ООО «БУСТЕР СПб»
официальный дистрибьютор компании SAFT
Предприятие работает с 1994 г.
ПРОДАЖА АККУМУЛЯТОРОВ И ЭЛЕМЕНТОВ
ПРОИЗВОДСТВО БАТАРЕЙ
любой конфигурации и в различном исполнении:
в бескорпусном, в корпусе заказчика или собственном
из отечественных или импортных источников тока:
- никель-кадмиевых аккумуляторов;
- никель-металлгидридных;
- литиевых элементов.
РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ
РАЗНООБРАЗНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ И ИСПЫТАНИЙ
ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Специалисты предприятия, имеющие многолетний опыт
работы в аккумуляторной промышленности, помогут
выбрать наиболее подходящие для Ваших целей источники
тока и дадут подробные консультации по условиям
эксплуатации батарей
197376, г. Санкт-Петербург, ул. Даля, 10
тел.: (812) 380-74-38; факс: (812) 234-03-38
E-mail: buster-spb@mail.ru buster@mail.wplus.net
www.buster.spb.ru

А. А. ТАГАНОВА, Ю. И. БУБНОВ, С. Б. ОРЛОВ
ГЕРМЕТИЧНЫЕ
ХИМИЧЕСКИЕ
ИСТОЧНИКИ ТОКА
ЭЛЕМЕНТЫ И АККУМУЛЯТОРЫ
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ
И ЭКСПЛУАТАЦИИ
Санкт-Петербург
ХИМИЗДАТ
2005

УДК 621.355
Т133
ББК6П2.1.08
Рецензенты: доктор техн, наук, академик Российской
академии космонавтики В. В. Тенъковцев
канд. хим. наук А. В. Краснобрыжий
Таганова А. А., Бубнов Ю. И., Орлов С. Б.
Т 133 Герметичные химические источники тока: Элементы и
аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации:
Справочник. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2005. - 264 с: ил.
ISBN 5-93808-098-3
Рассмотрены принципы и особенности работы герметичных
химических источников тока разных электрохимических систем,
одноразовых и перезаряжаемых. Анализируется современное состояние их
производства во всем диапазоне выпускаемой продукции в России и в мире.
Описано оборудование для испытаний и эксплуатации.
Для проектировщиков автономных источников энергии и
потребителей этой продукции, а также для сервисных служб, которые
производят и ремонтируют аккумуляторные батареи.
ББК6П2.1.08
2202060000-006
Без объявл.
050@1Ь2005
Т
ISBN 5-93808-098-3
© А. А. Таганова, Ю. И. Бубнов,
С. Б. Орлов, 2005
© Е. И. Таганова, обложка, 2005
© ХИМИЗДАТ, 2005

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 герметичных химических источников тока 12
1.2.3. Эксплуатационные характеристики 13
1.3. Проблема выбора источника тока для конкретного приложения 15
1.4. Сравнение основных характеристик химических источников тока 17
разных электрохимических систем
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА 22
2.1. Элементы с водным электролитом 22
2.1.1. Особенности элементов с водным электролитом 22
2.1.2. Основные электрохимические системы 22
2.2. Литиевые элементы 43
2.2.1. Особенности литиевых элементов 43
2.2.2. Основные электрохимические системы 44
2.2.3.Номенклатура литиевых элементов 54
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 67
3.1. Никель-кадмиевые аккумуляторы 67
3.1.1. Основные электрохимические процессы 67
3.1.2. Механизмы электродных реакций 68
3.1.3. Конструкция аккумуляторов 69
3.1.4. Электрические характеристики 73
3.1.5. Эксплуатационные характеристики 77
3.1.6. Изменения в аккумуляторе в процессе эксплуатации 80
3.2. Никель-водородные аккумуляторы 87
3.3. Никель-металлгидридные аккумуляторы 89
3.3.1. Основные электрохимические процессы 90
3.3.2. Достоинства и недостатки никель-металлгидридных 91
аккумуляторов
3.4. Батареи из герметичных щелочных аккумуляторов 93
3.5. Номенклатура герметичных щелочных аккумуляторов 97
3.5.1. Классификация аккумуляторов по размерам 97
3.5.2. Отечественные аккумуляторы 98
3.5.3. Аккумуляторы зарубежных компаний 106
4. ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ 120
АККУМУЛЯТОРЫ
4.1. Основные электрохимические процессы в свинцово-кислотном 120
аккумуляторе
4.2. Особенности герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора 121

СОДЕРЖАНИЕ
4.3. Конструктивные и технологические особенности герметизированных 123
свинцово-кислотных батарей
4.4. Электрические и эксплуатационные характеристики 125
4.5. Изменение характеристик при эксплуатации 128
4.5.1. Виды и механизмы отказов 128
4.5.2. Факторы, влияющие на срок службы 129
4.6. Номенклатура герметизированных свинцово-кислотных батарей 132
4.6.1. Батареи призматической конструкции 132
4.6.2. Батареи из цилиндрических аккумуляторов 143
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА 148
5.1. Аккумуляторы с литиевым анодом 148
5.2. Литий-ионные аккумуляторы 151
5.2.1. Особенности аккумулятора 151
5.2.2. Малогабаритные литий-ионные аккумуляторы 156
5.2.3. Литий-ионные аккумуляторы большой емкости 167
5.2.4. Изменение характеристик при эксплуатации 173
5.3. Литий-полимерные аккумуляторы 179
5.4. Батареи из литий-ионных аккумуляторов 183
6. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЫНКА ХИМИЧЕСКИХ 187
ИСТОЧНИКОВ ТОКА
7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА РАЗНЫХ 195
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
7.1. Эксплуатация первичных источников тока 195
7.2. Эксплуатация перезаряжаемых источников тока 196
7.2.1. Способы заряда 196
7.2.2. Хранение источников тока 207
7.2.3. Профилактические мероприятия при эксплуатации 209
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 212
8.1. Диагностические параметры источников тока 212
8.2. Измерение внутреннего сопротивления 219
8.3. Опыт диагностики технического состояния источников тока 222
при измерении внутреннего сопротивления
8.4. Диагностика перезаряжаемых источников тока при циклировании 232
9. РЕМОНТ БАТАРЕЙ И ПРОДЛЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ 234
10. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИИ 236
ГЕРМЕТИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Литература 251
Адреса российских предприятий, производящих химические 260
источники тока

ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время химические источники тока используются почти
во всех областях техники и народного хозяйства. Для широкого
диапазона технических приложений разработаны источники тока разной
электрохимической природы и различного конструктивного исполнения. Во
всем мире промышленно выпускаются источники тока нескольких
десятков электрохимических систем, которые обеспечивают 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
установлены в любом положении.
Источники тока некоторых электрохимических систем известны
более века, большая часть выпускается и эксплуатируется не более
нескольких десятков лет, литий-ионные аккумуляторы появились на рынке
только в последнее десятилетие XX века. Представление о том, какие из
них целесообразно использовать в качестве источников питания
аппаратуры разного рода, профессиональной и бытовой, постоянно меняется
как в соответствии с изменением уровня требований к этим устройствам,
так и из-за совершенствования самих источников тока.
Настоящий справочник - четвертый из выпущенных издательством в
течение 6 лет. Частота переизданий определяется стремлением отражать
современное состояние этой области техники, стремительно
развивающейся в соответствии с общим ускорением технического прогресса. Ситуация
в сфере производства источников тока быстро меняется. Ведущие мировые
производители ежегодно выводят на рынок новые и все более энергоемкие
изделия разработанных серий источников тока. Расширяется и круг
производителей источников тока новых электрохимических систем. В
профессиональной зарубежной литературе появилось больше сведений об
особенностях эксплуатации этих новых источников тока, но для российских
потребителей эта информация недоступна и она должна быть
прокомментирована.
В предыдущих изданиях описывались источники тока только малой
и средней емкости. В настоящем - во всем диапазоне емкостей
выпускаемой продукции.
В России меняется также и ситуация с оборудованием для испытаний
и эксплуатации, что связано как с изменением представлений об его
эффективности, так и с расширяющимися возможностями отечественных
производителей такого рода устройств.

ПРЕДИСЛОВИЕ
В первой части настоящего справочника показано разнообразие
продукции современной аккумуляторной промышленности в области
герметичных химических источников тока разного назначения. Описываются
источники тока, используемые в разных приложениях, от бытовых уст:
ройств с автономным питанием до аппаратуры спецназначения.
Представлена номенклатура изделий отечественного производства и ведущих
зарубежных компаний. Показаны тенденции и перспективы развития
этой области техники.
Информация дается на основе анализа литературы, сравнения данных
каталогов и сайтов разных компаний-производителей и большого опыта
профессиональной практической работы с самыми разными источниками
тока.
Во второй части рассматривается оборудование для испытаний и
эксплуатации химических источников тока. Показаны возможности
диагностирования технического состояния источников тока разной
электрохимической природы как на этапе их разработки, так и в эксплуатации.
Рассматриваются возможности продления срока службы химических
источников тока благодаря использованию специальных мероприятий и
ремонтных операций.
Такое представление материала определяется тем обстоятельством,
что, судя по реакции на предыдущие издания справочника, постоянно
обновляемая информация о современном производстве мировой
аккумуляторной промышленности необходима разработчикам разнообразной
аппаратуры с автономными источниками питания, а ее пользователям более
интересна та часть справочника, в которой описываются особенности
эксплуатации разнообразных источников тока.
Справочник оказался полезным и для отечественных производителей
аккумуляторов, так как при повсеместном сокращении
профессиональных информационных служб разного рода он помогает восполнять
недостаток детальной информации об аналогичной зарубежной продукции
и указывает ее источники.
Авторы выражают благодарность многочисленным коллегам за
внимание к их усилиям по сбору информации о современном состоянии
проблемы и рекомендации по содержанию справочника.

1 РАЗНОВИДНОСТИ ГЕРМЕТИЧНЫХ
ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
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.
Следует помнить также, что конструкция и самой аппаратуры в
значительной мере определяется выбором источника питания, его размерами и
конфигурацией.
Для решения проблемы выбора химического источника тока
необходимо иметь четкое представление об основных принципах их работы и
характеристиках, которые следует учитывать.
1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ
Химическим источником тока (ХИТ) называют устройство, в
котором химическая энергия активных веществ непосредственно
превращается в электрическую энергию.
В основе любого ХИТ лежит электрохимическая система вида
(-) Восстановитель | Электролит | Окислитель (+).
Генерирование тока происходит при замыкании внешней цепи на
нагрузку в результате одновременного протекания на электродах
электрохимических реакций: электроокислительной с освобождением
электронов и электровосстановительной с поглощением их.
Работоспособных электрохимических систем много. Однако для
практических целей реализовано ограниченное их количество.
В простейшем случае химический источник тока представляет
собой два электрода различной природы, ионная проводимость между
которыми обеспечивается электролитом, жидким или твердым.
Обычно электроды - это металлические каркасы, на которые наносятся
реагенты (активные вещества, непосредственно участвующие в то-
кообразующей реакции). Существуют также электрохимические
системы, в которых реагентами являются жидкие или газообразные
вещества. В этом случае токообразующая реакция протекает на поверхно-

1. РАЗНОВИДНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
сти металлического или угольного электрода, используемого просто
как токоотвод.
Наряду с основной токообразующей реакцией могут протекать
побочные реакции, химические и электрохимические, которые не только
уменьшают эффективность работы ХИТ (уменьшают электрическую
энергию, которая может быть получена при разряде, увеличивают
расход энергии, необходимой для заряда), но и создают опасность
значительного увеличения давления внутри герметичного источника
тока. Возможность уменьшить их влияние на работу источника тока и
определяет принципиальную возможность его герметизации.
Соотношение скоростей основной токообразующей и вредных побочных
реакций зависит как от электрохимической природы ХИТ, так и от
конструкции и технологии изготовления. А при эксплуатации
герметизированных ХИТ влияние режимов и условий столь существенно, что
требуется соблюдение всех ограничений, которые оговаривает
производитель.
Подробную информацию об основах теории и работы химических
источников тока различных систем можно найти в монографиях и
учебниках, отечественных [1-10] и зарубежных [11-17].
В реализованных ХИТ используются электрохимические системы как
с обратимыми, так и необратимыми электрохимическими реакциями.
Если хотя бы на одном электроде окислительно-восстановительный
процесс протекает необратимо, источник тока называется первичным
химическим источником тока или элементом. Он обеспечивает
непрерывный или прерывистый разряд до полного исчерпания запаса
реагентов, участвующих в суммарной токообразующей реакции. Вторичные
химические источники тока (перезаряжаемые ХИТ, аккумуляторы)
создаются на основе систем с обратимо работающими электродами.
При исчерпании запасенной емкости разряженный аккумулятор
подвергают заряду от внешнего источника постоянного тока, в результате чего
активные вещества приходят в исходное состояние. Большинство
аккумуляторов допускает проведение большого числа зарядно-разрядных
циклов (сотни и тысячи).
Герметичные источники тока - это газонепроницаемые источники
тока, в которых обеспечена изоляция внутреннего пространства от газового
пространства рабочей среды.
Ниже дана классификация герметичных химических источников
тока, рассматриваемых в настоящем справочнике.

Классификация герметичных химических источников тока
Герметичные химические источники тока
Первичные источники
тока (элементы)
Вторичные источники
тока (аккумуляторы)
С водным электролитом
Литиевые
Щелочные
Свинцово-
кислотные
Литиевые

10 1. РАЗНОВИДНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
1.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Для описания особенностей ХИТ различных электрохимических
систем следует определить наиболее значимые электрические и
эксплуатационные 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
системой источника тока. Некоторое влияние на НРЦ оказывают
концентрация электролита, температура окружающей среды, степень разряженно-
сти источника тока.
Номинальное напряжение (UH) - условная величина напряжения
источника тока в средней части его характеристики при разряде в
номинальном (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„) - емкость (количество электричества),
отдаваемая источником тока во внешнюю цепь при номинальном токе
разряда при 20 °С. Измеряется в ампер-часах (Ач).
Для аккумуляторов регламентируются также ток заряда, после
которого в разряде определяется Сн, и продолжительность паузы между
зарядом и разрядом при таких испытаниях.
Номинальный (стандартный) ток заряда и разряда - ток,
регламентируемый документацией на источник тока. Записывается в долях от
номинальной емкости (например, ток 0,1 С означает ток, равный по
величине десятой доле номинальной емкости).
Для практики важной характеристикой является напряжение
источника 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
падение напряжения на омическом сопротивлении ХИТ.
В общем виде
где / - ток разряда; R - полное сопротивление ХИТ; /?Q - омическое
сопротивление, определяемое сопротивлением металлических токопроводящих деталей
электродов, их активных масс и сопротивлением электролита в порах
электродов и сепаратора; Rn0J1 — поляризационное сопротивление электродов.

1.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 11
Поведение источника тока под нагрузкой и его энергетические
возможности обычно описывают разрядной характеристикой -
изменением напряжения источника тока во времени при разряде постоянным
током (для элементов чаще на постоянную нагрузку). Форма разрядной
кривой зависит как от электрохимической природы источника тока, его
конструкционных особенностей и технологии изготовления, так и от
режимов и условий разряда. Для стабильной работы аппаратуры с
автономным питанием наилучшим 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
позволяет получить еще некоторое количество энергии, хотя суммарная емкость
все же остается меньше номинальной.
Энергетические возможности ХИТ могут быть описаны и
семейством кривых, отражающих зависимость разрядной емкости от тока
разряда и температуры.
Для перезаряжаемых источников тока существенными являются
также и зарядные характеристики. Обычно дается семейство кривых,
отражающих изменение зарядного напряжения при нескольких токовых
режимах и температурных условиях, которое позволяет понять все
ограничения процесса и возможности его контроля.
Эффективность зарядно-разрядного цикла при разных режимах
эксплуатации оценивается коэффициентом отдачи по емкости
где Сраз - отдаваемая емкость, Сзар - зарядная.
Коэффициент Кс < 1.
Для сравнительной оценки энергетических возможностей ХИТ
разных электрохимических систем, типов и конструкций обычно
используют величины достигнутой удельной энергии, весовой (в Втч/кг) и
объемной (в Втч/дм3). Понятно, что чем выше рабочее напряжение
источника тока, тем большие удельные энергетические характеристики можно
обеспечить.
Эти характеристики определяются как теоретически достижимым
коэффициентом 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-

12 1. РАЗНОВИДНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
ки тока обычно обладают более низкими удельными характеристиками
по сравнению с ХИТ большей емкости и габаритов, что связано с
увеличением доли конструкционных материалов, не принимающих
непосредственного участия в токообразующем процессе.
1.2.2. КОНСТРУКЦИЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ ХИМИЧЕСКИХ
ИСТОЧНИКОВ ТОКА
При разработке конструкции ХИТ прежде всего решается задача
обеспечения равномерной работы электродов и размещения между ними
сепаратора для предотвращения замыкания разнополярных электродов. В
герметичных источниках тока решается еще и дополнительная задача
снижения эффектов от побочных процессов.
Химические источники тока выпускаются в трех конструктивных
вариантах: 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
сепаратором. Могут использоваться и тонкие спеченные электроды. В
цилиндрических источниках тока электроды располагают по-разному. При бобин-
ной конструкции ХИТ один электрод исполняется в виде стержня в
центре источника тока, другой - в виде цилиндра вокруг него. При рулонной
конструкции пакет из двух электродов и сепаратора скручивают в виде
рулона.
Герметизация дисковых и цилиндрических источников тока
достигается завальцовкой крышки в корпус сосуда при использовании прокладки из
полимерного материала.
В призматических аккумуляторах с плоскими пластинами для
обеспечения высокого рабочего напряжения и эффективной работы в цикле
заряда-разряда стараются обеспечить плотную сборку блоков электродов и
сепаратора, а также жесткость корпуса. Герметизация токовыводов
осуществляется через специальные уплотнительные узлы, отрицательный полюс,
как правило, соединяют с корпусом. Разнообразные конструктивные
решения для щелочных аккумуляторов большой емкости и плоских малоемких
будут показаны позже в соответствующих разделах.
Герметизированные свинцово-кислотные источники тока выпускаются
в батарейном исполнении в моноблочных полиамидных корпусах.
Характеристики источника тока, которых удается достигнуть в
производстве, зависят не только от его конструкции, но и от технологии
изготовления электродов, используемой для обеспечения необходимой их
толщины и пористости. Они определяются различными моментами,
связанными со сборкой источника тока: количеством электролита и его
распределением в электродах и сепараторе и другими особенностями.

1.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 13
Для получения максимальной емкости при низких и умеренных
нагрузках в источник тока закладывают максимальное количество
активных материалов. В источниках тока, предназначенных для быстрых
режимов разряда, стараются обеспечить минимальное внутреннее
сопротивление, что и достигается при тонких пористых электродах с большой
рабочей поверхностью и при плотной сборке их пакета. Уменьшение
сопротивления часто возможно лишь в ущерб емкости. Конфигурация
источника 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
герметичных ХИТ разных электрохимических систем и конструкций.
Приемлемый уровень давления при регламентированных условиях работы
обеспечивается специальными конструктивными и технологическими
мерами.
Щелочные аккумуляторы цилиндрической и призматической
конструкции снабжаются клапаном для аварийного сброса избыточного
давления, которое может возникнуть при значительном перезаряде. Более
дешевые дисковые аккумуляторы такого клапана не имеют и при перезаряде
увеличиваются в объеме. При прекращении процесса заряда и
последующем разряде деформация исчезает. Для того чтобы уменьшить
деформацию, крышка дисковых аккумуляторов большого диаметра
изготавливается с тремя длинными вмятинами, которые выполняют роль
ребер жесткости.
Свинцово-кислотные аккумуляторы тоже имеют клапан для сброса
излишнего давления, но срабатывает он значительно чаще, чем у
щелочных. Давление внутри аккумулятора уменьшается, но воздух внутрь не
попадает. Эти аккумуляторы являются не герметичными, а только
герметизированными.
Следует отметить, что унификация размеров источников тока,
определяемая требованиями Международной электротехнической комиссии
(МЭК), позволяет сделать взаимозаменяемыми не только источники тока
разных производителей, но также и наиболее распространенные
первичные и перезаряжаемые источники тока цилиндрической конструкции.
Типоразмерный ряд цилиндрических источников тока показан ниже, в
разделе 2.1.2.
1.2.3. 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.

14 1. РАЗНОВИДНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
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
определяется суммарной продолжительностью времени хранения и
эксплуатации.
Продолжительность работоспособного состояния аккумуляторов
определяется главным образом деградационным и процессами, которые
протекают при их эксплуатации в режиме циклирования. Поэтому срок службы
аккумуляторов характеризуется наработкой - количеством циклов
заряда-разряда, которое они обеспечивают до снижения разрядной емкости
до регламентируемого уровня.
Отечественный ГОСТ устанавливает границу работоспособности
аккумуляторов при циклировании в стандартном режиме заряда-разряда на
уровне 0,6 С„, т. е. при потере 40 % номинальной емкости. Для
зарубежных источников тока эта граница - на уровне 0,8 Сн, и они способны
обеспечить еще довольно значительное количество циклов до отказа в
соответствии с российским ГОСТом.
В общем случае срок службы аккумуляторов зависит от многих
факторов, в наибольшей степени от глубины разряда, режима заряда и
температуры.
Температура окружающей среды является существенным фактором
внешнего воздействия, влияющим на рабочие характеристики
источников тока. Она влияет как на их работоспособность, так и на изменение
состояния при хранении. Диапазон рабочих температур для ХИТ
разных электрохимических систем значительно различается. Но уменьшение
разрядной емкости при низких температурах для источников тока всех
систем значительнее, чем снижение ее при повышенных. Диапазон
температуры 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:
термодинамической неустойчивости электродов, образования на них
локальных элементов вследствие загрязнения электролита и материала
электродов. Возможны также микроутечки между разнополярными электродами
по металлическим мостикам.
Мерой потери емкости за время хранения т служит величина
саморазряда
где Со - емкость, отдаваемая свежеизготовленным первичным или
свежезаряженным вторичным источником тока; Ст - емкость, отдаваемая после хранения в
течение времени т.

1.3. ПРОБЛЕМА ВЫБОРА 15
Зависимость саморазряда аккумуляторов от времени, как правило,
нелинейна. Наиболее интенсивен саморазряд в начальный период
хранения. 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 отражает возможность
избежать их повреждения в ситуации, которая может возникнуть в
эксплуатации при простейшем или неисправном оборудовании или при
недостаточной квалификации персонала.
Аккумуляторы должны выдерживать регламентируемый
документацией ток заряда в течение длительного периода.
1.3. ПРОБЛЕМА ВЫБОРА ИСТОЧНИКА ТОКА
ДЛЯ КОНКРЕТНОГО ПРИЛОЖЕНИЯ
Сферы использования химических источников тока в качестве
автономных источников энергии очень разнообразны. Они используются на
транспорте и в промышленности (приборостроение,
электроизмерительная аппаратура, медицина, системы связи и телекоммуникации,
охранные, сигнализации и т. п.), для изделий специального назначения (научное
оборудование, космическая и военная техника) и для товаров широкого
потребления (портативная аппаратура разного рода: часы, компьютеры,
сотовые и- беспроводные телефоны, фото- и видеотехника, инструменты и
приборы бытовой техники).
Режим эксплуатации химических источников тока может быть
разным:
- циклирование, т. е. переключение с заряда на разряд при разной
глубине разряда;
- буферный, когда ХИТ работает параллельно с другим основным
источником энергии и обеспечивает стабильность подачи энергии при
переменном графике нагрузки;
- резервный или аварийный, когда ХИТ постоянно должен
находиться в состоянии полной заряженности и обеспечивать ток при нагрузке
при отключении основного источника питания, а затем его энергия
должна быть восполнена.
Разнообразие требований к источникам питания в этих приложениях
привело к промышленному производству большого количества
источников тока разных электрохимических систем. Они выпускаются в
широком диапазоне емкостей и в разном конструктивном исполнении.
Несмотря на большое разнообразие химических источников тока,
нельзя найти среди них такой, который мог бы максимально
удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к автономному источнику
питания для аппаратуры любого назначения. При выборе его всегда

16 1. РАЗНОВИДНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
возникает задача поиска компромисса, позволяющего реализовать
наиболее важные требования при всех ограничениях, определяемых
аппаратурой, для которой выбирается источник энергии (стационарный,
переносной или портативный).
Проблема выбора источника тока для конкретного применения
решается при определении приоритета критериев, которые должны быть
приняты в рассмотрение. Для разной аппаратуры они различны.
Так, при проектировании источников энергии для аппаратуры
бытового назначения, как стационарной, так и переносной, которая
используется периодически, главные критерии для выбора источника
тока - это дешевизна и удобство обслуживания. В этих случаях
наиболее целесообразным является выбор первичных источников тока,
которые способны обеспечить месяцы и годы эксплуатации без
проблем. Выбор в пользу аккумуляторов во многих случаях не только
приводит к удорожанию устройств с автономным питанием, но и
добавляет множество проблем, связанных с организацией эффективного
их заряда.
Но при интенсивном использовании аппаратуры с автономным
питанием перезаряжаемые источники тока, естественно, целесообразнее
первичных. Во многих технических приложениях основным конкурентом
первичных источников тока несколько десятилетий являлись щелочные
никель-кадмиевые аккумуляторы с рабочим напряжением 1,2 В, стабильным
в широком диапазоне режимов эксплуатации и температур. Интенсивная
работа по совершенствованию этих аккумуляторов и оборудования для их
заряда способствует сохранению этих позиций до настоящего времени,
хотя в течение двух последних десятилетий бурное продвижение на рынок
других щелочных аккумуляторов, никель-металлгидридных с таким же
рабочим напряжением, но более высокими удельными характеристиками,
меняет общую картину. В настоящее время широко используются обе
системы щелочных аккумуляторов.
Они применяются 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
специализированных зарядных устройствах.
При разработке миниатюрного оборудования с питанием от
перезаряжаемых источников тока все чаще используются разработанные
недавно литий-ионные аккумуляторы. Благодаря высокому рабочему
напряжению эти источники тока обладают повышенными удельными
энергетическими характеристиками, но мощность их меньше, чем у
щелочных.
При выборе источников тока для аппаратуры специального
назначения часто главное внимание обращается на надежность в эксплуатации,

1.4. СРАВНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК 17
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
представлении о приоритете требований сравнение основных характеристик
источников тока разных электрохимических систем дает возможность
выбрать их класс (первичные или вторичные ХИТ), а последующее
детальное рассмотрение всего типоразмерного ряда реализованных
источников тока выбранной системы позволяет принять окончательное
решение.
1.4. СРАВНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
РАЗНЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
При выборе химического источника для проектируемого
автономного источника энергии рассматриваются моменты, определяемые
условиями эксплуатации:
- режим разряда (непрерывный, прерывистый, импульсный);
- характер нагрузки (постоянный ток, постоянное 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
напряжение 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
механических нагрузках, пожаро- и взрывобезопасность, удобство технического
обслуживания (наличие встроенных устройств защиты источника
энергии от критических состояний ХИТ, возможность замены, удобство
подключения к зарядному устройству и режим заряда для перезаряжаемых
источников тока);

18 1. РАЗНОВИДНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
условиями окружающей среды:
- диапазон температур рабочих и хранения, влажность.
Представленная в табл. 1.1 информация о характеристиках и
особенностях химических источников тока разных электрохимических систем,
первичных и вторичных, позволяет сравнить их возможности только в
первом приближении. Детально особенности работы ХИТ разных
электрохимических систем и все разнообразие изделий, стандартных и
специальных серий, описываются в соответствующих главах.
Сравнение стоимости источников тока разных систем провести
весьма затруднительно, поскольку цена их определяется не только
себестоимостью изготовления и уровнем контроля готовой продукции, но и
объемом производства на данном предприятии. Более того, стоимость
изделий вообще больше зависит от рыночной конъюнктуры. Тем не
менее соотношение цены источников тока разных систем грубо может
быть оценено.
Солевые марганцево-цинковые элементы наиболее дешевы из всех
рассматриваемых герметичных источников тока. Однако их
энергетические возможности сильно зависят от скорости разряда, а напряжение
существенно меняется на всем протяжении разряда. Кроме того, срок их
годности не превышает 5 лет с момента выпуска.
Щелочные марганцево-цинковые элементы, разработанные позже,
обладают более стабильными электрическими характеристиками и
обеспечивают 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
характеристиками, определяемыми их высоким рабочим напряжением,
стабильным в широком диапазоне разрядных токов, работоспособны в более
широком интервале температур, чем щелочные элементы. Эти
особенности в сочетании с высокой сохранностью (до 10 лет) обеспечивают
литиевым элементам широкое использование в портативных
устройствах самого разного назначения, где работоспособность слаботочной
аппаратуры 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 заметными после разработки источников тока, способных
обеспечить токи разряда в несколько ампер даже после длительного
хранения.
Относительно высокая стоимость этих элементов определяется
прежде всего сложностью технологического процесса их изготовления и
необходимостью в специальном оборудовании. Однако быстрое расширение

1.4. СРАВНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
19
Таблица 1.1. Особенности герметичных химических источников тока
разных электрохимических систем
Характеристики
Первичные
источники тока
Марган-
цево-
цинковые
Литиевые
Вторичные (перезаряжаемые) источники
тока
Никель-

кадмиевые
Никель-
металл-
гидрид-
ные
Свинцо-
во-
кислотные
Литий-
ионные
Рабочее напряжение, В
Типичная емкость, Ач
Диапазон рабочих
температур, °С
Удельная энергия:
весовая, Втч/кг
объемная, Втч/дм3
Форма кривой разряда
Коэффициент отдачи
по емкости, %
Работоспособность:
срок хранения, годы
срок работы, годы
количество циклов
Особенности
эксплуатации
1,2-1,25 1,5-3,6 1,2 1,2 2,0 3,6
0,06-20 0,02-11 0,03-20 0,05-13,5 0,7-20 0,4-6
-20 - +50 -60 - +70 -20 - +60 -10 - +40 -15 - +50 -20 - +60
До 90 250-600 30-60 40-80 25-50 100-180
100-200 400-1100 100-170 150-240 55-100 250-400
Наклон- Плоская Плоская Плоская Наклон- Плоская
ная ная
60-90 60-90 80-85 90-100
В первом столбце таблицы представлены усредненные характеристики не всех первичных источников
тока с водным электролитом, а только наиболее широко распространенных марганцево-цинковых
элементов, область использования которых во многом совпадает с областью применения источников тока
других рассматриваемых систем.

Предпочтительны
малые
нагрузки
и
прерывистый
режим
разряда

Возможен

прерывный
режим
разряда.
Элементы
обычно

слаботочные, но

существуют и
мощные,
для токов
до 0,5 С
Токи
разряда
до 3-8 С.

Возможен
быстрый
заряд.
При
неглубоком
циклиро-
вании

периодически

необходим до-
разряд до
1 В
Токи
разряда
до 3-8 С.

Возможен
быстрый
заряд.
При
частых
перезарядах

периодически

необходим до-
разряд до
1В

Значительное
снижение
емкости
при
увеличении
тока
разряда и
низкой

температуре.

Предпочтителен
буферный
режим
работы
Циклиро-
ваниес
разной
глубиной
разряда.
Заряд в
течение
не менее
4-5 ч.

Необходима
защита от

перезаряда,
переразряда
и от
больших
токов

20 1. РАЗНОВИДНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
номенклатуры и наращивание общего объема производства уже привело
к тому, что цена некоторых типов упала в 2-3 раза за последнее
десятилетие. В ближайшие годы по оценкам разных экспертов можно
рассчитывать на дальнейшее снижение их цены на 25-30 %.
При интенсивном использовании аппаратуры в качестве автономных
источников питания часто выбирают не дешевые щелочные элементы, а
щелочные аккумуляторы со стабильным рабочим напряжением.
Стоимость их много больше. Но аккумуляторы выдерживают сотни циклов
переподготовки без существенного снижения разрядных характеристик, а
уменьшение глубины разряда увеличивает количество рабочих циклов до
тысяч. Заряд этих аккумуляторов после исчерпания запасенной емкости
может быть осуществлен с различной скоростью (от 16 ч до 1 ч),
некоторые типы могут быть заряжены за 15 мин. Это позволяет выбрать
удобный режим их эксплуатации в каждом конкретном случае. При хранении
в разряженном состоянии щелочные аккумуляторы не теряют
работоспособности в течение длительного периода, никель-кадмиевые - до 10 лет,
никель-металлгидридные - в течение 1 года.
Никель-металлгидридные аккумуляторы обладают более высокими
энергетическими характеристиками по сравнению с никель-кадмиевыми.
Однако следует обратить внимание на более узкий температурный
диапазон эксплуатации никель-металлгидридных, которые к тому же
имеют несколько больший саморазряд и более чувствительны к перегреву,
что приводит к необходимости встраивания в батареи из них элементов
защиты. Стоимость 1 Ач никель-металлгидридных аккумуляторов на
30-50 % выше, чем у никель-кадмиевых. Но значительное увеличение
их удельных характеристик и возможность обеспечить экологическую
чистоту, что стало очень важным при ужесточении экологических
требований в Европе, вызвало расширение их производства и
использования.
Эффективность использования щелочных аккумуляторов в самых
разных областях техники привела к разработке различных их серий для
разных условий эксплуатации: кроме стандартных аккумуляторов
выпускаются источники тока для работы при больших токах разряда и/или
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
батарей из 3 и 6 аккумуляторов с напряжением 6 и 12 В. Аккумуляторы
имеют аварийный клапан, через который в опасных ситуациях сбрасывается
избыток газа. Поэтому для них правильнее использовать термин "герме-

1.4. СРАВНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК 21
газированный". Стоимость 1 Ач, отдаваемого свинцово-кислотными
батареями, 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
котором они сохраняют работоспособность до 10-12 лет. Большой опыт их
применения в системах бесперебойного питания, телекоммуникаций,
охранных и сигнальных, а также постоянное совершенствование самих
источников тока позволяют рассчитывать на стабильность области их
использования в ближайшие годы.
Литий-ионные аккумуляторы имеют самое высокое рабочее
напряжение по сравнению со всеми другими ХИТ и наилучшие удельные
характеристики. Но они дороже щелочных аккумуляторов, что не в
последнюю очередь определяется стоимостью электронных устройств защиты
от перезаряда и переразряда, которыми снабжаются батареи из этих
аккумуляторов. В настоящее время в России нет производства таких
источников тока. Они поставляются главным образом из Японии и Китая и в
составе аппаратуры, для которой они используются (прежде всего, для
сотовых телефонов, портативных компьютеров). Существенным
достоинством литий-ионных источников тока является их высокий коэффициент
отдачи по емкости (близкий к 1). И саморазряд их существенно меньше,
чем у щелочных. Но схемы защиты их имеют такое потребление, что
сроки хранения литий-ионных источников тока становятся
соизмеримыми со сроками хранения источников тока других электрохимических
систем.

ПЕРВИЧНЫЕ
ИСТОЧНИКИ
ТОКА
2.1. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
2.1.1. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
Первыми химическими источниками тока, созданными еще в начале
XIX века, были гальванические элементы с металлическими электродами,
погруженными в водный электролит. Контакт активных веществ электродов
с электролитом обеспечивал постоянную готовность этих источников тока к
разряду, но одновременно создавал и условия для саморазряда при хранении.
Позже были созданы «сухие» элементы с загущенным, не
выливающимся электролитом, пригодные к использованию не только в
стационарных условиях, но и в переносной аппаратуре.
Многие из найденных электрохимических систем используются до
настоящего времени. Наибольшее распространение имеют элементы с
цинковым анодом, характеристики которых постоянно улучшались
вследствие усовершенствования исходной системы. Широко производятся и
источники тока новых систем.
Основные характеристики наиболее распространенных элементов:
рабочее напряжение, диапазон рабочих температур и срок
сохраняемости, - представлены в табл. 2.1, далее описаны принципы работы и
области применения. Более детальную информацию можно найти,
например, в [1-3, 10,11].
Эти источники тока выпускают более сотни компаний во всем мире,
продукцию многих из них можно найти на российском рынке. В
настоящем справочнике детально описывается продукция только отечественная
и нескольких ведущих зарубежных компаний, показываются тенденции
развития в этой области производства.
Отечественная продукция часто дешевле зарубежной, но
однородность ее хуже, а сроки хранения - меньше. Часть изделий выпускается
только при получении заказа.
При выборе изделий зарубежных компаний тоже следует быть
осторожным и для ответственных приложений выбирать источники тока компаний,
которые давно известны своей маркой и стабильным качеством продукции.
2.1.2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Марганцево-цинковые элементы
Марганцево-цинковые (МЦ) первичные источники тока выпускаются
в двух вариантах: с солевым и щелочным электролитом.
2

2.1. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
23
Солевые МЦ элементы устойчиво выпускаются во всем мире более
100 лет. Их широкое распространение определяется возможностью
обеспечения вполне удовлетворительных электрических и эксплуатационных
характеристик при относительной дешевизне.
Активная масса положительного электрода состоит из смеси
диоксида марганца МпОг с чешуйчатым графитом или ацетиленовой сажей и
электролитом. При этом технология производства МпО2 заметно
сказывается на электрических характеристиках элементов.
В качестве анода используется металлический цинк высокой степени
чистоты, в качестве электролита - водный раствор либо хлорида аммония
NH4CI (классические элементы Лекланше), либо хлорида цинка ZnCl2,
либо их смесь с некоторыми добавками, например хлорида кальция СаСЬ.
Характеристики
Марганцево-
цинковый
солевой
Марганцево-
цинковый
щелочной
Ртутно-
цинковый
Серебряно-
цинковый
Воздушно-
цинковый

Электрохимическая система
НРЦ/рабочее
напряжение, В
Конечное
напряжение разряда, В
Форма кривой
разряда
Удельная энергия:
весовая,
Втч/кг
объемная,
Втч/дм3
Диапазон рабочих
температур, °С
Сохранность,
годы
Особенности
эксплуатации
Наклонная Наклонная Плоская Плоская Плоская

Экономичен при
малых
нагрузках в

прерывистом
режиме
Хорошая

работоспособность
при
больших токах
и
непрерывной
нагрузке
Высокая

стабильность
напряжения
при малых
и средних
токах
Высокое и
стабильное
рабочее

напряжение
Стабильное
рабочее

напряжение

24 2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
В первом случае электродные процессы описываются уравнением токо-
образующей реакции [13]:
2MnO2 + 2NH4C1 + Zn —+~ ZnCl2 • 2NH3 + Н2О + Mn2O3,
во втором случае уравнение имеет вид:
8MnO2 + 4Zn + ZnCl2 + 9H2O —*- 8Mn00H + ZnCl2 • 4ZnO 5H2O.
Энергетические показатели элементов с хлоридноцинковым
электролитом существенно выше: при средних и повышенных токах нагрузки
они способны обеспечить в 1,5-2 раза большую продолжительность
работы. Работоспособность их при пониженных температурах также выше.
Понятие «номинальная емкость» редко используется для
характеристики МЦ элементов, так как их емкость сильно зависит от режимов и
условий работы. Главными недостатками этих элементов являются
значительная скорость снижения напряжения на всем протяжении разряда и
существенное уменьшение отдаваемой емкости при увеличении тока
разряда. Конечное разрядное напряжение устанавливают в зависимости от
нагрузки в диапазоне 0,7-1,0 В.
Существенна не только величина тока разряда, но и временной
график нагрузки. При прерывистом разряде большими и средними токами
работоспособность элементов заметно увеличивается по сравнению с
непрерывным режимом работы (на 10-20 % при использовании в течение
2-8 ч/сут [1]). Но при малых разрядных токах и многомесячных
перерывах в работе емкость их может снижаться из-за саморазряда.
Элементы работоспособны в диапазоне температур от -20 до +60 °С.
Чем выше температура, тем больше электропроводность электролита и
ниже внутреннее сопротивление элементов. При длительном воздействии
повышенной температуры увеличивается саморазряд 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 °С.
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
зависимости от рецептур активных масс и электролита, конструктивного
исполнения и размеров элементов их сохранность колеблется от 1 года до 3 лет.
К концу гарантированного срока потери емкости могут составлять 30-40 %.
При использовании в аппаратуре у элементов на последней стадии
разряда и по его окончании может наблюдаться 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. На конце разряда

2.1. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ 25
в результате медленного разложения диоксида марганца может также
выделяться кислород, а в результате коррозии цинка - водород, что также
способствует увеличению внутреннего объема элемента.
Щелочные МЦ элементы начали производить около 50 лет назад.
Одной из первых их промышленный выпуск освоила компания DURACELL
(США).
В качестве анода в этих элементах используется цинк высокой степени
чистоты в виде порошка, что позволяет существенно увеличить поверхность
реакции. Электролит - концентрированный раствор КОН с добавками ZnO,
иногда LiOH, который загущивается природными или полимерными
соединениями.
В начале процесса разряда происходит окисление цинка с
образованием цинката ZnO^" (или Zn(OHL~). После насыщения раствора
электролита цинкатом начинается вторичный процесс - реакция Zn + 2OH" —>
—> Zn(OHJ + 2e~ с последующим разложением 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 электролита, который заполняет
только поры электродов и межэлектродное пространство.
Порошковый цинковый электрод обеспечивает значительное
увеличение коэффициента использования активного материала по сравнению с
солевыми элементами. При непрерывном разряде средними и
повышенными токами щелочные МЦ элементы обеспечивают емкость большую
(до 7-10 раз), чем солевые элементы тех же габаритов. Щелочные
элементы лучше работают и при низких температурах: при -20 °С отдают такую
же емкость, как солевые в режиме непрерывного разряда при комнатной
температуре. Скорость саморазряда щелочных МЦ элементов ниже:
после 1 года хранения при +20 °С или 3 месяцев при +50 °С потери емкости
составляют =10 % начальной емкости.
Марганцево-цинковые элементы выпускаются чаще всего в
цилиндрическом исполнении. Размеры их соответствуют типоразмерному ряду,
разработанному Международной электротехнической комиссией (МЭК)
с целью унификации габаритных размеров цилиндрических первичных
источников тока. Однако следует обратить внимание на некоторое
рассогласование в стандартах разных стран. В табл. 2.2 показано соответствие
некоторых систем обозначений габаритов элементов. В таблице 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, R14 и R20.
Конструкция марганцево-цинковых элементов, солевого и
щелочного, показана на рис. 2.1.
В солевых элементах корпус, изготовленный из цинка, является
отрицательным электродом 1. Положительный электрод 2 представляет собой
брикет из спрессованной активной массы, увлажненный электролитом,

26 2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Таблица 2.2. Унифицированные размеры цилиндрических элементов
лейстиуюший американский японский немецкий международ- для изделий
диаметр высота ^5™ <™дартСЭВ стандарт Стан™(Л8) стандарт (DIN) ™«^ 6™K«TCX"
Отмеченные размеры имеют существенные отклонения от указанных в двух первых столбцах (соответственно). * - 22,9 и 42,8 мм, ¦¦ - 26,2 и 50 мм,3* -
25,8 и 50 мм;4* - 25,5 и 49 мм;5* - 25,8 и 50 мм; 6* - 34,1 и 61, 1 мм;7* - 33 и 62,5 мм,8* - 33,5 и 61,0 мм;9* - 25,8 и 50 мм; 10* - 34,1 и 91,4 мм.
Выпускаемая продукция может иметь размеры, кратные стандартным. Например, 2/3ААА, 1/3N или 7/5 АА.

27
Рис. 2.1. Устройство цилиндрических МЦ элементов с солевым (а) и
щелочным (б) электролитом [10]
в центре которой расположен токоотвод 3 - угольный стержень,
пропитанный составами на основе парафина для уменьшения потери воды из
электролита. Сверху токоотвод обжат металлическим колпачком. Электролит в
сепараторе 4 - загущенный. В элементах имеется газовая камера 5, в
которую поступают газы, выделяющиеся при разряде и саморазряде. Сверху
располагают прокладку 6, которая изолирует активную массу
положительного электрода от цинкового стакана. Для уменьшения вероятности течи в
результате питтинговой коррозии тонкостенного цинкового стакана
элемент помещают в футляр 7, картонный или полимерный, иногда
дополнительно используется футляр из белой жести. В этом случае дно и верх
элемента также закрывают белой жестью.
В щелочных элементах цинк в виде порошка размещают в
центральной части элемента, а активную массу положительного
электрода подпрессовывают к внутренней стенке стального никелированного
корпуса 8, служащего токоотводом положительного полюса. Из-за
более плотной активной массы и использования стального корпуса
щелочные элементы при тех же габаритах обычно тяжелее солевых на
25-50 %.
При конструировании аппаратуры, использующей МЦ элементы в
качестве источников питания, следует помнить, что солевые и щелочные
элементы имеют разную полярность корпуса: у солевых он является
отрицательным полюсом, у щелочных - положительным.
Разрядные характеристики отечественных МЦ элементов показаны
на рис. 2.2. При одинаковых размерах солевых и щелочных элементов
продолжительность работы последних при одинаковых малых токах в
2,5 раза больше, а при больших - в 4-5 раз.

28
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Рис. 2.2. Разрядные кривые МЦ элементов 316 (R6), солевого (я) и щелочного
(б) при разных токах разряда [3]
Вообще говоря, эффективность использования энергии, запасенной в
элементе, существенным образом зависит от режима его работы под
нагрузкой. Устройства, в которых используются МЦ элементы, как
правило, требуют определенного уровня мощности от источника питания. На
рис. 2.3 на примере разряда щелочного элемента DURACELL MN1500
показано, что продолжительность работы при трех возможных режимах
его использования значительно различается.
При разряде на постоянное сопротивление синхронно со снижением
напряжения элементов происходит уменьшение тока разряда, а мощность
P = IxU=U xR падает пропорционально квадрату снижения
напряжения, и в конце разряда до 0,8 В ток должен возрасти до 125 мА. На
начальной же стадии разряда токи больше, что и приводит к
существенному сокращению времени работы источника питания по сравнению с
разрядом при постоянном токе 125 мА. При разряде с постоянной
мощностью средний ток меньше 125 мА, поэтому устройство работает
дольше.
Марганцево-цинковые элементы используются в самых
разнообразных устройствах - от измерительной техники до бытовых приборов.

2.1. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
29
Так как солевые МЦ элементы в прерывистом режиме работают много
лучше, чем в непрерывном, эти наиболее дешевые источники тока
особенно часто используют в часах, карманных фонарях, радиоприемниках,
калькуляторах и игрушках. Хорошая работоспособность щелочных
элементов при непрерывном разряде большими токами существенно
расширила границы применения этих первичных ХИТ: они используются в
электробритвах, вибромассажерах и других устройствах с большой
нагрузкой.
Единственным российским производителем солевых МЦ элементов и
батарей из них является ОАО «Энергия» (г. Елец). Выпускаются
элементы 373 D,3 Ач при нагрузке 39 Ом) и батареи «Планета-2» C,9 В; 0,7 Ач),
ГБ-10-У-1,3 (9,8 В; 1,3 Ач), 25-ПМЦГ-У-300ч B5 В; 1,3 Ач), 70-АМЦГ-
У-120ч G0 В; 1,8 Ач), 100-АМЦГ-У-190ч A00 В; 2,7 Ач), которые
используются в средствах связи, приборах и устройствах разного
назначения, а также батарея «Молния» C30 В) для фотовспышек (рекламные
материалы INTERBAT-2003). Информация о более широкой
номенклатуре щелочных элементов ОАО «Энергия» представлена в табл. 2.3.
Продолжительность их работы в 2 раза больше, чем у солевых. Однако по
своим характеристикам, особенно при больших токах разряда, они
сильно уступают зарубежным аналогам.
Солевые элементы 373 «Орион М» выпускают также заводы "Куз-
бассэлемент" и «Востсибэлемент». Кроме трех традиционных
цилиндрических элементов C73, 343 и 316) и 4,5 В батарей типа "Планета"
выпускаются призматические МЦ элементы 145У с номинальной емкостью
8,9 Ач. Продолжительность их работы - не менее 160 ч при
гарантированном сроке хранения элементов не менее 1,5 лет.
Рис. 2.3 Разрядные кривые щелочного марганцево-цинкового элемента LR6
DURA CELL MN1500 при разных режимах его использования
R - разряд на постоянное сопротивление 6,4 Ом; / - разряд постоянным током 125 мА; Р -
разряд с постоянной мощностью 100 мВт

30
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Таблица 2.3. Щелочные марганцево-цинковые элементы
ОАО "Энергия*1
Элемент

Напряжение, В
Емкость,
Ач
Сопротивление
внешней цепи, Ом
Габаритные размеры,
мм
Срок
хранения, мес
В условиях узкого номенклатурного списка отечественной
продукции на российском рынке первичных ХИТ в последние годы в большом
ассортименте появилась продукция многочисленных зарубежных
компаний. Мировыми 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.
В табл. 2.4 показаны соответствия в наименовании моделей,
выпускаемых разными зарубежными производителями.
Таблица 2.4. Марганцево-цинковые элементы и батареи, выпускаемые
ведущими зарубежными компаниями
Размеры,
мм

диаметр

высота

Обозначение
размеров,
введенное
в 2001 г
Обозначение элементов и батарей
Солевые (General Purpose, SUPER)

PANASONIC
VARTA

ENERGIZER
MAXELL
Щелочные (Alkaline)

PANASONIC
VARTA
DURACELL
ENERGIZER
34,2 61,5 XL R20 3020 R20 SUM 1 LR20 4020 MN1300 LR20/E95
26,2 50,0 L R14 3014 R14 SUM 2 LR14 4014 MN1400 LR14/E93
14,5 50,5 M R6 2006 и R6 SUM 3 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
- 2R10 3010 2R10 -
- 3R12 3012 3R12 - 3LR12 4012 3LR12 3LR12
- - 4LR61 4018 7K67
A 316 Эра 1,35 1,2 39 014,5x50,5 12
A 332 Эра 1,35 1,6 39 021,5x37,3 12
A 343 Эра 1,35 4,0 39 026,2x50,5 12
A 343 С 1,45 2,5 (Разр.ток 15 мА) 026,2x50 24
А336Свет-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 26,5x17,5x48,5 9

2.1. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
31
Таблица 2.5. Щелочные марганцево-цинковые элементы DURA CELL
Наименование
Типоразмер
Емкость,
Ач
Нагрузка,
агруз
Ом
Масса, г
Удельная
энергия, Втч/кг
Характеристики современных щелочных элементов компании DURA-
CELL представлены в табл. 2.5, их работоспособность показана на рис. 2.4.
Влияние температуры на разрядные характеристики солевых и щелочных
элементов DURACELL показано на рис. 2.5. Дополнительно следует
отметить, что низкое внутреннее сопротивление этих элементов (порядка
130-150 мОм) делает возможным их использование в устройствах с
импульсными нагрузками большими токами.
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 [18]). Как
показывает сравнительный анализ типичных параметров элементов
ведущих зарубежных компаний и отечественной продукции, емкость
последней также на 20-60 % ниже, чем у аналогичных зарубежных изделий.
Конкуренция многочисленных зарубежных производителей
элементов привела к улучшению всех характеристик этой продукции. В
настоящее время многие компании выпускают солевые МЦ элементы в четырех
сериях: общего назначения (General Purpose), для тяжелых режимов
использования (Heavy Duty, Super Heavy Duty), большой мощности
(High Power), часто выпускаются с приставками «Power», «Ultra» и
другими аналогичными, которые отражают увеличение емкости или мощности
элементов (например, до 30-45 % у элементов LR6). Эти успехи стали
возможны благодаря использованию особо чистых исходных
компонентов, оптимизации структурных характеристик электродов и состава
электролита. Следует отметить, что для снижения саморазряда элементов в
настоящее время используются не ртуть и кадмий, а нетоксичные
легирующие добавки и ингибиторы коррозии цинка.
Компания DURACELL выпускает пять серий щелочных элементов,
различающихся способностью обеспечивать большие токи. Среди них
наименьшие токи допускаются у элементов серии Plus, хотя их
характеристики выше, чем у аналогичных элементов большинства других
производителей. Они предназначены для нагрузки до 10 Ом.
Продолжительность работы элементов серии Superpila уменьшается только при нагрузке
ниже 2,2 Ом. Элементы серий Coppertop (для розничной сети) и Procell
MN1300
MN1400
MN1500
MN2400
MN9100
D
С
АА
ААА
N

Рис. 2.4. Характеристики щелочных элементов DURACELL при разряде постоянным током (а) и на постоянное
сопротивление (б)
Ток разряда
Сопротивление нагрузки, Ом
Продолжительность разряда, ч
Продолжительность разряда, ч

2.1. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
33
Рис. 2.5. Разрядные кривые элементов DURACELL, солевых R20 A,4), R6
B,3) и щелочных LR6 E,6), LR20 G,8) при разной температуре:
О °С A-4) и 20 °С E-8); сопротивление нагрузки - 2,2 Ом
(промышленные) имеют высокие характеристики при более низкой
нагрузке. Элементы серии Ultra существенно дороже остальных, но имеют
наиболее высокие характеристики на импульсных режимах и при разряде
большой мощности.
Производятся также и дисковые МЦ элементы, которые
используются в устройствах с очень малым потреблением тока (калькуляторах, часах
и т.п.). Информация о них представлена ниже в табл. 2.6 вместе с
информацией о слаботоковых элементах других систем.
Перезаряжаемые МЦ элементы
Часто возникает вопрос о возможности продления срока работы мар-
ганцево-цинковых элементов. Вообще они допускают несколько десятков
зарядно-разрядных циклов A0-20 циклов для солевых и в 2 раза больше
для щелочных) [13]. 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. Запас емкости с циклами постепенно уменьшается, так же
как и напряжение. Для заряда рекомендуется использовать зарядное
устройство с напряжением 1,7-1,75 В на элемент с ограничением тока заряда
[1]. Следует помнить, что при таком режиме эксплуатации элементов
усиливается течь электролита. Поэтому применять подзаряд МЦ
элементов не рекомендуется, чтобы не испортить аппаратуру, в которой они
используются.

34
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
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 [18].
Перезаряжаемые МЦ элементы обеспечивают до 50 циклов при
довольно большой степени разряда. У них низкий саморазряд, и они могут
храниться до 5 лет. Однако стоимость перезаряжаемых МЦ элементов
соизмерима со стоимостью щелочных аккумуляторов с гораздо большим
сроком службы. И поэтому маловероятно, что такая продукция конкурентна.
Ртутно-цинковые элементы
Ртутно-цинковые (РЦ) элементы выпускаются уже более 50 лет. Эти
слаботоковые элементы характеризуются высокими удельными
энергетическими характеристиками (до 120 Втч/кг и 500 Втч/дм3) и стабильным
разрядным напряжением.
В РЦ элементах используются пористый цинковый электрод, в
который для уменьшения коррозии вводят до 10% ртути, и катод из оксида
ртути HgO в смеси с графитом. Электролит - 30-40 % раствор КОН.
Основные электродные процессы описываются уравнениями:
Напряжение РЦ элемента остается стабильным почти до самого
конца разряда при токах порядка 0,01 С„. При этом токе и определяют
номинальную емкость РЦ элементов. На рис. 2.6 показаны типичные
разрядные характеристики РЦ элемента. При токах не более 0,01 С стабильное
напряжение обеспечивается даже при 0 °С.
Емкость, % от номинальной
Рис. 2.6. Разрядные характеристики дискового элемента РЦ73 A,1 Ач) при
температуре 50 °С B), 20 °С B) и 0 °С E, 4, 5); ток разряда: 0,01 С (/, 2,
3), 0,02 С D) и 0,04 С E) [3]
(с последующим разложением
гидроксида цинка на ZnO и НгО)

2.1. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ 35
Элементы имеют одинаково хорошие характеристики как при
непрерывной работе, так и при прерывистом режиме эксплуатации.
Наибольшее распространение получили дисковые РЦ элементы, в
которых положительный электрод впрессовывается в стальной корпус,
отрицательный - в крышку. В них нет свободного пространства, и
водород, который выделяется 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 прокладки и степени сжатия ее при завальцовывании
элемента. Вообще же в элемент закладывается некоторый избыток оксидно-
ртутной активной массы для предотвращения возможности разложения
воды с образованием водорода.
Миниатюрные РЦ элементы использовались в фототехнике, ручных
электрических часах, карманных калькуляторах и других
малогабаритных устройствах. Стабильность разрядной характеристики позволяет
использовать их также в качестве источника стандартного (опорного)
напряжения в различной контрольно-измерительной аппаратуре.
В России ОАО «Энергия» выпускает полтора десятка моделей
дисковых и цилиндрических элементов емкостью от 0,03 до 2,8 Ач (масса
от 0,085 до 40 г) с гарантированным сроком хранения от 18 до 36
месяцев, два цилиндрических элемента емкостью 14 Ач (масса 170 г)
со сроком хранения 3 и 5 лет и большую серию батареек емкостью от
0,1 до 7 Ач и напряжением от 2,5 до 15,5 В (рекламные материалы
INTERBAT-2003).
НРЦ элементов - 1,35 В, начальное напряжение - 1,22 В для
элементов емкостью более 1,1 Ач и 1,25 В - для всех остальных. Элементы
работоспособны при температуре от -30 до +70 °С. Конечное напряжение
разряда - 1,0 В при температуре от 20 до 50 °С и 0,9 В - при температуре
от 0 до 2 °С.
Следует заметить, однако, что экологические проблемы, связанные с
токсичностью ртути, привели повсеместно к снижению производства РЦ
элементов. В настоящее время производство РЦ элементов во всех странах
прекращено, и их место на рынке слаботоковых источников тока заняли
серебряно-цинковые и литиевые элементы.
Серебряно-цинковые элементы
Серебряно-цинковые (СЦ) элементы обладают удельными
энергетическими характеристиками, близкими к характеристикам РЦ элементов,
стабильной разрядной характеристикой при высоком рабочем
напряжении и длительным сроком хранения. Они также менее чувствительны,
чем МЦ элементы, к повышению токовой нагрузки.

36
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Таблица 2.6. Дисковые элементы для часов
Размеры, мм
диаметр
11,6
9,5
7,9
6,8
5,8
4,8
11,6
9,5
7,9
6,8
высота
5,4
4,2
3,6
3,05
2,05
1,65
3,6
2,73
2,05
1,65
3,6
3,1
2,6
2,1
1,68
1,29
2,6
2,15
1,65
2,7
2,15
1,65
1,25
1,08
2,15
1,65
5,4
4,2
3,05
2,05
3,6
3,6
2,6
2,6

Номинальная
емкость,
мАч
165
ПО
100
83
55
29
71
55
39
26,5
45
36
33
25
22
10
28
18,21
15, 16
17
16, 14
11,5
5,5
4
12
8
90/60
55
35
26
44
25
20
17
Обозначения элементов, выпускаемых компаниями
MAXELL,
PANASONIC,
SONY
VARTA
DURA-
CELL
ENER-
GIZER
Серебряно-цинковые элементы
SR44SW
SR43SW
SR1136SW
SR1130SW
SR1120SW
SR1116SW
SR936SW
SR927SW
SR920SW
SR916SW
SR41SW
SR731SW
SR726SW
SR721SW
SR716SW
SR712SW
SR626SW
SR621SW
SR616SW
SR527SW
SR521SW
SR516SW
SR512SW
SR510SW
SR421SW
SR416SW
V303 E21)
V301 E28)
V344E29)
V390E34)
V381E33)
_
V394E24)
V395 E23)
V371 E37)
V373 E39)
V384E27)
V329 E25)
V397 E36)
V362 E32)
V3I5E30)
_
V377 E65)
V364E31)
V321 E40)
-
V379E20)
V317
—
—
-
-
D303
D301
D344
D390
D381
D366
D394
D395
D371
D373
D384
_
D397
D362
D315
-
D377
D364
D321
-
D379
D317
-
-
_
-
Щелочные элементы
LR44H/LR44
LR43
LR1130
LR1120
LR936
LR41
LR726
LR626
V13GA
V12GA
V10GA
V8GA
-
V36F
_
_
LR44
LR43
LR54
LR55
—
—
_
_
303
301
344
390
380
366
394
395
371
373
384
329
397
362
315
346
377
364
321
319
379
317
335
_
-
-
A76
186
189
191
_
192
_
_

CITIZEN
NEWIEC
280-08 SR1154SW
280-01 SR1142SW
- SR1136SW
280-24 SRI 130SW
280-27 SR1120SW
280-46 SR1116SW
280-17 SR936SW
280-48 SR927SW
280-31 SR920SW
280-45 SR916SW
280-18 SR736SW
- SR731SW
280-27 SR726SW
280-29 SR721SW
280-56 SR716SW
280-66 SR712SW
280-39 SR626SW
280-34 SR621SW
280-73 SR616SW
280-60 SR527SW
280-59 SR521SW
280-58 SR516SW
280-68 SR512SW
280-69 SR510SW
280-77 SR421SW
280-75 SR416SW
280-904 LR44
- LR43
- LR54
- LR55
- LR45
280-902 LR41
280-901 LR59
280-903
LR66
Практически все серебряно-цинковые элементы компании MAXELL выпускаются в двух модификациях:
для часов с малым потреблением тока (данные в таблице) и с большим потреблением тока. У последних
в наименовании нет предпоследней буквы (S).
Отечественные серебряно-цинковые элементы, которые выпускались ранее, могут быть заменены на
аналогичные зарубежные: элемент СЦ-0,18 - на элемент SR44SW; СЦ-0,12 - на SR43SW; СЦ-О,О38 - на
SR41SW; СЦ-0,018 - на SR721SW.

2.1. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ 37
Конструкция дисковых СЦ элементов подобна конструкции РЦ
элементов, но герметизация требует большего внимания. Срок их хранения
составляет 3-5 лет, иногда до 10 лет. Элементы работоспособны в
диапазоне температур от 0 до 40 °С.
В России с конца 1990-х годов СЦ элементы для бытовых целей не
выпускаются, но у дистрибьюторов зарубежных компаний можно найти
большие серии миниатюрных элементов, которые используются для часов.
Компания MAXELL, например, выпускает более 50 моделей элементов
емкостью от 4 до 165 мАч (две серии: для часов с малым и большим
потреблением энергии). Компания 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
табл. 2.6 приводятся данные о наименовании их у разных
производителей. Представлены также данные и о марганцево-цинковых элементах,
которые используются для этих целей.
Воздушно-цинковые элементы
Воздушно-цинковые (ВЦ) элементы могут лишь условно относиться к
герметичным. Они отличаются от остальных первичных источников тока
наличием специального отверстия, которое вскрывается при вводе в
эксплуатацию для того, чтобы обеспечивать поступление внутрь элемента
воздуха, кислород которого используется в качестве окислителя. Элементы
имеют достаточно большой срок хранения A-2 года до вскрытия
заклеенного отверстия).
В качестве катода, на котором восстанавливается кислород воздуха,
используются угольные электроды, модифицированные катализатором.
Активным материалом анода является цинк. Электролит - раствор КОН
или NaOH.
Суммарная токообразующая реакция в элементе может быть
записана в виде:
Zn + V2 H2O + 2ОН- + Н2О —> Zn(OH) \.
По мере растворения цинка и насыщения раствора цинкат-ионами
Zn(OH) 4 разлагается с выпадением в осадок оксида цинка ZnO.
Работоспособность элемента ухудшают коррозия и пассивация
цинка, поэтому скорость этих процессов стараются снизить использованием
цинка высокой чистоты и добавкой ингибиторов. Рабочие
характеристики сильно зависят от влажности воздуха и скорости его поступления в
элемент. При увеличении размера отверстия для доступа воздуха
повышается мощность элемента, но уменьшается срок его службы.
НРЦ воздушно-цинкового элемента- 1,4 В, рабочее напряжение зависит
от нагрузки, но стабильно практически до полного исчерпания емкости.
Оптимальный диапазон рабочих температур - от +10 до +40 °С. Элементы
обеспечивают 150-460 Втч/кг в зависимости от размера и конструкции [1,10].

38
2 ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Рис. 2 7. Дисковый воздушно-
цинковый элемент компании
DURACELL [14]:
а — элемент б - увеличенный
фрагмент элемента вблизи отверстия для
доступа воздуха / - анод 2 -
сепаратор с электролитом 3 - катод
4 - пористая фторопластовая
пленка 5 - распределитель воздуха 6 -
корпус 7 - отверстие для доступа
воздуха
Малогабаритные ВЦ элементы имеют дисковую конструкцию
Схематически конструкция элемента DURACELL показана на рис 2 7 Анод
изготавливается из порошкообразного цинка с ингибитором коррозии
Катод - тонкий из активированного угля, сажи, катализатора (обычно
МпО2) и гидрофобизатора Электролит либо загущенный, либо матричный
С помощью специальной мембраны воздух после вскрытия отверстия для
его доступа равномерно распределяется по поверхности катода
Электролит через гидрофобный слой не проходит
Компания DURACELL производит дисковые ВЦ элементы емкостью
50, 110, 210, 520, 700, 1000 и 6300 мАч Максимальный ток - 2, 7, 12, 22,
21, 25 и 150 мА соответственно [14]
Малогабаритные дисковые элементы используются для слуховых
аппаратов и уже сейчас захватили практически весь рынок этих изделий
Они недороги и обеспечивают 1-3 месяца работы под нагрузкой при
влажности воздуха порядка 60 % При большей влажности воздуха
происходит разбавление электролита и увеличение его объема, что приводит
к снижению его электропроводности и затоплению катода В сухом
воздухе, наоборот, концентрация электролита растет, уменьшается его
объем и эффективная зона реакции катода При отклонении влажности
воздуха от указанной нормы в обе стороны на 30 % срок службы
сокращается на 15-20%
В России ОАО «Энергия» выпускает три типоразмера
малогабаритных воздушно-цинковых элементов (табл 2 7), которые при работе
12 ч в сутки обеспечивают работоспособность слуховых аппаратов
в течение 3-4 недель Срок хранения - 1 год (рекламные материалы
INTERBAT-2003)
Характеристики аналогичных элементов компании PANASONIC
представлены в табл 2 8
С 1970-х гг освоено также производство ВЦ элементов средней и
большей емкости призматической конструкции Они имеют монолитные
или пастированные цинковые аноды Электролит - раствор КОН или
NaOH Рабочее напряжение таких элементов - 1,1-1,3 В при токе разряда
0,001-0,0001 С

Таблица 2.8. Малогабаритные воздушно-цинковые элементы
PANASONIC
За рубежом батареи из воздушно-цинковых элементов
выпускаются и для полевых телефонов. Например, американская Electric Fuel
Corporation рекламирует воздушно-цинковые призматические ВЦ
батареи третьего поколения на 12 В [19], которые при токе до 0,17 Сн
обеспечивают емкость 10,5; 14 и 21 Ач при массе батарей 0,7; 0,9 и 1,4 кг
:оответственно. Улучшенная батарея этой компании (тип AZAPP 12LT)
емкостью 20 Ач весит 0,9 кг.
Французская компания SAFT производит призматические воздуш-
¦ю-цинковые элементы большой емкости, солевые и щелочные [20],
соторые используются для железнодорожной сигнализации, освеще-
тя домов, для электрических заборов и других применений, когда
юлжен быть обеспечен разряд небольшим током в течение очень
5ольшого периода времени или периодически импульсный разряд.
Средние удельные энергетические характеристики серии солевых
элементов составляют 140 Втч/кг и 150 Втч/дм3, щелочных 260 Втч/кг и
}00 Втч/дм3.
Характеристики солевых элементов SAFT представлены в табл. 2.9.
)ни могут храниться до 2 лет и работоспособны при температуре от -5
[о +45 °С, при этом вариации влажности воздуха не оказывают сущест-
енного влияния.
PR 41
PR 48
PR 44
Емкость, мАч
Размеры, мм:
высота
диаметр
Масса, г
Характеристики
PR675H(PR675P) PR13H(PR13P) PR312H(PR312P) PR230H PR5H PR2330
2.1. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ 39
Таблица 2.7. Малогабаритные воздушно-цинковые элементы
ОАО "Энергия11
Тип Емкость, Начальное Сопротивление
элемента мАч напряжение, В внешней цепи, Ом

Таблица 2.9. Воздушно-цинковые элементы SAFT
Максимальный ток, А
Тип элемента Номинальная Сопротивление ¦ . Габаритные Масса,
емкость*, Ач внешней цепи, Ом продолжи- прерывистый импульсный размеры, мм кг
тельный (<1 мин) (<1 с)
Солевые
Щелочные
* Емкость при токе разряда С/5000.
AD540
AD535
AD524
AD517
AD513
AD860
AD840
AD830
AD810
AD810NA
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
40

2.1. ЭЛЕМЕНТЫ С ВОДНЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ 41
НРЦ элементов - 1,4 В. Рабочее напряжение при продолжительном
разряде стабильно при температуре не ниже +5 °С и составляет 0,95-1,1 В
в зависимости от типа элемента. При температуре -5 °С рабочее
напряжение уменьшается на =150 мВ.
Выпускаются также батареи в моноблочном корпусе с напряжением
8,4 В емкостью от 55 до 130 Ач.
Щелочные элементы SAFT с загущенным гелевым электролитом
(табл. 2.9) могут храниться до 1 года без существенного изменения их
качества. Работоспособны при температуре от -30 до +45 °С при
значительных вариациях влажности воздуха.
НРЦ элементов - 1,4 В. Рабочее напряжение при продолжительном
разряде - не ниже 1,1 В и стабильно при температуре выше 0 °С. При
-20 °С оно уменьшается на =150 мВ, при -30 °С - до 0,85-1,0 В.
В батарее элементы могут быть соединены и последовательно, и
параллельно.
Марганцево-воздушно-цинковые элементы
В воздушно-цинковых элементах диоксид марганца в некоторых
случаях используется как катализатор, а в элементах марганцево-воздушно-
цинковых он является расходуемым компонентом.
На катоде протекают параллельно две реакции
электровосстановления:
О2 + 2Н2О + 4е -*- 4ОН-
и
МпО2 + Н2О —> МпООН + ОН".
На аноде идут реакции растворения цинка с последующим
выпадением осадка ZnO.
При малых плотностях токах основной вклад обеспечивают реакции
на аноде, при больших - реакции с участием МпО2.
За счет восстановления кислорода марганцево-воздушно-цинковые
элементы обеспечивают большую емкость и энергию, чем МЦ элементы,
и их разрядная кривая более полога.
Батарея небольшой емкости «Корунд ВЦ» с напряжением 9 В,
которую выпускает ОАО «Энергия», выполнена в виде столбика из 6
элементов. Каждый элемент имеет винипластовый корпус, в нижней части
которого расположен отрицательный электрод из цинкового порошка
высокой чистоты, электролита и ингибитора коррозии. Катод из диоксида
марганца, сажи и активированного угля представляет собой двухслойную
таблетку, армированную стальной сеткой. Во внешний слой вводится
гидрофобизатор для предотвращения проникновения электролита в
воздушную камеру. Электролит загущен. Батарея в пластмассовом или
металлическом корпусе хранится в полиэтиленовом чехле до начала работы.

Таблица 2 10. Марганцево-воздушно-цинковые батареи российских производителей
для навигационного оборудования
начальное | конечное цепи, Ом
Лиман-2,6 В-4
Лиман-2,6 В-4М
Лиман 4 В-80 Ач
Лиман4В-150 Ач
ЛиманбВ-150 Ач
Лиман-2,6 В-300 Ач
Лиман 8 В-150 Ач
Лиман
Лиман
Бакен ВЦ
Бакен ВЦ 1
Бакен ВЦ 3
Бакен ВЦ 4
Бакен М
Элемс 150
* Проблесковый режим 0,5 с импульс и 0,5 с - пауза в течение 12 ч/сутки, проблесковый режим 0 7с импульс и 2,8 с - пауза в течение
10 ч/сутки, прерывистый режим 10 ч/сутки, 7 дней в неделю, непрерывный режим 24 ч/сутки
42 2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 43
Она работоспособна при температуре от -10 до + 50 °С и обеспечивает
е.мкость 0,68 Ач при разряде до 5,4 В на сопротивление 900 Ом (в
течение 80 ч). После хранения в течение 9 мес емкость уменьшается почти
вдвое. При габаритных размерах 26,5x17,5x48,5 мм масса батареи
составляет 40 г.
Батареи из марганцево-воздушно-цинковых элементов, которые
используются для работы навигационного оборудования, производит в
России ОАО "Энергия" (ХИТ серии "Лиман") и ФГУП "Уралэлемент" (ХИТ
серии "Бакен"). Их характеристики представлены в табл. 2.10.
Гарантийный срок хранения батарей - 15 месяцев. При -20 °С они отдают =40 %
номинальной емкости.
ФГУП «Уралэлемент» производит также батареи типа Элемс 6У с
напряжением 2,2; 4,2; 5,6 В и емкостью 400, 100 и 66 Ач соответственно
(масса 4 кг), которые используются в качестве источников питания для
устройств связи на железной дороге, и батареи типа Элемс 10 Т с
напряжением 11 В емкостью 3,6 Ач (масса 270 г) для полевых телефонов.
2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
2.2.1. ОСОБЕННОСТИ ЛИТИЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Источники тока с более высокими энергетическими
характеристиками и расширенным диапазоном эксплуатационных возможностей были
созданы при отказе от водных электролитов. Наибольшие успехи были
достигнуты при разработке литиевых элементов с органическим и
твердым электролитом.
Первые работы по использованию лития в качестве анодного материала
в источниках тока появились в начале ХГХ века, но реальное развитие они
получили в 1960-х годах. Исследовались источники тока с твердофазными
(MnO2, CuO, I2, CF*, FeS2 и многие другие) и жидкофазными катодными
материалами (SO2 и SOC12). Основные характеристики литиевых элементов
наиболее распространенных систем представлены в табл. 2.11, ниже
описаны их особенности и показаны рабочие характеристики.
Подробную информацию обо всем разнообразии возможных
литиевых элементов можно найти в [7, 8, 14, 16]. Характеристики промышлен-
но выпускаемых источников тока отечественных и ведущих зарубежных
компаний приведены ниже.
Литиевые элементы в настоящее время в ряде областей техники
успешно конкурируют с более дешевыми элементами с водным
электролитом. Их используют в часах, фотокамерах, калькуляторах, для защиты
памяти интегральных схем, в измерительных приборах и медицинском
оборудовании, там, где требуется высокая сохранность и стабильность
рабочего напряжения в течение многих лет эксплуатации.

44
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Разработаны и мощные источники тока, способные к отдаче
импульсов большой энергии даже после 10-12 лет хранения.
К герметизации литиевых элементов предъявляются повышенные
требования, так как должна быть исключена возможность не только
вытекания электролита, но и попадания внутрь воздуха и паров воды, из-за чего
возникает опасность пожара или взрыва элемента Высокая реактивность
лития, влияние влажности воздуха на состояние электродов и электролита
определяют и повышенные сложности при изготовлении элементов,
необходимость проведения технологических операций в герметичных блоках с
атмосферой аргона и «сухих» помещениях.
Литиевые элементы, цилиндрические и дисковые, выпускаются в
габаритах элементов традиционных электрохимических систем. Поэтому
нужно быть внимательным, чтобы не допускать ошибок случайных замен
элементов с рабочим напряжением 1,5 В на литиевые, напряжение
которых значительно больше. Многие компании часто стремятся уменьшить
эту опасность и поставляют элементы с приваренными нестандартными
выводами в виде плоских лепестков, аксиальных иглообразных штырьков
для впаивания элементов в схему и т. п.
2.2.2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Источники тока на основе системы литий/диоксид марганца
(Li/MnO2)
Элемент Li/MnO2 с твердым катодом из диоксида марганца появился
на рынке первичных литиевых источников тока одним из первых. В
соответствии со стандартом МЭК в обозначении типа элемента L1/M11O2
содержатся буквы CR.
Реакция для этой системы записывается в виде:
Таблица 2 11. Литиевые элементы разных электрохимических систем
Электрохимическая
система
НРЦ
Рабочее напряжение, В
Конечное напряжение, В
Удельная энергия
весовая, Втч/кг
объемная, Втч/дм3
Диапазон рабочих
температур, °С
Саморазряд, % в год
Li/MnO2 Li/SO2 Li/SOCb Li/CF, Li/CuO Li/I2

2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
45
Рис. 2.8. Разрядные характеристики литий-марганцевого дискового элемента
CR 2325 производства АО «Новосибирский завод химических
концентратов»
т. е. диоксид марганца восстанавливается из четырехвалентного до
трехвалентного состояния с помощью лития, который внедряется в
кристаллическую решетку конечного оксида. Электролит - перхлорат лития в
смешанном органическом растворителе.
НРЦ элемента Li/MnO2 - 3,5 В, номинальное напряжение - 3 В, хотя
первоначальное напряжение при подключении нагрузки может быть и
несколько выше. Конечное напряжение - 2 В. Рабочий диапазон
температур обычно от -20 до +55 °С. Срок хранения - до 10 лет при саморазряде
порядка 1% в год (и не более 2-2,5 %).
Типичные разрядные характеристики элемента при разной нагрузке и
в широком диапазоне температур показаны на рис. 2.8.
Рис. 2.9. Сравнение удельной весовой (а) и объемной (б) энергии первичных
источников тока разных электрохимических систем:
7 - солевые МЦ элементы; 2 - щелочные МЦ элементы; 3 - РЦ элементы; 4 - элементы Li/MnCb

46 2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Элементы Li/MnO2 имеют достаточно высокие удельные
характеристики: у дисковых элементов компании DURACELL, например, они
равны 130-270 Втч/кг и 435-700 Втч/дм3, у цилиндрических бобинной
конструкции - 210-330 Втч/кг и 455-670 Втч/дм3. Выпускаются также
элементы и рулонной конструкции, удельные характеристики которых при
больших токах выше, чем у элементов других систем (см. рис. 2.9). И это
различие увеличивается при низкой температуре.
Источники тока на основе системы литий/оксид меди
(Li/CuO)
Элементы Li/CuO имеют рабочее напряжение, соизмеримое с
напряжением щелочных МЦ элементов. Но в них удалось достичь в 3 раза
большей удельной энергии.
При разряде имеет место реакция
2Li + CuO —> Li2O + Cu,
при этом разрядный процесс протекает в несколько этапов: СиО —*-
— Си2О —> Си.
НРЦ элементов - 2,5 В, рабочее напряжение 1,2-1,5 В в
зависимости от тока разряда. Типичные разрядные кривые элементов показаны на
рис. 2.10. Начального провала напряжения не наблюдается.
Элемент Li/CuO работоспособен в диапазоне температур от -10 до
+70 °С. При высокой температуре и малых плотностях тока может
наблюдаться разряд с двумя плато. Срок хранения элементов при 20 °С - до
10 лет.
Элементы широкого распространения не получили.
Источники тока на основе системы литий/иод (Li/I2)
Элементы системы Li/I2 отличаются от других литиевых элементов
тем, что они не содержат жидкого электролита и не требуют
использования специального сепаратора.
Рис. 2.10. Типичные разрядные характеристики элементов Li/CuO
типоразмера АА при 20 °С [7]

2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 47
Работа источника тока Li/I2 основана на реакции
Li + V2I2 —> Lil.
При непосредственном контакте иодсодержащего катода и лития в
результате прямой химической реакции образуется твердый иодид лития
Lil, который является электролитом и одновременно играет роль
сепаратора, разделяющего два электроактивных материала.
НРЦ элемента - 2,8 В. Напряжение его определяется сопротивлением
слоя иодида лития, который по мере разряда постепенно накапливается в
межэлектродном пространстве и вызывает линейное уменьшение напряжения
до 2,2-2,4 В. Когда весь запас иода исчерпается, напряжение резко падает.
Элементы обеспечивают сохранность в течение 10-15 лет при
саморазряде порядка 10 % за весь срок службы. Саморазряд определяется
взаимодействием лития и иода, который диффундирует через слой иодида лития.
Потери на саморазряд зависят от толщины слоя Lil и поэтому в наибольшей
степени имеют место на начальной стадии работы: все потери на
саморазряд проявляются при разряде не более чем на 25-30 %.
При работе элементов Li/I2 не образуется газов. Общий объем их
неизменен в течение всего периода работы. Они выдерживают
значительные нарушения условий эксплуатации без каких-либо последствий.
Специфический механизм работы элемента и его характеристики
делают его пригодным для выполнения задач, требующих повышенной
надежности. Источники тока с емкостью порядка нескольких ампер-часов
используются в устройствах для медицинских применений, прежде всего
имплантируемых кардиостимуляторов. Они работоспособны в диапазоне
температур от -10 до +60 °С.
Более детальное описание принципов работы элементов Li/I2, а также
сравнительные характеристики элементов отечественных и производства
США можно найти в [7, 11, 13].
Источники тока на основе системы литий/полифторуглерод
Удельная энергия элемента достигает 250 Втч/кг и 600 Втч/дм3. Эти
элементы дороже, чем элементы Li/MnO2, но они сохраняют
работоспособность при более высокой температуре и поэтому находят применение
в первую очередь в устройствах, нагревающихся в процессе работы.
Токообразующая реакция имеет вид:
nLi +(CFx)n —> nLiFx + nC.
В процессе разряда превращения, происходящие во фторированном
углероде, приводят к увеличению электропроводности положительного
электрода, и условия разряда улучшаются.
НРЦ элемента составляет 3,2-3,3 В, рабочее напряжение
стабильно на протяжении почти всего разряда в широком диапазоне температур

48
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Рис. 2.11. Разрядные характеристики элемента BR-2/3A PANASONIC при
разной нагрузке [21]
(от -40 до +85 °С). Типичные разрядные характеристики элементов этой
системы показаны на рис. 2.11 и 2.12. Конечное напряжение - 2 В.
Элементы теряют не более 20% Сн при хранении более 10 лет.
Литий-фторуглеродные элементы были коммерциализированы более
30 лет назад и в настоящее время используются главным образом в
качестве источников питания портативной электронной аппаратуры, особенно
такой, которая разогревается в процессе работы. Но при температуре ниже
0 °С и средних и больших токах разряда эти элементы уступают более
дешевым элементам системы Li/MnO2. На рис. 2.13 сравнивается
работоспособность элементов этих систем при низких температурах.
Элементы Li/CF^ обеспечивают гораздо более высокую мощность,
чем элементы системы Li/I2, и потому успешно используются для их
замены в кардиостимуляторах нового поколения, а также в имплантируемых
дефибрилляторах. Более широкий диапазон рабочих температур элемента
гарантирует большую надежность при использовании их для питания
столь ответственной аппаратуры.
Рис. 2.12. Разрядные характеристики элемента BR-2/3A PANASONIC при
разной температуре [21]

2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
49
Рис. 2.13. Разрядные характеристики элементов Li/CFX (типоразмера 2/ЗА) и
Li/MnO2 DURA CELL (DL2/3A) при низкой температуре
Источники тока на основе системы литий/дисульфид железа
(Li/FeS2)
В последнее время, несмотря на большую стоимость,
востребованными оказались элементы системы Li/FeS2, что обусловлено рядом
неоспоримых их достоинств.
Реакция, протекающая при их разряде, имеет вид
4Li + FeS2 —^ 2Li2S + Fe.
Удельная энергия этих элементов достигает 300 Втч/кг и 600 Втч/дм3,
сохраняемость - 15 лет и более. Они работоспособны при температуре
-40 °С, что могут обеспечить только литиевые элементы с жидкофазны-
ми катодами. На рис. 2.14 сравниваются характеристики элементов
системы Li/FeS2 и щелочных марганцево-цинковых. Видно, что первые
имеют лучшие характеристики, особенно при большой потребляемой
мощности.
Рис. 2.14. Сравнение разрядных характеристик элементов Li/FeS2 и
щелочных марганцево-цинковых разных размеров при мощности
250 мВт (а) и 1000 мВт (б):
1 - МЦ щелочной (ААА); 2 - МЦ щелочной (АА);.? - Li/FeS2 (AAA)

50 2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
В конструкцию этих источников тока обязательно вводятся элементы
защиты для ограничения тока непрерывного потребления B А для
элементов типоразмера АА) и устройство с положительным температурным
коэффициентом сопротивления, отключающим нагрузку при достижении
температуры 85-95 °С. Кроме того, элементы имеют аварийный клапан
для сброса давления газа, которое может возникнуть при их разогреве до
130-160 °С.
Источники тока на основе системы литий/диоксид серы
(Li/SO2)
Литиевые элементы системы литий/диоксид серы с жидкофазным
катодным материалом хорошо изучены и широко распространены.
В качестве катода в элементах используется смесь сажи с графитом и
связующим, которая наносится на металлическую основу. Электролит
элемента состоит из диоксида серы SO2 G0-75 % по объему) с добавками
для обеспечения требуемой электропроводности.
Электрохимическая реакция, которая протекает в элементе при
подключении нагрузки, имеет вид:
2Li + 2SO2 —> Li2S2O4.
НРЦ элементов Li/SO2 - 3 В. Элементы этой системы обладают
рекордно высокой удельной мощностью (до 100 Вт/кг) и работоспособны в
диапазоне температур от -60 до +70 °С. Разрядное напряжение 2,6-2,9 В
в зависимости от плотности тока. Типичные разрядные характеристики
элемента при разной нагрузке и 20 °С показаны на рис. 2.15, в широком
диапазоне температур - на рис. 2.16.
К недостаткам Li/SO2 элементов относятся высокое внутреннее
давление и опасность сильного нагрева при коротких замыканиях. Для
предотвращения нежелательных эффектов в нижней части корпуса
устанавливают специальный предохранитель, который срабатывает при 100 °С и
обеспечивает сбрасывание избыточного давления газа.
Из-за повышенного давления элементы выпускаются чаще всего в
цилиндрической конструкции, бобинной и рулонной (рис. 2.17). В
первом случае литиевый анод запрессовывается по периферии, а
прессованный угольный катод помещается в центре. При рулонной сборке пакета
электродов обеспечиваются более высокие энергетические
характеристики. Срок хранения элементов Li/SO2 - до 10 лет. Саморазряд происходит
за счет взаимодействия лития с электролитом, скорость его не превышает
1-2 % в год при 20 °С.
Следует отметить, что после продолжительного хранения при
повышенной температуре элементы Li/SO2 при разряде большими токами или
при температуре ниже -30 °С могут иметь начальный провал напряжения
ниже 2 В. Это объясняется анодной пассивацией лития [7, 11]. Так, после

2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
51
Рис. 2.15. Разрядные характеристики элемента Li/SO2 SAFT типа LO40 SHX
C,5Ач)[22]
8 недель хранения при 70 °С провал напряжения наблюдался в течение
200 мс при разряде током 0,025 С при -30 °С и в течение 80 с при токе
разряда 0,5 С. Этот эффект может быть уменьшен кратковременным
разрядом в режиме короткого замыкания до тех пор, пока рабочее
напряжение благодаря разрушению пассивирующей пленки не восстановится.
При комнатной температуре начальный провал напряжения при разряде
не наблюдается даже после хранения элементов при температуре 70 °С в
течение 1 года.
Еще одна проблема эксплуатации связана с возможностью
глубокого разряда и изменения полярности элемента при работе его в
составе батареи. Это может привести к разгерметизации й даже
разрушению элемента. Для предотвращения этого используют ограничение
тока по мере исчерпания емкости батареи, а также устройства
отключения, реагирующие на снижение их напряжения.
Рис. 2.16. Разрядные характеристики элемента SAFT типа LO40 SHX при
различных температурах. Ток разряда 117 мА

2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
53
Рис. 2.18. Разрядные характеристики элемента Li/SOCI2 SAFT типа LS 26500
G,3 Ач) [221]
тока определяется и соотношением емкостей электродов, и
концентрацией электролита, и используемыми сепараторами, и многими другими
факторами. Наиболее потенциально опасными являются переразряды при
больших плотностях тока. Взрывы могут быть вызваны образующимися
при этом дендритами лития и мелкодисперсным литием, который
выделяется на катоде и может в присутствии угля вступить в химическое
взаимодействие с электролитом с выделением большого количества
тепла [23]. Лимитируемые анодом элементы достаточно устойчивы при
переразряде: будучи переполюсованными, они могут очень долго сохранять
стабильное напряжение (на уровне -1 В) без каких-либо последствий.
Элементы катодно-лимитированные выдерживают переполюсование
много хуже [24]. Разгерметизация происходит значительно раньше: при
переразряде до нескольких С и тем быстрее, чем больше плотность тока.
Рис. 2.19. Емкость элемента SAFT типа LS 26500 при различных токах
разряда и температурах. UK0H - 2 В

54
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
При низкой температуре (порядка -50 °С) элементы отдают емкость в
несколько раз меньше номинальной. Если затем они переносятся в теплое
помещение, разряд продолжается и может иметь место значительный их
разогрев за счет разложения промежуточных продуктов реакции вплоть
до взрыва [23, 25].
Для увеличения безопасности эксплуатации элементы могут быть
снабжены аварийными клапанами для сброса газа, плавкими
предохранителями, тепловыми выключателями.
При проектировании батарей из элементов рекомендуется
использовать внешнюю диодную защиту каждого из них, но следует помнить, что
она должна функционировать только при разряде. В процессе
длительного хранения обратные токи неотключенных диодов могут привести к
полному исчерпанию емкости элементов.
Срок хранения элементов системы Li/SOCl2 - до 10 лет при
саморазряде 1,5-2 % в год при 20 °С. При длительном хранении этих
элементов может наблюдаться провал напряжения, которое затем медленно
(в течение нескольких минут) восстанавливается до рабочего. Глубина и
продолжительность начального спада напряжения увеличиваются при
пониженных температурах.
2.2.3. НОМЕНКЛАТУРА ЛИТИЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Отечественная продукция
В России литиевые элементы трех электрохимических систем
выпускает предприятие ОАО «Литий-элемент» с более чем 40-летним опытом
работы: несколько типов элементов Li/I2 для имплантируемых кардио- и
нейростимуляторов (табл. 2.12), цилиндрические литиевые элементы
Li/MnO2 и Li/SOCl2 (табл. 2.13).
Таблица 2.12. Литиевые элементы ОАО «Литий-элемент»
для изделий медицинской техники
Характеристики ИЛ-1А ИЛ-2А ИЛ-2И ИЛ-3 ИХЛ-2
Электрохимическая
система
НРЦ, В
Номинальная
емкость, Ач
Номинальный ток
разряда, мкА
Габаритные
размеры, мм
Масса, г
Сохранность, годы
Li/I2 Li/I2 Li/I2 Li/I2 Li/SOCl2

2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
55
Таблица 2 13 Цилиндрические литиевые элементы ОАО
Характеристики
Электрохимическая
система
Напряжение, В
Разрядная емкость, Ач
Номинальный ток
разряда, мА
Импульсный ток
разряда, мА
Рабочая температура, °С
Размеры, мм
диаметр
высота
Масса, г
Сохранность, годы
МРЛ-1425
Li/MnO2
3,0
0,7
5
10
-30 - +50
14,5
25,0
15
5
ТХЛ-1425
Li/SOCl2
3,6
0,6
1
50
-60 - +70
14,5
25,0
12
7
МРЛ 1450
Li/MnO2
3,0
1,5
100
1000
-30 - +50
14,5
50,5
30
5
"Литий-элемент"
ТХЛ-1450
Li/SOCl2
3,6
1,8
3
100
-60 - +70
14,5
50,5
19
7
МРЛ-3460
L1/M11O2
3,0
11,0
300
3000
-30 - +50
34,5
61,5
ПО
5
ОАО «Литий-элемент» выпускает также целый ряд батарей из
литиевых элементов большой емкости (десятки и сотни ампер-часов) для
специального назначения.
Другой производитель массовой продукции литиевых элементов -
ОАО «Энергия» (г. Елец). Информация о литиевых элементах и батареях
малой емкости завода (рекламные материалы INTERBAT-2003)
представлена в табл. 2.14. Элементы работоспособны в диапазоне температур
Таблица 2 14 Литиевые первичные источники тока ОАО "Энергия"
Характеристики
Напряжение, В
Номинальная
емкость, Ач
Размеры, мм
диаметр
высота
Масса, г
Сохранность,
годы
Элементы с маркой "
S
Ш
3,0
0,15
11,6
10,8
2,8
5
гсик-2
UQ
3,0
0,8
17,0
33,0
17,6
5
пик-3
W
3,0
0,8
14,5
50,0
17,9
5
Блик" предназначены ;
X
гп
S
е;
W
3,4
1,4
13,0
22,2
7,2
5
X
ГЦ
5,9
0,15
20,5x17,5x48,5
36,8
5
о
R-20
и
2,9
0,05
20
1,6
1,8
3
1ля фотоаппаратуры, последние 4 типа
тронных играх, дистанционном управлении ТВ, для наручных часов
и
2,9
0,08
20
2,5
2,2
3
ел
ск
и
2,9
0,14
20
3,2
3,0
3
используются
R-23:
и
2,9
0,14
23
2,5
2,9
3
в элек-

56
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
от -20 до +50 °С, батареи - в диапазоне от -15 до +45 °С, но при предельной
низкой температуре работоспособность значительно уменьшается (в 3 раза у
Блик-1, в 10 раз у Блик-ЗН, на 25-50 % у остальных).
Альтернативой Li/I2 элементов для имплантируемых медицинских
аппаратов являются элементы Li/F, выпускаемые ЗАО "НПФ "Эле-
стим-кардио". Номинальное напряжение элементов - 3 В, конечное -
2,4 В.
Выпускается три типа элементов: ВР 4580 и ВР 5056 (емкость 2,2 Ач,
масса 15 г) и ВР 3756 A,4 Ач, 11 г). Разрядные характеристики
первых двух типов при разряде на постоянное сопротивление показаны на
рис. 2.20 (рекламные материалы компании). Номинальный ток их
разряда - 25-30 мкА, максимальный ток - 5 мА.
На предприятии ФГУП "Научно-исследовательский и проектно-тех-
нологический институт электроугольных изделий" (г. Электроугли
Московской обл.) тоже были разработаны элементы Li/CFX емкостью 0,8 и
3 Ач для имплантируемых медицинских приборов: кардиостимуляторов
и дозаторов лекарственных препаратов. Производство их не налажено,
но натурные испытания показали, что и после 15 лет хранения
разработанные элементы имеют емкость, соответствующую техническому
заданию [26].
Цилиндрические литиевые элементы большей емкости системы Li/SOCl2
трех типоразмеров производит ООО «Элиак» (г. Новочеркасск).
Основные характеристики выпускаемых элементов представлены в табл. 2.15
(каталог продукции на выставке INTERBAT-2004, Москва). Номинальное
напряжение элементов - 3,4 В, конечное - 2,5 В. Элементы
работоспособны в диапазоне температур от -40 до +60 °С. Гарантийный срок
хранения - 3 года.
Элементы выпускаются в четырех модификациях.
Рис. 2.20. Разрядные характеристики элементов Li/F типов ВР 5056 и ВР 4580
для имплантируемых медицинских аппаратов

2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
57
Таблица 2.15. Цилиндрические литиевые элементы ООО «Элиак»
Тип
элемента
ER6S
ER6P
ER14S
ER14P
ER6PS
ER20S
ER20P
ER20C
Модификация
Стандартной емкости
Повышенной мощности
Стандартной емкости
Повышенной мощности
Стандартной емкости
Повышенной мощности
Стандартной емкости
Повышенной мощности
Повышенной емкости
Номинальная
емкость, Ач
1,2
1,2
5,5
4,5
3,8
13,0
10,0
16,0
Ток, мА

номинальный

максимальный
3 250
10 250
10 2000
100 2000
250 1000
15 3000
250 3000
10 500
Масса, г
20
20
55
55
55
ПО
ПО
но
На базе этих элементов ГУП «НКТБХИТ» (г. Новочеркасск)
выпускает 6 типов батарей, в которых элементы соединены в последовательно-
параллельные цепи и обеспечивают до 20 Ач (табл. 2.16).
Фирма «ОРИОН-ХИТ» (г. Новочеркасск) на базе элементов ООО
"Элиак" производит батареи с номинальным напряжением 31 В и емкостью
более 100 Ач (табл. 2.17). Батареи работоспособны в диапазоне температур
Таблица 2.16. Батареи литиевых элементов фирмы ГУП «НКТБХИТ»
Тип
батареи
Напряжение, В
конеч-
Номи-
нальная
емкость,
Ач
Ток, А

номинальный
ьный
Диапазон
рабочих
темпера-
ТУР,°С
Срок

хранения,
Масса,
Габаритные
размеры,
мм
4ER6S-2 13,4 10,0 4,0 0,02
4ER14S-2 13,4 10,0 10,0 0,20
4ER20S-2 13,4 10,0 20,0 0,50
9ER14P-4 30,5 26,0 20,0 0,40
5ER20P 16,0 12,0 10,0 0,25
10ER20P 33,5 27,0 10,0 0,25
0,5
2,0
4,0
4,0
2,0
3,0
-50-460
-50--ИЗО
-50-460
0-440
-40-460
-50-460
5
5
5
3,5
3
5
0,3
0,6
1,2
3,2
1,0
2,0
40x68x57
56x135x56,5
72,5x176x69
022,4 Л = 77
90x200x46
235x153x38
Таблица 2.17. Батареи литиевых элементов фирмы «ОРИОН-ХИТ»
Тип батареи
Номинальная
емкость, Ач
Ток, А

номинальный

максимальный
Масса, кг
Габаритные
размеры, мм
9ER20P-16
9ER14PS-20
9ER14PS-24
9ER14P-24
9ER20P-20
9ER20P-28
160
100
100
120
200
280
4
5
5
6
5
7
32
50
50
24
40
60
20,0
15,0
19,0
19,0
26,0
38,5
314x367x172
348x343x150
260x297x212
260x297x212
362x395x176
387x501x176

58 2 ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
от 0 до +55 °С Они обеспечивают стабильное напряжение на
протяжении всего разряда При О °С рабочее напряжение на 1 В ниже, чем при
+40 °С
Продукция зарубежных компаний
Продукция зарубежных компаний, производящих первичные
источники тока, отличается от отечественной более широким типоразмерным
рядом элементов каждой электрохимической системы и большим сроком
хранения элементов (до 10-12 лет)
Литиевые элементы, дисковые и цилиндрические, выпускают многие
компании Их можно найти на российском рынке через дистрибьютор-
ские компании
Большая часть продукции разных компаний обеспечивает
слаботоковые режимы разрядов Однако выпускаются и элементы, способные к
длительному разряду токами в несколько ампер
Японская компания MATUSHITA более 30 лет выпускает
слаботоковые элементы двух электрохимических систем с торговой маркой
PANASONIC [24]
Элементы системы Li/MnO2 (серия CR)
Дисковые
- 9 типов емкостью от 25 до 90 мАч, номинальный ток - 0,1 мА,
-9 типов емкостью от 130 до 1000 мАч, номинальный ток - 0,2 мА,
- 2 ультратонких (толщина - 0,4 мм) элемента емкостью 12 и 18 мАч
(аналогичных изделий у других производителей нет, эти элементы
могут использоваться в IC/ID картах, калькуляторах, электронных
органайзерах и других подобных устройствах)
Цилиндрические B типа емкостью 0,75 и 1,3 Ач с номинальным
током 20 мА и элемент емкостью 3 Ач с номинальным током 200 мА)
Цилиндрические элементы серии CR работоспособны в диапазоне
температур от -20 до +60 °С Рабочий диапазон после консультации со
специалистами компании может быть расширен до -40 - +70 °С
Элементы системы Li/CF^ (серия BR)
Дисковые (номинальный ток - 3 мА)
- 12 типов емкостью от 25 до 500 мАч для нормальных условий,
-5 типов емкостью от 48 до 1000 мАч для работы при температуре
до +125 °С (кратковременно выдерживают +150 °С)
Цилиндрические
- 6 типов емкостью от 1,2 до 2,5 Ач, номинальный ток - 2,5 мА,
- элемент емкостью 5 Ач, номинальный ток - 5 мА

2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 59
Два типа элементов очень малого диаметра D,2 мм) емкостью 25 и
50 мАч, которые используются в светящихся поплавках и различных
игрушках.
Для цилиндрических элементов PANASONIC серии CR,
работоспособных в диапазоне температур от -20 до +60 °С, после консультации
специалистов компании возможно расширение диапазона до -40 и
+70 °С.
Элементы серии BR работоспособны в диапазоне температур от -40
до +85 °С. Их характеристики показаны выше (рис. 2.11 и 2.12).
Японская компания SANYO выпускает литиевые элементы
системы Li/MnO2 (серия CR) в широком диапазоне емкостей [27].
Дисковые: 6 типов емкостью от 35 до 560 мАч; номинальный ток
разряда 0,1-0,3 мА (работоспособны в диапазоне температур от -20 до
+70 °С).
Цилиндрические (диапазон рабочих температур от -40 до +85 °С):
-5 типов бобинной конструкции емкостью от 850 до 5000 Ач;
номинальный ток разряда 7-15 мА; работоспособны более 10
лет;
- 5 типов рулонных высокой мощности (для быстрого разряда)
емкостью от 160 до 2200 мАч.
Американская компания DURACELL выпускает литиевые
элементы системы Li/MnO2, дисковые, цилиндрические (бобинной конструкции
и рулонные) и призматические.
Бытовые дисковые элементы типов DL 2016, DL 2025, DL 2032
предназначены для поддержки памяти и питания разнообразных
электронных устройств с малым потреблением. Бытовые цилиндрические
рулонные элементы, а также батареи на 3 и 6 В используются в
фототехнике. Для этих целей разработан недавно и призматический
элемент СР1.
Выпускаются также промышленные элементы, дисковые (DL2325,
DL2430, DL2450) и цилиндрические бобинные (DL 1/2AA, DL 2/3AL,
DLAAL).
Немецкая компания SONNENSCHEIN LITHIUM производит
несколько серий элементов системы Li/SOC^ [28]:
- 6 типов элементов стандартной серии SL-200 емкостью 0,4; 1,0 и
U Ач;
- 3 типа элементов типоразмеров 1/2 АА, 2/3 АА и АА емкостью 1,0;
1,45 и 2,3 Ач;
- 3 типа элементов серии SL-500 расширенного температурного
диапазона (до +130 °С) типоразмеров 1/2 АА, 2/3 АА и АА емкостью
0,8; 1,0 и 1,7 Ач;
- 10 типов элементов серии SL-700 повышенной мощности
(дисковые емкостью от 0,37 до 1,6 Ач и цилиндрические: типоразме-

60 2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
ров от 1/2 АА до DD и емкостью от 0,95 до 35 Ач и элементы
серии SL-2000 типоразмеров С и D емкостью 8,5 и 19 Ач
соответственно).
Номинальные токи /н всех элементов не превышают нескольких
миллиампер (порядка 0,001 Сн). Максимальные продолжительные токи
элементов - в 10 раз более номинальных. Элементы серии SL-700 допускают
максимальные токи до 30 /„ и импульсные токи до 100 /н.
Французская компания SAFT выпускает литиевые элементы,
способные к разряду наибольшими токами среди малоемких литиевых
элементов. Это цилиндрические элементы трех систем [29, 30]:
Li/SOCl2 - серии LS, LST (ранее Т) и LSH;
Li/SO2 - серии LO и G;
Li/MnO2 - серия LM.
Эти элементы выпускаются уже в течение трех десятилетий, и их
номенклатурный ряд постоянно расширяется. Расширяется и область их
применения.
Элементы серий LS и LST (табл. 2.18), производимые во Франции и
Англии соответственно, несколько различаются размерами и массой. Они
подразделяются на две группы: элементы малые и большие. Существует
две модификации каждого из источников тока этих серий: стандартные
элементы и элементы повышенной емкости, которые имеют
дополнительную букву С в конце наименования типа. Элементы стандартные
обеспечивают более высокую емкость при средних токах и высокое
напряжение разряда в широком диапазоне рабочих температур. Элементы
повышенной емкости обеспечивают более долгий срок службы при
малых токах.
Конструкция элементов этих серий (бобинного типа) показана на
рис. 2.17, а.
Элементы обеспечивают удельную энергию до 450 Втч/кг и 1000 Втч/дм3.
Стандартные элементы предназначены для эксплуатации в диапазоне
температур от -60 до +85 °С, герметичность гарантируется при
разогреве до +110 °С. Элементы повышенной емкости работоспособны при
температуре только до +55 °С. Саморазряд элементов - 1,4 % в год.
Типичный вид разрядных характеристик показан выше, на рис. 2.8,
изменение емкости в зависимости от тока и температуры разряда - на
рис. 2.9. Максимальный импульсный ток меняется в зависимости от
параметров импульса (его продолжительности и частоты), температуры
окружающей среды, условий хранения до момента использования и
приемлемого для конкретного приложения уровня минимального
разрядного напряжения. Для увеличения напряжения в начальный момент
импульса может быть рекомендовано использование параллельно
подключенного конденсатора.

2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
61
Таблица 2 18 Литиевые элементы SAFT серии LS/LST
НРЦ-3,67В
Тип элемента
Малые
LS 14250
LST14250
LS 14250 С
LS 14500
LST 14500
LS 14500 С
LSX 14500
LST17330
LS 17500
Большие
LS 26000
LS 26000 С
LS 33600
LS 33600 С
Примечание]
емкость - 0,5 С„
Номинальное напряжение - 3,6 В
Размер
1/2 А А
1/2АА
1/2АА
АА
АА
АА
АА
2/3 А
А
С
С
D
D
Номинальная
емкость, Ач
(при токе, мА)
1,0A,5)
1,0@,5)
1,2@,5)
2,25 C,0)
2,2B,0)
2,7A,0)
1,7B,0)
2,0 C,0)
3,4 D,0)
7,3 D,0)
8,5A,0)
17,0E,0)
18,5A,0)
1ри максимальном токе

Диаметр,
мм
14,65
14,55
14,65
14,65
14,55
14,65
14,65
16,60
17,0
26,0
26,2
33,4
33,4
рабочее
Высота,
мм
24,8
25,1
24,8
50,3
49,8
50,3
50,3
33,4
50,9
49,9
49,9
61,6
61,6
Масса,
г
8,5
9,4
8,9
16,2
17,4
16,2
17,5
14,4
21,9
48,0
48,0
90,0
90,0
; напряжение -
Максимальный
постоянный
ток, мА
40
40
12
120
120
25
200
25
130
170
50
250
80
• не менее 3,2 В

Импульсный ток
мА
200
100
100
400
400
250
-
-
-
350
220
400
130
разрядная
В 2003 г. начался выпуск элемента типа LS 33600LM с низкими
магнитными свойствами. Такие элементы необходимы для научного и
океанографического оборудования, для сейсмического обследования, для
морских спасательных буев и т. п. Номинальная емкость элемента -
17 Ач, при токе 250 мА и 20 °С он обеспечивает 0,5 С„. Характеристики
элемента показаны на рис. 2.21.
Элементы серии LSH принадлежат к электрохимической системе
Li/SOCl2, как и описанные выше, но электроды вместе с сепаратором
свернуты в виде рулона (рис. 2.17, б). Все элементы серии имеют
аварийный вентиляционный клапан для сброса газа и снабжены
предохранителем на 5 А.
Эти элементы обеспечивают мощность до 100 Вт/кг или 220 Вт/дм3.
Саморазряд - 2 % в год. Разрядные характеристики аналогичны
характеристикам элементов серии LS, но с увеличением тока их рабочее
напряжение и емкость уменьшаются в большей степени (см. рис. 2.22).
Диапазон рабочих температур: от -60 до +85 °С, температура хранения - до
+ 100 °С кратковременно, герметичность гарантируется при температуре
до +110 °С. Основные характеристики элементов серии LSH
представлены в табл. 2.19.

62
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Рис. 2.21. Электрические характеристики элемента LS 33600LM SAFT
в зависимости от разрядного тока и температуры:
а - емкость при UK0H = 2 В, б - рабочее напряжение
Таблица 2.19. Литиевые элементы SAFT серии LSH
Напряжение разомкнутой цепи - 3,67 В. Номинальное напряжение - 3,6 В.
Тип
элемента
Размер
Номинальная
емкость, Ач
(при токе, мА)
Диаметр,
мм
Высота,
мм
Масса,
г
Максимальный
постоянный
ток, мА

Импульсный ток,
мА
LSH 26180
LSH14
LSH20
Примечание. Емкость, снимаемая при максимальном токе, =0,5 С„.

2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
63
Рис. 2.22. Емкость литиевого элемента SAFT типа LSH 14 при различных
токах разряда и температурах. UK0» = 2,5 В
Компания SAFT выпускает также большую серию батарей из
элементов серии LSH, которые используются для военной техники (см. табл. 2.20).
Элементы серий LO и G (производства США и Англии
соответственно) с рулонными электродами принадлежат электрохимической системе
Li/SO2. Элементы выполнены в виде цилиндра с проволочными выводами
с обоих торцов и снабжены аварийным вентиляционным клапаном.
Они обеспечивают до 300 Втч/кг и 500 Втч/дм3. Работоспособны в
диапазоне температур от -60 до +70 °С. Разгерметизация - при
температуре выше 95 °С. Разрядная кривая элементов - плоская и при больших
плотностях тока (см. рис. 2.15), и при отрицательной температуре (см. рис. 2.16).
Таблица 2.20. Батареи SAFT специального назначения из элементов
серии LSH
Тип источника тока

обозначение
Напряжение,
В


нальное

конечное


нальная

емкость,
Ач
Максимальные
размеры, мм

Масса, г
Защита
по
току, А
Типичное
применение
PS31A 1LSH 26180
PS38A 5LSH26180
PS40A 4LSH14
PS42A 2LSH20
PS48A 5LSH20-2
PS52A 2LSH20
PS53A 6LSH20
Ночное видение
Лазерная
телеметрия
* Радиосвязь
к Радиосвязь
* Радиосвязь
* Радиосвязь
* Радиосвязь

64
2. ПЕРВИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Элементы выпускаются в двух модификациях: стандартные (SX) и с
повышенной емкостью при импульсном токе (SHX). Их характеристики
представлены в табл. 2.21.
Выпускаются и батареи разного напряжения из этих элементов
(емкость от 0,86 до 15 Ач), главным образом для военной радиосвязи и
других специа^иых приложений.
Номенклатура элементов компании SAFT системы Li/MnO2
(дисковые малой емкости и рулонные) показана в табл. 2.22. Диапазон рабочих
темпера-:/;, для дисковых элементов - от -20 до +60°С, для рулонных -
от-40 до'+70 °С.
Выпускается также два типа батарей для военной радиосвязи: тип ВА
5368/U (из 4 элементов LM 22150) и тип ВА 5372/U (из 2 элементов LM
17130) емкостью 1,0 и 0,5 Ач соответственно.
Таблица 2 21 Литиевые элементы SAFT серии LO
Напряжение разомкнутой цепи - 3,00 В. Номинальное напряжение - 2,9 В.
Тип

Обозначение
размера

Номинальная емкость,
мАч (при
токе, мА)
Размеры
(максимальные), мм
диаметр высота
Масса,
г

Максимальный
постоянный
ток, А

Импульсный
ток, А
G04
G06
G32
G36
LO 34 SX
LO 35 SX
G52
LO 29 SHX
G54
LO 43 SHX
LO40SHX
LO 30 SHX
G20
LO 26 SX
LO 26 SHX
LO 25 SX
LO 39 SHX
G22
G62
Примечание Г!ри -40 °С напряжение снижается до 2,5 В, емкость уменьшается в 2 раза.

2.2. ЛИТИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
65
Таблица 2.22. Литиевые элементы SAFT серии LM
Напряжение разомкнутой цепи элемента- 3,3 В
Тип
LM 2032
LM 2430
LM 2450
LM 14250 (ех-М 04)
LM 17130 (ех-М 31)
LM 22150 (ех-М 38)
LM 26500 (ех-М 52)
LM 26600 (ех-М 54)
LM 33600 (ех-М 20)

Обозначение
размера
1/2 АА
1/3 А
1/3 sub-C
С
5/4 С
D
Номинальная
емкость, мАч
(при токе,
мА)
. Номинальное напряжение элемента -
Размеры, мм
диаметр
Дисковые
200@,2)
285 @,2)
540 @,2)
20,0
24,5
24,5
Рулонные
350D1)
450 D5)
950D0)
4500 E00)
5500 E00)
10500A000)
24,8
25,2
24,8
25,6
25,6
33,7
высота
3,2
3,0
5,0
3,2
3,0
5,0
51,0
61,5
61,5
Масса,
г
2,9
4,0
6,0
8,5
10,0
8,5
60,0
72,0
116,0

Максимальный

продолжительный
ток, мА
3
3
3
—
-
-
1000
1200
2500
2,9 В.
Страна

производства
France
France
France
USA
USA
USA
UK
UK
UK

DURACELL
(USA)
Первичные источники тока:
- щелочные марганцево-цинковые
DURACELL PLUS - серия общего использования;
работают в 10 раз дольше по сравнению с обычными
солевыми батарейками!
Цвет соответствует типоразмеру:
АА - желтый ААА - зеленый
С - красный D - синий
Батарея 9 В - бирюзовый
DURACELL PROCELL - серия промышленная;
типоразмеры А А, ААА, С и D;
прекрасные характеристики при нагрузке 2,2 Ом
элементы литий/диоксид марганца
дисковые, цилиндрические, призматические

ГЕРМЕТИЧНЫЕ
ЩЕЛОЧНЫЕ
АККУМУЛЯТОРЫ
Сравнительное описание работоспособности герметичных щелочных
перезаряжаемых источников тока целесообразно начать с рассмотрения
никель-кадмиевых аккумуляторов, которые выпускаются уже пять
десятилетий и изучены наиболее полно
Никель-водородные аккумуляторы используются только в
космических аппаратах и в настоящем справочнике описываются кратко лишь для
сравнения их с никель-кадмиевыми.
Никель-металлгидридные аккумуляторы в последние десятилетия
сильно потеснили никель-кадмиевые во многих областях техники Особенно
широко они используются в автономных источниках питания
портативной аппаратуры, где увеличение их удельных характеристик в 1,5-2 раза
по сравнению с никель-кадмиевыми привело к улучшению
потребительских свойств этой аппаратуры
Эти источники тока, однако, имеют много общего, так как именно
положительный оксидно-никелевый электрод определяет как разрядную
емкость аккумулятора, так и в значительной степени его свойства
3.1. НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
3.1.1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Основной процесс, имеющий место на положительном оксидно-
никелевом электроде (ОНЭ) в цикле заряда-разряда аккумуляторов,
описывается следующим образом
О)
На отрицательном кадмиевом электроде аккумулятора протекает
реакция
B)
C)
Общая реакция в никель-кадмиевом аккумуляторе имеет вид:
При перезаряде никель-кадмиевых аккумуляторов на положительном
электроде протекает побочный процесс выделения кислорода-
D)

Реакция F) опасна для герметичного аккумулятора, так как она может
привести к накоплению водорода из-за низкой скорости реакции G). Для
того чтобы в стандартной ситуации условий дня протекания реакции F) не
возникало, в герметичном аккумуляторе емкость отрицательного электрода
обычно заметно превышает емкость положительного. Поэтому емкость
герметичного никель-кадмиевого аккумулятора определяется емкостью его
положительного оксидно-никелевого электрода.
3.1.2. МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРОДНЫХ РЕАКЦИЙ
Положительный электрод
Характеристики положительного оксидно-никелевого электрода (ОНЭ)
зависят от электронных и структурных свойств его активной массы.
Электродные процессы на ОНЭ протекают с диффузионным контролем в
оксидном слое, определяющим условия переноса реагирующих частиц.
Рост оксидной пленки в процессе заряда ОНЭ сопровождается
постепенным возрастанием степени ее окисленности, а выделение кислорода
происходит с поверхности, где оксиды высших валентностей появляются
раньше. Условия диффузии зависят не только от толщины оксидного
слоя, но и от его состава.
Исходный гидроксид никеля может существовать в двух формах: а- и
P~Ni(OHJ, различающихся степенью гидратации и плотностью. В
разряженном электроде могут присутствовать обе формы Ni(OHJ.
При заряде P-Ni(OHJ переходит в (З-NiOOH (при незначительных
изменениях кристаллической решетки вещества). На последней стадии
заряда может образовываться y-NiOOH. Соотношение Р- и у-фаз NiOOH
68 3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Кислород через пористый сепаратор достигает отрицательного
электрода и восстанавливается на нем:
E)
Реакции D) и E) реализуют замкнутый кислородный цикл и
обеспечивают стабилизацию давления в герметичном никель-кадмиевом
аккумуляторе при его перезаряде. Следует отметить, что давление в аккумуляторе
определяется не только скоростями протекания указанных реакций, но,
главным образом, скоростью доставки кислорода от положительного
электрода к отрицательному.
Кроме того, при перезаряде отрицательного кадмиевого электрода
может иметь место реакция выделения водорода
F)
G)
который окисляется на ОНЭ в соответствии с реакцией:

3.1. НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 69
зависит от условий заряда. у-Фаза образуется при больших скоростях
заряда и/или при значительных перезарядах. Ее образование приводит к
коренной перестройке структуры оксидов. Плотность p-NiOOH равна
4,15 г/см3, плотность y-NiOOH - 3,85 г/см3, поэтому при значительном
перезаряде при образовании оксидов высшей валентности объем
активной массы ОНЭ изменяется.
Электрохимическое поведение двух форм гидроксида никеля также
различно. Заряд y-NiOOH протекает с меньшей эффективностью, а
коэффициент использования по току ниже, чем у Р-формы. Разрядный
потенциал y-NiOOH ниже на 50 мВ. Но при хранении его саморазряд в 2 раза
меньше. Показано также [6], что металлокерамический ОНЭ,
содержащий y-NiOOH, более работоспособен при температуре -40 °С.
Для обеспечения большего ресурса следует вести заряд с малым
перезарядом до образования P-NiOOH, который обеспечивает малые
объемные изменения электрода в цикле заряда-разряда.
Отрицательный электрод
Гидроксид кадмия Cd(OHJ устойчиво существует в двух
кристаллических модификациях. Восстановление его происходит через жидкую и
твердую фазы. При разряде скорость окисления пропорциональна
величине тока и площади активной поверхности электрода, где могут
происходить рост кристаллов и растворение. Поэтому ограничение разряда
связывается с механизмами пассивации кадмиевого электрода.
В новых герметичных никель-кадмиевых аккумуляторах емкость
кадмиевого электрода обычно выше емкости ОНЭ на 20-70 %. Поэтому
потенциал кадмиевого 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
реализации замкнутого кислородного цикла, т. е. малым количеством кислорода
в изолированном объеме в течение всего зарядно-разрядного цикла.
Аккумуляторы имеют металлический корпус, обеспечивающий работу при
некотором избыточном давлении, которое может возникнуть при больших
токах заряда и значительном перезаряде. Для увеличения скорости переноса
кислорода от положительного электрода к отрицательному обеспечивается
плотная сборка электродов и пористого сепаратора и малое, строго
дозированное, количество электролита, который практически весь находится в
порах электродов и сепаратора.
Аккумуляторы выпускаются в трех конструктивных вариантах:
дисковом, цилиндрическом и призматическом.

70
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Рис. 3.1. Конструкция дисковых аккумуляторов [10]:
а - буртиковый двухэлектродный, 6 - буртиковый четырехэлектродный, в - безбуртиковый
четырехэлектродный,
/ - корпус аккумулятора, 2 - сепаратор, 3- положительный электрод, 4 - отрицательный
электрод, 5 - крышка, 6 - пружина, 7 - уплотнительная прокладка, 8 - изолирующая
прокладка, 9 - токоотвод
У дисковых (диаметр много больше толщины) аккумуляторов
электроды разной полярности размещают один над другим, разделяя их
сепаратором. В аккумуляторе может быть 2 или 4 электрода, которые
запрессованы в никелевой проволочной сетке. В зарубежных
аккумуляторах используют и металлокерамические электроды. Под крышкой
размещают контактную пружину (рис. 3.1).
Дисковые аккумуляторы - источники тока малой емкости, от сотых до
нескольких десятых ампер-часа. Эти аккумуляторы проще в
изготовлении, чем аккумуляторы других конструкций, но их удельные
характеристики ниже. Относительное снижение характеристик обусловлено не
только значительной долей металлических деталей, но и пониженной
закладкой активной массы ОНЭ, поскольку приходится учитывать изменение
ее объема в цикле заряда-разряда.
При каждом заряде высота дисковых аккумуляторов несколько
увеличивается, но после поглощения кислорода в процессе разряда или
хранения она уменьшается до начальной величины. Однако при значительных
перезарядах может наблюдаться остаточная деформация. При длительном
циклировании деформация может возникнуть также из-за разбухания
активной массы ОНЭ. Может иметь место и капиллярная утечка
электролита.
Цилиндрическая конструкция аккумуляторов обеспечивает более
простое 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-
бинную конструкцию В таких аккумуляторах сохранялись главные
недостатки дисковых: большая толщина электродов и рыхлая активная масса.
Это не позволяло увеличить скорость заряда, а высокое внутреннее
сопротивление аккумуляторов определяло низкое разрядное напряжение.

3.1. НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
71
Существенное улучшение энергетических характеристик
цилиндрических аккумуляторов было достигнуто при переходе к конструкции, в
которой пакет из положительного электрода, сепараторов и
отрицательного электрода одновременно свертывается в рулон. Это стало
возможным благодаря технологии изготовления тонких электродов, которые
могут быть свернуты в рулон заданного объема при плотной сборке всего
пакета. Современные аккумуляторы, обеспечивающие наиболее высокие
энергетические характеристики, имеют положительный спеченный
электрод или с основой в виде войлока, отрицательный - спеченный или
такой же тонкий намазной.
Увеличение рабочей поверхности электродов и уменьшение
внутреннего сопротивления цилиндрических рулонных аккумуляторов позволило
увеличить скорости их заряда и разряда. Высокопористый электрод на
войлочной основе позволяет также на 15-^0% увеличить закладку активной
массы. Условия транспорта кислорода в таких аккумуляторах также
улучшились, что обеспечило дополнительные резервы для расширения диапазона
режимов их эксплуатации. Типичная современная конструкция
цилиндрического аккумулятора показана на рис. 3.2 [31]. Он обычно имеет
электрически изолированный положительный вывод на крышке и отрицательный,
который соединен с корпусом. Аккумуляторы снабжены аварийным
клапаном для сброса газа, который может сработать при сильном перезаряде.
Поэтому их можно считать не герметичными, а герметизированными.
Максимальная номинальная емкость цилиндрических
никель-кадмиевых аккумуляторов, выпускаемых разными производителями, составляет,
как правило, 7-10 Ач, редко больше.
Аккумуляторы большой емкости конструктивно исполняются в виде
призмы. Корпус - металлический сварной, часто с гофрированной боковой
поверхностью для увеличения жесткости. Для источников тока среднего
и короткого режимов разряда используются электроды разной толщины.
В аккумуляторах с толстыми (до 2 мм)
положительными электродами в донную
часть закладывается активированный уголь,
который обеспечивает лучшее
поглощение кислорода. Корпус обычно соединен
с отрицательным электродом.
Уплотнение токовыводов производится при
помощи резиновых колец.
Рис. 3.2. Цилиндрический аккумулятор с
электродами рулонного типа:
/ - аварийный клапан для сброса газа; 2 -
герметизирующая прокладка; 3 - положительный электрод, 4 -
сепаратор; 5 - отрицательный электрод; 6 -
никелированный стальной корпус

72
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Рис. 3.3. Призматический аккумулятор
большой емкости:
1 - корпус; 2 - крышка; 3 - отрицательный борн;
4 - положительный борн; 5 - отрицательный
электрод; 6 - положительный электрод; 7 -
сепаратор; 8 - изоляционная прокладка; 9 - сильфон-
ный датчик давления
На рис. 3.3 показана конструкция
отечественного аккумулятора емкостью
90 Ач. Аккумуляторы большей емкости
имеют на крышке сильфонный датчик
давления, контакт которого позволяет
обеспечить отключение аккумуляторов с
заряда при увеличении внутреннего
давления до величины порядка 1 ати.
Аккумуляторы емкостью до 30 Ач датчика
давления не имеют.
Призматические аккумуляторы
такого конструктивного исполнения
выпускались в России в широком диапазоне
емкостей: от 1,5 до 200 Ач.
Самые маленькие из них почти во
всех приложениях заменены на разработанные позже цилиндрические с
рулонным пакетом электродов. До настоящего времени широко выпускаются
призматические аккумуляторы для батарей шахтных светильников. В
зависимости от технологии изготовления электродов и при небольшом изменении
конструкции такие аккумуляторы в настоящее время имеют емкость от 10 до
15 Ач. Аккумуляторы большой емкости широко используются в космической
технике. Батареи из них конструируются так,
чтобы обеспечить отсутствие перемещений
аккумуляторов при механических перегрузках.
Выпускаются герметичные
аккумуляторы даже в полиамидном корпусе (компании
НИАИ "Источник" и "ANK",
Санкт-Петербург). Но для нормальной работы батарей
из таких аккумуляторов необходимо
обеспечивать жесткость всей конструкции.
За рубежом выпускаются также
призматические тонкие аккумуляторы (рис. 3.4),
Рис. 3.4. Призматический аккумулятор малой
емкости:
/ - аварийный клапан; 2 - уплотнение; 3 - крышка; 4 -
отрицательный электрод; 5 - положительный электрод;
6 - сепаратор; 7 - корпус

ЗЛ. НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 73
в которых блок электродов помещается в тонкий металлический корпус с
положительным выводом, который конструктивно совмещен с
аварийным клапаном на крышке, привариваемой к корпусу с помощью лазерной
сварки. Емкость таких аккумуляторов не превышает 1,3 Ач.
3.1.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Номинальное напряжение герметичных никель-кадмиевых
аккумуляторов- 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 герметичных
цилиндрических Ni-Cd аккумуляторов при разных режимах и температурах
показан на рис. 3.5 и 3.6. При ускоренном заряде (рис. 3.5, б) характер
изменения зарядного напряжения существенно отличается от стандартного.
Работоспособность аккумуляторов зарубежных производителей в
широком диапазоне температур и режимов разряда часто описывается также
семействами кривых, отражающих зависимость отдаваемой емкости от
этих параметров (рис. 3.7). В отечественной документации
работоспособность чаще характеризуется величиной гарантируемой емкости при
крайних параметрах возможного диапазона условий эксплуатации: разрядных
токов и температуры.
Тепловыделение в герметичном Ni-Cd аккумуляторе зависит от
степени его заряженности. После сообщения -70 % емкости начинается
выделение кислорода и разогрев аккумулятора, обусловленный ионизацией
кислорода на отрицательном электроде. К концу заряда в стандартном режиме
температура аккумулятора может вырасти на 10-15 °С. При быстром
заряде разогрев больше (до 40^5 °С).
Саморазряд герметичных Ni-Cd аккумуляторов определяется в первую
очередь термодинамической неустойчивостью положительного оксидно-
никелевого электрода. Влияние на саморазряд микроутечек между разнопо-
лярными электродами относительно мало в начале эксплуатации, но
увеличивается с наработкой.
При отключении аккумулятора с заряда высокий потенциал
поверхности заряженного ОНЭ постепенно снижается. Уровни заряженности
поверхностных 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
емкости у аккумуляторов разных серий даже одного производителя могут
значительно различаться.
Процесс саморазряда ведет не только к потере емкости, но и к заметному
общему снижению напряжения (на 30-50 мВ). Это связано как с
постепенным выравниванием уровня заряженности поверхностных и глубинных
слоев электродов, так и с частичной пассивацией их активных масс.

Рис. 3.5. Зарядные характеристики герметичного цилиндрического Ni-Cd
аккумулятора SAFT (стандартная серия) [31]
Ток заряда: а - 0,1 С; б- 0,3 С
Рис. 3.6. Разрядные характеристики герметичного цилиндрического Ni-Cd
аккумулятора SAFT (стандартная серия) [31]

Рис. 3.7. Разрядная емкость герметичного цилиндрического Ni-Cd
аккумулятора SAFT (стандартная серия) при различных режимах и
условиях разряда [31]
Рис. 3.8. Саморазряд герметичного Ni-Cd аккумулятора SAFT (стандартная
серия) при различных температурах хранения [31]

76 3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
В документации обычно указывается величина максимально
допустимого саморазряда аккумуляторов после 28 суток хранения при температуре
20 °С. В каталогах зарубежных компаний, как правило, представляются
также семейства кривых, отражающих изменение разрядной емкости
аккумуляторов 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. 3.8. Хранение аккумуляторов при
более низкой температуре уменьшает потери: обычно саморазряд при 0 °С
в 2 раза меньше, чем при 20 °С. Из рисунка видно, как уменьшается со
временем скорость саморазряда.
Некоторое уменьшение саморазряда может быть достигнуто, если
при последнем заряде увеличить уровень перезаряда относительно
стандартного. Причина этого кроется в том, что в процессе длительного
заряда обеспечивается формирование у-фазы NiOOH (см. 3.1.2) во всем
объеме положительного электрода.
Так, например, проверка показала, что низкий саморазряд
аккумуляторов SAFT типа VT 1/2D (не выше 15 % за 28 суток хранения при 20 °С)
может быть снижен еще на 3-4% при заряде током 0,1 С до 320 % С„.
При более длительных сроках хранения (порядка 6 месяцев) разница
величин саморазряда после заряда на 160 и 320 % становится меньше.
Обычно в эксплуатации при необходимости постоянно поддерживать
максимальный уровень заряженности аккумуляторов после стандартного
заряда их переключают в режим подзаряда малым током, который
должен компенсировать саморазряд при хранении. Токи подзаряда (порядка
0,03-0,05 С) оговариваются в документации. Эти данные будут
представлены ниже для каждого типа аккумуляторов.
Аккумуляторы разной конструкции обладают различной способностью
к длительному перезаряду. Понятно, что дисковые аккумуляторы с
толстыми ламельными электродами менее всего способны его выдержать. Среди
цилиндрических аккумуляторов есть такие серии, аккумуляторы которых
способны выдерживать перезаряд током 0,1 С в течение многих месяцев.
Удельные энергетические характеристики
Дисковые аккумуляторы с двумя электродами среди герметичных
никель-кадмиевых аккумуляторов обладают самыми низкими удельными
энергетическими характеристиками: 15-18 Втч/кг и 35-45 Втч/дм3.
Аккумуляторы дисковые с четырьмя электродами имеют вдвое более
высокие характеристики. А удельные энергетические характеристики
цилиндрических аккумуляторов достигают величин 45 Втч/кг и 130 Втч/дм3. У
аккумуляторов с положительным электродом на войлочной основе они еще
выше: до 55 ВтчУкг и 175 Втч/дм3.

3.1. НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 77
3.1.5. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Режимы разряда
Разрядные характеристики аккумуляторов при различных плотностях
тока определяются особенностями аккумуляторов, влияющими на
величину их внутреннего сопротивления. К таким особенностям
относятся прежде всего толщина электродов и их структурные характеристики,
плотность сборки пакета электродов, толщина и структура сепаратора,
количество электролита и некоторые параметры конструкции
аккумулятора.
Для дисковых аккумуляторов с толстыми прессованными
электродами, предназначенных для работы при длинном режиме разряда,
характерна разрядная кривая с изменением напряжения с постоянной малой
скоростью до напряжения 1,1В. Разрядная емкость, снимаемая при
дальнейшем разряде до 1 В, составляет 5-10 % Сн.
У этих аккумуляторов наблюдается заметное снижение среднего
разрядного напряжения и отдаваемой емкости с увеличением плотности
тока до 0,2 С. Это определяется невозможностью равномерного быстрого
разряда активной массы по всей толщине электрода.
Уменьшение толщины электродов (при увеличении их числа с 2 до 4)
позволило для дисковых аккумуляторов, предназначенных для работы
при среднем режиме разряда, поднять границу токов разряда до 0,6 С.
Короткоразрядные аккумуляторы с металлокерамическими
электродами благодаря малому внутреннему сопротивлению обладают более
высокими энергетическими характеристиками. При номинальных токах
разряда разрядная кривая аккумуляторов имеет меньший градиент спада
напряжения. Как правило, напряжение аккумуляторов выше 1,2 В
сохраняется вплоть до исчерпания 0,9 Сн. При разряде от 1,1 до 1,0 В
снимается не более 3 % Сн. Такие аккумуляторы могут быть использованы при
разряде токами до 3-5 С [6].
Современные цилиндрические аккумуляторы с рулонными
электродами допускают еще большие разрядные токи: для некоторых типов
аккумуляторов максимальный продолжительный ток составляет 7-10 С.
Влияние режима разряда на величину разрядной емкости показано на
рис. 3.7. Из рисунка видно, насколько сильным фактором внешнего
влияния на электрические характеристики аккумуляторов является
температура окружающей среды. Емкость, которая может быть получена от
аккумулятора при 20 °С, максимальна. Она почти не уменьшается и при
разряде при более высокой температуре. Но при температуре ниже 0 °С
разрядная емкость снижается, и тем больше, чем больше разрядный ток.
Уменьшение емкости при низкой температуре связано со снижением
разрядного напряжения аккумулятора из-за значительного роста как
омического, так и поляризационного сопротивления. Рост сопротивления

78
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
определяется малым количеством электролита в герметичном
аккумуляторе. Именно поэтому так существенно сказываются на характеристиках
аккумулятора концентрация и состав электролита, которые определяют
температуру образования в электролите той или иной твердой фазы: льда,
кристаллогидратов, солей и др. Замерзание электролита вообще
исключает возможность разряда. Поэтому нижняя температурная граница
работоспособности герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов редко
бывает ниже -20 °С. Но при коррекции состава и концентрации электролита в
некоторых типах аккумуляторов при -40 °С удается снять -0,5 С„ при
токе разряда 0,2 С и -0,2 С„ при токе 1 С (см. характеристики
аккумуляторов разных типов в разд. 3.5).
Режимы заряда
При заряде герметичного аккумулятора кроме проблемы
восполнения истраченной энергии существенным является ограничение его
перезаряда, поскольку процесс заряда сопровождается повышением давления
внутри аккумулятора. По мере заряда оксидно-никелевого электрода
начинается побочный процесс выделения кислорода, и коэффициент
использования тока к концу заряда заметно падает. На рис. 3.9 показаны
типичные кривые, отражающие зависимость разрядной емкости
цилиндрического аккумулятора от емкости, сообщенной при разных скоростях
заряда. Из этих кривых видно, что для полного заряда аккумулятора ему
достаточно сообщать не более 160 % номинальной емкости.
Аккумуляторы могут быть заряжены при температуре от 0 до +40 °С,
наиболее эффективно в диапазоне температур от +10 до +30 °С. Если
аккумулятор заряжается при температуре 0 °С или при предельно высокой,
разрядная емкость может уменьшиться на 10-15 %.
Рис. 3.9. Эффективность заряда при различной скорости заряда

3.1. НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 79
При низкой температуре поглощение кислорода на отрицательном
электроде сильно замедляется и при перезаряде быстрое увеличение
давления может привести к открытию аварийного клапана. При высокой
температуре снижается потенциал, при котором на положительном
электроде начинает выделяться кислород, что приводит к более раннему
началу этого процесса.
При одной и той же температуре увеличение тока для ускорения
процесса заряда приводит к увеличению скорости выделения кислорода.
Скорость газопоглощения кислорода при этом практически не меняется. Она в
большей степени зависит от особенностей аккумулятора, которые
определяют перенос кислорода от положительного электрода к отрицательному,
а именно: от плотности сборки пакета электродов, толщины и
структурных параметров электродов и сепарационного материала, количества
электролита.
Заряд тем эффективнее, чем тоньше электроды аккумулятора и
плотнее сборка их пакета. Именно поэтому цилиндрические аккумуляторы с
электродами рулонного типа наиболее приспособлены к заряду с
большой скоростью. Из кривых на рис. 3.9 видно, что для таких
аккумуляторов 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
течение 16 ч. Для некоторых аккумуляторов продолжительность заряда в
номинальном режиме составляет 14 ч. Это ограничение регламентирует
предприятие-изготовитель, оно определяется особенностями конструкции
аккумулятора или повышенной закладкой активных масс с целью
увеличения емкости.
Кроме гальваностатического заряда (заряда при постоянном токе)
для герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов могут быть
использованы 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
описываются в гл. 7.
В настоящее время во многих случаях возникает настоятельная
необходимость в ускорении процесса заряда. Эта проблема решается при
использовании аккумуляторов, способных к эффективному заряду током
повышенной плотности, постоянным по величине в течение всего заряда,
и систем контроля, не допускающих чрезмерного перезаряда
аккумуляторов.

80 3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Большая часть цилиндрических аккумуляторов может быть заряжена
постоянным током 0,2 С за 6-7 ч или током 0,3 С за 3-4 ч (при контроле
только времени заряда). При ускоренном относительно стандартного
заряде рекомендуется перезаряд не более чем до 120-140%. При этом
обеспечивается разрядная емкость не менее номинальной. Аккумуляторы
серий, разработанных для циклирования в ускоренных режимах, 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 давления.
Пауза между зарядом и разрядом
После прекращения заряда рост давления в аккумуляторе некоторое
время продолжается, так как на оксидно-никелевом электроде идет
процесс окисления гидроксильных ионов. По мере снижения потенциала
ОНЭ за счет саморазряда скорость процесса газовыделения уменьшается
и становится соизмеримой со скоростью поглощения кислорода на
отрицательном 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
прекращения заряда.
Большинство типов аккумуляторов малочувствительно к этому
дополнительному увеличению давления. Но для аккумуляторов, стенки
которых претерпевают деформацию при заряде (как у дисковых), этот факт
приходится учитывать. При квалификационных испытаниях
аккумуляторов оговаривается пауза A-4 ч) между зарядом (даже в номинальном
режиме) и последующим разрядом. При быстром заряде в течение 1 ч,
который допускается для цилиндрических аккумуляторов, даже при
соответствующем контроле зарядного процесса пауза между зарядом и
разрядом не рекомендуется.
В отечественных призматических аккумуляторах большой емкости с
толстым пакетом пластин рост давления после отключения их с заряда
при давлении 1 ати может быть довольно значительным, а главное -
разным. Поэтому при испытаниях таких аккумуляторов контролируется
изменение давления как при переключении на разряд сразу после
окончания заряда, так и в паузе (по времени размыкания контакта датчика
давления после его замыкания в конце заряда).
3.1.6. ИЗМЕНЕНИЯ В АККУМУЛЯТОРЕ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Работоспособность герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов в
эксплуатации ограничивается главным образом постепенными
изменениями, которые происходят в них при циклировании и приводят к
неизбежному уменьшению разрядной емкости и напряжения.

3.1. НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 81
Анализ информации об отказах герметичных никель-кадмиевых
аккумуляторов [6, 32, 33] показывает, что при их эксплуатации
накапливаются эффекты, связанные со следующими факторами:
- потерей активных масс и перераспределением их на электродах;
- уменьшением рабочей поверхности электродов;
- протеканием процессов, связанных с необратимым потреблением
кислорода и воды, а также разложением органических веществ;
- изменением состава и количества электролита и его
перераспределением внутри аккумулятора;
- возникновением утечек по проводникам 1-го рода в результате
роста дендритов металлического кадмия.
Изменения в оксидно-никелевом электроде (ОНЭ)
В результате циклического изменения плотности активных масс ОНЭ
при длительном циклировании аккумуляторов имеет место набухание
положительного электрода и уменьшается его механическая прочность.
Ухудшение контакта между основой ОНЭ и активной массой приводит к
уменьшению электрической проводимости электрода и снижению
емкости аккумулятора.
Снижение механической прочности ОНЭ происходит в большей
степени при систематических перезарядах, что связано с эффектами от
процесса выделения кислорода в поровом пространстве ОНЭ. При этом в
спеченных металлокерамических электродах эти изменения значительно
меньше, чем в электродах прессованных.
При циклировании аккумулятора наблюдается также укрупнение
кристаллической структуры активных масс ОНЭ, что влечет за собой
сокращение рабочей поверхности электрода и снижение емкости аккумулятора.
Изменения в кадмиевом электроде
Главным процессом в отрицательном кадмиевом электроде,
определяющим его деградацию, является процесс миграции активной массы,
которая после длительного циклирования обнаруживается и в сепараторе,
и на поверхности положительного электрода. Следствием этого является
не только некоторая потеря активных масс, но и блокировка пор в
поверхностных слоях кадмиевого электрода, которая препятствует доступу
электролита в глубь его и приводит к увеличению внутреннего
сопротивления аккумулятора.
Миграция активных масс и прорастание дендритных мостиков от
отрицательного электрода через сепаратор вплоть до поверхности ОНЭ
приводит к микрокоротким замыканиям разнополярных электродов. В
результате саморазряд аккумуляторов увеличивается.

82 3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
В кадмиевом электроде, как и в ОНЭ, при циклировании
аккумулятора имеют место рост крупных кристаллов и некоторое набухание
активных масс.
Необратимые окислительно-восстановительные процессы
В герметичном Ni-Cd аккумуляторе могут протекать также и
необратимые процессы, ограничивающие срок его службы. Один из этих
процессов связан с высоким окислительным потенциалом ОНЭ, с возможностью
окисления на нем органических примесей, активирующих и
стабилизирующих добавок, присутствующих в аккумуляторе. Кроме того, металлокера-
мическая основа ОНЭ способна при циклировании медленно окисляться с
потреблением воды и образованием гидроксида никеля Ni(OHJ.
Протекание этих процессов приводит к необратимому потреблению
кислорода и накоплению металлического кадмия на отрицательном
электроде. В результате от цикла к циклу запас оксида кадмия уменьшается, и
емкость отрицательного электрода падает. Это может привести к
выделению водорода при заряде аккумулятора.
Зарядная кривая также меняется: зарядное напряжение повышается во
всем процессе, но особенно заметно (на 100 мВ и более) при перезаряде.
Повышение давления в герметичном аккумуляторе
При снижении емкости отрицательного электрода уменьшается
соотношение емкостей положительных и отрицательных электродов. В
результате при перезаряде увеличивается риск начала процесса выделения
водорода. Водород при низкой скорости его рекомбинации может
накапливаться в аккумуляторе от цикла к циклу и создать опасность быстрого
увеличения давления (особенно при быстрых зарядах). У аккумуляторов
дисковых и призматических при постоянно повышенном давлении
деформация корпуса (еще до нарушения герметичности аккумулятора)
приводит к уменьшению плотности сборки аккумуляторов, увеличению
сопротивления аккумуляторов и снижению разрядного напряжения.
Водород накапливается в аккумуляторе также и при систематических
переразрядах ниже 0 В.
Следует учитывать также, что в аккумуляторе присутствует и азот,
который попадает в него при герметизации. Парциальное давление азота
в процессе циклирования несколько возрастает за счет восстановления
примесей нитратов, содержащихся в электролите.
Герметичные щелочные аккумуляторы снабжены аварийным
клапаном для сброса излишнего давления газа. Но их эксплуатация не
предусматривает неоднократного вскрытия клапана, так как это приводит к
необратимым потерям кислорода и всем эффектам, описанным выше.

3.1. НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 83
Изменения состава электролита и его количества
При длительном циклировании из-за набухания электродов и
изменения их пористой структуры происходит перемещение активных масс от
центра к поверхности. При общем увеличении пористости электродов с
циклами (на 20-40% [10]) уменьшение размера пор на их поверхности
приводит к отсасыванию электролита из сепаратора. Поэтому с
наработкой внутреннее сопротивление аккумулятора увеличивается.
Меняется и состав электролита. Количество карбонатов с
наработкой может значительно возрасти по сравнению с начальным состоянием.
Электропроводность электролита при этом снижается, и характеристики
аккумуляторов при разряде короткими режимами ухудшаются при всех
температурах, но особенно заметно при низких.
Следует помнить также, что гарантированные характеристики
аккумуляторов могут быть обеспечены только при условии полной их
герметичности. В аккумуляторах, один из электродов которых (чаще всего,
отрицательный) соединен с корпусом, возможна утечка электролита из-за
электрокапиллярных явлений. Карбонаты блокируют места утечек, но
полностью их не устраняют. Утечка электролита приводит к ухудшению
характеристик аккумуляторов. У дисковых аккумуляторов этот дефект
проявляется в наибольшей степени, что связано, прежде всего, с большей
длиной уплотнения по сравнению с аккумуляторами других конструкций.
Феномен "эффекта памяти"
При эксплуатации герметичного Ni-Cd аккумулятора наблюдается
еще один феномен, который долгие годы вызывал беспокойство
пользователей этих источников тока: так называемый "эффект памяти".
Первоначально его наблюдали при специфических режимах цикли-
рования - с небольшой глубиной разряда (не более 30 %) от состояния
полной заряженности аккумулятора. В результате такой эксплуатации на
разрядной кривой аккумулятора появлялась вторая площадка более
низкого напряжения (рис. ЗЛО), и емкость, которую можно было снять до
момента достижения 1 В, уменьшалась. При увеличении
продолжительности циклирования в этом режиме площадка уменьшенного напряжения
увеличивалась (сдвигалась влево).
Впоследствии любое снижение разрядного напряжения,
наблюдаемое при длительном циклировании на небольшую глубину, стали
называть "эффектом памяти", хотя механизмы, приводящие к такому эффекту,
могли различаться. Поскольку вопрос об "эффекте памяти" возникает у
большинства потребителей источников тока разных систем, именно здесь
мы хотим обратить особое внимание на различие этих механизмов,
приводящих к снижению напряжения аккумулятора.

84
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Рис. ЗЛО. Влияние "эффекта памяти" на разрядную характеристику Ni-Cd
аккумулятора:
1 - начальная характеристика; 2 - после цитирования с малой глубиной разряда; 3 - после
восстановительных циклов
В герметичных Ni-Cd аккумуляторах кадмиевый электрод имеет
никелевую основу. Кроме того, в его активной массе находится некоторое
количество оксидов никеля, которые входят в рецептуру или попадают в электрод
в ходе технологического процесса его производства. При циклировании
аккумуляторов в кадмиевом электроде может образоваться
интерметаллическое соединение Ni5Cd2i, разряд которого происходит при потенциале на
150 мВ положительнее, чем разряд чистого кадмиевого электрода. В
результате этого на разрядной кривой Ni-Cd аккумулятора и появляется
вторая площадка с более низким напряжением [6]. Образование этой
площадки идет наиболее быстро при небольших токах заряда и ускоряется с
повышением температуры. Именно такая ситуация часто имеет место при
эксплуатации источников тока в буферном режиме. Неглубокое циклиро-
вание на верхнем уровне заряженности приводит к повышенному
тепловыделению аккумулятора и быстрому увеличению содержания Ni5Cd2i.
Уменьшение разрядного напряжения в результате накопления никелата
кадмия не является необратимым. Разрушение Ni5Cd2i и восстановление
первоначального состояния активной массы происходит при проведении
нескольких разрядов до 1 В, которые следует делать не реже 1 раза в месяц.
Если аккумулятор эксплуатируется в режиме глубокого циклирова-
ния аккумуляторов, этот эффект вообще не возникает.
Имеет место и другой механизм, который приводит к снижению
разрядного напряжения, хоть и меньшему по величине по сравнению с
описанным выше [16]. Он связан с систематическими значительными
перезарядами аккумуляторов. На оксидно-никелевом электроде в этом случае
образуется у-фаза NiOOH, разрядный потенциал которого ниже на 50 мВ,

3.1. НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 85
чем у P-NiOOH. И разрядное напряжение аккумулятора уменьшается.
Эффект снижения разрядного напряжения аккумуляторов, связанный с
влиянием их перезаряда, можно назвать ложным эффектом памяти.
Для того чтобы такой эффект не возникал, достаточно просто
правильно контролировать заряд и не допускать длительных перезарядов,
особенно при больших токах.
Следует добавить, что перезаряд к тому же способствует
образованию крупных кристаллов в структуре электродов. Их рабочая
поверхность уменьшается, и это приводит к уменьшению разрядной емкости.
Укрупнение кристаллов в электродных массах наблюдается и при
малых токах, которые имеют место в режиме компенсационного подзаряда.
Поэтому долго держать аккумуляторы в таком режиме не рекомендуется.
При периодическом проведении разрядов аккумуляторов до 1 В
происходит перестройка структуры активных масс. Возвращение
мелкопористой структуры приводит к увеличению рабочей поверхности
электродов и увеличению разрядной емкости аккумулятора.
Еще больший эффект разукрупнения кристаллов достигается при
последующем доразряде до 0,5 В малыми токами, а также при циклирова-
нии с зарядом знакопеременным током.
Влияние режимов эксплуатации и температуры на скорость
процессов деградации аккумуляторов при циклировании
Температура окружающей среды является одним из самых
существенных факторов внешнего воздействия, определяющим
продолжительность работоспособного состояния герметичных аккумуляторов.
На процессы их старения наибольшее влияние оказывает высокая
температура, при которой ускоряются все химические реакции (в 1,5-3 раза
на каждые 10 °С), в том числе и ведущие к деградации аккумулятора.
Влияние температуры возрастает с увеличением зарядных токов из-за
разогрева аккумуляторов при перезаряде.
При низких температурах относительное снижение емкости
кадмиевого электрода при длительном циклировании больше, чем уменьшение
емкости ОНЭ [6], что следует учитывать при работе источника тока в
северных широтах. В этом случае при заряде увеличивается риск
выделения водорода.
На срок службы аккумуляторов сильное влияние оказывает режим
эксплуатации: режим и глубина разряда, режим заряда,
продолжительность паузы между зарядом и разрядом при непрерывном циклировании,
периоды эксплуатации и хранения.
На рис 3.11 показано изменение величины наработки в циклах
цилиндрических аккумуляторов SAFT стандартной серии [31] в
зависимости от глубины разряда. Аналогичная закономерность наблюдается и у
призматических аккумуляторов [32].

86
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Рис. 3.11. Наработка герметичного Ni-Cd аккумулятора SAFT стандартной
серии при различной глубине разряда током 0,2 С [31]
Влияние режима заряда описать количественно не представляется
возможным, поскольку ресурсные испытания проводятся обычно в
специфическом режиме циклирования укороченными циклами. Именно
поэтому проектировщику источников питания и пользователю следует
внимательно отнестись к информации о влиянии перезаряда на дегра-
дационные процессы в аккумуляторе и выбору способа контроля
процесса заряда при разных его режимах.
Опыт эксплуатации отечественных никель-кадмиевых батарей
большой емкости для космических аппаратов показывает, что особенно
быстрые потери емкости имеют место в тех случаях, когда заряд
ограничивается низким напряжением, а разряд - напряжением не ниже 1,1 В/ак [10].
Если же заряд прекращают при срабатывании сильфонного сигнализатора
давления, а глубина циклирования не превышает 20 %, то выделившийся
кислород не успевает восстанавливаться и избыточное давление в
аккумуляторе постоянно выше 1 ати. При таком режиме эксплуатации
увеличивается крутизна зарядных и разрядных характеристик.
В заключение следует отметить также достаточно хорошую
устойчивость Ni-Cd аккумуляторов к случайным переразрядам. В этом случае в
аккумуляторе выделяется водород, рекомбинация которого очень низка, но
при редких переразрядах его количество не приводит к разгерметизации, а
напряжение аккумулятора при снятии поляризации восстанавливается.
Работоспособность аккумуляторов в режиме постоянного подзаряда
В режиме постоянного подзаряда герметичных никель-кадмиевых
аккумуляторов обычно обеспечивают ток порядка 0,03-0,05 Сн. Срок
эксплуатации при таком режиме зависит как от тока подзаряда, так и от
температуры окружающей среды. При повышенной температуре выделение

3.2. НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 87
кислорода увеличивается, и это приводит к ускорению деградационных
процессов в аккумуляторе.
Для работы в режиме постоянного подзаряда при температуре в
помещении до +50-55 °С многие компании разработали специальные серии
цилиндрических аккумуляторов с рулонным пакетом электродов,
которые имеют гарантированный срок службы не менее 4 лет (как, например,
у аккумуляторов компании SAFT [42]). В этих аккумуляторах
скорректирован состав электролита и предприняты меры к ускорению процесса
газопоглощения.
При первом разряде после длительного подзаряда емкость
аккумулятора обычно несколько ниже, чем у свежезаряженных, но после
нескольких циклов она быстро восстанавливается до прежнего уровня.
3.2. НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Никель-водородные (НВ) аккумуляторы впервые были созданы в
Советском Союзе 40 лет назад. Они разрабатывались первоначально как
альтернативные никель-кадмиевым, но с более высокими удельными
энергетическими характеристиками.
Положительный оксидно-никелевый электрод Ni-H2 аккумулятора
аналогичен положительному электроду Ni-Cd аккумулятора,
отрицательный - газовый водородный. В качестве электролита используется 20-40 %
раствор КОН.
Суммарная токообразующая реакция имеет вид
Ni(OHJ ^±: NiOOH+72H2.
Выделяющийся в процессе заряда водород увеличивает давление
внутри аккумулятора пропорционально сообщенной емкости, что обеспечивает
возможность контроля степени заряженности аккумулятора. При разряде
водород электрокаталитически ионизируется на отрицательном электроде.
Аккумулятор благодаря мощному газовому отрицательному
электроду обеспечивает реализацию водородного цикла
Н2О + е~ —•* V2H2 + OH~ (наОНЭ),
OH'+V2H2 —*¦ Н2О + е" (наВЭ)
и устойчивость к перезаряду. Выделяющийся на положительном
электроде кислород эффективно поглощается на отрицательном. Сообщаемая
при перезаряде энергия рассеивается в виде теплоты.
Рабочее напряжение никель-водородного аккумулятора - 1,25 В.
Удельная энергия составляет 50-60 Втч/кг, на 30^0 % больше, чем у никель-
кадмиевого [34, 35].
Существенными его недостатками являются высокий саморазряд (до
30 % за 24 ч и до 50 % за 72 ч) и сильное тепловыделение (до 20-30 % от
полезной мощности).

88
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Рис. 3.12. Никель-водородные
источники тока [34]:
а - аккумулятор в индивидуальном
корпусе; б - батарея с общим газовым
коллектором
Никель-водородные
источники тока большого напряжения
могут собираться из отдельных
аккумуляторов (рис. 3.12, а) или
могут иметь единый корпус
(рис. 3.12, б), в котором
электродные блоки
электролитически изолированы друг от друга,
но имеют общее газовое
пространство (батареи с общим
газовым коллектором). Последние
обеспечивают значительно
более высокие удельные энергетические характеристики.
В отечественных аккумуляторах используются гидрофобные
каталитические водородные электроды, у которых на никелевую сетку
напрессовывают платиновую чернь и фторопласт. Чаще всего используются
спаренные электроды с сеткой между ними, через которую
обеспечивается подвод водорода в зону реакции. При использовании таких электродов
давление в аккумуляторе в цикле заряда-разряда меняется от 100-300 кПа
до 5-6 МПа.
Используются также и гидрофильные водородные электроды на
основе спеченных никелевых матриц, на которые наносится платина
(разработка ВНИАИ). В этом случае газодиффузионная сетка не требуется,
потому что подвод водорода обеспечивается за счет высокого давления,
при котором работает аккумулятор (предельное давление может
составлять 9-11 МПа [10, 34]).
Высокое давление, при котором работает этот источник тока, требует
использования прочного металлического корпуса (коэффициент запаса
прочности достигает 2,5-3) и высокого качества герметизации выводов.
Батареи работают при постоянном контроле напряжения в отдельных
аккумуляторах и в их группах для того, чтобы не допускать снижения
напряжения аккумулятора ниже 0,8 В. Контролируются также давление
аккумуляторов и температура.
Ресурс никель-водородных источников тока ограничивает
работоспособность положительного электрода, механизмы деградации которого
сходны с теми, что имеют место в Ni-Cd аккумуляторе. Они
обеспечивают длительное циклирование: 1000-1500 циклов при 80% глубине
разряда и до 30 000 циклов при глубине 40 % [10].

3.3. НИКЕЛЬ-МЕТАЛЛГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 89
При эксплуатации никель-водородных батарей необходимо
обеспечивать соблюдение регламентируемых режимов заряда-разряда и
контролировать отсутствие разбаланса в напряжении и температуре отдельных
групп аккумуляторов. Ток заряда не должен превышать 1 С, разряда -
0,5 С, а температура аккумулятора - 60-70 °С.
Никель-водородные источники тока используются в основном для
электроснабжения космической аппаратов, особенно работающих на
геосинхронной орбите. Это определяется их дороговизной и представлением
о повышенной взрывоопасное™. В настоящее время в России
производятся Ni-H2 батареи для космического применения емкостью от 20 до 90 Ач,
удельная энергия которых составляет от 30 до 48,5 Втч/кг [10]. За
рубежом достигнуты более высокие удельные характеристики: до 76 Втч/кг и
90 Втч/л при использовании оксидно-никелевых электродов на
войлочной основе [36].
Наиболее известные зарубежные компании, производящие Ni-H2
батареи для космических аппаратов: Eagle-Picher Industries, Gate Aerospace
Batteries, Hughes Aerospace Corporation, Whittaker-Yardney в США, SAFT
во Франции, Marconi в Англии.
По мере накопления опыта эксплуатации и проведения работ,
связанных с поиском более дешевого катализатора по сравнению с
платиновым, в конце XX века рассматривались и другие приложения никель-
водородных батарей, такие как транспортная энергетика, накопители
солнечной энергии и другие. Однако в настоящее время внимание
исследователей и промышленников переключилось на проектирование
литий-ионных ХИТ в широком диапазоне емкостей, которые при
массовом производстве обещают возможность создания автономных
источников электропитания космических аппаратов не дороже Ni-H2
батарей и с более простым способом управления.
3.3. НИКЕЛЬ-МЕТАЛЛГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Разработка никель-металлгидридных (Ni-MH) аккумуляторов
началась несколько десятилетий назад при бурном расширении рынка
портативной аппаратуры.
В этих аккумуляторах в качестве положительного электрода
используется оксидно-никелевый электрод, а вместо отрицательного кадмиевого
электрода - электрод из сплавов никеля с металлами редкоземельной
группы, способных к адсорбции водорода и десорбции его при перемене
полярности. Замена отрицательного электрода позволила увеличить в
1,3-2 раза закладку активных масс положительного электрода, который и
определяет емкость аккумулятора. Поэтому Ni-MH аккумуляторы
обладают по сравнению с Ni-Cd значительно более высокими удельными
энергетическими характеристиками.

90 3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
В зависимости от сплава, используемого для отрицательного
электрода, напряжение разомкнутой цепи Ni-MH аккумулятора находится
обычно в диапазоне 1,32-1,35 В, т.е. практически равно НРЦ никель-
кадмиевого аккумулятора.
Сплавы, адсорбирующие водород в объеме в 1000 раз больше их
собственного объема, были найдены в 1960-х годах. Они состоят из двух или
нескольких металлов, один из которых адсорбирует водород, а другой
является катализатором, способствующим диффузии атомов водорода в решетку.
Количество возможных комбинаций используемых металлов практически
не ограничено, что дает возможность оптимизировать свойства сплава.
Для разработки Ni-MH аккумуляторов потребовалось создание сплавов,
работоспособных при малом давлении водорода и комнатной температуре.
В настоящее время работа по созданию новых сплавов и методов их
обработки продолжается во всем мире. Сплавы никеля с металлами
редкоземельной группы способны обеспечить до 2000 циклов заряда-разряда
аккумулятора при снижении емкости отрицательного электрода не более
чем на 30 %.
3.3.1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Положительный оксидно-никелевый электрод никель-металлгидрид-
ного аккумулятора идентичен положительному электроду
никель-кадмиевого аккумулятора, и на ОНЭ протекает реакция:
заряд
Ni(OHJ + ОН" « аз я» NiOOH + Н2О + е". A)
На отрицательном электроде металл с адсорбированным водородом
превращается в металлгидрид:
заряд
М + Н2О + е" « » МН + ОН". B)
разряд
Общая реакция в никель-металлгидридном аккумуляторе записывается
в следующем виде:
заряд
Ni(OHJ + М « » NiOOH + МН. C)
'L разряд '
Электролит в основной токообразующей реакции участия не
принимает.
После сообщения 70-80 % емкости и при перезаряде на ОНЭ
начинает выделяться кислород:
перезаряд . . /AS
ОН" *¦ V4 О2 + 72 Н2О + е", W
который восстанавливается на отрицательном электроде:
. . перезаряд /сч
*/4 О2 + 72 Н2О + е" > ОН". E)

3.3. НИКЕЛЬ-МЕТАЛЛГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 91
Реакции D) и E) обеспечивают замкнутый кислородный цикл. При
восстановлении кислорода обеспечивается еще и дополнительное
увеличение емкости металлгидридного электрода за счет образования группы ОН".
При переразряде на ОНЭ имеет место побочная реакция выделения
водорода:
Н2О + е~ —- 72Н2 + ОН-, F)
который окисляется на отрицательном электроде с образованием воды
(замкнутый водородный цикл).
Для того чтобы уменьшить вероятность выделения водорода в Ni-MH
аккумуляторе, как и в никель-кадмиевом, увеличивают емкость
отрицательного электрода по сравнению с емкостью ОНЭ.
В аккумуляторах с сформированными положительными электродами
(как это имеет место в дисковых аккумуляторах) должно быть обеспечено
соотношение CJC+ = 1,6-1,8. В цилиндрических и призматических
аккумуляторах CJC+= 1,2-1,3 [10].
3.3.2. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ НИКЕЛЬ-МЕТАЛЛГИДРИДНЫХ
АККУМУЛЯТОРОВ
Никель-металлгидридные аккумуляторы выпускаются в таких же
корпусах, что и никель-кадмиевые, так как давление, которое развивается в
источниках тока обеих систем при перезаряде и переразряде, одинаково.
Конструкция положительных электродов и состав электролита также
идентичны. Но благодаря повышенной закладке активных масс ОНЭ
емкость Ni-MH аккумулятора значительно возросла.
Существенное увеличение удельных энергетических характеристик -
не единственное достоинство Ni-MH аккумуляторов перед Ni-Cd
аккумуляторами. Отказ от кадмия означает также переход к более экологически
чистым производствам. Легче решается и проблема утилизации
использованных аккумуляторов. Эти достоинства Ni-MH аккумуляторов
определили более быстрый рост объемов их производства у всех ведущих
мировых аккумуляторных компаний по сравнению с Ni-Cd
аккумуляторами.
У Ni-MH аккумуляторов нет "эффекта памяти", присущего Ni-Cd
аккумуляторам из-за образования никелата в отрицательном кадмиевом
электроде. Однако эффекты, связанные с перезарядом оксидно-никелевого
электрода, остаются.
Снижение разрядного напряжения, наблюдаемое при частых и долгих
перезарядах так же, как и у Ni-Cd аккумуляторов, может быть устранено
при периодическом осуществлении нескольких разрядов до 1 В. Такие
профилактические мероприятия достаточно проводить 1 раз в месяц.
Однако никель-металлгидридные аккумуляторы уступают
никель-кадмиевым по многим эксплуатационным характеристикам:

92 3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
- они эффективно работают в более узком диапазоне рабочих токов,
что связано с ограниченной десорбцией водорода металлгидридного
электрода при чрезвычайно высоких скоростях разряда;
- они имеют более узкий температурный диапазон
функционирования: большая их часть неработоспособна при температуре ниже -10 °С и
выше +40 °С, хотя в некоторых сериях аккумуляторов корректировка
рецептур обеспечила расширение температурных границ;
- в процессе заряда Ni-MH аккумуляторов выделяется больше
теплоты, чем при заряде Ni-Cd аккумуляторов, поэтому в целях
предотвращения перегрева батареи из Ni-MH аккумуляторов в процессе быстрого
заряда и/или значительного перезаряда в них устанавливают
термопредохранители или термореле, которые размещают на стенке одного из
аккумуляторов в центральной части батареи;
- они имеют повышенный саморазряд, что определяется
неизбежностью реакции водорода, растворенного в электролите, с положительным
оксидно-никелевым электродом (однако, благодаря использованию
специальных сплавов отрицательного электрода, удалось достигнуть
снижения скорости саморазряда до величин, близких к показателям для Ni-Cd
аккумуляторов);
- опасность перегрева при заряде одного из Ni-MH аккумуляторов
батареи, а также переполюсования аккумулятора с наименьшей емкостью при
разряде батареи возрастает с рассогласованием характеристик
аккумуляторов в результате длительного циклирования; поэтому разработка батарей
более чем из 10 аккумуляторов не рекомендуется всеми производителями;
- потери емкости отрицательного электрода, которые имеют место в
Ni-MH аккумуляторе при разряде ниже 0 В, безвозвратны, что выдвигает
более жесткие требования к подбору аккумуляторов в батарее и
контролю процесса разряда, чем в случае использования Ni-Cd аккумуляторов;
обычно рекомендуется разряд до 1 В/ак в батареях небольшого
напряжения и до 1,1 В/ак в батарее из 7-10 аккумуляторов.
Деградация никель-металлгидридных аккумуляторов определяется
прежде всего уменьшением при циклировании сорбирующей
способности отрицательного электрода. В цикле заряда-разряда происходит
изменение объема кристаллической решетки сплава, что приводит к
образованию трещин и последующей коррозии при взаимодействии с
электролитом. Образование продуктов коррозии происходит с потреблением
кислорода и водорода, в результате чего снижается общее количество
электролита и увеличивается внутреннее сопротивление аккумулятора.
Следует отметить, что характеристики Ni-MH аккумуляторов
существенно зависят от сплава отрицательного электрода и технологии обработки
сплава для увеличения стабильности его состава и структуры. Это заставляет
изготовителей аккумуляторов внимательно относиться к выбору
поставщиков сплава, а покупателей аккумуляторов - к выбору компании-изготовителя.

3.4. БАТАРЕИ ИЗ ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ 93
3.4. БАТАРЕИ ИЗ ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ
АККУМУЛЯТОРОВ
Номинальное напряжение щелочных аккумуляторов - 1,2 В. Для того
чтобы обеспечить более высокое напряжение, которое требуется от
автономных источников питания, аккумуляторы в батарее соединяют
последовательно. Параллельное соединение цепочек аккумуляторов для увеличения
емкости и разрядного тока батареи не рекомендуется. Типоразмерный ряд
однотипных аккумуляторов практически всегда позволяет выбрать источник
тока необходимой емкости, а батарея при таком выборе обычно легче.
Для обеспечения работоспособности герметичных аккумуляторов в
цепочке на этапе проектирования и сборки батареи должен быть
соблюден ряд определенных требований.
Требования к однородности аккумуляторов
Для продолжительной работоспособности батареи необходимо
обеспечить идентичность функционирования ее аккумуляторов, так как при
последовательном соединении аккумуляторов с заметно различающейся
фактической емкостью в процессе заряда батареи будет иметь место
систематический перезаряд аккумуляторов с наименьшей емкостью и их
переполюсование при разряде. Для уменьшения вероятности такой
ситуации на этапе сборки батареи необходим подбор однородных
аккумуляторов по их начальным характеристикам.
Контроль качества аккумуляторов у производителя завершается
испытаниями готовой продукции, при которых отбраковываются
аккумуляторы с емкостью ниже гарантированной. Однако величина допустимого
верхнего предела емкости документацией не оговаривается. Диапазон
фактической емкости выпускаемых изделий, определяемый реализацией
сложного технологического процесса, может быть значительным. Так,
разброс по емкости в партии отечественных аккумуляторов может
достигать 35-40 %. В партиях аккумуляторов, поставляемых ведущими
зарубежными компаниями, разброс, как правило, не выше 10-15 %, что
объясняется высокой степенью автоматизации и контроля на всех этапах
производства и стабильным качеством сырья.
Операция подбора однородных аккумуляторов для батарей
специального назначения (с напряжением более 24 В) с целью обеспечения
высоких требований, предъявляемых к ним при длительной эксплуатации
без обслуживания, известна в литературе как комплектация [6, 32]. Она
состоит из двух этапов: на первом - подбираются аккумуляторы с
разрядной емкостью, различающейся не более чем на 5-10 %, на втором -
контролируется разрядное напряжение каждого аккумулятора при
проверке их работоспособности в условиях совместной работы в корпусе
батареи. Оно должно быть не ниже заданной величины (выше 0 В).

94 3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Такая технология комплектации батарей с напряжением не более 12 В
и при возможности некоторого профилактического обслуживания
нецелесообразна.
Отбор аккумуляторов для батареи в большинстве случаев можно
осуществлять только по емкости, но при малом разбросе ее величины.
Это требование становится особенно настоятельным при использовании
короткоразрядных цилиндрических аккумуляторов, у которых емкость
при разряде от 1,2 до 1,1 В составляет не более 10%, а затем до 1,0 В
снимается не более 2-3 %.
Наиболее целесообразным представляется отбор аккумуляторов в
батарею с разбросом по емкости не более 1-3 % в зависимости от
жесткости требований к источнику автономного питания.
При разработке батареи из большого числа аккумуляторов п (п> 10)
рекомендуется конечное разрядное напряжение батареи принимать
равным и6ат = (ийк • п)9 где UaK= 1,10-1,15 В.
Следует помнить, что при подборе аккумуляторов лишь по разрядной
емкости гарантией их одинаковой деградации в процессе эксплуатации
батареи является выбор аккумуляторов надежных компаний, высокая
однородность продукции которых позволяет с большей надежностью
прогнозировать и одинаковость скоростей деградации отдельных
аккумуляторов батареи, если они работают в одинаковых условиях. Батареи
должны собираться из аккумуляторов одной партии.
В тех системах, где вопрос длительной безопасной эксплуатации
батарей из большого количества аккумуляторов особенно настоятелен, отбор
аккумуляторов должен вестись не только по емкости. При учете характера
индивидуальных зарядно-разрядных характеристик аккумуляторов,
величины их сопротивления отбор аккумуляторов может обеспечить лучшую их
однородность не только на момент выпуска батареи, но и при эксплуатации.
Анализ изменения напряжения аккумуляторов в ходе испытаний,
особенно в режимах, близких к эксплуатационным, может быть
осуществлен при использовании аппаратуры со сбором всей информации в
персональном компьютере. Он возможен как при сравнении графиков
напряжения в цикле заряда-разряда, так и на основании статистической
обработки векторов напряжений аккумуляторов U = {Uij}, где i - число
параметров, выбранных из этих протоколов в некоторые моменты цикла,
j - количество испытанных аккумуляторов, из которых собираются
батареи. Разные элементы вектора характеристик аккумулятора могут
вводиться с различными весовыми коэффициентами в зависимости от
жесткости требований к батарее в режиме эксплуатации.
Универсальный алгоритм анализа ситуации на основе кластерного
анализа многомерных векторов описан в [37]. Он позволяет решать задачи
выделения из партии испытанных аккумуляторов для батареи тех, которые
обладают наибольшей однородностью по всем важным параметрам. Мож-

3.4. БАТАРЕИ ИЗ ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ 95
но оптимизировать комплектацию максимального количества батарей при
уровне требований к однородности аккумуляторов в них не ниже
заданного. Последний вариант особенно важен при выпуске больших партий
батарей одного типа.
Требования к конструкции батареи
При конструировании батарей главными являются требования
обеспечения жесткости всей конструкции и одинаковых температурных
условий работы всех аккумуляторов.
Конструктивное оформление батареи должно обеспечивать
достаточно интенсивный отвод теплоты от всех аккумуляторов. С другой
стороны, некоторые зарубежные компании обращают внимание на то, что
при эксплуатации портативных Ni-MH батарей с использованием
быстрого заряда встраиваемые для его контроля датчики температуры
обеспечивают более четкое отключение с заряда при плохом теплоотводе от
батарей. Поэтому при проектировании батареи должны быть учтены как
режимы ее эксплуатации, так и особенности сервисного обслуживания.
Работоспособность батареи при механических нагрузках разного
рода, которые могут возникнуть при использовании автономных
источников питания, гарантируется только при фиксации аккумуляторов в
жестком корпусе. При этом ориентация их может быть любой.
Еще одна проблема, о которой следует помнить при разработке
источника питания, связана с тем, что в процессе длительной
эксплуатации возможны утечки электролита через капилляры уплотнения
герметичных аккумуляторов, а также выбросы электролита при открытии
аварийного клапана. Во избежание коррозии все контакты батареи с
внешними устройствами должны быть выполнены из
соответствующих материалов. Эти контакты вообще должны быть надежными,
особенно при работе в режиме быстрых зарядов и коротких разрядов,
чтобы избежать потерь на переходных сопротивлениях и локальных
разогревов.
Разработчики батарей из призматических аккумуляторов для
космической техники рекомендуют установку аккумуляторов с аварийным
клапаном крышкой вверх, чтобы в конце заряда электролит не вытекал
через уплотнения токовыводов [10].
Особенности технологического процесса сборки батарей
В бытовых устройствах аккумуляторы могут быть соединены в
последовательную цепочку при установке каждого в пружинные контакты.
Но такая установка аккумуляторов целесообразна только в устройствах с
батареями низкого напряжения и при небольших нагрузках, а также в тех

96 3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
случаях, когда вместо аккумуляторов возможно использование марганце-
во-цинковых элементов.
Во многих случаях используются батареи из аккумуляторов
промышленной серии (с более плоским контактом на крышке), которые соединены
между собой с помощью никелевой или никелированной стальной ленты.
Соединение осуществляется с помощью точечной сварки. Припаивать
проводники к выводам аккумуляторов во избежание локального разогрева и
повреждения аккумулятора категорически запрещается.
Никель-кадмиевые аккумуляторы поставляются, как правило, в
разряженном состоянии, никель-металлгидридные - с некоторой остаточной
емкостью. Сварка аккумуляторов в батарею должна производиться в
разряженном состоянии.
Для обеспечения длительной работоспособности батарей не
разрешается собирать их из аккумуляторов разных типов.
Элементы защиты
При проектировании батарей из герметичных аккумуляторов
используются различные элементы защиты от перезаряда и переразряда, а также
от больших токов.
Поскольку никель-металлгидридные аккумуляторы в наибольшей
степени чувствительны к перегреву при перезаряде, батареи из них часто
имеют термопредохранитель, который прерывает заряд при повышенной
температуре. Эта температура определяется разработчиком батареи в
зависимости от конструкции батареи, плотности упаковки аккумуляторов
и теплопроводности материалов, используемых для корпуса. В
некоторых случаях используют термореле.
При контроле заряда по температуре в батареи встраиваются
терморезисторы, которые являются датчиками для систем контроля в зарядных
устройствах.
Специальные щелочные батареи
Существуют также щелочные батареи с напряжением 2,4; 3,6 и 4,8 В,
в которых аккумуляторные блоки соединены последовательно в едином
металлическом корпусе. Этим достигаются малые размеры источника
тока и низкое внутреннее сопротивление, а также повышенная прочность
изделия. Но это довольно экзотичная продукция.
В качестве примера можно представить щелочные батареи немецкой
компании Emmerich Battery AG, которая с 2000 г. рекламирует батареи:
- никель-кадмиевые с напряжением 2,4 В емкостью от 65 до 300 мАч,
с напряжением 3,6 В и емкостью 65 и 120 мАч, напряжением 4,8 В
A20 мАч);

3.5. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ 97
- никель-металлгидридные с напряжением 2,4 и 3,6 В (емкость от 100
до 500 мАч), с напряжением 4,8 В A60 мАч).
Батареи способны обеспечить ток разряда до 1 С, при котором они
отдают 0,65 Сн. Они могут быть заряжены в стандартном режиме заряда @,1 С
в течение 14-16 ч) и ускоренно: током 0,2 С за 7 ч или током 0,3 С за 5 ч.
Они допускают и более быстрый заряд при контроле AU и температуры.
Саморазряд при 20 °С у Ni-Cd батарей - 15 % за 1 месяц и 40 % за
6 месяцев, у Ni-MH батарей - 25 % и 50 % за такие же периоды времени.
Батареи могут эксплуатироваться и в буферном режиме при токе
подзаряда 0,01-0,03 С.
3.5. НОМЕНКЛАТУРА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ
АККУМУЛЯТОРОВ
3.5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ АККУМУЛЯТОРОВ ПО РАЗМЕРАМ
Взаимозаменяемость никель-кадмиевых и никель-металлгидридных
аккумуляторов с одинаковым номинальным напряжением 1,2 В
обеспечивается унификацией их габаритных размеров.
С увеличением номинальной емкости аккумуляторов их общий
объем растет, но он может быть обеспечен при различных
соотношениях диаметра и высоты источника тока. Выпускаемые
цилиндрические аккумуляторы попадают в один из классов типоразмерного ряда,
представленного в табл. 3.1.
В таблице обозначения KR относятся к герметичным
никель-кадмиевым аккумуляторам, размеры их регламентированы ГОСТ Р МЭК 285-97.
Числа обозначают максимальные размеры источника тока (в чехлах).
В ряде стран для описания размеров используется американский стандарт
Таблица 3.1. Типоразмерный ряд цилиндрических щелочных аккумуляторов
Обозначения:
МЭК KR 11/45 KR 12/30 KR 15/18 KR 15/30 KR 15/51 KR 17/18 KR 17/29 KR 17/43 KR 17/50
ANSI ААА 1/2АА 1/ЗАА 1/2АА АА 1/ЗА 2/ЗА 4/5А А
Размеры, мм:
диаметр 10,5 12,0 14,5 14,5 14,5 17,0 17,0 17,0 17,0
высота 44,5 30,0 17,5 30,0 50,5 17,5 28,5 43,0 50,0
Обозначения:
МЭК KR 23/27 KR 23/34 KR 23/43 KR 26/31 KR 26/50 KR 33/44 KR 33/62 KR 33/91 KR 44/91
ANSI Cs - С 2/3D D F SF
Размеры, мм:
диаметр 23,0 23,0 23,0 25,8 25,8 33,0 33,0 33,0 43,5
высота 26,5 34,0 43,0 31,0 50,0 44,0 61,5 91,0 91,0

98 3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
ANSI (ААА, АА и др.). Эти обозначения могут входить в наименование
аккумулятора. Поскольку иногда в каталогах даются размеры
аккумуляторов без чехлов, можно заметить некоторую разницу размеров в разных
источниках информации. Кроме того, реальная продукция может иметь
некоторые отклонения размеров от регламентированных (в пределах
установленных допусков). Точные размеры аккумуляторов всех
рассматриваемых типов и производителей даны ниже в таблицах их характеристик.
Несколько цилиндрических аккумуляторов по конфигурации
идентичны первичным элементам. Если изготовитель выпускает
аккумуляторы с допусками размеров, обеспечивающими их взаимозаменяемость с
первичными источниками тока, на них может быть указано и
обозначение первичной батареи. Никель-кадмиевые аккумуляторы KR 03
(диаметр 0 = 10,5 мм и высота h = 44,5 мм), KR 6 @ = 14,4 мм, h = 50,5 мм),
KR 14 @ = 26,2 мм, /г = 50 мм), KR 20 @ = 34,2 мм, А = 61,5 мм) имеют
такие же размеры, как элементы R 03, R 6, R 14 w R 20 соответственно.
3.5.2. ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
До последнего времени в России Ni-Cd аккумуляторы составляли
основную массу производимых герметичных щелочных аккумуляторов
малой и средней емкости. Значительная часть этих аккумуляторов была
разработана в России во Всесоюзном научно-исследовательском
аккумуляторном институте (ВНИАИ) и выпускалась разными предприятиями
России, Украины и Казахстана.
Ni-Cd аккумуляторы прежних выпусков по эксплуатационным
характеристикам были условно разделены на аккумуляторы, предназначенные для работы
на длинном, среднем и коротком режимах разряда. В наименовании типа
аккумулятора после указания электрохимической системы (НКГ) и величины
номинальной емкости ставилась буква Д, С или К, обозначающая режим разряда.
Деление это весьма условно, оно определяет предпочтительные режимы
эксплуатации аккумуляторов [6]: разряд токами 0,1-0,2 С для аккумуляторов
класса Д, токами 0,3-0,6 С для аккумуляторов класса С и током порядка 1 С для
класса К.
В настоящее время в России выпускаются щелочные аккумуляторы
разной конструкции: дисковые - от 0,03 до 0,75 Ач, цилиндрические - от
0,5 до 7 Ач и призматические - от 1,5 до 200 Ач. Хотя все еще ведутся
работы по поиску сырья и технологий, способных обеспечить более
высокие характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов [38], как и во
всем мире, четко обозначилась тенденция к расширению производства
никель-металл гидридных.
В новой системе обозначений согласно ГОСТ Р МЭК 60285-2002, 60509-
2002 и 60623-2002 в наименовании аккумуляторов цилиндрических, дисковых и
призматических соответственно после обозначения электрохимической систе-

3.5. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
99
мы (KR для Ni-Cd и HR для Ni-MH аккумуляторов) добавляется буква L, М, Н
или X для обозначения режима разряда: L - режим разряда (обычно до 0,5 Сн),
М - средний режим (до 3,5 Сн), Н - короткий режим разряда (до 7 Сн) и X -
сверхкороткий режим с током разряда 7—15 Сн. После этих букв для дисковых и
цилиндрических аккумуляторов указываются диаметр и высота (через дробь), для
призматических - номинальная емкость.
Широкая номенклатура дисковых Ni-Cd аккумуляторов емкостью от
0,02 до 0,75 Ач для длинных и средних режимов разряда выпускается
старейшей в России и СНГ аккумуляторной компанией "Ригель" (см. табл. 3.2).
Аккумуляторы емкостью 0,45 и 0,75 Ач имеют безбуртиковую
конструкцию. В табл. 3.3 показаны характеристики дисковых никель-металлгидрид-
ных аккумуляторов. Аккумуляторы Д-0,26Д, Д-0,55С и батареи 10Д-0,55С
массово выпускает в настоящее время и ОАО "Кузбассэлемент".
Цилиндрические щелочные аккумуляторы в настоящее время
производятся на нескольких предприятиях России.
Номенклатура цилиндрических аккумуляторов опытного производства
ОАО "НИАИ "Источник" представлена в табл. 3.4. Выпускаются также
батареи из этих аккумуляторов с номинальным напряжением 6 и 12 В.
Таблица 3.2. Дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы АК "Ригель" [39]
Стандартный заряд током 0,1 С в течение 15-16 ч до напряжения 1,47-1, 50 В.
Стандартный разряд током 0,2 С.
Температура разряда - от -20 до +50 °С.
Максимально допустимый ток - 4 С„.
Ток подзаряда не более 0,02 С. Через 28 суток подзаряда аккумуляторы должны сохранять
свои размеры и обеспечивать при разряде емкость не менее 0,95 Сн.
Емкость при разряде током 0,2 С и -20 °С - не менее 0,55 Сн.
Аккумуляторы выдерживают перезаряд током 0,1 С в течение 28 суток и обеспечивают при
разряде емкость не менее 0,85 С, а также допускают подзаряд током 0,01 С в течение 91
суток.
Саморазряд в течение 28 суток - не более 35 %.
Ресурс - не более 500 циклов.
Срок службы - более 5 лет.
Д-0,002С
Д-о,озд
Д-0,06
Д-0,09С
Д-0,1М
Д-0Д25Д
Д-0,26С
Д-0,26Д
Д-0,35
Д-0,4С
Д-0,55СМ
Д-0,75С
Характеристики
Номинальная
емкость, мАч
Размеры, мм:
диаметр
высота
Масса, г

100
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Стандартный заряд током 0,1 С в течение 15-16 ч до напряжения 1,47-1, 50 В.
Стандартный разряд током 0,2 С.
Температура разряда - от -20 до +60 °С.
Гарантированная наработка - до 500 циклов.
Срок службы - более 5 лет.
Серию цилиндрических щелочных аккумуляторов выпускает ФГУП
«Верхнеуфалейский завод «Уралэлемент» (табл. 3.5). Все аккумуляторы
имеют гарантийные характеристики: срок хранения - 1 год и срок
эксплуатации - 2 года. У Ni-Cd аккумуляторов гарантийная наработка
составляет 400 циклов, у Ni-MH - 500 циклов (рекламные материалы завода
на выставке INTERBAT-2004).
Таблица 3.4. Никель-кадмиевые цилиндрические аккумуляторы
ОАО "НИАИ "Источник"
Характеристики
НКГЦ-0,9-2
НКГЦ-1,3-2
НКГЦ-1,8-2
НКГЦ-3,5-2
НКГЦ-6-2
Номинальная емкость, Ач
Размеры, мм:
диаметр
высота
Масса, г
0,9
14,0
50,0
30
1,3
20,1
61,0
70
1,8
25,0
50,0
80
3,5
33,1
61,0
170
6,0
33.1
91.0
250
Стандартный заряд током 0,1 С в течение 16 ч. Стандартный разряд током 0,2 С.
Максимальный продолжительный ток до 5 С и импульсный ток до 7 С.
Диапазон рабочих температур: от-40 до +50 °С.
При -40 °С аккумуляторы отдают 0,35 С„,
Наработка - 500 циклов.
НМГД-0,05С
НМГД-0ДС
НМГД-0,2С
НМГД-0,6С
НМГД-1ДС
Характеристики
Номинальная
емкость, мАч
Размеры, мм:
диаметр
высота
Масса, г
Таблица 3.3. Дисковые никель-металлгидридные аккумуляторы
АК "Ригель" [39]

3.5. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
101
Таблица 5.5. Цилиндрические герметичные щелочные аккумуляторы
ФГУП " Верх неу фал ейский завод "Уралэлемент"
Тип
аккумулятора
Типоразмер
Номинальная
емкость, мАч
Диаметр, мм
Высота, мм
Масса, кг
Никель-кадмиевые
KRM 15/51
KRM 15/51
KRM 15/51
KRM 11/45
KRM 11/45
KRM 23/43
KRM 23/43
KRM 23/43
KRM 27/50
KRM 27/50
KRM 35/62
KRM 35/62
HR 15/51
HR 15/51
HR 15/51
HR 15/51
HR 11/45
HR 11/45
HR 11/45
HR 23/43
HR 23/43
HR 23/43
HR 27/50
HR 35/62
АА
АА
АА
ААА
ААА
SC
SC
SC
С
С
D
D
АА
АА
АА
АА
ААА
ААА
ААА
SC
SC
SC
С
D
600
800
900
400
500
1500
1800
2000
2000
2200
4000
4500
14,5
14,5
14,5
10,5
10,5
23,0
23,0
23,0
26,2
26,2
34,2
34,2
Никель-металлгидридные
1200
1400
1600
1800
600
700
800
2000
2600
2800
3500
7000
14,5
14,5
14,5
14,5
10,5
10,5
10,5
23,0
23,0
23,0
26,2
34,2
50,5
50,5
50,5
44,5
44,5
42,8
42,8
42,8
50,0
50,0
61,5
61,5
50,5
50,5
50,5
50,5
44,5
44,5
44,5
42,8
42,8
42,8
50,0
61,5
24
25
27
12
13
54
57
60
73
75
136
140
27
30
38
41
13
14
15
54
57
58
84
160
В АК "Ригель" разработан Ni-MH аккумулятор типа HR 15/51
(типоразмер АА) цилиндрической конструкции с рулонной сборкой
электродов. Выпускаются аккумуляторы торговых марок "Искра 1200",
"Искра 1300" и "Искра 1500" 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
+50 °С. При -20 °С аккумуляторы способны обеспечить 0,8 С„.
Производство цилиндрических щелочных аккумуляторов нескольких
типоразмеров осуществляется также на заводе "Мезон" в
Санкт-Петербурге и на Уральском электрохимическом комбинате (УЭХК).
Аккумуляторы УЭХГ типоразмера АА: Ni-Cd емкостью 600 мАч и Ni-MH
емкостью 1300 мАч - обеспечивают разряд током до 5 С и 4 С соответственно
(рекламные материалы компании).

102
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Призматические щелочные аккумуляторы в России выпускаются в
большем разнообразии. В них блоки электродов помещены в сварной
металлический корпус, выводы (на крышке) - в виде борнов с резьбой.
Отрицательный электрод соединен с корпусом. Информация о щелочных
аккумуляторах, которые в настоящее время производятся в ОАО "НИАИ
"Источник", представлена в табл. 3.6 и 3.7. Буква К в наименовании типа
Ni-Cd аккумуляторов отражает особенности их технологии: блок
электродов комбинированный (положительные электроды - спеченные,
отрицательные - прессованные). Модельный ряд призматических НКГ и
НКГК аккумуляторов показан на рис. 3.13.
Таблица 3.6. Призматические никель-кадмиевые аккумуляторы
ОАО "НИАИ "Источник" [40[
Тип
аккумулятора
Номинальная
емкость, Ач
Размеры, мм
Масса, кг
Количество
циклов
НКГ-4Д
НКГ-4СК
НКГ-8К-
KCL-11
НКГ-12СКА
НКГК-15Д
НКГ-ЗОСА
НКГК-ЗЗСА
НКГК-45СА
НКГ-50СА
НКГ-50СКА
НКГК-90СА
НКГ-11 ОКА
НКГ-НОСКА
НКГ-120СА
НКГ-200
4
8
8
11
12
15
30
33
45
50
50
90
ПО
ПО
120
200
30x36,5x64
45,5x29,5x127
45,5x29,5x127
33,2x49,2x110
68x20x144
33,2x49,2x129
87,5x41x187,5
87,5x33x187,5
87,5x41x187,5
88,0x73,5x192
135x32x175
88,0x73,5x192
120x69x235,5
135x41,5x256
120x69x235,5
143x117x254
0,14
0,45
0,45
0,36
0,50
0,45
1,55
1,20
1,50
2,70
2,00
2,75
4,75
3,80
5,10
11,50
1000
2000
1000
1000
2000
1000
800
800
800
1000
2000
1000
1000
2000
2000
1000
Таблица 3.7. Призматические никель-металлгидридные аккумуляторы
ОАО "НИАИ "Источник" [40[
Тип
аккумулятора
Номинальная
емкость, Ач
Размеры, мм
Масса, кг
Количество
циклов
НМГ-5
НМГ-10
НМГ-20
НМГ-50
НМГ-100
5
10
20
50
100
68x20x43
68x20x80
68x20x125
120x69x235,5
135x41,5x256
0,17
0,31
0,54
4,75
3,80
1000
2000
1000
1000
2000
Гарантированная наработка Ni-MH аккумуляторов - 2000 циклов. Срок службы - 5 лет.

3.5. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
103
Рис. 3.13. Модельный ряд призматических никель-кадмиевых
аккумуляторов ОАО "НИАИ "Источник"
Аналогичную продукцию выпускает также ЗАО "Курский завод
"Аккумулятор" [41]:
- аккумулятор типа НКГ-8К и батарею из 20 НКГ-8К;
- аккумулятор типа НКГ-10Д и батареи из 2, 3, 5, 10, 19, 20
последовательно соединенных;
-аккумуляторы типов KCSL11, KCSL11M, KCSL13, KCSL15 и
батареи из 3 последовательно соединенных аккумуляторов всех указанных
типов;
- батарею 24НКГ-70КА;
- аккумулятор типа НКГ-11СА и батарею 9НКГ-11С А;
- аккумулятор типа НКГ-160 и батарею НКГ-160;
- аккумуляторы типов НКГ-200, НКГ-200СА и батарею НКГ-200.
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
допускает разряд током до 0,5 С, остальные - до 2 С. Все аккумуляторы могут
заряжаться током 0,2 С.

НИАИ
Научно-исследовательский проектно-конструкторский
и технологический аккумуляторный институт
ОАО «НИАИ «ИСТОЧНИК»
В течение 80 лет ОАО «НИАИ «ИСТОЧНИК» является ведущим
в отрасли научно-исследовательским и производственным центром по
разработке и внедрению новых технологий производства
аккумуляторов разных электрохимических систем. В стенах института
разработаны отечественные технологии производства свинцовых
аккумуляторов, созданы первые в России никель-кадмиевые, никель-железные,
никель-металлгидридные, а также первые в мире никель-водородные
аккумуляторы. В настоящее время предприятием разрабатываются
химические источники тока литий-ионных систем. Выпущены
призматические аккумуляторы емкостью 18 и 25 Ач и батареи на их основе.
Направления деятельности ОАО «НИАИ «ИСТОЧНИК»:
- Разработка и производство ХИТ разных электрохимических
систем для:
• космических аппаратов
• наземных и подземных объектов
• портативной переносной аппаратуры
• средств связи и радиоаппаратуры
• осветительной, измерительной, медицинской, бытовой техники
• аварийных систем энергоснабжения
• электротранспортных средств
- Проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских
работ по созданию новых технологий в области ХИТ
- Проведение всех видов испытаний
ОАО «НИАИ «ИСТОЧНИК» -
это уникальный научно-производственный потенциал,
широкий спектр и высокое качество продукции
197376, г. САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, ул. ДАЛЯ, 10
Тел.( 812) 234-46-95, 234-66-70
Факс.(812) 234-90-26, 234-04-29
E-mail: istochnik@peterlink.ru
www.niai-istochnik.ru

3.5. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
105
Рис. 3.14. Никель-металлгидридная аккумуляторная батарея 19НМГ-20 с
общим газовым коллектором ОАО «НИАИ «Источник»
Для электроснабжения малых космических аппаратов в ОАО «НИАИ
«Источник» были разработаны две никель-металлгидридные батареи с
общим газовым коллектором: 19НМГ-20 (рис. 3.14) и 22НМГ-100 с
номинальным напряжением 24 и 28 В соответственно. Масса батарей - 14 и
62 кг соответственно.
Эти батареи предназначены для эксплуатации на низкой орбите и
циклируются при небольшой глубине разряда. Гарантийный срок службы
батарей - 5 лет, наработка - 30 000 циклов при глубине разряда не более
20 %.
Ток заряда батареи 19НМГ-20 - 8 А, батареи 22НМГ-100 - 30 А. Ток
разряда батарей - до 40 А. В зависимости от конечного напряжения
при разряде автоматически обеспечивается разная степень перезаряда.
Контроль заряда батарей осуществляется датчиками давления и
температуры.

106 3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Призматический Ni-Cd аккумулятор емкостью 1,5 Ач (в сварном
металлическом корпусе) выпускает завод «Уралэлемент».
Предприятие АО "НИИХИТ-2М несколько десятилетий разрабатывало и
выпускало батареи из аккумуляторов типа ИКМ с длительными сроками
сохранности заряженного состояния, но с сильно ограниченной циклируе-
мостью. В настоящее время на предприятии разработан герметичный Ni-Cd
аккумулятор призматической конструкции в плоском сварном корпусе
(НКМГ-1МД) емкостью 1 Ач (рекламные материалы INTERBAT-2001).
Батарея из 10 аккумуляторов с напряжением 12 В обеспечивает 500 циклов
при работе в широком диапазоне температур от -50 до +55 °С. 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 обеспечивает постоянный
ток разряда до 10 С, при котором разрядная емкость не менее 0,5 Сн и
импульсный ток - до 25 С. Батареи имеют низкий саморазряд - не более 10 %
за 3 месяца и 20 % за 1 год.
3.5.3. АККУМУЛЯТОРЫ ЗАРУБЕЖНЫХ КОМПАНИЙ
С 1990-х годов в условиях недостатка на российском рынке
источников тока малой емкости отечественного производства вообще и
аккумуляторов с повышенными энергетическими характеристиками особенно
возникло много дистрибьюторских компаний, которые поставляли
зарубежную продукцию самого разного качества.
В настоящее время эксклюзивные дистрибьюторы ведущих мировых
аккумуляторных компаний уже доказали свою деловую активность и
возможность обеспечить российского потребителя продукцией, отвечающей
самым разнообразным требованиям. Эти компании освоили наиболее
прогрессивные технологии, быстро реагируют на потребности мирового
рынка и каждый год расширяют типоразмерный ряд аккумуляторов
разных серий.
Все разнообразие серий современных герметичных щелочных
аккумуляторов показано в настоящем справочнике на основе продукции
французской компании SAFT, японских PANASONIC и SANYO и
некоторых других компаний Юго-Восточного региона мира. 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 компаниях выпускается
аналогичными сериями, т. е. обеспечивается ее взаимозаменяемость.
Следует отметить также, что аккумуляторы могут относиться к
продукции промышленного класса или класса для широкого использования.
Первые имеют плоский положительный вывод на крышке аккумулятора,
вторые - высокую крышку (high top), которая позволяет устанавливать их в
пружинные контакты устройств с автономным питанием. Большая часть
описываемых источников тока относится к первому классу продукции.

3.5. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ 107
Аккумуляторы французской компании SAFT
Щелочные герметичные Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторы SAFT
(цилиндрические, дисковые и призматические) выпускаются по
унифицированной технологии с электродами металлокерамическими или на войлочной
основе [31, 42, 43]. Они имеют низкий импеданс и обладают
повышенными энергетическими характеристиками до полного исчерпания
запасенной емкости, могут эксплуатироваться в режиме температур от -20 до
+60 °С. У некоторых типов аккумуляторов температурный диапазон
расширен: они обеспечивают до 20 % емкости при -40 °С или могут
работать при температуре до +70 °С.
Типичная емкость аккумуляторов в партии, как правило, превышает
номинальную 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),
VT - серия высокотемпературных аккумуляторов (Ni-Cd),
VH - серия аккумуляторов супервысокой энергии (Ni-MH),
дисковые:
GB и НВ - серия Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов защиты памяти:
призматические:
HP - серия Ni-MH аккумуляторов супервысокой энергии.
Аккумуляторы стандартной серии VR (табл. 3.8) имеют металлоке-
рамические положительные и отрицательные электроды, у
аккумуляторов серии VRE (табл. 3.9) отрицательный электрод - намазной.
Аккумуляторы работоспособны в диапазоне температур от -20 до
+60 °С и при токах разряда до 5 С (серия VR) и до 3 С (серия VRE). Они
могут быть заряжены током 0,1 С в течение 16 ч или быстрее в
соответствии с данными таблиц. Аккумуляторы серии VRE пригодны также для
использования в режиме постоянного подзаряда токами 0,05-0,065 С при
температуре до +35 °С. Саморазряд аккумуляторов - порядка 35 % за месяц.
Аккумуляторы серий VR и VRE выпускаются много лет в количестве
сотен миллионов штук ежегодно. При превосходном и стабильном
качестве этих аккумуляторов цена их не выше цены аналогичной
отечественной продукции.
Емкость Ni-Cd аккумуляторов высокой энергии (серия VE) в
результате улучшения стандартной технологии SAFT удалось повысить на 10-15 %
без изменения их объема. В аккумуляторах серии VSE использование
оксидно-никелевого электрода с основой войлочной структуры обеспечило
увеличение емкости по сравнению со стандартными аккумуляторами на
30-35 %. Характеристики этих аккумуляторов представлены в табл. ЗЛО.

108
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Таблица 3.8. Аккумуляторы стандартной серии
Характеристики
Номинальная емкость, Ач
Размеры, мм:
диаметр
высота
Масса, г
Импеданс при 1000 Гц, мОм
Заряд ускоренный:
6-7 ч; ток, мА
Заряд быстрый:
1 ч; ток, А
2 ч; ток, А
Подзаряд после полного заряда, мА
VR2/3D
2,5
32,7
43,3
103
3,3
500
2,5
-
70
VR
VR4D
4,0
32,7
60,3
145
3,1
800
4,0
-
100
VR7FL
7,0
32,7
89,1
228
2,7
1400
-
3,5
175
VR 10 SF
10,0
41,5
89,1
390
2,0
_
-
-
200
При стандартном заряде конечное напряжение 1,4/1,5 В, при быстром - 1,55/1,65 В.
Диапазон температуры заряда: стандартного и постоянного - от 0 до +50 °С, быстрого
от+10 до+40 °С.
Емкость, снимаемая при разряде током 1 С и температуре +20 °С, - не менее 0,9 С„,
5 С и +20 °С, - не менее 0,65 С„*,
1 С и 0 °С, - не менее 0,8 С„,
1 С и -20 °С, - не менее 0,6 С„,
1 С и -40 °С, - не менее 0,2 С„.
* При разряде до 0,9 В для аккумулятора типа VR 7 FL емкость снижается в 2 раза.
Таблица 3.9. Аккумуляторы стандартной серии VRE
Характеристики
Типичная емкость, Ач 0,14 0,35 0,70 0,78 1,45 1,50 1,80 2,55 2,55 5,10 5,60
Минимальная
емкость, Ач
Размеры, мм:
диаметр
высота
Масса, г
Импеданс, мОм
0,13 0,30 0,60 0,70 1,30 1,40 1,70 2,30 2,40 4,50 5,00
* Аккумуляторы типа VSE АА 600 и VRE AA 700 выпускаются также и с высоким
положительным полюсом.
Конечное напряжение при стандартном заряде- 1,45/1,55 В, при быстром в течение 1 ч - 1,6/1,7 В.
Диапазон температуры заряда: стандартного - от 0 до +50 °С, быстрого - от 0 до +45 °С.
Емкость, снимаемая при разряде током 1 С и температуре +20 °С, - не менее 0,8 С„,
3 С и +20 °С, - не менее 0,65 С„,
1 С и 0 °С, - не менее 0,7 С„,
1 С и -20 °С, - не менее 0,5 С„.
VRE1/3AA
VRE1/2AA
VREAA600*
VREAA700*
VRECsl300
VRECsl500
VRECS1800
VREC
VRE1/2D
VRED
VRED5000

3.5. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
109
¦ Аккумуляторы типа VSE АА выпускаются также и с высоким положительным
полюсом.
Заряд стандартный током 0,1 С в течение 16 ч, быстрый - током 1 С в 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 °С, - не менее 0,9 Сн,
3 С и +20 °С, - не менее 0,75 С„,
1 С и 0 °С, - не менее 0,8 С„,
1 С и -20 °С, - не менее 0,57 С„.
Для эффективной работы в режиме постоянного подзаряда SAFT
выпускает высокотемпературные аккумуляторы серии VT (табл. 3.11),
которые при токе 0,05-0,065 С обеспечивают не менее 4 лет службы в
помещениях с температурой +40 °С, некоторые типы - и при более высокой.
Таблица 3.11. Аккумуляторы высокотемпературной серии VT
Тип
аккумулятора
Емкость, Ач
типич-
Макси-
мальная

температура, °С

Импеданс,
мОм

Максимальный
ток разряда.
Размеры, мм
диаметр
Масса,
г
VE2/3A
VE 4/5A
VECs
VEC
VED
VSE AA*
VSE 4/5A
Таблица 3.10. Аккумуляторы высокой энергии серий VE и VSE
Характеристики
Типичная емкость, Ач
Минимальная емкость, Ач
Размеры, мм:
диаметр
высота
Масса, г
Импеданс при 1000 Гц, мОм
VTAA
VTCs
VTCs 1500
VT Cs НС
VTC
VT С 2500
VT 1/2D
VTD
VTD70
VTDU
VTF
VTF70

110
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Стандартный заряд - током 0,1 С в течение 16 ч. Емкость, снимаемая
при разряде током 0,5 С и температуре +20 °С, - не менее 0,95 Сн.
Саморазряд - 15 % в месяц.
Следующим шагом на пути увеличения удельных характеристик
цилиндрических аккумуляторов была замена отрицательного
кадмиевого электрода на металлгидридный. В этом случае удается увеличить
закладку активной массы положительного электрода. В результате была
создана серия VH никель-металлгидридных аккумуляторов
супервысокой энергии (табл. 3.12) с емкостью почти в 2 раза большей, чем у
стандартных никель-кадмиевых аккумуляторов такого же объема.
Положительный электрод в Ni-MH аккумуляторах SAFT - на основе
войлока.
Аккумуляторы серии VH при разряде током до 3 С обеспечивают не
менее 0,85 С„. Стандартный заряд - током 0,1 С в течение 16 ч.
Саморазряд - от 20 до 40 %; тем меньше, чем меньше номинальная емкость
аккумулятора.
Номенклатурный ряд аккумуляторов этой серии за последние два
года значительно расширился. Аккумуляторы типов VH Cs, VH D и VH F
разрабатывались специально для использования в инструментах с
автономным электропитанием большой мощности, для легких средств
передвижения, для радиоуправляемых моделей и профессионального
электронного оборудования.
Недавно разработанные аккумуляторы типов VHT пригодны для
работы при температуре до +40 °С.
Таблица 3.12. Никель-металлгидридные аккумуляторы супервысокой
энергии (серия VH)
VH AAA 700
VHAA
VHAA 1500
VH A A 1700
VHCs
VH Cs 3200
VHD
VH D 10000
VHF
VHTAA
VHCs

3.5. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
111
SAFT выпускает также дисковые аккумуляторы: никель-кадмиевые
серии GB (емкостью 60, 170 и 280 мАч) и никель-металлгидридные 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 SANYO
Никель-кадмиевые аккумуляторы SANYO имеют торговую марку
Cadnica [44]. Они выпускаются сериями, которые классифицированы в
зависимости от режима эксплуатации, как и аккумуляторы других
компаний, описанные выше.
Выпускаются две серии стандартных аккумуляторов (табл. 3.13 и 3.14),
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).
Таблица 3.13. Никель-кадмиевые аккумуляторы общего использования
Характеристики
Таблица 3.14. Никель-кадмиевые аккумуляторы стандартные (серия KR)
Характеристики
Емкость, Ач
Импеданс, мОм
Размеры, мм:
диаметр
высота
Масса, г
N-50 AAA
N-110AA
N-120 ТА
N-150 N
N-250 AAA
N-270 AA
N-500 A
N-600 AA
N-4000DL
KR-600 AAL
KR-1200SCL
KR-1300SC
KR-1500SC
KR-4400D
KR-7000F
KR-10000M
Номинальная емкость, Ач
Размеры, мм:
диаметр
высота
Масса, г
Импеданс. мОм

112 3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Кроме того, разработаны аккумуляторы с улучшенной
рекомбинацией кислорода. Разрядная емкость аккумуляторов повышенной емкости
(серия Е/серия U) повышена на 40 %. Выпускаются аккумуляторы с
минимальной 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 этом 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
типов емкостью от 250 до 1700 мАч и тип N-20000MC емкостью 20 Ач -
обеспечивают более продолжительную эксплуатацию по сравнению со
стандартными 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 D типа с минимальной
емкостью 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
оригинальный коллектор тока. Аккумуляторы быстрого заряда при разряде
током 8 С обеспечивают не менее 0,9 Сн.
Аккумуляторы серии Н (емкостью от 0,6 до 10 Ач) и серии К
(емкостью от 0,27 до 2 Ач) разработаны для использования в режиме подзаряда
током 0,02-0,05 С при повышенной температуре (до +70 °С). Разрядная
емкость аккумуляторов серии Н после заряда током 0,033 Сн в течение 48 ч
при токе разряда 1 С на 20 % больше, чем у аналогичных стандартных
аккумуляторов. Если эти аккумуляторы эксплуатируются при
температуре +70 °С, то срок их службы сокращается в 3 раза по сравнению со
сроком службы при +20 °С.
Компания SANYO выпускает также цилиндрические Ni-Cd
аккумуляторы для защиты памяти (серия S) емкостью от 45 до 250 мАч. Они
разработаны для условий эксплуатации, когда могут чередоваться
глубокий заряд, пауза и разряд током меньше тока саморазряда аккумулятора.
Аккумуляторы имеют выводы, пригодные для использования при
монтаже на печатных платах.
Стандартный заряд аккумуляторов серии S - током 0,03 С в течение
48 ч при температуре от 0 до +70 °С. Разряд при температуре от -20 до
+70 °С током 1 С. Саморазряд аккумуляторов вдвое меньше
саморазряда стандартных аккумуляторов во всем диапазоне температуры
хранения.
Никель-металлгидридные аккумуляторы компании SANYO,
цилиндрические (табл. 3.15) и призматические (табл. 3.16), имеют торговую
марку Twicell [45]. Призматические аккумуляторы предназначены для
сотовых телефонов. Они допускают заряд в течение 1 ч при токе 1 С при
соответствующем контроле процесса заряда.
В настоящее время типоразмерные ряды большинства серий
расширены в сторону некоторого увеличения емкостей.

3.5. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
113
Таблица 3.15.
Тип
аккумулятора
Цилиндрические никель-металлгидридные аккумуляторы
Емкость, Ач

типичная

минимальная
Размеры, мм

диаметр
высота
Масса,
г
Область использования
Аккумуляторы большой емкости
Для сотовых телефонов и
других средств коммуникации
Для сотовых телефонов, кам-
кордеров и т. п.
Для портативных компьютеров
и т. п.
Для инструментов большой
мощности
Аккумуляторы с повышенным сроком службы
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
мощности
HR-AUC 2,10 1,90 17,0 50,0 40 Источники тока большой
HR-4/3AUC 3,70 3,30 18,0 67,0 62 мощности для поддержки па-
HR-SCC 2,10 1,90 23,0 43,0 58 мяти
Все аккумуляторы допускают быстрый заряд: аккумуляторы типов HR-4/3AU и HR-4/3FAU
током 3 А в течение 1,5 ч, остальные - током 1 С в течение 1,2 ч при соответствующем
контроле процесса.
Таблица 3.16.
Тип
аккумулятора
Призматические никель-металлгидридные
Емкость, мАч
типичная
минимальная
аккумуляторы
Размеры, мм
ширина
высота
толщина
Масса, г
HR-AAAU
HR-5/AAAU
HR5/3AAAU
HR-AAUL
HR-AAU
HR-4/5AU
HR-AU
HR-4/3AU
HR-4/3FAU
HR-4/5SCU
HR-SC
HR-SCU
HR-D
HF-C1U
HF-C2U
HF-D1U
ЦС. А 1 I Т

114
3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Аккумуляторы японской компании PANASONIC
Характеристики стандартных цилиндрических никель-кадмиевых
аккумуляторов представлены в табл. 3.17.
Таблица 3.17. Никель-кадмиевые аккумуляторы стандартной серии N D6, 47]
Стандартный заряд током 0,1 С в течение 15 ч.
Ускоренный заряд: для аккумулятора типа P-440D ускоренный заряд не предусмотрен, для
аккумуляторов типов Р-11AA/FT и P-18N/FT - током 0,25 С в течение 6 ч, для остальных -
током 0,33 С в течение 4,5 ч.
Диапазон температуры разряда: от-20 до +65 °С.
При увеличении тока разряда емкость уменьшается линейно до 0,6 С„ при токе 4 С.
Саморазряд при +20 °С - 25 % за 1 месяц, 50 % - за 6 месяцев.
Более высокие удельные весовые характеристики (на 10-20%)
обеспечивают 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
заряжены за 1,5 ч.
Аккумуляторы серии R для быстрого заряда (в течение 1 ч)
выпускаются в более широком диапазоне емкостей: от 0,25 до 5 Ач.
Аккумуляторы серии Р разработаны для быстрого заряда и коротких
режимов разряда. Они обеспечивают ток разряда до 10 С и могут быть
заряжены за 1 ч под контролем температуры и напряжения. Емкость
аккумуляторов - 1,2 Ач (несколько модификаций) и 1,65 Ач. Размеры KR
23/34 и KR 23/43. Импеданс - 5 и 4 мОм соответственно.
Аккумуляторы серии Н разработаны для работы в режиме подзаряда
при повышенной температуре (температура заряда до +50 °С). Они
выпускаются емкостью: ПО, 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 Сн.
Аккумуляторы работоспособны в течение 3 лет практически без потерь
емкости, далее емкость снижается и через 6 лет составляет 60 % от Сн.
Аккумуляторы серии К по сравнению с аккумуляторами серии Н
(емкостью 1,2; 2 и 4 Ач) имеют более низкую температуру постоянного
заряда (+45 °С). После заряда током 0,033 С при разряде током 1 С они
отдают около 0,6 С„ при температуре +20 °С и 0,45 Сн при +45 °С.
P-11AA/FT P-18N/FT Р-22ААА Р-25ААА Р-60АА Р-70АА Р-100 Р-24ОС P-440D
Емкость, мАч
Импеданс, мОм
Размеры, мм:
Диаметр
Высота
Масса, г
Характеристики

3.5. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
115
Никель-металлгидридные аккумуляторы компания PANASONIC
выпускает в цилиндрической (см. табл. 3.18) и призматической конструкции.
Таблица 3.18. Цилиндрические никель-металлгидридные аккумуляторы [47]
Тип аккумулятора
HHR55AAA
HHR55AAA/FT
HHR60AAA/FT
HHR65AAA/FT
HHR65AAA
HHR70AAA
HHR75AAA
HHR95AAA
HHR120AA
HHR110AAO
HHR130AA
HHR150AA
HHR180AA
HHR160A
HHR200A
HHR210A
HHR380A
HHR450A
HHR200SCP
HHR300SCP
HHR650D
Емкость,
мАч
550
550
600
650
650
700
750
950
1150
1100
1300
1500
1800
1600
2000
2100
3700
4200
1900
2800
6500
Размеры, мм
диаметр
10,5
10,5
10,5
10,5
10,5
10,5
10,5
10,5
14,5
14,5
14,5
14,5
14,5
17,0
17,0
17,0
17,0
18,2
23,0
23,0
33,0
высота
44,5
44,5
44,5
44,5
50,0
50,0
50,0
67,0
43,0
50,0
50,5
65,0
65,0
43,0
43,0
50,0
67,0
67,0
34,0
43,0
60,8

Масса, г
12
12
13
13
14
15
15
18
23
26
26
26
34
31
32
38
53
60
42
55
170
Импеданс,
мОм
30
30
30
30
30
30
30
20
19
16
16
20
14
14
20
20
25
25
5
4
2
Примечание
Бытовой
С выступающим
плоским верхом
Длительный
перезаряд током 0,1 С
Для персональных
компьютеров
То же
Короткоразрядный
То же
и
Заряд стандартный током 0,1 С в течение 16 ч; ускоренный - током 1 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 0,8 С, короткоразрядные - до 30 А длительно, но при
пониженном рабочем напряжении.

116 3. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
По сравнению с Ni-Cd аккумуляторами их разрядные характеристики при
высоких скоростях разряда - хуже.
Призматические аккумуляторы выпускаются четырех типов: HHF60S,
HHF75S, HHF120T 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
последних 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 1 С для последних.
В стремлении сконструировать все более тонкие батареи для сотовых
телефонов и других портативных устройств компания PANASONIC
разработала ультратонкий цилиндрический аккумулятор емкостью 700 Ач.
Батареи из Ni-MH аккумуляторов типа HHR70QA (диаметр 8,4 мм,
высота 67 мм, масса 13 г) по габаритам мало отличаются от призматических.
Они могут работать без систем защиты. При разряде током 1 С
обеспечивается емкость 0,9 Сн.
С 2003 г. средняя емкость практически всех типов Ni-MH
аккумуляторов PANASONIC была увеличена на 5-7 %. Были разработаны новые
аккумуляторы [48].
Вновь разработанный аккумулятор типа HHR-150AAP с
минимальной емкостью 1400 мАч выдерживает максимальный продолжительный
разрядный ток 10 А. При разряде таким током до 0,8 В аккумулятор
отдает ~1150 мАч при среднем рабочем напряжении 1 В. Аккумулятор
пригоден для использования в рабочих инструментах, для фотовспышки в
цифровых камерах, для авиамоделей и других приложений, где
необходим большой ток. Он вдвое легче Ni-Cd аккумулятора типа P-200SCS,
спроектированного для тех же целей.
Аккумулятор типа HHR-210AA с минимальной емкостью 2000 мАч
может разряжаться током 4 А.
Цилиндрический аккумулятор типа HHR-850 D емкостью 8,5 Ач и
призматический типа HHF-140T емкостью 1,43 Ач расширяют типораз-
мерные ряды своих серий.
Аккумуляторы компании
GP Batteries International Limited
Кроме большого спектра цилиндрических никель-кадмиевых
(емкостью от 130 до 6000 мАч) и никель-металлгидридных (емкостью от 550
до 2500 мАч) аккумуляторов [49] компания разработала миниатюрные
цилиндрические источники тока типоразмеров АААА (диаметр 8,6 мм)
и ААА (диаметр 10 мм). Аккумулятор типа GP65 ААААР размера 7/5
АААА @ 8,3 мм и h = 66,5 мм) обеспечивает емкость 670 мАч при
внутреннем сопротивлении 25 Ом.

3.5. НОМЕНКЛАТУРА ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ 117
Компания DURACELL, имеющая большой опыт в производстве
первичных химических источников тока, начала производство также и ме-
талл-гидридных аккумуляторов бытовых серий, объемы продаж которых
значительно возрастают от года к году.
Выпускаются аккумуляторы типоразмеров ААА емкостью 750 мАч,
АА емкостью 1800, 2050 и 2300 мАч, С и D емкостью 2200 мАч и батарея
Е-блок (8,4 В) емкостью 170 мАч. Кажущаяся низкая емкость
аккумуляторов габаритов С и D объясняется маркетинговым расчетом спроса
с учетом соотношений емкость - реальная потребность - цена и
характеристиками существующих бытовых зарядных устройств. Компания
DURACELL, как и некоторые другие, в корпус габаритов С и D
помещает аккумуляторы меньших габаритов.
Металл-гидридные аккумуляторы DURACELL допускают токи
разряда до 3 С, а батареи - до 2 С.
Компания одной из первых начала выпуск зарядных устройств для
сверхбыстрого заряда (в течение 30 мин), применив для этого
принудительное охлаждение аккумуляторов, что сохраняет их ресурс при таких
жестких режимах заряда.

DURACELL
'АККУМУЛЯТОРЫ!
ЕМКОСТЬ
2300 мАч

ООО «ТАИМ-1»
Основано в 1992 г.
ТОРГОВО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ КОМПАНИЯ
• Продажа аккумуляторов и элементов всех типов
ведущих зарубежных производителей SANYO,
PANASONIC, SAFT, GP и др.
• Изготовление и ремонт аккумуляторных сборок
различного назначения.
• Разработка и изготовление Li-ion
аккумуляторных сборок с элементами контроля и защиты.
• Изготовление зарядных устройств для всех типов
аккумуляторов.
Компания имеет специализированные
контрольно-измерительную аппаратуру и стенды, позволяющие проводить
инженерно-техническую работу по тестированию
аккумуляторов и сборок.
Большой опыт сотрудников компании обеспечит заказчику
выбор и разработку необходимых источников тока при
оптимальном соотношении цены и качества.
ООО «ТАЙМ-1»
107564, г. Москва
ул. Краснобогатырская, д. 38, стр. 10, оф. 6
Тел.: @95) 506-28-39, 964-16-83
E-mail: time@mail.ip.sitek.net
timel@mcn.ru
www.timel.ru

ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ
СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ
АККУМУЛЯТОРЫ
Свинцовые химические источники тока являются наиболее
распространенными среди всех существующих в настоящее время. Их
масштабное производство определяется как относительно низкой стоимостью,
обусловленной сравнительной недефицитностью исходных материалов,
так и разработкой различных вариантов этих источников, отвечающих
требованиям широкого круга потребителей.
Несмотря на то, что свинцово-кислотные аккумуляторы известны
почти полтора столетия, первые безуходные аккумуляторы этой
электрохимической системы удалось создать не более 40 лет назад.
Строго говоря, полная герметизация свинцово-кислотных
аккумуляторов не может быть достигнута, так как невозможно обеспечить полную
рекомбинацию кислорода и водорода, которые выделяются в них при
заряде и хранении. Но специальными мерами выделение газов и потери
воды в процессе эксплуатации удается свести к минимуму.
Для понимания затруднений при реализации этой задачи и способов их
преодоления следует кратко описать особенности процессов, протекающих
в классическом вентилируемом свинцово-кислотном аккумуляторе.
4.1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В СВИНЦОВО-КИСЛОТНОМ АККУМУЛЯТОРЕ
Основные процессы, протекающие на электродах, описывают реакции:
на отрицательном
разряд
Pb + HSO4 „ » PbSO4 + Н+ + 2е",
заряд
на положительном
разряд
РЬО2 + HSO; + ЗН+ + 2е" » PbSO4+ 2H2O.
заряд
Суммарная реакция в свинцовом аккумуляторе имеет вид:
разряд
РЬО2 + Pb + 2H2SO4 « » 2PbSO4 + 2Н2О.
заряд ч z
Таким образом, при разряде свинцового аккумулятора на обоих
электродах образуется малорастворимый сульфат свинца (двойная сульфата-
ция) 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
электролита НРЦ аккумулятора уменьшается и после полного разряда
становится равным 1,95-2,03 В.

4.2. ОСОБЕННОСТИ СВИНЦОВО-КИСЛОТНОГО АККУМУЛЯТОРА 121
При заряде свинцово-кислотного аккумулятора, как и в других
аккумуляторах с водным электролитом, имеют место побочные процессы
выделения газов. Выделение водорода начинается при полном заряжении
отрицательного электрода. Кислород начинает выделяться гораздо
раньше: в обычных условиях заряда при 50-80 % заряженности (в
зависимости от тока заряда), а при температуре 0 °С уже после заряда на 30-40 %.
Поэтому отдача положительного электрода по емкости составляет 85-
90 %. Для получения полной разрядной емкости при заряде аккумулятору
должен быть обеспечен перезаряд на 10-20 %. Этот перезаряд
сопровождается значительным выделением водорода на отрицательном электроде
и кислорода - на положительном.
Выделение водорода имеет место и при хранении заряженного
свинцово-кислотного аккумулятора. Саморазряд его определяется в основном
скоростью растворения свинца согласно реакции
Pb + H2SO4 —> PbSO4 + H2.
Скорость этого процесса зависит от температуры, объема
электролита и его концентрации, но более всего от чистоты компонентов. В
отсутствие примесей реакция протекает медленно из-за высокого
перенапряжения выделения водорода на свинце. Но на практике на поверхности
свинцового электрода всегда много примесей, среди которых наибольшее
влияние оказывает сурьма, содержание которой в сплаве для решеток и
токоведущих деталей доходит до 6 %.
На положительном электроде может также самопроизвольно
протекать реакция восстановления диоксида свинца
РЬО2 + H2SO4 —*~ PbSO4 + V2 О2 + Н2О,
в результате которой выделяется кислород, но скорость ее невелика.
В процессе эксплуатации саморазряд аккумулятора может
увеличиваться из-за формирования дендритных мостиков из металлического
свинца.
Потери емкости свежеизготовленного аккумулятора за счет
саморазряда обычно не превышают 2-3 % в месяц. Но при эксплуатации они
быстро растут.
4.2. ОСОБЕННОСТИ ГЕРМЕТИЗИРОВАННОГО
СВИНЦОВО-КИСЛОТНОГО АККУМУЛЯТОРА
Основные проблемы при создании герметичного варианта свинцово-
кислотного аккумулятора связаны с необходимостью обеспечения
условий для уменьшения газовыделения и содействия рекомбинации
выделяющегося газа.
При разработке герметизированного аккумулятора, который в
обычных условиях эксплуатации не требовал бы доливки воды в электролит в

122 4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
течение всего срока службы и не выделял бы газов, был предпринят ряд
мер, подробное описание которых можно найти, например, в
монографиях [3, 15, 16,50]:
1. В аккумуляторе используется иммобилизированный
(обездвиженный) электролит, который сохраняет высокую электропроводность
серной кислоты. Малое его количество позволяет обеспечить лучший
транспорт кислорода от положительного электрода к отрицательному и
высокий уровень его рекомбинации.
При одном способе иммобилизации электролита для его загущивания
используется силикагель (SiO2), который обладает высокой
пластичностью и заполняет и электроды, и сепаратор. Благодаря своей вязкости он
хорошо удерживается в порах и способствует эффективному
использованию активных веществ электродов. Транспорт кислорода обеспечивается
по трещинам, которые возникают при усадке твердеющего электролита.
При другом способе иммобилизации используется сепаратор из
стекловолокна с высокой объемной пористостью и хорошей смачиваемостью
в растворе серной кислоты. Такой сепаратор не только выполняет
функцию разделения электродов, но и благодаря тонкой структуре волокон
обеспечивает удержание электролита в порах и высокую скорость
переноса кислорода. Использование стекловолокнистого сепаратора и
плотная сборка блока электродов способствуют также уменьшению
оплывания активной массы положительного электрода и разбухания губчатого
свинца на отрицательном.
2. Для уменьшения вероятности выделения водорода свинцово-сурь-
мяные сплавы токоведущих решеток заменяются другими,
обеспечивающими более высокое перенапряжение выделения водорода.
Используются сплавы свинца с кальцием (до 0,1 % Са), иногда легированного
алюминием, сплавы свинца с оловом @,5-2,5 % Sn), которые имеют хорошие
литейные характеристики, и другие.
3. В отрицательный электрод закладывается емкость больше, чем в
положительный. В этом случае при полном заряде положительного
электрода оставшаяся недозаряженной часть активной массы отрицательного
электрода практически исключает возможность разряда ионов водорода.
Кислород, выделяющийся на диоксиде свинца, достигает отрицательного
электрода и окисляет губчатый свинец до оксида свинца, который в
кислотном электролите переходит в сульфат свинца PbSO4 и воду. Таким
образом, условия для герметизации аккумулятора улучшаются: газы не
выделяются и вода не теряется.
Уменьшению газовыделения способствуют и рекомендуемые для
герметизированных аккумуляторов режимы заряда, при которых ток
уменьшается по мере их заряжения.
И все же все реализованные варианты безуходного свинцово-кислот-
ного аккумулятора снабжены клапаном, который время от времени от-

4.3. КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ 123
крывается для сброса излишнего количества газа, главным образом
водорода. Именно поэтому аккумулятор называется не герметичным, а
герметизированным.
Успехи исследователей и технологов, достигнутые за последние два
десятилетия, тщательный контроль процесса производства и
сотрудничество с потребителями, которые научились понимать, что безуходность
этих батарей не означает полной свободы от контроля за их работой,
позволяют в настоящее время выпускать на рынок продукцию, которая в
ряде приложений способна конкурировать с более дорогими
герметичными щелочными источниками тока.
Герметизированные свинцово-кислотные батареи емкостью до 10-20 Ач
используются как источники питания для разнообразной портативной
аппаратуры и инструментов в тех случаях, когда масса не является
определяющим критерием для выбора ХИТ, а также в системах бесперебойного
питания, телекоммуникаций, информационных, для аварийного
оборудования и т. п., где они работают в буферном режиме.
Батареи большой емкости и большого напряжения используются для
разнообразных транспортных средств, в том числе и электромобилей, а
также для источников бесперебойного питания в мощной
электроэнергетике.
4.3. КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫХ
СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ БАТАРЕЙ
Портативные герметизированные свинцово-кислотные источники
тока выпускаются в виде батарей, которые собраны в едином
призматическом контейнере из пластмассы или резины (моноблочная конструкция).
Положительные и отрицательные электроды аккумуляторов
изготавливаются обычно намазкой на решетку сотовой структуры. Контейнер и
крышка загерметизированы. Межэлементные соединения утапливаются в
углублениях крышки и залиты мастикой. Выводы батареи (в виде ушка
или борна) также загерметизированы. Клапанное устройство для сброса
газа при излишнем давлении состоит из резинового клапана и
отражателя, служащего для улавливания капель электролита. Воздух в
аккумулятор через него не попадает. Типичная конструкция герметизированной
свинцово-кислотной батареи малой емкости показана на рис. 4.1.
Герметизированные свинцовые источники тока большой емкости (до
нескольких тысяч ампер-часов) выпускаются и в виде отдельных
аккумуляторов, которые соединяются в батареи большого напряжения
внешними перемычками, и в виде батарей в моноблочном корпусе (рис. 4.2).
Аккумуляторы могут устанавливаться как вертикально, так и на боку .при
фронтальном их соединении перемычками.

124
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Рис. 4.1. Конструкция
герметизированной свинцово-кислотной батареи типа HP
KOBE |51J:
1 - контейнер; 2 - крышка;.? - клемма; 4 - верхняя
крышка; 5 - аварийный клапан; 6 - отрицательная
пластина; 7 - сепаратор; 8 - положительная
пластина
На электрических и
эксплуатационных характеристиках герметизированных
свинцовых батарей большой емкости
существенно сказываются различия в
конструкции электродов (поверхностного
типа, панцирных или стержневых), а также
в сплавах, используемых для
изготовления токоведущих основ. Подробную
информацию об особенностях стационарных
и тяговых герметизированных свинцово-кислотных батарей большой
емкости от разных аккумуляторных компаний можно найти в [52].
При выборе герметизированной свинцовой батареи большой
емкости следует внимательно отнестись к реализованному в ней способу
иммобилизации электролита, поскольку известно, что в высоких
аккумуляторах со стекловолокнистым сепаратором (технология AGM)
со временем наблюдается расслоение электролита. Такие
аккумуляторы стараются проектировать высотой не более 35 см.
По данным
немецкой компании ВАЕ,
которая производит
широкий спектр
свинцово-кислотных источников тока
разных конструкций и
технологий, разница в
эксплуатационных
характеристиках
аккумуляторов с двумя
реализованными способами
иммобилизации электролита
достаточно велика (см.
рис. 4.3 [52]).
Рис. 4.2.
Герметизированные свинцово-кислотные
аккумуляторы и батареи
компании ВАЕ

4.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
125
Срок службы
Стоимость
Плотность
электролита
Внутреннее
сопротивление
Возможность восстановления
после глубокого разряда
Гарантированная
емкость
Устойчивость
к изменению
температуры
Цикли руемость
Возможность использования
электродов панцирного типа
в аккумуляторах
Рис. 4.3. Сравнение двух технологий (Gell и AGM) изготовления
герметизированных свинцовых аккумуляторов:
1 - технология AGM, 2 - технология Gell
4.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
Герметизированные свинцовые батареи используются и в режиме
циклирования, и для работы в буферном режиме (при непрерывном или
периодическом подзаряде).
Номинальной емкостью свинцово-кислотного источника тока
считается емкость, полученная при разряде в течение 20 ч, т. е. током 0,05 С.
Отдаваемая им емкость существенно зависит от тока разряда, который
может достигать нескольких С. Типичные разрядные характеристики при
разных токах нагрузки показаны на рис. 4.4.
Из рисунка видно, что от тока разряда зависит также и конечное
разрядное напряжение аккумулятора. На рис. 4.5 эта зависимость показана для
батарей PANASONIC. Эти рекомендации практически не отличаются от
рекомендаций других компаний.
Аналогичным образом регламентируется конечное разрядное
напряжение и для мощных свинцово-кислотных источников тока.
Герметизированные свинцовые батареи работоспособны в диапазоне
температур от -30 до +50 °С, чаще гарантируется работоспособность
при температуре не ниже -15 °С. При более низких температурах
возможности разряда препятствует замерзание электролита.
Работоспособность аккумуляторов при низких температурах может быть
обеспечена увеличением концентрации электролита, как это и делается в
специальных вариантах исполнения.

126
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Время разряда
Рис. 4.4. Разрядные характеристики герметизированной свинцово-кислотной
батареи НР6,5-12 KOBE [51]
Заряд батарей, как было сказано выше, должен осуществляться в
режиме, при котором ток должен сильно уменьшаться к концу процесса.
Используется несколько стратегий заряда, которые требуют
оборудования разной сложности и стоимости.
Наиболее простое и дешевое оборудование осуществляет заряд при
постоянном напряжении (потенциоспшческий режим). Но чаще используют
Рис. 4.5. Зависимость конечного разрядного напряжения батарей PANASONIC
от тока разряда [53]

127
Рис. 4.6. Зарядные характеристики батареи герметизированных свинцово-
кислотных аккумуляторов НР6,5-12 KOBE при постоянном
напряжении 2,45 В/ак [51]
комбинированный режим, при котором начальный ток ограничивают, а
по достижении заданного напряжения заряд проводится при его
стабилизации.
Типичные характеристики батарей, разряженных полностью и на
50 %, при комбинированном режиме их заряда показаны на рис. 4.6.
Заряд ведется при постоянном токе 0,1 С на первом этапе и при постоянном
напряжении источника тока на втором. Большинство производителей
рекомендуют проводить заряд циклируемых батарей при постоянном
напряжении 2,4-2,45 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 % Сраз) 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.
Ускорение процесса заряда достигается при увеличении тока на
первой стадии заряда, но в соответствии с рекомендациями производителей
не более чем до 0,3 С.
В конце заряда для его большей безопасности может быть
использована еще одна ступень заряда: при снижении напряжения источника
питания до напряжения подзаряда аккумулятора B,30-2,35 В). Такой
режим требует уже более дорогого оборудования.

128 4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Гальваностатический заряд (при постоянном токе), типичный для
щелочных источников тока, в случае герметизированных свинцово-кислот-
ных батарей производители не рекомендуют. Однако при отсутствии
специализированного оборудования такой заряд возможен при ступенчатом
уменьшении тока к концу заряда B-3 ступени). При этом для того, чтобы
не сократить ресурс батарей, необходимо со вниманием отнестись к
выбору предельных напряжений, при которых должны осуществляться
переключения на следующую ступень. Производители на этот счет четких
рекомендаций не дают.
Заряд батарей, используемых для работы в буферном режиме,
проводится обычно при более низком напряжении B,23-2,275 В). При 2,275 В/ак
потенциостатический режим заряда той же батареи (при начальном токе
ОД С) начинается через 6,5 и 3,5 ч для батарей, разряженных
соответственно на 100 и 50 %. Полный заряд обеспечивается за 20-25 ч.
Указанные напряжения заряда не требуют изменения при заряде в
некотором диапазоне температуры (обычно от 5 до 35 °С). За пределами
указанного температурного диапазона, однако, требуется компенсация
влияния температуры: увеличение напряжения при пониженных температурах
и уменьшение при более высоких. Напряжение должно быть изменено на
5 мВ/ак при работе в режиме циклирования и на 3,3 мВ/ак при работе в
буферном режиме.
Саморазряд в герметизированных свинцово-кислотных батареях
значительно снижен по сравнению с вентилируемыми и составляет в год
40 % при 20 °С и 15 % при 5 °С. При более высоких температурах
хранения он увеличивается: при 40 °С батареи теряют 40 % за 4-5 месяцев.
При длительном хранении в заряженном состоянии батареи
рекомендуют периодически подзаряжать. Если они хранились при температуре
ниже -20 °С, то подзаряд должен проводиться 1 раз в год в течение 48 ч
при постоянном напряжении 2,275 В. При хранении при комнатной
температуре - 1 раз в 8 месяцев в течение 6-12 ч при постоянном напряжении
2,45 В/ак. Хранение при температуре выше 30 °С не рекомендуется, а
подзаряд может быть выполнен в течение 6-12 ч постоянным током 0,05 С.
Длительное хранение батареи в разряженном состоянии приводит к
быстрой потере ее работоспособности.
4.5. ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
4.5.1. ВИДЫ И МЕХАНИЗМЫ ОТКАЗОВ
Срок службы герметизированных батарей, как и вентилируемых, в
большинстве случаев ограничивается деградацией положительного
электрода, которая определяется коррозией его решетки и изменениями в
активной массе [15, 54-56].

4.5. ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ 129
Скорость коррозии решеток зависит как от состава сплава,
конструкции и условий отливки, так и от температуры, при которой
эксплуатируются батареи. Коррозия решетки из сплава без сурьмы или с низким ее
содержанием существенно меньше по сравнению с коррозией традиционных
решеток вентилируемых аккумуляторов. В качественно отлитых решетках
из сплавов Pb-Ca-Sn скорость коррозии низка, но в плохо отлитых -
отдельные участки подвергаются глубокой коррозии, что вызывает
локальный ее рост и деформацию. Деформация решеток может привести к
короткому замыканию разнополярных пластин.
Коррозия решеток положительных пластин - наиболее частый дефект
батарей, эксплуатируемых в буферном режиме.
При работе в режиме циклирования происходит также разрыхление
активных масс положительного электрода, которое приводит к потере
контакта между частицами РЬОг- Емкость источника тока при этом
снижается. Процесс разрыхления ускоряется при разряде большими
импульсами.
В герметизированных аккумуляторах могут проявляться и
специфические коррозионные процессы на токоведущих деталях отрицательных
пластин, которые находятся выше уровня электролита, и на борне.
Поскольку продукты коррозии имеют больший объем, чем свинец, в
результате могут иметь место выдавливание компаунда, герметизирующего
вывод, и повреждение борна, крышки и даже бака. Дефекты такого рода часто
наблюдались в аккумуляторах разных производителей на ранних стадиях
разработок и производства. В настоящее время большая часть
производителей решила эту проблему подбором сплавов для всех деталей
аккумулятора и контролем за металлургическим процессом их изготовления.
В процессе эксплуатации герметизированных аккумуляторов из-за
неизбежных потерь воды при открывании клапана для сброса излишнего
давления газа происходит некоторое осушение сепаратора и увеличение
внутреннего сопротивления источников тока. При работе в буферном
режиме количество отказов, вызванных высыханием аккумулятора,
становится соизмеримым с отказами из-за коррозии решеток
положительных электродов [15]. Как было сказано выше, в аккумуляторах с гелевым
электролитом уменьшение количества электролита менее критично, чем
в аккумуляторах с сепаратором из стекловолокна.
4.5.2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СРОК СЛУЖБЫ
Наибольшее влияние на срок службы герметизированного
аккумулятора оказывают рабочая температура, глубина разряда и величина
перезаряда, а также частота срабатывания клапана для сброса газа.
На рис. 4.7 и 4.8 показано изменение срока службы в зависимости от
основных параметров, которые влияют на него при разных режимах
работы.

130
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Рис. 4.7. Зависимость срока службы герметизированной свинцово-кислотной
батареи от глубины разряда (при 20-25 °С) [51]
Герметизированные свинцово-кислотные батареи очень
чувствительны к перезаряду. На рис. 4.9 показано, как быстро снижается срок их
службы при работе в режиме постоянного подзаряда при увеличении
напряжения источника питания (и тем самым - тока подзаряда).
Следует помнить, что при заряде герметизированных батарей их
температура может быть существенно выше температуры окружающей среды.
Это связано как с разогревом аккумуляторов из-за процесса рекомбинации
кислорода, так и с плохим отводом тепла от плотноупакованной батареи.
Рис. 4.8. Зависимость срока службы герметизированной свинцово-кислотной
батареи от температуры при работе в буферном режиме [51]

4.5. ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Рис. 4.9. Влияние режима
заряда на срок службы
герметизированных евин-
цово-кислотных
батарей при эксплуатации
в буферном режиме
Разница температур
особенно заметна при ускоренном
режиме заряда. Если нельзя
избежать значительного
увеличения температуры, при
заряде следует вводить
корректировку напряжения источника питания, как это описано выше.
Переразряд также вреден для батарей. При многократных
переразрядах снижается разрядная емкость и уменьшается срок службы. Такие же
изменения могут происходить и при длительном хранении батарей в
разряженном состоянии.
В связи с расширением области применения герметизированных
свинцовых аккумуляторов до обитаемых комплексов специального
назначения, где должны использоваться мощные источники тока с большим
напряжением, стало необходимым изучение последствий возникновения
аварийных ситуаций в эксплуатации. Такие ситуации могут возникать
как при разбалансировании характеристик аккумуляторов, составляющих
батарею, так и в результате неправильного обслуживания батарей или
отказе управляющего оборудования.В этом случае при перезаряде или
переразряде батарей, приводящем к переполюсованию наиболее слабых
аккумуляторов, может произойти разгерметизация аккумуляторов или даже
разрушение их баков.
Было показано [57], что повреждение корпуса приводит к
уменьшению отдаваемой емкости, но более серьезных проблем не возникает.
Даже при полном разрушении контейнера аккумулятора емкость его стала
меньше только на 14 %, так как электролит не вытекает, а остается в
порах электродов и сепаратора. При вскрытии 5 % площади контейнера
аккумуляторы оставались пригодными для циклирования при
уменьшении разрядной емкости на 15—20 %.
При длительном перезаряде (током 0,25 Сн) как свежих
аккумуляторов, так и после 1,5 лет эксплуатации в режиме постоянного подза-
ряда, а также при заряде их при завышенном напряжении B,6 В),
чрезвычайного разогрева аккумуляторов не возникало. Температура
стабилизируется через 4-6 ч на уровне 50-70 °С или затем медленно
снижается.
Но из-за сброса газов через аварийный клапан происходит осушение
аккумуляторов и быстрая их деградация.
Напряжение постоянного подзаряда, В

132 4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
4.6. НОМЕНКЛАТУРА ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫХ
СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ БАТАРЕЙ
Современные герметизированные свинцово-кислотные батареи
обладают 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
безвозвратной потери 20 % емкости. Они могут работать при любой ориентации без
течи кислоты, что позволяет использовать их в непосредственной
близости от дорогостоящей аппаратуры.
Следует обратить внимание на то, что герметизированные свинцово-
кислотные батареи, как правило, выполняются в моноблочной
конструкции. Это заставляет предъявлять повышенные требования к качеству
аккумуляторов, так как однородность их в батарее не может быть
обеспечена дополнительным отбором.
Главная опасность эксплуатации батареи с неоднородными
аккумуляторами определяется тем, что при циклировании батареи с большим
количеством аккумуляторов отклонения электрических характеристик одного
из них от стандартных незаметны. Но аккумулятор с повышенным
сопротивлением будет разогреваться значительно больше остальных, что ведет к
повышенным потерям воды и быстрой деградации всей батареи.
4.6.1. БАТАРЕИ ПРИЗМАТИЧЕСКОЙ КОНСТРУКЦИИ
В России в начале 90-х годов выпускались герметизированные
свинцово-кислотные батареи емкостью от 0,8 до 6 Ач. Но затем
производство их было прекращено. В настоящее время ведутся исследования с
целью создания стационарных герметизированных батарей большой
емкости.
За рубежом выпуск безуходных герметизированных батарей более
40 лет назад начали японские компании YUASA, KOBE, немецкая
компания SONNENSCHEIN. В настоящее время их производят многие
компании во всем мире. И емкость наиболее мощных аккумуляторов достигает
тысяч ампер-часов.
Портативные батареи призматической конструкции наиболее
массово выпускаются японскими компаниями; они составляют также
некоторую долю продукции европейских и американских компаний.
Ниже описана продукция зарубежных компаний, представленная на
российском рынке источников тока. Многие компании производят
батареи в широком диапазоне емкостей, но в Россию поставляется только
часть их продукции: батареи малой и средней емкости из
Юго-Восточного региона мира, мощные и тяжелые - по понятным экономическим
соображениям чаще из Европы.

4.6. НОМЕНКЛАТУРА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ БАТАРЕЙ 133
Батареи японских компаний
Аккумуляторная компания KOBE выпускает герметизированные свин-
цово-кислотные батареи двух серий: HP и HV [51].
Батареи серии HP выпускаются уже несколько десятилетий и давно
зарекомендовали себя как экономичные, безуходные и безопасные
источники тока для портативного оборудования. Электроды имеют
решетки из свинцово-кальциевого сплава, сепаратор - из стекловолокна.
При циклировании батареи обеспечивают 200 и более циклов при
100 % глубине разряда, при эксплуатации в буферном режиме - 3-5 лет
при редких разрядах. Удельные энергетические характеристики батарей
составляют 25-30 Втч/кг и 55-85 Втч/дм3.
Они работоспособны в диапазоне температур от -15 до +50 °С.
Разрядные характеристики аккумуляторов серии HP при токах от 0,05 С до
3 С показаны выше (рис. 4.4) как типичные для герметизированных свин-
цово-кислотных источников тока. Характеристики при заряде в
комбинированном режиме показаны на рис. 4.6. Там же описаны все особенности
и ограничения этого процесса.
Начальный ток заряда может быть увеличен до 0,3 С. Для быстрого
заряда циклируемых аккумуляторов разрешается также использование
двух- и даже трехступенчатого заряда при постоянном напряжении. Этот
режим допускается и для кратковременного восстановительного заряда
батарей, работающих в буферном режиме, даже после глубокого их
разряда.
Саморазряд батарей при 25 °С составляет 40 % в год, при 5 °С - не
более 15%. При повышенной температуре потери емкости больше: до
70 % за полгода при +40 °С.
Батареи высокой мощности серии HV являются результатом
улучшений источников тока серии HP. Их электроды имеют большую
пористость, а активные массы обеспечивают более долговременную работу.
Импеданс этих аккумуляторов также снижен.
В результате всех изменений удалось создать аккумуляторы, которые
обеспечивают повышенную емкость (на 8-30 % при токе 0,05 С, на 15-30 %
при 1 С и на 20-40 % при 10-минутном разряде). Удельные энергетические
характеристики батарей серии HV достигают 38 Втч/кг и 100 Втч/дм3.
В батареях серии HV удалось уменьшить вероятность отказа батареи
при переразрядах. После 2-3 последовательных переразрядов и хранения
разряженной батареи в течение достаточно долгого периода времени (до
30 дней) она может быть восстановлена при заряде током 0,3 С при
постоянном напряжении источника 2,45 В/ак. 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 уменьшается, как при
обычном потенциостатическом заряде. Весь процесс восстановления
батареи занимает 24 ч.

134
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
В табл. 4.1 представлены основные характеристики
герметизированных свинцово-кислотных батарей серий HP и HV емкостью до 20 Ач,
которые составляют 80 % источников тока всей номенклатуры изделий
компании KOBE.
Таблица 4.1. Герметизированные свинцовые батареи KOBE (серии HP и HV)
В наименовании батарей после букв записывается емкость батареи при стандартном
20-часовом разряде, после черточки - номинальное напряжение D, 6 или 12 В).
Тип батареи
НР2-4С
НР4-4С
НР4-6С
HP 1,2-6
НРЗ-6
НРЗ,2-6
НР4-6
НР6-6
НР8-6
HP 10-6
HP0J-12P
НР1,2-12
НР2-12
НР2,2-12Р
НРЗ-12
НР4-12
НР6,5-12
НР15-12
HP15-12W
HV2,6-12
HV5-12
HV7-12
HV12-12
HV17-12W
Емкость (Ач) при разряде
20 ч
1,75 В/ак
2,0
4,0
4,0
1,2
3,0
3,2
4,0
6,0
8,0
10,0
0,7
1,2
2,0
2,2
3,0
4,0
6,5
15,0
15,0
2,6
5,0
7,0
12
17
10ч
1,75 В/ак
1,85
3,7
3,7
1,1
2,8
3,0
3,7
5,6
7,4
9,3
0,65
1,1
1,8
2,0
2,8
3,7
6,2
14,0
14,0
2,4
4,7
6,5
11
16
1ч
1,6 В/ак
1,3
2,6
2,6
0,7
1,8
1,9
2,4
3,6
4,8
6,0
0,4
0,7
1,2
1,3
1,8
2,4
3,9
9,0
9,0
1,8
3,5
4,9
8,4
12
Максимальные
размеры, мм
длина
35,5
35,5
51,4
97
134
66
70
151
151
151
96
98
178
200,5
134
195
151
181
181
178
90
151
151
181

ширина
47,8
47,8
47,8
25
34
33
48
34
50
50
25
48
34
25
67
47
65
76
76
34
70
65
98
76
высота
63,5
119,5
119,0
59
68
132
119
102
102
102
62,5
59
68
61,5
68
78
102
169
169
68
110
102
169
169
Масса,
кг
0,29
0,54
0,80
0,28
0,62
0,73
0,82
1,30
1,80
1,90
0,34
0,56
0,93
0,78
1,20
1,70
2,70
6,10
6,10
1,0
1,9
2,7
4,1
5,9
Импеданс,
мОм
18
12
20
70
35
25
20
20
15
10
220
ПО
90
100
60
45
22
15
15
40
22
22
16
15

Максимальный ток
разряда 5 с,
А
30
40
40
18
45
48
60
90
120
150
9
18
30
9
45
60
98
225
225
39
75
105
180
255
Компания PANASONIC производит герметизированные свинцово-
кислотные батареи более 25 лет. Выпускаются батареи от 1,3 до 100 Ач,
предназначенные для циклирования и использования в режиме
постоянного подзаряда (табл. 4.2) [53].
В аккумуляторах токоведущие решетки электродов - из сплава свинца
с кальцием и оловом и стекловолокнистый сепаратор. Клапан из неопрена

Таблица 4.2. Портативные герметизированные свннцово-кислотные батареи PANASONIC
LC-R061R3PU
LC-R121R3PU
LC-R122R2PU
LC-R063R4PU
LC-R123R4PU
LC-RB064P
LC-RB124P
LC-RB064R2P
LC-R065P
LC-R125P
LC-R067R2P
LC-R127R2P
LC-R129P1
LC-R0612P
LC-R1212P
LC-RC1217P
LC-LA1233P
LC-T122PU
LC-TA122PU
LC-P067R2P
LC-P127R2P
LC-P0612P
LC-X1224AP
LC-X1238AP
LC-X1242AP
LC-X1265P
LC-XA12100P
Примечание. В наименовании буквы после дефиса описывают особенности источников тока: R - изделие малого размера, L - изделие среднего
размера, Т - специального размера, Р - изделие для подзаряда, защищенное от горения, X — для подзаряда в течение большого срока.
Стандартные батареи (циклирование или 3-5 лет в режиме компенсационного подзаряда)
Батареи для длительного компенсационного подзаряда F лет при 25 °С и 10 лет при 20 °С)
Japan
Japan
Japan
Japan
Japan
USA
USA
China
USA
USA
China
China
China
China
China
USA
USA
Japan
Japan
China
China
China
China
China
China
China
China
4.6. НОМЕНКЛАТУРА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ БАТАРЕЙ 135

136
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
открывается для сброса газа при давлении его 0,07-0,45 кПа. Выводы
батареи могут быть разными (в виде ушка, борна с нарезкой или в виде
свицовой проволоки) в зависимости от типа батареи.
Батареи работоспособны при температуре от -15 до +50 °С. При 0 °С
емкость уменьшается на 15 %, при -15 °С - на 35 %.
Саморазряд составляет 10 % за 3 месяца, 20 % за полгода и 35 % за
год хранения при температуре 25 °С.
Компания YUASA с более чем 40-летним опытом производства
герметизированных свинцовых батарей в настоящее время выпускает
порядка 10 серий аккумуляторов по технологии AGM и с намазными
электродами: NP, NPL, NPC, NPH, EN, SW, RE, REN, UXH, UXL, UDF.
Батареи серии NP (напряжением 6 В и емкостью от 1 до 12 Ач и
напряжением 12 В и емкостью от 0,8 до 65 Ач) обеспечивают в режиме
постоянного подзаряда 5-6 лет службы и до 1200 циклов при небольшой
глубине циклирования. Батареи способны восстанавливать емкость после
глубокого разряда.
Батареи серии NPH (емкостью от 1,3 до 16 Ач) способны отдать
мощность на 50 % большую, чем аналогичные батареи серии NP.
Батареи серии NPC предназначены для циклического режима.
Номенклатура их представлены в табл. 4.3. Батареи работоспособны в
расширенном диапазоне температур: от -20 до +60 °С. Они обеспечивают
срок службы в 2 раза больше, чем батареи серии NP.
Батареи серии NPL (табл. 4.4) при использовании в режиме
подзаряда обеспечивают срок службы до 10 лет.
Таблица 4.3. Герметизированные свинцовые батареи YUASA серии NPC
для циклирования
Характеристики
Емкость, Ач, при разряде
20 ч
10ч
5ч
1 ч
Длина, мм
Ширина, мм
Высота, мм
Масса, кг
Импеданс, мОм
Максимальный ток разряда
в течение 1 мин, А
NPC 17-12
17,0
15,7
14,4
12,0
181
76
167
6,1
15
170
NPC 24-12
24,0
22,3
20,4
14,4
166
175
125
9,5
10
240
NPC 38-12I
38,0
35,3
32,3
22,8
197
165
170
14,5
7,5
300
NPC 65-12I
65,0
60,5
55,3
39,0
350
166
174
24,0
5,5
500

4.6. НОМЕНКЛАТУРА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ БАТАРЕЙ
137
Таблица 4.4. Герметизированные свинцовые батареи YLJASA серии NPL
для работы в режиме подзаряда
Характеристики
NPL
24-121
Емкость, Ач, при
разряде
20 ч 24,0
10 ч 22,3
5 ч 20,4
1 ч 14,4
Длина, мм 166
Ширина, мм 175
Высота, мм 125
Масса, кг 9,2
Импеданс, мОм 9,5
Максимальный ток 150
разряда, А
NPL
38-121
38,0
35,3
32,3
22,8
197
165
170
14,2
7,5
200
NPL
65-121
65,0
60,5
55,3
39,0
350
166
174
23,3
5,0
500
NPL
78-12IFR
78,0
72,6
66,3
46,8
380
166
174
27,5
5,0
500
NPL
100-12
100,0
92,0
84,0
60,0
407
173
240
40,0
5,0
600
NPL
130-6IFR
130,0
120,0
110,0
78,0
350
166
174
23,3
2,5
390
NPL
200-6
200,0
186,0
168,0
120,0
398
176
250
39,0
1,3
600
Аккумуляторы и батареи серии EN (табл. 4.5) благодаря малому
внутреннему сопротивлению способны к мощным кратковременным
разрядам.
Таблица 4.5. Герметизированные свинцовые аккумуляторы
и батареи YUASA (серия EN)
Характеристики
Номинальное
напряжение, В
Емкость, Ач,
при разряде
10ч
Зч
Длина, мм
Ширина, мм
Высота, мм
Масса, кг
Импеданс,
мОм
Максимальный
ток разряда, А
EN
80-6
6
80
65
200
208
238
23,0
1,8
480
EN
80-4
4
80
65
200
208
238
17,5
1,2
480
EN
100-6
6
100
81
200
208
238
23,0
1,8
600
EN
1004
4
100
81
200
208
238
17,5
1,2
600
EN
160-6
6
160
129
305
210
240
35,0
1,2
960
EN
160-4
4
160
129
206
210
240
24,0
0,8
960
EN
320-2
2
320
285
206
210
240
24,0
0,3
1920
EN
480-2
2
480
387
305
210
240
35,0
0,2
2280

138 4. СВИНЦОВОКИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Батареи на 12 В серий UFX (емкостью 100 и 150 Ач) и SWL
(емкостью от 750 до 2500 Ач) - стационарные батареи для
телекоммуникационных сетей и мощной энергетики.
Батареи аккумуляторных компаний Китая
За последние 10-15 лет на мировом рынке появились и новые
компании, выпускающие продукцию лицензионную и собственных разработок.
Они уже зарекомендовали себя как производители источников тока,
отвечающих самым современным требованиям.
Компания SHENZHEN LEOCH Battery TECHNOLOGY,
производящая свинцовые источники тока под торговыми марками Top Power и
LEOCH, освоила все конструктивные и технологические достижения
мировых лидеров в производстве герметизированных аккумуляторов
технологии AGM. Продукция ее обладает высоким качеством при низкой
стоимости, характерной для китайской продукции, и успешно выдерживает
конкуренцию с источниками тока других производителей.
В настоящее время компания выпускает три серии
герметизированных свинцовых источников тока с намазными пластинами [58]. Низкий
саморазряд и длительный срок службы обеспечивается благодаря
использованию массивных решеток из свинцово-кальциевого сплава и особо
чистых материалов.
Батареи серии DJW D5 типов емкостью от 0,8 до 35 Ач)
обеспечивают не менее 5 лет службы, батареи серии DJM B0 типов емкостью от 40
до 225 Ач) - 10 лет, аккумуляторы серии DJ B3 типа емкостью от 72 до
3000 Ач)-15 лет.
CSB Battery - тайваньская компания американской корпорации CSB
Batterry, производящая герметизированные свинцово-кислотные батареи
емкостью от 1,3 до 3000 Ач по технологии KOBE, достигла более
высоких характеристик некоторых своих изделий [59, 60].
Гарантированная наработка батарей серии GP A2 типов емкостью от
1,3 до 65 Ач) составляет 260 циклов при 100% глубине разряда. В
буферном режиме они обеспечивают 3-5 лет работы.
Батареи серии GPL F типов емкостью от 7,2 до 100 Ач) в режиме
постоянного подзаряда обеспечивают 10 лет работы при температуре
20-25 °С.
Батареи серии HR (большой скорости разряда) отдают на 20 %
большую мощность при разряде в течение 15 мин по сравнению с батареями
других серий. Батареи обеспечивают 3-5 лет работы в буферном режиме
или 260 циклов при 100 % разряде. Характеристики их показаны в табл. 4.6.
Батареи серии НС D батареи емкостью 17, 21, 25 и 28 Ач)
спроектированы для оборудования, в котором необходима частая замена источников
тока. Клеммы этих батарей утоплены в корпусе крышки и обеспечивают

4.6. НОМЕНКЛАТУРА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ БАТАРЕЙ
139
Таблица 4.6. Свинцовые батареи CSB Battery (серия HR)
В наименовании батареи после букв HR записывается номинальное напряжение батареи
A2 В), затем мощность (Вт/аккумулятор) при разряде в течение 15 мин.
Тип батареи
HR1214W
HR1221W
HR1224W
HR1234W
HR1251W
HR12120W
Габаритные размеры, мм
длина
140
90
151
151
151
166
ширина
32
70
51
65
98
125
высота
108
106
97
100
100
175
Масса,
кг
1,4
2,0
2,1
2,6
4,2
10,7
Импеданс,
мОм
40
32
24
20
14
9
Максимальные токи, А
разряда
60
60
90
130
180
400
заряда
1,4
2,1
2,4
3,4
5,1
12,0
подключение к оборудованию без гибких соединителей. Батареи
обеспечивают 3-5 лет работы в буферном режиме или 260 циклов при 100 % разряде.
Батареи серии UP емкостью от 51 до 167 Ач, способные к более
короткому разряду по сравнению с ранее описанными, используются как
стартерные для запуска дизельных двигателей. При эксплуатации в
буферном режиме они обеспечивают 10-14 лет работы.
В компании разработано и начато производство также нескольких
серий батарей большой емкости, которые могут быть соединены в
батареи с фронтальным расположением выводов и размещены в стандартных
шкафах. Аккумуляторы серии MU F типов емкостью от 220 до 1500 Ач)
и серии MSJ (8 типов емкостью от 150 до 3000 Ач) обеспечивают 15-20 лет
эксплуатации в буферном режиме.
Компания СНЕЕ YUEN INDUSTRIAL, дочерняя компания
AEROSPACE INTERNATIONAL HOLDING (Гонконг), производит
герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы с торговой маркой «CASIL».
Аккумуляторы имеют электроды с решеткой из свинцово-кальцие-
вого сплава и сепаратор из стекловолокна [61].
Выпускаются батареи F и 12 В) емкостью от 1,3 до 200 Ач и массой от 0,3
до 67,6 кг. Батареи емкостью до 40 Ач составляют 80 % всей номенклатуры.
Компания TOPIN Battery (Гонконг) уже в течение 10 лет производит
порядка 50 батарей емкостью от 0,8 до 1000 Ач и экспортирует свою
продукцию в США, Канаду, европейские страны.
Батареи европейских (немецких) компаний
Компания VARTA первой вышла на российский рынок стационарных
свинцовых источников тока. Спектр герметизированных свинцово-кислот-
ных источников тока компании показан в табл. 4.7 (рекламные материалы
компании, 2000). В настоящее время компания VARTA влилась в компанию
HAWKER, но все батареи выпускаются с маркой VARTA на корпусе.

140
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Материал корпуса аккумуляторов - ударопрочный стиролакрилонит-
рил (САН) или акрилбутадиенстирол (ABS).
Допустимы все стандартные способы установки. При использовании
источников тока в сейсмоопасных регионах предоставляются
специальные стеллажи.
Аккумуляторы собираются в батареи с помощью перемычек из
массивной меди под болтовое соединение М10.
Компания SONNENSCHEIN одной из первых в мире начала выпуск
герметизированных свинцово-кислотных батарей двух технологий: Dryfit
с гелевым электролитом для работы в буферном режиме и Powerfit с
электролитом, адсорбированным в стекловолокнистом сепараторе.
Производит батареи емкостью от 1,2 до 3000 Ач [62].
На российский рынок с начала 1990-х годов поставляет источники
тока большой емкости для систем телекоммуникаций, мощной
энергетики.
По технологии Dryfit выпускаются источники тока:
с намазными пластинами
- батареи серии А400 емкостью от 5,5 до 180 Ач (срок службы - 10 лет);
- батареи серии А500 емкостью от 1,2 до 115 Ач (срок службы - 6 лет);
- аккумуляторы и батареи А700 емкостью от 21 до 1470 Ач для
разрядов большими токами (срок службы - 12 лет);
с панцирными положительными электродами
- аккумуляторы серии А600 OpzV емкостью от 200 до 3000 Ач и
батареи из них емкостью от 50 до 250 (срок службы - не менее 15 лет).
Напряжение, В
Емкость, Ач
Способность к
разряду до 1 ч
Тип пластин
Толщина пластин, мм
Сплав токоотводов
Плотность
электролита, г/см3
Технология
Срок службы, годы
Наработка, циклы
VbV VtV VtV VpV OpzV Genesis SBS VmV
Характеристики
Серия источника тока

4.6. НОМЕНКЛАТУРА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ БАТАРЕЙ
141
По технологии Powerfit выпускаются аккумуляторы серии L 400
емкостью от 112 до 450 Ач, батареи на 6 В емкостью 112 и 162 Ач, батареи
на 12 В емкостью от 31,5 до 80 Ач.
Высокая мощность аккумуляторов этой серии достигается благодаря
плотной сборке намазных пластин. Добавки в электролит обеспечивают
защиту от глубоких разрядов. Срок службы аккумуляторов - 10 лет.
На рис. 4.10 показана зависимость разрядной емкости от тока
разряда в диапазоне 0,1-3 С (разряд продолжительностью от 10 ч до 20 мин)
при разной температуре. Емкость, снимаемая при коротких разрядах до
конечного напряжения 1,7 В/ак, на 10 % больше, чем емкость при
разряде до 1,8 В.
Свинцовые стационарные источники тока серий Powerfit S и Р
(аккумуляторы емкостью от 235 до 625 Ач, 6 типов батарей на 6 В емкостью
от 10 до 200 Ач и 11 типов батарей на 12 В емкостью от 7 до 11 Ач) с
намазными пластинами из свинцово-кальциево-оловянного сплава
обеспечивают 6-7 лет службы.
Для удобства использования свинцовых батарей в системах
телефонной связи и компьютерных сетей выпускаются также стационарные
батареи на 12 В с фронтальным расположением выводов (для стоек и шкафов):
-тип 19" (емкостью 26,37 и 48 Ач по технологии Dryfit и емкостью
35, 50 и 60 Ач по технологии AGM);
- тип 23" (емкостью 85 и 110 Ач по технологии Dryfit и емкостью 75,
100 и 130 Ач по технологии AGM).
Компания ВАЕ производит герметизированные стационарные
батареи с гелевым электролитом с 1993 г. На российском рынке недавно, но
уже зарекомендовала себя как надежный партнер.
Рис. 4.10. Разрядная емкость аккумуляторов SONNENSCHEIN типа L400
при разных режимах и условиях разряда

142
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Спектр выпускаемых батарей показан в табл. 4.8. Все источники тока
имеют полюсные борны М10 с латунными втулками [63].
В табл. 4.9 представлена продукция компании НОРРЕСКЕ.
Таблица 4.8. Герметизированные стационарные свинцовые источники тока
компании ВАЕ
Обозначение
серии
OGiV
OGiV-HP
Block
OpzV
OpzV-Block
SPzV

Напряжение, В
2,6,12
6,12
2
2,6,12
48,60
Диапазон
емкостей,
Ач
25-900
42-180
200-3000
50-900
120-1100

Положительный
электрод
Стержневой
Намазной
Панцирный
Панцирный
Панцирный
Типичное время
разряда
10 мин-10 ч
10 мин-10 ч
30 мин-10 ч
30 мин - 1 ч
30 мин-10 ч
Напряжение
подзаряда, В
2,25
2,27
2,25
2,25
2,27
Срок
службы,
годы
12
10
15
15
12-15

Наработка,
циклы
800
350
1200
1200
800
Таблица 4.9. Герметизированные стационарные свинцовые источники тока
НОРРЕСКЕ
Обозначение
серии

Напряжение, В
Диапазон
емкостей,
Ач

Количество
типов
Положительный
электрод
Типичное
время
разряда
Срок
службы,
годы
OGiV
OGi bloc dry
OPzV
4
6
12
2
224-256
18-192
26-100
200-3000
5
14
Намазной
Намазной
Панцирный
5мин-10ч 10
5мин-10ч 10
15 мин-10 ч 12-15
В источниках тока серии OPzV используется гелевый электролит, в источниках тока серий
OGiV и OGi bloc dry - адсорбированный электролит.
Продукция компании OLDHAM
В течение последних 10 лет в России работает группа компаний
"Ольдам", которая проектирует и производит промышленные системы
бесперебойного питания. В нее входит завод "Ольдам. Промышленные
аккумуляторы" в Великом Новгороде. Этот аккумуляторный завод
является представителем в России французского завода "Oldham France",
основанного в 1949 г., а с 1999 г. носящего название " Hawker".
Номенклатура герметизированных источников тока, которыми
оснащаются источники бесперебойного питания компании "Ольдам",
показана в табл. 4.10 (рекламные материалы компании).

4.6. НОМЕНКЛАТУРА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ БАТАРЕЙ
143
Таблица 4.10. Герметизированные стационарные свинцовые источники тока
компании OLDHAM HAWKER
Обозначение
серии

Напряжение, В
Диапазон
:мкостей, Ач

Положительный
электрод
Сплав

положительного
электрода
Время
разряда
Срок
службы,
годы
OpzV
PowerSafe VE
PowerSafe V, VF
PowerSafe HR
PHEBUS
SBS
С гелевым электролитом
2 200-3000 Панцирный Pb-Ca-Sn 1ч-20ч 15
С электролитом, адсорбированным в сепараторе
2,6,12
2,4,6,12
6,12
6,12
2,4,6,12
38-550
20-1770
156^665
1,2-40
7,3-347
Намазной
Намазной
Намазной
Намазной
Намазной
Pb-Ca-Sn
Pb-Ca-Sn
Pb-Ca-Sn
Pb-Ca
Pb
5 мин - 20 ч
5 мин- 10 ч
5 мин - 3 ч
5 мин- 10 ч
1 мин- 10 ч
12
10
10
3-5
13
4.6.2. БАТАРЕИ ИЗ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ АККУМУЛЯТОРОВ
Наиболее высокие мощностные характеристики способны
обеспечивать цилиндрические аккумуляторы тока с рулонной сборкой пакета
тонких электродов.
Герметичные аккумуляторы такой конструкции с решетками
электродов из свинца высокой чистоты, изготовленные по технологии AGM,
производит американская компания Hawker Energy Products Inc. (HEPI) [64].
Прочная конструкция цилиндрических аккумуляторов Cyclon в
металлическом корпусе и с клапаном высокого давления (на 3 атм) обеспечивает
работоспособность в чрезвычайно широком диапазоне режимов эксплуатации.
Батареи Cyclon monobloc D и 6 В) состоят из 2 и 3 аккумуляторов
соответственно, каждый из которых находится в своем пластмассовом
корпусе. Аккумуляторы помещены в единый пластмассовый корпус, давление
клапана - 0,5 атм. Уменьшенное давление клапана определяется тем, что
водород, выделяющийся при перезаряде, способен диффундировать .через
стенки пластмассового корпуса и
большой его концентрации внутри
аккумулятора не возникает. Конструкция
батареи показана на рис. 4.11.
Батареи работоспособны при
температуре от -40 до + 40 °С.
Номенклатура свинцовых источников тока
компании HEPI представлена в табл. 4.11.
Рис. 4.11. Конструкция батареи из
цилиндрических
герметизированных свинцовых аккуму
ляторов

144
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Таблица 4.11. Герметичные свинцово-кислотные источники тока Cyclon
Номер изделия

Емкость,
Ач

Импеданс,
мОм
Ток


мальный*, А
Ток

короткого
замыкания, А
Размеры, мм
Масса,
г
Аккумулятор Cyclon 2 V
0810-0004 (D cell)
0860-0004 (Tall D)
0800-0004 (X cell)
0850-0004 (E cell)
0840-0004 (J cell)
0820-0004 (ВС cell)**
0819-0010 (D)
0809-0010 (X)
0859-0010 (E)
0819-0012 (D)
0809-0012 (X)
0859-0012 (E)
2,5
4,5
5,0
8,0
12,5
25,0
5,0
5,0
3,5
3,0
2,5
1,5
65
65
65
65
100
250
Батарея Cyclon 4 V
2,5
5,0
8,0
10,0
7,0
6,0
Батарея
2,5
5,0
8,0
* Допустимый ток в течение
15,0
10,0
8,0
50
50
50
Cyclon 6 V
50
50
50
400
400
570
665
800
1335
034,ЗЛ = 61,2F8Э1)
034,3/1 = 96,0A02,9)
044,5 h- 72,9 (81,5)
044,5/1 = 100,1A08,7)
051,8/2 = 123,2A35,6)
065,3 Л = 158,8 A73,2)
monobloc
400
570
665
79,5 x 46,0 x 69,9
96,5 x 53,8 x 76,7
96,8x54,1 x 101,6
monobloc
400
570
665
1 мин при разряде до 1,5 В.
** Аккумулятор не используется в режиме циклирования
113,8x46,0x69,9
139,2x53,8x76,7
139,2x54,1x191,6
178
272
362
549
839
1670
360
740
960
520
980
430
Разрядные характеристики аккумуляторов Cyclon при 10-часовом
разряде до 1,7 В и разной температуре показаны на рис. 4.12. Из рисунка
видно, что при -20 °С они обеспечивают емкость не менее 0,7 С„, что
Рис. 4.12. Разрядные характеристики цилиндрических аккумуляторов Cyclon
при разной температуре разряда

4.6. НОМЕНКЛАТУРА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ БАТАРЕЙ 145
в 2 раза больше, чем у герметизированных аккумуляторов традиционных
конструкций.
Преимущества перед обычными аккумуляторами особенно четко
проявляются при высокой скорости разряда (менее 100 мин) и при
импульсной нагрузке. При токе разряда 1 С удается снять не менее 0,8 Сн,
при токе 2,2 С до напряжения 1,5 В разрядная емкость - не менее 0,65 Сн.
Наработка при 100 % глубине разряда составляет не менее 300
циклов, при 50 % - 1700 циклов, при 30 % - 2500 циклов, что в 1,5-3 раза
больше наработки герметизированных свинцовых батарей обычной
конструкции. В буферном режиме единичный аккумулятор работоспособен в
течение 10 лет. Батарея способна обеспечить 8 лет работы при токе
разряда 0,2 С и комнатной температуре.
Цилиндрические аккумуляторы Cyclon могут быть заряжены гораздо
быстрее, чем обычные. А высокое давление открытия клапана для сброса
газа обеспечивает им высокую сопротивляемость перезарядам.
При потенциостатическом режиме заряда эти источники тока не
требуют ограничения начального тока. Напряжение источника питания
должно быть 2,45-2,50 В/ак. При предельно низких и высоких
температурах необходимо вводить температурную компенсацию =3 мВ/°С на
каждый аккумулятор, снижая напряжение при повышенных
температурах и повышая его при низких. Степень необходимого перезаряда
составляет 105-110%. При таком режиме заряда аккумулятор за 12 мин
заряжается на 50 %, за 40 мин - на 100 %. Если начальный ток при
потенциостатическом режиме ограничивают величиной 1,5 С, заряд на
50 % достигается за 17 мин, на 100 % - за 1 ч.
При работе в буферном режиме напряжение источника питания
должно быть 2,27-2,35 В/ак.
Аккумуляторы Cyclon могут быть заряжены и постоянным током, но
не более 0,35 С. Зарядные характеристики при этом режиме показаны на
рис. 4.13.
Но 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
перезаряда следует уменьшить ток до 0,001-0,002 С, который может
сохраняться неограниченно долго.
Саморазряд аккумуляторов Cyclon тока в 2 раза меньше, чем у
призматических.
При хранении при комнатной температуре рекомендуется проводить
цикл разряда-заряда 1 раз в год или при снижении НРЦ до 2 В/ак, когда
остается менее 35 % емкости. НРЦ рекомендуется измерять каждые
полгода.
Мощные цилиндрические герметизированные свинцово-кислотные
аккумуляторы технологии AGM, которые могут быть использованы в различных

146
4. СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Рис. 4.13. Зарядные характеристики цилиндрических аккумуляторов Cyclon
при постоянном токе заряда
транспортных средствах, были продемонстрированы шведской компании
"OPTIMA Batteries АВ" на выставке INTERBAT-2003 (Москва).
Стартерные аккумуляторы "ОПТИМА с красным верхом" емкостью
44 и 55 Ач и 6 В батареи из них обеспечивают надежный запуск
двигателей, интенсивно эксплуатирующихся профессионалами. Аккумуляторы
"ОПТИМА с желтым верхом" емкостью 55 Ач - тяговые. Они
предназначены для транспортных средств, оснащенных лебедками, устройствами
для разогрева двигателей, большими акустическими системами и
другими устройствами большой мощности. Аккумуляторы работоспособны в
диапазоне температур от -40 до +40 °С.

Ill
000 "ЭНЕРГИЯ1
(торговая марка "Sentosa battery")
Весь спектр источников тока PcHidSOIliC
Цилиндрические NiCd, NiMh, SLA 6 и 12 В, от 1 до 120 Ah, а также литиевые
элементы.
Свинцово-кислотные (SLA) аккумуляторы &i%/l
Широкий модельный ряд АКБ CASIL ёмкостью от 1 до 100 Ah, напряжением от
6 до 12В. Беспрецедентное сочетание цены и качества делают аккумуляторы
этой марки лучшим выбором для эксплуатации в качестве источников
основного и резервного питания.
NiCd и NiMh аккумуляторы GP
Вся линейка промышленных аккумуляторов Sanyo и GP batteries.
Химические источники тока МIN AM ОТО
Литиевые элементы Minamoto серии ER с напряжением 3,6 В и типоразмером
оти1/2АА"до "D".
Цилиндрические NiCd и NiMH аккумуляторы.
Сварочное оборудование
Промышленные полуавтоматические станки точечной сварки для
изготовления аккумуляторных сборок, а также комплектующие для их
производства.
Тестирующее оборудование
NEWARE
Профессиональное микропроцессорное оборудование для отбора и
тестирования первичных и вторичных химических источников тока с выводом
информации на ПК.
000 «Энергия» осуществляет весь спектр работ по производству, ремонту и
восстановлению аккумуляторов для бытового и специализированного
электрооборудования, а также продажу готовых изделий.
000 «Энергия», Санкт-Петербург, ул. Маринеско 3, оф. 29
Тел./факс: (812) 320-6111. www.sentosa.ru, info@sentosa.ru
Осуществляем прямые поставки под заказ и со складов в Санкт-Петербурге и Москве.
Эксклюзивный дистрибьютор Panasonic Industrial GmbH в Северо-Западном регионе России.
Член международной ассоциации производителей химических источников тока МА "Интербат"

ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ
ЛИТИЕВЫЕ
ИСТОЧНИКИ ТОКА
После успехов, достигнутых при производстве литиевых элементов,
усилия исследователей и технологов в значительной мере были
направлены на обеспечение циклируемости источников тока с литиевым
анодом. Такие аккумуляторы должны были обеспечить недостижимые ранее
для вторичных источников тока удельные характеристики и значительное
расширение температурного диапазона.
5.1. АККУМУЛЯТОРЫ С ЛИТИЕВЫМ АНОДОМ
При создании перезаряжаемых литиевых источников тока с
электролитом на основе апротонных органических растворителей необходимо
было, однако, преодолеть ряд затруднений. И основные проблемы были
связаны с литиевым электродом.
Известно, что литиевые элементы длительное время сохраняют заряд
благодаря образованию на поверхности лития пассивирующей пленки,
предохраняющей от коррозии в апротонном электролите. Но при цикли-
ровании именно пленка создает затруднения. При заряде на аноде литий
осаждается в виде дендритов, и на свежей их поверхности нарастает
пленка, которая во многих случаях приводит к нарушению контакта с токопод-
водящей основой. Поэтому на каждом цикле часть лития выбывает из
работы, и емкость аккумулятора падает. Дендриты способны "прорастать"
сквозь сепаратор и вызывать короткие замыкания.
При перезаряде в результате взаимодействия большой новой
поверхности лития с электролитом создается опасность возникновения
неконтролируемых химических реакций, протекающих с выделением тепла.
Температура может подняться в некоторых случаях настолько, что
некоторое количество лития расплавится, что приводит к ускорению этого
взаимодействия (так называемый "температурный разгон") и
дальнейшему повышению температуры аккумулятора и давления в нем (вплоть до
его возгорания или разгерметизации).
Для работы аккумулятора ключевым являлся факт отсутствия в
апротонных растворителях протонов. При разряде происходит растворение
лития на отрицательном электроде и внедрение его в кристаллическую
решетку материала положительного электрода (катодная интеркаляция).
При заряде процессы должны протекать в обратном направлении.
Литиевый источник тока становится циклируемым, если структура основного
реагента допускает внедрение второго реагента без разрушения и реакция
внедрения обратима.

5.1. АККУМУЛЯТОРЫ С ЛИТИЕВЫМ АНОДОМ 149
Для решения этих проблем исследования проводились в трех
направлениях [9, 16, 17]:
- подбор растворителей и электролита;
- использование в качестве анода вместо лития его сплавов;
- подбор катодных материалов.
При поиске электролита ставилась задача обеспечения гладких литиевых
осадков при заряде аккумулятора. Было показано, что на циклируемость
литиевого анода существенно влияют плотность тока в цикле и особенно глубина
разряда. В результате были подобраны электролиты, в которых литиевый электрод
удовлетворительно циклируется при глубине разряда до 50 %.
Другой путь улучшения циклируемости литиевых аккумуляторов состоял в
поиске сплава лития с другими металлами, более устойчивого в апротонных
средах. Наибольшее внимание уделялось сплавам с алюминием. Однако в процессе
разряда у электродов из таких сплавов сильно меняется удельный объем анодной
массы, что и ограничивает глубину разряда аккумуляторов. Меньшее изменение
удельного объема наблюдается у сплавов лития с тяжелыми металлами. Но
удельные характеристики таких электродов очень низки.
Исследовались различные катодные материалы, которые должны были цик-
лироваться без существенного изменения своей структуры.
Среди соединений со слоистой структурой более всего были изучены
дисульфид титана TiS2 и селенид ниобия NbSen, а также сульфиды и диселениды
ванадия, сульфиды железа и меди. Рассматривались и соединения более сложного
состава, в которые предварительно внедрялись добавки небольших количеств
различных металлов (катионов большего радиуса, чем у катиона лития).
Кристаллическая структура, характерная для катодов из оксидов металлов,
позволяет обеспечить наиболее высокие удельные характеристики источников
тока. Обратимая работа таких электродов зависит от степени нарушения
кристаллической решетки оксида при внедрении катионов лития и от электронной
проводимости оксида. Необходимо, чтобы изменения объема электрода не
превышали 20 %. В оксидах МпО2 и СгО2, например, изменения структуры значительнее.
Наилучшие результаты по 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
энергетические характеристики и повышенный саморазряд.
Промышленное производство перезаряжаемых источников тока с
литиевым анодом началось в середине 1990-х годов с выпуска
цилиндрических аккумуляторов типоразмера АА емкостью 0,6-0,9 Ач с катодами из
MoS2, MnO2, TiS2 и LiMn3O6, которые выпускали канадская компания
Moli Energy Ltd, греческая компания EIC Lab. Inc. и израильская
компания Tadiran. Они обеспечивали от 250 до 400 циклов [16]. Удельная
энергия аккумуляторов составляла 50-130 Втч/кг и 135-280 Втч/дм3.
Характеристики аккумуляторов компании Tadiran (емкость 0,75 Ач) с
катодом на основе литированной марганцевой шпинели LiMn2O4 показаны
на рис. 5.1.

150
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Рис. 5.1. Разрядные характеристики цилиндрического аккумулятора
емкостью 0,75 Ач компании TADIRAN [10]:
а - при комнатной температуре и токе разряда, А: 7 - 0,25; 2-0,5; 3 - 1; 4 - 2;
б - при токе разряда 0,25 А и температуре, °С: 1 30; 2 25; 3 - 0; 4 - +25
В настоящее время перезаряжаемые литиевые аккумуляторы
выпускает несколько компаний.
Компания SANYO производит, например, источники тока системы
Ы/МпОг (серия ML) емкостью 12, 25 и 90 мАч для портативного
оборудования [26]. НРЦ аккумуляторов - 3 В. Стабильное рабочее
напряжение - 2,5 В. Конечное напряжение - 2 В. Номинальный ток разряда - не
более 0,5 мА, максимально допустимый продолжительный ток в 20 раз
больше, импульсный - в 50 раз больше. Диапазон рабочих температур: от
-20 до +60 °С.
Аккумуляторы допускают 500 циклов при подзаряде после разряда на
глубину 20 % и 3000 циклов - после разряда на глубину 5 %. Они
обеспечивают более 5 лет службы при использовании в системах защиты памяти.
Заряд аккумуляторов производится при постоянном напряжении
C,1 ±0,15) В. При использовании их в режиме подзаряда напряжение
источника питания должно быть B,95 ±0,15) В.
Компания PANASONIC выпускает три серии слаботоковых
дисковых аккумуляторов [24]:
- 6 типов системы Li/MnO2 (серия ML) емкостью от 2 до 45 мАч с
номинальным напряжением 3 В; номинальный ток - 0,1 мА для
последнего аккумулятора и 0,01 мА - для всех других;
- 7 типов системы LiAl/V2O5 (серия VL) емкостью от 1,5 до 100 мАч
с номинальным напряжением 3 В; номинальный ток от 0,07 С для
аккумуляторов наименьшей емкости до 0,02 С для последнего в
ряду; аккумуляторы обеспечивают 1000 циклов;
-5 типов LiTiOyLijMnOy (серия МТ) емкостью от 0,9 до 14 мАч с
номинальным напряжением 1,5 В; номинальный ток от 0,1 С для
аккумуляторов наименьшей емкости и до 0,03 С для последнего.
Сложность обеспечения безопасности эксплуатации перезаряжаемых
источников тока с металлическим литиевым анодом привела в свое время

5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 151
к сокращению их производства. Но в настоящее время наблюдается
новый интерес к этим электрохимическим системам. Модернизация таких
аккумуляторов связывается с поиском новых методов обработки
поверхности электродов и добавок в электролит, что позволит обеспечить
большую их безопасность при эксплуатации.
Но эти работы не широкомасштабны, поскольку возможность
создания вторичного литиевого источника тока с длительной циклируемостью
связывается специалистами всего мира с разработкой литий-ионных
аккумуляторов.
5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
5.2.1. ОСОБЕННОСТИ АККУМУЛЯТОРА
Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) появились тогда, когда было
показано, что очень удобной матрицей для внедрения большого
количества ионов лития являются различные углеродные материалы.
Основные электрохимические процессы
Процесс разряда и заряда литий-ионного аккумулятора сводится 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 случае наиболее распространенных электродных
материалов имеют вид:
разряд
Li+ + e" + 6C « » LiC6,
заряд
разряд
LiCoO2 « » Li+ + e~ + CoO2.
заряд
Аналогичные процессы происходят и на электродах из других
материалов.
Углеродная матрица, используемая в качестве анода, может иметь
упорядоченную слоистую структуру, как у природного или
синтетического графита, неупорядоченную аморфную или частично упорядоченную
(кокс, пиролизный или мезофазный углерод, сажа и пр.). Ионы лития при
внедрении раздвигают слои углеродной матрицы и размещаются между
ними, образуя интеркалаты разнообразных структур. Удельный объем
углеродных материалов мало меняется в процессе интеркаляции-деинтер-
каляции ионов лития.
При выборе анодного материала основной является проблема
обеспечения высокой емкости углеродных материалов и стабильности их
структур и свойств в процессе циклирования. Наиболее широко
используемый "мезофазный углерод" (аморфная матрица с включением заро-

152
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
дышей кристалликов графита) имеет прекрасные анодные свойства, но
графит дешевле и обеспечивает большую стабильность разрядного
напряжения.
Кроме углеродных материалов в качестве матрицы отрицательного
электрода исследуются структуры на основе олова, серебра и их сплавов,
сульфиды олова, фосфориды кобальта, композиты углерода с наночасти-
цами кремния [17, 65-68].
В качестве активных материалов катода используются чаще всего
оксиды металлов. Материалы на основе СоО2 начали применять первыми.
Их синтез на основе низкотемпературной технологии относительно прост
и обеспечивает хорошую воспроизводимость, но этот катодный материал
заметно дороже других и токсичен. Цитированный NiO2 используется
реже, основной его недостаток состоит в необратимости структурных
изменений при полной деинтеркаляции лития. Материалы на основе
оксидов марганца Мп2О4 (литий-марганцевых шпинелей) наиболее дешевы
и экологичны, но обеспечивают более низкие энергетические
характеристики, особенно при температуре выше +40 °С.
В настоящее время в качестве катодных материалов все чаще
используются материалы на основе смешанных оксидов или фосфатов [68-70].
На рис. 5.2 сравниваются возможности различных катодных
материалов в обеспечении электрических характеристик эксплуатации.
Показано, что с катодами из смешанных оксидов достигаются наилучшие
характеристики источников тока. Разрабатываются и технологии
покрытий поверхности катодов тонкодисперсными оксидами.
Рис. 5.2. Характеристики различных катодных материалов [69]

5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 153
Выбор электролита, который во многом определяет стабильность
работы литий-ионного аккумулятора, зависит от электродных материалов.
Обычно используется смесь органических растворителей, основой
которой является этиленкарбонат. В нее вводят различные литиевые соли, тип
которых определяет проводимость электролита, состав и морфологию
пассивного слоя на положительном электроде.
Электролит находится в порах сепаратора из полиолефина.
Высокая агрессивность органического электролита в литий-ионных
аккумуляторах создает дополнительные проблемы: кроме возможной во
всех герметичных аккумуляторах с жидким электролитом течи
электролита в ЛИА возможно его воспламенение. ЛИА стабильно работают при
разогреве примерно до 120 °С. При превышении этой температурной
границы растворитель электролита бурно реагирует с катодным активным
материалом и выделяется дополнительное тепло. Для исключения
"термического разгона" используют специальный сепаратор, который при
температуре 110°С претерпевает фазовые изменения и закрывает поры, в
результате чего значительно увеличивается его внутреннее сопротивление.
Именно с изменением рецептур электролита связывают возможности
изменения характеристик пассивной пленки на аноде, расширения
рабочего диапазона температур, снижения пожароопасности ЛИА.
Конструкция
Конструктивно литий-ионные аккумуляторы, как и щелочные,
изготавливаются в цилиндрическом и призматическом вариантах.
В цилиндрических аккумуляторах скрученный в виде рулона пакет
электродов и сепаратора помещен в стальной или алюминиевый корпус, с
которым соединен отрицательный электрод. Положительный полюс
аккумулятора выведен через изолятор на крышку (рис. 5.3, а).
Призматические аккумуляторы изготавливаются складыванием
прямоугольных пластин друг на друга (рис. 5.3, б). Призматические
аккумуляторы обеспечивают более плотную упаковку в батарее, но в них труднее,
чем в цилиндрических, поддерживать сжимающие усилия на электроды.
В некоторых призматических аккумуляторах используется рулонная
сборка пакета электродов, который скручивается в эллиптическую
спираль (рис. 5.3, в). Это позволяет объединить достоинства двух описанных
выше вариантов конструкций.
Некоторые конструктивные меры обычно предпринимаются и для
предотвращения быстрого разогрева и обеспечения безопасности работы
ЛИА. Под крышкой аккумулятора имеется устройство, реагирующее на
положительный температурный коэффициент повышением
сопротивления, и другое, которое разрывает электрическую связь между катодом и
положительной клеммой при увеличении давления газов внутри
аккумулятора выше допустимого предела.

154
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Рис. 5.3. Конструктивные варианты исполнения литий-ионных аккумуляторов:
а - цилиндрический аккумулятор, б - призматический аккумулятор, в — призматический
аккумулятор с рулонной скруткой пакета электродов
Аварийный клапан на крышке срабатывает при давлении более
высоком, чем во внутреннем устройстве прерывания тока.
Тепло, которое выделяется в ЛИА, рассеивается на его поверхности.
С увеличением размеров аккумулятора проблема переноса тепла к
поверхности усложняется. К тому же обнаружилось, что из-за значительной
разницы тепловых характеристик фольги, на которую наносится активная
масса, и самих активных масс электродов термическая диффузия в плоскости
металлического коллектора на порядок выше теплопереноса в
перпендикулярном направлении. По этой причине решение конструктивной задачи
вывода полюсов аккумулятора существенно сказывается на его разогреве в
процессе работы. Полагают, что для мощных аккумуляторов наилучшие
результаты могут быть достигнуты при цилиндрическом аккумуляторе с
центральным стержнем коллектора и выводами с обоих концов цилиндра [17].
Для увеличения безопасности эксплуатации литий-ионных
аккумуляторов в составе батареи обязательно используется также и внешняя
электронная защита, цель которой предотвратить возможность ее перезаряда
и переразряда каждого аккумулятора, короткого замыкания его и
чрезмерного разогрева.
Технология изготовления аккумуляторов
Изготавливаются электроды обычно нанесением покрытий на
металлическую фольгу. Свойства покрытия (толщина, плотность, площадь
поверхности, сцепление с коллектором, электропроводность, пористость и
равномерность нанесения) во многом определяют поведение
аккумулятора в эксплуатации.

5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 155
Закладка активных масс электродов является компромиссом между
желанием достичь максимума разрядной емкости аккумулятора и
необходимостью гарантировать безопасность его работы, которая
обеспечивается при соотношении С_/С+> 1,1 для предотвращения образования
металлического лития (и тем самым возможности возгорания).
Изготовление электродов, сборка и герметизация ЛИА требуют такой
же тщательности и соблюдения условий защиты от попадания влаги
внутрь, как и при производстве первичных литиевых элементов. Поэтому
значительная часть процесса происходит в боксах с инертным газом и в
специальных "сухих" помещениях.
Аккумуляторы собирают в разряженном состоянии. Для приведения
в действие их необходимо зарядить.
При первом цикле заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы
необратимо теряют часть емкости, так как в процессе первого заряда кроме
внедрения лития в структуру углеродного материала происходит
разложение электролита с образованием пленки, обладающей только ионной
проводимостью. Образование пассивной пленки приводит к необратимой
потере до 20-30 % заложенной емкости. Для снижения этих потерь
рекомендуют как добавки в электролит, так и различного рода обработку
поверхности углеродного материала.
Начиная со второго цикла процесс разряда и заряда литий-ионного
аккумулятора сводится к переносу ионов лития от анода к катоду и
обратно. Коэффициент использования по току при этом близок к 1.
Достигнутые характеристики
Современные литий-ионные аккумуляторы имеют высокие удельные
показатели: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/дм3. Рабочее напряжение - 3,5-3,7 В.
Если еще несколько лет назад разработчики считали достижимой
емкость литий-ионных аккумуляторов не более нескольких ампер-часов, то
в настоящее время большинство причин, ограничивающих увеличение
емкости, преодолено и многие производители начали выпускать
аккумуляторы емкостью в сотни ампер-часов.
Современные малогабаритные аккумуляторы работоспособны при
токах разряда до 2 С, мощные - до 10—20 С.
Диапазон рабочих температур: от -20 до +60 °С. Но многие
производители уже разработали аккумуляторы, работоспособные при -40 °С.
Возможно расширение температурного диапазона и в область более
высоких температур.
Саморазряд ЛИА составляет 4-6 % за первый месяц, затем -
значительно меньше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной
емкости. Потери емкости в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых
аккумуляторов, как при 20 °С, так и при 40 °С.
Ресурс-500-1000 циклов [9, 10, 16, 17].

156 5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Обозначение аккумуляторов
В соответствии с принципами обозначений МЭК в наименовании ЛИА
первая буква I отражает электрохимическую систему, вторая - материал
катода (С, N или М для кобальта, никеля или марганца), третья буква R
или Р - конструктивное исполнение (цилиндрическое или призматическое).
Цифры, которые следуют далее, отражают у цилиндрических
аккумуляторов диаметр (в мм - 2 цифры) и высоту (в десятых мм - 3 цифры), у
призматических - длину, ширину и высоту (в мм) последовательно.
Многие компании вводят свои буквенные обозначения типов, но
цифры в их наименованиях соответствуют требованиям МЭК.
Состояние разработок ЛИА в России
В России исследования в области ЛИА ведутся в нескольких
институтах, есть определенные успехи в разработке электродных материалов и
технологий их изготовления. Экспериментальные макеты ЛИА емкостью
0,5; 8 и 50 Ач были разработаны в ГУП «НИИ электроугольных изделий»
[71,72]. Аккумуляторы цилиндрический (типоразмер А А) емкостью 0,4 Ач
[73] и призматические емкостью 18 и 25 А разработаны в ОАО "НИАИ
"Источник".
Массовое производство аккумуляторов в настоящее время пока не
развернуто, но работы в этом направлении уже ведутся [74]. С учетом
перспектив использования литий-ионных батарей в космической и
военной технике, для электромобилей и гибридных автомобилей, а также в
разнообразных объектах народнохозяйственного назначения сделаны
серьезные шаги по координации усилий нескольких институтов и
предприятий России для ускорения исследований и налаживания на базе
АК "Ригель" производства как цилиндрических ЛИА малой емкости, так
и аккумуляторов емкостью до 150 Ач. Рассматриваются вопросы
обеспечения производства отечественными сырьевыми ресурсами.
5.2.2. МАЛОГАБАРИТНЫЕ ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Первыми литий-ионными аккумуляторами, появившимися в 1990 г.
на мировом рынке, были малогабаритные аккумуляторы японских
компаний. С конца 1997 г. начался их широкомасштабный выпуск. Третью
часть из них производила компания SONY. И в настоящее время
основное их производство сосредоточено в компаниях SONY (в 2003 г. 33 %
цилиндрических и 8 % призматических аккумуляторов от общемирового
производства), SANYO (до 30 % производства обеих конструкций), MBI,
SAMSUNG.
В последние годы серьезную конкуренцию японским
производителям начинают составлять китайские компании, выпускающие лицензи-

5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 157
онную продукцию и реализующие собственные разработки (ВYD, Lishen,
HYD, Bak и др.), быстрое развитие которых, начиная с 2000 г., связано с
мощной правительственной поддержкой исследований, проектирования и
производства литиевых ХИТ на базе собственного сырья [75].
В результате принятия государственной программы развития
разработок ЛИА наблюдается быстрый рост их производства также и в
Южной Корее.
В Европе наиболее мощное производство литий-ионных
аккумуляторов разного назначения развернуто с начала 1990-х годов компанией
SAFT, которая выпускает аккумуляторы как широкого назначения, так и
для космической и военной техники. Почти десятилетний опыт
эксплуатации батарей специального назначения позволил охарактеризовать эти
изделия как высоконадежные и перспективные для длительной работы
автономных источников энергии.
На Американском континенте одной из первых начала производство
литиевых аккумуляторов канадская компания Moli Energy. В США
наиболее массовое производство имеет место в компаниях Eagle-Picher,
Eveready Battery, Energizer Power Systems, Rayovac, Yardnay и др.
Номенклатура малогабаритных аккумуляторов цилиндрической и
плоской призматической конструкции обширна и у некоторых компаний
насчитывает более десятка типоразмеров.
Основные потребители их в настоящее время - это производители
сотовых телефонов, ноутбуков, портативной оргтехники, цифровых
фотоаппаратов, видеокамер.
В области исследований, разработок и производства за период менее
10 лет достигнут замечательный прогресс. Так, например, емкость
наиболее популярных цилиндрических малогабаритных рулонных ЛИА
(типоразмера 18650) за это время увеличилась от 1,3 до 2,4 Ач, количество
циклов - в несколько раз.
Типичный вид разрядных характеристик литий-ионных
аккумуляторов показан на рис. 5.4 и 5.5. Из рисунков видно, что с увеличением тока
разряда разрядная емкость аккумулятора уменьшается незначительно, но
снижается рабочее напряжение. Такой же эффект возникает при разряде
при температуре ниже 10 °С. Кроме того, при низких температурах имеет
место начальная просадка напряжения.
Аккумуляторы заряжаются в комбинированном режиме: сначала при
постоянном токе (в диапазоне от 0,2 С до 1 С) до напряжения 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 при импульсном режиме.
Типичные зарядные характеристики ЛИА представлены на рис. 5.6.

Рис. 5.4. Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора PANASONIC
типа CGR18650H при разных токах разряда [70]
Рис. 5.5. Разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора PANASONIC
типа CGR18650H при разных температурах [70]
Рис. 5.6. Зарядные характеристики литий-ионного аккумулятора PANASONIC
типа CGR18650H при максимальном токе заряда и постоянном
напряжении 4,2 В [70]

5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
159
Рекомендуемая температура заряда от 0 до +50 °С. При низкой
температуре время заряда на первой ступени уменьшается, на второй -
значительно увеличивается. Емкость, которая затем может быть снята при
разряде, мало отличается от номинальной.
ЛИА имеют низкую устойчивость к перезаряду. На отрицательном
электроде на поверхности углеродной матрицы при значительном
перезаряде становится возможным осаждение металлического лития (в виде
мелко раздробленного мшистого осадка), обладающего высокой
реакционной способностью к электролиту. Возникает опасность теплового
разгона, повышения давления и разгерметизации. Поэтому заряд ЛИА
можно вести только до напряжения, рекомендуемого производителем. При
повышенном зарядном напряжении ресурс аккумуляторов уменьшается.
На рис. 5.7 показано, насколько большим может быть в этом случае
сокращение срока службы для аккумуляторов PANASONIC с графитовым
анодом и катодом на основе LiCoO2.
Ниже представлена продукция некоторых ведущих компаний,
производителей типичной продукции, используемой в портативных
устройствах разного рода.
Номенклатура литий-ионных аккумуляторов компании
MATSUSHITA (с торговой маркой PANASONIC) представлена в табл. 5.1.
Работоспособность их гарантируется в диапазоне температур от -10 до
+60°С[76].
Разработаны также три типа литий-ионных аккумуляторов легкого
веса для сотовых телефонов (табл. 5.2). При токе 0,2 Сн номинальное
напряжение аккумуляторов - 3,7 В. При токе 2 С напряжение снижается на
250 мВ.
Рис. 5.7. Ресурс литий-ионного аккумулятора PANASONIC типа LP063048A
при разном предельном напряжении заряда
I {ачальный ток заряда - 1 С время заряда - 2,5 ч Разряд током 1 С до 3 В

160
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Таблица 5.1. Литий-ионные аккумуляторы PANASONIC
Номинальное напряжение-3,7 В.
Конструкция
Тип аккумулятора
Типичная
емкость,
мАч
Габаритные размеры,
мм
Масса, г
Типичная емкость определяется при разряде током 0,185 С до напряжения 3 В.
При разряде током 1,85 С разрядная емкость уменьшается до 0,9 Сн у цилиндрических
аккумуляторов и до 0,5 Сн - у призматических аккумуляторов.
Разрядная емкость при -10 °С практически не отличается от номинальной у цилиндрических
аккумуляторов и уменьшается на 50 и 30 % у аккумуляторов типа CRP345010 и CRP34506
соответственно.
Таблица 5.2. Призматические литий-ионные аккумуляторы легкого веса
PANASONIC
Тип
аккумулятора
Номинальная
емкость, мАч
Емкость
при токе 2 С,
Размеры, мм
толщина длина
высота
Масса, г
CGA533048 750 80 5,35 30,0 48,1 16,5
CGA633450A 1035 95 6,35 34,0 50,0 24,0
CGA103450 1800 100 10,50 34,0 50,0 39,0
Среди серийно выпускаемых ЛИА с маркой PANASONIC есть и
дисковые. Аккумулятор типа CGL 3032 @30 мм, h = 3,2 мм) был разработан
для больших токов нагрузки. При токе 0,2 С он обеспечивает 140 мАч,
при токе 1 С - 0,75 С„, при токе 2 С - 0,5 С„.
Компания SONY выпускает большую серию литий-ионных
аккумуляторов [77], характеристики которых приведены в табл. 5.3.
Аккумуляторы с катодом на основе ЫСоОг и графитовым анодом
обеспечивают разряд до 3,0 В при токе до 2 С практически без снижения
емкости.
Цилиндрические
Призматические
CGR17500
CGR17670HC
CGR18650H
CGR18650HM
CGR18650HG
CGR18650A
CGR18650CB
CGR18650C
CGP30486
CGP34506
CGP345010
CGP345010G
CGA103450

5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
161
Таблица 5.3. Литий-ионные аккумуляторы SONY
Номинальное напряжение аккумуляторов с графитовым анодом - 3,7 В, с угольным - 3,6 В.
Конструкция
Тип
аккумулятора

Номинальная емкость,
мАч
Габаритные
размеры, мм
Масса,
г
Емкость аккумуляторов с угольным анодом больше зависит от
величины разрядного тока, чем при использовании графита. При разряде до
2,5 В током 1,5 С емкость их уменьшается на 15 % относительно Сн,
снимаемой при токе разряда 0,2 С. Но при температуре -20 °С у этих
аккумуляторов снижение емкости в 1,5 раза меньше, чем у аккумуляторов с
графитовым анодом.
Компания SANYO выпускает 6 моделей цилиндрических ЛИА и 15
моделей тонких призматических (табл. 5.4). При максимальном токе
разряда B С) разрядная емкость их уменьшается на 20 %, при температуре
-20 °С - не более чем на 10 %.
Переход на новый катодный материал из смешанных оксидов
LiCoO2/LiMn2O4 позволил компании SANYO разработать более
дешевые ЛИА, чем традиционные аккумуляторы с катодом из LiCoO2, без
заметного ухудшения их электрических и эксплуатационных
характеристик [69].
Цилиндрические графитовые
Цилиндрические угольные
Призматические графитовые
Призматические угольные
US14430G3
US14500G4D
US14650G1
US17670G3
US17670G3D
US17670G4D
US185OOG3
US18650G3
US18650G3D
US18650G4
US18650G4D
US 18650
US26650
US063048G3
US063048G4
US063067G3
US063067G4
US063450G3
US093447G2
US093447G3
US103463G4
US 103463

162
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Таблица 5.4. Литий-ионные аккумуляторы SANYO
Номинальное напряжение-3,7 В.
Конструкция
Тип аккумулятора
Типичная
емкость, мАч
Габаритные размеры,
мм
Масса, г
Было показано, что новый катод обеспечивает работоспособность
аккумуляторов при разогреве до 150 °С и возможность ускорить заряд, так
как предельное напряжение может быть установлено на уровне 4,6 В.
Использование такого катода позволит также убрать панель схемы
защиты от перегрева, что облегчит аккумулятор.
Цилиндрические аккумуляторы наиболее широко используемого
типоразмера 18650, выпускаемые различными производителями, в
настоящее время имеют емкость от 1500 до 2400 мАч. Аккумуляторы
наибольшей емкости выпускают компании Gold Peak Industries (Тайвань), LG
Chem (Корея) и Moli (Канада): их аккумуляторы типов GP1865L2200,
ICR18650A1 и ICR-18650H имеют емкость 2200, 2400 и 2200 мАч
соответственно [78, 79].
В табл. 5.5 сравниваются паспортные характеристики аккумуляторов
PANASONIC и GP этого типоразмера.
В [80] представлены результаты сравнительных испытаний
малогабаритных аккумуляторов типоразмера 18650 производства компаний SONY,
Цилиндрические
Призматические
UR185OOF
UR18650F
UR18500P
UR18650P
UR14650P
UR14500P
UF611948P
UF612248P
UF812248P
UF102248
UF463048P
UF553048P
UF653048P
UF813048P
UF383450P
UF653450P
UF813448P
UF103450P
UF653058P
UF653067P
UF653467P

5.2. ЛИТИИ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
163
Таблица 5.5. Сравнение паспортных характеристик литий-ионных
аккумуляторов PANASONIC и GP (типоразмер 18650)
Характеристики
Производители
PANASONIC
GP
Диапазон номинальной емкости, Ач
Диапазон рабочих температур, °С
Максимальный рекомендуемый разрядный ток, доли С
Максимальный рекомендуемый зарядный ток, доли С
Снижение емкости при токе разряда 1 С, %
Снижение напряжения при токе разряда 1 С, мВ
Снижение среднего напряжения при 0 °С, мВ
Снижение среднего напряжения при -20 °С, мВ
Снижение емкости при температуре 0 °С, %
Снижение емкости при температуре -20 °С, %
Снижение емкости при температуре -30 °С,(
PANASONIC и А&Т. Отмечено, что все аккумуляторы разогреваются в
конце разряда токами 0,15 С; 0,5 С и 1 С до температуры не более чем
34-38, 40-41 и 44-48 °С соответственно. При заряде процесс идет с
понижением температуры.
Испытания аккумуляторов типоразмера 18650 компании SONY
показали [81, 82], что при интенсивном циклировании (заряд с начальным
током 1 С при напряжении 4,2 В и разряд током 1 С) к 800 циклу они
имеют 30 % потерю емкости, определяемую деградацией обоих
электродов. Заметно увеличивается сопротивление обоих электродов ЛИА, но
особенно заметно у катода из ЫСоОг-
Вообще же исследования литий-ионных аккумуляторов и их
производство насчитывают так мало лет, что трудно говорить как об
устоявшейся технологии, так и об опыте их эксплуатации. Разные компании
достигли различных успехов в производстве аналогичной продукции.
При этом выбор материалов и особенности технологии столь
разнообразны, а разработки ведутся с такой скоростью, что в настоящее время в
отношении гарантий качества аккумуляторов пока приходится полагаться
только на основательность в работе самих предприятий-изготовителей,
определяемую как традицией, так и всем подходом к выбору
оборудования и всей технической политики развития.
Рекламные проспекты аккумуляторных компаний обещают
увеличение емкости выпускаемых изделий на 5-10 % каждый год. По прогнозам
специалистов исследовательского Центра материалов в Китае при
внедрении технологии нанопокрытий углеродных материалов и
использовании LiNiCoO2 в качестве катодного материала в ближайшие 3-5 лет мо-
Консультация
при
температуре ниже-10 °С

164
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
жет быть достигнуто увеличение емкости аккумуляторов более чем до
3000 мАч [83]. Трудно сказать, какие компании будут первыми в этой
гонке освоения новых технологий, но ясно, что потребителю будет
затруднительно решать вопрос выбора компании-производителя без
накапливания собственного опыта эксплуатации разной продукции.
Компания SAFT выпускает ЛИА наибольшей емкости среди
малогабаритных источников тока этой электрохимической системы (см.
табл. 5.6). Они имеют конструкцию, показанную на рис. 5.3, в. В качестве
катодного материала используется литированный оксид никеля LiNiO2 с
высокой удельной емкостью, в качестве анодного - графит.
Аккумуляторы работоспособны в диапазоне температур от -30 до
+60 °С при разряде и от 0 до 50 °С при заряде. Они обеспечивают разряд
током до 2 С [84].
Батареи, которые собираются из литий-ионных аккумуляторов SAFT,
могут иметь напряжение не выше 18-24 В, что определяется
возможностями схем их защиты.
Компания SAFT проводила сравнительные испытания аккумулятора
типа МР 176065 и батарей из трех аккумуляторов типоразмера 18650,
соединенных параллельно для обеспечения 6 Ач суммарной емкости. На
рис. 5.8 и 5.9 показаны разрядные характеристики аккумуляторов
компании LG и MOLI, на рис. 5.10 и 5.11 - аккумуляторов SAFT при низкой
температуре. Данные на рис. 5.12 позволяют сравнить ресурсные
возможности рассматриваемых вариантов ХИТ, на рис. 5.13 показано
изменение их внутреннего сопротивления.
Из рисунков видно, что аккумуляторы типа SAFT имеют целый ряд
несомненных достоинств, которые окупают их более высокую стоимость:
- лучшие разрядные характеристики при температуре -20 °С;
- хорошие характеристики при - 40 °С:
- меньшую скорость снижения емкости с наработкой;
- стабильное внутреннее сопротивление в течение всего срока службы.
К тому же их герметизация лучше, так как обеспечена лазерной
сваркой, а не прокладкой из полимера. И надежность источника тока из
одного аккумулятора по определению выше надежности источника тока из
параллельно соединенных ХИТ.
Таблица 5.6. Характеристики литий-ионных аккумуляторов SAFT
Номинальное напряжение - 3,6 В. Конечное разрядное напряжение - 2,7 В.
Тип
аккумулятора
МР 144350
МР 174865
МР 176065
Емкость при 0,2 С, Ач
типичная
2,3
4,6
6,0
минимальная
2,1
4,0
5,6
Импеданс,
мОм
100
100
50
Габаритные размеры, мм
ширина
42,6
47,8
59,8
толщина
13,8
18,0
18,0
высота
50,0
65,0
65,0
Масса, г
66
120
150

Рис. 5.8. Разрядные характеристики аккумулятора типа ICR18650A1
компании LG при токе разряда 0,5 С и разной температуре
Рис. 5.9. Разрядные характеристики аккумулятора типа ICR-18650H
компании MOLI при -20 °С и разных токах разряда
Рис. 5.10. Разрядные характеристики аккумулятора типа МР 176065
компании SAFT при -20 °С и разных токах разряда

Рис. 5.11. Разрядные характеристики аккумулятора типа МР 176065
компании SAFT при -40 °С и токах разряда от 0,2 С до 1 С
Рис. 5.12. Изменение при циклировании емкости литий-ионных источников
тока:
7 - аккумулятор типа МР 176065 компании SAFT; 2 - батарея из трех аккумуляторов типа
1CR-18650H компании MOLI, соединенных параллельно
Рис. 5.13. Изменение при циклировании внутреннего сопротивления литий-
ионных источников тока:
1 - аккумулятор типа МР 176065 компании SAFT; 2 - батарея из трех аккумуляторов типа
ICR-18650H компании MOLI, соединенных параллельно

5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 167
Компания сообщила, что с начала 2005 г. начинается выпуск новой
модификации всех аккумуляторов серии МР. Емкость их возрастет до
2,5; 5,2 и 6,8 Ач соответственно. Заряд можно будет проводить с
ограничением на уровне 4,2 В и даже при -20 °С.
Что касается эксплуатации литий-ионных батарей вообще, то,
учитывая все конструктивные и химические методы защиты аккумуляторов от
перегрева и уже устоявшееся представление о необходимости внешней
электронной защиты их от перезаряда и переразряда, можно считать
проблему безопасности эксплуатации литий-ионных батарей решенной. А
новые катодные материалы часто обеспечивают еще большую термическую
устойчивость литий-ионных аккумуляторов.
5.2.3. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ БОЛЬШОЙ ЕМКОСТИ
С приобретением опыта эксплуатации малогабаритных литий-ионных
батарей и перспективой их удешевления при массовом производстве во
всем мире стала рассматриваться возможность замены традиционных
источников тока с водным электролитом на литий-ионные и во многих
других областях техники (в аэрокосмической и военной технике, на
транспорте и в мощной энергетике).
Каждая из этих областей применения предъявляет свои уникальные
технические требования, и поэтому для них необходимы специальные
разработки аккумуляторов и батарей большой емкости. Увеличение
габаритных размеров аккумулятора, например, приводит к существенному
изменению характера теплопереноса в аккумуляторе. В связи с этим
возникает вопрос и об эффективности устройств безопасности:
"отключающего" сепаратора и устройства реагирования на положительный
температурный коэффициент.
Режимы эксплуатации также имеют свою специфику.
В аэрокосмической технике спутниковые батареи обычно
используются на геосинхронной орбите, где они должны обеспечивать большое
количество циклов при 60 % глубине разряда, или на низкой околоземной
орбите, где при 25 % глубине циклирования должно обеспечиваться
несколько десятков тысяч циклов. Замена используемых в настоящее время
для таких батарей никель-водородных и никель-металлгидридных
аккумуляторов на литий-ионные позволяет повысить удельные весовые
характеристики источников автономного питания почти в 3 раза, а
объемные - в 4-5 раз. Немаловажным является и фактор надежности: для
обеспечения большого напряжения источника питания в литиевых батареях
может быть использовано втрое меньшее количество аккумуляторов в
последовательной цепочке, чем в щелочных.
Предполагается, что литий-ионные батареи могут вытеснить
щелочные и в другой космической технике: космических кораблях и
спускаемых аппаратах, беспилотных космических аппаратах и самолетах.

168
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Пионером в таких разработках была компания SAFT. В середине
1990-х годов они начали разрабатывать батареи для
телекоммуникационных спутников, и в 2000 г. эти батареи были сертифицированы. Масса
батарей была уменьшена в 2 раза по сравнению с использовавшимися до
этого батареями из щелочных аккумуляторов. Литий-ионные батареи SAFT
для спутников на геосинхронных орбитах с напряжением 50 В имеют
мощность в диапазоне от 10 до 30 кВт. Они содержат от 6 до 16
аккумуляторов, соединенных параллельно, и 10-12 последовательно соединенных.
Батареи для низкой околоземной орбиты (на 28 В) с 10-летним сроком
службы батареи имеют мощность от 1 до 5 кВт и содержат до 7
параллельно соединенных аккумуляторов и 9-10 последовательно
соединенных [84].
К настоящему времени уже накоплен большой опыт эксплуатации
таких батарей в реальных условиях.
Созданные для этих целей цилиндрические литий-ионные
аккумуляторы SAFT серии VL подразделяются на три группы: большой энергии,
среднего диапазона и большой мощности [84, 85]. Достигнутые удельные
характеристики их представлены в табл. 5.7. Цифрами в наименовании
типа аккумулятора обозначена емкость при токе разряда 0,33 С.
Положительный электрод аккумуляторов - Li^NiACoyAlzO2. Анод - на
основе природного графита. Корпус аккумуляторов - алюминиевый.
Все эти типы аккумуляторов и батарей на их основе используются не
только в космической технике, но для электропитания гибридных
автомобилей, в телекоммуникационных системах, как стационарные в
системах бесперебойного энергоснабжения.
Аккумуляторы серии VL...E способны обеспечить в течение 30 с
пиковый ток до 3,3 С, серии VL...M - порядка 7 С. Аккумуляторы
обеих серий обеспечивают более 1500 циклов при глубине разряда 80 %.
Ток заряда - до 1 С. Рекомендуемые предельные напряжения: при
заряде - 4,0 В, при разряде - 2,7 В. Диапазон рабочих температур: от -25 до
+ 60 °С.
Таблица 5.7. Цилиндрические литий-ионные аккумуляторы SAFT
большой емкости
Характеристика
серии
Большой энергии
Среднего диапазона
Большой мощности
Типы
аккумуляторов
VL45E, VL56E
VL27M.VL41M
VL8P,VL16P,VL30P
Удельные характеристики
весовые
энергия,
Втч/кг
150-195
130-140
75-106
мощность,
Вт/кг
31(М20
550-650
1100-1450
объемные
энергия,
Втч/дм3
310
275-285
160-235
мощность,
Вт/дм3
880
1170-1370
2400-2850

5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
169
Рис. 5.14. Энергия аккумулятора типа VL 45E SAFT при различных токах
разряда и температурах
Аккумуляторы серии VL...P обеспечивают очень большие
импульсные разряды (до 16 С в течение 18 с). Срок их службы 10-15 лет, а в
режиме мелкого циклирования при использовании в гибридных автомобилях -
1 000 000 циклов. Рекомендуемые предельные напряжения: при заряде -
3,9 В, при разряде - 2,5 В. Диапазон рабочих температур: от -30 до + 60 °С.
На рис. 5.14-5.16 показаны зависимости энергетических
характеристик аккумуляторов серии VL от режимов и условий разряда.
Разрабатывается серия VLV литий-ионных аккумуляторов большой
емкости (с удельными характеристиками 48-60 Втч/кг), способных
обеспечить 4000 Вт/кг при импульсе 2 с [85].
Кроме того, компания SAFT выпускает литий-ионные аккумуляторы,
работоспособные в диапазоне температур от -40 до +60 °С: типы VL
34480 и VL34570 (типоразмеров 4/5D и D соответственно) емкостью 3,6 и
4,6 Ач. Они используются для военной связи, в личных мобильных
радиосистемах, в медицинском оборудовании [85, 86].
Рис. 5.15. Энергия аккумулятора типа VL 41M SAFT при различных токах
разряда и температурах

170
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Рис. 5.16. Пиковая мощность аккумулятора типа VL 8P SAFT при разряде
в течение 2 с (а) и 18 с (б)
Такую же низкую температуру (-40 °С) обеспечивают и аккумуляторы
компании YARDNEY: типы NCP7,5-1 и NCP55-1 емкостью 7,5 и 55 Ач
соответственно, способные к непрерывному разряду током до 3 С и в 3,5 раза
большим в импульсе.
Активно работают в космической области американские компании
COM DEV, Eagle Picher, Yardney и другие. Разрабатываются как батареи
из большого количества маленьких аккумуляторов, собранных в
последовательно-параллельные цепи, так и аккумуляторы повышенной
емкости (до 320 Ач), призматические и цилиндрические с рулонным пакетом
пластин.

5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 171
Для электромобиля литий-ионная батарея впервые была показана
на автомобильной выставке в Токио в 1995 г. Она состояла из модулей
компании SONY, в каждом из которых было 8 цилиндрических
аккумуляторов емкостью 100 Ач. И с 1996 г. началось финансирование
разработок литий-ионной технологии для электромобилей в США, Японии и
Европейском Союзе. Были выработаны целевые параметры для
аккумуляторов такого использования, минимальные для коммерциализации и
перспективные:
Разные компании использовали различные материалы и конструкции
аккумуляторов: например, компания SAFT - LiNiCoO2 для катода и
графитовый анод в цилиндрических аккумуляторах емкостью 8, 16 и 30 Ач;
японская компания SHIN-KOBE - катод на основе LiMn2O4 и углеродный
анод в цилиндрическом аккумуляторе емкостью 3,6 Ач; компания Japan
Storage Battery Co. (JSB) - катод из LiMn2O4 в призматическом
аккумуляторе емкостью 24 Ач [17].
В последние годы интерес к электромобилям стал ослабевать.
Большие перспективы прогнозируют скорее для гибридных автомобилей,
которые оснащены и двигателем внутреннего сгорания (ДВГ), и
электродвигателем. В так называемом "последовательном" гибриде ДВГ генерирует
электроэнергию для сохранения заряженности аккумуляторной батареи,
которая питает электродвигатель. В "параллельном" гибриде ДВГ и
электродвигатель могут приводить в движение колеса независимо.
В соответствии с выдвинутыми Товариществом по транспортным
средствам нового поколения (PNGV) требованиями батареи с
максимальным напряжением до 440 В и минимальным 220 В должны обеспечивать
ток до 217 А при любой мощности и иметь 15-летний срок службы [17].
Масса батарей должна быть не более 40 кг для режима поддержания
энергии и не более 100 кг для двойного режима. При столь жестких
требованиях к удельным характеристикам литий-ионные батареи имеют все
шансы выиграть конкурентную борьбу. Для батарей используются литий-
ионные аккумуляторы тех же лидирующих компаний.
Удельная мощность
Разряд, 80 % глубина разряда за 30 с:
объемная, Вт/л
весовая, Вт/кг
Удельная энергия при токе разряда С/3:
объемная, Втч/л
весовая, Втч/кг
Срок службы
Количество циклов:
при 80 % глубине разряда
„ 50%
.. 30%

172
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Но особенно продвинуты работы по созданию перезаряжаемых
литиевых источников тока для различных легких передвижных средств,
электромобилей и гибридных автомобилей, даже для автобусов в
аккумуляторных компаниях Китая Например, Thunder Sky Dynamic (Shenzhen) Co,
которая была создана в 1998 г, выпускает Cr-F-Li аккумуляторы емкостью
10, 50, 90, 100, 200, 500, 600, 700 и 1000 Ач и батареи из них, которые она
поставляет более чем 300 заказчикам во всем мире [87] Разработан также
уникальный призматический аккумулятор типа TS-LP900B, который
обеспечивает емкость 10 000 Ач при токе разряда 100 А и 6000 Ач при
токе разряда 6000 А
Аккумуляторы имеют призматическую конструкцию с полюсными
выводами, различающимися в зависимости от мощности источника тока
(рис 5 17)
Эти аккумуляторы работоспособны в диапазоне температур от -30
до +75 °С при разряде и от -18 до +75 °С при заряде Наилучшие
эксплуатационные характеристики достигаются при токах разряда 0,3-0,8 С, но
допускаются токи разряда до 2-3 С
Заряд батареи в комбинированном режиме при начальном постоянном
токе заряда 0,3-1,0 С и постоянном напряжении 4,35 В производится
соответственно за 4-1,5 ч С помощью зарядного устройства компании может
Рис. 5.17. Литий-ионные аккумуляторы большой емкости компании Thunder
Sky Dynamic

5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 173
быть осуществлен и быстрый заряд батареи при импульсном токе до 10 С.
В типичных случаях использования батарей из аккумуляторов
емкостью 200 Ач для электромобиля и аккумуляторов емкостью 1000 Ач
для автобуса высокого класса с кондиционированием они обеспечивают
200-300 км пробега. Аккумуляторы обеспечивают более 500 циклов
работы при глубине разряда до 60 % и более 300 циклов при глубине
разряда 80 %.
В энергетических системах также уже имеется некоторый опыт
эксплуатации литий-ионных батарей для выравнивания суточной нагрузки в
энергосистемах частных домов. Однако такие батареи долго не смогут
конкурировать с гораздо более дешевыми и проверенными в
долгосрочной службе стационарными свинцовыми батареями.
Если для космической техники стоимость литий-ионных батарей не
является большой проблемой, то широкое использование их в
электромобилях, гибридных автомобилях и в энергетических системах ограничивают
прежде всего их цена и необходимость увеличения безопасности
эксплуатации. Для расширения применения в транспортных средствах необходимо
также повышать их удельные характеристики и срок эксплуатации, а для
использования в источниках бесперебойного электропитания следует
лучше изучить особенности работы литий-ионных батарей из большого
количества аккумуляторов в буферном режиме.
5.2.4. ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
С расширением областей применения ЛИА острым становится вопрос
об их долговечности, о наработке при разных режимах циклирования, о
влиянии на работоспособность аккумуляторов длительного хранения.
Последнему аспекту вообще уделялось мало внимания, поскольку литий-
ионные батареи из малогабаритных ЛИА в традиционных областях
использования эксплуатировались главным образом в режиме интенсивного
циклирования.
При новых разработках лабораторные ресурсные испытания (обычно
порядка 100 циклов) не позволяют однозначно сказать, чем определяется
уменьшение емкости при циклировании: свойствами выбранных
материалов или особенностями технологии изготовления, и чаще всего длительные
испытания дают более оптимистический прогноз.
Ускоренные ресурсные испытания с применением больших токов
заряда-разряда также дают искаженную картину, так как при повышенных
плотностях тока, которые используются в таких испытаниях, создаются
наиболее неблагоприятные условия для обратимости электродных
материалов и наблюдается значительно больший спад емкости с циклами, чем
при реальной эксплуатации, особенно с паузами в использовании
источника тока. В [17] описан эксперимент, в котором наблюдали
восстановление энергии практически до начального уровня после 11 месяцев хра-

174 5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
нения аккумуляторов, емкость которых после 2500 циклов с небольшой
глубиной разряда упала на 10 %.
Описание картины деградационных процессов при эксплуатации ЛИА
затруднено использованием различных материалов для электродов и
разных электролитов, а также разнообразных "know-how" технологических
процессов и конструктивных особенностей. Тем не менее, при всем
разнообразии электрохимических систем выпускаемых ЛИА, в настоящее время
уже можно описать некоторые основные механизмы, приводящие к
снижению электрических характеристик аккумуляторов: емкости и мощности,
сохранности заряда и т. д.
В [17] дан литературный анализ многочисленных исследований на
уровне электродов, который помогает понять характер деградации
аккумуляторов. Описан также опыт натурных ресурсных испытаний литий-ионных
батарей большой емкости для электромобилей и космического назначения,
накопленный компанией SAFT. Следует отметить только, что в
аккумуляторах компании SAFT в качестве катодного материала используется литиро-
ванный никелат, а не LiCoO2, как у большей части мировых производителей.
Поэтому количественные показатели деградации могут быть
распространены на аккумуляторы других компаний только с некоторой корректировкой.
Потери энергии при эксплуатации ЛИА могут быть результатом как
преобразования активных материалов в неактивные фазы, ведущего к
уменьшению емкости, так и увеличения импеданса, которое приводит к
снижению рабочего напряжения, т. е. мощности аккумулятора.
При циклировании в основном ухудшается обратимость материалов,
при хранении - изменяется взаимодействие между активным материалом
и электролитом, которое зависит от времени и температуры. Однако эти
явления могут рассматриваться как дополнительные. Например, при
циклировании имеют место объемные изменения в материале анода, которые
изменяют границу его раздела с электролитом и могут создавать
благоприятные условия для образования пассивирующей пленки. С другой
стороны, хранение в состоянии полного заряда может быть вредным для
границы раздела электрод-электролит, так как материалы
поддерживаются на максимальном уровне реакционной способности.
Механизмы, приводящие к уменьшению емкости ЛИА
При циклировании среди возможных механизмов уменьшения
емкости наиболее часто рассматриваются следующие:
- деградация кристаллической структуры катодного материала
(особенно LiMn2O4);
- расслоение графита;
- наращивание пассивирующей пленки на обоих электродах, что
приводит к уменьшению активной поверхности электродов и
блокированию мелких пор;

5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 175
- осаждение металлического лития;
- механические изменения структуры электрода в результате
объемных изменений активного материала при циклировании.
Исследователи расходятся во мнении, какой из электродов
претерпевает большие изменения при циклировании. Это зависит как от
природы выбранных электродных материалов, так и от их чистоты. Поэтому
для ЛИА удается описать только качественно изменение их
электрических и эксплуатационных характеристик в процессе эксплуатации. В
помощь потребителю мы можем дать также некоторую известную из
литературы информацию об испытаниях промышленно выпускаемых
аккумуляторов.
Обычно ресурс коммерческих ЛИА до снижения разрядной емкости
на 20 % составляет 500-1000 циклов, но он существенно зависит от
величины предельного зарядного напряжения (см. рис. 5.8). Ресурс первых
разработанных в России ЛИА пока значительно меньше.
С уменьшением глубины циклирования ресурс увеличивается.
Наблюдаемое увеличение срока службы связывают с уменьшением
механических напряжений, вызываемых изменениями объема электродов
внедрения, которые зависят от степени их заряженности.
Например, после длительных испытаний аккумуляторов SAFT
емкостью 150 Ач A000 циклов при глубине разряда 80 % и 6000 циклов при
30 %) не наблюдали сколько-нибудь заметного снижения емкости на
контрольных циклах, которые проводились при заряде до 4 В и разряде током
0,3 С до 2,7 В. Предполагается, что аккумуляторы смогут обеспечить
32 000 циклов в течение 8 лет при уменьшении емкости на 50 %.
Увеличение температуры эксплуатации (в пределах рабочего
диапазона) может увеличить скорость побочных реакций, затрагивающих
границу раздела электрод-электролит, и несколько увеличить скорость
уменьшения разрядной емкости с циклами.
При работе в буферном режиме аккумуляторы большую часть
времени находятся в заряженном состоянии для того, чтобы обеспечить
электропитание при отключении основного источника энергии. Такой режим
характерен для батарей электромобилей или космических аппаратов.
Результаты испытаний при хранении серийных аккумуляторов SAFT
высокой энергии емкостью 40 Ач с катодом из LiNixCcy\l^O2 при 30 °С и
разном напряжении показаны на рис. 5.18. Емкость измерялась
периодически: сначала при токе разряда 0,3 С и 25 °С, затем при токе 0,1 С и 60 °С.
Некоторое начальное увеличение емкости аккумуляторов при более низкой
температуре связывают с особенностями поведения катода на основе
никелевых оксидов, которые определяются пониженной эффективностью
первого цикла. Некоторое количество лития остается в углеродной матрице,
однако при температуре выше 40 °С весь литий включается в процесс
интеркаляции-деинтеркаляции.

176
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Рис. 5.18. Изменение емкости литий-ионного аккумулятора SAFT емкостью
40 Ач (катод из LiNixCoyAlzO2) в процессе хранения при
напряжении 3,7-4,0 В [17]. Контрольный разряд производится при 25 и
60 °С
Сопротивление этих аккумуляторов при хранении при 40 °С
увеличилось на 30 % через 200 суток, а в диапазоне времени хранения от 300
до 600 суток стабилизировалось на уровне 135 % от первоначального.
Небольшие потери емкости наблюдали при хранении в аналогичных
испытаниях и у аккумуляторов ЫСоОг/графит [17]. За 500 дней потери
емкости при температурах хранения 15, 30, 40 и 50 °С составили 6, 8, 9 и
15 % соответственно. Влияния величины поддерживаемого напряжения в
диапазоне 3,8-4,0 В не выявлено.
Заметим, что выбранные в этих испытаниях напряжения ниже
предельных, рекомендуемых производителем для стандартного комбинированного
заряда, т. е. аккумуляторы заряжаются не полностью. Если необходимо
обеспечивать 100 % заряд в комбинированном режиме со снижением тока в
конце процесса, то необходимо более внимательно отнестись к логике
работы системы управления батареи при ее использовании как буферной.
Кроме того, если ЛИА имеет в своей конструкции устройство
прерывания тока при достижении предельного давления, необходимо
учитывать, что при перезаряде электрохимическое окисление алкилкарбонатов
приводит к выделению газа, особенно при температуре выше 60 °С и при
повышенном напряжении.
В заключение следует отметить тот существенный факт, что
механизмы старения приводят к медленному изменению основных характеристик
литий-ионного аккумулятора (емкости, сопротивления, мощности), а не к
возможности возникновения плохо предсказуемых внезапных отказов.

5.2. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 177
Более того, несмотря на разнообразие электрохимических систем
ЛИА, накопленный компанией SAFT опыт реальной эксплуатации
позволяет сказать, что описанные выше закономерности деградационных
процессов дают возможность сделать достаточно определенный
долгосрочный прогноз их работоспособности. Так, на основе результатов
испытаний после 500-600 дней компания SAFT делает прогноз, что 12 В модуль
мощностью 1 кВт через 12 лет работы электромобиля будет иметь потери
мощности при импульсных нагрузках не более 18-20 % при 50 % глубине
разряда и не более 25-30 % при глубине разряда 80 %.
Изменение внутреннего сопротивления, приводящее к уменьшению
мощности ЛИА
В процессе эксплуатации литий-ионных аккумуляторов, в отличие от
аккумуляторов с водным электролитом, не происходит высушивания
сепаратора или серьезных изменений его структуры. Поэтому омическое
сопротивление меняется мало. Но взаимодействие агрессивного
электролита с поверхностью электродов приводит к существенному увеличению
их поляризационного сопротивления, особенно катода.
Увеличение с наработкой импеданса коммерческих ЛИА наблюдали
многие исследователи [80, 85, 88, 89]. Отмечают, что омическое
сопротивление аккумуляторов меняется к концу срока службы на 10-15 %, но
заметно увеличивается сопротивление переноса (поляризационное).
В [82] отмечается, что начальные импедансные характеристики
катодов на основе LiCoO2, LiNiO2 и LiMn2O4 во многом аналогичны, но
динамика их изменений при циклировании различна. Наиболее сильно
меняется сопротивление кобальтатов, никелаты обладают стабильными
свойствами. У катодов на основе LiMn2O4 сопротивление поверхностных пленок
(поляризационное) сначала быстро растет, затем стабилизируется.
Иной характер изменений сопротивления наблюдали при
исследовании циклической работы литий-ионных аккумуляторов, заряжаемых на
60 и 80 % и разряжаемых на 3, 6 и 9 %. Такой режим характерен для
эксплуатации гибридных автомобилей [90]. Испытания проводились при
температурах 40, 50, 60 и 70 °С. Было показано, что во всем диапазоне
температур омическое сопротивление растет с циклами (на -20-25 %
после 10 000 циклов, и тем больше, чем ниже температура).
Поляризационное сопротивление при всех температурах в зависимости от уровня
заряженности аккумуляторов либо к 2000 циклу снижалось, а потом
стабилизировалось, либо оставалось практически неизменным.
Хранение
Большая часть производителей ЛИА рекомендует хранить их при
комнатной температуре и степени заряженности порядка 30-50 % и 1 раз
в год производить подзаряд для предотвращения их переразряда.

178 5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
При хранении литий-ионных аккумуляторов имеют место обратимые
и необратимые потери емкости.
Первой причиной необратимой потери емкости являются реакции на
границе раздела анод-электролит, что связано со свойствами пассивного
слоя на литии и способностью молекул электролита проходить сквозь
пассивирующую пленку и достигать поверхности лития, вызывая его
коррозию. Скорость роста пассивирующей пленки от степени заряженности
аккумулятора не зависит.
Вторая причина деградации ЛИА при хранении - окисление
электролита на положительном электроде, при котором импеданс аккумулятора
увеличивается из-за полимеризации карбоната на его поверхности.
Скорость этого процесса зависит как от температуры, так и от степени
заряженности аккумулятора и реакционной способности поверхности
электрода, определяемой чистотой материала.
Обратимые потери связывают с обменом между поверхностями раз-
нополярных электродов алкилкарбонатов лития, которые появляются в
электролите при его взаимодействии с углекислым газом и, частично, с
анода. Они уменьшаются со временем. При хранении под навязанным
напряжением (как в буферном режиме эксплуатации) таких потерь
вообще не наблюдали.
С увеличением температуры хранения потери емкости
увеличиваются. Влияние температуры хранения сказывается более всего на
реакциях на поверхности катода. У катодов на основе LiCoO2 потери
емкости больше, чем у катодов на основе LiNiO2 [17]. В соответствии с
принятой моделью ускорения процессов при 40 °С потери емкости на 20 %
прогнозируются для первых через 1200 дней и через 3500 дней для
вторых.
Наибольшие необратимые потери емкости при хранении наблюдали
у ЛИА с катодом на основе LiMn2O4 (до 30 % при хранении в течение 220
дней при 40 °С) [17, 91, 92]. Потери увеличиваются еще больше, если в
электролите имеются примеси железа.
Вообще же при хранении наибольшие потери емкости имеют место в
первые 100 дней, затем скорость изменений уменьшается. Проблема
количественных оценок скорости деградации ЛИА при хранении
осложняется тем обстоятельством, что пассивирующая пленка многослойна, а ее
свойства и особенности формирования изучены пока недостаточно.
Поэтому способность аккумуляторов от разных производителей сохранять
работоспособность при длительном хранении различается, так как она
определяется выбором электролита и электродных материалов. К
примеру, потери емкости аккумуляторов SAFT за 1,5 года не превышали 8 и
15 % при хранении при температуре 30 и 50 °С соответственно.
Сопротивление ЛИА при хранении растет, и тем больше, чем выше
температура хранения и степень заряженности.

5,3. ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ 179
У коммерческих аккумуляторов PANASONIC после месяца хранения
при 25 °С наблюдалось увеличение сопротивления не более чем на 5 %,
после 7 дней хранения при 60 °С - на 30 %.
Результаты более длительного хранения при 40 °С заряженных
аккумуляторов с катодами на основе двух разных оксидов показаны ниже:
Срок хранения, дни 100 220
Увеличение сопротивления, %:
для LiNi^CoyALC^ при степени заряженности
90% * 10 17
50 % 35 E
для LiMn2O4 при степени заряженности
90% 10 20
50 % 40 250
Призматические аккумуляторы при хранении под давлением
выделяющегося газа могут потерять свою форму. Было показано, например,
что если в период хранения при 25 °С и внешнем напряжении 4 В
аккумуляторы не меняют своей формы, то хранение в течение 2 лет при
напряжении 4,1 В привело к разбуханию и при 45 °С оно в 8 раз больше,
чем при 25 °С [85].
5.3. ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Возможность замены жидкого органического электролита на
полимерный, при котором должна уменьшиться вероятность его утечек и
увеличиться безопасность работы литий-ионного аккумулятора,
исследовалась с самого начала коммерциализации этих источников тока.
В основе идеи литий-полимерного аккумулятора (ЛПА) лежит
обнаруженное явление перехода некоторых полимеров в полупроводниковое
состояние в результате внедрения в них ионов электролита.
Проводимость полимеров при этом возрастает более чем на порядок.
Усилия исследователей были направлены на поиск полимерных
электролитов как для литий-ионных аккумуляторов, так и для
аккумуляторов с металлическим литием, теоретически возможная плотность
энергии которых в несколько раз больше, чем у ЛИА.
К настоящему времени разработаны и серийно производятся источники
тока с электролитами, которые могут быть подразделены на три группы:
- сухие полимерные электролиты (чаще всего на основе полиэтиле-
ноксида, в который вводятся различные соли лития);
- гель-полимерные гомогенные электролиты, которые образуются при
введении в полимер (или смесь полимеров) с солями лития
пластификатора-растворителя ;
- неводные растворы солей лития, сорбированные в микропористой
полимерной матрице.

180 5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
По сравнению с жидкими электролитами в ЛИА полимерные
электролиты имеют меньшую ионную проводимость, которая к тому же
снижается при температуре ниже нуля. Поэтому проблема разработок ЛПА
состояла не только в поиске иммобилизированного электролита с
достаточно высокой проводимостью, совместимого с электродными
материалами, но и в расширении температурного диапазона. Так, например,
компании SONY удалось подбором сополимеров достичь высокой
электролит-адсорбционной емкости и механической прочности электродов, а
оптимизацией концентрации литиевой соли и подбором рецептур смеси
полимеров ионную проводимость электролита аккумуляторов первого
поколения увеличить почти в 3 раза [17].
Современные литий-полимерные аккумуляторы обеспечивают
удельные характеристики, сравнимые с характеристиками ЛИА. Количество
циклов - 500 и более. Благодаря отсутствию жидкого электролита они
гораздо более безопасны в эксплуатации, чем перезаряжаемые литиевые
источники тока рассмотренных ранее типов. ЛПА компактны и могут
быть выполнены в любой конфигурации. Их контейнер может быть
выполнен из металлизированного полимера.
В [10] описаны ЛПА с сухим полимерным электролитом,
металлическим литиевым анодом и катодом из оксидов ванадия, разработанные в
американской компании VALENCE и канадской компании HYDRO QUEBEC
(совместно с японскими, американскими и европейскими компаниями).
Плоские и рулонные аккумуляторы компании Hydro Quebec емкостью от
0,1 до 2 Ач работоспособны при температуре 60 °С. Удельные
характеристики их составляют 100-160 Втч/кг. Рабочие плотности тока, однако,
невелики, и электрические характеристики аккумуляторов заметно
ухудшаются при снижении температуры из-за кристаллизации полимера.
В конце XX в. канадская компания разработала и батарею емкостью
119 Ач для электромобиля.
С гель-полимерным электролитом проектируют аккумуляторы и
литий-ионные, и с металлическим анодом. Достигнутые достаточно большие
плотности тока и расширение температурного диапазона работы
позволяют использовать такие аккумуляторы для широкого круга портативной
аппаратуры, сотовых телефонов, ноутбуков, цифровой оргтехники и т. п.
Компания SONY [17, 76], например, выпускает ультратонкие
призматические аккумуляторы с графитовым анодом, катодом из LiCoO2 и
гель-полимерным электролитом (табл. 5.8).
Номинальное напряжение - 3,7 В. Конечное напряжение разряда -
3 В. При разряде током до 1 С разрядная емкость меняется мало, при токе
3 С уменьшается на 15 %. Аккумуляторы работоспособны при температуре
от -20 до +60 °С. При -10 °С их емкость составляет 0,8 С„, при -20 °С - не
менее 0,5 С„. Проводились также испытания аккумуляторов в режиме
работы мобильных телефонов GSM (разряд током 2 А в течение 6 мс/0,15 А

5.3. ЛИТИИ-ПОЛИМЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
181
Таблица 5.8. Литий-полимерные аккумуляторы компании SONY
Тип
аккумулятора
Номинальная
емкость, Ач
Размеры, мм
толщина
ширина
высота
Масса, г
в течение 4 мс). Разрядная емкость при -20 °С - не менее 0,4 С„. Срок
службы - 500-1000 циклов. Разрядные характеристики аккумулятора
емкостью 0,76 Ач при разных скоростях разряда показаны на рис. 5.19.
Компания SANYO разработала литий-полимерные аккумуляторы
толщиной 4 мм типов UPF363562 E50 мАч) и UPF343555 E00 мАч), которые
обеспечивают ток разряда до 3 С также без существенного снижения
емкости. При -20 °С их емкость снижается до 0,3 Сн.
Аккумуляторы с гель-полимерным электролитом выпускают многие
компании во всем мире. Электродные материалы, рецептуры электролита и
технологии изготовления ЛПА разных компаний значительно различаются.
Их характеристики также различны. Так, например, компания YUASA
выпускает литий-полимерные аккумуляторы емкостью 400 и 1750 мАч с
катодом на основе LiCoO2, разрядная емкость которых уменьшается до 0,8 С„
уже при токе разряда 1 С.
Рис. 5.19. Разрядные характеристики литий-полимерного аккумулятора
компании SONY при разных скоростях разряда [17]
UP325385A4H
UP383562A3
UP383562A5
UP423456A3
UP423469A3
UP423469A4
UP503759A4H
UP523948A4H

182
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
В Италии и России исследовались и аккумуляторы с литиевым
анодом и катодом на основе оксидов марганца. Российские аккумуляторы
с катодом на основе Мп2О4 обеспечивали 800 циклов с потерей 40 %
емкости, затем еще 300 циклов без ухудшения характеристик, с
катодом из Мп2_гСгХL - более 300 циклов без образования дендритов на
литии [10].
Все разработчики отмечают, что на качество аккумуляторов и
стабильность их работы сильно влияет однородность полимера, на которую
оказывают влияние как соотношение ингредиентов электролита, так и
температура полимеризации.
Заряд ЛПА, как и ЛИА, производится до напряжения не выше 4,2 В
при начальном ограничении тока до 0,5-1 С.
Если первые серийно выпускаемые ЛПА были аккумуляторами для
портативной аппаратуры, то в настоящее время уже выпускаются и
мощные источники тока такого рода.
Наиболее впечатляющих успехов в производстве литий-полимерных
аккумуляторов емкостью до 100 Ач достигла корейская компания КОКАМ,
которая кроме аккумуляторов малой и средней емкости для мобильной и
радиосвязи выпускает аккумуляторы большой емкости.
Компания разработала уникальную технологию, которая позволяет
изготавливать ультратонкие аккумуляторы (толщиной до 0,4 мм) и
увеличивать емкость батарей неограниченно при легкости варьирования их формы
и размера. При этом стоимость материалов и самого производства низкая.
Аккумуляторы имеют низкое внутреннее сопротивление, при
котором разряд при токе до 10 С происходит практически без потери емкости
(рис. 5.20). Допускается и заряд при начальных токах до 5 С.
Характеристики ЛПА большой емкости, выпускаемые компанией,
представлены в табл. 5.9 [93]. Удельная энергия их составляет 150-175 Втч/кг
и 300-375 Втч/л, удельная мощность - 850-1000 Вт/кг и 1350-1950 Вт/л.
Таблица 5.9. Литий-полимерные аккумуляторы большой емкости компании
КОКАМ
Тип аккумулятора
Номинальная
емкость, Ач
Импеданс,
мОм
Размеры, мм
толщина ширина высота
Масса, г
SLPB 30205130
SLPB 41205130
SLPB 55205130
SLPB 78216216
SLPB 100216216
SLPB 60460330
SLPB 80460330

5.4. БАТАРЕИ ИЗ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
183
Рис. 5.20. Разрядные характеристики литий-полимерных аккумуляторов
компании КОКАМ при разных токах разряда
Аккумуляторы работоспособны при температуре от -20 до +60 °С.
В диапазоне температур выше 0 °С емкость при токе разряда 0,5 С
практически не снижается, при -10 °С она не ниже 0,85 С„, при -20 °С - не ниже 0,5 С„.
Учитывая, что уже реально продемонстрированы возможности
создания литий-полимерных аккумуляторов в широком диапазоне емкостей, и
тот факт, что при всех стандартных тестах на безопасность эксплуатации
(перезаряд, форсированный разряд, короткое замыкание, вибрация,
раздавливание и протыкание гвоздем) они имеют значительно более высокие
показатели по сравнению с литий-ионными с жидким электролитом,
перспективы серьезного расширения их производства и использования в
самых разнообразных областях техники не вызывают сомнений.
5.4. БАТАРЕИ ИЗ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
В малогабаритной аппаратуре используются обычно батареи с
напряжением, обеспечиваемым цепочкой из 2-3 аккумуляторов. Для
увеличения мощности батареи соединяют параллельно несколько
аккумуляторов или цепочек.
Практически до настоящего времени основные производители литий-
ионных источников тока для автономного электропитания
малогабаритной аппаратуры различного рода поставляют их в Россию только в виде

184 5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
батарей вместе со встроенной электронной защитой. Электронные блоки
защиты батарей могут различаться, и компании часто защищают доступ к
этой части изделия.
Проблема замены таких батарей, если они выходят из строя раньше
самой аппаратуры, решается в каждом случае по-своему, либо за счет ЗИПа,
либо установкой другой батареи, собранной в какой-нибудь сервисной
службе. В последнем случае серьезной проблемой является сборка батарей
из аккумуляторов той же аккумуляторной компании, поскольку
ведущие компании, производящие малогабаритные ЛИА, не поставляют их
на российский рынок россыпью. Альтернативная продукция покупается
чаще всего в Китае.
В этом случае вопросы, касающиеся разнообразия использованных
электродных материалов, электрических характеристик литий-ионных
аккумуляторов, гарантий качества, безопасности и долговечности, предлагается
учитывать самому потребителю. Именно поэтому в предыдущих разделах
мы пытались систематизировать доступную информацию и описать хотя бы
качественно все сложности, которые ожидаются при эксплуатации литий-
ионных батарей в разнообразных случаях их использования.
Литий-ионные батареи большой емкости и с большим напряжением
могут быть реализованы в виде последовательной цепочки аккумуляторов
большой емкости или в виде сложной системы
параллельно-последовательных соединений аккумуляторов малой емкости (рис. 5.21). В обоих
случаях необходима система внешней электронной защиты от перезаряда
и переразряда отдельных аккумуляторов.
Система внешней электронной защиты батареи обязательно
включает контроллеры, измеряющие напряжение каждого аккумулятора или
блока из параллельно соединенных аккумуляторов, и ключ для
размыкания цепи при перезаряде или переразряде в соответствии с
рекомендациями производителя относительно предельных напряжений. Ключи
обычно делают с использованием полевых транзисторов. Наиболее
простая и распространенная система внешней электронной защиты в
батарее из малогабаритных
аккумуляторов показана на рис. 5.22.
Для защиты от перегрева в
самом аккумуляторе может быть
установлен температурный
предохранитель. А для контроля
температуры батареи используются
термисторы. Дополнительно
рекомендуется включение таймера.
Рис. 5.21. Батарея компании SAFT
из цилиндрических
аккумуляторов большой емкости

5.4. БАТАРЕИ ИЗ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
185
Рис. 5.22. Электронная защита литий-ионных аккумуляторов от перезаряда
и переразряда
Для батарей из аккумуляторов большой емкости компания SAFT
часто использует и чисто механические методы повышения безопасности:
разнесение элементов, систему пламегасящих каналов.
Зарубежные производители конструируют мощные батареи из
модулей, каждый из которых обеспечивает напряжение не более 50 В. Модули
включают ряд устройств электронного контроля (датчики температуры,
напряжения и тока, обеспечение выравнивания характеристик
аккумуляторов), а также систему терморегулирования (воздушное или жидкостное
охлаждение). Батареи имеют контроллеры, осуществляющие контроль
состояния заряженности аккумуляторов, температурный контроль,
электронные устройства выравнивания характеристик модулей и электронику
взаимодействия с внешней системой, для которой предназначено
электропитание (рис. 5.23).
В России первые батареи большой мощности разработаны с
использованием китайских аккумуляторов емкостью 27 и 150 Ач [94].
При выборе схем соединения аккумуляторов в последовательно-
параллельные цепи и способа обеспечения защиты аккумуляторов от
перезаряда, переразряда и короткого замыкания, следует принимать решения,
обеспечивающие наибольшую надежность и безопасность батареи.
При последовательном соединении аккумуляторов у аккумуляторов с
наименьшей емкостью возникает опасность перезаряда, если нет
индивидуального контроля напряжения каждого из них. При параллельном
соединении аккумуляторов существенной оказывается разница их
внутреннего сопротивления: аккумулятор с меньшим сопротивлением будет
заряжаться большим током.

186
5. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Высокая мощность
Электронный контроль
Рис. 5.23. Схема мощной литий-ионной батареи [17]
Наибольшую безопасность эксплуатации обеспечивают батареи из
наименее возможного количества аккумуляторов максимальной емкости
из типоразмерного ряда, что позволяет минимизировать количество
параллельных цепочек. А максимальную защиту обеспечивает
индивидуальная защита каждого аккумулятора, а не группы.
Для увеличения ресурса циклируемой батареи рекомендуется
периодическое выравнивание характеристик аккумуляторов. Чаще всего это
осуществляется с помощью сопротивлений, которые шунтируют
аккумулятор, достигший предельно допустимого напряжения. Выравниванию
характеристик способствует и построение системы индивидуального
заряда каждого аккумулятора.
Выравнивание целесообразно проводить после нескольких десятков
циклов (в экспериментах SAFT увеличение начального разброса по
емкости с 1,3 % до 4 % происходило после 35 полных циклов).
Отечественный опыт проектирования устройств контроля напряжения и
температуры в батарее из нескольких литий-ионных аккумуляторов и
выравнивания их напряжения в процессе заряда и разряда батареи описан в [95].
При проектировании батарей повышенной емкости в различных
достаточно ответственных приложениях следует помнить и о необходимости
обеспечения одинакового температурного режима работы всех аккумуляторов
батареи для того, чтобы не уменьшить ее ресурс. А при необходимости
организации охлаждения батареи следует помнить о разнице процессов теплообмена
в малогабаритных и мощных ЛИА разного конструктивного исполнения.
Электросиловое
соединение
модулей
Электронная
система
контроля
Система

терморегулирования
Модули
Корпус модуля
Труба
Электрическое
соединение
аккумуляторов
Аккумуляторы
Электронный
контроль
модуля
Датчики
и
провода

ТЕНДЕНЦИИ
И ПЕРСПЕКТИВЫ РЫНКА
ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Современную жизнь невозможно вообразить без разнообразной
аппаратуры, использующей автономные источники питания на основе
герметичных химических источников тока. Они необходимы и для
обеспечения качества электроэнергии (стабильность параметров,
бесперебойность) мощной энергетики, для коммуникационных сетей и других целей.
Функционирование ряда жизненно важных объектов, непосредственно
влияющих на безопасность страны, также невозможно без современных
химических источников тока.
Сравнение ХИТ разных электрохимических систем приводит к
выводу, что между ними нет абсолютной заменяемости. Поэтому в ближайшее
время в той или иной доле на рынке будут присутствовать все их виды.
Проектировщику автономных источников энергии следует учитывать
возможности отечественного их производства, если он должен
использовать только российскую продукцию. Во всех остальных случаях
можно рассматривать весь спектр мировой продукции, поскольку на
российском рынке в настоящее время она представлена в значительной
своей части. Возможности отечественной промышленности в
производстве источников тока разных электрохимических систем и
номенклатура аналогичной продукции ведущих аккумуляторных компаний мира,
которая присутствует на российском рынке, показаны в
соответствующих главах.
В разработанной в 2003 г. правительственной программе
"Энергетическая стратегия России на период до 2020 г." создание химических
источников тока признается одним из направлений научно-технической и
инновационной политики страны в области энергетики. Слово
"создание", пожалуй, отражает реальное состояние дел в аккумуляторной
промышленности России, которая в последние два десятилетия утеряла
высокий уровень развития этой области техники, а главное, темпы освоения
новой продукции. Поэтому правильное понимание задач в области
исследований, проектирования и обеспечения возможности массового
производства новых химических источников тока существенно как для
разработчиков широкомасштабных программ научно-технического развития,
как и для тех, кто осваивает новую продукцию, в которой используются
автономные источники питания.
Ниже описывается общемировая тенденция изменений в
производстве источников тока разных видов, которая определяется как постоянно
увеличивающимся темпом разработок новой техники, так и успехами в
самом производстве ХИТ.

188
6. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЫНКА ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Первичные
37%
Промышленные
17%

Малогабаритные
16%

Автомобильные
свинцово-
кислотные
30%
Литиевые
12
Солевые
МЦ
25%
Прочие
Щелочные
МЦ
61 %
Рис. 6.1. Распределение мирового рынка химических источников тока
Рис. 6.2. Соотношение долей элементов разных электрохимических систем
в общем объеме их производства
По данным компании AVICENNE, одной из ведущих маркетинговых
компаний Франции, в 2003 г. общий мировой рынок составил 30 млрд. долл.
При этом доля первичных ХИТ и малогабаритных аккумуляторов занимает
половину производства (рис. 6.1). Первичные источники тока сохраняют
свои позиции в качестве источников питания дешевой аппаратуры
широкого потребления, прежде всего в устройствах с периодическим
использованием в режиме малого потребления, при этом доля щелочных марганце-
во-цинковых элементов много больше, чем всех остальных (рис. 6.2).
В ближайшие годы, по крайней мере до 2007 г., прогнозируется
средний прирост в 1,4% производства первичных элементов и батарей из
малогабаритных аккумуляторов при более быстром темпе прироста доли
энергоемких литиевых и воздушно-цинковых элементов.
Характеристики элементов будут улучшаться на 2-4 % в год.
Предполагается появление новых типоразмеров элементов, в первую очередь
призматических, что связано с тенденцией уменьшения толщины
портативных устройств, в которых они используются, а также развитие двух
новых электрохимических систем: первичных Ni-Zn и Li-FeS2 с
хорошими характеристиками при высоких токах разряда, разрабатываемых для
использования в цифровой электронике [96].
Однако доля первичных ХИТ в секторе цифровой электроники
уменьшается, тем более что емкость вторичных систем (Ni-MH, ЛИА)
практически достигла их емкостей.
В производстве щелочных аккумуляторов для электронной техники
наблюдается увеличение доли никель-металлгидридных. Исследовательские
работы по улучшению характеристик Ni-Cd аккумуляторов во всех
ведущих аккумуляторных компаниях мира практически прекращены. Тем не
менее Ni-Cd аккумуляторы благодаря несомненным достоинствам
(относительно более низкая стоимость, больший диапазон рабочих температур,

6. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЫНКА ИСТОЧНИКОВ ТОКА
189
отработанность решений) пока сохраняют свои позиции. Характеристики
Ni-MH аккумуляторов с начала 1990-х годов удалось существенно
улучшить: сначала увеличилась емкость аккумуляторов при низких плотностях
тока разряда, затем были увеличены и допустимые разрядные токи.
Прогнозируется и дальнейшее увеличение этих характеристик: к 2006 г. емкость
аккумулятора в типоразмере АА по данным компании OVONICS может
достигнуть 2,6 Ач, разрядные токи аккумуляторов в габаритах Cs - 80 А.
Вообще же заметна общая тенденция вытеснения щелочных
аккумуляторов литий-ионными, а в последние 5 лет и литий-полимерными. Она
опирается на вполне обоснованные надежды снижения цены литий-
ионных аккумуляторов за счет перехода к более дешевым и
недефицитным материалам, совершенствования технологии изготовления
аккумуляторов и упрощения электронной защиты батарей, увеличения объемов
производства. К 2010 г. прогнозируется увеличение доли продаж литий-
ионных ХИТ до 70 % от общих продаж малогабаритных аккумуляторов.
Такой прогноз согласуется с резким повышением требований к
характеристикам источников тока, используемым при производстве
современной портативной аппаратуры (рис. 6.3).
Литий-ионные и литий-полимерные источники тока используются
для питания сотовых телефонов, видео- и цифровых фотокамер,
карманных компьютеров и других устройств, где важны высокие удельные
характеристики. При этом требование миниатюризации устройств (в первую
очередь, по толщине) вызвали увеличение доли призматических
аккумуляторов, особенно наиболее тонких типоразмеров.
Источник тока
Портативные
компьютеры
• X GHz CPU
• Увеличение
памяти
Мобильные
телефоны
• Видеосвязь
• Мультимедиа
• Навигация
PDA
• Большой дисплей
• Увеличение памяти
• Полноценное видео
Рис. 6.3. Требования к энергии для современной портативной техники

190
6. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЫНКА ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Для традиционных применений существенного увеличения сектора
рынка литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов не ожидается.
Но при создании более мощных и энергоемких аккумуляторов, чем те,
что массово выпускаются в настоящее время, предполагаются новые
области их применения, например для беспроводных инструментов,
робототехники, транспорта (как в качестве стартерных, так и тяговых
источников тока). Эти области применения требуют, однако, существенно
более энергоемких и мощных аккумуляторов, чем те, что обеспечены
реализуемыми в настоящее время технологиями.
В таком изменении ситуации в производстве вторичных источников
тока существенным является не только заметное увеличение удельных
характеристик у ХИТ новых систем, но и проблемы сырьевых ресурсов.
Ранее считалось, что литий-ионные источники будут использоваться
только в зоне дорогих устройств. Но замена сильно подорожавшего кобальта-
та лития на другие катодные материалы позволяет обеспечить
рентабельность этих источников тока в самых разных областях использования.
Литий также не является дорогим и дефицитным металлом.
На рис. 6.4 показано соотношение цен на аккумуляторы разных
электрохимических систем. Видно, что литий-ионный аккумулятор
становится соизмерим по стоимости 1 Втч энергии со щелочными
аккумуляторами. А в перспективе ставится задача снижения стоимости 1 Втч до $0,1.
Стоимость системы электронной защиты литий-ионных батарей в
настоящее время не превышает 30 % от стоимости самих аккумуляторов. Эта
система с контролем параметров каждого аккумулятора батареи
обеспечивает не только безопасность работы батареи, но и оптимизацию зарядного
процесса и возможность получения максимальной емкости при разряде.
Превосходные удельные энергетические характеристики литий-ионных
аккумуляторов, доведение емкости разработанных аккумуляторов до
тысяч часов и увеличение разрядных токов до 10-20 С (см. главу 5)
расширили круг потенциальных их потребителей. Они могут быть
использованы в разных режимах:
Рис. 6.4. Соотношение стоимости аккумуляторов разных систем:
а - на 1 Ач; б - на 1 Втч

6. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЫНКА ИСТОЧНИКОВ ТОКА
191
Рис. 6.5. Микростимулятор с литий- 5
полимерным аккумулятором ком- 2
пании ARGONE со
- коротких (до 1 С) для связи;
- тяговых (-1,5 С) на железной дороге, для инвалидных колясок;
- стартерных (=5 Q для запуска двигателей, для электромобиля;
- силовых (-10 С) для электроинструментов, моделизма и т. п.
В настоящее время уже выпускаются литий-ионные и
литий-полимерные аккумуляторы емкостью в сотни и тысячи ампер-часов. В
ближайшие 3-5 лет ожидаются следующие характеристики литий-ионных
аккумуляторов:
Удельная энергия, Втч/кг
Удельная мощность, Вт/кг
Ресурс
Цена, $/Втч
Важным направлением, в первую очередь с социальной точки зрения,
является применение миниатюрных литиевых источников тока в медицине.
В качестве кардиостимуляторов используются как элементы системы Li/I2,
так и Li/CF. Для питания имплантируемых микростимуляторов,
используемых для больных, подверженных эпилепсии, болезни Паркинсона, кризам и
др., французской компанией ARGONE разработан миниатюрный
абсолютно нетоксичный и достаточно дешевый литий-полимерный аккумулятор
(рис. 6.5). При изменении состава электролита с целью расширения
диапазона его рабочих температур будут возможны и другие его применения.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Металл-воздушные элементы
При возрастающих требованиях к высоким удельным весовым
энергетическим характеристикам источников тока, их надежности и
безопасности значительно расширяется производство металл-воздушных
элементов. Наиболее расширяющийся сектор специализированного рынка
составляют современные цинк-воздушные элементы [97].
Разрабатываются также и механически перезаряжаемые воздушно-
цинковые батареи, в которых после исчерпания емкости цинковые
электроды в пластиковой кассете вместе с электролитом заменяются на
новые. В отдельной ячейке электроды перезаряжаются совместно с
инертным электродом [98].
Батареи большой
энергии
Батареи большой
мощности

192 6. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЫНКА ИСТОЧНИКОВ ТОКА
А использование неагрессивного электролита в механически
перезаряжаемом металл-воздушном элементе с анодом из магниевого сплава
позволяет уменьшить неудобство, связанное с заменой электродов [101].
Аккумуляторы с металлическим литиевым анодом
Стремление к созданию химических источников тока со все более
высокими удельными энергетическими характеристиками и накопленные
знания об особенностях литиевых ХИТ привели к новому витку
исследований возможности реализации аккумуляторов с металлическим литиевым
анодом, теоретические характеристики которого заметно выше, чем у
литий-ионных источников тока. Пока достигнутые практические результаты
не столь оптимистичны, как теоретические, но работы продолжаются.
Литий-серные аккумуляторы
Разрабатываются также дешевые аккумуляторы системы Li/S с рабочим
напряжением 2,1 В. Электроды таких аккумуляторов покрыты полимерной
пленкой, причем катод находится практически в жидком состоянии.
Интерес к этой электрохимической системе определяется рядом
несомненных достоинств [99]:
-теоретическая удельная энергия ее составляет 2600 Втч/кг, что в
4 раза больше чем у ЛПА;
- присущий природе системы внутренний механизм безопасности
позволяет отказаться от элементов защиты;
- возможная высокая скорость разряда (до 10 С);
- низкая стоимость материалов, при которой стоимость аккумулятора
соизмерима со стоимостью никель-кадмиевого;
- широкий диапазон рабочих температур (от -40 °С);
- экологическая безопасность.
Разработку литий-серных аккумуляторов уже ведут несколько
компаний. Компания POLYPLUS Battery в 2000 г. разработала аккумуляторы
емкостью 2,1 Ач, которые способны к разряду током до 10 С и сохраняют
работоспособность при температуре - 40 °С.
Sion Power Corporation прогнозирует в ближайшее время создание
аккумуляторов Li/S с удельной энергией 300-400 Втч/кг и 400-500 Втч/дм3.
Практически же по оценкам специалистов [100] для таких аккумуляторов
можно ожидать характеристики не ниже 500-600 Втч/кг, срок службы -
не менее 500 циклов и саморазряд на уровне 2-5 % в месяц.
Предполагается, что для этой системы удастся преодолеть рубеж $0,10
за 1 Втч.
Представляют интерес также аккумуляторы для электромобилей
системы Li/FeS2 с расплавленным электролитом, которые функционируют при
температуре 400-500 °С. Интерес к этой системе обусловлен тем, что тео-

6. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЫНКА ИСТОЧНИКОВ ТОКА
193
ретическая удельная энергия ее составляет 1270 Втч/кг, а катодный
материал дешев и нетоксичен. Уже появились сообщения о разработке
аккумуляторов системы Li/FeS2 с полимерным электролитом, интервал рабочих
температур которого лежит в диапазоне 90-130 °С, ведутся дальнейшие
работы по снижению рабочей температуры.
Гибридные энергетические системы
Представляют интерес работы по созданию гибридных энергетических
систем, в которых объединены высокоемкие, но маломощные источники
(например, воздушно-цинковые элементы) и источники тока, способные к
разряду большими токами, вроде литий-ионных батарей или ионисторов. В этом
случае при переменной нагрузке удается извлечь энергию большую, чем
суммарная энергия обоих ХИТ, и при более высоком напряжении (рис. 6.6) [99].
Топливные элементы
Интенсивно ведутся работы по созданию топливных элементов,
портативных и мощных, на разном топливе: метаноле, боргидриде, бутане,
даже обычном дизельном. Пока их стоимость очень велика, но прогноз на
возможность снижения цены вполне оптимистичен [96, 102].
Рис. 6.6. Разрядные характеристики гибридного источника тока на основе
батареи воздух-цинк и литий-ионного аккумулятора при
переменной нагрузке A2 Вт - 9 мин, 40 Вт - 1 мин), характерной для
носимых средств связи

194 6. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЫНКА ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Сразу несколько компаний, среди которых NEC Corp., Manhatten Sci-
entifics Inc., MTI Microfuel Cells Inc.,Toshiba Corp., объявили о начале
выпуска в 2005 г. топливных элементов для портативной электроники, в
первую очередь сотовых телефонов и портативных компьютеров.
Пока характеристики топливных элементов находятся на уровне
характеристик ЛИА, но теоретически достижимые характеристики в 5 раз
выше.
Специалисты прогнозируют существенный рост производства таких
источников тока в ближайшие 5 лет. При этом, так как портативные
топливные элементы обычно имеют сменные картриджи, возникнет
необходимость в их массовом выпуске.
Водородная энергетика
Следует отметить еще одну тенденцию развития энергетической
отрасли. В настоящее время серьезное внимание ряда стран обращено на
развитие водородной энергетики как альтернативной существующей,
основанной на использовании углеводородного сырья. Это связано как с
прогнозом на исчерпание запасов этого сырья, так и соображениями
стратегической независимости стран от их источников.
С 2002 г. координацией усилий по планированию исследований,
разработок и внедрения водородных технологий и топливных элементов в
Европе, США, Японии занимаются Консультативный совет Европейского
Партнерства и руководители правительственных программ. Ясно, что
прежде чем водородная энергетика станет эффективной, потребуются весьма
значительные вложения и усилия на протяжении многих лет. Потребуется
разработка как систем получения, транспортировки и хранения водорода,
так и электрохимических преобразователей для получения электрического
тока при его использовании.
Первые энергетические установки на основе топливных элементов для
космических аппаратов и транспортных средств большой мощности были
созданы в 1980-х годах. В настоящее время за рубежом уже достаточно
широко производятся автономные энергетические установки мощностью в
десятки киловатт.
Россия пока не имеет широкомасштабных программ, связанных с
таким поворотом технического прогресса, но в последние два года стал
заметным интерес к исследованиям и разработкам, выполненным в этом
русле в прежние годы, и наметилась тенденция к консолидации усилий
ученых.

7 ЭКСПЛУАТАЦИЯ
ИСТОЧНИКОВ ТОКА
РАЗНЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
В предыдущих главах были описаны особенности ХИТ разных
электрохимических систем и даны рекомендации, которые необходимо
выполнять, чтобы при эксплуатации можно было получить
гарантированные производителем характеристики. Было показано и влияние факторов,
от которых зависят как эффективность их использования, так и
длительность их работоспособного состояния.
В настоящей главе часто даются ссылки на эту информацию. И
делается это с целью акцентировать внимание на тех моментах, которые
определяют эффективность эксплуатации выбранного источника тока в
конкретном приложении. Описывается также и поведение ХИТ в
нестандартных ситуациях.
7.1. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПЕРВИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Особенности и основные характеристики первичных источников
тока разных электрохимических систем подробно описаны в главе 2.
Показано, что выбор их для использования в портативной аппаратуре
экономически целесообразен лишь в случае периодического ее использования.
При этом частый выбор потребителем достаточно емких и мощных
МЦ-элементов определяется прежде всего их дешевизной при хорошем
качестве. Следует заметить, что паспортное номинальное напряжение
МЦ-элементов несколько больше номинального напряжения щелочных
аккумуляторов. Но это всего лишь терминологическая путаница.
Начальное напряжение элементов под нагрузкой быстро снижается, и большая
часть разряда происходит при напряжении в диапазоне 1,2-1,1 В, в то
время как номинальное напряжение аккумулятора - это, по определению,
его напряжение в средней части разрядной кривой. Поэтому большая
часть разряда аккумулятора при такой же нагрузке происходит при более
высоком напряжении (= на 50-100 мВ).
Часто возникает вопрос о возможности повторного (хотя бы
частичного) использования элементов после исчерпания их емкости.
Вообще МЦ-элементы допускают несколько десятков зарядно-разряд-
ных циклов A0-20 циклов для солевых и в 2 раза больше для щелочных)
[11]. 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
тому же запас емкости с циклами постепенно уменьшается так же, как и
напряжение. Для заряда рекомендуется использовать зарядное
устройство с напряжением 1,7-1,75 В на элемент с ограничением тока заряда [1].

196 7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
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
усиливается течь электролита. Поэтому, чтобы не испортить аппаратуру, в которой
используются МЦ-элементы, подзаряд их проводить не рекомендуется.
Поскольку качество первичного источника тока определяется
выборочными методами контроля на производстве и не существует надежных
способов оценить состояние сохранности конкретного изделия,
необходимо иметь четкую информацию о дате выпуска и гарантиях
производителя. Следует отметить, что отечественная продукция дешевле
зарубежной, но срок хранения ее, как правило, заметно ниже. Возможности
диагностики состояния источников тока более подробно описаны в главе 8.
7.2. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Главные проблемы при организации эксплуатации вторичных
химических 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.
7.2.1. СПОСОБЫ ЗАРЯДА
Способы заряда герметичных аккумуляторов с водным электролитом
и литий-ионных имеют особенности, определяемые природой
протекающих в них процессов. Подробное описание этих особенностей дано выше
в соответствующих главах. Описаны стандартные режимы заряда, а
также возможности проведения зарядного процесса ускоренно в тех случаях,
когда это разрешает производитель.
На рис. 7.1 показаны основные стратегии заряда (изменения тока в
процессе заряда), которые используются при заряде аккумуляторов
разных систем, и характер изменения напряжения источника тока. Далее
указаны те из них, которые рекомендованы для источников тока
конкретных систем, и возможные альтернативные варианты. Все эти
стратегии при рекомендованных для стандартного заряда параметрах тока и
напряжения позволяют переподготовить аккумуляторы после исчерпания
запасенной емкости примерно за 14-20 ч.
Стремление к ускорению процесса заряда естественно и при
использовании автономных источников питания для бытовой аппаратуры, и тем
более для аппаратуры, работающей в производственных условиях. При
эксплуатации выбранного источника тока следует прежде всего учитывать,
какие возможности обеспечены технологией производства аккумуляторов,

7.2. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
197
Рис. 7.1. Различные стратегии заряда для
переподготовки аккумуляторов после
исчерпания емкости
используемой данной компанией, и оговорены в ее документации.
Гарантированный срок службы может быть обеспечен только при соблюдении
всех рекомендаций и ограничений.
Заряд щелочных аккумуляторов и батарей
Зарядные характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов при
заряде в стандартном режиме (током 0,1 С в течение 14-16 ч) приведены в
разделе 3.1.4, особенности заряда никель-металлгидридных - в разделе
3.2.2. Заряд производится в диапазоне температур от 0 до +50 °С,
наиболее эффективно процесс идет в более узком диапазоне температур: от +10
до +40 °С.
При низкой температуре заряд проходит при более высоком
напряжении конца заряда, чем обычно (до 1,7 В). При температуре ниже 0 °С
аккумулятор заряжают очень малыми токами, порядка 0,02 С. Токи
большей величины могут быть использованы только для аккумуляторов
серий, разработанных для быстрого заряда. В этом случае аккумуляторы
на первых минутах разогреваются, и условия заряда улучшаются.

198 7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Ускорение процесса заряда щелочных аккумуляторов постоянным
током (гальваностатический режим заряда) стало возможным как в
результате модернизаций самих источников тока, приведших к созданию
аккумуляторов с тонкими электродами и плотной рулонной сборкой
пакета электродов, так и благодаря изучению возможности контроля
процесса при больших его скоростях и успехам электронной техники,
позволившим реализовать этот контроль.
Для значительной части современных щелочных аккумуляторов
допускается ускоренный заряд: током 0,3 С с контролем по времени (но не
более 4 ч). Необходимость уменьшения степени перезаряда при таком
режиме заряда связана с более быстрым ростом давления в аккумуляторе в
конце процесса, так как скорость выделения кислорода увеличивается, а
скорость переноса его к отрицательному электроду и поглощения остается
практически неизменной. Разрядная емкость аккумулятора при
указанных плотностях тока заряда не 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 °С. Быстрый заряд в течение 1 ч эффективен при
температуре от +10 до +40 °С.
Следует отметить, что многие современные типы щелочных
аккумуляторов выдерживают достаточно длительный перезаряд стандартными
токами заряда без повреждения, поэтому их можно заря-жать и при
наличии остаточной емкости. Но систематические перезаряды значительно
сокращают срок их службы. Поэтому, если нет уверенности в полном
исчерпании емкости источника тока, перед зарядом целесообразно разрядить его
до напряжения 1 В/ак. Процесс переподготовки при этом удлиняется.
Однако доразряд перед каждым зарядом не только мало удобен в
эксплуатации, но и вреден, поскольку приводит к сокращению срока службы.
Иногда батареи снабжаются индикатором, который должен
обеспечивать пользователю информацию о состоянии ее заряженности.
Информация эта может быть получена при оценке уровня напряжения или при
вычислении баланса зарядной и разрядной емкости. В обоих случаях
точность невелика, и индикатор скорее создает иллюзию знания
состояния заряженности, чем отражает реальную ситуацию. Увеличить
точность индикации состояния не представляется возможным из-за
ограничений, диктуемых самим источником тока. Оценка состояния
заряженности батареи по ее напряжению не может быть выполнена точно, так как у
большинства современных источников тока напряжение мало меняется
вплоть до исчерпания 80-90 % емкости. Оно зависит от температурных
условий и в процессе циклирования аккумулятора изменяется. Если же
контролируется баланс зарядной и разрядной емкостей, то следует
помнить, что оценить их при интегрировании тока нетрудно, но коэффициент

7.2. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
199
отдачи по емкости меняется как в зависимости от тока нагрузки и
температурных условий, так и от наработки батареи.
Возможен другой подход к проблеме переподготовки: при
неизвестной остаточной емкости перезаряжаемого источника тока сообщить ему
при заряде столько энергии, сколько необходимо для достижения
состояния полной заряженности аккумулятора при любой степени его
деградации. 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
несколько параметров: напряжение, температура, внутреннее давление.
Характер их изменений в процессе заряда герметичного никель-кадмиевого
аккумулятора показан на рис. 7.2. Эти параметры обеспечивают разную
чувствительность и имеют разные ограничения при использовании.
Характер изменения указанных параметров у никель-металлгидридного
аккумулятора аналогичен, но они более чувствительны к перегреву при
перезаряде.
Заряд стандартным режимом обычно проводится в течение
регламентированного времени. Контроль напряжения при такой стратегии заряда
неэффективен, так как при низких плотностях тока заряда напряжение в
конце процесса UK0H меняется мало и контроль процесса по его величине,
выбранной в соответствии с рекомендованной производителем как
типичной для данного типа источника тока, может привести к недозаряду
одних и перезаряду других аккумуляторов (в зависимости от их
индивидуальных зарядных характеристик). Паспортная величина конечного
напряжения отражает только статистический параметр, а разброс его у
аккумуляторов в партии может быть заметным. К тому же величина эта
зависит от температуры и наработки источника тока.
При быстром заряде использование напряжения в качестве
контрольного параметра оказалось более эффективным. Это определяется
изменением вида зарядной кривой (см. рис. 3.4, б). В этом случае нет
необходимости ориентироваться на конкретную величину предельного зарядного
напряжения, требуется лишь установить момент достижения его
максимальной величины. Для этого устройствами контроля периодически
оценивается величина dU/dt
или d2Uldt2. Максимум
зарядного напряжения
наблюдается обычно при
заряде до 110-120 % С„.
Рис. 7.2. Изменение
характеристик герметичного Ni-Cd
аккумулятора в процессе
заряда

200 7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
При отключении с заряда в этот момент при последующем разряде в
стандартном режиме удается снять =95 % Сн. Для обеспечения большего
перезаряда (до 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
используется другой критерий: прерывание заряда производят после того,
как напряжение аккумулятора снизится на AU после достижения
максимума (см. рис. 7.1, в). Это обеспечивает необходимый уровень перезаряда
аккумуляторов.
Такой контроль рекомендуется для быстрого заряда (в течение =1 ч)
цилиндрических щелочных рулонных аккумуляторов, если производитель
разрешает такой заряд для конкретного типа источников тока. В
литературе он называется детекцией -AU. Величина -AU для аккумуляторов
разных компаний может составлять от 5-10 до 10-20 мВ. Для
контроля заряда чаще предлагается использовать величину 10 мВ/акку-
мулятор при температуре заряда от 0 до 30 °С. При этом в начале
заряда (в течение 5-10 мин) рекомендуется не проводить измерения
напряжения источника тока во избежание срабатывания системы контроля
из-за возможного скачка напряжения (и последующего его небольшого
спада) после продолжительного хранения.
Другим параметром, который используется при контроле заряда
современных герметичных щелочных аккумуляторов, является температура
(см. рис. 7.1, г). Контроль температуры более всего необходим при заряде
никель-металлгидридных источников тока. В зарубежной литературе он
имеет наименование ТСО (temperature cut-off). Температурный датчик
устанавливается не на каждом аккумуляторе, а на одном из них в батарее.
Понятно, что влияние конструктивных особенностей батареи и
реализуемых в ней условий теплообмена делают контроль заряда по абсолютной
величине температуры Т весьма проблематичным, так как
затруднительно однозначно определить величину этого параметра.
Специалисты компании GP, например, детально исследовали процесс
заряда батареи емкостью 2,5 Ач током 0,5 С при температуре окружающей
среды Токр от 15 до 45 °С [49]. Исследовалось отключение при температуре
батареи Т6йт, равной 55 и 60 °С. Было показано, что если температура
окружающей среды выше 35 °С, то при Т6ат = 55 °С имеет место
значительный недозаряд. При Гбат = 60 °С недозаряд несколько уменьшается.
Увеличивать еще больше значение контролируемого параметра (Т6ат > 60 °С)
нельзя без риска повышения опасности отказа аккумулятора.
Все производители обычно рекомендуют предельную величину
температуры при быстром заряде - не более 55 °С. Следует понимать, что
при повышенных температурах окружающей среды избежать недозаряда
при таком способе контроля зарядного процесса не удастся.

7.2. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА 201
Более целесообразным является контроль другого параметра:
скорости изменения температуры (А77Аг), что позволяет при любой
температуре окружающей среды диагностировать интенсификацию побочных
процессов, которая имеет место при перезаряде. Величина ATI At, 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 (оценка -AU и
ATI At) одновременно. Такой способ контроля универсален как для
аккумуляторов разных типов, так и для разного состояния их заряженности.
Следует отметить, что второй из этих параметров обеспечивает более
благоприятные условия работы аккумуляторов при длительной
эксплуатации. Так, ресурсные испытания Ni-MH батарей при контроле заряда
только с оценкой -AU, проведенные в компании PANASONIC, показали
уменьшение наработки в 2 раза по сравнению с ресурсом при контроле
заряда по параметру AT/At. Объясняется это тем, что после отключения
тока температура щелочных аккумуляторов некоторое время продолжает
расти (у Ni-MH аккумуляторов более заметно), и это приводит к
перегреву их выше допустимого предела и уменьшению срока службы.
Найден еще один электрический параметр, изменения которого
чрезвычайно характерны и по величине значительно больше изменений
напряжения [36, 57]. Этот параметр - реакция источника тока на тестовый
сигнал переменного тока. Так как импеданс аккумулятора включает и
реактивное сопротивление, возникает сдвиг фаз между проходящим
током и напряжением источника тока. Угол сдвига фаз ф = arctg X/R9 где
Х= Im(Z) и R = Re(Z) - реактивная и активная 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 =100 % С„ параметр ср резко
увеличивается в несколько раз, затем при перезаряде снова
уменьшается (см. раздел 8.4). Такой характер изменения параметра сохраняется
при разных токах заряда и температурах, он не зависит от начального
состояния заряженности аккумулятора и наличия в газовой фазе
водорода, т. е. одинаков у новых и деградировавших аккумуляторов. Выбор
частоты тестового сигнала определяется величиной емкостной
составляющей импеданса аккумулятора, т. е. геометрическими размерами его
электродов. Для аккумуляторов емкостью до 2-5 Ач отклик порядка
1-3 мВ может быть получен при тестовом сигнале 0,01 С переменного
тока при частоте 0,03-0,1 Гц. При такой частоте тестового сигнала
анализ отклика аккумулятора на серию подаваемых сигналов позволяет
надежно контролировать зарядный процесс даже при больших его
скоростях.

202 7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
О режиме компенсационного подзаряда
После быстрого заряда 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 саморазряда, если аккумулятор не
используется сразу для разряда на нагрузку. Однако не следует долго
оставлять аккумулятор в этом режиме, так как это способствует
сокращению его срока службы.
Для работы в режиме постоянного подзаряда даже при повышенной
температуре многие компании разработали специальные серии
высокотемпературных никель-кадмиевых аккумуляторов, которые несколько лет
могут работать в буферном режиме с основным источником питания.
В [103] рекомендуется другой компенсационный заряд: импульсным
режимом токами в диапазоне 0,1-1 С. Ток 0,1 С должен протекать 1 ч в
сутки, ток 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
целесообразным с точки зрения уменьшения влияния чрезмерного насыщения
кислородом, миграции кадмия и роста дендритов. Но это несколько более
трудно реализуемый режим эксплуатации.
Заряд свинцово-кислотных батарей
Наиболее часто используемые герметизированные свинцово-кислотные
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.
Как сказано в разделе 4.4, для заряда герметизированных свинцово-
кислотных аккумуляторов рекомендуется потенциостатический режим
при ограничении начального тока (комбинированный режим заряда).
Проблема ускорения заряда без интенсивного газовыделения для этих
аккумуляторов решалась иначе, чем для щелочных. Успехи технологии
привели к возможности использовать на первой ступени
комбинированного заряда достаточно большие начальные токи (до 0,3 С). К моменту
достижения критического для заряда напряжения аккумулятор получает
=80-90 % Сн. На второй ступени (при постоянном напряжении)
аккумулятору сообщается еще 20-30 % Сн. Продолжительность второй ступени
больше, чем первой, так как при потенциостатическом режиме ток заряда
постепенно уменьшается в зависимости от степени заряженности
аккумулятора. Режим заряда соответствует схеме, изображенной на рис. 7.1, е.

7.2. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА 203
Величина контролируемого напряжения и характер изменения тока
показаны на рис. 4.6.
При указанных параметрах тока и напряжения ускоренный заряд
герметизированных 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 снижении тока заряда до величины порядка 0,02 С.
Дальнейший заряд не только не увеличивает его эффективности, но и вреден из-
за медленного, но постоянного протекания побочных процессов
газовыделения.
При отсутствии специализированного оборудования для
осуществления комбинированного заряда используется многоступенчатый заряд
постоянным током с уменьшением его на каждой ступени (см. рис. 7.1, б).
Однако в этом случае затруднительно обеспечить гарантированный срок
службы в режиме циклирования, поскольку придется экспериментально
устанавливать количество ступеней заряда, токи и параметры, при
которых необходимо производить переключение на следующую ступень.
Вообще следует отметить, что все небольшие отклонения от
рекомендованного 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 повреждения и редко
принимают во внимание влияние реализованного режима на скорость
деградации батарей в процессе длительной эксплуатации. Поэтому
покупатель зарядного оборудования должен сам внимательно отнестись к
информации, представленной в разделе 4.6.2.
При эксплуатации герметизированных батарей в буферном режиме
следует также точно соблюдать рекомендации производителя
относительно постоянного напряжения источника питания, при котором они должны
работать и подзаряжаться. При превышении этого параметра в батарее
чаще срабатывает аварийный клапан и со временем происходит высыхание
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. 7.1, е), но параметры комбинированного заряда, естественно,
различаются. Типичные ситуации при заряде полностью и частично
разряженных литий-ионных аккумуляторов показаны на рис. 5.6.

204 7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
При заряде разряженного аккумулятора до предельного напряжения
обычно сообщается 60-70 % номинальной емкости. Полный заряд
достигается при постоянном напряжении и падающем токе. Он заканчивается,
когда ток уменьшается до 0,03 С.
Компенсационный заряд для литий-ионных аккумуляторов не
используется. Вместо этого для компенсации небольшого саморазряда
может быть использован порционный подзаряд 1 раз в 20-30 дней, когда
напряжение упадет до 4,05 В [105].
Конечное разрядное напряжение, которое допускается для литий-
ионных аккумуляторов, - 2,5 В. Производители рекомендуют использовать
подзаряд, чтобы напряжение аккумуляторов всегда было в диапазоне 2,5-
4,2 В. Следует помнить, что не всякое зарядное устройство может
обеспечить включение батареи на заряд, если их напряжение станет ниже 2,5 В.
Нестационарные режимы заряда
Для заряда источников тока разных электрохимических систем с
водным электролитом используются и разнообразные стратегии
нестационарного заряда, которые отличаются от регламентированных
производителями, но во многих исследованных случаях обеспечивают улучшение
эксплуатационных характеристик источников тока.
Интерес к таким способам заряда возник давно, когда было показано,
что при осаждении и кристаллизации металлов для получения
мелкозернистого осадка, при котором обеспечивается большая рабочая поверхность
электродов, могут быть использованы токи промышленной частоты.
К нестационарным способам могут быть отнесены разнообразные
методы импульсного (пульсирующего) заряда.
Влияние пульсирующего тока сказывается не только на
формировании структуры осадка, но более всего на протекании побочных процессов
при заряде химических источников тока с водным электролитом, т. е. оно
особенно заметно в конце заряда и при перезаряде. Паузы между
импульсами тока обеспечивают уменьшение выделения кислорода на
положительном электроде (за счет снижения поверхностного потенциала и
выравнивания потенциала в его поровом пространстве) и улучшают условия
его поглощения на отрицательном. Это позволяет значительно увеличить
средний ток заряда и сократить его время. Такой режим заряда
способствует снижению скорости деградационных процессов в герметичном
аккумуляторе.
Амплитуда, частота следования и скважность импульсов могут либо
быть постоянными на протяжении всего зарядного процесса, либо
меняться в зависимости от степени заряженности источника тока. Учитывая
особенности протекания электрохимических процессов в поровом
пространстве электрода, характер и скорость изменения концентрации элек-

7.2. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА 205
тролита вблизи его поверхности, повышение эффективности заряда при
пульсирующем токе обеспечивают за счет уменьшения к концу заряда
(при увеличении зарядного напряжения) амплитуды импульсов или
увеличения продолжительности пауз.
Наложение разрядного импульса в паузе между зарядными приводит
к режиму асимметричного тока.
В общем случае параметров, которые при режиме заряда
асимметричным током могут регулироваться независимо, много: амплитуда и
длительность импульсов обеих полярностей, форма импульсов, частота их
следования, продолжительность паузы между ними. Оптимальные
параметры процесса заряда реальных аккумуляторов могут быть определены
только на основании детального изучения влияния всех параметров
нестационарного режима на пористые электроды и аккумулятор как систему.
Обширные исследования показали [104], что при нестационарных
режимах заряда амплитуда зарядных импульсов определяет возможность
эффективного заряжения активной массы положительного электрода,
частота определяет проработку в глубь его пористой структуры, амплитудные
и временные характеристики разрядных импульсов влияют на глубину его
деполяризации и возможность вести основной токообразующий процесс
без побочного практически до конца заряда.
Рассматриваются два этапа заряда. В начале заряда степень окисления
меняется по глубине и кислород еще не выделяется. Разрядный импульс обеспечивает
более равномерное распределение процесса заряда по всей толщине электрода. На
втором этапе на поверхности электрода происходит интенсивное выделение
кислорода, а в глубине его продолжается заряд активной массы. В этот период разрядный
импульс тормозит выделение кислорода и тем самым способствует более
равномерному окислению активной массы по глубине электрода.
Изучение особенностей фазовых превращений в цикле заряда-разряда дает
основание предположить, что после разрядного импульса целесообразно иметь
некоторую паузу.
Исследования показали также, что существенна не только величина
зарядного импульса, но и скорость его нарастания: при больших скоростях выделение
кислорода происходит позже. Поэтому прямоугольные импульсы могут быть
более эффективными, чем иные по форме.
Следует заметить, однако, что проблема рациональности
использования отрицательных импульсов в зарядном процессе ("burp" charging) не раз
обсуждалась и зарубежными специалистами [103, 105]. Описывается
дискуссия, которая возникла еще в 1960-х годах после активной пропаганды
этого режима для быстрого заряда никель-кадмиевых батарей владельцем
соответствующего патента США. Компания GENERAL ELECTRIC долгое
время исследовала этот режим без видимых положительных эффектов и
отказалась от его внедрения. Тем не менее заряд с импульсами разрядного
тока предлагается рядом более мелких производителей зарядного
оборудования.

206 7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Целесообразность использования нестационарных способов заряда
источников тока разных электрохимических систем определяется как
степенью проработки вопросов поиска оптимальных параметров режима для
каждой из них, так и возможностями реализации аппаратурных средств,
которые должны быть достаточно дешевыми.
Экспериментальная проверка возможности эффективного
ускоренного заряда Ni-Cd аккумуляторов емкостью 5 Ач знакопеременным током
частотой в диапазоне от 5 до 100 Гц показала повышение коэффициента
использования тока на 5-10 % и уменьшение газовыделения до 10 раз по
сравнению со стандартным зарядом постоянным током. Существенного
влияния частоты тока в диапазоне 5-100 Гц на интенсивность
газовыделения не наблюдалось. Снижение частоты тока приводило к более раннему
выделению кислорода. Наилучшие результаты были достигнуты при
соотношении амплитуд разрядного и зарядного импульсов 5 : 1 при среднем
зарядном токе 26,6 А. Наблюдалось и уменьшение разогрева
аккумуляторов при перезаряде [104].
Были предложены два варианта ускоренного режима заряда
знакопеременным током для никель-кадмиевого аккумулятора с металлокерами-
ческими электродами.
1. Режим минимального времени заряда A0-20 мин): амплитуда
зарядного ИМПуЛЬСа /зар имп = E-8) С, СООТНОШеНИе аМПЛИТуД /раз имп/Аар имп =
= 5-6; продолжительность зарядного импульса - 0,2 с, разрядного - 0,01 с.
2. Режим минимального газовыделения B5-35 мин): /^р Имп = B,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
аккумуляторов, поскольку эффективный заряд аккумуляторов определяется не
только их электрохимической природой, но и особенностями их конструкции,
а также достигнутыми в процессе изготовления параметрами структуры
электродов.
Вообще же за последнее десятилетие герметичные щелочные
аккумуляторы существенно изменились. Тонкие электроды и рулонная сборка
пакета электродов аккумуляторов позволяют использовать для большей
их части быстрый заряд постоянным током 1 С, иногда и большим, а также
импульсным с частотной или амплитудной модуляцией.
Но для заряда аккумуляторов большой емкости призматической
конструкции, которые используются на транспорте и для специальных
назначений, проблема ускорения по-прежнему актуальна.
Использование режимов нестационарного заряда негерметичных
аккумуляторов также целесообразно, так как обеспечит меньшее
газовыделение и улучшение поверхностной структуры электродов. Обслуживание
станет более удобным, а промежутки между профилактическими
мероприятиями увеличатся.

7.2. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА 207
Особый интерес представляют результаты сравнительных ресурсных
испытаний аккумуляторов при заряде постоянным и асимметричным
током. Такие испытания в некотором объеме обычно проводятся
разработчиками аппаратуры. Но они, как правило, непродолжительны и поэтому
дают лишь качественное представление о степени улучшения ситуации
при различных частных вариантах зарядных устройств. Тем не менее
тенденция к уменьшению скорости снижения разрядной емкости
источников тока с циклами наблюдается во всех случаях.
Возможность ускорения заряда свинцово-кислотных вентилируемых
аккумуляторов при использовании асимметричного тока была описана еще
в 1970-х годах [106]. При исследовании влияния соотношения зарядных и
разрядных прямоугольных импульсов асимметричного тока на емкость
аккумуляторов, температуру электролита и интенсивность газовыделения
было показано, что наилучшие результаты достигаются при соотношении
амплитуд зарядных и разрядных импульсов =5-20. При увеличении
плотности зарядного тока до 7 раз по сравнению 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.
Аналогичные соотношения параметров асимметричного тока могут
быть использованы и для заряда герметизированных свинцово-кислотных
аккумуляторов, хотя оптимальные их величины должны быть уточнены.
В [107] описываются исследования свинцово-кислотных источников
тока с решетками из сплавов свинец-сурьма и свинец-кальций-олово.
Сравнивались результаты заряда постоянным (в течение 10 ч) и пульсирующим
током прямоугольной формы (время импульса порядка 100-200 мс,
соотношение времени импульса и паузы 1 : 3). Пульсирующий ток при такой
же средней величине, как и постоянный, не только обеспечивал
значительно более эффективный заряд в течение 1 ч, но и позволил в 3-4 раза
увеличить количество циклов, в течение которых источники тока отдавали не
менее 50 % начальной емкости.
7.2.2. ХРАНЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
При хранении источников тока необходимо прежде всего четко
представлять, в каком состоянии их следует хранить, какой температурный
режим соблюдать.
Более низкая температура хранения батарей обеспечивает замедление
всех химических процессов, в том числе и деградационных, и способствует
увеличению срока их годности.
А необходимость хранения источников тока разных
электрохимических систем в разном состоянии заряженности определяется характером
протекающих в них процессов. Требуется замедлить те процессы, кото-

208 7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
рые приводят к труднообратимым изменениям активных масс, к
увеличению внутреннего сопротивления аккумуляторов и снижению
разрядной емкости.
Хранение первичных источников тока
Для первичных источников тока сроки их хранения указаны в табл. 2.1,
так же как и диапазон рабочих температур. Хранить элементы
рекомендуется при температуре возможно более низкой, при которой
самопроизвольное протекание процессов замедляется.
Следует отметить, что после длительного хранения литиевых
элементов (особенно при повышенной температуре) при подключении
нагрузки может иметь место просадка напряжения, особенно заметная у
элементов системы Li/SOCl2.
Хранение перезаряжаемых источников тока
Ниже приводятся данные об условиях хранения аккумуляторов
различных электрохимических систем.
При хранении разряженных Ni-Cd аккумуляторов в них возникают
изменения, определяемые перераспределением электролита внутри
аккумулятора 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.
Этот эффект может быть устранен без снижения уровня
работоспособности аккумуляторов, соответствующего их наработке к моменту
прекращения работы. Для этого после одного года хранения в разряженном состоянии
до начала нового периода эксплуатации в документации рекомендуется
провести 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
Аккумулятор
Рекомендуемое состояние
хранения
Допускаемый диапазон
температуры хранения, °С
Рекомендуемый диапазон
температуры хранения, °С
Периодичность
переподготовки, мес
Ni-Cd
Разряженный
полностью
Ni-MH
Заряженные
на 50 %
Pb-H2SO4
Заряженные
Li-ион
Заряженные
на 50 %

7.2. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА 209
циклах различен: с каждым циклом он все больше напоминает обычный
для свежих аккумуляторов. Разрядная емкость от цикла к циклу
увеличивается и после 3-5 цикла стабилизируется.
При более длительных сроках хранения для восстановления
работоспособного состояния аккумуляторов может быть рекомендована более
низкая скорость первого заряда, в некоторых случаях ток первого заряда
целесообразно уменьшить до 0,05 С.
При хранении полузаряженных Ni-MH аккумуляторов у них в
результате саморазряда снижается остаточная емкость. Напряжение при этом
может упасть до нуля. Восстановить полностью начальные характеристики
после такого глубокого разряда, как правило, не удается. Поэтому не реже
чем 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
избежание сульфатации пластин производится в заряженном состоянии.
Если батареи не используются длительное время, рекомендуется их
периодический A раз в 8 месяцев) подзаряд в течение 6—12 ч при
постоянном напряжении 2,45 В/ак [51,53].
Если они хранились при температуре ниже -20 °С, то подзаряд должен
проводиться 1 раз в год в течение 48 ч при постоянном напряжении 2,275 В.
Хранение при температуре выше 30 °С не рекомендуется. После
хранения при температуре из рекомендованного диапазона подзаряд может
быть выполнен в течение 6-12 ч постоянным током 0,05 С.
Литий-ионные аккумуляторы рекомендуют хранить при комнатной
температуре и степени заряженности порядка 30-50 % и 1 раз в год
производить подзаряд для предотвращения их переразряда.
При хранении имеют место необратимые потери емкости, связанные
с взаимодействием электролита с электродами. Это характерно в
наибольшей степени для ЛИА с катодом на основе LiMn2O4.
Наибольшие потери емкости при хранении, необратимые и обратимые,
имеют место в первые 100 дней, затем скорость изменений уменьшается.
Сопротивление ЛИА при хранении растет, и тем больше, чем больше
температура хранения и состояние заряженности.
7.2.3. ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Профилактические мероприятия при эксплуатации щелочных
герметичных аккумуляторов
Причины, приводящие к необходимости профилактических
мероприятий 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
проводить несколько A-3) полных циклов с разрядом до 1 В на
аккумулятор.

210 7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Эффективность профилактических мероприятий четко прослеживается
при массовых обследованиях однотипных щелочных батарей. Так, в [103]
описаны результаты обследований состояния более чем 2000 герметичных
Ni-Cd батарей для портативных систем связи на самолетах, которые
показали, что через год эксплуатации в режиме циклирования без
профилактики 45 % батарей требуют замены. При проведении периодических разрядов
до 1 В количество батарей, нуждающихся в замене, снижается втрое, а если
после разрядов до 1 В проводить затем доразряд малым током (в течение
1-2 ч) до 0,5 В, то работоспособность сохраняют 95 % всех батарей.
Реструктурирование электродных масс, которое происходит при
таких 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
структуры активных масс) можно добиться и периодическим циклированием
при заряде асимметричным током.
Например, несколько циклов с зарядом знакопеременным током (с
одинаковой амплитудой зарядного и разрядного импульса и соотношением
этих импульсов 10:1) могут восстановить 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 @,5 Ач).
В течение 100 последующих циклов она оставалась на уровне не ниже
0,47 Ач. Емкость 4 аккумуляторов SANYO @,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
аккумуляторов в режиме циклирования ухудшение их характеристик
происходит в большинстве случаев из-за изменений в активных массах
положительного электрода, которые выражаются в разрыхлении и сульфатации.
Это приводит к потере контакта между частицами диоксида свинца и
снижению емкости. Устранить процесс деградации, как и любого
старения, нельзя, но следует избегать больших разрядных импульсов,
ускоряющих процесс разрыхления массы, и глубоких разрядов
аккумуляторов, при которых возникает необратимая сульфатация электродов.
Некоторые производители, которым удалось путем корректировки
рецептур уменьшить вероятность сульфатации электродов при
длительном хранении при низком напряжении или при частых глубоких
разрядах, специально отмечают эти особенности (см. раздел 4.5.1).

7.2. ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА 211
В [107] описывается возможность восстановления характеристик
аккумуляторов, емкость которых снизилась до 80 % от начальной, при цик-
лировании с зарядом пульсирующим током (время импульса порядка 100-
200 мс, соотношение времени импульса и паузы 1 : 3). Эта возможность
проверялась на аккумуляторах с решетками из сплавов свинец-сурьма и
свинец-калыдий-олово. Несмотря на то, что механизмы, вызывающие
преждевременную потерю емкости, различаются, эффект от заряда
пульсирующим током наблюдался у обоих типов источников тока.
Целесообразно периодически проводить циклирование в таком
режиме для поддержания электродных масс аккумулятора в активном
состоянии.
При эксплуатации герметизированных свинцово-кислотных батарей
следует помнить, что в атмосфере помещения, в котором они
эксплуатируются, может повыситься концентрация водорода (из-за сброса
излишнего давления при перезаряде батарей). В целях безопасности
помещение следует проветривать, так как в присутствии пламени или
искры в атмосфере не должно быть содержания водорода в концентрации
больше 4% [51].
Профилактические мероприятия при эксплуатации
литий-ионных аккумуляторов
Литий-ионные батареи не требуют регулярного обслуживания,
циклы тренировки слабо влияют на срок службы аккумуляторов.
Достоверных сведений о возможности восстановления их характеристик после
наработки пока не имеется.
Следует помнить только, что схемы защиты батареи имеют малое
собственное потребление, но тем не менее достаточное, чтобы за
несколько месяцев напряжение батареи могло снизиться до 2,5 В. В этом
случае многие зарядные устройства не дадут возможности зарядить
потерявшую емкость батарею.
Если батарея не используется в режиме циклирования, необходимо
периодически подзаряжать ее на 30-50 %.

8 ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ
ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ
ТОКА
В процессе эксплуатации химических источников тока часто
возникает вопрос о возможности определения их технического состояния. Для
первичных источников тока - это оценка их сохранности и способности
обеспечить определенный рабочий диапазон напряжения. Для
перезаряжаемых источников тока имеют смысл два вопроса: возможность
оценить в любой момент величину остаточной емкости и прогноз
дальнейшей работоспособности.
При рассмотрении этих задач мы сталкиваемся с тремя проблемами:
- наличие параметров источников тока, которые позволили бы с
необходимой точностью обеспечить оценку его состояния;
- разброс величин этих параметров у источников тока одного типа;
- наличие простой аппаратуры, позволяющей произвести
тестирование источника тока, и методик оценки его состояния.
Описывая ограниченные возможности технической диагностики,
которая 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
производителей, изготавливающих аппаратуру 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
перезаряжаемых, так и для прогнозирования последующей работоспособности
циклирующихся аккумуляторов в качестве диагностических параметров
могут быть использованы одни и те же характеристики источников тока.
Это их напряжение при разомкнутой цепи и под нагрузкой,
сопротивление, 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 необходимо использовать цифровой вольтметр с большим входным

8.1. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ 213
сопротивлением, чтобы не нагружать источник тока, и погрешностью не
более ±0,1 %. Необходимо также исключить влияние различных
факторов, дестабилизирующих измерения: проводить их следует при
одинаковой температуре и при стабильном состоянии источника тока.
Попытки использовать измерения НРЦ для оценки остаточной
емкости источника тока предпринимались чаще всего при диагностировании
первичных источников тока. Большого успеха в оценке степени
сохранности элементов при измерениях НРЦ достигнуть не удалось. Это
обусловлено не столько малыми изменениями НРЦ элементов при
уменьшении их остаточной емкости, сколько тем фактом, что эти изменения
соизмеримы 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
первичных источников тока, даже литиевых, у которых пассивация
поверхности анода со временем искажает картину изменений НРЦ [108].
Оценить состояние заряженности щелочных аккумуляторов с
неизвестной предысторией эксплуатации по величине НРЦ нельзя. Но такие
измерения дают возможность оценить степень сохранности аккумулятора в
течение 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-металлгид-
ридного VH 4/5A) с разной потерей емкости за 28 суток хранения B5, 60 и
28 % соответственно) был построен единый график зависимости между
величинами НРЦ щелочных аккумуляторов и их саморазряда (рис. 8.1).
Видно, что независимо от скорости саморазряда аккумуляторов все
экспериментальные данные могут быть аппроксимированы одной кривой,
представляющей почти линейную зависимость между этими величинами.
Для щелочных аккумуляторов других производителей зависимость
НРЦ - Cqct из-за некоторого разнообразия рецептур активных масс
электродов 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
меняется. Поэтому зависимость между НРЦ и остаточной емкостью при потере
более 30-40 % емкости несколько изменится.
Аналогичная зависимость НРЦ и Сост должна иметь место и
непосредственно после разряда (но не после длительного хранения в
разряженном состоянии).
В ОАО "НИАИ "Источник", например, разработана методика доза-
ряда герметичных призматических Ni-Cd аккумуляторов с металлоке-
рамическими положительными и прессованными отрицательными
электродами, которая позволяет определить уровень необходимого дозаряда
аккумуляторов, разряженных на разную глубину. Емкость, которую
следует сообщить разряженному аккумулятору, определяют в зависимости

214
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Рис. 8.1. Зависимость НРЦ щелочных аккумуляторов SAFT от величины
потерь емкости при хранении их в течение 1 месяца после заряда
от величины НРЦ аккумулятора в соответствии с экспериментально
определенной кривой (рис. 8.2). Измерения НРЦ для установления в
аккумуляторе стационарного состояния должны проводиться не ранее чем
через 1 ч после очередного разряда. Из рис. 8.2 видно, как меняется
характер зависимости при уровне разряженности более 30 %. В диапазоне раз-
ряженности 30-90 % от С„ кривая также имеет линейный характер, но с
меньшим наклоном.
Следует отметить, что такая оценка остаточной емкости с наработкой
аккумуляторов становится все менее точной. При длительном циклиро-
вании аккумуляторов миграция активных масс катода и появление
дендритных мостиков между электродами разной полярности добавляет еще
один механизм саморазряда, и начальная зависимость НРЦ - Сост может
существенно исказиться.
Рис. 8.2. Рекомендуемый дозаряд призматических Ni-Cd аккумуляторов ОАО
"НИАИ "Источник" в зависимости от уровня их разряженности

8.1. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
215
Рис. 8.3. Зависимость НРЦ и степени заряженности герметизированных свин-
цово-кислотных аккумуляторов PANASONIC [53]
Степень разряженности свинцово-кислотных аккумуляторов по
величине 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
аккумуляторов с изменением степени заряженности показано на рис. 8.3.
Напряжение под нагрузкой ({/раб)
Может показаться, что напряжение источника тока при подключении
нагрузки может дать больше информации о его состоянии.
Унифицированность измерений для тестирования проще всего
обеспечить, если считать рабочим напряжением ?/раб такое, которое имеет
место для источников тока каждой электрохимической системы при
разряде 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
технического приложения, то становится очевидным, что этот параметр скорее
всего может обеспечить весьма ограниченные возможности для
диагностики степени заряженности источника тока. Зона низкой
чувствительности параметра ?/раб в средней области характеристики обычно составляет
70-80 % его полной емкости. Так как величина рабочего напряжения
определяется не только степенью заряженности источника тока, но и его
индивидуальными особенностями и предысторией эксплуатации, в
любой момент оценить величину его остаточной емкости по этому
параметру нельзя. Сколько-нибудь четко удается отличить только практически

216 8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
полностью разряженный источник тока от того, который еще сохраняет
некоторую энергию. А учитывая разброс характеристик свежих
источников тока, в общем случае трудно рассчитывать на сколько-нибудь
полезную 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 кратковременный тестовый
сигнал - нагрузку током, обеспечивающим отклик, который можно измерить с
достаточной точностью. Учитывая, что внутреннее сопротивление
источников тока рассматриваемых нами классов измеряется единицами и
десятками миллиом, для того чтобы получить изменение напряжения в
несколько 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
величину импульса (в величинах относительно емкости источника тока), так и
его продолжительность. Точность оценки напряжения будет зависеть от
регламентированных условий измерений и аппаратуры, которая
обеспечивает унифицированный тестовый сигнал и измерение отклика 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 снижения
напряжения при нагрузке в 400 Ом (или большей для самых миниатюрных
элементов) в течение 0,2 с. Тест, однако, не позволяет оценить остаточную
емкость элементов. Распространение этой методики отбраковки на
элементы других компаний возможно только при условии обследования
достаточно больших партий их продукции и определения стандартной величины
снижения напряжения при регламентированной тестовой нагрузке.
Оценка в любой момент состояния заряженности аккумулятора по
величине его напряжения при нагрузке вообще невозможна, так как ?/раб
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
напряжения 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
характеристик требуется несколько циклов заряда-разряда. Подробнее об этом
можно прочитать в главе 3.

8.1. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ 217
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
протекающий ток в соответствии с долями потерь напряжения на разных
составляющих полного сопротивления.
В общем виде напряжение источника тока под нагрузкой
U = НРЦ - IR = НРЦ - / (Яо + Япол),
где / - ток разряда; R - полное сопротивление ХИТ. Омическое сопротивление Rq
определяется сопротивлением токопроводящих деталей электродов, их активных
масс и сопротивлением электролита, поляризационное сопротивление Rn0J] -
характером электрохимических реакций. Соотношение R& и Rnon источника тока
различно при разной степени его заряженности.
Сопротивление R& отражает все особенности технологического
процесса производства (количество залитого электролита, распределение его
в поровом пространстве электродов и сепаратора, плотность сборки
блока 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
этого параметра.
Поляризационное сопротивление /?пол отражает динамику
электрохимических реакций. Оно увеличивается при уменьшении степени
заряженности. В процессе длительной эксплуатации изменения активных масс и
состояния поверхности электродов также сказываются на величине Rnon.
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 диапазоне
частот.
Информационные возможности интерпретации результатов измерений
сопротивления переменному току связаны с тем, что теория электрических цепей
переменного тока [109-111] опирается на положение, что через ХИТ ток
протекает как фарадеевский за счет электрохимических реакций и как ток заряжения
двойного электрического слоя. И протекание окислительно-восстановительной
реакции электрохимической системы отражается эквивалентной схемой вида,
показанного на рис. 8.4.
Заряжение двойного слоя моделируется конденсатором. Импеданс двойного
слоя не зависит от частоты переменного тока. Фарадеевский импеданс
моделируется соединением емкости CF и сопротивления /?F, которые определяются
скоростью переноса заряда через границу раздела электрод/электролит и диффузионной

218
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Рис. 8.4. Эквивалентная схема электрохимической системы:
Ra - омическое сопротивление источника тока, Сдв - емкость двойного слоя, Ro -
сопротивление переноса заряда, Zw - импеданс Варбурга
Рис. 8.5. Годограф импеданса электрохимической системы:
/ - область кинетического контроля, // - переходная область, /// - область диффузионного
контроля
кинетикой активных частиц. На эквивалентной схеме он представлен как
диффузионный импеданс Варбурга Zw CF и /?р зависят от частоты тока, они
пропорциональны со/2, где О) = 2nf- круговая частота. Сопротивление Ro - величина,
характеризующая ток обмена, интенсивность электрохимической реакции.
Таким образом, общий импеданс электрохимической системы имеет вид:
Z = RQ + 1/(/о)Сдв + \I(RO + awco/2 +yawcr1/2)).
Анализ этого выражения, а также разделенного на действительную R = Re(Z)
и мнимую X = Im(Z) составляющие импеданса сложен и неудобен. Чаще
анализируется годограф - представление импеданса на комплексной плоскости, -
который в ряде случаев позволяет упростить задачу оценки кинетических параметров
электрохимических процессов или просто найти некоторый набор параметров для
характеристики состояния источника тока. Годограф импеданса
электрохимической системы показан на рис. 8.5.
Реальные источники тока, естественно, имеют годографы более сложного
вида, поскольку, во-первых, отражают суперпозицию обоих электродов, а во-
вторых, искажаются наложением адсорбционных, кристаллизационных и других
процессов, имеющих место при протекании процессов на электродах.
Электроды разной природы могут иметь годографы с разными искажениями
[112, 113]. Специфика процесса преодоления энергетического барьера при
переносе заряда, неоднородность поверхности электрода отражаются в уплощении
высокочастотного полукруга. При более низких частотах из области /
кинетического контроля часто формируются "хвосты", характер которых зависит от меры
неоднородности поверхности электрода. Они могут приобретать даже вид петли,
когда X - Im(Z) становится положительным, а R = Re(Z) уменьшается с
уменьшением частоты. При частотах со —> 0 годограф плавно, почти по траектории
полуокружности, снижается до предельного значения, определяемого параметрами
диффузионного процесса. Адсорбционные процессы более всего сказываются в
переходной области импеданса. Импеданс пористого электрода равен VZ , где
Z- импеданс гладкого электрода, а наклон годографа в диффузионной области
составляет тс/8.

8.2. ИЗМЕРЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ 219
При затруднении интерпретации импедансного годографа обычно
используются более общие концепции электрохимических цепей переменного тока [ПО, 111],
которые позволяют любой электрохимический процесс описать линейной
электрохимической цепью. Наклон Варбурга интерпретируется как эмпирический
параметр, скорее качественный, чем количественный по отношению к
диффузионному сопротивлению: чем меньше угол наклона, тем больше скорость диффузии.
В некоторых случаях сравнение импедансных спектров разных электродов
или источников тока может дать полезную информацию просто в терминах
характерных параметров годографа.
Следует заметить, что параметр "импеданс", который присутствует в
каталогах зарубежной продукции и позволяет сравнивать ее мощностные
характеристики, соответствует величине сопротивления переменному току
при частоте 1000 Гц. В отечественной документации обычно используется
другой параметр, характеризующий сопротивление источника тока
постоянному току, протекающему в течение определенного промежутка
времени. Для того чтобы понять соотношение величин сопротивлений,
соответствующих отечественному и зарубежному стандартам, сначала
следует рассмотреть методы и аппаратуру измерений, которые используются в
обоих случаях. После этого можно будет дать ключ к сравнительной
оценке сопротивления отечественных и зарубежных аналогичных
источников тока.
8.2. ИЗМЕРЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
Полное внутреннее сопротивление источника тока может быть
оценено при измерении его напряжения при изменении нагрузки. R = (U\ -
- U^lih - Л), где индексы 1 и 2 соответствуют измерениям в начальный и
конечный момент и ток /2 превышает 1{ в несколько раз. ГОСТ на
щелочные аккумуляторы регламентирует время протекания токов 1\ и /2 A0 и 3 с
соответственно). Измерения сопротивления источников тока должны
производиться после их заряда, но не ранее чем через 1 ч.
Если исследователь хочет определить внутреннее сопротивление
источника тока при разной степени его разряженности, он должен помнить
о необходимости некоторой паузы перед началом измерений,
требующейся для достижения стационарного состояния источника тока.
Омическое /?д и поляризационное Rm}l сопротивления измеряются
обычно при подаче на источник тока разрядного импульса тока в течение
времени, достаточного для достижения нового стационарного состояния
источника тока. Вид отклика источника тока показан на рис. 8.6.
Омическое сопротивление Rq мало меняется в начале заряда, а затем
начинает увеличиваться, и тем раньше и больше, чем меньше
номинальная емкость аккумулятора. Поляризационное сопротивление Rnojl
меняется при разряде ХИТ в большей степени.

220 8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Рис. 8.6. Отклик химического источника тока на
разрядный импульс постоянного тока
Значительное увеличение Rnon
разряженного источника тока сказывается и на точности
измерений, так как определение границы
сопряжения Rq и Rnon достаточно сложно. При
регистрации отклика с помощью разной
аппаратуры могут иметь место разные погрешности оценки его
составляющих. При полной разряженности источника тока границу между R& и /?пол
определить вообще затруднительно, так же как и достичь стационарного
состояния источника тока.
Сопротивление переменному току (импедансный спектр) дает
более обширную информацию об источнике тока, но измерения должны
проводиться 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
зависит от уровня технического обеспечения, которое должно осуществлять
стабилизацию состояния источника тока, наложение тестового сигнала, регистрацию
отклика. Аппаратура для измерений должна обеспечить получение
воспроизводимых 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: потенциостатическом и
гальваностатическом. Из-за нелинейности вольтамперной характеристики
большинства ХИТ второй режим предпочтительнее, так как позволяет использовать
тестовый сигнал большего уровня и более простую аппаратуру [111]. Тем более что
при измерениях в потенциостатическом режиме все равно невозможно добиться
полного прекращения в источнике тока процессов саморазряда, пассивации 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 сигнала нельзя,
поскольку это приводит к работе электрохимической системы в нелинейной
области и интерпретация результатов измерений сильно затрудняется.
Первоначально импедансные измерения проводились с помощью мостов
переменного тока, но они не позволяли исследовать диапазон частот ниже звукового.
Для измерений может быть использовано также и детектирование фазочувстви-
тельное и квадратурное (при сигнале с фазовым сдвигом 0 и 90°). Но самые
точные измерения проводятся на современных корреляционных анализаторах
отклика на синусоидальный сигнал, реализующих анализ Фурье, благодаря чему эта
аппаратура имеет исключительно хорошие фильтрационные свойства. Лучшая
аппаратура, используемая во всем мире для высокоточных импедансных измерений в
диапазоне частот от 106до КГ6 Гц, выпускается английской компанией SOLARTRON.

8.2. ИЗМЕРЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
221
Рис. 8.7. Зависимость полного
импеданса химического источника тока
от частоты
Аппаратура обеспечивает измерения
сопротивлений от 10~3 Ом с точностью
0,1-1 % во всем диапазоне частот. Она
позволяет получить годограф
импеданса (см. рис. 8.5) или импедансную
характеристику в других
координатах, удобных для последующего
анализа. Это дорогая аппаратура,
требующая квалифицированного обслуживания, и используется она только 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 КГ'-КГ Гц и
вольтметра переменного тока). При последовательной регистрации
отклика источника тока U~ на сигнал переменного тока L в некотором
диапазоне частот можно получить характеристику его импеданса Z= U~/L =
= Z(/), где / - частота, Гц. Вид импедансной характеристики источника
тока показан на рис. 8.7.
Поскольку эквивалентное сопротивление источника тока включает и
активное, и емкостное, полное сопротивление переменному току
меняется при изменении частоты, и тем больше, чем меньше емкостное
сопротивление (кривая 7). У аккумуляторов большой емкости (десятки
ампер-часов) с электродами большого размера появляется дополнительно
индуктивное сопротивление, которое увеличивает Z при высоких
частотах (кривая 2). Величина Zmin соответствует омическому сопротивлению
Rq. Для источников тока емкостью до 2—10 Ач полный импеданс Z,
измеренный при частоте 1000 Гц, соответствует RQ источников тока.
Необходимо обратить внимание на тот факт, что сопротивление,
которое измеряется в соответствии с ГОСТ на щелочные аккумуляторы,
включает и поляризационное сопротивление, т. е. больше, чем ZiOoo Гц-
И разница эта определяется в наибольшей степени техническими
характеристиками аппаратуры (возможностью обеспечения большой скорости
изменения тока до новой величины при подаче разрядного импульса), но
также и величиной тока разрядного импульса.
В [15] представлены результаты сравнительных измерений
сопротивления Ni-Cd аккумуляторов разных конструкций и емкости:

222
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Характеристики
Конструкция
Дисковые
Цилиндрические

Призматические
Емкость, мАч
Сопротивление, мОм
(постоянный ток)
Сопротивление, мОм
(переменный ток 1 кГц)
* Аккумуляторы большой энергии
Сопротивление постоянному току измерялось при разных импульсах
тока: для дисковых 1{ = 0,1 С, /2 = 2,1 С, для цилиндрических токи были
0,2 С и 4,2 С соответственно.
Из таблицы видно, что результаты двух методов сильно разнятся и
прямой пропорциональности между ними нет.
Поэтому, если возникает необходимость сравнить вновь
разработанные аккумуляторы с зарубежными аналогами, следует проводить
измерения импеданса при 1 кГц, так как другой информации о зарубежной
продукции нет.
Если же ведется отработка технологии новых изделий или необходима
сортировка аккумуляторов с учетом внутреннего сопротивления, можно
проводить измерения и при постоянном токе. При таких измерениях
следует учитывать, что максимум информации дает не величина сопротивления
через 3 с после подачи разрядного импульса, а кривая изменения
напряжения аккумулятора в течение этого периода, которая позволяет и выделить
омическое сопротивление, и оценить соотношение Rn и поляризационного.
А величина /fo будет измерена тем точнее, чем круче передний фронт
разрядного импульса тока и выше скорость регистрации отклика аккумулятора.
8.3. ОПЫТ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ИСТОЧНИКОВ ТОКА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ
ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
Попытки использовать измерения внутреннего сопротивления,
полного и его составляющих, для оценки качества и состояния ХИТ
предпринимались 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 удается найти достаточно четкие
количественные меры диагностического параметра, которые позволили бы
обеспечить приемлемую точность оценки состояния ХИТ.

8,3, ДИАГНОСТИКА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ 223
Импедансные характеристики щелочных и свинцово-кислотных
аккумуляторов
В 1980-е годы проводилось довольно много исследований импеданс -
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 отдельные
электроды при разной степени заряженности или деградации. Рассматривалось
изменение всех составляющих импеданса, либо определенных из
годографа, либо вычисленных - в терминах эквивалентной схемы. Было показано,
что вид годографа сильно меняется при разряде источника тока, особенно в
конце его, а импедансная характеристика деградировавшего источника
тока отличается от характеристики 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 не было дано. Как
правило, исследовались отдельные изделия, но не оценивался
статистический риск ошибки при этом методе диагностики. В заключение следует
сказать, что исследования изменений импедансных спектров требуют
специального высокоточного оборудования, трудоемки и никогда не смогут
использоваться для массовой диагностики реальных источников тока.
Но исследования импедансных характеристик электродов при поиске
новых материалов и технологий их изготовления во многих случаях
существенно ускорили разработки. Они помогли также более четко описать
картину деградации источников тока и были полезны исследователям и
разработчикам в определении путей повышения срока их службы.
При отработке технологии изготовления источников тока могут быть
полезны более простые измерения их омического сопротивления. Так,
например, было показано [37], что разброс Rq заряженных герметичных
Ni-Cd аккумуляторов производства ВНИАИ (емкостью от 10 до 120 Ач)
составляет 40-60 %. Корректировка процедуры дозирования электролита
в аккумуляторах НКГК-90 СА при контроле их омического
сопротивления позволила улучшить качество продукции. Было показано [112], что
при изменении дозировки электролита на 10 % Rq аккумуляторов
снижается почти в 1,5 раза, а разброс Rq заряженных аккумуляторов уменьшается
до ±10 % (при разряде на 50 % - в 1,5 раза, при разряде до 1 В - в 5 раз).
Этим достигается значительно большая однородность продукции. Для
измерений Rq аккумуляторов емкостью более 30 Ач была разработана
методика работы на простейшей аппаратуре, которая может быть
использована в производственных условиях для быстрого измерения большого
количества аккумуляторов, собранных в цепочки [113].

224 8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
В процессе длительной эксплуатации происходит заметное
уменьшение количества электролита в герметичном аккумуляторе и
перераспределение его в электродах и сепараторе, что будет проявляться в
увеличении его омического сопротивления. Изменение R& особенно заметно при
малой остаточной емкости. К увеличению R& приводит и деформация
аккумулятора в результате вздутия его при частых перезарядах. А
изменение поверхности электродов будет отражаться более всего в
поляризационном сопротивлении.
Определение дефектных и деградировавших источников тока,
увеличение сопротивления которых влечет снижение рабочего напряжения на
всем протяжении разряда, связано главным образом с оценкой его
омического сопротивления. Однако разброс R& у новых аккумуляторов одного
типа, как правило, соизмерим с увеличением индивидуальной
характеристики сопротивления в результате деградационных процессов.
Измеренная в какой-то момент величина /?й при неизвестной 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
^пол.
Разброс омического сопротивления современных цилиндрических
герметичных щелочных аккумуляторов при автоматизированном их
производстве не превышает 10-15 %. Определить дефектные или
деградировавшие после большой наработки можно при большем отклонении от
величины импеданса, данной в каталоге.
В попытке найти достаточно эффективный диагностический
параметр для оценки состояния заряженности аккумуляторов
рассматривались изменения их импедансных спектров в процессе заряда.
Первоначально измерения сопротивления (в диапазоне частот от 1 кГц до 0,01 Гц)
проводились при отключении аккумуляторов после сообщения
очередной порции заряда. Величина активной составляющей импеданса R при
частоте 1 кГц соответствует сопротивлению Rq. На рис. 8.8 и 8.9 показано
изменение в процессе заряда импедансных характеристик штатного
герметичного никель-кадмиевого аккумулятора [114] и герметизированной
свинцово-кислотной ячейки [115].
Из рис. 8.8 видно, что величина Rq разряженного Ni-Cd
аккумулятора (кривая 7) отличается от этой величины для всех других состояний.
После заряда более чем на 50 % величина Rq вообще не меняется.
Наибольшие изменения претерпевает низкочастотное сопротивление,
отражающее диффузионные процессы. Было показано [37], что в Ni-Cd
аккумуляторе за эти изменения ответствен положительный электрод, на
котором при перезаряде бурно выделяется кислород, и эти изменения имеют
место как в герметичном аккумуляторе, так и в открытом.

8.3. ДИАГНОСТИКА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ 225
Рис. 8.8. Импедансные характеристики Ni-Cd аккумулятора емкостью 30 Ач
при разной степени заряженности (С3ар/Сраз):
/_ о,О7, 2 -0,30, 3-0,70,4-0,80,5-0,95,6- 1,07, 7-1,15
В свинцовом аккумуляторе меняется импеданс обоих электродов, но
при перезаряде наибольшие изменения происходят в отрицательном,
когда начинает интенсивно выделяться водород.
Импедансные спектры Ni-MH аккумуляторов аналогичны спектрам
никель-кадмиевых как по характеру и величине параметров, так и по
частотному спектру [116, 117], поскольку вклад в общий импеданс этих
источников тока импеданса отрицательного электрода меньше, чем
импеданса положительного оксидно-никелевого электрода.
Рис. 8.9. Импедансные характеристики герметизированной свинцово-кислотной
ячейки емкостью 1,2 Ач при разной степени перезаряда (СЗЯр/Сраз):
1-0,2- 0,60, 3 - 0 90, 4 - 1,15, 5 - 1,45, 6 - 1,95

226 8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Выработать четкие критерии для оценки остаточной емкости
аккумулятора на основании измеренных величин внутреннего сопротивления
не удалось. Но ниже мы покажем решение задачи, которая может быть
интересна разработчикам оборудования для эксплуатации источников
тока. Задача состояла не в определении остаточной емкости источника
тока, но в эффективном и безопасном его дозаряде при любом состоянии.
Решение оказалось пригодным не только для щелочных аккумуляторов,
но и для свинцово-кислотных.
При рассмотрении характера изменений импеданса в процессе заряда
источников тока с водным электролитом был найден параметр, который
позволяет эффективно контролировать процесс их заряда в широком
диапазоне токов заряда и температур. Этот параметр - отклик источника
тока на сигнал переменного тока 0,01 Сн и частотой порядка 0,1-0,01 Гц,
который накладывается периодически на зарядный ток. Частота
переменного тока зависит от емкости источника тока, от площади его
электродов. При С = 0,5-2 Ач/= 0,1-0,3 Гц. Для источников тока емкостью в
несколько десятков ампер-часов частота, при которой анализируется
диффузионное сопротивление, ниже (порядка 0,01 Гц) [37].
В аккумуляторах с водным электролитом интенсификация процесса
выделения газов при перезаряде приводит к характерным изменениям
низкочастотного импеданса, которые связываются с газозаполнением поро-
вого пространства положительного электрода. На 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), на рис. 8.11 -
герметизированной свинцово-кислотной ячейки емкостью 1,2 Ач.
Реактивная составляющая импеданса вменяется наиболее сильно, но
для некоторых источников тока достаточно большими являются
изменения и полного импеданса Z = V#2 +xi = U~/L, измерить который
проще (см. раздел 8.2).
Характерные изменения кривой Х=ЛСщ) при заряде до С„ и перезаряде
значительно больше по величине, чем изменения напряжения источника
тока. Кривые имеют аналогичный вид и у аккумуляторов с деформацией
корпуса, которая может возникнуть в результате чрезмерного выделения газа
на предшествующих циклах. Следует отметить также, что если процесс
перезаряда приводит к выделению водорода на отрицательном электроде, то на
кривой А^ДСзар) появляется второй максимум, но выраженный менее четко.
Контроль процесса заряда может быть осуществлен при
постоянном мониторинге X (или в некоторых случаях Z): состояние полной за-
ряженности соответствует моменту перегиба кривой X = f[C3ap).
Возможен контроль заряда при любой остаточной емкости источников тока,
так как характерные изменения при перезаряде сохраняются и в этом
случае [114, 118]. Скорость мониторинга при частоте тестового сигнала
0,1 Гц вполне достаточна для контроля даже быстрого заряда.

Рис. 8.10. Изменение в
процессе заряда напряжения и
внутреннего сопротивления
переменному току (/"=1 Гц)
герметичных щелочных
аккумуляторов:
а - Ni-Cd аккумулятор SAFT
@,5 Ач); б - Ni-Cd
аккумулятор ОАО "Луганские
аккумуляторы" @,5 Ач); в - Ni-MH
аккумулятор MOTOROLA A,0 Ач)

228
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Рис. 8.11. Изменение в
процессе заряда импе-
дансных характеристик
герметизированной свин-
цово-кислотной ячейки
емкостью 1,2 Ач при
разных частотах
переменного тока:
7 и 5 - при 10 Гц, 2 и 6 - при
1 Гц, 3, 7 и 9 - при 0,1 Гц,
4 и 8- при 0,01 Гц
1-4 - емкостная составляющая
импеданса (А), 5-8 -
активная составляющая
импеданса (/?), 9 - модуль импеданса
Измерения низкочастотного импеданса были использованы также и
для оценки поглощающей способности кадмиевых электродов в
герметичных никель-кадмиевых аккумуляторах [119].
Импедансные характеристики литиевых источников тока
Оценка качества и состояния первичных литиевых источников тока,
как свежих, так и в процессе длительного (в течение 10 лет) хранения,
затрудняется тем обстоятельством, что анод покрыт пассивирующей
пленкой, которая не позволяет с достаточной точностью определить их
сохранность по величине НРЦ. Поэтому все исследователи пытались найти
какие-то возможности диагностики при измерении их импедансных
спектров.
При разработке литиевых источников тока импедансные
исследования оказались мощным инструментом, позволившим детально
рассмотреть влияние различных факторов на процесс формирования и
разрушения 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
электролита СО2 и воды.

8.3. ДИАГНОСТИКА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ 229
Полагают, что полный импеданс литиевого электрода определяется
главным образом импедансом границ раздела пленка/электролит и самой
пленки [120-123J. Годограф его имеет вид полуокружности в области
частот от десятков килогерц до десятков герц и низкочастотный контур в
диффузионной области, высота которого зависит от тока поляризации
электрода. Рост пленки во времени оценивают обычно по параметрам
импеданса при частоте ниже 100 Гц.
Все авторы, изучавшие скорость коррозии лития в различных
электролитах, отмечают, что значительные изменения импедансных
характеристик на свежем электроде происходят в течение часов, а затем
замедляются, но не прекращаются в течение нескольких дней. Скорость
изменений определяется как самим электродом, так и электролитом. Поэтому
в производстве динамика изменения импедансных характеристик
электродов в процессе хранения в течение нескольких часов может являться
характеристикой технологических качеств электрода и среды.
Импедансные годографы литиевых источников тока, как правило,
имеют вид, аналогичный виду годографа литиевого анода, но с более
уплощенным высокочастотным полукругом.
Возможности контроля производства литиевых элементов подробно
описаны в [124]. Изучались импедансные характеристики литий-фтор-
углеродных элементов типа BR 2590 производства НПП "КрасЛИТ"
сразу после их изготовления и после технологической выдержки в течение
1 месяца. Была показана возможность отбраковать элементы, в которых
при производстве были нарушены технологические нормы на дозировку
электролита или допущено повышенное содержание воды в аноде и
электролите.
Отмечено характерное увеличение после 1 месяца хранения трех
параметров импедансных спектров элементов, которые соответствуют
сопротивлению электролита, сопротивлению переноса заряда и емкостной
составляющей при частоте в диапазоне 80-200 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
отличаются от нижних в 4-5 раз.
Вообще же у разных элементов вклады в общий импеданс
сопротивлений анода и катода могут быть различными [125-127], так же как и
изменение 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
детального изучения особенностей поведения именно этих других
элементов.

230
8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Для демонстрации принципиальной возможности диагностики
степени разряженности литиевых элементов на рис. 8.12 показано
изменение годографов отечественного элемента Li/SOCl2 при разряде [128].
В качестве диагностического параметра предлагается использовать
величину реактивного 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/SOCl2
зависимость Хшкс - Сраз линейна, но при дальнейшем разряде скорость
изменения Хмакс уменьшается. Следует отметить, что при изучении
изменения импедансных годографов элементов Li/SO2 [129] также было
обнаружено, что при разряде не более чем до 10 % происходят
значительные изменения годографов, а при дальнейшем разряде они не меняются
вплоть до практически полного исчерпания емкости. 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 элемента определяется сопротивлением катода.
Интересные результаты были получены при исследовании
импедансных спектров литий-фторуглеродных элементов для
электрокардиостимуляторов (рис. 8.13) [130].
Рис. 8.12. Импедансные годографы элемента Li-SOCl2 при разной степени
разряженности (в %):
1 - 0; 2 - 2; 3 - 4; 4 - 15 и 5 - 30. Цифры над точками годографов - частоты в килогерцах

8.3. ДИАГНОСТИКА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ 231
Рис. 8.13. Годографы импеданса элемента ВР-5056 при различных степенях
разряженности (ток разряда 2 мА):
Нач - 86 мАч; Ср - от 224 до 1244 мАч; Кон - 1626 мАч
В начальной фазе разряда /?п и реактивная составляющая при 100 Гц
снижаются по мере разряда. При степени разряженности от 10 до 90 %
эти параметры малы и мало меняются. А в конце разряда они снова
становятся большими. Это обстоятельство позволяет использовать эти
параметры в качестве индикатора приближения электрокардиостимулятора
к концу службы: увеличение импедансных характеристик происходит
почти за год до окончания его работы в номинальном режиме.
Проверку качества литиевого элемента предлагается также
осуществлять при измерении импедансного спектра в диапазоне частот от 30 кГц
до 1 Гц. Величину начального провала напряжения определяет
сопротивление Ra и поляризационное, которое характеризуется высотой и
диаметром высокочастотного полукруга [89]. Продолжительность провала
может быть оценена по частоте в низкочастотной области импеданса.
Учитывая опыт диагностики степени разряженности литиевых
элементов, можно рекомендовать при испытаниях долго хранившихся источников
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
спектроскопия 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 [81, 130] описываются иссследования импедансных
характеристик аккумуляторов SONY 18650S, свежих и потерявших после 800
циклов 30 % начальной емкости.

232 8. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
Импедансные спектры ЛИА, и свежих, и деградировавших,
представляют 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 Хмакс
и сопротивление переноса заряда в 2 раза больше, чем у заряженного.
При этом вклад в импеданс ЛИА импеданса положительного электрода
из LiCoO2 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 [80] сделана попытка оценить возможность определения по им-
педансным характеристикам степени разряженности литий-ионных
аккумуляторов типоразмера 18650 трех компаний: PANASONIC, SONY и
А&Т. Было показано, что никаких специфических изменений импе-
дансных характеристик вплоть до полного разряда аккумулятора не
отмечается.
В [131] было показано, что за большое (более чем на порядок)
изменение импеданса ЛИА при температуре -20 °С ответственно
сопротивление границы раздела катод/электролит, но введением в электролит
специальных добавок оно может быть существенно снижено.
8.4. ДИАГНОСТИКА ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
ПРИ ЦИКЛИРОВАНИИ
Поскольку оценка степени деградации источников 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
циклов 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 емкости, может быть предпринято циклирование в
специфическом режиме (см. главу 6) с целью проверки возможности восста-

8.4. ДИАГНОСТИКА ПРИ ЦИКЛИРОВАНИИ 233
новления начального состояния активных масс и увеличения разрядной
емкости.
При деградации источника тока (изменении поровой структуры
положительного электрода и интенсификации выделения кислорода с
его поверхности или ухудшении поглощающей способности кадмиевого
электрода) изменяется вид кривой его зарядного напряжения.
Напряжение аккумулятора при сообщении емкости, близкой к номинальной,
возрастает, а снижение напряжения при перезаряде становится более
заметным. Анализ изменений позволяет диагностировать нарушенный газовый
баланс и определить новые параметры контроля для обеспечения
эффективного и безопасного заряда.
С наработкой увеличивается саморазряд аккумуляторов. В Ni-Cd
аккумуляторе это происходит прежде всего из-за дендритной структуры
металлических осадков на отрицательном электроде. Дендриты
прорастают через сепаратор и образуют проводники между разнополярными
электродами. Проверку саморазряда осуществляют в конце тестирования.
После очередного заряда аккумулятор с уже определенной разрядной
емкостью оставляют на хранение в течение некоторого
регламентированного промежутка времени. Разница между установленной разрядной
емкостью и той, что удается снять после хранения аккумулятора, и
определяет величину его саморазряда.
Из-за обычного разброса всех указанных характеристик и
внутреннего сопротивления источников тока результаты тестирования
аккумулятора с неизвестными начальными характеристиками и неизвестной
предысторией эксплуатации позволяют оценить его качество, но не меру
деградации. Деградация источников тока может быть оценена только в том
случае, если в архив будет заложена информация о его начальных
характеристиках. Такой подход к прогнозу работоспособности особенно
целесообразен при длительной эксплуатации источников тока в аппаратуре
для ответственных приложений.

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
аккумуляторах и батареях с большим напряжением, а с другой стороны, имеют
аппаратуру для диагностики их состояния и возможного восстановления.
Главным видимым признаком деградировавшего источника тока
является снижение его емкости. Задача состоит в том, чтобы определить,
безвозвратны ли эти потери. Ремонт (скорее, реанимация) единичного
источника тока может означать только некоторое восстановление его
характеристик. Ремонт батареи - 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
микрокоротких 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 аккумуляторов, у которых в результате эксплуатации в
электродах образовались крупные кристаллы или никелаты, были подробно
описаны ранее в главе 6.
Некоторое уменьшение общего количества электролита и его
перераспределение в герметичных аккумуляторах - неизбежное зло при их
эксплуатации. Оно влечет за собой повышение омического
сопротивления аккумуляторов, особенно при большой степени разряженности.
Вообще изменения внутреннего сопротивления в цикле заряда-разряда и
при наработке отражаются в изменении напряжения аккумуляторов под
нагрузкой. Однако при стандартных режимах разряда на большей части
разрядной кривой это изменение заметить трудно. Но при низких
температурах и больших нагрузках 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 отрицательного электрода
через сепаратор до "положительного электрода), то увеличивается
саморазряд аккумуляторов. С учетом этого необходима коррекция режима
дальнейшей эксплуатации аккумуляторов. Иногда пытаются ликвидиро-

9. РЕМОНТ БАТАРЕЙ И ПРОДЛЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ 235
вать саморазряд кратковременным закорачиванием аккумулятора для
выжигания дендритов, но процедура эта малоэффективна.
При отбраковке и сортировке аккумуляторов ремонтируемых батарей
проще всего, оценив реальную емкость их аккумуляторов в 1-2 циклах
стандартного режима, произвести измерения их омического
сопротивления, которые дадут возможность дополнительной отбраковки тех,
высокое сопротивление которых снизит работоспособность вновь собранной
батареи при больших нагрузках и низкой температуре.
Измерение омического сопротивления аккумуляторов позволяет
отбраковать также и аккумуляторы с незаметной на глаз остаточной
деформацией корпуса, которая может возникнуть из-за высокого давления
газов при систематических или длительных переразрядах. Такие
аккумуляторы имеют более высокое зарядное напряжение на всем протяжении
этого процесса, но, как правило, эта информация оказывается
невостребованной, так как редкий испытатель анализирует зарядные
характеристики. Такие аккумуляторы имеют и более низкое разрядное напряжение,
но не обязательно низкую емкость. При простом циклировании в
стандартном режиме они не отбраковываются.
В результате отбраковки аккумуляторов и процедур,
способствующих разукрупнению структуры активных масс электродов, вновь
собранные батареи способны обеспечить срок службы, соизмеримый с
гарантированным. А периодический заряд знакопеременным током (см. главу 7)
способен затормозить процесс дальнейшей их деградации. Хотя вечную
жизнь источнику тока, как и любому сложному объекту, обеспечить не
удастся.
При перекомплектовании 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
определяют и различие в процессах, ведущих к деградации, которые
подробно описаны для щелочных аккумуляторов в разделе 3.1.5.
Свинцово-кислотные герметичные источники тока выпускаются
главным образом в виде батарей. Всерьез рассматривать вариант
перекомплектования их аккумуляторов в батарее моноблочной конструкции
неразумно. Но можно рассортировать батареи с напряжением 4 или 6 В
для комплектования батарей большего напряжения.

ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
ГЕРМЕТИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
После изготовления аккумуляторы проходят у производителя
регламентные электрические испытания: несколько циклов заряда-разряда в
номинальном (стандартном) режиме при комнатной температуре. При
этих испытаниях разряд постоянным током величины,
регламентированной стандартом в долях номинальной емкости, позволяет оценить
фактическую емкость испытываемых источников тока и отбраковать изделия,
характеристики которых ниже допустимых.
В соответствии с документацией производителя разряд должен
производиться после заряда, регламентированного для ХИТ разных систем
по-разному. Для щелочных аккумуляторов это заряд постоянным током,
для свинцово-кислотных и литий-ионных источников тока -
комбинированный заряд, который также начинается с заряда постоянным током (см.
главы 3-5).
Большие объемы производства требуют и специального
оборудования для испытаний однотипной продукции.
Требование малого уровня пульсаций выпрямленного тока
заставляет со вниманием относиться к аппаратурной реализации преобразования
переменного тока промышленной частоты в постоянный. К аппаратуре
такого рода, как правило, предъявляется также требование рекуперации в
сеть энергии заряженных аккумуляторов при их разряде. А при
современных требованиях к качеству ХИТ, особенно для специальных
назначений, оборудование должно обеспечивать индивидуальный контроль
напряжения аккумуляторов в цикле заряда-разряда.
Аппаратура с аналогичными характеристиками требуется и для
проведения периодических и ресурсных испытаний, результаты которых
должны подтвердить стабильность производства, гарантированность
электрических характеристик и срока службы.
В настоящем справочнике не ставится задача описания аппаратуры
для массовых производственных испытаний. Однако аппаратура, которая
используется для приемо-сдаточных испытаний, а в процессе
эксплуатации - для диагностики технического состояния аккумуляторов и
проведения профилактических мероприятий, должна соответствовать
описанным выше требованиям.
В аппаратуре же, которая используется при эксплуатации ХИТ
исключительно для восполнения истраченной емкости, требования к
уровню пульсаций выпрямленного тока могут быть снижены.
Появляется возможность использовать и нестационарные режимы
заряда, если потребитель считает это целесообразным.

10. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИИ 237
Зарядные устройства, проектируемые для целей переподготовки
источников тока после исчерпания их емкости при разряде на нагрузку,
могут быть встроены в аппаратуру, где используются перезаряжаемые
химические источники тока, но чаще они выполняются в виде отдельных
устройств, приспособленных для заряда конкретных источников энергии,
или универсальных.
Зарядные устройства, обеспечивающие постоянный ток
(гальваностатический режим заряда)
Большая часть зарядных устройств обеспечивает заряд только
постоянным током и потому пригодны только для заряда щелочных
герметичных источников тока.
Простейшие бытовые зарядные устройства (ЗУ), осуществляющие
заряд постоянным током, используются для заряда от 1 до 4
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 с невысоким
уровнем его стабилизации. Ток практически всегда не регулируется, а
время заряда определяется самим пользователем. Посадочные места в
таких ЗУ с пружинными или ножевыми контактами приспособлены
более всего к установке аккумуляторов широкого использования, у которых
специфическая конструкция положительного вывода (high cap). У
аккумуляторов промышленной серии положительный вывод чаще всего
плоский, что требует внимания к их установке в ЗУ.
Универсальность бытовых ЗУ, как правило, означает возможность
установки 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 рассчитывать время заряда. За последние 5-7 лет быстрый
прогресс промышленности привел к выпуску щелочных аккумуляторов
одинаковых габаритов, но различающихся по емкости в 3 раза.
Стремление использовать бытовые универсальные зарядные устройства для
заряда аккумуляторов все большей емкости может привести к очень
длительному и, главное, малоэффективному заряду токами значительно меньше
стандартного (см. рис. 3.8). Главным достоинством таких ЗУ является их
дешевизна.
Более дорогие зарядные устройства обеспечивают несколько
режимов эксплуатации: доразряд, заряд и режим подзаряда. Доразряд
щелочных аккумуляторов (до 1 В/ак) производится с целью снятия остаточной
емкости. Однако следует учитывать, что в таких ЗУ аккумуляторы,
устанавливаемые в пружинные контакты, могут быть соединены последова-

238 10. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
тельно, а контроль разряда осуществляется по предельному разрядному
напряжению U = (п х 1,0) В, где п - количество аккумуляторов в цепочке.
Но после длительной эксплуатации аккумуляторы могут очень сильно
различаться по емкости, и контроль по среднему напряжению для всей
цепочки может привести к переполюсованию наиболее слабых и их порче.
Прекращение заряда или переключение в режим подзаряда (малым
током для компенсации саморазряда) производится в таких ЗУ
автоматически в соответствии с некоторыми из тех параметров контроля, которые
описаны в разделе 7.2. При использовании таких ЗУ следует помнить, что
не рекомендуется часто и надолго оставлять источники тока в режиме
компенсационного подзаряда, так как это сокращает срок их службы.
Некоторые ЗУ конструктивно оформлены так, что обеспечивают
заряд как 1-4 отдельных аккумуляторов, так и 9 В батареи типоразмера
6Е22 (E-BLOCK). Примером могут служить зарядные устройства
компании VARTA: VARTA Trio Charger для заряда Ni-Cd/Ni-MH аккумуляторов
типоразмеров R03, R6 и батареи E-BLOCK или VARTA Multi Comfort
Charger, в которые могут быть установлены также и аккумуляторы
типоразмеров R14 и R20. Последнее ЗУ имеет индивидуальный контроль
процесса заряда (детекция - Д?/) в каждом канале, что позволяет заряжать
одновременно аккумуляторы разных типоразмеров. Ni-MH аккумуляторы
типоразмера R03 заряжаются за 4,5 ч, R6 и R14 - за 3,3-5 ч в зависимости
от емкости, R20 и батарея 9 В - за 11 ч. Ni-Cd аккумуляторы таких же
размеров заряжаются быстрее.
Более подробное описание простейших бытовых зарядных устройств,
которые можно найти в продаже, дано в [133, 134]. Мы считаем
нецелесообразным детально описывать возможности каждого из них. Цена этих ЗУ
может различаться в 2-4 раза в зависимости от максимального тока,
который они обеспечивают, уровня универсальности по типоразмерам
источников тока, способа контроля зарядного процесса и способа индикации
результатов (с помощью светодиодов или жидкокристаллического дисплея).
В заключение следует отметить, что в том случае, когда пользователь
может позволить себе длительный заряд щелочных аккумуляторов
стандартным током 0,1 С в течение 16 ч, можно и дальше использовать
простейшие зарядные устройства с контролем процесса по времени. При этом,
если нет уверенности в полном исчерпании емкости, следует очередной
заряд сократить по времени: лучше некоторый недозаряд аккумуляторов,
чем значительный перезаряд, который может привести к их деградации и
даже порче. Но вообще большая часть современных цилиндрических
аккумуляторов может выдержать случайный довольно значительный
перезаряд без повреждения и последствий, хотя емкость их при последующем
разряде и не увеличится.
Если же необходимо максимально сократить время переподготовки
источников тока после исчерпания емкости, следует использовать ЗУ для

10. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИИ 239
быстрого заряда, но с высоким уровнем контроля процесса. При выборе
зарядного устройства с разными параметрами контроля процесса следует
учитывать, что контроль его по абсолютной величине конечного
напряжения ненадежен (причины подробно описаны выше в разделе 7.2.1), а из
двух наиболее часто рекомендованных производителем аккумуляторов
параметров (-AU и ATI At) первый реализован уже во многих
современных зарядных устройствах, второй - редко, прежде всего из-за того, что
требует наличия термодатчика, а его устанавливают только в батареях.
Не следует увлекаться и слишком быстрым зарядом аккумуляторов
(некоторые компании предлагают заряд за 20-30 мин). При плохом
аппаратурном обеспечении даже надежного способа контроля процесса столь
быстрый заряд значительно сократит срок службы источника тока.
Универсальные зарядные устройства для щелочных батарей
сконструировать довольно затруднительно, потому что производители бытовой
электроники используют батареи разного напряжения и разной емкости,
которые различаются не только конструкцией и габаритами, но и
способом подсоединения их к зарядному устройству.
Специализированные зарядные устройства для конкретного типа или
нескольких типов ХИТ чаще всего изготавливаются в каждом ведомстве
в соответствии с тем уровнем требований, который кажется
целесообразным на данном этапе.
Чаще всего эти устройства осуществляют заряд в стандартном
режиме, рекомендованном производителем, с контролем только по времени.
Такие устройства могут иметь режим доразряда и автоматически
переключаются в заряд по достижении предельного разрядного напряжения.
Зарядный процесс может заканчиваться и по достижении предельного
напряжения, величина которого устанавливается при их изготовлении.
Но такой способ контроля процесса, как было сказано выше, имеет
существенные недостатки, определяемые как нестабильностью характеристик
датчика контроля напряжения, так и зависимостью самого параметра
зарядного напряжения от режимов и условий эксплуатации, а также от
наработки заряжаемого источника тока.
В зарядных устройствах для щелочных источников может быть
обеспечен и переход в режим подзаряда током не более 0,03-0,05 С.
Зарядные устройства, обеспечивающие режим постоянного
напряжения (потенциостатический режим заряда)
и комбинированный
Зарядные устройства для свинцово-кислотных и литий-ионных
батарей должны реализовывать стабилизацию тока на первой стадии заряда и
стабилизацию напряжения питания на второй. Кроме того, должен быть
обеспечен контроль конца заряда, который в общем случае может осуще-

240 10. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
ствляться либо по времени, либо до снижения тока до заданной
минимальной величины (измеряемой в мА, долях от Сн или от /нач).
Зарядные устройства для источников тока этих двух
электрохимических систем различаются только параметрами предельных токов заряда и
допустимых напряжений. Выбор этих параметров подробно описан в
главах 4 и 5.
Устройств с такой стратегией заряда на рынке много меньше, чем
ЗУ, реализующих режим постоянного тока.
Зарядные устройства, обеспечивающие пульсирующий
и асимметричный ток
Первые исследования особенностей нестационарного заряда
проводились при использовании зарядных устройств, в которых
асимметричный ток обеспечивался при наложении постоянного тока на переменный.
Такие устройства успешно использовались в процессе производства
свинцово-кислотных батарей для ускорения процесса формирования
электродов, для улучшения характеристик и ускорения заряда щелочных
серебряно-цинковых и никель-кадмиевых источников тока [135].
Позже во многих патентах предлагались разнообразные
транзисторные схемы регулирования импульсов тока, разных по форме и
параметрам. Некоторые из этих устройств позволяли изменять амплитуду или
скважность импульсов в зависимости от степени заряженности источника
тока. В период паузы осуществляли и наложение разрядных импульсов.
При этом обычно показывалась возможность реализуемости режима, но
не описывались его параметры. И это понятно: для определения
параметров, оптимальных с точки зрения эффективности заряда и увеличения
ресурса источника тока, необходимы широкомасштабные исследования
ХИТ разных систем на аппаратуре, позволяющей менять несколько
параметров: частоту следования импульсов, амплитудные и временные
параметры зарядных и разрядных импульсов. Предварительные
соображения по выбору этих параметров описаны подробнее в главе 7. А
сравнительные ресурсные испытания занимают много времени.
Ниже описываются зарядные устройства и диагностическое
оборудование, используемые при эксплуатации промышленных источников тока,
в лабораториях и сервисных центрах для оценки их технического
состояния, которые производятся несколькими отечественными компаниями.
Эти компании присутствуют на рынке оборудования несколько лет,
хорошо знают потребности потребителей и быстро реагируют на их новые
требования.
Вообще до последнего десятилетия было востребовано
оборудование, обеспечивающее только постоянный ток для испытаний щелочных
аккумуляторов. Оно использовалось также для испытаний и вентилируе-

10. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИИ 241
мых свинцово-кислотных источников тока при условии обеспечения
возможности ступенчатого уменьшения тока в конце зарядного процесса.
Расширение списка электрохимических систем герметичных ХИТ и
их номенклатурных рядов привело к множественности программ
испытаний, различающихся как стратегией зарядно-разрядных процессов, так
и требованиями к величине тока. Решение проблемы возможно при
создании как специализированного оборудования, так и универсального,
соответствующего всем современным требованиям.
Большое разнообразие специализированных зарядных устройств для
герметичных источников тока, щелочных, свинцово-кислотных и литий-
ионных, производит ООО «Мегарон» (Санкт-Петербург). За 12 лет
работы на рынке этого оборудования разработано разнообразное
оборудование, которое различается как режимом заряда, так и мощностью.
В наиболее простых зарядных устройствах реализуется постоянный
или пульсирующий ток. Процесс заряда не контролируется, и
пользователь сам решает вопрос продолжительности заряда и прерывания тока.
Разработаны ЗУ с токами до 100 А.
Во всех моделях ЗУ с автоматическим прекращением заряда ХИТ,
разработанных в ООО «Мегарон», используется реверсивный
(асимметричный, знакопеременный) ток. Он формируется из сетевого напряжения
промышленной частоты. За зарядным импульсом в форме усеченной
полуволны синусоиды следует пауза, затем разрядный прямоугольный
импульс величиной в 5-10 % от средней величины тока заряда и снова
пауза. Формируемая частота следования зарядно-разрядных импульсов -
100 Гц. Напряжение ХИТ и внутреннее омическое сопротивление
регистрируются в паузе.
Так как форма зарядного импульса и время паузы несколько
меняются в зависимости от напряжения ХИТ, выпускается ряд модификаций
устройств для заряда батарей (с количеством аккумуляторов в батарее: до 6,
от 7 до 12, от 10 до 15, от 17 до 22). В них может быть обеспечен ток
необходимой величины из диапазона от 60 мА до 5 А.
Зарядный процесс у щелочных ХИТ контролируется несколькими
параметрами: предельной зарядной емкостью, предельным зарядным
напряжением, величиной -Д?/, длительной стабильностью величины
зарядного напряжения в конце процесса, предельной температурой (при
наличии в ЗУ термодатчика).
Заряд свинцово-кислотных и литий-ионных ХИТ производится в
соответствии с требованиями производителей в комбинированном режиме,
сначала постоянным током до достижения заданного предельного
напряжения, затем при стабилизации этого напряжения. Процесс заряда
прекращается автоматически при снижении тока заряда на второй ступени
процесса до величины 0,02 С или происходит переключение в режим
подзаряда.

242
10. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
Рис. 10.1. Устройство ООО «Мегарон» для циклирования щелочных ХИТ с
индикацией информации о процессе на 4-разрядном дисплее
В этих ЗУ возможно осуществление циклирования ХИТ (до 6 циклов
заряда-разряда) с остановкой процесса по завершении любой его стадии.
Они снабжены 4-разрядным индикатором, на который поочередно
выдается информация о заданном режиме испытаний, зарядной и разрядной
емкости на каждом цикле, предельном зарядном напряжении и
сопротивлении ХИТ в этот момент. Внешний вид зарядных устройств такого рода
показан на рис. 10.1.
Разработаны также версии ЗУ для ХИТ разных электрохимических
систем, которые для отражения текущей информации о напряжении
источника тока, его температуры и омического сопротивления
подключаются к персональному компьютеру. В них ток заряда - 600 мА.
В 2004 г. осуществлена новая разработка зарядных устройств,
реализующих методику эффективного заряда реверсивным током (патент ООО
«Мегарон»). Частота следования зарядно-разрядных импульсов
выбирается из диапазона от долей герц до 50 Гц. В отличие от описанного выше
зарядный импульс формируется из высокочастотного и может иметь
разнообразную форму. Оптимальные параметры реверсивного тока (форма
зарядного импульса и частота тока) определяются для каждого типа ХИТ
после некоторого экспериментирования при ориентации на заряд с
наименьшим разогревом источника тока.

РАЗРАБОТКА И ПРОИЗВОДСТВО
ООО «МЕГАРОН» разрабатывает и производит:
•Анализаторы - зарядные устройства с измерением
параметров аккумуляторов и с возможностью компьютерного
мониторинга параметров аккумуляторов в процессе заряда-
разряда
• Зарядные устройства для NiCd, NiMh, Li-ion, Li-pol, SLA
аккумуляторов: с автоматическим прекращением заряда, в
т.ч. с возможностью проведения предварительного разряда и
контрольно-тренировочных циклов
•Источники питания трансформаторные: стабилизированные,
нестабилизированные, переменного тока
•Источники питания импульсные: Одноканальные и
многоканальные, в т.ч. управляемые внешними сигналами,
лабораторные
•Источники резервного и бесперебойного питания
•DC-DC преобразователи
•Стабилизаторы сетевого напряжения с микропроцессорным
управлением
•Устройства защиты аккумуляторов
•Электронные пуско-регулирующие устройства для
люминесцентных и газосветных ламп с питанием от сети
110/220 В переменного тока и 6В, 12В, 24В, 48В постоянного
напряжения, в т.ч. с регулировкой освещенности.
•Источники аварийного и бесперебойного освещения
•Устройства контроля сети 220/380В
•Устройства защиты управления для осветительных приборов
•Терморегуляторы
•Разработка и изготовление по ТЗ.
Развитие компании идет в нескольких направлениях:
•расширение ассортимента электронных изделий
•создание оригинальных алгоритмов и программ управления.
Россия, г. Санкт-Петербург
Тел. (812) 327-57-78 Факс{812) 327-58-01
http: www.megaron.su E-mail: office @ megaron.su

244
10. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
Для удобства пользователей, имеющих дело с источниками тока
разного качества и технического состояния, разработаны зарядные
устройства, в которых в начале процесса заряда автоматически анализируются
характеристики ХИТ. В зависимости от полученной информации
обеспечивается ток заряда из диапазона от 0,1 до 1 С. Источник тока бракуется, если
в течение некоторого времени его характеристика никак не меняется Время
заряда может колебаться от 70 мин до 15 ч. На следующем цикле оно
может уменьшиться при условии улучшения характеристик источника тока.
Для измерения внутреннего сопротивления источников тока
разработан прибор для тестирования, который осуществляет измерения
сопротивления как постоянному току, так и переменному частотой 1 кГц.
Время измерения всех параметров 15 с. Прибор позволяет измерять
сопротивление источников тока разного напряжения (до 25 В). Результаты
измерений (величины омического сопротивления, поляризационного и
полного через 3 с, импеданса при 1 кГц) считываются поочередно с
4-разрядного дисплея. В диапазоне сопротивлений от 0 до 800 мОм цена
деления 1 мОм, в диапазоне от 0 до 10 Ом - 4 мОм.
Внешний вид тестера показан на рис. 10.2.
Рис. 10.2. Тестер ООО «Мегарон» для измерения внутреннего сопротивления
ХИТ постоянному и переменному току

10. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИИ 245
Несколько устройств для ускоренного заряда щелочных батарей
асимметричным током описано в [136].
Трансформаторные устройства с силовой частью в виде двух
встречно-параллельно включенных управляемых мостов, обеспечивавшие
средний ток заряда до 100 А, использовались для заряда мощных
негерметичных никель-кадмиевых батарей.
Устройство с конденсатором в качестве токоограничивающего
элемента было разработано для заряда батарей небольшой емкости: оно
обеспечивает ток в диапазоне от 0,5 до 6А. Отключение батареи с заряда
происходит при достижении заданной предельной величины напряжения.
Устройства с питанием от сети постоянного тока на базе
высокочастотных ШИМ-преобразователей для задания зарядного и разрядного тока
были разработаны для одновременного заряда нескольких
аккумуляторных батарей. Для заряда использовался асимметричный ток с
параметрами: период тока - от 210 до 280 мс, длительность зарядного импульса -
от 200 до 240 мс, средний зарядный ток - от 0,5 С до 3 С, амплитуда
разрядного тока - от 2 С до 10 С.
Было показано, что ресурс батарей при заряде асимметричным
током, одинаковым по величине с постоянным, значительна
увеличивается.
В одном из вариантов ЗУ используется повышающий ШИМ-преоб-
разователь, обеспечивающий передачу энергии разрядного импульса в
зарядную цепь.
При проведении исследовательских работ и разработке новых
источников тока, при производстве широкого спектра изделий разных систем,
при осуществлении профилактических мероприятий на складах дист-
рибьюторских компаний и в условиях эксплуатации, а также при
тестировании источников тока с целью оценки их технического состояния
возникает необходимость в универсальном оборудовании. Оно должно
позволять легко менять программы и режимы испытаний.
Универсальное оборудование должно обеспечивать возможность:
- испытаний и отдельных аккумуляторов, и батарей;
- проведения большого количества циклов заряда-разряда токами
различной величины при разных способах контроля конца обоих
процессов;
- обеспечения заряда при различных стратегиях (при постоянном токе;
при постоянном напряжении и ограниченном начальном токе);
- достаточно больших токов заряда-разряда;
- обеспечения постоянного тока с низким уровнем пульсаций;
- автоматизированного протоколирования информации о ходе
процессов;
- измерения внутреннего сопротивления источника тока.

246 10. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
Известно зарубежное оборудование такого рода, которое
используется для тестирования различных ХИТ при задании программы испытаний,
управлении их процессом и сборе информации с помощью компьютера.
В России наиболее известна диагностическая аппаратура канадской
компании CADEX [137], которая позволяет проводить независимые
испытания одновременно от 1 до 4 источников тока. Существуют системы и с
большим количеством обслуживаемых с одного компьютера каналов, но
допустимые токи заряда-разряда не превышают 2 А.
Но в течение последнего десятилетия назрела настоятельная
необходимость в оборудовании большей мощности.
В ООО «Бустер СПб» было разработано высокоточное
универсальное оборудование с гибкой программой, которая обеспечивает испытания
источников тока в следующих режимах:
1. Разряд при постоянном токе.
2. Разряд на постоянное сопротивление.
3. Заряд постоянным током при контроле его окончания по времени,
по абсолютной величине напряжения, по - AU.
4. Заряд при постоянном напряжении с ограничением начального тока.
5. Комплектация щелочных аккумуляторов в режиме ГОСТа, при
которой осуществляется подбор аккумуляторов по емкости (с задаваемым
разбросом).
6. Испытания на работоспособность при заряде постоянным током
при разных режимах заряда-разряда в каждом цикле и разном способе
контроля окончания зарядного процесса.
7. Испытания на работоспособность при заряде с постоянным
напряжением при разных режимах заряда-разряда в циклах.
8. Ресурсные испытания щелочных аккумуляторов в режиме ГОСТа.
9. Измерение внутреннего сопротивления постоянному току.
Оборудование имеет модульную структуру. В каждом модуле
возможна своя программа испытаний. Цилиндрические аккумуляторы в
диапазоне типоразмеров от АА до F устанавливаются в универсальном
посадочном устройстве. Для повышения точности измерений напряжения
силовые и измерительные цепи разделены. Батареи подключаются через
разъем с помощью контактов типа «крокодил».
Программное обеспечение позволяет с одного компьютера
осуществлять работу до 250 независимо управляемых модулей, на каждом из
которых может быть установлен один аккумулятор или батарея с
номинальным напряжением до 12 В. Автоматически регулируемый блок
питания обеспечивает напряжение на его выходе, превышающее напряжение
испытуемого источника тока не более чем на 2 В.
Базовая модель зарядно-разрядного устройства для испытаний
химических источников тока УЗР 1-5А-18В имеет вид, показанный на рис. 10.3,
и следующие технические характеристики:

10. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
247
Рис. 10.3. Универсальное зарядно-разрядное устройство ООО «Бустер СПб».
Ток - 5 А
Ток заряда-разряда, А
Напряжение источника тока, В
Стабильность тока, %
Стабильность напряжения, %
Погрешность измерения тока
в диапазоне токов 20-100 мА
в диапазоне токов 100-5000 мА
Погрешность измерения напряжения, %
0,02-5,0
0,5-18,0
±1
±1
±1 мА
1 %
±0,5
Разработано также несколько модификаций испытательного
оборудования, различающихся мощностью и функциональными возможностями:
1) для испытаний ХИТ с напряжением от 0,5 до 16 В током до 15 А
(внешний вид устройства показан на рис. 10.4);
2) позволяющего дополнительно контролировать процесс заряда по
температуре при измерении ее с помощью термодатчика,
закрепляемого на поверхности источника тока;
3) для исследования электрохимических ячеек (при трехпроводной
схеме подключения) в диапазоне напряжений от -10 до 10 В;
4) для испытаний в одном модуле до 10 последовательно
соединенных аккумуляторов при индивидуальном измерении их
напряжения и прекращении разряда при достижении заданного
напряжения каждого.

248 10. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ II ЭКСПЛУАТАЦИИ
Рис. 10.4. Модуль универсального зарядно-разрядного устройства ООО
«Бустер СПб». Ток - 15 А
Разработка оборудования, способного с помощью одного модуля
управлять испытаниями большого количества однотипных щелочных
аккумуляторов D-я модификация), значительно удешевляет стоимость
испытаний отдельных источников тока и позволяет приблизиться к
решению проблемы обеспечения современного оборудования при
производстве ХИТ.
Новые проекты универсального испытательного оборудования
связываются разработчиками и с дальнейшим увеличением его мощности, и с
расширением функциональных возможностей, прежде всего обеспечением
возможности непрерывного измерения внутреннего сопротивления, а
также и программирование режима знакопеременного тока в диапазоне
частот от 5 до 150 Гц при переменных параметрах зарядного и
разрядного импульсов.
Накопленный в ООО «Бустер СПб» опыт разработок использован
также при разработке и специализированных зарядных устройств для
разнообразных батарей, в которых контроллер программируется для
управления процессом заряда нужной стратегии. Потребитель может сам
перепрограммировать устройство на другую стратегию заряда или другие его
режимы с помощью прилагаемой программы, которая вводится при
подключении устройства к компьютеру. Внешний вид такого
специализированного устройства показан на рис. 10.5.
Значительные токи заряда-разряда реализованы также в
оборудовании, разработанном в ОАО «Авекс» (Москва) для испытаний
батареи из 19 аккумуляторов и предназначенном для приемо-сдаточных и
ресурсных испытаний. Как указано в рекламе предприятия, оно
обеспечивает:

10. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И ЭКСПЛУАТАЦИИ 249
Рис. 10.5. Устройство для заряда батарей ООО «Бустер СПб»
- стабилизированный ток заряда от 0,6 до 13 А;
- подзаряд током от 2 до 200 мА;
- разряд током в диапазонах 0,5-15 и 30-^42 А;
- доразряд батареи и каждого аккумулятора на фиксированную
нагрузку.
Процесс заряда-разряда контролируется по времени, по счетчику
ампер-часов, датчиками предельных напряжений батареи и аккумуляторов.
Информация обо всех контролируемых в процессе испытаний
параметрах батареи и протокол испытаний выводятся на экран персонального
компьютера.
Таким образом, можно сказать, что за последние годы в России
появились компании, опыт разработок и темпы проектирования которых
позволяют надеяться на полное обеспечение нужды в современном
испытательном оборудовании как в производстве, так и в эксплуатации
разнообразных химических источников тока. Мы описали здесь
производителей, которые выполняют не отдельные заказы, а в течение нескольких лет
системно работают в этой области. Надеемся, что в наш список попали
далеко не все производители испытательного и диагностического
оборудования, которые способны успешно конкурировать с зарубежными.

ООО «БУСТЕР СПб»
официальный дистрибьютор компании SAFT
Предприятие работает с 1994 г.
РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ
УНИВЕРСАЛЬНОГО
для испытаний источников тока различных
электрохимических систем с напряжением от 1 до 12 В;
ток заряда-разряда от 10 мА до 5 А и от 100 мА до 15 А;
контроль температуры батареи.
Задание программы испытаний, управление, съем и
обработка информации с помощью персонального компьютера.
Оборудование может быть модифицировано в
соответствии с дополнительными требованиями заказчика.
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО
для заряда-разряда источников тока любых систем с
напряжением из диапазона от 1 до 12 В;
ток - 2 А, различные способы контроля конца заряда;
возможно перепрограммирование устройства на иную
стратегию заряда.
197376, г. Санкт-Петербург, ул. Даля, 10
тел.: (812) 380-74-38; факс: (812) 234-03-38
E-mail: buster-spb@mail.ru buster@mail.wplus.net
www.buster.spb.ru

ЛИТЕРАТУРА
1. Багоцкий В. С, Скундии А. М. Химические источники тока. М.: Энергоатомиз-
дат, 1981.360 с.
2. Гниделис Я. Е. Химические источники тока (Курс лекций). Саратов: Изд-во
Саратовского ун-та, 1984. 174 с.
3. Варыпаев В. К, Дасоян М. А., Никольский В. А. Химические источники тока.
М.: Высш. шк, 1990.240 с.
А. Коровин Н. В. Электрохимическая энергетика. М: Энергоатомиздат, 1991.
263 с.
5. Бадаев Ф. 3., Батюк В. А., Горячева В. И. Элементы электрохимии.
Химические источники тока: Уч. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1993.
71 с.
6. Теньковцев В. В., Центер Б. И. Основы теории и эксплуатации герметичных
никель-кадмиевых аккумуляторов. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 96 с.
7. Кедринский И. А., Дмитренко В. Е., Грудянов И. И, Литиевые источники тока.
М.: Энергоатомиздат, 1992. 240 с.
8. Ольшанская Л. И. Литиевые источники тока: Уч. пособие. Саратов: Изд-во
СГТУ, 1999.60 с.
9. Кедринский И. Е., Яковлев В. Г Li-ионные аккумуляторы. Красноярск: ИПК
"Платина", 2002. 266 с.
10. Химические источники тока: Справочник / Под ред. Н. В. Коровина и А. М.
Скундина. М.: Изд. МЭИ, 2003. 740 с.
11. Кромптон Т. Первичные источники тока. М.: Мир, 1986. 326 с.
12. Кромптон Т. Вторичные источники тока. М.: Мир, 1985. 302 с.
13. Crompton Т. R. Battery Reference Book. Oxford (England): Read Educational and
Professional Publishing Ltd. Boston: Butterworth-Heinemann, 1996. 620 p.
14. Handbook of Batteries / Ed. David Linden. 2nd ed. N. Y.: McGraw-Hill, Inc., 1995.
15. Berndt D. Maintenance-free Batteries. Lead-Acid, Nickel/Cadmium, Nickel/Metal
Hydride. A Handbook of Battery Technology. 2-nd ed. Taunton, Somerset,
England: Research Studies Press, 1997. 496 p.
16. Vincent C. A., Scrosati B. Modern Batteries: An Introduction to Electrochemical
Power Sources. 2-nd ed. London: Arnold; N. Y.: J. Wiley, 1997. 351 p.
17. Advances in Lithium-Ion Batteries / Ed. W. A. van Schalkwijk and B. Scrosati.
N. Y.: Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2002. 507 p.

252 ЛИТЕРАТУРА
18. Орлов С. Элементы питания - ХИТЫ // Электронные компоненты. 2000. № 4.
С. 54-63.
19. www.instant-power.com
20. www.saftbatteries.com
21. Panasonic Batteries. Lithium-Batteries Technical Handbook. 2002. 53 p.
22. Primary Lithium Battery Catalogue. SAFT. 2000. 47 p.
23. Нижниковский E. А. Обеспечение взрывобезопасности литиевых
химических источников тока // Электрохимическая энергетика. 2001. Т. 1, № 3.
С. 39-44.
24. Демьян Е. М., Демьян В. В., Федотов Д. Б., Рыболов А. М Влияние
температуры разряда и переразряда на взрывоопасность элементов системы Li/SOC^
при повышенных плотностях тока // Материалы VIII межд. конф.
"Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических
системах". Екатеринбург, 5-7 окт. 2004. С. 72-73.
25. Плешаков М. С. Федотов Д. Б., Демьян Е. М., Рыболов А. М. Особенности
электродных процессов при переразряде элементов Li/SOCl2 // Там же.
С. 170-171.
26. Аботурова В. А., Дубасова В. С, Пономарев В. А. и др. Характеристики литий-
фторуглеродных элементов для имплантируемых медицинских приборов
после длительного хранения // Там же. С. 189-190.
27. SANYO. Lithium Batteries. Instruction Manual. 1999. 26 p.
28. SONNENSCHEIN Lithium Batteries. Product Data Catalogue. 1999. 26 p.
29. Primary Lithium Battery Catalogue. SAFT. 2000. 47 p.
30. Primary Lithium Battery. Selector Guide SAFT. 2002. 8 p.
31. SAFT. Portable Ni-Cd and Ni-MH cells and battery catalogue. 1999. 53 p.
32. Scott W. /?., Rusta D. W. Sealed-Cell Nickel-Cadmium Battery Application Manual.
NASA Reference Publication. 1979. 525 p.
33. Таганова А. А., Золотое А. И. Виды и механизмы отказов химических
источников тока на основе герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов и
аналитические модели прогноза их работоспособности. Аналитический обзор.
Деп. Информэлектро. 1987. № 914-эт. 64 с.
34. Центер Б. И., Лызлов К Ю. Металл-водородные электрохимические системы.
Л.: "Химия", 1989.280 с.

ЛИТЕРАТУРА 253
35. Шохор А. Б., Громова Н. Г. Никель-водородные аккумуляторы // Сборник
научных трудов по химическим источникам тока. СПб.: Химиздат, 2004.
С. 93-96.
36. Shukla А. К., Venugopolan S., Hariprakash В. Nickel-based rechargeable batteries //
J. Power Sources. A00) 2001. P. 125-148.
37. Таганова А. А. Диагностика герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов
и универсальный алгоритм их отбора в батарею: Автореф. дисс. к. т. н. Л.,
1990.24 с.
38. Леонова М. В., Поморцева С. В,, Ананьев Д. А., Тузикова Ю. Н. Создание
никель-кадмиевого аккумуляторов с применением нового технологического
процесса // Сборник научных трудов по химическим источникам тока. СПб.:
Химиздат, 2004. С. 84-92.
39. www. rigel.ru
40. www.niai-istochnik.ru
41. ЗАО "Курский завод "Аккумулятор". Каталог выпускаемой продукции. 2004.
38 с.
42. SAFT. Portable Ni-Cd, Ni-MH and Li-ion Worldwide Selector Guide. 2002. 11 p.
43. SAFT Rechargeable Battery Systems handbook. 2003. 7 p.
44. SANYO. Rechargeable Cadnica Batteries. 2000. 10 p.
45. SANYO. Twicell. Sealed Type Nickel-Metal Hydride Batteries. 2000. 8 p.
46. PANASONIC. Nickel-Cadmium Batteries Technical Handbook. 1999. 94 p.
47. PANASONIC Batteries. Short form Catalog Batteries for OEM customers. 2001. 7 p.
48. PANASONIC Batteries. Distributor meeting. Sep. 2003.
49. GP Rechargeable Batteries. Nickel-Metal Hydride. Technical Handbook. 1999.
52 p.
50. Дасоян М. А., Агуф И. А. Основы расчета, конструирования и технологии
производства свинцовых аккумуляторов. Л.: Энергия, 1978. 152 с.
51. KOBE. Maintenance Free Small Sealed Batteries. Technical Handbook for sealed
lead-acid batteries. 2000. 67 p.
52. Таганова А. А., Семенов А. Е. Свинцовые аккумуляторные батареи:
стационарные, тяговые, для портативной аппаратуры. СПб: Химиздат. 2004.
118с.
53. PANASONIC. Sealed Lead-Acid Batteries. Technical Handbook. 1999. 72 p.

254 ЛИТЕРАТУРА
54. May G. J. Operational experience with valve-regulated lead/acid batteries // J. Power
Sources. E3) 1995. P. 111-117.
55. Wagner R. Failure modes of valve-regulated lead/acid batteries in different
applications // J. Power Sources. E3) 1995. P. 153-162.
56. Cooper A., Mosley P. T. Progress in Overcoming the. Failure Modes Peculiar to
VRLA batteries // Proc. of 5 Int. Conf. on lead/acid batteries. Varna (Bulgaria),
10-13 June 2002. P. 1-4.
57. Каменев Ю. Б., Чунц И. И., Яковлева Н. А., Остапенко Е. И. К вопросу о
безопасности эксплуатации герметизированных свинцовых аккумуляторов //
Электрохимическая энергетика. 2003. Т.З, № 1. С. 37-43.
58. LEOCH Battery catalog. 2003. 86 p.
59. CSB Batteries. VRLA Batteries. Technical Manual. 2000. 27 p.
60. EUROPOWER. Sealed Lead-Acid Batteries. 1999. 4 p.
61. CASIL. Sealed Lead-Acid Batteries Technical Handbook. 2003. 56 p.
62. Каталоги продукции SONNENSCHEIN. 2001.
63. Каталоги продукции ВАЕ. 2003.
64. Hawker Energy Products Inc. Cyclon application manual. 2nd ed. 1997. 60 p.
65. Thackeray M. M., Vayghey J. Т., Johnson С D. et ai Alternative Anode material to
Carbon for Lithium-ion Batteries// Conf. NATO Science for Peace Program "New
Carbon Based Materials for Electrochemical Energy Storage Systems". Chicago,
19-24 Oct. 2003. P. 61.
66. Barsukov V. Some Theoretical Prerequisites for Application of Novel Materials in
Lithium-ion Batteries // Ibid. P. 57.
67. Yang Jim, Jinguing Vie, Wang Ke et al Li-ion Battery Anode Materials - from
Laboratory to Industry // Materials the 6th China Int. Battery Fair (CIBF-2004).
Beijing, China. 7-9 Apr. 2004.
68. Скундин А. М Литий-ионные аккумуляторы: последние достижения и
проблемы. Доклад на VIII Международной конф. "Фундаментальные проблемы
преобразования энергии в литиевых электрохимических системах".
Екатеринбург, 5-7 окт. 2004.
69. Amazutsumi T. SANYO Electric Co. Alternative Cathode Material for Cobalt and
Market Status // Conf. Battery 2004. Paris, 2-4 June 2004.
70. Brodd R. J. Recent Advances in Ultracapacitors and Li-ion Batteries // Ibid.
71. Пономарев В. А., Ииколенко А. Ф., Дубасова В. С и др. Экспериментальные
макеты цилиндрических и призматических литий-ионнвх аккумуляторов и

ЛИТЕРАТУРА 255
основы технологии их изготовления // Материалы VII межд. конф. 24-28
июня 2002. Саратов: Изд. СГУ, 2002. С. 138-139.
72. Алашкин В. М., Батраков Ю. А., Дубасова В. С. и др. Проектирование литий-
ионного аккумулятора для космических аппаратов // Там же. С. 4-5.
73. Ковальчук А. В., Смирнов В. Г., Джуржа В. В., Акулова Л. А. Литий-ионный
аккумулятор ЛИА-0,4 // Сборник научных трудов по химическим источникам
тока. СПб.: Химиздат, 2004. С 178-182.
74. Материалы научно-практической конференции "Перспективы развития и
применения литий-ионных источников тока". Санкт-Петербург, 17-18
февраля 2004. 26 с.
75. Zhong В. Status and Trends of Secondary Batteries in China// Conf. Batteries 2004.
Paris, 2-4 June 2004.
76. PANASONIC. Lithium-ion batteries. Technical Handbook. 1999. 27 p.
77. www.sony.net/Products/BAT/ion/index.html
78. GP Batteries. Lithium-ion Technical Handbook. 2000. 13 p.
79. www.lgchem.com
80. Hallaj S. AL, Prakash J., Selman J. R. Characterization of commercial Li-ion
batteries using electrochemical-calorimetric measurements // J. Power Sources. (87) 2000.
P. 186-194.
81. Zhang D., Haran B. S., Durairajan A.et al. Studies on capacity fade of commercial
Li-ion batteries // J. Power Sources. (91) 2000. P. 122-129.
82. Ramadass P., Haran В., White /?., Popov B. N. Performance study of
commercial LiCoO2 and spinel-based Li-ion cells // J. Power Sources. A11J000.
P. 210-220."
83. Jin-Ming Chen. The Development of Nano-Composite Lithium Battery // Materials
the 6th China Int. Battery Fair (CIBF-2004). Beijing, China. Apr. 7-9, 2004.
84. SAFT. Medium Prismatic Lithium-ion batteries. Update version. 2001. 8 p.
85. Broussely B. Extended Cycle Life and Aging Properties of some Lithium-ion
Batteries. CIBF 2004, Beijing, China. Apr. 2004.
86. www.saftbatteries.com www.saft.alcatel.com
87. www.thunder-sky.com
88. Song J. Y., Lee H. H., Wang Y. Y., Wan С С. Two- and three-electrode impedan-
scopy of lithium-ion batteries // J. Power Sources. (Ill) 2000. P. 255-267.

256 ЛИТЕРАТУРА
89. Тихонов К. К Закономерности изменения импеданса в литиевых источниках
тока при хранении и в период эксплуатации: Автореф. дисс. к. х. н. Санкт-
Петербург, 2003. 18 с.
90. Bloom Ira, Joned S. A., Polzin E. G. et al. Mechanisms of impedance rise in high-
power lithium-ion cells // J. Power Sources. (Ill) 2000. P. 152-159.
91. Aoshima T, Okahara K., Kiyohara C, Shizuka К II J. Power Sources. (97-98) 2000.
P. 377-380.
92. Wang K, Ofer D., Bofden W. et al// J. Electrochemical Soc. 2000. V. 147.
P. 4023-4028.
93. www.kokam.com
94. Виноградова-Волжинская Е. Г., Жданов В. В., Краснобрыжий А. В., Тябин Ю. Д.
Применение высокоемких литий-ионных аккумуляторных батарей в
энергоустановках транспортных средств разного назначения // Материалы VIII
Международной конф. "Фундаментальные проблемы преобразования энергии
в литиевых электрохимических системах". Екатеринбург, 5-7 окт. 2000.
С. 184-186.
95. Вдовий Н. Н., Груздев А. К, Кузовков А. В. и др. Многопроцессорные
системы контроля и управления литий-ионных батарей напряжением до 42 В //
Там же. С. 58-60.
96. Орлов С. Б., Суслов В. М, Тарасов В. П. Современное состояние и
перспективы рынка химических источников тока // Материалы III Международного
симпозиума "Приоритетные направления в развитии химических источников
тока". Плес, 7-10 сент. 2004. С. 72-78.
97. Atwater Т. В. Metal-Air Batteries: Application Outlook // Conf. NATO Science for
Peace. Program "New Carbon Based Materials for Electrochemical Energy
Storage Systems". Chicago, 19-24 Oct. 2003. P. 22.
98 Application of Carbon-Based Materials in Metal-Air Batteries: Research,
Development, Commersialization // Ibid. P. 23.
99. Орлов С. Б., Суслов В. М., Тарасов В. Я. Перспективы развития первичных и
вторичных источников тока с анодами на основе лития // Материалы III
Международного симпозиума "Приоритетные направления в развитии
химических источников тока". Плес, 7-10 сент. 2004. С. 78-83.
100. Ivanov G. Sylphur Polymer Technology: New Achievments in Lithium-Sulphur
Battery // Conf. Battery 2004. Paris, 2-4 June 2004.
101. Iliev I. Mechanically Rechargeable Magnesium-Air Cells with Non-agressive
NaCl-Electrolyte // Conf. NATO Science for Peace Program "New Carbon Based

ЛИТЕРАТУРА 257
Materials for Electrochemical Energy Storage Systems". Chicago, 19-24 Oct.
2003. P. 32.
102. Коровий Н. В. Портативные топливные элементы - новое направление
развития ХИТ // Материалы III Международного симпозиума "Приоритетные
направления в развитии химических источников тока". Плес, 7-10 сент. 2004.
С. 7.
103. www. rcbatteryclinic.com
104. Кудрявцев Ю. Д. Поведение металлов при нестационарном электролизе в
щелочных и нейтральных растворах и возможность практических
приложений: Автореф. дисс. д. т. н. Новочеркасск, 1995. 40 с.
105. www.cadex.com
106. Романов В. В., Хашев Ю. М. Химические источники тока. М.: Сов. радио,
1978.264 с.
107. Lam L Т., Ozgan Y., Lim О. V. Pulse-current charging of lead/acid batteries -
a possible mean of overcoming premature capacity loss? // J. Power Sources.
E3) 1995. P. 215-228.
108. Yi-Fan Wu. Electrical performance of lithium primary battery after long-term
storage // Dianyuna Jisha. 2002, V. 26 A), P. 11-13. Chemical Abstracts. 2002.
V. 137,№4.65647h.
109. Дамаскии Б. Б. Принципы современных методов изучения
электрохимических реакций. М.: Изд. МГУ. 1965. 103 с.
ПО. Графов Б. А/., Укше У. А. Электрохимические цепи переменного тока.
М.: Наука. 1973. 123 с.
111. Стопное 3. Б., Графов Б. М, Савова-Стопнова Б. и др. Электрохимический
импеданс. М.: Наука. 1991. 336 с.
112. Теньковцев В. В., Таганова А. А., Борисов Б. А. и др. Повышение
эксплуатационных характеристик и надежности герметичных никель-кадмиевых
аккумуляторов для систем энергопитания автономных объектов // Химические
источники тока. Л.: Энергоатомиздат. 1991. С. 27-35.
ИЗ. Таганова А. А. Экспресс-методика измерения внутреннего сопротивления
аккумуляторов средней емкости // Электротехн. пр-во. Передовой опыт и на-
учно-техн. достижения. 1989. Вып. 5A7). С. 14-15.
114. Таганова А. А. Импедансные характеристики герметичных
никель-кадмиевых аккумуляторов // Химические источники тока. Л.: Энергоатомиздат.
1987. С. 109-115.

258 ЛИТЕРАТУРА
115. Таганова А. А., Мрга И., Иидра И. и др. Контроль заряда герметичной свин-
цово-кислотной ячейки по ее импедансным характеристикам // Химические
источники тока. Л.: Энергоатомиздат. 1993. С. 117-125.
116. Reid М. Л. Impedance measurements on spiral-wound nickel/metal hydride
cell cycled in a simulated low earth orbit // J. Power Sources. 1994. V. 47.
P. 277-285.
117. Cheng Sh., Zhang J., Zhao M., et al. Electrochemical impedance spectroscopy
study of Ni/MH batteries // J. of Alloys and Compounds. 1999. V. 293-295.
P. 814-820.
118. Taganova A. A. Effective charge of sealed nickel-cadmium cells at any residual
capacity // Proc. of Nickel-Cadmium Battery Update. Geneva. 1994. P. 117-119.
119. Taganova A., Tsenter В., Mrha J. et ah Estimation of the pressure in hermetic Ni-
Cd accumulator from its low-frequency impedance // J. Power Sources. 1991.
V. 34. P. 323-329.
120. Поваров Ю. М., Бекетаева Л. А., Пуришева Б. К. Импеданс литиевого
электрода в растворах окислителей // Электрохимия. 1982. Т. XVIII, вып. 10.
С. 1340-1348.
121. Евстигнеев А. И. Импеданс межфазной границы литий-электролит.
Методика и результаты измерений: Автореф. дисс. к. ф.-м. н. Красноярск, 1992.
24 с.
122. Aurbah D., Zabeh A. Impedance spectroscopy of Li-electrodes in battery
electrolyte solutions and its correlation to Li-surface chemistry and cycling
efficiency // Sixth Int. Meet, on Lithium batteries. Munster (Germany), 1992.
P. 191-193.
123. Hsing-Yaw Ни, Hsian-Wen Ко. А. С impedance studies on lithium passivating
layer of an Li-SOCl2 cell // J. Power Sources. B7) 1989. P. 419-421.
124. Кокорин А. Н. Контроль качества литиевых источников тока методом
электрохимического импеданса: Автореф. дисс. к. т. н. Красноярск, 1998.
22 с.
125. Нагтап N. F., Hampson N. A., Mitchell P. S. et al The faradaic impedance of the
lithium-sulfur dioxide system. A further examination of commercial cells // J. Power
Sources. A9) 1987. P. 7-13.
126. Lee T. J., Fey G. Т. К.. А. С impedance study of Li/SO2 rechargeable cells // Proc.
of the 34th Int. Power Sources Symp. 1990. N. Y. (USA). P. 191-194.
127. Jakic V., Kovac M., Pejovnic S. Influence of different electrolytes and carbon
blacks on the performance of Li/SOCl2 batteries // Sixth Int. Meet, on Lithium
Batteries. Munster (Germany), 1992. P. 498-500.

ЛИТЕРАТУРА 259
128. Авдалян М. Б., Каневский Л. С, Нижниковский Е. А. Импеданс
гальванического элемента системы литий-тионилхлорид // Исследования в области
электрохимической энергетики. Л.: Энергоатомиздат, 1989. С. 106-113.
129. Kanmathilaka S. A. G. R., Hampson N. A, Huges M. et al. The prediction of the
state-of-charge of some commercial primary cells // J. of Appl. Electrochem.
1983. V. 13, №5. P. 577-586.
130. Фатеев С. А., Кулова Т. Л., Скундин А. М. Литий-фторуглеродные источники
питания для имплантируемых электрокардиостимуляторов //
Электрохимическая энергетика. 2002. Т. 2, № 2. С. 97-101.
131. Chen С. Н., Liu У., Amine К. Symmetric cell approach and impedance spectros-
copy of high power lithium-ion batteries // J. Power Sources. (96J001.
P. 321-328.
132. C7200 Battery Analyzer. User's Manual. Canada. 2000. 128 p.
133. Варламов В. Р. Современные источники питания: Справочник. М.: ДМК
Пресс, 2001.218 с.
134. Хрусталев Д. А. Аккумуляторы. М.: «Изумруд», 2003. 200 с.
135. Романов В. В., Хашев Ю. М. Химические источники тока. М.: Сов. радио,
1978.264 с.
136. Сметанкин Г. П. Способы и автоматизированные средства ускоренного
заряда герметичных щелочных аккумуляторов: Дисс. к. т. н. Новочеркасск,
2002. 160 с.

АДРЕСА РОССИЙСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ,
ПРОИЗВОДЯЩИХ ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
ОАО "НИАИ "ИСТОЧНИК"
197376 г. Санкт-Петербург, ул. Даля, 10.
Тел: (812) 234-46-95, 234-33-42, 234-46-95.
Факс: (812) 234-04-29, 234-90-26.
E-mail: istochnik@peterlink.ru
www.niai-istochnik.ru
АККУМУЛЯТОРНАЯ КОМПАНИЯ "РИГЕЛЬ"
197376 г. Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 38.
Тел: (812J34-08-10.
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
ЗАО "КУРСКИЙ ЗАВОД "АККУМУЛЯТОР"
305026 г. Курск, пр. Ленинского комсомола, 40.
Тел.: @7122) 4-36-40, 4-33-80, 4-61-90
Факс: @7122) 4-85-50, 4-61-00< 4-60-30
E-mail: info@accum.kursk.ru admin@accum.kursk.ru
www.accum.kursk.ru
ОАО "ЗАВОД АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА"
(ОАО "Завод АИТ")
410015 г. Саратов, ул. Орджоникидзе, 11.
Тел.: (8452) 96-02-54. Факс: (8452) 96-44-79
E-mail: zalt@zait.ru
www.zait.ru
ОАО "ИМПУЛЬС"
182100 г. Великие Луки Псковской обл., ул. Гоголя, 3.
Тел.: (811-53) 919-55. Факс: (811-53) 929-62
E-mail: impuls@mart.ru

АДРЕСА РОССИЙСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ 261
ГНПП "КВАНТ"
129626 г. Москва
Тел.: @95) 287-97-42, 287-96-26. Факс: @96) 287-18-71.
ОАО "ЭНЕРГИЯ"
399775 г. Елец Липецкой обл., пос. Электрик, 1.
Тел: @7467) 7-40-05, Факс: 2-71-03, 2-74-40.
E-maJI:elchemi@gw-el.lipetsk.su
www.members.xoom.com/elchemi
АООТ "КУЗБАССЭЛЕМЕНТ"
652500 г. Ленинск-Кузнецкий Кемеровской обл., пр. Ленина, 43.
Тел./факс: C8456) 3-17-94, 3-17-77, 7-20-42.
E-mail: td@kel.kuzbass.net
ГП ВЕРХНЕУФАЛЕЙСКИЙ ЗАВОД "У РАЛ ЭЛЕМЕНТ"
456800 г. Верхний Уфалей Челябинской обл., ул. Дмитриева, 24.
Тел.: C5164) 9-21-16, 9-23-48, 9-21-02.
Факс: C5164) 9-21-36, 2-04-86, 2-42-24.
e-mail: libor@chel.surnet.ru
ОАО "СВИРСКИЙ ЗАВОД "ВОСТСИБЭЛЕМЕНТ"
665427 г. Свирск Иркутской обл., промучасток, 7.
Тел.: C952) 25-51-32. Факс: C952) 25-80-48.
ГП "СИГНАЛ"
454139 г. Челябинск, ул. Новороссийская, 2.
Тел.: C512) 53-37-51, 53-37-33. Факс: C512) 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.
000 "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.

262 АДРЕСА РОССИЙСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
УРАЛЬСКИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ
624130 г. Новоуральск Свердловской обл., ул. Дзержинского, 2 УЭЗХ.
Тел: C4370) 959-54, 570-97, 570-99.
Факс: C4370) 571-36, 570-97.
E-mail: kso@ricon.e-burg.ru
АО "НОВОСИБИРСКИЙ ЗАВОД ХИМКОНЦЕНТРАТОВ"
630110 г. Новосибирск, ул. Б. Хмельницкого, 94.
Тел: C832) 74-83-46, 74-10-37.
Факс: C832) 74-30-71, 74-03-31.
Телетайп: 1004 ЛИМОН
СПРАВОЧНИК
ТАГАНОВА Алевтина Александровна
БУБНОВ Юрий Иванович
ОРЛОВ Сергей Борисович
ГЕРМЕТИЧНЫЕ
ХИМИЧЕСКИЕ
ИСТОЧНИКИ ТОКА
ЭЛЕМЕНТЫ И АККУМУЛЯТОРЫ
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ
И ЭКСПЛУАТАЦИИ
Обложка Е. И. Тагановой
Редактор Л. М. Танезер
Технический редактор 3. Е. Маркова
Корректор Л. А. Яшина
Компьютерная верстка Т. М. Лебедевой
Компьютерная графика Е. Н. Березиной
ЛП № 000055 от 25 декабря 1998 г.
Подписано в печать 01.02.05. Формат бумаги 60 х 88'/16.
Бумага офсетная № 1. Печать офсетная. Усл. печ. л. 16,2.
Уч.-изд. л. 18,57. Тираж 2000 экз. Зак. № \г . С. 6.
ХИМИЗДАТ
191023, Санкт-Петербург, Апраксин пер., 4
Тел. коммерческой группы для оптовых покупателей
(812K19-99-46
Отпечатано с готовых диапозитивов в Гатчинской типографии
СП6ГУПИППП-Г
188300, г. Гатчина, пр. 25 Октября, 2а, к. 1

ЛЮБЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
батарейки и аккумуляторы для:
фотоаппаратов, видеокамер, игрушек, приборов,
калькуляторов, часов, мобильных телефонов,
радиотелефонов, фонарей, электроинструмента,
устройств сигнализации, плееров, компьютеров,
бесперебойных источников питания и т.д.
ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА
для всех типов аккумуляторов
БЛОКИ ПИТАНИЯ
различного назначения,
в том числе с нестандартными
входными/выходными напряжениями
а также радиодетали, монтажный инструмент, литература,
измерительные приборы, оборудование рабочего места
УНИКАЛЬНОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ:
солнечные элементы и модули на их
основе, включая солнечные зарядные
устройства для мобильных телефонов
Санкт-Петербург,
Новочеркасский, 51
(М "Новочеркасска*1*)
с 10 до 19:30 часов,
воскресенье - выходной
Информация о наличии товара:
444-04-88
449-00-88
lnfo@micronika.ru
http: //mlcfonika.ru
радиодетали и инструменты
магазин
магазин
Микроника

Региональный
консультационно-технический
центр автономных источников тока
ООО "Фирма АЛЬФА плюс"
125040. Москва. Ленинградский проспект, дом 9а,
{м* Белорусская")
телефакс: +7 @95) 250-7004; 250-7072; 257-6114
e-mail: 8ales@alphaplu8.ru
Наши возможности и полномочия:
> Консультации по вопросам применения,
разработки, изготовления и поставки
химических источников тока
> Подбор оптимальных источников питания
для разрабатываемых изделий,
альтернативных источников питания для
существующего оборудования
> Представительство российских
производителей химических источников
тока:
"Завод Автономных Источников Тока"
(г. Саратов)
Аккумуляторная компания "Ригель"
(г. Санкт-Петербург)
"Завод Уралэлемент"
(г. Верхний Уфалей, Челябинская обл.)
> Изготовление и ремонт малогабаритных
аккумуляторных батарей для портативных
радиостанций, электроинструмента,
портативных компьютеров и спецсредств
> Дилеры промышленных аккумуляторов
"Panasonic", "Sanyo"
> Оптовые поставки химических источников
тока бытового, промышленного,
специального назначения, профессиональных
аккумуляторных фонарей, ЗУ, инвертеров
> Второй поставщик системы поставок
Министерства обороны России
(Сертификат "Военэлектронсерт")

Изготовление нестандартных батарей,
ремонт аккумуляторов для р/станций
и другого оборудования
Аккумуляторы для
источников бесперебойного питания,
аварийного освещения, систем связи
А также любые химические
источники тока от батарейки для
часов до тепловозной батареи
E-mail:
sales@alphaplus.t4i.
257-6114
250-7004
250-7072
Центр автономных источников тока
Йльдюни АЛЬФА Плюс
^^-энергия ни люРой бкусй

Справочник издан по инициативе ООО "БУСТЕР СПб",
официального дистрибьютора продукции аккумуляторной
компании SAFT (E-mail: buster-spb@mail.ru
buster@mail.wplus.net)
и Регионального консультационно-технического центра
автономных источников тока 000 "Фирма АЛЬФА плюс"
(E-mail: sales@alphaplus.ru)
А. А. Таганова - научный консультант 000 "Бустер СПб",
канд. техн. наук. Специалист с 30-летним опытом работы
в области контроля качества химических источников тока,
диагностики их состояния, организации испытаний.
Ю. И. Бубнов - генеральный директор 000 "Бустер СПб".
Большой опыт работы в области производства аккумуляторных
батарей. Специалист по внешнеэкономической деятельности.
С. Б. Орлов - специалист с 20-летним стажем в области
разработки и производства химических источников тока,
канд. хим. наук. Генеральный директор Регионального
консультационно-технического центра автономных источников
тока 000 "Фирма Альфа плюс", ст. научн. сотр. 22 ЦНИИИ
МО РФ, академик Академии проблем безопасности, обороны
и правопорядка РФ, председатель секции малогабаритных
химических источников тока Международной ассоциации
производителей ХИТ "ИНТЕРБАТ".