Начну я с аккумуляторов. На сегодняшний день чаще всего используются литий-ионные и никель-метал-гидридные (NiMH) аккумуляторы, но литий-ионные постепенно вытесняют NiMH по нескольким причинам. Во-первых, литий-ионные аккумуляторы более энергоёмкие. Это объясняется тем, что по сравнению с щёлочными электролитами NiMH, которые ограничивают напряжение ячейки в 1.2 V, электролиты литий-ионных аккумуляторов на основе карбонатов обеспечивают напряжение в 3V. А это означает меньшее количество ячеек, необходимых, чтобы достичь определённого напряжения, а также более компактные размеры, что для современных портативных электронных устройств просто необходимо. И, самое главное, по сравнению с NiMH, где используются сплавы с редкоземельными металлами, литий-ионные аккумуляторы содержат более дешёвые материалы.
Работа литий-ионных аккумуляторов выглядит следующим образом: ионы лития встраиваются в слоистый материал анода (чаще всего графит) или катода (оксиды переходных металлов) при зарядке и разрядке. Ёмкость определяется тем, сколько лития встроилось в электроды, и если ёмкость, как говорилось выше, у литий-ионных аккумуляторов хорошая, то с мощностью (это возможность аккумулятора быстро заряжаться и разряжаться на высоких токах, например, при разгоне и рекуперативном торможении в электромобилях) всё не так просто. Например, при слишком быстрой зарядке ионы лития не успевают встраиваться в кристаллы и образуют цепочки металлического лития (дендриты) на аноде, которы могут привести к короткому замыканию, особенно при низкой температуре. А слишком быстрая разрядке может разрушить кристалл катода и привести к преждевременному старению аккумулятора.
От чего же зависит мощность аккумулятора? Мощность аккумулятора зависит от нескольких параметров: проводимости электрода, состоящего из активного материала и добавок, скорости электрохимических процессов, проходящих в активных материалах, а также ионной проводимости электролита. Чтобы как-то улучшить мощность литий-ионных аккумуляторов, если подразумевается их использование на высоких токах, производители создают специальные, более тонкие электроды: они содержат меньше активного материала, но больше углеродных добавок. В результате повышается проводимость электрода, но, увы, уменьшая количество активного материала уменьшается и ёмкость. К тому же, даже если такая технология улучшает проводимость электродов, не стоит забывать и о других параметрах, влияющих на мощность, особенно медленное встраивание лития в кристаллы (диффузионныe затруднения), на которую данная технология никак не влияет.
Но тут нам на помощь приходят наноматериалы: для того, чтобы встроиться в нанокристалл, литию не надо продвигаться на большие расстояние, поэтому интеркаляция проходит гораздо быстрее.
Но увы, у наноматериалов также есть и недостатки, в частности, их повышенная химическая реактивность, которая уменьшает срок эксплуатации аккумулятора. В общем, пытаясь улучшить один из параметров аккумулятора, зачастую ухудшаются все остальные.
Но если аккумулятор всё-таки должен работать на очень высоких токах, при которых ни метод производства электродов, ни структуриривание активых материалов не помогают, на помощь приходит суперконденсатор. Суперконденсатор на первый взгляд напоминает аккумулятор: у него тоже есть два электрода, помещённых в электролит. Но это только на первый взгляд. На самом деле, энергию суперконденсатор хранит в виде слоя ионов, которые присоединяются к поверхности электродов (двойной электрический слой). Ёмкость таких устройств напрямую зависит от поверхности электрода, и в качестве активного материала зачастую используется активированный уголь. Так как, в отичии от литий-ионных аккумуляторов, в суперконденсаторах нет окислительно- восстановительных реакций и ионы не должны никуда встраиваться, зарядка и разрядка проходят намного быстрее, а сами устройства более долговечны.
Но почему же, имея такую замечательную мощность, суперконденсаторы не могут использоваться как самостоятельные источники питания вместо аккумуляторов? А дело тут в том, что процесс образования двойного электрического слоя гораздо менее энергоёмкий чем окислительно-восстановительные реакции, поэтому, несмотря на то, что энергию суперконденсаторы накапливают и отдают быстро, количество её очень мало по сравнению с аккумуляторами. К тому же, суперконденсаторы подвержены сильному саморазряду: если заряженный аккумулятор за месяц теряет несколько процентов от ёмкости, то суперконденсатор за это время может разрядиться полностью. Поэтому суперконденсаторы обычно используют совместно с энергоёмкими аккумуляторами и берут на себя роль источника питания исключительно при пиковых нагрузках.
Саморазряд- это постепенное падение напряжения в электрохимическим источнике питания если он отключен от сети. В литий-ионных аккумуляторах он связан с постепенным окислением электролита на катоде, в результате чего выделяются электроны, которые используются материалами катода чтобы встроить в свою структуру литий (процесс, происходящий во время разрядки). Так как окисляется электролит медленно, саморазряд тоже медленный. А вот точный механизм саморазряда суперконденсаторов пока неизвестен, но его связывают с ионами электролита, которые вступают в окислительно-восстановительные реакции на поверхности электродов.
В конце стоит сказать, что существуют также «псевдоёмкие» суперконденсаторы, которые также называют электрохимическими суперконденсаторами, в которых на поверхности активных материалов проходят более энергоёмкие окислительно- восстановаительные процессы, но ёмкость таких устройств всё равно ниже, чем у аккумуляторов, и они также страдают от сильного саморазряда.
Источники:
Linden’s Handbook of Batteries, Fourth Edition
IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol. 24, N° 2, 2009
J. Electrochem.Soc., Vol. 145, N° 10, 1998
B. E. Conway, Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications, 1999
Комментарии (47)
xtala
05.10.2016 22:42О, помню время когда у меня был кассетный плеер и я все время трясся по поводу заряда пальчиковых батареек (даже алакалиновых по моему тогда не было, обычные щелочные или солевые?). 15 лет каких-то прошло и где те батарейки?)) А если в каких мобильных приборах и есть, то энергопотребление настолько мало, что можно его в принципе не замечать. Помню еще фонарики были с маленькими лампочками накаливания на 3.5в (вроде?), тоже постоянно приходилось думать о заряде. А авиамодели на электромоторах вообще были фантастикой. Все таки я немного завидую нынешней молодежи, столько возможностей для технического творчества появилось в связи с появлением литий-йонных компактных аккумуляторов.
Zwerg
05.10.2016 23:15+4«Алкалиновые батарейки» это гнусное изобретение маркетолухов, которые поленились перевести Alkaline на русский. Если бы они это сделали, то вы бы узнали что алкалиновые батарейки переводятся как щелочные. А «обычные» батарейки — кислотные.
25080205
05.10.2016 23:20+2Батарейки никуда не делись — и точно так же продаются на кассе почти любого магазина. И солевые, и щелочные («алкалиновые» это то же самое, но слово дернуто с другого языка).
Фонарики на лампах накаливания — да… помним, скорбим… :-)
Лампочек выпускалось множество! Уточните, пишу по памяти — 2.5, 3.5, 6.3, 13.5. И на токи разные… А еще были в ходу батарейки, которых сейчас нет. Не C-size даже, хотя и их сейчас поди найди, а совсем советские, еще поменьше, но толстенькие. Вот такие — https://meshok.net/pics/29058906.jpg. КБС еще встречается, но тоже редкость.
stalinets
06.10.2016 00:39+1Если б появились ионисторы, близкие по цене, ёмкости и массо-габаритным характеристикам с литием, произошёл бы бум в сфере электротранспорта: велосипеды и электромобили с эффективной рекуперацией, зарядка за минуту (а не часы), меньше чувствительность к жаре и морозу и т.д.
ittakir
06.10.2016 08:42+2Зарядка за минуту — это ОЧЕНЬ большие токи. При очень больших токах очень большие потери на нагрев.
Просто посчитайте, сколько энергии в 30 литрах бензина (типичная заправка на 1000 руб). Примерно 900 МДж.
За минуту мощность потока такой энергии составляет 15 МВт! Вы представляете, что такое 15 МВт, подведенных к маленькому автомобилю?
kenny5660
06.10.2016 13:06А если еще при этом сравнить кпд элктродвигателя и двс? Я думаю вам придется пересчитать
icCE
06.10.2016 13:09еще можно учесть тот факт, что мы не умеем накаплвать электроэнергию нормально и всякие ГЭС, АЭС итд работают просто так. Те вырабатываем мощность одну, а потребление разное.
xtala
06.10.2016 12:09+1Не надо изобретать велосипеды. Надо следовать принципу KISS. Все решается автоматизированной заменой батареи на заряженную, на станциях роботизированного обслуживания. Там же могли бы и проверять автоматом состояние батареи и не принимать на обслуживание при значительном износе или просить доплату.
idiv
09.10.2016 13:31Все решается автоматизированной заменой батареи на заряженную, на станциях роботизированного обслуживания.
Проект в Израиле обанкротился. Компания Тесла построила всего одну станцию и дальше не расширяется (здесь, ИМХО, они сами виноваты). Потому что-то с этой идеей не то, не работает она.
ittakir
06.10.2016 05:35+3Кстати, вполне сносные ионисторы можно сделать своими руками. Ютубьте «supercapacitor diy» и конечно же журнал Юный техник, года эдак 90го.
sirocco
06.10.2016 08:11А существуют ли преобразователи\стабилизаторы разработанные под ионисторы? Чтоб на выходе было 3,3, например, при очень низком входном, от 0,5V, может даже ниже… и до 6V? А то всё что встречается начинает работать от 1,1V.
ittakir
06.10.2016 08:34+2Гуглите «low voltage step up»
Например, такая интересная штука, позволяет запитаться от 20mV (термопара)!
http://www.linear.com/product/LTC3108
chersanya
06.10.2016 09:03+2А так ли это нужно? Ведь при напряжении 1 В конденсатор имеет всего 1/36 часть энергии от полного заряда (если он на 6 В), так что может быть этим проще пожертвовать.
IgorRJ
06.10.2016 08:11+2а) вот как-то я привык к тому, что высоким бывает напряжение, а ток — большим.
б) прогресс в «аккумуляторостроении», конечно, есть. Но какой-то вялый. Берия и шарашки нам помогут? (Если кто не понял — это, типа, шутка)
LadyN
06.10.2016 14:17Увы, пока не будет найдена работающая альтернатива стандартному электролиту, никаких революционных аккумуляторов ожидать не стоит
ExtenZ
06.10.2016 08:11Если про батарейки времени СССР, то забыли про Крону и тех на 4,5В
Aquarius-Michael
06.10.2016 11:57Имеете в виду трёхбаночные батареи? Ну они и сейчас продаются. А банки конструктивно схожи с обычными батареями, насколько я помню.
25080205
06.10.2016 12:03Крона живее всех живых, причем относительно подешевели аккумуляторы в ее формате.
4.5 — даже не знаю, как называется сейчас, «плоская» или КБС ее называли. Они живы и продаются, правда, как и все малопопулярное, по неадекватной цене.
Помэрли вот эти вот нестандартные бочкообразные батарейки, которые были очень популярны — настолько, что уже в советское время выпускались переходники с них на другие типы. Еще один тип батареек вспомнил, похожие на AA, но потолще — но они не были так популярны. Естественно, некоторое количество специальных батарей — в популярный дозиметр, в подсветку сетки прицела и т.п. — сейчас их нет, но есть переходники (полу)кустарного производства, которые решают проблему приведения раритета в чувство.icCE
06.10.2016 13:07Да все оно используется и выпускается.
Это у нас они как то померли.
Крона — это PP3 -9
Плоская 4,5 — это 3R12
и тд.
Да продажи с них не большие, но они вполне себе выпускаются для приемников например.
Переходники не дают в сумме той же емкости.ExtenZ
06.10.2016 16:32«Крона — это PP3 -9
Плоская 4,5 — это 3R12 „
Вот именно такие, у нас в радиоклубе таскали по 3-4 в мес.
Вот смотрю на плоские повербанки от Xiaomi — 10400 mAh, больше на 50% но и емкость ой-ойicCE
06.10.2016 19:31>Вот смотрю на плоские повербанки от Xiaomi — 10400 mAh, больше на 50% но и емкость ой-ой
ну и как мне ваши плоские повербанки сунуть в старый приемник?
Второй момент, зарядку переделовать в схемах то же наверно предложите?
Собсвенно и не в старых используются эти элементы, так как стандарты.
Сейчас из стандартов емкое это 10800.avost
07.10.2016 15:29>ну и как мне ваши плоские повербанки сунуть в старый приемник?
засунуть одну 14500. Будет не 4.5, а 3.7, но, скорее всего, и этого хватит. А ёмкость даже побольше будет.
>Второй момент, зарядку переделовать в схемах то же наверно предложите?
Как-к-кую, ик, зарядку? Зарядку солевых КБС-ок? Вы шутите! :)
Вообще, в оставшееся место зарядка влезет с запасом. Хоть усбишная, хоть и сетевая.icCE
07.10.2016 16:03>Как-к-кую, ик, зарядку? Зарядку солевых КБС-ок? Вы шутите! :)
Вы не поверите, там стоят АКК :)avost
07.10.2016 16:38Чего-то я не понял, сначала было про КБС, а потом «там» оказались акк? Тогда вообще какие проблемы — три штуки ААА акк всё решают. Чтобы не болтались — обернуть поролоном.
icCE
07.10.2016 18:52Акк — КБС Карл!
avost
07.10.2016 20:18Акк — КБС что, Гретхен?
КБС — солевые батарейки.icCE
07.10.2016 20:36КБС -я называю формат, а не саму батарейку. Можно обозвать Планета, итд.
Правильно назвать вообще 3R12.
Аккамулятор в том формате — 2СГ-10.
Но это все фигня и решается переходником, но есть переходники с D на AA, так вот емкости там заметно меньше.
Тепреь надеюсь вопрос исчерпан.
Cedric
06.10.2016 09:45Сам использую в качестве помощника при низких температурах, шесть ионисторов 2.7 В 500f с Али, без аккумулятора крутят стартер без нагрузки 7 сек. под нагрузкой, мотор тоже запускают.Сейчас пользую их вместе с аккумулятором, проблем с запуском в мороз без подогрева нет. Хотел летом поездить без аккумулятора, но постоянно забываю свет выключать по окончании поездки.
Wolframium13
06.10.2016 11:57Поставьте реле на автоматическое включение света, я с аккумом езжу и то поставил, чтоб лишний раз не дёргаться.
tUUtiKKi13
06.10.2016 18:42А ссылку на конденсатор на Али не кинете?
Cedric
06.10.2016 19:31Лови https://www.aliexpress.com/snapshot/305819432.html?orderId=60597870302672 этот поставщик прислал все отличные.
А этот пару бракованых, правда без вопросов дослал ещё, но и они оказались не очень https://www.aliexpress.com/snapshot/7574861429.html?orderId=74599050662672
Ezhyg
06.10.2016 10:16+1кстати, тоже ответ на вопрос в заголовке
Электрическая ёмкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. В теории электрических цепей ёмкостью называют взаимную ёмкость между двумя проводниками; параметр ёмкостного элемента электрической схемы, представленного в виде двухполюсника. Такая ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда к разности потенциалов между этими проводниками.
Не следует путать электрическую ёмкость и электрохимическую ёмкость батареек и аккумуляторов, которая имеет другую природу и измеряется в других единицах: ампер-часах, соразмерных электрическому заряду (1 ампер-час равен 3600 кулонам).
pesp
06.10.2016 11:57Сам использую в качестве помощника при низких температурах, шесть ионисторов 2.7 В 500f с Али, без аккумулятора крутят стартер без нагрузки 7 сек. под нагрузкой, мотор тоже запускают.Сейчас пользую их вместе с аккумулятором, проблем с запуском в мороз без подогрева нет. Хотел летом поездить без аккумулятора, но постоянно забываю свет выключать по окончании поездки.
Посчитал энергоемкость таких конденсаторов — 1882 Дж. Это примерно половина емкости NiMH аккумулятора ААА. Очень не плохой результат. Правда эту энергию конденсатор отдаст разрядившись до 0, что в практически неудобно.
killik
07.10.2016 16:18«Это объясняется тем, что по сравнению с щёлочными электролитами NiMH, которые ограничивают напряжение ячейки в 1.2 V, электролиты литий-ионных аккумуляторов на основе карбонатов обеспечивают напряжение в 3V» — разве напряжение ячейки не зависит исключительно от материала электродов, согласно электрохимическому ряду напряжений?
LadyN
07.10.2016 16:32Электролит должен быть устойчив к окислению на катоде и восстановлению на аноде. Этим ограничивается диапазон напряжений, в которых электролит работает. Если потенциал электрода выходит за рамки этих границ, электролит разлагается.
25080205
Я захотел сделать «буфер» секунд на 30 для маломощной нагрузки… Зашел в ближайший радиогубитекльский магазин и без всякой задней мысли прошу суперконденсаторы… мычание. Вспоминаю, что по-советски они назывались «ионисторы» — смотрят, как на дебила. А может вы имеете в виду «варисторы»? Выпадаю в осадок.
Ладно, еду в крупный магазин одной известной сети — ну да, там хотя бы знают, что такие есть… Но в наличии — нет, заказывать по каталогу, в котором тоже полтора наименования… Не оставил идею, но отложил — детальки едут из Китая…
Ezhyg
Надо было ехать в автотовары, вот уж где точно они есть. Хотя у нас в радиомагазинах есть и ионисторы, но такие крупные, как авто — только под заказ.
25080205
А в автотоварах-то они откуда? Звуковые — так там, по-добру, как раз не ионисторы, а нормальные электролиты должны стоять, большенькие такие, бо задача — отдавать пиковые значения тока при ударе сабвуфером по ушам, ионистор для этого не предназначен (аналогичной емкости — не отдаст нужный ток, с аналогичным током — будет запредельной цены и избыточной емкости). И вообще аудиофильство это :-)
Мне не надо было особо крупных, на 2-3Ф было бы достаточно… Ну раз из Китая — заказал на 5Ф — вдруг там фарады тоже китайские. И вольтаж нечестный, придется делать цепочку длиннее…
avost
Аудиофильские и есть. Проблема с током «решается» именно (пере) избыточным зарядом (и такой же ценой). Зато сразу на 12 (или сколько они 16?) вольт. А стандартные ионисторы из магазина раньше на 2.5в были, сейчас может по другим технологиям более высоковольтные ячейки — давно не смотрел.
Meklon
В автотоварах они для высокой мощности при холодном пуске. Параллельно аккумулятору ставят в цепь.
25080205
Не видел вживую, редкость это, а так прикольно — обязательно себе поставил бы… если бы не цены.
Аудиофильский же конденсатор обязан быть конденсатором, иначе ТЛЗ запомоится! :-)
Они такими и остались, напряжение 2.7 — т.е. для автомобиля надо набирать последовательно 6-7-8 штучек, в зависимости от оптимизма-реализма-паранойи. Вот нигде не видел, как они взрываются при перенапряжении — энергии заметно больше, чем в электролите, а уже он взрывается достаточно эффектно.
kotomyava
Взрывается он вне зависимости от запасённой энергии — он тупо выкипает от разогрева. =)
Сила взрыва, при этом, определяется размером и прочностью оболочки.
YegorVin
Тогда не стоит забывать что при подключении последовательно емкость цепочки будет падать.
black_semargl
Ёмкость падать, а запасённая энергия расти — потому как она пропорциональна произведению ёмкости на квадрат напряжения.