Батарея (электричество)
Что такое электрическая батарея?
Электрический аккумулятор представляет собой устройство, состоящее из одного или более электрохимических элементов с внешними соединениями, предоставляющее энергию электрическим устройствам, таким как фонари, смартфоны и электромобили. Когда аккумулятор подаёт электроэнергию, его положительный полюс является катодом, а отрицательный полюс является анодом. Электрод, обозначенный "минусом", является источником электронов, которые при подключении к внешней цепи будут течь и поставлять энергию на внешнее устройство. Когда батарея подключена к внешней цепи, электролиты могут перемещаться в виде ионов внутри аккумулятора, позволяя химическим реакциям, завершаться на отдельных клеммах, и, таким образом, обеспечивать энергией внешнюю цепь. Именно это движение ионов внутри батареи делает возможным току течь из батареи для выполнения работы. Исторически термин "батарея" конкретно обозначает устройство, состоящее из нескольких элементов, однако такое обозначение эволюционировало до дополнительного включения в себя устройств, состоящих из одного элемента.
Первичные (Primary) (одноразовые или "разовые") батареи используются один раз и выбрасываются, так как электродные материалы необратимо изменяются во время разряда. Типичными примерами являются щелочные батарейки используемые для фонариков и множества портативных электронных устройств. Вторичные (Secondary ) (перезаряжаемые) батареи могут разряжаться и заряжаться несколько раз, используя сетевое питание из розетки электросети, так как первоначальный состав электродов может быть восстановлен с помощью обратного тока. Примеры включают в себя свинцово-кислотные аккумуляторы, используемые в автомобилях и литий-ионные батареи, используемые для портативной электроники, такой как ноутбуки и смартфоны.
Батареи бывают разных форм и размеров, от миниатюрных элементов, используемых для питания слуховых аппаратов и наручных часов, до маленьких, тонких элементов, используемых в смартфонах, и до больших свинцово-кислотных батарей, используемых в легковых и грузовых автомобилях, а также в случаях самой большой крайности, огромные банки батарей, размером с комнату, которые обеспечивают режим ожидания или аварийного питания для телефонных станций и центров компьютерных данных (дата-центров).
По оценкам 2005 года, мировая индустрия батарей производит каждый год продаж на 48 миллиардов $, с годовым ростом на 6% .
Батареи имеют гораздо более низкую удельную энергию (энергия в расчете на единицу массы), чем обычные виды топлива, такие как бензин. Это несколько компенсируется более высокой эффективностью электродвигателей при производстве механической работы, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.
История создания батареи
Использование слова "батарея"для описания группы электрических устройств относится к Бенджамину Франклину, который в 1748 году описал несколько лейденских банок по аналогии с батареей пушек (Бенджамин Франклин перенял термин «батарея» из военного дела, в котором он относится к совместному функционированию орудий).
Алессандро Вольта построил и описал первую электрохимическую батарею - гальванический столб, в 1800 году. Это была стопка медных и цинковых пластин, разделенных пропитанными рассолом бумажными дисками, которая могла производить постоянный ток в течение значительного периода времени. Вольта не понимал, что напряжение было связано с химическими реакциями. Он думал, что его элементы были неисчерпаемым источником энергии, и что соответствующие эффекты коррозии на электродах были просто неприятностью, а не являлись неизбежным следствием их эксплуатации, как показал Майкл Фарадей в 1834 году.
Хотя, первые батареи имели большое значение для экспериментальных задач, на практике их напряжения колебались, и они не могли обеспечить большой ток в течение длительного периода. Элемент Даниэля, изобретенный в 1836 году британским химиком Джоном Фредериком Даниелем, стал первым практическим источником электроэнергии и отраслевым стандартом, получив широкое распространение в качестве источника питания для электрических телеграфных сетей. Он состоял из медного горшка, заполненного раствором сульфата меди, в который была погружена в неглазурованный глиняный контейнер, заполненный серной кислотой и с цинковым электродом.
Эти влажные элементы, использующие жидкие электролиты, которые были склонны к разливу и утечке, при не правильном обращении. Многие использовали стеклянные банки для хранения своих компонентов, что делало их хрупкими и потенциально опасными. Эти характеристики сделали влажные элементы непригодными для использования в портативных приборах. Ближе к концу девятнадцатого века, изобретение батарей сухих элементов, в которых заменился жидкий электролит пастой, сделало портативные электрические устройства практичными.
Устройство обычной батареи
Батареи преобразовывают химическую энергию непосредственно в электрическую энергию. Батарея состоит из некоторого числа гальванических элементов. Каждая элемент состоит из двух половин, соединенных последовательно с помощью проводящего электролита, содержащего анионы и катионы. Одна половина элемента содержит электролит и отрицательный электрод, к которому переносятся анионы (отрицательно заряженные ионы). Другая половина элемента содержит электролит и положительный электрод, к которому переносятся катионы (положительно заряженные ионы). Окислительно-восстановительные реакции вырабатывают энергию для батареи. Катионы восстанавливаются (электроны добавляются) на катоде во время зарядки, в то время как анионы окисляются (электроны удаляются) на аноде во время зарядки. Во время разряда, происходит обратный процесс. Электроды не должны касаться друг друга, но электрически соединены через электролит. Некоторые элементы используют различные электролиты для каждой половины элемента. Сепаратор позволяет ионам перетекать между половинами элементов, но предотвращает смешивание электролитов.
Каждая половина элемента имеет электродвижущую силу (э.д.с.), определяемая его способностью создавать электрический ток от внутренней к внешней части элемента. Чистымым э.д.с элемента является разница между э.д.с половин элемента. Таким образом, если электроды имеют э.д.с Ε1 и Ε2, то чистая э.д.с. Ε = Ε2 - Ε1; Другими словами, чистая э.д.с. - это разность между потенциалами восстановления полуреакций. Электродвижущая сила между зажимами элемента или ΔVбат называется напряжением на зажимах (разность напряжений) и измеряется в вольтах. Напряжение на зажимах элемента, который не подвергается ни заряду, ни разряду, называется напряжением холостого хода и равно э.д.с. элемента. Из-за внутреннего сопротивления, напряжение на зажимах элемента, к которому подключена нагрузка, меньше чем напряжение холостого хода, а напряжение на зажимах элемента, который подвергается зарядке, превышает напряжение холостого хода. Идеальный элемент имеет пренебрежимо малое внутреннее сопротивление, так что он будет поддерживать постоянное напряжение на зажимах, равное Е до тех пор, пока не разрядится, а затем снижается до нуля. Если такой элемент поддерживает 1,5 вольта и сохраняет заряд в один кулон, то при полном разряде он совершит 1,5 джоуля работы. В реальных элементах внутреннее сопротивление увеличивается при разряде, а напряжение холостого хода уменьшается. Если построить зависимость напряжения и сопротивления от времени, то полученные графики, как правило, представляют собой кривую, форма которой изменяется в зависимости от используемого химического состава и внутреннего устройства элемента.
Напряжение, создаваемое на клеммах элемента зависит от энергетического выхода химических реакций, его электродов и электролита. Щелочные и цинк-углеродные элементы имеют различные химические составы, но примерно одинаковую э.д.с. 1,5 вольт; Точно так же кадмиевые и никель-металл-гидридные элементы имеют различные химические составы, но примерно одинаковую э.д.с. 1,2 вольта. Большое изменение электрохимического потенциала при реакциях соединений лития позволяет создавать литиевым элементам электродвижущую силу в 3 вольта и более.
Категории и типы батарей
Батареи подразделяются на первичные (неперезаряжаемые) и вторичные (перезаряжаемые) виды:
- Первичные батареи используются до полной разрядки и затем выбрасываются. Химические реакции в них , как правило, не обратимы, поэтому они не могут перезаряжаться. Когда запас реагентов в такой батарее истощается, батарея перестает вырабатывать ток и становится бесполезной.
- Вторичные батареи (аккумуляторы) можно заряжать, потому что химические реакции, протекающие в них, можно обратить приложением электрического тока к элементу. Это восстанавливает исходные химические реагенты, так что они могут использоваться, заряжаться, и повторно использоваться много раз.
Некоторые виды первичных батарей, используемых, например, для телеграфных цепей, восстановливались путем замены электродов. Вторичные батареи заряжаются не до бесконечного числа раз из-за диссипации активных материалов, потери электролита и внутренней коррозии.
Неперезаряжаемые батареи
Первичные батареи или первичные элементы, могут производить ток сразу же после изготовления. Они наиболее часто используются в портативных устройствах, которые имеют малый ток потребления, используются только периодически, или используются достаточно далеко от альтернативного источника питания, например, в цепях аварийной сигнализации и связи, где другие виды электропитания доступны только периодически. Одноразовые первичные элементы не могут быть гарантированно заряжены, так как химические реакции в них не являются легко обратимыми и активные материалы не могут восстановить свои первоначальные состояния. Производители батарей рекомендуют не пытаться перезаряжать первичные элементы. В целом, они имеют более высокую плотность энергии, чем аккумуляторы, но одноразовые батареи недостаточно надежно питают схемы с высоким энергопотреблением при нагрузках менее 75 Ом (75 Ом). Наиболее распространенные типы одноразовых батарей - это угольно-цинковые батареи и щелочные батареи.
Перезаряжаемые батареи
Вторичные батареи, также известные как вторичные элементы, или аккумуляторные батареи, необходимо зарядить перед первым использованием, так как они обычно собираются с активными материалами, находящимися в разряженном состоянии. Аккумуляторные батареи (пере)заряжаются с применением электрического тока, который обращает протекание химических реакций, которые имеют место во время разрядки / использования. Устройства для подачи соответствующего тока называются зарядными устройствами.
Самым старым типом аккумуляторов являются свинцово-кислотные аккумуляторы, которые широко используются в автомобилях и лодочных моторах. При данной технологии жидкий электролит содержится в негерметичной таре, и требуется, чтобы батареи находились в вертикальном положении и в хорошо проветриваемом месте, чтобы обеспечить безопасную вытяжку газообразного водорода, который производится во время перезарядки. Свинцово-кислотный аккумулятор является относительно массивным при том количестве электрической энергии, которую он может произвести. Его низкая стоимость производства и его высокие значения пускового тока делают его повсеместно используемым, где емкость аккумулятора (свыше 10 А-ч) является более важным требованием, чем требования боле легкого веса и простого обслуживания. Основным примером является современный автомобильный аккумулятор, который может, вообще говоря, выдавть пиковый ток в 450 ампер.
Клапанно-регулируемые свинцово-кислотные аккумуляторы (аккумуляторы типа VRLA) являются популярными в автомобильной промышленности в качестве замены свинцово-кислотных "влажных" аккумуляторов (WET Cell Battery). Батарея VRLA использует иммобилизованный электролит серной кислоты, что снижает вероятность утечки и продлевает срок годности при хранении. В VRLA аккумуляторах связывание электролита происходит двумя способами:
Гелевые аккумуляторы (или "гелевые элементы") используют полутвердое состояния электролита.
В аккумуляторах с поглощающим стекловолокном (AGM) электролит полностью абсорбирован специальной перегородкой из стеклянного микроволокна.
Другие портативные аккумуляторы включают в себя несколько герметичных типов "сухих элементов", которые могут применяться в мобильных телефонах и портативных компьютерах. Элементы этого типа (в порядке увеличения плотности мощности и стоимости) включают в себя никель-кадмиевые (NiCd), никель-цинковые (NiZn), никель-металл-гидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-Ion) элементы. Литий-ионные имеет на сегодняшний день самую высокую долю рынка сухих перезаряжаемых аккумуляторов. Никель-металл-гидридные заменили никель-кадмиевые элементы в большинстве случаев благодаря своей более высокой мощности, но никель-кадмиевые элементы продолжают использоваться в электроинструментах, радиостанциях, а также медицинском оборудовании.
В 2000-е годы велись разработки аккумуляторов со встроенной электроникой, таких как USBCELL, позволяющей заряжать аккумуляторы АА через разъем USB, наношариковых аккумуляторов, заряжающихся в сто раз быстрее, чем обычные современные аккумуляторы и смарт-аккумуляторов с мониторами состояния заряда и схемами защиты аккумулятора, которые предотвращают повреждения при чрезмерной разрядке. Низкий саморазряд (LSD) позволяет выпускать изначально заряженными вторичные элементы.
Типы электрохимических батарей
Многие типы электрохимических элементов производятся с различными дизайном и использованием различных химических процессов, в том числе гальванические элементы, электролитические ванны, топливные элементы, проточные элементы и гальванические столбы.
Батарея с влажным элементом
В батарее с влажным элементом находится жидкий электролит. Другие названия - заливной аккумулятор, так как жидкость покрывает все внутренние элементы, или вентилируемый аккумулятор, так как газы, вырабатываемые в нём во время работы, могут выводиться в атмосферу. Влажные элементы являются предшественниками сухих элементов и обычно используются в качестве учебного пособия в электрохимии. Они могут быть собраны с использованием обычных лабораторных расходных материалов, таких как стаканы, для демонстрации того, как работают электрохимические элементы. Конкретный тип влажного элемента, известный как концентрационный элемент, играет важную роль в понимании природы коррозии. Влажные элементы могут быть первичными батареями (неперезаряжаемые) или вторичными батареями (аккумуляторы). Первоначально все практические первичные батареи, такие как элементы Даниеля были построены как открытые сверху банки влажных элементов. Другие первичные влажные элементы элемент Лекланше, Грове элемент, элемент Бунзена , хромовокислый элемент, элемент Кларка и элемент Вестона. Химический состав элемента Лекланше был приспособлен, чтобы стать одним из первых сухих элементов. Влажные элементы все еще используются в автомобильных аккумуляторах и в промышленности для источников резервного питания в распределительных устройствах, телекоммуникационных или крупных источников бесперебойного питания, но для многих применений батареи с гелевыми элементами заменили их. Здесь обычно используются свинцово-кислотные или никель-кадмиевые аккумуляторы.
Батарея с сухим элементом
В сухом элементе используется пастообразный электролит, но с достаточным количеством влаги, чтобы обеспечить протекание тока. В отличие от влажного, сухой элемент может работать в любом положении, без опасности проливания, так как он не содержит свободной жидкости, что делает его пригодным для использования в портативном оборудовании. Для сравнения, первые влажные элементы обычно представляли из себя хрупкие стеклянные контейнеры со свинцовыми стержнями, свисающими с открытой верхней части контейнера и требовали аккуратного обращения, чтобы избежать утечки. Свинцово-кислотные батареи не могли достичь уровня безопасности и мобильности сухих элементов до их превращения в гелевые батареи.
Распространенным сухим элементом является угольно-цинковая батарея, которую иногда называют сухим элементом Лекланше, с номинальным напряжением 1,5 вольта, таким же, как в щелочной батарее (так как оба используют ту же самую комбинацию цинка и диоксида марганца). Стандартный сухой элемент включает цинковый анод, как правило, в виде цилиндрического стакана с угольным катодом, расположенным по центральной оси в виде стержня. Электролит представляет из себя хлорид аммония в виде пасты, размещенной у поверхности цинкового анода. Оставшееся пространство между электролитом и угольным катодом занимает вторая паста, состоящая из хлорида аммония и диоксида марганца, при этом последний действует как деполяризатор. В некоторых реализациях, хлорид аммония заменен хлоридом цинка.
Батареи на расплавах солей
Батареи на расплавах солей - первичные или вторичные батареи, которые используют расплавленную соль в качестве электролита. Они работают при высоких температурах и должны иметь надежную теплоизоляцию.
Батарея резервного питания
Аккумулятор резервного питания может храниться в нескомпонованном виде (не активирован и не подает питание) в течение длительного периода (возможно, лет). Когда батарея необходима, то она активируется (например, путем добавления электролита). После сборки, аккумулятор заряжается и становится готовым к работе. Например, батарея для электронного артиллерийского взрывателя может быть активирована под воздействием выстрела из орудия. Ускорение разрушает капсулу электролита, который активирует батарею и предохранительную цепь. Резервные батареи, как правило, рассчитаны на короткий срок службы (несколько секунд или минут) после длительного хранения (годы). Водоактивируемая батарея для океанографических приборов или военных применений активируется при погружении в воду.
Характеристики батареи могут изменяться в течение цикла разряда, в течение цикла зарядки, и в течение всего срока службы из-за многих факторов, в том числе внутренней химии, тока утечки и температуры. При низких температурах батарея не может выделить столько же энергии. Таким образом, в холодном климате, некоторые владельцы автомобилей устанавливают подогреватели батарей, которые являются небольшими электрическими нагревателями, которые поддерживают необходимую температуру батарей автомобиля.
Ёмкость батареи
Ёмкостью аккумулятора является величина электрического заряда, который может быть выделен при номинальном напряжении. Чем больше электродный материал, содержащийся в элементе, тем выше емкость. Небольшой элемент имеет меньшую емкость, чем большой элемент с тем же химическим составом, хотя они развивают одинаковое напряжение холостого хода. Емкость измеряется в единицах, таких как ампер-час (А · ч). Номинальная емкость батареи, как правило, выражается в виде произведения 20 часов, умноженных на средний ток, который новая батарея может стабильно подавать в течение 20 часов при температуре 68 ° F (20 ° C), при создаваемом в это время напряжении, выше указанного напряжения элемента на клеммах. Например, аккумулятор рассчитан на 100 А · ч может обеспечить 5 А в течение 20-часового периода при комнатной температуре. Доля накопленного заряда, что батарея может выделить зависит от нескольких факторов, в том числе химического состава батареи, скорости, с которой заряд доставляется (ток), требуемого напряжения на клеммах, срока хранения, температуры окружающей среды и других факторов.
Чем выше ток разряда, тем ниже емкость. Зависимость между током, временем разряда и емкостью свинцово-кислотной батареи приблизительно находится (в пределах типичного диапазона значений тока) по закону Пейкерта :
t = Qp / I^k
где
Qp - емкость батареи при разряде током 1 Ампер;
I - текущий ток разряда батареи (A);
t- количество времени (в часах), в течение которого батарея может поддерживать напряжение и ток в цепи;
k - константа, значение которой около 1,3.
Батареи, которые хранятся в течение длительного периода времени или которые разряжаются небольшими токами, теряют емкость из-за наличия необратимых побочных реакций, в которых происходит потребление носителей заряда без выработки тока. Это явление известно как внутренний саморазряд. Кроме того, когда батареи заряжаются, могут происходить дополнительные побочные реакции, снижающие емкость при последующих разрядах. После того, как происходит достаточное количество перезарядок, вся емкость теряется, и батарея перестает вырабатывать энергию.
Внутренние потери энергии и ограничения скорости, с которой ионы проходят через электролит вызывают изменение эффективности батареи. Разряд малым током, но выше минимального порога, обеспечивает большую емкость батареи, чем разряд более высоким током. Установка батарей с различной емкостью (A · ч) не влияет на работу устройств (хотя это может повлиять на интервал работы), рассчитанных на определенное напряжение, если не превышены предельные значения нагрузки . Высокотоковые нагрузки, такие как цифровые камеры, могут снизить общую емкость, как это происходит с щелочными батареями. Например, аккумулятор, рассчитанный на 2 А · ч при 10- или 20-часовом разряде, не будет поддерживать ток 1 А в течение двух часов, как предполагает его паспортная емкость.
Разрядка батареи
Коэффициент разряда (C - rate) является мерой скорости, с которой батарея разряжается. Она определяется как ток разряда, деленный на теоретически потребляемый ток, при котором батарея будет вырабатывать свою номинальную проектную емкость в течение одного часа. Коэффициент разряда 1C будет вырабатывать паспортную емкость аккумулятора в течение 1 часа. Коэффициент разряда 2С означает, что выработка ускорится в два раза (30 минут). Коэффициент разряда 1C на 1,6 А·h аккумулятора означает ток разряда 1.6 A. A 2C будет означать ток разряда 3.2 A. Стандартные коэффициенты разряда для аккумуляторных батарей обычно оцениваются в течение 4-часового, 8 часов или большего времени разряда. Из-за потерь на внутреннем сопротивлении и в химических реакциях внутри элементов, батарея редко вырабатывает паспортную проектную емкость в течение одного часа. Типы батарей, предназначенные для специальных целей, например, в компьютерном источнике бесперебойного питания, может быть оценена производителями для разрядных периодов гораздо меньших, чем один час.
Быстрая зарядка/разрядка батареи
По состоянию на 2012 год литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO4) имел самый быстрое время заряда/разряда, обеспечивая полную разрядку за 10-20 секунд.
По состоянию на 2013 год, самый большой в мире аккумулятор находился в провинции Хэбэй, Китай. Он хранит 36 мегаватт-часов электроэнергии при стоимости 500 млн. долларов. Другая большая батарея, состоящая из Ni-Cd элементов, находилась в Фэрбенксе, Аляска. Она занимала площадь 2000 квадратных метров (22000 кв. футов) - больше, чем футбольное поле, и весила 1300 тонн. Она была изготовлена компанией ABB для обеспечения резервного питания в случае отключения электроэнергии. Батарея может обеспечить 40 мегаватт электроэнергии на срок до семи минут. Натриево-серные батареи используются для хранения энергии ветра. Система батарей емкостью 4,4 МВт·час, которая может выдать11 мегаватт в течение 25 минут, стабилизирует выходное напряжение ветроэлектростанции Auwahi на Гавайях.
Литий-серные батареи использовались при совершении самого протяженного и самого высотного полета с использованием солнечной энергии. Скорость зарядки литий-ионных батарей может быть увеличена путем технологических изменений.
Срок службы батареи
Срок службы батареи (и его синоним ресурс батареи) имеет два смысла для аккумуляторных батарей, и только один для незаряжаемых батарей. Для аккумуляторов он может означать либо отрезок времени, в течение которого устройство может работать от полностью заряженного аккумулятора, или количество циклов заряд/разряд, которые возможно совершить до того, как элементы будут не в состоянии работать удовлетворительно. Для незаряжаемых батарей имеет смысл только первое значение термина "срок службы батареи", так как такие элементы имеют только один цикл по определению. (Термин срок годности используется для описания того, как долго батарея может сохранять свою работоспособность с момента её изготовления.) Полезная емкость всех батарей падает с понижением температуры. В отличие от большинства современных батарей, замбониев столб, изобретенный в 1812 году, предлагает очень долгий срок службы без ремонта или подзарядки, хотя он вырабатывает ток только в диапазоне наноампер. Оксфордский электрический звонок звонит почти непрерывно с 1840 года, работая от первоначально установленной в него пары батарей, как полагают, это замбониевы столбы.
Скорость "саморазряда" батареи
Одноразовые батареи обычно теряют от 8 до 20 % своего первоначального заряда в год во время хранения при комнатной температуре (20-30 ° C). Это называется скоростью "саморазряда", который происходит из-за не вырабатывающих ток "побочных" химических реакций, протекающих в элементе, даже если он не нагружен. Скорость побочных реакций снижается для батарей, хранящихся при более низких температурах, хотя некоторые из них могут получить повреждения в результате замерзания.
У старых аккумуляторов саморазряд происходит быстрее, чем в одноразовых щелочных батареях, особенно у аккумуляторов на основе никеля. Заряженный никель-кадмиевый (NiCd) аккумулятор теряет 10% своего заряда в течение первых 24 часов, а затем разряжается со скоростью около 10% в месяц. Тем не менее, современные никель-металл-гидридные (NiMH) аккумуляторы имеют низкий саморазряд, а современные литиевые разработки показывают более низкую скорость саморазряда (но все же выше, чем она у первичных батарей).
Коррозия батареи
Внутренние части могут подвергаться коррозии и выходить из строя, или активные вещества могут постепенно переходить в неактивные формы.
Изменения активного материала батареи
Химический состав активного материала аккумуляторных пластин изменяется при каждом цикле заряда и разряда. Активный материал может быть истощен из-за физических изменений объема, что накладывает ограничивая на количество зарядов батареи. Большинство никелевых батарей частично разряжены при покупке, и должны быть заряжены перед первым использованием. Новые никель-металл-гидридные аккумуляторные батареи готовы к использованию сразу после покупки, и теряют только 15% емкости в год.
Некоторое ухудшение происходит при каждом цикле заряда-разряда. Деградация как правило, происходит потому, что электролит мигрирует от электродов или потому, что активный материал отделяется от электродов. Никель-металл-гидридные аккумуляторы малой емкости(1,700-2,000 мА · ч) можно заряжать примерно 1000 раз, в то время как никель-металл-гидридные аккумуляторы большой емкости (выше 2500 мА · ч) выдерживают 500 циклов. Никель-кадмиевые батареи, как правило, рассчитаны на 1000 циклов, прежде чем их внутреннее сопротивление навсегда превысит пределы допустимых значений.
Заряд / скорость разряда батареи
Быстрая зарядка способствует изменению компонентов, что сокращает срок службы батареи. Если зарядное устройство не определяет момент, когда аккумуляторная батарея полностью заряжена, то перезарядка может вывести аккумулятор из строя.
Эффект памяти батареи
Ni-Cd элементы, при их использовании повторяющимся образом, могут продемонстрировать снижение емкости под названием "эффект памяти". Этого эффекта можно избежать простым способом. Никель-металл-гидридные элементы, хотя и похожи по химическому составу, меньше страдают от эффекта памяти.
Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи
Автомобильные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи должны выдерживать нагрузки, вызываемые вибрацией, ударами и изменением температуры. Из-за этих напряжений и сульфатации свинцовых пластин, служба редких автомобильных аккумуляторов длиться более шести лет при регулярном использовании. Автомобильные стартерные (SLI: Starting, Lighting, Ignition - Запуск, освещение, зажигание) аккумуляторы имеют много тонких пластин для максимальной отдачи тока. В принципе, чем толще пластины тем больше срок службы. Но в автомобилях, как правило, аккумуляторы не успевают значительно разрядиться, как сразу же начинается процесс зарядки.
Свинцово-кислотные аккумуляторы "глубокого цикла", как те, что используются в электрических тележках для гольфа, имеют гораздо более толстые пластины, обеспечивающие их продолжительную работу. Основное преимущество свинцово-кислотных аккумуляторов является их низкая стоимость. Основными недостатками являются большие размеры и вес при их мощности и напряжении. Свинцово-кислотные аккумуляторы никогда не следует разряжать ниже 20% от их емкости, так как внутреннее сопротивление будет вызывать тепло и повреждения при перезарядке. В свинцово-кислотных системах глубокого цикла часто используют предупреждающую индикацию низкого заряда или переключатель отсечки мощности при низком заряде, чтобы предотвратить повреждения, которые сокращают их срок службы.
Как правильно хранить батареи?
Срок службы батареи может быть продлен путем хранения батареи при низкой температуре в холодильнике или морозильной камере, что замедляет побочные реакции. Такое хранение может продлить срок службы щелочных батарей примерно на 5%. Аккумуляторы могут сохранять заряд гораздо дольше, в зависимости от типа. Для того, чтобы батареи могли достичь своего максимального напряжения, они должны быть прогреты снова до комнатной температуры. Разрядка щелочных батарей током 250 мА при 0 ° С составляет только половину времени разряда тем же током, но при 20 ° C. Производители щелочных батарей, такие как Duracell, не рекомендуют охлаждать их батареи.
Размеры батарей
Для потребителей легко доступен большой выбор первичных батарей, варьирующийся от крошечных кнопочных элементов, используемых в электрических часах, до элементов № 6, которые используется в устройствах сигнализации или других устройствах продолжительного цикла работы. Вторичные элементы встречаются очень больших размеров, очень большие аккумуляторы снабжают электроэнергией подводные лодки или стабилизируют электрическую сеть и помогают выравнивать пиковые нагрузки.
Класс опасности батарей
Взрыв батареи
Взрыв аккумулятора может быть вызван неправильной эксплуатацией или неисправностью, например, при попытках перезарядить первичные (не перезаряжаемые) батареи или вследствие короткого замыкания. Существует большая вероятность взорваться автомобильному аккумулятору при коротком замыкании, создающему очень большие токи. Автомобильные аккумуляторы производят водород, который весьма взрывоопасен, при перегрузке аккумулятора (из-за электролиза воды в электролите). Значение же зарядного тока, как правило, очень мало, и генерирует мало водорода, который быстро рассеивается. Тем не менее, когда автомобильный аккумулятор "совершает прыжки", большой ток может вызвать быстрое высвобождение больших объемов водорода, которые могут воспламениться взрывным образом с помощью образовавшейся поблизости искры, например, при отключении соединительного кабеля. При быстрой зарядке аккумулятора взрывоопасная газовая смесь водорода и кислорода может образоваться быстрее, чем пропускается вентиляционными отверстиями батареи, и это приводит к нагнетании давления и возможному разрыву корпуса батареи. В крайних случаях, аккумуляторная кислота может бурно выбрызнуться из корпуса и привести к травмам. Перезарядка - то есть, попытка зарядить аккумулятор свыше пределов его электрической емкости, может также привести к его взрыву, в дополнение к утечке или необратимому повреждению. При этом также может произойти повреждение зарядного устройства или устройства, в котором перезаряженная батарея будет использоваться. Кроме того, утилизация батареи путем сжигания может привести к взрыву, поскольку пар будет накапливаться в герметичном корпусе.
Утечка активных химикатов из батареи
Многие химикаты, используемые в батареях являются едкими и ядовитыми. При спонтанной утечке либо утечки в результате аварии, высвободившиеся химические вещества могут представлять опасность. Например, в одноразовых батареях часто используется цинковый "стаканчик" в качестве реагирующего вещества и в качестве контейнера для хранения других реагентов. Если этот тип батареи перегружается, реагенты могут протечь через картон и пластик, которые являются продолжением контейнера. Утечка активных химикатов может повредить или отключить оборудование, получающее питание от этой батареи. По этой причине многие производители электронных устройств рекомендуют вынимать батарейки из устройств, которые не будут использоваться в течение длительного периода времени.
Токсичные материалы батарей
Многие типы батарей используют токсичные материалы, такие как свинец, ртуть, кадмий в качестве электродов или электролита. Когда батарея достигает конца срока службы, она должна быть утилизирована для предотвращения ущерба окружающей среде. Батареи являются одной из форм электронных отходов (е-отходы). Сервис по утилизации е-отходов занимается восстановлением токсичных веществ, которые затем могут быть использованы для изготовления новых батарей. Из почти трех миллиардов батарей, ежегодно приобретаемых в Соединенных Штатах, около 179000 тонн в конечном итоге оказывается на свалках по всей стране. В Соединенных Штатах в 1996 году был принят Закон о ртутьсодержащих и перезаряжаемых батареях, который запретил продажу ртутьсодержащих батарей и ввёл единые требования к маркировке аккумуляторных батарей и требование легкого извлечения аккумуляторов из устройств. В Калифорнии и Нью-Йорки запрещено выбрасывание аккумуляторных батарей с твердыми бытовыми отходами, там же и в штате Мэн предписана утилизация сотовых телефонов. Аккумуляторная промышленность участвует в общегосударственной программе утилизации в Соединенных Штатах и Канаде, с организацией пунктов приема отработавших батареек в местных магазинах.
Директива Европейского Союза о батареях и аккумуляторах имеет аналогичные требования, дополненные требованиями увеличения переработки батареек и поощрения научных исследований по совершенствованию методов утилизации аккумуляторов. В соответствии с этой директивой все батареи, которые будут проданы в ЕС, должны быть помечены символом "Не выбрасывать! Сдать в специальный пункт по утилизации" (рисунок перечеркнутого мусорного контейнера). Это должно охватывать по меньшей мере, 3% призматических батарей и 1,5% цилиндрических батарей. Все упаковочные материалы должны быть помечены таким же образом.
Что делать если ребенок проглотил батарейку?
Батареи могут принести вред или смертельный исход при проглатывании. Маленькие кнопочные элементы могут быть проглочены, в частности маленькими детьми. В то время как в пищеварительном тракте, электрический разряд батареи может привести к повреждению тканей, что может иногда иметь более серьезные последствия вплоть до смертельных. Проглоченные дисковые батарейки, как правило, не вызывают проблем, если они не застревают в желудочно-кишечном тракте. Наиболее распространенным местом застревания дисковых батареек с клиническими последствиями является пищевод. Батареи, которые успешно проходят пищевод, вряд ли застрянут в другом месте. Вероятность того, что дисковая батарейка застрянет в пищеводе, зависит от возраста пациента и размера батарейки. Дисковые батареи диаметра 16 мм застревали в пищеводах 2 детей в возрасте до 1 года. Дети более старшего возраста не имеют проблем с батарейками диаметрами меньшими, чем 21-23 мм. Колликвационный некроз может произойти потому, что гидроксид натрия производится током, вырабатываемым батареей (как правило, на аноде). Перфорацию необходимо произвести не позднее 6 часов после проглатывания.
Самодельные батареи
Практически любая жидкость или влажный объект, который имеет достаточное количество ионов, чтобы быть электропроводным может служить в качестве электролита для батареи. В качестве диковинки или научной демонстрации, можно вставить два электрода, изготовленных из различных металлов в лимон, картофель и т.д. и генерировать небольшие количества электроэнергии. "Двухкартофельные часы" также широко доступны в магазинах игрушек и хобби. Они состоят из пары элементов, каждый из которых состоит из картофеля (лимона, и так далее) с двумя электродами, вставленными в каждый из соединенных последовательно, чтобы сформировать батарею с достаточным уровнем напряжения для питания цифровых часов. Самодельные элементы такого рода не имеют практического применения.
Вольтовый столб может быть сделан из двух монет (например, центовой и пятицентовой) и куска бумажного полотенца, смоченного в соленой воде. Такой столб создает очень низкое напряжение, но, когда много их сложить в серии, они могут заменить обычные батареи в течение короткого промежутка времени.
Sony разработала биологическую батарею, которая генерирует электроэнергию из сахара способом, который похож на процессы, наблюдаемые в живых организмах. Батарея генерирует электричество за счет использования ферментов, которые расщепляют углеводы.
Свинцовокислотные элементы можно легко изготовить в домашних условиях, но трудоемкий цикл заряда/разряда необходим для «формирования» пластин. Это процесс, в котором сульфат свинца формируется на пластинах и во время заряда превращается в диоксид свинца (положительная пластина) и чистого свинца (отрицательная пластина). При повторении этот процесс приводит к микроскопическим шероховатостям, увеличивающим площадь поверхности и, следовательно, ток производимый элементом.
Элемент Даниэля легко сделать в домашних условиях. Алюминий-воздушные батареи могут быть изготовлены из алюминия высокой чистоты. Батареи из алюминиевой фольги могут производить некоторое количество электричества, но нецелесообразны, отчасти потому, что значительное количество (горючего) газообразного водорода образуется.