Классификация по типу химической реакции

 

Тип	Описание	Достоинства	Недостатки
Первичные	Гальванические элементы. Реакции, происходящие в них, необратимы, поэтому их нельзя перезарядить. Обычно именно их и называют словом «батарейка». Попытка зарядить первичный элемент питания может привести к порче и утечке щёлочи или других веществ, находящихся в нём. Самые популярные.	Выше ёмкость и/или дешевле. Меньше саморазряд.	Одноразовость применения.
Вторичные	Аккумуляторы. В отличие от первичных, реакции в них обратимы, поэтому они способны преобразовывать электрическую энергию в химическую, накапливая её (заряд), и выполнять обратное преобразование, отдавая электрическую энергию потребителю (разряд). Для распространённых аккумуляторов число циклов заряд-разряд обычно равно примерно 1000 и заметно зависит от условий эксплуатации.	Многократность применения, перезаряжаемые.	Ниже ёмкость и/или дороже. Сильнее саморазряд.

 

Электрический аккумулятор

Электри́ческий аккумуля́тор — химический источник тока многоразового действия, который может быть вновь заряжен после разряда. Вторичный элемент, в процессе заряда функционирует как электролитическая ячейка (электролизер). В первичном элементе используется самопроизвольная химическая реакция. В электролизере электрическая энергия вызывает желаемую химическую реакцию. Перезарядка аккумулятора происходит путем пропускания тока внешнего источника. Многие реакции, используемые в гальванических (первичных) элементах непригодны для аккумуляторов даже в случае их обратимости, так как цикл разряд — заряд может изменить состояние электродов. Наибольшее распространение получили свинцовые и щелочные (железно-никелевые и кадмий-никелевые) аккумуляторы, также используются цинк-серебряные, цинк-воздушные и марганцевые. Два и более аккумулятора для повышения напряжения, тока, мощности или надежности могут быть гальванически соединены в аккумуляторную батарею.

Используется для циклического накопления энергии (через заряд-разряд) и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования, а также для обеспечения резервных источников энергии в медицине, производстве, транспорте и в других сферах.

История

Первый прообраз аккумулятора, который, в отличие от батареи Алессандро Вольты, можно было многократно заряжать, был создан в 1803 году Иоганном Вильгельмом Риттером.

 

 

Иога́нн Вильге́льм Ри́ттер (16 декабря 1776 — 23 января 1810) — немецкий химик, физик, философ-романтик.

 

Его аккумуляторная батарея представляла собой столб из пятидесяти медных кружочков, между которыми было проложено влажное сукно. После пропускания через данное устройство тока от вольтова столба оно само начинало вести себя как источник электричества.

Принцип действия аккумулятора

Электри́ческий аккумуля́тор — химический источник тока многоразового действия, который может быть вновь заряжен после разряда. Вторичный элемент, в процессе заряда функционирует как электролитическая ячейка (электролизер).

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде.

Используется для циклического накопления энергии (через заряд-разряд) и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования, а также для обеспечения резервных источников энергии в медицине, производстве, транспорте и в других сферах.

Параметры аккумулятора

Ёмкость аккумулятора. За ёмкость аккумулятора чаще всего принимают количество электричества равное 1 Кл, при силе тока 1 А в течение 1 с, (при переводе времени в часы получаем 1 А*ч=3600 Кл). Как правило ёмкость аккумулятора приводится в Ампер*часах.

Плотность энергии

Плотность энергии — количество энергии на единицу объёма или единицу массы аккумулятора.

Саморазряд

Саморазряд — это потеря аккумулятором заряда после полной зарядки при отсутствии нагрузки. Саморазряд проявляется по-разному у разных типов аккумуляторов, но всегда максимален в первые часы после заряда, а после — замедляется.

Температурный режим

Следует беречь аккумуляторы от огня и воды, чрезмерного нагревания и охлаждения, резких перепадов температур.

Не следует использовать аккумуляторы при температурах выше +50°С и ниже −25°С. При эксплуатации аккумулятора в условиях «холодной зимы» рекомендуется его снимать и хранить в тёплом помещении. Нарушение температурного режима может привести к сокращению срока службы или потере работоспособности аккумуляторов.

Типы аккумуляторов

Тип аккумулятора определяется используемыми материалами. В настоящее время разработаны несколько десятков видов аккумуляторов, использующих самые разные материалы и химические реакции. При ведём некоторые из них:

Cn-Po — Графен-полимерный аккумулятор.

La-Ft — лантан-фторидный аккумулятор

Li-Ion — литий-ионный аккумулятор (3,2-4,2 V), общее обозначение для всех литиевых аккумуляторов

Li-Co — литий-кобальтовый аккумулятор, (3,6 V), на базе LiCoO2, технология в процессе освоения

Li-Po — литий-полимерный аккумулятор (3,7 V), полимер в качестве электролита

Li-Ft — литий-фторный аккумулятор

Li-Mn — литий-марганцевый аккумулятор (3,6 V) на базе LiMn2O4

LiFeP или LFP — Литий-железно-фосфатный аккумулятор (3,3 V) на базе LiFePO4

LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатный (Добавка иттрия для улучшения свойств)

Li-Ti — литий-титанатный аккумулятор (3,2 V) на базе Li4Ti5О12

Li-Cl — литий-хлорный аккумулятор (3,99 V)

Li-S — литий-серный аккумулятор (2,2 V)

LMPo — литий-металл-полимерный аккумулятор

Fe-air — железо-воздушный аккумулятор

Na/NiCl — никель-солевой аккумулятор (2,58 V)

Na-S — натрий-серный аккумулятор, (2 V), высокотемпературный аккумулятор

Ni-Cd — никель-кадмиевый аккумулятор (1,2 V)

Ni-Fe — железо-никелевый аккумулятор (1,2-1,9 V)

Ni-H2 — никель-водородный аккумулятор (1,5 V)

Ni-MH — никель-металл-гидридный аккумулятор (1,2 V)

Ni-Zn — никель-цинковый аккумулятор (1,65 V)

Pb — свинцово-кислотный аккумулятор (2 V)

Pb-H — свинцово-водородный аккумулятор

Ag-Zn — серебряно-цинковый аккумулятор (1,85 V)

Ag-Cd — серебряно-кадмиевый аккумулятор (1,6 V)

Zn-Br — цинк-бромный аккумулятор (1,8 V)

Zn-air — цинк-воздушный аккумулятор

Zn-Cl — цинк-хлорный аккумулятор

RAM (Rechargeable Alkaline Manganese) — перезаряжаемая разновидность марганцево-цинкового щелочного гальванического элемента (Ванадиевый аккумулятор (1,41 V)

Алюминиево-графитный аккумулятор (2 V)

Алюминиево-ионный аккумулятор (2 V)

Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита.

 Сейчас наиболее распространены следующие аккумуляторы:

Тип	ЭДС (В)	Область применения
свинцово-кислотные Pb	2,1	троллейбусы, трамваи, воздушные суда, автомобили, мотоциклы, электропогрузчики, штабелеры, электротягачи, аварийное электроснабжение, источники бесперебойного питания
никель-кадмиевые Ni-Cd	1,2	замена стандартного гальванического элемента, строительные электроинструменты, троллейбусы, воздушные суда
никель-металл-гидридные Ni-MH	1,2	замена стандартного гальванического элемента,  электромобили
литий-ионные Li‑ion	3,7	мобильные устройства, строительные электроинструменты, электромобили
литий-полимерные Li‑pol	3,7	мобильные устройства, электромобили
никель-цинковые Ni-Zn	1,6	замена стандартного гальванического элемента

 

 

Разновидности аккумуляторов

 

 

Автомобильный аккумулятор

Пример размещения аккумулятора на шасси автомобиля

 

Литиевые аккумуляторы

Наиболее широко используемым видом литиевых аккумуляторов является литий -ионный аккумулятор. Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и электромобили.

 

Литиевые аккумуляторы

 

История

Впервые принципиальная возможность создания литиевых аккумуляторов на основе способности дисульфида титана или дисульфида молибдена включать в себя ионы лития при разряде аккумулятора и экстрагировать их при зарядке была показана в 1970 году Майклом Стэнли Уиттингемом. Существенным недостатком таких аккумуляторов являлось низкое напряжение - 2,3 В и высокая пожароопасность вследствие образования дендритов металлического лития, замыкающих электроды.

Позднее Дж. Гуденафом были синтезированы другие материалы для катода литиевого аккумулятора - кобальтит лития LixCoO2(1980 год), феррофосфат лития LiFePO4 (1996 год). Преимуществом таких аккумуляторов является более высокое напряжение - около 4 В.

Современный вариант литий-ионного аккумулятора с анодом из графита и катодом из кобальтита лития изобрёл в 1991 году Акира Ёсино. Первый литий-ионный аккумулятор по его патенту выпустила корпорация Sony в 1991 году.

В настоящее время ведутся исследования по поиску материалов на основе кремния и фосфора, обеспечивающих повышенную ёмкость интеркалирования ионов лития и по замене ионов лития на ионы натрия.

Уиттингем, Гуденаф и Ёсино получили Нобелевскую премию по химии в 2019 году с формулировкой «За создание литий-ионных батарей».

 

Джон Б Гуденаф, Майкл Стэнли Виттинхэм и Акира Ёсино - лауреаты Нобелевской премии по химии за изобретение литий-ионных батарей, 2019 год.