Корисні поради - як відновити акумулятор
Принцип дії акумулятора
Акумулятор (від лат. Accumulatio - накопичення) -
пристрій накопичення енергії для її подальшого використання.
Електричний акумулятор (далі - просто «акумулятор») накопичує
енергію за рахунок оборотного хімічного процесу - перетворює при
зарядці електричну енергію в хімічну, а потім у міру потреби
віддає її споживачеві. Акумуляторна батарея є набором
послідовно з'єднаних акумуляторів і може додатково
забезпечуватися вбудованими логічними елементами, термодатчиками і
запобіжниками, які дозволяють контролювати процес зарядки.
Основні принципи дії хімічних джерел електричного струму
були відкриті ще в кінці 18 століття, і всі сучасні акумулятори
виготовлені на їх основі, а конструкція з того часу практично не
змінилася - з'явилися лише нові матеріали і технології, що дозволили
зменшити розміри і підвищити ємність батарей.
Якщо в електроліт (розчини кислот, лугів або солей, а також
розплави солей, в яких присутні вільні іони - частини молекул з
позитивним або негативним зарядом) занурити два електрода з
різних матеріалів (з різним хімічним потенціалом), то на них почнеться
осадження заряджених іонів. При цьому на аноді - електроді з
негативним хімічним потенціалом (наприклад, графитовом стрижні) -
будуть осідати позитивні іони (катіони), і він стане позитивним
полюсом акумулятора. Відповідно на другому електроді - катоді
(Наприклад, цинкової банку) - осядуть негативні іони (аніони), і він
стане негативним полюсом. цей електрохімічний
окислювально-відновний процес називається «гальванічним» (на честь
Луїджі Гальвані - італійського вченого, який відкрив виникнення
різниці потенціалів при контакті металу з електролітом). На цьому
принципі заснована робота гальванічних елементів живлення - як
одноразових (елементів «першого роду», елементів Лекланше), так і
перезаряджаються (елементів «другого роду» - акумуляторів), а також
паливних елементів, в яких електроліт для реакції подається
безперервно.
Перезарядка акумуляторів можлива за рахунок оборотності хімічних
процесів при пропущенні електричного струму. При цьому відбувається
процес відновлення матеріалу електродів і насичення електроліту
(Повернення осіли на електродах іонів в розчин). Так як хімічні
процеси окислення-відновлення є досить повільними і
супроводжуються виділенням тепла (акумулятори при зарядці і швидкої
розрядці гріються, кислотні можуть закипіти, а літієві - навіть
вибухнути), то зарядка є досить тривалим процесом (8-16
годин). Природно, і віддати енергію відразу акумулятори не здатні. В
цьому їхня відмінність від конденсаторів, які не є гальванічними
елементами - вони тільки накопичують заряд на поверхні обкладок,
набагато менший, ніж може зберігати електроліт в тому ж обсязі, але зате
можуть і віддати весь заряд практично миттєво.
Ефект «пам'яті» акумуляторів
Основна проблема Ni-Cd акумуляторів - це ефект «пам'яті» рівня
заряду: якщо такий елемент розрядити в повному обсязі, то на аноді
утворюються кристали кадмію, що зменшують корисну ємність батареї. при
досягненні того ж «неповного» рівня при наступній розрядці напруження
впаде точно так же, як якби акумулятор був повністю розряджений. для
відновлення первісної ємності необхідно проводити
«Розгойдування», цикли «повна зарядка - повна розрядка». Причому, так
як електронні прилади при падінні напруги просто відключаються, то
для «глибокої» розрядки необхідна наявність електричного споживача,
не відключати при падінні напруги (наприклад, електрична
лампочка або реостат).
Причина «пам'яті» Ni-Cd акумуляторів - матеріал катода. для катода
ідеальним матеріалом є водень, але при кімнатній температурі і
атмосферному тиску він знаходиться в газоподібному стані. зате є
метали, що дозволяють пов'язувати в своїй структурі атомарний водень в
обсязі в 1000 разів перевищує їх власний. Це цинк, нікель і літій,
чиї з'єднання з воднем отримали назву «гідриди». Відповідно, у
Ni-MH акумуляторів нікелевий анод і нікель-гідридний катод. такі
акумулятори практично не мають пам'ять, є екологічно
чистими (за рахунок відсутності токсичних металів), мають більшу
ємністю (в 1,5-2 рази більше, ніж у Ni-Cd), також можуть витримувати струм
великої сили. Але у Ni-MH акумуляторів є і суттєві недоліки
в порівнянні з Ni-Cd. Ni-MH більш схильні до саморазрядка: при зарядці
до 1.4 В напруга падає до 1.2 В в перші години, а іноді і хвилини,
потім воно тримається постійним до повної розрядки. При цьому акумулятор
втрачає по 3-5% заряду на добу (80-100% на місяць), відповідно при
зберіганні їх необхідно щомісяця підзаряджати. Крім того, Ni-MH
акумулятори при зарядці сильно нагріваються, тому для них необхідно
наявність спеціальних зарядних пристроїв з контролем температури.
Боротьба за ємність
Крім підвищення ємності акумуляторів за рахунок застосування нових
речовин, можна підвищити питому ємність за рахунок більш раціонального
використання простору: батареї з елементами прямокутної або
плоскої форми дозволяють підвищити ємність на 20% в порівнянні з батареями
з циліндричних елементів. У таких «нестандартних» елементах замість
рідкого електроліту застосовується полімер (наприклад, такий композитний
матеріал, як поліакрилонітрил), який містить літієвий сіль.
Відповідно, такі елементи не потребують надійної герметичній
захисній оболонці, за рахунок чого знижується їх маса і підвищується питома
заряд.
Але і у літій-іонних акумуляторів ще не вичерпаний ресурс ємності.
Фахівцям з Sandia National Laboratories вдалося підвищити ємність
акумуляторних батарей в 10 разів за рахунок застосування кремній-вуглецевого
анода. Але вони зіткнулися з проблемою зниження ємності при кожній
подальшої зарядці, пов'язаної з руйнуванням анода під впливом
великого струму. Уповільнити руйнування анода і зменшення ємності вдалося
за рахунок застосування композитних матеріалів, більш стійких до дії
великого струму. Поки такі акумулятори знаходяться в стадії розробки, і
їх масовий випуск очікується в тому випадку, якщо вдасться уповільнити
зниження ємності до прийнятного рівня.
Алгоритм відновлення Ni-MH акумуляторів
Як було сказано вище, втрата ємності акумулятора пов'язана звідкладенням продуктів реакції на електродах. Для відновлення
акумулятора необхідно повернути ці продукти в початковий стан.
Для цього необхідно мати в наявності наступне:
- джерело живлення з плавним регулюванням напруги, індикаторами
сили струму і напруги (можна також скористатися окремими
вольтметром і амперметром); - підготовлені для зарядки акумуляторні елементи;
- навантаження - реостат або лампочку, опір яких необхідно підібрати виходячи з формули:
Бажано також мати в наявності термодатчик або термореле, щоб можна було вчасно відключити струм при перегріванні.
Перед зарядкою розрядимо акумулятор до напруги близько 1 В -
підключаємо вольтметр і навантаження паралельно елементу. періодично
контролюємо напруга (воно не повинно впасти нижче 0.9 В - можуть
початися незворотні процеси). Періодично контролюємо температуру -
вона не повинна підніматися вище 50 градусів Цельсія. В іншому випадку
необхідно відключати навантаження до тих пір, поки елемент не охолоне до
кімнатної температури. Після розрядки необхідно витримати час для
нормалізації процесів всередині елемента (15-20 хвилин). За цей час
елемент «регенерується», напруга підвищиться, і його можна доразрядіть
до напруги 0.9 В. Далі, почекавши 10 -15 хвилин, можна приступати до
зарядці.
Tips Tricks
Навіщо обжимають «сіли» батарейки
Якщо обжати корпус сіла батарейки, то устранятся порожнини між
електродами і електролітом, що виникли в процесі реакції. сам електроліт
розподілиться більш рівномірно. Збільшиться швидкість реакції і
відновиться струм. Таким чином, батарейка протягне ще деякий
час. Головне - не перестаратися і не замкнути електроди :).
Корисна інформація для автовласників. Взимку, при сильному морозі,
процеси в акумуляторі сповільнюються настільки, що сили струму навіть
повністю зарядженого акумулятора не вистачає для розкрутки стартера.
Звичайно, це також пов'язано з загустіння масла, тому для полегшення
запуску двигуна зазвичай відразу після вимкнення двигуна додають
трохи бензину в картер і роблять 5-10 обертів коленвала стартером (без
запуску двигуна), а запускають двигун з вичавленим зчепленням. але
підвищити струм акумулятора можна за рахунок нагріву, який можна
провести включенням на 10 -15 хвилин ламп ближнього світла. Під дією
споживача електроенергії акумулятор розігрівається, збільшується
швидкість хімічної реакції, зростає струм (що можна побачити по підвищенню
яскравості світіння фар). Цього струму цілком вистачить для запуску двигуна. І
ще: краще довше безперервно «крутити стартер», ніж намагатися запустити
двигун короткими включеннями. Кожне включення супроводжується різким
підвищенням струму, який падає в міру розкручування стартера, і чим менше
таких включень, тим довше пропрацює стартер від акумулятора, і тим
вище буде ймовірність успішного запуску.