2. Химические источники тока (хит) для автономных систем управления

2. Химические источники тока (ХИТ) для автономных систем управленияХимическими источниками тока назы­ваются устройства, превращающие химическую энергию окислительно-восстановительных процессов в электриче­скую; для такого превращения необходимо, чтобы окислительный и восстановительный процессы, связанные с изменением зарядов у электродов, были разделены в про­странстве, а сами электроды подключены к внешней цепи нагрузки [5—10]. История создания ХИТ связана в первую очередь с именем итальянского ученого Луиджи Гальвани, который при проведении электрофизиологических опытов в 1780 г. обнаружил сокращение мышц препарированной лягушки при соприкосновении с металлическими предметами, находящимися вблизи электрофорной машины. В дальнейшем имя ученого было увековечено в названии электрохимических превращений (гальванизм) и в основанных на их применении приборах — гальванических элементах.Заинтересовавшись опытами Гальвани, его соотечественник Алессандро Вольта продолжил исследования в этой области, но, в отличие от своего предшественника, стал искать объяснение открытого явления не в физиологии животных, а в физике. Путем многократных опытов он пришел к выводу, что гальваничес­кий эффект создается при использовании пары разнородных металлов. Дальнейшие исследования А. Вольта были посвящены поискам наиболее подходящей пары, в результате чего им был создана батарея из отдельных элементов с электродами из меди и цинка в каждом и раствора серной кислоты в качестве электролита. В отличие от кратковременного (импульсного) действия существо­вавших в то время накопителей электричества (например, лейденской банки), гальванический столб-батарея, по словам его изобретателя, «создавал неуничтожимый заряд, который восстанавливается сам собой».Приглашенный во Францию, А. Вольта продемонстрировал Наполеону, ученым и горожанам свой столб-батарею, получивший в дальнейшем название «Вольтов столб». Заслуга создания принципиальной схемы и работоспособной конструкции гальванического элемента увековечена в названии еди­ницы измерения напряжения — вольт (В).В дальнейшем исследования ученых были направлены на усовершенствование гальванических элементов путем поиска новых электродных пар и электролитов. Такие элементы, как правило, назывались по именам их создателей. Так, элемент Даниеля (1836 г.) имел медный и цинковый электроды, подобно элементу Вольты, но отличался применением двух электролитов: цинко­вый электрод был погружен в раствор серной кислоты (или сернокислотного цин­ка), а медный — в раствор сернокислой меди, при этом электроды были разделе­ны пористой перегородкой. В элементе Грене электролит состоял из смеси раст­воров серной кислоты и двухромовокислого калия. Один их электродов этого элемента был по-прежнему цинковым, а второй — из угля. До настоящего времени широко используется конструкция элемента, предложенная Лекланше (1865 г), в котором отрицательный электрод был традиционно цинковым, а положительный был выполнен из двуокиси марганца с добавками; электролит содержал хлористые соли калия, магния и кальция. Предложение Лаланда (1882 г.) ис­пользовать щелочной электролит до сих пор широко используется в марганцево-цинковых элементах.Для увеличения длительности работы гальванических элементов использовались специальные деполяризаторы, призванные противодействовать нежелательному взаимодействию материала электрода и электролита. Впервые деполяризатор применил Грове в 1833 г.; Бунзен использовал хромовый деполяризатор и искусст­венный угольный электрод. В 1879 г. Меш предложил применять для деполяриза­ции электродов кислород воздуха, что удалось реализовать Фери в 1914 г.На некоторое время усовершенствование гальванических элементов было приостановлено изобретением динамо-машины. Однако XX век принес новые изобретения и открыл другие области применения таких элементов, в частности, в портативных радиоприемниках, радиостанциях, в часах, в фото- и кинотехнике, в качестве резервных источников электропитания и т. п. Все эти спутники человека требуют автономного электропитания, что явилось мощным стимулом совершенство­вания гальванических элементов и разработки новых электрохимических систем для их построения. ^ 2.1. Классификация и параметры ХИТПо характеру работы все известные разновидно­сти ХИТ разделяют на первичные или гальванические (сухие) и вторичные или аккумулято­ры. Первичные источники допускают лишь однора­зовое использование содержащихся в них активных мате­риалов: полностью разряженные гальванические эле­менты в большинстве случаев к дальнейшей работе не пригодны. В отличие от первичных аккумуляторы являются источниками электрической энергии многоразо­вого действия. В аккумуляторах активные вещества, израсходованные в про­цессе протекания реакции, дающей электрическую энер­гию, должны восстанавливаться (регенерироваться) при пропускании через разряженный аккумулятор постоянно­го тока, на­правление которого про­тивоположно направлению разрядного. При этом на отрицательном электроде реакция окисления заменяется реакцией восстановления, а на положительном ре­акция восстановления — реакцией окисления.Физическое объяснение токообразования как результата действия контактной разности потенциалов восходит к А. Вольта. Своими опытами он установил связь между возникающим электрическим эффектом и используемыми материалами электродов. Совершение работы по переносу заряда через замкнутую внешнюю цепь требует подвода тепловой энергии извне или измене­ния внутренней энергии. В первом случае, характерном для тепловых элементов (см. разд. 2.3), тепловой эквивалент АТ токообразующей реакции и генерируемая электродвижущая сила (ЭДС) Е связаны уравнением Гиббса-ГельмгольцаЕ = АТ/nF + Т, где n — валентность металла электрода; F = 94600 Кл — число Фарадея;  — коэффициент, учитывающий температурную зависимость ЭДС; Т — абсолютная температура окружающей среды, К.Во втором случае вся цепь находится при одинаковой температуре и работает без подогрева. Таким образом, работа по переносу заряда через цепь, состоящую из элемента, соедини­тельных проводов и нагрузки, может совершаться только за счет изменения внут­ренней энергии, вызванного химическими превращениями, при которых из материала растворяющегося электрода в электролит переходят ионы металла, уносящие положительный заряд. Избыток остающихся электронов приво­дит к тому, что по отношению к электролиту металл оказывается отрицательно заря­женным. В соответствии с законом Кулона процессу разделения зарядов начинает препятствовать электрическое поле, собирающее в основном свободные заряды на границе раздела электролита и электрода. Такая цепь обладает способностью совершать работу, т. е. обладает потенциалом. По теории Нернста этот потенциал связан с видом электрода и поэтому называется электродным. Из сказанного следует, что электродный потенциал характеризует способность метал­лического электрода отдавать ионы в электролит и является постоянной величиной для данного металла в изолированных условиях. Однако с учетом влияния электролита электродный потенциал конкретного металла зависит также от соотношения концентрации С ионных образований, возни­кающих при токообразующей реакции, и их валентностей. Таким образом, результирующий электродный потенциал  может быть пред­ставлен в виде суммы двух потенциалов — постоянного o и концентрационного i:  = o + i(C, n). (2.1)Совместное действие обоих электродов приводит к тому, что между ними воз­никает ЭДС Е = + – –, (2.2)обусловленная разностью потенциалов положительного и отрицательного электродов. Из формулы (2.2) видно, почему электроды должны быть выполнены из разных материалов: только такое сочетание дает ненулевую ЭДС, а из (2.1) и (2.2) следует важнейший конструктивный параметр ХИТ — электрохимическая система, определяемая сово­купностью применяемых активных веществ (электродов) и элек­тролита. Этот параметр имеет словесное описание и условное обозначение, в котором между двумя вертикальными черточками пишется химическая формула электролита, а слева и справа — химические формулы активных веществ до раз­ряда. Так, например, серебряно-цин­ковая электрохимическая система записывается следую­щим образом:(–)Zn|KOH|AgO(+),откуда видно, что электрохимическая система состоит из двух типов проводников: первого рода (металлы Zn и AgO) и второго рода (электролит КОН), причем для тока во внешней цепи AgO считается положительным электродом, а Zn — отрицательным, что отвечает принятому в электротехнике понятию положительного направления тока во внешней цепи для данного источника (от «+» к «–»). Однако с «точки зрения» самой электрохимической системы все выглядит наоборот: AgO считается катодом, принимающим из внешней цепи электроны для своего восстановления, а Zn — анодом, инжектирующим электроны во внешнюю цепь при его окислении. При таком подходе выполняется условие непрерывности тока в замкнутом контуре из ХИТ и его нагрузки, а также данному в начале главы определению ХИТ, согласно которому процесс токообразования (восстановления/окисления) в идеальном случае возможен только при наличии внешней цепи с нагрузкой. Некоторые авторы (с «физико-химическим мышлением») принимают «точку зрения» электрохимической системы и в приведенной формуле меняют знаки на обратные. К другим важным параметрам ХИТ, определяемым в основном электрохимической системой, относятся:1. Емкость (Q) — способность элемента хранить определенное количество электри­чества; оценивается электрическим зарядом, который может быть перенесен через внешнюю цепь; зависит от условий разряда (температуры среды, тока разря­да); определяется обычно опытным путем при фиксированных параметрах разряда; измеряется в ампер-часах (Ач) или кулонах (1 Ач = 3600 Кл); различают следующие разновидности этого параметра:1.1. Номинальная (QН) — минимальная гарантированная техническими условиями емкость, которая может быть получена при стандартных условиях разряда. 1.2. Остаточная (QБ) — емкость элемента по истечении гарантийного срока хранения; меньше фактической и номинальной.1.3. По сопротивлению нагрузки (QR) — емкость при разряде на постоянную нагрузку.1.4. По току (QI) — емкость при разряде постоянным током, Ач.1.5. По энергии (QА = А/UСР) — определяется работой А и средним напряжением UСР, Втчас.1.6. Теоретическая (Q) — емкость, рассчитанная при 100 %-ном использовании всех активных веществ; значительно боль­ше номинальной и фактической емкостей; недостижима из-за неполного использования этих веществ вследствие конструктивных особенностей, из-за нежелательного химического из­менения части активных веществ в процессе разряда и т. п. 1.7. Удельная массовая (Qm = Q/m) — емкость, отдаваемая элементом единичной массы. 1.8. Удельная объемная (QV = Q/V) — емкость, отдаваемая элементом единичного объема V.1.9. Фактическая (QФ) — реально получаемая от свежеизготовленного элемента (при стандартных условиях разряда).2. Коэффициент использования активного вещества (К = (QФ/ QТ)100%) — показывает степень использования активной массы (активного вещества с учетом примесей). 3. Кривая разряда — показывает изменение напряжения на электродах элемента в зависимости от длительности разряда или от емкости (только для разряда при постоянном разрядном токе); снимается экспериментально и соответствует усредненным значениям для нескольких элементов из разных партий. 4. Мощность — энергия, отдаваемая элементом в единицу времени: Р = IСРUСР, Вт; различают следующие разновидности этого параметра:4.1. Удельная массовая — мощность, отдаваемая элементом единичной массы: Рm = Р/m, Вт/кг.4.2. Удельная объемная — мощность, отдаваемая ГЭ единичного объема: PV = P/V, Вт/м3.5. Внут­реннее сопротивление Ri; зависит от электропроводности электролита, геомет­рии электродов (формы, размеров, взаимного расстояния), а также от целого ряда факторов (контактные и переходные явления, поляризация); обычно значение Ri для маломощных ХИТ находится в пределах единиц-десятков Ом; измеряется как на переменном, так и постоянном токе.6. Напряжение — разность потенциалов электродов при протекании через них тока; определяется законом Ома для полной цепи (с учетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении Ri): U = ERн/(Rн + Ri); различают следующие разновидности этого параметра:6.1. Начальное (UН) — напряжение на электродах в момент включения элемента на разряд, но не более чем через 5 мин после вклю­чения. 6.2. Конечное (UК) — напряжение на электродах, по достижении которого дальней­шая эксплуатация элемента становится нецелесообразной или невозможной (около 60 % от UН); известно также под названием «напряжение отсечки».6.3. Среднее (UСР) — среднее значение напряжения на заданном временном интервале, по которому рассчитывают нормальную работоспособность используемой аппаратуры.6.4. Напряжение холостого хода — напряжение на внешних зажимахисточника при отсутствии отбора тока; практически равно его ЭДС. 7. Поляризация — изменение электродного потенциала относительно равновесного при прохождении электрического тока. Приводит к снижению напряжения на электродах элемента в процессе разряда. Зависит от плотности протекающего тока, температуры, состава и конструкции электрода, состава и концентрации электро­лита. Учитывается как компонент внутреннего сопротивления. Определяется разницей между напряжением холостого хода и напряжением в текущий момент разряда. Зависимость поляризации от силы тока называется поляризационной кривой.8. Саморазряд — потеря емкости при разомкнутой внешней цепи; основной причиной саморазряда является взаимодействие активных масс электродов и электролита; количественно оценивается величиной уменьшения емкости за сутки и определяется по формуле:S = [(Q1 – Q2)/zQ1]100%, где Q1, Q2 — емкость до и после хранения; z — количество суток.9. Сохранность — промежуток времени, в течение которого гальванический элемент при нормальных условиях (20C) сохраняет 90% первоначальной емкости.10. Рабочий диапазон температур.11. Режим разряда (постоянный или импульсный).Для аккумуляторов дополнительными параметрами являются:1. Коэффициент отдачи (КО) — отношение количества электричества, отданного аккумулятором при полном разряде (до UК), к количеству электричества, полученному при заряде.2. Коэффициент полезного действия (КПД) — отношение количества электричества, отданного аккумулятором при разряде до значения его нормальной работы, к полученному при заряде.3. Зарядная емкость QЗ = IЗt — количество электричества, поглощенное аккумулятором при зарядном токе IЗ и времени заряда t. Зарядный ток зависит от способа зарядки (см. разд. 2.5) и в наиболее часто рекомендуемом режиме IЗ = 0,1QН. Поскольку зарядная емкость с учетом коэффициента отдачи QЗ = QН/КО, то при IЗ = 0,1QН и КО = 0,7 (70%) получаем, что необходимое время заряда составляет 14…15 часов, что и рекомендуется на практике для стандартного режима зарядки.4. Цикл — совокупность одного заряда аккумулятора и следующего за ним разряда.5. Срок службы — количество циклов, которое может выдержать аккумулятор до тех пор, пока его разрядная емкость не станет меньше 90% номинальной.6. Срок хранения — время с момента изготовления аккумулятора до ввода его в эксплуатацию, в течение которого находящийся в определенных условиях аккумулятор сохраняет свои основные эксплуатационно-технические характеристики. 7. Минимально допустимое напряжение разряда — напряжение, при котором возможна переполюсовка аккумулятора и невозможность его восстановления.^ 2.2. Электрохимические системы гальванических элементовВ первичных ХИТ используются следующие электрохимические системы:1. Марганцево-цинковые элементы и батареи (электрохимическая система — цинк-хлорид аммония-двуокись марганца) с номинальным напряжением 1,5 В в составе:1.2.Элементы и батареи Лекланше (угольно-цинковые) с солевым электролитом (водным раствором хлорида аммония и хлорида цинка). Характеризуются невысокими энергетическими показателями, могут эксплуатироваться при температурах от –5 до +50 С, имеют заметный саморазряд и невысокую герме­тичность, плохо работают при больших токах разряда и низких температурах. Просты и дешевы в производстве и эксплуатации, чем обусловлено их широкое распространение. За счет совершенствования технологических приемов и введения специальныхингридиентов в активные материалы достигаются дополни­тельные градации по емкости.1.2. Угольно-цинковые элементы и батареи с водным раствором хлорида цинка. Энергетические показатели примерно в 1,5 раза выше, чем у элементов предыдущей группы. Могут эксплуатироваться при температурах от -15 до +70°С, имеют меньший саморазряд и лучшую герметичность, удовлетворительно работают при больших токах разряда. Дороже в производстве и в эксплуатации, но из-за лучших энергетических параметров получили более широкое применение в малогабаритной переносной аппаратуре с малыми и средними токами потребления. 2. Алкалические элементы и батареи (электрохимическая система аналогична марганцево-цинковым элементам, но с электролитом в виде водного раствора гидроокиси калия) с номинальным напряжением 1,4 В; отличаются минимальным газовыделением при разряде. Допускают до 10—50 перезарядок асимметричным током (см. разд. 2.5) с отдачей энергии (после перезарядки) в 3—4 раза меньше, чем у свежеизготовленного элемента. Для перезарядки могут использоваться элементы с напряжением не менее 1,1 В без дефектов герметизации корпуса и с поставкой на заряд сразу после разряда. Хорошо работают при больших токах разряда в диапазоне температур от –25 до +55°С, имеют лучшую герметичность и меньший ток саморазряда, чем марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом, однако дороже в производстве и эксплуатации. При перезарядке требуется строгое соблюдение токового режима и стабилизации напряжения заряда.3. Элементы и батареи с воздушной деполяризацией (цинк-воздух-гидрат окиси калия), в которых для подвода воздуха и удержания его внутри элемента используются специальные конструкция и материалы катода. Перед началом эксплуатации необходимо освободить отверстие воздуховода удалением специальной пробки, обламыванием тонкостенной конусообразной трубки или удалением герметизирующей (обычно цветной) пленки. Элементы и батареи с воздушной поляризацией обла­дают достаточно высокими энергетическими показателями в диапазоне тем­ператур от –15 до +50° С. В малогабаритных пуговичных элементах положитель­ный электрод выполнен в виде политетрафторэтиленовой пленки с активированным углем в качестве катализатора, а отрицательный — из высокочистого цинка со специально обработанной поверхностью. 4. Ртутно-цинковые элементы и батареи (цинк-окись ртути-гидрат окиси натрия). Обладают высокими энергетическими показателями, работоспособны только при положительных температурах (0 . . . +50°С), харак­теризуются (при малых токах разряда и постоянной температуре) практически плоской кривой разряда; номинальное напряжение ртутногоэлемента примерно на 0,15 В ниже, чем у алкалического. Практически не имеют газовыделения. Затраты на производство и эксплуатацию весьма высоки, не рекомендуются к эксплуатации при низких (около нуля) температурах. 5. Серебряно-цинковые элементы и батареи (цинк-одновалентное серебро-гидрат окиси калия или натрия). Работоспособность гарантируется при температурах от 0 до +55° С. Обладают малым током саморазряда, хорошими энергетическими характеристиками и (при малых токах разряда и стабильной температуре помещения) имеют практически плоскую кривую разряда. Небольшой налет соли (карбоната) на уплотнительном кольце после хранения существенно не влияет на работоспособность. В производстве и эксплуатации дороги, но высокие энергетические пока­затели делают целесообразной их эксплуатацию во многих случаях, в том числе и вместо ртутно-цинковых элементов (из-за токсичности и дефицита ртути). 6. Литиевые элементы и батареи с органическим электролитом с использованием разных электрохимических систем (более десятка), поэтому рабочее напряжение может колебаться от 3,6 до 1,5 В на один элемент. Для бытовой аппаратуры используются элементы с элект­рохимическими системами литий-хромат серебра и литий-двуокись марганца с рабочим напряжением 3 В на один элемент, а с системами литий-окись меди и литий-соединение свинца с висмутом — 1,5 В на элемент и являются взаимозаменяемыми с серебряно-цинковыми элементами. Отличаются высокими энергетическими показателями при втрое меньшей массе, чем ртутно- и серебряно-цинковые, и в 1,5 — 2 раза по объему для элементов сред­них размеров (типа элементов 316, 373). Для миниатюрных эле­ментов емкостью до 0,2 Ач разница в энергетических показателях существенно уменьшается из-за роста относительной доли конструктивных элементов по отно­шению к активным веществам, однако с сохранением таких достоинств как высокая степень герметичности, исключительно малый ток саморазряда (литиевые элементы сохраняют 85 % и более емкости после 10 лет хранения), возможность хранения и работы в очень широком диапазоне отрицательных и положительных температур, существенно меньший дефицит лития по сравнению с серебром или ртутью, весьма малый наклон кривой разряда, возможность выполнения в виде очень тонких дисков, что создает ряд конструктивных удобств. Их недостатки обусловлены более сложной, чем у других элементов, технологией изготовления и высокой стоимостью эксплуатации (как у серебряно-цинковых элементов). Высокие показатели по саморазряду и долговечности способствуют их распространению во многих областях техники, включая кардиостимуляторы, ПЭВМ и др.Конструктивное оформление гальванических элементов и батарей сводится к двум формам: цилиндрической и прямоугольной. Цилиндрические элементы и батареи выполняются в виде тонких (часто называемых пуговичными), средних и высоких цилиндров, у которых отношение высоты к диаметру составляет 0,05 . . . 0,6; 0,7 ... 1,5; 1,5 ... 8,5. В настоящее время наибольшее распространение получили элементы типоразмера АА (R6 или LR6; 14,5  50,5 мм), AAA (R03 или LR03; 10,5  44,5 мм), R1 или LR1 (12  30 мм), R14 или LR14 (26,2  50 мм), R20 или LR20 (34,2  61,5 мм), 2R10 (21,5  74 мм), 3R12 или 3LR12 (22  62  67 мм), 6F22 или 6LF22 (17,5  26,2  49,2 мм).Согласно рекомендациям Международной электротехнической комиссии (МЭК) цилиндрические элементы и батареи содержат в обозна­чениях:одну букву, определяющую электрохимическую систему (L — алкалическая, S — серебряно-цинковая, М или N — ртутно-цинковая);букву R (от английского Ring — круг), определяющую форму элемента;число (от 03 до 600), определяющее размеры элемента.Прямоугольные и квадратные элементы и батареи (в частности, галетного типа) имеют в обозначении букву F (от английского Flat — плоский), определяющую форму элемента, и одну букву, определяющую электрохимическую систему (как у цилиндрических элементов).Наряду с рекомендациями МЭК для обозначений используются государственные и фирменные стандарты страны-изготовителя. Наиболее известными являются следующие стандарты:1. Стандарт ANSI (American National Standart Institute — Американский националь­ный институт стандартов). Обозначение состоит из двух групп символов: одной-двух букв (назначение и электрохимическая система) и одной-трех цифр (габа­ритные размеры) для пуговичных элементов и целого числа или дроби (отноше­ние к исходному типоразмеру) и одной-трех букв (обозначение типоразмера) для цилиндрических элементов.2. Стандарт NEDA (National Electric Distributors Association — национальная ассо­циация дистрибьюторов по изделиям электроники). Обозначение состоит из трех групп символов: одной-четырех цифр (типоразмер элемента или батареи), одной бук­вы (обозначение электрохимической системы), нуля (обозначение особых свойств серебряно-цинковых элементов).3. Стандарт JIS (Japanese Industrial Standart — японский промышленный стандарт). Используются две системы обозначений — старая и новая. В старой системе обозначение состоит из двух групп символов: двух букв (типоразмер и электро­химическая система), цифры и буквы (число элементов в батарее и типоразмер). В другом варианте обозначение тоже состоит из двух групп символов: одной-двух букв (электрехимическая система), одной-двух цифр (типоразмер). В новой системе обозначение состоит из четырех групп символов: цифры (число элементов в батарее), одной-трех букв (электрохимическая система и отдача) и одной-четырех цифр (типоразмер, чаще всего указывается в виде шифра), одной буквы (дополнительные данные об отдаче).4. Стандарт DIN (Deutsche Ingenieuring Normen — немецкий инженерный стандарт). Используется цифровая система обозначений в виде пятизначного числа и одной цифры (после косой черты). Пятизначное число обозначает типоразмер элемента (последние три цифры) и электрохимическую систему (цифра после косой черты: 1 — серебряно-цинковая, 2 — алкалическая, 3 и 4 — ртутно-цинковые разновиднос­тей NR и MR).К стандартному или фирменному обозначению часто добавляют буквы или целые фразы, по которым можно оценить параметры элемента. Элементы и батареи с щелочным электролитом (алкалические) имеют обозна­чение LR перед номером типоразмера и пояснения Alka, Alkaline, Alkali Mangan, Alkaline Phis, Super Energy, Professional. Некоторые фирмы дополнительно помещают на этикетке 5 звездочек.Элементы и батареи Лекланше с солевым электролитом, кроме буквы R перед номером типоразмера, могут иметь фразы Normal или Standard или одну звез­дочку на этикетке.Усовершенствованные элементы и батареи Лекланше могут иметь такие надписи и символы: Score, Super, Plus, Power(PE), Super Life, NormalDuty (ND), Extra(E), **, Super Power(S), Langer Service Life, Duty Energie (DE), High Power, Heavy Duty или Higt Performance, Super Dry, Computer Energy, Super Plus, *** или ****, Power Plus(PP), Top, Heavy Duty (HD), Super(S), Super Duty(SD), Professional(P), King Power(K), Ultra King Power(U), Extra Long Discharge Perfomance (NE), Super Heavy Duty, Super, Super Energy и др.Отсутствие стандартизации таких обозначений, использование одинаковых слов, фраз или аббревиатур затрудняет реальную оценку работоспособности элемента или батареи, что усугубляется частыми изменениями маркировки, не всегда отражающими реальный рост качества таких изделий.Кроме аббревиатур и словесных пояснений, многие фирмы ис­пользуют цветовую кодировку. Эта кодировка периодически меняется и в какой-то мере отражает изменение технических параметров. Оценить особенности упомянутых коди­ровок можно на примерах ряда ведущих фирм, таких как:1. Вегес(ФРГ). Алкалические элементы и батареи (серии LR) выпускаются в черных корпусах с желто-золотистыми надписями и этикеткой, а элементы и ба­тареи Лекланше серий РР, РЕ обычной конструкции (например, R20PP, R20PE, R20) — в черных, желто-золотистых и светло-синих корпусах с серебристой или (для двух последних) красной этикеткой.2. National (Япония). Литиевые элементы обычных типоразмеров (R20, R14 и т. п.) выпускаются в золотистых корпусах, ртутные — в светло-голубых с пятью синими полосами снизу, алкалические — в светлых металлических корпусах с черной этикеткой, элементы и батареи Лекланше серий NEO Hi-Top и Hi-Top — в черных и красных корпусах с сиреневыми этикетками и полосами в нижней части кор­пуса.3. Philips (Нидерланды). Элементы и батареи Лекланше серий SuperDuty(**** или SD), Heavy Duty (*** или HD) и Normal Duty (** или ND) имеют верхнюю часть кор­пуса без окраски, а нижнюю — черного, светло-коричневого и красного цветов соответственно.4. SAFT Mazda (Франция). Алкалические элементы и батареи (серии LR) выпускаются в черных корпусах с желто-золотистыми наклонными полосами, шири­на которых составляет 2/3 высоты корпуса, элементы и батареи Лекланше серий Super Plus(FP), Plus(GS) и Standard(NR) — в черных, серебристых и красных кор­пусах соответственно. В обозначениях элементов и батарей для фото- и киноап­паратуры часто добавляется буква В (Bouton).5. Sunrise (Япония). Алкалические элементы (серии AM) выпускаются в сереб­ристых корпусах с черной этикеткой; элементы и батареи Лекланше серий Super Heavy Duty (дополнительное обозначение N: например, UM-1N), Heavy Duty(S) и High Power (A) — в золотистых корпусах с черной этикеткой, в синих корпусах с серебристой этикеткой и в красных корпусах с золотистой этикеткой. На всех этикетках стилизованное изображение восходящего красного солнца.6. Toshiba (Япония). Алкалические элементы и батареи (серии LR) выпускаются в синих корпусах, элементы и батареи Лекланше серий Ultra King Power (допол­нительное обозначение U: например, UM-Ш), King Power (K) и Super Power (S) — в золотистых (UM-4U и UM-5U— в черном) корпусах с серебристой зигзагообразной линией в нижней части корпуса на черном, красном и зеленом фоне соответствен­но. Такой же узор в виде синей линии на серебристом фоне и у алкалических элементов.Малогабаритные батареи 4SR44 выпускаются в светло-зеленых корпусах, а ртутные элементы и батареи (кроме малогабаритных) — в голубых.7. Varta (ФРГ). Серия алкалических элементов и батарей с повышенной отдачей энергии Energie 2000 (4001, 4003, 4006, 4014, 4018, 4020 и 4022) выпускается в черных корпусах, серии Superdry (3006, 3014, 3020 и 3022), Super (2006, 2010, 2012, 2014, 2020 и 2022) и Standard (1014, 1020) — в корпусах золотис­того, серого и голубого цветов соответственно.Ртутные и алкалические элементы и батареи для фото- и киноаппаратуры выпускаются в черных корпусах или (при малых габаритных размерах) вообще без окраски. Такую же цветовую кодировку имеют элементы для слуховых аппаратов (кроме элемента Лекланше 245 светло-серого цвета).Литиевые окрашенные элементы имеют белый цвет с черными надписями.8. Wonder (Франция). Алкалические элементы и батареи (серии KLR) выпускают­ся в черно-голубых корпусах, элементы и батареи Лекланше серий Top, Standard (Viper, Ultra, Tonic и Batri) и Score(SKO) — соответственно в коричневых (цвета ка­као) или фисташковых, красных с изображением головы льва в круге и красных корпусах.Окраска корпусов алкалических элементов и батарей обя­зательно выполняется с применением черного цвета, малоемких элементов и батарей Лекланше, как правило, — красного цвета, элементов и батарей повышенной отдачи энергии — с серебристым и золотистым фоном. В качестве дополнительных используются красный, синий и коричневый цвета.Кроме перечисленных, к широко известным производителям гальванических и литиевых элементов относится также фирма Duracel (США) (в Европе ее заводы находятся в Бельгии). Разработанная этой фирмой технология EXRA-POWER с применением двуокиси титана позволила существенно улучшить параметры марганцево-цинковых элементов.^ 2.3. Электрохимические системы аккумуляторовНаибольшее распространение в аппаратуре разного назначения получили следующие типы аккумуляторов:1. Свинцово-кислотные (электрохимическая система — (–) Pb | H2SO4 | PbO2 (+)). Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор былсоздан французским ученым Г. Планте (1859 г.). Электроды этого аккумулятора были изготовлены из листового свинца, а сепаратором (межэлектродным разделителем) служило полотно. Вся эта конструкциясворачивалась в спираль и вставлялась в сосуд с 10-процентным растворомсерной кислоты. Для увеличения электрической емкости за счет увеличения эффективной поверхности пластин проводились многократные циклы заряд/разряд, которые занимали от 1000 часов до двух лет (впоследствии пластины начали формировать гальваническим способом). Заряд аккумулятора осуществлялся от единственно имеющихся в то время первичных элементов (в основном это были элементы Бунзена). Значительно увеличить емкость аккумулятора удалось К. Фору (1880 г.) за счет нанесения на поверхность пластин окислов свинца (так называемые намазные электроды). Год спустя Э. Фолькмар предложил конструкцию электродов в виде намазной решетки, а Селлон — материал для такой решетки в виде сплава сурьмы и свинца.В Кронштадте разработки конструкции аккумулятора начались в 1881 г. и уже в 1884-м на Неве прошел испытание электрический катер. Он мог пройти 30 миль при скорости до 6 узлов.Начиная с 1890 г., в промышленно развитых странах свинцово-кислотные аккумуляторы уже выпускались серийно. Пионерами в этой области были компании Electrical Power Storage Company, VARTA (поставщик с 1900 г. стартерных аккумуляторов для заводов «Мерседес», «Фольксваген», «Ауди» и «Опель»), Baren (1938 г.), FIAMM (1942 г.) и др. С появлением электростанций постоянного тока понадобились мощные стационарные аккумуляторы в качестве буферных источников энергии в моменты пиковых нагрузок (в 1927 г. мощность батарей таких аккумуляторов составляла 80000 кВт в Берлине и 95000 кВт в Нью-Йорке).Свинцово-кислотные аккумуляторы характеризуются номинальным напряжением 2 В на элемент, 2,4 В в конце заряда и 1,8 В в конце разряда.2. Герметизированные свинцово-кислотные (SLA — Sealed Lead Acid) — наиболее перспективные аккумуляторы для применения в аппаратуре различного назначения, особенно в аппаратуре с вахтовым обслуживанием; характеризуется количеством циклов заряд/разряд N = 600—800 при саморазряде 0,1% в день; отличаются самой низкой стоимостью; применяются в основном в устройствах большой мощности, для которых массогабаритные характеристики несущественны (например, в блоках бесперебойного питания, охранных системах или системах резервного освещения). Разновидностью SLA-аккумуляторов являются гелевые (gelcell) с пониженным газовыделеннием, выполненные по технологии GEL (Gelled Electrolite) с добавлением в электролит двуокиси кремния для придания ему консистенции желе, а также по технологии AGM (Absorptive Glass Mat) с пористым заполнителем из стекловолокна, пропитанного жидким электролитом. К недостаткам SLA-аккумуляторов относятся невозможность быстрого заряда (зарядный ток не более (0,1—0,3)Q при времени заряда не менее 8—16 часов) и недопустимость глубокого разряда из-за сульфатации пластин.Производством SLA-аккумуляторов занимаются компании VARTA, Bosch,FIAMM, Baren, Sonnenschein, входящей в группу европейских производителей CEAC, и др. Емкости выпускаемых аккумуляторов находятся в диапазоне 1—12000 Ач. Ведущим производителем AGM-аккумуляторов является компания FIAMM.Как и в случае традиционных кислотных аккумуляторов заряд SLA-аккумуляторов целесообразно проводить в так называемом компенсационном режиме: на первом 10-часовом этапе заряд производится током IЗ = 0,15QН до напряжения 2,3 В, а на втором — током IЗ = 0,05QН до напряжения 2,4 В. Поскольку SLA-аккумуляторы часто используются в буферном режиме (с постоянным подзарядом или так называемым плавающим зарядом), то здесь уместно привести рекомендации компании Sonnenschein по такому режиму: напряжение заряда должно находится в пределах от 2,3 В до 2,35 В на элемент при нормальной температуре (20С) и от 2,15 В до 2,55 В на элемент при изменении температуры в диапазоне от –30С до +50С.3. Никель-кадмиевые (NiCd); электрохимическая система — (–) Cd | KOH | NiOOH (+); номинальное напряжение 1,2 В на элемент, в конце заряда — около 1,5 В (зависит от времени эксплуатации); отличаются практически полным отсутствием газовыделения, простотой обслуживания, низким внутренним сопротивлением, обеспечивающим способность отдавать большой ток в относительно короткие промежутки времени (20—40 А при Q = 2400 мА·ч), работоспособностью в широком интервале рабочих токов заряда, разряда и температур окружающей среды (допустимый ток разряда составляет (0,2—2)Q, диапазон рабочих температур — от –40° до +50 °С), высокой нагрузочной способностью даже при низких температурах, возможностью быстрой и простой зарядки в любом режиме при N > 1000 циклов, возможностью восстановления после понижения емкости или длительного хранения, повышенной пожаро- и взрывобезопасностью, устойчивостью к механическим нагрузкам; низкой ценой, длительным сроком службы и широкой доступностью в любом ассортименте потребительских формфакторов. Недостатками NiCd-аккумуляторов являются сравнительно высокий саморазряд (до 10% в течение первых суток после зарядки), большие габариты по сравнению с аккумуляторами других типов при одинаковой емкости