Щелочные аккумуляторы их характеристика плюсы и минусы: Щелочные аккумуляторы

Содержание

Щелочные аккумуляторы — особенности, плюсы и минусы

Щелочные батареи представляют собой портативный источник постоянного тока, заправленный электролитом на основе водного раствора едкого натрия или калия. Изделия отличаются повышенным сроком эксплуатации, достигающим 25 лет (устройства ламельного типа). Оборудование поддерживает алгоритмы ускоренной зарядки, при разрядке обеспечивается повышенная мощность.

Отличие от других АКБ

Наибольшее распространение получили щелочные аккумуляторы на основе никель-кадмиевых или никель-железных композиций. Положительные электроды кадмиевых батарей изготовлены из соединения гидрата закиси никеля и графитового порошка с добавлением окиси бария.

Отрицательные пластины выполнены из чистого кадмия/железа или гидрата закиси кадмия/железа. В состав щелочного электролита (на основе гидроксида калия) введен гидроксид лития, способствующий повышению емкости и улучшению разрядных характеристик.

Активная масса на катоде и аноде нанесена на стальную сетку, что позволяет увеличить площадь вещества, принимающего участие в электрохимической реакции. В полость банок залит жидкий электролит.

Устройство щелочного аккумулятора

В устройство щелочного аккумулятора дискового типа входят анодная и катодная пластины, разделенные пластиковым сепаратором. В состав электролита введены специальные загустители, способствующие удержанию раствора в полостях сепаратора.

В отличие от кислотных батарей, щелочные элементы допускают перезарядку. Стандартный алгоритм восстановления емкости занимает 6 часов. После длительного хранения в разряженном состоянии или эксплуатации в цепях с пониженным энергопотреблением производится интенсивная зарядка, длящаяся до 12 часов.

При падении силы тока в цепи зарядки ниже нормативного значения рабочие характеристики щелочных элементов питания ухудшаются.

Химические процессы

Во время работы батареи протекает обратимая химическая реакция взаимодействия материалов катода и анода с ионами электролита. В результате положительные пластины покрываются слоем нестехиометрического гидрата закиси никеля, а на отрицательных электродах формируется гидрат окиси кадмия. Во внешней цепи образуется разница потенциалов, составляющая 1,45 В (рабочее напряжение 1,2 В).

При подаче напряжения от зарядного блока реакция происходит в обратном направлении — гидрат закиси никеля преобразуется в гидроокись никеля, а на отрицательной пластине восстанавливается кадмий. Вещества, используемые в батарее, не вступают в реакции между собой.

Также отсутствует растворение материалов в электролите, что способствует поддержанию химического состава и плотности рабочей жидкости. Стабильность плотности электролита повышает устойчивость оборудования к воздействию низких температур.

Аккумулятор никель-кадмиевый KL-55

В процессе работы батареи происходит разложение воды, входящей в состав электролита. Для восстановления используются циклы рекомбинации, дополненные периодической доливкой воды (по мере снижения уровня жидкости в банках).

Едкий калий или натрий активно поглощает углекислый газ, находящийся в атмосферном воздухе. В результате происходит карбонизация и снижение электропроводных характеристик раствора. Для восстановления параметров выполняется периодическая замена жидкости, химических способов регенерации не существует.

Замена электролита

После слива отработавшего раствора полости промываются дистиллированной водой или раствором щелочи. Для удаления остатков загрязнений корпус аккумулятора встряхивается. Использовать механические приспособления для удаления грязи запрещается.

Свежий раствор с необходимой плотностью заливается непосредственно после промывки. Батарея выдерживается на протяжении 2-3 часов, рабочая жидкость заполняет пустоты между положительными и отрицательными пластинами.

Затем проверяется плотность раствора и осуществляется зарядка, для корректировки состава электролита используется дистиллированная вода. Не допускается хранение или эксплуатация щелочной аккумуляторной батареи с оголенными торцами пластин и вывернутыми пробками.

Преимущества и недостатки

Как и любой источник питания, щелочные АКБ обладают преимуществами и недостатками, определяющими сферы применения изделий. Материалы анода и катода обладают повышенной электрической проводимостью, что позволяет повышать ток в цепи разрядки/зарядки выше номинального значения без риска разрушения активной массы.

Щелочные аккумуляторные батареи обладают ресурсом до 3 тыс. циклов (в 2 раза выше, чем у свинцово-кислотных АКБ).

Конструкция допускает кратковременное короткое замыкание, губительное для кислотных батарей.

Схема аккумулятора

Дополнительным плюсом щелочных элементов является повышенная механическая прочность элементов конструкции, лишенных пластичного свинца. Пластины установлены в специальных стальных рамках.

Для изготовления корпусов используется лист из углеродистой стали, дополнительно защищающий детали от повреждений.

Меньший вес элементов конструкции обеспечивает повышение удельных энергетических характеристик.

Недостатки щелочных источников тока:

При подключении к зарядному блоку частично разряженного аккумулятора наблюдается снижение емкости («эффект памяти»). Процесс является обратимым, при проведении тренировочных циклов емкость восстанавливается до исходных параметров. В основе процесса лежит способность гидроксида никеля образовывать разные модификации вещества.
Обратимость процесса снижения емкости имеет одновременно и плюсы, и минусы. После восстановления гидроксид никеля обладает повышенной активностью, что приводит к ускорению процессов саморазряда. Восстановленный кадмиевый аккумулятор теряет за 1 час до 10% емкости. Но в процессе нормальной эксплуатации эффект исчезает.
Разброс напряжения элементов, установленных в банке. Для обеспечения равномерной емкости необходимо использовать специальные зарядные устройства.
Повышенный расход электроэнергии при зарядке, КПД составляет не более 55%.
Необходимость периодического обслуживания с заменой электролита, для выполнения работ требуется квалифицированный персонал. Увеличенный объем работ ограничивает использование щелочных батарей для автомобиля.

Сфера применения

Щелочные источники постоянного тока используются в электронных приборах вместо базовых гальванических элементов. Из-за сниженного внутреннего сопротивления обеспечиваются стабильные рабочие характеристики и уменьшается вероятность перегрева источника питания.

Батареи применяются для обеспечения электроэнергией тяговых электродвигателей, установленных на складской технике.

Щелочные аккумуляторы применяются на складской технике

Аналогичные устройства встречаются в конструкции вспомогательных приводов, установленных на электрическом городском транспорте (трамваи или троллейбусы).

Источники питания щелочного типа применяются для привода электрических двигателей строительного инструмента (малогабаритные дрели, шуруповерты).

Аккумуляторная дрель

Из-за постоянного ужесточения экологических требований происходит вытеснение никель-кадмиевых аккумуляторов устройствами на основе лития.

Небольшие габариты кадмиевых аккумуляторов, способность работать при понижении температуры до -40°С и высокая энергоемкость предопределили распространение изделий в авиации (в качестве бортовых источников питания).

Щелочные автомобильные аккумуляторы ограниченно используются в качестве устройств для пуска и обеспечения работы силового агрегата. Традиционные свинцово-кислотные обладают пониженным внутренним сопротивлением, обеспечивая увеличенный ток холодной прокрутки. Никелевые элементы обладают «эффектом памяти», негативно влияющим на емкость устройства при нарушении условий разряда и заряда.

Малогабаритные батареи щелочного типа, имеющие корпуса цилиндрической конфигурации, используются в наручных часах и бытовой технике.

Щелочные аккумуляторы широко используются в быту

Дисковые батареи отличаются применением герметичного металлического кожуха, рабочий ток не превышает 10% емкости (для снижения газообразования).

Правила эксплуатации

Основные требования к эксплуатации перезаряжаемых источников постоянного тока щелочного типа:

При эксплуатации устройств учитывается характеристика кривой падения напряжения. После подачи нагрузки происходит постепенное снижение напряжения до 1,1 В. Дальнейшая разрядка батареи приводит к снижению ресурса и разрушению активной массы на электродных пластинах.
Зарядка аккумуляторов выполняется с выкрученными пробками, при повышении температуры и давления происходит разрушение корпуса и металлических сеток электродных пластин.
Через каждые 10 дней эксплуатации производится визуальный осмотр корпуса изделия, затем проверяется и доводится до нормативного значения уровень электролита. В конструкции пробок предусмотрены дренажные каналы, предназначенные для сброса давления газов. Каналы прочищаются, одновременно проверяется состояние резиновых уплотнителей, потрескавшиеся элементы подлежат замене.
Через 100-125 рабочих циклов или через год эксплуатации производится замена электролита (с промывкой банок). Внешние поверхности корпуса очищаются от загрязнений, производится проверка затяжки креплений соединительных пластин. Для удаления следов коррозии на неокрашенных поверхностях используется ветошь, смоченная керосином.
Отработавшие аккумуляторные батареи с щелочным электролитом запрещено выбрасывать на свалки бытового мусора. Поскольку устройства имеют ограниченное распространение, их прием на утилизацию осуществляется специализированными организациями.

Правила хранения

Сухой щелочной аккумулятор хранится с закрученными пробками, срок складирования устройств не превышает 2 месяцев. Если устройство находилось в эксплуатации до 1 года, то перед длительным хранением необходимо снизить напряжение до 1 В и произвести слив электролита.

Слив электролита должен производиться путем откачивания

Затем проводятся дополнительные мероприятия по консервации и очистке корпуса от отложений солей, пробки плотно заворачиваются в отверстия банок, предотвращая циркуляцию воздуха. Аналогичные действия выполняются при длительной транспортировке изделий.

При хранении щелочных источников питания требуется соблюдать условия:

периодически проверять затяжку пробок и состояние резиновых уплотнительных колец;
удалять следы соли с поверхности корпуса;
металлический корпус источника питания очищается от следов коррозии и покрывается слоем защитной краски или лака.

Для защиты стального кожуха используется специальный лак черного цвета на битумной основе. Для предохранения защитного покрытия от повреждений щелочным раствором используются специальные реагенты.

Категорически запрещается складирование в одном помещении свинцово-кислотных и щелочных аккумуляторов.

Срок хранения изделий зависит от температурных условий в помещениях. Никель-кадмиевые источники со слитым электролитом допускается хранить в полевых условиях в течение полугода, при размещении изделий в закрытых помещениях срок увеличивается до 5 лет.

Никель-железные элементы допускается хранить на протяжении 3,5 года (только в помещении). Необходимо предусмотреть защиту складских мест от воздействия прямого солнечного излучения и атмосферных осадков.

устройство, принцип действия, достоинства и недостатки

Пример HTML-страницы

Своё название щелочные аккумуляторы получили от вида электролита, необходимого для их работы. Основными разновидностями электролита, используемыми в щелочных аккумуляторах, являются едкий калий (КОН) и едкий натрий (NaOH). При сравнении щелочных аккумуляторов с кислотными батареями, очевидно, что аккумуляторы, работающие на электролите, имеют некоторые преимущества. Однако недостатки у них также существуют. Особенности работы щелочных аккумуляторов делают их незаменимыми в некоторых производственных отраслях.

Содержание

Устройство щелочных аккумуляторов
Особенности эксплуатации щёлочных аккумуляторов
Применение щёлочных аккумуляторов, их достоинства и недостатки.

Устройство щелочных аккумуляторов

Среди аккумуляторов, работающих при помощи щелочного раствора (электролита), наиболее часто используются два их вида – никель-кадмиевый и никель-металлогидридный. В каждом них положительный электрод состоит из гидроокиси никеля (NiOOH), с добавками графита и окиси бария. Каждая из добавок улучшает качество работы аккумулятора. Графит увеличивает электропроводность электрода, а окись бария увеличивает срок работы аккумулятора.

Массы отрицательных электродов каждого вида щелочного аккумулятора имеют различный состав. У металлогидридного аккумулятора отрицательный электрод изготовлен из порошкообразного железа и его окислов. В основной состав отрицательного электрода входит также сернистое железо и сернокислый никель. Если батарея никель-кадмиевая, то отрицательный электрод состоит из смеси порошков железа и кадмия.

В качестве электролита преимущественно используют раствор едкого калия (20 %), в который добавлен моногидрат лития, увеличивающий срок эксплуатации щёлочного аккумулятора. Необходимое количество – 20-30 г/литр раствора.

Химические процессы, происходящие при работе щелочного аккумулятора

При использовании щелочного аккумулятора, то есть, при его разряде, гидроокись никеля положительного электрода вступает в реакцию с ионами электролита. Результатом данной реакции становится образование Ni(OH)2 — гидрата закиси никеля

Одновременно подобный процесс происходит на отрицательном электроде, только на нём образуются гидраты окисей кадмия и железа. Разность потенциалов, составляющая около 1,45 вольта, обеспечивается протеканием тока по контурам внешней и внутренней сети. Таков принцип работы щелочного аккумулятора.

При зарядке щелочного аккумулятора происходит обратный химический процесс – при воздействии тока положительные электроды окисляются, превращая гидрат закиси никеля в гидроокись никеля. Отрицательный электрод при этом восстанавливается, в его массе образуется кадмий и железо.

Главная особенность этих процессов в том, что вещества, образующиеся в процессе электрохимических реакций, в реакцию друг с другом не вступают. Они практически не растворяются в электролите. Благодаря такому поведению веществ расход электролита отсутствует, а его плотность не изменяется.

Особенности эксплуатации щёлочных аккумуляторов

Начиная с момента, когда аккумулятор начинает использоваться по назначению, то есть, к батарее подключается нагрузка, напряжение весьма быстро падает до 1,3 вольта, а затем продолжает снижаться уже медленно. В момент, когда оно уменьшается до 1 вольта, его работу необходимо останавливать.

Далее батарею эксплуатировать не следует, так как её использование при напряжении ниже 1 вольта, приводит к потере ёмкости аккумулятора. Уменьшится и срок его эксплуатации. Повседневный уход за щелочными аккумуляторами ничем не отличается от их кислотных аналогов. Необходима систематическая подзарядка и контроль уровня электролита.

Применение щёлочных аккумуляторов, их достоинства и недостатки.

Щёлочные аккумуляторы находят применение в устройствах систем аварийного электроснабжения, в оборудовании локомотивов и вагонов для пассажиров. Их используют в устройствах электропогрузчиков, электроинструментах и портативных электроинструментах. Телефоны и фотоаппараты также оборудуются щёлочными батареями. Правильно выбрать аккмуляторную батарею можно, протитав статью на нашем сайте.

Основными достоинствами батарей данной конструкции считают:

— Длительный срок службы;

— Небольшой вес;

— Небольшой саморазряд.

Существенным минусом щелочных аккумуляторов является небольшой КПД – всего 55%. Наличие эффекта памяти, приводящего к потере ёмкости.

Щелочная батарея

: преимущества и недостатки оксид цинка и магния, а также использует щелочной электролит на основе гидроксида калия для выработки электрического тока.

В настоящее время щелочные батареи являются наиболее популярным типом одноразовых батарей на рынке. Они используются в небольших электронных устройствах, таких как часы и пульты дистанционного управления, а также в портативных радиоприемниках и игрушках с батарейным питанием. Тем не менее, хотя щелочная батарея является основной батареей, изначально предназначенной для утилизации после однократного использования, современные технологии батарей позволили разработать перезаряжаемые варианты.

Принцип работы щелочных батарей

Все батареи работают одинаково. Помните, что у них есть отрицательный электрод или анод и положительный электрод или катод. В щелочной батарее анодом является цинк, а катодом — оксид магния. Современные щелочные батареи также содержат углерод в катодной смеси. Понимание химической реакции оксида цинка и магния необходимо для понимания того, как работает щелочная батарея.

Химические реакции протекают в аноде и катоде из-за их индивидуального взаимодействия с ионами щелочного раствора электролита гидроксида калия.

В цинковом аноде взаимодействие с ионами гидроксида калия вызывает накопление избыточных электронов. Это явление приводит к электрической разнице между анодом и катодом. Более того, из-за накопления электронов в цинковом аноде у них будет естественная тенденция перемещаться куда-то еще.

В щелочной батарее эти избыточные электроны должны двигаться в катоде из оксида магния. Это невозможно по умолчанию, потому что нет прямой связи между анодом и магниевым катодом.

Чтобы позволить избыточным электронам двигаться, необходимо создать замкнутую цепь, в частности, поместив щелочную батарею в устройство. Движение электронов от анода к катоду по замкнутой цепи создает электрический ток. Так щелочные батареи питают электронные устройства.

Также важно отметить, что катод из оксида магния может получать избыточные или свободные электроны из-за его взаимодействия с ионами из раствора щелочного электролита гидроксида калия. Если быть точным, то ионы реакции из электролита реагируют со свободными электронами с образованием соединений.

Достоинства щелочных батарей

1. Более высокая плотность энергии

Одним из заметных преимуществ щелочных батарей является их более высокая плотность энергии. Его плотность энергии вдвое выше, чем у первичных или одноразовых батарей, таких как элементы Лекланше и цинк-угольные батареи, и в четыре раза больше емкости эквивалентных никель-кадмиевых или никель-металлогидридных батарей. Следовательно, он может обеспечивать или производить ту же энергию, но при этом работать дольше, чем другие батареи.

2. Увеличенный срок службы

По сравнению с батареями хлоридного типа, такими как литий-тионилхлорид или Li-SOCl2, щелочные батареи имеют более длительный срок службы, когда они не используются. Они могут работать до семи лет в нерабочем состоянии и терять около 5 процентов заряда в год. Они также остаются пригодными для использования даже при низких температурах окружающей среды. Скорость утечки также ниже, чем у батарей Leclanché.

3. Безопаснее и меньше рисков

Еще одним преимуществом щелочных батарей является относительная безопасность. По сравнению с батареями на кислотной или свинцовой основе современные щелочные батареи имеют меньшее воздействие на здоровье и окружающую среду, поскольку они пригодны для вторичной переработки и не требуют специальных методов утилизации из-за отсутствия ртути и других тяжелых металлов.

Минусы: Ограничения и недостатки щелочной батареи

1. Более объемный форм-фактор

Больший форм-фактор с учетом плотности энергии является существенным недостатком щелочной батареи, особенно по сравнению с литий-ионной батареей. . Это ограничивает применение в бытовых электронных устройствах, таких как портативные компьютеры и смартфоны, в которых минимальные размеры являются критически важными преимуществами.

2. Высокое внутреннее сопротивление

Высокое внутреннее сопротивление приводит к накоплению тепла и падению напряжения. Обратите внимание, что сопротивление определяет время работы батареи. Высокое внутреннее сопротивление снижает выходную мощность батареи. Это еще один недостаток щелочной батареи.

3. Утечки и повреждения

Все батареи протекают при неправильном обращении. В случае с этими батареями утечка возникает в результате перезарядки одноразовых вариантов, смешивания разных типов батарей в одном устройстве, саморазряда и оставления их внутри неиспользуемого устройства. Обратите внимание, что щелочные батареи могут протечь или взорваться из-за внутреннего давления, вызванного скоплением газа в результате саморазряда. Утечка химических веществ вызывает коррозию и, таким образом, может повредить устройство и вызвать незначительное раздражение кожи.

Почему вы должны использовать щелочные батареи в своем приложении?

Несмотря на то, что развитие технологий происходит быстро, а аккумуляторы более популярны для поддержки мобильных устройств, следует отметить, что фактический химический состав аккумуляторов не сильно изменился за последние несколько лет. Сдвиг в портативных устройствах связан с перезаряжаемыми решениями с большей энергией и меньшим весом, которые нацелены на химию лития.

Однако спрос на щелочные батареи по-прежнему велик, поскольку они обеспечивают более высокий разряд, очень экономичны и имеют длительный срок хранения. Мы по-прежнему производим некоторые уникальные блоки щелочных батарей, которые используются в коммерческих и военных целях. Некоторые для сбора данных об океане, устройств слежения и других различных целей.

Щелочная батарея представляет собой тип первичной батареи с сухими элементами, в которой используется химическая реакция оксида цинка и магния и щелочного электролита гидроксида калия для выработки электрического тока. В настоящее время это самый популярный тип одноразовых батарей на рынке. Другие распространенные приложения включают небольшие электронные устройства, такие как часы и фонарики, а также портативные радиоприемники и электронные игрушки.

Использование щелочных батарей в вашем приложении

Обратите внимание, что щелочная батарея является основной. Предназначен для утилизации при однократном использовании. Однако производители придумали специально разработанные аккумуляторные элементы для производства перезаряжаемых щелочных батарей.

Как работает щелочь?

Помните, что у аккумуляторов есть отрицательный электрод, или катод, и положительный электрод, или анод. В щелочной батарее анодом является цинк, а катодом — оксид магния. Современные щелочные батареи также содержат углерод в катодной смеси. Понимание химической реакции оксида цинка и магния необходимо для понимания того, как работает щелочная батарея.

Химические реакции протекают в аноде и катоде из-за их индивидуального взаимодействия с ионами из раствора щелочного электролита гидроксида калия.

В цинковом аноде взаимодействие с ионами гидроксида калия вызывает накопление избыточного электрона. Это накопление приводит к электрической разнице между анодом и катодом. Кроме того, из-за накопления электронов в цинковом аноде у них будет естественная тенденция перемещаться в другое место. В щелочной батарее эти избыточные электроны должны перемещаться по катоду из оксида магния. Это невозможно по умолчанию, потому что нет прямой связи между анодом и магниевым катодом.

Также важно отметить, что катод из оксида магния способен принимать избыточные или свободные электроны за счет его взаимодействия с ионами щелочного электролита с раствором гидроксида калия. Если быть точным, то ионы реакции из электролита реагируют со свободными электронами с образованием соединений.

Преимущества

Одним из преимуществ щелочных батарей по сравнению с другими первичными батареями и перезаряжаемыми батареями является более высокая плотность энергии. Например, эта батарея имеет двойную плотность энергии по сравнению с ячейкой Лекланше и угольно-цинковыми батареями. Это позволяет батарее производить ту же энергию, но при этом работать дольше, чем другие батареи.

Перезаряжаемый вариант этой батареи также имеет емкость, в четыре раза превышающую емкость эквивалентных никель-кадмиевых или никель-металлогидридных батарей.

Долговечность – еще одно преимущество щелочных батарей. Он имеет более длительный срок хранения, чем батареи с электролитом хлоридного типа. Он может прослужить до семи лет без использования, теряя около пяти процентов своей энергии каждый год. Это означает, что он не может легко разрядиться, когда он не используется. Эта батарея также работает даже при очень низких температурах. Восприимчивость к утечке также ниже по сравнению с ячеистой батареей Лекланше.

Еще одним преимуществом щелочных батарей является безопасность. По сравнению с аналогами на кислотной и свинцовой основе эта батарея оказывает меньшее воздействие на окружающую среду. Не требует специальных методов утилизации. Соединения внутри щелочной батареи не представляют серьезных проблем со здоровьем, за исключением легкого раздражения.

Щелочные химические вещества производятся в моделях стандартного размера, что облегчает инженерам проектирование и доступ к ячейкам для проверки доказательств концепций и бета-версий прототипов. Щелочные батареи могут быть подключены последовательно для создания высоковольтных блоков и могут быть сконфигурированы во многих вариантах для удовлетворения многих типов требований.

Щелочные батареи состоят в основном из обычных металлов, таких как сталь, цинк и марганец, и не представляют опасности для здоровья или окружающей среды при нормальном использовании или утилизации. С начала 19Ртуть 90-х годов была удалена из химического состава, поэтому их можно безопасно утилизировать с обычными бытовыми отходами везде, кроме Калифорнии.

В Вермонте закон 2016 года теперь требует от производителей первичных аккумуляторов финансировать общегосударственную программу сбора и переработки. Несколько производителей элементов питания сотрудничают с Call2Recycle, некоммерческой программой по переработке аккумуляторов, чтобы управлять общегосударственной программой сбора и переработки бытовых аккумуляторов. Вы также найдете несколько магазинов товаров для дома по всей стране, которые также предлагают бесплатную утилизацию

Блок щелочных батарей также является хорошим кандидатом на заливку, которую мы делаем для нескольких пользовательских приложений. Поскольку это первичная химия, не требуется выполнять зарядку/циклирование, чтобы элементы не подвергались типичному нагреву, изменениям внутренней температуры или потенциальному выделению газа, которые наблюдаются в перезаряжаемой батарее.

Недостатки

По сравнению с другими батареями щелочные батареи имеют некоторые недостатки. Например, по сравнению с ионно-литиевой батареей щелочная батарея более объемная и тяжелая. Обратите внимание, что литий-ионные аккумуляторы имеют более высокую плотность энергии.

Еще одним недостатком щелочных батарей является высокое внутреннее сопротивление. Помните, что внутреннее сопротивление служит привратником для определения времени работы. Высокое внутреннее сопротивление снижает выходную мощность батареи.

Утечка также возможна в щелочных батареях, хотя элементы Лекланше и угольно-цинковые батареи более чувствительны. При длительном хранении в устройствах батарея может протечь, а просочившиеся материалы могут вызвать коррозию цепей.