Распространенные типы аккумуляторных батарей

19.12.2022

Аккумуляторы представляют собой источники постоянного тока, которые накапливают и хранят энергию. Львиная доля аккумуляторных батарей полагается в работе на принципы циклического преобразования химической энергии в электрическую, что позволяет многократно заряжать и разряжать их. Какие существуют типы аккумуляторов, чем они хороши и плохи? Давайте попробуем разобраться.

На рынке существует великое множество разновидностей аккумуляторов. Они отличаются друг от друга строением и характером протекающих внутри химических процессов. В свете перебоев с энергоснабжением и большого спроса на АКБ для развертывания автономных систем питания в рамках материала мы рассмотрим популярные типы аккумуляторов: автомобильные, для источников бесперебойного питания и автономных комплексов на базе солнечных панелей или ветрогенераторов. Между собой эти разновидности батарей похожи больше всего.

Свинцово-кислотные

Свинцово-кислотный тип является старейшиной в разрезе других распространенных разновидностей аккумуляторов. Технологию изобрел французский физик Гастон Планте еще в 1859 году. Свинцово-кислотные АКБ подкупают универсальностью применения и относительно доступной стоимостью. Их используют в различных видах автотранспортных средств, системах автономного или резервного энергоснабжения и т.п.

Конструктивно этот тип аккумуляторов строится в пластиковом корпусе и состоит из свинцовых пластин, которые погружены в электролит (водный раствор на основе серной кислоты). Принцип действия АКБ заключается в преобразовании химической энергии в электрическую при разрядке и наоборот — электрической энергии в химическую при зарядке. Отметим, что во время разрядки на пластинах образуется налет из сульфата свинца. И чем больше батарея разряжена, тем толще будет слой отложений. Как следствие, напряжение аккумулятора падает. В ходе зарядки АКБ происходит процесс десульфатации, однако на практике пластины электродов не очищаются полностью и со временем свинцово-кислотные аккумуляторы теряют первоначальную емкость.

Упрощенная схема строения свинцово-кислотного аккумулятора: 1 — пластины из диоксида свинца; 2 — свинцовые пластины; 3 — жидкий электролит; 4 — корпус.

Свинцово-кислотные АКБ обладают низким саморазрядом, могут похвастаться отсутствием «эффекта памяти» и сохраняют работоспособность в широком диапазоне температур. В то же время чем меньше остается заряда в таких аккумуляторах, тем меньше они выдают тока. Также свинцово-кислотные батареи боятся глубоких разрядов, долго заряжаются, имеют большие габариты и вес. Модели обслуживаемой конструкции в придачу выделяют вредные пары, что не позволяет эксплуатировать их в закрытых помещениях.

Свинцово-кислотные EFB

Многие недостатки оригинальных свинцово-кислотных аккумуляторов исправлены в батареях EFB (Enhanced Flooded Battery). Их аббревиатура расшифровывается как «улучшенная батарея с жидким электролитом». В «нутре» таких АКБ установлены толстые свинцовые пластины безо всяческих примесей, притом пластина с положительным зарядом находится в микроволоконном конверте с наполнением жидким электролитом. Пакеты из микроволокна предотвращают осыпание активной массы и существенно замедляют процесс сульфатации пластин при глубоких разрядах аккумулятора. Как следствие, обеспечивается высокая продуктивность токоотдачи и предотвращается риск возникновения коротких замыканий.

Свинцовые пластины в конструкции аккумуляторов EFB помещены в микроволоконные пакеты.

Ввиду применения утолщенных пластин аккумуляторам EFB требуется больше времени для восполнения энергетических запасов. Заряжать их необходимо подходящими устройствами, скрупулезно контролируя вольтаж, в противном случае электролит может вскипеть и испариться. По всем прочим пунктам программы усовершенствованные свинцово-кислотные АКБ обладают лишь рядом достоинств: они устойчивы к глубоким разрядам, сохраняют высокую продуктивность работы в широком спектре температур и демонстрируют низкий уровень саморазряда. Стоят аккумуляторы EFB дороже оригинальных свинцово-кислотных визави.

Гелевые GEL

Гелевые АКБ — это еще более продвинутая разновидность свинцово-кислотных аккумуляторов со специальным загустителем в составе, который доводит электролит до желеобразного состояния. Гелевый электролит обеспечивает максимальный контакт с отрицательными и положительными пластинами, сохраняя при этом однородную консистенцию по всему объему. Изготавливаются гелевые аккумуляторы в герметичном корпусе, в работе они не выделяют абсолютно никаких вредных веществ и не нуждаются в обслуживании.

Электролит внутри гелевых аккумуляторов находится в желеобразном состоянии.

Гелевые АКБ подкупают высокой надежностью, экологичностью, низким уровнем саморазряда, длительным эксплуатационным ресурсом. В то же время они не лучшим образом подходят для буферного режима работы — долгое время стоять наготове, чтобы краткосрочно поддержать энергоснабжение в резервном режиме питания. Приобретать такие батареи для ИБП имеет смысл, когда «беспребойнику» приходится включаться практически ежедневно — например, для нестабильных сетей с постоянными и длительными сбоями в подаче энергии.

Абсорбированный электролит AGM

Электролит в аккумуляторах типа AGM (Absorbed Glass Mat) абсорбирован пористыми волокнами для придания ему желеобразной структуры. Такие батареи изготавливаются в герметичных корпусах и обладают уменьшенным электрическим сопротивлением, что позволяет отдавать значительные токи в короткие отрезки времени. Аккумуляторы AGM подходят на роль стартовых для запуска силовых агрегатов в машинах и очень часто применяются в системах резервирования электропитания.

Электролит в аккумуляторах типа AGM абсорбирован мелкопористыми стеклянными волокнами.

Конкурентные преимущества аккумуляторов AGM включают продолжительный срок службы, низкую стоимость обслуживания и себестоимость в целом, большую энергоемкость, устойчивость к тряскам и вибрациям. Однако батареи AGM плохо переносят перезарядку, обладают чувствительностью к низким температурам и имеют большой вес.

Литий-ионные Li-Ion

Литий-ионные аккумуляторы Li-Ion применяются в современных реалиях повсеместно. Они получили широкое распространение в бытовой технике и мобильных гаджетах, нашли себя в качестве источников питания в электромобилях и накопителях энергии. Состоят подобные батареи из положительного анода на медной фольге и отрицательного катода на алюминиевой фольге. Заряд и разряд в аккумуляторах Li-Ion связан с переносом иона лития между электродами.

АКБ типа Li-Ion обладают наибольшим соотношением емкости относительно размеров размеров корпуса, благодаря чему реализована возможность изготовления мощных аккумуляторов с минимальными габаритами и весом. Применяется этот тип батарей в устройствах с большим энергопотреблением либо же при необходимости обеспечить максимальную длительность автономной работы.

Большие пакеты литий-ионных аккумуляторов послужат отличным решением для питания «прожорливых» энергопотребителей.

Батареи этого типа имеют большой резерв по циклам заряда/разряда, поддерживают ускоренную процедуру зарядки, отличаются полным отсутствием «эффекта памяти» и низким саморазрядом. Обратная сторона медали аккумуляторов Li-Ion — высокая пожароопасность, подверженность деградации со временем и чувствительность к низким температурам. Зарядный процесс литий-ионных АКБ отслеживает специальная BMS-плата, которая контролирует зарядку и разрядку, анализирует состояние компонентов, снимает показатели температуры, напряжения и сопротивления, балансирует токи между компонентами батареи.

Литий-полимерные Li-Pol

Главное отличие аккумуляторов Li-Pol от батарей Li-Ion состоит в типе применяемого электролита. В литий-полимерных АКБ его роль выполняет специальный полимер с токопроводящими добавками. Структура электролита бывает разной: сухой, гомогенной в форме геля либо же с мелкопористой полимерной матрицей. Аккумуляторы Li-Pol могут принимать гибкие формы и часто выпускаются в мягкой оболочке вместо жесткого корпуса.

Аккумуляторы Li-Pol гораздо «стройнее» литий-ионных визави.

Положительные и отрицательные качества у литий-полимерных АКБ идентичны типу Li-Ion. С той лишь разницей, что таким аккумуляторам можно придать абсолютно любые формы. Они отличаются изяществом и тонкими формами, однако стоят дороже литий-ионных сверстников.

Литий-железо-фосфатные LiFePO4

Лучшими по совокупности параметров для массовых потребителей считаются литий-железо-фосфатные аккумуляторы LiFePO4. На голову выше них стоят разве что литий-титанатовые АКБ, однако и стоят они на порядок дороже. В амплуа материала катода у LiFePO4 применяется литий-феррофосфат. Главными преимуществами этого типа АКБ являются большое число рабочих циклов заряда/разряда (свыше 2000), химическая и термическая стабильность, способность без проблем работать на морозе, меньшее время заряда (в т.ч. высокими токами) и повышенная безопасность эксплуатации.

Батареи типа LiFePO4 — наиболее прогрессивные на сегодняшний день.

Контроль и управление этими батареями возлагается на BMS-плату, которая гарантирует безопасные пределы напряжения и тока. Аккумуляторы LiFePO4 имеют наименьшую вероятность теплового разгона и возгорания. Рабочее напряжение у них понижено. Впрочем, у этого есть и плюсы: оно приводит к меньшему внутреннему сопротивлению и повышенной скорости заряда/разряда. Единственное, чего боятся такие батареи, так это прямого воздействия влаги — при взаимодействии с водой происходит потеря активного лития и снижается плотность энергии. Также аккумы LiFePO4 обладают большими размерами в сравнении с литиевыми «одноклассниками» (примерно на 30 %), а еще их нельзя заряжать при отрицательных температурах. В качестве стартовых аккумуляторов для авто такие батареи используется редко, поскольку весьма дорого обходится BMS-плата управления, заточенная под высокие стартовые токи.

_____

Чтобы сделать правильный выбор в пользу накопителей энергии, нужно верно расставить приоритеты и учесть особенности дальнейшего использования батарей. Выбор аккумулятора по типу — задача несложная, если подойти к вопросу с умом и взвесить все «за» и «против» для каждой распространенной технологии.