Аккумуляторы: энергия с собой

Связное объяснение, формулы, разобранные примеры и подготовка к уроку.

1. Что такое аккумулятор

Аккумулятор — устройство, которое запасает энергию благодаря химическим изменениям и может восстанавливать этот запас при зарядке. При разряде запас уменьшается, а электрическая энергия передаётся внешнему прибору. При зарядке энергия поступает извне: например, от электрической сети через подходящее зарядное устройство. Аккумулятор не производит энергию из ничего.

Одна электрохимическая ячейка содержит два электрода, электролит и другие детали. Батарея устройства может состоять из одной ячейки или из нескольких соединённых ячеек с электроникой и корпусом. В обычной речи словом «батарея» называют и отдельную ячейку. На этом уроке различаем ячейку как основной элемент и батарею как систему.

Похожий корпус не означает одинаковую химию. Обычные одноразовые элементы не предназначены для перезарядки. Перезаряжаемость, подходящее напряжение и допустимый способ зарядки определяют по маркировке и инструкции изготовителя, а не по размеру AA или наличию слова «литиевая».

2. От стеклянного прибора к переносной технике

В 1859 году французский исследователь Гастон Планте создал свинцово-кислотный аккумулятор. Он был тяжёлым, но показывал важную возможность: химическую систему можно заряжать снова. Свинцово-кислотная технология продолжила развиваться и используется, в частности, в стартерных батареях автомобилей. Художественная мастерская на странице не является точной копией прибора Планте.

Развитие литиевых аккумуляторов опиралось на вклад многих исследователей. В 1970-е годы Стэнли Уиттингем работал над электродными материалами. В 1980 году Джон Гуденаф предложил важный положительный электрод на основе оксида кобальта. В 1985 году Акира Ёсино создал практическую систему с углеродным отрицательным электродом. Литийионные аккумуляторы появились на рынке в 1991 году.

В 2019 году Гуденаф, Уиттингем и Ёсино получили Нобелевскую премию по химии за развитие литийионных аккумуляторов. Важным оказался не один удачный корпус, а сочетание электродных материалов, электролита, конструкции и управления.

История и материалы: NobelPrize.org

3. Электроды, электролит и сепаратор

Электроды — проводящие части ячейки, в материалах которых идут связанные с запасом энергии процессы. Условно обозначим отрицательный электрод слева знаком −, положительный справа знаком +. В распространённой литийионной ячейке материалы электродов могут принимать и отдавать ионы лития без полного разрушения своей структуры при каждом рабочем цикле.

Электролит обеспечивает движение ионов между электродами. Сепаратор — тонкий пористый изолирующий слой между ними: он препятствует прямому соприкосновению электродов. Через поры, содержащие электролит, могут проходить ионы. Если электроды непосредственно соединятся внутри, возникнет короткое замыкание: полезный внешний путь будет обойдён.

В цилиндрическом корпусе тонкие слои электродов и сепаратора могут быть свёрнуты в рулон. В пакетных и других ячейках устройство и форма отличаются. Изображение разреза показывает общую идею слоёв; точные пути ионов и электронов объясняет отдельная учебная схема. Цвета материалов условные.

4. Почему прибор работает при разряде

Когда совместимый прибор подключён к заряженной ячейке, химические процессы поддерживают разность потенциалов между электродами. Электроны проходят по внешней цепи от отрицательного электрода через прибор к положительному. Прибор преобразует переданную электрическую энергию: например, в свет, движение, вычисления и тепло.

В нашей модели литийионной ячейки ионы Li⁺ при разряде движутся внутри от отрицательного электрода к положительному. Электроны не идут тем же внутренним путём через электролит. Два пути связаны одним процессом, который поддерживает перенос заряда. Это принципиально отличается от представления «внутри накоплены свободные электроны, которые просто выливаются наружу».

Условное направление электрического тока во внешней цепи противоположно направлению электронов. В других химических системах движущиеся ионы и реакции отличаются. Схема не показывает реальные размеры, концентрации или скорость отдельных частиц.

Общий принцип: Department of Energy

5. Зарядка: внешняя энергия меняет состояние

При зарядке подходящее устройство обеспечивает напряжение и управление током, необходимые этой батарее. Оно расходует внешнюю энергию, чтобы изменить химическое состояние ячейки в сторону большего запаса энергии. В выбранной литийионной модели ионы возвращаются к отрицательному электроду, а направление движения электронов во внешней цепи меняется относительно разряда.

Не вся энергия зарядного устройства остаётся в батарее. Часть рассеивается как тепло в преобразователе, проводниках и самой ячейке. На странице направление стрелок меняется кнопками «Разряд» и «Зарядка». Ползунок показывает условный ход процесса, а не секундомер зарядки или точный датчик состояния.

В электрохимии анод — электрод, где идёт окисление, катод — где идёт восстановление. При смене режима эти роли меняются. В описаниях батарей названия часто закрепляют по разряду. Поэтому на основной схеме использованы однозначные знаки + и −.

6. Почему аккумуляторы бывают разными

Материалы определяют рабочее напряжение, запас энергии относительно массы, допустимые токи, температурные условия и другие свойства. Нет одной химической системы, которая была бы лучшей для любой задачи. Батарея телефона, стартерная батарея и стационарный накопитель могут решать разные задачи при разных ограничениях.

Для свинцово-кислотной ячейки характерно номинальное напряжение около 2 В. Шесть последовательных ячеек дают знакомую номинальную батарею 12 В. Никель-металлгидридная ячейка обычно имеет около 1,2 В. В наших литийионных расчётах принято 3,7 В, но это не значение для всех Li-ion: например, для многих литий-железо-фосфатных ячеек номинальное напряжение около 3,2 В.

Номинальное напряжение — удобная характеристика, а не обещание неизменного напряжения в любой момент. Оно меняется с состоянием заряда и нагрузкой. Поэтому нельзя выбирать замену или зарядник по одному числу или похожей форме.

NiMH: техническое руководство Panasonic · Свинцовые батареи: Yuasa

7. А·ч, мА·ч, Вт·ч и ватты

Ампер-час — единица электрического заряда. При постоянном токе Q = I × t. Один ампер-час равен 3600 кулонам. Надпись 2000 мА·ч означает 2 А·ч по условиям измерения изготовителя; она сама по себе не сообщает запас энергии или точное время работы устройства.

2000 mAh = 2 Ah; 1 Ah = 3600 C

Ватт — единица мощности: скорости передачи или преобразования энергии. Ватт-час — единица энергии. При постоянном напряжении приближённо E = U × Q, если U дано в вольтах, а Q в ампер-часах. Напряжение реальной ячейки меняется, поэтому произведение номинальных величин даёт оценку, а не точный результат для любого режима.

E ≈ U × Q; 1 Wh = 3600 J

Пример: 10 000 мА·ч = 10 А·ч. При 3,7 В запас около 37 Вт·ч, а при 7,4 В — около 74 Вт·ч. Число мА·ч одинаковое, но запас энергии отличается вдвое. Для сравнения батарей разных напряжений удобнее переходить к ватт-часам.

8. Разобранный расчёт времени работы

Возьмём учебную батарею 10 А·ч при номинальных 3,7 В и прибор с постоянной мощностью 5 Вт. Без потерь оценка времени была бы 37 / 5 = 7,4 часа. Если КПД преобразования принят равным 85%, полезная энергия составит 37 × 0,85 = 31,45 Вт·ч, а время — 31,45 / 5 = 6,29 часа.

E ≈ 3.7 × 10 = 37 Wh; Euse = 37 × 0.85 = 31.45 Wh; t ≈ 31.45 / 5 = 6.29 h

Если увеличить мощность вдвое при тех же условиях, оценка времени уменьшится вдвое. Если удвоить запас энергии, время увеличится вдвое. Эти выводы относятся к модели с постоянной мощностью и постоянным КПД. Реальный телефон изменяет потребление из-за экрана, связи, вычислений и фоновых процессов.

Не включены изменение напряжения, саморазряд, температурные эффекты, потери внутри прибора и его порог отключения. Число не следует выдавать за гарантированное время работы реального товара.

9. Почему пауэрбанк на 10 000 мА·ч не всегда даёт две зарядки

На пауэрбанке ёмкость часто указана для его внутренних ячеек. На USB-выходе напряжение другое, и преобразование даёт потери. Поэтому сравнивать только 10 000 мА·ч пауэрбанка и 5000 мА·ч телефона недостаточно. Нужно знать, к какому напряжению относятся эти величины.

В нашем примере пауэрбанк хранит около 37 Вт·ч и передаёт после преобразования 31,45 Вт·ч. Телефон имеет 5 А·ч при 3,85 В: его номинальная полная ёмкость по энергии около 19,25 Вт·ч. Деление 31,45 / 19,25 даёт примерно 1,63 эквивалента полной ёмкости телефона. Это расчёт энергии, а не количество событий подключения кабеля.

Ephone ≈ 3.85 × 5 = 19.25 Wh; N ≈ 31.45 / 19.25 ≈ 1.63

В реальности число зависит также от начального заряда телефона, использования во время зарядки, дополнительных потерь и состояния обеих батарей. При условном USB-выходе 5 В энергия 31,45 Вт·ч соответствует примерно 6,29 А·ч на выходе. Это ещё один способ увидеть, почему входные и выходные мА·ч различаются.

10. Последовательно и параллельно

В модели используются одинаковые согласованные ячейки 3,7 В и 2 А·ч. При последовательном соединении напряжения складываются, а ёмкость в А·ч для таких ячеек сохраняется. Две ячейки последовательно дают около 7,4 В и 2 А·ч: запас энергии примерно 14,8 Вт·ч.

При параллельном соединении одинаковых ячеек номинальное напряжение остаётся тем же, а ёмкости в А·ч складываются. Две параллельные ячейки дают 3,7 В и 4 А·ч: снова около 14,8 Вт·ч. Перестановка соединения не создаёт дополнительную энергию, но меняет сочетание напряжения и ёмкости.

U ≈ 3.7 × S; Q ≈ 2 × P; E ≈ 7.4 × S × P

Буква S показывает число последовательных групп, P — число параллельных ячеек в группе. Четыре ячейки можно представить как 1S4P, 2S2P или 4S1P. Во всех трёх идеализированных вариантах запас около 29,6 Вт·ч. Реальной батарее нужны согласование ячеек, защита, контроль температуры и подходящая зарядная система. Учебная сетка не является инструкцией для самостоятельной сборки.

11. Циклы, заряд и состояние

Одно подключение к зарядке не обязательно означает один полный цикл. Для наглядной оценки можно складывать использованные доли полной ёмкости: два расхода по 50% дают 100%, то есть один эквивалентный полный цикл. Четыре расхода по 25% дают такой же результат. Подробные методы подсчёта в испытаниях могут различаться.

SOC описывает степень заряженности сейчас. SOH — оценку состояния относительно новой батареи; она может включать доступную ёмкость и другие параметры. Если старая батарея показывает 100% SOC, это 100% её нынешнего доступного запаса, а не возвращение первоначальных возможностей.

Старение зависит не только от числа циклов, но и от времени, температуры, токов и режимов хранения и работы. Нельзя из нашей суммы процентов вывести точное число лет службы. Универсальный совет о единственном «правильном» диапазоне заряда для всех химических систем также неверен: следуй рекомендациям изготовителя конкретного устройства.

12. Что это изменило для людей

Аккумуляторы позволили многим приборам работать вдали от розетки: связь, навигация, фотография, измерения и инструменты стали переносными. В электромобиле большая батарея питает тяговую систему. Её можно разместить под полом, но реальные компоновки и системы охлаждения различаются.

В энергетике накопитель помогает перенести часть полученной энергии во времени. Например, избыток дневной выработки солнечной установки можно запасать и использовать вечером. Накопитель ограничен мощностью и доступной энергией, а на разных этапах возникают потери. Он не заменяет источник энергии и не гарантирует питание на неограниченное время.

Материалы, добыча, производство, долговечность и переработка тоже важны. «Без бензина» не означает «без воздействия на окружающую среду». Оценивать технику полезно по всему жизненному циклу и по тому, откуда пришла энергия для зарядки.

13. Совместимость, повреждения и сбор

Совпадение разъёма не доказывает, что зарядник подходит. Требования определяются химией батареи, количеством ячеек, электроникой и устройством. Используй зарядные устройства и замены, одобренные изготовителем. Если совместимость неясна, уточни её у изготовителя или специалиста.

Не замыкай контакты, не прокалывай и не нагревай батарею. Повреждённую или вздутую батарею нельзя проверять повторной зарядкой или самостоятельно выпрямлять. Прекрати использование, следуй указаниям изготовителя и обратись к взрослому или специалисту. Этот урок предназначен для экранного исследования, а не разборки настоящих ячеек.

Даже использованная батарея может хранить энергию. Передавай её в специализированный пункт, который принимает соответствующий тип батарей или устройств, с учётом местных правил. Не клади литийионные батареи в обычный мусор или общий контейнер для бумаги и пластика. Встроенную батарею, которую изготовитель не предусматривает снимать самостоятельно, сдавай вместе с устройством.

Совместимость: CPSC · Отдельный сбор: EPA

14. Самопроверка и заметки учителю

1. Батареи 5000 мА·ч при 3,7 В и 2500 мА·ч при 7,4 В: где больше энергии?

В нашей номинальной модели одинаково: 3,7 × 5 = 18,5 Вт·ч и 7,4 × 2,5 = 18,5 Вт·ч. Одного числа мА·ч недостаточно.

2. Четыре ячейки 3,7 В и 2 А·ч соединены как 2S2P. Найди три характеристики.

Напряжение около 7,4 В, ёмкость 4 А·ч, энергия около 29,6 Вт·ч. Для идеальных согласованных ячеек.

3. Четыре раза использовано по 25% ёмкости. Сколько эквивалентных циклов?

25% × 4 = 100%, то есть один эквивалентный полный цикл. Это не точный прогноз износа.

4. Можно ли по разрезу цилиндрической ячейки определить её химическую систему?

Нет. Геометрия не задаёт точный состав. Нужны маркировка и технические сведения изготовителя.

Типичные ошибки: путать мощность и энергию; считать мА·ч единицей энергии; забывать перевод в А·ч; считать зарядку созданием энергии; рисовать электроны внутри электролита; приписывать всем Li-ion напряжение 3,7 В; считать каждое подключение кабеля полным циклом; принимать художественный разрез за схему конкретной модели.

Учителю: начните с вопроса о двух пауэрбанках с одинаковыми мА·ч и разным напряжением. Попросите предсказать результат, затем сравнить ватт-часы. На схеме дайте ученику два задания: назвать путь электрона и путь иона, после чего смените режим. В сборке сравните три варианта из четырёх ячеек: энергия одинакова в модели, но характеристики питания отличаются.

Для базового уровня достаточно понятий ячейка, зарядка, разряд, два пути частиц и Вт·ч. Для углубления используйте А·ч = 3600 Кл, различие SOC/SOH и смысл слов анод/катод. Все вычисления опираются на явно заданные допущения. Практическая часть проводится на экране, без вскрытия, нагрева и сборки настоящих батарей.