Аккумулятор. Виды аккумуляторных батарей..

Аккумулятор ( латинское accumulo-собираю) - это устройство способное накапливать энергию с целью дальнейшего использования накопленной энергии автономными потребителями.

Благодаря совершенствованию автономных источников питания, за последние три десятилетия энергоёмкость аккумуляторных батарей существенно увеличилась при уменьшении размеров и веса, что привело к развитию и распространению  аккумуляторных инструментов.

До 1984  года аккумуляторные инструменты представляли дрели и шуруповёрты, с появлением аккумуляторного перфоратора  в восемьдесят четвёртом году, семейство аккумуляторных инструментов постоянно увеличивается.
Сегодня выпускаются аккумуляторные дрели, шуруповёрты, перфораторы, гайковёрты, лобзики, бормашины, шлифмашины и тд.

Принцип работы аккумулятора основан на явлении электролиза.
Электролиз ( греч lysis-распад, разложение) - это совокупность процессов электрохимической реакции окисления\восстановления на электродах погруженных в электролит, при прохождении через электролит электрического тока.
При прохождении через электролит электрического тока, в аккумуляторе происходит накопление энергии, при разрежении (отборе энергии) обратный процесс.

Одной из характеристик аккумулятора является максимально возможный полезный заряд - ёмкость.
Ёмкость аккумулятора - это отдаваемый заряд полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения.
На аккумуляторах ёмкость обычно указывается в ампер-часах (А/ч), в системе Си ёмкость измеряется в кулонах ( 1Ач = 3600Кл).

От ёмкости аккумулятора зависит продолжительность работы аккумулятора.
Для электроинструментов выпускаются аккумуляторы ёмкостью 1,25Ач/ 1,3Ач/ 1,5Ач/ 1,7Ач/ 1,9Ач/ 2Ач/ 2,6Ач/  3Ач.

На аккумуляторах может указываться энергетическая ёмкость (ватт-час) - отдаваемая энергия полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения.
В системе Си измеряется в джоулях (1 ватт-час = 3600 Дж).

Аккумуляторная батарея с аккумуляторами.

Для электроинструментов выпускаются аккумуляторы напряжением 4,8В/ 10.8В/ 12В/ 18В/ 24В/ 36В.

Для получения нужного напряжения и заряда, аккумуляторы последовательно соединяют в
аккумуляторные батареи.

Напряжение - это разность потенциалов между полюсами аккумулятора, при фиксированной нагрузке.

От материала из которого изготовлен аккумулятор ( катод, анод, электролит) зависят его эксплуатационные характеристики: срок службы, ёмкость, режим зарядки, глубина и режим разрядки, ограничения по использованию.

Далёким предком  современного аккумулятора был не поддающийся перезарядке гальванический элемент (вольтов столб), который в 1800 году продемонстрировал во Французском национальном институте  итальянский  учёный Алессандро Вольта.

В 1859 году Французский инженер Гастон Планте создал аккумулятор, состоящий из свинцовых пластин помещённых в кислотную среду,  который можно было перезаряжать.
Современные свинцово-кислотные аккумуляторы (автомобильные) это усовершенствованные модели аккумуляторов Планте.

Щелочной никель-кадмиевый аккумулятор 1899 году сделал шведский химик Вальдемар Юнгнер, но производить никель-кадмиевые аккумуляторы было не рентабельно из-за высокой цены на материалы из которых они производились.
Только в 1932 годы были разработаны технологии позволяющие удешевить производство никель-кадмиевых аккумуляторов, а с конца сороковых годов разрабатываются герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы.
Сегодня никель-кадмиевые аккумуляторы остаются наиболее распространённым источником электропитания  для аккумуляторных инструментов.

                                 Виды аккумуляторных батарей.

Никель - кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы.

Электроды в никель-кадмиевого аккумулятора изготовлены:

- положительный электрод (анод) - гидрат закиси кадмия Cd(OH)2 или металический кадмий в виде порошка Cd.
- отрицательный электрод (катод) - гидрат закиси никеля Ni(OH)2 с графитовым порошком  (5 - 8 %)
- электролит - гидроксид калия КОН с добавкой гидроксида лития LiOH.

Несмотря на свой возраст никель- кадмиевые аккумуляторы являются наиболее востребованными благодаря своей надёжности:

Никель- кадмиевый (Ni-Cd) аккумулятор

Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы в сравнении с другими видами аккумуляторных батарей имеют большое число циклов заряд\разряд, производители гарантируют более 1000 циклов при правильной эксплуатации.

В процессе работы такой вид аккумулятора долго держит нагрузку и только потом резко разряжается.

Никель- кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы способны работать в жёстких  погодных условиях, хорошо выдерживают нагрузку и сохраняют ёмкость при отрицательной температуре. 


Аккумулятор работает при температуре от -15°С  до + 40°С, при этом никель кадмиевые аккумуляторы разряжаются быстрее при высокой температуре воздуха и лучше держат заряд при прохладной погоде.

Зарядку аккумулятора можно производить при температуре от 0 до + 40°С, наиболее эффективная  зарядка при температуре от +10°С до + 30°С.
Не рекомендуется заряжать разогретые или холодные аккумуляторы, следует подождать когда аккумулятор придёт в норму.
Никель - кадмиевые аккумуляторы не любят длительной зарядки, не следует оставлять  аккумулятор в зарядном устройстве на более длительное время, чем рекомендовано в инструкции производителя.
При зарядке аккумулятора желательно пользоваться зарядным устройством входящим в комплект или обратить внимание на рекомендуемые производителем токи зарядки, не все никель-магниевые аккумуляторы рассчитаны на быстрый заряд (заряд большими токами). 

В перерывах между эксплуатацией никель-кадмиевые аккумуляторы лучше хранить в разряженном состоянии.
Температура хранения аккумулятора от -20 до + 40°С.
Никель-кадмиевые аккумуляторы спокойно переносят глубокую разрядку, и легко восстанавливаются после длительного хранения (хранение до 5 лет).
При хранении аккумулятора при температуре около +5°С саморазряд аккумулятора будет проявляться в меньшей степени.
Никель - кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы подвержены относительно высокому саморазряду, около 10% ёмкости в первые сутки и около 20% в  последующий месяц.
После длительного хранения необходим цикл зарядки аккумулятора.

Самым большим недостатком  никель- кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов является подверженность "эффекту памяти".

" Эффект памяти" это потеря ёмкости аккумулятора из за нарушения режима зарядки:
- зарядка ( или подзарядка) не полностью разряженного аккумулятора.

Проще "эффект памяти" объяснить так: не полностью разряженный аккумулятор поставили в зарядное устройство (подзарядить) и аккумулятор как бы "запомнил" ёмкость (энергию) которая была не использована.
После полной зарядки аккумулятора начинается работа электроинструментом, но вместо предполагаемого часа аккумулятор разрядился через 30 минут, потому что аккумулятор "запомнил" ёмкость (энергию) которая не была использована в прошлый раз и эту "запомненную" ёмкость (энергию) аккумулятор отдавать не собирается.

Внутри аккумулятора при ёмкости сто процентов, кристаллы имеют размер около одного микрона и могут предоставить максимальную площадь для соприкосновения с электролитом.
Из за неполной разрядки, кристаллы вырастают до 50 - 100 микрон, перекрывая площадь соприкосновения с электролитом,  теряется ёмкость аккумулятора.
Если не прекратить этот процесс, кристаллы продолжат вырастать, что со временем приведёт к потере аккумулятора, сначала к быстрому саморазряду и в последствии к замыканию.
Что бы устранить "эффект памяти" необходимо время от времени проводить восстановление (раскачку)  аккумулятора, после чего кристаллы уменьшатся до 3 - 5 микрон.

Восстановление  ёмкости аккумуляторов (раскачка) производят путём принудительной глубокой разрядкой и полной зарядкой аккумулятора.
Цикл зарядки\разрядки производят 3 - 4 раза, глубокую разрядку лучше производить потребителем не отключающимся при падении напряжения (реостат, лампа накаливания).
Условием долговременной работы никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd) является полная разрядка аккумулятора перед зарядкой.

Никель-металлгидридные (Ni-Mh) аккумуляторы.

Разработки для производства никель-металлгидридных аккумуляторов стали осуществляться с начала 70-х годов прошлого века как альтернатива никель-кадмиевым аккумуляторам.
Никель-металлгидридные аккумуляторы должны были преодолеть основные недостатки никель-кадмиевых аккумуляторов -"эффект памяти" и токсичность.
Только в середине восьмидесятых годов удалось получить промышленные никель-металлгидридные аккумуляторы где в качестве положительного электрода (анод) используется металлгидрид (гидрид никель-лантан или никель-литий).
Отрицательный электрод (катод) - оксид никеля, в качестве электролита используется гидроксид калия (КОН).

В отличии от Никель - кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторных батарей, Никель-металлгидридные аккумуляторы имеют большую ёмкость, некоторые источники утверждают что  энергоёмкость Никель-металлгидридных аккумуляторов превосходит Никель-кадмиевые аккумуляторы до 40%, при этом без увеличения веса и размера аккумуляторной батареи.

Никель-металлгидридные аккумуляторы (Ni-Mh) обладают слабо выраженным эффектом памяти, окончательно избавиться в Никель-металлгидридных аккумулятотах (Ni-Mh) от эффекта памяти не удалось.Циклы разряд/заряд рекомендуется производить 1 раз в 2 месяца.

Никель-металлгидридная батарея (Ni-Mh).

Никель - металлгидридную батарею (Ni-Mh) можно заряжать до полной зарядки частично разряженной, при условии если она хранилась в полуразряженом состоянии не более трёх дней.

Для зарядки Никель-металлгидридной батареи (Ni-Mh) используются малые токи, что увеличивает время зарядки, зарядка обычном режиме около 16 часов, быстрая зарядка 5 часов.
При этом батарея греется, что не увеличивает срок службы аккумуляторов и самой батареи.

Количество циклов заряд\разряд при правильной эксплуатации у Никель-металлгидридной батареи (Ni-Mh) около 500,  меньше чем у Никель-кадмиевых (около 1000 заряд/разрядов).

Никель-металлгидридные (Ni-Mh) аккумуляторы в сравнении с  Никель-кадмиевыми (Ni-Cd) менее подвержены к механическим ударам при падении и т д.
Так же Никель-металлгидридные аккумуляторы не работают при низких температурах,

Никель-металлгидридные (Ni-Mh) аккумулятор нельзя полностью разряжать, аккумулятор  не переносит глубокого разряда.
Производители рекомендуют 80% разрядку, но как  определить степень разрядки батареи на 80% и и к чему  тогда дополнительные 40% емкости аккумулятора которые не рекомендовано использовать.
Никель-метеллгидридные батареи плохо переносят жару, при высокой температуре аккумуляторная батарея разряжается быстрее.
Наиболее эффективно Никель-металлгидридная (Ni-Mh)батарея заряжается при температуре +10  +30 градусов.
Рабочая температура Никель-металлгидридных батарей от - 10 до + 40 градусов.
Температура хранения от 0 да +45 градусов.

Никель-металлгидридные аккумуляторы боятся перезарядки, не стоит оставлять аккумуляторную батарею в заряжающем устройстве дольше рекомендуемого времени зарядки.
При длительном хранении Никель-металлгидридных (Ni-Mh) желательно хранить в заряженном состоянии, периодически дозаряжая аккумуляторы с периодичностью 1 раз в полтора, два месяца.

Никель-металлгидридные аккумуляторы имеют высокий уровень саморазряда, за один месяц теряют 30 процентов заряда, за год разряжаются почти полностью.
Восстановить ёмкость никуль-металлгидридных аккумуляторов сложно, восстановлению подлежит лишь небольшой процент аккумуляторов, поэтому удобнее переодически следить за состоянием аккумуляторов.
Рекомендуется заряжать аккумуляторы оригинальным зарядным устройством и рекомендуемым производителем током, так как не все никель-металлгидридные аккумуляторы приспособлены для зарядки большими токами (быстрая зарядка).

Не рекомендуется приобретать аккумуляторную батарею большей ёмкости чем рекомендовано производителем инструмента, это может привести к появлению "эффекта памяти".

Как и все другие виды аккумуляторов, Никель-металлогидридные аккумуляры не рекомендуется заряжать разогретые или охлаждённые, стоит дождаться пока температурный режим придёт в норму.

Литий - ионные аккумуляторы (li-ion).

Эксперименты  по созданию литиевых аккумуляторов предпринимались ещё в 1912 году двадцатого века американским химиком Гильбертом Ньютоном Льюисом (Gilbert Newton Lewis).
Первый Литий-ионный аккумулятор был выпущен корпорацией Sony в 1991 году.

Наибольшее применение Литий-ионные ( Li-ion) аккумуляторы нашли в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах, ноутбуках и сотовых телефонах.
Литий-ионные аккумуляторы чувствительны к превышению напряжения при заряде, поэтому в корпус встроен электронный блок системы управления батареей, контролирующий аккумулятор от превышения напряжения заряда.

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) имеют большую электрическую плотность батареи,

Литий - ионный (Li-ion) аккумулятор.

небольшие габариты и маленький вес.
В сравнении с Никель-кадмиевыми аккумуляторами (Ni-Cd)  ёмкость Литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов в два раза выше при одинаковых габаритах.

Количество циклов заряд\разряд при правильной эксплуатации  500 - 1000 циклов.

Литий-ионнные (Li-ion) аккумуляторы не подвержены "эффекту памяти", не требуют полного разряда (не требуют соблюдения правил (заряда/разряда), но полная разрядка может привести к потере аккумулятора.

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы быстро заряжаются, так же имеют маленький саморазряд до 3% в месяц, так же около 3% в месяц потребляет блок системы управления батареей.

Рабочая температура Литий-ионных аккумуляторов от -10 до +40 градусов, температура хранения от 0 до + 45 градусов.
Хранить литий-ионные аккумуляторы желательно в заряженном виде.
Использование Литий - ионных аккумуляторов начинается с даты изготовления и эффективно они работают около двух лет, поэтому при покупке стоит обращать внимание на дату изготовления.
При потере ёмкости Литий - ионный аккумулятор не поддаётся восстановлению, "раскачивать" аккумулятор бесполезно.

Литий - полимерные аккумуляторы (Li-pol).

Литий-полимерные аккумуляторы усовершенствованные модели Литий-ионных аккумуляторов, в которых вместо жидкого электролита используется  полимер (твёрдое или гелеобразное вещество).

Литий - полимерные (Li-pol) аккумуляторы имеют небольшие габариты малый вес может иметь различную форму батареи и большую электрическую плотность.
Не требуют полного заряда, малотоксичны и более безопасны по сравнению с литий-ионными аккумуляторами.
Так же как литий - ионные, литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы имеют маленький самаразряд от 3 до 5 % в месяц, так же около 3% потребляет блок системы управления батареей.

Литий - полимерные аккумуляторы быстро заряжаются, просты в обслуживании не требуют строгих правил заряда/разряда.
Срок службы Литий-полимерных аккумуляторов исчисляется с даты изготовления, срок службы около двух лет.
Литий - полимерные (Li-pol) аккумуляторы имеют относительно небольшое количество циклов заряд\разряд от 300 до 500 циклов.
Полная разрядка литий - полимерных аккумуляторов может вывести аккумулятор из строя.

Рабочая температура Литий - полимерных (Li-pol) от 0 до + 40 градусов, такая же температура хранения аккумулятора.
Производить зарядку рекомендуется при плюсовой температуре, литий-ионные аккумуляторы можно не бояться надолго забыть в зарядном устройстве, зарядное устройство автоматически отключится при полной зарядке аккумулятора.
Как и все аккумуляторы не рекомендуется заряжать охлаждёнными или разогретыми, подождать когда аккумулятор придёт в температурную норму.

Так же рекомендуется использовать зарядное устройство предназначенное именно для этих аккумуляторов, зарядка зарядным устройством другого производителя может привести к потере ёмкости и выходу аккумулятора из строя.