V.S.Lavrus. Batarejki i akkumulyatory --------------------------------------------------------------- Tekst predostavil Redakcionno-analiticheskij centr "Nauka i Tehnika" Seriya "Informacionnoe Izdanie", Vypusk 1 Batarejki i akkumulyatory V.S. Lavrus © Copyright "Nauka i Tehnika", 1995 © Copyright "Informacionnoe Izdanie", 1995 Iz-za slozhnostej konvertacii v HTML v tekste otsutstvuyut illyustracii i tablicy. Polnye versii etih knizhek v formate PDF s kartinkami tablicami i stilevym oformleniem mozhno najti na sajte "Nauka i tehnika" http://www.nit.kiev.ua ˇ http://www.nit.kiev.ua --------------------------------------------------------------- Seriya "Informacionnoe Izdanie", Vypusk 1 V knige izlozheny svedeniya o konstrukcii, principah dejstviya i harakternyh osobennostyah himicheskih istochnikov toka (batareek i akkumulyatorov). Kak samomu vybrat' neobhodimye vam batarejki i akkumulyatory, kak pravil'no ih zaryazhat' i vosstanavlivat', vy uznaete iz etoj knigi. Oglavlenie Vvedenie Glava 1. Gal'vanicheskie istochniki toka odnorazovogo dejstviya 1.1. Tipy gal'vanicheskih elementov 1.2. Batarejki vedushchih firm mira Glava 2. Akkumulyatory 2.1. Kislotnye akkumulyatory 2.1.1. Stacionarnye svincovye akkumulyatory 2.1.2. Avtomobil'nye akkumulyatory 2.1.3. Ustrojstva dlya zaryada akkumulyatorov 2.2. Germetichnye akkumulyatory 2.2.1. Akkumulyatory, tehnologiya "dryfit" 2.2.2. Germetichnye nikel'-kadmievye akkumulyatory Spisok literatury Terminy i opredeleniya Anod -- polozhitel'nyj vyvod batarei. Batareya -- dva ili bolee elementov, soedinennyh posledovatel'no ili (i) parallel'no dlya obespecheniya nuzhnogo napryazheniya i toka. Vnutrennee soprotivlenie -- soprotivlenie toku cherez element, izmerennoe v Omah. Inogda nazyvaetsya vnutrennim impedansom. Vyhod energii -- rashod emkosti, umnozhennyj na srednee napryazhenie v techenie vremeni razryada batarej, vyrazhennyj v Vatt-chasah (Vtch). Emkost' -- kolichestvo elektricheskoj energii, kotoroe batareya vydelyaet pri opredelennyh usloviyah razryada, vyrazhennoe v amper-chasah (Ach) ili kulonah (1 Ach = 3600 Kl). Zaryad -- elektricheskaya energiya, peredavaemaya elementu, s cel'yu preobrazovaniya v zapasaemuyu himicheskuyu energiyu. Katod -- otricatel'nyj vyvod batarei. Kompensacionnyj podzaryad -- metod, pri kotorom dlya privedeniya batarei v polnost'yu zaryazhennoe sostoyanie i podderzhaniya ee v etom sostoyanii ispol'zuetsya postoyannyj tok. Napryazhenie otsechki -- minimal'noe napryazhenie, pri kotorom batareya sposobna otdavat' poleznuyu energiyu pri opredelennyh usloviyah razryada. Napryazhenie holostogo hoda -- napryazhenie na vneshnih zazhimah batarei pri otsutstvii otbora toka. Nominal'noe napryazhenie -- napryazhenie na polnost'yu zaryazhennoj bataree pri ee razryade s ochen' nizkoj skorost'yu. Plavayushchij zaryad -- metod podderzhaniya podzaryazhaemoj batarei v polnost'yu zaryazhennom sostoyanii putem podachi vybrannogo postoyannogo napryazheniya dlya kompensacii v nej razlichnyh poter'. Plotnost' energii -- otnoshenie energii elementa k ego masse ili ob®emu, vyrazhennoe v Vatt-chasah na edinicu massy ili ob®ema. Polyarizaciya -- padenie napryazheniya, vyzvannoe izmeneniyami himicheskih kompozicij komponentov elementov (raznica mezhdu napryazheniem holostogo hoda i napryazheniem v lyuboj moment razryada). Razryad -- potreblenie elektricheskoj energii ot elementa vo vneshnyuyu cep'. Glubokij razryad -- eto sostoyanie, v kotorom prakticheski vsya emkost' elementa izrashodovana. Neglubokij razryad -- eto razryad, pri kotorom izrashodovana malaya chast' polnoj emkosti. Separator -- material, ispol'zuemyj dlya izolyacii elektrodov drug ot druga. On inogda uderzhivaet elektrolit v suhih elementah. Srok hraneniya -- period vremeni, v techenie kotorogo, element hranyashchijsya pri normal'nyh usloviyah (20oC), sohranyaet 90% pervonachal'noj emkosti. Stabil'nost' -- odnorodnost' napryazheniya, pri kotorom batareya otdaet energiyu v techenie polnogo rezhim razryada. |lement -- bazovaya edinica, sposobnaya preobrazovyvat' himicheskuyu energiyu v elektricheskuyu. On sostoit iz polozhitel'nogo i otricatel'nogo elektrodov, pogruzhennyh v obshchij elektrolit. |lektrod -- provodyashchij material, sposobnyj pri reakcii s elektrolitom proizvodit' nositelej toka. |lektrolit -- material, provodyashchij nositelej zaryada v elemente. Cikl -- odna posledovatel'nost' zaryada i razryada elementa. Anglijskie terminy A battery -- batareya nakala acid storage battery -- batareya kislotnyh (svincovyh) akkumulyatorov air battery -- vozdushno-metallicheskij element alkaline battery -- (pervichnyj) shchelochnoj element alkaline battery -- shchelochnoj margancevo-cinkovyj element alkaline dry battery -- suhoj rtutno-cinkovyj element alkaline dry battery -- suhoj shchelochnoj element alkaline manganese battery -- shchelochnoj margancevo-cinkovyj element alkaline storage battery -- batareya shchelochnyh akkumulyatorov alkaline storage battery -- shchelochnoj akkumulyator anode battery -- anodnaya batareya B battery -- anodnaya batareya Bansen battery -- (azotno-kislotno-cinkovyj) element Bunzena bag-type battery -- stakanchikovyj (pervichnyj) element s kukolkoj balancing battery -- bufernaya batareya battery -- batareya bias battery -- element batarei smeshcheniya, element setochnoj batarei biasing battery -- batareya smeshcheniya, setochnaya batareya bichromate battery -- (pervichnyj) element s dihromatnym rastvorom buffer battery -- bufernaya batareya bypass battery -- bufernaya batareya C battery -- batareya smeshcheniya, setochnaya batareya Clark battery -- (rtutno-cinkovyj) element Klarka cadmium normal battery -- (rtutno-kadmievyj) normal'nyj element Vestona cadmium-silver-oxide battery -- oksidno-kadmievyj gal'vanicheskij element carbon battery -- (pervichnyj) element s ugol'nym elektrodom carbon-zinc battery -- (suhoj) element s cinkovym anodom i ugol'nym katodom cell -- element, yachejka, gal'vanicheskij element (pervichnyj element, akkumulyator ili toplivnyj element) chemical battery -- batareya himicheskih istochnikov toka chargeable battery -- perezaryazhaemyj element cooper-zinc battery -- medno-cinkovyj element counter (electromotive) battery -- protivodejstvuyushchij element Daniel battery -- (medno-cinkovyj) element Danielya decomposition battery -- element s (pobochnoj) reakciej elektroliticheskogo razlozheniya dichromate battery -- (pervichnyj) element s dihromatnym rastvorom displacement battery -- element s (pobochnoj) reakciej elektroliticheskogo zameshcheniya divalent silver oxide battery -- element s oksidirovaniem serebra do dvuhvalentnogo sostoyaniya double-fluid battery -- dvuhzhidkostnyj element drum storage -- batareya nikel'-cinkovyh akkumulyatorov dry battery -- suhoj element dry battery -- suhaya batareya dry-charged battery -- batareya suhozaryazhennyh akkumulyatorov dry-charged battery -- suhozaryazhennyj akkumulyator Edison battery -- nikel'-zheleznyj akkumulyator electric battery -- gal'vanicheskaya batareya (batareya pervichnyh elementov, akkumulyatorov ili toplivnyh elementov) electric battery -- gal'vanicheskij element (pervichnyj element), akkumulyator ili toplivnyj element emergency batteries -- batarei akkumulyatorov avarijnogo pitaniya emergency battery -- batareya avarijnogo pitaniya end batteries -- zapasnye akkumulyatornye batarei Faradey battery -- yachejka Faradeya Faure storage battery -- batareya akkumulyatorov s pastirovannymi plastinami filament battery -- batareya nakala floating battery -- zapasnaya batareya akkumulyatorov (vklyuchaemaya parallel'no osnovnoj bataree) Grenet battery -- (dihromatno-cinkovyj) element Grene galvanic battery -- elektrohimicheskaya yachejka v rezhime gal'vanicheskogo elementa grid battery -- setochnaya batareya, batareya smeshcheniya grid-bias battery -- batareya smeshcheniya, setochnaya batareya Lalande battery -- (shchelochnoj oksidmedno-cinkovyj) element Lalanda Leclanche battery -- (margancevo-cinkovyj) element Leklanshe lead (-acid) battery -- kislotnyj (svincovyj) akkumulyator lead-acid (lead-storage) battery -- batareya svincovyh (kislotnyh) akkumulyatorov lead-calcium battery -- svincovo-kal'cievyj element lead-dioxide primary battery -- pervichnyj element iz dioksida svinca line battery -- bufernaya batareya lithium battery -- element s litievym anodom lithium-iron sulfide secondary battery -- hloridzhelezno-litievyj akkumulyator lithium-silver chromate battery -- hromatoserebryano-litievyj element lithium-water battery -- vodno-litievyj element long wet-stand life battery -- batareya akkumulyatorov s dlitel'nym srokom hraneniya v zalitom sostoyanii magnesium battery -- pervichnyj element s magnievym anodom magnesium mercuric oxide battery -- magnievaya-oksid-rtutnaya batareya magnesium-cuprous chloride battery -- hloridmedno-magnievyj element magnesium-silver chloride battery -- hloridserebryano-magnievyj element magnesium-water battery -- vodno-magnievyj element mercury battery -- (suhoj) rtutno-cinkovyj element mercury battery -- batareya (suhih) rtutno-cinkovyh elementov metal-air storage battery -- vozdushno-metallicheskij akkumulyator nicad (nickel-cadmium) battery -- batareya nikel'-kadmievyh akkumulyatorov nickel-cadmium battery -- nikel'-kadmievyj akkumulyator nickel-iron battery -- nikel'-zheleznyj akkumulyator nickel-iron battery -- batareya nikel'-zheleznyh akkumulyatorov Plante battery -- svincovyj (kislotnyj) akkumulyator s polotnyanym separatorom pilot battery -- kontrol'nyj akkumulyator batarei plate battery -- anodnaya batareya plug-in battery -- smennaya batareya portable battery -- perenosnaya batareya primary battery -- (pervichnyj) element primary battery -- batareya (pervichnyh) elementov quiet battery -- mikrofonnaya batareya Ruben battery -- (suhoj) rtutno-cinkovyj element rechargeable battery -- batareya akkumulyatorov rechargeable battery -- batareya perezaryazhaemyh elementov reserve battery -- gal'vanicheskij element rezervnoj batarei ringing battery -- vyzyvnaya (telefonnaya) batareya sal-ammoniac battery -- (pervichnyj) element s rastvorami solej ammoniya saturated standard battery -- nasyshchennyj normal'nyj element sealed battery -- germetichnyj akkumulyator sealed battery -- germetichnyj (pervichnyj) element secondary battery -- batareya akkumulyatorov signaling battery -- vyzyvnaya (telefonnaya) batareya silver-cadmium storage battery -- batareya serebryano-kadmievyh akkumulyatorov silver-oxide battery -- (pervichnyj) element s serebryanym katodom silver-zinc primary battery -- serebryano-cinkovyj pervichnyj element silver-zinc storage battery -- batareya serebryano-cinkovyh akkumulyatorov solar battery -- solnechnaya batareya standard Daniel battery -- (medno-cinkovyj) normal'nyj element Danielya standby battery -- batareya avarijnogo pitaniya stationary battery -- stacionarnaya batareya akkumulyatorov storage battery -- batareya akkumulyatorov talking battery -- mikrofonnaya batareya Voltaic battery -- element Vol'ta; element s metallicheskimi elektrodami i zhidkim elektrolitom Weston (standard) battery -- (rtutno-kadmievyj) normal'nyj element Vestona wet battery -- element s zhidkim elektrolitom zinc-air battery -- batareya vozdushno-cinkovyh elementov zinc-chlorine battery -- hlorno-cinkovyj akkumulyator zinc-coper-oxide battery -- oksidmedno-cinkovyj element zinc-iron battery -- zhelezocinkovyj element zinc-manganese dioxide battery -- batareya margancevo-cinkovyh elementov zinc-mercury-oxide battery -- oksidrtutno-cinkovyj element zinc-nickel battery -- batareya nikel'-cinkovyh akkumulyatorov zinc-silver-chloride primary battery -- hloridserebryano-cinkovyj pervichnyj element VVEDENIE Himicheskie istochniki toka (HIT) v techenii mnogih let prochno voshli v nashu zhizn'. V bytu potrebitel' redko obrashchaet vnimanie na otlichiya ispol'zuemyh HIT. Dlya nego eto batarejki i akkumulyatory. Obychno oni ispol'zuyutsya v ustrojstvah takih, kak karmannye fonari, igrushki, radiopriemniki ili avtomobili. CHashche vsego, razlichayut batarejki i akkumulyatory po vneshnemu vidu. No sushchestvuyut akkumulyatory, konstruktivno vypolnennye takzhe kak i batarejki. Naprimer vneshnij vid akkumulyator KNG-1D malo otlichaetsya ot klassicheskih pal'chikovyh batareek R6C. I naoborot. Akkumulyatory i batarejki diskovoj konstrukcii vneshne takzhe nerazlichimy. Naprimer akkumulyator D-0,55 i knopochnyj rtutnyj element (batarejka) RC-82. Dlya togo, chtoby razlichat' ih potrebitelyu neobhodimo obrashchat' vnimanie na markirovku, nanesennuyu na korpus HIT. Markirovki, nanosimye na korpusa batareek i akkumulyatorov opisany v glave 1 i 2 na risunkah i v tablicah. |to neobhodimo dlya pravil'nogo vybora pitayushchego elementa dlya vashego ustrojstva. Poyavlenie perenosnoj audio, video i drugoj bolee energoemkoj apparatury potrebovalo uvelicheniya energoemkosti HIT, ih nadezhnosti i dolgovechnosti. V dannoj knige opisyvayutsya tehnicheskie harakteristiki i sposoby vybora optimal'nogo HIT, sposoby zaryada, vosstanovleniya, ekspluatacii i prodleniya sroka ispol'zovaniya akkumulyatorov i batareek. CHitatelyu sleduet obratit' vnimanie na predosterezheniya otnositel'no bezopasnosti i utilizacii HIT. V tom sluchae, kogda potreblyaemaya moshchnost' otnositel'no velika (10Ach), ispol'zuyutsya akkumulyatory, v osnovnom kislotnye, a takzhe nikel'-zheleznye i nikel'-kadmievye. Oni primenyayutsya v portativnyh |VM (Laptop, Notebook, Palmtop), nosimyh sredstvah svyazi, avarijnom osveshchenii i pr. Avtomobil'nye akkumulyatory zanimayut osoboe mesto v knige. Privodyatsya shemy ustrojstv dlya zaryadki i vosstanovleniya akkumulyatorov, a takzhe opisyvayutsya novye, sozdannye po tehnologii "dryfit", germetichnye akkumulyatory, ne trebuyushchie uhoda v techenii 5...8 let ekspluatacii. Oni ne okazyvayut vrednogo vozdejstviya na lyudej i apparaturu. V poslednie gody takie akkumulyatory shiroko primenyayutsya v rezervnyh istochnikah pitaniya |VM i elektromehanicheskih sistemah, nakaplivayushchih energiyu dlya vozmozhnyh pikovyh nagruzok i avarijnogo pitaniya elektroenergiej zhiznenno-vazhnyh sistem. V nachale kazhdoj glavy priveden slovar' special'nyh anglijskih terminov, kotorye ispol'zuyutsya v opisaniyah i pri markirovke batareek i akkumulyatorov. V konce knigi nahoditsya svodnyj otreznoj slovar' terminov. Osnovnye harakteristiki HIT shirokogo spektra primeneniya, predstavlyayushchih prakticheskij interes, privedeny v tablice V.1. GLAVA 1 GALXVANICHESKIE ISTOCHNIKI TOKA ODNORAZOVOGO DEJSTVIYA Gal'vanicheskie istochniki toka odnorazovogo dejstviya predstavlyayut soboj unificirovannyj kontejner, v kotorom nahodyatsya elektrolit, absorbiruemyj aktivnym materialom separatora, i elektrody (anod i katod), poetomu oni nazyvayutsya suhimi elementami. |tot termin ispol'zuetsya primenitel'no ko vsem elementam, ne soderzhashchim zhidkogo elektrolita. K obychnym suhim elementam otnosyatsya uglerodno-cinkovye elementy ili elementy Leklanshe [1]. Suhie elementy primenyayutsya pri malyh tokah i preryvistyh rezhimah raboty. Poetomu takie elementy shiroko ispol'zuyutsya v telefonnyh apparatah, igrushkah, sistemah signalizacii i dr. Poskol'ku spektr priborov, v kotoryh ispol'zuyutsya suhie elementy, ves'ma shirok i, krome togo trebuetsya ih periodicheskaya zamena, sushchestvuyut normy na ih gabarity [1]. Sleduet podcherknut', chto gabarity elementov, privedennye v tablicah 1.1 i 1.2, vypuskaemye razlichnymi izgotovitelyami mogut neskol'ko otlichat'sya v chasti raspolozheniya vyvodov i drugih osobennostej, ogovorennyh v ih specifikaciyah. V processe razryada napryazhenie suhih elementov padaet ot nominal'nogo do napryazheniya otsechki (napryazhenie otsechki -- minimal'noe napryazhenie, pri kotorom batareya sposobna otdavat' minimal'nuyu energiyu), t.e. obychno ot 1,2 V do 0,8 V/element v zavisimosti ot osobennostej primeneniya. V sluchae razryada pri podklyuchenii k elementu postoyannogo soprotivleniya posle zamykaniya cepi napryazhenie na ego vyvodah rezko umen'shaetsya do nekotoroj velichiny, neskol'ko men'shej ishodnogo napryazheniya. Tok, protekayushchij pri etom, nazyvaetsya nachal'nym tokom razryada. Funkcional'nye vozmozhnosti suhogo elementa zavisyat ot potrebleniya toka, napryazheniya otsechki i uslovij razryada. |ffektivnost' elementa povyshaetsya po mere umen'sheniya toka razryada. Dlya suhih elementov nepreryvnyj razryad za vremya men'she 24ch mozhet byt' otnesen k kategorii razryada s vysokoj skorost'yu. |lektricheskaya emkost' suhogo elementa ogovarivaetsya dlya razryada cherez fiksirovannoe soprotivlenie pri zadannom konechnom napryazhenii v chasah v zavisimosti ot nachal'nogo razryada i predstavlyaetsya grafikom ili tablicej. Celesoobrazno ispol'zovat' grafik ili tablicu izgotovitelya dlya konkretnoj batarei. |to obuslovleno ne tol'ko neobhodimost'yu ucheta osobennostej izdeliya, no i tem, chto kazhdyj izgotovitel' daet svoi rekomendacii po nailuchshemu ispol'zovaniyu ego produkcii. V tablice 1.3 i tablice 1.5 predstavleny tehnicheskie harakteristiki gal'vanicheskih elementov, naibolee rasprostranennyh v poslednee vremya na prilavkah nashih magazinov. Vnutrennee soprotivlenie batarei mozhet ogranichivat' neobhodimyj tok, naprimer pri ispol'zovanii v fotovspyshke. Nachal'nyj stabil'nyj tok, kotoryj mozhet kratkovremenno davat' batareya, nazyvaetsya tokom vspyshki. V oboznachenii tipa elementa prisutstvuyut bukvennye oboznacheniya, kotorym sootvetstvuyut toki vspyshki i vnutrennee soprotivlenie elementa, izmerennye na postoyannom i peremennom toke (tablica 1.4 [1]). Tok vspyshki i vnutrennee soprotivlenie ves'ma slozhny dlya izmerenij, prichem elementy mogut imet' dlitel'nyj srok hraneniya, no pri etom tok vspyshki mozhet umen'shat'sya. 1.1. TIPY GALXVANICHESKIH |LEMENTOV Ugol'no-cinkovye elementy Ugol'no-cinkovye elementy (marganec-cinkovye) yavlyayutsya samymi rasprostranennymi suhimi elementami. V ugol'no-cinkovyh elementah ispol'zuetsya passivnyj (ugol'nyj) kollektor toka v kontakte s anodom iz dvuokisi marganca (MnO2), elektrolit iz hlorida ammoniya i katodom iz cinka. |lektrolit nahoditsya v pastoobraznom sostoyanii ili propityvaet poristuyu diafragmu. Takoj elektrolit malo podvizhen i ne rastekaetsya, poetomu elementy nazyvayutsya suhimi. Nominal'noe napryazhenie ugol'no-cinkovogo elementa sostavlyaet 1,5 V. Suhie elementy mogut imet' cilindricheskuyu, ris.1.1, diskovuyu ris.1.2 i pryamougol'nuyu formu. Ustrojstvo pryamougol'nyh elementov analogichno diskovym. Cinkovyj anod vypolnen v vide cilindricheskogo stakana, odnovremenno yavlyayushchimsya kontejnerom. Diskovye elementy sostoyat iz cinkovoj plastiny, kartonnoj diafragmy, propitannoj rastvorom elektrolita, i spressovannogo sloya polozhitel'nogo elektroda. Diskovye elementy posledovatel'no soedinyayut drug s drugom, poluchennuyu batareyu izoliruyut i upakovyvayut v futlyar. Ugol'no-cinkovye elementy "vosstanavlivayutsya" v techenii pereryva v rabote. |to yavlenie obuslovleno postepennym vyravnivaniem lokal'nyh neodnorodnostej v kompozicii elektrolita, voznikayushchih v processe razryada. V rezul'tate periodicheskogo "otdyha" srok sluzhby elementa prodlevaetsya. Na ris. 1.3 predstavlena trehmernaya diagramma, pokazyvayushchaya uvelichenie prodolzhitel'nosti raboty D-elementa pri ispol'zovanii preryvistogo rezhima raboty v sravnenii s postoyannym. |to sleduet uchityvat' pri intensivnoj ekspluatacii elementov (i ispol'zovat' neskol'ko komplektov dlya raboty s tem, chtoby odin komplekt imel dostatochnyj period vremeni dlya vosstanovleniya rabotosposobnosti. Naprimer, pri ekspluatacii pleera ne rekomenduetsya ispol'zovat' odin komplekt batareek bolee dvuo chasov podryad. Pri smene dvuh komplektov prodolzhitel'nost' raboty elementov uvelichivaetsya v tri raza. Dostoinstvom ugol'no-cinkovyh elementov yavlyaetsya ih otnositel'no nizkaya stoimost'. K sushchestvennym nedostatkam sleduet otnesti znachitel'noe snizhenie napryazheniya pri razryade, nevysokuyu udel'nuyu moshchnost' (5...10 Vt/kg) i malyj srok hraneniya. Nizkie temperatury snizhayut effektivnost' ispol'zovaniya gal'vanicheskih elementov, a vnutrennij razogrev batarei ego povyshaet. Vliyanie temperatury na emkost' gal'vanicheskogo elementa pokazana na ris. 1.4. Povyshenie temperatury vyzyvaet himicheskuyu korroziyu cinkovogo elektroda vodoj, soderzhashchejsya v elektrolite, i vysyhanie elektrolita. |ti faktory udaetsya neskol'ko kompensirovat' vyderzhkoj batarei pri povyshennoj temperature i vvedeniem vnutr' elementa, cherez predvaritel'no prodelannoe otverstie, solevogo rastvora. SHCHelochnye elementy Kak i v ugol'no-cinkovyh, v shchelochnyh elementah ispol'zuetsya anod iz MnO2 i cinkovyj katod s razdelennym elektrolitom. Otlichie shchelochnyh elementov ot ugol'no-cinkovyh zaklyuchaetsya v primenenii shchelochnogo elektrolita, v sledstvii chego gazovydelenie pri razryade fakticheski otsutstvuet, i ih mozhno vypolnyat' germetichnymi, chto ochen' vazhno dlya celogo ryada ih primenenij. Napryazhenie shchelochnyh elementov primerno na 0,1 V men'she, chem ugol'no-cinkovyh, pri odinakovyh usloviyah. Sledovatel'no eti elementy vzaimozamenyaemy. Napryazhenie elementov s shchelochnym elektrolitom izmenyaetsya znachitel'no men'she, chem u elementov s solevym elektrolitom. |lementy s shchelochnym elektrolitom takzhe imeyut bolee vysokie udel'nuyu energiyu (65...90 Vtch/kg), udel'nuyu moshchnost' (100...150 kVtch/m3) i bolee dlitel'nyj srok hraneniya. Zaryadka margancevo-cinkovyh elementov i batarej Proizvoditsya asimmetrichnym peremennym tokom. Zaryazhat' mozhno elementy s solevym ili shchelochnym elektrolitom lyuboj koncentracii, no ne slishkom razryazhennye i ne imeyushchie povrezhdenij cinkovyh elektrodov. V predelah sroka godnosti, ustanovlennogo dlya dannogo tipa elementa ili batarei, mozhno proizvodit' mnogokratnoe (6...8 raz) vosstanovlenie rabotosposobnosti [2]. Zaryadka suhih batarej i elementov proizvodyatsya ot special'nogo ustrojstva, pozvolyayushchego poluchit' zaryadnyj tok neobhodimoj formy: pri sootnoshenii zaryadnoj i razryadnoj sostavlyayushchej 10:1 i otnoshenii dlitel'nosti impul'sov etih sostavlyayushchih 1:2. |to ustrojstvo pozvolyaet zaryazhat' batarejki dlya chasov i aktivizirovat' starye malogabaritnye akkumulyatory. Pri zaryadke batareek dlya chasov, zaryadnyj tok ne dolzhen prevyshat' 2 mA. Vremya zaryada ne bolee 5 chasov. Shema takogo ustrojstva dlya zaryadki batarej pokazana na ris. 1.5. Zdes' zaryazhaemaya batareya vklyuchena cherez dve parallel'no vklyuchennye cepochki diodov s rezistorami. Asimmetrichnyj tok zaryada poluchaetsya v sledstvii razlichiya soprotivlenij rezistorov. Okonchanie zaryada opredelyaetsya po prekrashcheniyu rosta napryazheniya na bataree. Napryazhenie vtorichnoj obmotki transformatora zaryadnogo ustrojstva vybiraetsya tak, chtoby vyhodnoe napryazhenie prevyshalo nominal'noe napryazhenie elementa na 50...60%. Vremya zaryada batarej s pomoshch'yu opisannogo ustrojstva dolzhno byt' poryadka 12...16 chasov. Zaryadnaya emkost' dolzhna byt' primerno na 50% bol'she nominal'noj emkosti batarei. Rtutnye elementy Rtutnye elementy ochen' pohozhi na shchelochnye elementy. V nih ispol'zuetsya oksid rtuti (HgO). Katod sostoit iz smesi poroshka cinka i rtuti. Anod i katod razdeleny separatorom i diafragmoj, propitannoj 40% rastvorom shchelochi. |ti elementy imeyut dlitel'nye sroki hraneniya i bolee vysokie emkosti (pri tom zhe ob®eme). Napryazhenie rtutnogo elementa primerno na 0,15 V nizhe, chem u shchelochnogo. Rtutnye elementy otlichayutsya vysokoj udel'noj energiej (90...120 Vtch/kg, 300...400 kVtch/m3), stabil'nost'yu napryazheniya i vysokoj mehanicheskoj prochnost'yu. Dlya malogabaritnyh priborov sozdany modernizirovannye elementy tipov RC-31S, RC-33S i RC-55US. Udel'naya energiya elementov RC-31S i RC-55US -- 600 kVtch/m3, elementov RC-33S -- 700 kVtch/m3. |lementy RC-31S i RC-33S primenyayutsya dlya pitaniya ruchnyh chasov i drugoj apparatury. |lementy RC-55US prednaznacheny dlya medicinskoj apparatury, v chastnosti dlya vzhivlyaemyh medicinskih priborov. |lementy RC-31S i RC-33S rabotayut 1,5 goda pri tokah sootvetstvenno 10 i 18 mkA, a element RC-55US obespechivaet rabotu vzhivlyaemyh medicinskih priborov v techenii 5 let. Kak sleduet iz tablicy 1.6, nominal'naya emkost' etih elementov ne sootvetstvuet ih oboznacheniyu. Rtutnye elementy rabotosposobny v intervale temperatur ot 0 do +50oS, imeyutsya holodostojkie RC-83H i RC-85U i teplostojkie elementy RC-82T i RC-84, kotorye sposobny rabotat' pri temperature do +70oS. Imeyutsya modifikacii elementov, v kotoryh vmesto cinkovogo poroshka (otricatel'nyj elektrod) ispol'zuyutsya splavy indiya i titana. Tak kak rtut' deficitna i toksichna, rtutnye elementy ne sleduet vybrasyvat' posle ih polnogo ispol'zovaniya. Oni dolzhny postupat' na vtorichnuyu pererabotku. Serebryanye elementy Oni imeyut "serebryanye" katody iz Ag2O i AgO. Napryazhenie u nih na 0,2 V vyshe, chem u ugol'no-cinkovyh pri sopostavimyh usloviyah [1]. Litievye elementy V nih primenyayutsya litievye anody, organicheskij elektrolit i katody iz razlichnyh materialov. Oni obladayut ochen' bol'shimi srokami hraneniya, vysokimi plotnostyami energii i rabotosposobny v shirokom intervale temperatur, poskol'ku ne soderzhat vody. Tak kak litij obladaet naivysshim otricatel'nym potencialom po otnosheniyu ko vsem metallam, litievye elementy harakterizuyutsya naibol'shim nominal'nym napryazheniem pri minimal'nyh gabaritah (ris. 1.6). Tehnicheskie harakteristiki litievyh gal'vanicheskih elementov privedeny v tablice 1.7. V kachestve rastvoritelej v takih elementah obychno ispol'zuyutsya organicheskie soedineniya. Takzhe rastvoritelyami mogut byt' neorganicheskie soedineniya, naprimer, SOCl2, kotorye odnovremenno yavlyayutsya reaktivnymi veshchestvami. Ionnaya provodimost' obespechivaetsya vvedeniem v rastvoriteli solej, imeyushchih aniony bol'shih razmerov, naprimer: LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. Udel'naya elektricheskaya provodimost' nevodnyh rastvorov elektrolitov na 1...2 poryadka nizhe provodimosti vodnyh. Krome togo, katodnye processy v nih obychno protekayut medlenno, poetomu v elementah s nevodnymi elektrolitami plotnosti toka neveliki. K nedostatkam litievyh elementov sleduet otnesti ih otnositel'no vysokuyu stoimost', obuslovlennuyu vysokoj cenoj litiya, osobymi trebovaniyami k ih proizvodstvu (neobhodimost' inertnoj atmosfery, ochistka nevodnyh rastvoritelej). Sleduet takzhe uchityvat', chto nekotorye litievye elementy pri ih vskrytii vzryvoopasny. Takie elementy obychno vypolnyayutsya v knopochnom ispolnenii s napryazheniem 1,5 V i 3 V. Oni uspeshno obespechivayut pitaniem shemy s potrebleniem poryadka 30 mkA v postoyannom ili 100 mkA v preryvistom rezhimah. Litievye elementy shiroko primenyayutsya v rezervnyh istochnikah pitaniya shem pamyati, izmeritel'nyh priborah i prochih vysokotehnologichnyh sistemah. 1.2. BATAREJKI VEDUSHCHIH FIRM MIRA V poslednie desyatiletiya vozros ob®em proizvodstva shchelochnyh analogov elementov Leklanshe, v tom chisle vozdushno-cinkovyh (sm. tablicu V1). Tak, naprimer v Evrope proizvodstvo shchelochnyh margancevo-cinkovyh elementov stalo razvivat'sya v 1980 g., a v 1983 g. ono dostiglo uzhe 15% obshchego vypuska [10]. Ispol'zovanie svobodnogo elektrolita ogranichivaet vozmozhnosti primeneniya avtonomnyh i v osnovnom ispol'zuetsya v stacionarnyh HIT. Poetomu mnogochislennye issledovaniya napravleny na sozdanie tak nazyvaemyh suhih elementov, ili elementov s zagushchennym elektrolitom, svobodnyh ot takih elementov, kak rtut' i kadmij, kotorye predstavlyayut ser'eznuyu opasnost' dlya zdorov'ya lyudej i okruzhayushchej sredy. Takaya tendenciya yavlyaetsya sledstviem preimushchestv shchelochnyh HIT v sravnenii s klassicheskimi solevymi elementami: sushchestvennoe povyshenie razryadnyh plotnostej toka za schet primeneniya pastirovannogo anoda; povyshenie emkosti HIT za schet vozmozhnosti uvelicheniya zakladki aktivnyh mass; sozdanie vozdushno-cinkovyh kompozicij (elementy tipa 6F22) za schet bol'shej aktivnosti sushchestvuyushchih katodnyh materialov v reakcii elektrovosstanovleniya dikisloroda v shchelochnom elektrolite [11]. Batarejki kompanii Duracell (SSHA) Firma Duracell -- priznannyj lider v mire po proizvodstvu shchelochnyh gal'vanicheskih istochnikov odnorazovogo dejstviya. Istoriya firmy naschityvaet bolee 40 let. Sama firma raspolozhena v Soedinennyh SHtatah Ameriki. V Evrope ee zavody nahodyatsya v Bel'gii. Po mneniyu potrebitelej kak u nas, tak i za rubezhom po populyarnosti, prodolzhitel'nosti ispol'zovaniya i sootnosheniyu ceny i kachestva batarejki firmy Duracell zanimayut vedushchee mesto. Poyavlenie Duracell na rynke Ukrainy privleklo vnimanie nashih potrebitelej. Plotnosti razryadnogo toka v litievyh istochnikah ne veliki (po sravneniyu s drugimi HIT), poryadka 1 mA/sm2 (sm. str.14). Pri garantirovannom sroke hraneniya 10 let i razryade malym tokom racional'no ispol'zovat' litievye elementy Duracell v vysokotehnologichnyh sistemah. Zapatentovannaya v SSHA tehnologiya EXRA-POWER s primeneniem dvuokisi titana (TiO2) i drugih tehnologicheskih osobennostej sposobstvuet povysheniyu moshchnosti i effektivnosti ispol'zovaniya margancevo-cinkovyh HIT firmy Duracell. Vnutri stal'nogo korpusa shchelochnyh elementov "Duracell" raspolozhen cilindricheskij grafitovyj kollektor, v kotorom nahoditsya pastoobraznyj elektrolit v kontakte s igol'chatym katodom. Garantirovannyj srok hraneniya elementov 5 let, i pri etom -- emkost' elementa, ukazannaya na upakovke, garantiruetsya v konce sroka hraneniya. Tehnicheskie harakteristiki HIT firmy Duracell privedeny v tablice 1.8. Batarejki koncerna Varta (Germaniya) Koncern Varta -- odin iz mirovyh liderov po proizvodstvu HIT. 25 zavodov koncerna raspolozheny v bolee chem 100 stranah mira i vypuskayut bolee 1000 naimenovanij akkumulyatorov i batareek. Osnovnye proizvodstvennye moshchnosti zanimaet Departament stacionarnyh promyshlennyh akkumulyatorov. Odnako poryadka 600 naimenovanij gal'vanicheskih elementov ot batareek dlya chasov do germetichnyh akkumulyatorov proizvodyatsya na zavodah koncerna Departamentom pribornyh batarej v SSHA, Italii, YAponii, CHehii i t.d., pri garantii neizmennogo kachestva vne zavisimosti ot geograficheskogo raspolozheniya zavoda. V fotograficheskoj kamere pervogo cheloveka, stupivshego na Lunu, byli ustanovleny batarejki koncerna Varta. Oni dostatochno horosho izvestny nashim potrebitelyam i pol'zuyutsya ustojchivym sprosom. Tehnicheskie harakteristiki HIT koncerna Varta s ukazaniem otechestvennyh analogov privedeny v tablice 1.9. GLAVA 2 AKKUMULYATORY Akkumulyatory yavlyayutsya himicheskimi istochnikami elektricheskoj energii mnogorazovogo dejstviya. Oni sostoyat iz dvuh elektrodov (polozhitel'nogo i otricatel'nogo), elektrolita i korpusa. Nakoplenie energii v akkumulyatore proishodit pri protekanii himicheskoj reakcii okisleniya-vosstanovleniya elektrodov. Pri razryade akkumulyatora proishodyat obratnye processy. Napryazhenie akkumulyatora -- eto raznost' potencialov mezhdu polyusami akkumulyatora pri fiksirovannoj nagruzke. Dlya polucheniya dostatochno bol'shih znachenij napryazhenij ili zaryada otdel'nye akkumulyatory soedinyayutsya mezhdu soboj posledovatel'no ili parallel'no v batarei. Sushchestvuet ryad obshcheprinyatyh napryazhenij dlya akkumulyatornyh batarej: 2; 4; 6; 12; 24 V. Kolichestvo akkumulyatorov, neobhodimoe dlya ukomplektovaniya batarei pri posledovatel'nom soedinenii, opredelyaetsya po formule: N = Up / Ua, gde N -- chislo akkumulyatornyh batarej, Up -- napryazhenie pitaniya potrebitelya, Ua -- napryazhenie odnogo polnost'yu zaryazhennogo akkumulyatora. Pod otdavaemoj emkost'yu sleduet ponimat' maksimal'noe kolichestvo elektrichestva v kulonah (amper chasah) ( 1 Ach = 3600 Kl), kotoroe akkumulyator otdaet pri razryade do vybrannogo konechnogo napryazheniya. V uslovnom oboznachenii tipa akkumulyatora privoditsya nominal'naya emkost', t.e. emkost' pri normal'nyh usloviyah razryada (pri razryade nominal'nym tokom i, obychno, pri temperature 20oS). Akkumulyatory sleduet vybirat' po sleduyushchim parametram: koefficient otdachi -- eto otnoshenie kolichestva elektrichestva v kulonah (Ach)* [3], otdannogo akkumulyatorom pri polnom razryade, k kolichestvu elektrichestva, poluchennomu pri zaryade; koefficient poleznogo dejstviya akkumulyatora -- eto otnoshenie kolichestva elektrichestva, Kl (Ach)*, kotoroe on otdaet potrebitelyu, razryazhayas' do ustanovlennogo predela dlya prodolzheniya normal'noj raboty poslednego, k kolichestvu, poluchennomu im pri zaryade, Kl (Ach)*. Znachenie koefficienta poleznogo dejstviya vsegda men'she znacheniya koefficienta otdachi. Pri parallel'nom soedinenii akkumulyatorov, t.e. pri soedinenii mezhdu soboj polozhitel'nyh i otricatel'nyh polyusov vseh elementov sootvetstvenno, mozhno sostavit' batareyu bol'shoj emkosti s napryazheniem, ravnym nominal'nomu napryazheniyu odnogo akkumulyatora i emkost'yu, ravnoj summe emkostej sostavlyayushchih ee akkumulyatorov. Dlya oblegcheniya vybora sootvetstvuyushchego potrebitelyu energii akkumulyatora sravnim nekotorye harakteristiki. Iz tabl. 2.1 [4] vidno, chto vesovaya udel'naya energiya serebryano-cinkovyh akkumulyatorov v znachitel'no bol'shej stepeni zavisit ot temperatury. Primerno tak zhe zavisit ot temperatury ob®emnaya udel'naya energiya akkumulyatorov. Ochen' vazhnoj harakteristikoj akkumulyatorov yavlyaetsya orientirovochnaya otnositel'naya stoimost' 1 Vtch energii, poluchennoj ot razlichnyh tipov akkumulyatorov odinakovoj emkosti. Kak vidno iz tabl. 2.2 dorozhe vsego obhoditsya energiya, poluchaemaya ot serebryano-cinkovyh i kadmievyh akkumulyatorov, i deshevle ot svincovo-kislotnyh, prinyatyh v dannom sluchae za edinicu. Harakteristiki naibolee rasprostranennyh tipov akkumulyatorov privedeny v tabl. 2.3 [1]. Pri vybore akkumulyatornoj batarei neobhodimo sprognozirovat' rezhim raboty, harakter izmeneniya nagruzki, diapazon izmeneniya sily toka i napryazheniya, temperaturu okruzhayushchej sredy i dr. Parametry naibolee rasprostranennyh tipov akkumulyatorov privedeny v tabl. 2.4. Ogranichimsya rassmotreniem sleduyushchih akkumulyatorov: kislotnyh akkumulyatorov, vypolnennyh po tradicionnoj tehnologii; stacionarnyh svincovyh i privodnyh (avtomobil'nyh i traktornyh); germetichnyh neobsluzhivaemyh akkumulyatorov, germetichnyh nikel'-kadmievyh i kislotnyh "dryfit" A400 i A500 (zheleobraznyj elektrolit). Oni udovletvoryayut lyubye trebovaniya po emkosti batarej ot 0,3 do 200 Ach. 2.1. KISLOTNYE AKKUMULYATORY Akkumulyator sostoit iz polozhitel'nogo i otricatel'nogo elektrodov, rastvora sernoj kisloty (27...39%-nyj rastvor) i separatora, razdelyayushchego polozhitel'nye i otricatel'nye plastiny. Batarei sostoyat iz posledovatel'no soedinennyh mezhdu soboj sekcij (akkumulyatorov). Nominal'noe napryazhenie kazhdogo akkumulyatora sostavlyaet 2 V. Obychno batarei sostoyat iz treh (obshchee napryazhenie batarei 6 V) i shesti akkumulyatorov (obshchee napryazhenie batarei 12 V). Kolichestvo batarej v akkumulyatore oboznachaetsya N. Primenyayutsya dva tipa elektrodov: poverhnostnye i pastirovannye. Poverhnostnyj elektrod sostoit iz svincovoj plastiny, na poverhnosti kotoroj elektrohimicheskim sposobom formiruetsya sloj aktivnoj massy. Pastirovannye elektrody podrazdelyayutsya na reshetchatye (namaznye), korobchatye i pancirnye. V reshetchatyh (namaznyh) elektrodah aktivnaya massa uderzhivaetsya v reshetke iz svincovo-sur'myanogo splava tolshchinoj 1...4 mm. V korobchatyh plastinah reshetki s aktivnoj massoj zakryvayutsya s dvuh storon perforirovannymi svincovymi listami. Pancirnye plastiny sostoyat iz svincovo-sur'myanyh shtyrej, kotorye pomeshchayutsya vnutri plastmassovyh perforirovannyh trubok, zapolnennyh aktivirovannoj massoj. Dlya otricatel'nyh elektrodov ispol'zuyutsya namaznye i korobchatye plastiny, dlya polozhitel'nyh -- poverhnostnye, namaznye i pancirnye. V kachestve separatorov primenyayut mikroporistye plastiny iz vulkanizirovannogo kauchuka (mipor), polivinilhlorida (miplast) i steklovolokna. Svincovye akkumulyatory obychno soedinyayut v batareyu, kotoruyu pomeshchayut v monoblok iz ebonita, termoplasta, polipropilena, polistirola, polietilena, asfal'topekovoj kompozicii, keramiki ili stekla. Odnoj iz vazhnejshih harakteristik akkumulyatora yavlyaetsya srok sluzhby ili resurs-narabotka (chislo ciklov). Uhudshenie parametrov akkumulyatora i vyhod iz stroya obuslovleny v pervuyu ochered' korroziej reshetki i opolzaniem aktivnoj massy polozhitel'nogo elektroda. Srok sluzhby akkumulyatora opredelyaetsya v pervuyu ochered' tipom polozhitel'nyh plastin i usloviyami ekspluatacii. Akkumulyatory i batarei imeyut uslovnoe bukvenno-cifrovoe oboznachenie. Pervaya cifra (dlya otechestvennyh akkumulyatorov) ukazyvaet chislo posledovatel'no soedinennyh akkumulyatorov. Tak kak nominal'noe napryazhenie svincovogo akkumulyatora ravno dvum vol'tam, to nominal'noe napryazhenie akkumulyatornoj batarei ravno chislu posledovatel'no soedinennyh elementov, umnozhennomu na dva. Dlya nekotoryh akkumulyatorov ukazyvayutsya klimaticheskoe ispolnenie i razmeshchenie. Naprimer, starternaya batareya iz shesti akkumulyatorov emkost'yu 55 Ach v monobloke iz ebonita i s separatorom iz steklovolokna imeet uslovnoe oboznachenie: batareya 6ST-55|S, GOST 959.0-79. Svincovye akkumulyatory imeyut vysokie razryadnye napryazheniya (ris. 2.1) i udel'nuyu moshchnost' (do 100...150 Vt/kg) i otnositel'no nedorogi. K osnovnym ih nedostatkam sleduet otnesti nizkuyu udel'nuyu energiyu i otnositel'no malyj resurs. Bukva posle pervoj cifry oboznachaet tip ili naznachenie akkumulyatora ili batarei: S stacionarnye ST starternye A aviacionnye V vagonnye Sovershenstvovanie svincovyh akkumulyatorov idet po puti izyskaniya novyh splavov dlya reshetok (naprimer svincovo-kal'cievyh), oblegchennyh i prochnyh materialov korpusov (naprimer, na osnove sopolimera propilena i etilena), uluchsheniya kachestva separatorov. Nizhe rassmatrivayutsya germetichnye svincovye akkumulyatory, kotorye ne trebuyut dolivki vody pri ekspluatacii, ne imeyut gazovydeleniya i kislotnogo tumana. V poslednie gody voznikli novye sfery primeneniya batarej. Rech' idet o rezervnyh istochnikah pitaniya |VM i sistem, nakaplivayushchih energiyu dlya vozmozhnyh pikovyh nagruzok. 2.1.1. STACIONARNYE SVINCOVYE AKKUMULYATORY Prednaznacheny dlya ekspluatacii na postoyannom meste ili v usloviyah, isklyuchayushchih peremeshchenie akkumulyatorov ili mashin, v kotoryh oni ustanovleny. V bol'shinstve vypuskaemyh akkumulyatorov (tipov S, SZ, SK i SK|) polozhitel'nymi elektrodami sluzhat poverhnostnye plastiny, otricatel'nymi -- korobchatye plastiny. Korpusa stacionarnyh akkumulyatorov izgotavlivayut iz stekla, ebonita i dereva (vylozhennogo iznutri svincom). Parametry stacionarnyh svincovyh akkumulyatorov privedeny v tabl. 2.5. Maksimal'nyj tok zaryada akkumulyatorov s N = 1 raven 9 A. Emkosti i toki zaryada i razryada dlya batarej akkumulyatorov s sootvetstvuyushchim N mozhno najti