X Школьные Харитоновские чтения

Международная научная конференция старшеклассников

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ АККУМУЛЯТОРОВ

METHODS FOR RESTORING RECHARGEABLE BATTERIES

Физика

Зимин Евгений Аркадьевич

г. СаровМОУ «Лицей №3»

11 класс

Научный руководитель:педагог судомодельного кружка

СЮТ г. Саров, к.т.н.Бойченко

Александр Леонидович

Саров2010 г.

Содержание1. История аккумуляторов2. Проблема эксплуатации аккумуляторов

3. Принцип восстановления

4. Способы восстановления

5. Цель работы

6. Методика исследования

7. Оборудование8. Полученные результаты9. Выводы10. Заключение11. Литература

2

1. История аккумуляторов

На планете Земля объявлена всеобщая "мобилизация", беспрецедентно растут продажи карманных ПК, ноутбуков, мобильных телефонов, цифровых диктофонов и прочей компактной техники. Но на самом деле, сейчас мобильность этих устройств ограничена. Любое современное мобильное устройство требует периодического подключения в сеть электропитания для заряда аккумуляторов.

История аккумуляторов начинается с 1859 г, когда Гастон Плантэ собрал первый свинцовый аккумулятор. Через 40 лет, в 1899 г. Вальдмар Джунгнер изобрел никель-кадмиевые аккумуляторы(Ni-Cd), которые стали активно применяться в быту. Их главными недостатками, несмотря на постоянное совершенствование конструкции, остались маленькая емкость(по сравнению со свинцовыми аккумуляторами), эффект памяти и неэкологичность.

Несмотря на близкое соседство на полках магазинах, в историческом плане между Ni-Cd и никель-металлгидридными(Ni-Mh) аккумуляторами лежит пропасть: последние были разработаны лишь в 1980-х годах. Интересно, что изначально исследовалась возможность хранения водорода для никель-водородных батарей, применяемых в космической технике и в военной промышленности, но в результате был получен один из самых распространённых в настоящее время в быту типов аккумуляторов.

В отличие от Ni-Cd батарей, Ni-Mh аккумуляторы не содержат тяжёлых металлов, а значит, безвредны для окружающей среды и не требуют специальной переработки при утилизации. Впрочем, это далеко не единственный их плюс: с точки зрения потребителей, куда важнее, что при тех же размерах Ni-Mh аккумуляторы имеют в два-три раза большую ёмкость — для наиболее распространённых аккумуляторов формата AA она доходит уже до 2500—2700mAh против 800—1000mAh у Ni-Cd. У Ni-Mh аккумуляторов есть и свои проблемы: во-первых, они имеют больший ток саморазряда по сравнению с Ni-Cd; во-вторых, хотя число циклов перезарядки может достигать 1000, падение ёмкости аккумулятора может наблюдаться уже после 200—300 циклов, в-третьих, слишком большие разрядные токи, использование при низких температурах, неправильное хранение заметно сокращают жизнь аккумулятора.

Тем не менее, по совокупности характеристик – стоимости, надёжности, ёмкости, простоте обслуживания — на данный момент Ni-Mh аккумуляторы являются одними из лучших, что и обусловило их применение в огромной массе бытовых устройств.

В последнее время в продаже появились также так называемые "Ready To Use" ("готовы к использованию") Ni-Mh аккумуляторы. От обычных они отличаются малым током саморазряда — производитель уверяет, что за полгода аккумулятор потеряет не более 10 % ёмкости, а за год — не более 15 % . Минусом таких аккумуляторов является меньшая ёмкость — элемент формата AA имеет ёмкость 2000—2100mAh против 2600 — 2700mAh для обычных Ni-Mh аккумуляторов.

3

Отрицательный электрод изготовляется из сплавов, поглощающих водород. Эти двухкомпонентные сплавы были открыты более 20 лет назад и способны связывать объемы водорода в тысячи раз больше собственного. Металлы, входящие в состав материала, принято обозначать буквами A и B, а все возможные комбинации классифицируют по соотношению компонентов, например AB, AB2, A2B, AB5 и т. д. В настоящий момент наилучшими считаются варианты AB2 (TiNi2, ZnMn2) и AB5 (например, LaNi5). В частности, сплавы, относящиеся к последнему типу, используются в продукции Matsushita Electric, которой принадлежит торговая марка Panasonic. Конструкция никель-металлгидридной батареи представлена на рис.1.

Рис.1 Конструкция Ni-Mh аккумулятора

Щелочной электролит не принимает участия в реакции, основанной на перемещении ионов водорода между электродами. В ходе зарядки гидроксид никеля (Ni(OH)2) превращается в оксигидрит (NiOOH), отдавая водород сплаву отрицательного электрода. Поглощение водорода не является изотермической реакцией, поэтому металлы для сплава всегда подбирают таким образом, чтобы один из них при связывании газа выделял тепло, а другой, наоборот, поглощал. Современные разработки в области совершенствования Ni-Mh аккумуляторов направлены, в основном, на повышение эффективности разрядки, повышение емкости и количества рабочих циклов. Например, компания Matsushita занимается активными исследованиями новых сплавов типа AB5, где в качестве

4

компонента A используется так называемый мишметалл, состоящий из смеси нескольких редкоземельных элементов.

2. Проблема эксплуатации аккумуляторов

Тем не менее, современный аккумулятор не вечен, со временем его рабочие показатели ухудшаются. Уменьшается текущая емкость аккумулятора, время, в течение которого он выдает требуемое напряжение при заданной силе тока.

С экономической точки зрения на первое место выходит соотношение продолжительности службы аккумулятора и его цены. Срок службы есть производная количества циклов зарядки/разрядки, которое может выдержать аккумулятор, прежде чем его емкость снизится более чем на 20%.

Срок службы аккумуляторов сокращается из-за жестких условий эксплуатации: большие перегрузки, частое использование, перегрев, переохлаждение, вода, солнце — всё это чаще всего встречается при использовании аккумуляторов в различных радио-спортивных мероприятиях, в результате чего реальное количество циклов заряд-разряда аккумулятора может сократиться до 50.

Увеличения срок службы можно добиться соблюдая правила эксплуатации. К сожалению, правилам следуют не все и не всегда. Восстановив испорченный аккумулятор, можно было бы продлить срок его эксплуатации, а, значит, сократить расходы на приобретение новых аккумуляторов. Под восстановлением следует понимать частичное или полное возвращение функций аккумуляторной батареи.

3. Принцип восстановления

Для начала, следует разобраться, почему аккумуляторы со временем теряют свою емкость и как теоритически её можно вернуть. В бытовых условиях, аккумуляторы чаще всего становятся непригодными из-за эффекта памяти. Рассмотрим его подробнее.

Всем известно, что по окончании заряда аккумулятора в обычном зарядном устройстве, загорается зеленый свет индикатора, указывающий на то, что аккумулятор полностью заряжен и готов к работе. В результате мы полагаем, что аккумулятор заряжен, обладает полной емкостью и ему можно доверять на все 100%. "Зеленый свет" обычного зарядного устройства никоим образом не гарантирует достаточную (номинальную) емкость и исправность аккумулятора. Все дело в том, что обычное зарядное устройство заряжает (наполняет) аккумулятор электрической энергией лишь до тех пор, пока есть "свободное место", в то время как количество закачанной в аккумулятор энергии никак не оценивается. Напрашивается простая аналогия со стаканом. Если в пустой стакан можно налить 200 мл воды, то в тот же стакан, но частично заполненный, например, песком или мелкими камешками - гораздо меньше. Каждый цикл заряда-разряда вносит в стакан-аккумулятор "посторонние примеси", уменьшая тем самым объем для хранения полезной энергии.

Естественно, возникает вопрос: почему аккумулятор в процессе эксплуатации постепенно становится неспособным принять во время заряда то количество энергии, на хранение которого он рассчитан? Для примера на рис.2 схематично изображены 5 различных состояний одного и того же Ni-Mh аккумулятора.

5

Рис.2

Левый крайний аккумулятор обладает стопроцентной емкостью. Его рабочее вещество имеет однородную структуру из мельчайших частиц и, следовательно, максимальную площадь активной поверхности. Крайний правый — наихудший и имеет только 20 % от номинальной емкости. Частицы его рабочего вещества укрупнились, и площадь активной поверхности значительно уменьшилась. Причина этого явления заключается в том, что в процессе эксплуатации с каждым новым циклом заряда-разряда рабочее вещество внутри Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторов постепенно изменяет свою структуру в сторону уменьшения площади активной поверхности, что приводит к уменьшению реальной емкости. Этот эффект, называемый также эффектом памяти, развивается вследствие заряда не полностью разряженных аккумуляторов на основе никеля и сильнее всего проявляется в никель-кадмиевых аккумуляторах. Никель-металлгидридные аккумуляторы подвержены эффекту памяти в меньшей степени. Рассмотрим изображенную на рис.3 анодную пластину нового Ni-Mh аккумулятора: кристаллические образования имеют малые размеры (около 1мкм), и площадь их соприкосновения с электролитом максимальна.

Рис.3

В процессе эксплуатации потребители, как правило, не дожидаются полной разрядки аккумулятора перед очередным зарядом. Это вполне естественно, особенно, когда отсутствует запасной аккумулятор. Однако в результате такой практики через 3—6 месяцев (в зависимости от частоты заряда, глубины разряда, условий эксплуатации, качества аккумулятора и фирмы-изготовителя) реальная емкость аккумулятора заметно уменьшается. Сокращается также и время заряда. Кроме того, возможно небольшое увеличение внутреннего сопротивления аккумулятора. Словом, начинает проявляться эффект памяти. Состояние анодной пластины аккумулятора с укрупненными кристаллическими образованиями показано на рис.4.

Рис.4

6

Если и далее не принимать особых мер, то при дальнейшей эксплуатации увеличивающиеся кристаллические образования могут привести к разрушению сепаратора (своего рода перегородки, разделяющей анод и катод) и увеличению тока саморазряда. В этом случае аккумулятор становится подобен худому ведру: воду носить можно, но недалеко.Теоретически, аккумулятор можно восстановить, разрушив образовавшиеся кристаллы, увеличив тем самым площадь активной поверхности вещества. Рассмотрим теперь, какими способами это можно реализовать на практике.

4. Способы восстановления

В сети Интернет удалось найти описание трех способов восстановления никель-металлогидридных аккумуляторов, суть которых не противоречит изложенным выше соображениям.

1. Тренировка. Аккумулятор разряжается до напряжения 0,9В, потом заряжается током, равным емкости. Проводится три цикла.

2. Глубокий разряд. Аккумулятор разряжается до напряжения 0,4В, потом заряжается током, равным емкости. Далее проводится три цикла тренировки по способу 1.

3. Подача повышенного напряжения (удар). На аккумулятор кратковременно подается напряжение в 25В. Далее проводится три цикла тренировки по способу 1.

В описаниях способов сказано, что все они должны приводить к восстановлению структуры рабочего вещества аккумуляторов. Какой же из представленных способов наиболее эффективный? Какой из них и как лучше всего применять на практике (как для бытовых целей, так и при занятии техническим моделизмом)?

5. Цель работы

Итак, цель работы — найти эффективный способ восстановления никель-металлгидридных аккумуляторов или показать, что восстановление невозможно.

6. Методика исследования

Для оценки эффективности выбранных способов восстановления аккумуляторов проведено испытание этих способов по следующей методике:

1. Проведен предварительный цикл «заряд-разряд» для каждого из аккумуляторов, имевшихся в наличии. Это позволило оценить текущую емкость аккумуляторов и в соответствии с этим отсортировать их по степени потери емкости (текущая емкость меньше 10% номинальной емкости, 10÷40%, 50÷80%, больше 80%). Аккумуляторы, сохранившие 80 и более % номинальной емкости, не включались в исследование как «условно хорошие».

2. Из отобранных аккумуляторов сформированы 4 группы для проведения исследования. 3 группы – для тестирования каждого из способов восстановления, 4-я — для проведения повторного тестирования двух способов, показавших лучшие результаты на первом этапе. При формировании групп соблюдался принцип, по которому каждая группа должна содержать аккумуляторы со всеми вариантами потери емкости.

7

3. Для первых трех групп аккумуляторов поведено восстановление по соответствующему способу. Поскольку каждый из способов заканчивается процессом разрядки аккумулятора, на этом этапе (последний процесс разряда) снималась зависимость напряжения на аккумуляторе от времени. Для каждой зависимости определялось время, в течение которого аккумулятор выдавал напряжение в «рабочем» диапазоне 1,1÷1,2В. Поскольку в тестировании участвовали аккумуляторы различной номинальной емкости, время приводилось к безразмерному виду в соответствии с формулой:

где tэ — эффективное (безразмерное) время работы;

tр — время разрядки аккумулятора до напряжения 1,1В [ч];

Iр — ток разрядки (в нашем случае 1А);

С — емкость аккумулятора [Ач].

Кроме того, определялось среднее значение напряжения на аккумуляторе в процессе разрядки на участке [0, tр]. По этим двум параметрам проводилась оценка эффективности различных способов восстановления аккумуляторов.

4. Для устранения влияния разброса начальных характеристик аккумуляторов, два способа, показавшие наилучшие результаты на этапе 3 подверглись повторному тестированию на аккумуляторах четвертой группы.

Для проведения исследования в полном объеме необходимо выполнение следующих операций:

1. Зарядка аккумуляторов (с определением количества энергии, переданной аккумулятору).

2. Разрядка аккумуляторов током I=1А до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не упадет до U=0,9В.

3. Разрядка аккумуляторов током I=1А до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не упадет до U=0,4В.

4. Подача на аккумулятор напряжения U=20÷25В длительностью до 1с.

5. Измерение напряжения на аккумуляторе в процессе разрядки для построения разрядной характеристики.

Для реализации данных операций были подобраны или изготовлены описанные ниже устройства.

7. Оборудование

1. Зарядка аккумуляторов.

Для зарядки аккумуляторов выбрано зарядное устройство (ЗУ) Graupner Ultramat 10 (см. рис.5). Это устройство относится к классу компьютерных, т.е. самостоятельно контролирует весь процесс зарядки заданным током, регистрирует окончание заряда по дельта-пику (кратковременному скачку напряжения на аккумуляторе в конце зарядки), а

8

также определяет количество энергии, переданной аккумулятору. ЗУ работает как от 220В, так и от 12В. К сожалению, в данном ЗУ нет функции разрядки аккумуляторов.

Рис.5. ЗУ Graupner Ultramat 10

2. Разрядка аккумуляторов.

Для разряда аккумуляторов до 0,9В используется специально разработанное устройство (автор разработки — Созник Е.М, главный метролог НПП «Измерительные технологии»). Принципиальная схема устройства представлена на рис.6.

9

Рис.6. Схема устройства для разряда аккумуляторов.

На схеме:

Bat1 — разряжаемый аккумулятор

LED1 — индикация работы

ABC — операционный усилитель в режиме компаратора

SA1 – кнопка запуска

R1, R2 — подобран для получения 0,9 В

R4 — резистор, ограничивающий ток

R6 — намотка из медной проволоки ПЭВ-2, Ø0,27мм, L~1,5м

VD1 — обеспечивает одноразовое выключение схемы

Фотография собранного устройства представлена на рис.7. В нем реализовано 4 независимых канала (по схеме рис.6), способных независимо друг от друга разряжать 4 аккумулятора одновременно.

10

Рис.7. Устройство для разряда аккумуляторов

Для разряда аккумуляторов до 0,4В один из каналов был модифицирован. В него добавлено переменное сопротивление, обеспечивающее разряд до 0,4В. Собранное устройство в работе представлено на рис.8.

11

Рис.8. Устройство для разряда аккумуляторов в работе

3. Подача на аккумулятор повышенного напряжения.

Для кратковременной подачи повышенного напряжения была разработана и собрана схема, представленная на рис.9. Конденсаторы, суммарной емкостью 100 000мкФ, заряжаются от источника тока. Затем к конденсаторам подсоединяется аккумулятор. В результате разряда конденсатора на аккумулятор подается импульс напряжения с максимальным значением порядка 25В и длительностью 0,5÷1с.

Рис.9. Принципиальная схема устройства подачи повышенного напряжения

Сопротивление 5Ом позволит ограничить ток, подаваемый на аккумулятор. Внешний вид собранной схемы перед осуществлением «удара» показан на рис.10.

12

Рис.10. Внешний вид схемы для кратковременной подачи повышенного напряжения

4. Измерение напряжения на аккумуляторе в процессе разрядки.

Измерение напряжения на аккумуляторе в процессе разрядки осуществлялось в ручную с применением электронного мультиметра M890G (погрешность при измерении напряжения в диапазоне 0÷2В составляет ±1%). Для устранения погрешности от плохого контакта щупов мультиметра, в схеме разрядки были сделаны специальные выводы, параллельные разряжаемому аккумулятору. К этим выводам присоединялся мультиметр.

8. Полученные результаты

На первом этапе все имевшиеся в наличии аккумуляторы были пронумерованы и прошли цикл «заряд-разряд» для оценки текущей емкости каждого аккумулятора. Результаты этого этапа представлены в Таблице 1. В последнем столбце условно обозначена группа, в которую включен аккумулятор в соответствии со способом восстановления, который испытывался на этой группе. «Т» — способ №1, тренировка, «Р» — способ №2, глубокий разряд, «У» — способ №3, кратковременная подача повышенного напряжения (удар), «К» — контрольная группа для проведения повторного тестирования.

Для каждой группы проведено восстановление по выбранному способу. Графики разрядки последнего цикла тренировки для различных групп представлены на рис.11, 12 и 13. Для сравнения на рис.14 представлен график разрядки нового аккумулятора.

13

Таблица 1

НомерЕмкость С

мА*чЗаряд Е

мА*чЕ/С%

Время разрядаМин

Группа

1 2100 185 8,8 9 Т

2 2100 181 8,6 73 2100 327 15,6 20 У

4 2100 2687 128 1185 2300 1061 46,1 36 У

6 2300 228 9,9 47 У

7 2300 1519 66 1008 2300 1437 62,4 1349 2300 271 11,7 12 Т

10 2300 2337 101,6 14211 2300 1860 80,9 7812 2300 1798 78,2 9213 2300 394 17,1 16 Р

14 2300 266 11,6 815 2300 1150 50 51 Р

16 2300 1023 44,5 105 Т

17 2100 2642 125,9 9718 2100 2419 115,2 20919 2100 2461 117,2 11120 2500 250 10 9 К

21 2500 3056 122,2 13722 2500 250 10 22 К

23 2500 1930 77,2 8924 2100 195 9,9 88 Р

25 2100 1261 60 98

Рис.11. Графики разрядки группы «Т»

14

Рис.12. Графики разрядки группы «Р»

Рис.13. Графики разрядки группы «У»

15

Глубокий разряд

Рис.14. График разрядки нового аккумулятора

По этим графикам получены численные оценки работоспособности аккумуляторов после различных способов восстановления, представленные в Таблице 2.

Таблица 2Способ

восстановленияНомер

аккумулятораБезразмерное время работы

Среднее напряжение В

тренировка 1 0,143 1,132  9 0,797 1,170  16 0,580 1,145

удар 5 0,595 1,146  6 0,072 1,115  3 0,675 1,172

глубокий разряд 24 0,238 1,102  13 0,761 1,189  15 0,471 1,141

новый аккумулятор - 0,913 1,194

Как видно из графиков и из Таблицы 2, в каждой группе присутствует по одному аккумулятору, характеристики которых ниже необходимых при использовании, даже после проведения восстановления. Это аккумуляторы под номерами 1, 6 и 24. Это аккумуляторы, которые при первичной зарядке ЗУ зарядило меньше чем на 10% емкости (см. Таблицу 1).

Из приведенных графиков и Таблицы 2 видно, что способ подачи повышенного напряжения показал худшие результаты, по сравнению с двумя другими способами. Контрольную группу было решено проверить только на способе тренировки и глубокого разряда. Результаты проверки указанных методов приведены на рис.15.

16

Рис.15. Графики разрядки контрольной группы

Поскольку способ глубокого разряда включает в себя способ тренировки и отличается от него только предварительным разрядом до напряжения 0,4В, у этого способа должны быть существенно лучшие результаты, чтобы признать его более эффективным. Из рис.15 видно, что графики практически идентичны. Полученные результаты могли быть достигнуты за счет тренировки аккумуляторов. Следовательно, нельзя отдать предпочтение способу глубокой разрядки перед способом тренировки. Кроме того, способ тренировки является самым простым, так как не требует специального оборудования – разряжать аккумулятор можно и более простыми способами, где точность не требуется.

9. Выводы

1. Если аккумулятор при первичной зарядке берет меньше 10% номинальной емкости — с большой вероятностью этот аккумулятор восстановить не удастся.

2. Наиболее простым для восстановления аккумуляторов является способ тренировки.

3. Способы глубокой разрядки и кратковременной подачи повышенного напряжения не показали преимуществ перед способом тренировки.

4. Все исследованные способы позволяют восстановить емкость аккумулятора до 70÷80% от номинальной. 100% восстановления емкости ни один способ не обеспечил.

10. Заключение

В заключение, основываясь на рекомендациях специалистов и собственном опыте, хочется сказать, как можно реализовать способ тренировки в бытовых условиях, не

17

прибегая к разработке специальных устройств. Для разрядки аккумуляторов удобно использовать автомобильную лампочку на 12В и ток 3÷5А. Подсоединив к ней аккумулятор или батарею аккумуляторов, разряжать их на лампочку пока нить лампочки «тлеет»(см. рис.16). После разряда дать аккумуляторам остыть 10÷15 минут и ставить их на зарядку. Для зарядки можно использовать обыкновенное (бытовое) ЗУ(см. рис.17). После трех циклов «заряд-разряд» аккумуляторы могут быть восстановлены до 70÷80% и работать достаточно долго, особенно в устройствах с малыми токами потребления.

Рис.16. Разрядка аккумуляторов с помощью лампочки

Рис.17. Бытовое зарядное устройство

18

11. Литература1. По материалам сайта www . fcenter . ru .2. По материалам сайта www . rc - design . ru .3. Isidor Buchmann «Batteries in a Portable World». — Vancouver: «Cadex Electronics»,

2001.4. Хрусталев Д.А. «Аккумуляторы». — Москва: «Изумруд», 2003.5. Лаврус В.С. «Батарейки и аккумуляторы». — Москва: «Наука и Техника», 1995.

19