Аккумуляторные батареи. Виды и устройство. Особенности

Аккумуляторные батареи (АКБ) – это химические источники постоянного тока, способные накапливать и восстанавливать электрический заряд. Их основное назначение – обеспечение электропитанием мобильных устройств самого различного типа. От этих элементов питаются современные телефоны, наручные и настольные часы, детские игрушки, пульты управления и множество других приборов и девайсов.

Автомобильные аккумуляторные батареи используются для электропитания бортового оборудования современных транспортных средств. Сборки из нескольких таких изделий применяются в промышленных и бытовых гелиосистемах, выполняя функцию временных накопителей энергии. А мощные блоки из десятков параллельно включенных батарей востребованы в промышленных установках особого назначения, где они используются в качестве резервных источников питания.

Как устроены аккумуляторные батареи

Любой современный аккумулятор содержит в своем составе следующие основные части:

Прочный корпус из металлического или пластичного материала.
«Положительный» анод и «отрицательный» катод, выполняющие функцию накопителей противоположных по знаку зарядов.
Контактные клеммы, выведенные наружу.
Обязательный компонент любой аккумуляторной батареи – электролит, используемый в жидком или в твердом (гелеобразном) состоянии.

Корпус аккумуляторов изготавливается из материалов, устойчивых к разрушающему воздействию щелочей и кислот, входящих в состав электролита. При производстве катода и анода используются химически активные вещества, вступающие в окислительно-восстановительные реакции с электролитическим наполнителем. Контактные клеммы предназначаются для подключения изделия к внешним питающим цепям (к нагрузке).

Akkumuliatornye batarei ustroistvo

1 — Отрицательный электрод
2 — Разделительный слой
3 — Положительные электроды
4 — Отрицательный контакт
5 — Предохранительный клапан
6 — Положительные электроды
7 — Положительный контакт

Например, автомобильные АКБ содержат несколько рабочих банок. В каждой из них имеются «свои» анод и катод, разделенные небольшими промежутками. Все они располагаются внутри пропиленового корпуса, заполненного жидким электролитом, получаемым путем смешивания серной кислоты с дистиллированной водой. При его приготовлении особое внимание уделяется соблюдению пропорции указанных компонентов.

Принцип работы аккумуляторных батарей

Основан на преобразовании химической энергии в электрическую за счет протекающих внутри корпуса окислительно-восстановительных реакций. Этот процесс сопровождается выделением ионов и свободных электронов, направленное перемещение которых и образует электрический ток.

За окислительную часть протекающих реакций «ответственен» анод, собирающий положительные заряды, а за восстановление химических элементов – катод. Электролит в батареях необходим для того, чтобы разделять активные элементы на катионы и анионы.

В корпусе батареи электроды разнесены на определенное расстояние и соединяются между собой «солевым мостиком». По нему и перемещаются анионы и катионы, образуя токопроводящую среду. Снаружи она замыкается на подключенный к аккумулятору прибор или устройство, образующие нагрузочную цепь.

Разновидности

Аккумуляторные батареи от известных производителей классифицируются по следующим признакам:

Материал пластин и тип электролита.
Форма и габариты.
Рабочее напряжение.
Энергоемкость.

Указанные параметры могут рассматриваться в качестве технических характеристик аккумуляторных батарей.

Материал электродов и тип электролита

По материалу анода и катода все известные аккумуляторные батареи подразделяются на следующие основные виды:

Akkumuliatornye batarei tablitsa

Никель-кадмиевые имеют анод на основе гидрата кадмия, а катод изготавливается из гидроксида никеля в смеси с графитовым порошком. В качестве электролита в таких батареях используется желеобразная масса на основе влажной щелочи. Никель-металл-гидридные содержат анод, изготавливаемый из гидрида никель-лантана. Материал катода этих батарей – оксид никеля. А в качестве электролита используется гидроксид калия.

Материалом анода у алкалиновых батареек служит цинк, а катод изготавливается на основе двуокиси марганца. Гелеобразный электролит в этих изделиях имеет щелочную основу (гидроксид калия). В литий-ионных и полимерных, функцию электролита выполняет твердое полимерное вещество (синтетический пластик).

Litii-ionnye akkumuliatory

Форма и габариты

По форме все АКБ делятся на следующие виды:

Плоские квадратной формы.
Бочкообразные различного диаметра и длины.
Изготавливаемые в виде таблеток определенного диаметра и толщины.
Отдельно, автомобильные аккумуляторные батареи (АКБ), имеющие объемную квадратную форму и стандартные габариты.

Рабочее напряжение и энергоемкость

Аккумуляторные элементы рассчитаны на напряжения, величина которых выбирается из стандартного ряда следующих значений: 1,2; 1,5; 2,0 и 3,7 В. На их основе собираются батареи с рабочими показателями 1,5; 3,7; 4,5; 9,0 и 12 В. Выбор того или иного напряжения зависит от области применения конкретного изделия.

Энергоемкость аккумуляторов означает возможность «выдавать» определенный ток в течение заданного промежутка времени. Она измеряется в миллиампер часах и вместе с величиной напряжения указывается на этикетке изделия. Более энергоемкие аккумуляторные батареи, как правило, имеют большие размеры и наооборот.

Эксплуатационные показатели

К основным техническим показателям аккумуляторных батарей относят:

Рабочее напряжение.
Емкость.
Предельное количество циклов заряда и разряда.
Плотность заряда.

В современных аккумуляторных батареях количество циклов заряда и разряда может достигать 10 тысяч. При повторении этих процедур не реже, чем два раза в день, аккумулятор прослужит порядка 10-ти лет.

Akkumuliatornye batarei svintsovo-kislotnye

Показатель плотности заряда указывает на соотношение количества накопленной энергии к полному объему или весу аккумуляторного элемента. Эта величина используется при оценке эффективности применения конкретного изделия.

Достоинства и недостатки

К преимуществам использования аккумуляторных батарей относят:

Возможность многократного заряда источника питания.
Способность длительно держать заряд при номинальной величие тока в нагрузке.
Отсутствие эффекта памяти.
Сравнительная дешевизна и небольшой вес (за исключением автомобильных АКБ).

Количество возможных циклов заряда-разряда у некоторых достигает 10 тысяч, а отсутствие эффекта памяти позволяет заряжать их в любом состоянии. Возможность получения значительных токов в течение длительного времени объясняется высокой интенсивностью протекающих в электролите реакций.

Все перечисленные достоинства позволяют устанавливать аккумуляторные батареи в небольшие по размеру девайсы без опасения, что они останутся без энергопитания. Недостатками этих изделий считаются необходимость постоянной подзарядки и возможность преждевременного выхода из строя при нарушении правил эксплуатации.

Правила зарядки и обслуживания аккумуляторов

При зарядке аккумуляторных батарей необходимо соблюдать следующие требования нормативных документов:

Подзаряжать их нужно только определенным током, не превышающим допустимые значения (согласно паспорта на изделие).
Не рекомендуется заряжать элементы питания до максимального напряжения.
При зарядке автомобильных АКБ обязательно добавление электролита в случае уменьшения его уровня в банках.
Заряжать АКБ допускается только в хорошо проветриваемых помещениях, что объясняется выделением в ходе химических реакций вредных для человека газов.

При нарушении хотя бы одного из этих правил исправный аккумулятор может частично потерять работоспособность или совсем выйти из строя.

Обслуживание аккумуляторных батарей (помимо их своевременной подзарядки) включает в себя регулярную проверку внешнего вида и состояния на отсутствие деформаций корпуса и других нарушений.

Области применения

Сфера применения аккумуляторов различного размера и типа очень обширна. Восстанавливаемые источники постоянного тока чаще всего используются в приборах и устройствах с высоким энергопотреблением. Из этих элементов можно формировать последовательные цепочки с любым заданным напряжением, что существенно расширяет область их применения.

Наиболее часто аккумуляторные батареи устанавливаются в питающие отсеки следующих устройств:

Малогабаритные радиоприемники и настольные или ручные часы.
Фонарики и пульты управления.
Измерительные приборы различного типа и исполнения.
Детские игрушки.
Стационарные и переносимые девайсы (смартфоны, планшеты и т. п.).

В ноутбуках и нетбуках эти элементы входят в состав компактного питающего модуля, подзаряжаемого при каждом подключении к электрической сети.

Аккумуляторные элементы питания могут устанавливаться и в бытовых приборах, в которых требуется получение мощной искры. В качестве примера обычно рассматриваются аккумуляторные батареи, используемые для разжигания пламени в газовых плитах или в нагревательных колонках.