Утилизация аккумуляторов

     Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

      Отработанные  аккумуляторные батареи являются самым  распространенным видом вторичного сырья, так как их срок службы не настолько велик, как, скажем, жизнь  персонального компьютера: в среднем батареи отрабатывают от трех до пяти лет. И, вместе с тем, аккумуляторный лом – это достаточно сложное для утилизации сырье. Ведь и кислотные автомобильные аккумуляторы, и щелочные батареи содержат опасные химические вещества, с которыми нельзя контактировать неспециалистам. Только профессионалы должны заниматься выработавшими свой ресурс аккумуляторами.

      Наибольшее  распространение в жизни современного человека получили аккумуляторы кислотного типа. Практически в любой жизненной сфере можно обнаружить объекты, функционирующие именно на этом типе батарей. Все, начиная с транспортных средств, будь то мотоцикл или автомобиль, и заканчивая источниками бесперебойного питания в бытовых условиях и в промышленных масштабах, так или иначе связано именно с кислотными аккумуляторами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. Аккумуляторы и  их виды

     1.1 Понятие и основные характеристики аккумуляторов 

      Разные  типы аккумуляторов имеют не только различную стоимость, но и отличаются по основным параметрам: количеству циклов перезарядки, максимальному сроку хранения, отдаваемой емкости, размерам, температурному диапазону работы, возможностям ускоренной зарядки и т. д.  
Аккумуляторы выполняются как в виде одного элемента, так и нескольких, последовательно включенных и оформленных в одном корпусе элементов - батареи. Некоторые модели аккумуляторов включают в себя электронные элементы управления, обеспечивающие контроль режима заряда и защиту аккумулятора от неправильной эксплуатации [2].

      Аккумулятор (от лат. аccumulator — собиратель, accumulo — собираю, накопляю) — устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования. Электрический аккумулятор преобразует электрическую энергию в химическую и по мере надобности обеспечивает обратное преобразование. Зарядка аккумулятора происходит путем пропускания через него электрического тока. В результате вызванных химических реакций один из электродов приобретает положительный заряд, а другой — отрицательный.

      Аккумулятор - это устройство для хранения энергии, которая в дальнейшем используется как электричество. Работа аккумулятора зависит от двух металлов, которые находясь в кислотном растворе и вырабатывают электричество.

      Все аккумуляторы, независимо от электрохимической  системы, характеризуются напряжением, электрической емкостью, внутренним сопротивлением, током саморазряда, эффектом памяти и, конечно же, сроком службы. 

      Емкость аккумулятора - это количество электрической  энергии, которой должен обладать полностью  заряженный аккумулятор. Емкость —  самый важный параметр аккумулятора, ведь чем больше емкость аккумулятора — тем дольше будут работать приборы, не требуя подзарядки. Измеряется емкость в миллиампер-часах (мА.час). Номинальная емкость всегда указывается на этикетке аккумулятора или на самом аккумуляторе. Однако реальная емкость не всегда совпадает с номинальной. На практике, реальная емкость аккумулятора колеблется от 80% до 110% от номинального значения. 

      Внутреннее  сопротивление является еще одним очень важным параметром аккумулятора. Измеряется внутреннее сопротивление в миллиомах (мОм) и зависит от емкости элемента, числа элементов, электрохимической системы, а также возраста и условий эксплуатации аккумулятора. Измерить его можно на специальных приборах-анализаторах аккумуляторов, например, производимых фирмой Cadex. В процессе эксплуатации аккумулятора значение его внутреннего сопротивления увеличивается. Аккумулятор с высоким внутренним сопротивлением не выдает в нагрузку всю запасенную им энергию, вследствие чего и сокращается время работы приборов. 

      Саморазряд аккумулятора  - это самопроизвольная потеря аккумулятором запасенной энергии с течением времени после того, как он был полностью заряжен. Явление саморазряда присуще всем типам аккумуляторов, независимо от их электрохимической системы. Для количественной оценки саморазряда используется величина потерянной аккумулятором за определенное время энергии, выраженная в процентах от значения, полученного сразу после заряда. Саморазряд максимален в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается. Поэтому оценивается саморазряд за одни сутки и за один месяц после заряда [4].

      Для исправных Ni-Cd аккумуляторов считается  допустимым саморазряд до 10% в течение  первых 24 часов после окончания  заряда, для Ni-MH — немного больше, а для Li-Ion, как и для Li-Pol, пренебрежимо мал и оценивается только за месяц. За такой период Ni-Cd аккумуляторы теряют до 20% запасенной энергии, Ni-MH — до 30%, a Li-Ion — не более 10%. 

      Эффект  памяти — это обратимая потеря емкости аккумулятора, связанная  с неблагоприятными условиями эксплуатации. Он развивается вследствие заряда не полностью разряженных аккумуляторов и свойственен только аккумуляторам на основе никеля. Сильнее всего эффект памяти проявляется именно в никель-кадмиевых аккумуляторах. Дело в том, что в аккумуляторах на основе никеля рабочее вещество находится в виде мелких кристаллов, обеспечивая максимальную площадь соприкосновения с электролитом. С каждым циклом заряда/разряда рабочее вещество постепенно изменяет свою структуру, уменьшая при этом площадь активной поверхности. Как следствие, снижается напряжение и уменьшается емкость. При неблагоприятных условиях эксплуатации кристаллы укрупняются до размеров, в 150 раз превосходящих первоначальные. В некоторых случаях острые грани кристаллов прокалывают сепаратор, вызывая высокий саморазряд или короткое замыкание. 

      Как правило, каждый изготовитель использует оригинальную технологию производства, и, соответственно, свои собственные  разработки по конструкции тех или  иных моделей. Тем не менее можно  выделить несколько общих подходов к конструкции разных типов аккумуляторов. 
Например, свинцово-кислотный тип аккумулятора состоит, как правило, из двух пластин (электродов), помещенных в электролит (водный раствор серной кислоты). 

      1.2 Типы аккумуляторных  батарей 

      Никелево-кадмиевый тип аккумулятора выпускается в разных странах мира примерно с 1950 года. На сегодняшний день более 50% всех аккумуляторов для портативного оборудования являются никелево-кадмиевыми.

      Основные  преимущества этого типа аккумуляторов:

      - низкая стоимость;

      - высокая устойчивость к перепадам температур;

      - хорошая устойчивость к большим токам заряда и разряда, так как малое внутреннее сопротивление позволяет отдавать большие токи (другие типы аккумуляторов это не устраивает);

      - большое количество циклов.

      Среди всех типов аккумуляторов никелево-кадмиевый - единственный, который лучше всего  отдает максимальную емкость, обеспечивает большое количество циклов заряда, разряда, если периодически осуществляются глубокие разряды (до 1 В на элемент) [3].

      Недостатки никелево-кадмиевого типа аккумулятора:

      - наличие так называемого;

      - данный тип аккумулятора экологически загрязнен, так как кадмий является высокотоксичным веществом. Также появляются дополнительные проблемы с его переработкой;

      - сравнительно низкая удельная емкость, хотя и не во всех случаях это является критичным.

      Никелево-металлогидридный (Ni-MH) тип аккумулятора. Известны на рынке с конца 80-х годов. Толчком к разработке и производству этого типа аккумуляторов явилась, главным образом, их более высокая плотность энергии по сравнению с Ni-Cd.

      Некоторые из отличительных преимуществ сегодняшнего Ni-MH типа аккумулятора по сравнению  с Ni-Cd:

      - большая удельная емкость (при тех же габаритных размерах значение емкости на 30% больше) меньший вес;

      - в состав данного типа аккумулятора входит меньшее количество токсичных металлов, и в настоящее время он считается экологически чистым.

      К сожалению, Ni-MH тип аккумулятора обладает и недостатками по сравнению с Ni-Cd типом аккумулятора, а именно:

      - имеет гораздо меньшее количество циклов заряда разряда (см. главу о количестве циклов);

      - цена Ni-MH типа аккумулятора выше, чем Ni-Cd, хотя и не всегда может быть главной проблемой, если пользователь предпочитает небольшой размер и вес;

      - температурный режим работы меньше, чем у Ni-Cd типа аккумулятора.

      Современная Ni-MH батарея оборудована внутренним считывателем температуры, чтобы помочь обнаружению полного заряда. Перезаряд  аккумулятора в дешевом зарядном устройстве (ЗУ) (не имеющем автоматического  отключения) может привести к перегреву и полному разрушению аккумулятора.

      Производство  литиево-ионного типа аккумуляторов  началось в начале 90-х годов. На сегодняшний  день самым большим поставщиком  этого типа батареи является компания Sony.

      Главные преимущества литиево-ионного типа аккумуляторов:

      - высокая удельная емкости Li-Ion, по крайней мере, в два раза большей, чем у Ni-Cd типа аккумулятора;

      - Литий - очень легкий металл, имеет самый большой электрохимический потенциал и обеспечивает самое большое содержание энергии;

      - имеет относительно низкий саморазряд и в нем полностью отсутствует.

      Благодаря низкому саморазряду время от времени можно дозаряжать и не совсем разряженный аккумулятор. Количество циклов по данным большинства производителей (так как у каждого производителя свои технологии и соответственно количество циклов несколько отличается) немного больше, чем у Ni-MH типа аккумулятора [4].

      Основные  недостатки литиево-ионного (Li-Ion) типа аккумуляторов:

      - высокая стоимость;

      - малый диапазон рабочих температур, хотя это и не всегда является критичным фактором.

      В конструкции современных литиево-ионного (Li-Ion) типа аккумуляторов присутствуют так называемые smart-микросхемы. Это  позволяет управлять зарядным устройством  таким образом, чтобы процесс  зарядки был наиболее эффективным в зависимости от проработавшего количества циклов .

      Новый тип аккумуляторных батарей - литиево-полимерный (Li-polymer)

      Первоначальная  концепция батареи литий-полимера основана на использовании твердого электролита на полимерной основе. Эта идея предусматривает технологичность в производстве, и соответственно низкую цену.

      Основные  преимущества Li-polymer батарей:

      - большая плотность энергии, т. е. примерно в три раза выше, чем у никелево-кадмиевого типа аккумулятора;

      - очень малый саморазряд;

      - малые габариты.

      Использование твердого электролита позволяет  довести размеры элементов аккумулятора до 1 мм в толщине. Так как данная конструкция не содержит жидкого  электролита и реализуется набором  различных пленок, то можно получать очень гибкие конструктивные формы. Аккумулятор такого типа имеет очень малую толщину, что позволяет ему придавать необходимую форму (например, повторить форму сотового телефона).

      Недостатки  литиево-полимерного типа аккумулятора:

      - не может отдавать большие токи разряда;

      - не любит низких температур.

      Свинцово-кислотный (LEAD ACID) тип аккумуляторов