Аккумулятор — накопитель электроэнергии¶

Аккумулятор (от лат. accumulator — «собирающий») — вторичный химический источник тока, устройство, способное накапливать электрическую энергию за счёт обратимых химических реакций и отдавать её в виде постоянного тока. В отличие от гальванических элементов (батареек), после разряда аккумулятор может многократно заряжаться от внешнего источника тока. Основные характеристики: ёмкость (А·ч), номинальное напряжение (В), удельная энергия (Вт·ч/кг), число циклов заряд-разряд.

¶Принцип работы

Заряд аккумулятора происходит при подаче на его клеммы внешнего напряжения, превышающего ЭДС элемента. Внутренние химические реакции, при разряде самопроизвольные, в процессе заряда идут в обратном направлении: активные вещества электродов восстанавливаются, электролит возвращается к исходному составу. При разряде химическая энергия преобразуется в электрическую, и ток течёт от положительного электрода (катода) к отрицательному (аноду) по внешней цепи.

Ключевые параметры:

• Ёмкость — количество электричества, которое аккумулятор может отдать при полном разряде, измеряется в ампер-часах (А·ч).
• Напряжение — определяется химической природой пары электродов и электролита.
• Удельная энергия — энергия, запасённая на единицу массы, определяет автономность устройства.
• Коэффициент полезного действия — у современных аккумуляторов достигает 80–95 %.
• Число циклов — ресурс, после которого ёмкость падает ниже 80 % от номинала.

¶Основные типы

¶Свинцово-кислотные

Самый старый и массовый тип, изобретённый в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Анод — свинец, катод — двуокись свинца, электролит — раствор серной кислоты. Напряжение одного элемента — 2,1 В; в автомобильных батареях шесть элементов соединяются последовательно, давая 12 В. Достоинства: низкая стоимость, высокий пусковой ток, ремонтопригодность. Недостатки: большая масса (удельная энергия 30–40 Вт·ч/кг), токсичность свинца. Применение: стартерные батареи автомобилей, ИБП, резервные источники питания.

¶Никель-кадмиевые (Ni-Cd)

Разработаны в конце XIX — начале XX века. Электроды: гидроокись никеля и кадмий, электролит — щелочной раствор. Напряжение элемента — 1,2 В. Отличаются высокой стойкостью к глубокому разряду и морозостойкостью, однако страдают от «эффекта памяти» — снижения ёмкости при регулярном неполном разряде. Кадмий токсичен, поэтому производство и утилизация Ni-Cd аккумуляторов во многих странах ограничены.

¶Никель-металлгидридные (Ni-MH)

Более экологичная замена Ni-Cd: вместо кадмия применяется водородсодержащий сплав редкоземельных металлов. Напряжение — 1,2 В, удельная энергия — 60–80 Вт·ч/кг. Широко применялись в гибридных автомобилях и потребительской электронике до массового вытеснения литий-ионными аккумуляторами.

¶Литий-ионные (Li-ion)

Наиболее распространённый современный тип, коммерциализирован в 1991 году компанией Sony. Принцип: перенос ионов лития между электродами — анодом из графита и катодом из оксидов металлов (LiCoO₂, LiFePO₄, LiNiMnCoO₂). Напряжение элемента — 3,6–3,7 В, удельная энергия — 150–260 Вт·ч/кг, что в 5–7 раз превышает показатель свинцово-кислотных батарей. Применение: смартфоны, ноутбуки, электромобили, накопители энергии. Основной недостаток — пожароопасность при повреждении или перезаряде вследствие разложения электролита.

¶Литий-полимерные (Li-Po)

Вариант литий-ионной технологии с твёрдым или гелеобразным полимерным электролитом. Позволяют изготавливать аккумуляторы толщиной менее 1 мм произвольной формы. Применяются в беспилотниках, радиоуправляемых моделях, тонких мобильных устройствах.

¶Твердотельные

Перспективный тип с твёрдым электролитом, лишённым жидких компонентов. Разрабатываются рядом российских и зарубежных лабораторий; обещают более высокую плотность энергии и полную безопасность, однако массовое производство пока не налажено.

¶Устройство и зарядка

Конструктивно аккумулятор состоит из корпуса, набора электродных пар (банок), электролита, клемм и системы вентиляции. Для управления процессом зарядки применяются специальные устройства — контроллеры, ограничивающие ток и напряжение, предотвращающие перезаряд и перегрев. Быстрая зарядка (fast charge) повышает ток, но сокращает ресурс; щадящий режим с малым током продлевает срок службы.

¶Применение

• Транспорт: стартерные батареи ДВС, тяговые батареи электромобилей и подвижного состава метрополитенов.
• Стационарные системы: источники бесперебойного питания, резервные батареи АТС и дата-центров, накопители солнечной и ветровой энергетики.
• Портативная техника: телефоны, ноутбуки, инструменты, фонари.
• Промышленность: электропогрузчики, штабелёры, аварийное освещение.

¶Экология и утилизация

Отработавшие аккумуляторы содержат тяжёлые металлы (свинец, кадмий, никель, кобальт) и агрессивные электролиты, поэтому подлежат обязательной переработке. В России действуют нормативы, обязывающие производителей и продавцов принимать старые батареи (система обратного сбора). Восстановление свинца из старых аккумуляторов экономически выгодно: доля вторичного металла в новых батареях достигает 60–80 %.

Источники:

• Большая российская энциклопедия: статьи «Аккумулятор», «Химические источники тока»
• ГОСТ Р 51691-2008 «Аккумуляторы тяговые низковольтные»
• Справочник «Химические источники тока» под ред. Г. А. Николаевой
• Учебник «Электротехника» под ред. В. Г. Герасимова