prosdo.ru
добавить свой файл
1
Содержание


1. Введение

2. Описание щелочных аккумуляторов

2.1 Устройство

2.2 Разряд и заряд

2.3Эксплуатация. Особенности эксплуатации

2.4 Принцип действия

2.5 Сравнительная характеристика

3. Пальчиковые батареи

3.1 Форма и размер

3.2 Характеристики

3.3 Температурный фактор

3.4 Солевые и щелочные

3.5 Литиевые элементы

3.6 Тестирование

3.7 Маркировка-упаковка

3.8 Экологический момент

3.9 Лабораторные условия

1. Введение

Щелочные аккумуляторы - аккумуляторы, в которых в качестве электролита используют раствор щелочи в воде.
Главная особенность щелочных аккумуляторных батарей - способность постепенно отдавать накопленный заряд за достаточно длительный промежуток времени. Это свойство способствует обеспечению бесперебойного питания огромному количеству различных устройств.
Применяются данные аккумуляторы в качестве:

основных источников электроэнергии на электрокарах и в мобильных устройствах (фотоаппараты, видеокамеры, телефоны, карманные и переносные фонари и т.д.)

дополнительных источников энергии в трамваях и троллейбусах, тепловозах и электровозах

источников энергии для питания аварийных устройств, таких как аварийное освещение, охранно-пожарные сигнализации, источники бесперебойного питания персональных компьютеров и т. п.
Наиболее распространены на сегодняшний день никель-кадмиевые, никель-металл-гидридные и литий-ионные щелочные аккумуляторы.

В никель-кадмиевом аккумуляторе анодом является металлический кадмий (в виде порошка), электролитом - гидроксид калия с добавкой гидроксида лития (для увеличения ёмкости на 21-25%), катод - гидрат окиси никеля с добавлением графитового порошка. ЭДС никель-кадмиевого аккумулятора около 1,45 В. В зависимости от конструкции, режима работы (длительные или короткие разряды), и чистоты применяемых материалов, срок службы никель-кадмиевых аккумуляторов, составляет от 100 до 3500 циклов заряд-разряд.

Для того, чтобы получить напряжение (последовательное соединение), силу тока или ёмкость (параллельное соединение) источника большие, чем может дать один элемент, аккумуляторы соединяют в батарею.

2. Описание щелочных аккумуляторов

2.1 Устройство

Наиболее распространены никель-железные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы. Их широко применяют на э. п. с, тепловозах и пассажирских вагонах. На тепловозах устанавливают аккумуляторную батарею 46ТПНЖ-550, состоящую из 46 последовательно соединенных никель-железных аккумуляторов емкостью 550 А-ч [буква Т — означает, что батарея установлена на тепловозах; П — тип положительных пластин (панцирные)]. Для тепловозов применяют усовершенствованные аккумуляторы ТПНЖК (буква К означает, что электроды комбинированные). На электровозах отечественной постройки применяют батарею 42НК-125, состоящую из 42 последовательно соединенных никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 125 А*ч, а на электропоездах — батарею 90НК-55, состоящую из 90 последовательно соединенных никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 55 А*ч, на электровозах ЧС — батареи 40NKT-120 и 40NKT-160, состоящие из 40 последовательно соединенных никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 120 и 160 А-ч. Номинальное напряжение всех щелочных аккумуляторов 1,2 В.
В никель-железных и никель-кадмиевых аккумуляторах активная масса положительного электрода в заряженном состоянии состоит из гидрата окиси никеля NiOOH, к которому добавляют графит и окись бария. Графит увеличивает электропроводность активной массы, а окись бария — срок службы электрода. Активная масса отрицательного электрода никель-железного аккумулятора состоит из порошкового железа Fe и его окислов с добавкой сернокислого никеля и сернистого железа, а никель-кадмиевого аккумулятора — из смеси порошков кадмия Cd и железа Fe. Электролитом служит 20 %-ный раствор едкого калия КОН с примесью моногидрата лития (20—30 г/л). Эта примесь увеличивает срок службы аккумулятора.

Промышленность выпускает никель-железные аккумуляторы (НЖ) и никель-кадмиевые (НК). Оба электрода в этих аккумуляторах изготовляют в виде стальных никелированных рамок (рис. 1 и 2), в пазы которых впрессованы наполненные активной массой пакеты (ламели) из никелированной жести с большим количеством мелких отверстий для доступа электролита к активной массе. В аккумуляторах НК каждая отрицательная пластина расположена между двумя положительными, в аккумуляторах НЖ каждая положительная пластина — между двумя отрицательными. Для предотвращения короткого замыкания между ними устанавливают сепараторы, выполненные в виде эбонитовых стержней или полихлорвиниловых сеток. В аккумуляторах ТПНЖ и ТПНЖК применяют панцирные положительные пластины. Каждая такая пластина заключена в специальный панцирь (чехол). Корпус, в который помещают пластины и электролит, также изготовляют из никелированной жести. Он имеет приваренную крышку с отверстиями для выводных штырей, для выхода газов



Рис. 1. Полублоки отрицательных и положительных пластин (а) и общий вид (б) никель-железного аккумулятора ТПНЖ, применяемого на тепловозах: 1— выводной штырь; 2 — шпилька; 3— положительные пластины; 4— ламели; 5 — сепараторы; 6 — отрицательные пластины; 7 — корпус; 8 — резиновый чехол; 9 — отверстие с пробкой для заливки электролита

Рис. 2. Полублоки положительных и отрицательных пластин (а) и общий вид (б) никель-кадмиевого аккумулятора НКН-100 для э.п.с: 1 — отрицательные пластины; 2 — соединительный мостик; 3 — выводной штырь; 4 — положительные пластины; 5 — отверстие с пробкой для заливки электролита; 6 — крышка; 7 — сепаратор; 8 — корпус; 9 — резиновый чехол
и заливки электролита. Для придания корпусу механической прочности стенки его выполняют гофрированными. Корпус помещают в резиновый чехол, обеспечивающий изоляцию аккумуляторов друг от друга и от ящика, в котором устанавливают батарею.
2.2 Разряд и заряд

При разряде щелочного аккумулятора гидрат окиси никеля NiOOH на положительном электроде, взаимодействуя с ионами электролита, переходит в гидрат закиси никеля Ni(OH)2, а железо или кадмий отрицательного электрода превращается соответственно в гидрат окиси железа Fe(ОН)2 или гидрат окиси кадмия CdOН2. Между электродами возникает разность потенциалов около 1,45 В, обеспечивающая протекание тока по внешней цепи и внутри аккумуляторов.

При заряде аккумулятора под действием электрической энергии, подводимой от внешнего источника тока, происходит окисление активной массы положительных пластин, сопровождаемое переходом гидрата закиси никеля Ni (ОН)2 в гидрат окиси никеля NiOOH. В то же время активная масса отрицательных пластин восстанавливается с образованием железа Fe или кадмия Cd. Электрохимические реакции при разряде и заряде никель-железного аккумулятора могут быть выражены уравнением

2Ni(OOH) + 2KOH + Fe ? 2Ni(OH)2 + 2KOH + Fe(OH)2
для никель-кадмиевого
2Ni(OOH) + 2KOH + Cd ? 2Ni(OH)2 + 2KOH + Cd(OH)2
Номинальный разрядный ток численно равен 0,2 Сном, максимальный при запуске дизеля— (3-4) Сном, зарядный ток — 0,25 Сном, где Сном — номинальная емкость.
Положительным качеством щелочного аккумулятора является то, что все компоненты, образующиеся в процессе заряда и разряда, практически нерастворимы в электролите и не вступают в какие-либо химические реакции. Электролит в процессе электрохимических реакций не расходуется, поэтому плотность его не изменяется. Это позволяет обходиться сравнительно небольшими количествами электролита, что делает эти аккумуляторы более компактными, чем кислотные.
Для правильной работы никель-железного аккумулятора отрицательный электрод (губчатое железо) должен иметь большую массу, чем положительный (гидрат окиси кадмия). Поэтому отрицательных пластин берут на одну больше, чем положительных. В сборном блоке никель-железного аккумулятора крайние пластины отрицательные; они электрически соединены с корпусом. В никель-кадмиевых аккумуляторах, наоборот, положительная активная масса должна занимать больший объем, чем отрицательная. Поэтому у них крайние пластины положительные и электрически соединены с корпусом.

Полностью заряженный аккумулятор имеет э. д. с. около 1,45 В. Вследствие большого внутреннего сопротивления его напряжение при разряде значительно меньше этого значения, а при заряде значительно больше. При разряде напряжение аккму-лятора довольно быстро падает до 1,3 В, а затем медленно уменьшается до 1 В (рис. 3); при этом напряжении разряд следует прекращать. Среднее расчетное напряжение при разряде составляет 1,25 В. Разряжать щелочные аккумуляторы ниже установленного конечного напряжения нельзя, так как это приведет к безвозвратной потере емкости и уменьшению срока службы. При заряде напряжение с 1,55 В быстро поднимается до 1,75 В, а затем медленно повышается до 1,8 В. Заряд щелочного аккумулятора ведут до тех пор, пока не будет сообщено требуемое количество ампер-часов (согласно паспортным данным). Заряд щелочного аккумулятора осуществляется током, равным одной четвертой его номинальной емкости, при этом аккумулятору сообщается 150 % емкости.

Выделение газа у щелочных аккумуляторов не является признаком конца заряда, однако при бурном газовыделении необходимо уменьшить зарядный ток. Щелочные аккумуляторы лучше перезарядить, чем недозарядить, так как неполные заряды способствуют преждевременному выходу их из строя. Повышение

Рис. 3. Кривые напряжения щелочного аккумулятора при заряде и разряде
температуры выше 45 °С также приводит к разрушению активной массы электродов.

2.3Эксплуатация. Особенности эксплуатации

Уход за щелочными аккумуляторами в принципе такой же, как и за кислотными. Необходимо периодически проверять уровень электролита и степень заряжен-ности аккумулятора. Аккумуляторы должны содержаться в чистоте и периодически заряжаться.
Щелочные аккумуляторы имеют ряд преимуществ перед кислотными. Они могут долгое время находиться в полузаряженном и даже в полностью разряженном состоянии, что совершенно недопустимо для кислотных. Кроме того, щелочные аккумуляторы не выходят из строя вследствие действия низких температур. Щелочные аккумуляторы имеют большую перегрузочную способность, т. е. могут работать с большими токами при разрядах и зарядах. Благодаря большому внутреннему сопротивлению кратковременное короткое замыкание и глубокие разряды не выводят из строя эти аккумуляторы. Для них характерны большая механическая прочность (аккумулятор не боится тряски, вибраций, ударов), большая, чем у кислотных, энергия на единицу массы (удельная энергия), больший срок службы и срок хранения.

У щелочных аккумуляторов саморазряд при отключенном состоянии очень мал (после 9 мес хранения они теряют лишь 20 % емкости). В то же время у кислотных аккумуляторов суточный саморазряд составляет около 0,5—0,7 % емкости, т. е. в течение месяца они теряют 15—21 % емкости. При эксплуатации щелочных аккумуляторов не происходит вредных выделений паров и газов, что характерно для кислотных аккумуляторов. По указанным причинам они в эксплуатации значительно надежнее, чем кислотные, и требуют значительно меньшего ухода.

Однако щелочные аккумуляторы имеют ряд недостатков. Напряжение щелочного аккумулятора при разряде значительно ниже (почти на 40 %), чем кислотного, вследствие чего при одном и том же напряжении количество аккумуляторов в щелочной батарее будет больше, чем в кислотной. Внутреннее сопротивление щелочного аккумулятора значительно выше, чем у кислотного, следовательно, его напряжение, особенно при больших токах разряда, падает гораздо быстрее и при очень интенсивном разряде аккумуляторной батареи резко уменьшается.

2.4 Принцип действия

В настоящее время выпускаются следующие типы электрических аккумуляторов: свинцово-кислотные, щелочные железо-никелевые, кадмий-никелевые и серебряно-цинковые аккумуляторы.

Наиболее массовыми типами аккумуляторов являются свинцово-кислотные автомобильные батареи и тяговые щелочные железо-никелевые аккумуляторы. Серебряно-цинковые аккумуляторы находят ограниченное применение из-за дороговизны и дефицитности исходных материалов и сравнительно малого срока службы.

Кислотные аккумуляторы представляют собой сосуд, заполненный электролитом соответствующей плотности, т. е. раствором серной кислоты H2SO4 в дистиллированной воде, в который погружен блок пластин из чистого свинца РЬ и блок пластин из перекиси свинца РЬО2 (рис. 4). Вследствие постоянно происходящей диссоциации молекул кислоты в электролите заряженного аккумулятора имеются ионы водорода Н2 (катионы) и ионы кислотного остатка SO4 (анионы). Если пластины аккумулятора замкнуть на некоторое сопротивление, то через него потечет ток. Отрицательно заряженные ионы SO4 будут стремиться к пластинам из чистого свинца, заряженным положительно. Ионы водорода, имеющие положительный заряд, будут стремиться к отрицательным пластинам, содержащим двуокись свинца. Пластины из свинца принято называть отрицательными, а из двуокиси свинца – положительными.

При разрядке кислотного аккумулятора происходят следующие химические реакции:

у отрицательной пластины


Pb + SO4 = PbS04;

у положительной пластины

РЬО2 + H2+H2SO4=PbSO4+2H2O.


Рис. 4. Устройство и принцип действия кислотного аккумулятора.

Из рассмотренных химических реакций видно, что при разрядке кислотных аккумуляторов на всех пластинах выделяется сернокислый свинец PbSO4 и уменьшается концентрация электролита (вследствие диссоциации кислоты и выделения воды).

Сернокислый свинец обладает двумя недостатками. Во-первых, при интенсивном образовании сернокислого свинца возможно коробление или выпучивание пластин, а также «высыпание» из пластин активной массы, так как объем сернокислого свинца больше объема исходных продуктов, из которых он образуется. Во-вторых, сернокислый свинец по истечении некоторого времени кристаллизуется в нерастворимое вещество. Часть пластины, которая оказалась покрытой кристаллизовавшимся сернокислым свинцом, не участвует в химических реакциях. Вследствие этого снижается полезная емкость аккумулятора. Такое явление носит название сульфатации кислотных аккумуляторов. Для того чтобы избежать явления сульфатации, кислотные аккумуляторы не следует хранить в незаряженном состоянии, нельзя допускать недозарядку аккумуляторов. При коротком замыкании в результате бурной химической реакции и интенсивного выделения сернокислого свинца происходит коробление пластин кислотного аккумулятора.

Зарядка аккумуляторов производится от внешнего источника электроэнергии, генератора постоянного тока или выпрямителя. При зарядке к отрицательным пластинам направляются ионы водорода, а к положительным — ионы кислотного остатка. В результате возникают следующие химические реакции:

у отрицательной пластины

PbS04 + H2 = Pb + H2S04;

у положительной пластины

PbS04 + 2 Н20 + S04 = Рb02 + 2 Н2 + 2 H2SO4.

Следовательно, при зарядке аккумуляторов происходит разложение сернокислого свинца на исходные продукты, а также восстановление концентрации электролита. Очевидно, что окончанием зарядки аккумуляторов можно считать такой момент, когда весь сернокислый свинец разложился и концентрация электролита восстановилась до нормальной. При дальнейшей зарядке потребляемая аккумулятором электрическая энергия будет расходоваться на разложение воды, имеющейся в электролите. Вода разлагается на водород и кислород. Кислород, как наиболее активный газ, производит окисление металлов, имеющихся в аккумуляторе. Водород выделяется в атмосферу. Поэтому на поверхности электролита появляются пузырьки, создающие впечатление «кипения» электролита. В смеси с воздухом водород образует взрывчатый гремучий газ, который должен быть немедленно удален из аккумуляторного помещения.


ЭДС не включенного на разрядку кислотного аккумулятора, принимается в среднем равной 2,1 В независимо от размеров аккумулятора.

Напряжение, создаваемое аккумулятором на зажимах, определяется уравнениями:

при разрядке

U = E-IPr;

при зарядке

U=E+Iзар r

где Е – ЭДС аккумулятора;

Ip,Iзар – соответственно ток разрядки и зарядки аккумулятора;

r – внутреннее сопротивление аккумулятора.

Кислотные аккумуляторы имеют небольшое внутреннее сопротивление, поэтому напряжение на зажимах аккумулятора незначительно снижается даже при больших токах нагрузки. В среднем сопротивление кислотного аккумулятора составляет 0,005 Ом и является величиной, зависящей от плотности электролита, а также от габаритов аккумуляторов (чем больше габариты, тем меньше сопротивление). С уменьшением плотности электролита, т. е. с увеличением степени разряда, ЭДС кислотных аккумуляторов уменьшается, а внутреннее сопротивление увеличивается. Вследствие этого напряжение аккумулятора в начале разрядки понижается незначительно, а к концу падает быстро.

В настоящее время применяются в основном две разновидности щелочных аккумуляторов: кадмиево-никелевые и железо-никелевые.

Электролитом их является раствор едкого калия КОН в дистиллированной воде (плотность электролита 1,19—1,21). В качестве активной массы положительных пластин служит гидрат окиси никеля Ni(OH)3, а активной массы отрицательных – губчатый кадмий Cd (рис. 5).

Рис. 5. Устройство и принцип действия щелочного кадмиево-никелевого аккумулятора

При разрядке аккумулятора анионы щелочного остатка ОН стремятся к пластинам из чистого кадмия. Избыточные электроны кислотного остатка направляются во внешнюю цепь и к пластинам из гидрата окиси никеля, где они нейтрализуются катионами калия. Таким путем создается разрядный ток аккумулятора.


При разрядке щелочного аккумулятора происходят следующие химические реакции:

у отрицательной пластины

Cd + 20H = Cd(OH)2;

у положительной пластины

Ni (ОН)3 + К = Ni (OH)a + КОН.

Из данных реакций видно, что при разрядке щелочного аккумулятора кадмий переходит в гидроокись кадмия Cd(OH)2, а трехатомный гидрат окиси никеля Ni(OH)3 – в двухатомную гидроокись никеля Ni(ОН)2. Эти вещества не обладают отрицательными свойствами, поэтому щелочные аккумуляторы не требуют тщательного ухода в эксплуатации, могут быть длительно незаряженными, мало разрушаются при коротких замыканиях.

При зарядке щелочных аккумуляторов катионы калия движутся к отрицательным пластинам, а анионы щелочного остатка – к положительным. При зарядке происходят следующие химические реакции:

у отрицательной пластины

Cd(OH)2 + 2K = 2KOH+Cd;

у положительной пластины

Ni(OH)2 + OH = Ni(OH)3.

При разрядке, и при зарядке щелочных аккумуляторов плотность электролита остается постоянной, так как диссоциация едкого калия на ионы К и ОН компенсируется образованием КОН.

После переработки всех веществ, участвующих в химических реакциях, при зарядке щелочных аккумуляторов происходит разложение воды электролита и «кипение» аккумулятора.

2.5 Сравнительная характеристика

Данные аккумуляторы относится к электротехнике и можгут быть использованы при производстве щелочных аккумуляторов различных электрохимических систем, например никель-цинковых, никель-кадмиевых, никель-железных, серебряно-цин- ковых, серебро-кадмиевых и т. п.

Щелочные аккумуляторы являются перспективными автономными источниками энергии, которые были разработаны в качестве альтернативы кислотным аккумуляторам, обладающим низкими удельными электрическими характеристиками, недостаточным срокам службы, требующим обслуживания при перерывах в эксплуатации. Щелочные аккумуляторы свободны от указанных недостатков и потенциально могут обеспечить срок службы 10 15 лет и ресурс до 4000 циклов и выше [1]

Однако реализации указанных потенциальных возможностей щелочных аккумуляторов мешают следующие процессы: дендритообразование, приводящее к замыканию электродов и выходу аккумулятора из строя, выделение кислорода на положительном электроде и его миграция к отрицательному, приводящая к потере емкости, перенос массы с электрода на электрод, разбухание электродов в процессе циклирования, приводящее к отслаиванию и осыпанию активной массы.
Для решения указанных проблем принимаются различные меры, такие как применение многослойных композитных сепараторов, избыточность емкости отрицательного электрода, плотная сборка электродов с использованием набухающих сепараторов, применение различных конструкций электродов: ламельных, прессованных, намазных, металлокерамических и т. п.
Никель-железные щелочные аккумуляторы. К корпусу аккумулятора прямоугольной формы, выполненному из листовой стали, приварены дно и крышка. Наружная поверхность корпуса покрыта слоем никеля. Внутри размещены блоки положительных и отрицательных пластину причем последних на одну больше, что позволяет помещать одну положительную пластину между двумя отрицательными.

Конструкция положительных и отрицательных пластин одинакова. Пластины состоят из стальных покрытых никелем перфорированных ламелей (коробочек) в которые впрессована активная масса. Ламели соединены между собой в замок и укреплены с обеих сторон ребрами, к которым приварена контактная пластина с отверстием, куда при сборке вставляют шпильку.

Перфорация в ламелях предусмотрена для лучшего доступа электролита к активной массе и выхода газов, возникающих при заряде. Небольшой диаметр отверстий способствует удержанию активной массы в ламелях. В ламелях положительных пластин запрессована смесь гидрата окиси никеля и графита, а в ламелях отрицательных пластин - порошок, приготовленный из специального электрохимически активного железа.

Одноименные пластины каждого блока надеты на шпильку и закреплены гайками. Между положительными и отрицательными пластинами в выштампованных углублениях устанавливают эбонитовые палочки для создания определенного зазора между разноименными пластинами, чтобы предохранить их от замыканий между собой.


Блоки положительных и отрицательных пластин изолированы от стенок корпуса листовым эбонитом. Каждый блок имеет по два контактных вывода, выходящих наружу через отверстия крышки. Выводы изолированы от крышки эбонитовыми шайбами и укреплены на ней гайками. На крышке аккумулятора у выводов положительного блока выштампованы знаки, указывающие полярность блока и тип аккумулятора. Отрицательные выводы знака полярности не имеют.

Для заливки электролита и контроля за его уровнем и плотностью аккумулятор имеет горловину с откидной крышкой, снабженной клапаном для выхода газов.

На каждый аккумуляторный элемент надевают рези новый чехол, изолирующий один корпус от другого.

При сборке аккумуляторов в батарею элементы соединяют межэлементными соединителями, выполненными и железа и покрытыми никелем.

Никель-железные аккумуляторы благодаря высокой прочности пластин и корпуса не боятся толчков и сотрясений, а их электролит не выделяет при заряде вредно действующих паров, удовлетворительно работают при температурах от -20 до +40°С, способны выносить короткие замыкания и перегрузки, не требуют тщательного ухода при эксплуатации, не подвержены явлениям сульфатации и имеют срок службы больше, чем у свинцовых.

Никель-кадмиевые аккумуляторы. Эти аккумуляторы по конструкции почти аналогичны никель-железным, не отличаются от последних содержанием активного материала и расположением электродов. В никель-кадмиевом аккумуляторе положительных пластин на одну больше чем отрицательных, и в собранном блоке этого аккумулятора положительные пластины оказываются крайними.

Это вызвано тем, что для правильной работы такого аккумулятора активная масса положительных пластин должна занимать больший объем, чем отрицательная. Положительные пластины никель-кадмиевого аккумулятора несколько толще отрицательных.

При сборке блока между положительными и отрицательными пластинами прокладывают эбонитовые палочки (сепараторы). Собранный блок вставляют в корпус аккумулятора плотно, чтобы не было никаких перемещений. Крайние положительные пластины при этом касаются корпуса аккумулятора, отрицательные же изолированы от него листовым эбонитом. Контактные выводы положительных и отрицательных пластин проходят через отверстия в крышке корпуса аккумулятора и изолированы от нее втулками. Сборку аккумулятора производя со стороны дна, после окончания ее дно привариваю к корпусу и при эксплуатации аккумулятор не разбирают.


В крышке каждого аккумулятора для заливки электролита имеется отверстие, закрываемое пробкой.
Безламельный никель-кадмиевый аккумулятор НКБ отличается от ламельного отсутствием перфорированных стальных коробочек (ламелей). Однако принцип действия безламельных аккумуляторов и химические процессы, происходящие в них, такие же, как и у обычных никель-кадмиевых аккумуляторов.

Каждый аккумулятор батареи состоит из одного положительного и одного отрицательного блоков, собранных из одноименных пластин.

Пластина безламельного аккумулятора представляет собой стальную рамку с запрессованной в ней> порошкообразной активной массой.



Пластины безламельного аккумулятора:

1 - положительные,

2 – отрицательные.

Для придания необходимой структуры (пористости) и прочности пластины после прессовки формуют.

3. Пальчиковые батареи
В основе любого источника тока, а батарейка не что иное, как источник тока, лежит простая схема: анод-катод, а между ними электролит. За счет различной природы материала анода и катода, при их погружении в электролит возникает разность потенциалов – напряжение, из-за чего и возникает электрический ток. Химические источники тока носят свое название из-за природы возникновения тока: химическая энергия активных веществ непосредственно превращается в электрическую энергию. Они делятся на две группы – первичные и вторичные. В первичных источниках тока (батарейках) процесс протекает необратимо. К вторичным источникам тока относят аккумуляторы, их можно заряжать, после того как они себя исчерпают. В различных литературных источниках встречается информация о том, что батарейки тоже можно перезаряжать. Не пытайтесь это делать во избежание взрыва и разбрызгивания химических веществ.
3.1 Форма и размер

"Пальчиковая форма" батареек выбрана не случайно. При одинаковой емкости высокий и узкий цилиндр – пальчик - имеет меньшее внутреннее сопротивление и лучше рассеивает тепло. Требования Международной электрической комиссии относительно унификации размеров источников тока позволяют заменять батарейки одного производителя на батарейки другого, тем самым, создавая возможности для вольного потребительского выбора. На батарейке можно увидеть сразу несколько обозначений ее размеров. По российскому законодательству цилиндрические батарейки в зависимости от диаметра и высоты обозначают от R06 до R27, американские нормы диктуют буквенную маркировку. Для бытовой техники могут быть нанесены дополнительные надписи. Например, наиболее распространенная "пальчиковая" батарейка R6 имеет диаметр 14,5 мм и высоту 50,5 мм, она же имеет обозначение АА и MIGNON.


3.2 Характеристики

Чтобы остановить свой выбор на той или иной батарейке, нужно знать, чем же они отличаются. У них есть свои характеристики, которые зависят от электрохимической системы источника тока. В первую очередь, это напряжение, которое для пальчиковой батарейки обычно 1,5В. Некоторое влияние на напряжение оказывают концентрация электролита, температура окружающей среды, степень разряженности и внутреннее сопротивление самой батарейки. Также важный показатель емкость, отдаваемая источником тока во внешнюю цепь при определенном токе разряда, измеряется в ампер-часах (Ач). Упрощенно говоря, емкость – это способность накапливать электрический заряд. Важная характеристика – срок службы, для батареек он определяется временем, на протяжении которого они сохраняют свои характеристики. Но работоспособность определяется не только отдаваемой во внешнюю цепь энергией, а также сохранностью до начала отдачи энергии. А на сохранность сильно влияет эффект саморазряда.
Саморазряд – это следствие нерабочего состояния батарейки, который ведет к потере емкости. Режим хранения может возникать по двум причинам. Во-первых, это касается новой продукции с момента выпуска и до начала использования. Во-вторых, если использовать ресурс батарейки с достаточно длинными промежутками-перерывами. Причина саморазряда кроется в самой батарейке - неустойчивости электродов, загрязнении электролита. Обычно за нормированный срок хранения батарейка теряет порядка 30% своей начальной емкости. Наиболее сильно разряжается батарейка в начале хранения. Также саморазряд возрастает при повышении температуры, о ней отдельно.
3.3 Температурный фактор

Условия окружающей среды могут сильно влиять на работоспособность батареек, особенно температура. Она важна не только при хранении, но и существенно влияет на характеристики уже при работе. Так, при пониженной температуре ухудшается электропроводность электролита, и, как следствие, емкость источника снижается. Гарантированные характеристики могут быть получены при температуре выше 0…5 0С. Но благодаря усилиям разработчиков последние "модели" сохраняют свою работоспособность в разных диапазонах температур.

3.4 Солевые и щелочные

То, что внутри батарейки, иными словами ее электрохимическая система – стартовые условия. Первыми химическими источниками тока были гальванические элементы с металлическими электродами, погруженными в водный электролит. Что-то похожее показывают на уроках химии в школе, когда электроды опускают в раствор и при этом загорается лампочка. Следующее поколение уже "сухих" электролитов, которые не выливались, позволило использовать источники тока для переносной аппаратуры. Но они все-таки относятся к элементам с водным электролитом. Кроме них к первичным источникам тока относят литиевые батарейки. Марганцево-цинковые батарейки – самые дешевые из "водно-электролитных". В виду этого они широко используются в бытовых портативных устройствах. Обычно батарейки называют из-за металлов, из которых сделаны электроды. Как только вы начнете выбирать батарейку, сразу же следует вопрос "Вам солевую или щелочную?". Солевые и щелочные батарейки отличаются только природой электролита. Так, все те же марганцево-цинковые батарейки могут быть как с солевым наполнением, так и со щелочным. Как солевой электролит чаще используется хлорид аммония или цинка. На солевых батарейках можно встретить надписи General Purpose и Special Power. Главный недостаток солевых элементов – значительное уменьшение напряжения на протяжении разряда, причем работоспособность их выше в прерывистом режиме работы при больших и средних токах. Именно поэтому их чаще всего используют в карманных фонариках, игрушках, калькуляторах. Сохраняемость – порядка 1-3 года при потерях емкости к концу гарантированного срока 30-40%. Отличительным недостатком солевых батареек можно назвать вытекание электролита в конце службы. Неприятная вещь, так как использованная батарейка может испортить часы или калькулятор. Самое большое преимущество солевых батареек – низкая цена по сравнению со всеми химическими источниками тока.

Надпись на батарейке Alkaline свидетельствует о том, что это щелочная батарейка. Они хранятся дольше солевых элементов. Название они получили по природе электролита: обычно используют КОН, истинную щелочь. При непрерывном разряде щелочные батарейки обеспечивают большую (в 7-10 раз) емкость по сравнению с аналогичными солевыми элементами. Они лучше работают при низких температурах, но приблизительно на 30% тяжелее. Скорость саморазряда ниже, после года хранения при комнатной температуре потери емкости не превышают 10%. Однако все эти преимущества накладывают отпечаток на цену продукции.

Марганцево-цинковая конструкция батарейки – не единственная, хотя и самая распространенная. Ртутно-цинковые батарейки дороже марганцево-цинковых, но сохраняют стабильное напряжение вплоть до самого конца разряда. Именно такая стабильность обеспечила их применение в измерительной технике и фототехнике. Однако решающую роль в отказе от такой конструкции сыграла токсичность ртути в свете экологических проблем. Как альтернатива им были созданы ртутно-кадмиевые элементы, но заметного выпуска этой продукции не последовало. Позднее на смену пришли серебряно-цинковые элементы. Новоизобретенные литиевые батарейки вытеснили и те, и другие. Есть батарейки, которые нашли ограниченное применение. Так, воздушно-цинковые элементы используют в слуховых аппаратах при температуре 20-450С.

3.5 Литиевые элементы

Ни для кого не секрет, что литиевые батарейки существенно дороже солевых и щелочных. Их (литиевых) относительно высокая стоимость определяется, прежде всего, сложностью работы с высокоактивным литием и необходимостью для этого специального оборудования. А именно из лития в них изготавливают один из электродов. Но поскольку именно литиевые батарейки пользуются все большей популярностью, то быстрое наращивание производства и расширение ассортимента может привести к снижению цен. Преимуществами литиевых батареек являются прекрасные удельные энергетические характеристики (высокое рабочее напряжение, стабильный и широкий диапазон разрядных токов). Кроме этого, по сравнению с солевыми элементами, они работают в более широком диапазоне температур. Плюс высокая сохранность – и как результат, высокая перспектива.
Пока же на прилавках присутствует изобилие марок и солевых, и щелочных, и литиевых батареек, и самых разнообразных аккумуляторов.

3.6 Тестирование

Пальчиковые источники питания – незаменимый атрибут жизни человека. Как минимум часы и фонарики есть в каждом доме. Чтобы разобраться, чем же отличаются батарейки друг от друга кроме марки и цены, решили протестировать их на примере самых распространенных "пальчиковых" R6 (АА). Для тестирования отобрали 10 марок батареек, рассчитанных на напряжение 1,5 вольта. В ходе тестирования оценили маркировку и упаковку продукции, а также провели достаточно интересные (оттого и продолжительные) испытания. Вот какая картина получилась.

3.7 Маркировка-упаковка

Все "пальчики" упаковывают по 4 шт. Только одни производители предпочитают просто объединять изделия пленкой. Лучшим вариантом можно считать, когда чуть ячеистый "батареечный домик" посажен на картонную основу, так как в этом случае упаковка получается более информативная. Именно так и сделали производители батареек Philips, Panasonic, TDK, Sony, Varta, Kodak, "Наша сила". Особых замечаний к упаковке продукции не было, чего не скажешь о маркировке. Ее (маркировку) оценивали по отдельной батарейке, ведь мы чаще всего их так и покупаем.
Поскольку большинство продукции в тесте импортного производства, то возникают проблемы при попытке отыскать какие-либо координаты представителя в Украине. На изделии "Наша сила" производитель просто не обозначен. Не менее важный момент – это тип батарейки (солевая или щелочная). Вряд ли кто-то помнит все батарейки "в лицо" и без труда определяет их тип. Положительно в этом смысле отличились Kodak и "Наша сила" – соответствующая информация присутствует. Батарейка – очень маленькое изделие, но может стать очень опасным. Во избежание этого в маркировку товара должны быть включены предупреждающие надписи типа "не перезаряжать", "не разбирать", "не бросать в огонь". Увы, далеко не всегда они встречаются на доступном языке. Только три изготовителя потрудились их перечислить на каждой из батареек в понятном для наших потребителей варианте –Kodak, "Наша сила" и Samsung. На батарейке Varta не указана дата, так что пригодность ее определить не удастся.

3.8 Экологический момент

Использование вредных для человека и окружающей среды веществ при производстве различных изделий, в том числе и батареек, требует правильной их утилизации после использования. На большинстве батареек имеется предупредительный значок, запрещающий их выбрасывать. Может, в стране производителя имеются специальные пункты приема отслуживших батареек, а вот наш рядовой потребитель их просто-напросто выбрасывает. Другой момент, который можно назвать маркировкой относительно "экологической чистоты" – это надписи, гарантирующие отсутствие в элементе питания ртути и кадмия. Увы данных об этих элементах не найдете на батарейках Alpha.

3.9 Лабораторные условия

В лаборатории проверили внутреннее сопротивление всех элементов, причем, чем меньше этот показатель, тем лучше: батарейка может выдержать более высокий ток. Также определяли время разряда, емкость и, исходя из этих показателей и цены одной батарейки, высчитали затем цену одного ампер-часа. Все эти показатели прорабатывали в трех режимах. Большие нагрузки (сила тока 0,2 А) на батарейки возможны при использовании их в фонариках, цифровых фотоаппаратах, CD-плеерах, измерителях артериального давления. На "долю" батареек выпадают средние нагрузки (сила тока 0,1А) при работе в кассетных плеерах, детских игрушках. Небольшие же нагрузки (сила тока 0,01А) характерны, например, для настенных часов. Естественно, что при различных нагрузках батарейка ведет себя по-разному, но ведь она должна быть универсальной. При самых больших нагрузках в наших испытаниях лучше других батареек (дольше работают) показали себя "Наша сила" и Sony. При средних нагрузках на высоте опять "Наша сила" и Sony, а также Samsung и Varta. При малых разрядных токах (0,01А) высокие показатели у батареек "Наша сила". Общую оценку выводили, исходя из продолжительности ее работы в различных режимах. Цену одного ампер-часа не учитывали, так как она сильно различается в местах продажи, да и со временем меняется тоже сильно. А вот объективные характеристики – время работы - остаются.Цена / качество

Разброс цен на рынке батареек достаточно большой – от 50 копеек до 2 грн, то есть в 4 раза. И это только для солевых батареек. "Отличников" в тесте не много – всего два: "Наша сила" и Sony. Общую оценку "хорошо" получили изделия Samsung, Kodak, TDK и Varta. Элементы Panasonic и Philips оценены только на "удовлетворительно", так как мало работают при небольших токах и средне при больших токах. Оценку "плохо" получило изделие Getready. Не очень похожей на источник питания оказалась батарейка Alpha: половину показателей вообще не удалось определить. Отсюда и общая оценка "очень плохо". Так, что перед покупкой батарейки определитесь, для какого именно устройства она вам нужна. Надеемся, что наша таблица с результатами испытаний поможет сделать правильный выбор.