Germeticheskie_khimicheskie_istochniki_toka_dlya_portativnoy_apparatury__Taganova_A_A__Pak_I_A

Теги: электротехника

ISBN: 5-93808-048-7

Похожие

Герметичные химические источники тока

Li-ионные аккумуляторы

Автоматические сервисные станции для обслуживания электрических беспилотных летательных аппаратов

Время живых машин. Биологическая революция в технологиях

Текст

ГЕРМЕТИЧНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ
ИСТОЧНИКИ ТОКА
для портативной аппаратуры
ББК6П2.1.08
Т 133
УДК 621.355
Рецензенты : доктор техн, наук Я В. Тепьковцев
канд. техн, наук Л. Б. Шохор
А. А. Таганова, И. А. Пак
Т 133 Герметичные химические источники тока для портативной
аппаратуры: Справочник, - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2003. -208 с.: ип.
ISBN 5-93808-048-7
Рассмотрены принципы и особенности работы герметичных химических ис-
ючников тока разных электрохимических систем, одноразовых и перезаряжаемых.
Анализируется современное состояние производства их как в России, гак и во всем
мире. Описаны особенности эксплуатации, возможности диагностики техническою
состояния и продления срока службы. Показано, как решается проблема выбора
химических источников тока для систем автономного питания портативной аппара-
туры разного рода.
Для проектировщиков автономных источников энергии и потребителей этой
продукции, а также для сервисных служб, которые производят и ремонтируют ак-
кумуляторные батареи.
2202060000-004
050(01 >-2003
Без объял.'!.
ISBN 5-93808-048-7
1,1.К 6П2.1.08
© А. А Таганова, И. А. Пак, 2003
© Е. И. Таганова, обложка, 2003
© ХИМИЗДАТ, 2003
Т
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 5
1. РАЗНОВИДНОСТИ ГЕРМЕТИЧНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ 7
ТОКА И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
1.1. Основные понятия и термины 7
1.2. Основные характеристики источников тока 10
1.2.1. Электрические характеристики 10
1.2.2. Конструкция химических источников тока 12
1.2.3. Эксплуатационные характеристики 13
1.3. Проблема выбора источника тока 15
1.4. Сравнение основных характеристик химических источников тока 17
разных электрохимических систем
1,5. Тенденции и перспективы рынка источников тока 21
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА 23
2.1. Элементы с водным электролитом 23
2,1.1. Особенное™ элементов с водным электролитом 23
2.1.2 Ос но в н ыс эл е к гр охим и ч ес к ие с истем ьг 24
2.2. Литиевые элементы 35
2.2.1. Особенности литиевых первичных источников чока 35
2.2.2. Основные электрохимические системы 36
2.2.3. Номенклатура литиевых элементов 43
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 52
3.1. Никель-кадмиевые аккумуляторы 52
3.1.1. Основные электрохимические процессы 52
3.1.2. Механизмы электродных реакций 53
3.1.3. Конструкция аккумуляторов 54
3.1.4. Электрические характеристики 56
3.1.5. Эксплуатацион и ые х ар а ктср исти к и 60
3.1.6. Изменение характеристик в процессе эксплуатации 65
3.2. Пиксль-мсталлгидридные аккумуляторы 70
3.2.1. Основные электрохимические процессы 71
3.2.2. Достоинства и недостатки никсль-металл гидрид пых 71
аккумуляторов
3.3. Батареи из герметичных щелочных аккумуляторов 73
3 4. Номенклатура герметичных аккумуляторов 77
3.4.1. Классификация аккумуляторов по размерам 77
3.4.2, Отечественные аккумуляторы 78
3.4.3. Аккумуляторы зарубежных компаний 83
4. ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 96
4.1. Основные электрохимические процессы 96
4.2. Особенности герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора 97
4.3. Электрические и эксплуатационные характеристики 99
4.4. Изменение характеристик при эксплуатации 102
4.4.1. Виды и механизмы отказов 102
4.4.2. Факторы, влияющие на срок службы 103
СОДЕРЖАНИЕ 4
4.5. Номенклатура герметизированных свинцово-кислотных батарей 105
4.5.1. С в ин цо во-к и слитные батареи призматической конструкции 105
4.5.2. Свинцово-кислотные батареи из цилиндрических аккумуляторов 111
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА IJ 7
5.1. Аккумуляторы с литиевым анодом и апротонным электролитом 117
5.2. Литий-ионные аккумуляторы 119
5.3. Литий-полимерные аккумуляторы 127
<>. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИСТОЧНИКОВ ГОКА 129
РАЗНЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
6.1. Эксплуатация первичных химических источников тока 129
6.2. Эксплуатация аккумуляторов и аккумуляторных батарей 130
6.2.1. Заряд источников тока 130
6.2.2. Зарядные устройства 138
6.2.3. Храпение источников тока 147
6.2.4. Профилактические мероприятия при эксплуатации 149
вторичных источников т ока
7. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА ИСТОЧНИКОВ ТОКА 15 I
ПРИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ ТЕХНИКИ
7.1. Ис точники тока для мобильной связи 152
7.2. Особенности рабо ты домашних радиотелефонов 159
7.3. Источники тока для профессиональной видеоаппаратуры 160
7.4. Источники тока для инструментов с автономным питанием 163
7.5. Источники токадля спортивных моделей 165
7.6. Источники тока для портативных компьютеров 166
7.7. Источники тока для охранных систем и блоков бесперебойного 167
питания
7.8. Источники тока для электрических часов 167
7.9 Источники тока для медицинских целей 168
7.10. Источники токадля измерительных приборов долговременной 169
работы
7.11. Источники тока для бурового оборудования 170
7.12. Источники тока для бытовых приборов и устройств 170
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 172
8.1. Диагностические параметры источников тока 172
8.2. Аппаратура для измерения внутреннего сопротивления 179
8.3. Диагностика источников тока при измерении их внутреннего 182
сопротивления
8.4. Диагностика перезаряжаемых источников тока при циклировании 191
9. РЕМОНТ БАТАРЕЙ И ПРОДЛЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ 195
Адреса российских предприятий, производящих химические источники 197
тока
Литература 200
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время химические источники тока используются почти
во всех областях техники и народного хозяйства. Широкий диапазон тех-
нических приложений привел к разработке источников тока разной элек-
трохимической природы, различающихся также конструкцией и техноло-
гией изготовления. Во всем мире промышленно выпускаются источники
тока нескольких десятков электрохимических систем, которые обеспечи-
вают большое разнообразие возможностей использования и высокую
эффективность работы в широком диапазоне условий эксплуатации. Но
только некоторая их часть реализована в герметичном исполнении.
Герметичные химические источники тока используются там, где от
источника энергии требуется автономность эксплуатации и ее удобство.
Они не требуют сложного технического обслуживания и могут быть ус-
тановлены в любом положении.
Источники тока некоторых электрохимических систем известны бо-
лее века, большая часть выпускается и эксплуатируется не более не-
скольких десятков лет, литий-ионные аккумуляторы появились на рынке
только в последнее десятилетие. Представление о том, какие из них целе-
сообразно использовать в качестве источников питания аппаратуры раз-
ного рода, профессиональной и бытовой, постоянно меняется как в соот-
ветствии с изменением уровня требований к этим устройствам, так и из-
за совершенствования самих источников тока.
В настоящее время в нашей стране нет такого центра, где можно было
бы получить информацию о быстро меняющейся ситуации в этой области
техники, во многом определяющей работу самой аппаратуры с автоном-
ным питанием, без которой современный человек уже не может обойтись.
Этот справочник - уже третий из выпущенных издательством с ин-
тервалом не более полутора лет. Настоящий справочник отличается от
предыдущих не только обновленной информацией о продукции аккуму-
ляторной промышленности мира, но и изменением акцента внимания
справочника в сторону анализа решений проблемы выбора источника
тока для разных технических приложений.
В первой части справочника описано разнообразие возможностей,
которые в настоящее время предоставляет аккумуляторная промышлен-
ность в области герметичных химических источников тока до 10-20 Ач, в
некоторых случаях и большей емкости. Описывается номенклатура изде-
лий отечественного производства и зарубежных компаний, не только при-
сутствующих на российском рынке, но и выпускающих уникальную про-
дукцию. Информация дается на основе анализа литературы, сравнения
данных каталогов разных компаний-производителей и большого опыта
практической работы с самыми разными источниками тока.
Во второй части справочника внимание акцентируется на особенно-
стях эксплуатации выбранных источников питания в разных областях цх
использования. Описывается и оборудование для поддержания источника
тока в рабочем состоянии.
ПРЕДИСЛОВИЕ 5
Рассматриваются также возможности диагностирования техническо-
го состояния источников тока разной электрохимической природы. Этот
вопрос интересует и разработчиков химических источников тока, и про-
ектировщиков автономных источников питания, и потребителей. В спра-
вочнике анализируются возможности технического тестирования и лает-
ся информация, касающаяся перспектив разработки необходимого для
этого оборудования.
Последняя глава посвящена вопросу продления срока службы хими-
ческих источников тока благодаря использованию специальных меро-
приятий и ремонтных операций.
Книга эта - знак уважения российским профессионалам-аккумуля-
торщикам, которые в течение многих десятилетий разрабатывали и вы-
пускали источники тока, успешно конкурировавшие с зарубежными ана-
логами.
Время значительного расширения мирового рынка герметичных ис-
точников тока для портативной аппаратуры совпало со временем ради-
кальных перемен в жизни России. Это не могло не отразиться на состоянии
отечественной аккумуляторной промышленности, которая и в прошлом не
была всерьез ориентирована на производство ^массовой продукции.
Авторы хотели бы надеяться, что этот справочник в некоторой мере
может рассматриваться и как передача опыта старшего поколения элек-
трохимиков, многие из которых уже "сошли со сцены", и как предосте-
режение от поспешных решений, которые молодое поколение вынуждено
принимать под давлением ускоряющегося Времени. Будущее уже на
пороге. И успех в нем будет принадлежать информированным и грамот-
ным людям.
Авторы выражают благодарность многочисленным коллегам за вни-
мание к их усилиям и цепные советы и будут признательны за все заме-
чания и критику.
_ РАЗНОВИДНОСТИ ГЕРМЕТИЧНЫХ
1 ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОНА
И ИХ ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Выбор источника тока для конкретного применения в аппаратуре с
автономным источником энергии определяется уровнем требований,
предъявляемых к аппаратуре, и условиями ее работы. При этом должны
быть рассмотрены как технические характеристики источников тока, так
и экономическая целесообразность их использования для обеспечения
работоспособности аппаратуры в течение всего срока эксплуатации. Сле-
дует помнить также, что конструкция и самой аппаратуры в значитель-
ной мере определяется выбором источника питания, его размерами и
конфигурацией.
Для решения проблемы выбора химического источника необходимо
иметь четкое представление об основных принципах их работы и харак-
теристиках, которые следует учитывать.
1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ
Химическим источником тока (ХИТ) называют устройство, в кото-
ром химическая энергия активных веществ непосредственно превращает-
ся в электрическую энергию.
В основе любого ХИТ лежит электрохимическая система вида
(-) Восстановитель | Электролит I Окислитель (+).
Генерирование тока происходит при замыкании внешней цепи на на-
грузку в результате одновременного протекания на электродах электро-
химических реакций: электроокислительной с освобождением электро-
нов и электровосстановительной с поглощением их.
Работоспособных электрохимических систем много. Однако для прак-
тических целей реализовано ограниченное их количество.
В простейшем случае химический источник тока представляет собой
два электрода различной природы, ионная проводимость между кото-
рыми обеспечивается электролитом, жидким или твердым. Обычно
электроды — это металлические каркасы, на которые наносятся реа-
генты (активные вещества, непосредственно участвующие в токооб-
разующей реакции). Существуют также электрохимические системы,
в которых реагентами являются жидкие или газообразные вещества.
В этом случае токообразующая реакция протекает на поверхности ме-
1. РАЗНОВИДНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
8
таллического или угольного электрода, используемого просто как то-
коотвод.
Наряду с основной ток ©образующей реакцией могут протекать по-
бочные реакции, химические и электрохимические, которые не толь-
ко уменьшают эффективность работы ХИТ (уменьшают электриче-
скую энергию, которая может быть получена при разряде, увеличива-
ют расход энергии, необходимой для заряда), ио и создают опасность
значительного увеличения давления внутри герметичного источника
тока. Возможность уменьшить их влияние на работу источника тока и
определяет принципиальную возможность его герметизации. Соотно-
шение скоростей основной токообразующей и вредных побочных ре-
акций зависит как от электрохимической природы ХИТ, так и от кон-
струкции и технологии изготовления. А при эксплуатации герметизи-
рованных ХИТ влияние режимов и условий столь существенно, что
требуется соблюдение всех ограничений, которые оговаривает произ-
води! ель.
Подробную информацию об основах теории и работы химических
источников тока различных систем можно найти в монографиях и учеб-
никах, отечественных Г1-9] и зарубежных [10-14].
В реализованных ХИТ используются электрохимические системы как
с обратимыми, гак и необратимыми электрохимическими реакциями.
Если хотя бы на одном электроде окислительно-восстановительный про-
цесс протекает необратимо, источник тока называется первичным хи-
мическим источником тока или элементом. Он обеспечивает непре-
рывный или прерывистый разряд до полного исчерпания запаса реаген-
тов, участвующих в суммарной токообрэзующей реакции. Вторичные
химические источники тока (перезаряжаемые ХИТ, аккумуляторы)
создаются на основе систем с обратимо работающими электродами.
При исчерпании запасенной емкости разряженный аккумулятор подвер-
гают заряду от внешнего источника постоянного тока, в результате чего
активные вещества приходят в исходное состояние. Большинство акку-
муляторов допускает проведение большого числа зарядно-разрядных цик-
лов (сотни и тысячи).
Герметичные источники тока - это газонепроницаемые источники то-
ка, в которых обеспечена изоляция внутреннего пространства от газового
пространства рабочей среды.
На рис. 1.1 дана классификация герметичных химических источни-
ков тока, рассматриваемых в настоящем справочнике.
9
1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ
Рис. 1.1. Классификация герметичных химических источников тока
1. РАЗНОВИДНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 10
1.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Для описания особенностей ХИТ различных электрохимических сис- :
тем следует определить наиболее значимые электрические и эксплуата- ;
ционпые характеристики, которые должны приниматься во внимание при
их сравнении. ;
1.2.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) - это напряжение источника
тока без нагрузки. Значение НРЦ определяется электрохимической сис-
темой источника тока. Некоторое влияние на НРЦ оказывают концентра-
ция электролита, температура окружающей среды, степень разряжен но-
сти источника тока.
Номинальное напряжение (U„) - условная величина напряжения
источника тока в средней части его характеристики при разряде в номи-
нальном (стандартном) режиме, который устанавливается нормативно-
технической документацией на источник тока.
Следует заметить, что у первичных источников тока номинальное
напряжение чаще характеризует начальную его величину. Напряжение в
средней части разрядной характеристики обычно ниже (зависит от ее
наклона и величины нагрузки).
Номинальная емкость (С'и) - емкость (количество электричества),
отдаваемая источником тока во внешнюю цель при номинальном токе
разряда при 20 °C. Измеряется в ампер-часах (Ач).
Для аккумуляторов регламентируются также ток заряда, после кото-
рого в разряде определяется С’„, и продолжительность паузы между заря-
дом и разрядом при таких испытаниях.
Номинальный (стандартный) ток заряда и разряда - ток, регла-
ментируемый документацией на источник тока. Записывается в долях от
номинальной емкости (например, ток 0,1 С означает ток, равный по ве-
личине десятой доле номинальной емкости).
Для практики важной характеристикой является напряжение источ-
ника тока под нагрузкой - рабочее напряжение ХИТ. Оно меньше НРЦ,
так как потенциалы электродов при протекании тока заметно отличаются
от потенциалов при разомкнутой цепи и, кроме того, имеет место паде-
ние напряжения на омическом сопротивлении ХИТ.
В общем виде
и = НРЦ -1R = НРЦ - l{Ra + /?„,„).
где I - ток разряда, R - полное сопротивление ХИ Г; Ra - омическое сопротив-
ление, определяемое сопротивлением металлических токопроводящих деталей
электродов, их активных масс и сопротивлением электролита в сюрах электро-
дов и сепаратора; Япол - поляризационное сопротивление электродов.
11
1.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Поведение источника тока под нагрузкой и его энергетические воз-
можности обычно описывают разрядной характеристикой - измене-
нием напряжения источника тока во времени при разряде постоянным
гоком (для элементов чаще на постоянную нагрузку). Форма разрядной
кривой зависит как от электрохимической природы источника тока, еро
конструкционных особенностей и технологии изготовления, так и от
режимов и условий разряда. Для стабильной работы аппаратуры с авто-
номным питанием паилучшим является химический источник тока со
стабильным напряжением на протяжении большей части разрядной
кривой.
Наиболее полно информация об эксплуатационных возможностях
источника тока представляется в виде семейства разрядных кривых при
токах во всем допустимом диапазоне и при разной температуре.
При разряде большими токами емкость, отдаваемая источником тока,
может быть значительно меньше той, что можно получить при разряде
стандартным током 0,2 С. Последующий доразряд малым током позволя-
ет получить еще некоторое количество энергии, хотя суммарная емкость
все же остается меньше номинальной.
Энергетические возможности ХИТ могут быть описаны и семейст-
вом кривых, отражающих зависимость разрядной емкости от тока разря-
да и темперазуры.
Для перезаряжаемых источников тока существенными являются так-
же и зарядные характеристики. Обычно дается семейство кривых, от-
ражающих изменение зарядного напряжения при нескольких токовых
режимах и температурных условиях, которое позволяет понять все огра-
ничения процесса и возможности его контроля.
Эффективность зарядно-разрядного цикла при разных режимах экс-
плуатации оценивается коэффициентом отдачи по емкости
*г = 100 Ср„/Сзар (%).
где Ср,, - отдаваемая емкость, Сзар - зарядная.
Коэффициент 7fc< 1.
Для сравнительной оценки энергетических возможностей ХИТ раз-
ных электрохимических систем, типов и конструкций обычно использу-
ют величины достигнутой удельной энергии, массовой (в Втч/кг) и объ-
емной (в Втч/дм’). Понятно, что чем выше рабочее напряжение источни-
ка тока, тем большие удельные энергетические характеристики можно
обеспечить.
Эти характеристики определяются как теоретически достижимым ко-
эффициентом использования активных масс источника тока, так и его
конструкцией и технологией изготовления. Поэтому величины удельной
энергии ХИТ одной и той же электрохимической природы, но разных
производителей могут различаться. Вообще же малогабаритные источни-
1. РАЗНОВИДНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 12
ки тока обычно обладают более низкими удельными характеристиками
по сравнению с ХИТ большей емкости и габаритов, что связано с увели-
чением доли конструкционных материалов, не принимающих непосред-
ственного участия в токообразующем процессе.
1.2.2. КОНСТРУКЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
При разработке конструкции ХИТ прежде всего решается задача обес-
печения равномерной работы электродов и размещения между ними сепа-
ратора для предотвращения замыкания разнополярных электродов. В гер-
метичных источниках тока решается еще и дополнительная задача сниже-
ния эффектов от побочных процессов.
Химические источники тока выпускаются в трех конструктивных ва-
риантах: дисковые (диаметр ХИТ больше его высоты), цилиндрические и
призматические.
В дисковых источниках тока чаще всего используются толстые ла-
мельные электроды, в которых активные массы запрессовывают в тонкую
металлическую сетку и располагают один над другим, разделяя их сепара-
тором. Могут использоваться и тонкие спеченные электроды. В цилиндри-
ческих источниках тока электроды располагают по-разному. При бобин-
ной конструкции ХИТ один электрод исполняется в виде стержня в цен-
тре источника тока, другой - в виде цилиндра вокруг него. При рулонной
конструкции пакет из двух электродов и сепаратора скручивают в виде
рулона.
Характеристики источника тока, которые удается достигнуть в про-
изводстве, зависят не только от его конструкции, но и от технологии из-
готовления электродов, используемой для обеспечения необходимой их
толщины и пористости. Они определяются различными моментами, свя-
занными со сборкой источника тока: количеством электролита и его рас-
пределением в электродах и сепараторе и другими особенностями.
Для получения максимальной емкости при низких и умеренных на-
грузках в источник тока закладывают максимальное количество актив-
ных материалов. В источниках тока, предназначенных для быстрых ре-
жимов разряда, стараются обеспечить минимальное внутреннее сопро-
тивление, что и достигается при тонких пористых электродах с большой
рабочей поверхностью и при плотной сборке их пакета. Уменьшение со-
противления часто возможно лишь в ущерб емкости. Конфигурация ис-
точника тока также влияет на его характеристики. Так, при одинаковой
емкости источника тока высокий и узкий цилиндр обеспечивает лучшее
рассеяние тепла, чем широкий и низкий.
Внутреннее давление газов по-разному меняется при работе герме-
тичных ХИТ разных электрохимических систем и конструкций. При-
емлемым уровень давления при регламентированных условиях работы
13
1.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
обеспечивается специальными конструктивными и технологическими
мерами.
Щелочные аккумуляторы цилиндрической и призматической конст-
рукции снабжаются клапаном для аварийного сброса избыточного давле-
ния, которое может возникнуть при значительном перезаряде. Более де-
шевые дисковые аккумуляторы такого клапана не имеют и при перезаряде
увеличиваются в объеме. При прекращении процесса заряда и после-
дующем разряде деформация исчезает. Для того чтобы уменьшить
деформацию, крышка дисковых аккумуляторов большого диаметра изго-
тавливается с тремя длинными вмятинами, которые выполняют роль ре-
бер жесткости.
Свинцово-кислотные аккумуляторы гоже имеют клапан для сброса
излишнего давления, но срабатывает он значительно чаще, чем у щелоч-
ных. Давление внутри аккумулятора уменьшается, но воздух внутрь нс
попадает. Эти аккумуляторы являются не герметичными, а только герме-
тизированными.
Следует отметить, что унификация размеров источников тока, опре-
деляемая требованиями Международной электротехнической комиссии
(МЭК), позволяет сделать взаимозаменяемыми не только источники тока
разных производителей, но также и наиболее распространенные первич-
ные и перезаряжаемые источники тока цилиндрической конструкции.
Типоразмерный ряд цилиндрических источников тока показан ниже, в
разделе 2.1.2.
1.13. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Срок службы химических источников тока определяется временем,
в течение которого они сохраняют характеристики, регламентированные
нормативно-технической документацией. Но для первичных и вторичных
ХИТ он характеризуется по-разному.
Так как работоспособность первичных химических источников тока
определяется как отдачей энергии во внешнюю цепь при подключении
нагрузки, так и сохранностью их к этому моменту, срок их службы опре-
деляется суммарной продолжительностью времени хранения и эксплуа-
тации.
Продолжительность работоспособного состояния аккумуляторов оп-
ределяется главным образом деградационными процессами, которые про-
текают при их эксплуатации в режиме циклирования. Поэтому срок службы
аккумуляторов характеризуется наработкой - количеством циклов заря-
да-разряда, которое они обеспечивают до снижения разрядной емкости
до регламентируемого уровня.
Отечественный ГОСТ устанавливает границу работоспособности ак-
кумуляторов при циклировании в стандартном режиме заряда-разряда на
1. РАЗНОВИДНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 14
уровне 0,6 С„. т. е. при потере 40 % номинальной емкости. Для зарубеж-
ных источников тока эта граница - на уровне 0,8 Сн и они способны,
обеспечить еще довольно значительное количество циклов до отказа в'
соответствии с российским ГОС Том.
В общем случае срок службы аккумуляторов зависит от многих фак-
торов, в наибольшей степени от глубины разряда, режима заряда и тем-
пературы.
Температура окруягающей среды является существенным фактором
внешнего воздействия, влияющим на рабочие характеристики источни-
ков тока. Она влияет как па их работоспособность, так и на изменение
состояния при хранении. Диапазон рабочих температур для ХИТ раз-
ных электрохимических систем значительно различается. Но уменьшение
разрядной емкости при низких температурах для источников тока всех
систем значительнее, чем снижение ее при повышенных. Диапазон тем-
пературы хранения также регламентируется, при этом рекомендуемый
диапазон уже допустимого.
При хранении ХИТ, как элементов, так и заряженных аккумуляторов
имеет место самопроизвольный разряд, который приводит к частичной
потере емкости. Саморазряд является следствием природы ХИТ: термо-
динамической неустойчивости электродов, образования па них локаль-
ных элементов вследствие загрязнения электролита и материала электро-
дов. Возможны также микроутечки между разнополярными электродами
по металлическим мостикам.
Мерой потери емкости за время хранения т служит величина само-
разряда
5= 1ОО(С0-Сг)/С(„ (%),
где Су - емкость, отдаваемая свежеизготовленным первичным или свежезаряжеи-
ным вторичным источником тока; Ст - емкость, отдаваемая после хранения в
течение времени т.
Зависимость саморазряда аккумуляторов от времени, как правило,
нелинейна. Наиболее интенсивен саморазряд в начальный период хране-
ния. Его скорость во многом определяется электрохимической природой,
но зависит и от конструктивных и технологических особенностей ХИТ.
Она увеличивается при возрастании температуры.
Способность к значительному перезаряду является характеристи-
кой аккумуляторов, которая отражает возможность избежать их повреж-
дения в ситуации, которая может возникнуть в эксплуатации при про-
стейшем или неисправном оборудовании или при недостаточной квали-
фикации персонала.
Аккумуляторы должны выдерживать регламентируемый документа-
цией ток заряда в течение месяцев.
15
1.3. ПРОБЛЕМА ВЫБОРА
1.3. ПРОБЛЕМА ВЫБОРА ИСТОЧНИКА ТОКА
Сферы использования химических источников тока в качестве авто-
номных источников энергии очень разнообразны. Они используются и в
промышленности (приборостроение, электроизмерительная аппаратура,
медицина, системы связи и телекоммуникационные сети, системы сигна-
лизации. охранные и т. и.), и для изделий специального назначения (кос-
мическая и военная техника, научное оборудование), и для товаров ши-
рокого потребления (портативная аппаратура разного рода: компьютеры,
электронные записные книжки, сотовые и беспроводные телефоны, фото-
и видеотехника, электрические игрушки; инструменты и приборы быто-
вой техники).
Разнообразие требований к источникам питания в этих приложе-
ниях привело к промышленному производству большого количества
источников тока разных электрохимических систем. Они выпускаются
в широком диапазоне емкостей и в разном конструктивном исполне-
нии.
Несмотря на большое разнообразие химических источников тока
нельзя найти среди них такой, который мог бы максимально удовле-
творить всем требованиям, предъявляемым к автономному источнику
питания для аппаратуры любого назначения. При выборе его всегда
возникает задача поиска компромисса, позволяющего реализовать наи-
более важные требования при всех ограничениях, определяемых аппа-
ратурой, для которой выбирается источник энергии (стационарный,
переносной или портативный).
Проблема выбора источника тока для конкретного применения реша-
ется при определении приоритета критериев, которые должны быть при-
няты в рассмотрение. Для разной аппаратуры они различны.
Так, при проектировании источников энергии для аппаратуры бы-
тового назначения, как стационарной, так и переносной, которая ис-
пользуется периодически, главные критерии для выбора источника
тока - это дешевизна и удобство обслуживания. В этих случаях наи-
более целесообразным является выбор первичных источников тока,
которые способны обеспечить месяцы и годы эксплуатации без про-
блем. Выбор в пользу аккумуляторов во многих случаях не только
приводиз- к удорожанию устройств с автономным питанием, но и до-
бавляет множество проблем, связанных с организацией эффективного
их заряда.
Но при интенсивном использовании аппаратуры с автономным пи-
танием перезаряжаемые источники тока, естественно, целесообразнее
первичных. Во многих технических приложениях основным конку-
рентом первичных источников тока несколько десятилетий являлись
1. РАЗНОВИДНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
16
щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы с рабочим напряжением
1,2 В, стабильным в широком диапазоне режимов эксплуатации и
температур. Интенсивная работа по совершенствованию этих аккуму-
ляторов и оборудования для их заряда способствует сохранению этих
позиций до настоящего времени, хотя в течение двух последних деся-
тилетий бурное продвижение на рынок других щелочных аккумулято-
ров, никель-металлгидридных с таким же рабочим напряжением, но
более высокими удельными характеристиками, меняет общую карти-
ну. В настоящее время широко используются обе системы щелочных
аккумуляторов.
Они используются и для бытовой аппаратуры, которая в этом случае
может иметь встроенное зарядное устройство для периодического заряда
их от сети переменного тока или такую конструкцию, которая позволяет
легко извлечь аккумуляторы для заряда в универсальных или специали-
зированных зарядных устройствах.
При разработке миниатюрного оборудования с питанием от переза-
ряжаемых источников тока конкуренцию щелочным аккумуляторам со-
ставляют литий-ионные. Благодаря высокому рабочему напряжению эти
батареи обладают повышенными удельными энергетическими характе-
ристиками, но мощность, достигнутая в выпускаемых батареях, меньше,
чем у щелочных батарей.
При выборе источников тока для аппаратуры специального назначе-
ния часто главное внимание обращается на надежность в эксплуатации,
возможность работать в жестких условиях. Это обеспечивается также и
ужесточением требований к контролю качества выпускаемых источников
тока и специальным регламентом их испытаний.
Дать однозначный алгоритм выбора конкретного источника тока для
любого проекта не представляется возможным. Но при четком пред-
ставлении о приоритете требований сравнение основных характеристик
источников тока разных электрохимических систем дает возможность
выбрать их класс (первичные или вторичные ХИТ), а последующее де-
тальное рассмотрение всего типоразмерного ряда реализованных ис-
точников тока выбранной системы позволяет принять окончательное
решение.
В настоящем справочнике дана подробная информация о герметич-
ных источниках тока разной электрохимической природы емкостью до
10-20 Ач. Для общей ориентации в этой области техники упоминаются и
промышленно выпускаемые герметичные источники тока емкостью до
сотен и тысяч ампер-часов.
В главе 7 описаны типичные варианты выбора источников тока для
некоторых областей применения, в которых требования к самой аппарату-
ре сформулированы четко.
17 1.4. СРАВНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
1.4. СРАВНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
РАТНЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
При выборе химического источника для проектируемого автономно-
го источника энергии рассматриваются моменты, определяемые
условиями эксплуатации:
режим разряда (непрерывный, прерывистый, импульсный);
- характер нагрузки (постоянный ток, постоя иное сопротивление,
постоянная мощность);
- режим работы перезаряжаемых источников тока (циклирование,
буферный режим, хранение с периодическим подзарядом);
характеристиками источников тока:
- требуемая мощность;
- электрические характеристики источника тока (максимальное на-
пряжение в начале разряда, стабильность напряжения при постоянной
нагрузке, конечное разрядное напряжение, устойчивость характеристик
при изменении режимов нагрузки);
- конструктивные характеристики источника тока (весогабаритные
параметры, конфигурация, тип выводов);
- срок службы;
- параметры хранения (условия, срок, допустимая потеря емкости);
- стоимость: первоначальная и полная для аккумуляторов (за весь
срок службы при большом количестве рабочих циклов);
- специальные требования: надежность, устойчивость при механиче-
ских нагрузках, пожаро- и взрывобезопасность, удобство технического
обслуживания (наличие встроенных устройств защиты источника энер-
гии от критических состояний ХИТ, возможность замены, удобство под-
ключения к зарядному устройству и режим заряда для перезаряжаемых
источников тока);
условиями окружающей среды:
- диапазон температур рабочих и хранения, влажность.
Представленная в табл. 1.1 информация о характеристиках и особен-
ностях химических источников тока разных электрохимических систем,
первичных и вторичных, позволяет сравнить их возможности только в
нервом приближении. Детально особенности работы ХИТ разных элек-
|рохимичсских систем и вес разнообразие изделий, стандартных и специ-
альных серий, описываются в соответствующих главах.
Сравнение стоимости источников тока разных систем провест и весь-
ма затруднительно, поскольку цена их определяется не только себестои-
мостью изготовления и уровнем контроля готовой проекции, но и объе-
мом производства па данном предприятии. Более того, стоимость изделий
1. РАЗНОВИДНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 18
Таблица 1.1. Особенности герметичных химических источников тока
разных электрохимических систем
Характеристики Первичные источники iока Вторичные (перезаряжаемые) источники тока
Маргдн- Ц€ВО- пинковыс Литиевые Никель- кадмие- вые Никель- металл- гидрид- ные Свипцо- во-кислот- ныс Ли гни- ионные
Рабочее напряжение, В J,2-l,25 1,5-3,6 1,2 1,2 2,0 3,6
Типичная емкость, Ач 0,06-20 0,02-11 0,03-20 0,05-13,5 0,7-20 0,4-6
Диапазон рабочих тем- -20-+50 -60-+70 -20-+60 -10-+40 -15-+50 -20-+60:
нератур. °C Удельная энергия:
весовая, Втч/кг До 90 250-600 30-60 40-80 25-50 100-180
объемная, Втч/дм3 100-200 400-1100 100-170 150-240 55-100 250-400
Форма кривой разряда 1 Склон- ная Плоская Плоская Плоская Наклон- ная Плоская
Коэффициент отдачи - - 60-90 60-90 80-85 90-100
по емкости, % Работоспособность:
срок хранения, годы 2-8 5-10 5 1 1 1
срок работы, годы - — До ю - До 12 До 2
количество циклов — - 500-1000 500 200 500-1000
Особенности экенлуа- 1 [рСДНОЧ- Веемо- Токи Токи Значи- Циклиро-
тации тительны жен нс- разряда разряда тельное ванне с
малые прорыв- до 3-8 С. до 3-8 С. снижение разной
нагрузки пнй ре- Возмо- Возмо- СМК0СП1 глубиной
и преры- жим жен бы- жен бы- при увс- разряда.
в истый разряда. сдрьгй стрый личсиии Заряд в
режим Элементы заряд заряд. тока раз течение
разряда обычно слаботоч- ные, но сущест- вуют и мощные, для TOKOH до 0,5 С При не- глубоком циклиро- вании периоди- чески необхо- дим до- разряд до I В При час- тых пере- зарядах периоди- чески необхо- дим до- разрмддо 1 В ряда и низкой темпера- туре. Предпоч- тителен буферный режим работы нс менее 4—5 ч. Необхо- дима защита от перезаря- да, перс- разряда И О1 боль- ших то-
ков
В нервом столбце таблицы представлены усредненные характеристики не всех первичных источников
токи с водным тле етрол игом, а только наиболее широко распространенных марганце ко-пинке вых эле-
ментен, область использования которых во многом совладает с областью применения источников тока
других рассматриваемых систем.
19 1.4. СРАВНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
вообще больше зависит от рыночной конъюнктуры. Тем не менее соотно-
шение цепы источников тока разных систем грубо может быть оценено.
Солевые маргапцево-ципковые элементы наиболее дешевы из всех
рассматриваемых герметичных источников тока. Однако их энергетиче-
ские возможности сильно зависят от скорости разряда, а напряжение су-
щественно меняется на всем протяжении разряда. Кроме того, срок их
годности не превышает 5 лет с момента выпуска.
Щелочные маргапцево-ципковые элементы, разработанные позже,
обладают более стабильными электрическими характеристиками и обес-
печивают существенно большую работоспособность. Срок сохраняемости
их у некоторых производителей приблизился к 10 годам. Поэтому даже
при большей (в 2-5 раз) стоимости по сравнению с солевыми аналогами
Они используются в тех же случаях все шире.
Литиевые элементы с прекрасными удельными энергетическими ха-
рактеристиками, определяемыми их высоким рабочим напряжением, ста-
бильным в широком диапазоне разрядных токов, работоспособны в более
широком интервале температур, чем щелочные элементы. Эти особенно-
сти в сочетании с высокой сохранностью (до 10 лет) обеспечивают ли-
тиевым элементам широкое использование в портативных устройствах
самого разного назначения, где работоспособность слабо-точной аппара-
туры обеспечивается в течение многих лет даже при больших колебаниях
температуры. В настоящее время они практически вытеснили элементы
других электрохимических систем, использовавшиеся в миниатюрной
аппаратуре. Но достоинства литиевых элементов стали особенно замет-
ными после разработки источников тока, способных обеспечить токи
разряда в несколько ампер даже после длительного хранения.
Относительно высокая стоимость этих элементов определяется, пре-
жде всего, сложностью технологического процесса их изготовления и
необходимостью в специальном оборудовании. Однако быстрое расши-
рение номенклатуры и наращивание общего объема производства уже
привело к тому, что цепа некоторых типов упала в 2-3 раза за последнее
десятилетие. В ближайшие годы по оценкам разных экспертов можно
рассчитывать на дальнейшее снижение их цепы па 25 30 %.
При интенсивном использовании аппаратуры в качестве автономных
источников питания часто выбирают не дешевые щелочные элементы, а
щелочные аккумуляторы со стабильным рабочим напряжением. Стои-
мость их мпого больше. Но аккумуляторы выдерживают сотни циклов
переподготовки без существенного снижения разрядных характеристик, а
уменьшение глубины разряда увеличивает количество рабочих циклов до
1ысяч. Заряд этих аккумуляторов после исчерпания запасенной емкости
может быть осуществлен с различной скоростью (от 16 ч до 1 ч), некото-
рые типы могут быть заряжены за 15 мин. Это позволяет выбрать удоб-
ный режим их эксплуатации в каждом конкретном случае. При храпении
1. РАЗНОВИДНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
в разряженном состоянии щелочные аккумуляторы не теряют работосло
собиости в течение длительного периода, никель-кадмиевые - до 10 лет
никель-металлгидридные - в течение I года.
Никель-металлгидридные аккумуляторы обладаю! более высоким г
энергетическими характеристиками по сравнению с никель-кадмиевыми
Однако следует обратить внимание па более узкий температурный диапа-
зон эксплуатации никель-металлгидрилных, которые к тому же имеют
несколько больший саморазряд и более чувствительны к перегреву, чтс
приводит к необходимости встраивания в батареи из них элемента!
защиты. Стоимость 1 Ач никель-металлтидридиых аккумуляторов ш
30—50 % выше, чем у никель-кадмиевых. Но значительное увеличение и?
удельных характеристик и возможность обеспечить экологическую чис-
тоту, что стало очень важным при ужесточении экологических требова-
ний в Европе, вызвало расширение их производства и использования.
Эффективность использования щелочных аккумуляторов в самых
разных областях техники привела к разработке различных их серий дл!
разных условий эксплуатации: кроме стандартных аккумуляторов выпуск
каются источники тока для работы при больших токах разряда и/ил и
больших скоростях заряда, для работы при повышенной температуре и
т. д. Создание аккумуляторов, способных к разряду токами до 10 С при
возможности быстрого заряда, обеспечило им новую область применения -
в качестве источников автономного питания различных профессиональных
инструментов.
Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют более высокое рабочее'
напряжение, чем щелочные. Выпускаются они, как правило, в виде бата-
рей из 3 и б аккумуляторов с напряжением 6 и 12 В. Аккумуляторы име-
ют аварийный клапан, через который в опасных ситуациях сбрасывается
избыток газа. Поэтому' для них правильнее использовать термин "герме-
тизированный”. Стоимость 1 Ач, отдаваемого свинцово-кислотными ба-
тареями, в несколько раз меньше, чем у щелочных. Однако они имеют
более низкие удельные энергетические характеристики и значительно
меньший ресурс при циклировании до исчерпания запасенной емкости.
Эти батареи чаще используются для работы в буферном режиме, при ко-
тором они сохраняют работоспособность до 10—12 лет. Большой опыт их
применения в системах бесперебойного питания, телекоммуникаций, ох-
ранных и сигнальных, а также постоянное совершенствование самих ис-
точников тока позволяют рассчитывать па стабильность области их ис-
пользования в ближайшие годы.
Литий-ионные аккумуляторы имеют самое высокое рабочее напря-
жение по сравнению со всеми другими ХИТ и наилучшие удельные ха-
рактеристики. По они дороже щелочных аккумуляторов, что не в послед-
нюю очередь определяется стоимостью электронных устройств защиты
от перезаряда и те реразряда, которыми снабжаются батареи из этих ак-
2] 1.5. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЫНКА
кумуляторов. В настоящее время в России нет производства таких источ-
ников тока. Они поставляются, главным образом, из Японии и Китая и в
составе аппаратуры, для которой они используются (прежде всего, для
ютовых телефонов, портативных компьютеров). Существенным достоин-
ством литий-ионных источников тока является их высокий коэффициент
отдачи по емкости (близкий к I). И саморазряд их существенно меньше,
чем у щелочных. Но схемы защиты их имеют такое потребление, что
сроки хранения литий-ионных источников тока становятся соизмеримы-
ми со сроками хранения источников тока других электрохимических
систем.
1,5. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЫНКА ИСТОЧНИКОВ
ТОКА
Сравнение источников тока разных систем приводит к выводу, что
между ними нет абсолютной заменяемости. Поэтому в ближайшее время
ц той или иной доле па рынке будут присутствовать все их виды. Про-
ектировщику автономных источников энергии следует учитывать воз-
можности отечественного их производства, если он должен использо-
вать только российскую продукцию. Во всех остальных случаях можно
рассматривать весь спектр мировой продукции, поскольку на россий-
ском рынке в настоящее время она представлена в значительной сво-
ей части. Возможности отечественной промышленности в производстве
источников тока разных электрохимических систем и номенклатура
аналогичной продукции ведущих аккумуляторных компаний мира, ко-
торая присутствует на российском рынке, показаны в соответствующих
главах.
Ниже описывается общемировая тенденция изменений в производ-
стве источников тока разных видов, которая определяется как постоян-
но увеличивающимся темпом разработок новой техники, так и успеха-
ми в самом производстве ХИТ. Эта информация может быть полезна
при планировании производства новой аппаратуры и для ориентации в
общей ситуации в современном быстро изменяющемся техническом
мире.
Первичные источники тока сохраняют свои позиции в качестве ис-
точников питания дешевой аппаратуры широкого потребления, прежде
всего в устройствах с периодическим использованием в режиме малого
потребления.
Среди аккумуляторов щелочные до настоящего времени являются
наиболее распространенными. Анализ состояния мирового производства
аккумуляторных батарей в последнее десятилетие XX века показал [9],
I го щелочные аккумуляторы выпускаются в объеме около 2500 млн. шт.
ежегодно, но заметны изменения в производстве ХИТ разных систем, Все
1. РАЗНОВИДНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 22
известные компании стремились заменить производство никель-кадмиевых
аккумуляторов на производство экологически чистых н гжель-металл гид-
ридных с более высокими удельными энергетическими характеристика-
ми. Производство Ni-MH аккумуляторов в течение десятилетия постоян-
но увеличивалось и достигло 40 % от общего объема щелочных. Тем не
менее Ni-Cd аккумуляторы благодаря своим несомненным достоинствам
(относительно более низкая стоимость и больший температурный диапа-
зон работы, технологическая отработанность решений) пока сохраняют
свои позиции. Однако в ближайшие годы следует ожидать дальнейшего
увеличения доли производства Ni-MH аккумуляторов, хотя рынок ще-'
.точных аккумуляторов и близок к насыщению.
Производство литий-ионных аккумуляторов, напротив, все более рас-
ширяется. С 1995 по 2000 г. оно увеличилось в 10 раз и достигло уровня
500 млн. шт. в год. Использование этих источников тока во всех сферах
применения (и особенно для товаров широкого потребления) в бли-
жайшие годы будет увеличиваться, в том числе за счет вытеснения с
рынка щелочных источников тока. Такие перспективы связываются ci
надеждами на снижение цены литий-ионных источников тока за счет
увеличения объема производства, совершенствования технологии и уп-
рощения электронной защиты батарей. Прогнозируется и дальнейшее
улучшение их удельных энергетических характеристик (до 200 Втч/кг и
380 Втч/дм3 [14]).
Отечественное производство литий-ионных аккумуляторов вероятнее
всего будет идти лишь по пути создания источников тока для специаль-
ных целей.
2 ПЕРВИЧНЫЕ
ИСТОЧНИКИ ТОКА
2.1. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
2.1.1. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
Первыми химическими источниками тока, созданными еше в начале
XIX века, были гальванические элементы с металлическими электродами,
погруженными в водный электролит. Контакт активных веществ с элек-
тролитом обеспечивал постоянную готовность этих источников тока к раз-
ряду, но одновременно создавал условия для саморазряда при хранении.
Переход к твердым окислителям позволил создать "сухие" элементы с за-
гущенным, нс выливающимся электролитом, пригодные для эксплуатации
не только в стационарных условиях, но и для переносной аппаратуры.
Многие из найденных электрохимических систем используются до
настоящего времени, наиболее распространены системы с цинковым ано-
дом. Характеристики элементов постоянно улучшались как вследствие
усовершенствования исходной системы уголь -- цинк, так и в результате
использования новых пар электродов.
Основные характеристики наиболее распространенных элементов:
рабочее напряжение, диапазон рабочих температур и срок сохраняемо-
сти - представлены в табл. 2.1, далее описаны принципы их работы и
области применения. Более детальную информацию можно найти, на-
пример, в [1—3, 10].
Эти источники тока выпускают более сотни компаний во всем мире,
продукцию многих из них можно найти на российском рынке. В настоя-
щем справочнике детально описывается продукция только отечественная
и нескольких ведущих зарубежных компаний, показываются тенденции
развития в этой области техники.
Отечественная продукция дешевле зарубежной. Но проблемы, общие
в последнее десятилетие для всей российской промышленности, сказы-
ваются прежде всего на качестве и однородности продукции, на гаранти-
ях на сроки ее хранения.
В зарубежной продукции следует различать более дорогую, которую
производят крупные компании Европы, Америки, Японии и по их лицен-
зии в других странах на современном автоматизированном оборудовании
при использовании высококачественных материалов, и дешевую, выпус-
каемую по старым технологиям в основном на предприятиях Юго-Вос-
ючной Азии. Для ответственных приложений целесообразно выбирать
источники тока, которые выпускаются компаниями, давно известными
своей маркой и качеством продукции.
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ГОКА
24’
Таблица 2. /. Первичные источники тока с водным электролитом
Характеристики Источники тока
Марганцево- цинконый солевой Мнргйнцево- I цинковый | щелочной ?Tyi но- ЦИККОВЫЙ Серебряно шп г новый Воздушно- цинковый
Электр охи.миле- Zn/NH4C1 7л/К0Н/ Хтт/КОН/ Zn/KOH' ZMCOHZ
екая система (или ZnCby MnCh ~ МпО> Hgo AgO ведух
НР1 (/рабочее на- пряжение. В 1.5/1,2 1,5/1,25 1,35/1,25 1,6/1,5 1,4/1.2
Конечное напря- жение разряда, В 0,7-1,0 0,7-1,0 0,9-1,1 0,9-1,3 0,9
Форма кривой разряда Удельная энергия: i (аклонпая Наклонная Плоская Плоская Плоская
весовая, Втч/кг 80-150 ]00-200 80-120 100-130 150-350
объемная, Г1тч/л.уг 180-250 200-350 300-500 450-500 До 860
Диапазон рабочих температур. СС -20-+60 -20-+60 -20-+50 0-+40 +20-+40
Сохранное! ь, годы 1-3 3-7 3-5 3-5 1-2
Особенности Экономи- X орошая Высокая Высокое и Стабильное
эксплуатации чей при малых на- грузках в прерыви- стом ре- жиме работоспо- собность при боль- ших токах и непре- рывной нагрузке стабиль- ность на- пряжения при малых и средних токах стабильное рабочее напряже- ние рабочее напряже- ние
2J.2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Марганцсво-ципковые элементы
Марганцево-цинковые (МЦ) первичные источники тока выпускаются
в двух вариантах: с солевым и щелочным электролитом.
Солевые МЦ элементы устойчиво выпускаются во всем мире более
100 лет. Их широкое распространение определяется возможностью обес-
печения вполне удовлетворительных электрических и эксплуатационных
характеристик при относительной дешевизне.
В качестве анола используется металлический цинк, покрытый слоем
углерода, в качестве электролита - водный раствор либо хлорида аммо-
25
2.1. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
Пня NH+C1, либо хлорида цинка ZnCb, либо их смесь с некоторыми до-
бавками. В первом случае электродные процессы описываются уравнени-
ем токообразующей реакции [ 12]:
2MnO2 + 2NH4CI+ Zn —ZnCI2 2NH, + Н2О + Мп,О;),
но игором случае уравнение имеет вид:
«МпО, + 4Zn + ZnCI2 + 9Н,0 —► 8MnOOH + ZnCI2 4ZnO 5Н2О.
Энергетические показатели последних элементов несколько выше.
Понятие "номинальная емкость" редко используется для характери-
стики МЦ элементов, так как их емкость сильно зависит от режимов и
условий работы. Существенна не только величина тока разряда, но и
временной график нагрузки, Главным недостатком этих элементов явля-
ется значительная скорость уменьшения напряжения на всем протяжении
разряда. Конечное разрядное напряжение зависит от нагрузки и находит-
ся в диапазоне 0,7-1,0 В. При прерывистом разряде большими и средни-
ми токами работоспособность элементов заметно увеличивается по срав-
нению с непрерывным режимом работы (на 10-20 % при использовании
п течение 2 -8 ч/сут [1]). Но при малых разрядных токах и многомесячных
перерывах в работе емкость их может снижаться из-за саморазряда.
В последней фазе разряда и по его окончании у элементов может на-
блюдаться течь электролита, что связано с увеличением объема активной
массы положительного электрода и выдавливанием электролита из его
пор. Особенно сильно этот эффект проявляется после разряда большими
токами или короткого замыкания.
МЦ элементы работоспособны в диапазоне температур от -20 до
160 'С. Чем выше температура, тем больше электропроводность электро-
лита и ниже внутреннее сопротивление элементов. Однако длительное
воздействие повышенной температуры снижает срок службы элементов.
А при низкой температуре заметно снижается отдаваемая емкость. Но при
корректировке рецептуры электролита выпускается серия хладостойких
элементов, работоспособных в интервале температур от -40 до -40 °C.
На работоспособность солевых МЦ элементов существенно влияет
время их хранения с момента изготовления. Саморазряд их определяется,
прежде всего, коррозией цинкового электрода, а также взаимодействием
активных масс положительного электрода с загустителями электролита.
При хранении он увеличивается и из-за высыхания элемента, В зависи-
мости от рецептур активных масс и электролита, конструктивного испол-
нения и размеров элементов их сохранность колеблется от 1 года до 3
ют. К концу гарантированного срока потери емкости могут составлять
10-40 %.
Щелочные МЦ элементы в качестве анода имеют пористый цинк, а в
качестве электролита - раствор КОН. В начале процесса разряда проис-
ходит окисление цинка с образованием цинката ZriO2~ (или Zn(OH)J').
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
26
После насыщения раствора электролита цинкатом начинается вторичный
процесс - реакция Zn + 2ОН" —*- Zn(OIT)2 + 2е” с последующим распа-
дением гидроксида цинка на ZnO и Н2О. На второй стадии в элементе
устанавливается баланс выделения и поглощения ионов ОН' и щелочь не
расходуется, поэтому для его работы достаточно малого количества элек-
тролита, который заполняет только поры электродов и межэлекгродпое
пространство.
Порошковый цинковый электрод с развитой поверхностью обеспечи-
вает значительное увеличение коэффициента использования активного
материала по сравнению с солевыми элементами. При непрерывном раз-
ряде средними и повышенными токами щелочные МЦ элементы обеспе-
чивают емкость большую (до 7-10 раз), чем солевые элементы тех же га-
баритов. Щелочные элементы лучше работают и при низких температурах:
при -20 °C отдают такую же емкость, как солевые в режиме непрерывно-
го разряда при комнатной температуре. Скорость саморазряда щелочных
МЦ элементов ниже: после I года хранения при +20 °C или 3 месяцев при
+50 °C потери емкости составляют-10 % начальной емкости.
Марганцево-пинковые элементы используются в самых разнообраз-
ных устройствах - от измерительной техники до бытовых приборов. Так
как солевые МЦ элементы в прерывистом режиме работают много луч-
ше, чем в непрерывном, эти наиболее дешевые источники тока особенно
часто используют в карманных фонарях, радиоприемниках, калькулято-
рах и игрушках.
Элементы выпускаются в разных конструктивных вариантах, чаще -
в цилиндрическом исполнении. Один электрод служит сосудом, электрод
другой полярности помещают внутрь сто.
Размеры цилиндрических МЦ элементов соответствуют типоразмер-
ному ряду, разработанному Международной электротехнической комис-
сией (МЭК) с целью унификации габаритных размеров цилиндрических
первичных источников тока. Однако следует обратить внимание па неко-
торое рассогласование в стандартах разных стран. В табл. 2.2 показано
соответствие некоторых систем обозначений габаритов элементов. В таб-
лице даются максимальные размеры, практически все размеры имеют
допуски в сторону уменьшения (от 0,7 до 2,5 мм и тем большие, чем
больше сам размер). Наиболее распространенные типоразмеры - R03, R6,
RI4nR20.
Конструкция отечественного марганцево-циикового элемента 373 (R20),
солевого и щелочного, показана на рис. 2.1. Для уменьшения вероят-
ности питтинговой коррозии тонкостенного цинкового стакана элемента
373, обернутого просто картонной защитно-декоративной гильзой, в эле-
менте "Орион М" дополнительно используется корпус из белой жести.
Щелочной элемент АЗ73 (LR20) при тех же габаритах па 25 % тяжелее
27 2.1. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
28
Рис. 2.1. Устройство цилиндрических МЦ элементов [3]:
а - солевой элемент 373; б - модернизированный соленой элемент "Орион М"; s - щелочной
элемент АЗ 73, 1 - отрицательный цинковый электрод; 2 - активная масса положительного
электрода', 3 - сепаратор, 4 токоотвод; 5 - прокладка; 6 - колпачок; 7, 9, 10 - шайбы; 8 -
битумная композиция, J1 - элемент; 72 - корпус; 17 - гильза; 14 - дно; 15 - крышка; 16 -
настовая диафрагма, 17 - активная масса отрицательного электрода, 18- изолятор
Рис. 2.2. Разрядные кривые МЦ элементов 316 (R6), солевого (л) и щелочного
(о) при разных токах разряда [3]
29
2.1. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
солевых из-за более плотной активной массы и использования стального
никелированного корпуса.
Разрядные характеристики МЦ элементов показаны на рис. 2.2. При
одинаковых размерах солевого и щелочного элементов и одинаковых
токах нагрузки продолжительность работы последнего в 2,5 раза больше
При малых токах и в 4-5 раз больше при больших. Щелочные элементы
обеспечивают разряд при более высоких токах.
Самым крупным российским производителем солевых МЦ элементов
и батарей из них является ОАО "Энергия" (г. Елец). Вы пускаю гея элементы
173 (4,3 Ач при нагрузке 39 Ом) и батареи "Планета-2" (3,9 В; 0.7 Ач), ГБ-
|0-У-1,3 (9,8 В; 1,3 Ач), 25-ПМЦГ-У-300ч (25 В; 1,3 Ач), 70-АМЦГ-У-120ч
(70 В; 1,8 Ач), 100-АМЦГ-У-190ч (100 В; 2,7 Ач), которые используются в
Средствах связи, приборах и устройствах разного назначения, а также бата-
рея "Молния" (330 В) для фотовспышек (рекламные материалы INTERBAT-
2002, г. Москва, 25.02-1.03.2002). Информация о более широкой номенкла-
туре щелочных элементов ОАО "Энергия" представлена в табл. 2.3. Про-
должительность их работы в 2 раза больше, чем у солевых.
Солевые элементы 373 "Орион" выпускаются также на заводе "Вост-
Сибэлемент". Кроме них завод предлагает призматические МЦ элем си-
ня 145У с номинальной емкостью 8,9 Ач. Продолжительность их рабо-
ты не менее 160 ч. Гарантированный срок хранения элементов - не ме-
нее 1,5 лет.
В условиях узкого номенклатурного списка отечественной продук-
ции на российском рынке первичных ХИТ в последние годы в большом
ассортименте появилась продукция многочисленных зарубежных компаний.
Лидерами продаж солевых элементов являются компании PANASONIC,
PHILIPS и SAMSUNG, щелочных - компании DURACELL, ENERGIZER
и PANASONIC. Вообще же во всем мире в производстве наблюдается
устойчивая тенденция по увеличению доли более энергоемких щелочных
МЦ элементов.
Глблииа 2.3. Щелочные МЦ элементы ОАО "Энергия"
Наименование теме! 1та Hai 1ря- жение, В Емкость, Ач Сопротивление внешней цепи. Ом Г абар ил । ые р евмеры s мм Срок хранения, мес
Л 316 Эра 1,35 1,2 39 014,5x50,5 12
А 332 Эра 1,35 L6 39 021,5x37,3 12
А 343 Эра 1,35 4,0 39 026,2 х 50,5 12
А 343 С 1,45 2,5 (Разр. гок 15 мА) 026,2 х 50 24
А 336 Свст-1 1,40 2,6 39 021,5x60 12
А 336 С 1,45 0,6 1500 021,5x59,5 24
КОРУНД 8.5 0,68 500 26,5 х 17,5x48,5 9
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА 3Q
Таблица 2.4. Марганцево-цинкавые элементы и батарейки, выпускаемые
ведущими зарубежными компаниями
Размеры, мм Обозначе- ние раз- MCpDB. введенное ft 20 г. Обозначение элементов и ба та]?еск
диа- метр вы- сота Солевые (General Purpose, SUPER) Щелочные (Alkaline)
PANA- ENFR- -, , SONIC VAR1A ojzer MAXELL SONIC VAR1A DURACEI.I, energizer
34,2 61,5 XL R20 3020 R20 SUM 1 LR20 4020 MN 1300 LR2&E95 26,2 50,0 L RI4 3014 R14 SUM2 LR14 4014 MNI400 LR14/E93 14,5 50,5 M R6 2006 и R6 SUMS LR6 4006 MN1500 LR6/E91 .3006 10,5 44,5 S R03 - - SUM 4 LR03 4003 MN2400 LR03/E92 9V 6F22 3022 6F22 - 6LR61 4022 MN1604 6LR61/522 - - - 2RI0 3010 2R10 - - 3R12 3012 3R12 - 3LR12 4012 - 3LR12 - - - - 4LR6I 4018 7K67
В табл. 2.4 показаны соответствия в наименовании моделей, выпус-
каемых разными зарубежными производителями.
Конкуренция производителей привела к улучшению всех характери-
стик этой продукции. В настоящее время многие компании выпускают
щелочные элементы, имеющие приставки "Power", "Ultra" и другие ана-
логичные, которые отражают увеличение емкости или мощности элемен-
тов, например, до 30—45 % у элементов LR6. Эти успехи стали возможны
благодаря использованию особо чистых исходных компонентов, оптими-
зации структурных характеристик электродов и состава электролита.
Гарантийный срок сохранности зарубежных МЦ элементов больше,
чем у отечественных: он составляет 2-3 года для солевых и 5-7 лет для
щелочных (у некоторых производителей он достигает 10 лет Ц5]).
Следует отметить, что в зарубежных каталогах номинальная емкость
обычно не указывается. Для ориентации может быть использована ин-
формация о типичной емкости современных МЦ элементов, которая дана
компанией VARTA Г16J:
Модель элемента
4003 4006 4014 4020
Емкость. Ач
1,1 2,6 7,8 16,5
Эту емкость элементы обеспечивают при малых токах разряда, при
больших токах она может уменьшиться значительно. Такую же емкость
можно ожидать и от аналогичных элементов других компаний.
Выпускаются и дисковые МЦ элементы, которые используются в
устройствах с очень малым потреблением тока (калькуляторах, часах и
т. п.). Информация о них представлена в табл. 2.5 вместе с информацией
об элементах других систем.
31 2J. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
Восстанавливаемые МЦ элементы
Часто возникает вопрос о возможности продления срока работы мар-
I пнцево-иинковых элементов. Вообще они допускают несколько десятков
шря дно-разрядных циклов (10-20 циклов для солевых и в 2 раза больше
для щелочных) [12], Но заряд должен быть обеспечен сразу после разряда
мц глубину не более 25 % (до напряжения не ниже 1,1 В). При длительном
хранении элементов до разряда их последующий заряд сильно затрудняет-
ся, Запас емкости с циклами постепенно уменьшается, так же как и напря-
жение, Для заряда рекомендуется использовать зарядное устройство с на-
пряжением 1.7-1,75 В на элемент с ограничением тока заряда [I]. Следует
помнить, при таком режиме эксплуатации элементов усиливается течь
шсктролита. Поэтому применять подзаряд МЦ элементов не рекомендует-
ся, чтобы не испортить аппаратуру, в которой они используются.
Перезаряжаемые МЦ элементы разрабатывались компаниями Union
Carbide (США) и Battery Technologies (Канада). Они появились на рынке под
торговой маркой Renewal (восстанавливаемые). За последние 10 лет было
получено много патентов на этот источник тока, но реальное производство
Налажено только в Германии компанией Battery Innovation Group [15].
Восстанавливаемые МЦ элементы обеспечивают до 50 циклов при до-
вольно большой степени разряда. У них низкий саморазряд, и они могут
храниться до 5 лет. Однако стоимость перезаряжаемых МЦ элементов соиз-
мерима со стоимостью щелочных аккумуляторов с гораздо большим сроком
службы. И поэтому маловероятно, что такая продукция конкурентна,
|*тутно~цинковые элементы
Ртутно-цинковые (РЦ) элементы выпускаются уже более 50 лет. Эти
слабого новые элементы характеризуются высокими удельными энергетиче-
скими характеристиками (до 120 Втч/кг и 500 Втч/дм1) и стабильным раз-
рядным напряжением. Саморазряд - не более 10 % за 2-3 года.
В РЦ элементах используются пористый цинковый электрод и катод
in оксида ртути HgO в смеси с графитом, Электролит - раствор КОН в
малом количестве.
Основные электродные процессы описываются уравнениями:
Zn + 2 ОН- —► Zn(OTI)2 + 2с~ (с в осле дующим разложением
гидроксида цинка па ZnO и 11гО)
и
HgO + Н2О +2с' -* Hg+2OH'.
Напряжение РЦ элемента остается стабильным почти до самого коп-
ни разряда при токах порядка 0,01 При этом токе определяют и номи-
нальную емкость РЦ элементов. На рис. 2.3 показаны типичные разряд-
ные характеристики РЦ элемента. При токах не более 0,01 С стабильное
напряжение обеспечивается даже при 0 °C,
г. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА 32
Элемент имеет одинаково хорошие характеристики как при непре-
рывной работе, так и при прерывистом режиме эксплуатации.
Наибольшее распространение получили дисковые РЦ элементы, в
которых один электрод впрессовывается в стальной корпус, другой - в
крышку. В них нет свободного пространства, и водород, который выде-
ляется при коррозии цинка, удаляется через герметизирующую элемент
прокладку путем диффузии. Электролит при этом вытекать не должен.
Качество элементов зависит как от правильного соотношения закладок
активных масс обоих электродов, так и от материала изолирующей про-
кладки и степени сжатия ее при завальцовывании элемента.
Миниатюрные РЦ элементы используются в фототехнике, па ручных
электрических часах, карманных калькуляторах и других малогабарит-
ных устройствах. Стабильность разрядной характеристики позволяет ис-
пользовать их также в качестве источника стандартного (опорного) на-
пряжения в различной контрольно-измерительной аппаратуре.
В России ОАО "Энергия" выпускает полтора десятка моделей диско-
вых и цилиндрических элементов емкоствю от 0,03 до 2,8 Ач (масса от
0,085 до 40 г) с гарантированным сроком хранения от 18 до 36 месяцев,
2 цилиндрических элемента емкостью 14 Ач (масса 170 1') со сроком хра-
нения 3 и 5 лет и большую серию батареек емкостью от 0,1 до 7 Ач и на-
пряжением от 2,5 до 15,5 В (рекламные материалы INTER ВАТ-2002,
г. Москва, 25.02-1.03.2002 г.).
Номинальное напряжение - 1,35 В, начальное 1,22 В для элементов
емкостью более 1,1 Ач и 1,25 В - для всех остальных. Элементы работо-
способны при температуре от -30 до +70 °C. Конечное напряжение раз-
ряда - 1,0 В при температуре от 20 до 50 °C и 0,9 В - от 0 до 2 °C.
Следует заметить, однако, что экологические проблемы, связанные с ток-
сичностью ртути, привели повсеместно к снижению производства РЦ эле-
ментов. В настоящее время РЦ элементы все более вы тесняются с рынка сла-
Рис. 2.3. Разрядные характеристики дискового элемента РЦ73 (1,1 Ач) при
температуре 50 °C (7), 20 °C (2) и 0 °C (3, 4, 5); ток разряда: 0,01 С (1, 2,
3), 0,02 С (4) и 0,04 С (5) [3]
33 2.1. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
t Требряно-цинковыс элементы
Серсбряно-цинковые (СЦ) элементы обладают удельными энергети-
ческими характеристиками, близкими к характеристикам РЦ элементов,
( щбильной разрядной характеристикой при высоком рабочем напряже-
нии и длительным сроком хранения. Они также менее чувствительны,
чем МЦ элементы, к повышению токовой нагрузки.
Конструкция дисковых СЦ элементов подобна конструкции РЦ эле-
ментов, по герметизация требует большего внимания. Срок их хранения
составляет 3-5 лет, иногда до 10 лет. Элементы работоспособны в диапа-
|опе температур от 0 до 40 °C.
В России с конца 1990-х годов СЦ элементы не выпускаются, но у
Ш1С । рибьюторов зарубежных компаний можно найти большие серии миии-
йНорных элементов, которые используются для часов. Компания MAXELL,
например, выпускает более 50 моделей элементов емкостью от 4 до 165 мАч
(ШЮ серии: для часов с малым и большим потреблением энергии). Ком-
пания PANASONIC производит около 40 моделей дисковых элементов
емкостью от 5.5 до 180 мАч.
Для облегчения поиска СЦ элементов для часов при их замене в
шОл. 2.5 приводятся данные о наименовании их у разных прои.чводите-
m’fl. Представлены также данные и о марганцево-цинковых элементах,
миорые используются для этих целей.
Ооадушпо-цинковыс элементы
Воздушно-цинковые (ВЦ) элементы могут лишь условно относиться
к герметичным. Они отличаются от остальных первичных источников
юка наличием специального отверстия, которое вскрывается для того,
чюбы обеспечивать поступление внутрь элемента воздуха, кислород ко-
торого используется в качестве окислителя.
В малогабаритных элементах используются тонкие угольные элек-
троды, иногда с катализатором, и шел очной электролит, загущенный или
матричный (только в порах сепаратора). Такие элементы обеспечива-
цн 150 350 Втч/кг в зависимости от размера и конструкции [Ц. есть
сообщения об элементах с еще большей удельной объемной энергией
I н.о 860 Втч/дм-’ [15J), Элементы используются для слуховых аппара-
та и уже сейчас захватили практически весь рынок этих изделий.
Воздущно-цинковыс элементы недороги и имеют достаточно боль-
ший срок хранения (1-2 года до вскрытия заклеенного отверстия). При
и мпературе от 20 до 45 °C стабильное напряжение 1,4 13 сохраняется
практически до исчерпания емкости, при 0 СС время работы может сокра-
щая на 10-15 %.
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
34
Таблица 2.5. Дисковые элементы для часов
Размеры, мм Нома- налитая емкость, мАч Обозначения элементов, выпускаемых компаниями
диаметр высота MAXELL, PANASONIC, SONY VARTA DURA- CELL ENER- GIZER CITI- ZEN NEWIEC
Серебря н о-ци п ковы c элементы
11,6 5,4 165 SR44SW V3O3 (521) D303 303 280-08 SRII54SW
4,2 110 SR43SW V301 (528) D301 301 280-01 SRI I42SW
3,6 100 SRH36SW V344 (529) D344 344 - SRI136SW
3,05 83 SRI I30SW V390(534) D390 390 280-24 SRH30SW
2,05 55 SRI120SW V38I (533) D381 380 280-27 SRI 120SW
1,65 29 SR1116SW — D366 366 280-46 SR1116SW
9,5 3,6 71 SR936SW V394(524) D394 394 280-17 SR936SW
2,73 55 SR927SW V395 (523) D395 395 280-48 SR927SW
2,05 39 SR920SW V371 (537) D371 371 280-31 SR920SW
1.65 26,5 SR9I6SW V373 (539) D373 373 280-45 SR9I6SW
7,9 3,6 45 SR41SW V384(527) D384 384 280-18 SR736SW
3,1 36 SR731SW V329 (525) — 329 - SR731SW
2,6 33 SR726SW V397 (536) D397 397 280-27 SR726SW
2,1 25 SR72ISW V362 (532) D362 362 280-29 SR721SW
1,68 22 SR716SW V3I5 (530) D315 315 280-56 SR716SW
1,29 10 SR712SW — — 346 280-66 SR712SW
6,8 2,6 28 SR626SW V377(565) D377 377 280-39 SR626SW
2,15 18,21 SR621SW V364 (531) D364 364 280-34 SR621SW
1,65 15. 16 SR6I6SW V321 (540) D321 321 280-73 SR616SW
5,8 2,7 17 SR527SW — — 319 280-60 SR527SW
2,15 16, 14 SR521SW V379 (520) D379 379 280-59 SR521SW
1,65 11.5 SR516SW V317 D317 317 280-58 SR516SW
1,25 5,5 SR5I2SW — — 335 280-68 SR512SW
1,08 4 SR510SW — *— — 280-69 SR510SW
4,8 2,15 12 SR42ISW — — 280-77 SR421SW
1,65 8 . SR4I6SW Щелочные элементы 280-75 SR416SW
11.6 5,4 90/60 I..R44H/LR44 VI3GA LR44 Л76 280-904 LR44
4,2 55 LR43 VI2GA LR43 186 - LR43
3,05 35 LR1130 V10GA LR54 189 - LR54
2,05 26 LRII2O V8GA LR55 191 - LR55
9,5 3,6 44 LR936 — — — - LR45
7,9 3,6 25 LR4I V36F — 192 280-902 LR41 j
2,6 20 LR726 280-901 LR59
6,8 2,6 17 LR626 — — — 280-903 LR66
Практически все серебря но-цин ковшу элементы компании MAXELL выпуска к? гея в двух модификациях,
для часок и малым потреблением тока (данные в таблице) и с большим потреблением тока. У последних
в наименовании нет предпоследней буквы (S).
Отечестве иные серебряно-цицковые элементы, которые выпускались ранее, могут быть заменены ла
аналогичные зарубежные: элемент СЦ-OJS - на элемент SR44SW; СЦ-0.12 - на SR43SW; С1.1,-0.038 - на
SR41SW; СЦ-0,018 - на SR721SW.
35
2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
В России ОАО "Энергия" выпускает три типа воздушно-ципковых
цементов (табл. 2.6), которые при работе 12 ч в сутки обеспечивают ра-
ботоспособность слуховых аппаратов в течение 3-4 недель. Срок хране-
ния - 1 год (рекламные материалы INTliR.BAT-2002). Характеристики
•.цементов компании PANASONIC представлены в табл. 2.7.
Lu'ijuiifa 2.6. Малогабаритные воздушно-цинковые элементы ОАО "Энергия"
1 ПИ Tic- мента Емкость, мАч Начальное на- пряжение, В Сопротивление внешней цепи. Ом Размеры, мм Масса, г
дпй.метр ( ibjcoia
PH 41 76 1,24 1500 7.9 3,6 0,7
Pit 48 170 1,20 1500 7,9 5,4 1,0
PR 44 400 1.20 625 11,6 5,4 1,7
310 300 11,6 5,4 1.7
tubjiififct 2.7. Малогабаритные воздушно-цинковые элементы PANASONIC
Чирик гер истки PR675II (PR675P) PR131I (PR13P1 PR31211 (PR3I2P) PR230H PR5I-I PR233O
1 мкость, мАч 600 (450) 260 (2001 140 (100) 75 33 1050
Размеры, мм;
высота 5,4 5,4 3,6 3,6 2,15 3,0
диаметр 11,6 7,9 7,9 5,8 5,8 23,1
Мисси, г 1,8 0,8 0,5 0,3 0,2 4,4
В 1990-х годах было много попыток разработать и воздушно-цинко-
пые 'элементы большой емкости. В настоящее время американская В led lie
I uel Corporation рекламирует воздушно-цинковые одноразовые источни-
ки тока третьего поколения (www.instant-powcr.com). Предлагаются пло-
ские призматические батареи на 12 В для военных целей. Батареи типов
/АРР-36, ZAPP-48 и ZAPP-72 обеспечивают до конечного напряжения 1.1 В
емкость 10,5; 14 и 21 Ач соответственно при токе до 0,17 Сп. Масса батарей -
0,7; 0,9 и 1,4 кг соответственно. Улучшенная батарея типа AZAPP 12LT,
обеспечивающая емкость 20 Ач, весит 0,9 кг.
2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
J 2.1. ОСОБЕННОСТИ ЛИТИЕВЫХ ПЕРВИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Источники тока с более высокими энергетическими характеристика-
ми и расширенным диапазоном эксплуатационных возможностей были
ищапы при отказе от водных электролитов. Наибольшие успехи были
и ч гигнуты при разработке литиевых элементов с органическим и твер-
н iM электролитом.
2, ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
36
Первые работы по использованию лития в качестве анодного материала
в источниках тока начались в 1960-х годах. Исследовались источники тока с
жидкофазными катодными материалами (SO2 и SOC12) и твердофазными
I'MnCb, FeS, CuO, 12 и многие другие).
Основные характеристики литиевых элементов наиболее распро-
страненных систем представлены в табл. 2.8. ниже описаны их особенно-
сти и показаны рабочие характеристики.
Таблица2.8. Литиевые элементы разных электрохимических систем
Характеристики Источники гока
'Электрохимическая Li/MnOz Li/SO3 Li/SOCh Li/CF, Li/CuO Li/Ь
система НПуРабочсс нал ряже- 3,5/3,0 3.0/2,6-2,9 3.67/ 3.3/- 1,6/ 2,8/-
ние, D Конечное напряжение, В 2,0 2,2 3,3-3,5 2.2 2,0 1,2-1,5 0,0-1,0 2,2
Удельная энергия: весовая, Втч/кг До 250 300-340 До 600 250 300
объемная, Втч/дм’ 500 51X1-560 До 1100 600 600 До 1000
Диапазон рабочих тем- -20-+55 -60 - +70 -50-+70 -20 - +60 -10-+70 -10-+60
пер ату р, °C Саморазряд. % в год 2-2.5 1-2 (до +130) 1,5—2 1-2 1-2 1
Подробную информацию обо всем разнообразии возможных литие-
вых элементов, а также о состоянии разработок и перспективах можно
найти в [7, 8, 14]. Характеристики промышленно производимых источни-
ков тока отечественных и зарубежных компаний показаны ниже.
Литиевые элементы в настоящее время в ряде областей техники ус-
пешно конкурируют с более дешевыми элементами с водным электроли-
том. Их используют в системах связи и компьютерах, в измерительных
приборах и другой технике, где требуется большая стабильность рабоче-
го напряжения в течение многих лет эксплуатации. Разработаны и мощ-
ные источники тока, способные к отдаче импульсов большой энергии
даже после 10-12 лет хранения.
12.2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Источники тока на основе системы ллтий/диоксид марганца (Li/MnO2)
Элемент Li/MnO2 с твердым катодом из диоксида марганца появился на
рынке первичных литиевых источников тока одним из первых. Он имеет дос-
таточно высокие удельные характеристики при сравнительно низкой цене.
Реакция для этой системы записывается в виде:
*4 +3 . .+
Li + М11О2 —* MnO2(Li ),
37
2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Рис. 2.4. Разрядные характеристики литий-марганцевого дискового элемента
CR 2325 производства АО "Новосибирский завод химических кон-
центратов"
г е диоксид марганца восстанавливается из четырех валентно го до трех-
ItiuiexTHoro состояния с помощью лития, который внедряется в кристал-
пнчсскую решетку конечного оксида. Электролит перхлорат лития в
сметанном органическом растворителе.
НРЦ элемента Li/MnOi - 3,5 В, номинальное напряжение 3 В, хотя
Первоначальное напряжение при подключении нагрузки может быть и
Несколько выше. Конечное напряжение - 2 В. Рабочий диапазон темпера-
typ: от -20 до +55 °C. Срок хранения - до 10 лет при саморазряде не бо-
ксе 2 2,5 % в год.
Типичные разрядные характеристики элемента при разной нагрузке и в
широком диапазоне температур показаны на рис. 2.4.
Источники тока на основе системы литий/диоксид серы (Li/SO?)
Литиевые элементы системы литнй/диоксид серы наиболее хорошо
И [учены и широко распространены.
В качестве катода в элементах используется смесь сажи с графитом и
связующим, которая наносится па металлическую основу. Электролит
tjicмента состоит из диоксида серы SO; (70-75 % по объему) с добавками
JUIH обеспечения требуемой электрической проводимости.
Электрохимическая реакция, которая протекает в элементе при под-
ключении нагрузки, имеет вил:
2Li + 2SOj —Li232O4
11РЦ элементов Li/SO? - 3 В. Разрядное напряжение 2,6 -2,9 В в зави-
I нмости от плотности тока. Типичные разрядные характеристики элемен-
। । при разной нагрузке и 20 °C показаны на рис. 2.5, в широком диапазо-
г температур - на рис. 2.6.
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА 3g
Время, ч
Рис. 2.5. Разрядные характеристики элемента Li/SO, SAFT типа LO40 SHX
(3,5 Ач) [17]
К недостаткам l.i/SO2 элементов относятся высокое внутреннее дав-
ление и опасность сильного нагрева при коротких замыканиях. Для пре-
дотвращения нежелательных эффектов в нижней части корпуса устанавли-
вают специальный предохранитель, который срабатывает при 100 е'С и
обеспечивает сбрасывание избыточного давления газа.
Цилиндрические элементы наиболее рас про сэра йены. Они бывают двух
модификаций. При бобиипой конструкции литиевый анод запрессовывает-
ся по периферии, а прессованный угольный катод помещается в центре.
При рулонной сборке пакета электродов обеспечиваются более высокие
энергетические характеристики. Срок хранения элементов Li/SCE - до 10
лет. Саморазряд происходит за счет взаимодействия лития с электроли-
том, скорость его не превышает 1-2 % в год при 20 °C.
Следует отметить, что после продолжительного хранения при повышен-
ной температуре элементы Li/SCE при разряде большими токами или при
Рис. 2.6. Разрядные характеристики элемента SAFT типа LO40 SIIX
при различных температурах. Ток разряда 117 мА
2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Н1мисратурс ниже -30 °C могут иметь начальный провал напряжения ниже
? В Это объясняется анодной пассивацией лития [7, 10]. Так, после 8 не-
Ж'иь хранения при 70 °C провал напряжения наблюдался в течение 200 мс
при разряде током 0,025 С при -30 °C и в течение 80 с при токе разряда
t),S Этот эффект может быть уменьшен кратковременным разрядом в
режиме короткого замыкания до тех пор, пока рабочее напряжение бла-
I пиаря разрушению пассивирующей пленки не восстановится. При ком-
натой температуре не наблюдается начального провала напряжения при
pti (ряде даже после хранения при температуре 70 °C в течение 1 года.
Еще одна проблема эксплуатации связана с возможностью глубокого
рптряда и изменения полярности элемента при работе его в составе бата-
|нч! Это может привести к разгерметизации и даже разрушению элемен-
IU Для предотвращения этого используют ограничение тока по мере ис-
черпания емкости батареи, а также устройства отключения, реагирующие
ПИ снижение их напряжения.
Негочинки тока на основе системы литий/тионилхлорид (Li/SOClj)
Элементы системы Li/SOCl2 с жидкофазным катодом обладают наи-
нучшими удельными характеристиками среди литиевых первичных ис-
точников тока, до 600 Втч/кг и 1100 Втч/дм3.
Реакция, которая протекает при разряде, имеет вид:
4Li + 2SOCb —- 4L1C1 + SO2 + S.
Гак как большая часть SO2 растворяется в электролите, давления в эле-
менте не возникает.
! IP1 ( элементов - 3,67 В, рабочее напряжение 3,3-3,5 В в зависимо-
i in от тока разряда. На рис. 2.7 показаны типичные разрядные характери-
стики элемента, на рис. 2.8 - зависимость его емкости от тока разряда и
томнературы.
Гш 2.7. Разрядные характеристики элемента Li/SOClj SAFT типа LS 26500
(7,3 Ач) [17]
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
40
Рис. 2.8. Емкость элемента SAFT л ипа LS 26500 при различных токах
разряда и температурах, UKm = 2 В
По конструкции элементы Li/SOCI2 сходны с элементами Li/SO2>
но требуют специальных сепарационных и изоляционных материалов,
так как тионилхлорид значительно агрессивнее других электролитов.
Срок храпения элементов системы Li/SOCIj составляет 10 лет при
саморазряде 1,5-2 % в год при 20 "С. При длительном хранении этих
элементов, как и у элементов системы l.i/SCL, может наблюдаться провал
напряжения, которое затем медленно (в течение нескольких минут) вос-
станавливается до рабочего. Глубина и продолжительность начального
спада напряжения увеличиваются при пониженных температурах.
Обеспечение пожаро- и взрывобезо пас пости элементов Li/SOCb по-
требовало еше больших усилий, чем для элементов Li/SO2, и от разработ-
чиков, и от технологов. Несмотря на достигнутые успехи эти элементы
при эксплуатации требуют обязательного использования плавких предо-
хранителей, электрических и тепловых, и диодной защиты батарей. Не-
обходимость в особом внимании к элементам Li.'SOCl2 отражается даже в
запрете авиатранспортировки их партий.
Источники тока на основе сие гемы лиги й/пол и фторуглерод
Удельная энергия элемента достигает 250 Втч/кг и 600 Втч/дм3. То-
кообразующая реакция имеет вид
п Li + (CFj,, —ziLiF.. + пС.
В процессе разряда превращения, происходящие во фторированном
углероде, приводят к увеличению электропроводимости положительного
электрода, и условия разряда улучшаются.
НРЦ элемента составляет 3,2-3,3 В, рабочее напряжение стабильно на
протяжении всего разряда в широком диапазоне токов нагрузки и темпера-
тур (от -40 до +85 СС). Типичные разрядные характеристики элементов
этой системы показаны на рис. 2.9 и 2.10. Конечное напряжение - 2 В.
Элементы теряют не более 20 % при хранении более 10 лет.
41
2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
I'tie, 2.9. Разрядные характеристики элемента BR-2/3A PANASONIC
при разной нагрузке
Рис. 2.10. Разрядные характеристики элемента BR-2/3A PANASONIC
при разной температуре
Источники тока на основе системы литий/оксид меди (Li/CuO)
Элементы Li/CuO имеют самое низкое рабочее напряжение среди ли-
I целых элементов. Оно соизмеримо с напряжением щелочных МЦ элемен-
та, J 1о в литиевых элементах удалось достичь в 3 раза большей удельной
tiiepi ни.
Реакция при разряде имеет вид:
2Li + CuO —► LbO + Cu.
Разрядный процесс протекает в несколько этапов: СиО —*- Си2О —»-
- ('н.
НРЦ элементов - 2,5 В, рабочее напряжение 1,2-1,5 В в зависимости
н та разряда. Начального провала напряжения не наблюдается. Типич-
разрядные кривые элементов показаны на рис. 2.11.
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
4
2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
со
<1>
S
I
0
X
2,0
1,5
1,0
и
L —------------//------
15&Ом ^\б00 Ом Ю кОм
х 0 W 20 30 40 50 60 70 80 ^00 500
Время, сутки
Рис. 2.11. Типичные разрядные характеристики элементов Li/CuO
типоразмера АА при 20 °C [7]
Элемент Li/CuO работоспособен в диапазоне температур
+70 °C. При высокой температуре и малых плотностях тока
бл издаться разряд с двумя плато.
Срок хранения элементов при 20 °C - до 10 ле г.
от -20 дс
может на-
элементов
Источники тока па основе системы литнй/иод (Li/I2)
Элементы системы Li/'L отличаются от других литиевых
тем. что они не содержат жидкого электролита и не требуют использова-В
ния специального сепаратора. К
Работа источника тока системы литнй/иод основана на реакции
Li + !/2L —»- Lit.
При непосредственном контакте и оде оде ржа те го катода и лития в!
результате прямой химической реакции образуется твердый иодид литияш
Lil, который является электролитом и одновременно играет роль се пара-Я
тора, разделяющего два электроактивных материала. В
НРЦ элемента - 2,8 В. Напряжение его определяется сопротивлениемш
слоя иодида лития, который по мерс разряда постепенно накапливается вВ
межэлектродном пространстве и вызывает линейное уменьшение папря-Д
жения до 2,2-2,4 В. Когда весь запас иода исчерпается, напряжение резкоI
падает.
Элементы обеспечивают сохранность в течение 10-15 лет при само-Я
разряде порядка 10% за весь срок службы. Саморазряд определяется 11
взаимодействием лития и иода, который диффундирует через слой иоди- ?!
да лития. Потери на саморазряд зависят от толщины слоя Lil и поэтому в
наибольшей степени имеют место па начальной стадии работы: все поте-
ри на саморазряд проявляются при разряде не более чем па 25-30 %.
При работе элементов Li/L не образуется газов. Общий объем его не-
изменен в течение всего периода работы. Они выдерживают значитель-
ные нарушения условий эксплуатации без каких-либо последствий.
Специфический механизм работы элемента и его характеристики де-
лают его пригодным для выполнения задач, требующих повышенной на-
тчкности. Источники тока с емкостью порядка нескольких ампер-часов
lit пользуются в устройствах для медицинских применений, прежде всего
*И|биостимуляторов. Они работоспособны в диапазоне температур от -10
НИ 160’С.
Более детальное описание принципов работы элементов Li/12, а также
эринии гельныс характеристики элементов отечественных и производства
(111А можно найти в [7, 10, 12].
U I, НОМЕНКЛАТУРА ЛИТИЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Оц'чественная продукция
В России предприятие ОАО "Литий-элемент" с более чем 40-летпим
упыгом работы выпускает литиевые элементы трех электрохимических сис-
тем Для имплантируемых кардио- и нейростимуляторов выпускается 5 in-
itial элементов, работоспособных при температуре в диапазоне от +э5 до
14? "С (табл. 2.9). Характеристики цилиндрических литиевых элементов
(рекламные материалы на выставке 1NTERB АТ-2002) представлены в
Trtftil. 2.10.
ОАО "Литий-элемент" выпускает также целый ряд батарей из литиевых
нц'Ментов большой емкости (десятков и сотен ампер-часов), среди которых
шчь и батарея типа 5МРЛ-3460 (емкость 11 Ач, напряжение 15 В) призма-
тической конструкции с размерами 228 х 44 х 75 мм и массой 1,5 кг.
Другой производитель массовой продукции литиевых элементов -
I (ДО "Энергия" (г. Елец). Информация о литиевых элементах и батареях
миной емкости завода (рекламные материалы на выставке INI ERB АТ-2002)
liitviinia 2.9. Литиевые элементы ОАО "Литий-элемент" для изделий
медицинской техники
X1 ip пк । ер истоки ИЛ-1А ИЛ-2Л ИЛ-2И ИЛ-3 ИХЛ-2
Ысктрохимическая Li/12 Ы/(2 Li/L, Li/h Li/SOCL
। пиема НРЦ. В 2.8 2,8 2,8 2,8 3,6
Номинальная ем- 1,1 2,2 2,0 4,0 1.8
1 щ 11>, Ач 1 ||)М11налы1ый ток 25 25 25 30 До 5000
|i-i рыла. мкА 1 in.ipii гпыс разме- 45 х 23,5 х 45,1 х 22,2 х 50,1 х26х 45 х 22,5 х 45,1 х22,2х
it мм х 4.6 х 8.4 х 6,0 х 13,5 х8,4
t 11 С(| т 15 22 22 40 15
1111111 (ОСТЬ, годы 5 10 10 12.5 7
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
4.
4R
2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
lauiiui/a 2.10. Цилиндрические литиевые элементы ОАО "Литий-элемент"
Характеристики МРЛ-1425 ТХЛ-1425 MP-.-I-1450 TXJJ-1450
Электрохимическая сис- Li/MnO2 Li/SOCI, Li/MnO, Li/SOQ2
гема
Напряжение, В 3,0 3,6 3 0 3,6 1,8 3
Разрядная емкость. Ач 0,7 0,6 j 5
Номинальный ток разря- да, мА 5 1 100

Импульсный ток разря- да, мА 10 50 1000 100
Рабочая температура, °C Размеры, мм -30 - +50 -60 - +70 -30-+50 -60 - +70
диаметр 14.5 14,5 14.5 14.5
высота Масса, г 25,0 15 25.0 12 50,5 30 50,5 19
Сохранность, годы 5 7 5 7
МРЛ-3461
Li/MnOd
3000
30 - +51
3.0
11,0
300
34,5
61,5
НО
5
представлена в табл. 2.11. Элементы работоспособны в диапазоне темпера
тур от -20 до 150 °C, батареи - в диапазоне от -15 до +45 °C, но при пре
дельной низкой температуре работоспособность значительно уменьшается (1
3 разау Блик-1, в 10 разу Блик-ЗН, на 25-50 % у остальных).
Таблица 2.1 /. Литиевые первичные источники тока ОАО ”3
Характеристики — — Блик-1 S i3 Блик-3 Блик-ЗН X CR-2016 CR-2025 CR-2032 £ X 1
I [апряжение, В 3.0 3,0 3,0 3.4 5,9 2,9 2 9 2,9 0,14 2,9 Я 0,14||
Номинальная емкость, Ач Размеры, мм 0,15 0.8 0,8 Е4 0,15 0.05 0,08
диаметр 11,6 17,0 14.5 13,0 20,5 х 17.5 х 20 20 20 23
высота 10,8 33,0 50,0 22.2 х 48,5 1,6 2,5 3 2 2,5 2,9 3
Масса, г 2,8 17,6 17,9 7,2 36,8 1,8 2,2 3,0
Сохранность, годы 5 5 5 5 5 3 3 3
пьчуются В Э.ЧСк-
1Я]уры: последние 4 типа пспол
пи наручных часои.
Эдеме епы с маркой "Блик" предназначены для фотоапл ар;
тройных i-ij-рлх. дистанционном управлении ТВ, л
Кроме предприятий, давно работающих в аккумуляторной отрасли, в
IKUиеднее десятилетие появилось несколько новых, которые успешно
: ш нпнпагот современные технологии.
АО "Новосибирский завод химконцентратов’1 (НЗХК) выпускает 4 типа
; дисковых Li/MnO2 элементов (CR2016, CR2025, CR2325, CR2032 емко-
UIKH) 65. 130, 150 и 170 мАч соответственно), характеристики которых
fliilHKit к характеристикам аналогичных элементов ОАО "Энергия", а
Шжс цилиндрический элемент CR6C емкостью 1,8 Ач.
Большой спектр слабо соковых дисковых литиевых элементов разных
тсчирохимических систем выпускает ООО "Радуга-ХИТ" (г. Подольск
; Московской области). Информация о продукции предприятия получена
г № Выставке 1NTERBAT-2001. Элементы системы Li/CuO (серия GR) с
; Инициальной емкостью от 20 до 55 мАч обеспечивают при разряде ток
L 10 мкА, емкостью от 60 до 100 мАч ток 150 мкА, емкостью 130 и 300 мАч
[ tlihii 0,3 и 0,5 мА соответственно. Номинальное напряжение элементов -
> 1,5 И. Элементы типов GR621, GR721, GR921 и GRI142 (емкостью 20,
45 и 160 мАч соответственно) пригодны для замены СЦ-элементов
(С ЦО.015; СЦ0.018; СЦО.ОЗ и СЦ0.12 соответственно).
При номинальном напряжении 1,25 В элементы Li/CuO емкостью
I J1H1, 700 и 1500 мАч обеспечивают токи разряда 1, 20 и 30 мА. Срок год-
IHn iH всех элементов - 5 лет.
Элементы литий-фторуглерод (серия BR) ООО "Радуга-ХИТ" емко-
юью 60, 190 и 500 мАч .обеспечивают номинальный ток 300 мкА. Они
рнэрвбатывались для замены РЦ-элементов РЦ53, РЦ63 и РЦ83. Элемен-
П.1 ООО "Радуга-ХИТ" емкостью 170 и 1300 мАч обеспечивают больший
((нМипальный ток - 500 мкА. Последний из них при нагрузке 15 кОм
пйеспочивает стабильное напряжение 3 В в течение 5000 ч, при 5 кОм -
I1 (Обильное напряжение 2,8 В в течение 2000 ч и падающее (до 2 В) еще в
П'чение 500 ч. Срок годности элементов - 10 лет.
Несколько литиевых элементов более высокой мощности разработано
Ни предприятиях г. Новочеркасска, ООО "Элиак" выпускает цилиндричё-'
tfdic элементы системы Li/SOCIj (табл. 2.12). Элементы работоспособны в
ИМИатоие температур от -40 до +60 °C. Срок хранения - 3 года.
hifi.’iKifu 2 12. Цилиндрические литиевые элементы ООО "Элиак1
111'Ц 1.65 В. Рабочее напряжение-3.4 В.
1 ин 1лемента Номинальная емкость, Ач Ток, Л Масса, г
номинальный максимальный
1 + 2 0.01 0.5 20
I'll 5 0,1 2,0 55
!' '() 10 0,25 3,0 110
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Научное конструкторско-технологическое бюро химических источив
ков тока (НКТБХИТ) предлагает батареи разного напряжения из этих элЯ
ментов (материалы предприятия; октябрь 2001 г.): 4ER6S-2, 4ER14S-H
4ER20P и 10ER20P, которые способны обеспечить непрерывный ток Л
0,5; 2; 4 и 3 А соответственно. Я
Продукция зарубежных компаний Я
Продукция зарубежных компаний, производящих первичные истов
ники тока, отличается от отечественной более широким типоразмерпыЯ
рядом элементов каждой электрохимической системы и значительно болЯ
шим сроком хранения элементов (до 10-12 лет). Я
Литиевые элементы, дисковые и цилиндрические, выпускают мнопЯ
компании. Их можно найти на российском рынке через дне грибьютоД
ские компании. Мощные элементы, способные к разряду несколькимЯ
амперами, предлагает только компания SAFT. Я
Литиевые элементы японской компании PANASONIC Д
Компания PANASONIC выпускает дисковые элементы двух электрсЯ
химических систем с рабочим напряжением 3 В L18). в
Элементы системы литий/диоксид марганца (серия CR) в
дисковые: Я
- 10 типов емкостью от 18 до 90 мАч; номинальный ток - 0,1 мА;
- 8 типов от 130 до 1000 мАч; номинальный ток-0,2 мА; в
цилиндрические: Я
- 4 элемента емкостью 0,75 и 1,3 Ач для стандартного тока 20 мА. Я
Компания выпускает четыре типа ультратонких дисковых элементов: типов
CR2004 и CR2404 (толщиной 0,4 мм, емкостью 12 и 18 мАч соответственно) Ж
типов CR2005 и CR2405 (толщиной 0,5 мм, емкостью 18 и 28 мАч соответстветЖ
но), аналогов которых нет у других производителей. Эти элементы могут испольЯ
зоваться в IC/ID картах, калькуляторах, электронных органайзерах и других поЯ
добных устройствах. Я
Элементы системы литий/фторутлерод (серия BR) ж!
дисковые: |1
- 12 типов емкостью от 25 до 500 мАч для нормальных условий; но-?'
минальный ток - 3 мА для всех типов;
-4 тина с емкостью 48, 120, 255 и 1000 мАч для работы при повышен-
ной температуре (до +125-150 °C); стандартный ток 0,03 мА для всех типов:
цилиндрические:
- 6 типов емкостью от 1,2 до 2,2 Ач для стандартного тока 2,5 мА;
- 1 элемент емкостью 5 Ач для стандартного тока 150 мА.
Компания с 2001 г, рекламирует также два элемента типов BR 2450А
и BR 2777А с улучшенными характеристиками герметичности, которые
могут работать при температуре до +125 °C и влажности до 100 %.
Л|Нпевые элементы японской компании SANYO
Компания SANYO выпускает слаботоковые литиевые элементы
flit темы Ы/МпОгв широком диапазоне емкостей [19],
Элементы дисковые емкостью 35, 80, 160, 220, 280 и 560 мАч.
С'шпдартный ток разряда: 0,1 мА - для элемента емкостью 35 мАч,
II,? мА - для элементов емкостью 60 и 560 мАч и 0,3 мА - для всех ос-
П1ИЫ1ЫХ элементов ряда. Максимально допустимый продолжительный
Iit|< составляет 2-6 мА, импульсные токи в 5-10 раз больше максималь-
ных, 'Элементы работоспособны в более широком, чем обычно, диапазоне
тшератур: от-20 °C до +70 °C.
Элементы цилиндрические высокой емкости: 0,85; 1,5; 1,8; 2.5 и 5,0 Ач.
Конструкция бобииная. Стандартный ток разряда: 0,5 мА для первого типа и
I мА - для остальных. Максимально допустимый ток - 7, 15, 8, 9 и 10 мА
ДЛЯ элементов ряда (в последовательности указанных элементов), импульс-
Н1<|11 ток - в 10-20 раз больше. Диапазон рабочих температур; от -40 до
4Я5 :1С. Саморазряд при 20 °C - менее 0,5 % в год. Разрядная характеристика
Ногле 10 лет хранения практически не меняется.
Элементы цилиндрические высокой мощности (для быстрого разря-
ди) емкостью: 160, 750, 1300, 1500 и 2200 мАч. Стандартный ток разряда:
J мА для первого типа, 5 мА - для элементов с емкостью 750 и 1300 мАч
II |0 мА - для последних. Максимально допустимые токи: 60, 1000, 1500,
7<Ю и 1000 мА для элементов ряда соответственно, импульсные токи в 1,3—
?,5 раза больше. Диапазон рабочих температур: от —40 до +85 °C. Само-
pil (ряд при 20 °C - менее I % в год.
Литиевые элементы немецкой компании SONNENSC1IEIN LJTHIUM
Компания SONNENSCHE1N LITHIUM производит несколько серий
•цементов системы Li/'SOCL [20] бобипной конструкции:
элементы стандартной серии SL-300 емкостью от 0,4 до 2,3 Ач;
-элементы уникальной серии SL-500 расширенного температурного
режима (до +130 °C) емкостью 0,8; 1,0 и 1,7 Ач;
элементы серии SL-700 повышенной мощности емкостью от 0,37
до 15 Ач.
Поминальный ток элементов - порядка 0,001 С, максимальный по-
। гоянный ток больше номинального в 6-10 раз, импульсный - в 30 раз.
* оморазряд элемен тов - менее 1 % в год.
11ИНСВЫС элементы французской компании SAFT
Компания SAFT выпускает в настоящее время наиболее мощные ци-
ншдричсские литиевые элементы [17, 21]: серий LS и LSH (Li/SOClj) и
।пит LO (Li/SO2). Эти элементы выпускаются уже в течение двух деся-
। г. । ий, и область применения их постоянно расширяется.
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА #
Рис. 2.12. Литиевый элемент SAFT бобинного!
типа:
1 - мегаллоетеютянный тормовывод, 2- герметизирующий
изолятор; .? крышка; 4 - верхняя изоляционная прей
кладка; 5 - средняя прокладка; 6 - кор! iyc из нержаве
ющей стали; 7 - нижняя прокладка, 4 - шарик предок
рапительтюго вен тиляционного клапана; У - полгекитель
ный ТОКОР1ВОД ТО - катодный стакан, 11 нишевый анод
12 - стольный катод; 13 - сепаратор: 14 - электролиз
/5-<прицягеЛ1.ныйтпко<лвол 1
Элементы серии LS подразделяются на
две группы: элементы малой и большой ве.пгн
чины. Существует две модификации каждой)
из источников тока этой серии: стандартный
элементы и элементы повышенной емкости;
которые имеют дополнительную букву С в
конце наименования типа. Элементы стан-
дартные обеспечивают более высокую ем-
кость при средних токах и высокое напряже-
ние разряда в широком диапазоне рабочих температур. Элементы повышен-
ной емкости обеспечивают более долгий срок службы при малых токах.
Конструкция элемента (бобинного типа) показана на рис. 2.12. Элементы
обеспечивают удельную энергию до 450 Втч/кг и 1000 Втч/дм3 Они предна-
значены для эксплуатации в диапазоне температур от -55 до +85 СС. Само-
разряд - 1,4 % в год. Характеристики элементов представлены в табл. 2.13.
Типичный вид разрядных характеристик показан выше, на рис. 2.7. измене-
ние емкости в зависимости оттока и температуры разряда-на рис. 2.8.
Таблица 2.13 Литиевые элементы SAFT серии LS
НРЦ-3,67 В. Номинальное напряжение -3,6 В.
Тип элемента Поминальная емкость, Ач (при токе, мА) Дна- метр, мм Высота мм Масса, г Максимальный ПОСТОЯННЫЙ ток, мА Импульс- ный ток, мА
Серия LS малой величины; LS J4250 1,0 (1,5) 14,5 24,9 7,5 40 200
LS 14250 С 1,2 (0,5) 14,5 24,9 7,5 12 100
LS 14500 2,25 (З.О) 14,5 50,5 15,4 120 400
LS 14500 С 2,75(1,0) 14,5 50,5 15,4 25 250
LS 17500 3,3 (4,0) 17,0 50,9 23,5 130 -
Серия LS большой величины; LS 26500* 7,3 (5) 25,9 50,0 48 170 350
LS 33600* 16,5(5) 33,1 61,5 90 250 400
IX 33600 с 18,5(1) }_) ) 50,0 75 80 130
Рабочее напряжение при максимальном токе-не менее 3,2 В, а разрядная емкость составляет Од
* Элементы имеют предохрани гель па 2,2 Л.
49
2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Рис. 2.13. Литиевый элемент SAFT рулонного
Шип:
I I ерметиэирутоший изолятор: 2 - металлостеклин-
lil,l [I юрмонывол, .1 - крышки; 4 - верхняя изоляционная
Ирик падка: 5 корпус; б - катодная смесь; 7 - нижняя
Н|Пшнадка; Я - шарик предохранительного мптиляни-
hhhhio клапана; 9- !1О.тожпгельный гокоотвод; 10 - ка-
пни и, ip коллектор: 11 - литиевый анол; 12- ее и ара-тор;
/1 электролит; 14 - отрицательный токоотвод
Элементы серии LSH (табл. 2.14)
принадлежат к электрохимической системе
[ t/SOCIj, как и описанные выше, по элек-
|роды вместе с сепаратором свернуты в виде
pyirona (рис. 2.13). Они обеспечивают мощ-
ШКп» до 100 Вт/кг или 220 Вт/дм3. Элемен-
ты имеют аварийный вентиляционный кла-
tmu для сброса газа и снабжены предохрани-
1WIUM на 5 А. Саморазряд-2 % в год.
Разрядные характеристики аналогичны характеристикам элементов
церии LS, но с увеличением тока их рабочее напряжение и емкость умень-
шаются в большей степени (рис. 2.14).
Элементы серии ВО с рулонными электродами имеют отличные мощно-
пиые характеристики. Удельная энергия - до 300 Втч.'кг и 500 Втч/дм3.
’♦цементы серии LO имеют плоскую разрядную кривую при больших плот-
ностях тока (см. рис. 2.5) и при о трица тельных температурах (см. рис. 2.6).
Элементы выполнены в виде цилиндра с проволочными выводами с
обоих торцов и снабжены аварийным вентиляционным клапаном. Харак-
теристики выпускаемых элементов представлены в табл. 2.15. Элементы
ИМ пускаются в двух модификациях: стандартные (SX) и с повышенной
/нН/пп/о 2.14. Литиевые элементы SAFT серии LSH
11ш(ряжение разомкнутой цепи - 3,67 В.
11 им in и v । ь ное н; 111ряже ни е - 3.6 В
Дилптюн рабочих-температур: от --60 до +85 °C, в течение короткою периода-до +100 °C.
I см । юратура хранения - до +100 °C, выдерживают кратковременный перегрев до + 110 °C.
IEII i.HCMCHTct Номинальная емкость. Ач (при токе, мА) Диаметр, мм Высо- та, мм Масса, г Максимальный постоянный ток, мА Импульсный ток, мА
S1I 26180 1,15 (10) 26,2 18,9 24 400 1500
Ml 14 5,5(10) 25,9 50,0 51 800 2500
Ы I 20 13,0(15) 33,1 61,4 100 1800 4500
и-m-ц, снимаемая при максимально допустимом токе, -0,5 Сн.
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
501]
6
£
<U
ct
0>
о.
о
1 *
О __
101
5 -
4 -
3 -
2 -
+70 “С
+20 °C
О “С
-20 °C
-40 “С
102 103
Ток разряда, мА
10‘
Рис. 2.14. Емкость литиевого элемента SAFT типа LSII 14 при различных
токах разряда и температурах. СК11|, = 2 j В
емкостью при импульсном токе (SHX). Элементы серии LO произво-
дятся в США, такие же элементы серии G - в Англии.
Кроме мощных элементов компания SAFT выпускает 3 типа диско-
вых элементов системы Li/MnO2 емкостью 200, 285 и 540 мАч (макси-
мальный ток разряда - 3 мА).
Таблица 2.15. Литиевые элементы SAFT серии LO
Напряжение разомкнутой цепи - 2,95 В.
Номинальное напряжение - 2,9 В.
Диапазон рабочих температур: от-60 до +70 °C.
Температура храпения - до +55 °C, кратковременно аккумуляторы выдерживают+95 ’С.
Характеристики 3 LO35 SX LO26SX LO 25 SX LO40SHX LO29 SHX LO43SHX LO30 SHX LO 26 SHX LO 39 SHX
Номинальная ем- 0.86 2,0 7,75 8,0 3,5 3,75 5,0 5,75 7,5 11,0 16,5
кость, Ач
при токе, мА 80 120 250 270 120 150 200 200 1000 300 500
Размеры, мм:
диаметр 25,6 25,6 33,8 38,4 28,8 25,6 25,6 29,1 34,2 30,7 33,3
высота 20,3 35.9 59,3 50,3 41.6 50,4 59,3 59,8 59,8 99,4 120,6
Масса, г 18 30 85 93 40 40 53 63 85 125 175
Максимальный 1,0 2,0 2,5 2.5 2.0 2,5 2,5 3,0 4,0 3,0 3,0
постоянный ток, А
Импульсный ток, А 0,5 10 10 10 10 30 30 30 30 60 20
11ри -40 "С напряжение снижается до 2,5 В, а емкость в 2 раза.
ЗАО "‘БЭТТЕРИ ТИМ"
Аккумуляторы и элементы ведущих производителей
VARTA
SAFT
SANYO
PANASONIC
TOSHIBA
г. Москва, Дмитровское шоссе, д. 107, офис 249
Тел, +7 (095) 485-59-44, 485-74-88, 485-35-44
www.batteryteam.ru E-mail: company@batteryteam.ru
E^DURACELL=
PROCELL
tztt professional alkaline battery ~
В современном мире профессиональным пользователям
нужна надежная батарейка, которая обладает превосходными
техническими характеристиками и работает дольше обычных,
представленных на потребительском рынке. Вместе с тем,
батарейка должна иметь низкую цену, чтобы быть доступной
для пользователей с ограниченным бюджетом.
ЙОе перечисленное в полной мере относится к серин щелочных ба (ареек PROCELL, которую
представляет мировой лидер по производству щелочных элементов питания компания DURACELL,
Мшичмде разрядные характераслпми зяемен/т™
РгосеН при постоянном сопротивлении
(loo батарейки Duracell Procell разработаны в соответствии с международными стандартами IEC 86 и ISO 9000.
[клтиройкм Duracell Procell невозможно приобрести в открытой розничной торговле.
* 1рок хранения батареек - 5 лет.
(ишщаэмор
MN 1300
MN 1400
MN 1500
MN 2400
UN 1604
Напря-
женно
(В)
1.5
1,5
1,5
" 1,5~
9,0
Емкость
(мА/ч)
18000
7750
2700
1175
550
Диаметр
или ширина
(мм)
34,2
26,2
14,5
_ 10.5
26,5
Высота
(мм)
Глубина
(мм)
61,5
50,0
50.5
44,5
48,5
17.5
’in кнюзивный дистрибьютор батареек для профессиональных пользователей
I и rlfACELL PROCELL на рынке Северо-Запада России — компания ТОСЭЛ'.
и i«c Россия, 198152, Санкт-Петербург, а/я 284, 'РОСЭЛ",
Вес (гр.)
141
~w
22
: и гфон дня опто вы х по куп ателе й: (812) 320-8-333 E-mai I: rosei@rosel. ru htlp:\\www. rose I. га росал
ГЕРМЕТИЧНЫЕ
ЩЕЛОЧНЫЕ
AHKVMVnflTOPb
Сравнительное описание работоспособности герметичных щелочим?
перезаряжаемых источников тока целесообразно начать с рассмотрени)
никель-кадмиевых аккумуляторов, которые выпускаются уже пять десятиле;
тий и изучены наиболее полно. i
3.1. НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
3.1.1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Основной процесс, имеющий место на положительном оке ид но-нике;
левом электроде (ОНЭ) в цикле заряда-разряда аккумуляторов, описы?
вается следующим образом:
Ni(OH), + OH“ NiOOH - Н2О + е*. (1
разряд
На отрицательном кадмиевом электроде аккумулятора протекае'
реакция
заряд
Cd(OH)2 + ч=* Cd + 2ОНЛ
разряд
Общая реакция в ник ель-кадмиевом аккумуляторе имеет вид:
•ЗЯ ряд
(2)'

О).
2Ni(OH), + Cd(011), -« ** 2NiOOH + Cd + 2H2O.
При перезаряде никель-кадмиевых аккумуляторов на положительном
электроде протекает побочный процесс выделения кислорода:
перезаряд .
2ОН“ ---------*- % О2 + Н2О + 2е“.
(4)
Кислород через пористый сепаратор достигает отрицательного электрода и
восстанавливается на нем:
. перезаряд
V2 ()2 + Cd + Н2О ----------Cd(OH)3.
(5)
Реакции (4) и (5) реализуют замкнутый кислородный цикл и обеспечивают
стабилизацию давления в герметичном никель-кадмиевом аккумуляторе
при его перезаряде. Следует отметить, что давление в аккумуляторе опре-
деляется не только скоростями протекания указанных реакций, но, глав-
ным образом, скоростью доставки кислорода от положительного электрода
к ото и нательному.
3.1. Ni-Cd АККУМУЛЯТОРЫ
Кроме того, при перезаряде отрицательного кадмиевого электрода мо-
иметь место реакция выделения водорода
перезаряд
Н2О + с“ --------- 01Г + '/2 Н2, (6)
который окисляется на ОНЭ в соответствии с реакцией:
NiOOH + */2 Нг —► Ni(OH)2. (7)
Реакция (6) является опасной для герметичного аккумулятора, так как
ОПП может привести к накоплению водорода из-за низкой скорости реакции
(?) Дня то го чтобы в стандартной ситуации условий для протекания реак-
ции (6) не возникало, в герметичном аккумуляторе емкость отрицательного
««•г<|рода обычно заметно превышает емкость положительного. Поэтому ем-
кость герметичного никель-кадмиевого аккумулятора определяется емкостью
его положительного оксидно-никелевопэ электрода.
1,1,2. МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРОДНЫХ РЕАКЦИЙ
Положительный электрод
Характеристики положительного оксидпо-никелевого электрода (ОНЭ) зависят от
никтронных и структурных свойств его активной массы Электродные процессы
Ни ОНЭ протекают с диффузионным контролем в оксидном слое, определяющим
миопия переноса реагирующих частиц. Рост оксидной пленки в процессе заряда
1>НЭ сопровождается постепенным возрастанием степени ее окислснносги, а
нм деление кислорода происходит с поверхности, где оксиды высших валентно-
। Ц'Н появляются раньше. Условия диффузии зависят не только от толщины ок-
। нт toro слоя, но и от его состава.
Исходный гидроксид никеля может существовать в двух формах: а- и p-Ni(OH),,
|М шичающихся степенью гидратации и плотностью. В разряженном электроде
ищут присутствовать обе формы Ni(0H)2.
При заряде (5-Ni(OH)2 переходит в р-NiOOH (при незначительных измснени-
яч кристаллической решетки вещества). На последней стадии заряда может обра-
Юпьншться у-NiOOH. Соотношение р- и у-фаз NiOOH зависит от условий заряда,
у <|>пза образуется при больших скоростях заряда и/или при значительных переза-
рядах. Ее образование приводит к коренной перестройке структуры оксидов.
11 ценность р-NiOOH равна 4,15 r/c.vr1, плотность у-NiOOH - 3,85 г/см3, поэтому
При .шачитсльном перезаряде при образовании оксидов высшей валентности объ-
l м активной массы ОНЭ изменяется.
' >.||сктрохимическос поведение двух форм гидроксида никеля также различ-
на Заряд у-NiOOH протекает с меньшей эффективностью, а коэффициент ис-
..и.зов ан и я по току ниже, чем у 0-формы. Разрядный потенциал у-NiOOH ниже
ни Ml мВ. Но при хранении его саморазряд в 2 раза меньше. Показано также [6],
•ин металлокерамический ОНЭ, содержащий у-NiOOH, более работоспособен
ipii Еемпературе-40 °C.
Для обеспечения большего ресурса следует вести заряд с малым перезарядом
1 1 'Оразования 0-NiOOH, который обеспечивает малые объемные изменения
। । рода в цикле заряда-разряда.
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 54
Отрицательный электрод
Гидроксид кадмия Cd(OH)2 устойчиво существует в двух кристаллических мо-
дификациях. Восстановление его происходит черт жидкую и твердую фазу. 11ри
разряде скорость окисления пропорциональна величине тока и площади активной !
поверхности электрода, где может происходить рост кристаллов и растворение.;]
Поэтому ограничение разряда связывается с механизмами пассивации кадмиевого'
электрода. j
В новых герметичных никель-кадмиевых аккумуляторах емкость кадмиевого i
электрода обычно выше емкости ОНЭ на 20-70 %. Поэтому потенциал кадмиевого j
электрода в цикле заряда-разряда аккумулятора, может считаться постоянным. '
3.1.3. КОНСТРУКЦИЯ АККУМУЛЯТОРОВ ]
Возможность эксплуатации перезаряжаемых герметичных источников]
тока с водным электролитом определяется прежде всего условиями реали-]
зации замкнутого кислородного цикла, т. е. малым количеством кислорода]
в изолированном объеме в течение всего за рядно-разрядного цикла. Щелоч-J
ные аккумуляторы имеют металлический корпус, обеспечивающий работу!
при некотором избыточном давлении, которое может возникнуть приз
больших токах заряда и значительном перезаряде. Для увеличения скоро- ]
сти переноса кислорода от положительного электрода к отрицательному]
обеспечивается плотная сборка электродов и пористого сепаратора и ма-]
лое, строго дозированное, количество электролита, который практически]
весь находится в порах электродов и сепаратора (матричный электролит). я
Аккумуляторы выпускаются в грех конструктивных вариантах: диско-
вом, цилиндрическом и призматическом. ]
У дисковых (диаметр много больше толщины) аккумуляторов элек-1
троды разной полярности размещают один пад другим, разделяя их
сепаратором. На рис. 3.] показана конструкция такого аккумулятора.’
В аккумуляторе может быть 2 или 4 электрода. В зарубежных аккуму- |
ляторах используют и металлокерамические электроды. :
Дисковые аккумуляторы - источники тока малой емкости, от сотых до 1
нескольких десятых ампер-часа. Эти аккумуляторы проще в изготовле-
нии, чем аккумуляторы других конструкций, но их удельные характери-
стики ниже. Относительное снижение характеристик обусловлено не толь-
2 ,, ко значительной долей металлических
• ' деталей, но и пониженной закладкой ак-
> ' / тивиой массы ОНЭ, поскольку прихо-
/ ' дится учитывать изменение се объема в
BlS . .. цикле заря да-раз ряда.
uV £
t ? .* :j Рис. 3.1. Дисковый аккумулятор:
. I - никелевая проволочная сетка; 2 - крышка: 3-
i контактная пружина: 4 - герметизирующее кольцо:
ц ' 5 - положительный электрод; 6 - отрицательный
7 6 электрод; 7- корпус аккумулятора; 8- сепара гор
55
3.1. Ni-Cd АККУМУЛЯТОРЫ
I Ipir каждом заряде высота дисковых аккумуляторов несколько увеличи-
настся, но после поглощения кислорода в процессе разряда или хранения
она уменьшается до начальной величины. Однако при значительных пере-
шрядах может наблюдаться остаточная деформация. При длительном цик-
лировании деформация может возникнуть также из-за разбухания активной
массы ОНЭ. Может иметь место и капиллярная утечка электролита.
Цилиндрическая конструкция аккумуляторов обеспечивает более про-
стое решение целого ряда проблем, что привело к улучшению качества их
герметизации и увеличению удельных характеристик.
Первые цилиндрические аккумуляторы имели ламельные электроды в
виде плоских прямоугольных плиток, расположенных вертикально, или бо-
бин ную конструкцию, при которой положительный электрод в виде стержня
располагали в центре аккумулятора, а отрицательный - в виде цилиндра
«округ него. В таких аккумуляторах сохранялись главные недостатки дис-
ковых аккумуляторов: большая толщина электродов и рыхлая активная
масса. Это не позволяло увеличит скорость заряда, а высокое внутреннее
сопротивление аккумуляторов определяло низкое разрядное напряжение.
Существенное улучшение энергетических характеристик цилиндри-
ческих аккумуляторов было достигнуто при переходе к конструкции, в
которой пакет из положительного электрода, сепараторов и отрицатель-
ного электрода одновременно свертывается в рулон. Это стало возмож-
ным благодаря технологии изготовления тонких электродов, которые
могут быть свернуты в рулон заданного объема при плотной сборке всего
пакета. Современные аккумуляторы, обеспечивающие наиболее высокие
)пергелические характеристики, имеют положительный спеченный элек-
трод или с основой в виде войлока, отрицательный - спеченный или та-
кой же тонкий намазной.
Увеличение рабочей поверхности электродов и уменьшение внутрен-
него сопротивления цилиндрических аккумуляторов позволило увеличить
скорости их заряда и разряда. Высоко пор истый электрод на войлочной
основе позволяет также на 15-40% увеличить закладку активной массы.
Условия транспорта кислорода в таких аккумуляторах также улучшились,
что обеспечило дополнительные резервы для расширения диапазона режи-
мов их эксплуатации. Типичная современная конструкция цилиндрическо-
го аккумулятора показана на рис. 3.2 [22]. Он обычно имеет электрически
изолированный положительный вывод на крышке и отрицательный, кото-
рый соединен с корпусом.
Максимальная номинальная емкость цилиндрических нике ль-кадмие-
вых аккумуляторов, выпускаемых разными производителями, составляет,
I-..IK правило, 7-10 Ач. Существует и цилиндрический аккумулятор емко-
। । ыо 20 Ач.
Аккумуляторы большей емкости делают чаще в конструктивном ис-
|ш шении в виде призмы (с электродами в виде прямоугольных пластин).
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
56
Рис.3.2. Цилиндрический аккумуляторе электродами рулонного тина:
1 - аварийный клапан для сброса гаи, 2 - герметизирующая прокладка; 3 - положи тельный
электрод; 4 - сепаратор: 5- отрицательный электрод; 6 - никелированный стальной корпус
Рис. 3.3. Призматический аккумулятор:
/ - аварийный клапан; 2 - уплотнение; 3 - крышка; 4 - отрицательный электрод; 5 - положи-
тельный электрод, 6 - сепаратор; 7 - корпус
В России большой опыт разработки призматических аккумуляторов
средней емкости был использован и при налаживании выпуска призмати-
ческих герметичных Ni-Cd аккумуляторов емкостью менее 10 Ач.
За рубежом выпускаются призматические тонкие аккумуляторы (рис. 3.3),
в которых блок электродов помешается в топкий металлический корпус с
положительным выводом, который конструктивно совмещен с аварий-
ным клапаном на крышке, привариваемой к корпусу с помощью лазерной
сварки. Емкос ть таких аккумуляторов не превышает 1,3 Ач.
3.1.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Номинальное напряжение герметичных никель-кадмиевых аккумуля-
торов — 1,2 В.
Номинальный (стандартный) режим заряда - током 0,1 С в течение 16 ч.
Номинальный режим разряда - током 0,2 С до напряжения 1 В.
Типичный вид зарядных и разрядных характеристик 1'срметичных Ni-Cd
аккумуляторов при разных режимах и температурах показан на рис. 3.4 и
3.5 |22[. При ускоренном заряде (рис. 3.4. б) характер изменения зарядного
напряжения существенно отличается от стандартного.
57
3.1. Ni-Cd АККУМУЛЯТОРЫ
Рис. 3.4. Зарядные характеристики герметичного Ni-Cd аккумулятора SAFT
(стандартная серия)
J'ok заряда: и - 0,1 С; б - 0,3 С [22]
Рис. 3.5. Разрядные характеристики герметичного Ni-Cd аккумулятора
SAFT (стандартная серия) [22]
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 5g
Работоспособность аккумуляторов зарубежных производителей в
широком диапазоне температур и режимов разряда часто описывается
также семействами кривых, отражающих зависимость отдаваемой емко-
сти от этих параметров (рис. 3.6). В отечественной документации работо-
способность чаще характеризуется величиной гарантируемой емкости при
крайних параметрах возможного диапазона условий эксплуатации: разряд-
ных токов и температуры.
Тепловыделение в герметичном Ni-Cd аккумуляторе зависит от степе-
ни его заряженности. После сообщения -70 % емкости начинается выделе-
ние кислорода и разогрев аккумулятора, обусловленный ионизацией кисло-
рода на отрицательном электроде. К концу заряда в стандартном режиме
температура аккумулятора может вырасти на 10-15 °C. При быстром заря-
де разогрев больше (до 40-45 °C).
Рис. 3.6. Разрядная емкость герметичного Ni-Cd аккумулятора SAFT
(стандартная серия) при различных режимах и условиях разряда [22]
59 3.1. Ni-Cd АККУМУЛЯТОРЫ
Рис. 3.7. Саморазряд герметичного Ni-Cd аккумулятора SAFT (стандартная
серия) при различных температурах хранения [22]
Саморазряд герметичных Ni-Cd аккумуляторов определяется, в пер-
вую очередь, термодинамической неустойчивостью положительного оксид-
но-никелевого электрода. Влияние на саморазряд микроутечек между раз-
нополярными электродами относительно мало в начале эксплуатации, но
увеличивается с наработкой.
При отключении аккумулятора с заряда высокий потенциал поверхно-
сти заряженного ОНЭ постепенно снижается. Уровни заряженное ги по-
верхностных и глубинных слоев электрода выравниваются. В результате со
временем скорость саморазряда снижается. Из-за различий в рецептуре и
технологии скорость саморазряда и уровень стабилизации остаточной ем-
кости у аккумуляторов разных серий даже одного производи геля могут
различаться значительно (более чем в 2 раза).
Процесс саморазряда ведет не только к потере емкости, но и к заметному
общему снижению напряжения (на 30—50 мВ). Это связано как с постепен-
ным выравниванием уровня зараженности поверхностных и глубинных
слоев электродов, так и с частичной пассивацией их активных масс.
В документации обычно указывается величина максимально допусти-
мого саморазряда аккумуляторов после 28 суток хранения при температуре
20 'С. В каталогах зарубежных компаний, как правило, представляются
также семейства кривых, отражающих изменение разрядной емкости ак-
кумуляторов каждой серии в процессе хранения при разных температурах
в течение 3-6 месяцев, иногда до 1 года.
Типичный характер изменения потерь емкости Ni-Cd аккумуляторов
SAFT (стандартной серии) показан на рис. 3.7. Хранение аккумуляторов при
более низкой температуре уменьшает потери: обычно саморазряд при 0 °C
в 2 раза меньше, чем при 20 °C. Из рисунка видно, как уменьшается со
временем скорость саморазряда.
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 5g
Работоспособность аккумуляторов зарубежных производителей в
широком диапазоне температур и режимов разряда часто описывается
также семействами кривых, отражающих зависимость отдаваемой емко-
сти от этих параметров (рис. 3.6). В отечественной документации работо-
способность чаще характеризуется величиной гарантируемой емкости при
крайних параметрах возможного диапазона условий эксплуатации: разряд-
ных токов и температуры.
Тепловыделение в герметичном Ni-Cd аккумуляторе зависит от степе-
ни его заряженности. После сообщения -70 % емкости начинается выделе-
ние кислорода и разогрев аккумулятора, обусловленный ионизацией кисло-
рода на отрицательном электроде. К концу заряда в стандартном режиме
температура аккумулятора может вырасти на 10-15 °C. При быстром заря-
де разогрев больше (до 40-45 °C).
Рис. 3.6. Разрядная емкость герметичного Ni-Cd аккумулятора SAFT
(стандартная серия) при различных режимах и условиях разряда [22]
59 3.1. Ni-Cd АККУМУЛЯТОРЫ
Рис. 3.7. Саморазряд герметичного Ni-Cd аккумулятора SAFT (стандартная
серия) при различных температурах хранения [22]
Саморазряд герметичных Ni-Cd аккумуляторов определяется, в пер-
вую очередь, термодинамической неустойчивостью положительного оксид-
но-никелевого электрода. Влияние на саморазряд микроутечек между раз-
нополярными электродами относительно мало в начале эксплуатации, но
увеличивается с наработкой.
При отключении аккумулятора с заряда высокий потенциал поверхно-
сти заряженного ОНО постепенно снижается. Уровни заряженное ги по-
верхностных и глубинных слоев электрода выравниваются. В результате со
временем скорость саморазряда снижается. Из-за различий в рецептуре и
технологии скорость саморазряда и уровень стабилизации остаточной ем-
кости у аккумуляторов разных серий даже одного производи геля могут
различаться значительно (более чем в 2 раза).
Процесс саморазряда ведет не только к потере емкости, но и к заметному
общему снижению напряжения (на 30—50 мВ). Это связано как с постепен-
ным выравниванием уровня зараженности поверхностных и глубинных
слоев электродов, так и с частичной пассивацией их активных масс.
В документации обычно указывается величина максимально допусти-
мого саморазряда аккумуляторов после 28 суток хранения при температуре
20 'С. В каталогах зарубежных компаний, как правило, представляются
также семейства кривых, отражающих изменение разрядной емкости ак-
кумуляторов каждой серии в процессе хранения при разных температурах
в течение 3-6 месяцев, иногда до 1 года.
Типичный характер изменения потерь емкости Ni-Cd аккумуляторов
SAFT (стандартной серии) показан на рис. 3.7. Хранение аккумуляторов при
более низкой температуре уменьшает потери: обычно саморазряд при 0 °C
в 2 раза меньше, чем при 20 °C. Из рисунка видно, как уменьшается со
временем скорость саморазряда.
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 62
Режимы заряда
При заряде герметичного аккумулятора основным требованием явля-
ется ограничение его перезаряда, поскольку процесс заряда сопровожда-
ется повышением давления внутри аккумулятора. По мере заряда оксид-
но-никелевого электрода начинается побочный процесс выделения ки-
слорода, и коэффициент' использования тока к концу заряда заметно
падает. На рис. 3.8 показаны типичные кривые, отражающие зависимость
разрядной емкости цилиндрического аккумулятора от емкости, сообщен-
ной при разных скоростях заряда. Из этих кривых видно, что для полного
заряда аккумулятора ему достаточно сообщать нс более 160 % номиналь-
ной емкости.
Аккумуляторы могут быть заряжены при температуре от 0 до +40 °C,
наиболее эффективно в диапазоне температур от +10 до +30 °C. Если ак-
кумулятор заряжается при температуре ниже 0 °C или при предельно вы-
сокой, разрядная емкость может уменьшиться на 10-15 %.
При низкой температуре поглощение кислорода на отрицательном
электроде сильно замедляется и при перезаряде быстрое увеличение дав-
ления может привести к открытию аварийного клапана. При высокой
температуре снижается потенциал, при котором на положительном элек-
троде начинает выделяться кислород, что приводит к более раннему на-
чалу этого процесса.
При одной и той же температуре увеличение тока для ускорения про-
цесса заряда приводит к увеличению скорости выделения кислорода. Ско-
рость газопоглощения кислорода при этом практически не меняется. Она в
большей степени зависит от особенностей аккумулятора, которые опреде-
ляют перенос кислорода от положительного электрода к отрицательному,
Рис. 3.8. Эффективность заряда при различной скорости заряда
63 3.1. Ni-Cd АККУМУЛЯТОРЫ
а именно: от плотности сборки пакета электродов, толщины и структур-
ных параметров электродов и сепарационного материала, количества элек-
тролита.
Заряд тем эффективнее, чем тоньше электроды аккумулятора и плот-
нее сборка их пакета. Именно поэтому цилиндрические аккумуляторы с
электродами рулонного типа наиболее приспособлены к заряду с боль-
шой скоростью. Из кривых на рис. 3.8 видно, что для таких аккумулято-
ров эффективность заряда в диапазоне токов заряда 0,1-1 С практически
не меняется. А уменьшение тока заряда приводит к заметному снижению
емкости, которую можно получить от аккумулятора при последующем
разряде.
Номинальным (стандартным) режимом заряда является режим, при
котором аккумулятор, разряженный до 1 В, заряжается током 0,1 С в те-
чение 16 ч. Дпя некоторых аккумуляторов продолжительность заряда в
номинальном режиме составляет 14 ч. Это ограничение регламентирует
предприятие-из готовите ль, оно определяется особенностями конструкции
аккумулятора или повышенной закладкой активных масс с целью увели-
чения емкости.
Кроме гальвано статического заряда (заряда при постоянном токе)
для герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов могут быть исполь-
зованы другие стратегии заряда, при которых в конце зарядного процесса
ток уменьшается плавно или ступенчато до величин, позволяющих вести
процесс практически бесконечно без повреждения аккумулятора. В этом
случае на начальной стадии заряда ток может быть значительно выше
стандартного тока 0,1 С. Особенности разных стратегий заряда описыва-
ются в главе 6.
В настоящее время во многих случаях возникает настоятельная необ-
ходимость в ускорении процесса заряда. Эта проблема решается при ис-
пользовании аккумуляторов, способных к эффективному заряду током
повышенной плотности, постоянным по величине в течение всего заряда,
и систем контроля, не допускающих чрезмерного перезаряда аккумуля-
торов.
Большая часть цилиндрических аккумуляторов может быть заряже-
на постоянным током 0,2 С за 6-7 ч или током 0,3 С за 3-4 ч (при кон-
троле только времени заряда). При ускоренном относительно стандарт-
ного заряде рекомендуется перезаряд не более чем до J 20-140 %. При
этом обеспечивается разрядная емкость не менее поминальной. Акку-
муляторы серий, разработанных для циклирования в ускоренных режи-
мах, могут быть заряжены и быстро: в течение ~1 ч. Но в этом случае
они требуют специфического контроля напряжения и/или температуры
во избежание повреждения аккумуляторов из-за быстрого роста давле-
ния. Возможности решения этой проблемы, сравнительно новой для
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
64
отечественных разработчиков источников автономного питания, рас-
сматриваются в главе 6.
Пауза между зарядом и разрядом
После прекращения заряда рост давления в аккумуляторе некоторое
время продолжается, так как на оксидно-никелевом электроде идет про-
цесс окисления гидроксильных ионов. По мере снижения потенциала
ОНЭ за счет саморазряда скорость процесса газовыделения уменьшается
и становится соизмеримой со скоростью поглощения кислорода на отри-
цательном электроде. В результате давление в аккумуляторе начинает
падать. Понятно, что при одинаковом уровне перезаряда чем выше была
скорость заряда, тем больше растет давление в аккумуляторе после пре-
кращения заряда.
Большинство типов аккумуляторов малочувствительно к этому до-
полнительному увеличению давления. Но для аккумуляторов, стенки ко-
торых претерпевают деформацию при заряде (как у дисковых), этот факт
приходится учитывать. Поэтому при квалификационных испытаниях ак-
кумуляторов оговаривается пауза (1-4 ч) между зарядом (даже в номи-
нальном режиме) и последующим разрядом. При быстром заряде в тече-
ние 1 ч, который допускается для цилиндрических аккумуляторов, даже
при соответствующем контроле зарядного процесса пауза между зарядом
и разрядом не рекомендуется.
ЗАО "БЭТТЕРИ ТИМ"
Аккумуляторы и элементы ведущих производителей
VARTA
SAFT
SANYO
PANASONIC
TOSHIBA
г. Москва, Дмитровское шоссе, д. 107, офис 249
Тел. +7 (095) 485-59-44, 485-74-88,485-55-44
www.batteryieam.ru E-mail: company@batteryteam.ru
81
.3.4. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Цилиндрические щелочные аккумуляторы в настоящее время выпуска-
ются на нескольких предприятиях России, но в узком диапазоне емкостей
Серию цилиндрических аккумуляторов небольшими партиями вы-
пускает опытное производство ОАО "ПИЛИ "Источник" (табл. 3.5). Ак-
кумуляторы имеют выводы в виде никелевой ленты, приваренной к
крышке и корпусу аккумулятора.
Габлица 3.5. Никель-кадмиевые цилиндрические аккумуляторы
ОАО "ПИАН "Источник"
Характеристики ЩЦ{-(),6 Ц11К-0А НКГЦ-1,3-2 НКГЦ-3,5-2 НКГЦ-6-2
Номинальная емкость. Лч 0,6 0,8 1,3 3,5 6,0
Размеры, мм:
диаметр J4J 14,1 20.1 33,1 33,1
высота 50,0 50.0 61,0 61,0 91,0
Масса, г 28 28 65 160 240
Срок службы, циклы 300 300 500 500 500
(.'гаидартнмй заряд: током 0.1 С в течение 16 ч. Стандартный разряд током 0,2 С.
Первые лая типа аккумуляторов имеют .панельные злектроды и обеспечивают максимальный
разрядный ток до I С. Лккумуаягоры марки IIК ГЦ (с рулонными зле кар ода мн) обеспечиваю!
максимальный продолжи 1сльный ток до 5 С и импульсный ток до 7 С Аккумуляторы рабо-
тоспособны в диапазоне температур пт -40 до +50 °C. При -4(1 СС аккумуляторы с ламель-
ными электродами отдают 0.25 Сн, аккумуляторы с рулонными электродами 0,35 6'„.
АООТ "Саратовский завод автономных источников тока" рекламиру-
ет (выставка INTER ВАТ-2 002) новые цилиндрические аккумуляторы
типа НКПЛГЦ-0,5 емкостью 0,5 Лч (типоразмер KR.H 15/51 или ЛА) и
батареи из них, а также призматические Ni-Cd аккумуляторы емкостью
1,2 Ач и габаритными размерами 17 х 19x58 мм.
В последние годы в России на ряде предприятий реализуется и об-
щемировая тенденция к замене никель-кадмиевых аккумуляторов па ни-
кель- металл гидрид н ые.
В АК "Ригель" был разработан Ni-MH аккумулятор типа HR 15/51
(типоразмер А А) цилиндрической конструкции с рулонной сборкой элек-
тродов. Выпускаются аккумуляторы торговых марок "Искра 1200", "Ис-
кра 1300" и "Искра 1500" с емкостью 1.2; 1,3 и 1,5 Ач соответственно.
Аккумуляторы допускают заряд током 0,1 и 0,3 С. Максимальный ток
разряда - 2 С (до 0,8 В). Диапазон рабочих температур от -30 до
ь50 °C. При -20 °C аккумуляторы способны обеспечить 0,8 С’„.
Производство цилиндрических щелочных аккумуляторов осуществ-
ляется и па новых производствах; на Уральском электрохимическом ком-
бинате (УЭХК), на заводе "Мезон".
В России продолжается разработка и выпуск целого ряда призмати-
ческих щелочных аккумуляторов, и которых блоки электродов помещены
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 82
в сварной металлический корпус, выводы (на крышке) - в виде борнов с
резьбой. Отрицательный электрод соединен с корпусом. Информация об
аккумуляторах, которые в настоящее время производятся в ОАО "НИАИ
"Источник", представлена в табл. 3.6.
Таблица З.б Призматические никель-кадмиевые аккумуляторы
ОАО "НИАИ "Источник"
Характеристики НКГК-4Д 1-1КГ-4СК НКГ-8К ПКГ-12СК НКГК-15Д кем-ЮР КСЫ1
Номинальная емкость, Ач Размеры, мм: 4 4 8 12 15 10 11
ширина 30,0 50,0 45,5 68,0 49,4 40,5 49,4
толщина 36,5 20,0 29,5 20,0 33,4 36,0 33.4
высота 64,0 70,0 127 146 129 116 107
Масса, кт 0,14 0,16 0,45 0,40 0.45 0,33 0,36
Максимальный ток разряда, А 4,0 8,0 16,0 24,0 30,0 4.0 4,0
Саморазряд после ] месяца, % Ск 25 25 20 20 20 20 20
Аккумуляторы емкостью 12 и 15 Ач разрабатывались прежде всего
для источников питания шахтных головных светильников (с напряжени-
ем 3,6 В). Аналогичные источники тока многие годы выпускаются и на
Курском заводе "Аккумулятор". Аккумуляторы KCSL-11 и KCSL-13 с
габаритными размерами 34,5 х 50 х 129 мм и батареи из 3 аккумуляторов
предназначены для работы в длительном режиме разряда, но могут обес-
печивать токи разряда до 1 С. Заряд постоянным током 0,1 С проводится
для первых из них в течение 14 ч, для вторых - в течение 12 ч. Допуска-
ется и потенциостатический заряд от источника питания напряжением
4,3 В, продолжительность такого заряда 13-16 ч. Гарантированный срок
службы в режиме циклирования - не менее 2 лет, наработка - 700 циклов
(Рекламные материалы ЗАО "Курский завод "Аккумулятор" на выставке
INTERBAT-2001). Удельные характеристики этих аккумуляторов ниже,
чем у аналогичных аккумуляторов ОАО "НИАИ "Источник".
Призматические Ni-Cd аккумуляторы типа НКГ-8К, НКГ-12С и НКГ-
15КА рекламирует и АК "Ригель".
На предприятии разработано также 5 типов Ni-MH призматических
аккумуляторов емкостью 13, 15, 20, 100 и 200 Ач. Первый из них допус-
кает разряд током до 0,5 С, остальные - до 2 С. Все аккумуляторы могут
заряжаться током 0,2 С.
Предприятие АО "НИИХИТ-2" несколько десятилетий разрабатывало
и выпускало батареи из аккумуляторов типа НКМ с длительными сроками
сохранности заряженного состояния, но с сильно ограниченной циклируе-
33 3.4. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
мостью. В настоящее время на предприятии разработан герметичный
Ni-Cd аккумулятор призматической конструкции в плоском сварном
корпусе (НКМГ-1МД) емкостью 1 Ач (Рекламные материалы на выставке
INTERJBAT-2001). Батарея из 10 аккумуляторов с напряжением 12 В обес-
печивает 500 циклов при работе в широком диапазоне температур от -50
до +55 °C. Батарея может быть заряжена как в стандартном режиме, так и
током 0,5 С в течение 2-3 ч или током 2 С в течение 0,5- 0,6 ч. Она обеспе-
чивает постоянный ток разряда до 10 С, при котором разрядная емкость не
менее 0,5 Сн и импульсный ток •••• до 25 С, Уникальным является низкий
саморазряд батареи - не более 10 % за 3 месяца и 20 % за 1 год.
3.4.3. АККУМУЛЯТОРЫ ЗАРУБЕЖНЫХ КОМПАНИЙ
В условиях недостатка на российском рынке источников тока малой
емкости отечественного производства вообще и аккумуляторов с повы-
шенными энергетическими характеристиками особенно потребность в
них удовлетворяется за счет продукции ведущих зарубежных компаний,
освоивших наиболее прогрессивные технологии. Продукция их разнооб-
разна, специализирована для различных применений и режимов эксплуа-
тации и имеет хорошие характеристики качества при умеренной цене.
Компании быстро реагируют на потребности мирового рынка и каждый
год выпускают новые типы источников тока. Типоразмерный ряд акку-
муляторов разных серий ежегодно пополняется за счет появления мало-
габаритных источников тока, а емкость других увеличивается.
Все разнообразие серий современных герметичных щелочных акку-
муляторов показано в настоящем справочнике на основе продукции ев-
ропейских компаний SAFT, VARTA и японских PANASONIC и SANYO.
Их продукция поставляется в Россию уже в течение многих лет, хорошо
изучена и широко используется для разнообразной аппаратуры.
Существенно то обстоятельство, что эта продукция в разных компа-
ниях выпускается аналогичными сериями, т. е. обеспечивается ее взаимо-
заменяемость. В то же время каждая из этих компаний достигла наи-
больших успехов в области каких-то конкретных разработок, что и будет
отмечено при рассмотрении их продукции.
На российском рынке присутствует и другая аналогичная продукция,
чаще всего производимая в странах Юго-Восточного региона, но мы не
берем на себя обязанность описывать все разнообразие изделий.
Следует отметить также, что аккумуляторы могут относиться к продук-
ции промышленного класса или класса для широкого использования. Пер-
вые имеют плоский положительный вывод на крышке аккумулятора,
в горые - высокую крышку ("high lop"), которая позволяет устанавливать их
и пружинные контакты устройств с автономным питанием. Большая часть
описываемых источников тока относится к первому классу продукции.
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 84
Аккумуляторы французской компании SAFT
Щелочные герметичные Ni-Cd n Ni-MIl аккумуляторы SAFT (цилин-
дрические, дисковые и призматические) выпускаются по унифицирован-
ной технологии с электродами металлокерамическими или па войлочной
основе [22], Они имеют низкий импеданс и обладают повышенными
энергетическими характеристиками до полного исчерпания запасенной
емкост и, могут эксплуатироваться в режиме температур от -20 до +60 °C.
У некоторых типов аккумуляторов температурный диапазон расширен:
они обеспечивают до 20 % емкости при -40 °C или могут работать при
температуре до -70 °C.
Типичная емкость аккумуляторов в партии, как правило, превышает но-
минальную на 10%. Автоматизированное производство и контроль на всех
стадиях производства обеспечивают большую однородность продукции:
разброс аккумуляторов по емкости в партии обычно не превышает 10-15 %.
Компания SAFT выпускает аккумуляторы следующих серий:
цилиндрические:
VR и VRE- стандартная серия (Ni-Cd),
VE и VSE - серия аккумуляторов высокой энергии (Ni-Cd),
Таблица 3.7. Аккумуляторы стандартной серин VR [22,28]
Характеристики VR 1/2 С VR 2/3 D VR 4D VR 7 FL VR 10 SF
Номинальная емкость, Ач 0,7 2,5 4,0 7,0 10,0
Размеры, мм:
диаметр 25.6 32,7 32,7 32.7 41,5
высота 24.0 43,3 60,3 89.1 89,1
Масса, г 37 103 145 228 390
Импеданс при 1000 1'ц, мОм - 3,3 3,1 2.7 2,0
Заряд ускоренный:
6—7 ч: ток. мА 140 500 800 1400 —
Заряд быстрый:
1 ч; ток, А 0,70 2,5 4,0 — —
2 ч; ток, А — — — 3,5 —
Подзаряд после полного заряда. мА 4 70 100 175 200
При стандартном заряде конечное напряже!1ие 1.4/1.5 В. при быстром - 1,55/1.65 В.
Диапазон температуры заряда: стандартного и постоянного - от 0 до +50 °C, ускоренного -
от+5 до +50 “С, быстрого - от +10 до +40 °C.
Емкость, снимаемая при разряде током 1 С и температуре +20 °C, - не менее 0,9 Сн,
5Си +20 °C, - не менее 0.65 (',
1 Си 0 °C. - не менее 0.8 Сн.
1 С и -20 °C. - не менее 0.6 Сн,
1 Си -40 "С, - не .менее 0.2 С„.
При разряде до 0.9 В для аккумулятора типа УК 7 I L емкость снижается в 2 раза.
85
3.4. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
VT - серия высокотемпературных аккумуляторов (Ni-Cd).
VII •- серия аккумуляторов супервысокой энергии (Ni-MH),
VH Cs 3000 - аккумулятор супервысокой мощности (Ni-MH);
дисковые:
GB и НВ - серия Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов защиты памяти;
призматические:
НР - серия Ni-MH аккумуляторов супервысокой энергии.
Аккумуляторы стандартной серии VR (табл. 3.7) имеют металлоке-
рамические положительные и отрицательные электроды, у аккумулято-
ров серии VRE (табл. 3.8) отрицательный электрод намазкой. Аккуму-
ляторы работоспособны в широком диапазоне температур (от -20 до
+60 °C) и при токах разряда до 5 С (серия VR) и до 3 С (серия VRR). Они
могут быть заряжены током 0,1 С в течение 16 часов или быстрее в соот-
ветствии с данными табл. 3.7 для аккумуляторов серии VR и табл. 3.8
(серия VRE). Саморазряд - порядка 35 % за месяц.
I'afwiua 3.8. Аккумуляторы стандартной серии VRE [22,28]
Характеристики VVE/I ЗУЛ VRE 1/2ЛА iVRE I/2AA 350 1 VRE АА 600 VRE АА 700 VRE Cs 1300 VRE Cs 1500 VRECs 1800 VRE C VRE 1/2D VRED
1 ивичиая емкость. 0,14 0,35 0,38 0,70 0.78 1,45 1,50 1,80 2,55 2,55 5,60
Ач Минимальная ем- 0,13 0,30 0.35 0.60 0,70 1,30 1,40 1.70 2,30 2,40 5,00
кость, Ач Размеры, мм: диаметр 13,0 14,0 14,0 14,0 14,0 22,2 22,2 22,2 25,6 32,3 32,3
высота 16,8 29,8 29,8 49,2 49,2 42,2 42,2 42,2 47,9 36,8 58,6
Масса, г 7 12 14 20 21 46 46 50 77 82 134
Импеданс, мОм 48 30 30 16 14 6 6 5 8 18 4
Заряд быстрый: -1 ч; ток, мА 130 — — 600 700 1300 1400 1700 — — —
3^4 ч; ток, мА ----- 800 800
4 ч; ток, мА - 100 150 --------
6-7 ч; ток, мА--------- - 900
I l|ni стандартном заряде конечное напряжение 1,45/1,55 В, при ускоренном - 1,5/1,6 В, при
бистром - 1,6/1,7 В.
Диапазон температуры заряда: стандартного - от 0 до -50°С. ускоренного - от +10 до
I 45 “С, быстрого - от 0 до +45 °C.
I мкость, снимаемая при разряде током 1 (7 и температуре +20 °C, - нс мспсс 0,8 С„,
3 С и +20 °C, -- нс менее 0,65 С„,
1 С и 0 "С, - не менее 0,7 С„.
1 С и -20 °C, - не менее 0,5
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
86
Аккумуляторы серий VR и VR.E выпускаются много лет в количестве
сотен миллионов штук ежегодно. При превосходном и стабильном каче-
стве этих аккумуляторов цена их не выше цены аналогичной отечествен-
ной продукции.
Все аккумуляторы могут1 быть заряжены ускоренно при контроле
времени, многие типы - и быстро в течение 1-2 ч при контроле измене-
ния напряжения и температуры. Для обеспечения полной заряженности
аккумуляторов после быстрого заряда возможно использование режима
компенсационного подзаряда.
Емкость Ni-Cd аккумуляторов высокой анергии (серия VE) в результа-
те улучшения стандартной технологии SAFT удалось повысить на 10-15 %
без изменения их объема. В аккумуляторах серия VSE использование
о кс и дно-никелевого электрода с основой войлочной структуры обеспе-
чило увеличение емкости аккумуляторов по сравнению со стандартны-
ми на 30-35 %. Характеристики этих аккумуляторов представлены в
табл. 3.9 [22,28].
Для эффективной работы в режиме подзаряда SAFT выпускает высо-
котемпературные аккумуляторы серии VT (табл. 3.10), работоспособные
при +55 °C. В течение некоторого времени они выдерживают и +60 °C.
При постоянном заряде током 0,05-0,065 С срок службы аккумуляторов
составляет4 года. Стандартный заряд - током 0,1 Св течение 16 ч. Само-
разряд - 15 % в месяц.
Таблица 3.9. Аккумуляторы высокой энергии серий VE и VSE
Характеристики VE 1J3 А. 1 VE 4/5А 1 VECs VECs 1700 VE С VBD vvasA VSE 4/5A
Типичная емкость, Ач 0,67 1,05 1,56 1,89 2,40 5,10 0,98 1,30 Минимальная емкость, Ач 0,60 1,00 1,40 1,70 2,20 4,50 0,94 1,20 Размеры, мм: диаметр 16.7 16,7 22,2 22.2 25,6 32,4 14,0 16,7 высота 28,0 42,3 42.3 42,3 47,9 58,8 49,2 42.3 Масса, г 18 27 48 48 75 150 22 28 Импеданс при 10001 и, 25 21 5 5 5 2,6 16 17 мОм
Заряд стандартный током 0,1 С в течение 16 ч, быстрый - током I С я течение -1 ч при
контроле напряжения и температуры.
При стандартном заряде конечное напряжение 1,4/1,5 В, при быстром 1,5/1,6 В
Емкость, снимаемая при разряде током 1 С и температуре +20 °C, - нс менее 0,9 Сн,
3 С и +20 °C, - нс менее 0,75 С„,
1 С и 0 °C, - не менее 0,8 С„,
1 С и -20 °C, - не менее 0,57 С„.
87 3.4. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Тибми/а 3,10. Аккумуляторы высокотемпературной серии VT [22, 28]
Характеристики VIАА vr Cs VI’Cs 1500 VTC VT1/2D VTD VTD 70 VTH
11оминальная емкость, Ач 0,6 1,2 1,5 2,2 2,2 4,0 4,0 7,0
Размеры, мм: диаметр 14,0 22,2 22,2 25,6 32,3 32,3 32,4 32,4
высота 50,2 42,2 42,2 47,9 36,8 60,3 60,3 91,1
Масса, г 20 45 49 75 80 132 134 210
Импеданс при 1000 Гц, мОм 16 12 8 14 10 7 6 5
Максимальный ток разря- 1,8 6 6 10 И 20 20 35
да, А Емкость, снимаемая при разряде током 0,5 С и температуре +20 “С, - не менее 0,95 С„
Следующим шагом на пути увеличения удельных характеристик ци-
линдрических аккумуляторов была замена отрицательного кадмиевого
электрода на металлгидридиый. Положительный электрод в этих аккуму-
ляторах - на основе войлока. В результате была создана серия VH ни-
кель-металлгидридных аккумуляторов супервысокой энергии (табл. 3.11)
с емкостью, почти в 2 раза большей, чем у стандартных никель-кадмие-
вых аккумуляторов такого же объема. Аккумуляторы при разряде током
до 3 С обеспечивают не менее 0,85 С„. Стандартный заряд - током 0,1 С в
течение 16 часов. Саморазряд - от 20 до 40 %; тем меньше, чем меньше
поминальная емкость аккумулятора.
Таблица 3. /1. Никель-металлгидридные аккумуляторы супервысокой
энергии (серия VH)
Характеристики VH ААА 650 VH ААА 700 VH АА VH АА 1500 VH Cs HP VHD ( VHF
Типичная емкость, Ач 0,7 0,75 1,30 1,50 2,82 8,50 13,50
Минимальная емкость, Ач 0,65 0,70 1,20 1,40 2,63 8,00 12,50
Размеры, мм: диаметр 10,1 10,1 14,0 14,0 22,0 32,3 32,3
высота 44,3 44,3 49,2 49,2 42,2 58,9 89,1
Масса, г 12 12 25 26 59 160 250
Импеданс при 1000 Гц, мОм 25 22 21 20 5 4 4
Заряд быстрый током, А 0,65 0,7 1,2 1,4 2,0/1,0 4,0 4,0
в течение времени, ч -1 —1 ~1 -1 -1,75/3,5 -2,3 -3,5
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
88
ЗАО "БЭПЕРИ ТИМ"
Аккумуляторы и элементы ведущих производителей
VARTA
SAFT
SANYO
PANASONIC
TOSHIBA
г, Москва, Дмитровское шоссе, д. 107, офис 249
Тел, +7 (095) 485-59-44. 485-74-88, 485-35-44
www,batteryteam.ru E-mail: company@batteryteam.ru
SAF]' выпускает также дисковые аккумуляторы: никель-кадмиевые
серии GB (емкостью 60, 170 и 280 мАч) и никел ь-металл гидрид и ыс серии
НВ емкостью 70 мАч. Стандартный заряд - током 0,1 С' в течение 16 ч.
Максимальный продолжительный ток разряда аккумуляторов этих серий -
0,5 С.
Аккумуляторы японской компании PANASONIC 129, 30]
Характеристики стандартных цилиндрических никель-кадмиевых ак-
кумуляторов представлены в табл. 3.12.
Таблица 3.12. Никель-кадмиевые аккумуляторы стандартной серии N
Характеристики Р-П.АА/ГТ Р-1ЯК/1-Г Р-22АЛЛ Р-25ЛАА Р-ШЛЛ Р-70ЛА Р-100 Р-24ОС P4OD
Емкоетч,, мАч 110 180 220 250 600 700 1000 2400 4400
Импеданс, мОм Размеры, мм: 60 30 19 19 12 13 12 5 7
диаметр 14.5 12 10,5 10,5 14,5 14,5 25,8 25,8 33,0
высота 17,5 30 44,5 44,5 50,0 50.0 31.0 50,0 61,0
Масса., г 6,5 Стандарт bill заряд током 0,1 8 10 (' в течение 1 5 ч. 10 21 22 45 75 140
Ускоренный заряд: для аккумулятора типа Р-44013 ускоренный заряд не пре дуем трен, для
аккумуляторов чином Р-1IAA/FT и P-18N/FT - током 0,25 С.’ в течение 0 ч, для печальных -
током 03л С в течение 4,5 ч.
Диапазон температуры разряда: от -20 до +65 °C.
При увеличении тока разряда емкость уменьшается линейно до 0.6 С„ при токе 4 С.
Саморазряд при +20 °C - 25 % ча 1 месяц, 50 %-за 6 месяцев,
89 3.4. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Более высокие удельные массовые характеристики (на 10-20 %)
обеспечиваюг аккумуляторы серий S и R.
Аккумуляторы серии S выпускаются в диапазоне емкостей от 0,6 до
2.3 Ач. При контроле температуры и напряжения они могут быть заряже-
ны за 1.5 ч.
Аккумуляторы серии R для быстрого заряда (в течение 1 ч) выпус-
каются в более широком диапазоне емкостей: от 0,25 до 5 Ач.
Аккумуляторы серии Р разработаны для быстрого заряда и ко-
ротких режимов разряда. Они обеспечивают ток разряда до 10 С и
могут быть заряжены за 1 ч под контролем температуры и напряже-
ния. Емкость аккумуляторов -- 1.2 Ач (несколько модификаций) и
1,65 Ач, Размеры KR 23/34 и KR. 23/43. Импеданс - 5 и 4 мОм соот-
ветственно.
Аккумуляторы серии И разработаны для работы в режиме подза-
ряди при повышенной температуре (температура заряда до +50 °C).
Они выпускаются емкостью: 110, 500, 1100, 1200, 1800, 2300 и 4000 мАч.
После заряда током 0,033 С их разрядная емкость при токе 1 С - не
менее 0,65 С„. Аккумуляторы работоспособны в течение 3 лет практи-
чески без потерь емкости, далее емкость снижается и через 6 лет со-
ставляет 60 % от С„,
Аккумуляторы серии К по сравнению с аккумуляторами серии Н
(емкостью 1,2; 2 и 4 Ач) имеют более низкую температуру постоян-
ного заряда (+45 °C). После заряда током 0,033 С при разряде током
I С они отдают около 0,6 Сп при температуре +20 °C, и 0,45 Сн при
+45 3С.
Никель-металлгидридпые аккумуляторы компания PANASONIC вы-
пускает в цилиндрической (см. табл. 3.13) и призматической конструк-
ции. По сравнению с Ni-Cd аккумуляторами их разрядные характеристи-
ки при высоких скоростях разряда - хуже.
Призматические аккумуляторы выпускаются четырех типов: HHF60S,
11HF75S, I1HFJ20T и HHF125S (шириной 17,5 мм. толщиной 6,1 мм для
всех, высотой 48,2 мм для двух первых типов и 67,3 мм для двух послед-
них соответственно). Все аккумуляторы допускают заряд током 1 С в
течение 1,2 ч при соответствующем контроле. Разряд током до 2 С для
двух первых типов и I С для последних.
В стремлении сконструировать все более тонкие батареи для сотовых
телефонов и других портативных устройств компания PANASONIC раз-
работала ультратоикий цилиндрический аккумулятор емкостью 700 Ач.
Батареи из Ni-MII аккумуляторов тина IIH.R70QA (диаметр 8,4 мм, высо-
та 67 мм, масса 13 г) по габаритам .мало отличаются от призматических.
Они могут работать без систем защиты. При разряде током 1 С обеспечи-
вается емкость 0,9 Сн.
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕ ЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ <)()
Таблица 3.13. Цилиндрические никель-металлгидридные аккумуляторы
Тип аккумулятора Емкость. мАч Размеры, мм Мас- С<1, г Импеданс, мОм Примечание
диаметр| высота
HHR55AAA , 550 10,5 44,5 12 30 Бытовой
HH.R55AAA/FT 550 10,5 44.5 12 30 С выступающим плоским верхом
HHR60AAA/FT 600 10,5 44.5 13 30
HHR65AAA/FT 650 10,5 44,5 13 30
HHR65AAA 650 10,5 50,0 14 30
HHR70AAA 700 10,5 50,0 15 30
HHR75AAA 750 10,5 50,0 15 30
HHR95AAA 950 10,5 67,0 18 20
HHR120AA 1150 14,5 43,0 23 19
HHR110AAO 1100 14,5 50,0 26 16 Дли тельный переза- ряд током 0,1 С
HHR130AA 1300 14,5 50,5 26 16
HHR150AA 1500 14,5 65,0 26 20
HHR180AA 1800 14,5 65.0 34 14
HHR160A 1600 17,0 43,0 31 14
HHR200A 2000 17,0 43,0 32 20
HHR210A 2100 17,0 50,0 38 20
HHR380A 3700 17,0 67,0 53 25 Для персональных компьютеров
HHR450A 4200 18,2 67,0 60 25 То же
HHR200SCP 1900 23,0 34,0 42 5 Коротко раз рядный
HHR300SCP 2800 23,0 43,0 55 4 То же
HHR650D 6500 33.0 60,8 170 2 И
Заряд стандартный током 0,1 С. в течение 16 ч; ускоренный - током I С в течение 1,2 ч при
соответствующем контроле.
Разряд током до 2 С - для всех типов, кроме 5 последних Аккумуляторы для персональных
компьютеров допускают токи до (),S С, короткоразрядные - до 30 А длительно, но при по-
ниженном рабочем напряжении
Аккумуляторы японской компании SANYO
Никель-кадмиевые аккумуляторы SANYO имеют торговую марку
Cadnica [31]. Они выпускаются разными сериями, которые классифи-
цированы в зависимости от режима эксплуатации, как и аккумуляторы
других компаний, описанные выше.
Выпускаются две серии стандартных аккумуляторов (табл. 3.14 и 3.15),
которые работоспособны при разряде большими токами. Стандартный
заряд током 0,1 С в течение 14-16 ч. Для аккумуляторов первой серии
возможен и ускоренный заряд (за 4-6 ч).
•91
3.4. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Таблица 3.14, Аккумуляторы общего использования
Характеристики N-50 ААА О N-120 ТА I М-250 ААА N-270 АА N-500 А N-600 АА N-4000DL
Емкость, Ач 0,05 0,11 0,11 0,15 0,25 0,27 0.5 0,6 4,0
Импеданс, мОм 55 30 34 27 24 15 9 12 3,3
Размеры, мм: диаметр 10,5 14,5 8,0 12.0 10,5 14,5 17,0 14,2 33,0
высота 16,0 17,0 42,5 30,0 44,5 30,0 28,0 50.5 60,0
Масса, г 4 7 6 9 11 14 19 23 160
Кроме того, разработаны аккумуляторы с улучшенной рекомбинаци-
ей кислорода. Разрядная емкость аккумуляторов повышенной емкости
(серия Е/серия U) повышена на 40 %. Выпускаются аккумуляторы с ми-
нимальной емкостью 0,6; 0,8; 1,1; 1,2; 1,35; 1,5; 1,7; 1,8; 2,3; 5 и 24 Ач.
Они могут быть заряжены только стандартным током 0,1 С. Аккумулятор
последний в ряду (тип KR-24000ME с диаметром 43,1 мм и высотой 146,1
мм) - уникален среди цилиндрических щелочных аккумуляторов.
Аккумуляторы увеличенного срока службы (серия С/серия ЕС): 13 ти-
пов емкостью от 250 до 1700 мАч и тип N-20000MC емкостью 20 Ач обес-
печивают более продолжительную эксплуатацию по сравнению со стан-
дартными аккумуляторами. Аккумуляторы малогабаритные емкостью до
1,2 Ач могут быть заряжены ускоренно током 0,2-0,3 С в течение 4-6 ч.
Аккумуляторы быстрого заряда серии СР (4 типа с минимальной ем-
костью 1,2; 1,65; 2,35 и 3,45 Ач) и серии R (8 типов емкостью от 0,5 до
4 Ач) имеют тонкие электроды, улучшенную рекомбинацию газа и ори-
гинальный коллектор тока. Аккумуляторы быстрого заряда при разряде
током 8 С обеспечивают не менее 0,9 С„.
Таблица 3. /5. Аккумуляторы стандартные (серия KR)
Характеристики IVV 009"НМ KR-I200 SCL KR-1300SC KR-1500 SC | KR-4400D 1 .. KR-7000F KR-10000M
Номинальная емкость, Ач 0,6 1,2 1,3 1,5 4,4 7,0 10,0
Размеры, мм: диамсф 14,3 23,0 23,0 23,0 33.0 33,0 43,0
высота 48,9 34,0 43,0 43,0 61,5 91,0 91,0
Масса, г 21 37 45 47 145 230 400
Импеданс, мОм 15 9,7 6,0 6,0 3,8 3,4 2,6
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
92
Для аккумуляторов серии R проверялся режим циклирования при за-
ряде током 4 С в течение 15 мин и разряде током I С до 1 В, После 500
циклов потери емкости составляли менее 10 %.
Аккумуляторы серии Н (емкостью от 0,6 до 10 Ач) и серии К (емко-
стью от 0,27 до 2 Ач) разработаны для использования в режиме подзаряда
током 0,02-0,05 С при повышенной температуре (до +70 °C). Разрядная
емкость аккумуляторов серии Н после заряда током 0,033 С„ в течение 48 ч
7~аблкцсг3. 16. Цилиндрические никель-мсталлгидридные аккумуляторы [32]
!|Щ аккумулятора Нм кисть, Лч Размеры, мм Масса, г Облас ть использенания
типич- ная мини- мально диа- метр высота
А к к у м у л я '] о р ы бол ь ш о и е и кости
HR-А ЛАП 0,72 0,65 10,5 44,5 13 Для сотовых телефонов и дру-
HR-5/AAAU 0,82 0,76 10,5 50,0 15 гих средств коммуникации
HR5/3AAAU 1,00 0.92 10,5 67,0 19
HR-AAUL 1,45 1,30 14,2 49,0 27
HR-AAU 1,65 1,50 14,2 50,0 27
HR-4/5AU 2.15 1.90 17,0 43,0 35 Для соловых телефонов, кам-
HR-AU 2,70 2,45 17,0 50,0 40 корд еров И Т, 11
HR-4/3AU 3.80 3,50 17,0 67,0 55 Для портативных компыоте-
4,00 3,60 17,0 67.0 55 ров И J. и.
HR-4/3FAU 4,00 4,50 3,60 4,10 18,0 18,0 67,0 67,0 62 62
HR-4/5SCU 2,10 1,90 23,0 34,0 47 Для инструментов большой
HR-SC 2,20 2,00 23,0 43,0 59 мощности
HR-SCU 3.00 2,70 23,0 43,5 61
HR-D 7,50 6,90 33,3 60,0 173
А к к у м у л я г о р ы z новы гл е ej н ы м сроке М С JI у ж б ы
HR-4UC 0.65 0,60 10,5 44,5 13 Для беспроводной связи
HR-AAC 1,10 0,95 14,2 50,0 27 Для беспроводной связи и
HR-4/5AUC 1,70 1,55 17,0 43,0 35 бытовой техники малой мощ- ности
HR-AUC 2,10 1,90 17,0 50,0 40 Источники тока большой
HR-4/3AIJC 3,70 3.30 18,0 67.0 62 мощности для поддержки па-
HR-SCC 2,10 1,90 23,0 43,0 58 миги
Вес аккумуляторы допускают быстрый заряд: аккумуляторы типов 1IR-4/3AU и HR-4/3FAU
током ЗАв течение 1,5 ч, остальные - током 1 С в течение 1,2 ч при соответствующем
контроле процесса.
93 3.4. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Таблица 3.17. Призматические никель-металлгидридныс аккумуляторы [32]
Тип иккумуляюра Емкость, мАч Размеры, мм Масс:!, г
типичная минимальная шир ина в ел сота то. ним на
HF-C1U 650 580 17,0 35,5 6,1 12
HF-C2U 900 830 17,0 35,5 8,3 18
HF-DIU 880 810 17,0 48,0 6,1 18
HF-A1U 1350 1250 17,0 67,0 6,1 26
при токе разряда 1 С на 20 % больше, чем у аналогичных стандартных
аккумуляторов. Если эти аккумуляторы эксплуатируются при температу-
ре +70 °C, то срок их службы сокращается в 3 раза по сравнению со сро-
ком службы при । 20 °C.
Компания SANYO выпускает также цилиндрические Ni-Cd аккуму-
ляторы .для защиты памяти (серия S) емкостью от 45 до 250 мАч. Они
разработаны для условий эксплуатации, когда могут чередоваться глубо-
кий заряд, пауза и разряд током меньше тока саморазряда аккумулятора.
Аккумуляторы имеют выводы, пригодные для использования при монта-
же на печатных платах.
Стандартный заряд аккумуляторов - током 0,03 С в течение 48 ч при
температуре от 0 до -70 СС. Разряд при температуре от -20 до +70 3С
током 1 С. Саморазряд аккумуляторов серии S вдвое меньше самораз-
ряда стандартных аккумуляторов во всем диапазоне температуры хра-
нения.
Никсль-металлгидридныс аккумуляторы компании SANYO, цилинд-
рические (табл. 3.16) и призматические (табл. 3.17), имеют торговую
марку Twiccll. Они выпускаются уже более 10 лет и обладают удвоен-
ной емкостью по сравнению с Ni-Cd аккумуляторами таких же разме-
ров.
Призматические аккумуляторы предназначены для сотовых телефо-
нов. Они допускают заряд в течение 1 ч при токе 1 С при соответствую-
щем контроле процесса заряда.
Аккумуляторы немецкой компании VARTA
Герметичные щелочные аккумуляторы компании VARTA [33, 34]
присутствовали на рынке химических источников тока несколько десяти-
летий. Но в настоящее время следует учитывать две особенности: осуще-
ствляется переход на экологически более чистые Ni-MI-I аккумуляторы и
весь выпуск производится на предприятиях Восточной Европы.
Никель-металлгидридпые цилиндрические аккумуляторы выпускают-
ся с поминальной емкостью 550, 650, 1000, 1200, 1800, 2100, 3000, 3350 и
3800 мАч, призматические - с емкостью 550, 650 и 750 мАч.
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
94
Аккумуляторы компании GP Batteries International Limited
Кроме большого спектра цилиндрических никель-кадмиевых (емко-
стью от 130 до 6000 мАч) и никель-металлгидридных (емкостью от 550
до 2500 мАч) аккумуляторов [35) компания разработала миниатюрные
цилиндрические источники тока типоразмеров АААА и ААА,
Выпускаются металл-гидридные аккумуляторы диаметром 8,6 мм и
высотой 15,3; 20,2 и 28,9 мм, а также диаметром 10 мм и высотой 10,3;
13,7; 22,0; 29,2 мм. Аккумулятор зила GP65 ААААР размера 7/5 АААА
(диаметром 8,3 мм и высотой 66,5 мм) обеспечивает емкость 670 мАч при
внутреннем сопротивлении 25 Ом.
ООО "ЭНЕРГИЯ"
Официальный дистрибьютор PANASONIC
Весь спектр аккумуляторов
Сферы применения:
системы охранно-пожарной сигнализации;
системы видеонаблюдения и контроля доступа;
системы связи и телекоммуникаций;
офисные и ведомственные АТС, индивидуальные
мобильные средства связи и сотовые телефоны;
системы автономного питания UPS;
портативные измерительные и диагностические
аппараты;
медицинское оборудование;
торговое оборудование.
Тел.: (812) 320-95-85, 320-61-11, факс: (812) 184-32-86
E-mail: lndustrial@sentosa.ru, http: // www.sentosa.ru
ОАО «АККУМУЛЯТОРНАЯ КОМПАНИЯ
«РИГЕЛЬ»
Первый в России и СНГ производитель аккумуляторов. Основа-
на в 1897 г. как акционерное общество «Русские аккумуляторные
заводы «Тюдор». В дальнейшем называлась «Ленинская искра» и
НПО «Источник». В настоящее время АК «Ригель» является круп-
нейшим производителем щелочных аккумуляторов в России.
МЫ РАЗРАБАТЫВАЕМ И ПРОИЗВОДИМ:
Никель-железные аккумуляторы:
- тяговые (от 250 до 450 Ач);
- специализированные вагонные (300 Ач)
Никель-кадмиевые герметичные аккумуляторы:
- дисковые (до 0,75 Ач) и сверхплоские (от 0,02 до 0,1 Ач);
- цилиндрические;
- призматические
Никель-металлгидридные герметичные аккумуляторы:
- дисковые (от 0,03 до 1,1 Ач);
- цилиндрические (от 1,2 до 1,5 Ач);
- призматические (от 13 до 200 Ач)
Никель-цинковые аккумуляторы (от 10 до 200 Ач)
Серебряно-цинковые аккумуляторы (от 25 до 400 Ач)
Серебряно-кадмиевые аккумуляторы специального назначения
*,
Аккумуляторы и аккумуляторные батареи компании успешно ра-
ботают во всех областях применения бытовой, промышленной и во-
енной техники.
В научно-техническом центре Аккумуляторной компании «Ригель»
сконцентрированы наиболее квалифицированные кадры по разработ-
ке химических источников тока, что позволяет быстро выполнять
пожелания заказчиков по разработке и изготовлению аккумуляторов
и батарей любого назначения.
Компания активно ведет работу по замене всех никель-кадмие-
вых источников тока на экологически чистые нике ль-мета л лги дрид-
ные, осуществляет разработку литий-ионных аккумуляторов, источни-
ков тока для электромобилей, электровелосипедов, гибридных авто-
мобилей. Задача компании - охватить весь комплекс работ, от раз-
работки и производства аккумуляторов до их обслуживания в экс-
плуатации и последующей утилизации.
Обращайтесь к нам!
197376, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 38.
Тел. (812) 234-08-10, тел./факс (812) 234-98-39, 234-06-38.
E-mail: market@rigel.ru, general@rigei.ru.
Http: www.rigel.ru.
ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ
СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ
АККУМУЛЯТОРЫ
Несмотря на то что свинцово-кислотные аккумуляторы известны поч-
ти полтора столетия, первые безуходные аккумуляторы .угон электрохими-
ческой системы пыли созданы нс более 40 лет назад. Строго говоря, полная
герметизация с випцово-кислотных аккумуляторов не может быть достиг-
нута, так как невозможно обеспечить полную рекомбинацию кислорода и
водорода, которые выделяются в них при заряде и хранении. Но специаль-
ными мерами выделение газов и потери воды в процессе эксплуатации
герметизированных аккумуляторов удается свести к минимуму.
4.1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Основной процесс, протекающий на отрицательном электроде свин-
цово-кислотного аккумулятора, описывается реакцией
Pb + HSO; PbSO4 + IIk + 2е~,
заряд
на положительном электроде - реакцией:
РЬО. + HSO; + 31-Г + 2е“ PbSO4 + 211,0.
заряд
Суммарная реакция в аккумуляторе имеет вид:
РЬО + Pb + 2H2SO4 ^Р=РЯЗ * 2PbSO4 + 2Н,О.
'заряд
Таким образом, при разряде аккумулятора на обоих электродах обра-
зуется малорастворимый сульфат свинца PbSO4 (двойная сульфатация) и
идет сильное разбавление серной кислоты.
НРЦ заряженного аккумулятора равно 2,05-2,15 В в зависимости от
концентрации серной кислоты. При разряде по мере разбавления элек-
тролита НРЦ аккумулятора уменьшается и после полного разряда стано-
вится равным 1,95-2,03 В.
При заряде свинцово-кисло гного аккумулятора, как и в других акку-
муляторах с водным электролитом, имеют место побочные процессы выде-
ления itliob. Выделение водорода начинается при полном заряде отрица-
тельного электрода. Кислород начинает выделяться гораздо раньше: в обыч-
ных условиях заряда при 50-80 % зараженности (в зависимости от тока
заряда), а при температуре О °C уже после заряда на 30—40 %. Коэффициент
отдачи положительного электрода по емкости составляет 0,85-0,90. Поэтому
дня получения полной разрядной емкости аккумулятор должен быть заряжен
97 4.2. ОСОБЕННОСТИ СВИНЦОВО-КИСЛОТНОГО АККУМУЛЯТОРА
на 1 10-120 % Сн. Перезаряд сопровождается значительным выделением
водорода на отрицательном электроде и кислорода - на положительном.
Зар я дно-раз рядные характеристики аккумуляторов существенно за-
висят от токов разряда и температуры. При температуре ниже 0 °C на-
пряжение значительно уменьшается из-за уменьшения электропроводно-
сти электролита. Разрядная емкость аккумуляторов сильно надает.
При хранении заряженною свинцово-кислотного аккумулятора так-
же имеет место процесс выделения водорода, скорость которого зависит
от температуры, объема электролита и его концентрации, но более всего
от чистоты компонентов. В отсутствие примесей реакция протекает мед-
ленно, но на практике па поверхности свинцового электрода всегда много
примесей, среди которых наиболее вредное влияние оказывает сурьма.
11а положительном электроде может самопроизвольно протекать реакция
восстановления диоксида свинца, в результате которой выделяется ки-
слород, но скорость ее невелика.
Потери емкости свежеизготовленного аккумулятора за счет самораз-
ряда обычно ле превышают 2-3 % в месяц. По при эксплуатации они бы-
стро растут.
Срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов ограничивается пре-
жде всего изменениями в положительном электроде. Коррозия решетки
приводит к нарушению ее контакта с активной массой и увеличению
внутреннего сопротивления. Из-за увеличения (в 1,3 раза) удельного объ-
ема при переходе РЬ в РЬСц коррозия решеток сопровождается возникно-
вением больших напряжений и деформацией электродов. В результате
увеличивается вероятность короткого замыкания между разнополярными
электродами, а из-за нарушения контакта активной массы с решеткой
происходят ее оплывание и осыпание. Этот эффект особенно интенсивно
проявляется при заряде аккумулятора после разряда при низкой темпера-
туре и при больших токах нагрузки.
При хранении аккумулятора в разряженном состоянии и систематичес-
ких нсдозарядах на его электродах (особенно на отрицательном) происхо-
дит сульфатация, постепенный переход мелкокристаллического сульфата
свинца в плотный тверды и слой сульфата с крупными кристаллами, после
чего заряд аккумулятора сильно затрудняется. Поэтому, чтобы не сокращать
срок службы аккумуляторов, их рекомендуется регулярно i юдзаряжать.
4.2. ОСОБЕННОСТИ ГЕРМЕТИЗИРОВАННОГО СВИНЦОВО-
КИСЛОТНОГО АККУМУЛЯТОРА
Поскольку основные проблемы при создании герметичного варианта
свинцово-кислотного аккумулятора связаны с побочными процессами вы-
деления газов, в нем должны быть обеспечены условия для уменьшения
гаювыделения и для содействия рекомбинации газа.
4, СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 9g
При разработке герметичного аккумулятора был предпринят ряд мер,
подробное описание которых можно найти, например, в монографиях [3,
12-14, 36]:
1. В аккумуляторе используется иммобилизованный электролит, ко-
торый сохраняет высокую электрическую проводимость серной кислоты.
Малое его количество позволяет обеспечить лучший перенос кислорода
от положительного электрода к отрицательному и высокий уровень его
рекомбинации.
При одном способе иммобилизации электролита для его загущивания
используется силикагель (SiO2). В этом случае перенос кислорода проис-
ходит по трещинам, которые возникают при усадке твердеющего элек-
тролита. Для разделения разнополярных электродов необходим сепара-
тор, подобный тому, что используется в негерметичном аккумуляторе.
При другом способе, более частом в настоящее время, используется
сепаратор из стекловолокна с высокой объемной пористостью и хорошей
смачиваемостью в растворе серной кислоты. Благодаря тонкой структуре
волокон сепаратор обеспечивает удержание электролита в порах (мат-
ричный электролит) и высокую скорость переноса кислорода. Использо-
вание стекловолокнистого сепаратора и плотная сборка блока электродов
способствуют также уменьшению оплывания активной массы положи-
тельного электрода и разбухания губчатого свинца - на отрицательном.
2. Для уменьшения вероятности выделения водорода свипцово-сурь-
мяные сплавы токоведущих решеток не герметичного аккумулятора заме-
няются другими, обеспечивающими более высокое перенапряжение выде-
ления водорода. Используются сплавы свинца с кальцием (до 0,1 % Са),
иногда легированные алюминием, сплавы свинца с оловом (0,5-2,5 % Sn),
которые имеют хорошие литейные характеристики, и другие,
3. В отрицательный электрод часто закладывается емкость больше,
чем в положительный. В этом случае при полном заряде положительного
электрода оставшаяся недозаряженной часть активной массы отрица-
тельного электрода практически исключает возможность разряда ионов
водорода. Кислород, выделяющийся на диоксиде свинца, достигает отри-
цательного электрода и окисляет губчатый свинец до оксида свинца, ко-
торый в кислотном электролите переходит в сульфат свинца PbSO4 и во-
ду, Таким образом, условия для герметизации аккумулятора улучшаются:
газы не выделяются и вода не теряется.
Уменьшению газовыде ления способствуют и рекомендуемые ре-
жимы заряда, при которых ток уменьшается по мере заряжения акку-
мулятора,
И все же все реализованные варианты безуходного свинцово-кислот-
ного аккумулятора, который в обычных условиях не требует доливки
воды в течение всего срока службы и не выделяет газов, снабжены кла-
паном, который время от времени открывается для сброса излишнего
99 4.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
количества газа, главным образом водорода. Именно поэтому аккумуля-
тор называется не герметичным, а герметизированным.
Успехи исследователей и технологов, достигнутые за последние два
десятилетия, а также тщательный контроль процесса производства по-
зволяют в настоящее время выпускать продукцию, которая в ряде прило-
жений способна конкурировать с более дорогими герметичными щелоч-
ными источниками тока.
4.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
Почти все портативные герметизированные свинцово-кислотные ис-
точники тока выпускаются в виде батарей, которые собраны в едином
контейнере из пластмассы или резины (моноблочная конструкция). Кла-
панное устройство состоит из резинового клапана и отражателя для улав-
ливания капель электролита. Воздух в аккумулятор через него не попада-
ет. Типичная конструкция герметизированной свинцово-кислотной бата-
реи показана на рис. 4.1.
Батареи могут использоваться в режиме циклирования, но чаще - для
работы в буферном режиме.
Для заряда герметизированных свинцово-кислотных батарей исполь-
1уется несколько стратегий, каждая из которых в той или иной мере спо-
собствует уменьшению газовыделения.
Заряд при постоянном напряжении (потенциостатический режим за-
ряда) может быть использован для заряда циклируемых аккумуляторов и
для короткого подзаряда. Иногда его ведут- в две ступени (при напряже-
нии на второй ступени более низком, чем
способе заряда токи в начальный момент
могут быть большими.
Чаще используют комбинированный
режим, который отличается от потенцио-
статического ограничением начального
тока. В этом случае заряд постоянным
гоком ведется до заданного напряжения,
затем он продолжается при постоянст-
ве этою напряжения. Заряд может быть
1’ис. 4.1. Конструкция герметизированной
свинцово-кислотной батареи типа
HP КОВЕ [37|:
I контейнер; 2 - крышка: 3 - клемма; 4 - верхняя
крышка; 5 - аварийный клапан; б - отрицательная
пластина; 7 - сепаратор; 8 - положительная нла-
-. тина
на первой). Однако при таком
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
100
Рис. 4.2. Зарядные характеристики батареи герметизированных свинцово-
кислотных аккумуляторов НР6,5-12 КОВЕ при постоянном
напряжении 2,45 В/аккумулятор [37]
закончен при контроле времени или при уменьшении зарядного тока до
заданной величины. Комбинированный заряд батарей требует много вре-
мени 20-24 ч). Ускорение процесса может быть достигнуто при изме-
нении величин начального тока и предельного напряжения, которое воз-
можно, однако, в ограниченных пределах.
Типичные характеристики батарей, разряженных полностью и на
50 %, при комбинированном режиме их заряда показаны на рис, 4.2. За-
ряд ведется при постоянном токе 0,1 С на нервом этапе и при постоянном
напряжении источника тока - на втором. Большинство производителей
рекомендуют проводить заряд циклируемых батарей при постоянном
напряжении 2,40-2,45 В на аккумулятор.
Из рисунка видно, что основная часть заряда полностью разряженной
батареи происходит за 8 ч (до 90 % Сраз), но необходимый перезаряд (до
115% Cpin) может быть обеспечен при автоматически уменьшающемся
токе лишь через 12 ч. Первая стадия заряда батареи, разряженной на
50 %, завершается при том же напряжении источника питания за 4 ч, но
полный заряд занимает практически столько же времени, как и в случае
полностью разряженной батареи,
В конце заряда для его большей безопасности может быть использо-
вана еше одна ступень заряда: при снижении напряжения источника
питания до напряжения подзаряда аккумулятора (2,30-2,35 В).
Гальваностатический заряд (при постоянном токе), типичный для
щелочных источников тока, в случае герметизированных свипцово-кис-
101
4.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
потных батарей производители не рекомендуют. Однако при отсутствии
специализированного оборудования такой заряд возможен при ступенча-
гом уменьшении тока к концу заряда (2-3 ступени). При этом необходи-
мо четко следовать рекомендациям производителя относительно пре-
дельных напряжений, при которых должны осуществляться переключе-
ния на следующую ступень.
Заряд батарей, используемых для работы в буферном режиме,
проводи тся обычно при более низком напряжении (2.23-2,275 В). При
2,275 В/аккумулятор потенций статический режим заряда той же батареи
(при начальном токе 0,1 С) начинается через 6,5 и 3,5 ч для батарей, раз-
ряженных соответственно на 100 и 50 %. Полный заряд обеспечивается
та 20-25 ч.
Указанные напряжения заряда не требуют изменения при заряде в
некотором диапазоне температур (от 5 до 35 °C для батарей КОВЕ). За
пределами указанного температурного диапазона, однако, требуется ком-
пенсация влияния температуры: увеличение напряжения при пониженных
температурах и уменьшение - при более высоких. Напряжение должно
быть изменено на 5 мВ/аккумулятор при работе в режиме циклирования
и на 3,3 мВ/аккумулятор при работе в буферном режиме.
Ускорить процесс заряда можно при увеличении тока на первой ста-
дии заряда, но не более чем до 0,3 С.
Номинальной емкостью свинцово-кислотного источника тока счи-
тается емкость, полученная при разряде в течение 20 ч, то есть током
0,05 С. Емкость их сильно зависит от тока разряда, который может дос-
тигать нескольких С. При токе 1 С емкость составляет около 0,7 С„. Ти-
пичные разрядные характеристики при разных токах нагрузки показаны
на рис. 4.3.
Из рисунка видно, что конечное разрядное напряжение при разных
токах различно. Так, компания КОВЕ при разряде аккумуляторов током
до 0,2 С или прерывистым рекомендует разряд до напряжения 1,75 В, при
токе разряда в диапазоне 0,2-0,5 С- 1,7 В, при токе до 2 С- 1, 6 В и при
большем — 1,3 В.
Герметизированные свинцово-кислотные батареи работоспособны
в диапазоне температур от -15 °C (некоторые типы - от -30 °C) до
150 °C. При более низких температурах возможности разряда препят-
ствует замерзание электролита. Работоспособность аккумуляторов
при низких температурах может быть обеспечена увеличением кон-
центрации электролита, как это и делается в специальных вариантах
исполнения. Сильное уменьшение разрядной емкости при низких тем-
пературах является одним из главных недостатков этих источников
1ока.
Саморазряд в герметизированных свинцово-кислотных батареях зна-
чительно снижен по сравнению с обычными вентилируемыми и составляет
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
102
Время разряда
Рис. 4.3. Разрядные характеристики герметизированной свинцово-кислотной
батареи НР6,5Л2 КОВЕ [37(
в год 40 % при 20 °C и 15 % при 5 °C. При более высоких температурах)
хранения он увеличивается: при 40 °C батареи теряют 40 % за 4-5 месяцев.
При длительном храпении в заряженном состоянии батареи ре комен-]
дуют периодически подзаряжать. Если они хранились при температура]
ниже -20 °C, то подзаряд должен проводиться 1 раз в год в течение 48 ч]
при постоянном напряжении 2,275 В. При хранении при комнатной тем-]
пературе - 1 раз в 8 месяцев в течение 6—12 ч при постоянном напряже-]
нии 2,45 В/аккумулятор. Хранение при температуре выше 30 °C не реко-|
мен дуется, а подзаряд может быть выполнен в течение 6-12 ч постояН"!
ным током 0,05 С. 1
Длительное хранение батареи в разряженном состоянии приводит d
быстрой потере се работоспособности. 1
4.4. ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
4.4.1. ВИДЫ II МЕХАНИЗМЫ ОТКАЗОВ W
Срок службы герметизированных батарей в большинстве случаев or- ] ।
раничивается деградацией положительного электрода, которая определя-
ется коррозией его решетки и изменениями в активной массе [13, 38, 39].
Скорость коррозии решеток зависит как от состава сплава, конструк-
ции и условий отливки, так и от температуры, при которой эксплуатируют-
ся батареи. Коррозия решеток - наиболее частый дефект батарей, эксплуа
103,
4.4. ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
тируемых в буферном режиме. Вызванная коррозией деформация реше-
ток может привести к короткому замыканию разнополярных пластин.
Работоспособность батарей при работе в режиме циклирования чаще
ограничивается деградацией активных масс положительного электрода
(ее разрыхлением и сульфатацией).
В процессе эксплуатации герметизированных свинцово-кислотных
аккумуляторов из-за неизбежных потерь воды при открывании клапана
для сброса излишнего давления газа происходит некоторое их высыха-
ние, прежде всего осушение сепаратора. Внутреннее сопротивление ак-
кумуляторов увеличивается, и рабочее напряжение батарей снижается.
Этот эффект чаще наблюдается в аккумуляторах со стекловолокнистым
сепаратором и особенно при работе в буферном режиме [39].
4.4.2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ ПА СРОК СЛУЖБЫ
Наибольшее влияние па срок службы герметизированного аккумуля-
тора оказывают рабочая температура, глубина разряда и величина пере-
заряда, а также частота срабатывания клапана для сброса газа.
На рис. 4,4 и 4.5 [37] показано изменение срока службы в зависимо-
сти от основных параметров, которые влияют на него при разных режи-
мах работы.
Следует помнить, что при заряде герметизированных батарей их темпе-
ратура может быть существенно выше температуры окружающей среды.
Это связано как с разогревом аккумуляторов из-за процесса рекомбина-
ции кислорода, так и с плохим отводом теплоты от плотно упакованной
батареи. Разница температур особенно заметна при ускоренных режимах
заряда. Если нельзя избежать значительного увеличения температуры,
1’ис. 4.4. Зависимость срока службы герметизированной свинцово-кислотной
батареи от глубины разряда (при 20-25 °C)
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
104
Рис. 4.5. Зависимость срока службы герметизированной свинцово-кислотной
бат ареи от температуры при работе в буферном режиме
Герметизированные свинцово-кислотные батареи очень чувствитель-
ны к перезаряду. На рис. 4.6 показано, как быстро снижается срои их
службы при работе в режиме постоянного подзаряда при увеличении на-
пряжения источника питания (и тем самым - тока подзаряда).
Переразряд также вреден для батарей. При многократных переразря-
дах снижается разрядная емкость и уменьшается срок службы. Такие же
изменения могут происходить и при длительном хранении батарей в раз-
ряженном состоянии.
2,1 2,2 2,3 2,4 2,5
Напряжение постоянного подзаряда, В
Рис. 4.6. Влияние режима заряда
на срок службы герме-
тизированных свинцо-
во-кислотных батарей
при эксплуатации в бу-
ферном режиме
]()5 4.5. НОМЕНКЛАТУРА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ БАТАРЕЙ
4.5, НОМЕНКЛАТУРА ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫХ
СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ БАТАРЕЙ
Современные герметизированные свитюво-кислотные батареи обла-
дают весьма высокими удельными энергетическими характеристиками
(до 40 Втч/кг и 100 Втч/дм3), они работоспособны в буферном режиме
при нормальной температуре в течение длительного периода (более 10
лет), а при циклировании обеспечивают несколько сотен циклов до без-
возвратной потери 20 % емкости. Они могут работать при любой ориен-
тации без течи кислоты, что позволяет использовать их в непосредствен-
ной близости от дорогостоящей аппаратуры.
Батареи емкостью до 20 Ач первоначально разрабатывались конку-
рентно достаточно дорогим герметичным никель-кадмиевым аккумулято-
рам, В настоящее время они используются в портативных устройствах раз-
ного рода и инструментах, а также как источники энергии в системах бес-
перебойного питания, телекоммуникаций, информационных, для аварийного
оборудования и г. и., где они работают в буферном режиме. При длитель-
ной работе батарей большой емкости следует помнить о необходимости
вентиляции помещений из-за возможности накопления водорода.
Следует обратить внимание на то, что герметизированные свинцово-
кислотной батареи, как правило, выполняются в моноблочной конструк-
ции. Это заставляет предъявлять повышенные требования к качеству ак-
кумуляторов, так как однородность их в батарее не может быть обеспе-
чена дополнительным отбором.
Главная опасность эксплуатации батареи с неоднородными аккумуля-
торами определяется тем, что при циклировании батареи с большим коли-
чеством аккумуляторов отклонения электрических характеристик одного
из них от стандартных незаметны. Но аккумулятор с повышенным сопро-
тивлением будет разогреваться значительно больше остальных, что ведет к
повышенным потерям воды и быстрой деградации всей батареи.
4.5.1. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ БАТАРЕИ ПРИЗМАТИЧЕСКОЙ
КОНСТРУКЦИИ
В России серийное производство герметизированных свинцово-кислот-
ных батарей в настоящее время отсутствует. За рубежом выпуск безуход-
иых герметизированных батарей более 40 лет тому назад начали японские
компании YUASA, КОВЕ, немецкая компания SONNENSCHEIN. В на-
стоящее время их производят многие компании во всем мире. Значитель-
ная часть этих источников тока - батареи большой емкости (до тысяч
ампер-часов).
Портативные батареи призматической конструкции наиболее массо-
во выпускаются японскими компаниями; они составляют также некото-
рую часть продукции европейских и американских компаний.
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Ниже описана продукция зарубежных компаний, представленная на
российском рынке источников тока.
Батареи японской компании КОВЕ
Аккумуляторная компания КОВЕ выпускает герметизированные свин-
цово-кислотные батареи двух серий: HP и HV [37].
Батареи серии HP выпускаются уже несколько десятилетий и давно
зарекомендовали себя как экономичные, безуходные и безопасные ис-
точники тока для портативного оборудования. Электроды имеют решет-
ки из свипцово-кальциевого сплава, сепаратор - из стекловолокна. При
циклировании они обеспечивают 200 и более циклов при Ю0 % глубине
разряда, при эксплуатации в буферном режиме — 3—5 лет при редких раз-
рядах. Удельные энергетические характеристики батарей составляют 25-
30 Втч/кг и 55—85 Втч/дм3.
Характеристики аккумуляторов серии HP при заряде в комбиниро-
ванном режиме показаны выше как типичные для герметизированных
свинцово-кислотных источников тока (см. рис. 4.2). Там же описаны все
особенности и ограничения этого процесса.
Ускорение процесса заряда может быть достигнуто при увеличении
начального тока до 0,3 С. Для быстрого заряда циклируемых аккумуля-
торов разрешается также использование двух- и даже трехступеичатого
заряда при постоянном напряжении, которое требует, однако, более до-
рогого оборудования. Этот режим допускается и для кратковременного
восстановительного заряда батарей, работающих в буферном режиме,
даже после глубокого их разряда.
Батареи серии HP работоспособны в диапазоне температур от -15 до
+50 °C. Их разрядные характеристики при токах от 0,05 С до 3 С показа-
ны на рис. 4.3. Саморазряд батарей при 25 °C составляет 40 % в год, при
5 °C - не более 15%. При повышенной температуре потери емкости
больше: до 70 % за полгода при +40 °C.
Батареи высокой мощности серии HV являются результатом улуч-
шений источников тока серии HP, Их электроды имеют большую порис-
тость, а активные массы обеспечивают более долговременную работу.
Импеданс этих аккумуляторов ниже, чем у аккумуляторов серии HP.
В результате всех изменений удалось создать аккумуляторы, которые
обеспечивают повышенную емкость: на 8-30 % при стандартном режиме
разряда, на 15—30 % при 1-часовом режиме и на 20—40 % при 10-минут-
ном разряде.
Удельные энергетические характеристики батарей серии HV дости-
гают 38 Втч/кг и 100 Втч/дм3. Но при использовании в режиме циклиро-
вания эти батареи не приспособлены к глубоким и частым разрядам.
В батареях серии HV удалось уменьшить вероятность отказа батареи
при переразрядах. После 2-3 последовательных переразрядов и хранения
107 4.5. НОМЕНКЛАТУРА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ БАТАРЕЙ
разряженной батареи в течение достаточно долгого периода времени (до
30 дней) она может быть восстановлена при заряде током 0,3 С при по-
стоянном напряжении источника 2,45 В/аккумулятор. В начале заряда
через батарею может протекать меньший ток, но затем он постепенно
увеличивается до 0,3 С (в течение первых 8 ч). а в дальнейшем уменьша-
ется, как при обычном потенциостатическом заряде. Весь процесс вос-
становления батареи занимает 24 ч.
В табл. 4.1—4.3 представлены основные характеристики герметизи-
рованных свинцово-кислотных батарей емкостью до 20 Ач, которые
составляют 80 % источников тока всей номенклатуры изделий компа-
нии. В наименовании батареи после букв указывается емкость при стан-
дартном 20-часовом разряде, после дефиса - номинальное напряжение (4, 6
или 12 В).
Таблица 4. /. Свинцово-кислотные батареи серии HP КОВЕ
Тип батареи Емкость (Ач) при разряде Максимальные размеры, мм Масса, кг Импеданс. мОм Максималь- ный ток разряда 5 с. А
20 ч J ,75 В/ак 10 ч 1,75 В/ак 1 ч 1,6 В/ак длина шири- на высота
НР2-4С 2,0 1,85 1,3 35,5 47,8 63,5 0,29 18 30
1IP4-4C 4,0 3,7 2,6 35,5 47,8 119,5 0,54 12 40
IIP4-6C 4,0 3,7 2,6 51,4 47,8 119,0 0,80 20 40
I IP1.2-6 1,2 1,1 0,7 97 25 59 0,28 70 18
НРЗ-6 3,0 2,8 1,8 134 34 68 0,62 35 45
НРЗ.2-6 3,2 3,0 1,9 66 33 132 0,73 25 48
I1P4-6 4,0 3,7 2,4 70 48 НО 0,82 20 60
IIP6-6 6,0 5,6 3,6 151 34 102 1,30 20 90
НР8-6 8,0 7,4 4,8 151 50 102 1,80 15 120
ПР 10-6 10,0 9,3 6,0 151 50 102 1,90 10 150
НР0.7-12Р 0,7 0,65 0,4 96 25 62,5 0,34 220 9
ПР1.2-12 1,2 1,1 0,7 98 48 59 0,56 НО 18
НР2-12 2,0 1,8 1,2 178 34 68 0,93 90 30
НР2.2-12Р 2,2 2,0 1,3 200,5 25 61,5 0,78 100 9
IIP3-12 3,0 2,8 1,8 134 67 68 1,20 60 45
HP4-J2 4,0 3,7 2,4 195 47 78 1,70 45 60
НР6.5-12 6,5 6,2 3,9 151 65 102 2,70 22 98
ПР 15-12 15,0 14,0 9,0 181 76 169 6,10 15 225
HP15-12W 15,0 14.0 9,0 181 76 169 6,10 15 225
Рмкость батарей при пониженных температурах меняется одинаково во всем диапазоне
токов разряда от 0,05 до 2 С; она уменьшается на 15 % при 0 °C и ла 30 % при -! 5 °C.
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ]Qg
Таблица 4.2. Свинцово-кислотные батареи серии HV КОВЕ (напряжение 12 В)
Тип батареи Емкость (Ач) при разряде Максимальные размеры, мм Масса, КГ Импеданс. мОм Максималь- ный ток разряда 5 с, А
20 ч 1.75 В/ак ]0ч 1.75 Ц'ак 1 ч 1,6 В/ак 1 лпина| ширила высота
HV2.6-12 2,6 2,4 1,8 178 34 68 1,0 40 39
1IV5-I2 5,0 4,7 3,5 90 70 НО 1,9 22 75
IJV7-I2 7,0 6,5 4,9 151 65 102 2,7 22 105
HV12-12 12,0 11,0 8,4 151 98 169 4,1 16 180
HV17-12W 17,0 16,0 12,0 181 76 169 5,9 15 255
Таблиг^а. 4.3. Батареи серии HV при разряде на постоянную нагрузку
Конечное разрядное напряжение, В Тил батареи Отданная мощность (Вт) та нремя рачрида (миет)
5 К) 15 20 30 40 50 60 120
10,8 HV2.6-12 105 74 58 48 35 28 23 20 12
HV5-12 203 143 111 92 68 54 45 39 23
HV7-12 284 200 155 128 95 76 63 55 33
HV12-I2 462 325 253 209 154 127 106 94 56
HV17-12W 606 427 332 274 202 166 14! 125 77
9.6 HV2.6-12 123 84 65 52 38 30 25 22 13
HV5-12 237 162 125 101 74 59 48 42 25
HV7-I2 332 227 174 141 103 82 67 59 35
HV12-I2 541 370 284 229 167 137 113 101 60
HVI7-I2W 709 485 372 301 220 179 150 134 82
Батареи компании CSB BATTERY
Портативные герметизированные свинцово-кислотные батареи ком-
пании CSB (Тайвань) Американской корпорации CSB Battery', произво-
димые по технологии КОВЕ, появились на рынке сравнительно недавно,
по зарекомендовали себя как источники тока, отвечающие всем совре-
менным требованиям к источникам питания этого класса. Досп и гнутые
удельные энергетические характеристики несколько превышают удель-
ные характеристики батарей КОВЕ серии ПР.
Компания выпускает широкий ассортимент изделий разного напря-
жения и емкостью от 1,3 до 3000 Ач, из которых 19 относятся к рассмат-
риваемым нами герметизированным свинцово-кислотным источникам тока
емкостью от 1,3 до 17 Ач [40].
Батареи серии GPL емкостью 7,2 Ач и с напряжением 6 и 12 В обес-
печивают повышенный срок службы (10 лет) в режиме постоянного под-
заряда.
109
4.5. НОМЕНКЛАТУРА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ БАТАРЕЙ
Батареи японской компании YUASA
Компания YUASA производит герметизированные свинцово-кислот-
ные батареи более 40 лет. В настоящее время выпускаются батареи 4 се-
рий: NP, NPH. NPC hNPL.
Батареи серии NP обеспечивают в зависимости от глубины разряда
от 200 до 1200 циклов. В режиме постоянного подзаряда минимальный
срок службы - 5 лет. при с трогом соблюдении рекомендаций по исполь-
зованию батарей - до 6 лет. Саморазряд батарей - 3 % в месяц. Батареи
способны восстанавливать емкость даже после глубокого разряда.
Батареи серии NP емкостью до 20 Ач выпускаются:
- с напряжением 4 В номинальной емкостью 3; 4,2 и 10 Ач;
- с напряжением 6 В номинальной емкостью 1,0; 1,2; 1,3; 2,8, 3,0: 4,0;
4,4; 7; 10 и 12 Ач;
- с напряжением 12 В номинальной емкостью 0,8; 1,2; 1,3; 2,0; 2,1;
2,3; 2.8; 3,2; 4; 6; 7; 12; 15; 16 и 17 Ач.
При 10-часовом разряде емкость батарей уменьшается на 7-8 %.
В табл. 4.4 показаны характеристики двух серий батарей, которые
способны обеспечить лучшие характеристики по сравнению с батареями
серии NP: на 50 % большую мощность (серия NPII) и в 2 раза больший
срок службы при работе в циклическом режиме (серия NPC).
Выпускаются также батареи серии NPL, которые в режиме подзаряда
обеспечивают срок службы до 10 лет. Но эти батареи с напряжением 12 В
имеют емкость 24, 38 и 65 Ач и упоминаются в настоящем справочнике
лишь для информации о разнообразии продукции компании.
Таблица 4.4. Герметизированные свннцово-кислотныс батареи
компании YUASA
Модель Напряже- ние батареи,В Емкость (Ач) при разряде Максимальные размеры, мм Масса, кт
20 ч 10 ч лдииа ширни а высота
NPH13-6 6 — 1,3 97 25 54.5 0,32
NPH3.2-6 6 — 3.2 В4 34 64.0 0.70
NPH1.3-I2 12 — 1,3 97 48 54.4 0,64
NPH2-12FR 12 — 2,0 68 51 88,0 0,84
NPH3.2-12 12 — 3,2 134 67 64,0 1,40
NPH5-I2 12 — 5.0 90 70 106,0 2,00
NPH16-12 12 — 16,0 181 76 167,0 6,20
NPC8-6 6 8,0 7,4 151 50 97,5 1,80
NPCJ7-I2 12 17,0 15,5 181 76 167,0 6,10
ООО "ВЫБОР"
Предприятие основано в 1995 г. Специализируется на прода-
же свинцово-кислотных батарей разного назначения. В Рос-
сии является официальным представителем компаний:
- BAE Berlinen Batteriefabrik GmbH (Германия),
- Shin-Kobe Electric Machinery Co. (группа предприятий
Hitachi, Япония),
- CSB Battery Co. (Тайвань),
- Topin Battery Co. (Гонконг),
эксклюзивным поставщиком на российский рынок батарей тор-
говых марок: ВАЕ (Германия), CSB (Тайвань), Europower (Тай-
вань) и Topin (Гонконг), а также продает продукцию компаний
C&D Technologies Со. (США), Yuasa Со. (Япония).
Поставляемые нами аккумуляторные батареи с напряже-
нием от 2 до 24 В и емкостью от 0,7 до 3000 Ач широко ис-
пользуются в источниках бесперебойного питания. Они позво-
ляют оптимально решать задачи обеспечения электропитанием
сетей телекоммуникаций и связи, используются в промышленно-
сти, энергетике, судостроении, системах охраны и безопасности.
Большой опыт работы и постоянное обучение специалистов
компании позволяют обеспечить покупателю консультацию по
любому вопросу, касающемуся подбора необходимого источ-
ника тока, а широкий спектр торговых марок - найти опти-
мальное соотношение цены и качества источников тока.
Компания имеет представительства в 12 городах СНГ, на
складах всегда представлен весь ассортимент аккумуляторных батарей.
Санкт-Петербург: Лиговский пр., 52, оф. 4 (812) 164-3249
Москва: ул. Краснопрудная, 26/28, стр. 2 (095) 264-0504
Москва: Нагорный пр-д, 7 (095) 230-6353
Екатеринбург ул. Бажова, 219, корп. В (3432) 616-733
Новосибирск: 3-й пер. Серафимовича, 3 (3832) 430-227
Уфа: ул. 50 пет СССР, 39 (3472) 798-208
Ростов-на-Дону: ул. Вавилова, 54 (8632) 774-775, ДОб. 240
Самара: Московское ш., 3, оф. 101 (8462) 387-457
Казань: уп. Восход, 5, оф. 1 (902) 268-7930
Киев: ул. Радищева, 10/14, оф. 125 (044) 457-8459
Одесса: ул. Космонавтов, 36, оф. 308 (048) 777-9832
Днепропетровск: пр. Пушкина, 39/а (0562) 322-127
Харьков: ул. Полтавский Шлях, 56 (0572) 547-145
ВЫБОР, ДОСТОЙНЫЙ ПРОФЕССИОНАЛОВ
www .wybor-battery.com
Hl 4.5. НОМЕНКЛАТУРА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ БАТАРЕЙ
Батареи японской компании PANASONIC
Компания PANASONIC выпускает герметизированные свинцово-
кислотные батареи более 25 лет. В настоящее время выпускаются батареи
нескольких серий (табл. 4.5), в том числе способные принять полный за-
ряд в течение короткого срока (до 3 ч), для подзаряда в течение длитель-
ного срока (до 6 и 9 лет). Выпускаются батареи от 1,3 до 100 Ач. Батареи
емкостью до 20 Ач составляют среди mix большую часть, особенно в
стандартной серии [4]].
В аккумуляторах токоведущие решетки электродов - из сплава свин-
ца с кальцием и оловом и стекловолокнистый сепаратор. Выводы батареи
могут быть разными (в виде ушка, бор на или в виде свинцовой проволо-
ки) в зависимости от типа батареи.
Батареи работоспособны в диапазоне температур от -15 до +50 °C.
При 0 °C разрядная емкость уменьшается на 15 %, при -15 °C - на 35 %
относительно емкости при 25 °C.
Заряд - комбинированный, начальный ток при ускоренном заряде -
до 0,4 С. Быстрый заряд может быть выполнен также в режиме двухсту-
пенчатого контроля постоянного напряжения.
Саморазряд при 25 °C составляет 10 % за 3 месяца, 20 % за полгода и
35 % за год хранения.
Срок службы в режиме циклирования - как показано на рис. 4.4.
На российском рынке свинцово-кислотных батарей присутствует
также качественная продукция других компаний:
-батареи компании TOPIN BATTERY (Гонконг) емкостью от 0,8 до
1000 Ач (более половины - портативные емкостью до 18 Ач);
-батареи компании EUROPOWER (Тайвань), которая использует
технологию компании КОВЕ и производит продукцию для европейского
рынка (полтора десятка портативных батарей емкостью от 1,2 до 17 Ач);
-батареи немецкой компании SONNEN SCHEIN, которая производит
две серии герметизированных свинцово-кислотных источников тока ем-
костью до 3000 Ач (среди них около 20 портативных батарей емкостью
от 1,2 до 16 Ач главным образом с напряжением 12 В).
Более подробную информацию о продукции этих компаний можно
найти в справочнике [42J.
4.5.2. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ БАТАРЕИ ИЗ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ
АККУМУЛЯТОРОВ
Как отмечалось в главе 1, наиболее высокие мощностные характери-
стики способны обеспечить источники тока с рулонной сборкой пакета
тонких электродов.
Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы такой конструкции
с электродами, решетки которых изготовлены из свинца высокой чистоты,
4. СВИНЦОВО КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 112
113 4.5. НОМЕНКЛАТУРА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ БАТАРЕЙ
Рис. 4.7. Конструкция батареи из цилин-
дрических свинцово-кислотных
аккумуляторов
производит американская компания
HAWKER ENERGY PRODUCTS INC.
(ПЕР!) [43]. Сепаратор •••• из стекло-
волокна. Цилиндрические аккумуляторы
Cyclon в металлическом корпусе и с
клапаном высокого давления (на 3 атм)
характеризуются как "непроливаемые"
и могут устанавливаться в любом по-
ложении. Прочная конструкция обес-
печивает работоспособность в чрезвычайно широком диапазоне режимов
эксплуатации.
Батареи Cyclon monobloc (4 и 6 В) состоят из 2 и 3 цилиндрических ак-
кумуляторов соответственно, каждый из которых находится в своем пла-
стмассовом корпусе. Аккумуляторы помещены в единый пластмассовый
корпус, давление клапана - 0,5 атм. Уменьшенное давление клапана опре-
деляется тем, что водород, выделяющийся при перезаряде, способен диф-
фундировать через стенки пластмассового корпуса и большой его концен-
трации внутри аккумулятора не возникает, Батареи работоспособны при
температуре от -40 до + 40 С'С. Конструкция батареи показана на рис. 4.7.
Разрядные характеристики аккумуляторов Cyclon при токе разряда 0,1 С
(10-часовой разряд) до 1,7 В и разной температуре показаны на рис. 4.8.
Из рисунка видно, что при -20 °C они обеспечивают емкость не менее
0,7 Сн, что в 2 раза больше, чем у герметизированных свинцово-кислот-
ных аккумуляторов традиционных конструкций.
Рекомендуемое конечное напряжение зависит от тока разряда:
Ток разряда, доли С 0,05 0,1 0,2 0,4 1,0 2,0
Конечное напряжение, В 1,75 1,70 1,67 1,65 1,60 1,55
Преимущества перед обычными аккумуляторами особенно четко
проявляются при высокой скорости разряда (менее 100 мип) и при им-
пульсной нагрузке. При токе разряда 1 С удается снять не менее 0,8 С„
при токе 2,2 С до напряжения 1,5 В разрядная емкость - не менее 0,65 С„.
Наработка при 100 % глубине разряда составляет не менее 300 цик-
лов, при 50% - 1700 циклов, при 30 % - 2500 циклов, что в 1,5-3 раза
больше наработки герметизированных св иггцово-кислотных батарей обыч-
ной конструкции. В буферном режиме единичный аккумулятор работо-
способен в течение 10 лет. Батарея способна обеспечить 8 лет работы (до
момента снижения ее емкости па 20 %) при токе разряда 0,2 С и комнат-
ной температуре.
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
114
Рис. 4.8. Разрядные характеристики цилиндрических аккумуляторов Cyclon
при разной температуре разряда
Аккумуляторы Cyclon могут быть заряжены гораздо быстрее, чем
обычные. А высокое давление открытия клапана для сброса газа обеспе-
чивает им высокую сопротивляемость перезарядам.
При потепциостатичсском режиме заряда свинцово-кислотные ис-
точники тока Cyclon нс требуют ограничения начального тока. Напряже-
ние источника питания должно быть 2,45-2,50 В/аккумулятор. При пре-
дельно низких и высоких температурах необходимо вводить температур-
ную компенсацию -3 мВ/сС на каждый аккумулятор, снижая напряжение
при повышенных температурах и повышая его при низких. Степень пере-
заряда, которую необходимо обеспечить для получения гарантированной
емкости, составляет 105—110%. При таком режиме заряда аккумулятор за
12 мин заряжается па 50 %, за 40 мин - на 100 %. Если начальный ток
при потен циостатичес ком режиме ограничивают величиной 1,5 С, заряд
на 50 % достигается за 17 мин, на 100 % - за 1 ч.
Влияние точности установки предельного напряжения при потенцио-
статическом заряде на срок службы герметизированных свинцово-кис-
лотных источников тока показано на рис. 4.6. При эксплуатации источ-
ников тока НЕР1 в режиме циклирования лучше ошибиться с перезаря-
дом, чем с не до заря дом.
При работе в буферном режиме напряжение источника питания
должно быть 2,27-2,35 В/аккумулятор.
Аккумуляторы Cyclon могут бы ть заряжены и постоянным током, по не
более 0,35 С. Зарядные характеристики при этом режиме показаны на рис. 4.9.
Напряжение аккумулятора резко возрастает при достижении состоя-
ния полной заряженности и тем раньше, чем больше скорость заряда.
115
4.5. НОМЕНЮ1АТУРАСВИНЦОВО4<ИС31()ГНЬ1Х БАТАРЕЙ
Рис. 4.9. Зарядные характеристики цилиндрических аккумуляторов Cyclon
при постоянном токе заряда
Таблица 4.6. Герметичные евинново-киелотньге источники тока Cyclon
Номер изделия Ем- кость. Ач Импе- данс, мОм Ток макси- маль- ный*, Л Ток коротко- IV зам ы- ка1 шя, Л Размеры, мм Масса, г
Л к к у м у л я тор С у с 1 о л 2 V:
0810-0004 (D cell} 2,5 5,0 65 400 034,3 h = 61,2 (68,1) 178
0860-0004 (Tall D) 4,5 5.0 65 400 034,3 h = 96,0 (102,9) 272
0800-0004 (X cell) 5,0 3.5 65 570 044,5 h = 72,9 (81,5) 362
0850-0004 (E cell) 8,0 3.0 65 665 044.5 h = 100,1 (108,7) 549
0840-0004 (J coll) 12,5 2.5 100 800 051,8 h = 123,2 (135,6) 839
0820-0004 (BC cell)** 25,0 ].5 250 1335 065,3 h = 158,8 (173,2) 1670
Б a г а р е я С у с Ion 4 V mon о Ы о c :
0819-0010 (D) 2,5 10,0 50 400 79,5 x46,0x69,9 360
0809-0010 i.X) 5,0 7.0 50 570 96,5 x 53.8 x 76.7 740
0859-0010 (E) 8,0 6,0 50 665 96,8 x 54,1 x 101,6 960
Ба rape и С у с 1 о 11 6 V m о n о h 1 о c :
0819-0012 (D) 2,5 15,0 50 400 113,8 x46,0x 69,9 520
0809-0012 (X) 5,0 10,0 50 570 139.2 x53,8x76.7 980
1859-0012(E) 8,0 8,0 50 665 139.2x54,1 x 191.6 430
1 p и м e ч а н и e : * Допустимый ток в течение 1 мин при разряде до 1,5 В.
** Аккумулятор не используется в режиме циклирования.
И столбце размеров в скобках указаны размеры аккумулятора с выводами.
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ]|6
При О °C начальная линейная стадия заряда и общая продолжительность
заряда несколько уменьшаются, а спад напряжения при перезаряде уве-
личивается.
Заряд при постоянном токе требует более тщательного контроля, чем
потенциостатический. При токе 0,05-0,1 С заряд может быть окончен при
быстром увеличении напряжения. Для обеспечения необходимого пере-
заряда следует ток уменьшить до 0,001-0,002 С. который может сохра-
няться неограниченно долго.
Саморазряд аккумуляторов Cyclon тока в 2 раза меньше, чем у приз-
матических. При хранении при комнатной температуре рекомендуется
проводить цикл разряда - заряда 1 раз в течение 24 месяцев или при сни-
жении НРЦ до 2 В/аккумулятор, когда остается менее 35 % емкости. НРЦ
рекомендуется измерять каждые полгода.
Номенклатура свинцово-кислотных источников тока компании HAWKER
ENERGY PRODUCTS INC представлена в табл. 4.6.
ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ
ЛИТИЕВЫЕ
ИСТОЧНИКИ ТОКА
После успехов, достигнутых при производстве литиевых элементов,
усилия исследователей и технологов в значительной мере были направ-
лены на обеспечение циклируемости источников тока с литиевым ано-
дом. Такие аккумуляторы должны были обеспечить недостижимые ранее
для вторичных источников тока удельные характеристики и значительное
расширение температурного диапазона.
5.1. АККУМУЛЯТОРЫ С ЛИТИЕВЫМ АНОДОМ
И АПРОТОННЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
При создании перезаряжаемых литиевых источников тока, однако, не-
обходимо было преодолеть ряд затруднений. Известно, что литиевые эле-
менты длительное время сохраняют заряд благодаря образованию на по-
верхности лития пассивирующей пленки, предохраняющей его от корро-
зии в электролите на основе апротонных органических растворителей. Но
для вторичных источников тока наличие пленки создает проблемы, огра-
ничивающие их циклируемосты Так как литий часто осаждается в виде
дендритов, пленка во многих случаях приводит к нарушению контакта с
токопроводящей основой. Кроме того, при заряде литиевого аккумулятора
могут возникать специфические проблемы, которые называют термиче-
ским разгоном: в результате взаимодействия большой новой поверхности
лития с компонентами электролита температура может подняться в неко-
торых случаях настолько, чтобы расплавить некоторое количество лития,
что приводит к ускорению этого взаимодействия и дальнейшему повыше-
нию температуры аккумулятора (вплоть до его возгорания).
Для решения этих проблем исследования проводились в трех направ-
лениях [9, 14,44]:
- подбор растворителей и электролита;
- использование в качестве анода вместо лития его сплавов;
- подбор катодных материалов разной природы.
При поиске электролита исследовалась природа растворителей, изучалось
влияние различных добавок, которые должны были обеспечить образование
гладких литиевых осадков. Было показано, что на циклируемость литиевого элек-
трода существенно влияет плотность тока в цикле заряда-разряда и особенно глу-
бина разряда. В результате были подобраны электролиты, в которых литиевый
ысктрод удовлетворительно циклируется при достаточно большой глубине раз-
ряда (до 50 %).
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ
118
Другой путь улучшения циклирусмости литиевых аккумуляторов состоял в
поиске сплава лития с другими металлами, более инертными в апротонных сре-
дах Наибольшее внимание уделялось сплавам с алюминием. Однако в процессе
разряда у электродов из таких сплавов сильно меняется удельный объем, что и
препятствует глубокому разряду аккумуляторов. Меньшее изменение удельного
объема наблюдается у сплавов лития с тяжелыми металлами. Но удельные харак-
теристики таких электродов очень низки.
В поиске катодных материалов ключевым являлся факт отсутствия в апро-
тонных растворителях прогонов. Перепое электричества о существ л я еот катионы
лития, находящиеся в растворе электролита. При разряде они внедряются в кри-
сталлическую решетку окислителя (лот процесс называется интеркаляцией),
при заряде они должны покидать сс и переходить в электролит. Литиевый источ-
ник тока становится циклируемым, если ст руктура основного реагента допускает
внедрение второго реагента без разрушения и реакция внедрения обратима. К на-
стоящему времени предложено немало химических соединений, способных к
превращениям такого рода. К ним относятся оксиды, сульфиды, халькогениды и
др., некоторые соединения элементов VIII группы [7]. Используемые соединения
имеют слоистую, волокнистую или кристаллическую структуру.
Среди слоистых соединений более всего были изучены дисульфид титана TiS2 и
селенид ниобия NbSe„, а также сульфиды и диселепиды ванадия, сульфиды железа и
меди. Рассматривались и соединения более сложного состава, в которые предвари-
тельно внедряются добавки небольших количеств различных металлов, катионов
большего радиуса, чем у катиона литии.
Кристаллическая структура, характерная для катодов из оксидов металлов,
позволяй обеспечить наиболее высокие удельные характеристики источников
тока. Обрат имая рабо та таких электродов зависит от степени нарушения кристал-
лической решетки оксида при внедрении катионов лития и от электронной про-
водимости оксида. Необходимо, чтобы изменения объема электрода не превыша-
ли 20 %. В оксидах МпО2 и СгО2, например, изменения структуры значительнее.
Наилучшие результаты но циклированию в апротонных средах были получены
при использовании оксидов молибдена и ванадия.
Возможно использование и полимеров с электронной проводимостью. Но
аккумуляторы с катодами такого рода имеют сравнительно низкие энергетиче-
ские харак теристики и повышенный саморазряд.
Промышленное производство перезаряжаемых источников тока с ли-
тиевым анодом началось в середине 1990-х годов с выпуска аккумулято-
ров емкостью 0,6- 0,9 Ач с катодами из MoS2, MnO2, LiMn5O6 и TiS>, от-
носящихся к источникам тока низкого напряжения (2,2-3,2 В) [14].
В настоящее время перезаряжаемые литиевые аккумуляторы выпус-
кает несколько компаний.
Компания SANYO производит источники тока системы Li/MnO2 (се-
рия ML) для портативного оборудования. Они могут работать в комбииа
ции с солнечными батареями [19]. НРЦ аккумуляторов - 3 В. Стабильное
рабочее напряжение - 2,5 В. Конечное напряжение - 2 В. Диапазон рабо-
чих температур: от -20 до ^60 °C,
119
5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Выпускается три типа аккумуляторов емкостью 12, 25 и 90 мАч со
стандартным током разряда 0,1; 0,3 и 0,5 мА соответственно. Макси-
мальный продолжительный ток больше в 20 раз, импульсный - в 50 раз.
Аккумуляторы допускают 500 циклов при поднаряде после разряда на
глубину 20 % и 3000 циклов - после разряда па глубину 5 %. Они обеспе-
чивают более 5 лет службы при использовании в системах защиты памяти.
Заряд аккумуляторов производится при постоянном напряжении
(3,1 ±0,15) В. При использовании источников тока серии ML в режиме
подзаряда напряжение источника питания должно быть (2,95 ± 0,15) В.
Компания PANASONIC выпускает три серии перезаряжаемых слабо-
токовых дисковых литиевых источников тока [ 1SJ:
- 6 типов системы Li/MnCL (серия ML) емкостью от 2 до 45 мАч и
номинальным напряжением 3 В; номинальный ток - 0,1 мА для послед-
него аккумулятора и 0,01 мА - для всех других;
- 7 типов системы LiAI/VjO., (серия VL) емкостью от 1,5 до 100 мАч
с номинальным напряжением 3 В; номинальный ток от 0,07 С для акку-
муляторов наименьшей емкости до 0,02 С1 для последнего в ряду;
- 5 типов LiTiOj/TJjMnOj, (серия МТ) емкостью от 0,9 до 14 мАч с
номинальным напряжением 1,5 В; номинальный ток от 0,1 С для аккуму-
ляторов наименьшей емкости и до 0,03 С для последнего.
В России предприятие "Радуга-ХИТ" выпускает слаботоковые дисковые
литиевые аккумуляторы типов NLR2016 и NLR2325 (рабочее напряжение
2,0-0,8 В), типов VRL2016, VRL2325 (рабочее напряжение 3,4-2,6 В) и типа
XLR2325 (рабочее напряжение 3,4-2,0 В) емкостью от 7 до 45 мАч, а также
аккумулятор типа VRL3094 емкостью 280 мАч (Рекламные материалы па
выставке 1NTERBAT-2001). Аккумуляторы предназначены для эксплуата-
ции в диапазоне температур от -20 до +60 °C. Срок годности - 5 лет.
В настоящее время модернизация аккумуляторов с литиевым анодом
и апротонным электролитом связывается с поиском новых методов обра-
ботки поверхности электродов и добавок в электролит. Но эти работы не
широкомасштабны, поскольку возможность создания вторичного литие-
вого источника тока с длительной циклируемостыо связывается специа-
листами всего мира с разработкой литий-ионных аккумуляторов.
5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Литий-ионные аккумуляторы (Li-ИА) появились, когда было доказа-
но, что углеродные материалы (кокс или графит) являются очень удобной
матрицей для внедрения (интеркаляции) большого количества ионов ли-
тия: их удельный объем при этом меняется мало.
В качестве активных материалов катода чаше всего используются ок-
сиды кобальта (С о СУ ), никеля (NliOi) или марганца (МпО2) с высоким
। юложитсльпым потенциалом.
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ
120
Для анода графит с упорядоченной структурой кажется более пер-
спективным, поскольку позволяет обеспечить большую удельную ем-
кость аккумулятора и стабильное разрядное напряжение. Его использует
большая часть компаний, производя тих Li-ИА.
Электролит - смесь органических растворителей.
Процесс разряда и заряда Li-ИА своди гея к переносу ионов лития из
матричного анода в матричный же катод. Металлический литий в системе
отсутствует, поэтому аккумуляторы и получили свое специфическое название.
Реакции в литий-ионном аккумуляторе имеют вид:
Li + с + 6С LiC6,
LiCoOj Li+ + е” + СоО2.
Кроме высоких удельных характеристик литий-ионных аккумулято-
ров к их достоинствам следует отнести высокий коэффициент отдачи по
емкости и малый саморазряд.
(3 России исследования в области Li-ИА ведутся в нескольких инсти-
тутах, есть определенные успехи в разработке электродных материалов и
технологий их изготовления. Исследования экспериментальных макетов
описаны, например, в (45, 46], Однако массовое производство аккумуля-
торов в настоящее время отсутствует.
На мировом рынке первыми в 1990 г. появились малогабаритные ли-
та й-иоипые аккумуляторы японских компаний. Но так как эксплуатация их
кардинально отличается от эксплуатации источников тока других электро-
химических систем, чтобы не возникало ateлания простой замены ими ще-
лочных источников тока с такими же габаритными размерами поставля-
лись только литий-ионные батареи, в которых предусматривалась элек-
тронная защита от перезаряда и переразряда (по напряжению). Для защиты
от перегрева в батарее устанавливаются термисторы и термо предохраните-
ли. В самих литий-ионных аккумуляторах кроме того под крышкой имеет-
ся пружина для прерывания тока, если давление внутри аккумулятора в
результате термического разгона превысит допустимые пределы,
С конца 1997 г. японские компании начали широкомасштабный вы-
пуск литий-ионных аккумуляторов, и третью часть из них производила
компания SONY. Начался выпуск аккумуляторов и во многих компаниях
по всему миру. В настоящее время номенклатура аккумуляторов цилинд-
рической и призматической конструкций обширна и у некоторых компа-
ний насчитывает более десятка типоразмеров. Основные потребители
этой продукции - это производители сотовых телефонов и портативных
компьютеров. Серьезную конкуренцию всемирно известным компаниям
(SONY, SANYO, MATSUSHITA, TOSHIBA) начинают составлять другие
азиатские компании, такие как китайские BYD Battery Со. и Taijin Lantian
High-Tech Power Sources Joint-Stock Co., корейские LG Electronics Inc. и
Samsung Electronics Co [47J.
121
5.2. ЛИТИЙ ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Рис. 5.1. Зарядные характеристики литий-ионного аккумулятора
PANASONIC типа CGR18650H при максимальном токе заряда
н постоянном напряжении 4,2 В [49]
Современные литий-ионные аккумуляторы имеют высокие удельные
показатели: 100-150 Втч/кг и 250-300 Втч/дм3. Рабочее напряжение -
3,5-3,7 В. Аккумуляторы работоспособны в широком диапазоне токов раз-
ряда и температур (от -20...-30 до +60 °C). Саморазряд их составляет
5-6% за первый месяц, затем - значительно меньше. Ресурс - 500-1000
циклов [9, 14, 48].
Типичные зарядные характеристики литий-ионных аккумуляторов
представлены на рис. 5.1.
Аккумуляторы заряжаются в комбинированном режиме: сначала для
всех типов при постоянном токе (в диапазоне от 0,2 С до I С) до напря-
жения 4,1-4,2 В (в зависимости от рекомендаций производителя), затем
при постоянном напряжении. Продолжительность заряда при начальном
токе 0,2 С составляет 7-8 ч, при токе 0,6-1 С - 2-2,5 ч в зависимости от
предельного напряжения заряда и уровня снижения тока (до 0,015-0,02 С
или больше). Более короткий заряд может быть достигнут только при им-
пульсном режиме.
Следует отмстить особое свойство литий-ионных аккумуляторов - необра-
тимо терять емкость на первом цикле заряд а-раз ряда.
Вообще сборка Li-ИА происходит в разряженном состоянии, что позволяет
обходиться без специальных мер предосторожности на протяжении значительной
части технологического процесса. Собранное изделие может храниться сколь
угодно долго. Для приведения в действие его необходимо зарядить, и это может
рассматриваться как предпродажная подготовка. В процессе первого заряда кро-
ме внедрения лития в структуру углеродного материала происходит разложение
ыектролитас образованием пленки, обладающей только ионной проводимостью.
Имеет место также и необратимое внедрение лития. Поэтому количество элек-
тричества, сообщаемое при первом заряде, существенно (на 30-40 %) превышает
отдаваемую емкость. Это необратимая потеря емкости заставляет разработчиков
аккумулятора закладывать избыток активных масс положительного электрода.
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ
122
Начиная со второго цикла в Li-ИА осуществляется только перенос
ионов лития из одной матрицы в другую и коэффициент отдачи по емко-
сти Кс = СрЯ1/Слг1р = 1.
Рекомендуемая температура заряда от 0 до +50 °C. При низкой тем-
пературе время заряда на первой ступени уменьшается, на второй - зна-
чительно увеличивается. Емкость, которая затем может быть снята при
разряде, мало отличается от номинальной.
Li-ИА имеют низкую устойчивость к перезаряду. На отрицательном
электроде на поверхности углеродной матрицы при значительном пере-
заряде становится возможным осаждение металлического лития (в виде
мелко раздробленного мшистого осадка), обладающего высокой реакци-
онной способностью, в частности к электролиту. Возникает опасность
теплового разгона, повышения давления и разгерметизации. Поэтому заряд
Li-ИА можно вести только до определенного напряжения. Батареи Li-ИА
снабжаются электронной защитой, которая увеличивает их стоимость на
~ 20 % 19].
Типичные разрядные характеристики литий-ионных аккумуляторов
показаны на рис. 5.2-5.3. Саморазряд аккумуляторов при хранении при
комнатной температуре обычно не превышает 1-2 % за 1 месяц, при
40 ПС - чуть больше.
Компания SONY выпускает большую серию литий-ионных аккуму-
ляторов с графитовым анодом и 3 типа с угольным, их характеристики
приведены в табл. 5.1.
Аккумуляторы первой группы с номинальным напряжением 3,7 В
обеспечивают разряд до 3,0 В при токе до 2 С практически без снижения
емкости. Номинальное напряжение аккумуляторов с угольным анодом -
3,6 В, и емкость их больше зависит от величины разрядного тока. При раз-
Рис. 5.2. Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора
PANASONIC типа CGR18650H при разных токах разряда 4,2 В [49]
123
5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Рис. 5.3. Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора
PANASONIC типа CGR18650H при разных температурах [49]
Таблица 5./. Литий-ионные аккумуляторы SONY
I Томииалыюе напряжение аккумуляторов с графитовым катодом - 3,7 В, с угольным - 3,6 В.
Конструкция Тип аккумуля- тора Номиналь- ная емкость, мАч Габарит! [ые размеры, мм Масса г
Цилиндрические графитовые USI4430G3 570 014,2 h = 43,0 16
US14500G4D 680 014,2 /1 = 49,6 19
US14650G1 780 014,2 й = 65,1 24
US17670G3 1500 017,1 й = 67,0 38,5
US17670G3D 1450 017,1 /1 = 67,0 38,5
US17670G4D 1550 017,1 /i = 67,0 38.5
USI8500G3 и so 018.4 ft = 49,3 34
US1865OG3 1800 018,4 h = 65,1 45
USI8650G3D 1680 018,4 А = 65.1 44,5
US18650G4 1960 018,4 /1 = 65,1 44,5
US1865OG4D 1800 018,4 /1 = 65,1 45
1 [илиндричсскис угольные US18650 1500 018,4 Л = 65,1 41
US26650 2800 026,6 1г = 65,7 83
Г (р изматическис графитовые US063048G3 700 6,4 х 29.3 х 48,0 21
US063048G4 800 6,4 х 29.3 х 48,0 22
US063067G3 1000 6,4 х 29,3 х 67,0 31
IJS063067G4 1200 6,4 x 29,3 x 67,0 32,5
US063450G3 900 6,4x34,0x49,9 29
US093447G2 1150 9,3x34,0x47,0 42
US093447G3 1300 9,3x34,0x47,0 42
US103463 G4 2000 10,4x34.0x62,9 60
] 1р изматическис угольные US103463 1700 10,2x34,0x62,9 58
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ
124
номинальной (при разряде током 0,2 С). Но при температуре -20 °C у
этих аккумуляторов снижение емкости в 1,5 раза меньше, чем у аккуму-
ляторов с графитовым анодом.
Компания MATSUSHITA выпускает литий-ионные аккумуляторы с
торговой маркой PANASONIC (табл. 5.2), работоспособность которых
гарантируется в диапазоне температур от-10 до +60 °C [49].
Таблица 3.2. Литий-ионные аккумуляторы PANASONIC
Номинальное напряжение-3,7 В.
Конструкция Тли аккумулятора Типичная емкость, мАч Габаритные размеры. M.W Масса, г
Цилиндрические CGR17500 830 017,0 й = 49.5 25
CGR17670HC 1250 017,0/1 = 66,7 35
CGRI8650H 1500 018,3 h = 64,7 40
Призматические CGP30486 630 29,8 x6.4x47,5 23
CGP345010 1400 34,0 х 10,3 х 49.8 42
CGP34506 875 33,8x6,5x49,5 29
Типичная (стандартная) емкость определяется при разряде током 0,1 КЗ С до напряжения 3 В.
При разряде током 1,85 С разрядная емкость уменьшается не более чем до 0,9 С’„ для цилин-
дрических аккумуляторов и до 0,5 С„ - для призматических аккумуляторов.
Разрядная емкость при -К) "'С практически не отличается от стандартной у цилиндрических
аккумуляторов и уменьшается на 50 и 30 % у аккумуляторов типа CR.P345010 н CRP34506
соответственно.
При использовании новых материалов и технологии в 2001 г. был
разработан еше один плоский литий-ионный аккумулятор размером 34 х
х 6,3x50 и весом 23 г, который обеспечивает емкость 900 мАч, т. с,
удельные весовые характеристики призматического аккумулятора типа
CGP30486 были увеличены на 40 %.
В 2002 г. компания предложила на рынок три типа литий-ионных ак-
кумуляторов легкого веса для сотовых телефонов. Характеристики их
представлены в табл. 5.3. При токе 0,2 С„ номинальное напряжение акку-
муляторов - 3,7 В. При токе 2 С - напряжение снижается на 250 мВ.
Таблица б 3. Призматические литий-ионные аккумуляторы легкого веса
компании PANASONIC
Тип аккумулятора Номинальная емкость, мАч Емкость при токе 2 G % G Размеры, мм Масса, г
толщина | длина | высота
CGA533048 750 80 5,35 30,0 48.1 16,5
CGA633450A 1035 95 6,35 34,0 50,0 24,0
CGA! 03450 1800 100 10,50 34,0 50,0 39,0
125
5.2, ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Среди серийно выпускаемых литий-ионных аккумуляторов есть и
дисковые.
В 2001 г. был разработан первый дисковый (coin-type) литий-ионный
аккумулятор PANASONIC типа CGL 3032 (0 30 мм, h = 3,2 мм) для боль-
ших токов натрузки [50]. При токе 0,2 С аккумулятор обеспечивает 140 мАч,
на 40% больше, чем у дисковых аккумуляторов старой разработки, кото-
рые обеспечивали разряд током не более 0,1 С. Новый аккумулятор при
токе 1 С обеспечивает 0,75 С,„ при токе 2 С - 0,5 С'н. Эти аккумуляторы
предназначены для эксплуатации при температуре от 0 до +60 °C, Срок их
службы - 500 циклов.
Компания HITACHI MAXELL выпускает уникальные дисковые ли-
тий-ионные аккумуляторы типов ТС614 (1,8 мАч, 06,8 мм, h = 1,4 мм,
масса - 0,15 г) и TC920S (3,5 мАч, 09,5 мм, h ~ 2,05 мм, масса - 0,43 г) с
номинальным напряжением 1,5 В. При номинальных токах 20 и 100 мкА
соответственно они обеспечивают 500 циклов. Аккумуляторы разрабаты-
вались для защиты памяти, часов и других устройств с очень малым по-
треблением энергии.
Таблица 5.4. Литий-ионные аккумуляторы SANYO
Номинальное напряжение - 3,7 В.
Ко нору кии я Тип аккумулятора Типичная емкость, мАч 1 абаритные размеры, мм Масса, г
Цилиндрические UR18650F 1800 018,3 h = 65.0 43
UR18500F 1300 018,3 /; = 50,0 32
UR18650P 1700 018,0 /1 = 65,0 41
URL8500P 1100 018,0 h = 50,0 31
UR14650P 940 014,0 Л = 65,0 26
URI4500P 650 014,0 h = 50,0 19
Призматические UF611948P 420 6,1 x 19,5x48 11,5
UF612248P 480 6,1 x 22,5x48 14
LrF812248P 650 8,1 x 22.5x48 18
UF102248 800 10,5x22,5x48 24
UF463048P 550 4,6 x 30,0 x 48 13,5
UF553048P 650 5,5x30,0x48 16
UF653O48P 750 6,5 x 30,5 x 48 20
UF813048P 950 8,1 x 30,0x48 24
UF383450P 550 3,8x34,0x50 13,5
UF653450P 850 6,5 x 34.5 x 50 25
UF813448P 1950 8,1 x 34.0x48 30
UF103450P 1550 10,8x34,0x50 38
UF653058P 800 6,5 x 30,5 x 58 24
UF653067P 1000 6.5 x 30.5 x 67 27
UF653467P 1200 6,5x34,5x67 33
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ
126
Компания SANYO выпускает 6 моделей цилиндрических Li-ИА и 15
моделей топких призматических (табл. 5.4). При максимальном токе раз-
ряда (2 С) разрядная емкость их уменьшается па 20 %, при температуре
-20 СС - не более чем па 10 %.
Сравнительные испытания аккумуляторов типа 18650 производства
компаний SONY, PANASONIC и А&Т [51] показали у всех хорошие экс-
плуатационные характеристики. Отмечено, что при разряде токами С76,
0,5 С и 1 С они разогреваются в конце разряда до температуры: 34-38,
40-41 и 44-48 °C соответственно. При заряде процесс идет с понижением
температуры.
В [52] описаны результаты испытаний литий-ионных аккумуляторов
SONY (тип 18650S), емкость которых после 800 циклов снизилась на
30 %. Исследования показали, что при циклировании заметно увеличива-
ется сопротивление границы раздела электрод'электролит обоих электро-
дов, но особенно значительно у анода из LiGoO^. Омическое сопротивле-
ние аккумулятора практически не меняется.
Наибольшая емкость литий-ионных аккумуляторов достигнута ком-
панией SAFT. В качестве катодного материала используется лигирован-
ный оксид никеля LiNiCL с высокой удельной емкостью, в качестве анод-
ного - графит.
Призматические литий-ионные аккумуляторы серии МР, характери-
стики которых представлены в табл. 5.5, работоспособны в диапазоне ра-
бочих температур: от 30 до 160 °C [53]. Максимальный разрядный ток -
до 2 С.
Батареи, которые собираются из литий-ионных аккумуляторов SAFT,
могут иметь напряжение не выше 18—24 В, что определяется возможно-
стями схем их защиты.
В течение нескольких лет в исследовательском центре компании
SAFT (в США) велись разработки литий-ионных источников тока для
7’аблииа 5.5. Характеристики литий-ион пых аккумуляторов SAFT
Поминальное напряжение - 3,6 В.
Конечное разрядное напряжение - 2.7 В.
Тип аккумулятора Емкость при 0,2 С, Ач Импеданс, мОм Габаритные размеры, мм Масса, г
типичная минимальная ширина толщина высота
MP 144350 2,3 2.1 100 42.6 13,8 50.0 66
МР 174865 4,6 4.0 100 47,8 18,0 65.0 120
МР 176065 6,0 5.6 50 59,8 18,0 65,0 150
127 5.3. ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
космических аппаратов, В настоящее время прошли испытания аккумуля-
торы емкостью 44 Ач для работы на геосинхронной орбите с разной глу-
биной разряда и аккумуляторы емкостью 40 Ач для низкой околоземной
орбиты [54].
В последние годы совершенствование литий-ионных аккумуляторов
является одним из самых приоритетных направлений работ в области
электрохимической энергетики. Основные усилия разработчиков направ-
лены на поиск новых материалов электродов, технологий их изготовле-
ния, на усовершенствование используемых электролитов и поиск новых.
Изучаются механизмы деградации аккумуляторов с целью увеличения
срока их службы.
5.3. ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Возможность создания литий-полимерного (Li-pol) аккумулятора ис-
следуется уже более 25 лет. В основе идеи лежит обнаруженное явление
перехода некоторых полимеров в полупроводниковое состояние в ре-
зультате внедрения в них ионов электролита. Проводимость полимеров
при этом возрастает более чем на порядок (до 40 раз [7]). Этот процесс
внедрения называют допированием.
Основные исследования были сосредоточены па создании аккуму-
лятора с металлическим анодом (литий или его сплав) и полимерным
катодом в электролите твердом или загущенном на полимерной осно-
ве. Литий-полимерные аккумуляторы могут быть выполнены очень
гонкими и гибкими, реализованы в любом конструктивном исполне-
нии.
В настоящее время такие аккумуляторы уже выпускаются про-
мышленно. Это повое поколение перезаряжаемых источников тока с
удельными характеристиками до 180 Втч/кг и 250-400 Втч/дм'1 для
портативных устройств разного рола, прежде всего для сотовых теле-
фонов.
Компания SONY выпускает [55] ультратонкие призматические акку-
муляторы с гелевым полимерным электролитом (табл. 5.6). Номинальное
напряжение - 3,7 В, Конечное напряжение разряда - 3 В. При разряде
iokom до 1 С разрядная емкость меняется мало, при токе 2 С уменьшается
на 10%. Аккумуляторы работоспособны при температуре от -20 до
160 °C. При -10 °C их емкость составляет 0,8 С„, по при - 20 °C - не бо-
лее 0,5 С„. Срок службы - 500 циклов.
Компания SANYO разработала литий-полимерные аккумуляторы тол-
щиной 4 мм типов UPF363562 (550 мАч) и UPF343555 (500 мАч), кото-
рые обеспечивают ток разряда до 3 С. Их емкость при -20 °C снижается
л.о 0,3 С„.
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ 128
Таблица 5.6. Литий-полимерные аккумуляторы компании SONY
Тип аккумулятора Поминальная емкость. Ач Размеры, мм Масса, г
толщина 1 ширина | высота
UP325385A4H 1,23 3,2 53,0 85,0 27,5
иРЗ83562АЗ 0,65 3,8 35,0 62,0 15,5
UP383562A5 0,76 3,8 35,0 62,0 15,5
UP423456A3 0,63 4,2 34,0 56,0 15,5
UP423469A3 0,80 4,2 34,0 69,0 19,5
UP423469A4 0,89 4,2 34,0 69,0 19,5
UP503759A4H 1,00 5,1 37,0 59,0 20,5
UP523948A4H 0,65 5,2 30,0 48,0 13,5
Заряд литий-полимерных аккумуляторов производится до напряже-
ния не выше 4,2 В, При начальном токе порядка 1 С полный заряд (при
снижении тока до 0,05 С) достигается в течение 2,5 ч.
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
6 ИСТОЧНИКОВ ТОКА
РАЗНЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
В предыдущих главах были описаны особенности ХИТ разных элек-
трохимических систем и рекомендации, которые необходимо выполнять,
чтобы при эксплуатации можно было получить гарантированные произ-
водителем характеристики. Было показано и влияние факторов, от кото-
рых зависят как эффективность их использования, так и длительность их
работоспособного состояния.
В настоящей главе часто даются ссылки на л у информацию. И дела-
ется эго с целью акцентировать внимание на тех моментах, которые оп-
ределяют эффективность эксплуатации выбранного источника тока в кон-
кретном приложении. Описывается также и поведение ХИТ в нестан-
дартных ситуациях.
6.1. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПЕРВИЧНЫХ ХИМИЧЕСКИХ
ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Особенности первичных источников тока разных электрохимических
систем подробно описаны в главе 2. В табл. 2.1 сравниваются основные
характеристики первичных ХИ Г с водным электролитом, в табл. 2.8 — ли-
тиевых элементов. Оценивается целесообразность использования их для
типичных режимов эксплуатации устройств, для которых они выбраны.
Следует заметить, ч то выбор потребителем МЦ-эле ментов среди всех
мощных источников тока часто определяется не только их дешевизной,
но и тем обстоятельством, что их паспортное номинальное напряжение
больше номинального напряжения щелочных аккумуляторов. Но это все-
го лишь терминологическая путаница.
В действительности паспортное номинальное напряжение первично-
го источника тока - это его начальное напряжение, а при нагрузке оно
быстро снижается и большая часть разряда происходит при напряжении в
диапазоне 1,2-1,1 В. А номинальное напряжение аккумулятора - это, по
определению, его напряжение в средней части разрядной кривой. Поэто-
му большая часть разряда аккумулятора при такой же нафузке происхо-
дит при более высоком напряжении (~ на 50—100 мВ).
Часто возникает вопрос о возможности повторного (хотя бы частич-
ного) использования элементов после исчерпания их емкости. Это ка-
сается прежде всего широко используемых маргаицево-цииковых эле-
ментов.
6. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
130
Вообще МЦ-элементы допускают несколько десятков зарядно-разряд-
ных циклов (10-20 циклов для солевых и в 2 раза больше для щелочных)
L12J. Но заряд должен быть обеспечен сразу после разряда на глубину не
более 25 % (до напряжения не ниже 1,1 В). При длительном хранении
элементов до разряда их последующий заряд сильно затрудняется. К то-
му же запас емкости с циклами постепенно уменьшается так же, как и
напряжение. Для заряда рекомендуется использовать зарядное устройст-
во с напряжением 1,7-1.75 В на элемент с ограничением тока заряда [1].
Организовать эксплуатацию МЦ-элементов в таком режиме хлопотно
и нецелесообразно из-за дешевизны элементов этой системы. Следует
помнить также, что при таком режиме эксплуатации у них сильно усили-
вается течь электролита. Поэтому чтобы не испортить аппаратуру, в ко-
торой используются МЦ-элементы, подзаряд их проводить не рекомен-
дуется.
Поскольку качество первичного источника тока определяется выбо-
рочными методами контроля на производстве и не существует надежных
способов оценить состояние сохранности конкретного изделия, необхо-
димо иметь четкую информацию о дате выпуска и гарантиях производи-
теля. Целесообразно заметить, что отечественная продукция дешевле зару-
бежной, по срок хранения ее, как правило, заметно ниже. Возможности
диагностики состояния источников тока более подробно описаны в главе 8.
6.2. ЭКСПЛУАТАЦИЯ АККУМУЛЯТОРОВ
И АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
Главные проблемы при организации эксплуатации вторичных хими-
ческих источников тока, решение которых определяет эффективность их
работы и длительный срок службы:
- обеспечение эффективного зарядного процесса,
- обеспечение ресурсосберегающих условий работы и хранения,
- выполнение необходимых профилактических мероприятий.
6.2.1. ЗАРЯД ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Способы заряда герметичных аккумуляторов с водным электролитом
и литий-ионных имеют особенности, определяемые природой протекаю-
щих в них процессов. Подробное описание этих особенностей дано в со-
ответствующих главах. Описаны стандартные режимы заряда, а также
возможности проведения зарядного процесса ускоренно в тех случаях,
когда это разрешает производитель.
На рис. 6.1 показаны основные стратегии заряда (изменения тока в
процессе заряда и характер изменения напряжения источника тока), кото-
рые используются при заряде аккумуляторов разных систем. Далее указаны
131
6.2.1. ЗАРЯД ИСТОЧНИКОВ ГОКА
Рис. 6.1. Различные стратегии заряда для пере-
подготовки аккумуляторов после ис-
черпания емкости
те из них, которые рекомендованы для источников тока конкретных сис-
тем, и возможные альтернативные варианты.
Все эти стратегии при рекомендованных для стандартного заряда па-
раметрах тока и напряжения позволяют переподготовить аккумуляторы
после исчерпания запасенной емкости примерно за 15-20 часов. Стрем-
ление к ускорению процесса естественно и при использовании автоном-
ных источников питания для бытовой аппаратуры, и тем более для аппа-
ратуры, работающей в производственных условиях. При эксплуатации
выбранного источника тока следует прежде всего учитывать, какие воз-
можности обеспечены технологией производства, используемой данной
компанией, и оговорены в ее документации. Гарантированный срок служ-
бы может бытв обеспечен только при соблюдении всех рекомендаций и
ограничений.
В настоящей главе описываются также и специфические режимы за-
ряда, отличные от оговоренных документацией производителей, но по-
зволяющие ускорить процесс заряда и способствовать увеличению срока
службы аккумуляторов.
6. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ГОКА
132
Заряд щелочных аккумуляторов и батарей
Зарядные характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов при заря-
де в стандартном режиме (током 0,1 С в течение 14—16 ч) приведены в раз-
деле 3.1.4, особенности заряда иикель-металлгидридных в разделе 3,2.2.
Заряд производится в диапазоне температур - от 0 до + 50 °C, наиболее
эффективно проиесс идет в более узком диапазоне температур; от -10 до
+40 °C. При низкой температуре заряд проходит при более высоком на-
пряжении конца заряда, чем обычно (до 1,7 В).
При температуре ниже 0 °C аккумуля тор заряжают очень малыми токами,
порядка 0,02 С’. Токи большей величины мтут быть использованы только для
аккумуляторов серий, разработанных для быстрого заряда. В этом случае аккуму-
ляторы на первых минутах разогреваются, и условия заряда улучшаются.
Ускорение процесса заряда щелочных аккумуляторов постоянным
током (гальваностатический режим заряда) стало возможным как в ре-
зультате модернизаций самих источников тока, приведших к созданию
аккумуляторов с гонкими электродами и плотной рулонной сборкой па-
кета электродов, так и благодаря изучению возможности контроля про-
цесса при больших его скоростях и успехам электронной техники.
Для значительной части современных аккумуляторов допускается ус-
коренный заряд: током 0,3 С с контролем по времени (не более 4 ч). Необхо-
димость уменьшения степени перезаряда с увеличением тока связана с более
быстрым ростом давления в аккумуляторе в конце процесса, так как ско-
рость выделения кислорода увеличивается, а скорость переноса его к отри-
цательному электроду и поглощения остается практически неизменной. Раз-
рядная емкость аккумулятора при указанных плотностях тока заряда ие
уменьшается (см. рис. 3.8). Для аккумуляторов с пакетом электродов в виде
рулона допускают также и быстрый заряд в течение 1 ч, иногда меньше, но
при обязательном специфическом контроле процесса. Заряд в ускоренном
режиме допускается в диапазоне температур от +5 до +50 °C. Быстрый за-
ряд в течение 1 ч эффективен при температуре от +10 до +40 СС.
Следует отметить, что многие современные типы щелочных аккуму-
ляторов выдерживают достаточно длительный перезаряд стандартными
токами заряда без повреждения, поэтому их можно заряжать и при нали-
чии остаточной емкости. Но систематические перезаряды значительно
сокращают срок их службы. Поэтому, если нет уверенности в полном
исчерпании емкости источника тока, перед зарядом целесообразно разря-
дить его до напряжения 1 В/аккумулятор. Процесс переподготовки при
этом удлиняется. Однако доразряд перед каждым зарядом не только мало
удобен в эксплуатации, но и вреден, поскольку сокращает срок службы.
Иногда батареи снабжаются индикатором, который должен обеспе-
чивать пользователю информацию о состоянии ее заряженности. Инфор-
мация эта может быть получена при вычислении баланса зарядной и раз-
133 6.2.1. ЗАРЯД ИСТОЧНИКОВ ТОКА
рядной емкости или при оценке уровня напряжения. В обоих случаях
точность невелика, и индикатор скорее создает иллюзию знания состоя-
ния зараженности, чем отражает реальную ситуацию. Увеличить точность
индикации состояния не представляется возможным из-за ограничений,
диктуемых самим источником тока. Определить зарядную или разрядную
емкость при интегрировании тока нс трудно, но коэффициент отдачи по
емкости меняется как в зависимости от тока нагрузки и температурных
условий, так и от наработки батареи. Оценка состояния зараженности
батареи по ее напряжению также не может быть выполнена точно, гак
как у большинства современных источников тока напряжение мало меня-
ется вплоть до исчерпания 80-90 % емкости.
Возможен другой подход к проблеме переподготовки: при неизвест-
ной остаточной емкости сообщить источнику тока на заряде столько ем-
кости, сколько необходимо для достижения состояния полной заражен-
ности. Главная проблема, которая возникает при таком подходе, состоит
в поиске параметра, измерения которого позволили бы с достаточной
точностью оценить это состояние.
В процессе заряда герметичных щелочных аккумуляторов меняется не-
сколько параметров: напряжение, температура, внутреннее давление. Харак-
тер их изменений в процессе заряда герметичного никель-кадмиевого ак-
кумулятора показан на рис. 6.2. Эти параметры обеспечивают разную чув-
ствительность и имеют разные ограничения при использовании. Характер
изменения указанных параметров у никель-металлгидридного аккумулято-
ра аналогичен, но они более чувствительны к перегреву при перезаряде.
Чаще всего для контроля заряда используется напряжение, прежде
Bccix) из-за простоты его измерения. Однако при стандартном режиме за-
ряда в конце его напряжение аккумулятора меняется мало (см. рис. 3.4, а).
В этом случае заряд с контролем не времени, а конечного зарядного на-
пряжения (7КОН, указываемого как типичное для данного типа аккумуля-
тора, может привести к недозаряду. Паспортная величина конечного на-
пряжения отражает только статистическую характеристику, а разброс
(того параметра у аккумуляторов в партии может быть заметным. К тому
же величина эта зависит от температуры и наработки источника тока.
Если же температура в помещении в течение заряда возрастает или
аккумулятор разогревает-
ся, то неверная установка
(/кп|| может привести к пе-
резаряду.
Рис. 6.2. Изменение характе-
ристик герметичного
Ni-Cd аккумулятора
в процессе заряда
6. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
134
При быстром заряде использование напряжения в качестве кон-
трольного параметра оказалось более эффективным. Это определяется
изменением вида зарядной кривой (см. рис. 3.4, (5), В этом случае нет не-
обходимости ориентироваться на конкретную величину предельного за-
рядного напряжения, требуется лишь установить .момент достижения его
максимальной величины. Для этого устройствами контроля периодиче-
ски оценивается величина dU/dt или d2Uldt\ Максимум зарядного напря-
жения наблюдается обычно при заряде до 110-120 % С„. При отключе-
нии с заряда в этот момент при последующем разряде в стандартном ре-
жиме удастся снять -95 % С„. Для обеспечения стандартного перезаряда
в 140 160% следует либо необходимое время сохранять заряд тем же
током, либо обеспечить переход к более безопасному режиму подзаряда
током меньшим.
В настоящее время для контроля процесса быстрого заряда чаще ис-
пользуется другой критерий: прерывание заряда производя! после того,
как напряжение аккумулятора снизится на Д(/ после достижения макси-
мума (см. рис. 6.1, а). Это обеспечивает необходимый уровень перезаряда
аккумуляторов.
Такой контроль оговаривается всеми производителями для осущест-
вления быстрого заряда (в течение -1 ч) цилиндрических щелочных
рулонных аккумуляторов и называется в литературе системой детекции
-Д(7. Величина —ДС7 для аккумуляторов разных компаний может состав-
лять от 5-10 до 10—20 мВ. Для контроля заряда чаще предлагается ис-
пользовать величину 10 мВ/аккумулятор при температуре заряда от 0 до,
30 °C. При этом в начале заряда (в течение 5-10 мин) рекомендуется не
проводить измерения напряжения источника тока во избежание возмож-
ного скачка напряжения (и последующего его небольшого спада) после
продолжительного хранения.
Другим параметром, который используется при контроле заряда со-
временных герметичных щелочных аккумуляторов, является температура
(см. рис. 6.1, д). Такой контроль более всего необходим при заряде никель-
металлгидридных источников тока. В зарубежной литературе он имеет на-
именование ТСО (Temperature cut-off). Для осуществления температурного
контроля на одном из аккумуляторов батареи должен быть установлен тем-
пературный датчик. Понятно, что влияние конструктивных особенностей
батареи и реализуемых в пей условий теплообмена делают контроль заряда
по абсолютной величине температуры Т весьма проблематичным, гак как
затруднительно однозначно определить величину этого параметра.
Специалисты компании GP, например, детально исследовали про-
цесс заряда батареи емкостью 2,5 Ач током 0,5 С при температуре окру-
жающей среды 7’икр от 15 до 45 °C [35]. Исследовалось отключение при
температуре батареи Т^, равной 55 и 60 °C. Было показано, что если
температура окружающей среды выше 35 °C, то при 7’6а| = 55 °C имеет
135
6,2-1. ЗАРЯД ИСТОЧНИКОВ ТОКА
место значительный недозаряд. При 'ГЁ!|Т = 60 °C недозаряд несколько
уменьшается. Увеличивать еше больше величину контролируемого пара-
метра (Tfo, > 60 °C) нельзя без риска увеличения опасности отказа акку-
мулятора.
Все производители обычно рекомендуют предельную величину тем-
пературы при быстром заряде - не более 55 °C. Следует понимать, что
при повышенных температурах окружающей среды избежать недозаряла
при таком способе контроля зарядного процесса не удастся.
Более целесообразным является контроль другого параметра: скоро-
сти изменения температуры (A77A/)j что позволяет при любой температуре
окружающей среды диагностировать интенсификацию побочных процес-
сов, которая имеет место при перезаряде. Величина Д77ДГ, при которой
разные производители рекомендуют отключать герметичные щелочные
аккумуляторы, находится в диапазоне от 1 до 2 °С/мин при токе заряда 1 С
и 0,8 °С/мин, если ток меньше.
Большая часть производителей считает, что наилучшие результаты
достигаются при контроле заряда по двум критериям (детекция -Д(/ и
Д77ДГ) одновременно. Такой способ контроля универсален как для акку-
муляторов разных типов, так и для разного состояния их зараженности.
Следует отметить, что второй из этих параметров обеспечивает более
благоприятные условия работы аккумуляторов при длительной эксплуа-
тации. Так, ресурсные испытания Ni-MH батарей при контроле заряда
только с детекцией -ДУ, проведенные в компании PANASONIC, показа-
ли уменьшение наработки в 2 раза по сравнению с ресурсом при контро-
ле заряда по параметру Д77Ат. Объясняется это тем, что после отключе-
ния тока температура щелочных аккумуляторов некоторое время про-
должает расти (у Ni-MII аккумуляторов более заметно), и это приводит к
перегреву их выше допустимого предела и уменьшению срока службы.
Описанный выше контроль заряда требует более сложных зарядных уст -
ройств, чем при заряде постоянным током по времени. Современная элек-
тронная промышленность (компании MAXIM, PHILIPS, TELEFUNKEN,
I3ENCHMARQ и др.) предлагает специализированные микроконтроллеры
дня зарядных устройств, реализующих один или сразу несколько из опи-
санных выше принципов контроля и переход в режим компенсационного
подзаряда.
Найден еще один электрический параметр, изменения которого чрез-
вычайно характерны и по величине значительно больше изменений на-
пряжения [56, 57]. Этот параметр - реакция источника тока на тестовый
сигнал переменного тока низкой частоты. Угол сдвига фаз между током и
напряжением <р = arctg Х/li, где X = Im(Z) и 7? = Re(Z) - реактивная и ак-
тивная составляющие импеданса Z, при частоте 0,03-0,01 Гц отражает
диффузионное сопротивление электродов. При интенсификации процесса
выделения кислорода на положительном электроде после сообщения ему
(,. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
136
— 100 % С„ параметр (р резко увеличивается в несколько раз, затем при
перезаряде снова уменьшается (см. раздел 8.4). Такой характер измене-
ния параметра сохраняется при разных токах заряда и температурах, он
не зависит от начального состояния заряженности аккумулятора и нали-
чия в газовой фазе водорода, т. е. одинаков у новых и деградировавших
аккумуляторов.
Выбор частоты тестового сигнала определяется величиной емкост-
ной составляющей импеданса аккумулятора, т. е. геометрическими раз-
мерами его электродов. Для аккумуляторов емкостью до 2-5 Ач отклик
порядка 1-3 мВ может быть получен при тестовом сигнале 0,01 С пере-
менного тока при частоте 0,1 Гц. При такой частою тестового сигнала
анализ отклика аккумулятора на серию подаваемых сигналов позволяет
надежно контролировать зарядный процесс даже при больших его скоро-
стях.
О режиме компенсационного подзаряда
После быстрого заряда (в течение 30 60 мин) аккумуляторы обычно
рекомендуется перевести в режим заряда током 0,03 0,05 С ("trickle
charge"), который позволит безопасно дозарядить его. Такой же режим
используется и для постоянного подзаряда с целью компенсации само-
разряда, если аккумулятор не используется сразу для разряда на нагрузку.
Однако не следует долго оставлять аккумулятор в этом режиме, гак как
это способствует сокращению его срока службы.
Для работы в режиме постоянного подзаряда даже при повышенной
температуре многие компании разработали специальные серии высоко-
температурных никель-кадмиевых аккумуляторов, которые несколько лет
могут работать в буферном режиме с основным источником питания.
В [58] рекомендуется другой компенсационный заряд: импульсным
режимом токами в диапазоне 0,1-1 С. Ток 0,1 С должен протекать 1 ч в
сутки, гок 1 С в течение 5-6 мин каждые сутки. Такой режим много раз
был проверен в лабораторных условиях и является наиболее дешевым
способом компенсации саморазряда. Он кажется наиболее целесообраз-
ным с точки зрения уменьшения влияния чрезмерного насыщения кисло-
родом, миграции кадмия и роста дендри тов. Но это несколько более хло-
потный режим эксплуатации.
Заряд свинцово-кислотных батарей
Наиболее часто используемые герметизированные свинцово-кислот-
ные источники тока - это батареи 6 и 12 В моноблочной конструкции. Но
для анализа режимов и условий их эксплуатации следует рассматривать
условия работы и характеристики отдельных аккумуляторов, так как
именно они и определяют все ограничения, которые следует учитывать
при работе батарей.
137
6.2.1. ЗАРЯД ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Как сказано в главе 4.3, для заряда герметизированных свинцово-
кислотных аккумуляторов используется потенциостатический режим при
ограничении начального тока.
Проблема ускоренного заряда без интенсивного газовыделения для
этих аккумуляторов решалась иначе, чем для щелочных. Успехи техноло-
гии привели к возможности использовать на первой ступени комбиниро-
ванного заряда достаточно большие начальные токи (до 0,3 С). К момен-
ту достижения критического для заряда напряжения аккумулятор полу-
чает -80-90 % С(). На второй ступени (при постоянном напряжении)
аккумулятору сообщается еще 20-30 % С„. Продолжительность второй
ступени больше, чем первой, так как ток при потенциостатическом ре-
жиме заряда постепенно уменьшается в зависимости от степени заряжен-
ное™ аккумулятора.
Режим заряда соответствует схеме, изображенной па рис. 6.1, е. Ве-
личина контролируемого напряжения и характер изменения тока показа-
ны на рис. 4,2.
При указанных параметрах тока и напряжения ускоренный заряд гер-
метизированных свинцово-кислотных батарей стал возможен за несколько
часов (вместо 20 ч). Большого разогрева батарей при этом не возникает.
Заряд прекращают либо по истечении заданного времени, либо при сниже-
нии тока заряда до величины порядка 0,02 С. Дальнейший заряд не только
не увеличивает его эффективности, но и вреден из-за медленного, но по-
стоянного протекания побочных процессов газовыделения.
При отсутствии специализированного оборудования для осуществ-
ления комбинированного заряда используется многоступенчатый заряд
постоянным током с уменьшением его на каждой ступени (см. рис. 6.1, б).
Однако в этом случае затруднительно обеспечить гарантированный срок
службы в режиме циклирования, поскольку придется экспериментально
устанавливать количество ступеней заряда, токи и параметры, при кото-
рых необходимо производить переключение на следующую ступень.
Вообще следует отметить, что все небольшие отклонения от реко-
мендованного производителем режима заряда (величина начального тока,
точность поддержания постоянного напряжения, величина параметра,
используемого для оценки конца процесса) сказываются не столько на
эффективности единичного заряда, сколько на ресурсе источника тока.
Производители же зарядного оборудования интересуются главным образом
возможностью зарядить батарею до необходимого уровня без ее повреж-
дения и редко принимают во внимание влияние реализованного режима
па скорость деградации батарей в процессе длительной эксплуатации.
Поэтому покупатель зарядного оборудования должен сам внимательно
от нестись к информации, представленной в разделе 4.4.2.
При эксплуатации герметизированных батарей в буферном режиме
следует также точно соблюдат ь рекомендации производителя отпоситель-
6. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
138
но постоянного напряжения источника питания, при котором они долж-
ны работать и подзаряжаться. При превышении этого параметра в бата-
рее чаще срабатывает аварийный клапан и со временем происходит вы-
сыхание сепаратора, отчего внутреннее сопротивление аккумуляторов
увеличивается и емкость снижается.
Заряд литий-ионных источников тока
Режим заряда литий-ионных аккумуляторов аналогичен тому, что
используется для герметизированных свинцово-кислотных источников
тока (см. рис. 6.1, е), но параметры комбинированного заряда, естествен-
но, различаются. Типичные ситуации при заряде полностью и частично
разряженных литий-ионных аккумуляторов показаны па рис. 5.1.
При заряде разряженного аккумулятора до предельного напряжения
обычно сообщается 60-70 % номинальной емкости. Полный заряд дости-
гается при постоянном напряжении и падающем токе. Он закапчивается,
когда ток уменьшается до 0,03 С.
Компенсационный заряд для литий-ионных аккумуляторов не ис-
пользуется. Вместо этого для компенсации небольшого саморазряда мо-
жет быть использован порционный подзаряд 1 раз в 20-30 дней, когда
напряжение упадет до 4,05 В [59].
Конечное разрядное напряжение, которое допускается для литий-ионных ак-
кумуляторов - 2,5 В. 11роизводители рекомендуют использовать подзаряд, чтобы
напряжение аккумуляторов всегда было в допустимом диапазоне: 2,5-4,2 В. Сле-
дует пом питы что не всякое зарядное устройство может обеспечить включение
батареи па заряд, если их напряжение станет ниже 2,5 В.
6.2.2. ЗАРЯДНЫЕ УС ТРОЙСТВА
Зарядные устройства, проектируемые для целей переподготовки ис-
точников тока после исчерпания их емкости при разряде на нагрузку,
могут быть встроены в аппаратуру, где используются перезаряжаемые
химические источники тока, но чаще выполняются в виде отдельных
устройств, приспособленных для заряда конкретных источников энергии,
или универсальных.
Зарядные устройс тва, обеспечивающие постоянный ток (гальвано-
статический режим заряда)
Большая часть зарядных устройств обеспечивает заряд только посто-
янным током и потому пригодны только для заряда щелочных герметич-
ных источников тока.
Простейшие бытовые зарядные устройства (ЗУ), осуществляющие
заряд постоянным током, используются для заряда от 1 до 4 щелочных
139
6.2.2. ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА
аккумуляторов. Они различаются главным образом конструкцией, а не
принципиальной электрической схемой. Чаще всего они питаются через
трансформатор от сети -220 В и обеспечивают выпрямленный ток (по
одно- или двухполупериодной схеме выпрямления) с невысоким уровнем
его стабилизации. Ток в таких ЗУ практически всегда не регулируется.
Время заряда определяется самим пользователем.
Универсальность бытовых ЗУ, как правило, означает возможность ус-
тановки в них аккумуляторов разных габаритов и обеспечение постоянного
тока порядка 0,1 С по отношению к емкости, которую производитель ЗУ
считает типичной для аккумуляторов такого типоразмера. Поэтому следует
быть внимательным при установке в них аккумуляторов и правильно рас-
считывать время заряда. За последние 5-7 лет быстрый прогресс промыш-
ленности привел к выпуску щелочных аккумуляторов одинаковых габари-
тов, но различающихся по емкости в 3 раза. Стремление использовать бы-
товые универсальные зарядные устройства для заряда аккумуляторов все
большей емкости может привести к очень длительному и, главное, малоэф-
фективному заряду токами значительно меньше стандартного (см. рис. 3.8).
1 лавпым достоинством таких ЗУ является их дешевизна.
Более дорогие зарядные устройства обеспечивают несколько режи-
мов эксплуатации: доразряд, заряд и режим подзаряда. Доразряд щелоч-
ных аккумуляторов (до 1 В/аккумулятор) производится с целью снятия
остаточной емкости. Однако следует учитывать, что в таких ЗУ аккуму-
ляторы, устанавливаемые в пружинные контакты, могут быть соединены
последовательно, а контроль разряда осуществляется по предельному
разрядному напряжению U = (л х 1,0), В, где п - количество аккумулято-
ров в цепочке. Но после длительной эксплуатации аккумуляторы могут
очень сильно различаться по емкости, и контроль по среднему напряже-
нию для всей цепочки может привести к переполюсоваиию наиболее сла-
бых и их порче.
Прекращение заряда или переключение в режим подзаряда (малым
соком для компенсации саморазряда) производится в таких ЗУ автомати-
чески в соответствии с некоторыми из тех параметров контроля, которые
описаны в разделе 6.1. При использовании таких ЗУ следует помнить, что
не рекомендуется часто и надолго оставлять источники тока в режиме
компенсационного подзаряда, потому что у них в этом случае меняется
структура активных масс и укрупнение кристаллов приводит к снижению
разрядного напряжения и емкости.
Некоторые ЗУ конструктивно оформлены так, что обеспечивают заряд
как 1М отдельных аккумуляторов, так и батареи с напряжением 9 В типо-
размера 6Е22 (E-BLOCK). Примером могут служить зарядные устройства
компании VARTA: VARTA Trio для заряда Ni-Cd/Ni-MH аккумуляторов
типоразмеров R03, R6 и батареи E-BLOCK или VARTA MultiComlort, в
которые могут быть установлены также и аккумуляторы типоразмеров
6. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
138
но постоянного напряжения источника питания, при котором они долж-
ны работать и подзаряжаться. При превышении этого параметра в бата-
рее чаще срабатывает аварийный клапан и со временем происходит вы-
сыхание сепаратора, отчего внутреннее сопротивление аккумуляторов
увеличивается и емкость снижается.
Заряд литий-ионных источников тока
Режим заряда литий-ионных аккумуляторов аналогичен тому, что
используется для герметизированных свинцово-кислотных источников
тока (см. рис. 6.1, е), но параметры комбинированного заряда, естествен-
но, различаются. Типичные ситуации при заряде полностью и частично
разряженных литий-ионных аккумуляторов показаны па рис. 5.1.
При заряде разряженного аккумулятора до предельного напряжения
обычно сообщается 60-70 % номинальной емкости. Полный заряд дости-
гается при постоянном напряжении и падающем токе. Он закапчивается,
когда ток уменьшается до 0,03 С.
Компенсационный заряд для литий-ионных аккумуляторов не ис-
пользуется. Вместо этого для компенсации небольшого саморазряда мо-
жет быть использован порционный подзаряд 1 раз в 20-30 дней, когда
напряжение упадет до 4,05 В [59].
Конечное разрядное напряжение, которое допускается для литий-ионных ак-
кумуляторов - 2,5 В. 11роизводители рекомендуют использовать подзаряд, чтобы
напряжение аккумуляторов всегда было в допустимом диапазоне: 2,5-4,2 В. Сле-
дует пом питы что не всякое зарядное устройство может обеспечить включение
батареи па заряд, если их напряжение станет ниже 2,5 В.
6.2.2. ЗАРЯДНЫЕ УС ТРОЙСТВА
Зарядные устройства, проектируемые для целей переподготовки ис-
точников тока после исчерпания их емкости при разряде на нагрузку,
могут быть встроены в аппаратуру, где используются перезаряжаемые
химические источники тока, но чаще выполняются в виде отдельных
устройств, приспособленных для заряда конкретных источников энергии,
или универсальных.
Зарядные устройс тва, обеспечивающие постоянный ток (гальвано-
статический режим заряда)
Большая часть зарядных устройств обеспечивает заряд только посто-
янным током и потому пригодны только для заряда щелочных герметич-
ных источников тока.
Простейшие бытовые зарядные устройства (ЗУ), осуществляющие
заряд постоянным током, используются для заряда от 1 до 4 щелочных
139
6.2.2. ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА
аккумуляторов. Они различаются главным образом конструкцией, а не
принципиальной электрической схемой. Чаще всего они питаются через
трансформатор от сети -220 В и обеспечивают выпрямленный ток (по
одно- или двухполупериодной схеме выпрямления) с невысоким уровнем
его стабилизации. Ток в таких ЗУ практически всегда не регулируется.
Время заряда определяется самим пользователем.
Универсальность бытовых ЗУ, как правило, означает возможность ус-
тановки в них аккумуляторов разных габаритов и обеспечение постоянного
тока порядка 0,1 С по отношению к емкости, которую производитель ЗУ
считает типичной для аккумуляторов такого типоразмера. Поэтому следует
быть внимательным при установке в них аккумуляторов и правильно рас-
считывать время заряда. За последние 5-7 лет быстрый прогресс промыш-
ленности привел к выпуску щелочных аккумуляторов одинаковых габари-
тов, но различающихся по емкости в 3 раза. Стремление использовать бы-
товые универсальные зарядные устройства для заряда аккумуляторов все
большей емкости может привести к очень длительному и, главное, малоэф-
фективному заряду токами значительно меньше стандартного (см. рис. 3.8).
1 лавпым достоинством таких ЗУ является их дешевизна.
Более дорогие зарядные устройства обеспечивают несколько режи-
мов эксплуатации: доразряд, заряд и режим подзаряда. Доразряд щелоч-
ных аккумуляторов (до 1 В/аккумулятор) производится с целью снятия
остаточной емкости. Однако следует учитывать, что в таких ЗУ аккуму-
ляторы, устанавливаемые в пружинные контакты, могут быть соединены
последовательно, а контроль разряда осуществляется по предельному
разрядному напряжению U = (л х 1,0), В, где п - количество аккумулято-
ров в цепочке. Но после длительной эксплуатации аккумуляторы могут
очень сильно различаться по емкости, и контроль по среднему напряже-
нию для всей цепочки может привести к переполюсоваиию наиболее сла-
бых и их порче.
Прекращение заряда или переключение в режим подзаряда (малым
соком для компенсации саморазряда) производится в таких ЗУ автомати-
чески в соответствии с некоторыми из тех параметров контроля, которые
описаны в разделе 6.1. При использовании таких ЗУ следует помнить, что
не рекомендуется часто и надолго оставлять источники тока в режиме
компенсационного подзаряда, потому что у них в этом случае меняется
структура активных масс и укрупнение кристаллов приводит к снижению
разрядного напряжения и емкости.
Некоторые ЗУ конструктивно оформлены так, что обеспечивают заряд
как 1М отдельных аккумуляторов, так и батареи с напряжением 9 В типо-
размера 6Е22 (Е-BLOCK). Примером могут служить зарядные устройства
компании VARTA: VARTA Trio для заряда Ni-Cd/Ni-MH аккумуляторов
типоразмеров R03, R6 и батареи Е-BLOCK или VARTA MultiComlort, в
которые могут быть установлены также и аккумуляторы типоразмеров
6. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
142
(ток наряда 2 А). Заряд постоянным таком ведете я до предельного напряжения,
после чего реализуется переход в режим комненсациошюго поднаряда (стадия
потенштостатическом) заряда исключена). Ешс одно ЗУ обеспечивает заряд бата-
реи с напряжением 12 Н, стандартный и ускоренный током 0,7 или 1,5 А по вы-
бору пользователя. В этом устройстве обеспечивается потенциостатичсский ре-
жим заряда.
Серия ЗУ для заряда герметизированных свинцово-кислотных батарей раз-
работана в ООО "Мегарон" (г. Санкт-Петербург). В ЗУ реализован комбиниро-
ванный режим заряда для батарей с напряжением 6 В емкостью 1-3 Ач, 2-4 Ач,
7-10 Ач и 10-20 Ач (начальный ток заряда -0,25 С.') и с напряжением 12 В (ток
заряда 500 и 1000 мА),
Зарядные устройства для батарей с напряжением би 12 В, осуществляющие
комбинированный заряд, а затем переход в режим компенсационного подзаряда,
выпускает ООО "Сонар" (г. Санкт-Петербург).
Для заряда литий-ионных батарей используются обычно специализи-
рованные зарядные устройства, которые поставляются в комплекте с ап-
паратурой, в которую их устанавливают. Стратегия заряда подробно опи-
сана в главе 5.
Универсальные устройства, которые позволяли бы использовать
стратегию заряда, характерную для любой электрохимической системы,
при возможности перенастройки контролируемых параметров зарядного
процесса, обычно требуются в производственных условиях, для исследо-
ваний или при эксплуатации значительных количеств разнородных бата-
рей, Но такие устройства дороги и в настоящее время в России серийно
не производятся.
Нестационарные режимы заряда
Особый класс зарядных устройств составляют те, которые осуществ-
ляют нестационарные режимы заряда: заряд пульсирующим током или
током, периодически меняющим направление (асимметричным, знакопе-
ременным). Эти режимы отличаются от тех, что регламентирует произ-
водитель аккумуляторов, но они во многих случаях обеспечивают улуч-
шение эксплуатационных характеристик источников тока.
Интерес к таким способам заряда возник давно. Было показано, что
при осаждении и кристаллизации металлов для получения мелкозерни-
стого осадка, при котором обеспечивается большая рабочая поверхность
электродов, могут быть использованы токи промышленной частоты. Час-
тота 50 Гц не является оптимальной во всех случаях, но при увеличении
частоты переменного тока эффект снижается, а при частоте более 500 Гц
он практически исчезает.
При заряде аккумуляторов влияние пульсирующего тока сказывается
не только на формировании структуры осадка, но более всего на проте-
кании побочных процессов, т, е. оно особенно заметно в конце заряда и
143
6.2.2. ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА
при перезаряде. Паузы между импульсами тока позволяют значительно
увеличить средний ток заряда, поскольку в этот период па отрицательном
спектра ле обеспечивается поглощение уже выделившегося кислорода, а
на положительном — уменьшение его выделения (за счет снижения по-
верхностного потенциала и выравнивания потенциала в его поровом про-
странстве).
Амплитуда, частота следования и скважность импульсов могут быть
либо постоянными па протяжении всего зарядного процесса, либо могут
меняться. Учитывая особенности протекания электрохимических процес-
сов в поровом пространстве электрода, характер и скорость изменения
концентрации электролита вблизи его поверхности, повышение эффек-
тивности заряда при пульсирующем токе целесообразнее обеспечивать за
счет уменьшения к концу заряда амплитуды импульсов или увеличения
продолжительности пауз.
Возможности реализации нестационарных режимов заряда опреде-
ляются прежде всего аппаратурными средствами. Они должны быть дос-
таточно дешевыми и обеспечивать заметное улучшение эксплуатацион-
ных характеристик источников тока по сравнению с теми, что достигают-
ся при стандартной стратегии заряда.
Первые исследования проводились при использовании зарядных уст-
ройств с однофазными выпрямителями переменного тока или обеспечи-
вающих асимметричный ток при наложении постоянного тока на пере-
менный ток промышленной частоты. Несколько несложных устройств
описаны, например, в (62, 63J. Они успешно использовались в процессе
производства свинцово-кислотных батарей для ускорения процесса фор-
мирования электродов. Было показано, что заряд асимметричным током
целесообразен и при эксплуатации разных источников тока; существенно
ускорялся заряд свинцово-кислотных батарей, улучшались емкостные и
разрядные характеристики серебряно-цинковых щелочных аккумуляторов.
Позже во многих патентах предлагались разнообразные транзистор-
ные схемы регулирования импулвсов тока, разных по форме и парамет-
рам. Некоторые из этих устройств позволяли изменять скважность им-
пульсов в зависимости от степени зараженности источника тока. В пери-
од паузы осуществляли и наложение разрядных импульсов. Еще позже
описывались устройства заряда, в которых ток переменной скважности
формируется с помощью цифровой техники. В патентах чаше всего пока-
зывалась возможность реализации описываемого режима заряда, но не
его параметры.
Вообще при нестационарном режиме заряда параметров, которые мо-
гут регулироваться независимо, много: амплитуда и длительность импуль-
сов обеих полярностей, форма импульсов, частота их следования, продол-
жительность паузы между пими. Оптимальное регулирование процесса
заряда реальных аккумуляторов может быть выполнено только на основа-
6. ЭКСПЛУАТА ЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
144
нии детального изучения влияния всех параметров нестационарного ре-
жима на пористые электроды и аккумулятор как систему. Я
Обширные исследования показали [64], что при нестационарных ре- Я
жимах заряда амплитуда зарядных импульсов определяет возможность Я
эффективного заряжения активной массы положительного электрода, час- Я
тота определяет проработку в глубь его пористой структуры, амплитуд- Я
ные и временные характеристики разрядных импульсов влияют на глу- Я
бину его деполяризации и возможность вести основной токообразующий Я
процесс без побочного практически до конца заряда. Я
Вообще следует рассматривать два этапа заряда. В начале заряда степень окис- Я
пения меняется по глубине и кислород еще не выделяется. Разрядный импульс Я
обеспечивает более равномерное распределение процесса заряда по всей толщине Я
электрода. Па втором этапе на поверхности электрода происходит интенсивное Я
выделение кислорода, а в глубине его продолжается заряд активной массы. В этот Я
период разрядный импульс тормозит выделение кислорода и тем самым способ- Я
ствуст более равномерному окислению активной массы по глубине электрода. Я
Изучение особенностей фазовых превращений в цикле заряда-разряда дает Я
основание предположить, что после разрядного импульса целесообразно иметь Я
некоторую паузу. Я
Исследования показали также, что существенна Fie только величина зарядно- Я
го импульса, по и скорость его нарастания: при больших скоростях выделение Я
кислорода происходит позже. Поэтому прямоугольные импульсы могут бы ть более Я
эффективными, чем иные по форме. Я
Экспериментальная проверка изложенных положений показала воз- ,Я
можность эффективного ускоренного заряда Ni-Cd аккумуляторов. Так, Я
при заряде аккумулятора емкостью 5 Ач знакопеременным током часто- Я
той 5 Гц достигалось повышение коэффициента использования тока на Я
5-10% и уменьшение газовьтделения до 10 раз по сравнению со стан- Я
дартным зарядом. Наилучшие результаты были достигнуты при соотно- Я
тении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 5: 1 при среднем за- Я
рядном токе 26,6 А. Существенного влияния частоты тока в диапазоне Я
5-100 Гц на интенсивность газовыделения не наблюдалось. Снижение Я
частоты тока приводило к более раннему' выделению кислорода, Я
Были предложены два варианта ускоренного режима заряда знакопе-
ременным током для никель-кадмиевого аккумулятора с металлоксрами-
вескими электродами. ®
1. Режим минимального времени заряда (10-20 мин): амплитуда за- 1
рядного импульса /зяр ИМ11 = (5-8) С, соотношение амплитуд /,ж „мп/7тар11МП = W
= 5-6; продолжительность зарядного импульса - 0,2 с, разрядного - 0,01 с.
2. Режим минимального газовыделения (25-35 мин): /зар ИМ11 = (2,8-
3,5) С, все остальные параметры и соотношения - те же.
Необходимо заметить, что указанные параметры режима заряда не
следует рассматривать как оптимальные для всех щелочных аккумулято-
145
6,2.2. ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА
ров, поскольку эффективный заряд аккумуляторов определяется не толь-
ко их электрохимической природой, но и особенностями их конструкции,
а также достигнутыми в процессе изготовления параметрами структуры
электродов.
Следует заметить, однако, что проблема рациональности использо-
вания отрицательных импульсов в зарядном процессе ("burp" charging) не
раз обсуждалась и зарубежными специалистами (58, 59]. Описывается
дискуссия, которая возникла еще в 1960-х годах после активной пропа-
ганды этого режима для быстрого заряда никель-кадмиевых батарей вла-
дельцем соответствующего патента США. Компания General Electric дол-
гое время исследовала этот режим без видимых положительных эффек-
тов и оз казалась от его внедрения. Тем не менее заряд с импульсами
разрядного тока используется рядом более мелких производителей за-
рядного оборудования.
Вообще же за последнее десятилетие сами герметичные аккумулято-
ры существенно изменились. Их гонкие электроды и рулонная сборка
пакета электродов позволяют использовать быстрый заряд постоянным
гоком до 4 С (аккумуляторы для быстрого заряда компании SANYO) и в
более просто осуществляемом импульсном режиме с частотной или ам-
плитудной модуляцией.
Как сказано выше, реальная возможность ускорения заряда свинцо-
во-кислотных вентилируемых аккумуляторов при использовании асиммет-
ричного тока была описана еще в 1970-х годах. При исследовании влияния
соотношения зарядных и разрядных прямоугольных импульсов асиммет-
ричного тока на емкость аккумуляторов, температуру электролита и ин-
тенсивность газовыделения было показано, что наилучшис результаты
достигаются при соотношении амплитуд зарядных и разрядных импульсов
/гар//|га, ~ 5-20. При увеличении плотности зарядного тока до 7 раз по срав-
нению со стандартной обеспечивалась разрядная емкость 105-115 % С„.
Температура и газовыделение при всех плотностях тока оставались ниже,
чем при заряде постоянным током такой же плотности тока [62].
Аналогичные соотношения параметров асимметричного тока могут
быть использованы и для заряда герметизированных св ин ново-кислотных
аккумуляторов, хотя оптимальные их величины должны быть уточнены.
В [65] описываются исследования свинцово-кислотных источников тока
с решетками из сплавов свинец-сурьма и свинец-кальций-олово. Сравнива-
лись результаты заряда постоянным (в течение 10 ч) и пульсирующим то-
ком прямоугольной формы (время импульса порядка 100-200 мс, соотно-
шение времени импульса и паузы 1:3). Пульсирующий ток при такой же
средней величине, как и постоянный, ие только обеспечивал значительно
более эффективный заряд в течение 1 ч, но и позволил в 3^1 раза увели-
чить количество циклов, в течение которых источники тока отдавали не
менее 50 % начальной емкости.
®@ ООО "МЕГАРОН"
Предприятие основано в 1995 г.
МЫ РАЗРАБАТЫВАЕМ И ПРОИЗВОДИМ:
• Зарядные устройства для герметичных щелочных источни-
ков тока;
• Зарядные устройства для свинцово-кислотных батарей;
• Зарядные устройства для литий-ионных батарей;
• Устройства защиты аккумуляторов от переразряда;
• Блоки бесперебойного питания;
• Трансформаторные блоки питания мощностью до 1000 Вт;
• Импульсные блоки питания мощностью до 500 Вт;
• Лабораторные источники питания с регулировкой тока и
напряжения;
• Микропроцессорные стабилизаторы сетевого напряжения до
20 кВт;
• Нормализаторы телефонной линии;
• Преобразователи DC-DC;
• Блоки импульсной сигнализации (для контроля за состояни-
ем удаленных датчиков);
• Блоки управления системой пожаротушения;
• Микропроцессорные системы управления и контроля;
• Аккумуляторные фонари;
• Регуляторы температуры;
• Устройства управления и защиты осветительных приборов;
• Печатные платы.
Развитие компании идет в нескольких направлениях:
• расширение ассортимента электронных изделий;
• всё более широкое применение микропроцессоров;
• создание оригинальных алгоритмов и программ управления.
Наши изделия выполнены с применением лучших образцов
отечественной и импортной элементных баз.
Наши координаты:
Россия, 191025, г. Санкт-Петербург, ул. Марата, 14. оф. 26.
Тел.: +7 812 327-5778, Факс: +7 812 327-5801
WEB-сайт: www.megaron.narod.ru E-mail: megaron@mailru.com
______________________________________________________I
147
6.2.3. ХРАПЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Зарядные устройства ООО "Мегарон" (г. Санкт-Петербург), в которых реа-
лизован заряд асимметричным током, уже в течение нескольких лег используют-
ся в разных областях техники.
Во всех ЗУ для герметичных щелочных аккумуляторов за зарядным импуль-
сом с достаточно крутым фронтом нарастания тока следует кратковременный -
разрядный током в 5-7 раз меньше максимального тока при зарядном импульсе и
затем - пауза. Форма зарядного импульса и время паузы несколько меняются в
зависимости от количества аккумуляторов в заряжаемой батарее.
Выпускаются устройства для заряда герметичных щелочных батарей емко-
стью до 4 Лч. в которых обеспечивается ток заряда - 0,5 С (360, 500, 1000, 2000 и
5000 мА), разряд - током 0,2 С.
Ускоренный заряд в разработанных устройствах контролируется по трем
критериям; 1 - определяется максимальная величина (У5ар, после чего батарея
остается в режиме заряда еще 5 мин, 2 - контроль заряда по -ДМ 3 - контроль по
времени.
На дисплей ЗУ выводится информация о зарядной и разрядной емкости цик-
лов и критерий, по которому аккумуляторы отключались с заряда.
6.2.3. ХРАНЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
При хранении источников тока необходимо прежде всего четко пред-
ставлять, в каком состоянии их следует хранить, какой температурный
режим следует соблюдать.
Более низкая температура хранения батарей обеспечивает замедле-
ние всех химических процессов, в том числе и деградационпых, и спо-
собствует увеличению срока службы.
Необходимость хранения источников тока разных электрохимиче-
ских систем в разном состоянии заряженности определяется характером
протекающих в них процессов. Необходимо замедлить те процессы, ко-
торые приводят к труднообратимым изменениям активных масс, к увели-
чению внутреннего сопротивления аккумуляторов и снижению разряд-
ной емкости.
Для первичных источников тока сроки их хранения указаны в табл. 2.1,
так же как и диапазон рабочих температур. Хранить элементы рекомен-
дуется при температуре возможно ниже, когда самопроизвольное проте-
кание процессов замедляется,
В табл. 6,1 приводятся данные об условиях хранения аккумуляторов
различных электрохимических систем.
При хранении разряженных Ni-Cd аккумуляторов в них возникают
изменения, определяемые перераспределением электролита внутри акку-
мулятора и дегидратацией оксида кадмия, В результате этих процессов
внутреннее сопротивление аккумуляторов повышается, и при первых
циклах после возобновления работы они не могут эффективно зарядиться
и отдать регламентированную емкость.
6. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 148
Таблица 6.1. Режимы хранения вторичных источников тока разных
электрохимических систем
Аккумулятор Ni-Cd Ni-MH Pb-H-SO., Li-icm
Рекомендуемое состояние Разряженный Заряженные Заряженные Заряженные
хранения подНОСТЫО па 50 % па 50 %
Допускаемый диапазон температуры храпения, СС Рекомендуемый диапазон (ДО 1 В) -20 - +45 +5 - +25 -20-+30 +5 - +25 -15 - +40 +5 - +25
температуры хранения, °C Периодичность перевод- 12 6 8-12 12
готовки, мес
Этот эффект может быть устранен без снижения уровня работоспособ-
ности аккумуляторов, соответствующего их наработке к моменту прекраще-
ния работы. Для этого после одного года хранения в разряженном состоянии
до начала нового периода эксплуатации в документации рекомендуется про-
вести не менее 3-5 циклов заряда-разряда в стандартном режиме.
При первом восстановительном заряде напряжение аккумуляторов
может быть значительно выше стандартного, но в процессе заряда оно
постепенно падает, а затем при перезаряде начинает расти, как и обычно.
Характер изменения зарядного напряжения на всех восстановительных
циклах различен: с каждым циклом он все больше напоминает обычный
для циклируемых аккумуляторов. Разрядная емкость от цикла к циклу
увеличивается и после 3-5 цикла стабилизируется.
При более длительных сроках хранения для восстановления работо-
способного состояния аккумуляторов может быть рекомендована более
низкая скорость первого заряда, в некоторых случаях ток первого заряда
целесообразно уменьшить до 0,05 С.
При храпении полузаряженных Ni-MH аккумуляторов у них в резуль-
тате саморазряда снижается остаточная емкость. Напряжение при этом
может упасть до нуля. Восстановить полностью начальные характеристики
после такого глубокого разряда не удается. Поэтому не реже чем один
раз в 6 месяцев рекомендуется их разрядить и снова зарядить на 50 % для
дальнейшего хранения. При необходимости ввести их в эксплуатацию
следует дать им 3-5 циклов заряда-разряда в стандартном режиме.
Хранение герметизированных свинцово-кислотных батарей во избе-
жание сульфатации пластин производится в заряженном состоянии.
Если батареи не используются длительное время, рекомендуется их
периодический (1 раз в 8 месяцев) подзаряд в течение 6-12 ч при посто-
янном напряжении 2,45 В/аккумулятор [36].
Если они хранились при температуре ниже -20 °C, то подзаряд должен
проводиться 1 раз в год в течение 48 ч при постоянном напряжении 2,275 В.
149
6.2.4, ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ
Хранение при температуре выше 30 °C не рекомендуется, а подзаряд
может быть выполнен в течение 6-12 ч постоянным током 0,05 С.
6.2.4. ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ М ЕРОПРИЯТИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ГОКА
Профил актиктические мероприятия при эксплуатации щелочных
герметичных аккумуляторов
Причины, приводящие к необходимости профилактических мероприя-
тий при циклировании герметичных Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов, описаны
в разделах 3.1.6 и 3.2.2 соответственно. Рекомендуется 1 раз в месяц прово-
дить несколько (1-3) полных циклов с разрядом до 1 В на аккумулятор.
Эффективность профилактических мероприятий четко прослеживается
при массовых обследованиях однотипных щелочных батарей. Так, в [581
описаны результаты обследований состояния более чем 2000 герметичных
Ni-Cd батарей для портативных систем связи па самолетах, которые пока-
зали, что через год эксплуатации в режиме циклирования (без профилакти-
ки) 45 % батарей требуют замены. При проведении периодических разря-
дов до 1 В количество батарей, нуждающихся в замене, снижается втрое, а
если после разрядов до I В проводить затем доразряд малым током (в те-
чение 1-2 ч) до 0,5 В, то работоспособность сохраняет 95 % всех батарей.
Реструктурирование электродных масс, которое происходит при та-
ких мероприятиях, позволяет восстановить емкость до уровня, близкого к
первоначальному, и обеспечить до 1000 циклов при потере емкости к
концу не более чем на 20 %.
Аналогичного эффекта (восстановления мелкокристаллической струк-
туры активных масс) можно добиться и периодическим циклированием
при заряде знакопеременным током.
Например, нескольких циклон с зарядом знакопеременным током (с одина-
ковой амплитудой зарядного и разрядного импульса и соотношением этих им-
пульсов 10: 1) посстанавливанн емкость аккумуляторов, которая снизилась до
критической величины- 0,6 С„. Так, емкость аккумуляторов SAFT, которая после
длительной эксплуатации составляла 0,4 Ач, за 6 циклов была восстановлена
практически до первоначальной (0,5 Ач). В течение 100 последующих циклов она
оставалась па уровне не ниже 0,47 Ач. Емкость 4 аккумуляторов SANYO
(0.65 Ач) после снижения до 0,42-0,47 Ач была восстановлена после 8 циклов до
0,50-0,56 Ач и сохранялась на этом уровне в течение 75 циклов.
Профилактические мероприятия при эксплуатации
свинцово-кислотных аккумуляторов
При эксплуатации герметизированных свинцово-кислотных аккуму-
ляторов в режиме циклирования ухудшение их характеристик происхо-
дит в большинстве случаев из-за изменений в активных массах положи-
6. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 150 1
тельного электрода, которые выражаются в разрыхлении и сульфатации. I
Это приводит к потере контакта между частицами диоксида свинца и I
снижению емкости. Устранить процесс деградации, как и любого старения, |
нельзя, но следует избегать больших разрядных импульсов, ускоряющих I
процесс разрыхления массы, и глубоких разрядов аккумуляторов, при I
которых возникает необратимая сульфатация электродов. ]
Некоторые производители, которым удалось путем корректировки ре- |
цептур уменьшить вероятность сульфатации электродов при длительном |
хранении при низком напряжении или при частых глубоких разрядах, I
специально отмечают эти особенности (см, раздел 4.5,1). 1
В [65] описывается возможность восстановления характеристик акку- I
муляторов, емкость которых снизилась до 80 % от начальной, при цикли- ]
ровании с зарядом пульсирующим током (время импульса порядка 100- I
200 мс, соотношение времени импульса и паузы 1 : 3). Эта возможность I
проверялась на аккумуляторах с решетками из сплавов свинец-сурьма и 1
свинец-кальций-олово. Несмотря на то, что механизмы, вызывающие 1
преждевременную потерю емкости, различаются, эффект от заряда пуль- 1
сирующим током наблюдался у обоих типов источников питания. I
Целесообразно периодически проводить циклирование в таком режиме 1
Для поддержания электродных масс аккумулятора в активном состоянии. I
При эксплуатации герметизированных с вин цов о-кислотных батарей следует 1
помнить, что в атмосфере помещения, в котором они эксплуатируются, может 1
повыситься концентрация водорода (из-за сброса излишнего давления при пере- I
заряде батарей). В целях безопасности помещение следует проветривать, гак как j
в присутствии пламени или искры в атмосфере не должно быть содержания водо- 1
рода в концентрации больше, чем 4 % [37]. 1
Профилактические мероприятия при эксплуатации i
литий-ионных аккумуляторов I
В отличие от источников тока других электрохимических систем, ли- я
тий-ионная батарея не требует регулярного обслуживания, циклы трени- I
ровки и восстановления слабо влияют на срок службы аккумулятора. Я
Следует помнить только, что схемы защиты батареи имеют малое I
собственное потребление, но тем не менее достаточное, чтобы за не- 1
сколько месяцев напряжение батареи могло снизиться до 2,5 В. В этом I
случае многие зарядные устройства не дадут возможности зарядить поте- |
рявшуго емкость батарею. |
Если батарея не используется в режиме циклирования, необходимо
периодически подзаряжать ее па 30-50 %.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА
7 ИСТОЧНИКОВ ТОКА
ПРИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
D РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ ТЕХНИКИ
Химические источники тока малой емкости массово используются в
таких областях техники, как приборостроение, системы связи и телеком-
муникационные, охранные системы, в портативных компьютерах, аулио-
и видеотехнике, электрических часах, бытовых приборах, инструментах,
игрушках и многих других устройствах.
Рассмотрим более подробно особенности работы химических источ-
ников тока в тех областях применения, где их использование наиболее
широкомасштабно и где необходима информация об альтернативных
вариантах их выбора.
Здесь уместно напомнить, что при выборе источника тока для пита-
ния проектируемой аппаратуры проектировщик должен определить при-
оритет требований к нему. Кажется целесообразным рассмотрение всех
возможных вариантов ХИТ начинать с их мощностных характеристик,
поскольку источник питания должен обеспечить необходимую мощность
аппаратуры. Выбор конкретного источника питания (в зависимости от
условий его работы, срока службы, цены и других критериев) определит
весогабаритные его характеристики, которые необходимо учесть при
конструировании аппаратуры.
Проектировщик должен четко представлять, что номинальная ем-
кость является одной из главных характеристик химического источника
тока, но реальная разрядная емкость зависит от многих параметров, и
прежде всего от нагрузки, требуемой для работы аппаратуры, в которой
он будет использоваться, а также от климатических условий ее работы.
Важнее рассчитать, какое время работы будет обеспечивать тот или иной
источник тока, какой диапазон напряжения он будет иметь при данной
нагрузке.
Кроме того, при проектировании всегда следует учитывать уровень
квалификации того, кто будет использовать аппаратуру, и по возмож-
ности упростить ее обслуживание. А защита источника питания от эф-
фектов, которые могут привести к авариям, вскрытию герметичных ХИТ
и травме пользователя или порче аппаратуры, должна быть автоматиче-
ской.
Заметим также, что в Европе из соображений экологических про-
блем не рекомендуется использование кадмия и ртути, поэтому по воз-
можности следует выбирать источники тока, не содержащие эти эле-
менты.
7. ВЫПОР ИСТОЧНИКОВ ГОКА
152
7.1. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
В течение нескольких десятилетий основным средс твом мобильной свя-
зи двух (а также и нескольких одновременно) абонентов являлась радиосвязь,
которая позволяла обмениваться устными сообщениями в режиме приема-
передачи. Дальность связи зависела от мощности передающего устройства,
которую могла обеспечить батарея из химических источников тока.
К концу XX века были созданы также и глобальные персональные сис-
темы связи, в которые интегрируются и национальные, и входящие в них
региональные и ведомственные сети связи. Это позволяет абоненту поль-
зоваться услугами связи в любой точке земного шара и, кроме телефонных
сообщений, получать телексные и факсимильные, а также различного рода
мультимедийную информацию. Выход непосредственно в телефонную сеть
общего пользования возможен с помощью разных систем радиосвязи с
подвижными объектами: систем персонального радиовызова (пейджинго-
вых систем), сотовых систем мобильной связи и спутниковых. Среди них
сотовые системы связи используются наиболее широко.
Повсеместное использование сотовой связи стало возможным после
того, как большое количество стандартов систем связи, действовавших в
разных странах, было заметно сокращено, С 1990 г. во всем мире началась
реализация системы сотовой связи стандарта GSM (Global System Гог Mobil
Communications). В США в 1993 г. в качестве внутреннего стандарта цифро-
вой сотовой связи был принят стандарт CDMA, получивший название IS-95.
В России в настоящее время сотовая телефонная связь обслуживает
многие крупные промышленные регионы страны, опа развивается па базе
использования 5 основных стандартов: аналоювых NMT-450, AMPS и циф-
ровых GSM, D-AMPS, CDMA.
Расширение возможностей связи привело не только к бурному разви-
тию этой области техники, но и к сосредоточению усилий разработчиков
химических источников тока на создании малогабаритных батарей доста-
точно большой емкости.
Аккумуляторная батарея является, как правило, наиболее капризной
частью мобильных устройств связи. Именно батарея часто является при-
чиной невозможности в нужный момент использовать канал связи либо в
связи с отсутствием в ней необходимого запаса энергии, либо из-за ее
отказа. Поэтому для обеспечения надежной и продолжительной работы
устройств связи необходимо иметь четкое представление о расходе энер-
гии используемой в ней батареи при разных режимах работы и наиболее
приемлемых способах ее переподготовки.
Батареи для радиостанций
Существует очень большое количество радиостанций, производимых
разными компаниями. В качестве автономного источника энергии для
них используются аккумуляторные батареи с напряжением в диапазоне
153 7.1. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ МОБИЛЬНОЙ связи
от 3,6 до 12 В. Емкость источника тока выбирается в зависимости от не-
обходимого времени использования радиостанции до перезаряжения и от
реализованного ее схемного решения. Обычно батареи должны обеспе-
чивать ток разряда до 2 Л.
На протяжении многих лет батареи радиостанций собирались из гер-
метичных никель-кадмиевых аккумуляторов, в последнее десятилетие
используются и никель-металлгидридные тех же габаритных размеров,
но с большей емкостью. Однако срок службы Ni-MH батарей меньше,
чем никель-кадмиевых, к тому же многие компании выпускают в на-
стоящее время Ni-Cd аккумуляторы с повышенной емкостью. В послед-
ние годы стали появляться и батареи из литий-ионных аккумуляторов.
Особенности работы щелочных аккумуляторов, их характеристики и
номенклатура подробно описаны в главе 3, там же показано, как конст-
руируется и собирается батарея из нескольких аккумуляторов. Особенно-
сти эксплуатации литий-ионных батарей описаны в главе 5. Номенклату-
ра литий-ионных батарей, способных обеспечить большую емкость и
большие токи разряда, пока не слишком велика.
При выборе батареи для радиостанции следует учитывать не только
ее емкость, но и внутреннее сопротивление. Ойо должно быть низким,
чтобы обеспечивать работу радиостанции в режиме передачи, когда раз-
рядный ток достигает максимальных значений.
Правильно выбранная и хорошо скомплектованная батарея при грамот-
ной эксплуатации способна обеспечить работоспособность радиостанции в
течение трех лет. Под грамотной эксплуатацией при этом подразумевается
прежде всего организация переподготовки батареи для нового рабочего дня.
Как правило, для радиостанций используют такую батарею, емкости которой
должно хватать с некоторым запасом на весь рабочий день. В конце его ба-
тарею ставят на заряд. Если к этому моменту достаточно большая емкость
остается не истрачен ной, батарея в простейшем зарядном устройстве будет
перезаряжаться. При использовании щелочных батарей это приводит со вре-
менем к снижению разрядного напряжения (см. описание феномена ложного
эффекта памяти в разделе 3.1.6). Для снятия негативного эффекта необходи-
мо 1 раз в месяц проводить 2-3 цикла с разрядом батареи до напряжения
JAwt = х 1,0), В, где п - количество аккумуляторов в батарее.
Батареи для сотовых телефонов
Среди многообразия выпускаемых во всем мире сотовых телефонов
наиболее популярны модели, производимые всемирно известными ком-
паниями: Motorola, Ericsson, Nokia, Philips, Alkatel, Panasonic, Samsung и др.
На продолжительность работы телефона влияет несколько факторов:
- мощность передатчика, так как в зависимости от расстояния до
станции расход энергии в телефоне при ослаблении сигнала автоматиче-
ски увеличивается;
7. ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ ТОКА
154
- расход энергии на поддержание сервисных функций телефона (под-
светка дисплея, обеспечение необходимого уровня громкости звонка и т. и.);
- расход энергии при переходе из одной зоны сотовой сети в другую,
а также при опросе телефонов сетью;
- температурный режим работы;
- емкость батареи;
- способ пополнения энергии батареи.
Первые два фактора определяются особенностями самого устройства
связи, третий - организацией работы сети, остальные - это факторы, ко-
торые должны учитываться при выборе батареи.
Компактный и комфортный в использовании телефон способен обес-
печить работу в течение нескольких часов (3,5-7 ч) в режиме разговора
или в течение 100-500 ч в режиме ожидания. Для питания сотового теле-
фона обычно требуется мощность порядка 3-6 Вт.
Для питания сотовых телефонов различных моделей и разных ком-
паний используются батареи с напряжением от 3,6 до 12 В. Для них ис-
пользуют герметичные источники тока разных электрохимических систем:
никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, литий-ионные и литий-поли-
мерные, свинцово-кислотные. Последние из-за своих низких удельных
энергетических характеристик используются только для сотовых телефо-
нов транспортных средств.
При выборе конкретного источника тока производитель телефона
учитывает следующие характеристики аккумуляторов: емкость, рабочее
напряжение, внутреннее сопротивление, температурный режим работы,
саморазряд, срок службы, весогабаритиые характеристики, цену и осо-
бенности эксплуатации. В табл. 7.1 приведены основные характеристики
аккумуляторов указанных систем, которые позволяют оценить особенно-
сти телефонов разных компаний. Подробную информацию об источниках
тока разных систем следует искать в соответствующих главах, где даны
типичные разрядные характеристики и величины внутреннего сопротив-
ления разных серий аккумуляторов и описано изменение этих характери-
стик в процессе эксплуатации.
Емкость используемых в сотовых телефонах батарей составляет от- 400
до 1800 мАч. Рассматривая большой ряд моделей телефонов, выпускаемых
разными компаниями [66, 67], видим, что более половины из них - это ще-
лочные Ni-MH батареи, и из них более трети имеют емкость, превышающую
1 Ач. Ni-Cd батареи в настоящее время практически не используготся.
В более дорогих сотовых телефонах литиевые батареи все больше вы-
тесняют щелочные. При этом литий-полимерные батареи пока составляют
малую их долю, прежде всего из-за более высокой цены. Но производители
активно внедряют их на рынок: например, предлагают премию в 10% тем
компаниям, производящим сотовые телефоны, которые начнут использова-
ние их батарей. Предполагается, что в течение года цена литий-полимерных
батарей для сотовых телефонов может упасть на 20-50 % [47].
155 7.1. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ МОБИЛЬНОЙ связи
Таблица 7.I. Характеристики аккумуляторов для батарей сотовых телефонов
Параметр Аккумулятор
Ni-Cd Ni-MH Li-ion Li-poi
Номинальное напряжение, В 1,2 1,2 3,6 3,6
Максимальный ток разряда, доли С„ до 13 С до 8 С до 2 С до 1 С
Удельная энергия: массовая, Вт/кг 45-55 55-80 100-150 180
объемная, Вт/дм3 130-175 170-240 250-300 250-400
Диапазон рабочих температур, °C -20 - +60 -10-+40 -30 - +60 —
Саморазряд, %: за первые сутки 5-7 5-10 0,2
за педелю 7-10 10-15 1,5
за 1 месяц <30 <30 <5 —
Срок службы, циклы 1000-1500 500 500-1000 150
Срок годности, годы До 10 1 2 —
Минимальное время заряда, ч 1 1 3-4 8-15
Устойчивость к перезаряду Средняя Низкая Очень —
Чувствительность к неправильной экс- Низкая Новы- низкая Высокая —
плуатации 11ериод между глубокими разрядами, сут 30 шейная 30 Не трс- —
буется
Литий-полимерные источники тока появились на рынке недавно, и информации о них пока
мало. Основное их достоинство в малой толщине и пластичности формы, которая может быть
приспособлена к использованию в любом свободном пространстве.
Повышенные требования к внутреннему сопротивлению аккумулято-
ров возникли при переходе сотовой телефонии от аналоговых стандартов к
цифровым. В аналоговом телефоне протекал стабильный ток, а у сотового
телефона цифрового стандарта GSM при меньшем общем потреблении
энергии график потребления тока представляет последовательность корот-
ких мощных импульсов, значительно превышающих номинальный ток
разряда батареи. Поэтому высокое внутреннее сопротивление вызывает в
момент импульса резкое снижение напряжения батареи и может прежде-
временно отключить телефон из-за ложного сигнала о достижении его по-
роговой величины.
Срок службы источников тока указан в полных циклах заряда-разря-
да. Однако напомним, что при уменьшении глубины разряда количество
этих циклов возрастает (см. раздел 3.1.6).
Сравнивая достоинства и недостатки батарей разных систем, следует
обратить внимание на обычный режим эксплуатации сотового телефона.
Его владелец, как правило, не знает состояния заряженности батареи и,
желая всегда иметь телефон в состоянии полной готовности, предпочитает
7. ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ ТОКА
156
часто подзаряжать батарею между сеансами связи. Использование телефо- Я
на в режиме неглубокого разряда на верхнем уровне зараженности по- Я
разному влияет на работоспособность щелочных и литий-ионных батарей, Я
Ni-Cd батареи эксплуатируются уже давно в разных областях техни- Я
ки и показали себя как надежные источники тока со стабильным напря-
жением в широком диапазоне токов нагрузки. Работоспособность Ni-Cd Я
батарей для сотовых телефонов сохранялась в течение большого срока: Я
до 5 лет. Испытания большого количества батарей сотовых телефонов, I
проводившихся в канадской компании Cadex [59], показали, что батареи Я
из стандартных Ni-Cd аккумуляторов сохраняют свою емкость в течение Я
более чем 2000 циклов. При этом ни их внутреннее сопротивление, ни
саморазряд практически не увеличиваются. Батареи из Ni-Cd аккумуля- Я
торов повышенной емкости имеют менее стабильные характеристики: их Я
емкость падает на 20% уже после 1000 циклов, а сопротивление увели-
чивается па 10 %. Но в настоящее время подробно обсуждать особенно-
ста эксплуатации этих батарей в сотовых телефонах уже не пелесо образ- Я
но по причине вытеснения их другими. Я
Ni-MH батареи обладают значительно большей емкостью, чем Ni-Cd Я
батареи тех же габаритов, но они более капризны в эксплуатации из-за Я
всех недостатков, которые подробно описаны в разделе 3.2.2. Емкость их Я
начинает снижаться уже после 300 циклов заряда-разряда, а после 1000 Я
циклов она не превышает 0,6 С„ [59]. К этому моменту резко увеличива- Я
ется и саморазряд, Я
У щелочных Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов при постоянном подза- Я
ряде после неглубокого разряда наблюдается снижение разрядного на- Я
пряжения (см. раздел 3.1.6, феномен ложного эффекта памяти). Для уст- Я
ранения этого эффекта рекомендуются периодические (не реже 1 раза в Я
месяц) разряды до исчерпания емкости (до 1,0 В на аккумулятор). Вооб- Я
ще же напряжение, при котором телефон отключается, часто выше этого Я
предельного, и в батарее всегда остается некоторая остаточная емкость. И
Доразряд должен производиться в зарядном устройстве, в котором этот Я
режим обеспечен. Я
Литий-ионные батареи более легки и компактны по сравнению со ще-
л очными. Они просты в эксплуатации и могут быть безопасно и эффект ив- Я
но заряжены с помощью дешевого зарядного устройства, работающего в Я
режиме постоянного напряжения. Батареи не требуют регулярного об- Е
служивания, так как снижения разрядного напряжения при неглубоком В
циклировании у них не наблюдается. i
В настоящее время эти батареи несколько дороже щелочных, но бур-
ное развитие их производства во всем мире позволяет в ближайшее время
рассчитывать на значительное снижение их стоимости. Можно надеяться
также, что скорость их заряда станет выше (в настоящее время заряд
производится не менее чем за 2-2,5 ч).
157
7.1. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ
Выбор источников тока разных систем в сотовых телефонах в значи-
тельной мере определяется предпочтениями компаний, производящих эти
телефоны. Они не всегда определяются комплексом технических пре-
имуществ конкретной системы, но учитывают стремление покупателя к
новизне, моду и рекламируемые надежды на фантастические преимуще-
ства. Как правило, дорогие телефоны имеют литий-ионную батарею, бо-
лее дешевые - никель-металлгидридпую.
Анализ тенденций развития этой области техники показывает, что к
2004 г. доля литий-ионных и литий-полимерных батарей может увели-
читься до 95 % L9J.
В мобильный телефон обычно встроено зарядное устройство (ЗУ),
которое согласовано со всеми возможными типами батарей „для данной
модели телефона. Обычно стремятся устанавливать наиболее простые в
обращении ЗУ. Они, как правило, не обеспечивают оценки количества
энергии, полученной при заряде, и не дают возможности доразряда бата-
рей, хотя необходимость в этой процедуре периодически возникает при
эксплуатации щелочных батарей. Следует четко понимать, что стратегии
заряда литий-ионных и щелочных батарей абсолютно разные. Поэтому
зарядные устройства для батарей одной электрохимической системы не
могут быть использованы для батарей другой системы.
При доразряде щелочных батарей на нагрузку, которую выбирает сам
пользователь, следует помнить, что доразряд следует контролировать по
напряжению и не разряжать батарею слишком глубоко. Разброс аккуму-
ляторов по емкости в батарее увеличивается в процессе эксплуатации, и
наиболее слабые из них при неконтролируемом разряде батареи будут
слишком долго находиться в состоянии переполюсования. В этом со-
стоянии в аккумуляторе выделяется водород, скорость регенерации кото-
рого очень низка, и это может привести к его разгерметизации. Следует
отметить, что после недолгого переполюсования Ni-Cd аккумуляторы
восстанавливают свои электрические характеристики, a Ni-MH повреж-
даются безвозвратно.
Сегодня существует много настольных зарядных устройств, способ-
ных вести контролируемый процесс заряда при любом уровне остаточной
емкости в батарее. Следует помнить только, что контроль заряда щелоч-
ных батарей и литий-ионных кардинально различается из-за различий
стратегии заряда, которые подробно описаны в главе 6.
Заряд щелочных батарей постоянным по величине током при специ-
фическом контроле напряжения (детекция - AU) и роста температуры, как
правило, осуществляется не более чем за 70 мин. Для некоторых типов
цилиндрических аккумуляторов он может быть выполнен и быстрее - за
30 мин. Часто после быстрого заряда ЗУ обеспечивает переход к режиму
компенсационного подзаряда батареи, но ие рекомендуется надолго остав-
лять батарею в таком режиме, так как это сокращает срок ее службы.
7. ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ ТОКА
158
Заряд литий-ионных батарей постоянным (но ограниченным по ве-
личине) током безопасно можно производить только до определенного
уровня напряжения источника тока (обеспечивается -80 % зараженности
за 2-3 ч), а продолжение заряда при поддержании источником питания
достигнутого напряжения происходит при постепенном снижении тока.
Такой заряд в две стадии позволяет не беспокоиться об остаточной емко-
сти батареи, потому что она влияет только на продолжительность первой
стадии заряда.
Для эффективной и долгой эксплуатации сотовых телефонов их про-
изводители обычно настоятельно рекомендуют использовать специали-
зированные зарядные устройства, характеристики которых согласованы с
характеристиками используемых батарей как в смысле стратегии заряда,
так и в части параметров батарей, В специализированных ЗУ могут быть
встроены элементы, позволяющие различать батареи из списка, допус-
каемого для данной модели телефона, и обеспечивающие необходимый
ток заряда. Поэтому при ремонте батарей их замена на другие, с большей
емкостью, приводит к неэффективной эксплуатации источника тока.
Источники тока для пейджеров
Пейджинговая связь в России осуществляется благодаря Единой
пейджинговой системе, которая кконцу 1997 г. объединяла уже более 80
городов страны. Развитие ее позволит создать междугороднюю сеть на
100 тыс. абонентов в крупных городах, областных и других центрах [62].
В настоящее время на российском рынке присутствуют как простые
цифровые и однострочные текстовые пейджеры, так и многофункцио-
нальные с большим объемом памяти. Появились и двухсторонние пей-
джеры (твейджеры), позволяющие не только принимать, но и передавать
сообщение по системе пейджинговой связи или через Internet на любой
другой пейджер или сотовый телефон. Наибольшим спросом пользуются
текстовые пейджеры.
Энергия источника питания пейджера расходуется в основном на пи-
тание высокочастотных каскадов приемника и устройства звукового сиг-
нала. Поэтому он может работать не постоянно, а с определенными ин-
тервалами: он включается на 100 мс каждую секунду и только если обна-
ружена соответствующая реакция, приемник остается включенным для
приема сообщения. Энергия необходима также для обеспечения работы
дисплея и других индикаторных устройств (например, индикации зоны
приема, состояния разряженности элемента), а также и для будильника.
В качестве источника энергии обычно используется I элемент типо-
размера ААА, энергии которого хватает примерно на 1 месяц работы. В ма-
логабаритных пейджерах иногда используют дисковые элементы CR2430
(литий-диоксид марганца).
159
7.2. ОСОБЕННОСТИ РАДИОТЕЛЕФОНОВ
Источники тока для телефонов спутниковой связи
Спутниковая связь имеет значительные преимущества перед описан-
ными выше видами мобильной связи, так как в этом случае снимаются
вес пространственные ограничения радиотелефонной связи и пакетной
передачи данных. Но эта связь очень дорога и в России широкого рас-
пространения не имеет.
7.2. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ДОМАШНИХ РАДИОТЕЛЕФОНОВ
В современном мире уже не обойтись без домашних радиотелефонов.
Они удобнее обычных телефонов, так как дают возможность перемеще-
ния по территории с радиусом до нескольких сотен метров.
Современные радиотелефоны стали цифровыми, что позволило зна-
чительно уплотнить выделенные диапазоны частот, создать микро сото-
вые сети на небольшой территории,
В таких радиотелефонах используются щелочные Ni-Cd и Ni-MH ба-
тареи с напряжением 2,4-6,0 В и емкостью до 2 Ач. В соответствии с са-
нитарными нормами мощность на антенне должна быть не более 10 мВт,
при этом в режиме разговора протекает ток порядка нескольких десятков
миллиампер. Батарея должна обеспечить в режиме разговора несколько
часов в день, в режиме ожидания - 1 сутки.
Заряд радиотелефонов чаще всего осуществляется стандартным ре-
жимом при токе 0,1 С. Но иногда производители встраивают в телефон
ЗУ, позволяющие заряжать батареи за 3—4 ч при контроле напряжения.
Такой контроль может быть неэффективным при разогретой батарее (см.
рис. 3.4 и описание контроля заряда в главе 6). Разогрев же батареи воз-
никает, если сеансы связи пользователя редки, а в промежутках радиоте-
лефон все время подзаряжается.
Срок службы Ni-Cd батарей в радиотелефоне - обычно 3 года. Ni-
MH батареи хуже приспособлены к режиму подзаряда, и в таком режиме
эксплуатации реальный срок их службы обычно не превышает 1 года.
Многие компании разработали серии высокотемпературных Ni-Cd
аккумуляторов, которые способны длительное время эксплуатироваться в
режиме подзаряда при температуре порядка 50 °C (см. раздел 3.4.3). Они
не допускают быстрый заряд, но при разряде способны обеспечить токи
более 1 С.
Компания SANYO разработала также аккумуляторы серии С повы-
шенного срока службы (емкостью до 900 мАч), которые могут заряжаться
током 0,3 С и выдерживать подзаряд даже таким током в течение месяцев.
В последнее время производители радиотелефонов часто конструи-
руют посадочное место .для установки щелочных аккумуляторов бытово-
го исполнения, которые пользователи может купить в любом специали-
зированном магазине. Следует только помнить, что обычные стандарт-
7. ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ ТОКА
ные Ni-Cd аккумуляторы проектируются для режима циклирования и в ;
режиме подзаряда работают не более 1-3 лет. Учитывая это обстоятельство, •;
компания SANYO разработала специально для радиотелефонов Ni-MH
аккумулятор и в бытовом исполнении.
Удешевление литий-ионных аккумуляторов позволяет надеяться, что
такие источники тока в ближайшее время будут использоваться и для
радиотелефонов. Учитывая безопасность и удобство заряда этих источ-
ников тока при стандартной его стратегии, а также встроенную систему
защиты, можно надеяться, что такие батареи смогут обеспечить эффек-
тивную эксплуатацию без замены в течение нескольких лет.
7.3. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ]
ВИДЕОАППАРАТУРЫ |
При работе с видеоаппаратурой аккумуляторные батареи, используе- 1
мые для ее питания, требуют большего внимания, чем остальные узлы. |
Успешная работа с профессиональной видеокамерой возможна толь- I
ко при достаточном времени сеанса съемок без перезаряда батареи. Если при |
работе с кинокамерой энергия тратится только в момент съемки, то видео- |
камера должна быть включена даже в момент поиска объекта в видеоиска- 1
тель, т. е энергия потребляется и во время ожидания момента съемки. 1
Современные профессиональные видеокамеры требуют для обеспе- 1
чения некоторой разумной продолжительности сеанса работы не менее 1
40 Вт. Кроме того, при работе в помещении для снятия теней на перед- |
нем плане на камере закрепляется осветительное оборудование, которое I
также может потреблять до 100 Вт. 1
При выборе аккумуляторной батареи должна быть учтена еще одна 1
особенность современных видеокамер: их схемы ориентированы на рас- 1
ход постоянной мощности, а не на постоянный ток, что было характерно |
для старой аппаратуры. 1
С 1980-х годов все видеооборудование специфицировано для работы 1
при напряжении в диапазоне от 10,5 В до 15,5 В. Это требование согласу- ]
ется с рабочим диапазоном батарей с номинальным напряжением 12 и ]
13,2 В. Но в 1990-х годах для обеспечения большего запаса мощности 1
чаще стали рекомендовать использовать батареи с более высоким номи- 1
пальиым напряжением (14,4 В) [68].
Такое напряжение может бы ть обеспечено щелочными Ni-Cd аккумуля-
торами, способными обеспечить ток в несколько ампер при стабильном
напряжении (см. номенклатуру щелочных аккумуляторов - раздел 3.4).
Батарея с напряжением 14,4 В может быть собрана и из 4 литий-
ионных аккумуляторов, но недостаточная мощность современных литий-
ионных аккумуляторов и повышенная взрывоопасность по сравнению со
щелочными батареями не позволяют в настоящее время широко исполь-
161
7.3. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ ВИДЕОАППАРАТУРЫ
зевать эти источники тока. А параллельное соединение таких батарей для
увеличения мощности источника питания требует повышенного внима-
ния к электронным системам защиты батареи.
Вообще говоря, общая тенденция у разработчиков новых источников
тока к облегчению веса батарей вступает в некоторое противоречие с
эргономическими требованиями к видеоаппаратуре. Это связано с тем
обстоятельством, что из-за тяжести оптики современных камер 2/3 их
веса приходится на переднюю часть аппаратуры, что дает большую на-
грузку на правую руку оператора. Вес батареи в некоторой степени обес-
печивает баланс всей системы. Поэтому обычное для другой аппаратуры
стремление к использованию более легких батарей в этом случае нецеле-
сообразно.
Гораздо важнее требование к надежности и прочности батареи, кото-
рая может использоваться в самых экстремальных условиях.
При эксплуатации батареи следует помнить, что ее реальная разряд-
ная емкость зависит от:
- уровня напряжения, при котором аппаратура отключается (он все-
гда выше напряжения, которое считается предельным для разряженной
батареи: (и х 1,0) В, где п - количество аккумуляторов в батарее);
- способа заряда;
- температурных условий заряда;
- степени деградации батареи со временем в процессе службы;
-саморазряда в течение времени между зарядом и использованием
батареи.
Поэтому выбор зарядного устройства и организация процесса пере-
подготовки батареи для следующего сеанса работы является существен-
ным моментом успешной работы аппаратуры.
Обычный ритм работы с профессиональной камерой требует быст-
рого перезаряда батареи. Поэтому чаще всего используется режим бы-
строго заряда током 1 С. Особенности этого процесса и необходимость
в специфическом контроле его подробно описаны в главе 6. Наиболее
надежным является совмещение контроля напряжения (-At/) и градиен-
та температуры (dTIdi), которые обеспечивают перезаряд батареи не
более чем на 110-115 %, после чего она способна отдать номинальную
емкость.
Так как видеокамеры автоматически прекращают работу при некото-
ром пороговом напряжении, которое обычно выше напряжения батареи
при полном се разряде, следует помнить, что разрядная емкость всегда
будет несколько меньше номинальной.
Наибольшие неприятности могут возникнуть при заряде сильно ох-
лажденной батареи (ниже +5 °C). При низкой температуре сопротивление
электролита и зарядное напряжение увеличиваются, и ЗУ может отклю-
чить батарею, не зарядив ее до необходимого уровня.
7. ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ ТОКА
162
Для того чтобы батарея сохраняла работоспособность в течение гаран-
тированного срока службы, следует придерживаться следующих правил:
- использовать зарядное устройство, рекомендованное изготовителем
батареи, так как оно согласовано с конкретной батареей и учитывает ее
внутреннее сопротивление;
- не рекомендуется использовать батареи других изготовителей и по-
сле ремонта: рассогласование характеристик батареи и ЗУ сразу не за-
метно, но ресурс батареи может уменьшиться:
- не рекомендуется использовать ЗУ без контроля напряжения и тем-
пературы, а также долго оставлять батарею в состоянии компенсацион-
ного подзаряда;
- рекомендуется периодически глубоко разряжать батарею перед
очередным зарядом, но не чаще 1 раза в месяц;
- при заряде нескольких батарей одновременно необходимо обеспе-
чивать циркуляцию воздуха для их охлаждения;
- транспортирование батареи следует осуществлять в жестком кон-
тейнере, чтобы избежать повреждения от ударов и падения;
- хранитв батареи при температуре возможно более низкой, никогда
не оставлятв надолго в месте, нагреваемом солнцем.
При видеосъемках в условиях холодного климата целесообразно учи-
тывать еще и следующие замечания (681:
- рекомендуется использовать батарею с номинальным напряжением
14,4 В;
- после работа на холоду никогда не заряжать батарею в режиме бы-
строго (1 ч) заряда; необходимо прогреть ее в помещении не менее 2 ч
или в несколько раз уменьшить ток заряда;
- целесообразно всегда иметь запасную заряженную батарею.
Отметим, что в жестких условиях съемок целесообразно иметь также
в запасе одноразовый источник тока, который допускает разряд доста-
точной мощност и в широком диапазоне температур.
В качестве такого источника тока могут быть рекомендованы батареи
из мощнвгх элементов систем Li/SOi и Li/SOCb, работоспособные в диа-
пазоне температур от-55 до +85 °C (см. раздел 2.2). 10-летний срок хра-
нения этих элементов без заметного снижения емкости сделает такую
запасную батарею элементов незаменимой для работы в чрезвычайной
ситуации.
Мощные элементы типа LSH 20 (SAFT) с номинальным напряжени-
ем 3,6 В способны к разряду постоянным током 1,8 А, при котором они
обеспечивают емкость до 6,5 Ач. Батарея из 4 элементов типоразмера
R20 весит 400 г.
Целый ряд элементов типа LO SAFT с номинальным напряжением
2,9 В емкостью от 3,5 до 16 Ач обеспечивает разряд постоянным током от
2 до 8 А, При температуре -40 °C напряжение элементов снижается до
163
7.4. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ ИНСТРУМЕНТОВ
2,5 В, а разрядная емкость до 0,5 С,,. Для работы видеоаппаратуры пона-
добится батарея из 5 элементов. Весогабаритные характеристики элемен-
тов ряда можно найти в разделе 2.2.3.
Компания SAFT выпускает и батареи различного напряжения и раз-
личной конфигурации сборки элементов, которые обеспечены защитой
от переразряда с помощью электрических и термических предохраните-
лей и диодной защитой.
7.4. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ ИНСТРУМЕНТОВ
С АВТОНОМНЫМ ПИТАНИЕМ
При выборе источников тока для инструментов, которые работают
автономно (дрелей, перфораторов, различного садового оборудования),
разработчик и потребитель сталкиваются все с гой же проблемой поиска
источника тока, мощного, удобного в эксплуатации и достаточно деше-
вого. Решение проблемы выбора при этом существенно зависит от того,
профессиональный это инструмент или используемый периодически в
домашних условиях.
Повышение интереса к профессиональным инструментам с автоном-
ным питанием определяется не только тем, что их можно использовать в
различных местах, где подведение питания от промышленных сетей не-
удобно или нецелесообразно, по и тем, что заряжать используемые в них
батареи можно ночью, когда электроэнергия дешевле.
Батарея дрели для профессиональной работы должна обеспечивать око-
ло 1 ч непрерывной работы при среднем токе порядка 2А. Нужно учитывать
также пусковые токи, а также работу в экстренных ситуациях (например,
когда сверло зажимает или когда шуруп завинчивается в мокрое дерево).
Иногда для увеличения мощности инструмента их изготовители уве-
личивают напряжение батареи. В некоторых инструментах напряжение
источника питания достигает 24 В и даже 36 В. В этом случае особое
внимание должно быть обращено на качество комплектования батареи.
Разбаланс аккумуляторов по емкости в батарее из двух и трех десятков
аккумуляторов становится неизбежным очень быстро, тем более при бы-
стром заряде. Срок службы таких батарей меньше, чем у батарей с номи-
нальным напряжением не более 12 В. Для того чтобы можно было рас-
считывать на сколько-нибудь продолжительную работоспособность та-
ких батарей без специальных периодических мероприятий, направленных
на выравнивание характеристик аккумуляторов, следует комплектовать
их из аккумуляторов компаний, однородность и стабильность качества
продукции которых проверена временем.
Батареи, способные к мощному разряду, следует искать среди щелоч-
ных аккумуляторов. Чаще всего используются аккумуляторы размера Cs в
стандарте ANSI (023 мм, h = 43 мм). При выборе аккумуляторов следует
7. ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ ТОКА
164
учитывать не только способность к мощному разряду, но и способность к
быстрому заряду. У многих ведущих зарубежных компаний разработаны
специальные серии щелочных аккумуляторов с малым импедансом.
Экологические требования в Европе вынуждают производителей ин-
струментов переходить на Ni-MH источники тока. Но они обеспечивают
и меньший ток, чем Ni-Cd, и меньший срок службы.
Среди Ni-MH аккумуляторов могут быть рекомендованы аккумуля-
торы компаний SAFT (тип VH Cs 3000), PANASONIC (тип HHR300SCP),
SANYO (типы HR-SC и HR-SCU). Эти аккумуляторы с емкостью до 3 Ач
при разряде током до 3 С способны обеспечить не менее 0,65 С(Г.
При периодическом использовании ручного инструмента можно ис-
пользовать более дешевые никель-кадмиевые аккумуляторы указанного
выше размера. Это, например, аккумуляторы компаний SAFT: типы VRE
Cs 1300R, VE Cs, VE Cs 1700; PANASONIC: типы P-130SCC, P-140SCC,
P-140CSR, P-180SCR; SANYO: типы KR-1800SCE, N-1900SCR.
Могут использоваться и Ni-MH аккумуляторы емкостью до 2 Ач.
Все эти батареи допускают заряд в течение 1 ч при соответствующем
контроле зарядного процесса и безопасный подзаряд в перерыве между
сеансами работы при использовании зарядных устройств с контролем на-
пряжения батареи (по -At/) и изменения температуры батареи. Зарядные
устройства для быстрого заряда и способы его контроля описаны в главе 6.
Учитывая возможность сильного разогрева батареи в экстремальных
ситуациях, следует выбирать аккумуляторы ие в пластиковом чехле, кото-
рый может расплавиться, а в специальной термостойкой бумаге. Перемыч-
ки между аккумуляторами и изоляция проводов должны обеспечивать про-
текание предельных токов, возникающих в экстремальных ситуациях.
В тех случаях, когда инструмент не ручной, а мобильный, и весогаба-
ритные характеристики батареи не столь критичны, могут быть использова-
ны и герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы. Такие батареи
применяются для садовых инструментов, пылесосов и другого аналогично-
го оборудования. Характеристики свинцово-кислотных батарей и способы
их заряда подробно описаны в главе 4. Главный их недостаток в малом сро-
ке службы: при глубоком разряде они обеспечивают не более 200 циклов.
Но и стоимость их существенно меньше стоимости щелочных батарей.
При исчерпании емкости свинцово-кислотные батареи не могут быть
заряжены быстрее чем за 5-7 ч. Но их можно использовать в режиме по-
стоянного подзаряда, как это делается часто при использовании их для
пылесосов. Однако такие пылесосы не обладают большой мощностью,
так как св ин цово-кислотные батареи не могут обеспечить очень коротких
разрядов (токами порядка 2-4 Q. В качестве альтернативы могут рас-
сматриваться никель-кадмиевые аккумуляторы серий, разработанных для
использования в режиме подзаряда, например аккумуляторы компании
SAFT (серии VRE и VT емкостью в несколько ампер-часов), SANYO (се-
рия Н, емкость до 10 Ач) или PANASONIC (серия И, емкость до 4 Ач).
165 7.5. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ СПОРТИВНЫХ МОДЕЛЕЙ
7.5. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ СПОРТИВНЫХ МОДЕЛЕЙ
Модели самолетов, машин и лодок
Спортивные модели самолетов, машин и лодок с электрическим дви-
гателем и дистанционным управлением - это очень специфическая об-
ласть использования герметичных источников тока, где в течение 5-8 мин
они должны обеспечить токи до 20-30 А. Пусковые токи могут достигать
100 А. Напряжение батареи обычно 7,2 или 8,4 В,
Для моделей машин и лодок выпускаются специальные серии ще-
лочных аккумуляторов строго регламентированного размера KR 23/43 в
обозначениях МЭК (или Сз в системе ANSI).
Для моделей машин, которые часто находятся в режиме разгона и тор-
можения, требуются аккумуляторы с минимально возможным внутренним
сопротивлением. В этом случае используются никель-кадмиевые батареи.
Для моделей лодок необходимо обеспечить максимальную скорость
и управляемость. В этом случае требуется стабильное напряжение и чаще
всего используются никель-металлгидридные батареи. Для некоторых
классов лодок (например, при гонках на время) напряжение и размеры
батарей не регламентируются, ограничивается вес лодки.
Модели крупных кораблей соревнуются в фигурном плавании. Огра-
ничений на размеры батарей нет, и в этом случае часто используются
свинцово-кислотные батареи.
От источника тока моделей самолетов с электрическим двигателем
требуется минимальный вес. Чаще всего используются аккумуляторы
KR 17/30 и KR 17/43 в системе обозначений МЭК (или 2/3 А и 4/5 А в
системе ANSI) с наименьшим внутренним сопротивлением.
В самолетах с двигателем внутреннего сгорания химические источ-
ники тока используются для стартера (батарея с напряжением 12 В) и
подогрева свечи (1 свинцово-кислотный аккумулятор). При использова-
нии в этих моделях дистанционного управления устанавливается батарея
управления рулями. Это чаще всего никель-кадмиевая батарея.
Модели оружия
В последнее время стали популярны модели пневматического ору-
жия, представляющие собой копии существующих винтовок и автоматов.
Поршень с пружиной взводится электромотором, который питается от
щелочной аккумуляторной батареи с напряжением от 7,2 до 9,6 В. Ток
разряда - до 17 А.
Батареи, обеспечивающие такие требования, можно найти только
среди Ni-Cd батарей, которые допускают при разряде токи до 13 С и Ni-
MH батарей с токами разряда до 8 С.
7. ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ ТОКА 166
7.6. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ ПОРТАТИВНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ
В портативных компьютерах, используемых в автономном режиме,
химический источник тока должен обеспечивать токи до 2 А. Для них
могут быть использованы как щелочные батареи, гак и литиевые. Выбор
батареи, однако, неоднозначен,
При интенсивной работе портативного компьютера лучше всего
использовать никель-кадмиевые батареи. Они могут обеспечить его ра-
боту в течение многих лет. Возможны и длительные перерывы в экс-
плуатации компьютера. По после таких перерывов батарея должна
быть перезаряжена. Следует помнить и о необходимости периодиче-
ских профилактических мероприятий для устранения "эффекта памяти"
батареи.
Никель-металлгидридные батареи обеспечивают меньший срок служ-
бы, чем никель-кадмиевые. Они также требуют перезаряжения при дли-
тельных перерывах в работе компьютера и внимания к величине рабочего
напряжения, которое снижается, если батарея постоянно находится в ре-
жиме подзаряда. Можно надея ться, что совершенствование Ni-MH бата-
рей с повышенными удельными энергетическими характеристиками при-
ведет в ближайшее время к увеличению их ресурса.
Литий-ионные батареи при интенсивной эксплуатации компьютера
могут обеспечи ть до 1000 циклов. Обслуживание их несложно: безопас-
ный заряд в течение 4 5 ч в потенциостат и чес ком режиме, профилакти-
ческие мероприятия не требуются,
Современные литий-полимерные батареи не могут быть использова-
ны в портативных компьютерах, так как они маломощны и имеют малый
срок службы. Но усилия, направляемые во всем мире на совершенствова-
ние этих систем, могут в недалеком будущем сделать их также конку-
рентными. Тем более, что они могут быть изготовлены в любой конфигу-
рации.
В настоящее время при выборе источника автономного питания для
портативных компьютеров, которые работают обычно от сети перемен-
ного тока и с параллельно подключенной батареей, все чаще вопрос ре-
шается в пользу литий-ионных батарей, обеспечивающих максимальное
удобство при эксплуатации. При использовании щелочных батарей ни-
кель-кадмиевые источники тока все больше во всех приложениях заме-
няются более емкими металл гидр иди ы ми, ни последние очень чувстви-
тельны к температурному режиму работы постоянно включенного ком-
пьютера и уровню перезаряда батареи. Усложнение электронных схем
защиты Ni-МП батарей привело к такому усложнению всей системы пи-
тания и ее удорожанию, что использование литий-ионных батарей кажет-
ся наиболее перспективным.
167 7-8. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЧАСОВ
7.7. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ ОХРАННЫХ СИСТЕМ И БЛОКОВ
БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ
Для систем сигнализации и охранных систем характерно использова-
ние стационарных источников тока при работе их в буферном режиме.
Эти особенности и определяют выбор герметизированных свинцово-
кислотных батарей в качестве недорогого источника питания, работо-
способного в течение большого срока службы. Особенности работы
этих батарей подробно описаны в главе 4. В настоящем разделе целесо-
образно только обратить внимание пользователей на необходимость
периодических профилактических мероприятий (цикла заря да-раз ряда)
для обеспечения гарантированных производителем характеристик (см.
раздел 6.2.4).
Альтернативой свинцово-кислотным батареям являются никель-кад-
миевые (более компактные) из аккумуляторов, которые специально спроек-
тированы для работы в режиме подзаряда и способны в любой момент обес-
печить большие токи разряда для подачи сигнала. Аккумуляторы высоко-
температурных серий, разработанные разными компаниями, работоспо-
собны в режиме постоянного подзаряда при температуре в помещении 45-
50 °C, кратковременно выдерживают и значительно большие температуры.
В блоках бесперебойного питания батареи также работают в буферном
режиме. В зависимости от мощности, которую они должны обеспечить при от-
ключении основного источника питания, выбирают либо свинцово-кислотные
батареи из большого типоразмерпого ряда (емкостью до 3000 Ач), либо ни-
кель-кадмиевую из аккумуляторов вышеупомянутой серии высокотемператур-
ных аккумуляторов для режима подзаряда, но емкость их не превышает 10 Ач.
7.8. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЧАСОВ
Часы должны работать от одного элемента не менее 2 лет. А потреб-
ление тока в часах со стрелками - порядка 1-2 мкА.
Для таких часов чаще всего используют серебряно-цинковые элементы
с КОН в качестве электролита. Эти элементы выпускаются в широком
диапазоне емкостей (см. табл. 2.5). С увеличением габаритных размеров
часов появляется возможность использования элемента большего размера
и емкости, которые должны обеспечить работу более тяжелого механизма.
Если в часах есть будильник, подсветка или секундомер, используют
элементы с NaOH в качестве электролита, которые обеспечивают боль-
шие (до 20 раз) токи.
В часах с жидкокристаллическим дисплеем ток меньше, чем в стре-
лочных. В этом случае используются литиевые элементы, которые спо-
собны обеспечить их работу в течение 5-7 лет.
При замене отработавшего элемента часов иногда используют мар-
та нцево-цинковые элементь! (см. табл. 2.5). Они дешевле, но имеют мень-
шую емкость и малый срок хранения.
7. ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ ТОКА
168
В часах с солнечной батареей или с генератором используются под-
заряжаемые элементы. Производители часов обещают чуть ли не вечную
работу такого источника питания, но опыт эксплуатации показывает, что
их срок службы практически не отличается от срока службы обычных
одноразовых источников тока. Во многом это объясняется тем, что при
эксплуатации таких часов (особенно в северных широтах) солнечные
батареи не обеспечивают достаточного подзаряда элемента, так как они,
зачастую, скрыты от попадания света,
В часах с генератором последние годы начали использовать ионисто-
ры - конденсаторы большой емкости. Но они тоже имеют ограниченный
срок службы.
7.9. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ЦЕЛЕЙ
В медицине весьма часто используются устройства, позволяющие
человеку с теми или иными дефектами улучшить "качество жизни". Та-
кие устройства должны иметь автономное питание, и для них использу-
ются разнообразные химические источники тока.
Кардиостимуляторы
От химических источников тока, используемых для кардиостимуля-
торов, требуется не только малый вес и объем, но и высокая надежность
при длительном сроке службы. Для этих целей уже многие годы исполь-
зуются элементы Li/Ь с твердым электролитом емкостью до 4 Лч (40 г).
При номинальном токе разряда - 30 мкА они обеспечивают работу кар-
диостимулятора в течение 10-15 лет, они надежны и устойчивы в работе.
Подробно особенности этих элементов описаны в разделе 2.2.2.
Слуховые аппараты
Устройства для улучи гения слуха - это аппараты, которые более 50
лет массово используются по всему миру как для взрослых людей, так и
для детей с дефектами слуха. Достаточно сказать, что в США - ведущей
стране в разработке и производстве слуховых аппаратов - в настоящее
время продается порядка 2 млп. слуховых аппаратов в год. Как правило,
эти устройства стабильно работают в диапазоне напряжений 1,4-1,1 В.
При более низком напряжении возникают шумы и искажения звука, от-
рицательно влияющие на психоэмоциональное состояние человека и
приводящие к ухудшению его слуха и общего состояния.
При выборе источников тока для слуховых аппаратов приходится
учитывать не только требования к диапазону рабочих напряжений, но
также и требование миниатюрности и малого веса, поскольку эти устрой-
ства размещают либо за ухом, либо непосредственно в ухе.
169
7. JO, ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
За прошедшие 50 лет для слуховых аппаратов использовал ись и эле-
менты разных электрохимических систем, и никель-кадмиевые аккумулято-
ры. Среди первых прежде всего - ртутно-цинковые, серебряно-цинковые и
воз душ но-цинковые элементы, иногда марганцево-цин новые, В России
долго использовались также и дисковые Ni-Cd аккумуляторы емкостью
0,03 Лч, поскольку не был налажен выпуск отечественной продукции
другого рода с необходимыми характеристиками.
В настоящее время проблема выбора источника тока для слуховых
аппаратов может быть решена без обязательной ориентации на отечест-
венное производство источников тока, но при учете всего мирового опы-
та использования этой массовой продукции.
Анализ продукции ведущих компаний, выпускающих более 120 моделей
слуховых аппаратов, показывает, что в более чем в 85 % моделей использу-
ются воздушно-цинковые элементы. Эти элементы имеют высокие удельные
энергетические характеристики и стабильное рабочее напряжение 1,4 В (см.
раздел 2.1.2, табл. 2.6 и 2.7). Для людей с самым плохим слухом компания
PANASONIC выпускает модификации трех элементов, способных к разряду
более высоким током. Обычно элементы обеспечивают работу слухового
аппарата в течение 1-4 недель. Срок их хранения до вскрытия отверстия для
доступа воздуха - до 2 лет. Они дешевы и экологически безопасны.
Именно экологические требования заставляют отказываться от ис-
пользования ртутно-цинковых элементов, доля использования которых в
слуховых аппаратах уже к началу 1990-х годов была немногим более
10 %. А серебряно-цинковые элементы дороги. Дешевые мар ганце во-цин-
ковые элементы также оказались неконкурентными, так как их напряже-
ние сильно меняется в процессе работы.
Дефибрилляторы
В медицине существует еше одна настоятельная необходимость в ав-
тономных источниках питания - для дефибрилляторов.
Особенности их эксплуатации (необходимость постоянной готовно-
сти к работе, требование к обеспечению больших токов для заряда кон-
денсаторов для электрического удара) приводят к однозначному выбору
химических источников тока. Для этих целей используются только ни-
кель-кадмиевые аккумуляторы.
7,10. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
ДОЛГОВРЕМЕННОЙ РАБОТЫ
В разнообразных счетчиках (например, электричества, теплоты и
т. п.), которые питаются от сети переменного тока, но в аварийных си-
туациях для сохранения накопленной информации требуют обеспечения
бесперебойного питания, используются элементы с малым потреблением
и длительной сохранностью.
7. ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ ТОКА
170
Наилучшим решением являются литиевые элементы, срок сохранно-
сти которых достигает 10 лет. Сроки хранения цилиндрических элемен-
тов, как правило, больше, чем у дисковых.
7,11, ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ БУРОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
От источников тока, которые должны использоваться в буровом обо-
рудовании, требуется работоспособность при высокой температуре и при
больших вибрациях.
Обычно максимальная рабочая температура щелочных аккумулято-
ров не превышает +60 °C, литиевых элементов +75 °C.
Разнообразными технологическими изменениями заметно расширить
рабочий температурный диапазон щелочных аккумуляторов не удается.
Серии высокотемпературных аккумуляторов разработаны только для
длительной работы при повышенных температурах в режиме подзаряда.
Литиевые элементы расширенного температурного диапазона пред-
ставлены в табл. 7.1.
Элементы компании SONNENSCHEJN LITHIUM слаботоковые, они
допускают максимальный постоянный ток нс более 0,01 С. Компания
выпускает также большой спектр слаботоковых элементов от 1 до 35 Ач,
работоспособных при температуре +85 °C.
Элементы компании SAFT - значительно более мощные, они допус-
кают токи до 0,15 С.
Таблица 7.1. Элементы Li/SOCLjflafl расширенного диапазона температуры
КпмпаниЯ’Произво- дитель Максимальная рабочая TCMnepaiypa, °C Тип Размер Ем-* кость, Ач ' Номп- ндпк- ныи ток, мА Максн- малъ- иый ток, мА Им- пульс- ный ток, мА
SONNENSCHE1N + 130 SL-55O 1/2АА 0,8 0,6 6 —
LITHIUM SL-561 2/3 АА 1,0 1,0 10 —
SL-56O АА L7 2,0 20 —
SAFT +85 °C LSH 26180 1/ЗС 1,15 10 400 1500
(кратковременно LSH 14 С 5,5 10 800 2500
+100°о LSH 20 D 13,0 15 1800 4500
7,12, ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ БЫТОВЫХ ПРИБОРОВ
И УСТРОЙСТВ
Для бытовых приборов разного рода могут применяться как элемен-
ты, так и аккумуляторы.
Среди элементов наиболее часто используются дешевые и мощные
марганцево-цинковые элементы, особенно при эпизодической работе при-
боров. Если масса источника тока не является его самой критической ха-
171
7.12. ИСТОЧНИКИ ТОКА ДЛЯ БЫТОВЫХ ПРИБОРОВ
рактеристикой. то этими элементами оснащаются фонари разного рода,
игрушки, переносные магнитофоны и радиоприемники.
Наиболее популярные модели МЦ-элементов и цилиндрических ще-
лочных аккумуляторов имеют одинаковые габаритные размеры (см. раз-
дел 3.4.1). Пользователи, желая увеличить срок службы источников тока,
иногда используют не элементы, а аккумуляторы. По это не всегда целе-
сообразно. Щелочные аккумуляторы имеют довольно значительный са-
моразряд (20 -35 % в месяц) и при хранении могут в нужный момент ока-
заться неспособными к отдаче энергии.
Для питания слаботочной аппаратуры (часов, приемников, пультов
дистанционного управления и т. п.) могут использоваться наиболее де-
шевые солевые МЦ-элементы. Но они совершенно непригодны для аппа-
ратуры, имеющей мотор или ярко светящую лампочку. Для обеспечения
больших токов разряда необходимы щелочные МЦ-элементы. А в прибо-
рах долгого использования и достаточно дорогих чаще используют акку-
муляторы и аккумуляторные батареи.
В фонарях профессиональных, например для шахтерских головных
светильников, используются щелочные батареи с напряжением 3,6 В и
емкостью 10-15 Ач, которые обеспечивают освещение в течение всей
рабочей смены. В фонарях бытовых чаще используются более дешевые
свинцово-кислотные батареи, но они имеют в 5 раз меньший срок служ-
бы и во избежание преждевременной порчи их нельзя хранить в разря-
женном состоянии. Следует помнить также, что срок службы свинцовой
батареи может быть сильно сокращен при использовании простейшего
зарядного устройства, в котором, как правило, реализуется только заряд
постоянным током фиксированной величины.
В цифровых фотоаппаратах, где возможны токи потребления до 2 А,
производители рекомендуют использовать щелочные Ni-Cd и Ni-MH ак-
кумуляторы, которые способны к разряду при больших плотностях тока.
Количество циклов, которое могут обеспечить первые из них, - больше.
В калькуляторах, которые подзаряжаются от солнечной батареи, ис-
пользуются подзаряжаемые марганцево-цинковые элементы.
В бытовых электрических приборах, используемых в ванных комна-
тах, в целях обеспечения электробезопасности питание от сети -220 В
заменяют на автономное питание от щелочных аккумуляторов. В брит-
вах, эпиляторах и других аналогичных приборах чаще всего используют-
ся аккумуляторы емкостью порядка 1 Ач, которые разряжаются при то-
ках порядка 0,5 С. Никель-металлгидридные аккумуляторы обычно име-
ют до 1,5 раз большую емкость по сравнению со стандартными никель-
кадмиевыми, но меньший срок службы. Во многих случаях наилучшим
может быть выбор никель-кадмиевых аккумуляторов повышенной емко-
сти (см. раздел 3.4.3).
!
ДИЛГНОСТИИАСОСТОННИН
ХИМИЧЕСКИХ источников
ТОКА
В процессе эксплуатации химических источников тока часто возни-
кает вопрос о возможности определения их технического состояния. Для
первичных источников тока - это оценка их сохранности и способности
обеспечить определенный рабочий диапазон напряжения. Для перезаря-
жаемых источников тока имеют смысл два вопроса: возможность оце-
нить в любой момент величину остаточной емкости и прогноз дальней-
шей работоспособности.
При рассмотрении этих задач мы сталкиваемся с тремя проблемами:
- наличие параметров источников тока, которые позволили бы с не-
обходимой точностью обеспечить оценку его состояния;
- разброс величин этих параметров у источников тока одного типа;
- наличие простой аппаратуры, позволяющей произвести тестирова-
ние источника тока, и методик оценки его состояния.
Описывая ограниченные возможности технической диагностики, кото-
рая может быть организована с помощью весьма простой аппаратуры, мы
хотели бы отметить и более сложные методы, информация о которых может
быть полезной как для разработчиков источников тока, так и для производи-
телей, изготавливающих ап парагуру для особо ответственных приложений.
8.1, ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИСТОЧНИКОВ ТОКА ?
При диагностике технического состояния любого объекта методы ;
неразрушающего контроля всегда предпочтительнее. В случае источника
тока это методы, позволяющие определить его состояние без потери •'
энергии или при очень малой ее потере.
Как для оценки остаточной емкости источника тока, необходимость в
которой характерна и для первичных источников тока, и для перезаря- В
жаемых, так и для прогнозирования последующей работоспособности g
циклирующихся аккумуляторов в качестве диагностических параметров К-
могут быть использованы одни и те же характеристики источников тока,
Это их напряжение при разомкнутой цепи и под нагрузкой, сопротивле-
ние, реакция на специфический тестовый электрический сигнал.
Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ)
Так как напряжение разомкнутой цепи даже единичных источников
тока разных электрохимических систем практически всегда превышает
1 В, а изменения его при потере емкости обычно невелики, для измерений
173 8-i. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
необходимо использовать цифровой вольтметр с большим входным со-
противлением, чтобы не нагружать источник тока, и погрешностью не
более ±0,1 %. Необходимо также исключить влияние различных факто-
ров, дестабилизирующих измерения: проводить их следует при одинако-
вой температуре и при стабильном состоянии источника тока.
Попытки использовать измерения НРЦ для оценки остаточной емко-
сти источника тока предпринимались чаще всего при диагностировании
первичных источников тока. Большого успеха в оценке степени сохран-
ности элементов при измерениях НРЦ достигнуть не удалось. Это обу-
словлено не столько малыми изменениями НРЦ элементов при уменьше-
нии их остаточной емкости, сколько тем фактом, что эти изменения со-
измеримы с разбросом этого параметра у свежих элементов, особенно от
разных производителей. Тем не менее этот параметр благодаря простоте
измерений считается приемлемым для грубой оценки сохранности пер-
вичных источников тока, даже литиевых, у которых пассивация поверх-
ности анода со временем искажает картину изменений НРЦ [69].
Оценить состояние зараженности щелочных аккумуляторов с неизвест-
ной предысторией эксплуатации по величине НРЦ нельзя. Но такие изме-
рения лают возможность оценить степень сохранности аккумулятора в тече-
ние нескольких недель после очередного заряда. Так, например, в результате
изучения саморазряда и скорости уменьшения НРЦ аккумуляторов SAFT
(никель-кадмиевых VTD и VE Cs 1700 и никель-металлгидридного VH
4/5А) с разной потерей емкости за 28 суток хранения (25. 60 и 28 % соот-
ветственно) был построен единый график зависимости между величина-
ми НРЦ щелочных аккумуляторов и их саморазряда (рис. 8.1). Видно, что
независимо от скорости саморазряда аккумуляторов все экспериментальные
Рис. 8.1. Зависимость НРЦ щелочных аккумуляторов SAFT от величины
потерь емкости при хранении их в течение 1 месяца после заряда
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 174
данные могут быть аппроксимированы одной кривой, представляющей
почти линейную зависимость между этими величинами.
Для щелочных аккумуляторов других производителей зависимость
НРЦ - Сост из-за некоторого разнообразия рецептур активных масс элек-
тродов может иметь небольшие отклонения от показанной на рис. 8.1.
При хранении в течение более продолжительного времени скорость
саморазряда уменьшается, а характер процессов в аккумуляторе меняет-
ся. Поэтому зависимость между НРЦ и остаточной емкостью при потере
более 30- 40 % емкости несколько изменится.
Аналогичная зависимость НРЦ и Сост должна иметь место и непо-
средственно после разряда (но не после длительного хранения в разря-
женном состоянии).
В ОАО "НИАИ "Источник", например, разработана методика дозаря-
да герметичных призматических Ni-Cd аккумуляторов с металлокерами-
ческими положительными и прессованными отрицательными электрода-
ми, которая позволяет определить уровень необходимого дозаряда акку-
муляторов, разряженных в течение рабочей смены на разную глубину.
Емкость, которую следует сообщить разряженному аккумулятору, опре-
деляется в зависимости от величины НРЦ аккумулятора в соответствии с
экспериментально определенной кривой (рис. 8.2). Измерения НРЦ для
установления в аккумуляторе стационарного состояния должны прово-
диться не ранее, чем через 1 ч после очередного разряда. Из рис. 8.2 вид-
но, как меняется характер зависимости при уровне разряженности более
30 %. В диапазоне разряженности 30-90 % от С„ кривая также имеет ли-
нейный характер, но с меньшим наклоном.
Следует отметить, что такая опенка остаточной емкости с наработкой
аккумуляторов становится все менее точной. При длительном циклировании
Рис. Я.2. Рекомендуемый доз а ряд призматических Ni-Cd аккумуляторов
ОАО "НИАИ "Источник" в зависимости от уровня их разряженно-
сти

175
8.1. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
Рис. 8.3. Зависимость НРЦ и степени заряженноеги герметизированных
свинцово-кислотных аккумуляторов PANASONIC [41]
аккумуляторов миграция активных масс катода и появление дендритных
мостиков между электродами разной полярности добавляет еще один
механизм саморазряда, и начальная зависимость НРЦ - Сост может суще-
ственно исказиться.
Степень разряженности свинцово-кислотных аккумуляторов по вели-
чине его НРЦ можно определить более точно, потому что концентрация
электролита в процессе разряда меняется линейно и довольно значительно.
Изменение НРЦ батарей из герметизированных свинцово-кислотных акку-
муляторов с изменением степени заряженности показано па рис. 8.3.
Напряжение под нагрузкой (Црп0)
Может показаться, что напряжение источника тока при подключении
нагрузки может дать больше информации о его состоянии.
Унифицированность измерений для тестирования проще всего обес-
печить, если считать рабочим напряжением t/pafi такое, которое имеет
место для источников тока каждой электрохимической системы при раз-
ряде в номинальном режиме.
Но если учесть, что обеспечение стабильности рабочего напряжения
является одной из главных проблем при проектировании ХИТ, отработке
его технологии и, наконец, при выборе ХИТ для определенного техниче-
ского приложения, то становится очевидным, что этот параметр скорее
всего может обеспечить весьма ограниченные возможности для диагно-
стики степени заряженности источника тока. Зона низкой чувствительно-
сти параметра £/р(16 в средней области характеристики обычно составляет
70-80 % его полной емкости. Так как величина рабочего напряжения он-
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
176
ределяется не только степенью заряженности источника тока, ио и сто
индивидуальными особенностями и предысторией эксплуатации, в лю-
бой момент оценить величину его остаточной емкости по этому парамет-
ру нельзя. Сколько-нибудь четко удается различить только практически
полностью разряженный источник тока от того, который еще сохраняет
некоторую энергию. А учитывая разброс характеристик свежих источни-
ков тока, в общем случае трудно рассчитывать на сколько-нибудь полез-
ную информацию.
Отклик на тестовый сигнал
Увеличивая нагрузку источника тока, можно больше проявить его
индивидуальные особенности.
В этом случае в качестве диагностического параметра используется
уже отклик источника тока на специальный тестовый сигнал - нагрузку
током, обеспечивающим отклик, который можно измерить с достаточ-
ной точностью. Учитывая, что внутреннее сопротивление источников
тока рассматриваемых нами классов измеряется единицами и десятками
миллиомов, для того чтобы получить изменение напряжения в несколь-
ко милливольт, следует обеспечить протекание тока порядка 1 А и
более.
Для того чтобы использовать отклик на импульс постоянного тока в
качестве параметра диагностики, необходимо унифицировать как вели-
чину импульса (в величинах относительно емкости источника тока), так и
его продолжительность. Точность оценки величины напряжения будет
зависеть от регламентированных условий измерений и аппаратуры, кото-
рая обеспечивает унифицированный тестовый сигнал и измерение откли-
ка с необходимой точностью.
Такой тест предлагает, например, компания VARTA для отбраковки
некачественных серебряно-цинковых элементов для часов. Для разных
типов элементов в каталоге изделий дается величина допустимого сни-
жения величины напряжения при нагрузке в 400 Ом (или большей для
самых миниатюрных элементов) в течение 0,2 с. Тест, однако, не позво-
ляет оценить остаточную емкость элементов. Распространение этой ме-
тодики отбраковки на элементы других компаний возможно только при
условии обследования достаточно больших партий их продукции и опре-
деления стандартной величины снижения напряжения при регламентиро-
ванной тестовой нагрузке.
Оценка в любой момент состояния заряженности аккумулятора по
величине его напряжения при нагрузке вообще невозможна, так как £/ра6
сильно зависит от предыстории эксплуатации. Поскольку эти источники
тока - перезаряжаемые и потеря 1-3 циклов практически не сказывается
на общем ресурсе, аккумуляторы обычно разряжают до предельного на-
177
8.1. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
пряжения и заряжают заново. Возможность получить при втором разряде
емкость, характерную для его состояния, зависит как от предшествующей
наработки, так и от времени и условий хранения. После долгого хранения
аккумуляторов, например, для восстановления нормального вида харак-
теристик требуется несколько циклов заряда-разряла. Подробнее об этом
можно прочитать в разделе 6.2.3.
Внутреннее сопротивление
Поскольку, как сказано выше, состояние источника тока может быть
лучше всего оценено при кратковременной его нагрузке током большой
величины, возникает желание так организовать измерения, чтобы можно
было извлечь как можно больше информации из отклика.
Естественна попытка разделить отклик источника тока на протекаю-
щий ток в соответствии с долями потерь напряжения па разных состав-
ляющих полного сопротивления.
В общем виде напряжение источника тока под нагрузкой
U = НРЦ - IR = 11РЦ -/(/?й + ЛП1„),
где I - ток разряда, R - полное сопротивление .ХИТ. Омическое сопротивление Rq
определяется сопротивлением токопроводящих деталей электродов, их активных
масс и сопротивлением электролита, поляризационное сопротивление Rnal - ха-
рактером электрохимических реакций. Соотношение Ra и источника тока
различно при разной ст епени его заряжепости.
Сопротивление До отражает все особенности технологического про-
цесса производства (количество залитого электролита, распределение его
в поровом пространстве элек тродов и сепаратора, плотность сборки бло-
ка электродов, от которой зависит перенос газа от одного электрода к
другому). Возникающие в процессе эксплуатации дефекты: остаточная
деформация корпуса, разбухание электродов, отслоение активной массы,
коррозия токоведущих деталей - сказываются на увеличении именно это-
го параметра.
Поляризационное сопротивление /?h01 отражает динамику электрохи-
мических реакций. Оно увеличивается при уменьшении степени заражен-
ности. В процессе длительной эксплуатации изменения активных масс и
состояния поверхности электродов также сказываются па величине
Более детальную информацию о поляризационном сопротивлении
можно получить при расшифровке отклика источника тока не на импульс
постоянного тока, а на протекание переменного тока в некотором диапа-
зоне частот.
Информационные возможности интерпретации результатов измерений со-
противления переменному току связаны с тем, что теория электрических цепей
переменного тока [70-72] опирается на положение, что через ХИТ т ок шютеы'С”
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
178
Рис. 8.4. Эквивалентная схема
электрохимической сис-
темы:
/?й- омическое сопротивление источ-
ника тока; Сдв - емкость двойного
слоя; Ro - сопротивление переноса
заряда; Ду - импеданс Варбурга
как фарадеевский за счет электрохимических реакций и как ток заряжения двой-
ного электрического тока. И протекание окислительно-восстановительной реак-
ции электрохимической системы отражается эквивалентной схемой вида, пока-
занного на рис. 8.4.
Заряжение двойного слоя, который характеризует состояние поверхности
электродов и концентрацию адсорбированных на ней частиц, моделируется кон-
денсатором, и импеданс двойного слоя не зависит от частоты переменного тока.
Фарадеевский импеданс моделируется соединением емкост и Сг и сопротивления
Др, которые определяются скоростью переноса заряда через границу раздела
электрод/электролит и диффузионной кинетикой активных частиц. На эквива-
лентной схеме он представлен как диффузионный импеданс Варбурга Zw. С’р и
зависят от частоты тока, они пропорциональны oTi/2, где о) = 2я/ -- круговая час-
тота. Сопротивление /?о - величина, характеризующая ток обмена, интенсивность
электрохимической реакции. Таким образом, общий импеданс электрохимиче-
ской системы имеет вид;
Z — + 1/(усоСдв + 1/(RO + CT’vCT’J 1й 1/2))-
Лнализ этого выражения, а также разделенного на действующую R = Rc(Z) и
мнимую X = ImfZ) составляющие, сложен и неудобен. Част о анализируется годо-
граф - представление импеданса на комплексной плоскости, который в ряде случа-
ев позволяет упростить задачу оценки кинетических параметров электрохимиче-
ских процессов или просто най ти некоторый набор параметров для характеристи-
ки состояния источника тока. I одограф импеданса электрохимической системы
показан на рис. 8.5.
Реальные источники тока, естественно, имеют годографы более сложного вида,
поскольку', во-первьгх, отражают суперпозицию обоих электродов, а во-вторых, иска-
жаются наложением адсорбционных, кристаллизационных и других процессов,
имеющих место при протекании процессов на электродах.
Электроды разной природы мо-
гут иметь годографы с разными ис-
кажениями [73, 74]. Специфика про-
цесса преодоления энергетического
Рис. 8.5. Годограф импеданса элек-
трохимической системы:
1 - область кинетического контро-
ля: II - переходная область; III -
область диффузионного контроля
179 8.2. ИЗМЕРЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
барьера при переносе заряда, неоднородность по верхнее г и электрода отражаются в
уплощении высокочастотного полукруга. При более низких частотах из области I
кинетического контроля часто формируются "хвосты", характер которых зави-
сит от меры неоднородности поверхности электрода Они могут приобретать
даже вид петли, когда X - Im(Z) приобретает положительные значения, a R -
= Re(Z) уменьшается с уменьшением частоты. При частотах 0)-> 0 годограф
плавно, почти по траектории полуокружности, снижается до предельного зна-
чения, определяемого параметрами диффузионного процесса. Адсорбцион-
ные процессы более всего сказываются в переходной области импеданса. Им-
педанс пористого электрода равен ^Z, где Z - импеданс гладкого электрода, а
наклон годографа в диффузионной области составляет л/8.
При затруднении интерпретации импедансного годографа обычно использу-
ются более общие концепции электрохимических цепей переменного тока [71, 72],
которые позволяют любой электрохимический процесс описать линейной электро-
химической цепью. Наклон Варбурга интерпретируется как эмпирический пара-
метр, скорее качественный, чем количественный по отношению к диффузионно-
му сопротивлению: чем меньше угол наклона, гем больше скорость диффузии
В некоторых случаях сравнение импедансных спектров разных электродов
или источников тока может лап. полезную информацию просто в терминах ха-
рактерных параметров годографа.
Следует заметитв, что параметр "импеданс", который присутствует в
каталогах зарубежной продукции и позволяет сравнивать ее мощностные
характеристики, соответствует некоторой условной величине сопротив-
ления, узаконенной стандартом. В отечественной документации регла-
ментируется другой параметр, характеризующий сопротивление источ-
ника тока постоянному току, протекающему в лечение определенного
промежутка времени. Для того чтобы понять соотношение величин со-
противлений, соответствующих отечественному и зарубежному стандар-
там, сначала следует рассмотреть методы и аппаратуру измерений, кото-
рые используются в обоих случаях. После этого можно будет дать ключ к
сравнительной оценке сопротивления отечественных и зарубежных ана-
логичных источников тока.
8.2. АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ
Полное внутреннее сопротивление источника тока может быть оце-
нено при измерении его напряжения при изменении нагрузки. R = (V, -
- 7ЛУ(Д - Д), где индексы 1 и 2 соответствуют измерениям в начальный и
конечный момент и ток Д превышает Д в несколько раз. ГОСТ на щелоч-
ные аккумуляторы регламентирует время протекания токов Д и /2 (10 и 3 с
соответственно). Измерения сопротивления источников тока должны
производиться после их заряда, ио не ранее чем через 1 ч и не позже 1 ч.
Если исследователь хочет определить внутреннее сопротивление ис-
точника тока при разной степени его разряженности, он должен помнить
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
180
Рис. 8.6. Отклик химического источни-
ка тока на разрядный импульс
постоянного тока
о необходимости некоторой паузы
перед началом измерений, требую-
щейся для достижения стационарно-
го состояния источника тока.
Омическое /?п и поляризацион-
ное /?|10| сопротивления измеряются
обычно при подаче на источник тока
разрядного импульса тока в течение времени, достаточного для достиже-
ния нового стационарного состояния источника тока. Вид отклика источ-
ника тока показан на рис. 8.6.
Омическое сопротивление мало меняется до снятия 70-90 % пол-
ной емкости источника тока и тем меньше, чем больше номинальная ем-
кость аккумулятора. Поляризационное сопротивление /?пол меняется при
разряде ХИТ в большей степени.
Значительное увеличение /Слпл разряженного источника тока сказыва-
ется и па точности измерений, так как определение границы сопряжения
/?о и ^ппл достаточно сложно, и при регистрации отклика с помощью раз-
ной аппаратуры могут иметь место разные погрешности оценки его со-
ставляющих. При полной разряженности источника тока границу между
Ra и определить вообще затруднительно, так же как и достичь ста-
ционарного состояния источника тока.
Сопротивление переменному току (импедансный спектр) дает более
обширную информацию об источнике тока, но измерения должны прово-
диться только с помощью высокоточной аппаратуры. Анализ информации
сложен и требует проверки разных гипотез о механизмах процессов в
исследуемом объекте.
Точность измерений сопротивления источника тока переменному току за-
висит от уровня технического обеспечения, которое должно осуществлять ста-
билизацию состояния источника тока, наложение тестового сигнала, регист-
рацию отклика. Аппаратура для измерений должна обеспечить получение вос-
производимых данных, собирать их, усреднять и представлять информацию в
удобном виде для последующего анализа. Анализ отклика для определения
целого ряда кинетических параметров источника тока - задача обратная, при
которой для получения однозначного решения необходимо рассматривать
модели электрохимической системы, принимая в рассмотрение и гипотезы о
механизмах ее работы.
Измерения можно проводить в двух режимах: потенпиостатическом и
гальваностатическом. Из-за нелинейности вольтампсриой характеристики боль-
шинства ХИТ второй режим предпочтительнее, гак как позволяет использовать
тестовый сигнал большего уровня и более простую аппаратуру [72]. Гем более,
181 8,2. ИЗМЕРЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
что при измерениях в потенциостатичееком режиме псе равно невозможно до-
биться полного прекращения в источнике тока процессов саморазряда, пасси-
вации и т. п.
Требования к точности измерительной аппаратуры очень велики, так как
должна быть обеспечена точность измерений сигналов величиной не более 5-
7 мВ в широком диапазоне частот. Увеличивать уровень тестирующего сиг-
нала нельзя, поскольку ото приводит к работе электрохимической системы в
нелинейной области и интерпретация результатов измерений сильно затруд-
няется.
Первоначально импедансные измерения проводились с помощью мостов
переменного тока, но они не позволяли исследовать диапазон частот ниже зву-
кового. Для измерений может быть использовано также и детектирование фазо-
чувствительное и квадратурное (при сигнале с фазовым сдвигом 0 и 90°). Но
самые точные измерения проводятся на современных корреляционных анализа-
торах отклика на синусоидальный сигнал, реализующих анализ Фурье, благо-
даря чему эта аппаратура имеет исключительно хорошие фильтрационные
свойства. Лучшая аппаратура, используемая во всем мире для высокоточных
импедансных измерений в диапазоне частот от Н)6до 10”° Гц, выпускается анг-
лийской компанией Solartron. Аппаратура обеспечивает измерения сопротивле-
ний от 10”3 Ом с точностью 0,1-1 % во всем диапазоне частот. Опа позволяет
получить годограф импеданса (см. рис. 8.4) или импедансную характеристику в
других координатах, удобных для последующего анализа. Это дорогая аппара-
тура, требующая квалифицированного обслуживания, и используется опа толь-
ко для исследований.
Некоторую полезную информацию о сопротивлении переменному
току можно получить с помощью более простой аппаратуры (генератора
переменного тока с диапазоном частот от 1-10 кГц до 10-1-10”2 Гц и
вольтметра переменного тока). При последовательной регистрации от-
клика источника тока LL на сигнал переменного тока L в некотором диа-
пазоне частот можно получить характеристику его импеданса Z = UJL =
= Z(/), где f - частота, Гц. Вид импедансной характеристики источника
тока показан на рис. 8.7.
Поскольку эквивалентное сопротивление источника тока включает и
активное, и емкостное, полное со-
противление переменному току Z
меняется при изменении частоты,
и тем больше, чем меньше емко-
стное сопротивление. У аккумуля-
торов большой емкости (десятки
ампер-часов) с электродами боль-
шого размера появляется дополни-
Рис. 8.7. Импеданс химического ис-
точника тока
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
182
тельно индуктивное сопротивление, которое увеличивает Z при высо-
ких частотах (кривая 2). Величина Z,njl| соответствует омическому со- •
противлению Я о. Для источников малой и средней емкости, которые
рассматриваются в настоящем справочнике, импеданс Z, измеренный
при частоте 1000 Гц, соответствует Ra источников тока. А сопротивле-
ние, которое измеряется в соответствии с ГОСТ иа щелочные аккумуля-
торы, включает и поляризационное сопротивление, т. е. больше, чем :
Zieooi u (примерно на 30- 50 %),
8,3. ДИАГНОСТИКА ИСТОЧНИКОВ ТОКА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ v
ИХ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ |
Попытки использовать измерения внутреннего сопротивления, пол- ’
но го и его составляющих, для оценки качества и состояния ХИТ пред- j
принимались неоднократно. Возможности и особенности диагностики |
источников тока разных электрохимических систем, как первичных, так и |
перезаряжаемых, различаются в силу особенностей протекающих в них £
процессов. Далеко не всегда удастся найти достаточно четкие количест- £
венные меры диагностического параметра, которые позволили бы обес- |
печить приемлемую точность оценки состояния ХИТ. *
Импедансные характеристики шелочных и свинцово-кислотных 1
аккумуляторов I
В 1980-е годы проводилось довольно много исследований ипеданс- у
ных спектров щелочных Ni-Cd и Ni-H2. затем в 1990-х годах - и Ni-MH ;
аккумуляторов с целью определения параметров, которые могли бы
характеризовать состояние источника тока более детально, чем НРЦ
или напряжение под нагрузкой. Изучались и аккумуляторы, и отдель-
ные электроды при разной степени заряженности или деградации.
Рассматривалось изменение всех составляющих импеданса, опреде-
ленных либо из годографа, либо вычисленные - в терминах эквива-
лентной схемы. Было показано, что вид годографа сильно меняется
при разряде источника тока, особенно в конце его, а импедансная ха-
рактеристика деградировавшего источника тока отличается от харак-
теристики свежего. Но все работы заканчивались констатацией факта
таких отличий, которые характеризовались скорее качественно, чем
количественно.
Была показана возможность в некоторых случаях прогнозировать
приближение отказа источника тока, но четкого критерия найдено не
было. Как правило, исследовались отдельные изделия, но не оцени-
вался статистический риск ошибки при этом методе диагностики.
В заключение следует сказать, что измерения такого рода требуют
183
8.3. ДИАГНОСТИКА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
специального высокоточного оборудования, трудоемки и никогда не
смогут использоваться для массовой диагностики реальных источни-
ков тока.
Но исследования импедансных характеристик разнополярных элек-
тродов помогли четче описать картину деградации этих источников тока
и были очень полезны исследователям и разработчикам в определении
путей повышения срока их службы. При поиске новых электродных ма-
териалов и технологии их изготовления исследования такого рода суще-
ственно ускоряют разработку.
Ниже мы покажем решение задачи, которая может быть интересна
разработчикам оборудования для эксплуатации источников тока. Задача
состояла ие в определении остаточной емкости источника тока, но в эф-
фективном и безопасном его дозаряде при любом состоянии. Решение
оказалось пригодным не только для щелочных аккумуляторов, но и для
свинцово-кислотных.
В попытке найти достаточно эффективный диагностический пара-
метр для оценки состояния заряженности аккумуляторов рассматрива-
лись изменения их импедансных спектров в процессе заряда. Первона-
чально измерения сопротивления (в диапазоне частот от 1 кГц до 0,01 Гц)
проводились при отключении аккумуляторов после сообщения очеред-
ной порции заряда. Величина активной составляющей импеданса R при
частоте 1кГц соответствует сопротивлению На рис, 8.8 и 8.9 пока-
зано изменение в процессе заряда импедансных характеристик штатного
герметичного никель-кадмиевого аккумулятора [75] и герметизирован-
ной свинцово-кислотной ячейки [76, 77].
Рис, 8,8. Импедансные характеристики Ni-Cd аккумулятора емкостью 30 Ач
при разной степени заряженности (С,лр/Сря1):
/-0,07; 2-0,30; 3-0,70; 4-0,80; 5-0,95; 6- 1,07; 7- 1,15
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
184
Рис. 8.9. Импедансные характеристики герметизированной свинцово-кислот-
ной ячейки емкостью 1,2 Ач при разной степени перезаряда
(CWp/C|Mll):
/-0:2-0.60; J-0.90; 4- 1.15; 5- 1,45,6-1,95
Из рис. 8.8 видно, что величина /?л разряженного Ni-Cd аккумуля-
тора (кривая /) отличается от этой величины для всех других состоя-
ний. После заряде более чем на 50 % величина T?Q вообще не меняется.
Наибольшие изменения претерпевает низкочастотное сопротивление,
отражающее диффузионные процессы. Было показано [26], что в Ni-Cd
аккумуляторе за эти изменения ответственен положительный элек-
трод, на котором при перезаряде бурно выделяется кислород, и эти
изменения имеют место как в герметичном аккумуляторе, так и в от-
крытом.
В свинцовом аккумуляторе меняется импеданс обоих электродов, но
при перезаряде наибольшие изменения происходят в отрицательном, ко-
гда начинает интенсивно выделяться водород.
Импедансные спектры Ni-MH аккумуляторов аналогичны спектрам
никель-кадмиевых как по характеру и величине параметров, так и по час-
тотному спектру [78,79], поскольку вклад в общий импеданс этих источ-
ников тока импеданса отрицательного электрода меньше, чем импеданса
положительного оксидно-ннкелевого электрода.
При рассмотрении характера изменений импеданса в процессе заряда
источников тока всех этих систем был найден параметр, который позво-
ляет эффективно контролировать процесс их заряда в широком диапазоне
токов заряда и температур. Этот параметр - отклик источника тока на
185
8.3, ДИАГНОСТИКА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
сигнал переменного тока 0,01 С„ и частотой порядка 0,1-0,01 Гц, который
накладывается периодически на зарядный ток. Частота переменного тока
зависит от емкости источника тока, точнее от площади его элек тродов.
При С = 0,5-2 Ач/= 0,1 Гц. Для источников тока емкостью в несколько
десятков ампер-часов частота, при которой анализируется диффузионное
сопротивление, - ниже (порядка 0,01 Гц),
В аккумуляторах с водным электролитом интенсификация процесса
выделения газов при перезаряде приводит к характерным изменениям
низкочастотного импеданса, которые связываются с газозаполнен нем
порового пространства положительного электрода. 11а рис. 8.10 показаны
эти изменения в процессе заряда Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов разных
производителей (емкостью от 0,5 до 1,0 Ач), па рис. 8.11 - герметизиро-
ванной св ин цово-кислотной ячейки емкостью 1,2 Ач.
Реактивная составляющая импеданса X меняется наиболее сильно, но
для некоторых источников тока достаточно большими являются измене-
ния и полного импеданса Z= W?" + Х' = UJL, измерение которого осуще-
ствить проще (см. раздел 8.2).
Характерные изменения кривой X =/(СЪ1]>) при заряде до Сн и переза-
ряде значительно больше по величине, чем изменения напряжения ис-
точника тока. Кривые имеют аналогичный вид и у аккумуляторов с де-
формацией корпуса, которая может возникнуть в результате чрезмерного
выделения газа на предшествующих циклах. Следует отметить также, что
если процесс перезаряда приводит к выделению водорода на отрицатель-
ном электроде, то на кривой А' = /(Сзяр) появляется второй максимум, по
выраженный менее четко.
Контроль процесса заряда может быть осуществлен при постоянном
мониторинге X (или в некоторых случаях Z): состояние полной заражен-
ности соответствует моменту перегиба кривой X =/(Сир). Возможен кон-
троль заряда при любой остаточной емкости источников тока, так как
характерные изменения при перезаряде сохраняются и в этом случае [80,
81]. Скорость мониторинга при частоте тестового сигнала 0,1 Гц вполне
достаточна для контроля даже быстрого заряда.
Измерения низкочастотного импеданса были использованы также и
для оценки поглощающей способности кадмиевых электродов в герме-
тичных никель-кадмиевых аккумуляторах [82].
Контроль омического сопротивления источников тока может быть
полезным и при производстве источников тока. Так, корректировка про-
цедуры дозирования электролита герметичных Ni-Cd аккумуляторов боль-
шой емкости при контроле ею омического сопротивления позволила улуч-
шить качество продукции. Было показано [83], что при изменении дози-
ровки электролита на 10 % аккумуляторов снижается почти в 1,5 раза,
а разброс /?£i заряженных аккумуляторов уменьшается до +10 % (при раз-
ряде на 50 % - в 1,5 раза, при разряде до 1 В - в 5 раз). Этим достигается
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
186
Рис. 8.10. Изменение в про-
цессе заряда напряжения и
внутреннего сопротивления
переменному току if = 1 Гц)
герметичных щелочных ак-
кумуляторов:
а - Ni-Cd аккумулятор SAFT
(0,5 Ач); б - Ni-Cd аккумуля-
тор ОАО "Луганские аккумуля-
торы" (0,5 Лч), в - Ni-MH акку-
мулятор MOTOROLA (1,0 Ач)
187
8.3. ДИАГНОСТИКА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Рис. 8.11. Изменение в процессе заряда импедансных характеристик гермети-
зированной свинцово-кислотной ячейки емкостью 1,2 Ач при раз-
ных частотах переменного тока:
J и 5 — при 10 Гц; 2 и 6- при ! Гц; 3, 7 и 9 - при 0,1 Гц: 4 и 8-при 0,01 Гц.
1—4 - емкостная составляющая импеданса (Л); 5-8 - активная составляющая им-
педанса (й); 9- модуль импеданса (Z = Уй2 + Л2)
значительно большая однородность продукции. Для измерений Яд акку-
муляторов емкостью более 30 Ач была разработана методика измерений
на простейшей аппаратуре, которая может быть использована в произ-
водственных условиях [84].
В процессе длительной эксплуатации происходит заметное уменьше-
ние количества электролита в герметичном аккумуляторе и перераспре-
деление его в электродах и сепараторе, что будет проявляться в увеличе-
нии его омического сопротивления. Изменение Яд особенно заметно при
малой остаточной емкости. К увеличению Ra приводит и деформация
аккумулятора в результате вздутия его при частых перезарядах. Л изме-
нение поверхности электродов будет отражаться более всего в поляриза-
ционном сопротивлении.
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
188
Определение дефектных и деградировавших источников тока, уве-
личение сопротивления которых влечет снижение рабочего напряже-
ния на всем протяжении разряда, связано главным образом с оценкой
его омического сопротивления. Однако разброс J?n у новых аккумуля-
торов одного типа, как правило, соизмерим с увеличением индивиду-
альной характеристики сопротивления в результате дсградационных
процессов. Измеренная в какой-то .момент величина R& при неизвест-
ной предыстории эксплуатации (даже в точно известном состоянии
заряженности) не позволяет однозначно сказать, чем обусловлена эта
величина: начальной характеристикой аккумулятора или степенью его
деградации.
Это заключение справедливо и для поляризационного сопротивления
Импедансные характеристики литиевых источников тока
Вопрос оценки качества и состояния первичных литиевых источни-
ков тока, как свежих, так и в процессе длительного (в течение 10 лет)
хранения затрудняется тем обстоятельством, что анод его покрыт пасси-
вирующей пленкой, которая не позволяет с достаточной точностью опре-
делить его сохранность по величине НРЦ. Поэтому все исследователи
пытались найти какие-то возможности диагностики при измерении их
импедансных спектров.
При разработке литиевых источников тока импедансные исследова-
ния оказались мощным инструментом, позволившим детально рассмот-
реть влияние различных факторов на процесс формирования и разруше-
ния пассивирующих пленок на литиевом аноде, общем для всех систем.
Изучались электроды литиевые и из различных сплавов, электролиты
разного состава и концентраций, влияние присутствия в растворе элек-
тролита СО2 и воды.
Полагают, что полный импеданс литиевого электрода определяет-
ся главным образом импедансом границ раздела пленка/электролит и
самой пленки [85-88J. Годограф его имеет вид полуокружности в об-
ласти частот от десятков килогерц до десятков герц и низкочастотный
контур в диффузионной области, высота которого зависит от тока по-
ляризации электрода. Рост пленки во времени оценивают обычно по
параметрам импеданса в диффузионной области (при частоте ниже
100 Гц).
Все авторы, изучавшие скорость коррозии лития в различных элек-
тролитах, отмечают, что значительные изменения импедансных характе-
ристик на свежем электроде происходят в течение часов, а затем замед-
ляются, но нс прекращаются в течение нескольких дней. Скорость изме-
нений определяется как самим электродом, так и электролитом. Поэтому
189
8.3. ДИАГНОСТИКА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
в производстве динамика изменения импедансных характеристик элек-
тродов в процессе храпения в течение нескольких часов может являться
характеристикой технологических качес тв электрода и среды.
Импедансные годографы литиевых источников тока, как правило,
имеют вид, аналогичный виду годографа литиевого анода, но с более уп-
лощенным высокочастотным полукругом.
Возможности контроля производства литиевых элементов подробно
описаны в 189]. Изучались импедансные характеристики литий-фторугле-
родных элементов типа BR 2590 производства 11ПП "КрасЛИТ" сразу
после их изготовления и после технологической выдержки в течение
1 мес. Была показана возможность отбраковать элементы, в которых при
производстве были нарушены технологические нормы на дозировку
электролита или допущено повышенное содержание воды в аноде и элек-
тролите.
Отмечено характерное увеличение после 1 мес хранения трех пара-
метров импедансных спектров элементов, которые соответствуют сопро-
тивлению электролита, сопротивлению переноса заряда и емкостной
составляющей при частоте в диапазоне 89-200 Гц. коррелированной с
емкостью двойного слоя. Определены допуски на эти параметры для
свежих и хранившихся элементов, которые позволяют отсортировать
брак разного рода. К сожалению, в настоящем виде методика отбраковки
позволяет только грубо оценить качество производимых элементов, так
как допуски на параметры очень широкие: верхние их границы отлича-
ются от нижних в 4-5 раз.
Вообще у разных элементов вклады в общий импеданс сопротивле-
ний анода и катода могут быть различными [90—92], так же как и измене-
ние импеданса обоих электродов в процессе разряда, Поэтому результаты
изучения поведения литиевых элементов одной системы и технологии
производства не могут быть перенесены на другую систему без детально-
го изучения особенностей поведения именно этих других элементов.
Для демонстрации принципиальной возможности диагностики степени
разряженности литиевых элементов на рис. 8.12 показано изменение годо-
графов отечественного элемента Li-SOCIj при разряде [93]. В качестве ди-
агностического параметра предлагается использовать величину реактивно-
го сопротивления источника тока в точке максимума полуокружности. Из
рисунка видно, что для диагностики степени разряженности достаточно
будет измерять импеданс в области частот 1000-300 Гц.
Было показано, что до 15% степени разряженности элементов Li-
SOClj зависимость А',1акс - Срт линейна, но при дальнейшем разряде ско-
рость изменения XMaif(. уменьшается. Следу'ет отметить, что при изучении
изменения импедансных годографов элементов Li-SO: [94] также было
обнаружено, что при разряде не более чем до 10 % происходят значитель-
ные изменения годографов, а при дальнейшем разряде они не меняются
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
190
Рис. 8.12. Импедансные годографы элемента Li-SOCl, при разной степени
разряженности (в %):
1 - 0; 2 - 2; 3 - 4; 4 - 15 и 5 - 30. Цифры нал точками годографов - частоты в ки-
логерцах
вплоть до практически полного разряда элементов. Одинаковый характер
изменений импедансных годографов элементов разных систем при малой
степени разряженности может быть связан с изменением пассивирующей
пленки на аноде, в то время как годограф полностью разряженного эле-
мента определяется сопротивлением катода.
Проверка качества литиевого элемента также может быть осуществ-
лена при измерении импедансного спектра в диапазоне частот от 30 кГц
до 1 Гц. Величину начального провала напряжения определяет сопротив-
ление Кд и поляризационное, которое характеризуется высотой и диамет-
ром высокочастотного полукруга. Продолжительность провала может
быть оценена по частоте в низкочастотной области импеданса.
Учитывая опыт диагностики степени разряженности литиевых эле-
ментов, можно рекомендовать при испытаниях долго хранившихся источ-
ников тока разрядить их на 10 % от номинальной емкости для того, чтобы
разрушить пассивирующую пленку на аноде и получить представление о
характеристиках, которые будут стабильны и при дальнейшей работе.
При исследованиях литий-ионных аккумуляторов импедансная спек-
троскопия успешно использовалась для уточнения механизмов процессов
на межфазных границах электрод/раствор, для выбора материалов обоих
электродов и электролита.
При циклировании литий-ионные аккумуляторы все время теряют
емкость. В [52, 95] описываются иссследования импедансных характери-
191
8.4. ДИАГНОСТИКА ПРИ ЦИКЛИРОВАНИИ
стик аккумуляторов SONY 18650S, свежих и потерявших после 800 цик-
лов 30 % начальной емкости.
Импедансные спектры Li-ИА. и свежих, и деградировавших, пред-
ставляют собой две полуокружности и в заряженном, и в разряженном
состоянии. Омическое сопротивление электролита в обоих состояниях
остается постоянным. Реактивная составляющая импеданса разряженного
аккумулятора в точке максимума высокочастотной полуокружности Тма1!1;
и сопротивление переноса заряда в 2 раза больше, чем у заряженного.
При этом вклад в импеданс Li-ИА импеданса положительного электрода
из LiCoO; больше, чем от угольного электрода.
Было показано, что сопротивление межфазных границ с циклами
увеличивается. При этом увеличиваются импедансы обоих электродов,
особенно сопротивление переноса заряда. Но импеданс положительного
электрода доминирует и после 800 циклов. Его возрастание объясняется
увеличением сопротивления его поверхности из-за окисления. Омическое
сопротивление при циклировании не меняется.
В [51] сделана попытка оценить возможность определения по импе-
дансным характеристикам степени разряженности трех разных литий-
ионных аккумуляторов: PANASONIC (CGR 18650Н) и двух компании
А&Т (18650 и емкостью 650 мАч). Было показано, что никаких специфи-
ческих изменений импедансных характеристик вплоть до полного разря-
да аккумулятора не отмечается.
В [96] было показано, что за большое (более чем на порядск) измене-
ние импеданса Li-ИА при температуре -20 °C ответственно сопротивле-
ние границы раздела катод/электролит, по введением в электролит специ-
альных добавок оно может быть существенно снижено.
8.4. ДИАГНОСТИКА ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
ПРИ ЦИКЛИРОВАНИИ
Поскольку оценка степени деградации источника тока ни по одному
из описанных выше методов неразрушающего контроля не может быть
признана однозначной, оценка качества перезаряжаемых источников тока
и прогноз их дальнейшей работоспособности осуществляются обычно
при анализе информации, полученной при проведении нескольких цик-
лов заряда-разряда. Целью таких испытаний являются:
- оценка разрядной емкости,
- оценка изменения газового баланса в аккумуляторе при перезаряде,
- оценка саморазряда аккумулятора,
- оценка внутреннего сопротивления.
Разрядная емкость, стабильная на протяжении 2-3 циклов, в этом
случае может быть принята как рабочая характеристика аккумулятора на
текущий момент. Если она сильно снижена относительно номинальной
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 192
емкости, может быть предпринято циклирование в специфическом режи-
ме (см. главу 6) с целью проверки возможности восстановления началь-
ного состояния активных масс и увеличения разрядной емкости.
При деградации источника тока (изменении поровой структуры по-
ложительного электрода и интенсификации выделения кислорода с его
поверхности или при ухудшении поглощающей способности кадмиевого
электрода) изменяется вид кривой его зарядного напряжения. Напряже-
ние аккумулятора при сообщении емкости, близкой к номинальной, воз-
растает, а снижение напряжения при перезаряде становится более замет-
ным. Анализ изменений позволяет диагностировать нарушенный газовый
баланс и определить новые параметры контроля для обеспечения эффек-
тивного и безопасного заряда.
С наработкой увеличивается саморазряд аккумуляторов. В Ni-Cd ак-
кумуляторе это происходит прежде всего из-за дендритной структуры ме-
таллических осадков на отрицательном электроде. Дендриты прорастают
через сепаратор и образуют проводники между разнополярными электро-
дами. Проверку саморазряда осуществляют в конце тестирования. После
очередного заряда аккумулятор с уже определенной разрядной емкостью
оставляют на хранение в течение некоторого регламентированного про-
межутка времени. Разница между установленной разрядной емкостью и
той, что удается снять после хранения аккумулятора, и определяет вели-
чину его саморазряда.
Из-за обычного разброса всех указанных характеристик и внутренне-
го сопротивления источников тока результаты тестирования аккумулято-
ра с неизвестными начальными характеристиками и неизвестной предыс-
торией эксплуатации позволяют оценить его качество, но не меру дегра-
дации. Деградация источников тока может быть оценена только в том
случае, если в архив будет заложена информация о его начальных харак-
теристиках. Такой подход к прогнозу работоспособности особенно целе-
сообразен при длительной эксплуатации источников тока в аппаратуре
для ответственных приложений.
Вообще говоря, тестирование перезаряжаемых источников тока мо-
жет быть осуществлено на любом подходящем оборудовании при прото-
колировании его результатов в любом удобном виде. Однако не одно де-
сятилетие во всем мире работают и специализированные испытательные
комплексы, которые с помощью персонального компьютера осуществ-
ляют весь комплекс испытаний и сбор информации в требуемом для ана-
лиза объеме. Например, анализатор батарей типа С7200 канадской ком-
пании Cadex Electronic Inc. позволяет тестировать Ni-Cd, Ni-MH, Pb-H2SO4,
литий-ионные и литий-полимерные батареи [97]. Он обеспечивает заряд
в различных режимах, разряд, длительное циклирование, проверку само-
разряда после хранения в течение суток, измерение внутреннего сопротив-
ления. Результаты испытаний сравниваются с данными об аналогичных
193 8.4. ДИАГНОСТИКА ПРИ ЦИКЛИРОВАНИИ
Рис. 8.13. Уннвсрсальнос зарядное
устройство ЗАО "Бустер"
для заряда источников
тока разных электрохи-
мических систем с напря-
жением от 1,2 до 12 В
источниках тока, если информа-
ция о них уже имеется в банке
данных. В этом случае выдается
заключение о состоянии испыту-
емого источника тока (в сравне-
нии со статистической информа-
цией об испытаниях аналогичных
изделий).
В России компьютеризиро-
ванное оборудование разработано,
например, в ЗАО "Элпи-плюс"
(г. Москва), ЗАО "Бустер" (г. Санкт-Петербург), ООО "Пятый проект"
(г. Красноярск). Оборудование разных разработчиков различается по мощ-
ности, количеству независимо управляемых каналов, обеспечению раз-
ных возможностей тестирования источников тока, пене.
Наиболее универсальное оборудование разработано в ЗАО "Бустер"
(рис. 8.13). Оно позволяет испытывать источники тока любых электро-
химических систем (с номинальным напряжением от 1,2 до 12 В) при
разных стратегиях заряда, измерять внутреннее сопротивление. Макси-
мальный ток в канале - 5 А, Универсальное посадочное место для ци-
линдрических аккумуляторов разных типоразмеров при разделении токо-
вых и измерительных каналов позволяет проводить измерения напряже-
ния с погрешностью не более ±0,5 %.
Программа обеспечивает управление процессом испытаний, автотес-
тирование оборудования, сбор информации о ходе испытаний (протокол
испытаний и емкость источников тока) одновременно с большого коли-
чества независимо управляемых каналов (до 500). Обработка полученной
в результате испытаний информации позволяет принимать решения о
подборе источников тока в батареи, учитывая не только величину их раз-
рядной емкости, но и характер разрядных кривых.
Разрабатываемый банк данных сделает возможным решение пробле-
мы анализа изменения индивидуальных характеристик источников тока и
анализ всей совокупности источников тока одного типа.
ЗАО «БУСТЕР»
официальный дистрибьютор компании SAFT
Предприятие работает с 1994 г.
• ПРОДАЖА АККУМУЛЯТОРОВ И ЭЛЕМЕНТОВ
• ПРОИЗВОДСТВО БАТАРЕЙ
из отечественных и импортных малогабаритных источников
тока:
- никель-кадмиевых аккумуляторов;
- никель-металлгидридных аккумуляторов;
- литиевых элементов.
Гибкая производственная технология позволяет изготавли-
вать батареи любой конфигурации и в различном исполнении:
в корпусе заказчика или собственного изготовления, в бес-
корпусном исполнении.
• РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
для испытаний источников тока различных электрохимических
систем с напряжением от 1 до 12 В при токах от 10 мА до 5 А
и от 1 А до 50 А.
Оборудование может быть модифицировано в соответст-
вии с требованиями заказчика.
Задание программы испытаний, управление, съем и обра-
ботка информации с помощью персонального компьютера.
Возможно автономное управление процессами испытаний
через устройство ввода-вывода с клавиатурой и жидкокри-
сталлическим дисплеем.
Специалисты предприятия, имеющие многолетний опыт ра-
боты в аккумуляторной промышленности, помогут выбрать
наиболее подходящие для Ваших целей источники тока и да-
дут подробные консультации по условиям эксплуатации бата-
рей.
197110, г. Санкт-Петербург, а/я 262
Тел.: (812) 112-40-26, 112-41-44
Тел/Факс: (812) 112-42-03
E-mail: Buster-spb@mail.ru
Http: www.buster.spb.ru
РЕМОНТ БАТАРЕЙ
И ПРОДЛЕНИЕ
СРОКА СЛУЖБЫ
Сразу следует отметить, что ремонт батарей может быть осуществлен
только в специализированных организациях, которые, с одной стороны,
четко представляют последствия деградационных процессов в аккумулято-
рах и батареях с большим напряжением, а с другой стороны, имеют аппа-
ратуру для диагностики их состояния и возможного восстановления.
Главным видимым признаком деградировавшего источника тока яв-
ляется снижение его емкости. Задача состоит в том, чтобы определить, без-
возвратны ли эти потери. Ремонт (скорее, реанимация) единичного источ-
ника тока может- означать только некоторое восстановление его характери-
стик. Ремонт батарей - это ее перекомплектация и приведение в порядок
сервисных устройств, обеспечивающих функционирование батареи.
При проверке работоспособности аккумулятора необходимо понять,
связаны ли потери емкости с изменением активных масс, высыханием и
деформацией аккумулятора или возникновением множественных микро-
коротких замыканий, приводящих к увеличению саморазряда.
В первом случае возможны некоторые восстановительные процедуры,
которые позволят до некоторой степени вернуть активные массы электродов
в исходное состояние. Восстановительные процедуры для щелочных акку-
муляторов, у которых в результате эксплуатации в электродах образовались
крупные кристаллы или пике латы, были подробно описаны ранее в главе 6.
Некоторое уменьшение общего количества электролита и его перерас-
пределение в герметичных аккумуляторах - неизбежное зло при их эксплуа-
тации. Это влечет увеличение омического сопротивления аккумуляторов,
особенно при большой степени разряженности. Вообще изменения внут-
реннего сопротивления в цикле заряда-разряда и при наработке отражают-
ся в изменении напряжения аккумуляторов под нагрузкой. Однако при
стандартных режимах разряда на большей части разрядной кривой это из-
менение заметить трудно. Но при низких температурах и больших нагруз-
ках различия в разрядных кривых могут оказаться неожиданно большими.
И при разряде батареи до заданного напряжения аккумулятор с высоким
внутренним сопротивлением будет разряжаться заметно быстрее других.
Если в результате длительного циклирования имеет место прорастание
дендритных металлических образований (от кадмиевою электрода через
сепаратор до положительного электрода), то увеличивается саморазряд
аккумуляторов. В этом случае необходима коррекция режима дальнейшей
эксплуатации аккумуляторов при учете этого факта. Иногда пытаются лик-
видировать саморазряд кратковременным закорачиванием аккумулятора
для выжигания дендритов, но процедура эта малоэффективна.
9. РЕМОНТ БАТАРЕЙ
196
При отбраковке и сортировке аккумуляторов ремонтируемых батарей
проще всего, оценив реальную емкость их аккумуляторов в 1-2 циклах
стандартного режима, произвести измерения их омического сопротивле-
ния, которые дадут возможность дополнительной отбраковки тех, высо-
кое сопротивление которых снизит работоспособность вновь собранной
батареи при больших нагрузках и низкой температуре.
Измерение омического сопротивления аккумуляторов позволяет от-
браковать также и аккумуляторы с незаметной на глаз остаточной де-
формацией корпуса, которая может возникнуть из-за высокого давления
газов при систематических или длительных переразрядах. Такие аккуму-
ляторы имеют более высокое зарядное напряжение на всем протяжении
этого процесса, но, как правило, эта информация оказывается невостре-
бованной, так как редкий испытатель анализирует зарядную характери-
стику. Такие аккумуляторы имеют и более низкое разрядное напряжение,
но не обязательно низкую емкость. При простом циклировании в стан-
дартном режиме они не отбраковываются.
В результате отбраковки аккумуляторов и процедур, способствую-
щих разукрупнению структуры активных масс электродов, вновь собран-
ные батареи способны обеспечить срок службы, соизмеримый с гаранти-
рованным. А периодический заряд знакопеременным током (см. главу 6)
способен затормозить процесс и дальнейшей их деградации. Хотя вечную
жизнь источнику тока, как и любому сложному объекту, обеспечить не
удастся.
При пере комплекта вании батарей общее правило состоит в том, что
нельзя в батарею ставить аккумуляторы разных компаний, даже если они
имеют одинаковую емкость. Особенности конструкции и технологии
одинаковых по номинальной емкости аккумуляторов разных компаний
определяет и различие в их процессах, ведущих к деградации, которая
подробно описана для щелочных аккумуляторов в разделе 3.1.6.
Свинцово-кислотные герметичные источники тока выпускаются глав-
ным образом в виде батарей. Всерьез рассматривать вариант переком-
плектования их аккумуляторов в батарее моноблочной конструкции не
разумно. Но можно рассортировать батареи с напряжением 4 или 6 В для
комплектования батарей большего напряжения.
197 АДРЕСА РОССИЙСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
АДРЕСА РОССИЙСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ,
ПРОИЗВОДЯЩИХ ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
ОАО "НИАИ ’’ИСТОЧНИК”
197376 г. Санкт-Петербург, ул. Даля, 10.
Тел: (812) 234-00-01, 234-33-42, 234-46-95.
Факс: (812) 234-04-29, 234-90-26.
E-mail: istochnic@peterlink.rij
АККУМУЛЯТОРНАЯ КОМПАНИЯ ’’РИГЕЛЬ”
197376 г. Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 38.
Тел: (812) 234-08-10.
Тел./Факс: (812) 234-05-56, 234-06-38, 234-98-39.
АО ’’НИИХИТ-2”
410015 г. Саратов, ул. Орджоникидзе, 11а.
Тел: (8452) 96-00-25, 96-17-01. Факс: (8452) 94-39-90
E-mail: niihit2@intsar.com
ОАО ’’ЛИТИЙ-ЭЛЕМЕНТ”
410015 г. Саратов, ул. Орджоникидзе, 11а.
Тел: (8452) 94-38-90, 94-19-66. Факс: (8452) 94-39-89.
E-mail: lithium@overta.ru
АООТ ’’САРАТОВСКИЙ ЗАВОД
АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА”
410015 г. Саратов, ул, Орджоникидзе, 11.
Тел.: (8452) 94-42-62, 94-08-07.
Факс: (8452) 94-42-62, 94-38-53.
ЗАО ’’КУРСКИЙ ЗАВОД "АККУМУЛЯТОР”
305013 г. Курск, пр. Ленинского комсомола, 40.
Тел.: (07122) 43-640, 43-380, 46-190, 48-585.
Факс: (07122) 46-100
E-mail: info@accum.kursk.ru
ОАО ’’ЗАВОД АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА”
410015 г. Саратов, ул. Орджоникидзе, 11.
Тел.:(8452) 44-08-01. Факс: (8452) 44-38-53
E-mail: alt@renet.ru
АДРЕСА РОССИЙСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ 19g
ОАО ’’ИМПУЛЬС”
182100 г. Великие Луки Псковской об л., ул. Гоголя, 3.
Тел.: (811-53) 919-55. Факс: (811-53) 929-62
E-mail: impuls@mart.ru
ГНПП "КВАНТ”
129626 г. Москва
Тел.: (095) 287-97-42, 287-96-26. Факс: (096) 287-18-71.
ОАО "ЭНЕРГИЯ”
399740 г. Елец, Липецкой обл., пос. Электрик, 1.
Тел: (07467) 740-10, 271-03, 274-40. Факс: 21-160.
E-mail:e1topaz@gw-el. Iipetsk.su
АООТ "КУЗБАССЭЛЕМЕНТ”
652500 г. Ленинск-Кузнецкий Кемеровской обл., пр. Ленина, 43.
Тел.: (38456) 215-75, 217-39. Факс: (38456) 202-40.
ГП ВЕРХНЕУФАЛЕЙСКИЙ ЗАВОД ’’УРАЛЭЛЕМЕНТ”
456800 г. Верхний Уфалей Челябинской обл., ул. Дмитриева, 24.
Тел.: (35164) 921-07. Факс: (35164) 242-22.
ОАО "СВИРСКИЙ ЗАВОД ’’ВОСТСИБЭЛЕМЕНТ”
665427 г. Свирск Иркутской обл., промучасток, 7.
Тел ; (3952) 25-51-32. Факс: (3952) 25-80-48
ГП "СИГНАЛ”
454139 г. Челябинск, ул. Новороссийская, 2.
Тел.: (3512) 53-37-51, 53-37-33. Факс: (3512) 53-36-81.
НАУЧНОЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
БЮРО ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА (НКТБХИТ)
346410 г. Новочеркасск Ростовской обл,, ул. Маяковского, 32,
Тел: (86352) 555-99. Факс: (86352) 554-54,
ООО "ЭЛИАК”
346410 г. Новочеркасск Ростовской обл., ул. Маяковского, 32.
Тел: (86352) 241-22. Факс: (86352) 245-04.
АООТ "ЗАВОД ’’МЕЗОН”
194044 г. Санкт-Петербург, Б.Сампсониевский пр., 28.
Тел: (812) 248-13-15, 542-31-95. Факс: (812) 542-50-41.
199 АДРЕСА РОССИЙСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
УРАЛЬСКИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ
624130 г. Новоуральск Свердловской обл., ул. Дзержинского, 2 УЭЗХ.
Тел: {34370) 959-54, 570-97, 570-99.
Факс: (34370) 571 -36, 570-97.
E-mail: kso@ricon.e-burg.ru
АО "НОВОСИБИРСКИЙ ЗАВОД ХИМКОНЦЕНТРАТОВ"
630110 г. Новосибирск, ул. Б. Хмельницкого, 94.
Тел: (3832) 74-83-46, 74-10-37.
Факс: (3832) 74-30-71, 74-03-31.
Телетайп: 1004 ЛИМОН
ООО "РАДУГА-ХИТ”
142100 г. Подольск Московской обл., ул. Лобачева, 12.
Тел.: (09675) 433-38, Факс: (09675) 433-36.
ОАО "ЛУГАНСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ”
Украина, 91017 г, Луганск, ул. Оборонная, 91.
Тел: (642) 57-22-74, 57-22-69, 57-24-69.
Факс: (0642) 57-22-17, 57-22-11,57-24-95
ЛИТЕРАТУРА
1. Багоцкий В. С., Скуидин А. Л/. Химические источника. тока. М.: Энсргоагом-
издат. 1981. 360 с.
2. Ггшделис >/. Л' Химические источники тока (Курс лекций). Саратов: Изд-во
Саратовского ун-та. 1984. 174 с.
3. Варыпаев В. Ц„ Дасоян М. А.т Никольский В. А. Химические источники тока.
М,: Высш. шк. 1990 240 С
4. Коровин //. В. Электрохимическая энергетика. М : Энергоатом издат. 1991.
263 с.
5. Бадаев Ф. 3., Батюк В. А., Горячева В II. Элементы электрохимии. Химиче-
ские источники тока: Уч. пособие. МГТУ им. Н. Э. Баумана. М.: Изд-во
МГТУ. 1993. 71 с.
6. Теньковцев В. В., Цептер Б. И. Основы теории и эксплуатации («рметичпых
никель-кадмиевых аккумуляторов. Л.: Энергоагам издат. 1985. 96 с.
7. Кедринский И, А., Дмитренко В. Е., Грудямов И И. Литиевые источники тока.
М.: Энерюатом издат. 1992. 240 с,
8. Ольшанская Л. II. Литиевые источники тока: Уч. пособие. Саратов: Изд-во
СГТУ. 1999.60 с.
9. Кедринский II Е., Яковлев В. Г Li-ионныс аккумуляторы. Красноярск.: ИПК
"Платина". 2002. 266 с.
10. Кромптон 7’. Первичные источники тока. .М.: Мир. 1986. 326 с.
11. Кромптон Вторичные источники тока. М.: Мир. 1985. 302 с.
12. Crompton Г. В. Battery Reference Book. Oxford (England): Read Educational and
Professional Publishing Ltd. Boston: Butterworth-Heinemann. 1996. 620 p.
13. Berndt D. Maintenance-free Batteries. Lead-Acid, Nickel/Cadmium, Nickcl/Metal
Hydride. A Handbook of Battery Technology. 2-nd ed. Research Studies Press,
Taunton, Somerset, England. 1997. 496 p.
14. Vincent C. A., Scrosati B. Modern Batteries: An Introduction to Electrochemical
Power Sources. 2-nd ed. Izmdon: Arnold, New York: J. Wifey. 1997. 351 p.
15. Орлов С. Элементы питания - ХИТЫ. Электронные компоненты. № 4. 2000.
С. 54-63.
16. VARTA. The Battery experts. Primary Battery. 2001. 11 p.
17. Primary Lithium Battery Catalogue SAFT. 2000 47 p.
18. PANASONIC. Литиевые элементы и батареи. Техническое руководство. 2000.
100 с
19. SANYO. Lithium Batteries. Instruction Manual. 1999. 26 p.
20. SONNENSCHE1N Lithium Batteries. Product Data Catalogue. 1999. 26 p.
201 ЛИТЕРАТУРА
21. Primary Lithium Battery. Selector Guide SAFT. 2002. 8 p.
22. SAFT. Portable Ni-Cd and Ni-MH cells and batterc catalogue. 1999. 53 p.
23. Scott W. R., Rusta D. W Scaled-Cell Nickel-Cadmium Battery Application Manual.
NASA Reference Publication. 1979. 525 p.
24. Таганова А. А., Золотов А. И. Виды и механизмы отказов химических источ-
ников тока па основе гермегичных никель-кадмиевых аккумуляторов и ана-
литические модели прогноза их работоспособности. Аналитический обзор.
Дсп. Информ электро. № 914-эт. 1987. 64 с.
25. Короленко С. Д.. Макордей Ф. В., Коноваленко Л. Д Разработка и исследова-
ние дискового металл-гидридного аккумулятора. Материалы V межд. конф.
Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики. Изд. С1 У. 2002.
С. 74-76.
26. Таганова А. А. Диагностика гермегичных никель-кадмиевых аккумуляторов и
универсальный алгоритм их отбора в батарею. Авторсф. дисс. к. т. н. Л., 1990. 24 с.
27. Аккумуляторы никель-кадмиевые герметичные цилиндрические. Государст-
венный стандарт Российской Федерации. ГОСТ Р МЭК 285-97.
28. SAFT. Portable Ni-Cd, Ni-MH and Li-ion Worldwide Selector Guide. 2002. 7 p.
29. PANASONIC. NickeLCadmium Batteries Technical Handbook. 1999. 94 p.
30, PANASONIC. Nickcl-Metal Hydride Batteries Technical Handbook. 2000. 44 p.
31. SANYO Rechargeable CADNICA Batteries. 2000. 10 p.
32. SANYO. Twice!!. Sealed Type Nickel-Metal Hydride Batteries. 2000. 8 p.
33. VARTA. Sealed Ni-Cd Cells. Sealed Program and Technical Handbook. 1999. 61 p.
34. VARTA. Ni-MH-Rund und prismatisch Zellen. 1999. 34 p.
35. GP Rechargeable Batteries. Nickel-Metal! Hydride. Technical Handbook 1999. 52 p,
36. Дасоян M. А., Агуф И. А. Основы расчета, конструирования и технологии про-
изводства свинцовых аккумуляторов. JL: Энергия. 1978. 152 с.
37. KOBE. Maintenance Free Small Sealed Batteries. Technical Handbook for scaled
lead-acid batteries. 2000. 67 p.
38. May G. J. Operational experience with valve-regulated lead/acid batteries // J. Power
Sources. 53 (1995). P. 111-117.
39. Wagner R, Failure modes of valve-regulated lead/acid batteries in different
applications// J. Power Sources. 53 (1995). P 153-162.
40. CSB Product Handbook. GP series. 2000. 7 p,
41. PANASONIC. Sealed Lead-Acid Batteries Technical Handbook. 1999. 72 p.
42. Таганова А. А., Бубнов Ю. И. Герметичные химические источники тока.
Элементы и аккумуляторы. Способы и устройства заряда. 2-е изд. Химиз-
дат. 2002. 176 с.
43. Hawker Energy Products Inc. Cyclon application manual. 2-nd edition. 1997. 60 p.
ЛИТЕРАТУРА
.202
44. Коровин Р. В Проблемы литиевых аккумуляторов и некоторые пути их реше-
ния// Литиевые источники тока. Теория, практика и их производство: Труды
1 конф. Межд. ассоциации "Интсрбат" по литиевым источникам тока. Киев.
1997. С. 79-85.
45. Пономарев /7 А., Николенко А. Ф, Дубасова А. С. и Ар. Экспериментальные
макеты цилиндрических и призматических литий-ионных аккумуляторов и
основы технологии их изготовления // Материалы VII межд. конф. Фунда-
ментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимиче-
ских системах. Изд. СГУ. 2000. С. 138-139.
46. Алашкин В. М., Батраков Ю. А., Дубасова В. С. и Ар. Проект ирование ли-
тий-ионного аккумулятора для космических аппаратов /7 Материалы VII
межд. конф. Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литие-
вых электрохимических системах. Изд. СГУ. 2000. С. 4-5.
47. www. ebnews. com
48. Скуидин А. .47. Литий-ионные аккумуляторы: современное состояние, про-
блемы и перспективы// Электрохимическая энергетика. 2001. Т. 1. .V» I, 2.
С. 5-15.
49. PANASONIC. Lithium-ion batteries. Technical Handbook 1999. 27 p.
50. www. mhi. Panasonic, co.jp/oemballeries
51. Hallaj S. Al., Prakash J., Selman J. f?. Characterization of commercial Li-ion
batteries using electrochemical measurements // J. Power Sources 87(2000),
P. 186-194.
52. Z/iang D, Пагап B. S., Durairajan A. et a!. Studies on capacity fade of lithium-
ion batteries//!. Power Sources 91(2000), P. 122-129.
53. SAFT. Medium Prismatic Lithium-ion batteries. Update version. 2001. 8 p.
54. Craft H., Koszlenjna P., Staniewicz В Li-ion cell performance for space
application// Annual Battery Conference on Applications and Advances. 17th.
Long Beach, USA. 2002. P. 119-122. Chemical abstracts. 2002. V. 137, № 4.
137: 49629y.
55. www. Sony. nct/Products/BAT/lON/index. html
56. Таганова А. А. Изменение импедансных характеристик герметичных никель-
кадмиевых аккумуляторов в процессе заряда // Исследования в области элек-
трохимической энергетики. Л.: Эиергоатомиздат. 1989. С. 70-77.
57. Taganova Л. A. Effective charge of sealed nickel-cadmium cells at any residual
capacity // Proc, of Nickel-Cadmium Battery Update. Geneva. 1994. P. 117-119.
58. www.rcbatteryclinic.com
59. www. Cadex. com
60 Варламов В. P. Современные источники питания: Справочник. М.; ДМК
Пресс. 2001, 218 с.
203 ЛИТЕРАТУРА
61, Вершинин Р. Р.. Тихомиров В. А., Малыгин А. Ю. и др. Эксплуатация хими-
ческих источников тока: Уч. пособие. Пенза: Изд-во 11ГУ. 1999. 116 с.
62. Романов В В.. Хтиев 10. М. Химические источники тока. М.: Сов. радио.
1978. 264 с.
63. Здрок А. I'. Выпрямительные устройства стабилизации напряжения и заряда
аккумуляторов. М.: Энергоатомиздат. 1988. 144 с.
64. Кудрявцев Ю. Д. Поведение металлов при нестационарном элек:релизе в
щелочных Pi нейтральных растворах и возможность практических приложе-
ний. Автореф. дисс. д-ра техн. паук. 1 Новочеркасск. 1995. 40 с.
65. lam L. Т., Ozgan У., 1лт О V. Pit! sc-currcnt charging of lead/acid batteries - a
possible mean of overcoming premature capacity loss? // J. Power Sources. 53
(1995). P. 215-228.
66. Андрианов В. И., Соколов А. В. Сотовые, пейджинговые и спутниковые сред-
ства связи. ЬХ В-Петер бур г. Изд "Арлит". 2001. 399 с.
67. Муртазин 3. В. Сотовые телефоны: вес модели, присутствующие на рынке
М.: ДМК Пресс. 2002. 240 с.
68. A New Video Battery Handbook. World Wide Web edition Copyright 1996, 1997,
2000. Anton Batter Inc.
69. Yi-Fan Wu. Electrical performance of lithium primary battery after long-term
storage. Dianyuna Jisha. 2002, 26 (1), P. 11-13. Chemical Abstracts. 2002. V. 137.
M-4. )37;65647h.
70. Дамаскин Б. Б. Принципы современных методов изучения электрохимических
реакций. М.: Изд. МГУ. 1965. 103 с.
7). Графов Б. М, Укше У. А. Электрохимические цепи переменного тока. М..:
Паука. 1973. 123 с.
72. Стойкое 3. Б., Графов Б. М., Савова-Стойнова Б. и др. Электрохимический
импеданс. М.: J1аука. 1991. 336 с.
73. Lew R. de. Advances in Electrochemistry and Electrochemical Engineering. V. 6.
Interscicnce. Wiley. N. Y. 1967. P. 329-397.
74. C. Gabrielli. Identification of electrochemical processes by frequency response
analysis France. Solartron. Farnborougn. 1980. 120 p.
75. Таганова А. А. Импедансные характеристики герметичных никель-кадмиевых
аккумуляторов//Химические источники тока. Л.: Энергоатомиздат. 1987.
С. 109-115.
76. Таганова А. А., Мрга И.. Индра И. и др. Контроль заряда герметичной свинцо-
во-кислотной ячейки по се импедансным характеристикам Н Химические ис-
точники тока. Л.: Энергоатомиздат 1993. С. 117-125.
ЛИТЕРАТУРА
204
77. Taganova A. A., JindraJ , Musllova М. et al. Impedance characteristic of sealed lead/
acid cells during galvanostatic charge//J. Power Sources. 37 (1992). P. 403-409.
78. field M. A. Impedance measurements on spiral-wound nickel/metal hydride cell
cycled in a simulated low earth orbit// J. Power Sources, 47 (1994), P. 277-285.
79. Cheng Sh., Zhang J., Zhao M„ el al. Electrochemical impedance spectroscopy study
of Ni/MH batteries// J. of Alloys and Compounds. 293-295 (1999), P. 814-820.
80. Таганова А. А. Изменение импедансных характеристик герметичных никель-
кадмиевых аккумуляторов в процессе заряда// Исследования в области элек-
трохимической энергетики. Л.: Энергоатомиздат. 1989. С. 70-79.
81. Taganova A. A. Effective charge of sealed nickel-cadmium cells at any residua!
capacity// Proc, of Nickel-Cadmium Battery Update. Geneva. 1994. P. 117-119.
82. Taganova A., Tsemer T.. Mrha J. el al. Estimation of the pressure in hermetic Ni-
Cd accumulator from its low-frequcncy impedance // J. Power Sources. 34 (1991).
P. 323-329.
83. Теньковцев В. В., Таганова А. А., Борисов Б. А. и др. Повышение эксплуатаци-
онных характеристик и надежности герметичных ник ель-кадмиевых аккуму-
ляторов для систем энергопитания автономных объектов // Химические ис-
точники тока. Л.: Энергоатом из дат. 1991. С. 27-35.
84. Таганова А. А, Экспресс-методика измерения внутреннего сопротивления
аккумуляторов средней емкости // Электротехи. нр-во. Передовой опыт и на-
учно-техн, достижения. 1989. Вып. 5(17). С. 14-15.
85. Поваров Ю. М., Бекетаева Л. А., Пуришева Б. К. Импеданс литиевого элек-
трода в растворах окислителей. Электрохимия. 1982. Т. XVIII, вып. 10. С. 1340-
1348.
86. Евстигнеев А. Н. Импеданс межфазной границы литий-электролит. Методика
и результаты измерений. Автореф. дисс. канд. физ.-мат. наук. Красноярск.
1992. 24с.
87. Aurbak D., Zabeh A. Impedance spectroscopy of Li-electrodes in battery electrolyte
solutions and its correlation to Li-surface chemistry and cycling efficiency. Sixth
hit. Meet, on Lithium batteries. 1992. Munster. Germany. P. 191-193.
88. Ils big-Yaw flit, Hsian-Wen Ko. A. C. impedance studies on lithium passivating
layer of an Li-SOCL cell // J. Power Sources. 1989. V. 27. P, 419—421.
89. Кокорин A. H. Контроль качества литиевых источников тока методом элек-
трохимического импеданса. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Красноярск.
1998.22 с.
90. Harman N. F., Hampson N. A., Mitchell Р. S. et al. The faradaic impedance of the
lithium-sulfur dioxide system. A further examination of commercial cells // J. Power
Sources. 1987. V. 19. № 1. P. 7-13.
205 ЛИТЕРАТУРА
91. Lee 7'. J., Fey G. T. К.. A. C. impedance study of Li/SO3 rechargeable cells. Proc,
of the 34-th Int. Power Sources Syinp. 1990. N/-Y. USA. P. 191-194.
92. Jakic V., Kovac M., Pejovnic S. Influence of different electrolytes and carbon
blacks on the performance of Li/SOClj batteries. Sixth Int. Meet, on Lithium
Batteries. 1992. Munster. Germany. P. 498-500.
93. Авдалян M. Б., Каневский Л. С, Нижииковский E. Л. Импеданс гальваническо-
го элемента системы литий-тионидхлорид // Исследования в области электро-
химической энергетики Л.: Эн ер го атом из дат. 1989 С. 106-113.
94. Karunathilaka S. A. G. R., Hampson N. A., Hiiyes М. е! al. The prediction of the
state-of-charge of some commercial primary cells// J. of Appl. Elcctrochem. 1983.
V. 13. № 5. P. 577-586.
95. ('hen C. IL, Liu J., Amine K. Symmetric cell approach and impedance spectroscopy
of high power lithium-ion batteries//J. Power Sources. 96 (2001), P. 321-328.
96. Nagasubramanian G., Doug hl у D. Improving the in ter facial resistance in lithium
cells with additives // J. Power Sources 96 (2001). P. 29-32.
97. C7200 Battery Analyzer. User's Manual. Canada. 2000. 128 p.
СПРАВОЧНИК
ТАГАНОВА Алевтина Александровна,
ПАК Игорь Альфонсонич
ГЕРМЕТИЧНЫЕ
ХИМИЧЕСКИЕ
ИСТОЧНИКИ ТОКА
для портативной аппаратуры
Обложка художника Е. И Тагановой
Редактор И. А. Червякова
Технический редактор 3, Е, Маркова
Корректор Л. .4. Яшина
Компьютерная верстка Т. М. Лебедевой
Компьютерная графика £ Я Березиной
ЛП № 000055 от 25 декабря 1998 г.
Подписано в печать 14.01.03. Формат бумаги 60 х 88
Вумага офсетная № I. Печать офсетная. Уел. псч. .1. 12,7.
Уч.-над. л. 13,0. Зак. № 46- С. 4.
ХИМИЗДАТ
191023, Санкт-Петербург, Апраксин пер,, 4
Тел. коммерческой группы для оптовых покупателей
(812) 319-99-46
Отпечатано в ОП "Пушкинская типография’’ ГУП "Петроцентр’.
Санкт-Петербург, Пушкин, ул. Средняя, 3/8.
РОСЭЛ
Компания “РОСЭЛ”
9 лет на рынке
химических источников тока
duracelu golden power* GP Enertizer. maXBll Panasonic
©TDK TOSHIBA ▼VARTA
AMSUN
Компания РОСЭЛ с 1994 года специализируется на постав-
ках химических источников тока (элементов и аккумуляторов),
зарядных устройств и фонарей, В нашем ассортименте пред-
ставлены химические источники тока различного назначения
большинства известных мировых производителей. Квалифици-
рованные консультанты окажут помощь при выборе наиболее
подходящих для целей потребителя источников питания и пре-
доставят необходимую заказчику техническую информацию по
конкретному химическому источнику тока.
Компания РОСЭЛ представляет на российском рынке про-
дукцию ведущего китайского производителя химических источ-
ников тока - концерна "Golden Power", Современные техноло-
гии производсгва и собственный исследовательский центр по-
зволяют Golden Power успешно конкурировать на мировом
рынке за счет отличных технических характеристик и качества
химических источников тока при умеренной цене. В России
концерн Golden Power представляет солевые и щелочные эле-
менты различных типов и назначения, никель-кадмиевые и ни-
кель-металлгидридные аккумуляторы различной емкости.
Компания РОСЭЛ является владельцем торговых марок и
эксклюзивным дистрибьютором в России и странах СНГ фона-
рей DIGGER, Spotlight, Duralight, Сигнал, Турист, Летучая мышь,
Спутник. Всего в нашем ассортименте представлено более 150
моделей фонарей с питанием от батареек и аккумуляторов.
Все фонари произведены по современным технологиям и отли-
чаются совершенным дизайном, гарантированным качеством и
доступной ценой, фонари DIGGER и Spotlight имеют брызгоза-
щищенный, ударопрочный корпус, комплектуются вакуумными
или криптоновыми лампами и могут комплектоваться герметич-
ным свинцово-кислотным аккумулятором.
Адрес: Россия, 198162, Санкт-Петербург, а/я 284, "РОСЭЛ",
Телефон для оптовых покупателей: (812) 320-8-333
E-mail: rosel@rosel.ru http:\\www. rose!, ru