выходное напряжение превышало номинальное напряжение элемента
на 50...60%.
Время заряда батарей с помощью описанного устройства
должно быть порядка 12...16 часов. Зарядная емкость должна быть
примерно на 50% больше номинальной емкости батареи.
Ртутные элементы
Ртутные элементы очень похожи на щелочные элементы. В них
используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка
цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой,
пропитанной 40% раствором щелочи.
Эти элементы имеют длительные сроки хранения и более
высокие емкости (при том же объеме). Напряжение ртутного
элемента примерно на 0,15 В ниже, чем у щелочного.
Ртутные элементы отличаются высокой удельной энергией
(90...120 Втч/кг, 300...400 кВтч/м3), стабильностью напряжения
и высокой механической прочностью.
Для малогабаритных приборов созданы модернизированные
элементы типов РЦ-31С, РЦ-33С и РЦ-55УС. Удельная энергия
элементов РЦ-31С и РЦ-55УС -- 600 кВтч/м3, элементов РЦ-33С --
700 кВтч/м3. Элементы РЦ-31С и РЦ-33С применяются для питания
ручных часов и другой аппаратуры. Элементы РЦ-55УС
предназначены для медицинской аппаратуры, в частности для
вживляемых медицинских приборов.
Элементы РЦ-31С и РЦ-33С работают 1,5 года при токах
соответственно 10 и 18 мкА, а элемент РЦ-55УС обеспечивает
работу вживляемых медицинских приборов в течении 5 лет. Как
следует из таблицы 1.6, номинальная емкость этих элементов не
соответствует их обозначению.
Ртутные элементы работоспособны в интервале температур от
0 до +50oС, имеются холодостойкие РЦ-83Х и РЦ-85У и
теплостойкие элементы РЦ-82Т и РЦ-84, которые способны работать
при температуре до +70oС. Имеются модификации элементов, в
которых вместо цинкового порошка (отрицательный электрод)
используются сплавы индия и титана.
Так как ртуть дефицитна и токсична, ртутные элементы не
следует выбрасывать после их полного использования. Они должны
поступать на вторичную переработку.
Серебряные элементы
Они имеют "серебряные" катоды из Ag2O и AgO. Напряжение у
них на 0,2 В выше, чем у угольно-цинковых при сопоставимых
условиях [1].
Литиевые элементы
В них применяются литиевые аноды, органический электролит
и катоды из различных материалов. Они обладают очень большими
сроками хранения, высокими плотностями энергии и работоспособны
в широком интервале температур, поскольку не содержат воды.
Так как литий обладает наивысшим отрицательным потенциалом
по отношению ко всем металлам, литиевые элементы
характеризуются наибольшим номинальным напряжением при
минимальных габаритах (рис. 1.6). Технические характеристики
литиевых гальванических элементов приведены в таблице 1.7.
В качестве растворителей в таких элементах обычно
используются органические соединения. Также растворителями
могут быть неорганические соединения, например, SOCl2, которые
одновременно являются реактивными веществами.
Ионная проводимость обеспечивается введением в
растворители солей, имеющих анионы больших размеров, например:
LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. Удельная электрическая проводимость
неводных растворов электролитов на 1...2 порядка ниже
проводимости водных. Кроме того, катодные процессы в них обычно
протекают медленно, поэтому в элементах с неводными
электролитами плотности тока невелики.
К недостаткам литиевых элементов следует отнести их
относительно высокую стоимость, обусловленную высокой ценой
лития, особыми требованиями к их производству (необходимость
инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Следует
также учитывать, что некоторые литиевые элементы при их
вскрытии взрывоопасны.
Такие элементы обычно выполняются в кнопочном исполнении с
напряжением 1,5 В и 3 В. Они успешно обеспечивают питанием
схемы с потреблением порядка 30 мкА в постоянном или 100 мкА в
прерывистом режимах. Литиевые элементы широко применяются в
резервных источниках питания схем памяти, измерительных
приборах и прочих высокотехнологичных системах.
1.2. БАТАРЕЙКИ ВЕДУЩИХ ФИРМ МИРА
В последние десятилетия возрос объем производства щелочных
аналогов элементов Лекланше, в том числе воздушно-цинковых (см.
таблицу В1).
Так, например в Европе производство щелочных
марганцево-цинковых элементов стало развиваться в 1980 г., а в
1983 г. оно достигло уже 15% общего выпуска [10].
Использование свободного электролита ограничивает
возможности применения автономных и в основном используется в
стационарных ХИТ. Поэтому многочисленные исследования
направлены на создание так называемых сухих элементов, или
элементов с загущенным электролитом, свободных от таких
элементов, как ртуть и кадмий, которые представляют серьезную
опасность для здоровья людей и окружающей среды.
Такая тенденция является следствием преимуществ щелочных
ХИТ в сравнении с классическими солевыми элементами:
существенное повышение разрядных плотностей тока за счет
применения пастированного анода;
повышение емкости ХИТ за счет возможности увеличения
закладки активных масс;
создание воздушно-цинковых композиций (элементы типа 6F22)
за счет большей активности существующих катодных материалов в
реакции электровосстановления дикислорода в щелочном
электролите [11].
Батарейки компании Duracell (США)
Фирма Duracell -- признанный лидер в мире по производству
щелочных гальванических источников одноразового действия.
История фирмы насчитывает более 40 лет.
Сама фирма расположена в Соединенных Штатах Америки. В
Европе ее заводы находятся в Бельгии. По мнению потребителей
как у нас, так и за рубежом по популярности, продолжительности
использования и соотношению цены и качества батарейки фирмы
Duracell занимают ведущее место.
Появление Duracell на рынке Украины привлекло внимание
наших потребителей.
Плотности разрядного тока в литиевых источниках не велики
(по сравнению с другими ХИТ), порядка 1 мА/см2 (см. стр.14).
При гарантированном сроке хранения 10 лет и разряде малым током
рационально использовать литиевые элементы Duracell в
высокотехнологичных системах.
Запатентованная в США технология EXRA-POWER с применением
двуокиси титана (TiO2) и других технологических особенностей
способствует повышению мощности и эффективности использования
марганцево-цинковых ХИТ фирмы Duracell.
Внутри стального корпуса щелочных элементов "Duracell"
расположен цилиндрический графитовый коллектор, в котором
находится пастообразный электролит в контакте с игольчатым
катодом.
Гарантированный срок хранения элементов 5 лет, и при этом
-- емкость элемента, указанная на упаковке, гарантируется в
конце срока хранения.
Технические характеристики ХИТ фирмы Duracell приведены в
таблице 1.8.
Батарейки концерна Varta (Германия)
Концерн Varta -- один из мировых лидеров по производству
ХИТ. 25 заводов концерна расположены в более чем 100 странах
мира и выпускают более 1000 наименований аккумуляторов и
батареек.
Основные производственные мощности занимает Департамент
стационарных промышленных аккумуляторов. Однако порядка 600
наименований гальванических элементов от батареек для часов до
герметичных аккумуляторов производятся на заводах концерна
Департаментом приборных батарей в США, Италии, Японии, Чехии и
т.д., при гарантии неизменного качества вне зависимости от
географического расположения завода. В фотографической камере
первого человека, ступившего на Луну, были установлены
батарейки концерна Varta.
Они достаточно хорошо известны нашим потребителям и
пользуются устойчивым спросом.
Технические характеристики ХИТ концерна Varta с указанием
отечественных аналогов приведены в таблице 1.9.
ГЛАВА 2
АККУМУЛЯТОРЫ
Аккумуляторы являются химическими источниками
электрической энергии многоразового действия. Они состоят из
двух электродов (положительного и отрицательного), электролита
и корпуса. Накопление энергии в аккумуляторе происходит при
протекании химической реакции окисления-восстановления
электродов. При разряде аккумулятора происходят обратные
процессы. Напряжение аккумулятора -- это разность потенциалов
между полюсами аккумулятора при фиксированной нагрузке.
Для получения достаточно больших значений напряжений или
заряда отдельные аккумуляторы соединяются между собой
последовательно или параллельно в батареи. Существует ряд
общепринятых напряжений для аккумуляторных батарей: 2; 4; 6;
12; 24 В.
Количество аккумуляторов, необходимое для укомплектования
батареи при последовательном соединении, определяется по
формуле:
N = Uп / Uа, где
N -- число аккумуляторных батарей,
Uп -- напряжение питания потребителя,
Uа -- напряжение одного полностью заряженного
аккумулятора.
Под отдаваемой емкостью следует понимать максимальное
количество электричества в кулонах (ампер часах) ( 1 Ач = 3600
Кл), которое аккумулятор отдает при разряде до выбранного
конечного напряжения. В условном обозначении типа аккумулятора
приводится номинальная емкость, т.е. емкость при нормальных
условиях разряда (при разряде номинальным током и, обычно, при
температуре 20oС).
Аккумуляторы следует выбирать по следующим параметрам:
коэффициент отдачи -- это отношение количества
электричества в кулонах (Ач)* [3], отданного аккумулятором при
полном разряде, к количеству электричества, полученному при
заряде;
коэффициент полезного действия аккумулятора -- это
отношение количества электричества, Кл (Ач)*, которое он отдает
потребителю, разряжаясь до установленного предела для
продолжения нормальной работы последнего, к количеству,
полученному им при заряде, Кл (Ач)*.
Значение коэффициента полезного действия всегда меньше
значения коэффициента отдачи.
При параллельном соединении аккумуляторов, т.е. при
соединении между собой положительных и отрицательных полюсов
всех элементов соответственно, можно составить батарею большой
емкости с напряжением, равным номинальному напряжению одного
аккумулятора и емкостью, равной сумме емкостей составляющих ее
аккумуляторов.
Для облегчения выбора соответствующего потребителю энергии
аккумулятора сравним некоторые характеристики.
Из табл. 2.1 [4] видно, что весовая удельная энергия
серебряно-цинковых аккумуляторов в значительно большей степени
зависит от температуры. Примерно так же зависит от температуры
объемная удельная энергия аккумуляторов.
Очень важной характеристикой аккумуляторов является
ориентировочная относительная стоимость 1 Втч энергии,
полученной от различных типов аккумуляторов одинаковой емкости.
Как видно из табл. 2.2 дороже всего обходится энергия,
получаемая от серебряно-цинковых и кадмиевых аккумуляторов, и
дешевле от свинцово-кислотных, принятых в данном случае за
единицу.
Характеристики наиболее распространенных типов
аккумуляторов приведены в табл. 2.3 [1].
При выборе аккумуляторной батареи необходимо
спрогнозировать режим работы, характер изменения нагрузки,
диапазон изменения силы тока и напряжения, температуру
окружающей среды и др.
Параметры наиболее распространенных типов аккумуляторов
приведены в табл. 2.4.
Ограничимся рассмотрением следующих аккумуляторов:
кислотных аккумуляторов, выполненных по традиционной
