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.