Щелочные аккумуляторы: принцип работы, преимущества и недостатки

Для многих устройств необходимо питание. Для этой цели применяются щелочные аккумуляторы. Они включают в свою конструкцию два электрода и жидкий состав, использующий щелочь. Такие элементы питания имеют срок эксплуатации, достигающий 25 лет. Технология допускает возможность ускоренной зарядки. Разрядка может обеспечивать повышенную мощность.

Принцип работы

Щелочные аккумуляторы могут различаться в зависимости от веществ, которые используются для электролитов и для пластин. Наиболее эффективными считаются никель-кадмиевые или никель-железные аккумуляторы.

Здесь используется щелочной электролит, имеющий в своём составе гидроксиды калия и лития, применение которого способствует увеличению ёмкости батареи. Он также улучшает разрядные характеристики аккумулятора.

Положительный электрод представляет собой смесь следующих элементов:

• гидрат закиси никеля;
• графитовый порошок, в который добавлена окись бария.

Отрицательный электрод, соответственно, сделан из чистого кадмия или железа. Его также создают с использованием гидрата закиси одного из этих металлов.

Электроды сделаны с использованием мелкоячеистой стальной сетки. На неё нанесены активные вещества, которые предназначены для взаимодействия с электролитом.

Щелочные батареи имеют преимущество перед кислотными, состоящее в том, что они допускают перезарядку. В большинстве случаев её продолжительность составляет 6 часов. Если производилось долгое хранение в разряжённом состоянии, то время зарядки увеличивается — оно может длиться до 12 часов.

Щелочные аккумуляторные батареи выпускают в деревянном или металлическом корпусе. Они могут состоять из нескольких аккумуляторов. При смене электролита нужно исходить из объёма жидкости, требуемой для одного устройства и умножить на их количество.

Особенности щелочных аккумуляторов

На никель-кадмиевых имеется обозначение «НК» далее после тире указана ёмкость в ампер-часах. Например, если написано «НК-13», то речь идёт об аккумуляторе рассматриваемого типа, который обеспечивает ёмкость, равную 13 А/час. У таких устройств положительный полюс замкнут на корпус.

Если стоит обозначение «НЖ», то речь идёт о никель-железной батарее. Через тире после этих букв указана ёмкость. Например, у аккумулятора «НЖ-45» она составляет 45 А/час. В отличие от кадмиевых, у железных на корпус замкнут отрицательный электрод.

Плюсы и минусы

Использование щелочных аккумуляторов позволяет применить следующие их достоинства:

• Эти устройства стабильно работают в условиях отрицательных температур. После того, как станет холоднее -25, при охлаждении на каждый градус ёмкость будет уменьшаться на 0,5%.
• Если регулярно осуществлять обслуживание, то щелочные аккумуляторы в 12В или другие будут исправно служить в течение многих лет.
• Исключена возможность внезапного пропадания тока. Это свойство полезно, например, при применении щелочных автомобильных аккумуляторов.
• Такие батареи характеризуются небольшим весом и компактными размерами.
• У них незначительный самопроизвольный разряд.

Щелочные АКБ имеет определённые недостатки:

• Они имеют относительно небольшой коэффициент полезного действия. Обычно он бывает равен 50%-55%. Для сравнения нужно учитывать, что у кислотных аккумуляторов этот показатель достигает 80%.
• Такие батареи имеют эффект памяти, который способен существенно ухудшить характеристики.

В процессе применения наблюдается большой разброс рабочего напряжения. Например, щелочной аккумулятор 12В, создает разность потенциалов, которая может находиться в пределах 10-17,5 В.

Где используются

Такие аккумуляторы имеют широкое применение. Их используют для следующих целей:

• на железнодорожных локомотивах;
• для погрузочных механизмов при работе на складе;
• применяется для работы различных видов сигнализации;
• используются для проведения запуска силовых агрегатов.

Существуют щелочные аккумуляторы, которые активно используются в различных видах портативной техники. Они могут применяться, например, для обеспечения работы электроинструментов, пультов управления телевизором и других целей.

Замена электролита

Использование щелочных аккумуляторов рассчитано на долгие годы. Однако он обеспечивает высокое качество работы только при условии правильного обслуживания. Необходимой операцией является регулярная замена электролита.

Об особенностях работы щелочных батарей рассказано в ролике:

Её следует проводить после осуществления 100-150 циклов зарядки и разрядки щелочных аккумуляторных батарей. Процедура заключается в следующем:

• Нужно провести разрядку аккумулятора до тех пор, пока напряжение на его выходах не станет меньше 1 В.
• Ранее используемый электролит нужно аккуратно слить в заранее подготовленную ёмкость.
• Выполняя эту операцию требуется периодически производить лёгкое встряхивание. Оно необходимо для того, чтобы на стенках не оставались загрязнения.
• После полного удаления электролита необходимо тщательно его промыть. Для этого можно использовать дистиллированную или слегка подщелоченную воду. При этом нужно встряхивать батарею для улучшения качества очистки.
• Сразу после завершения промывки щелочного аккумулятора проводят заливку нового раствора. После этого составу дают отстояться в течение двух часов.
• После этого нужно проверить плотность раствора и убедиться, что она соответствует требуемой. При необходимости щелочной раствор нужно долить.
• Закрывают крышки аккумулятора.

В процессе работы нельзя делать перерыв, в результате которого батарея внутри станет сухой. Это может стать причиной коррозии элементов щелочных автомобильных аккумуляторных батарей.

Приготовление раствора электролита

Для щелочного аккумулятора его можно делать на основе твёрдых или жидких щелочей. Чтобы приготовить из отдельных компонентов, нужно сделать следующее:

• Нужно подготовить раствор едкого калия. У него должна быть плотность, равная 1,19-1,21 г/куб. см.
• На каждый литр добавляют 20 г едкого лития и аккуратно перемешивают.
• Делают раствор едкого натрия из расчёта 1,17-1,19 г/куб.см.
• В него добавляют едкого лития по 20 г на литр.

Из этих компонентов делают электролит необходимого для щелочных АКБ состава.

Как выполняется зарядка

Подготовка щелочной АКБ к работе, в большинстве случаев требует 6 часов. Однако для этого допускается применение различных режимов работы:

• 6 часов будет заряжаться при условии использования номинальной силы тока.
• Если в первые два часа её превысить вдвое, а остаток делать при соблюдении обычного режима, то время может сократиться на несколько часов.
• Усиленный вариант выполняется, если при обычной силе тока увеличить время подзарядки вдвое.

Для зарядки щелочного аккумулятора лучше всего использовать стандартный режим. При его применении износ батареи будет минимальным. Процедура зарядки предполагает выполнение следующих действий:

• Нужно обеспечить получение необходимой силы тока.
• К источнику подключают клеммы батареи.
• Производится включение тока.
• Нужно прождать необходимое время, в течение которого выполняется зарядка щелочной батареи. При этом важно убедиться, что перегрев не возникает. Обычно температура не должна превышать 45 градусов.

После завершения подзарядки аккумулятор отключают от источника энергии.

История возникновения простой щелочной батарейки

Изобретателями щелочных аккумуляторов считают Томаса Эдисона и Вольдемара Джангера. Оба специалиста работали независимо друг от друга. Первой компанией, которая произвела промышленное внедрение, стала Duracell.

Она обеспечила поставку щелочных элементов питания для портативной техники того времени. Рассматриваемые батареи в то время конкурировали с солевыми, но значительно превосходили их по своим характеристикам.

Как устроена батарейка

В ней используется катод, который включает в себя следующие вещества:

• 7%-10% графита;
• 25%-30% раствор калия гидроксида;
• 65%-75% диоксид марганца;
• 1% составляет связующие компоненты.

В качестве щелочи может использоваться также гидроксид лития или натрия. Для изготовления анода применяют очищенный цинк с добавками, предохраняющими от коррозии. Раньше для этой цели брали свинец и ртуть, теперь перешли к применению в этом качестве висмута и алюминия.

Конструкция такого щелочного аккумулятора включает в себя следующие элементы:

• Внутренняя часть батарейки содержит цинковую пасту, которая представляет собой порошок. Такая форма обеспечивает более эффективную работу по сравнению с солевыми батареями.
• Цинк находится в смеси со специальным гелем. Он вырабатывает отрицательный потенциал. Стержень из латуни снимает этот заряд на внешний вывод.
• Катод из диоксида марганца, перемешанный с графитовым загустителем отделяется от цинковой пасты при помощи специального состава.
• Положительный потенциал выводится на стальной стакан, имеющий никелевое покрытие. Он изолирован от оболочки батарейки.

В процессе эксплуатации образуется незначительное количество газа. Его давление сдерживается особой прокладкой. Предохранителем служит специальная мембрана. Если газа много, она лопается, и он проходит наружу.

В этом видео рассматриваются алкалиновые батарейки: 

Батарейки отличаются по форме. Некоторые сделаны в виде цилиндра, другие являются плоскими. Последние также называют таблеточными. Они применяются для портативных устройств, например, для наручных часов. Такие источники питания дают напряжение от 1,5 до 9 В. Ёмкость рассматриваемых батарей обычно не превосходит 3000 мА/час. В отдельных случаях этот параметр может быть больше.

Плюсы и минусы щелочных батареек

Такие щелочные аккумуляторы предоставляют следующие преимущества:

• Долгий срок службы.
• Доступная стоимость, которая сочетается с высоким качеством работы.
• Большой выбор типов батареек и размеров.
• Низкий риск протекания батарейки.
• Небольшой уровень саморазряда.

При их применении пользователь столкнётся с такими недостатками:

• Качественные батарейки могут стоить значительно дороже.
• Нужна особая процедура утилизации, так в составе есть вещества, которые могут нанести вред экологии.

Такие источники тока получили широкое распространение благодаря своему качеству. 

Заключение

Щелочные элементы питания обеспечивают электроэнергией большое количество устройств. При соблюдении правил эксплуатации они будут служить в течение многих лет. Покупая щелочной аккумулятор для определённого устройства, нужно следить, чтобы он соответствовал необходимым параметрам.