Как устроены и работают аккумуляторные батареи

Введение в терминологию

Батареи служат для хранения и обеспечения электроэнергии. Они делают это путем преобразования электрической энергии постоянного тока в химическую потенциальную энергию во время зарядки и наоборот во время разрядки. Мощность-это скорость передачи энергии. Например, теоретическая батарея емкостью 3 кВт·ч может обеспечить до 3 кВт мощности в любое время, а на основе энергетической емкости 6 кВт·ч может обеспечить эту мощность в течение двух часов. В качестве альтернативы батарея может обеспечивать более низкий уровень мощности в течение более длительного времени (например, 1 кВт в течение шести часов, 0,5 кВт в течение 12 часов и т.д.) Реальное поведение батареи сложнее, чем приведенное выше описание, но пока этого достаточно, чтобы объяснить разницу между энергией и мощностью.
Чтобы описать более сложное поведение, которое проявляется на практике, батарея часто рассматривается как источник постоянного напряжения. Увеличение тока, потребляемого от батареи, уменьшает напряжение источника из-за падения напряжения. 
Поскольку емкость батареи зависит от скорости, с которой они разряжаются, гипотетическая батарея 3 кВт·ч, является нереалистичной моделью для некоторых технологий батарей. Тем не менее, другие технологии батареи (например, с применением лития) работают лучше при высоких скоростях разряда, показывая меньшее снижение емкости с увеличением скорости разряда. Эти батареи имеют низкое внутреннее сопротивление и часто лучше всего подходят для станций с высокой мощностью.
В отношении емкости аккумулятора, ампер-часы (Ач) используются чаще, чем кВт·ч. Емкость Aч может быть умножена на номинальное напряжение, чтобы получить общую емкость аккумуляторной системы в Вт·ч (например, аккумуляторная система 48В, емкостью 100 Ач должна выдавать 4,8 кВт·ч энергии). Емкость Aч часто указывается со скоростью C, которая указывает на время, в течение которого батарея разряжается. Например, емкость батареи 100Ah, описанная выше, может применяться, когда батарея разряжается медленно 0,2С (более 5 часов), но падает до 67 Aч, когда батарея разряжается при 1C. Таким образом, скорость разряда C всегда следует указывать вместе с емкостью Aч.

Введение в принципы работы

В большинстве случаев батарея состоит из анода, катода и электролита. Анод и катод представляют собой электропроводящие пластины, покрытые активными материалами и погруженные в электролит – вещество, которое при растворении в растворителе распадается на ионы (положительно и отрицательно заряженные молекулы).
Ионы из электролита вступают в химическую реакцию на аноде с образованием свободных электронов (что делает его отрицательным электродом). Когда цепь между анодом и катодом замкнута (через нагрузку, такую как вентилятор, нагреватель, двигатель и т.д.), свободные электроны от анода проходят через нагрузку через внешнюю цепь к катоду. Потенциальная энергия (напряжение) электронов становится механической энергией при нагрузке.
Поскольку батареи являются электрохимическими по своей природе – полагаясь на химические реакции для высвобождения и хранения энергии – они чувствительны к температуре, и их способность накапливать энергию и доставлять энергию будет ухудшаться как со временем, так и с использованием. Более высокая скорость зарядки и разрядки увеличивает потери и сокращает срок службы батареи. Аналогично, более высокая глубина разряда (DOD), как правило, приводит к более быстрой потере емкости. Различные технологии изготовления батареи имеют отличия по характеристикам.

Свинцово-кислотные аккумуляторы.

Введение

Свинцово-кислотные аккумуляторы являются самой распространенной технологией для стационарных систем хранения. Они используются уже более 100 лет, широко распространены и хорошо изучены. 
Номинальное напряжение свинцово-кислотного элемента принимается равным 2В. Напряжение свинцово – кислотного аккумулятора колеблется в диапазоне ~0,5 В (1,75-2,25 В) в зависимости от его состояния заряда (SOC) и температуры. Таким образом, напряжение и температура батареи чаще всего используются для определения состояния заряда, где более высокое напряжение указывает на более высокий уровень заряда. Ячейки соединяются последовательно для увеличения напряжения, обычно до 12В для автомобильных стартерных батарей и 24/48 В для ИБП или систем солнечной энергетики.

Разрядка

Считается, что свинцово-кислотные батареи имеют высокое внутреннее сопротивление, что означает, что нижний предел напряжения быстро уменьшается, когда батарея пытается разрядиться с высокой скоростью. В сочетании с большими потерями на тепловыделение они демонстрируют значительное снижение общей емкости с увеличением скорости разряда (рис. 2). На этом графике продолжительность разряда - это время, необходимое для работы батареи.

Рис. 2. Зависимость емкости свинцово-кислотного аккумулятора от скорости разряда

Тенденция к падению напряжения свинцово-кислотного аккумулятора при высоких скоростях разряда делает их более подходящими для низкоскоростных применений.

Зарядка

Свинцово-кислотные аккумуляторы чаще всего заряжаются в трех различных фазах:

 

1. Фаза постоянного тока: быстрая зарядка осуществляется с помощью зарядного устройства, подающего постоянный ток на батарею до тех пор, пока она не достигнет своего максимального напряжения
2. Фаза постоянного напряжения: следует медленная зарядка, когда зарядное устройство применяет постоянное напряжение, в то время как ток в батарее падает до нуля.
3. Поддерживающий заряд: требуется поддерживающая зарядка, когда батарея не разряжается сразу после завершения фазы постоянного напряжения. Напряжение поддерживающего заряда ниже, чем в фазе постоянного напряжения, и запрещает саморазряд, который может произойти (обычно ~5% в месяц).

 

Во время разрядки ионы из электролита вступают в реакцию со свинцовыми электродами с образованием сульфата свинца. При перезарядке эти соединения растворяются вместе с сульфат-ионами, возвращающимися в электролит. Сульфатация относится к необратимому образованию кристаллов сульфата свинца, которые могут произойти, если батарея в разряженном состоянии находится слишком долго (или если уровень электролита слишком низкий и электроды подвергаются воздействию воздуха). При разряде аморфные кристаллы, образующиеся при разряде, стабилизируются и превращаются в кристаллический сульфат свинца, который не растворяется при перезарядке. Результатом является потеря емкости аккумулятора и увеличение внутреннего сопротивления. Поэтому свинцово-кислотные аккумуляторы необходимо регулярно полностью заряжать, чтобы избежать сульфатации. Сульфатация происходит естественным образом во время использования свинцово-кислотных аккумуляторов, и для “растворения” кристаллов сульфата требуется периодическая перезарядка. Этот избыточный заряд называется уравнивающим зарядом и выполняется при более высоком напряжении. Избыточный заряд помогает удалить сульфатацию, выровнять напряжения отдельных элементов батареи в системе. Однако выравнивающий заряд нельзя проводить слишком часто или слишком долго, так как перенапряжение приводит к газообразованию (испарению) водной составляющей электролита. 

Электрическая эффективность

Чем эффективнее аккумулятор, тем меньше потери будут во время зарядки/разрядки. Тепловыделение является основным показателем потерь для большинства батарей, но свинцово-кислотные батареи также теряют электрическую энергию из-за газообразования. Газообразование - это разложение воды в водном электролите на водород и кислород. Этот процесс, более известный как электролиз, увеличивается при более высоких напряжениях, связанных с фазой зарядки поглощения.
Тепловыделение и газообразование составляют ~20% электрических потерь при работе свинцово-кислотного аккумулятора, что дает общую эффективность при работе аккумулятора ~80%.

Срок службы и глубина разряда

Необратимые процессы электрических потерь ограничивают срок службы большинства батарей. Скорость этих процессов зависит главным образом от того, как используется аккумулятор, и температуры окружающей среды, в которой он работает.
Обычно считается, что срок службы свинцово-кислотной батареи заканчивается, когда мощность или емкость упали до 80% от ее первоначального значения. После этого момента свинцово-кислотные батареи имеют тенденцию к неизбежному выходу из строя, и поэтому состояние здоровья 80% (SOH) указывает на необходимость замены аккумулятора.
Максимальный срок службы свинцово-кислотной батареи достигается, когда батарея не используется, а вместо этого хранится на поддерживающем заряде. Срок службы батареи в этих условиях называется сроком службы батареи. Нежелательные реакции все равно будут происходить, однако медленно, и поэтому срок службы все равно ограничен. 
Производители аккумуляторов часто рекомендуют ограничивать глубину разряда (DOD), чтобы продлить срок службы. В установках солнечной энергетики на солнечных батареях системы батарей часто имеют такие показатели, что средняя разрядка будет составлять около 30% от общей емкости. Однако, увеличение срока службы системы путем уменьшения процента разряда требует более большей системы батареи, увеличивая первоначальные затраты.

Токсичность и утилизация

Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из высокотоксичного свинца и серной кислоты. По этой причине утилизация стандартным методом могут быть чрезвычайно опасными, хотя в наше время более 95% стандартных свинцово-кислотных аккумуляторов могут быть переработаны.