Aniks-lift.ru

Подъемное оборудование
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Всё из-за Алессандро Вольта»: AA-батарейки нельзя просто взять и поменять на Li-Ion

«Всё из-за Алессандро Вольта»: AA-батарейки нельзя просто взять и поменять на Li-Ion

Обновлено 10.02.2021: добавили ссылки с примерами аккумуляторов, расширили пояснения, привели источники и научные сведения.

Пару веков назад Алессандро Вольта (wiki) доказал, что электрический ток получается при соединении разных металлов через проводящий электролит. Он изобрёл простой способ получения гальванического элемента («Вольтов столб», 1800 год). Разность потенциалов между его выводами составляет 1,1 Вольта (подробнее про напряжение между пластинами).

«Вольт» (В, или международное V) назвали единицу измерения электрического потенциала (разницы потенциалов) — электрическое напряжение. В XX-м веке при экспериментальном выборе наиболее практичных материалов широко распространились одноразовые элементы (например, углерод-цинк, щелочной диоксид марганца), которые в свежем виде имеют напряжение порядка 1,5 В.

Эффективное напряжение нулевой нагрузки неразряженной современной щелочной батареи от 1,5 В до 1,65 В. Оно зависит от содержания оксида цинка в электролите и чистоты диоксида марганца ( источник «Справочник Линдена по батареям (3-е изд.)», стр. 10–12. ). Под нагрузкой варьируется от 1,1 В до 1,3 В. Полностью разряженный элемент генерирует 0,8-1,0 В.

Напряжение 1,0-1,5 В впоследствии было взято за основу электросхем массовых изобретений и устройств:

  • — электронные часы,
  • — фонари,
  • — радиоаппаратура,
  • — слуховые аппараты,
  • — камеры,
  • — игрушки,
  • — телефоны и так далее.

Вокруг полутора вольт построили тысячи отраслей.

Электронные устройства обычно изготавливаются для работы от ячеек с напряжением от 1,0 до 1,5 В. Новая батарейка выдаёт 1,5 В и во время использования постепенно уменьшает напряжение до 1,2 В (тускнеет свет в фонаре, хуже работает моторчик в игрушке и так далее). В конце своего жизненного цикла она выдаёт 1,0 В (обычно устройство перестаёт работать, но те же настенные часы ещё вполне ходят).

Вспомним 1980-е, когда формировались и создавались огромные рынки электроники на батарейках. Первопроходцы обеспечивали массовый спрос. Эти же компании (либо их правопреемники) существуют до сих пор и продолжают развиваться.

Читайте так же:
Медь в лечебных целях

Замена аккумуляторов в шуруповерте

07.04.2015 | Обзоры, Покупка, Своими руками, Электро | 22 | Автор: Кирилл

Мой шуруповерт Makita, с покупки которого прошло лет 5, потерял свою емкость в аккумуляторах. И встал очень острый вопрос в покупке новых элементов. Но не просто их замена на аналогичные, а полный отказ от Ni-Cd (ядовитых, малой емкости, с эффектом памяти) на Li-ion. И так, начнем!

  1. ZIPPY Compact 1300mAh 4S 25C Lipo Pack или Turnigy 1300mAh 4S 30C Lipo Pack или Turnigy 1300mAh 4S 20C Lipo Pack (RU Warehouse)
  2. ИЛИ лучше, дешевле и больше емкость в аккумуляторах типа 18650 оригинального производства таких фирм как Samsung или LG, купить здесь: https://goo.gl/dwmqxE
  3. XT60 Male/Female
  4. DC-DC преобразователь (DC-DC LM2596) купить здесь: https://goo.gl/C5mBKS
  5. Контроллер заряда на 4 ячейки (YH11047A)? купить здесь: https://goo.gl/RH0KxM

Элемент питания

Замена аккумуляторов в шуруповерте

Li-ion с 4 ячейками (по 3,7 Вольт каждая) в моем случае подходит больше всего, для вот такого типа аккумуляторов, который между прочем оказался разборным (на шурупах):

4 ячейки Li-ion выдают 14,8 Вольт емкостью 1000-1300 мАч.

В аналогичной статье, автор использует аккумулятор на 1000 мАч, в моем случае размеры позволяют не занижать емкость оригинальной батареи 1300 мАч. Если ваша конструкция позволяет использовать более емкий элемент питания, вы можете поставить хоть 5000 мАч, но каким током и сколько времени вы потратите на его зарядку.

— Нестеров Кирилл

Замена аккумуляторов в шуруповерте

В моем наборе шуруповерта Makita 2 аккумулятора по 1300 мАч каждый, что удобно как при зарядке (быстрая полная зарядка), так и в замене аккумулятора на новый. Я не так часто пользуюсь им, поэтому одного заряда всегда хватало на время заряда запасного. Аккумуляторы без параллельно включенных ячеек (мое личная не приязнь), только четыре последовательно. Собственно это видно и на этикетках:

Замена аккумуляторов в шуруповерте на Li-ion

Подключения данных аккумуляторов одинаковое, как по схеме, так и по разъемам. 5 контактный разъем для балансировки (специальный режим заряда, при котором не допускается заряжать аккумуляторную ячейку выше положенного ей напряжения, аналогично и контроля разряда не допуская падения напряжения ниже допускаемого) и 2 контактный для основной нагрузки.

Читайте так же:
Захваты для металлических листов

Разъемы подключения аккумуляторов для моделирования

Забегая вперед, аккумуляторы показали не очень хороший результат, набрав 1054 мАч при разряде, в этом не виновата схема защиты, так как замеры производились как с ней так и без нее:

Реальная емкость аккумулятора TURNIGY 1300mA

Что TURNIGY, что ZIPPY Compact по 1000 мАч, они похожи не только размерами, но и качеством проводов и разъемов и цветом. А может это одно и то же с разной пленкой и наклейкой. Не поймите меня не правильно, но аккумуляторы типа 18650 оригинального производства таких фирм как Samsung, LG, Sanyo реально выдают положенную им емкость, о чем я уже подумал после этого теста. Только не берите 18650 со встроенной защитой, так как они ограничивают ток, а пусковой ток и рабочий шуруповерта превышает его в разы.

Но аккумуляторы куплены и я продолжаю переделка своего шуруповерта на Li-ion источник питания. И нашим следующим шагом это защита элементов питания.

Контроллер заряда на 4 ячейки

Плата защиты и балансировки заряда Li-ion аккумуляторов на 3 и 4 ячейки

Это реальное фото схемы, здесь не хватает нескольких элементов, я заказывал у 2-х разных продавцов, отсутствие этих элементов в обоих случаях.

— Нестеров Кирилл

В двух словах, данная схема нужна для защиты 4-ёх Li-ion ячеек собранных в один элемент от низкого разряда, перезаряда, высоких токов нагрузки. Собственно это можно понять из технических характеристик:

  • Li-ion схема защиты на 4s (4 ячейки)
  • Рабочие температуры: -40

К сожалению я не имею возможности проверить эти характеристики на соответствие, одно знаю точно, схема проверена мною лично в полевых условиях и проблем не наблюдалось.

Схема платы защиты и балансировки заряда Li-ion аккумуляторов

Схема взята у китайского продавца, на стрелке написано по китайски:

自动激活/非自动激活选择:
贴0欧电阻时为自动激活.
拆掉0欧电阻时为非自动激活.

— Google перевод —
Автоматическое включение / не автоматические варианты активации:
Автоматически активируется опубликовал 0 Ом резистор.
Номера активируется автоматически, когда удаляется 0 Ом резистор.

— автор не известен

Схема платы защиты и балансировки заряда Li-ion аккумуляторов на 3 ячейки / банки

Эта же плата может заряжать и 3 ячейки / банки по включенной ниже схеме:

К сожалению мне пришла урезанная схема без того самого резистора и группы других деталей (как писал выше от обоих продавцов), я не знаю за что они отвечали, поэтому схему собирал, как указано у продавца на 4 ячейки.

Для 5 контактного разъема допустимо использовать тонкие провода, все зависит от вашего будущего тока заряда. Другое дело основные выводы, для подключения нагрузки (P- и P+), не скупитесь на толстые медные провода, в моем случае это 2 проводника по 1,5 мм² каждый (проводники многожильные, так как они должны легко гнуться), ведь они должны выдерживать токи 20-30 Ампер.

DC-DC преобразователь

Тут все просто DC-DC LM2596 Step-down Adjustable Power Supply Module CC-CV LED Driver, ранее я его использовал в личных целях, как стабилизатор.

DC-DC преобразователь

Распиновка и управляющие элементы DC-DC преобразователя

В процессе наполнения . так как провожу тестирование штатного зарядного устройства на совместимость с новым Li-ion аккумулятором.

Монтаж в штатный корпус

Вот я и добрался до замены начинки штатного аккумулятора шуруповерта Makita. Раскручиваем его корпус и вынимаем блок Ni-Cd ячеек, самое сложное это оторвать приваренные контакты от клемм, и тем самым не сломать хрупкий пластик, что у меня и не получилось, поэтому пришлось использовать супер клей.

Замена аккумуляторов в шуруповерте

Отсоединять термозащиту и защиту от высоких токов я не стал, ровно как и снимать их контакты с пластмассы. Соединение произвел сразу, тут подпаиваем только разъемы контактов (P- и P+), так как остальные припаиваем к разъемам, для удобства дальнейшего обслуживания.

Сборка аккумуляторной батарейки для шуруповерта

Так как разъемы ставились на Ni-Cd банки, пришлось зафиксировать их в крышке тем же супер клеем:

Монтаж схемы защита Li-ion в аккумуляторный блок шуруповерта Makita

Через несколько минут, размещаем аккумулятор на дне корпуса, соединяем клеммы с платой зашиты и небольшой маленький штрих — кусок поролоновой губки, которая позволяет избежать дребезг при вибрации нашего инструмента.

Реально рабочий самодельный аккумулятор на Li-ion элементах для шуруповерта

Таким образом замена аккумуляторов в шуруповерте занимает не более одного часа. Вес готового блока составил 225 грамм против оригинального Ni-Cd весом в 610 грамм, теперь работать с инструментом стало не просто без усталости а даже не привычно. Меня расстроил тот факт, что за не эти деньги мы получаем всего 1000 мАч, а не 2600 мАч если бы использовались оригинальные аккумуляторы 18650 фирмы Samsung. Время работы от одного заряда нереально долгое, на столько и самому не верится!

В процессе наполнения . так как провожу тестирование штатного зарядного устройства на совместимость с новым Li-ion аккумулятором.

Как определить какой у вас аккумулятор

Определить принадлежность аккумулятора к той или иной технологии не составит труда. При наличии на батарее буквенных обозначений можно точно определить тип источника электроэнергии. Если никаких указателей нет, но батарейка очень мало весит, то, скорее всего, такое изделие изготовлено по литиевой технологии.

Если батарейка имеет значительный вес и при её эксплуатации явно заметно наличие эффекта памяти, то можно предположить, что элемент относится к группе никель-кадмиевых изделий.

Никель-металлогидридные лишены подобных недостатков и не содержат опасных для окружающей среды тяжелых металлов, поэтому такая батарейка будет иметь средний вес и большой ресурс работы.

Фото 1

Сейчас очень сложно найти электроприбор, в котором не применяются элементы питания. Классические литий-ионные АКБ обладают отличной емкостью и способны выдерживать большое количество циклов разряд/заряд с минимальной потерей изначальной емкости.

Вот только у классических АКБ есть один существенный недостаток. В случае повреждения корпуса батареи используемый электролит (выполненный из органических растворителей) очень легко воспламеняется.

Так вот японские ученые решили устранить этот явный недостаток путем замены электролита на обычную воду. И вот что у них в итоге получилось.

На что способен прототип литий-ионной АКБ с водой в качестве электролита

В ходе многочисленных экспериментов японские инженеры установили, что использование оксида молибдена неорганического соединения с вовлечением кислорода в отрицательном электроде гарантирует достаточно высокий уровень производительности, вполне достаточный для коммерческого применения.

Для того чтобы полностью устранить саму вероятность возгорания, инженеры решили использовать в качестве электролита обычную воду. А чтобы сохранить эффективность, также пришлось поработать над материалами электродов.

Характеристика Li x Nb 2/7 Mo 3/7 O 2 . ( A ) Кривые заряда/разряда (в неводной ячейке) для исходного Li 9/7 Nb 2/7 Mo 3/7 O 2 . ( B ) SOXPES-спектры основных уровней C 1s и O 1s в образце до и после замачивания в воде. ( C ) Кривые заряда/разряда Li x Nb 2/7 Mo 3/7 O 2 после замачивания в воде. ( D) Картины дифракции рентгеновских лучей (XRD) образца до и после замачивания в воде и элементные карты энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) образца после замачивания в воде. Также показана схематическая иллюстрация кристаллической структуры Li x Nb 2/7 Mo 3/7 O 2, построенная с использованием программы VESTA ( 33 ). ( E ) Циклические вольтамперограммы Li x Nb 2/7 Mo 3/7 O 2 в 21 м LiTFSA при скорости сканирования 0,2 мВ с -1 . Синяя вертикальная линия показывает самый низкий предел потенциала, доступный для водного электролита LiTFSA 21 м. ( F ) Циклические вольтамперограммы Li1.05 Mn 1.95 O 4 и Li x Nb 2/7 Mo 3/7 O 2 в 21 м LiTFSA (сплошные линии) и 1 M LiPF 6 / EC: DMC (пунктирные линии) соответственно.

В результате этого получился рабочий прототип литий-ионной батареи. Дальнейшие тесты показали, что после 2000 циклов заряд/разряд емкость прототипа уменьшилась всего на 30% от первоначальной емкости.

Вроде бы получилась просто идеальная литий-ионная АКБ. Вот только у нее есть один недостаток – удельная масса энергии и рабочее напряжение практически в два раза ниже, чем у классических литий-ионных АКБ.

Где могут использоваться такие АКБ

Ученые предполагают, что их АКБ с водой в качестве электролита вполне могут найти полноценное коммерческое применение. Так предполагается, что такие АКБ можно будет использовать в накопительных системах «зеленых» источников энергии.

Так же такие батареи вполне могут использоваться в общественном электротранспорте и другой инфраструктуре, в которой не требуется создание высокого напряжения и работы в пиковых режимах.

Ну что ж будем ждать выхода литий-ионных АКБ с водой в качестве электролита на широкий рынок.

Пожалуйста подпишись, поделись с друзьями, поддержи сайт!

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector