Щелочные аккумуляторы – обзор

01.12.2022 11:31:58

Аккумуляторы щелочного типа широко распространены в различных сферах народного хозяйства. свое название данные устройства получили благодаря используемому в них типу электролита. В частности речь идет о едком калии и едком натрии. Щелочные тяговые аккумуляторы устанавливаются в качестве источника энергии на такие машины, как:

• городской электротранспорт (троллейбусы, трамваи)
• погрузочная техника (погрузчики, штабелеры)
• системы автономного и резервного электропитания
• шахтные агрегаты - дрезины, комбайны
• спецтехника
• локомотивы поездов
• железнодорожные пассажирские вагоны

Принцип действия щелочных аккумуляторов

Не все щелочные аккумуляторы одинаковы. Основная классификация выглядит так

никель-железные (никель-металлогидридные) и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы.

• Никель-железная аккумуляторная батарея - это специальный железный сосуд, внутри которого размещены положительные и отрицательные пластины, представляющие собой коробки, составленные из плоских перфорированных лент. Внутри лент - активная масса. В таких батареях положительные пластины имеет следующий состав - гидроксид никеля и графита, отрицательные – изготовлены из железного порошка. Процессуальная суть разряда и заряда аналогична данным процессам у свинцовых батарей. А именно - в ходе заряда на положительно заряженной пластине низшие оксиды никеля притягиваются к более высоким, а на отрицательной - образуется железо. В то же время разряд характеризуется следующими процессами: на положительно заряженной пластине высшие оксиды притягиваются к низшим, на отрицательной - железо становится оксидом. Важно понимать, что в АКБ щелочного типа (в отличие от АКБ свинцового типа) электролит сохраняет свою плотность и состав в пластинах. Чаще всего такие устройства используются в качестве тяговых батарей, а также АКБ для ЖД транспорта. Среди особенностей стоит отметить очень высокий эксплуатационный ресурс (до трех тысяч циклов), а также более доступную цену на фоне никель-кадмиевых моделей АКБ.

• Никель-кадмиевая аккумуляторная батарея во много похожа на описанную выше никель-железную. В частности производители используют аналогичные активные материалы для пластин с положительным зарядом. Также аналогичен состав электролита и конструкционный принцип. Но есть и существенное отличие.  У никель-кадмиевых АКБ пластины с отрицательным зарядом заполнены специальной смесью губчатого кадмия с губчатым железом (такой состав способствует повышению мелкозернистости кадмия). В процессе заряда и разряда такой аккумуляторной батареи кислород перемещается из активного материала одной пластины в активный материал другой. Как это выглядит? Когда идет заряд активная масса на положительных пластинах подвергается окислению, а гидрат закиси никеля превращается с гидрат окиси никеля, одновременно с этим восстанавливается активная масса отрицательных пластин (напомним, что в ее состав входят закись железа и кадмия). Если речь идет о разряде, то все процессы происходят в обратной последовательности и направлении.

Никель-кадмиевые аккумуляторы отличаются значительно более высокой отдачей, чем никель-железные модели АКБ. Также стоит отметить, что у таких устройств гораздо ниже внутреннее сопротивление, чувствительность к температуре, а еще - меньший эффект саморазряда. Даже при высоком значении тока устройство не нагревается. Повышение температуры корпуса возможно только после полной зарядки устройства. Наиболее частая сфера применения - судовые и железнодорожные устройства.

ЭДС, или электродвижущая сила, заряженной щелочной АКБ составляет примерно 134-138В. Когда в нормальном режиме происходит разряд напряжение батареи составляет порядка 125В, при окончании разряда данный показатель снижается до 1В, а во время заряда поднимается до 175В. Важный момент - емкость батареи зависит от разрядного тока - снижается при увеличении. Также емкость АКБ напрямую зависит от температуры электролита. В частности, если электролит охлаждается, емкость снижается, и наоборот. Несмотря на эту корреляцию, стоит учитывать, что если электролит нагревается до температуры 45 градусов, емкость резко падает.

Внутреннее сопротивление щелочных батарей выше, чем у свинцовых. Это объясняется меньшей проводимостью электролита и активных веществ. При этом отдача по энергии и емкости ниже, чем у свинцовых. данный показатель не превышает 65-70% по ампер-часам. При этом потери выходят главным образом из-за высокого внутреннего сопротивления, разложения воды электролита и образования во время разряда распадающихся в последствии веществ. Показатель саморазряда в щелочных моделях незначителен.

Преимущества и недостатки АКБ щелочного типа

Плюсы:

• Устройство отличается длительным эксплуатационным ресурсом
• Показатели энергоемкости высокие
• Не боится глубокой разрядки
• Можно не использовать (не подключать к устройствам), при этом аккумулятор можно хранить в состоянии полного разряда без потери эксплуатационных качеств
• Не боится вибрационных и механических нагрузок

Минусы:

• Для обслуживания щелочных аккумуляторов требуется специально обученный специалист
• Химическая активность кадмия представляет опасность для окружающей среды
• Имеют эффект “памяти” (в эксплуатационном процессе это проявляется потерей емкости).

Щелочные аккумуляторы VS свинцовые

Преимущественным отличием щелочной батареи перед свинцовым является более высокий показатель механической и электрической прочности: устройство стабильно работает при токовых перегрузках, не боится перепадов, незавершенной до конца зарядки, глубокого разряда. Щелочная АКБ может длительное время (месяцы, годы) не использоваться, при этом оставаться в рабочем состоянии. Но есть в этом сравнении и недостатки, в частности они касаются коэффициента полезного действия батарей. КПД аккумулятора для щелочных – 0,6, а для свинцовых – 0,75.

Срок службы щелочных аккумуляторов и обслуживание

Щелочные аккумуляторы - это устройства с продолжительным рабочим ресурсом. Так, при должном уровне обслуживании и контроля состояния, АКБ рассчитана на четверть века эксплуатации, что в пересчете на циклы составляет порядка 4000 зарядок-разрядок. Обслуживание щелочного аккумулятора включает такие операции, как:

• регулярный визуальный контроль
• очистка
• диагностика состояния сопротивлений изоляции (между корпусом и пластинами устройства)

Важно: щелочные аккумуляторы требуют особого подхода к утилизации ввиду содержания химически активного компонента кадмия. Отработавшие батареи сдают на специальные перерабатывающие заводы, которые утилизируют их без риска загрязнения окружающей среды.

Щелочные батарейки - общие характеристики

Рассматривая тему щелочных аккумуляторных батарей, стоит коснуться “младшего брата” такого устройства - щелочной батарейки, о которой мир впервые услышал еще в 1959 году. Это оказалось настолько важным шагом в развитии аккумулирования энергии для бытовых нужд, что прототип щелочной батарейки помещен в 1999 году в Национальный музей США, рядом с первой лампочкой Эдисона. Активное развитие электроники в 80-х годах определило глобальный спрос на батарейки. Даже в начале 21 века это было наиболее широко используемое звено в портативных устройствах: кассетных и CD-плеерах, игровых приставках, игрушках с ДУ пультом, цифровых камерах и видеокамерах.

Щелочная батарея, также известная как элемент Zn / KOH / MnO, во многих отношениях превосходит конкурентов на основе цинка и углерода:

• Большая емкость и стабильность параметров при любой нагрузке
• Повышенная эффективность при работе при низких температурах
• Низкие показатели внутреннее сопротивление
• Более длительное время хранения
• Длительный эксплуатационный ресурс

Щелочные батареи являются одним из наиболее распространенных типов одноразовых первичных элементов на рынке (неперезаряжаемых). Они используются для питания многих устройств, которые мы используем каждый день. Эти батарейки часто покупают для телевизионных пультов, бритв, цифровых фотоаппаратов, детских игрушках и фонариках. Щелочные батареи по сравнению со стандартными батареями отличаются большей устойчивостью к температурным перепадам, более длительной работой и лучшими эксплуатационными характеристиками. Чем еще они отличаются от классических (цинково-углеродных) элементов питания? Щелочные батареи образуют соединение двух электродов — так называемые аноды (порошок цинка) и катоды (порошок оксида марганца) и электролит (гидроксид калия).

Строение батарейки щелочного типа

В цинковых и магниевых батарейках металл может выступать в качестве анода всей батареи. В щелочных элементах он изготовлен из мягкой стали и служит только резервуаром для других материалов. Катод расположен на внешней стороне батареи, в его состав входит: :

• оксид марганца (80% - 90%)
• угольная пыль (2% - 10%)
• гидроксид калия (7% - 10%)
• связующий материал (0% - 1%)
• Волшебным ингредиентом здесь является гидроксид калия, который действует как электролит. Все металлы в первой колонке периодической таблицы называются «щелочными». Гидроксиды щелочных металлов могут быть не такими взрывоопасными, как чистые металлы, но они все же являются очень химически активными соединениями.

Анод представляет собой смесь, взвешенную в специальном геле:

• цинковый порошок (60% - 70%)
• водный раствор гидроксида калия (25% - 35%)
• оксид цинка (0% - 2%)

Преимущества батареек щелочного типа

Почему такие элементы питания сохраняют высокую популярность? Аргументов много. Во-первых, щелочная батарейка служит во много раз дольше и имеет гораздо меньший риск протечки, чем ее традиционный аналог. Не менее важным плюсом щелочных элементов является их исключительная устойчивость к высоким и низким температурам. Благодаря этому, они используются во многих устройствах, не имеющих встроенных аккумуляторов. Ввиду устойчивости к температурным перепадам щелочные батарейки незаменимы в устройствах, которые эксплуатируются в сложных условиях, например, в светильниках, украшающих балконы и сады, а также светодиодных свечах. Обратите внимание, что щелочные батарейки предназначены только для одноразового использования. Они не являются перезаряжаемымии. Поэтому, когда их ресурс исчерпан, необходимо правильно и безопасно их утилизировать (по аналогии с щелочными аккумуляторами).

Если у вас есть вопросы по выбору щелочного аккумулятора или его конкретного типа, вы можете обратиться к
экспертам компании АКБ Мастер. Мы подберем подходящую модель для определенных машин - для погрузчика или локомотива,
предоставим консультацию по эксплуатации.