Акб устройство: Принцип работы и устройство аккумулятора

 Строение каждого аккумулятора состоит из 6 последовательно соединенных аккумуляторов, объединенных в едином корпусе. Сам корпус делают из пропилена, который является стойким к кислоте и абсолютно не проводит ток. Отдельный аккумулятор объединяет чередующиеся электроды со знаками плюс и минус, покрытые слоем активной массы. Пластмассовый сепаратор изолирует пластины противоположной полярности.

 Электроды производят из свинцового сплава. В нынешних аккумуляторных батареях электроды «+» и «-«производятся из свинцово-кальциевого сплава. У такого типа АКБ низкий уровень саморазряда, и самый небольшой расход воды (1 г/Ач). Это дает возможность совсем не добавлять воду за время использования – это необслуживаемый аккумулятор.

 Редко можно встретить более недорогую конструкцию, так называемую гибридную аккумуляторную батарею. В ней  электроды со знаком»+» свинцово-сурмяные, а со знаком «-» – свинцово-кальциевые. В таких акб расходуется воды в 1,5-2 раза больше кальциевой батареи, но им также не нужно обслуживание.

 Чтобы увеличить стойкость электродов не подвергаться ржавчине в свинцово-кальциевый сплав может добавляться серебро и олово.

 Электроды выглядят в виде решетки. Технологии производства  электродов с разными полюсами различны. Решетка отрицательных электродов по технологии Expanded metal изготавливается путем просечки свинцового листа со следующей растяжкой.

 При изготовлении положительных электродов могут применять несколько технологий. Самая лучшая технология Power Frame. Каждый электрод Power Frame имеет специальную опорную раму и внутренние жилки особой направленности, в итоге получается высокая жесткость и самое малое линейное расширение. Самые несложные электроды, произведенные по технологии Power Pass и Chess Plate.

 Электроды помещены в специальный электролит, в качестве которого применяют раствор серной кислоты. У электролита особую плотность, которая меняется в зависимости от того насколько заряжен АКБ. В зависимости от физического состояния электролита разделяют два вида акб: с жидким электролитом и с пропитавшим специальный материал электролитом. На сегодняшний день, самые известные аккумуляторы используют с жидким электролитом. Новые системы автомобиля, такие как система стоп-старт, система особого рекуперативного торможения, предъявляют самые высокие требования к аккумулятору- повышенный пусковой ток, стойкость к значительному разряду, значительный срок службы. Этим требованиям отвечают аккумуляторы AGM (Absorbed Glass Material), в которых электролит остается в  материале с микропорами. Материал способен впитывать электролит. Данная технология повышает эффективность активной массы за счет улучшенного поглощения кислоты.

 В будущем аккумуляторы типа AGM и EFB на 100% заменят свинцово-кальциевые батареи с жидким электролитом. На данный момент они считаются дорогими АКБ.

 Зарядка аккумулятора сопровождается газообразованием. Отвод газов от АКБ проводится через систему вентиляции. Центральная система вентиляции объединяет каждый отдельно взятый аккумулятор в составе батареи с атмосферой. Герметичной она считается из-за предохранительных клапанов. Клапан устанавливается в пробке акб и начинает работать при определенном лишним давлении. Система названа Valve Regulated Lead Acid Battery или VRLA батарея. Кислород и водород, которые образуются при заряде, не выходят с аккумулятора, а работают между собой с образованием воды. Выходят они только при значительном напряжении заряда.

 Подключение аккумулятора к электрической сети производится через два свинцовых вывода. Вывод «+» всегда толще «-«, что исключает ошибку при включении батареи. Полярность (расположение) выводов делят на прямой или обратный. При прямой полярности плюсовой вывод батареи можно найти слева, при обратной полярности справа.

 Автомобильные аккумуляторы оборудуются специальным индикатором заряженности батареи, некоторым «глазком». Плотность электролита можно оценить по цвету «глазка» («зеленый» –заряженная батарея, «черный» – неполный заряд, «желтый» – невысокий уровень электролита).

 На автомобиле АКБ прочно закрепляются через специальное крепление, которая предупреждает повреждения и разлив электролита. Крепление бывает верхним и нижним. Для батарей в основной части или багажнике автомобиля предусматривается особый аварийный размыкатель автомобильной батареи.

 АКБ и зарядное устройство для него можно купить в магазинах «Интерком», заказать товар с доставкой можно в нашем интернет магазине. Приезжайте в наши магазины, делайте заявки и получайте товары с заводской гарантией.

Устройство необслуживаемого аккумулятора автомобиля

Аккумуляторная батарея (АКБ) автомобиля представляет собой особо значимый элемент устройства машины. Он является источником тока, имеющего способность запасать энергию, нужную для работы электрических элементов транспортного средства.

Его функции отвечают за:

1. Запуск — подачу энергии стартеру, который отвечает за вращение двигателя при запуске.
2. Выработку тока для работы электронных систем в случае недостаточной мощности генератора.
3. Питание устройств при не заведенном автомобиле.

Характеристика необслуживаемого аккумулятора

Маркировка аккумулятора

Сегодняшний уровень технического развития дал возможность фирмам автопроизводителям использовать наиболее совершенные и качественные аккумуляторы — необслуживаемые аккумуляторные батареи.

Устройство необслуживаемого аккумулятора автомобиля имеет характерные особенности, дающие приятную возможность потребителям уделять данной батарее минимум внимания.

Стоит обозначить, что необслуживаемый аккумулятор – это современный источник энергии, который в своем устройстве не предполагает и не имеет специальных отверстий для доливания воды или электролита, корпус данных батарей полностью герметичен.

С момента разработки автомобильного аккумулятора прошло более 150 лет и его базовое устройство остается без изменений для любого типа АКБ по настоящее время. Главными элементами АКБ являются: кислота и свинцовые пластины.

Конструкция аккумуляторной батареи

Современные АКБ состоят из следующих основных элементов:

1. Пластины (гальванические элементы)
2. Сепараторы – прослойки
3. Полюсные выводы
4. Герметичный корпус (моноблок)
5. Крышка корпуса

Элементы аккумулятора

Пластины аккумулятора

В техническое устройство аккумуляторных батарей включены гальванические элементы (пластины) – химические источники электроэнергии. Их количество составляет 6 штук, они соединены друг с другом последовательно, при помощи перемычек. Один отрицательно заряженный вывод блока крепится к положительному выводу другого.

Гальванические элементы располагаются в отдельном корпусе, при этом они разделены перегородками. В своей совокупности аккумуляторы образуют батарею.

Гальванический элемент автомобильного аккумулятора относится к обратимым источникам химического тока – это означает, что цикл «заряд-разряд» можно повторять несколько раз. Он состоит из двух электродов (полублоков) разной полярности – свинцовых решетчатых пластин. Электроды располагаются в растворе серной кислоты (38 %) и дистиллированной воды. Их смесь является электролитом – веществом, способным проводить ток.

Сепараторы — прослойки

Между электродами, во избежание короткого замыкания, находится сепаратор – диэлектрическая прослойка. Сепаратор выполняет функцию изолятора, и не допускает соприкосновения электродов разной полярности, но при этом не нарушает электролитическую проводимость батареи.

Сепаратор изготовлен из пластмассы микропористой структуры, в виде конверта, надетого на гальванические элементы положительного заряда. Такой прием помогает активной массе с положительно заряженных пластин не оседать на дне моноблока и не соприкасаться с пластинами отрицательного заряда.

Разработка устройства сепаратора в форме конверта позволила фирмам производителям АКБ прийти к малообслуживаемым и необслуживаемым аккумуляторам.

Полюсные выводы

Полюсные выводы АКБ изготовлены из свинца. Их размер различается в зависимости от полярности вывода, так положительный является большим по отношению к отрицательному. Данная особенность не случайна и служит защитой от неправильного подключения элементов аккумуляторной батареи, что в свою очередь исключает потерю активных масс и помогает избежать сокращения работоспособности АКБ.

Герметичный корпус АКБ

Корпус аккумулятора (моноблок) прошел свою эволюцию от деревянного, покрытого изнутри листовым свинцом, далее – эбонита.

В 40-х гг. XX века появились первые корпуса из синтетических материалов. Современные АКБ состоят из синтетического полипропилена. К материалам моноблоков предъявляются большие требования относительно его долговечности и безопасности. Корпус рассчитан выдерживать постоянное соприкосновение химических составляющих, вибрацию и изменение температуры.

Крышка корпуса

Назначение крышки корпуса – плотное закрытие межэлементных соединений АКБ. У прежних аккумуляторов ячейками были резьбовые пробки, предназначенные для доливки электролита и отвода газа при эксплуатации аккумулятора. В конструкции необслуживаемого АКБ пробки не установлены вообще, либо плотно закрыты. Вывод газов предусмотрен при помощи центральной системы вентиляции.

Она состоит из двух частей и оборудована лабиринтом. При помощи лабиринта водяные пары образующиеся при зарядке АКБ конденсируются и стекают обратно в батарею. В крышку интегрированы центральный газоотвод и система защиты от воспламенения газов. Защита от воспламенения выполнена на выходе газоотвода из аккумулятора в виде небольшого круглого диска, она получила название — фритта. Принцип действия фритты заключён в свободном прохождении газа в атмосферу, но при воспламенении газа, препятствованию прорыву огня внутрь, чтобы не допустить взрыв аккумулятора.

Типы АКБ

Все автомобильные аккумуляторы как упоминалось ранее одинаковы по конструкции и наполнены электролитом, лишь незначительно отличаются друг от друга. Каждая модификация предназначена для достижения определённой цели в ущерб другим характеристикам.

АКБ с жидким электролитом

Представляют собой открытые системы, т.е. газ, выделяющийся при зарядке может выделяться в атмосферу. У него отличные эксплуатационные характеристики, большой срок хранения до 15 месяцев, но отсутствует защита от вытекания электролита.

АКБ Economy

Этот тип аккумулятора оптимален по стоимости и сроку службы, в нём применяется меньшее количество свинца. У него пониженная мощность холодного пуска двигателя и незначительно уменьшен срок службы (4 года или 80000 км). При этом более выгодная цена, меньшая масса и низкий ток саморазряда, который не увеличивается по мере старения батареи. Могут применяться в автомобилях с системой старт-стоп.

Усовершенствованная АКБ

Они имеют аббревиатуру EFB (Enhanced Flooded Battery) – усиленная АКБ с жидким электролитом. Конструктивно отличаются более толстой решёткой отрицательного электрода, обеспечивающей высокую стойкость к коррозии при нагрузке большим током, а также добавлением углерода в активную массу отрицательного электрода, что приводит к улучшенной способности к зарядке.

Обладает защитой от глубокого разряда и отличными эксплуатационными характеристиками, но отсутствует защита от вытекания электролита.

В его конструкции применяется пассивный перемешивающий элемент, он уменьшает расслоение электролита, т.е. образование слоёв с различной концентрацией серной кислоты, которая концентрируется в нижней части гальванических элементов, что приводит к недостаточной плотности электролита в верхней части. Это происходит при частом повторении процессов зарядки и разрядки.

АКБ AGM

Absorbent Glass Mat – стекловолокно, обладающее очень высокой впитывающей способностью. Ещё их называют рекомбинационными, применяются на автомобилях с системой старт-стоп и функцией рекуперации энергии. В таких аккумуляторах электролит адсорбирован стекловолоконным ковриком. Они представляют собой закрытую систему, т.е. все гальванические элементы изолированы от атмосферы клапанами.

Обладает защитой от вытекания, даже при повреждении корпуса батареи вероятность незначительна и составляет не более нескольких миллилитров. У них большой срок службы, отличные эксплуатационные характеристики и высокая надежность. Но, с другой стороны, обладает высокой стоимостью и более высокой чувствительностью к повышенной температуре.

Гелевые АКБ

Также существуют батареи с гелеобразным электролитом, он образуется путём добавления в него кремниевой кислоты. Представляют собой обычные свинцовые батареи. Они имеют очень малую вероятность потери электролита, высокую циклическую стойкость и сниженное газообразование. Их массовое распространение ограничивает ряд серьезных недостатков, таких как: ухудшенные пусковые свойства при низких температурах, высокая стоимость, непереносимость повышенных температур и связанная с нею непригодность к установке в подкапотном пространстве.

Устройства отключения АКБ

В схеме подключения аккумуляторной батареи для безопасности могут применяться пиропатроны или реле отключения, особенно если она располагается в салоне или в багажнике. Задача этих элементов отсоединить от батареи провод стартера и генератора в момент аварии, т.к. замыкание этих проводов может вызвать возгорание. Но электропитание бортовой сети сохраняется для обеспечения функций безопасности (аварийная сигнализация, освещение и др.)

Процессы заряда и разряда

Процесс заряда АКБ означает накопление аккумулятором электрической энергии. В исходе данного процесса электрическая энергия проходит преобразование в химическую.

Аккумуляторная батарея питается от генератора при заведенном двигателе автомобиля. Напряжение, которое вырабатывает стандартный заряженный аккумулятор во время работы, равно 12,65 В.

Процесс заряда можно описать, как переход сульфата свинца и воды, образованных при разряде АКБ в свинец, двуокись свинца и серную кислоту. При этом количество серной кислоты становится больше, плотность вещества электролита повышается.

В результате накапливается и восстанавливается химическая энергия, которая необходима в дальнейшем для выработки электроэнергии.

Процесс разряда АКБ характеризуется отдачей потребителям батареи электрической энергии. Идет обратный химический процесс – химическая энергия проходит преобразование в электрическую.

Аккумулятор подвергается процедуре разряда при наличии подключенного к нему потребителя электрического тока. В данном случае серная кислота распадается, соответственно, ее содержание в веществе электролита падает.

Протекающие химические реакции способствуют к образованию воды (Н2О). При повышенном уровне воды снижается плотность электролита.

Разряд аккумуляторной батареи приводит к появлению сульфата свинца. Такой эффект одинаков для положительного и отрицательного электродов.

Основные характеристики АКБ

Коэффициент преобразования энергии

Поступающая к батарее энергия во время заряда аккумулятора больше отдаваемой им при разряде. Превышение энергии «заряда» к энергии «разряда» основывается на необходимости покрытия затрат при протекании электрических и химических процессов.

Для полного заряда нужно 105–110 % энергии от количества расходованной ранее. Таким образом, коэффициент преобразования будет иметь значение от 1,05 до 1,10.

Емкость

Емкость АКБ пропорциональна выдаваемому ей количеству электрического тока. Единица измерения емкости—ампер-часы (А-ч).

На показатели емкости влияют разрядный ток и температура. Она имеет свойство снижаться при увеличении разрядного тока и падении температуры, в частности при значениях меньше 0 градусов.

Номинальное напряжение

Стандартное напряжение каждого элемента АКБ соответствует 2 В, а напряжение всей цепи батарей равно количеству гальванических элементов. Аккумулятор машины состоит из 6 батарей, что соответствует номинальной емкости в 12 В.

Ток холодной прокрутки

Данный показатель служит характеристикой пусковых возможностей аккумулятора при его эксплуатации в условиях низкой температуры. Этот параметр замеряется при –18 °С. Напряжение полностью заряженного АКБ не опускается ниже заданного в течение определенного количества времени. Уровень тока влияет на запуск двигателя автомобиля, так как чем выше величина тока в холодной прокрутке, тем легче двигатель будет запускаться в зимнее время года.

Напряжение

Напряжение, значение которого измерено между двумя полюсными выводами аккумулятора – напряжение на клеммах.

Напряжение газовыделения – параметр, при превышении которого в корпусе аккумулятора образуется вода. Это возникает при превышении напряжения всей батареи, максимально допустимое значение при этом 14,4 В.

Разложение воды приводит к образованию водорода и кислорода, которые в соединении образуют газ. Внимание — это взрывоопасно!

Напряжение покоя или напряжение холостого хода – состояние, когда нагрузки на выходах АКБ нет. Циклы заряда и разряда изменяют напряжение холостого хода. При восстановлении количества серной кислоты между гальваническими элементами напряжение холостого хода приходит к окончательному значению – напряжению покоя.

Какие типы аккумуляторов подходят для ваших IoT-устройств? | Saft аккумуляторы

Выбор подходящего аккумулятора для вашего смарт-устройства — непростая задача, которая зависит от многих параметров.

Батарея не только должна быть легкой и малогабаритной, чтобы соответствовать миниатюрным размерам, но и оставаться безопасной в течение длительного срока службы (благодаря хорошему удержанию заряда). Еще одним важным моментом для аккумулятора является способность работать в широком диапазоне температур (как для внутреннего, так и для наружного использования), обеспечивая при этом стабильное выходное напряжение на протяжении всего срока службы устройства.

Прежде чем углубляться в параметры, на которые следует обратить внимание, давайте вернемся к основам: какие батареи доступны нам и каковы их особенности?

Какие батареи доступны предпринимателям в области Интернета вещей и каковы их особенности?

Есть два типа батарей: одноразовые первичные и перезаряжаемые вторичные.

Оба генерируют электричество посредством электрохимических реакций между двумя полюсами, положительным (+) и отрицательным (-), а также благодаря электролиту (раствору).Используя различные материалы для полюсов и различный состав электролита, мы можем изготавливать огромное количество батарей с разными свойствами и напряжениями. Например, щелочные батареи широко распространены в магазинах и используются в потребительских товарах, литиевые батареи, воздушно-цинковые батареи, батареи из оксида серебра или смесь этих химических элементов являются примерами батарей, доступных на рынке.

Объекты, подключенные к беспроводной сети, требуют легких и компактных батарей с очень высокой плотностью энергии и высоким напряжением.По этой причине лучше всего подходят литиевые батареи.

Действительно, литиевые батареи обладают высокой производительностью и надежностью, имеют высокое напряжение благодаря использованию лития в качестве анода и выделяют количество энергии на единицу объема, которое может быть в десять раз больше, чем у цинкоксидных батарей. Его электролит не содержит воды, что позволяет использовать его при низких температурах, а некоторые продукты со специальными электролитами могут выдерживать высокие и даже очень высокие температуры.

бывают разных форм и размеров.

Литиевые батареи Saft для Интернета вещей

Результат более чем столетних исследований и инноваций в области накопления энергии, наша линейка миниатюрных литиевых батарей была специально разработана для приложений с подключенными объектами (IoT).

Мы предлагаем 3 основных линейки аккумуляторов для устройств IoT:

LS, LSH и LSP цилиндрические первичные литиевые элементы — 3,6 В

Линейки цилиндрических первичных литиевых элементов LS, LSH и LSP Saft основаны на химическом составе литий-тионилхлорида (Li-SOCl2), , который демонстрирует наивысшее номинальное напряжение среди химического состава первичных батарей (3.6 В).

LS, LSH и LSP также имеют наивысшую плотность энергии и могут восстанавливать ее до 20 лет. Они очень прочные и выдерживают очень высокие температуры и сильные вибрации.

Доступны два типа литий-тионилхлоридных элементов: катушечная и спиральная .

Бобинная конструкция серии LS делает эти ячейки особенно подходящими для применений, требующих очень низких постоянных или умеренных импульсных токов, таких как измерительные устройства или датчики парковки.

Их способность противостоять широким колебаниям давления, температуры (от — 60 ° C до + 150 ° C) и жестким механическим условиям делают ячейки LS идеальными для использования в удаленных местах и ​​экстремальных условиях, таких как трекеры . В сочетании с поддержкой импульсов, такой как конденсатор, суперконденсатор, EDLC (электрохимический двухслойный конденсатор) или гибридный конденсатор, они могут даже выдерживать более высокие импульсы и температуры и сочетать в себе «лучшее из обоих миров».

Вот почему Saft’s представила новую линейку первичных решений — LSP — которая сочетает в себе надежную технологию Li-SOCl2-элемента с низким саморазрядом и современный и тщательно подобранный LiC (литий-ионный конденсатор).

LiC, выбранный Saft, демонстрирует наименьшего саморазряда и ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) при большинстве температур и одно из наивысших измеренных значений емкости во время импульса, гарантируя, что диапазон LSP будет соответствовать сроку службы 10 лет и более требуется для нового поколения подключенных устройств . Короче говоря, линейка LSP предлагает лучший компромисс между способностью выдерживать импульс, диапазоном рабочих температур и стабильностью характеристик в течение всего срока службы .

Линия LSH имеет спиральную конструкцию. Ячейки предназначены для приложений, требующих очень высоких импульсов. Некоторые конкретные диапазоны могут работать при очень высоких температурах, например, в нефтегазовой сфере.

Цилиндрические первичные литиевые элементы LM / M — 3 В

Цилиндрические первичные литиевые элементы Saft LM / M основаны на химии лития-диоксида марганца (Li-MnO2) — 3V.

LM / M имеют спиральную внутреннюю конструкцию, как и ячейки LSH, но имеют более низкое номинальное напряжение, равное 3.0 В против 3,6 В. Если электронная конструкция приложения допускает напряжение отключения ниже 2,5 В, этот диапазон, вероятно, является одним из наиболее экономичных вариантов с хорошим компромиссом между энергией и мощностью. Серия LM / M оснащена спиральными электродами с большой площадью поверхности для максимальной импульсной способности по току и составом электролита для оптимальной работы при температуре от — 40 ° C до + 85 ° C.

Их хорошая импульсная способность делает их подходящими для интеллектуальных приборов учета, требующих высоких импульсов, а также для датчиков парковки и приложений для интеллектуального сельского хозяйства.

Среднепризматические аккумуляторные элементы MP и цилиндрические малые VL — 3,6 В — 3,75 В

Перезаряжаемые элементы Saft среднего призматического типа MP и цилиндрического малого VL основаны на нашей уникальной литий-ионной технологии. Эти батареи можно заряжать и использовать снова и снова после разряда, что делает их очень удобными для устройств, которые часто используются. Батареи Saft MP и VL могут похвастаться очень длительным сроком службы в суровых условиях, поскольку их можно заряжать и разряжать в широком диапазоне температур.Наши литий-ионные батареи оснащены особыми функциями безопасности — схемой электронной защиты, встроенным автоматическим выключателем на случай отказа зарядного устройства, отключающим сепаратором и предохранительным клапаном — что делает их более дорогими, чем большинство других батарей, но высокой количество циклов (до 2 800 раз с потерей всего 30% мощности) и низкие эксплуатационные расходы снижают стоимость цикла по сравнению со многими другими химическими процессами. Кроме того, индикаторы состояния заряда (SOC) и состояния здоровья (SOH) могут быть выбраны в качестве параметров для мониторинга вашего приложения.Литий-ионные технологии Saft обеспечивают уникальные характеристики в нерегулируемых наружных условиях или в экстремальных условиях, как горячих, так и холодных. Поэтому они идеально подходят для требовательных приложений в промышленных и критических средах.

Ниже приведена таблица диапазонов наших батарей и приложений, для которых они могут использоваться:

Итак… Короче говоря! Какая батарея подходит для моего IoT-приложения?

Как вы уже поняли, на этот вопрос нет простого ответа.

Вот параметры, которые необходимо учитывать при перечислении всех вариантов для вашего варианта использования:

• Номинальное напряжение и напряжение отключения вашей электроники : существуют разные технологии и химические составы, имеющие разное выходное напряжение. Вы должны выбрать тот, который будет гарантировать, что ваше устройство будет работать выше предельного напряжения на протяжении всего срока службы.
• Температура окружающей среды : Вам следует подумать о том, где будет развернуто ваше IoT-устройство, чтобы обеспечить оптимальное и непрерывное электроснабжение вашего объекта.
• Профиль потребления, максимальный импульсный ток и частота : Li-SOCl _{2 бобинная технология} более подходит для использования при ограниченных значениях импульса и для длительного срока службы, тогда как Li-SOCl ₂ спираль, Li-SOCl ₂ бобина + устройство поддержки импульсов и Li-MnO ₂ особенно подходят для приложений с высокими импульсами.

Все еще не знаете, как двигаться дальше со своим выбором? Почему бы вам не отправить профиль потребления вашего варианта использования нашим разработчикам приложений для получения персональной рекомендации?

— максимальная производительность — Apple

Общие советы по производительности

Обновите программное обеспечение до последней версии.

Apple часто включают передовые технологии энергосбережения, поэтому всегда убедитесь, что на вашем устройстве используется последняя версия iOS, macOS или watchOS.

Избегайте экстремальных температур окружающей среды.

Устройство разработано для работы в широком диапазоне температур окружающей среды, от 62 ° до 72 ° F (от 16 ° до 22 ° C) в качестве идеальной зоны комфорта. Особенно важно не подвергать устройство воздействию температуры окружающей среды выше 35 ° C (95 ° F), так как это может привести к необратимому повреждению емкости аккумулятора.То есть ваша батарея не будет питать ваше устройство до тех пор, пока не будет заряжаться. Зарядка устройства при высоких температурах окружающей среды может привести к его дальнейшему повреждению. Программное обеспечение может ограничить зарядку выше 80% при превышении рекомендованной температуры батареи. Даже хранение аккумулятора в горячей окружающей среде может необратимо повредить его. При использовании устройства в очень холодной среде вы можете заметить уменьшение срока службы батареи, но это временное состояние. Как только температура аккумулятора вернется в нормальный рабочий диапазон, его рабочие характеристики также вернутся в норму.

iPhone, iPad, iPod и Apple Watch Comfort Zone

Слишком холодно Комнатная температура Очень жарко, слишком жарко

лучше всего работают при температуре окружающей среды от 32 ° до 95 ° F (от 0 ° до 35 ° C). Температура хранения: от -4 ° до 113 ° F (от -20 ° до 45 ° C).

Зона комфорта MacBook

Слишком холодно Комнатная температура Очень жарко, слишком жарко

лучше всего работает при температуре окружающей среды от 50 ° до 95 ° F (от 10 ° до 35 ° C).Температура хранения: от -4 ° до 113 ° F (от -20 ° до 45 ° C).

Снимите некоторые футляры во время зарядки.

Зарядка устройства в чехлах определенных типов может привести к перегреву, что может повлиять на емкость аккумулятора. Если вы заметили, что ваше устройство нагревается при зарядке, сначала выньте его из футляра. Для моделей Apple Watch Edition убедитесь, что крышка магнитного зарядного футляра снята.

При длительном хранении храните его наполовину заряженным.

Если вы хотите хранить устройство в течение длительного времени, на общее состояние аккумулятора будут влиять два ключевых фактора: температура окружающей среды и процент заряда аккумулятора, когда он выключен для хранения. Поэтому мы рекомендуем:

• Не заряжайте и не разряжайте аккумулятор устройства полностью — зарядите его примерно до 50%. Если вы храните устройство, когда его батарея полностью разряжена, батарея может перейти в состояние глубокого разряда, что сделает его неспособным удерживать заряд.И наоборот, если вы храните его полностью заряженным в течение длительного периода времени, аккумулятор может потерять некоторую емкость, что приведет к сокращению срока службы аккумулятора.
• Выключите устройство, чтобы избежать дополнительной разрядки аккумулятора.
• Поместите устройство в прохладную, сухую среду с температурой ниже 90 ° F (32 ° C).
• Если вы планируете хранить устройство более шести месяцев, заряжайте его до 50% каждые шесть месяцев.

В зависимости от того, как долго вы храните свое устройство, оно может быть в состоянии низкого заряда батареи, когда вы извлекаете его из долгосрочного хранилища.После того, как он будет удален из хранилища, ему может потребоваться 20 минут зарядки с помощью оригинального адаптера, прежде чем вы сможете его использовать.

Новое носимое устройство превращает ваше тело в биологическую батарею

Термоэлектрический генератор в форме кольца. Предоставлено: Xiao Lab

Исследователи из CU Boulder разработали новое недорогое носимое устройство, которое превращает человеческое тело в биологический аккумулятор.

Устройство, описанное в журнале Science Advances , достаточно эластично, поэтому его можно носить как кольцо, браслет или любой другой аксессуар, который касается вашей кожи.Он также использует естественное тепло человека, используя термоэлектрические генераторы для преобразования внутренней температуры тела в электричество.

«В будущем мы хотим иметь возможность питать вашу носимую электронику без необходимости включать батарею», — сказал Цзянлян Сяо, старший автор новой статьи и доцент кафедры машиностроения Пола М. Рэди в CU. Боулдер.

Эта концепция может звучать как что-то из серии фильмов The Matrix , в которых раса роботов поработила людей, чтобы собрать их драгоценную органическую энергию.Сяо и его коллеги не столь амбициозны: их устройства могут генерировать около 1 вольт энергии на каждый квадратный сантиметр кожного пространства — меньшее напряжение на площадь, чем у большинства существующих батарей, но все же достаточно для питания электроники, такой как часы или фитнес-трекеры.

Ученые ранее экспериментировали с аналогичными термоэлектрическими носимыми устройствами, но устройство Xiao эластично, может самовосстанавливаться при повреждении и полностью пригодно для вторичной переработки, что делает его более чистой альтернативой традиционной электронике.

«Каждый раз, когда вы используете батарею, вы ее разряжаете, и, в конце концов, вам придется ее заменить», — сказал Сяо. «Наш термоэлектрический прибор хорош тем, что его можно носить, и он обеспечивает постоянную мощность».

Высокотехнологичные шорты

Проект — не первая попытка Сяо объединить человека и робота. Он и его коллеги ранее экспериментировали с разработкой «электронной кожи», носимых устройств, которые выглядят и ведут себя так же, как настоящая человеческая кожа. Однако для работы этот эпидермис андроида должен быть подключен к внешнему источнику питания.

До сих пор. Последняя инновация группы начинается с основы, сделанной из эластичного материала под названием полиимин. Затем ученые вставляют серию тонких термоэлектрических чипов в это основание, соединяя их все жидкими металлическими проводами. Конечный продукт выглядит как нечто среднее между пластиковым браслетом и миниатюрной материнской платой компьютера или, может быть, технологичным бриллиантовым кольцом.

«Наша конструкция делает всю систему растягиваемой, не вызывая больших нагрузок на термоэлектрический материал, который может быть действительно хрупким», — сказал Сяо.

Просто представьте, что вы на пробежку. Во время упражнений ваше тело нагревается, и это тепло будет излучаться в прохладный воздух вокруг вас. Устройство Сяо улавливает этот поток энергии, а не тратит его зря.

«Термоэлектрические генераторы находятся в тесном контакте с человеческим телом, и они могут использовать тепло, которое обычно рассеивается в окружающую среду», — сказал он.

Лего блоки

Он добавил, что вы можете легко увеличить эту мощность, добавив больше блоков генераторов.В этом смысле он сравнивает свой дизайн с популярной детской игрушкой.

«Что я могу сделать, так это объединить эти меньшие единицы, чтобы получить более крупную единицу», — сказал он. «Это все равно, что собрать кучу маленьких деталей Lego в большую конструкцию. Это дает вам множество возможностей для настройки ».

Сяо и его коллеги подсчитали, например, что человек, совершающий быструю прогулку, может использовать устройство размером с обычный спортивный браслет, чтобы генерировать около 5 вольт электричества — это больше, чем могут собрать батарейки для многих часов.

Как и электронная кожа Сяо, новые устройства обладают такой же устойчивостью, как и биологическая ткань. Например, если ваше устройство порвется, вы можете сжать сломанные концы вместе, и они снова закроются через несколько минут. А когда вы закончите работу с устройством, вы можете окунуть его в специальный раствор, который отделит электронные компоненты и растворяет полииминовую основу — каждый из этих ингредиентов может быть использован повторно.

«Мы стараемся сделать наши устройства как можно более дешевыми и надежными, при этом они будут иметь минимальное воздействие на окружающую среду», — сказал Сяо.

Хотя в дизайне еще есть кое-какие недостатки, он считает, что устройства его группы могут появиться на рынке через пять-десять лет. Только не говори роботам. Мы не хотим, чтобы у них возникали какие-либо идеи.

Ссылка: «Высокопроизводительный носимый термоэлектрический генератор с возможностями самовосстановления, утилизации и реконфигурации, подобного Lego», авторы Вэй Рен, Ян Сунь, Дунлян Чжао, Аблимит Айли, Шунь Чжан, Чуаньцянь Ши, Цзялунь Чжан, Хуэйюань Гэн, Цзе. Чжан, Лися Чжан, Цзянлян Сяо и Жунгуй Ян, 10 февраля 2021 г., Science Advances .
DOI: 10.1126 / sciadv.abe0586

Соавторы новой статьи — исследователи из Харбинского технологического института Китая, Юго-восточного университета, Университета Чжэцзян, Университета Тунцзи и Университета науки и технологий Хуачжун.

задач портативных устройств с батарейным питанием

Как разработчик и производитель пользовательских аккумуляторных блоков для высоконадежных приложений, наши клиенты постоянно требуют, чтобы мы делали блоки меньшего размера, большей мощности, дольше работали и все это по конкурентоспособной цене, поскольку они пытаются сделать свои устройства более портативными.

Учитывая дополнительные проблемы, связанные с безопасной эксплуатацией и обслуживанием литиевых батарей, существует множество конкретных вопросов, которые необходимо учитывать при разработке аккумуляторной батареи для портативного устройства.

Проблемы повышенных требований к мощности

Высокие требования к мощности аккумуляторных блоков представляют собой уникальные проблемы для производителей, связанные с пониманием возможностей беспроводного подключения и широких входных напряжений, с которыми устройство может столкнуться во время возможных сценариев зарядки.

Добавьте к этим проблемам более традиционные аспекты индивидуальной конструкции аккумуляторной батареи, которые могут включать терморегулирование, защиту от электромагнитных помех / электромагнитной совместимости, более высокие рабочие частоты, поддерживаемый путь питания, циклы заряда / разряда, время автономной работы и управление всеми входами устройства во время взаимодействия. с аккумулятором, и конструкции становятся очень сложными.

Система переносных устройств с управлением питанием

Интеллектуальное управление питанием стало обязательным, поскольку портативные устройства теперь сочетают в себе беспроводную связь, навигацию, сенсорные экраны и другие технологии, требующие повышенного энергопотребления.Например:

• Размер дисплея и графические операции портативных устройств значительно увеличиваются.
• Новые технологии обработки процессоров работают на более высоких частотах.
• Портативные устройства становятся меньше и тоньше, что требует уменьшения количества и размеров компонентов.
• Часто источник напряжения «несовместим» с нагрузкой. Между источником и нагрузкой необходимо разместить буфер, чтобы регулировать напряжение и / или ток и уменьшать потери мощности.

Соответствие этим требованиям к электропитанию

При проектировании и разработке пользовательских аккумуляторных блоков вы должны соответствовать всем этим сложным требованиям, не жертвуя безопасностью, качеством или технологичностью. Ниже приведены несколько конкретных идей, которые обычно используются в лучших и самых долговечных конструкциях аккумуляторных батарей.

Снижение энергопотребления от оборудования

Работа с вашей командой разработчиков над правильным пониманием функциональности вашего приложения, а также того, как часто и как быстро необходимо обращаться к различным частям электроники.Небольшие изменения в работе устройства, такие как отключение ненужного оборудования, минимизация количества обращений к оборудованию или уменьшение скорости передачи данных между компонентами, могут продлить срок службы батареи на несколько часов.

Реализация простых защит и аналоговых интерфейсов (AFE)

Высокотехнологичные компании, такие как Texas Instruments, разработали AFE, которые представляют собой конфигурируемые ИС, которые предназначены для взаимодействия с несколькими платформами датчиков, что уменьшает общее количество компонентов, необходимых для мониторинга состояния аккумуляторной батареи.

Использование сложных систем управления батареями

Аккумуляторные блоки по индивидуальному заказу могут быть изготовлены с электроникой контроля и балансировки для увеличения времени работы и увеличения срока службы батарей. Система управления аккумулятором (BMS) обеспечивает множество функций, включая защиту, контроль заряда и разряда и управление температурой.

Один из элементов, который часто упускается из виду в BMS, — это использование системы для обеспечения балансировки ячеек в реальном времени. В то время как элементы могут иметь лишь незначительные изменения в емкости, напряжении и внутреннем импедансе во время сборки, элементы будут выходить из равновесия во время использования, поскольку некоторые элементы разряжаются быстрее, чем другие.

Дизайн для более короткого времени зарядки и мгновенного включения

Некоторые системы зарядки предназначены для выработки промежуточного напряжения между портом питания и аккумулятором через переключатель с ограничением тока. Это позволяет устройству питать как линейное зарядное устройство, так и нагрузку системы с приоритетом нагрузки системы. Отсоединив аккумулятор от нагрузки системы, зарядка может выполняться в удобном режиме и обеспечивать мгновенное включение. Это связано с тем, что промежуточное напряжение доступно для системных нагрузок, как только в цепь подается питание, что позволяет конечному продукту работать сразу после подключения, независимо от состояния заряда батареи.

Сводка

Перезаряжаемые аккумуляторные батареи жизненно важны для портативных электронных устройств в любой отрасли, от медицинской до военной, от аэрокосмической до промышленной. Работа с опытным партнером по производству, который может помочь вам в проектировании и разработке, а также обеспечить производство мирового класса, — лучший способ гарантировать, что ваше решение по аккумуляторным батареям превзойдет потребности ваших клиентов.

Подержанные литий-ионные батареи | Агентство по охране окружающей среды США

Литий-ионные батареи и устройства, содержащие эти батареи, НЕ следует выбрасывать в бытовой мусор или в мусорные баки.

Литий-ионные аккумуляторы СЛЕДУЕТ сдать на отдельные пункты переработки или сбора бытовых опасных отходов.

Во избежание возгорания заклейте клеммы аккумуляторных батарей и / или поместите литий-ионные аккумуляторы в отдельные пластиковые пакеты.

На этой странице:

Общая информация

используются во многих продуктах, таких как электроника, игрушки, беспроводные наушники, портативные электроинструменты, малая и крупная бытовая техника, электромобили и системы хранения электроэнергии.При неправильном обращении в конце срока их полезного использования они могут нанести вред здоровью человека или окружающей среде.

Повышенный спрос на литий-ионные аккумуляторы на рынке в значительной степени объясняется высокой «плотностью энергии» этого химического состава аккумуляторов. «Плотность энергии» означает количество энергии, которое система хранит в определенном пространстве. Литиевые батареи могут быть меньше и легче других типов батарей, сохраняя при этом такое же количество энергии. Эта миниатюризация позволила быстро увеличить потребительское использование портативных и беспроводных продуктов меньшего размера.

Информация для потребителей

Существует два типа литиевых батарей, которые используются потребителями в США и с которыми необходимо работать по окончании срока службы: одноразовые неперезаряжаемые литий-металлические батареи и перезаряжаемые литий-полимерные элементы (литий-ионные, литий-полимерные). ионные ячейки).

Кроме того, если аккумулятор или электронное устройство, содержащее аккумулятор, выбрасывать в мусорное ведро или помещать в муниципальный мусорный бак вместе с бытовыми вторсырьями, такими как пластик, бумага или стекло, они могут быть повреждены или раздавлены во время транспортировки или обработки и сортировки. оборудование, создающее пожарную опасность.

или батареи, содержащиеся в электронных устройствах, следует утилизировать в сертифицированных перерабатывающих предприятиях аккумуляторной электроники, которые принимают батареи, а не выбрасывать их в мусор или выбрасывать в муниципальные мусорные баки.

Утилизация литий-ионных батарей для потребителей

Рекомендация EPA: найдите место для переработки литий-ионных аккумуляторов и продуктов, содержащих литий-ионные аккумуляторы, используя одну из предлагаемых ссылок; не выбрасывайте их в мусорное ведро или в муниципальные мусорные баки.

Литий-ионные аккумуляторы в электронике: Отправьте электронные устройства, содержащие литий-ионные аккумуляторы, сертифицированным переработчикам электроники, участвующим розничным продавцам и перерабатывающим компаниям в службах возврата электроники или обратитесь в местную программу сбора твердых или опасных бытовых отходов для получения дополнительных вариантов.

Литий-ионные аккумуляторы, которые легко отделяются от продукта (например, электроинструменты): Найдите ближайший к вам пункт переработки, чтобы правильно утилизировать литий-ионные аккумуляторы. Отправляйте отдельные аккумуляторы специализированным предприятиям по переработке аккумуляторов или розничным продавцам, которые участвуют в услугах по возврату, или обратитесь в местную программу по твердым отходам или бытовым опасным отходам для получения дополнительных вариантов.

Два ресурса для поиска переработчика — это база данных службы экстренной помощи 911 и Call2Recycle.

Меры предосторожности при обращении: Поместите каждую батарею или устройство, содержащее батарею, в отдельный пластиковый пакет.Оберните токонепроводящую ленту (например, изоленту) на клеммах аккумулятора. В случае повреждения литий-ионного аккумулятора обратитесь к производителю аккумулятора или устройства за конкретной информацией по обращению. Даже использованные батареи могут иметь достаточно энергии, чтобы нанести травму или вызвать возгорание. Не все батареи могут быть удалены или обслужены пользователем. Соблюдайте маркировку батареи и продукта относительно безопасности и использования.

Утилизация литий-ионных аккумуляторов среднего и крупного размера

Рекомендация EPA: Свяжитесь с производителем, автомобильным дилером или компанией, которая установила литий-ионную батарею, для получения информации о возможностях управления; не выбрасывайте его в мусорное ведро или в муниципальные мусорные баки.

Из-за размера и сложности этих аккумуляторных систем, средние и крупные литий-ионные аккумуляторы не могут быть удалены потребителем. См. Инструкции производителя, а также предупреждения и инструкции по технике безопасности.

• Автомобиль: обратитесь к дилеру автомобилей, в магазин или на ремонтную мастерскую, где был приобретен аккумулятор.
• Накопитель энергии: обратитесь к производителю оборудования для аккумулирования энергии или компании, установившей аккумулятор.

«Избегайте искры.Будьте осторожны с аккумулятором ». Кампания

В связи с увеличением количества пожаров на предприятиях по переработке и утилизации отходов по всей стране отраслевые группы совместно разработали «Избегайте искры». Будьте осторожны с аккумулятором. Кампания . Эта кампания направлена ​​на ознакомление американского потребителя с безопасностью использования батарей и правильным обращением с использованными литий-ионными батареями. Главный посыл кампании заключается в том, что батареи можно и нужно утилизировать, когда срок их службы истечет. Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт Call2Recycle.

Кампания «Поставь галочку» Министерства транспорта (DOT)

Кампания DOT «Check the Box» — это кампания по информированию общественности, направленная на предотвращение серьезных инцидентов за счет повышения осведомленности населения о предметах повседневного пользования, которые считаются опасными при транспортировке, в том числе о батареях, которые упаковываются и отправляются на переработку или утилизацию. Перед отправкой на переработку или утилизацию батареи должны быть правильно идентифицированы, упакованы и промаркированы с помощью маркировки на упаковке.Для получения дополнительной информации перейдите в кампанию DOT’s Check the Box и посмотрите видео кампании.

Информация для бизнеса

Некоторые литий-ионные батареи могут соответствовать определению опасных отходов в соответствии с Законом о сохранении и восстановлении ресурсов (RCRA), если они демонстрируют такие характеристики опасных отходов, как воспламеняемость, реактивность или токсичность при утилизации. Лица, производящие отходы, которые определены как опасные в соответствии с RCRA, называются «производителями опасных отходов».«Эти правила не применяются к домашним хозяйствам, потому что согласно RCRA опасные отходы, выбрасываемые домашними хозяйствами, как правило, не подпадают под действие правил обращения с опасными отходами. Напротив, коммерческие предприятия несут ответственность за определение того, являются ли производимые ими отходы опасными отходами, включая литий-ионные батареи по окончании срока их службы.

Литий-ионные батареи с разным химическим составом могут выглядеть почти одинаковыми, но при этом иметь разные свойства. Кроме того, некоторые утилизированные литий-ионные батареи с большей вероятностью будут иметь опасные свойства, если они содержат значительный заряд, однако такие батареи могут показаться пользователю полностью разряженными.По этим причинам генератору может быть трудно определить, какие из его отработавших литий-ионных аккумуляторов считаются опасными при утилизации. Таким образом, в случае неопределенности EPA рекомендует компаниям рассмотреть возможность обращения с литий-ионными аккумуляторами в соответствии с федеральными правилами «универсальных отходов» в Разделе 40 Свода федеральных правил (CFR), часть 273.

Регламенты по универсальным отходам содержат упрощенный набор требований для производителей конкретных типов обычных опасных отходов (например,g., люминесцентные лампы, содержащие ртуть, батарейки) из самых разных коммерческих помещений. Требования различаются в зависимости от того, накапливаете ли вы за один раз меньше или больше 5000 кг общих универсальных отходов, но они включают инструкции о том, как обращаться с отходами, как маркировать контейнеры, как долго отходы могут накапливаться на месте и куда могут быть отправлены отходы, среди прочего. Правила универсальных отходов не требуют отправки с использованием декларации об опасных отходах, но требуют, чтобы отходы отправлялись на разрешенный объект по удалению опасных отходов или в переработчик.EPA рекомендует предприятиям проконсультироваться со своими государственными агентствами по твердым и опасным отходам для получения дополнительной информации о применимых правилах в отношении универсальных отходов.

Дополнительным соображением, особенно для малых предприятий или предприятий, производящих небольшие количества опасных отходов в месяц, являются правила RCRA «Генераторы очень малых количеств» (VSQG). Литий-ионные аккумуляторы, выбрасываемые предприятиями, которые производят менее 100 кг (220 фунтов) опасных отходов в месяц, считаются отходами генератора с очень небольшим количеством и могут подлежать уменьшенным требованиям к опасным отходам.Перед тем, как использовать освобождение от VSQG, сверьтесь с программой государственного регулирования, так как они могут иметь другие требования. Хотя EPA рекомендует утилизировать все батареи в соответствии со стандартами универсальных отходов, лица, собирающие или хранящие использованные литий-ионные батареи в домашних хозяйствах или в VSQG для целей любого исключения, должны хранить их отдельно от других собранных литий-ионных аккумуляторов, на которые распространяются более высокие требования. строгие требования. В противном случае они рискуют подвергнуть всю смешанную коллекцию более строгим требованиям (например,g., упрощенные требования к универсальным отходам или стандартные правила образования опасных отходов).

Информация для рабочих

Управление по охране труда и здоровья Министерства труда (OSHA) выпустило информационный бюллетень по безопасности и охране здоровья: Предотвращение травм от пожара и / или взрыва от небольших и носимых устройств с питанием от литиевых батарей . Бюллетень носит рекомендательный характер, информационный по содержанию и предназначен для обучения работников и помощи работодателям в обеспечении безопасных и здоровых условий труда.

Информация для перевозчиков

Правила обращения с опасными материалами Департамента транспорта (DOT)

являются опасными материалами и подпадают под действие Положений об опасных материалах Министерства транспорта (HMR; 49 CFR, части 171–180). Сюда входят требования к упаковке и стандартным сообщениям об опасности (например, маркировка, ярлыки, отгрузочные документы, информация о действиях в чрезвычайных ситуациях) и требования к обучению сотрудников, связанных с опасностями. Требования к информированию об опасности содержатся в части 172 HMR, а требования, специфичные для литиевых батарей, — в разделе 173 49 CFR.185.

Дополнительные ресурсы

Как работает аккумулятор — Любопытно

Представьте себе мир без батарей. Все портативные устройства, от которых мы так зависим, были бы настолько ограничены! Мы сможем доставить наши ноутбуки и телефоны настолько далеко, насколько это досягаемо для их кабелей, что сделает это новое работающее приложение, которое вы только что загрузили на свой телефон, практически бесполезным.

К счастью, у нас есть батарейки. Еще в 150 г. до н.э. в Месопотамии парфянская культура использовала устройство, известное как багдадская батарея, сделанное из медных и железных электродов с уксусом или лимонной кислотой.Археологи считают, что на самом деле это не батареи, а в основном они использовались для религиозных церемоний.

Изобретение батареи в том виде, в котором мы ее знаем, приписывают итальянскому ученому Алессандро Вольта, который собрал первую батарею, чтобы доказать свою точку зрения другому итальянскому ученому Луиджи Гальвани. В 1780 году Гальвани показал, что лапки лягушек, подвешенных на железных или латунных крючках, подергиваются при прикосновении к зонду из другого металла. Он считал, что это было вызвано электричеством из тканей лягушек, и называл это «животным электричеством».

Вольта, первоначально впечатленный открытиями Гальвани, пришел к выводу, что электрический ток исходит от двух разных типов металла (крючки, на которых висели лягушки, и другой металл зонда) и просто передается через них, а не через них. из тканей лягушек.Он экспериментировал со стопками слоев серебра и цинка, перемежаемых слоями ткани или бумаги, пропитанной соленой водой, и обнаружил, что электрический ток действительно протекает через провод, приложенный к обоим концам стопки.

Volta также обнаружил, что, используя различные металлы в свае, можно увеличить количество напряжения.Он описал свои открытия в письме Джозефу Бэнксу, тогдашнему президенту Лондонского королевского общества, в 1800 году. Это было довольно большое дело (Наполеон был весьма впечатлен!), И его изобретение принесло ему устойчивое признание в честь «вольта». ‘(мера электрического потенциала), названная в его честь.

Я сам, шутя в сторону, поражен тем, как мои старые и новые открытия … чистого и простого электричества, вызванного контактом металлов, могли вызвать такое волнение. Алессандро Вольта

Так что же именно происходило с этими слоями цинка и серебра и с дрожащими лягушачьими лапами?

Химия батареи

Батарея — это устройство, которое накапливает химическую энергию и преобразует ее в электричество.Это известно как электрохимия, а система, лежащая в основе батареи, называется электрохимическим элементом. Батарея может состоять из одной или нескольких (как в оригинальной кучке Вольты) электрохимических ячеек. Каждая электрохимическая ячейка состоит из двух электродов, разделенных электролитом.

Итак, откуда электрохимический элемент получает электричество? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно знать, что такое электричество. Проще говоря, электричество — это тип энергии, производимый потоком электронов.В электрохимической ячейке электроны образуются в результате химической реакции, которая происходит на одном электроде (подробнее об электродах ниже!), А затем они перетекают на другой электрод, где расходуются. Чтобы понять это должным образом, нам нужно внимательнее изучить компоненты клетки и то, как они устроены вместе.

Электроды

Чтобы создать поток электронов, вам нужно где-то, чтобы электроны текли из , а где-то электроны текли с на .Это электроды ячейки. Электроны текут от одного электрода, называемого анодом (или отрицательным электродом), к другому электроду, называемому катодом (положительный электрод). Как правило, это разные типы металлов или другие химические соединения.

В котле Вольта анодом служил цинк, от которого электроны текли по проволоке (при соединении) с серебром, которое было катодом батареи. Он сложил много этих ячеек вместе, чтобы получилась общая куча, и поднял напряжение.

Но откуда анод вообще берет все эти электроны? И почему они так счастливы, что их отправили в веселый путь к катоду? Все сводится к химии, происходящей внутри клетки.

Нам нужно понять пару химических реакций. На аноде электрод вступает в реакцию с электролитом, в результате чего образуются электроны. Эти электроны накапливаются на аноде. Между тем, на катоде одновременно происходит другая химическая реакция, которая позволяет этому электроду принимать электроны.

Технический химический термин, обозначающий реакцию, которая включает обмен электронами, — это реакция окисления-восстановления, обычно называемая окислительно-восстановительной реакцией. Вся реакция может быть разделена на две половинные реакции, и в случае электрохимической ячейки одна полуреакция происходит на аноде, а другая — на катоде. Уменьшение — это усиление электронов, и это то, что происходит на катоде; мы говорим, что катод восстанавливается во время реакции. Окисление — это потеря электронов, поэтому мы говорим, что анод окисляется.

Каждая из этих реакций имеет определенный стандартный потенциал. Думайте об этой характеристике как о способности / эффективности реакции либо производить, либо поглощать электроны — ее силу в электронном перетягивании каната.

• Стандартные потенциалы полуреакций

  Ниже приведен список половинных реакций, которые включают высвобождение электронов из чистого элемента или химического соединения. Рядом с реакцией указано число (E ⁰ ), которое сравнивает силу электрохимического потенциала реакции с силой готовности водорода расстаться со своим электроном (если вы посмотрите вниз по списку, вы увидите, что водородная полуреакция имеет нулевое значение E ⁰ ).E ⁰ измеряется в вольтах.

  Причина, по которой этот список настолько интересен, заключается в том, что если вы выберете две реакции из списка и объедините их в электрохимическую ячейку, значения E ⁰ скажут вам, в каком направлении будет протекать общая реакция: реакция с более отрицательной реакцией. Значение E ⁰ отдает свои электроны другой реакции, и это определяет анод и катод вашей ячейки. Разница между двумя значениями E ⁰ говорит вам об электрохимическом потенциале вашей ячейки, который в основном представляет собой напряжение ячейки.

  Итак, если вы возьмете литий и фторид и сумеете объединить их, чтобы сделать элемент батареи, у вас будет самое высокое напряжение, теоретически достижимое для электрохимического элемента. Этот список также объясняет, почему в котле Вольта цинк был анодом, а серебро — катодом: полуреакция цинка имеет более низкое (более отрицательное) значение E ⁰ (-0,7618), чем полуреакция серебра (0,7996). .

  Источник: UC Davis ChemWiki

Любые два проводящих материала, которые вступают в реакцию с разными стандартными потенциалами, могут образовывать электрохимическую ячейку, потому что более сильный из них сможет забирать электроны у более слабого.Но идеальным выбором для анода был бы материал, который вызывает реакцию со значительно более низким (более отрицательным) стандартным потенциалом, чем материал, который вы выбираете для своего катода. В итоге мы получаем электроны, притягивающиеся к катоду от анода (и анод не очень сильно пытается бороться), и, когда у нас есть легкий путь, чтобы добраться туда — проводящий провод, мы можем использовать их энергию для обеспечения электрического питание нашего фонарика, телефона или чего-то еще.

Разница в стандартном потенциале между электродами как бы равна силе, с которой электроны перемещаются между двумя электродами.Это известно как общий электрохимический потенциал ячейки, и он определяет напряжение ячейки. Чем больше разница, тем больше электрохимический потенциал и выше напряжение.

Чтобы увеличить напряжение аккумулятора, у нас есть два варианта. Мы могли бы выбрать для наших электродов другие материалы, которые придадут ячейке больший электрохимический потенциал. Или мы можем сложить несколько ячеек вместе. Когда элементы объединяются определенным образом (последовательно), это оказывает аддитивное влияние на напряжение батареи.По сути, силу, с которой электроны движутся через батарею, можно рассматривать как общую силу, когда она движется от анода первого элемента на всем пути, сколько бы ячеек ни содержала батарея, к катоду последней ячейки.

Когда элементы объединяются другим способом (параллельно), это увеличивает возможный ток батареи, который можно рассматривать как общее количество электронов, протекающих через элементы, но не ее напряжение.

Электролит

Но электроды — это всего лишь часть батареи.Помните обрывки бумаги Вольты, пропитанные соленой водой? Соленая вода была электролитом, еще одной важной частью картины. Электролит может быть жидкостью, гелем или твердым веществом, но он должен обеспечивать движение заряженных ионов.

Электронов имеют отрицательный заряд, и поскольку мы посылаем поток отрицательных электронов по нашей цепи, нам нужен способ уравновесить это движение заряда. Электролит обеспечивает среду, через которую могут протекать положительные ионы, уравновешивающие заряд.

Поскольку химическая реакция на аноде производит электроны, для поддержания баланса нейтрального заряда на электроде также производится соответствующее количество положительно заряженных ионов. Они не проходят по внешнему проводу (только для электронов!), А попадают в электролит.

В то же время катод должен также уравновешивать отрицательный заряд электронов, которые он принимает, поэтому реакция, которая здесь происходит, должна втягивать положительно заряженные ионы из электролита (альтернативно, он также может высвобождать отрицательно заряженные ионы из электрода в электролит. электролит).

Итак, в то время как внешний провод обеспечивает путь для потока отрицательно заряженных электронов, электролит обеспечивает путь для переноса положительно заряженных ионов, чтобы уравновесить отрицательный поток. Этот поток положительно заряженных ионов так же важен, как и электроны, обеспечивающие электрический ток во внешней цепи, которую мы используем для питания наших устройств. Роль балансировки заряда, которую они выполняют, необходима для поддержания протекания всей реакции.

Так вот, если бы все ионы, высвобожденные в электролит, могли полностью свободно перемещаться через электролит, они в конечном итоге покрыли бы поверхности электродов и забили бы всю систему.Таким образом, в клетке обычно есть какой-то барьер, чтобы этого не произошло.

При использовании аккумулятора возникает ситуация, когда происходит непрерывный поток электронов (через внешнюю цепь) и положительно заряженных ионов (через электролит). Если этот непрерывный поток остановлен — если цепь разомкнута, например, когда ваш фонарик выключен — поток электронов остановлен. Заряды будут накапливаться, и химические реакции, приводящие в движение аккумулятор, прекратятся.

По мере того, как батарея используется и реакции на обоих электродах протекают, возникают новые химические продукты.Эти продукты реакции могут создавать своего рода сопротивление, которое может помешать продолжению реакции с такой же эффективностью. Когда это сопротивление становится слишком большим, реакция замедляется. Электронное перетягивание каната между катодом и анодом также теряет свою силу, и электроны перестают течь. Аккумулятор медленно разряжается.

Зарядка аккумулятора

Некоторые распространенные батареи предназначены только для одноразового использования (так называемые первичные или одноразовые батареи).Электроны перемещаются от анода к катоду в одну сторону. Либо их электроды истощаются по мере того, как они выделяют свои положительные или отрицательные ионы в электролит, либо накопление продуктов реакции на электродах препятствует продолжению реакции, и это делается и вытирается пыль. Батарея оказывается в мусорном ведре (или, надеюсь, на переработку, но это уже другая тема Nova).

Но. Изящная вещь в этом потоке ионов и электронов, который имеет место в некоторых типах батарей с соответствующими материалами электродов, заключается в том, что он также может двигаться в обратном направлении, возвращая нашу батарею в исходную точку и давая ей совершенно новую жизнь. .Подобно тому, как батареи изменили способ использования различных электрических устройств, аккумуляторные батареи еще больше изменили полезность этих устройств и их продолжительность жизни.

Когда мы подключаем почти разряженную батарею к внешнему источнику электричества и отправляем энергию обратно в батарею, происходит обратная химическая реакция, которая произошла во время разряда. Это отправляет положительные ионы, выпущенные из анода, в электролит, обратно к аноду, а электроны, которые катод принимает, также обратно к аноду.Возврат как положительных ионов, так и электронов обратно в анод подготавливает систему, так что она снова готова к работе: ваша батарея заряжена.

Однако процесс не идеален. Замена отрицательных и положительных ионов электролита обратно на соответствующий электрод при перезарядке батареи не такая аккуратная и не такая хорошо структурированная, как электрод вначале. Каждый цикл зарядки приводит к еще большему ухудшению состояния электродов, а это означает, что аккумулятор со временем теряет производительность, поэтому даже аккумуляторные батареи не работают вечно.

В течение нескольких циклов зарядки и разрядки форма кристаллов аккумулятора становится менее упорядоченной. Это усугубляется, когда аккумулятор разряжается / заряжается с высокой скоростью — например, если вы едете на электромобиле с большой скоростью, а не с постоянной скоростью. Высокоскоростное переключение приводит к тому, что кристаллическая структура становится более неупорядоченной, что приводит к менее эффективной батарее.

Эффект памяти и саморазряд

Практически, но не полностью обратимые реакции разряда и перезарядки также способствуют так называемому «эффекту памяти».Когда вы перезаряжаете некоторые типы аккумуляторных батарей, не разрядив их сначала, они «запоминают», где находились в предыдущих циклах разрядки, и не перезаряжаются должным образом.

В некоторых элементах это вызвано тем, как металл и электролит реагируют с образованием соли (и тем, как эта соль затем снова растворяется и металл заменяется на электродах при перезарядке). Мы хотим, чтобы наши клетки имели красивые, однородные, маленькие кристаллы соли, покрывающие идеальную металлическую поверхность, но это не то, что мы получаем в реальном мире! Некоторые кристаллы образуются очень сложно, а некоторые металлы откладываются во время перезарядки, поэтому некоторые типы батарей имеют больший эффект памяти, чем другие.Дефекты в основном зависят от первоначального состояния заряда батареи, температуры, напряжения заряда и тока зарядки. Со временем недостатки в одном цикле зарядки могут вызвать то же самое в следующем цикле зарядки и так далее, и наша батарея накапливает некоторые плохие воспоминания. Эффект памяти силен для некоторых типов элементов, таких как батареи на никелевой основе. Другие типы, такие как литий-ионные, не страдают этой проблемой.

Другой аспект аккумуляторных батарей заключается в том, что химический состав, делающий их перезаряжаемыми, также означает, что они имеют более высокую тенденцию к саморазряду.Это когда внутренние реакции происходят внутри аккумуляторного элемента, даже когда электроды не подключены через внешнюю цепь. Это приводит к тому, что клетка со временем теряет часть своей химической энергии. Высокая скорость саморазряда серьезно ограничивает срок службы аккумуляторов — и приводит к их разрядке во время хранения.

Литий-ионные аккумуляторы в наших мобильных телефонах имеют довольно хорошую скорость саморазряда около 2–3 процентов в месяц, и наши свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторы также довольно разумны — они, как правило, теряют 4–6 процентов. месяц.Никелевые батареи теряют около 10–15 процентов своего заряда в месяц, что не очень хорошо, если вы планируете хранить фонарик в течение всего сезона, когда он вам не нужен! Неперезаряжаемая щелочная батарея теряет около 2–3% своего заряда в год.

Напряжение, ток, мощность, емкость… в чем разница?

Все эти слова в основном описывают мощность батареи, не так ли? Ну вроде как.Но все они несколько разные.

Напряжение = сила, при которой реакция, приводящая в действие аккумулятор, проталкивает электроны через элемент. Это также известно как электрический потенциал и зависит от разницы потенциалов между реакциями, которые происходят на каждом из электродов, то есть от того, насколько сильно катод оттянет электроны (через цепь) от анода. Чем выше напряжение, тем больше работы может совершить то же количество электронов.

Ток = количество электронов, которые проходят через любую точку цепи в данный момент времени.Чем выше ток, тем больше работы он может выполнять при том же напряжении. Внутри ячейки ток можно также рассматривать как количество ионов, проходящих через электролит, умноженное на заряд этих ионов.

Мощность = напряжение x ток. Чем выше мощность, тем быстрее батарея может работать — это соотношение показывает, как напряжение и ток важны для определения того, для чего подходит батарея.

Емкость = мощность батареи как функция времени, которая используется для описания продолжительности времени, в течение которого батарея может обеспечивать питание устройства.Аккумулятор большой емкости сможет проработать более длительный период, прежде чем разрядится / разрядится. У некоторых батарей есть небольшая печальная особенность: если вы слишком быстро попытаетесь извлечь из них слишком много энергии, химические реакции не успеют поспеть, и емкость станет меньше! Итак, мы всегда должны быть осторожны, когда говорим о емкости батареи, и помнить, для чего она будет использоваться.

Еще один популярный термин — «плотность энергии». Это количество энергии, которое устройство может удерживать на единицу объема, другими словами, сколько энергии вы получите за свои деньги с точки зрения мощности по сравнению сразмер. С батареей, как правило, чем выше плотность энергии, тем лучше, поскольку это означает, что батарея может быть меньше и компактнее, что всегда является плюсом, когда вам нужно, чтобы она питала то, что вы хотите держать в кармане. Для электромобилей это даже плюс — аккумулятор должен как-то влезать в машину!

Для некоторых приложений, таких как хранение электроэнергии на возобновляемых электростанциях, таких как ветряная или солнечная электростанция, высокая плотность энергии не является большой проблемой, поскольку в них, скорее всего, будет достаточно места для хранения батарей.Основная цель такого использования — просто хранить как можно больше электроэнергии, как можно безопаснее и дешевле.

Почему так много типов?

Ряд материалов (раньше это были просто металлы) могут использоваться в качестве электродов в батарее. За прошедшие годы было опробовано много-много различных комбинаций, но лишь немногие из них действительно прошли дистанцию.Но зачем вообще использовать разные комбинации металлов? Если у вас есть пара металлов, которые хорошо работают вместе в качестве электродов, зачем возиться с другими?

Различные материалы имеют разные электрохимические свойства, поэтому они дают разные результаты, когда вы соединяете их в аккумуляторном элементе. Например, некоторые комбинации будут производить высокое напряжение очень быстро, но затем быстро падают, не в состоянии поддерживать это напряжение в течение длительного времени. Это хорошо, если вам нужно произвести, скажем, внезапную вспышку света, как вспышка фотоаппарата.

Другие комбинации будут производить только тонкую струйку тока, но они будут поддерживать эту струю целую вечность. Например, нам не нужен большой ток для питания детектора дыма, но мы хотим, чтобы наши детекторы дыма работали долгое время.

Еще одна причина для использования различных комбинаций металлов заключается в том, что часто два или более аккумуляторных элемента необходимо уложить в стопку для получения необходимого напряжения, и оказывается, что некоторые комбинации электродов складываются вместе намного удобнее, чем другие комбинации.Например, литий-железо-фосфатные батареи (тип литий-ионных аккумуляторов), используемые в электромобилях, складываются вместе для создания систем высокого напряжения (100 или даже более вольт), но вы никогда не сделаете этого с теми батареями NiCad Walkman, которые имеют горячий!

Наши различные потребности с течением времени привели к разработке огромного количества типов батарей. Чтобы узнать больше о них и о том, что ждет аккумулятор в будущем, ознакомьтесь с другими нашими темами о Nova.

Уход за аккумулятором Surface

Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее распространенным типом аккумуляторов, используемых в современных портативных устройствах. Эти батареи быстро заряжаются, глубоко разряжаются с постоянной скоростью и имеют высокую плотность энергии, что позволяет использовать элементы небольшого размера. Это делает их идеальными для устройств Surface, для которых мы разработали максимально долгое время автономной работы в минимально возможном форм-факторе.

Surface спроектированы так, чтобы максимально продлить срок службы батарей и увеличить срок их службы. Поняв немного о литий-ионных аккумуляторах, вы сможете максимально продлить срок службы и долговечность аккумулятора в устройстве Surface:

• Емкость литий-ионных элементов обычно уменьшается после определенного количества циклов заряда / разряда. Это приведет к сокращению интервалов между зарядкой и уменьшению емкости аккумулятора.

• При использовании устройства проверяйте, регулярно ли разряжается батарея ниже 50 процентов. Это поможет свести к минимуму износ элементов аккумуляторной батареи.

• Устройства

  Surface имеют функции, снижающие износ аккумулятора. Постоянное обновление вашего устройства с помощью последних обновлений драйверов и прошивки — лучший способ сохранить надежность и долговечность аккумулятора.

Как увеличить работоспособность аккумулятора

Как и все батареи, литий-ионные элементы являются расходными материалами, которые стареют и портятся со временем и по мере использования.Лучший способ продлить срок службы батареи и ее производительность — это разряжать батарею ниже 50 процентов несколько раз в неделю перед подзарядкой, а не разряжать ее частыми короткими и неглубокими циклами разряда.

При использовании аккумулятора следует избегать некоторых условий, поскольку они могут привести к более быстрому износу и старению аккумулятора:

• Избегайте использования или зарядки при экстремально высоких температурах: Устройства, которые заряжаются или работают при высоких температурах, вызовут ускоренный износ литий-ионного аккумулятора и необратимую потерю емкости заряда аккумулятора.Устройства Surface предназначены для работы при температуре от 0 ° C до 35 ° C (от 32 ° F до 95 ° F), поэтому держите Surface подальше от солнца и не оставляйте его в горячей машине.

• Поддержание или хранение на высоком уровне заряда : Батареи, поддерживаемые на высоком уровне заряда, будут быстрее терять емкость. Вы можете предотвратить это ускоренное ухудшение, не оставляя устройство подключенным к сети переменного тока в течение длительного времени. Лучше постарайтесь убедиться, что устройство регулярно разряжается ниже 50% перед повторной зарядкой.Если у вас есть сценарий, при котором вам нужно постоянно держать устройство подключенным к сети, мы рекомендуем использовать режим ограничения заряда батареи, чтобы ограничить уровень заряда батареи. Если вам необходимо хранить устройство в течение длительного периода времени, лучше всего снизить уровень заряда до 50% перед хранением и регулярно проверять аккумулятор, чтобы убедиться, что он не разряжен до очень низкого уровня.

При сильном износе батарей может наблюдаться резкое сокращение срока службы батарей или повышенное расширение литий-ионных элементов.В нормальных условиях устройства Surface имеют механический корпус, предотвращающий расширение батареи. В экстремальных условиях аккумулятор может расшириться за пределы механических ограничений устройства и привести к деформации.

Расширение батареи из-за износа не представляет угрозы для безопасности и чаще всего вызвано образованием негорючего диоксида углерода (CO ₂ ). Если у вас есть устройство, в котором батарея заметно расширилась за пределы механического корпуса, мы рекомендуем вам прекратить использование устройства.Обращайтесь с устройством осторожно, чтобы не надавить на аккумулятор или не повредить его. Если вам нужна помощь, свяжитесь с нами и обратитесь к консультанту службы поддержки Surface.

Особенности поверхности для увеличения срока службы аккумулятора

Surface постоянно работает над тем, чтобы помочь вам максимально эффективно использовать аккумулятор вашего устройства, и регулярно выпускает исправления, направленные на повышение надежности и долговечности аккумулятора. Следующие функции уже доступны на некоторых моделях устройств (см. Таблицу ниже) для обеспечения оптимальной производительности аккумулятора и замедления износа аккумулятора:

• Интеллектуальная зарядка аккумулятора — Интеллектуальная зарядка аккумулятора — это функция, которая помогает защитить аккумулятор от воздействия режимов зарядки и высоких температур, которые могут ускорить износ аккумулятора или привести к его расширению.Интеллектуальная зарядка аккумулятора всегда активна и автоматически включается для ограничения емкости зарядки аккумулятора, когда обнаруживает, что ваше устройство подключено к сети в течение длительного времени и / или используется при повышенных температурах. Интеллектуальная зарядка аккумулятора автоматически отключается, когда аккумулятор разряжен ниже 20%.

• Режим ограничения заряда батареи — Режим ограничения заряда батареи — это функция, доступная для пользователей, которым необходимо держать устройства подключенными к сети в течение длительных периодов времени.Подключение устройства к сети на продолжительное время может привести к преждевременному старению и износу батарей. Когда эта функция включена, емкость заряда аккумулятора ограничивается до 50%, что замедляет процесс старения и продлевает срок службы аккумулятора.

  Более подробную информацию о режиме ограничения заряда батареи, включая инструкции по включению и отключению этой функции, можно найти на нашей странице поддержки режима ограничения заряда батареи.

• Battery Life Saver — Battery Life Saver — это функция, разработанная для защиты аккумулятора от совокупных негативных последствий постоянного и периодического использования при высоких температурах или высокой степени заряда.Эта функция дополняет интеллектуальную зарядку аккумулятора, непрерывно отслеживая состояние аккумулятора. При обнаружении этих неблагоприятных условий программа Battery Life Life Saver реализует ограниченное количество постоянных снижений зарядного напряжения. Хотя это приведет к небольшой постепенной необратимой потере емкости аккумулятора, это максимизирует общий срок службы аккумулятора за счет ограничения условий, которые в противном случае ускорили бы износ аккумулятора, значительно снизили бы емкость аккумулятора или привели к расширению аккумулятора.

Чтобы получить максимальную отдачу от этих функций, важно регулярно устанавливать на устройство последние обновления драйверов и микропрограмм.

Если вы обычно подключаетесь к Центру обновления Windows и используете стандартные настройки по умолчанию для получения автоматических обновлений, у вас всегда будут последние версии драйверов и встроенного ПО. Если ваше устройство Surface находится под управлением вашей организации, ваша ИТ-группа обычно развертывает обновления внутри.

Наличие