2012/07/02 09:14:01

Электрический аккумулятор

Исследователи из Университета Райса в Хьюстоне (Rice University) создали прототип батареи, которая наносится как спрей, что может кардинально изменить подход к дизайну портативных электронных устройств.

Содержание

Электрический аккумулятор — химический источник тока многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование (через заряд-разряд) для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования.

Принцип действия

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, объединенных в одну электрическую цепь, составляют аккумуляторную батарею.

Характеристики

Максимально возможный полезный заряд аккумулятора называется зарядной ёмкостью, или просто ёмкостью. Ёмкость аккумулятора — это заряд, отдаваемый полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ ёмкость аккумуляторов измеряют в кулонах, на практике часто используется внесистемная единица — ампер-час. 1 А⋅ч = 3600 Кл. Реже на аккумуляторах указывается энергетическая ёмкость — энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ она измеряется в джоулях, на практике иногда используется внесистемная единица — ватт-час. 1 Вт⋅ч = 3600 Дж.

Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита.

По мере исчерпания химической энергии напряжение и ток падают, аккумулятор перестаёт действовать. Зарядить аккумулятор (батарею аккумуляторов) можно от любого источника постоянного тока с бо́льшим напряжением при ограничении тока. Стандартным считается зарядный ток (в амперах) в 1/10 номинальной ёмкости аккумулятора (в ампер⋅часах). Многие типы аккумуляторов имеют различные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке и последующей эксплуатации, например NiMH-аккумуляторы чувствительны к перезаряду, литиевые — к переразряду, напряжению и температуре. NiCd- и NiMH-аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, заключающийся в снижении ёмкости, в случае когда зарядка осуществляется при не полностью разряженном аккумуляторе. Также эти типы аккумуляторов обладают заметным саморазрядом, то есть они постепенно теряют заряд, даже не будучи подключенными к нагрузке. Для борьбы с этим эффектом может применяться капельная подзарядка.

Типы аккумуляторов

  • Железно-воздушный аккумулятор
  • Железно-никелевый аккумулятор
  • Лантан-фторидный аккумулятор
  • Литий-железно-сульфидный аккумулятор
  • Литий-железно-фосфатный аккумулятор
  • Литий-ионный аккумулятор (Li-Ion)
  • Литий-воздушный аккумулятор (lithium-air, Li-air)
  • Литий-полимерный аккумулятор
  • Литий-фторный аккумулятор
  • Литий-хлорный аккумулятор
  • Литий-серный аккумулятор
  • Натрий-никель-хлоридный аккумулятор
  • Натрий-серный аккумулятор
  • Никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd)
  • Никель-металл-гидридный аккумулятор (NiMH)
  • Никель-цинковый аккумулятор
  • Свинцово-водородный аккумулятор
  • Свинцово-кислотный аккумулятор
  • Серебряно-кадмиевый аккумулятор
  • Серебряно-цинковый аккумулятор
  • Цинк-бромный аккумулятор
  • Цинк-воздушный аккумулятор
  • Цинк-хлорный аккумулятор
  • Никель-водородный аккумулятор

Новые технологии

Электрическая батарейка от электрического угря

Исследователи из Мичиганского и Фрибурского университетов сообщают в 2017 году в своей статье в Nature, что им удалось сконструировать источник тока, работающий по тому же принципу, что и электрический орган электрического угря. У угрей электрические органы состоят из множества клеток, через которые проходит поток положительных ионов калия и натрия; в результате у каждой клетки появляется положительно заряженный полюс (направленный к голове рыбы) и отрицательно заряженный полюс (направленный к хвосту). В каждой клетке создается напряжение около 150 милливольт, но все вместе, уложенные друг за другом, подобно батарейкам, они генерируют сотни и сотни вольт[1].

Нечто похожее сделали Майкл Майер (Michael Mayer) и его коллеги. Вместо живых клеток они использовали ячейки, заполненные гидрогелем-полимером, удерживающим воду. Гидрогель в ячейках удерживает либо чистую воду, либо воду с солями, распадающимися в растворе на положительные и отрицательные ионы. Стенки ячеек сделаны из полупроницаемой мембраны, которая пропускает эти ионы туда и обратно. Когда ячейки соприкасаются друг с другом, ионы в них начинают двигаться в разные стороны, и возникает электрическое напряжение.

Электрические ячейки, наполненные гидрогелями с водой и солями. (Фото: Thomas B. H. Schroeder, Anirvan Guha.)
Электрические ячейки, наполненные гидрогелями с водой и солями. (Фото: Thomas B. H. Schroeder, Anirvan Guha.)

Гидрогели в ячейках отличаются по собственному составу и по составу растворов, которые они удерживают; если сравнивать с электрическими клетками угрей, то одной клетке соответствуют четыре ячейки (на фото они обозначены разными цветами). Один блок из четырёх ячеек дает от 130 до 185 милливольт, в эксперименте удалось сделать большую «батарейку» из нескольких сотен ячеек, которые в сумме давали 110 вольт.

Но главная хитрость здесь в том, как батарейку заставляли работать. Искусственные электрические клетки в одном случае распределили между двумя эластичными полимерными листами: накладывая листы друг на друга, ячейки можно было совместить в нужном порядке (как на фото 2). В другом варианте их всех помещали на один и тот же лист, но так, чтобы их можно было совместить, сложив лист несколько раз (как на фото 3). Когда оба листа сжимали, или когда сдавливали сложенный лист, возникал контакт сразу между всеми ячейками – и всех ячейки работали одновременно.

Предполагается, что подобные батарейки можно будет использовать для питания различных биомедицинских устройств, и, более того, что такие батарейки смогут использовать естественную заряженность некоторых внутренних тканей и органов. «Угреподобные» аккумуляторы более гибкие и их проще сделать биосовместимыми, чтобы они не раздражали живые клетки. Проблема, однако, в том, что пока напряжение, которое они дают, не очень велико, хотя авторы изобретения полагают, что в ближайшем времени им удастся заставить их батареи генерировать ток такого же напряжения, что и настоящие электрические угри.

Батарея-спрей

Исследователи из Университета Райса в Хьюстоне (Rice University) представили в 2016 году прототип батареи, которая наносится как спрей, что может кардинально изменить подход к дизайну портативных электронных устройств.

Такая батарея является заряжаемой и имеет те же самые электрические характеристики, что и литий-ионные батареи, которые встроены во все мобильные гаджеты, но сама батарея может наноситься практически на любую поверхность с помощью обычного распылителя для краски, заявила Нилам Синг (Neelam Singh), выпускница университета, которая возглавляет команду исследователей на протяжении более чем года.

Сегодня литий-ионные батареи при всем многообразии устройств, где они используются, выглядят примерно одинаково: это съемные прямоугольные блоки с электродами на одном конце. Поскольку эти батареи не гнутся, они серьезно ограничиваются дизайнеров портативных устройств в выборе новых форм-факторов, особенно изогнутых, но теперь ситуация может измениться. «Батареи нового типа смогут изготавливаться непосредственного в форме того пространства, которое остается в устройстве свободным», - отметила Синг.

Батарея распыляется в виде пяти слоев: одни из которых работают как катод, другие как анод, также присутствует полимерный сепаратор. Ученые заявили, что у них были проблемы с подбором краски, которая изначально не была влагоустойчивой и могла отстаиваться, но добавление полимеров и введение процедуры термической обработки решило этот вопрос.

В результате батарея нового типа может напыляться на пластик, металл и даже не керамику. В ходе эксперимента команда ученых напылила такую батарею на девять керамических плиток, которое обычно используют для отделки ванных комнат. Эти плитки объединили в аккумуляторную батарею, и их мощности хватило на 6 часов работы светодиодов, которыми они выложили название университета – «Rice».

В настоящий момент команда занялась патентованием своего изобретения. По словам Синг, дальнейшая работа будет проводиться над тем, чтобы даже не-профессиналы могли производить такие батареи в домашних условиях из подручных материалов. Кроме того, разработчики надеяться заинтересовать своим прототипов производителей электроники, так как считают, что производство таких батарей при современном уровне развития промышленности можно наладить очень быстро.

Электромобили