Литиевые, алкалиновые и солевые батарейки, никелевые аккумуляторы — что лучше при низких температурах, при долгом хранении. Ni-Cd, Ni-MH и Li-Ion аккумуляторы

В течение целых пятидесяти лет портативные устройства для автономной работы могли полагаться исключительно на никель-кадмиевые источники питания. Но кадмий очень токсичный материал, и в 1990-х на смену никель-кадмиевой технологии пришла более экологичная никель-металл-гидридная. По сути эти технологии очень схожи, и большинство характеристик никель-кадмиевых аккумуляторов передались по наследству никель-металл-гидридным. Но тем не менее, для некоторых применений никель-кадмиевые аккумуляторы остаются незаменимыми и используются по сей день.

1. Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd)

Изобретенный Вальдмаром Юнгнером в 1899 году, никель-кадмиевый аккумулятор имел несколько преимуществ по сравнению со свинцово-кислотным, единственным существовавшим тогда аккумулятором, однако был более дорогим из-за стоимости материалов. Развитие этой технологии было довольно медленным, но в 1932 году был сделан значительный прорыв - в качестве электрода стал использоваться пористый материал с активным веществом внутри. Дальнейшее усовершенствование было сделано в 1947 году и решило проблему газопоглощения, что позволило создать современную герметичную необслуживаемую никель-кадмиевую батарею.

На протяжении многих лет именно NiCd батареи служили в качестве источников питания для двухсторонних радиостанций, экстренной медицинской техники, профессиональных видеокамер и электроинструмента. В конце 1980-х были разработаны ультраемкие NiCd аккумуляторы, которые потрясли мир своей емкостью, на 60% превышающей показатель стандартной батареи. Это было достигнуто благодаря размещению большего количества активного вещества в батарее, но добавились и недостатки - повысилось внутреннее сопротивление и уменьшилось количество циклов заряда/разряда.

NiCd стандарт остается одним из самых надежных и непритязательных среди аккумуляторных батарей, и авиационная отрасль остается верной этой системе. Тем не менее, долговечность этих аккумуляторов зависит от надлежащего обслуживания. NiCd, и отчасти NiMH аккумуляторы, подвержены эффекту “памяти”, который приводит к потере емкости, если периодически не делать полный цикл разряда. При нарушении рекомендованного режима зарядки аккумулятор будто помнит, что в предыдущие циклы работы его емкость не была использована полностью, и при разряде отдает электроэнергию только до определенного уровня. (Смотрите: Как восстановить никелевый аккумулятор ). В таблице 1 перечислены преимущества и недостатки стандартного никель-кадмиевого аккумулятора.

Преимущества

Надежный; большое количество циклов при правильном обслуживании
Единственный аккумулятор, способный к ультрабыстрой зарядке с минимальным стрессом
Хорошие нагрузочные характеристики, прощает их преувеличение
Длительный срок хранения; возможность хранения в разряженном состоянии
Отсутствие специальных требований к хранению и транспортировке
Хорошая производительность при низких температурах
Самая низкая стоимость одного цикла работы среди всех аккумуляторов
Доступен в широком диапазоне размеров и вариантов исполнения

Недостатки

Относительно низкая удельная энергоемкость в сравнении с более новыми системами
Эффект “памяти”; необходимость периодического обслуживания для его избежания
Кадмий является токсичным материалом, необходима специальная утилизация
Высокий саморазряд; нуждается в подзарядке после хранения
Низкое напряжение ячейки в 1,2 вольта, требует построения многоячеечных систем для обеспечения высокого напряжения

Таблица 1: Преимущества и недостатки никель-кадмиевых батарей.

2. Никель-металл-гидридные аккумуляторы (NiMH)

Исследования никель-металл-гидридной технологии начались еще в 1967 году. Однако нестабильность металл-гидрида тормозила разработку, что в свою очередь привело к развитию никель-водородной (NiH) системы. Новые гидридные сплавы, обнаруженные в 1980-х, решили проблемы с безопасностью, и позволили создать аккумулятор с удельной энергоемкостью на 40% большей, чем у стандартного никель-кадмиевого.

Никель-металл-гидридные аккумуляторы не лишены недостатков. Например, их процесс зарядки более сложен, чем у NiCd. С саморазрядом в 20% за первые сутки и последующей ежемесячной в 10%, NiMH занимают одну из лидирующих позиций в своем классе. Модифицируя гидридный сплав, можно добиться снижения саморазряда и коррозии, но это добавит недостаток в виде уменьшения удельной энергоемкости. Но в случае использования в электротранспорте, эти модификации весьма полезны, так как повышают надежность и увеличивают срок службы батарей.

3. Использование в потребительском сегменте

NiMH батареи в данный момент являются одними из самых легкодоступных. Такие гиганты отрасли как Panasonic, Energizer, Duracell и Rayovac признали необходимость присутствия на рынке недорогого и долговечного аккумулятора, и предлагают никель-металл-гидридные источники питания разных типоразмеров, в частности АА и ААА. Производителями тратятся большие усилия, чтобы отвоевать часть рынка у щелочных батарей.

В этом сегменте рынка никель-металл-гидридные батареи являются альтернативой перезаряжаемым щелочным батареям , которые появились еще в 1990 году, но из-за ограниченного жизненного цикла и слабых нагрузочных характеристик не снискали успеха.

В таблице 2 сравниваются удельная энергоемкость, напряжение, саморазряд и время работы батареек и аккумуляторов потребительского сегмента. Представленные в АА, ААА и других типоразмерах, эти источники питания могут использоваться в портативных устройствах. Даже если у них может немного различается номинальный вольтаж, состояние разряда, как правило, наступает при одинаковом для всех фактическом значении напряжения в 1 В. Эта широта значений напряжения допустима, так как портативные устройства имеют некоторую гибкость в плане диапазона напряжений. Главное – необходимо вместе использовать только однотипные электрические элементы. Проблемы безопасности и несовместимость напряжения препятствуют развитию литий-ионных батарей в АА и ААА типоразмере.

Таблица 2: Сравнение различных батарей типоразмера АА.

* Eneloop является торговой маркой корпорации Sanyo, основанной на NiMH системе.

Высокий показатель саморазряда NiMH является причиной продолжающейся озабоченности потребителей. Фонарь или портативное устройство с батареей NiMH разрядится, если не пользоваться им несколько недель. Предложение заряжать устройство перед каждым использованием навряд ли найдет понимание, особенно в случае с фонарями, которые позиционируются как источники резервного освещения. Преимущество щелочной батареи со сроком хранения в 10 лет тут видится бесспорным.

В никель-металл-гидридной батарее от Panasonic и Sanyo под торговой маркой Eneloop удалось значительно уменьшить саморазряд. Eneloop может храниться без подзарядки в шесть раз дольше чем обычная NiMH. Но недостатком такой улучшенной батареи является немного меньшая удельная энергоемкость.

В таблице 3 приведены преимущества и недостатки никель-металл-гидридной электрохимической системы. В таблице не учтены характеристики Eneloop и других потребительских торговых марок.

Преимущества

На 30-40 процентов большая емкость по сравнению с NiCd
Менее склонны к эффекту “памяти”, могут быть восстановлены
Простые требования к хранению и транспортировке; отсутствие регулирования этих процессов
Экологически чистые; содержат только умеренно токсичные материалы
Содержание никеля делает утилизацию самоокупающейся
Широкий диапазон рабочих температур

Недостатки

Ограниченный срок службы; глубокие разряды способствуют ее уменьшению
Сложный алгоритм зарядки; чувствительны к перезаряду
Особые требования к режиму подзарядки
Выделяют тепло во время быстрой зарядки и разряда мощной нагрузкой
Высокий саморазряд
Кулоновская эффективность на уровне 65% (для сравнения у литий-ионных - 99%)

Таблица 3: Преимущества и недостатки NiMH батарей.

4. Железо-никелевые аккумуляторы (NiFe)

После изобретения в 1899 году никель-кадмиевого аккумулятора шведский инженер Вальдмар Юнгнер продолжил исследования и пытался заменить дорогой кадмий более дешевым железом. Но низкая эффективность заряда и чрезмерное газообразование водорода заставили его отказаться от дальнейшего развития NiFe батареи. Он даже не стал патентовать эту технологию.

Железо-никелевый аккумулятор (NiFe) использует в качестве катода гидрат окиси никеля, анода - железо, а электролита - водный раствор гидроксида калия. Ячейка такого аккумулятора генерирует напряжение в 1,2 В. NiFe устойчив к излишнему перезаряду и глубокому разряду; может эксплуатироваться в качестве резервного источника питания в течение более чем 20 лет. Устойчивость к вибрациям и высоким температурам сделали этот аккумулятор самым используемым в горной промышленности в Европе; также он нашел свое применение для обеспечения питания железнодорожной сигнализации, также используется как тяговой аккумулятор для погрузчиков. Можно отметить, что во время Второй мировой войны именно железо-никелевые батареи использовались в немецкой ракете “Фау-2”.

NiFe имеет низкую удельную мощность - примерно 50 Вт/кг. Также к недостаткам стоит отнести плохую производительность при низких температурах и высокий показатель саморазряда (20-40 процентов в месяц). Именно это, вкупе с высокой стоимостью производства, побуждает производителей оставаться верными свинцово-кислотным батареям.

Но железо-никелевая электрохимическая система активно развивается и в недалеком будущем способна стать альтернативой свинцово-кислотной в некоторых отраслях. Перспективно выглядят экспериментальная модель ламельной конструкции, в ней удалось снизить саморазряд аккумулятора, он стал практически невосприимчив к пагубному воздействию пере- и недозарядки, а его срок службы ожидается на уровне 50 лет, что сопоставимо с 12-летним сроком службы свинцово-кислотной батареи в режиме работы при глубоких циклических разрядах. Ожидаемая цена такой NiFe батареи будет сравнима с ценой литий-ионной, и всего в четыре раза превышать цену свинцово-кислотной.

NiFe аккумуляторы, равно как и NiCd и NiMH , требуют особых правил зарядки - кривая напряжения имеет синусоидальную форму. Соответственно, использовать зарядное устройство для свинцово-кислотного или литий-ионного аккумулятора не выйдет, это даже может навредить. Как и все батареи на основе никеля, NiFe боятся перезаряда - он вызывает разложение воды в электролите и приводит к ее потере.

Сниженную в результате неправильной эксплуатации емкость такого аккумулятора можно восстановить путем приложения высоких токов разрядки (соразмерных значению емкости аккумулятора). Данную процедуру необходимо проводить до трех раз с длительностью периода разряда в 30 минут. Также следует следить за температурой электролита - она не должна превышать 46°С.

5. Никель-цинковые аккумуляторы (NiZn)

Никель-цинковый аккумулятор похож на никель-кадмиевый тем, что использует щелочной электролит и никелевый электрод, но отличается по напряжению - NiZn обеспечивает 1,65 В на ячейку, в то время как NiCd и NiMH имеют показатель в 1,20 В на ячейку. Заряжать NiZn аккумулятор необходимо постоянным током с значением напряжения 1,9 В на ячейку, также стоит помнить, что этот вид аккумуляторов не рассчитан для работы в режиме подзарядки. Удельная энергоемкость составляет 100Вт/кг, а количество возможных циклов - 200-300 раз. NiZn не имеет в своем составе токсичных материалов и может быть легко утилизирован. Выпускается в различных типоразмерах, в том числе в АА.

В 1901 году Томас Эдисон получил патент США на перезаряжаемую никель-цинковую батарею. Позже его разработки были усовершенствованны ирландским химиком Джеймсом Драммом, который установил эти аккумуляторы на автомотрисы, которые курсировали по маршруту Дублин-Брей с 1932 по 1948 год. NiZn не получил должного развития из-за сильного саморазряда и короткого жизненного цикла, вызванного образованиями дендритов, что также часто приводило к короткому замыканию. Но совершенствование состава электролита уменьшило эту проблему, что дало повод снова рассматривать NiZn для коммерческого использования. Низкая стоимость, высокая выходная мощность и широкий диапазон рабочих температур делают эту электрохимическую систему крайне привлекательной.

6. Никель-водородные аккумуляторы (NiH)

Когда в 1967 началась разработка никель-металл-гидридных батарей, исследователи столкнулись с нестабильностью гидритов металла, что вызвало сдвиг в сторону развития никель-водородного (NiH) аккумулятора. Ячейка такого аккумулятора включает в себя инкапсулированный в сосуд электролит, никелевый и водородный (водород заключен в стальной баллон под давлением в 8207 бар) электроды.

Этой статьёй мы открываем новое для нашего сайта направление: тестирование аккумуляторов и гальванических элементов (или, выражаясь простым языком, батареек).

Несмотря на то, что всё большую популярность приобретают литий-ионные аккумуляторы, специфичные для каждой конкретной модели устройства, рынок стандартных элементов питания общего назначения до сих пор очень велик – от них питается масса различных изделий, начиная от детских игрушек и заканчивая недорогими фотоаппаратами и профессиональными фотовспышками. Велик и ассортимент этих элементов – батарейки и аккумуляторы разных типов, емкостей, размеров, торговых марок, качества изготовления...

На первых порах мы не ставим перед собой цель объять всё богатство элементов питания – мы ограничимся лишь наиболее стандартными и распространёнными из них: цилиндрическими батарейками и никелевыми аккумуляторами.

Данная же статья призвана познакомить вас с некоторыми базовыми понятиями, касающимися исследуемых нами элементов питания, а также с методикой тестирования и используемым нами оборудованием. Впрочем, многие теоретические и практические вопросы мы будем обсуждать и в последующих статьях, посвящённых уже конкретным элементам питания – тем более, что делать это на "живых примерах" много удобнее и нагляднее.

Типы аккумуляторов и гальванических элементов

Батарейки с солевым электролитом

Батарейки с солевым электролитом, они же цинк-углеродные (впрочем, в отличие от щелочных батареек, на упаковках солевых производители обычно просто не указывают их химию) – самые дешёвые химические источники тока из имеющихся в продаже: стоимость одной батарейки колеблется от четырёх-пяти до восьми-десяти рублей, в зависимости от марки.

Представляет собой такая батарейка цинковый цилиндрический контейнер (служащий одновременно и корпусом, и "минусом" батарейки), в центре которого находится угольный электрод ("плюс"). Вокруг анода размещён слой диоксида марганца, а оставшееся пространство между ним и стенками контейнера заполнено пастой из хлорида аммония и хлорида цинка, разведённых в воде. Состав этой пасты может варьироваться: в маломощных батарейках в ней доминирует хлорид аммония, а в более ёмких (обычно обозначаемых производителями как "Heavy Duty") – хлорид цинка.

При работе батарейки цинк, из которого сделан её корпус, постепенно окисляется, в результате чего в нём могут появиться прорехи – тогда электролит из батарейки вытечет, что может привести к порче устройства, в которое она установлена. Впрочем, такие проблемы были характерны в основном для отечественных батареек времён существования СССР, современные же надёжно упаковываются в дополнительную внешнюю оболочку и "текут" очень редко. Тем не менее, надолго оставлять в устройстве севшие батарейки не стоит.

Как уже упоминалось выше, химический состав электролита солевых батареек может немного варьироваться – в "мощной" версии используется электролит с преобладанием хлорида цинка. Впрочем, слово "мощный" применительно к ним можно писать разве что в кавычках – ни одна из разновидностей солевых батареек на сколь-нибудь серьёзную нагрузку не рассчитана: в фонаре их хватит на четверть часа, а в фотоаппарате может не хватить даже на выдвижение объектива. Удел солевых батареек – пульты дистанционного управления, часы да электронные термометры, то есть устройства, энергопотребление которых укладывается в единицы, в крайнем случае в десятки миллиампер.

Батарейки с щелочным электролитом

Следующий тип батареек – щелочные, или марганцевые батарейки. Некоторые не слишком грамотные продавцы и даже производители называют их "алкалиновыми" – это слегка искажённая калька с английского "alkaline", то есть "щёлочь".

Цены на щелочные батарейки варьируются от десяти до сорока-пятидесяти рублей (впрочем, большинство их типов укладываются в диапазон до 25 рублей, выделяются только отдельные модели повышенной мощности), а отличить от солевых их можно по обычно присутствующей в том или ином виде надписи "Alkaline" на упаковке (а иногда – и прямо в названии, например, "GP Super Alkaline" или "TDK Power Alkaline").

Отрицательный полюс щелочной батарейки состоит из цинкового порошка – по сравнению с цинковым корпусом солевых элементов, использование порошка позволяет увеличить скорость протекания химических реакций, а значит, и отдаваемый батарейкой ток. Положительный полюс – из диоксида марганца. Основным же отличием от солевых батареек является тип электролита: в щелочных в его качестве используется гидроксид калия.

Щелочные батарейки хорошо подходят для устройств с энергопотреблением от десятков до нескольких сотен миллиампер – при ёмкости порядка 2...3 А*ч они обеспечивают вполне разумное время работы. К сожалению, есть у них и существенный минус: большое внутреннее сопротивление. Если нагрузить батарейку действительно большим током, её напряжение сильно просядет, а значительная часть энергии будет расходоваться на нагрев самой батарейки – в результате эффективная ёмкость щелочных батареек сильно зависит от нагрузки. Скажем, если при разряде током 0,025 А нам удастся получить от батарейки 3 А*ч, то при токе 0,25 А реальная ёмкость упадёт уже до 2 А*ч, а при токе 1 А – и вовсе ниже 1 А*ч.

Тем не менее, какое-то время щелочная батарейка может работать и при большой нагрузке, просто это время сравнительно невелико. Скажем, если на солевых батарейках современный цифровой фотоаппарат может даже не включиться, то одного комплекта щелочных ему хватит на полчаса работы.

Кстати, если уж вы вынуждены использовать в фотоаппарате щелочные батарейки – купите сразу два комплекта и периодически меняйте их местами, это позволит немного продлить их жизнь: если разряженной большим током батарейке дать немного "отлежаться", она частично восстановит заряд и сможет проработать ещё немного. Минут пять.

Литиевые батарейки

Последний из широко распространённых типов батареек – литиевые. Как правило, они рассчитаны на напряжение, кратное 3 В, поэтому большинство типов литиевых батареек с полуторавольтовыми солевыми и щелочными не взаимозаменяемы. Такие батарейки широко используются в часах, а также – реже – в фототехнике.

Впрочем, существуют и литиевые батарейки на напряжение 1,5 В, выполненные в стандартных форм-факторах АА и ААА – их можно использовать в любой технике, рассчитанной на обычные солевые или щелочные батарейки. Основное преимущество литиевых батареек заключается в меньшем внутреннем сопротивлении по сравнению со щелочными: их ёмкость мало зависит от тока нагрузки. Поэтому, хотя при малом токе что щелочная, что литиевая батарейки имеют одинаковую ёмкость 3 А*ч, если поставить их в цифровой фотоаппарат, потребляющий 1 А, то щелочные "умрут" минут через тридцать, а вот литиевые проживут почти три часа.

Минусом литиевых батареек является высокая стоимость: мало того, что дорог сам литий, так ещё и в связи с опасностью его воспламенения при попадании воды конструкция батарейки оказывается заметно сложнее по сравнению с щелочными. В результате одна литиевая батарейка стоит 100-150 рублей, то есть в три-пять раз дороже очень хорошей щелочной. Примерно столько же стоит Ni-MH аккумулятор, обладающий сходными с литиевыми батарейками разрядными характеристиками, но способный пережить несколько сотен циклов заряд-разряд – поэтому покупка литиевых батареек оправдана лишь в том случае, когда вам негде, некогда или нечем зарядить обычные аккумуляторы.

Да, раз уж зашла речь о циклах заряда, необходимо сказать, что пытаться заряжать литиевые батарейки категорически нельзя! Если обычная щелочная или солевая батарейка при попытке её зарядить может, как максимум, просто вытечь, то герметичные литиевые батарейки при заряде взрываются.

Также, помимо хороших разрядных характеристик, у литиевых батареек есть ещё два преимущества, как правило, не очень существенных: долговечность (допустимый срок хранения достигает 15 лет, при этом батарейка потеряет всего 10 % ёмкости) и способность работать при отрицательных температурах, когда у солевых и щелочных батареек попросту замерзает электролит.

Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы

Основной же альтернативой батарейкам являются аккумуляторы – источники тока, химические процессы в которых обратимы: при подключении аккумулятора к нагрузке они идут в одном направлении, а при приложении к нему напряжения – в обратном. Таким образом, если батарейку после использования приходится выбрасывать и приобретать новую, то аккумулятор можно зарядить до его полной (или почти полной) исходной ёмкости.

Рассматривать мы будем аккумуляторы, используемые в лёгкой бытовой электронной аппаратуре – поэтому тяжёлые (и в прямом, и в переносном смысле) свинцово-кислотные аккумуляторы, встречающиеся в автомобилях, блоках бесперебойного питания и других устройствах с большим энергопотреблением и без особых ограничений на вес и габариты, сразу остаются за бортом нашей сегодняшней статьи. А вот различным типам никелевых аккумуляторов внимания мы уделим много больше...

Первые никелевые – точнее говоря, никель-кадмиевые – аккумуляторы были созданы шведским учёным Вальдемаром Юнгером (Waldmar Jungner) аж в 1899 году, однако на тот момент были относительно дороги, да к тому же не являлись герметичными: при зарядке аккумулятор выделял газ. Лишь в середине прошлого века удалось создать никель-кадмиевую батарею с замкнутым циклом: выделяющиеся при зарядке газы поглощались самим же аккумулятором.

Никель-кадмиевые аккумуляторы надёжны и долговечны (их можно хранить до пяти лет, а заряжать – при правильном использовании – до 1000 раз), хорошо работают при низких температурах и легко выдерживают большие токи разряда, могут заряжаться как малыми, так и большими токами.

Минусов у них, впрочем, тоже немало. Во-первых, относительно маленькая плотность энергии (то есть отношение ёмкости элемента к его объёму), во-вторых, заметный ток саморазряда (после нескольких месяцев хранения аккумулятор перед использованием потребуется заново зарядить), в-третьих, использование в конструкции ядовитого кадмия, и, в-четвёртых, эффект памяти.

На последнем стоит остановиться подробнее, так как при разговоре об аккумуляторах мы его ещё не раз вспомним. Эффект памяти является следствием нарушения внутренней структуры аккумулятора: в нём начинают расти кристаллы, уменьшающие эффективную поверхность и, соответственно, ёмкость аккумулятора. Своё название эффект получил из-за того, что особенно быстро кристаллы растут при неполной разрядке аккумулятора: он как бы помнит, до какого уровня его разряжали в прошлый раз – если аккумулятор был разряжен, скажем, только на 25 %, то очередная зарядка восстановит его ёмкость не до 100 %, а меньше. Для борьбы с эффектом памяти аккумулятор рекомендуется перед зарядкой разряжать полностью – это разрушает образующиеся кристаллы и восстанавливает ёмкость аккумулятора. Среди доступных типов аккумуляторов именно никель-кадмиевые наиболее подвержены эффекту памяти.

Тем не менее, в некоторых случаях использование никель-кадмиевых аккумуляторов оправдано и сейчас – благодаря низкой стоимости, долговечности и возможности зарядки при низких температурах без отрицательных последствий для аккумулятора.

Никель-металлгидридные (Ni-MH) аккумуляторы

Несмотря на близкое соседство на полках магазинах, в историческом плане между Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторами лежит пропасть: последние были разработаны лишь в 1980-х годах. Интересно, что изначально исследовалась возможность хранения водорода для никель-водородных батарей, применяемых в космической технике, но в результате мы получили и один из самых распространённых в быту типов аккумуляторов.

В отличие от никель-кадмиевых батарей, никель-металлгидридные не содержат тяжёлых металлов, а значит, безвредны для окружающей среды и не требуют специальной переработки при утилизации. Впрочем, это далеко не единственный их плюс: с точки зрения потребителей, то есть нас с вами, куда важнее, что при тех же размерах Ni-MH аккумуляторы имеют в два-три раза большую ёмкость – для наиболее распространённых аккумуляторов формата AA она доходит уже до 2500-2700 мА*ч против 800-1000 мА*ч у никель-кадмиевых.

Более того, Ni-MH аккумуляторы ещё и практически не страдают от эффекта памяти. Точнее говоря, производители год за годом уменьшают его влияние – и поэтому, хотя теоретически эффект присутствуют и в Ni-MH аккумуляторах, на практике у современных моделей он незначителен. Впрочем, мы не будем полагаться во всём на производителей и в одной из наших следующих статей попробуем сами оценить влияние эффекта памяти.

К сожалению, у Ni-MH аккумуляторов есть и свои проблемы. Во-первых, они имеют больший ток саморазряда (впрочем, об этом мы ещё раз поговорим чуть ниже) по сравнению с Ni-Cd, во-вторых, хотя число циклов перезарядки также может достигать 1000, падение ёмкости аккумулятора может наблюдаться уже после 200-300 циклов, в-третьих, слишком большие разрядные токи и зарядка при низких температурах заметно сокращают жизнь аккумулятора.

Тем не менее, по совокупности характеристик – стоимости, надёжности, ёмкости, простоте обслуживания – на данный момент Ni-MH аккумуляторы являются одними из лучших, что и обусловило их применение в огромной массе бытовых устройств.

В последнее время в продаже появились также так называемые "Ready To Use" ("готовы к использованию") Ni-MH аккумуляторы. От обычных они отличаются малым током саморазряда – производитель уверяет, что за полгода аккумулятор потеряет не более 10 % ёмкости, а за год – не более 15 % (для сравнения, обычный Ni-MH аккумулятор за месяц сядет на 20...30 %, а за год – в ноль). Отсюда и название: будучи заряженными ещё производителем, эти аккумуляторы не успеют полностью разрядиться до того, как вы купите их в магазине, а значит, их можно будет использовать без предварительной зарядки, сразу после покупки. Минусом таких аккумуляторов является меньшая ёмкость – элемент формата AA имеет ёмкость 2000...2100 мА*ч против 2600...2700 мА*ч для обычных Ni-MH аккумуляторов.

Зарядные устройства для Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов

Принципы заряда Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов во многом схожи – по этой причине современные зарядные устройства, как правило, поддерживают сразу оба типа. Методы же заряда и, соответственно, типы зарядных устройств можно разделить на четыре группы. При этом во всех случаях мы будем указывать зарядный ток через ёмкость аккумулятора: например, рекомендация заряжать током величиной "0,1С" означает, что аккумулятору ёмкостью 2700 мА*ч в такой схеме соответствует ток 270 мА (0,1*2700 = 270), а аккумулятору ёмкостью 1400 мА*ч – 140 мА.

Медленный заряд током 0,1C

Этот метод основан на том, что современные аккумуляторы легко выдерживают перезаряд (то есть попытку "залить" в них больше энергии, чем аккумулятор может хранить), если зарядный ток не превышает величины 0,1C. Если ток превышает эту величину, аккумулятор при перезаряде может выйти из строя.

Соответственно, слаботочное зарядное устройство не нуждается в каком-либо контроле окончания заряда: ничего страшного в избыточной его продолжительности нет, аккумулятор просто рассеет лишнюю энергию в виде тепла. Соответствующие зарядные устройства дёшевы и весьма широко распространены. Для зарядки аккумулятора достаточно оставить его в таком ЗУ на время не менее 1,6*C/I, где C – ёмкость аккумулятора, I – зарядный ток. Скажем, если мы берём ЗУ с током 200 мА, то аккумулятор ёмкостью 2700 мА*ч гарантированно зарядится за 1,6*2700/200 = 21 час 36 минут. Почти сутки... в общем, главный недостаток таких ЗУ очевиден – время зарядки зачастую превышает разумные величины.

Тем не менее, если вы никуда не торопитесь, такое зарядное устройство вполне имеет право на жизнь. Главное – если вы используете аккумуляторы малой ёмкости в паре с современным ЗУ, проверьте, чтобы ток зарядки (а он обязательно должен быть указан в характеристиках ЗУ) не превышал 0,1C. Также стоит учесть, что медленный заряд способствует проявлению у аккумуляторов эффекта памяти.

Заряд током 0,2...0,5С без контроля окончания заряда

Подобные зарядные устройства хоть и редко, но всё же встречаются – в основном среди дешёвой китайской продукции. При токе 0,2...0,5С они либо не имеют контроля окончания заряда вообще, либо имеют только встроенный таймер, выключающий аккумуляторы через заданное время.

Использовать подобные ЗУ категорически не рекомендуется : так как контроля окончания заряда нет, то в большинстве случаев аккумулятор окажется недо- или перезаряжен, что существенно сократит срок его жизни. Сэкономив на зарядном устройстве, вы потеряете деньги на аккумуляторах.

Заряд током до 1C с контролем окончания заряда

Этот класс зарядных устройств – наиболее универсален для повседневного применения: с одной стороны, они обеспечивают зарядку аккумуляторов за разумное время (от полутора до четырёх-шести часов, в зависимости от конкретного ЗУ и аккумуляторов), с другой, чётко контролируют окончание заряда в автоматическом режиме.

Наиболее часто встречающийся метод контроля окончания заряда – по спаду напряжения, обычно он называется "метод dV/dt", "метод отрицательной дельты" или "метод -ΔV". Заключается он в том, что в течение всей зарядки напряжение на аккумуляторе медленно растёт – но когда аккумулятор достигает полной ёмкости, оно кратковременно снижается. Это изменение очень небольшое, однако его вполне можно обнаружить – и, обнаружив, прекратить заряд.

Многие производители зарядных устройств также указывают в их характеристиках "микропроцессорный контроль" – но, по сути, это то же самое, что и контроль по отрицательной дельте: если он есть, то он осуществляется специализированным микропроцессором.

Впрочем, контроль по напряжению – не единственный доступный: в момент накопления аккумулятором полной ёмкости в нём резко возрастает давление и температура корпуса, что также можно контролировать. На практике, впрочем, технически проще всего измерять напряжение, поэтому другие методы контроля окончания заряда встречаются редко.

Также многие качественные зарядные устройства имеют два защитных механизма: контроль температуры аккумуляторов и встроенный таймер. Первый останавливает зарядку, если температура превысит допустимый предел, второй – если за разумное время остановка заряда по отрицательной дельте не сработала. И то, и другое может случиться, если мы используем старые или попросту некачественные аккумуляторы.

Закончив зарядку аккумуляторов большим током, наиболее "разумные" зарядные устройства ещё некоторое время дозаряжают их малым током (менее 0,1C) – это позволяет получить от аккумуляторов максимальную возможную ёмкость. Индикатор заряда на устройстве при этом обычно гаснет, показывая, что основная стадия зарядки закончена.

Проблем с подобными устройствами бывает две. Во-первых, не все из них способны с достаточной точностью "поймать" момент спада напряжения – но, увы, это проверить можно только опытным путём. Во-вторых, хотя такие устройства обычно рассчитаны на 2 или 4 аккумулятора, большинство из них не умеют заряжать эти аккумуляторы независимо друг от друга.

Например, если в инструкции к ЗУ указано, что оно может заряжать только 2 или 4 аккумулятора одновременно (но не 1 и не 3) – это значит, что оно имеет лишь два независимых канала заряда. Каждый из каналов обеспечивает напряжение около 3 В, а аккумуляторы включаются в них попарно-последовательно. Следствия из этого два. Очевидное заключается в том, что вы не сможете зарядить в подобном ЗУ одиночный аккумулятор (а, скажем, ваш покорный слуга ежедневно пользуется mp3-плеером, работающим именно от одного AAA-аккумулятора). Менее очевидное – в том, что контроль окончания заряда также осуществляется только для пары аккумуляторов. Если вы используете не слишком новые аккумуляторы, то просто из-за технологического разброса одни из них состарятся немного раньше других – и если в паре попались два аккумулятора с разной степенью старения, то такое ЗУ либо недозарядит один из них, либо перезарядит второй. Разумеется, это будет только усугублять темпы старения худшего из пары.

"Правильное" зарядное устройство должно позволять заряжать произвольное количество аккумуляторов – один, два, три или четыре – а в идеале, ещё и иметь для каждого из них отдельный индикатор окончания зарядки (в противном случае индикатор гаснет, когда зарядится последний из аккумуляторов). Только в таком случае у вас будут некоторые гарантии того, что каждый из аккумуляторов будет заряжен до полной ёмкости независимо от состояния остальных аккумуляторов. Отдельные индикаторы заряда позволяют также отлавливать преждевременно вышедшие из строя аккумуляторы: если из четырёх элементов, использовавшихся вместе, один заряжается значительно дольше или значительно быстрее остальных, значит, именно он и будет слабым звеном всей батареи.

Многоканальные зарядные устройства имеют и ещё одну приятную особенность: во многих из них при зарядке половинного количества аккумуляторов можно выбирать скорость заряда. Скажем, ЗУ Sanyo NC-MQR02, рассчитанное на четыре аккумулятора формата AA, при зарядке одного или двух аккумуляторов позволяет выбирать зарядный ток между 1275 мА (при установке аккумуляторов в крайние слоты) и 565 мА (при установке их в центральные слоты). При установке трёх или четырёх аккумуляторов они заряжаются током 565 мА.

Кроме удобства в эксплуатации, ЗУ данного типа являются и наиболее "полезными" для аккумуляторов: заряд током средней величины с контролем окончания заряда по отрицательной дельте является оптимальным с точки зрения увеличения срока жизни аккумуляторов.

Отдельный подкласс быстрых зарядных устройств – ЗУ с предварительным разрядом аккумуляторов. Сделано это для борьбы с эффектом памяти и может быть весьма полезно для Ni-Cd аккумуляторов: ЗУ проследит, чтобы сначала они были полностью разряжены, и только после этого начнёт заряд. Для современных Ni-MH такая тренировка уже не является обязательной.

Заряд током более 1C с контролем окончания заряда

И, наконец, последний метод – сверхбыстрый заряд, продолжительностью от 15 минут до часа, с контролем заряда опять же по отрицательной дельте напряжения. Достоинств у таких ЗУ два: во-первых, вы почти моментально получаете заряженные аккумуляторы, во-вторых, сверхбыстрый заряд позволяет в большой степени избежать эффекта памяти.

Есть, впрочем, и минусы. Во-первых, не все аккумуляторы хорошо выдерживают быстрый заряд: недостаточно качественные модели, имеющие большое внутреннее сопротивление, могут в таком режиме перегреваться вплоть до выхода из строя. Во-вторых, очень быстрый (15-минутный) заряд может негативно влиять на срок жизни аккумуляторов – опять же, из-за их избыточного нагрева при заряде. В-третьих, такой заряд "наполняет" аккумулятор лишь до 90...95 % ёмкости – после чего для достижения 100 % ёмкости требуется дополнительный дозаряд малым током (впрочем, большинство быстрых ЗУ его осуществляют).

Тем не менее, если вы нуждаетесь в сверхбыстрой зарядке аккумуляторов, приобретение "15-минутного" или "получасового" ЗУ будет хорошим выходом. Разумеется, использовать с ним надо только качественные аккумуляторы крупных производителей, а также своевременно исключать из батарей отслужившие своё экземпляры.

Если же вас устраивает продолжительность заряда в несколько часов, то оптимальными по-прежнему остаются описанные в предыдущем разделе ЗУ с зарядным током менее 1C и контролем окончания заряда по отрицательной дельте напряжения.

Отдельный вопрос – совместимость зарядных устройств с разными типами аккумуляторов. ЗУ для Ni-MH и Ni-Cd, как правило, универсальны: любое из них может заряжать аккумуляторы каждого из этих двух типов. ЗУ для Ni-MH аккумуляторов с окончанием заряда по отрицательной дельте напряжения, даже если для них это не заявлено прямо, могут работать и с Ni-Cd аккумуляторами, а вот наоборот – увы. Дело здесь в том, что скачок напряжения, та самая отрицательная дельта, у Ni-MH заметно меньше, чем у Ni-Cd, поэтому не всякое ЗУ, настроенное на работу с Ni-Cd, сможет "почувствовать" этот скачок на Ni-MH.

Для других же типов аккумуляторов, включая литий-ионные и свинцово-кислотные, эти ЗУ непригодны в принципе – такие аккумуляторы имеют совершенно другую схему заряда.

Методика тестирования

В процессе тестирования аккумуляторов и гальванических элементов в нашей лаборатории мы измеряем следующие их параметры, наиболее важные для определения как качества элементов (то есть их соответствия обещаниям производителя), так и разумной области использования:

ёмкость при различных режимах разряда;
величина внутреннего сопротивления;
величина саморазряда (только для аккумуляторов);
наличие эффекта памяти (только для аккумуляторов).

Основная часть испытательного стенда – это, разумеется, регулируемая нагрузка, позволяющая разряжать заданным током до четырёх аккумуляторов или батареек одновременно.

Для контроля напряжения всех четырёх элементов используется цифровой самописец Velleman PCS10, подключаемый к компьютеру по USB-интерфейсу. Погрешность измерения составляет не более 1 % (собственная погрешность самописца – 3 %, но мы дополнительно калибруем каждый из его каналов, внося соответствующие поправки в итоговые данные), дискретность измерения напряжений – 12 мВ, периодичность измерений – 250 мс.

Схема установки достаточно проста: это четыре отдельных стабилизатора тока, выполненных на операционном усилителе LM324 (эта микросхема как раз состоит из четырёх ОУ в одном корпусе) и полевых транзисторах IRL3502. Управляются все стабилизаторы одним многооборотным переменным резистором, поэтому ток на них выставляется одновременно – это упрощает настройку установки на конкретный тест и сводит к минимуму погрешность ручной установки тока. Возможные пределы изменения нагрузки – от 0 до 3 А на каждый элемент питания.

Для измерения напряжения на ещё одной микросхеме LM324 собраны четыре дифференциальных усилителя, входы которых подключены непосредственно к контактам колодки, в которую устанавливаются аккумуляторы – это полностью исключает погрешность, вносимую потерями на соединительных проводах. С выходов дифференциальных усилителей сигнал поступает на самописец.

Кроме того, в схеме присутствует не показанный на рисунке выше генератор прямоугольных импульсов, периодически то включающий, то полностью отключающий нагрузку. Длительность "нуля" на выходе генератора равна 6,0 с, длительность "единицы" – 2,25 с. Генератор позволяет протестировать элементы питания в режиме работы с импульсной нагрузкой и, в частности, определить их внутреннее сопротивление.

Также на рисунке выше не показана схема питания установки: она подключается к блоку питания компьютера, его выходное напряжение (+12 В) понижается до +9 В стабилизатором на микросхеме 78L09, а необходимое для двуполярного питания ОУ напряжение -9 В формируется емкостным конвертером на микросхеме ICL7660. Впрочем, это уже малосущественные нюансы, которые мы обсуждаем лишь затем, чтобы заранее предупредить вопросы о корректности проведения измерений, могущие возникнуть у сведущих в электронике читателей.

Для охлаждения силовых транзисторов, шунтов обратной связи и собственно тестируемых элементов питания вся установка обдувается стандартным 12-вольтовым вентилятором типоразмера 80x80x20 мм.

Для получения и автоматической обработки данных с самописца была написана специальная программа – к счастью, компания Velleman для многих своих приборов поставляет весьма простые в использовании SDK и наборы библиотек. Программа позволяет в реальном времени строить графики напряжения на элементах питания в зависимости от прошедшего с начала теста времени, а также рассчитывать – по окончании теста – их ёмкость. Последняя, очевидно, равна произведению разрядного тока и времени, за которое элемент достиг нижней границы напряжения.

Граница же выбирается в зависимости от типа элемента и условий разряда. Для аккумуляторов при малых токах это 1,0 В – ниже разряжать их просто нельзя, так как это может привести к необратимой порче элемента; на больших токах нижняя граница снижается до 0,9 В, чтобы должным образом учесть внутреннее сопротивление аккумулятора.

Для батареек практический смысл имеют две границы разряда. С одной стороны, элемент считается полностью опустошённым, если напряжение на нём упало до 0,7 В – поэтому логично измерять ёмкость именно по факту достижения этого уровня. С другой стороны, не все питающиеся от батареек устройства способны работать при напряжениях ниже 0,9 В, поэтому практическое значение имеет и то, когда аккумулятор разрядился до данного уровня. В наших тестах мы будем приводить оба этих значения – хотя многие элементы, достигнув уровня 1,0 В, дальше разряжаются очень быстро, есть и такие, которые сравнительно долго держатся между 0,7 В и 0,9 В.

Итак, установив элементы питания, выставив нужный ток и включив самописец, мы начинаем тестирование. Для каждого типа элементов питания были выбраны несколько режимов разрядки – с целью получить наиболее интересные и характерные результаты.

Для батареек это:

разрядка малым постоянным током: 250 мА для элементов формата АА, 100 мА – формата ААА;
разрядка большим постоянным током: 750 мА для элементов формата АА, 300 мА – формата ААА;

Для Ni-MH аккумуляторов это:

разрядка малым постоянным током: 500 мА для элементов формата АА, 200 мА – формата ААА;
разрядка большим постоянным током: 2500 мА для элементов формата АА, 1000 мА – формата ААА;
разрядка импульсным током: длительность импульса 2,25 с, длительность паузы 6,0 с, амплитуда тока 2500 мА для элементов формата АА и 1000 мА – формата ААА.

Для Ni-Cd аккумуляторов формата AA разрядные режимы выбраны такими же, как и для Ni-MH аккумуляторов формата AAA – с учётом схожей паспортной ёмкости первых и вторых.

Если при тестировании батареек всё просто – распечатал упаковку, вставил батарейку в установку, запустил тест – то аккумуляторы надо предварительно готовить, ибо все они, кроме упоминавшейся выше серии "Ready To Use", на момент покупки полностью разряжены. Поэтому тестирование аккумуляторов проводилось строго по следующей схеме;

измерение остаточной ёмкости на малом токе (только для "Ready To Use" моделей);
зарядка;
разрядка большим током без измерения ёмкости (тренировка);
зарядка;
разрядка большим током с измерением ёмкости;
зарядка;
разрядка импульсным током с измерением ёмкости;
зарядка;
разрядка малым током с измерением ёмкости;
зарядка;
выдержка в течение 7 суток;
разрядка малым током с измерением ёмкости – далее результат сравнивается с полученным на предыдущем шаге и рассчитывается процент потери ёмкости за счёт саморазряда за 1 неделю;

В тестах батареек мы используем на каждом этапе по одному элементу каждой марки. В тестах аккумуляторов – минимум по два элемента каждой марки.

Для зарядки аккумуляторов мы используем зарядное устройство Sanyo NC-MQR02.

Это ЗУ быстрой зарядки с контролем отрицательной дельты напряжения и температуры аккумуляторов, позволяющее заряжать от одного до четырёх (в произвольных комбинациях) аккумуляторов формата AA, а также один или два аккумулятора формата AAA. Первые можно заряжать как током 565 мА, так и 1275 мА (если аккумуляторов не более двух), вторые – током по 310 мА на элемент. За несколько лет регулярного использования это ЗУ убедительно доказало свою высокую эффективность и совместимость с любыми аккумуляторами, что и обусловило его выбор для проведения тестирования. Чтобы избежать потери ёмкости за счёт саморазряда, во всех тестах, кроме собственно теста на саморазряд, аккумуляторы заряжаются непосредственно перед началом измерений.

Измерения на постоянном токе дают логичную картину (пример представлен на графике выше): напряжение на элементах быстро снижается в первые минуты теста, потом выходит на более-менее постоянный уровень, а в самом конце теста, на последних процентах заряда, снова быстро падает.

Несколько менее банальны измерения на импульсном токе. На рисунке выше представлен сильно увеличенный участок графика, полученного в таком тесте: провалы напряжения на нём соответствуют включению нагрузки, подъёмы – отключению. Из этого графика легко подсчитать внутреннее сопротивление аккумулятора: как вы видите, при амплитуде тока 2,5 А напряжение проседает на 0,1 В – соответственно, внутреннее сопротивление равно 0,1/2,5 = 0,04 Ом = 40 мОм. Важность этого параметра станет более ясна из наших последующих статей, в которых мы сравним друг с другом различные типы батареек и аккумуляторов – а пока отметим лишь, что большое внутреннее сопротивление вызывает не только "просадку" напряжения под нагрузкой, но и потери накопленной в аккумуляторах энергии на нагрев самих себя.

В полном же масштабе импульсы сливаются друг с другом в сплошную полосу, верхняя граница которой соответствует напряжению на элементе питания без нагрузки, нижняя – с нагрузкой. По форме этой полосы можно оценить не только время работы элемента под тяжёлой импульсной нагрузкой, но и зависимость его внутреннего сопротивления от глубины разряда: например, как вы видите, у Ni-MH аккумулятора компании Sony сопротивление почти постоянно и начинает расти только при полном его разряде. Хороший результат.

Как наверняка заметят многие наши читатели, мы выбрали очень жёсткие режимы разряда: ток 2,5 А весьма велик, а 6-секундная пауза между импульсами не даёт элементу как следует "отдохнуть" (как мы уже упоминали выше, батарейки, немного "отлежавшись", могут частично восстановить свою ёмкость). Тем не менее, сделано это нарочно, чтобы максимально ярко и наглядно показать различия между элементами питания разных типов и разного качества. Для того же, чтобы приблизиться к более мягким реальным условиям эксплуатации, а также к условиям, в которых производители аккумуляторов измеряют их ёмкость, мы добавили в тестирование режимы разряда с относительно небольшим постоянным током.

К слову, сами производители обычно указывают разрядные режимы так же, как и зарядные – пропорционально ёмкости элемента. Скажем, штатные измерения ёмкости аккумуляторов положено проводить при токе 0,2C – то есть 540 мА для аккумулятора на 2700 мА*ч, 500 мА для аккумулятора на 2500 мА*ч, и так далее. Однако, так как аккумуляторы одного форм-фактора в наших тестах достаточно близки по характеристикам, мы решили тестировать их при фиксированных токах, не зависящих от паспортной ёмкости конкретного экземпляра – это сильно упрощает представление и сопоставление результатов.

И раз уж речь зашла о ёмкости, стоит упомянуть о некоторой обманчивости такой общепринятой единицы, как ампер-час. Дело в том, что запасённая в элементе питания энергия определяется не только тем, сколько времени он держал заданный ток, но и тем, какое на нём было при этом напряжение – так, совершенно очевидно, что литиевая батарея ёмкостью 3 А*ч и напряжением 3 В способна запасти вдвое больше энергии, чем батарея ёмкостью те же 3 А*ч, но напряжением 1,5 В. Поэтому правильнее указывать ёмкость не в ампер-часах, а в ватт-часах, получая их через интеграл зависимости напряжения на аккумуляторе от времени разряда при его постоянном токе. Кроме естественного учёта разного рабочего напряжения разных элементов, такая методика позволяет ещё и учесть, насколько хорошо данный конкретный элемент держал напряжение под нагрузкой. Скажем, если две батарейки разрядились до уровня 0,7 В за 60 минут, но первая большую часть этого времени держалась на уровне 1,1 В, а вторая – на уровне 0,9 В, совершенно очевидно, что первая имеет большую реальную ёмкость – несмотря на то, что итоговое время их разряда одинаково. Особенно это важно в свете того, что большинство современных электронных устройств потребляют не постоянный ток , а постоянную мощность – и элементы с большим напряжением в них будут работать в более выгодных режимах.

Ближе к практике: примеры энергопотребления

Разумеется, помимо абстрактного тестирования батареек на управляемой нагрузке, нам было интересно, как же потребляют ток реальные устройства. Для прояснения этого вопроса мы, оглядев окружающее пространство, случайным образом выбрали набор предметов, питающихся от различных батареек.

Только часть этого набора

В случае, если устройство потребляло более-менее постоянный ток, измерения проводились обычным цифровым мультиметром Uni-Trend UT70D в режиме амперметра. Если же ток потребления сильно менялся, то измеряли мы его, включив между устройством и питающими его батарейками низкоомный шунт, падение напряжения на котором фиксировалось осциллографом Velleman PCSU1000.

Результаты представлены ниже в таблице:

Что же, среди наших устройств встретились и довольно "прожорливые" – фотовспышка, фотоаппарат и фонарь с лампой накаливания. Если последний потреблял положенные ему 700 мА постоянно и непрерывно, то у первых двух характер энергопотребления оказался более интересным.

Цена вертикального деления на осциллограммах ниже равна 200 мА, нуль соответствует первому делению снизу.

Фотоаппарат
Цена деления осциллограммы – 200 мА

В обычном режиме Canon PowerShot A510, питающийся от двух элементов типа АА, потреблял около 800 мА – немало, но и не рекордно много. Однако при включении (первая группа узких пиков на осциллограмме), движение объектива (вторая группа пиков) и фокусировке (третья группа) ток мог вырастать более чем в полтора раза, до 1,2...1,4 А. Что интересно, сразу после нажатия на "спуск" энергопотребление фотоаппарата упало – при записи только что снятого кадра на флэшку он автоматически выключает экран. Впрочем, как только кадр был записан, потребление поднялось обратно до 800 мА.

Фотовспышка
Цена деления осциллограммы – 100 мА

Фотовспышка Pentax AF-500FTZ (четыре элемента формата АА) потребляла ток ещё интереснее: он был почти равен нулю в периоды между срабатываниями, мгновенно вырастал до 700 мА сразу после срабатывания (такой момент и запечатлён на осциллограмме выше), после чего в течение 10...15 секунд плавно снижался обратно к нулю (рваная линия осциллограммы получилась из-за того, что вспышка потребляет ток с частотой около 6 кГц). При этом вспышка демонстрировала чёткую зависимость между временем спада тока и напряжением питающих её элементов: так как ей надо было каждый раз накопить определённую энергию, то чем сильнее проседало под нагрузкой напряжение питания, тем больше времени требовалось для накопления нужного запаса. Это, кстати, хорошо иллюстрирует одну из ролей внутреннего сопротивления элементов питания – чем оно меньше, тем меньше при прочих равных просядет напряжение и тем быстрее вы сможете сделать следующий кадр со вспышкой.

В следующих же наших статьях, где мы будем рассматривать уже конкретные типы и экземпляры батареек и аккумуляторов, примерное представление об энергетических потребностях разных устройств поможет нам определить, какие из элементов питания для них подходят.

Во второй половине двадцатого века одними из лучших перезаряжаемых химических источников тока были аккумуляторные батареи, изготовленные по никель-кадмиевой технологии. Они до сих пор широко применяются в различных сферах благодаря своей надежности и непритязательности.

Содрежание

Что такое никель кадмиевый аккумулятор

Никель-кадмиевые батареи являются гальваническими перезаряжаемыми источниками тока, которые были изобретены в 1899 году в Швеции Вальдмаром Юнгнером. До 1932 года их практическое использование было очень ограниченным из-за дороговизны используемых металлов в сравнении со свинцово-кислотными АКБ.

Усовершенствование технологии их производства привело к значительному улучшению их эксплуатационных характеристик и позволило в 1947 году создать герметичный необслуживаемый АКБ с отличными параметрами.

Принцип работы и устройство Ni-Cd аккумулятора

Электрическую энергию эти АКБ производят благодаря обратимому процессу взаимодействия кадмия (Cd) с оксидом-гидроксидом никеля (NiOOH) и водой, в результате которого образуется гидроксид никеля Ni(OH)2 и гидроксид кадмия Cd(OH)2, обуславливающий появление электродвижущей силы.

Ni-Cd АКБ выпускаются в герметичных корпусах, в которых размещены электроды, разделенные нейтральным сепаратором, содержащие никель и кадмий, находящиеся в растворе желеобразного щелочного электролита (как правило, гидроксид калия, KOH).

Положительный электрод представляет собой стальную сетку или фольгу, покрытую пастой оксид-гидроксида никеля, смешанную с проводящим материалом

Отрицательный электрод - это стальная сетка (фольга) с впрессованным пористым кадмием.

Один никель кадмиевый элемент способен выдавать напряжение около 1,2 вольта, поэтому для увеличения напряжения и мощности батарей в их конструкции применяется множество параллельно соединенных электродов, разделенных сепараторами.

Технические характеристики и какие бывают Ni-Cd АКБ

Ni-Cd батареи имеют следующие технические характеристики:

напряжение разряда одного элемента – около 0,9-1 вольт;
номинальное напряжение элемента – 1,2 v, для получения напряжений 12v и 24v применяют последовательное соединение нескольких элементов;
напряжение полного заряда – 1,5-1,8 вольт;
рабочая температура: от -50 до +40 градусов;
количество циклов заряда-разряда: от 100 до 1000 (в самых современных батареях – до 2000), в зависимости от используемой технологии;
уровень саморазряда: от 8 до 30% в первый месяц после полного заряда;
удельная энергоемкость – до 65 Вт*час/килограмм;
срок эксплуатации – около 10 лет.

Ni-Cd АКБ выпускают в различных корпусах стандартных типоразмеров и в нестандартном исполнении, в том числе в дисковом, герметическом виде.

Где используются никель кадмиевые АКБ

Эти батареи применяются в устройствах, которые потребляют большой ток, а также испытывают высокие нагрузки при эксплуатации в следующих случаях:

на троллейбусах и трамваях;
на электрокарах;
на морском и речном транспорте;
в вертолетах и самолетах;
в электроинструментах (шуруповерты, дрели, электроотвертки и прочие);
электробритвы;
в военной технике;
переносных радиостанциях;
в игрушках на радиоуправлении;
в фонарях для дайвинга.

В настоящее время из-за ужесточения экологических требований большинство аккумуляторов популярных типоразмеров ( , и другие) выпускается по никель-металлогидридной и литий-ионной технологиям. Вместе с тем, в эксплуатации еще находится множество Ni Cd АКБ различных типоразмеров, выпущенных несколько лет назад.

Ni-Cd элементы имеют продолжительный срок эксплуатации, который порой превышает 10 лет и поэтому еще можно встретить этот вид батарей во множестве электронных устройств, кроме тех, которые перечислены выше.

Плюсы и минусы Ni-Cd аккумулятора

Этот вид элементов питания имеет следующие положительные характеристики:

большой срок эксплуатации и число циклов заряда-разряда;
продолжительный срок службы и хранения;
возможность быстрой зарядки;
способность выдерживать большие нагрузки и низкие температуры;
сохранение работоспособности в самых неблагоприятных условиях эксплуатации;
невысокая стоимость;
возможность хранить эти батареи в разряженном состоянии до 5 лет;
средняя устойчивость к перезаряду.

В то же время, никель кадмиевые источники питания имеют ряд недостатков:

наличие эффекта памяти, проявляющийся в потере емкости при зарядке АКБ, не дожидаясь полного разряда;
необходимость профилактических работ (несколько циклов заряда-разряда) по набору полной емкости;
полное восстановление АКБ после долговременного хранения требует трех-четырех циклов полного заряда-разряда;
большой саморазряд (около 10% в первый месяц хранения), приводящий к практически полному разряду батареи за год хранения;
невысокая энергетическая плотность по сравнению с другими элементами питания;
высокая токсичность кадмия, из-за которой они запрещены в ряде стран, в том числе в ЕС, необходимость проводить утилизацию таких АКБ на специальном оборудовании;
больший вес по сравнению с современными батареями.

Отличие Ni-Cd от Li-Ion или Ni-Mh источников

Батареи с активными компонентами, включающими никель и кадмий, имеют ряд отличий от более современных литий-ионных и никель-металлогидридных источников электроэнергии:

Ni-Cd элементы, в отличие от и вариантов, имеют эффект памяти, обладают меньшей удельной емкостью при одинаковых размерах;
NiCd источники более неприхотливы, сохраняют работоспособность при очень низких температурах, во много раз более устойчивы к перезаряду и сильному разряду;
Li-Ion и Ni-Mh аккумуляторы стоят дороже, бояться перезаряда и сильного разряда, но имеют меньший саморазряд;
срок эксплуатации и хранения Li-Ion аккумуляторов (2-3 года) в разы меньше, чем Ni Cd изделий (8-10 лет);
никель-кадмиевые источники быстро теряют емкость при использовании в буферном режиме (например, в UPS). Хотя их можно после этого полностью восстановить путем глубокого разряда и заряда, лучше не использовать Ni Cd изделия в устройствах, где осуществляется их постоянная подзарядка;
одинаковость режима заряда Ni-Cd и Ni-Mh батарей позволяет использовать одни и те же зарядные устройства, но при этом нужно учитывать тот факт, что у никель-кадмиевых АКБ более выражен эффект памяти.

Исходя из имеющихся отличий, нельзя сделать однозначный вывод о том, какие АКБ лучше, поскольку у всех элементов есть и сильные и слабые стороны.

Правила эксплуатации

В ходе эксплуатации в Ni Cd источниках питания происходит ряд изменений, которые приводят к постепенному ухудшению характеристик и, в конечном итоге, к утрате работоспособности:

уменьшается полезная площадь и масса электродов;
изменяется состав и объем электролита;
происходит распад сепаратора и органических примесей;
утрачивается вода и кислород;
появляются утечки тока, связанные с ростом дендритов кадмия на пластинах.

Для того, чтобы максимально уменьшить повреждения батареи, возникающие при ее эксплуатации и хранении, необходимо избегать неблагоприятных воздействий на АКБ, которые связаны со следующими факторами:

заряд не полностью заряженной батареи приводит к обратимой утрате ее емкости из-за уменьшения общей площади активного вещества в результате кристаллообразования;
регулярный сильный перезаряд, который приводит к перегреву, увеличенному газообразованию, утрате воды в электролите и разрушает электроды (особенно анод) и сепаратор;
недозаряд, приводящий к преждевременному истощению батареи;
долговременная эксплуатация при очень низких температурах приводит к изменению состава и объема электролита, увеличивается внутреннее сопротивление АКБ и ухудшаются ее эксплуатационные характеристики, в частности падает емкость.

При сильном увеличении давления внутри батареи в результате быстрого заряда большим током и сильной деградации кадмиевого катода в АКБ может выделяться избыточный водород, что приводит к резкому увеличению давления, которое может деформировать корпус, нарушает плотность сборки, увеличивает внутреннее сопротивление и уменьшает рабочее напряжение.

В АКБ, оборудованных аварийным клапаном сброса давления, опасность деформации можно предотвратить, но необратимых изменений химического состава батареи избежать невозможно.

Зарядку Ni Cd аккумуляторов нужно производить током 10% (при необходимости быстрого заряда в специальных АКБ – током до 100% за 1 час) величины их емкости (например, 100 мА при емкости 1000 mAh) в течение 14-16 часов. Самый лучший режим их разряда – током, равным 20% от емкости батареи.

Как восстановить Ni Cd аккумулятор

Никель кадмиевые источники питания в случае потери емкости можно практически полностью восстановить с помощью полного разряда (до 1 вольта на элемент) и последующего заряда в стандартном режиме. Такую тренировку аккумуляторов можно повторить несколько раз для наиболее полного восстановления их емкости.

В случае невозможности произвести восстановление АКБ путем разряда и заряда, можно попробовать их восстановить с помощью воздействия короткими токовыми импульсами (величиной в десятки раз больше емкости восстанавливаемого элемента) на протяжении нескольких секунд. Это воздействие устраняет внутреннее замыкание в элементах батареи, возникающее из-за нарастания дендритов путем их выжигания сильным током. Существуют специальные промышленные активаторы, которые осуществляют такое воздействие.

Полное восстановление первоначальной емкости таких батарей невозможно из-за необратимого изменения состава и свойств электролита, а также деградации пластин, но дает возможность продлить срок эксплуатации.

Методика восстановления в домашних условиях заключается в проведении следующих действий:

проводом сечением не менее 1,5 квадратных миллиметров соединяют минус восстанавливаемого элемента с катодом мощной батареи, например автомобильной или из UPS;
к аноду (плюсу) одной из батарей надежно прикрепляется второй провод;
на протяжении 3-4 секунд свободным концом второго провода быстро касаются свободной плюсовой клеммы (с частотой 2-3 касания в секунду). При этом необходимо не допускать приваривания проводов в месте соединения;
вольтметром производится проверка напряжения на восстанавливаемом источнике, при его отсутствии делается еще один восстановительный цикл;;
при появлении электродвижущей силы на АКБ, она ставиться на зарядку;

Кроме того, можно попытаться разрушить дендриты в АКБ путем их заморозки на 2-3 часа с последующим их резким отстукиванием. При замораживании дендриты становятся хрупкими и разрушаются от ударного воздействия, что теоретически может помочь избавиться от них.

Существуют и более экстремальные способы восстановления, связанные с добавлением дистиллированной воды в старые элементы путем высверливания их корпуса. Но полноценное обеспечение герметичности таких элементов в последующем очень проблематично. Поэтому не стоит экономить и подвергать здоровье риску отравления соединениями кадмия из-за выигрыша нескольких циклов работы.

Хранение и утилизация

Хранить никель кадмиевые батареи лучше в разряженном состоянии при низкой температуре в сухом месте. Чем меньше температура хранения таких АКБ, тем меньше у них саморазряд. Качественные модели могут храниться до 5 лет без существенного ущерба техническим характеристикам. Для ввода их в эксплуатацию достаточно провести их зарядку.

Вредные вещества, содержащиеся в одной батарее АА, способны загрязнить около 20 квадратных метров территории. Для безопасной утилизации Ni Cd аккумуляторов, их нужно сдавать в пункты переработки, откуда их переправляют на заводы, где их должны разрушать в специальных герметизированных печах, оборудованных фильтрами, улавливающими токсичные вещества.

Вам так же может быть интересно

Каждый человек в той или ной степени использует различные батарейки. Они могут быть, как

Замена аккумулятора в автомобиле производится планово или в случае его поломки. Конечно, можно подобрать

Аккумуляторные батареи даже при условии правильной эксплуатации имеют ограниченный срок службы. Чтобы не уменьшать

Современные аккумуляторы с маркировкой 14250 являются оптимальным решением для питания различной техники. Благодаря инновационным

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