Основные термины

Аккумуляторы для портативных устройств связи

Топливные элементы с твердым электролитом (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)

Топливные элементы с электролитом из расплава карбоната лития и натрия (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)

Данный тип топливных элементов относится к высоко­температурным устройствам. В них применяется электро­лит, состоящий из карбоната лития (Li₂CO₃) либо карбо­ната натрия (Na₂CO₃), находящегося в порах керамичес­кой матрицы. В качестве материала для анода использу­ется никель, легированный хромом, а для катода — литированный оксид никеля (NiO+LiO₂). При нагревании до температуры порядка 650 °С компоненты электролита рас­плавляются, в результате чего образуются ионы углекис­лой соли, движущиеся от катода к аноду, где они вступа­ют в реакцию с водородом:

CO₃^2-+H₂→H₂O+CO₂+2e.

Высвободившиеся электроны движутся по внешней цепи обратно к катоду, где происходит реакция:

CO₂+1/2 O₂+2e→CO₃^2-.

Высокая рабочая температура данных элементов позво­ляет применять в качестве топлива природный газ (метан), преобразуемый встроенным конвертором в водород и мо­нооксид углерода:

CH₄+H₂O↔CO+3H₂.

МСFС-элементы обладают высоким КПД (до 60"о) и позво­ляют использовать в качестве катализатора не платину, а бо­лее дешевый и доступный никель. Вследствие большого ко­личества выделяемого при работе тепла данный вид топлив­ных элементов хорошо подходит для создания стационарных источников электрической и тепловой энергии, однако ма­лопригоден для эксплуатации в мобильных условиях. В на­стоящее время на базе МСFС-элементов уже созданы ста­ционарные энергоустановки мощностью до 2 МВт.

Данный тип элементов имеет еще более высокую рабочую температуру (от 800 до 1000 °С), чем вышеописанный МСFС. В SOFC применяется керамический электролит на основе ок­сида циркония (ZrO₂), стабилизированного оксидом иттрия (Y₂O₃). На катоде происходит электрохимическая реакция с образованием отрицательно заряженных ионов кислорода:

O₂+4e→2O^2-.

Отрицательно заряженные ионы кислорода движутся в элек­тролите по направлению от катода к аноду, где происходит окисление топлива (обычно — смеси водорода с моноокси­дом углерода) с образованием воды и углекислого газа:

H₂+2O^2-→H₂O+2e,

CO+2O^2-→CO₂+2e.

Элементы типа SOFC обладают теми же достоинствами, что и МСFС, включая возможность использования в качестве топ­лива природного газа. Компоненты SOFC обладают более вы­сокой химической стабильностью, однако себестоимость их производства несколько выше по сравнению с MCFC.

Лекция 12

При зарядке и разрядке аккумуляторов про­текающий через него ток удобно выражать в значениях, кратных Сн, где Сн — ток, числен­но равный номинальной емкости (например, Сн для аккумулятора емкостью 1,2 А·ч равно 1,2 А). Номинальная емкость — это емкость полностью заряженного аккумулятора при температуре 20 0С. Скорости зарядки и разряд­ки обычно выражаются в величинах, кратных долям Сн, и в зависимости от этой величины строятся кривые заряда-разряда аккумулятор­ных батарей. Ниже мы объясним это более подробно, а пока отметим, что если разрядка аккумулятора определяется током потребле­ния конкретного мобильного устройства, то скорости зарядки варьируются в зависимос­ти от различных зарядных устройств (режимов зарядки). Известны такие режимы, как быст­рая зарядка, зарядка малым током («капель­ная»), стандартная, ускоренная и др. Проще говоря, режим быстрой зарядки производит­ся током от Сн до 4Сн, зарядка малым током предполагает использование токов от С_н/50 до С_н/10, стандартная зарядка идет от С_н/20 до С_н/ 10, а ускоренная зарядка — от Сн/5 до С_н/3.

Отметим также влияние температуры окру­жающей среды на форму разрядных кривых и на реальную емкость аккумуляторов. Рас­смотрим функциональную эффективность типичного никель-металлгидридного аккуму­лятора (NiМН) в зависимости от температуры. Такая батарея рассчитана, как правило, на 500-600 циклов зарядки-разрядки. При этом изменение разрядной емкости при изменении рабочей температуры среды прямо пропорци­онально значениям изменения температуры (t) и может быть оценено по следующей форму­ле в процентах: Сн = 90 + 0,77 t(%).

При разрядной емкости 80-90% от номи­нальной производитель гарантирует 500 циклов «заряд-разряд» (хотя в среднем мы можем получить и большее число циклов). По своим обобщенным зарядно-разрядным характеристикам NiМН-аккумуляторы подобны никель-кадмиевым (NiCd), но превы­шают последние в 1,5-2 раза по удельной емкости, однако температурный режим эк­сплуатации NiМН-аккумуляторов все же не­сколько уже, чем у никель-кадмиевых, и га­рантированное число циклов заряда-разря­да меньше. Кроме того, на форму разрядных кривых и на величину емкости современных литий-ионных аккумуляторов изменение температуры среды не оказывает такого зна­чительного влияния, как на NiCd- и NiМН-аккумуляторы.

Классификация аккумуляторов

Аккумуляторные батареи используются в автономных источниках энергии в самых раз­ных областях. Требования, которые могут предъявляться к этим устройствам, тоже раз­личаются довольно значительно. При выборе конкретного типа аккумулятора с потребитель­ской точки зрения во внимание принимаются следующие характеристики:

рабочее напряжение;

планируемый режим разряда (постоянный или импульсный разряд);

максимальный ток разряда;

температурный режим при разряде;

допустимый режим заряда (стандартный, ускоренный, быстрый или режим постоян­ного подзаряда. называемый также буфер­ным);

масса и габаритные характеристики;

срок службы.

К тому же в тех случаях, когда заряженные батареи могут некоторое время храниться без использования, необходимо обращать внима­ние также на скорость саморазряда аккумуля­торов.

В зависимости от электрохимической тех­нологии можно выделить следующие основ­ные типы современных источников тока для мобильных устройств:

герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы (SLA);

никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd);

никель-металлгидридные аккумуляторы (NiMH);

литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion);

литий-полимерные аккумуляторы (Li-Ро1).
Из более редких типов аккумуляторов мож­но также назвать:

никель-цинковые аккумуляторы;

серебряно-цинковые аккумуляторы;

серебряно-кадмиевые аккумуляторы;

топливные элементы питания.

Дата добавления: 2014-01-07