Основные типы аккумуляторов

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Свинцово-кислотный аккумулятор условно состоит из двух электродов, погруженных в электролит серной кислоты. Эти аккумуляторы в основном классифицируются на два типа: залитые и с рекомбинационными клапанами (герметичные).
Залитые свинцово-кислотные батареи дешевле, но нуждаются в более частом обслуживании и вентиляции помещения - т.к. присутствуют значительные испарения электролита (при ненадлежащем использовании АКБ может высохнуть за 1-2 года), чем свинцово-кислотные батареи с клапанной регулировкой (конденсация паров происходит внутри самого аккумулятора – что в свою очередь минимизирует испарение электролита).
Заливные АКБ имеют низкую стоимость. Однако эти батареи имеют определенные проблемы, включая малое количество циклов зарядки-разрядки в течение срока службы (100-150 полных циклов 80-90%), низкую интенсивность разряда (при больших нагрузках полезная емкость может проседать до 50%), ограниченный срок службы (около года при циклическом использовании) и медленную скорость зарядки (12-16 часов).

Герметические свинцово-кислотные аккумуляторы можно разделить на 2 типа: AGM и GEL.

В батареях AGM (их часто называют стартерными) между свинцовыми пластинами есть тонкая прослойка из стекловолокна, которая насыщена аккумуляторной кислотой примерно на 95% (это максимум, что они могут вместить). Этот насыщенный коврик укладывается между пластинами и слегка сжимается. Поскольку пластины и коврики упакованы достаточно плотно, они очень устойчивы к вибрации.
Важная вещь относительно AGM в том, что тип AGM не означает, что она имеет глубокий цикл. Глубокий цикл батареи делает прежде всего толщина пластины, а не то, она залита, гелеобразная (GEL) или AGM.
Ресурс батарей этого типа может составлять от 200 до 700 циклов (с утолщенными пластинами).

Кроме напряжения (В) и емкости (Аг) АКБ, мало когда обращают внимание на внутреннее сопротивление батареи - он указывает на ее общую эффективность заряда/разряда, способность обеспечивать высокие токи без значительных падения напряжения, а также являются показателем качества компонентов и конструкции.
Потери от внутреннего сопротивления выделяются в виде тепла, поэтому батареи имеют тенденцию нагреваться, когда они долго заряжены или разряжены (или эксплуатируются высокими, ненормированными токами).
Потери внутреннего сопротивления в стандартных залитых свинцово-кислотных аккумуляторах обычно составляют примерно от 10 до 15% для новых аккумуляторов и могут достигать 25% и более для старых аккумуляторов. Этот показатель может значительно отличаться в зависимости от возраста и качества батареи. В общем вы получаете то, за что платите – более дешевые батареи с более тонкими пластинами и внутренними соединениями, как правило, менее эффективны.
Гелевые батареи имеют лучшее (меньшее) внутреннее сопротивление примерно от 12% до 16%, поэтому им нужно около 115 ампер-часов заряда на каждые 100 ампер-часов.

Гелевая батарея (GEL) — это свинцово-кислотная батарея с рекомбинационными клапанами, не требующая обслуживания. Гелевые аккумуляторы более выносливы и универсальны. В них электролит вместе с серной кислотой сочетается с кремнеземом. Эта химическая реакция приводит к образованию неподвижной гелеобразной массы, что и дало этим батареям название. Гелевые батареи практически не нуждаются в техническом обслуживании, поскольку они используют односторонние открытые клапаны, позволяющие внутренним газам рекомбинироваться в жидкость, таким образом устраняя любую потребность проверять, чтобы долить дистиллированную воду или контролировать ее уровень. Гелевые аккумуляторы очень выносливы и универсальны (по сравнению с предыдущими типами). Их безопасно устанавливать в местах с ограниченной вентиляцией, поскольку они имеют очень низкое (практически нулевое) выделение газа/дыма, что означает, что вы даже можете установить батареи в своем доме.
Тщательно выбирайте правильный контроллер заряда для гелевых аккумуляторов. Особое внимание следует уделять выбору зарядных устройств, поскольку они заряжаются при более низком напряжении – чем заливные обслуживаемые. Превышение напряжения может привести к сбою (лишнему парообразованию) и снижению производительности. Иногда термин GEL-элемент обычно называют герметичными аккумуляторами, не требующими обслуживания, и обозначаются как настройка на контроллерах заряда. Это может ввести в заблуждение и привести к неправильному выбору зарядных устройств или неправильных настроек при зарядке. Общий диапазон зарядного напряжения аккумуляторов составляет от 14,0 до 14,2 вольт, а диапазон плавающего напряжения – от 13,1 до 13,3 вольт. Более подробные настройки приведены на самом АКБ.
Их срок службы обычно составляет от 350 до 2000 циклов (Carbon) при 80% разряде.

Постоянно внедряются более совершенные свинцово-кислотные аккумуляторы. Новые свинцово-кислотные батареи используют углерод на отрицательном электроде для создания отрицательного электрода суперконденсатора. В этих батареях положительный электрод не претерпевает никаких изменений в своем химическом процессе, а химический процесс не происходит на отрицательном электроде. В результате пластина меньше подвергается коррозии, что обеспечивает более длительный срок службы и более высокую эффективность, чем у обычных свинцово-кислотных аккумуляторов. Эти АКБ отрабатывают 1200 до 2000 циклов при 80% разряде и иногда достигают показателей некоторых недорогих Li аккумуляторов.

Современный тип аккумуляторов, приобретающий широкое распространение за счет снижения стоимости - Li.

Аккумуляторы, имеющие высокую плотность электроэнергии (Вт·ч/кг) сегодня очень востребованы. Эти батареи используются в устройствах для отдыха, батареях для электромобилей, солнечных электростанций и многом другом. Аккумуляторы на основе железа-фосфата (LiFePO4).
В принципе, в литий-ионной батарее происходит движение ионов лития между двумя электродами в растворе электролита или геля. Материалы катода – это соединения на основе лития, такие как кобальт или марганец. Анод обычно производится из углеродных материалов, например графита. Поскольку существует много вариантов материала катода и используемого электролита, существует много разных типов литий-ионных батарей.
Один элемент литий-ионной батареи обычно создает напряжение около 3,6 В. Чтобы достичь нормированного напряжения - к которому мы привыкли покупая АКБ, три или более элементов соединяются последовательно.
Аккумуляторы в которых используют литий-железо-фосфатные батареи в качестве материала катода, называются литий-железо-фосфатными (LiFePO4 или LFP). В них один элемент создает напряжение от 3,2 В до 3,3 В. Поэтому три или четыре из этих элементов соединены последовательно, чтобы создать одну LFP батарею.
Литий-ионные батареи имеют одну из самых высоких плотностей энергии среди всех типов батарей - примерно от 100 Втч/кг до 265 Втч/кг.
LiFePO4
Плотность энергии аккумулятора LFP несколько ниже, чем литий-ионный аккумулятор – она составляет 90-165 Вт·ч/кг.
Что касается количества циклов отработки зяряд/разряд:

• Литий-ионные – от 1000 до 3000 циклов.
• Литий-железо-фосфатный – от 1000 до 10 000 циклов (что значительно больше чем в Li-ion).

Есть еще один тип АКБ – литий-титанат (Li4Ti5O12, LTO).

Батарея LTO – это литий-ионная батарея с титанатом лития как анодом. Он широко используется из-за его высокой безопасности, высокой стабильности, превосходной производительности, длительного срока службы и экологичности. У него низкий саморазряд, высокий уровень безопасности, длительный срок службы, широкий диапазон рабочих температур, быстрая зарядка и скорость разряда.
Технология титаната лития — это будущее аккумуляторов. Выдерживают более 20 000 циклов (DOD при 80%), являются лучшим выбором.

• Низкий саморазряд, уровень остаточной емкости аккумулятора LTO, хранящийся при 20 ℃ в течение 90 дней, составляет более 90%, а коэффициент восстановления емкости составляет более 95%
• Высокая безопасность, проходит огнестрельные и гвоздевые испытания
• Длительный срок службы, жизненный цикл 5000 – 20 000 раз
• Широкий диапазон рабочих температур от -40℃ до 60℃, можно заряжать и разряжать при -40℃, 99% емкости можно разрядить при 60℃
• Быстрая зарядка и разрядка - можно полностью зарядить через 6 минут.
• Недостаток – очень большая стоимость.