Интернет журныл о промышленности в Украине

Переваги первинних батарей

  1. резюме

Опубліковано 02.03.2016 5:09 Автор: Abramova Olesya

Останнім часом до вторинних перезаряджається батареям (акумуляторів) прикута настільки велика увага, що деякі люди можуть думати про первинних неперезаряджувальних батареях як про стару непотрібної технології. Але первинні батареї досі грають дуже важливу роль, особливо в тих сферах, де зарядка неможлива або непрактична, наприклад? у військовій галузі, при проведенні рятувальних операцій або під час стихійних явищ. Такі батареї також застосовуються в кардіостимуляторах, датчиках тиску в шинах, для стеження за тваринами в сільському господарстві, сигнальних маячки, наручних годинниках, пультах дистанційного управління, електричних ключах, дитячих іграшках і так далі.

Більшість батарейок для кардіостимуляторів створені на основі літій-іонної технології, мають ємність 10-20 мікроампер-годин і можуть служити протягом 5-10 років. Джерела живлення для слухових апаратів також в більшості своїй неперезаряжаемие, ємністю від 70 до 600 міліампер-годин і здатні забезпечувати роботу від 5 до 14 днів. Існують і акумулятори для слухових апаратів, у них менше ємність і, відповідно, час роботи (близько 20 годин), але їх використання дозволяє економити кошти в довгостроковій перспективі.

Висока питома енергія, тривалий термін зберігання і моментальна готовність до роботи дають первинним батареям унікальні переваги. Вони можуть бути доставлені у віддалені райони і почати використовуватися як миттєво, так і після тривалого зберігання, також варто відзначити їх легку доступність і екологічність при утилізації.

Найпопулярнішими первинними батареями є лужні елементи живлення. Вони мають високу питому енергоємність, є економічно ефективними, екологічно чистими і герметичними навіть при повній розрядці. Лужні батарейки можуть зберігається до 10 років і мають хороші показники безпеки, наприклад, на відміну від інших джерел живлення вони можуть без обмежень перевозитися на борту літака. Серед недоліків - низькі струми навантаження. Це обмежує їх для використання з малопотужними приладами, такими як пульти дистанційного керування, ліхтарі і портативні мультимедійні пристрої.

Необхідність в джерелах живлення з більшою ємністю і потужністю змушує звернути увагу на літій-повітряні батареї. Але вони вимагають дуже строгих правил при повітряної транспортуванні, так як при їх використанні є присутнім ризик короткого замикання. На малюнку 1 порівнюється питома енергоємність перезаряджаються (свинцево-кислотної, нікель-метал-гидридной, літій-іонної) і неперезаряджувальних (лужний і літієвої) електричних батарей.

Малюнок 1: Порівняння питомої енергоємності первинних і вторинних батарей. Вторинні батареї вказані з показником з-рейтингу 1С; лужна батарея використовує набагато нижчий розрядний струм.

Питома енергоємність вказує на обсяг енергії, яку може містити батарея. Але цей показник не вміщає в себе значення здатності передачі енергії, яке є слабким місцем більшості первинних батарей, не виключаючи і батарейок на основі літію.

Виробники первинних батарей вказують тільки питому енергоємність, питома потужність скромно не публікується. Для прикладу, на більшості акумуляторів вказується з-рейтинг 1С, тобто пробні вимірювання проводяться з силою струму, що дорівнює ємності даного акумулятора, що в будь-якому випадку становить чималу цифру. Для первинних же батарей все вимірювання ємності виробляються при силі струму всього лише в 25 міліампер. Крім того, батарейка вважається функціонуючої в діапазоні напруг від 1.5 до 0.8 вольт. Ці хитрощі забезпечують вражаючі показники на папері, наскільки ж вони відповідають реальності, залишається на совісті виробників.

На малюнку 2 порівнюється ефективність первинних і вторинних батарей за двома критеріями - "факт" і "номінал". Свинцево-кислотні, нікель-метал-гидридні і літій-іонні є вторинними джерелами живлення, в той час як лужні і літій-повітряні - первинні. "Номінал" посилається до питомої енергоємності при роботі з низькою силою струму, "факт" навпаки, відсилає до високій силі струму, значенням порядку ємності батареї. На графіку добре видно, що первинна лужна батарея досить добре відповідає вимогам навантаження для більшості портативних пристроїв, в той час як вторинні батареї більш оптимізовані для промислового використання. Довге життя лужної батарейки (не показано) забезпечить більш кращі результати.

Довге життя лужної батарейки (не показано) забезпечить більш кращі результати

Малюнок 2: Порівняння енергетичних показників під навантаженням. "Номінал" відповідає розряду з малою силою струму, "факт" - силі струму, що дорівнює ємності батареї.

Однією з причин низької продуктивності під навантаженням є високий внутрішній опір первинних елементів, що викликає обвал напруги при навантаженні. І так високий опір зростає з розрядом батареї. Цифрові камери, що працюють на первинних елементах живлення, це важкий випадок - використання лужних батарей на потужних пристроях просто непрактично. Коли батарейка "сяде" для камери, в ній залишиться достатньо енергії, щоб живити наприклад кухонні годинник протягом ще декількох років.

У таблиці 3 показані параметри стандартних лужних батарейок при нормальних для них навантаженнях, таких як портативний розважальний пристрій або невеликий ліхтарик.

Тип батареї Номінальна напруга Номінальна ємність Кінцеве напруга Номінальне навантаження Розряд C-хар. 9В 9 Вольт 57мАч 4,8В 620Ом 0,025 AAA 1.5В 1150мАч 0,8 75Ом 0,017 AA 1.5В 2870мАч 0,8 75Ом 0,007 C 1.5В 7800мАч 0,8 39Ом 0,005 D 1.5В 17000мАч 0,8 39Ом 0,0022

Таблиця 3: Характеристики лужних батарей при невисоких навантаженнях, таких як портативний розважальний пристрій.

Одними з найпоширеніших форматів для первинних батарей є типорозміри АА і ААА. Також відомий як пальчикова батарейка, типорозмір АА був розроблений в 1915 році і використовувався під час Другої світової війни як елемент для шпигунського інструментарію. Був стандартизований Американським Національним Інститутом Стандартів вже в 1947 році. Типорозмір ААА був розроблений в 1954 році з метою зменшити розміри фотоапаратів Kodak і Polaroid. У 1990-х як відгалуження при розробці 9-вольтів батарей, був створений типорозмір АААА, який використовується для лазерних покажчиків, світлодіодних ліхтариків, комп'ютерних стилусів і навушників. У таблиці 4 порівнюються марганцево-цинкові, лужні, літієві, нікель-кадмієві та нікель-метал-гидридні електричні батареї типорозміру АА і ААА. (Дивіться також: Історія типорозмірів електричних батарей ).

Марганцево-цинковий Лужна Литієва (Li-FeS2) NiCd NiMH Ємність АА
ААА 400-1700
~ 300 1800-2600
800-1200 2500-3400
1200 600-1000
300-500 800-2700
600-1250 Номінальна напруга 1.5 1.5 1.5 1.2 1.2 Швидкість розряду Дуже повільна Повільна Середня Дуже швидка Швидка Можливість перезарядки Ні Ні Ні Так Так Термін придатності 1-2 роки 7 років 10-15 років 5 років 5 років Вартість АА
AAA $ 0.75
$ 1.00 відсутні $ 3.00-5.00
$ 4.00-5.00 відсутні $ 1.60-2.00
$ 1.00

Таблиця 4: Порівняння батарей типорозміру АА і ААА.

У батарейок типорозміру АА ємність приблизно в 2 рази більше ніж у ААА. Це по суті подвоює вартість енергії в останній. Але зараз виробники більше орієнтовані на зменшення розмірів і маси, вартість енергії стоїть на другому місці. Це той випадок, коли використання АА батарей для фари велосипеда звичайно ж призведе до збільшення самої фари, а й забезпечить більш тривалий час роботи за ту ж ціну.

Роздрібні ціни на лужні батарейки типорозміру АА вельми різняться, як втім і їх продуктивність. Американська кампанія Exponent Inc. провела дослідження восьми фірмових батарей формату АА і виявила 800-процентне розбіжність між кращими і гіршими показниками. Тест був заснований на підрахунку кількості знімків цифрової камери, зроблених до повного вичерпання заряду джерела живлення. Ці умови експерименту дозволили виконати його при помірних навантаженнях.

На малюнку 5 показано кількість зроблених знімків цифрової камери при імпульсної потужності в 1,3 вата на лужний, нікель-метал-гидридной і літієвої Li-FeS2 батареї типорозміру АА (при двох послідовно з'єднаних елементах для отримання напруги 3 вольта, потужність 1,3 вата буде споживати силу струму в 433 міліампера). Явним переможцем є літієва батарейка з 690 знімками, другий слід NiMH з 520, третє місце дісталося стандартної лужної батарейці, яка змогла зробити лише 85 знімків. В даному випадку головним чинником, що впливає на кількість вироблених знімків, виступило внутрішній опір, а не потужність підключеного навантаження.

В даному випадку головним чинником, що впливає на кількість вироблених знімків, виступило внутрішній опір, а не потужність підключеного навантаження

Малюнок 5: Кількість можливих знімків цифрової камери з різними джерелами живлення (лужним, літієвим і нікель-метал-гідридним) Li-FeS2, NiMH і лужна батарейки мають схожий потенціал, однак вплив на кількість зроблених знімків лежить на внутрішньому опорі.

  • Li-FeS2, 3 Ач, 690 знімків

  • NiMH, 2,5 Ач, 520 знімків

  • Лужна, 3 Ач, 85 знімків

Взаємозв'язок між ємністю батареї і поставляється струмом найкраще ілюструється на графіку Регона. Названий на честь Девіда В. Регона, цей графік оцінює енергетичні і потужності характеристики джерела живлення. Енергія в ампер-годинах (Аг) представляє доступну ємність батареї, яка відповідальна за час роботи, потужність в ватах (Вт) визначає струм навантаження.

Малюнок 5 ілюструє графік Регона при роботі з цифровою камерою потужністю 1,3 вата для літієвої, нікель-метал-гидридной і лужної батареї. Горизонтальна вісь відображає енергію в ват-годинах, а вертикальна відповідає за потужність в ватах. Масштабування було взято логарифмічна для можливості відображення широкого діапазону ємностей батарей.

Масштабування було взято логарифмічна для можливості відображення широкого діапазону ємностей батарей

Малюнок 6: Діаграма Регона ілюструє роботу батареї з різними умовами навантаження.

Цифрова камера виступає в ролі навантаження з імпульсною потужністю 1,3 вата (пунктирна лінія на графіку) для лужної, літієвої і нікель-метал-гидридной батареї. результати:

  • Li-FeS2, 690 знімків

  • NiMH, 520 знімків

  • Лужна, 85 знімків

  • Енергія = Ємність x V

  • Потужність = Ток x V

Експлуатаційні характеристики електрохімічних батарей варіюються в залежності від розташування лінії на графіку Регона. NiMH забезпечує найбільшу потужність, але має найнижчу питому енергію і добре працює при високих навантаженнях. Литієва Li-FeS2 має найвищу питому енергію і задовольняє помірним умовам навантаження, а лужна пропонує економічне рішення з не найвищими показниками.

резюме

Первинні батареї практичні для пристроїв, у яких споживання електроенергії носить періодичний характер, у випадку ж з безперервним споживанням їх використання економічно недоцільно. Також економічні проблеми виникають при регламентованому використанні первинних батарей, коли вони змінюються після виконання певного завдання або місії, незалежно від ступеня розрядженого. Наприклад, за оцінкою американських дослідників в половині викинутих армією США батарей залишався заряд на рівні 50 відсотків.

Стан заряду первинних елементів може бути визначено за допомогою короткочасного підключення навантаження і перевірки падіння напруги. Для різних типів батарей перевірочні характеристики будуть відрізняться через різного значення внутрішнього опору. Існує і більш точний метод підрахунку залишкової енергії, також відомий як кулонівський підрахунок, але так як він вимагає споруди дорогої перевірочної ланцюга, то використовується рідко.

Але первинні батареї досі грають дуже важливу роль, особливо в тих сферах, де зарядка неможлива або непрактична, наприклад?