Аккумулятор

Аккумулятор (от лат. accumulator — накопитель) — это устройство, предназначенное для накопления энергии с целью её последующего использования. В технике и быту под аккумулятором чаще всего понимают электрический аккумулятор — химический источник тока многоразового действия, который способен запасать электрическую энергию в процессе заряда и отдавать её во внешнюю цепь в процессе разряда. В отличие от гальванических элементов (первичных источников тока), аккумуляторы допускают многократное восстановление работоспособности за счёт протекания обратимых химических реакций.

История

Первые прототипы электрических аккумуляторов появились в XIX веке. В 1803 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер создал «вторичный элемент» — устройство, которое можно было заряжать от внешнего источника тока. Однако практическое применение аккумуляторов началось с изобретения французского физика Гастона Планте в 1859 году. Он создал свинцово-кислотный аккумулятор, состоящий из двух свинцовых пластин, погружённых в раствор серной кислоты. Это изобретение стало основой для всех последующих разработок в области аккумуляторных батарей.

В 1881 году французский инженер Камиль Фор улучшил конструкцию, покрыв свинцовые пластины оксидом свинца, что значительно повысило ёмкость и срок службы. В 1899 году шведский учёный Вальдемар Юнгнер предложил никель-кадмиевый аккумулятор, который отличался большей надёжностью и меньшим саморазрядом по сравнению со свинцово-кислотными аналогами.

В XX веке развитие аккумуляторов шло по пути увеличения энергоёмкости и снижения массы. В 1950-х годах появились никель-металлогидридные аккумуляторы, а в 1991 году компания Sony (Япония) выпустила первый коммерческий литий-ионный аккумулятор, который произвёл революцию в портативной электронике. В XXI веке активно развиваются литий-полимерные, натрий-ионные и твёрдотельные аккумуляторы.

Классификация

Аккумуляторы классифицируются по нескольким признакам.

По типу электрохимической системы

Свинцово-кислотные (Pb-H₂SO₄) — наиболее распространённый тип, используемый в автомобилях, источниках бесперебойного питания и системах аварийного освещения. Отличаются низкой стоимостью, но высокой массой и ограниченным сроком службы.
Никель-кадмиевые (Ni-Cd) — устойчивы к перегрузкам, работают при низких температурах, но содержат токсичный кадмий. В настоящее время вытесняются более экологичными аналогами.
Никель-металлогидридные (Ni-MH) — имеют большую ёмкость по сравнению с Ni-Cd и не содержат кадмия. Широко применяются в бытовой электронике и гибридных автомобилях.
Литий-ионные (Li-ion) — обладают высокой энергоёмкостью, малым саморазрядом и отсутствием эффекта памяти. Используются в смартфонах, ноутбуках, электромобилях и портативном инструменте.
Литий-полимерные (Li-Pol) — разновидность литий-ионных, в которой электролит находится в гелеобразном состоянии. Позволяют создавать аккумуляторы произвольной формы.
Натрий-ионные (Na-ion) — перспективный тип, разрабатываемый как альтернатива литий-ионным из-за большей доступности натрия. Находятся на стадии коммерциализации.
Твёрдотельные — в качестве электролита используется твёрдый материал (керамика, полимер). Теоретически обладают повышенной безопасностью и энергоёмкостью.

По назначению

Стартерные — для запуска двигателей внутреннего сгорания (автомобильные аккумуляторы).
Тяговые — для электромобилей, погрузчиков, электротранспорта.
Стационарные — для систем резервного питания, телекоммуникаций, солнечных электростанций.
Портативные — для мобильных устройств, инструментов, фотоаппаратов.

По конструкции

Открытые — требуют долива дистиллированной воды (свинцово-кислотные).
Закрытые (герметичные) — не требуют обслуживания, могут работать в любом положении (Ni-MH, Li-ion).

Устройство и принцип работы

Основными компонентами электрического аккумулятора являются:

Положительный электрод (катод) — окислитель, принимающий электроны в процессе разряда.
Отрицательный электрод (анод) — восстановитель, отдающий электроны.
Электролит — среда, обеспечивающая перенос ионов между электродами.
Сепаратор — пористая перегородка, предотвращающая короткое замыкание электродов, но пропускающая ионы.
Корпус — герметичный контейнер, защищающий внутренние компоненты.

Принцип работы основан на обратимых электрохимических реакциях. При заряде под действием внешнего напряжения происходит восстановление активного вещества на отрицательном электроде и окисление на положительном. При разряде процесс идёт в обратном направлении — химическая энергия преобразуется в электрическую. Например, в литий-ионном аккумуляторе ионы лития перемещаются от катода к аноду при заряде и обратно при разряде.

Характеристики

Основные параметры аккумуляторов:

Номинальное напряжение — среднее напряжение при разряде (например, 1,2 В для Ni-MH, 3,6–3,7 В для Li-ion).
Ёмкость — количество электричества, которое может отдать аккумулятор, измеряется в ампер-часах (А·ч) или миллиампер-часах (мА·ч).
Энергоёмкость — количество энергии на единицу массы (Вт·ч/кг) или объёма (Вт·ч/л).
Срок службы — количество циклов заряда-разряда до снижения ёмкости до 80 % от номинальной.
Саморазряд — потеря заряда при хранении без нагрузки (выражается в процентах в месяц).
Внутреннее сопротивление — влияет на максимальный ток разряда и КПД.
Рабочий диапазон температур — пределы, в которых аккумулятор сохраняет работоспособность.

Применение

Аккумуляторы используются практически во всех сферах, где требуется автономное электропитание:

Транспорт — автомобильные стартерные батареи, тяговые батареи электромобилей (Tesla, Nissan Leaf, российский «Москвич 3е»), аккумуляторы для электробусов и электросамокатов.
Бытовая электроника — смартфоны, ноутбуки, планшеты, фотоаппараты, беспроводные наушники.
Промышленность — источники бесперебойного питания (ИБП) для серверов, систем связи, медицинского оборудования.
Энергетика — накопители энергии для солнечных и ветровых электростанций, сглаживание пиковых нагрузок в электросетях.
Военная и космическая техника — аккумуляторы для подводных лодок, спутников, беспилотных летательных аппаратов.
Инструмент — шуруповёрты, дрели, болгарки (на Ni-Cd и Li-ion).

Эксплуатация и безопасность

Правильная эксплуатация аккумуляторов продлевает их срок службы и предотвращает аварии. Основные правила:

Не допускать глубокого разряда (особенно для Li-ion) — это может привести к необратимой деградации.
Использовать зарядные устройства, соответствующие типу аккумулятора.
Избегать перегрева (выше 45–60 °C для большинства типов) и переохлаждения (ниже 0 °C для Li-ion).
Хранить аккумуляторы при частичном заряде (40–60 %) в прохладном месте.
Не допускать короткого замыкания и механических повреждений корпуса.

Литий-ионные аккумуляторы могут воспламеняться при нарушении герметичности или перегреве из-за внутреннего короткого замыкания. В России и других странах действуют правила перевозки и утилизации аккумуляторов, содержащих токсичные вещества (свинец, кадмий, литий).

Утилизация и переработка

Отработанные аккумуляторы относятся к опасным отходам. В России действует Федеральный закон «Об отходах производства и потребления», обязывающий производителей и импортёров обеспечивать утилизацию. Свинцово-кислотные аккумуляторы перерабатываются с извлечением свинца (до 95 %) и пластика. Литий-ионные аккумуляторы перерабатываются сложнее: из них извлекают кобальт, никель, литий и медь. В 2023 году в России запущены первые заводы по переработке литий-ионных батарей (например, в Московской области). Несанкционированная утилизация аккумуляторов (выброс в мусорные контейнеры) запрещена и влечёт административную ответственность.

Перспективы развития

Современные исследования направлены на создание аккумуляторов с более высокой энергоёмкостью, безопасностью и меньшей стоимостью. Основные направления:

Натрий-ионные аккумуляторы — дешёвая альтернатива литий-ионным, не требующая дефицитного лития. В 2023 году китайская компания CATL начала серийное производство таких батарей.
Твёрдотельные аккумуляторы — обещают увеличение энергоёмкости в 2–3 раза и отсутствие жидкого электролита, что снижает риск возгорания. Прототипы разрабатывают компании Toyota, Samsung и QuantumScape.
Литий-серные аккумуляторы — теоретическая энергоёмкость в 5 раз выше, чем у Li-ion, но пока не решена проблема быстрой деградации.
Гравитационные и механические накопители — не являются химическими аккумуляторами, но используются для хранения энергии в промышленных масштабах.

В России разработкой аккумуляторов занимаются в Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова, Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого и в научно-производственных объединениях, таких как «Литий-ионные технологии» (Саратов).

Источники

ГОСТ Р 53165-2008 «Аккумуляторы и батареи аккумуляторные. Термины и определения».
Лызлов Н. Ю. «Электрохимические источники тока». — М.: Издательство МГУ, 2015.
Справочник по электрохимическим системам / под ред. В. С. Багоцкого. — М.: Энергия, 1981.
Коровин Н. В. «Аккумуляторы». — М.: Химия, 1991.
Отчёты Международного энергетического агентства (IEA) по рынку аккумуляторов, 2022–2023.
Федеральный закон от 24.06.1998 № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» (с изменениями).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →