zinc-manganese dioxide battery -- батарея
марганцево-цинковых элементов
zinc-mercury-oxide battery -- оксидртутно-цинковый элемент
zinc-nickel battery -- батарея никель-цинковых
аккумуляторов
zinc-silver-chloride primary battery --
хлоридсеребряно-цинковый первичный элемент
ВВЕДЕНИЕ
Химические источники тока (ХИТ) в течении многих лет
прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает
внимание на отличия используемых ХИТ. Для него это батарейки и
аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как
карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили.
Чаще всего, различают батарейки и аккумуляторы по внешнему
виду. Но существуют аккумуляторы, конструктивно выполненные
также как и батарейки. Например внешний вид аккумулятор КНГ-1Д
мало отличается от классических пальчиковых батареек R6C. И
наоборот. Аккумуляторы и батарейки дисковой конструкции внешне
также неразличимы. Например аккумулятор Д-0,55 и кнопочный
ртутный элемент (батарейка) РЦ-82.
Для того, чтобы различать их потребителю необходимо
обращать внимание на маркировку, нанесенную на корпус ХИТ.
Маркировки, наносимые на корпуса батареек и аккумуляторов
описаны в главе 1 и 2 на рисунках и в таблицах. Это необходимо
для правильного выбора питающего элемента для вашего
устройства.
Появление переносной аудио, видео и другой более
энергоемкой аппаратуры потребовало увеличения энергоемкости
ХИТ, их надежности и долговечности.
В данной книге описываются технические характеристики и
способы выбора оптимального ХИТ, способы заряда,
восстановления, эксплуатации и продления срока использования
аккумуляторов и батареек.
Читателю следует обратить внимание на предостережения
относительно безопасности и утилизации ХИТ.
В том случае, когда потребляемая мощность относительно
велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные,
а также никель-железные и никель-кадмиевые. Они применяются в
портативных ЭВМ (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствах
связи, аварийном освещении и пр.
Автомобильные аккумуляторы занимают особое место в книге.
Приводятся схемы устройств для зарядки и восстановления
аккумуляторов, а также описываются новые, созданные по
технологии "dryfit", герметичные аккумуляторы, не требующие
ухода в течении 5...8 лет эксплуатации. Они не оказывают
вредного воздействия на людей и аппаратуру.
В последние годы такие аккумуляторы широко применяются в
резервных источниках питания ЭВМ и электромеханических
системах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок
и аварийного питания электроэнергией жизненно-важных систем.
В начале каждой главы приведен словарь специальных
английских терминов, которые используются в описаниях и при
маркировке батареек и аккумуляторов. В конце книги находится
сводный отрезной словарь терминов.
Основные характеристики ХИТ широкого спектра применения,
представляющих практический интерес, приведены в таблице В.1.
ГЛАВА 1
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА ОДНОРАЗОВОГО ДЕЙСТВИЯ
Гальванические источники тока одноразового действия
представляют собой унифицированный контейнер, в котором
находятся электролит, абсорбируемый активным материалом
сепаратора, и электроды (анод и катод), поэтому они называются
сухими элементами. Этот термин используется применительно ко
всем элементам, не содержащим жидкого электролита. К обычным
сухим элементам относятся углеродно-цинковые элементы или
элементы Лекланше [1].
Сухие элементы применяются при малых токах и прерывистых
режимах работы. Поэтому такие элементы широко используются в
телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др.
Поскольку спектр приборов, в которых используются сухие
элементы, весьма широк и, кроме того требуется их периодическая
замена, существуют нормы на их габариты [1]. Следует
подчеркнуть, что габариты элементов, приведенные в таблицах 1.1
и 1.2, выпускаемые различными изготовителями могут несколько
отличаться в части расположения выводов и других особенностей,
оговоренных в их спецификациях.
В процессе разряда напряжение сухих элементов падает от
номинального до напряжения отсечки (напряжение отсечки --
минимальное напряжение, при котором батарея способна отдавать
минимальную энергию), т.е. обычно от 1,2 В до 0,8 В/элемент в
зависимости от особенностей применения. В случае разряда при
подключении к элементу постоянного сопротивления после
замыкания цепи напряжение на его выводах резко уменьшается до
некоторой величины, несколько меньшей исходного напряжения.
Ток, протекающий при этом, называется начальным током разряда.
Функциональные возможности сухого элемента зависят от
потребления тока, напряжения отсечки и условий разряда.
Эффективность элемента повышается по мере уменьшения тока
разряда. Для сухих элементов непрерывный разряд за время меньше
24ч может быть отнесен к категории разряда с высокой скоростью.
Электрическая емкость сухого элемента оговаривается для
разряда через фиксированное сопротивление при заданном конечном
напряжении в часах в зависимости от начального разряда и
представляется графиком или таблицей. Целесообразно
использовать график или таблицу изготовителя для конкретной
батареи. Это обусловлено не только необходимостью учета
особенностей изделия, но и тем, что каждый изготовитель дает
свои рекомендации по наилучшему использованию его продукции. В
таблице 1.3 и таблице 1.5 представлены технические
характеристики гальванических элементов, наиболее
распространенных в последнее время на прилавках наших
магазинов.
Внутреннее сопротивление батареи может ограничивать
необходимый ток, например при использовании в фотовспышке.
Начальный стабильный ток, который может кратковременно давать
батарея, называется током вспышки. В обозначении типа элемента
присутствуют буквенные обозначения, которым соответствуют токи
вспышки и внутреннее сопротивление элемента, измеренные на
постоянном и переменном токе (таблица 1.4 [1]). Ток вспышки и
внутреннее сопротивление весьма сложны для измерений, причем
элементы могут иметь длительный срок хранения, но при этом ток
вспышки может уменьшаться.
1.1. ТИПЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Угольно-цинковые элементы
Угольно-цинковые элементы (марганец-цинковые) являются
самыми распространенными сухими элементами. В угольно-цинковых
элементах используется пассивный (угольный) коллектор тока в
контакте с анодом из двуокиси марганца (MnO2), электролит из
хлорида аммония и катодом из цинка. Электролит находится в
пастообразном состоянии или пропитывает пористую диафрагму.
Такой электролит мало подвижен и не растекается, поэтому
элементы называются сухими.
Номинальное напряжение угольно-цинкового элемента
составляет 1,5 В.
Сухие элементы могут иметь цилиндрическую, рис.1.1,
дисковую рис.1.2 и прямоугольную форму. Устройство
прямоугольных элементов аналогично дисковым. Цинковый анод
выполнен в виде цилиндрического стакана, одновременно
являющимся контейнером. Дисковые элементы состоят из цинковой
пластины, картонной диафрагмы, пропитанной раствором
электролита, и спрессованного слоя положительного электрода.
Дисковые элементы последовательно соединяют друг с другом,
полученную батарею изолируют и упаковывают в футляр.
Угольно-цинковые элементы "восстанавливаются" в течении
перерыва в работе. Это явление обусловлено постепенным
выравниванием локальных неоднородностей в композиции
электролита, возникающих в процессе разряда. В результате
периодического "отдыха" срок службы элемента продлевается.
На рис. 1.3 представлена трехмерная диаграмма,
показывающая увеличение продолжительности работы D-элемента при
использовании прерывистого режима работы в сравнении с
постоянным. Это следует учитывать при интенсивной эксплуатации
элементов (и использовать несколько комплектов для работы с
тем, чтобы один комплект имел достаточный период времени для
восстановления работоспособности. Например, при эксплуатации
плеера не рекомендуется использовать один комплект батареек
более двуo часов подряд. При смене двух комплектов
продолжительность работы элементов увеличивается в три раза.
Достоинством угольно-цинковых элементов является их
относительно низкая стоимость. К существенным недостаткам
следует отнести значительное снижение напряжения при разряде,
невысокую удельную мощность (5...10 Вт/кг) и малый срок
хранения.
Низкие температуры снижают эффективность использования
гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его
повышает. Влияние температуры на емкость гальванического
элемента показана на рис. 1.4. Повышение температуры вызывает
химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в
электролите, и высыхание электролита. Эти факторы удается
несколько компенсировать выдержкой батареи при повышенной
температуре и введением внутрь элемента, через предварительно
проделанное отверстие, солевого раствора.
Щелочные элементы
Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементах
используется анод из MnO2 и цинковый катод с разделенным
электролитом.
Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается
в применении щелочного электролита, в следствии чего
газовыделение при разряде фактически отсутствует, и их можно
выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их
применений.
Напряжение щелочных элементов примерно на 0,1 В меньше,
чем угольно-цинковых, при одинаковых условиях. Следовательно
эти элементы взаимозаменяемы.
Напряжение элементов с щелочным электролитом изменяется
значительно меньше, чем у элементов с солевым электролитом.
Элементы с щелочным электролитом также имеют более высокие
удельную энергию (65...90 Втч/кг), удельную мощность (100...150
кВтч/м3) и более длительный срок хранения.
Зарядка марганцево-цинковых элементов и батарей
Производится асимметричным переменным током. Заряжать
можно элементы с солевым или щелочным электролитом любой
концентрации, но не слишком разряженные и не имеющие
повреждений цинковых электродов. В пределах срока годности,
установленного для данного типа элемента или батареи, можно
производить многократное (6...8 раз) восстановление
работоспособности [2].
Зарядка сухих батарей и элементов производятся от
специального устройства, позволяющего получить зарядный ток
необходимой формы: при соотношении зарядной и разрядной
составляющей 10:1 и отношении длительности импульсов этих
составляющих 1:2. Это устройство позволяет заряжать батарейки
для часов и активизировать старые малогабаритные аккумуляторы.
При зарядке батареек для часов, зарядный ток не должен
превышать 2 мА. Время заряда не более 5 часов. Схема такого
устройства для зарядки батарей показана на рис. 1.5.
Здесь заряжаемая батарея включена через две параллельно
включенные цепочки диодов с резисторами. Асимметричный ток
заряда получается в следствии различия сопротивлений
резисторов. Окончание заряда определяется по прекращению роста
напряжения на батарее. Напряжение вторичной обмотки
трансформатора зарядного устройства выбирается так, чтобы
