Лекция 2 - Конспекты (1095368), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Причины:- недостаточно высокая плотность энергии традиционных свинцовых, никель-кадмиевых и никель-железных аккумуляторов;- экологическая опасность свинца и кадмия.Разрядная кривая никель-металлгидридного аккумулятора почти такаяже, как у никель-кадмиевого аккумулятора. Кроме того, они имеют то же напряжение, что и никель-кадмиевые, и выпускаются в таких же корпусах, являясь взаимозаменяемыми.
Но замена кадмия на водород позволила в 1,5-2 разаувеличитьудельныехарактеристики.Удельнаяэнергияникель-металлгидридной системы составляет 40-80 Втч/кг или 100-250 Втч/л.Это система имеет ещё ряд преимуществ:- способность выдерживать высокие скорости разряда: до 5С постояннымтоком, до 10С импульсным (отсюда возможность достижения высокой удельной мощности – до 400 Вт/кг);- большой ресурс (типично 400-1500 циклов при 100%-й глубине циклирования), срок службы – 5 лет;- способность металлгидридного электрода к быстрому заряду (такие аккумуляторы позволяют производить сверхбыстрый заряд током 1С за 1 час);- переход к более экологически чистым производствам.Наряду с преимуществами есть и недостатки:- более высокая цена из-за применения редких металлов;39Электропитание РЭАГлава 2- температурный диапазон не такой широкий, как у никель-кадмиевыхХИТ (большая часть никель-металлгидридных аккумуляторов неработоспособна ниже -10°С и выше 40°С);- саморазряд несколько выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов(теряет 40% ёмкости за полгода хранения при 20°С).Никель-металлгидридные аккумуляторы имеют недавнюю историю.
Первый герметичный никель-водородный аккумулятор был предложен в СССР в1964 г. Такие аккумуляторы надёжно эксплуатируются в космической техникеи в настоящее время. Однако использовать их в бытовой РЭА затруднительно.Серийно никель-металлгидридные аккумуляторы начали производить зарубежом с 1987 г. Все последующие годы их производство стремительно росло.Сейчас они выпускаются всеми ведущими мировыми электротехническимифирмами, таким как "Panasonic", "Sanyo", "Sony", "Varta" и т. д. С начала1990-х гг.
они начали вытеснять никель-кадмиевые аккумуляторы, производство которых росло весь ХХ век, но с 1991 г. начало сокращаться. В настоящеевремя многие фирмы уже объявили о прекращении выпуска никель-кадмиевыхаккумуляторов.До недавнего времени особенно широко никель-металлгидридные аккумуляторы применяли в портативной РЭА (ноутбуки, мобильные телефоны, видео- и фотоаппаратура, переносной электроинструмент, электробритвы, миксеры и т.
д.), где увеличение их удельных характеристик в 1,5-2 раза по сравнению с никель-кадмиевыми привело к улучшению потребительских свойств этойРЭА. До сих выпускаются также крупные и мощные тяговые аккумуляторы дляэлектромобилей и для космической техники.К началу 1990-х гг. во многих промышленно развитых странах было налажено крупносерийное производство литиевых источников тока самых разных типоразмеров с использованием различных литиевых электрохимическихсистем, в основном удовлетворяющих современным требованиям. Однако ос40Электропитание РЭАГлава 2новные исследовательские работы были направлены на разработку литиевыхаккумуляторов.Первоначально в качестве отрицательного электрода предполагалось использовать металлический литий, а в качестве положительного электрода – какой-либо оксид или халькогенид металла переменной валентности, способныйк обратимому внедрению лития.
Однако несмотря на огромные усилия, затраченные учёными и конструкторами во всем мире на решение проблемы циклирования металлического лития (его многократного растворения-осаждения),полностью решить эту проблему не удалось до сих пор. В результате неоднократно та или иная фирма объявляла о начале производства литиевых аккумуляторов, но через некоторое время была вынуждена прекратить их выпуск. Так,в 1987 г. крупномасштабное промышленное производство литиевых аккумуляторов было начато канадской фирмой "Moli", однако после нескольких случаеввзрывов их выпуск был прекращён.Выход из этой ситуации был найден в использовании соединений внедрения для изготовления не только положительного, но и отрицательного электродов.
Такой вариант был назван литий-ионным аккумулятором (Li-on battery).В литий-ионных аккумуляторах отрицательный электрод изготовлен из углерода, в который ионы лития внедряются при заряде и извлекаются обратно приразряде. То же происходит и на катоде, так что ионы лития совершают челночные перемещения между анодом и катодом, а сама идея была названа "креслокачалка".Первый работающий образец литий-ионного аккумулятора был продемонстрирован в 1990 г., тогда же японская фирма "Sony" начала их коммерческий выпуск. С тех пор рынок таких батарей заполняется с невероятной быстротой.
Темпы роста промышленного производства литий-ионных аккумуляторов просто поразительны. Мировой объём продаж в период с 1991 по 1997 гг.вырос в 500 раз и составлял в 1997 году 5 млрд. долларов (приводятся разные41Электропитание РЭАГлава 2цифры). Та же фирма "Sony" выпускала их в 1997 г. 15 млн. штук ежемесячно(0.5 млн.
штук в день). Столь быстрый прогресс объясняется тем, что литийионные аккумуляторы появились в благоприятное для себя время, которое совпало с периодом массовой популяризации портативной РЭА, для электропитания которой они используются. Так, в 2000 году 67% всех литий-ионных аккумуляторов было предназначено для мобильных телефонов, 24% – для ноутбуков и 9% приходилось на все остальные области применения. В дальнейшемлитий-ионные аккумуляторы начали использовать в военной и космическойтехнике.Как правило, литий-ионные аккумуляторы выпускают в цилиндрическоми призматическом вариантах; дисковые конструкции составляют лишь небольшую долю общего объёма производства (рисунок 2.21).В целом, достигнутый уровень литий-ионных аккумуляторов характеризуется показателями, приведёнными в таблице 2.5.По величинам удельной энергии и рабочего напряжения литий-ионныеаккумуляторы превосходят все другие вторичные ХИТ, но по некоторым параметрам уступают.
Например, никель-кадмиевые аккумуляторы гораздо болееработоспособны при отрицательных температурах, а никель-металлгидридныеаккумуляторы допускают более быстрый разряд и разряд. Однако возможностиулучшения характеристик традиционных вторичных ХИТ уже почти исчерпаны, между тем как литий-ионные аккумуляторы интенсивно развиваются.Бум разработки и производства литий-ионных аккумуляторов пришёлсяна 1990-е гг., что совпало с периодом кризисного развития науки и наукоёмкогопроизводства сначала в СССР, а затем в России. Фактически в этой областиотечественная промышленность длительное время оставалась на уровне конца1980-х гг., в том числе отсутствовало производство литиевых аккумуляторов.
Впоследнее десятилетие ряд российских фирм начали демонстрировать опытные42Электропитание РЭАГлава 2образцы литий-ионных аккумуляторов и объявляют о намерении переходить ких серийному производству (например, АО "Лиотех").Рисунок 2.21 – Современные литий-ионные аккумуляторыДальнейшее развитие литий-ионных аккумуляторов, как считается, будетпроисходить как в направлении разработки сверхтонких конструкций, так и внаправлении создания крупных и мощных аккумуляторов (например, для автомобильной промышленности).43Электропитание РЭАГлава 2Таблица 2.5 – Характеристики литий-ионного аккумулятора№п/п1234567ПараметрЗначениеРазрядное напряжениеРесурсУдельная энергияСаморазрядДиапазон температурМаксимальный ток разрядаНижний порог напряжения3.5-3.7 В500-1000 циклов100-160 Вт∙ч/кг или 250-360 А∙ч/л6-10% в месяц-20…60°С2С2.5 или 2 ВЛитий-полимерный аккумулятор (Li-polymer, LiPo) – это усовершенствованная конструкция литий-ионного аккумулятора.
В качестве электролитаиспользуют полимерный материал. Применяют в мобильных телефонах, планшетных компьютерах и т. д.Обычные бытовые литий-полимерные аккумуляторы не способны отдавать большой ток, но существуют специальные силовые литий-полимерные аккумуляторы, способные отдавать ток в 10 и даже 130 раз превышающий численное значение ёмкости в ампер-часах. Их широко применяют как аккумуляторы для радиоуправляемых моделей, а также в портативном электроинструменте, в некоторых современных электромобилях и беспилотных летательныхаппаратах.Преимущества:- бо́ льшая плотность энергии на единицу объёма и массы (в сравнении слитий-ионными);- низкий саморазряд;- толщина элементов от 1 мм;- возможность получать очень гибкие формы;- отсутствие эффекта памяти;- незначительный перепад напряжения по мере разряда.Диапазон рабочих температур литий-полимерных аккумуляторов довольно широкий: от -20 до 40°C по данным производителей.Недостатки:44Электропитание РЭАГлава 2- пожароопасность при перезаряде и/или перегреве (для борьбы с этимявлением все бытовые аккумуляторы снабжают встроенной электронной схемой, которая предотвращает перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда);- требуют специальных алгоритмов зарядки (зарядных устройств).Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-полимерный аккумулятор.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
