Термины и определения Анод -- положительный вывод батареи. Батарея -- два или более элементов, соединенных последовательно или (и) параллельно для обеспечения нужного напряжения и тока. Внутреннее сопротивление -- сопротивление току че- рез элемент, измеренное в Омах. Иногда называется внут- ренним импедансом. Выход энергии -- расход емкости, умноженный на среднее напряжение в течение времени разряда батарей, выраженный в Ватт-часах (Втч). Емкость -- количество электрической энергии, кото- рое батарея выделяет при определенных условиях разряда, выраженное в ампер-часах (Ач) или кулонах (1 Ач = 3600 Кл). Заряд -- электрическая энергия, передаваемая эле- менту, с целью преобразования в запасаемую химическую энергию. Катод -- отрицательный вывод батареи. Компенсационный подзаряд -- метод, при котором для приведения батареи в полностью заряженное состояние и поддержания ее в этом состоянии используется постоянный ток. Напряжение отсечки -- минимальное напряжение, при котором батарея способна отдавать полезную энергию при определенных условиях разряда. Напряжение холостого хода -- напряжение на внешних зажимах батареи при отсутствии отбора тока. Номинальное напряжение -- напряжение на полностью заряженной батарее при ее разряде с очень низкой ско- ростью. Плавающий заряд -- метод поддержания подзаряжаемой батареи в полностью заряженном состоянии путем подачи выбранного постоянного напряжения для компенсации в ней различных потерь. Плотность энергии -- отношение энергии элемента к его массе или объему, выраженное в Ватт-часах на едини- цу массы или объема. Поляризация -- падение напряжения, вызванное изме- нениями химических композиций компонентов элементов (разница между напряжением холостого хода и напряжением в любой момент разряда). Разряд -- потребление электрической энергии от элемента во внешнюю цепь. Глубокий разряд -- это состо- яние, в котором практически вся емкость элемента израс- ходована. Неглубокий разряд -- это разряд, при котором израсходована малая часть полной емкости. Сепаратор -- материал, используемый для изоляции электродов друг от друга. Он иногда удерживает электро- лит в сухих элементах. Срок хранения -- период времени, в течение которо- го, элемент хранящийся при нормальных условиях (20oC), сохраняет 90% первоначальной емкости. Стабильность -- однородность напряжения, при кото- ром батарея отдает энергию в течение полного режим раз- ряда. Элемент -- базовая единица, способная преобразовы- вать химическую энергию в электрическую. Он состоит из положительного и отрицательного электродов, погруженных в общий электролит. Электрод -- проводящий материал, способный при ре- акции с электролитом производить носителей тока. Электролит -- материал, проводящий носителей заря- да в элементе. Цикл -- одна последовательность заряда и разряда элемента. Английские термины A battery -- батарея накала acid storage battery -- батарея кислотных (свинцо- вых) аккумуляторов air battery -- воздушно-металлический элемент alkaline battery -- (первичный) щелочной элемент alkaline battery -- щелочной марганцево-цинковый элемент alkaline dry battery -- сухой ртутно-цинковый эле- мент alkaline dry battery -- сухой щелочной элемент alkaline manganese battery -- щелочной марганце- во-цинковый элемент alkaline storage battery -- батарея щелочных акку- муляторов alkaline storage battery -- щелочной аккумулятор anode battery -- анодная батарея B battery -- анодная батарея Bansen battery -- (азотно-кислотно-цинковый) эле- мент Бунзена bag-type battery -- стаканчиковый (первичный) эле- мент с куколкой balancing battery -- буферная батарея battery -- батарея bias battery -- элемент батареи смещения, элемент сеточной батареи biasing battery -- батарея смещения, сеточная ба- тарея bichromate battery -- (первичный) элемент с дихро- матным раствором buffer battery -- буферная батарея bypass battery -- буферная батарея C battery -- батарея смещения, сеточная батарея Clark battery -- (ртутно-цинковый) элемент Кларка cadmium normal battery -- (ртутно-кадмиевый) нор- мальный элемент Вестона cadmium-silver-oxide battery -- оксидно-кадмиевый гальванический элемент carbon battery -- (первичный) элемент с угольным электродом carbon-zinc battery -- (сухой) элемент с цинковым анодом и угольным катодом cell -- элемент, ячейка, гальванический элемент (первичный элемент, аккумулятор или топливный элемент) chemical battery -- батарея химических источников тока chargeable battery -- перезаряжаемый элемент cooper-zinc battery -- медно-цинковый элемент counter (electromotive) battery -- противодейству- ющий элемент Daniel battery -- (медно-цинковый) элемент Даниеля decomposition battery -- элемент с (побочной) ре- акцией электролитического разложения dichromate battery -- (первичный) элемент с дихро- матным раствором displacement battery -- элемент с (побочной) реак- цией электролитического замещения divalent silver oxide battery -- элемент с оксиди- рованием серебра до двухвалентного состояния double-fluid battery -- двухжидкостный элемент drum storage -- батарея никель-цинковых аккумуля- торов dry battery -- сухой элемент dry battery -- сухая батарея dry-charged battery -- батарея сухозаряженных ак- кумуляторов dry-charged battery -- сухозаряженный аккумулятор Edison battery -- никель-железный аккумулятор electric battery -- гальваническая батарея (бата- рея первичных элементов, аккумуляторов или топливных элементов) electric battery -- гальванический элемент (пер- вичный элемент), аккумулятор или топливный элемент emergency batteries -- батареи аккумуляторов ава- рийного питания emergency battery -- батарея аварийного питания end batteries -- запасные аккумуляторные батареи Faradey battery -- ячейка Фарадея Faure storage battery -- батарея аккумуляторов с пастированными пластинами filament battery -- батарея накала floating battery -- запасная батарея аккумуляторов (включаемая параллельно основной батарее) Grenet battery -- (дихроматно-цинковый) элемент Грене galvanic battery -- электрохимическая ячейка в ре- жиме гальванического элемента grid battery -- сеточная батарея, батарея смещения grid-bias battery -- батарея смещения, сеточная батарея Lalande battery -- (щелочной оксидмедно-цинковый) элемент Лаланда Leclanche battery -- (марганцево-цинковый) элемент Лекланше lead (-acid) battery -- кислотный (свинцовый) ак- кумулятор lead-acid (lead-storage) battery -- батарея свин- цовых (кислотных) аккумуляторов lead-calcium battery -- свинцово-кальциевый эле- мент lead-dioxide primary battery -- первичный элемент из диоксида свинца line battery -- буферная батарея lithium battery -- элемент с литиевым анодом lithium-iron sulfide secondary battery -- хлорид- железно-литиевый аккумулятор lithium-silver chromate battery -- хроматосеребря- но-литиевый элемент lithium-water battery -- водно-литиевый элемент long wet-stand life battery -- батарея аккумулято- ров с длительным сроком хранения в залитом состоянии magnesium battery -- первичный элемент с магниевым анодом magnesium mercuric oxide battery -- магниевая-ок- сид-ртутная батарея magnesium-cuprous chloride battery -- хлоридмед- но-магниевый элемент magnesium-silver chloride battery -- хлоридсереб- ряно-магниевый элемент magnesium-water battery -- водно-магниевый элемент mercury battery -- (сухой) ртутно-цинковый элемент mercury battery -- батарея (сухих) ртутно-цинковых элементов metal-air storage battery -- воздушно-металличес- кий аккумулятор nicad (nickel-cadmium) battery -- батарея ни- кель-кадмиевых аккумуляторов nickel-cadmium battery -- никель-кадмиевый аккуму- лятор nickel-iron battery -- никель-железный аккумулятор nickel-iron battery -- батарея никель-железных ак- кумуляторов Plante battery -- свинцовый (кислотный) аккумуля- тор с полотняным сепаратором pilot battery -- контрольный аккумулятор батареи plate battery -- анодная батарея plug-in battery -- сменная батарея portable battery -- переносная батарея primary battery -- (первичный) элемент primary battery -- батарея (первичных) элементов quiet battery -- микрофонная батарея Ruben battery -- (сухой) ртутно-цинковый элемент rechargeable battery -- батарея аккумуляторов rechargeable battery -- батарея перезаряжаемых элементов reserve battery -- гальванический элемент резерв- ной батареи ringing battery -- вызывная (телефонная) батарея sal-ammoniac battery -- (первичный) элемент с растворами солей аммония saturated standard battery -- насыщенный нормаль- ный элемент sealed battery -- герметичный аккумулятор sealed battery -- герметичный (первичный) элемент secondary battery -- батарея аккумуляторов signaling battery -- вызывная (телефонная) батарея silver-cadmium storage battery -- батарея серебря- но-кадмиевых аккумуляторов silver-oxide battery -- (первичный) элемент с се- ребряным катодом silver-zinc primary battery -- серебряно-цинковый первичный элемент silver-zinc storage battery -- батарея серебря- но-цинковых аккумуляторов solar battery -- солнечная батарея standard Daniel battery -- (медно-цинковый) нор- мальный элемент Даниеля standby battery -- батарея аварийного питания stationary battery -- стационарная батарея аккуму- ляторов storage battery -- батарея аккумуляторов talking battery -- микрофонная батарея Voltaic battery -- элемент Вольта; элемент с ме- таллическими электродами и жидким электролитом Weston (standard) battery -- (ртутно-кадмиевый) нормальный элемент Вестона wet battery -- элемент с жидким электролитом zinc-air battery -- батарея воздушно-цинковых эле- ментов zinc-chlorine battery -- хлорно-цинковый аккумуля- тор zinc-coper-oxide battery -- оксидмедно-цинковый элемент zinc-iron battery -- железоцинковый элемент zinc-manganese dioxide battery -- батарея марган- цево-цинковых элементов zinc-mercury-oxide battery -- оксидртутно-цинковый элемент zinc-nickel battery -- батарея никель-цинковых ак- кумуляторов zinc-silver-chloride primary battery -- хлоридсе- ребряно-цинковый первичный элемент
ВВЕДЕНИЕ Химические источники тока (ХИТ) в течении многих лет прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает внимание на отличия используемых ХИТ. Для него это батарейки и аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как карманные фонари, игрушки, ради- оприемники или автомобили. Чаще всего, различают батарейки и аккумуляторы по внешнему виду. Но существуют аккумуляторы, конструктив- но выполненные также как и батарейки. Например внешний вид аккумулятор КНГ-1Д мало отличается от классических пальчиковых батареек R6C. И наоборот. Аккумуляторы и батарейки дисковой конструкции внешне также неразличи- мы. Например аккумулятор Д-0,55 и кнопочный ртутный элемент (батарейка) РЦ-82. Для того, чтобы различать их потребителю необходи- мо обращать внимание на маркировку, нанесенную на кор- пус ХИТ. Маркировки, наносимые на корпуса батареек и аккумуляторов описаны в главе 1 и 2 на рисунках и в таблицах. Это необходимо для правильного выбора питаю- щего элемента для вашего устройства. Появление переносной аудио, видео и другой более энергоемкой аппаратуры потребовало увеличения энергоем- кости ХИТ, их надежности и долговечности. В данной книге описываются технические характерис- тики и способы выбора оптимального ХИТ, способы заряда, восстановления, эксплуатации и продления срока исполь- зования аккумуляторов и батареек. Читателю следует обратить внимание на предостере- жения относительно безопасности и утилизации ХИТ. В том случае, когда потребляемая мощность относи- тельно велика (10Ач), используются аккумуляторы, в ос- новном кислотные, а также никель-железные и никель-кад- миевые. Они применяются в портативных ЭВМ (Laptop, No- tebook, Palmtop), носимых средствах связи, аварийном освещении и пр. Автомобильные аккумуляторы занимают особое место в книге. Приводятся схемы устройств для зарядки и восста- новления аккумуляторов, а также описываются новые, соз- данные по технологии "dryfit", герметичные аккумулято- ры, не требующие ухода в течении 5...8 лет эксплуата- ции. Они не оказывают вредного воздействия на людей и аппаратуру. В последние годы такие аккумуляторы широко приме- няются в резервных источниках питания ЭВМ и электроме- ханических системах, накапливающих энергию для возмож- ных пиковых нагрузок и аварийного питания электроэнер- гией жизненно-важных систем. В начале каждой главы приведен словарь специальных английских терминов, которые используются в описаниях и при маркировке батареек и аккумуляторов. В конце книги находится сводный отрезной словарь терминов. Основные характеристики ХИТ широкого спектра при- менения, представляющих практический интерес, приведены в таблице В.1.
ГЛАВА 1. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА ОДНОРАЗОВОГО ДЕЙСТВИЯ
Гальванические источники тока одноразового дейс- твия представляют собой унифицированный контейнер, в котором находятся электролит, абсорбируемый активным материалом сепаратора, и электроды (анод и катод), поэ- тому они называются сухими элементами. Этот термин ис- пользуется применительно ко всем элементам, не содержа- щим жидкого электролита. К обычным сухим элементам от- носятся углеродно-цинковые элементы или элементы Лек- ланше [1]. Сухие элементы применяются при малых токах и пре- рывистых режимах работы. Поэтому такие элементы широко используются в телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др. Поскольку спектр приборов, в которых используются сухие элементы, весьма широк и, кроме того требуется их периодическая замена, существуют нормы на их габариты [1]. Следует подчеркнуть, что габариты элементов, при- веденные в таблицах 1.1 и 1.2, выпускаемые различными изготовителями могут несколько отличаться в части рас- положения выводов и других особенностей, оговоренных в их спецификациях. В процессе разряда напряжение сухих элементов па- дает от номинального до напряжения отсечки (напряжение отсечки -- минимальное напряжение, при котором батарея способна отдавать минимальную энергию), т.е. обычно от 1,2 В до 0,8 В/элемент в зависимости от особенностей применения. В случае разряда при подключении к элементу постоянного сопротивления после замыкания цепи напряже- ние на его выводах резко уменьшается до некоторой вели- чины, несколько меньшей исходного напряжения. Ток, про- текающий при этом, называется начальным током разряда. Функциональные возможности сухого элемента зависят от потребления тока, напряжения отсечки и условий раз- ряда. Эффективность элемента повышается по мере умень- шения тока разряда. Для сухих элементов непрерывный разряд за время меньше 24ч может быть отнесен к катего- рии разряда с высокой скоростью. Электрическая емкость сухого элемента оговаривает- ся для разряда через фиксированное сопротивление при заданном конечном напряжении в часах в зависимости от начального разряда и представляется графиком или табли- цей. Целесообразно использовать график или таблицу из- готовителя для конкретной батареи. Это обусловлено не только необходимостью учета особенностей изделия, но и тем, что каждый изготовитель дает свои рекомендации по наилучшему использованию его продукции. В таблице 1.3 и таблице 1.5 представлены технические характеристики гальванических элементов, наиболее распространенных в последнее время на прилавках наших магазинов. Внутреннее сопротивление батареи может ограничи- вать необходимый ток, например при использовании в фо- товспышке. Начальный стабильный ток, который может кратковременно давать батарея, называется током вспыш- ки. В обозначении типа элемента присутствуют буквенные обозначения, которым соответствуют токи вспышки и внут- реннее сопротивление элемента, измеренные на постоянном и переменном токе (таблица 1.4 [1]). Ток вспышки и внутреннее сопротивление весьма сложны для измерений, причем элементы могут иметь длительный срок хранения, но при этом ток вспышки может уменьшаться.
1.1. ТИПЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Угольно-цинковые элементы Угольно-цинковые элементы (марганец-цинковые) яв- ляются самыми распространенными сухими элементами. В угольно-цинковых элементах используется пассивный (угольный) коллектор тока в контакте с анодом из двуо- киси марганца (MnO2), электролит из хлорида аммония и катодом из цинка. Электролит находится в пастообразном состоянии или пропитывает пористую диафрагму. Такой электролит мало подвижен и не растекается, поэтому эле- менты называются сухими. Номинальное напряжение угольно-цинкового элемента составляет 1,5 В. Сухие элементы могут иметь цилиндрическую, рис.1.1, дисковую рис.1.2 и прямоугольную форму. Уст- ройство прямоугольных элементов аналогично дисковым. Цинковый анод выполнен в виде цилиндрического стакана, одновременно являющимся контейнером. Дисковые элементы состоят из цинковой пластины, картонной диафрагмы, про- питанной раствором электролита, и спрессованного слоя положительного электрода. Дисковые элементы последова- тельно соединяют друг с другом, полученную батарею изо- лируют и упаковывают в футляр. Угольно-цинковые элементы "восстанавливаются" в течении перерыва в работе. Это явление обусловлено пос- тепенным выравниванием локальных неоднородностей в ком- позиции электролита, возникающих в процессе разряда. В результате периодического "отдыха" срок службы элемента продлевается. На рис. 1.3 представлена трехмерная диаграмма, по- казывающая увеличение продолжительности работы D-эле- мента при использовании прерывистого режима работы в сравнении с постоянным. Это следует учитывать при ин- тенсивной эксплуатации элементов (и использовать нес- колько комплектов для работы с тем, чтобы один комплект имел достаточный период времени для восстановления ра- ботоспособности. Например, при эксплуатации плеера не рекомендуется использовать один комплект батареек более двуo часов подряд. При смене двух комплектов продолжи- тельность работы элементов увеличивается в три раза. Достоинством угольно-цинковых элементов является их относительно низкая стоимость. К существенным недос- таткам следует отнести значительное снижение напряжения при разряде, невысокую удельную мощность (5...10 Вт/кг) и малый срок хранения. Низкие температуры снижают эффективность использо- вания гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его повышает. Влияние температуры на емкость гальванического элемента показана на рис. 1.4. Повыше- ние температуры вызывает химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в электролите, и высыха- ние электролита. Эти факторы удается несколько компен- сировать выдержкой батареи при повышенной температуре и введением внутрь элемента, через предварительно проде- ланное отверстие, солевого раствора. Щелочные элементы Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементах ис- пользуется анод из MnO2 и цинковый катод с разделенным электролитом. Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается в применении щелочного электролита, в следствии чего газовыделение при разряде фактически от- сутствует, и их можно выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их применений. Напряжение щелочных элементов примерно на 0,1 В меньше, чем угольно-цинковых, при одинаковых условиях. Следовательно эти элементы взаимозаменяемы. Напряжение элементов с щелочным электролитом изме- няется значительно меньше, чем у элементов с солевым электролитом. Элементы с щелочным электролитом также имеют более высокие удельную энергию (65...90 Втч/кг), удельную мощность (100...150 кВтч/м3) и более длитель- ный срок хранения. Зарядка марганцево-цинковых элементов и батарей Производится асимметричным переменным током. Заря- жать можно элементы с солевым или щелочным электролитом любой концентрации, но не слишком разряженные и не име- ющие повреждений цинковых электродов. В пределах срока годности, установленного для данного типа элемента или батареи, можно производить многократное (6...8 раз) восстановление работоспособности [2]. Зарядка сухих батарей и элементов производятся от специального устройства, позволяющего получить зарядный ток необходимой формы: при соотношении зарядной и раз- рядной составляющей 10:1 и отношении длительности им- пульсов этих составляющих 1:2. Это устройство позволяет заряжать батарейки для часов и активизировать старые малогабаритные аккумуляторы. При зарядке батареек для часов, зарядный ток не должен превышать 2 мА. Время за- ряда не более 5 часов. Схема такого устройства для за- рядки батарей показана на рис. 1.5. Здесь заряжаемая батарея включена через две парал- лельно включенные цепочки диодов с резисторами. Асим- метричный ток заряда получается в следствии различия сопротивлений резисторов. Окончание заряда определяется по прекращению роста напряжения на батарее. Напряжение вторичной обмотки трансформатора зарядного устройства выбирается так, чтобы выходное напряжение превышало но- минальное напряжение элемента на 50...60%. Время заряда батарей с помощью описанного устройс- тва должно быть порядка 12...16 часов. Зарядная емкость должна быть примерно на 50% больше номинальной емкости батареи. Ртутные элементы Ртутные элементы очень похожи на щелочные элемен- ты. В них используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой, пропитанной 40% раствором ще- лочи. Эти элементы имеют длительные сроки хранения и бо- лее высокие емкости (при том же объеме). Напряжение ртутного элемента примерно на 0,15 В ниже, чем у щелоч- ного. Ртутные элементы отличаются высокой удельной энер- гией (90...120 Втч/кг, 300...400 кВтч/м3), стабиль- ностью напряжения и высокой механической прочностью. Для малогабаритных приборов созданы модернизиро- ванные элементы типов РЦ-31С, РЦ-33С и РЦ-55УС. Удель- ная энергия элементов РЦ-31С и РЦ-55УС -- 600 кВтч/м3, элементов РЦ-33С -- 700 кВтч/м3. Элементы РЦ-31С и РЦ-33С применяются для питания ручных часов и другой аппаратуры. Элементы РЦ-55УС предназначены для меди- цинской аппаратуры, в частности для вживляемых меди- цинских приборов. Элементы РЦ-31С и РЦ-33С работают 1,5 года при то- ках соответственно 10 и 18 мкА, а элемент РЦ-55УС обес- печивает работу вживляемых медицинских приборов в тече- нии 5 лет. Как следует из таблицы 1.6, номинальная ем- кость этих элементов не соответствует их обозначению. Ртутные элементы работоспособны в интервале темпе- ратур от 0 до +50oС, имеются холодостойкие РЦ-83Х и РЦ-85У и теплостойкие элементы РЦ-82Т и РЦ-84, которые способны работать при температуре до +70oС. Имеются мо- дификации элементов, в которых вместо цинкового порошка (отрицательный электрод) используются сплавы индия и титана. Так как ртуть дефицитна и токсична, ртутные эле- менты не следует выбрасывать после их полного использо- вания. Они должны поступать на вторичную переработку.