17.2 Сравнение химических источников тока различных электрохимических систем

При выборе химического источника тока обычно учитываются следующие их характеристики.

1. Условия эксплуатации:

   1. Режим разряда (непрерывный, прерывистый, импульсный);

   2. Характер нагрузки (постоянный ток, постоянное сопротивление, постоянная мощность);

   3. Режим работы аккумуляторов (циклирование, буферный режим, хранение с периодическим подзарядом)

2. Характеристики источников тока:

   1. Требуемая мощность;

   2. Электрические характеристики (напряжение в начале разряда, стабильность напряжения при постоянной нагрузке, напряжение в конце разряда, устойчивость разрядной характеристики при изменении режимов разряда);

   3. Конструктивные характеристики (весогабаритные параметры, конфигурация корпуса, тип выводов);

   4. Срок службы;

   5. Параметры хранения (срок хранения, температура, допустимая величина саморазряда);

   6. Стоимость

3. Условия окружающей среды при эксплуатации:

   1. Диапазон рабочих температур;

   2. Влажность.

Солевые марганцево-цинковые элементы являются наиболее дешевыми из всех типов гальванических элементов. Однако их энергетические возможности сильно зависят от скорости разряда (от сопротивления нагрузки), а напряжение существенно меняется на всем протяжении разряда. Эти элементы обладают небольшим сроком службы (до 5 лет с момента изготовления).

Щелочные марганцево-цинковые элементы обладают более стабильными электрическими характеристиками и обеспечивают большую работоспособность. Срок службы достигает 10 лет с момента изготовления. Однако стоимость таких элементов в 2-3 раза выше, чем в предыдущем случае.

Литиевые гальванические элементы имеют хорошие энергетические характеристики, определяемые их высоким рабочим напряжением, стабильностью в широком диапазоне разрядных токов, работоспособностью в более широком диапазоне температур. Срок службы этих элементов достигает 10 лет. Кроме того, эти элементы способны отдавать большие разрядные токи даже после длительного хранения. Стоимость таких элементов в настоящее время достаточно велика, но имеет тенденцию к снижению по мере совершенствования технологии их разработки.

Ртутно-цинковые элементы характеризуются высокими удельными энергетическими характеристиками (до 120 Втч/кг или до 500 Втч/дм³) и обладают стабильным разрядным напряжением. Высокая стабильность разрядного напряжения позволяла использовать их как источники опорного напряжения. Однако эти элементы имеют достаточно высокое внутреннее сопротивления, и поэтому являются слаботочными. Кроме того, наличие в этих элементах токсичной ртути делает их опасными для окружающей среды. Последняя причина привела с значительному сокращению выпуска таких элементов в мире. Вместо ртутно-цинковых элементов рекомендуется использовать серебряно-цинковые или литиевые гальванические элементы.

Серебряно-цинковые элементы обладают высокими энергетическими характеристиками, близкими к характеристикам ртутно-цинковых элементов, стабильностью разрядной характеристики при высоком рабочем напряжении и длительным сроком хранения (от 5 до 10 лет). Слабо чувствительны к повышению токовой нагрузки. Из-за дефицитности серебра достаточно дороги и применяются в основном в ручных электронных часах.

Воздушно-цинковые элементы имеют стабильное рабочее напряжение (1,4 В) которое не изменяется практически до полного исчерпания емкости. Имеют большой срок хранения (до 5 лет), но после вскрытия воздушного отверстия срок хранения существенно уменьшается (до 1-2 лет). Стоимость их невысока. В настоящее время применяются в основном для слуховых аппаратов.

Сравнительные характеристики гальванических элементов основных электрохимических систем приведены в табл.17.5.

Таблица17.5. Сравнительные характеристики гальванических элементов различных электрохимических систем

Характеристика	Электрохимическая система
	Mn-Zn	Литиевые	Hg-Zn	Ag-Zn	Воздушно-Zn
Рабочее напряжение, В	1,2…1,25	1,5…3,6 (в зависимости от типа системы)	1,22…1,35	1,2…1,45	1,35…1,40
Типичная емкость, А·ч	0,06…20	0,02…11	0,03…2,8	0,004…0,185	0,05…6,5
Диапазон рабочих температур, 0С	-20…+50	-60…+70	0…+50	0…+40	+5…+40
Весовая удельная энергия, Втч/кг	до 90	250…600	100…120		150…460
Объемная удельная энергия, Втч/дм3	100…200	400…1100	400…500
Срок хранения, годы	2…8	5…10	5…10	3…8	3…5 (1..2 при вскрытии отверстия)
Форма разрядной кривой	наклонная	плоская	плоская	плоская	плоская
Особенности эксплуатации	Малые нагрузки, прерывистый режим	Малые нагрузки, прерывистый и непрерывный режим	Очень малые нагрузки, непрерывный режим	Малые токи, непрерывный режим	Малые токи, непрерывный режим

Щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы являются распространенными и относительно дешевыми видами перезаряжаемых источников тока. Они имеют относительно пологую разрядную характеристику с рабочим напряжением 1,2..1,25 В. Удельная энергия таких аккумуляторов относительно низкая, особенно для дисковой конструкции. Имеют относительно большую величину саморазряда и обычно эксплуатируются при разрядных токах не превышающих 1С_Н.

Щелочные никель-металлогидридные аккумуляторы имеют более высокие энергетические характеристики по сравнению с никель-кадмиевыми. Однако они имеют более узкий температурный диапазон, несколько больший саморазряд и более чувствительны к перегреву, что требует встраивания в батареи таких аккумуляторов систем защиты. Стоимость их обычно на 30…50 % выше. В связи с отсутствием в них токсичного кадмия в последнее время вытесняют никель-кадмиевые аккумуляторы.

Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют более высокое рабочее напряжение, и выпускаются, как правило, в виде батарей, состоящих из 3 и 6 аккумуляторов с напряжением 6 и 12 В. Стоимость их энергии обычно низкая, допускается большой разрядный ток, однако они имеют низкие энергетические характеристики и значительно меньший срок службы. Обладают значительным весом.

Литий-ионные аккумуляторы имеют самое высокое рабочее напряжение по сравнению со всеми другими типами перезаряжаемых источников тока. Однако стоимость их высока, они требуют специальных устройств защиты от перезаряда. Обладают самой высокой отдачей по емкости и очень малый саморазряд, неплохие весогабаритные показатели.

Серебряно-цинковые аккумуляторы обладают способностью отдавать очень большие разрядные токи в пределах малых времен разряда. Обладают хорошими энергетическими характеристиками и широким диапазоном температур. Обладаю самой большой стоимостью.

Сравнительные характеристики перезаряжаемых ХИТ основных электрохимических систем приведены в табл.17.6.

Таблица17.6. Сравнительные характеристики аккумуляторов различных электрохимических систем

Характеристика	Электрохимическая система
	Ni-Cd	Никель-металло-гидридные	Свинцово-кислотные	Литий-ионные	Ag-Zn
Рабочее напряжение, В	1,2	1,2	2,0	3,6	1,5
Типичная емкость, А·ч	0,03…20	0,05…13,5	0,7…20	0,4…6	0,08…120
Диапазон рабочих температур, 0С	-20…+60	-10…+40	-15…+50	-20…+60	-40…+60
Весовая удельная энергия, Втч/кг	30…60	40…80	25…50	100…180	35…100
Объемная удельная энергия, Втч/дм3	100…170	150…240	55…100	250…400	120…170
Срок хранения, годы	5	1…2	1…3	3…6	3…8
Число циклов заряд-разряд	500…1000	500	200	500…1000	100…200
Форма разрядной кривой	плоская	плоская	наклонная	плоская	плоская
Коэффициент отдачи по емкости, %	60…90	60…90	80…85	90…100	80…90
Особенности эксплуатации	Ток разряда 3…8СН. Возможен быстрый заряд. При неглубоком разряде требуется разряд до 1 В	Ток разряда 3…8СН. Возможен быстрый заряд. При неглубоком разряде требуется разряд до 1 В. Требуется защита от перегрева	При значительном увеличении тока разряда происходит значительное снижение емкости	Возможен разряд при различных токах. Возможен очень быстрый заряд. Требуется защита от перезаряда и перегрева.	Возможны кратковременные токи разряда до 10СН. Наиболее дорогие.