Элемент питания никелевый. Литиевые, алкалиновые и солевые батарейки, никелевые аккумуляторы — что лучше при низких температурах, при долгом хранении

Купил новый шуруповерт и решил поглубже разобраться как правильно эксплуатировать его никель-кадмиевые аккумуляторы.
Цель - активная работа шуруповертом со сменой аккумуляторов (АкБ) без риска испортить аккумуляторы раньше времени.
Справка:
У данного шуруповерта:
- Аккумуляторная батарея - 12В.
- Количество элементов - 10.
- Ёмкость батареи - 1,2 Ачаса.
- ЭДС заряженной АкБ - 13,6В.
Особенности:
- Считается, что максимальная ЭДС полностью разряженной АкБ - 10В.
- Все Ni Cd аккумуляторы имеют эффект "памяти", т.е. если их не разряжать до конца, то они теряют свою емкость.
- У Ni Cd аккумуляторов большой саморазряд.
- Количество циклов заряд-разряд у любых аккумуляторов ограничено.
- Считается, что единственным критерием полного заряда Ni Cd аккумуляторов (при токах больших, чем 0,1С) является их температура, равная примерно 40*С.
Что я сделал:
1. Во-первых, изучил мат. часть (файл приложен).
2. Во-вторых, провел серию измерений.
3. В-третьих, проработал и сделал зарядно-разрядное устройство для сверхбыстрого заряда и автоматического отключения при номинальном разряде.
Итак, по пунктам:

1. Читайте теорию (файл).
2. Промерил зарядные токи и температуры АкБ при двух сильно разных токах и сопоставил их с "теорией".

2А. "Быстрый" заряд большим начальным током (большим, чем 2,5 Ампера).
Полностью разряженную АкБ заряжал, взятым от старого ноутбука зарядным устройством с ЭДС 15 Вольт без дополнительных ограничителей тока/напряжения, т.е. - напрямую. Вообще-то, это называется "заряд постоянным напряжением".
Результат:
За первые 15 минут АкБ приняла 50% своей емкости, при этом зарядный ток снизился до 1,4А. Температура АкБ почти не изменилась.
Далее в течении следующих 45 минут ток асимптотически приблизился к 0,22А ( повысилась до 30*С). Затем почти 1 час ток оставался на уровне 0,22А (в конце - 34*С) и еще через 30 минут я отключил заряд при явно выраженном автоматическом выравнивании заряда элементов (в соотв. с "теорией") - при повышении тока до 0,35А и температуры до 38*С.
Вывод: полный заряд большим током можно производить за 2,5 часа. А до 50% - за 15 минут. О проблемах с недозарядом я нигде не читал. Проблемы только - с недораз рядом. Ну, и, конечно, - с переза рядом (а вернее - с перегревом из-за перезаряда).
2Б. Медленный заряд малым током (0,1С, т.е. - 120мА). Режим - близкий к "капельному".
Полностью разряженную АкБ заряжал, зарядным устройством от другого шуруповерта (менее мощным, чем штатное) без дополнительных ограничителей тока/напряжения, т.е. тоже напрямую.
За первые 15 минут зарядный ток упал с 310мА до 120мА и далее оставался более-менее стабильным, а температура за 15 часов заряда поднялась до 37*С.
При этом, температура в 36-37*С стабилизировалась уже после 10,5 часов заряда.
Вывод: Заряд током близким, но не более, чем 0,1С можно проводить без ограничения по времени, т.е. - не бояться перегрева/перезаряда АкБ. Грубо говоря - включил "на ночь" и потом как проснулся, почесался и отключил. Это полезно если у АкБ отсутствует отключающий термоэлемент.

3. Из зарядного блока от старого шуруповерта я сделал зарядно-разрядное устройство (ЗРУ).

Ну, заряд там - напрямую от любого из двух описанных выше зарядных устройств, а разряд - через мощный резистор (24 Ома) со схемкой на реле. Реле - автоматически отключает разряд при достижении напряжения 9-10 Вольт.
Зачем принудительный разряд? Он нужен, чтобы емкость АкБ не снижалась, т.е., чтобы ликвидировать эффект "памяти" (см. "теорию" в файле). Т.е., когда пользователь считает, что АкБ надо менять, он вставляет полу разряженную АкБ в ЗРУ в режим разряда и, занимаясь свои делом, ждет, когда погаснет светодиод. После этого переводит тумблер в положение заряд и, при наличии у данной АкБ термоэлемента, отключающего заряд при повышении температуры до 40-45*С - "забывает" про него. Причем, использовать заряжаемую АкБ он может уже через 15 минут (при быстром заряде). Если термоэлемента нет, то для отключения можно использовать суточный электромеханический таймер .

Примечание 1. В принципе, можно разряжать АкБ и самим шуруповертом, но мне это не понравилось. Контроль уровня номинального разряда примерно такой: если уже еле вращающийся без нагрузки патрон остановить рукой и он после этого сам уже не начнет вращаться, то - разряд близок в номинальному.
Примечание 2. При любом реальном токе заряда об окончании заряда Ni Cd аккумуляторов можно и нужно судить по температуре АкБ - лучше около 40*С (при комнатной окружающей температуре!).
Примечание 3. На основе сказанного можно сделать рекомендации по хранению АкБ. Цель рекомендаций - максимальный ресурс АкБ.
Я бы выделил два разных режима эксплуатации шуруповерта:
- Редко. Одна батарея пусть лежит в том состоянии какое осталось после последней работы, а другую - хранить разряженной. При начале работы первой пользоваться (дораз рядить в процессе работы), а вторую в это время можно заряжать.
- Часто. Хранить одну - в заряженном состоянии, а другую - в любом, какое осталось после последней работы. Ну, а если - очень часто (каждый день), то можно и обе хранить в заряженном состоянии.
***
Понимаю, что не у всех есть ЗУ для быстрого заряда, как и для медленного (штатные обычно дают средний между ними ток). Однако, все-таки, их несложно сделать/найти. В любом случае надеюсь, что написанное здесь поможет кому-то немного разобраться с такими "своеобразными" Ni Cd аккумуляторами.

Вопрос выбора элементов питания поднимался пользователями не раз. Для раций, для различных вспомогательных устройств, в блоках дополнительного питания и т.д. По заданию редакции сайт я проведу небольшой экскурс и мы попытаемся выяснить что лучше. Причём это не исчерпывающий опус, скорее тезисные отметки по тем или иным моментам.

Сразу — про солевые элементы забываем. Да, они дёшевы, но текут, разряжаются на морозе с ними тоже проблемы. Их назначение — телевизионные пульты.

Алкалиновые — щелочные батарейки , имеют особенность: если батарейка села, даём ей минут 30 отдохнуть и она снова проработает некоторое время. Поэтому есть способ продлить их службу: периодически меняя 2 комплекта.

Литиевые батарейки нельзя заряжать. При зарядке они могут взорваться! Работают в 7 раз дольше алкалиновых, могут не терять заряда годами.

Из одного комментария: я спасатель, для нас хорошие батарейки это не только эффективность работы, но, зачастую и собственное выживание. Навигатор, фонарь — всё это должно работать без проблем.

При минусовых температурах электролит загустевает. Здесь нужны только литиевые элементы.

Хранить и батареи и аккумуляторы надо отдельно от устройств.

Есть обычные батарейки, что для розничной продажи, и есть те что для промышленного потребления, у них и упаковка другая и оформление самого элемента отлично, а самое главное они и живут дольше, и это не субъективное мнение, а реально замеренные данные на примере использования. Разницу я бы оценил от 1,5 до 2,5 раз дольше. Проверяли (использовали) на рациях. 12 комплектов (24 рации), половина с батарейками купленными в супермаркете, те же дурасел, срок годности в норме, вторая половина с теми что я купил. Супермаркетовские выдержали примерно 8 часов работы (1 смена), второй день работали только промвариант, отработали еще почти смену.

Батареи повышенной емкости Energizer и Duracell можно использовать для основных приборов, помня, что емкость у них не слишком большая и при значительном потреблении тока разряжаются быстро.

Батареи высокой плотности заряда и длительного срока хранения — Energizer L91-2 (LR6) Ultimate Lithium, Size «AA», 1.5V, Li-Fe — поколение батарей, основанных на Li-Fe технологии с высокой емкостью (даже больше, чем у аккумуляторов) и длительным сроком хранения (несколько лет). Единственный их недостаток — цена, сравнимая со стоимостью аккумуляторов.

Никелевые аккумуляторы:

Никель-кадмиевые: перед зарядкой обязательно максимально разряжайте, иначе ёмкость будет постепенно уменьшаться.
Никель-металлгидридные: в 3 раза более ёмкие чем кадмиевые.

Для долгой и периодической работы советую аккумуляторы с низким саморазрядом (Sanyo eneloop 2000 mAh, Varta long life Ready2Use 2100 mAh или аналогичные) как основной источник тока для приборов. В довесок комплект из батарей повышенной емкости Energizer Ultimate Lithium в запаянном полиэтиленовом пакете.

Никель-кадмиевый аккумулятор (Ni-Cd Аккумуляторы) – это источник тока химического происхождения. Основные компоненты: гидроксид никеля, небольшое содержание порошка графита (не более 8%), электролитический элемент гидроксид лития. Анодом выступает гидроксид кадмия или вещество в порошкообразной консистенции. Аккумуляторы ni-cd ламельного типа способны прослужить до 25-ти лет, а обычные выдерживают от 100 до 900 циклов последовательной разрядки/зарядки.

Как заряжать никель-кадмиевые аккумуляторы?

Для восполнения электропотенциала элементов питания используются автоматические и реверсивно-импульстные зарядки. Первый вид относится к бытовым устройствам: простой в изготовлении, недорогой, может одновременно заряжать 2-4 элемента. Второй вид (профессиональный) способен не только заряжать, но и поддерживать рабочий потенциал батарей.

Аккумулятор никель-кадмиевый «помнит» граничный нижний уровень разряда, достигая которого перестаёт функционировать. Поэтому рекомендуется выполнить полную разрядку (до U=1В). Контролируйте температуру, так как при достижении 50°С элемент питания выйдет из строя.

При зарядке используют большой ток. Когда стоит задание применить максимальную мощность аккумулятора, заряжать его лучше малым током. Для ускоренного режима зарядки выбирают ступенчатую подачу тока (10% – средним током, 80% – большим током и оставшиеся 10% – минимальным током).

В батарейках никель-кадмиевых напряжение поднимается до конкретного уровня, а затем закрепляется на этом значении. При полной зарядке U снижается.

Как восстановить никель-кадмиевый аккумулятор

При полной разрядке аккумулятор ni-cd перестаёт реагировать на зарядку. Существует способ восстановления его работоспособности.

При работе элемента питания меняется механическая прочность и количество положительного электрод. Следствием процесса является ухудшение связи между электродом и активной массой. Результат: резкое снижение ёмкости и проводимости, а затем – устранение контакта между двумя электродами.

Ёмкость падает по причине сращивания кристаллов, возникающего при перезаряде. Плюс увеличивается самостоятельный разряд, особенно при длительном хранении.

Батареи никель-кадмиевые восстанавливаются при резком воздействии (по типу касаний, 2-3 раза в секунду) током высокого значения. Это вызовет дробление крупных кристаллов, обновление ёмкости и уменьшение собственного разряда. После этого элементы питания можно заряжать стандартными способом.

Никель-кадмиевые аккумуляторы или литий-ионные аккумуляторы

Если никель-кадмиевый аккумулятор купить, хорошо попользоваться им и положить на хранение, то это не приведёт к порче батареи. А литий-ионные аналоги перед хранением следует зарядить.

Ni-Cd

Радует

Маленькая стоимость.
Быстрый заряд и работа при высоком токе нагрузки.
Многоразовая зарядка (обязательно «с нуля»).
Использование при температуре до -20°С.

Огорчает

Высокий сброс заряд.
При долгом бездействии потребуется до 5-ти восстановительных циклов заряда/разряда.
Чтобы исключить «память», желательно каждый раз добиваться полной разрядки батареи.

Аккумуляторы автомобильные никель-кадмиевые часто используются для переносного электроинструмента.

Li-Ion

Радует

Нет «эффекта памяти», поэтому батарею можно подзаряжать в любое время.
Подходит для постоянного использования, на хранение можно оставлять, когда заряда остаётся около 50%.
Разряжается очень медленно (до5% за 30 дней), облдет хорошей ёмкостью и быстро восстанавливает свой потенциал.

Огорчает

Не подходит для долгой работы при минусовых температурах.
Требует больших финансовых затрат, чем батарея никель-кадмиевая.
Имеет ограниченный временной ресурс использования.

Применяемые в цифровых фотоаппаратах, камерах, электронных микроскопах, сотовых телефонах, литий-ионные аккумуляторы прослужат до 5-ти лет.

Основные типы аккумуляторов:

Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы

Для аккумуляторного инструмента никель-кадмиевые аккумуляторы являются фактическим стандартом. Инженерам хорошо известны их достоинства и недостатки, в частности Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы содержат кадмий – тяжёлый металл повышенной токсичности.

У никель-кадмиевых аккумуляторов есть так называемый «эффект памяти» суть которого сводится к тому, что при заряде не полностью разряженного аккумулятора его новый разряд возможен только до того уровня, с которого его зарядили. Другими словами аккумулятор «помнит» уровень остаточного заряда, с которого его полностью зарядили.

Итак, при заряде не полностью разряженного Ni-Cd аккумулятора происходит уменьшение его ёмкости.

Существует несколько способов борьбы с этим явлением. Опишем только самый простой и надёжный способ.

При использовании аккумуляторного инструмента с Ni-Cd аккумуляторными батареями следует придерживаться простого правила: заряжать только полностью разряженные аккумуляторы.

Рекомендуется хранить Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи в разряженном состоянии, желательно чтобы разряд не был глубоким, в противном случае это может вызвать необратимые процессы в батарее.

Плюсы Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов

Низкая цена Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов
Возможность отдавать наибольший ток нагрузки
Возможность быстрого заряда аккумуляторной батареи
Сохранение высокой ёмкости аккумулятора до -20°C
Большое количество циклов заряда-разряда. При правильной эксплуатации подобные аккумуляторы отлично работают и допускают до 1000 циклов заряда-разряда и более

Минусы Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов

Относительно высокий уровень саморазряда – Ni-Cd Никель-кадмиевый аккумулятор теряет порядка 8-10% своей ёмкости в первые сутки после полного заряда.
Во время хранения Ni-Cd Никель-кадмиевый аккумулятор теряет порядка 8-10% заряда каждый месяц
После длительного хранения ёмкость Ni-Cd Никель-кадмиевого аккумулятора восстанавливается после 5 циклов разряда-заряда.
Для продления срока службы Ni-Cd Никель-кадмиевого аккумулятора рекомендуется каждый раз полностью его разряжать для предотвращения проявления «эффекта памяти»

Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы

Эти аккумуляторы предлагаются на рынке как менее токсичные (по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами) и более экологически безопасные, как в производстве, так и при утилизации.

На практике Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы действительно демонстрируют весьма большую ёмкость при габаритах и массе, несколько меньших, чем у стандартных Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов.

Благодаря практически полному отказу от применения токсичных тяжелых металлов в конструкции Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов последние после использования могут быть утилизованы вполне безопасно и без экологических последствий.

У никель-металлогидридных аккумуляторов несколько снижен «эффект памяти». На практике «эффект памяти» практически незаметен из-за высокого саморазряда этих аккумуляторов.

При эксплуатации Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов желательно разряжать их в процессе работы не полностью.

Хранить Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы следует в заряженном состоянии. При длительных (более месяца) перерывах в работе аккумуляторы следует перезаряжать.

Плюсы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов

Нетоксичные аккумуляторы
Меньший «эффект памяти»
Хорошая работоспособность при низкой температуре
Большая ёмкость по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами

Минусы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов

Более дорогой тип аккумуляторов
Величина саморазряда примерно в 1.5 раза выше по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами
После 200-300 циклов разряда-заряда рабочая ёмкость Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов несколько снижается
Батареи Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов имеют ограниченный срок службы

Li-Ion Литий-ионные аккумуляторы

Несомненным достоинством литий-ионных аккумуляторов является практически незаметный «эффект памяти».

Благодаря этому замечательному свойству Li-Ion аккумулятор можно заряжать или подзаряжать по мере необходимости, исходя из потребностей. Например, можно подзарядить не полностью разряженный литий-ионный аккумулятор перед важной, ответственной или продолжительной работой.

К сожалению эти аккумуляторы являются наиболее дорогими аккумуляторными батареями. Кроме того литий-ионные аккумуляторы имеют ограниченный срок службы, независящий от числа циклов разряд-заряд.

Резюмируя можно предположить, что литий-ионные аккумуляторы лучше всего пригодны для случаев постоянной интенсивной эксплуатации аккумуляторного инструмента.

Плюсы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов

Отсутствует «эффект памяти» и поэтому появляется возможность заряжать и подзаряжать аккумулятор по мере необходимости
Высокая ёмкость Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
Небольшая масса Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
Рекордно-низкий уровень саморазряда – не более 5% в месяц
Возможность быстрого заряда Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов

Минусы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов

Высокая стоимость Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
Сокращается время работы при температуре ниже нуля градусов Цельсия
Ограниченный срок службы

Примечание

Из практики эксплуатации Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов в телефонах, фотокамерах и т.д. можно отметить, что эти аккумуляторы служат в среднем от 4 до 6 лет и выдерживают за это время около 250-300 циклов разряда-заряда. При этом абсолютно точно замечено: больше циклов разряд-заряд – короче срок службы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов!

Следите за новостями в нашей группе Вконтакте