🔋 9 типов аккумуляторов в наше время: преимущества и недостатки (сравнение от российского производителя, таблица по ним, выводы для простых пользователей). 👇
От смартфонов и ноутбуков до автомобилей и самолётов — различные типы аккумуляторных батарей накапливают химическую энергию и преобразуют её в электрическую, но не все они одинаковы. Каждая разновидность обладает и преимуществами, и серьёзными недостатками одновременно.
🔻 Смириться с ограничениями невозможно, лишь «обойти» с помощью смекалки и ухищрений при проектировании устройств.
Аккумуляторы: у всех типов химии есть ограничения
К примеру, свинцово-кислотные — самые распространённые, но и самые тяжёлые, «слабые». Вы их встретите в автомобилях, источниках бесперебойного питания (ИБП) и некотором электротранспорте (электропогрузчики, электропаллеты и так далее).
Литий-ионные и литий-полимерные — самые лёгкие и мощные, но и самые дорогие и опасные, если использовать неправильно. Инженеры их ставят в смартфонах, ноутбуках, электромобилях и в самую разную электронику в качестве замены других типов.
Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные — средние по характеристикам, но не очень экологичные, требуют особого ухода, чтобы долго служили. Вы их найдёте в фонариках, игрушках и инструментах.
Новые типы химии пытаются превзойти существующие электрохимические системы. Но пока они страдают от проблем с долговечностью, эффективностью, стоимостью, доступностью, производством и логистикой поставки компонентов.
🏭 Инженеру-проектировщику не всегда просто определиться с выбором аккумулятора для конкретного устройства. Он должен эффективно использовать их отличия с пониманием ограничений каждой химии.
🔻 В этой статье вы узнаете общие оценки актуальных электрохимических систем без путаницы. Воспользуйтесь нашим опытом производства аккумуляторов в России.
⭐ В конце привели таблицу и ссылки на «Википедию» и другие источники, чтобы вы смогли подробнее изучить каждый тип.
Список 9 наиболее распространённых типов перезаряжаемых аккумуляторов (все они существуют прямо сейчас)
Типы батарей отличаются материалами и химическими реакциями для производства электричества. К наиболее распространённым относятся 9 электрохимических систем.
1) Свинцово-кислотный аккумулятор
Это один из старейших и наиболее широко используемых типов аккумуляторных батарей. Электроды из диоксида свинца и металлического свинца, погружённых в сернокислый электролит.
Главный недостаток — малый срок службы, низкое соотношение энергии к весу и объёму, нужно следить за электролитом и состоянием пластин, нельзя разряжать полностью. Зато недорого производить, доступная цена для потребителя. Работает положенный (хоть и небольшой) срок надёжно.
Такие батареи используются для автомобильных стартеров, источников бесперебойного питания и крупномасштабных накопителей энергии.
2) Никель-кадмиевая батарея (NiCd)
Это тип перезаряжаемой батареи с электродами из гидроксид оксида никеля и металлического кадмия. Такие аккумуляторы имеют более высокую плотность энергии, чем свинцово-кислотные батареи, получше характеристики на заряд и разряд, стойкость к внешним воздействиям.
Страдают от условно называемого «эффекта памяти». Из-за него приходится каждый раз батарею разряжать перед последующей зарядкой, иначе доступная ёмкость снизится, и тогда никаких преимуществ перед свинцово-кислотными не будет. Требуют регулярной тренировки разряд-заряд-разряд, иначе становятся бесполезными и быстро разряжаются.
Есть ещё и нерешённые экологические проблемы по причине токсичности кадмия. В развитых странах даже запрещены к продаже. Сейчас всё ещё используется в портативных устройствах, электроинструментах, в авиации, военном промышленном комплексе и космических программах.
3) Никель-металлгидридные аккумуляторы (NiMH)
В качестве электродов используются гидроксид оксида никеля и сплав, поглощающий водород. Созданы как более совершенный аналог NiCd, но и обладают недостатками в сравнении с ним.
Выше плотность энергии, чем у NiCd-аккумуляторов. Хотя тоже есть необходимость в периодической разрядке перед зарядкой из-за так называемого «эффекта памяти». Срок службы меньше никель-кадмиевых, зато проще в использовании, так как ёмкость снижается не так явно и не так быстро без обслуживания и тренировочных зарядов.
Элементы NiMH сегодня широко используются в бытовой электронике, как недорогая альтернатива литий-ионным. А ещё, например, в гибридных транспортных средствах и электромобилях.
4) Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)
Самый распространённый тип перезаряжаемых батарей после свинцово-кислотного по мировым оценкам последних лет. В качестве электродов используются интеркалированные соединения лития. Отсюда множество разновидностей электрохимических систем у Li-ion от кобальтовых до титанатных.
Обладают наиболее высокой плотностью энергии, высокой удельной мощностью и низкой скоростью саморазряда при хранении. Отсутствует условно называемый «эффект памяти» (их не нужно «тренировать», если только в случае проблем с индикацией — калибруется он, а не батарея).
Однако литий-ионный тип имеет проблемы с безопасностью из-за неконтролируемого теплового разгона в случае неправильной эксплуатации или повреждения. То есть требует наличия защитных схем. Сейчас используется повсеместно: в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, электромобилях и аэрокосмической технике.
5) Литий-ионный полимерный аккумулятор (LiPo, Li-Polymer)
Разновидность литий-ионной батареи, которую следует упомянуть из-за её особой популярности среди пользователей, породив миф, что это разные системы.
Это такая же перезаряжаемая батарея, как и литий-ионная. Разница в том, что вместо жидкого электролита используется загущенный (в 99% случаев) до полимеризации или твёрдый (1% редких элементов) полимерный электролит.
По своим характеристикам он ничем не отличается от литий-ионных батарей, кроме того, что изменённый до густого состояния электролит позволяет создать больше удобных для инженера форм и размеров. Есть и недостаток в сравнении с Li-ion — конструктивно сложно и дорого разместить газоотвод (потому его и не ставят), из-за чего они вздуваются при нарушении температурного режима или повреждениях.
Поэтому Li-Polymer используют в основном для портативных устройств, носимой электроники и беспилотников. То есть там, где важно максимально легко и компактно разместить источник питания — они дают возможность создания батарей различных форм.
6) Литий-серная батарея (Li-S)
В качестве электродов используются металлический литий и сера. Здесь очень высокая теоретическая плотность энергии при низкой стоимости изготовления.
Но у этого типа батарей есть технические проблемы: низкий срок службы и плохие энергетические характеристики (на заряд и разряд). Опытные образцы существуют — их можно заказать в Китае через продавцов на Taobao. Но для массового изготовления всё ещё нужно преодолеть стадии разработки для конкретных применений с учётом недостатков.
7) Воздушно-цинковые батареи
Существуют как первичные (одноразовые батарейки), так и вторичные (перезаряжаемые) аккумуляторы. В качестве электродов используются цинк и кислород, а в качестве электролита — гидроксид калия.
Они обладают высокой плотностью энергии, низкой стоимостью и длительным сроком хранения, но при этом имеют низкий КПД, высокую скорость саморазряда, плохую работу во влажной или холодной среде, а также ограниченную доступность. Сейчас в основном они используются в слуховых аппаратах и медицинских приборах как одноразовые элементы, а также опытно в электротранспорте как перезаряжаемые.
8) Литий-воздушная батарея (Li-air)
Для электродов используются металлический литий и кислород из воздуха. Этот тип обладает чрезвычайно высокой теоретической плотностью энергии при малом весе.
Но есть и технические ограничения. Например, низкая эффективность при разрядке, малый срок службы и проблемы безопасности. Пока они не преодолены, всё ещё будет находиться в стадии исследования для применения в будущем.
9) Твердотельные аккумуляторы
Для электродов и электролита используются твёрдые материалы, а не жидкости или гели. По сути литий-полимерные элементы с твёрдым полимерным электролитом относятся к типу твердотельных аккумуляторов (из-за этого возникает путаница).
Выпущенные прототипы имеют множество потенциальных преимуществ. В сравнении с другими типами у них уже есть более высокая плотность энергии и увеличенный срок службы, обнаруженный при циклировании на тестах. Быстрее заряжаются и без нагрева. Меньшая склонность к тепловому разгону за счёт стойкости химических реакций, из-за чего хорошо себя чувствуют в более широком диапазоне рабочих температур.
Однако они тоже сталкиваются со многими проблемами: низкая проводимость, высокое внутреннее сопротивление, плохая совместимость и проблемы масштабируемости. Потому из стадии разработки пока не уходят и широкого распространения не получают.
***
Все они разные, каждый нужен. Дают нам свет и тепло, звук и изображение, движение и память.
Они свинцовые, кадмиевые, никелевые, литиевые... Тяжёлые и лёгкие, дешёвые и дорогие, долговечные и хрупкие. Каждая со своими плюсами и минусами.
Инженеру выбрать, что установить в электронику не всегда просто. И техническое решение, и ответственный шаг.
От аккумуляторов зависит наше удобство, комфорт и, что самое важное, безопасность. Перезаряжаемая батарея — источник энергии и часть нашей жизни.