Как устроен аккумулятор?

Если коротко, аккумулятор — это один или несколько электрохимических элементов, которые запасают энергию в химических связях и отдают её в виде электричества. Внутри всё крутится вокруг двух электродов и электролита: ионы бегут внутри, электроны — по внешней цепи.

Базовая “начинка” одного элемента

• Катод и анод. Две разные по химии пластины (или слои порошка на фольге), между которыми идёт окислительно-восстановительная реакция.

  Важно: при разряде катод — “плюс”, анод — “минус”; при заряде роли по терминам меняются.

• Электролит. Среда, по которой бегут ионы (жидкость, гель или полимер). Электроны через электролит не идут — им нужен внешний провод.

• Сепаратор. Тонкая пористая плёнка: пропускает ионы, но не даёт электродам замкнуться.

• Токосъёмники. Тонкая металлическая фольга, к которой “приклеен” активный материал (обычно алюминий для катода и медь для анода).

• Корпус и предохранительная фурнитура. Цилиндр (18650/21700/4680), призма или “пакет” (pouch). Часто есть предохранительный клапан, PTC-предохранитель, термодатчик.

• BMS (система управления батареей). В многоэлементных батареях следит за напряжениями ячеек, током и температурой, отключает при авариях и балансирует элементы.

Физически активные слои часто свёрнуты “рулетом” (jelly roll) и вставлены в корпус, либо уложены стопкой.

Как это работает

• Разряд. Внутри идёт химическая реакция: ионы мигрируют через электролит и сепаратор, а электроны текут по внешней цепи — питают нагрузку.

• Заряд. Зарядное устройство прикладывает напряжение “в обратную сторону”, реакция идёт назад, химическая “пружина” снова сжимается.

От ячейки к батарее

Один элемент — это фиксированное напряжение (зависит от химии). Батарея — набор элементов:

• Последовательно (S) для поднятия напряжения.

• Параллельно (P) для увеличения тока/ёмкости.
  Обозначение вроде “10S2P” = 10 последовательно, по 2 параллельно в каждом “этаже”.

Типичные номиналы на ячейку:

• Свинцово-кислотный: ~2,0–2,1 В

• NiMH/NiCd: ~1,2 В

• Li-ion (NMC/NCA/LCO): ~3,6–3,7 В (макс. заряд обычно 4,2 В)

• LiFePO₄ (LFP): ~3,2–3,3 В (макс. ~3,65 В)

Основные характеристики

• Ёмкость (А·ч) — сколько тока может отдать за час.

• Энергия (Вт·ч) = напряжение × ёмкость.

• Внутреннее сопротивление — влияет на просадку напряжения и нагрев.

• C-rate — допустимая скорость заряда/разряда (1C = разряд за 1 час).

• Саморазряд, КПД, рабочие температуры, ресурс (циклы) — важны для подбора под задачу.

Распространённые химии и чем отличаются

• Свинцово-кислотные (включая AGM/гелевые). Дешёвые, терпят холод и перезаряд “в буфере”, тяжёлые, невысокая удельная энергия. Хороши для старта авто и ИБП.

• NiMH/NiCd. Прочные к морозу и токам, но тяжелее и с более высоким саморазрядом (NiCd токсичны и вытеснены).

• Li-ion (общее семейство). Высокая удельная энергия и КПД; требуют строгой защиты:

  • NMC/NCA — высокая плотность энергии/мощность (электромобили, электроинструмент).

  • LCO — плотный по энергии, чаще в портативной электронике.

  • LFP (LiFePO₄) — меньшее напряжение и энергия на кг, но более термоустойчив, очень долговечен (часто в стационарах и EV).

  • Li-Po — форм-фактор “пакет” с полимерным электролитом; тонкие, но чувствительны к механике и перезаряду.

Как заряжают

• Li-ion/Li-po: режим CC/CV — сначала постоянный ток, потом постоянное напряжение до снижения тока. Перезаряд опасен; глубокий разряд ниже порога — тоже.

• LFP: тоже CC/CV, но с меньшим целевым напряжением.

• Свинцово-кислотные: стадии Bulk → Absorption → Float (и иногда Equalize для обслуживаемых).

• NiMH/NiCd: контролируют по ΔV/ΔT и таймеру, часто медленнее.

Что убивает ресурс

• Высокая температура (особенно при полном заряде).

• Длительное хранение на 100% (для Li-ion лучше 30–60% при прохладе).

• Глубокие разряды и высокие токи сверх допуска.

• Механические повреждения (для pouch-ячеек критично).

Безопасность

• В ячейках — клапаны, PTC, сепараторы с “shut-down”-эффектом.

• В батареях — BMS: защита от перезаряда/переразряда/КЗ/перегрева, балансировка.

• При грубых нарушениях у Li-ion возможен термический разгон: поэтому важны качественные ЗУ и аккуратная эксплуатация.

В сухом остатке: аккумулятор — это “сэндвич” из двух разных электродов, сепаратора и электролита в жёстком или мягком корпусе, который в сборке с электроникой (BMS) превращается в безопасный и управляемый источник энергии нужного напряжения и тока.