal'nyj tok zaryada akkumulyatorov s N = 1 raven 9 A.
Emkosti i toki zaryada i razryada dlya batarej akkumulyatorov s
sootvetstvuyushchim N mozhno najti