Аккумуляторы – мобилизируем энергию


Многие из нас каждый день используют аккумуляторы. Вы найдете их в плейерах, карманных компьютерах, радиотелефонах, блоках бесперебойного питания и огромном количестве других мобильных и не очень устройств. Но знаете ли вы, что представляет собой этот источник энергии? Как с ним правильно обращаться, чтобы не пришлось спустя полгода покупать новую батарею?


Основы

Если вы хорошо знакомы с такими понятиями, как электрическая емкость, ток разряда, внутреннее сопротивление источника тока, разбираетесь в различных типах зарядных устройств, а также видах и способах зарядки, то… вас подвел киоскер, подсунув другой журнал. В противном случае, полагаю, вам будет полезно прочесть определения вышеперечисленных терминов, а также общие советы по правильной эксплуатации аккумуляторов.

Одной из самых важных характеристик перезаряжаемых батарей является электрическая емкость. Она измеряется в мА·час и фактически показывает общий "запас тока" в батарее, который можно "получить" со скоростью, равной ее максимальному току. Например, если емкость аккумулятора составляет 100 мА·час, то устройство, потребляющее ток 10 мА, может его исчерпать за 10 часов. Емкость зависит только от состояния внутренней химической среды аккумулятора и снижается с каждым циклом зарядки/разрядки.

Для всех основных типов химических процессов, кроме ионолитиевого, полезной является так называемая "тренировка": проведение циклов полной зарядки/разрядки, что позволяет восстановить емкость старых аккумуляторов. В любом случае перед вводом в эксплуатацию только что приобретенного никель-кадмиевого или никельметаллгидридного аккумулятора необходимо хотя бы один раз проделать эту процедуру, так что покупка зарядного устройства с функцией разрядки будет очень кстати. Но не стоит полагать, что "эта-штуковина-все-сделает-за-меня": следить за тем, чтобы батарея не находилась сверх положенного времени в зарядном устройстве, — ваша обязанность. Только счастливые обладатели ионолитиевых аккумуляторов могут не придерживаться данного правила, всем прочим один совет — не допускайте излишней зарядки, это влечет за собой не только снижение емкости, но и нарушение химического баланса батареи. Протекание электролита — один из возможных исходов. Следует помнить также о том, что глубокая разрядка, снижающая уровень напряжения ниже указанного в документации, приводит к точно таким же печальным результатам, как и чрезмерная зарядка. И еще, не думайте, что, используя аккумулятор в телефоне или карманном ПК, вы сможете его полностью разрядить. Устройство просто-напросто отключится, когда уровень напряжения перестанет удовлетворять его потребности, и, скорее всего, это значение будет существенно превышать минимально допустимое напряжение для батареи (достижение которого и свидетельствует о полном разряде).

Для никель-кадмиевых и никельметаллгидридных аккумуляторов актуально использование импульсных зарядных устройств, которые чередуют периоды зарядки и разрядки. Считается, что это позволяет избежать проявления "эффекта памяти", то есть снижения емкости при зарядке батареи после незавершенного (неполного) цикла разрядки. Всего существует два подхода к зарядке аккумуляторов: медленный и быстрый. В первом случае зарядка ведется током, равным 1/10 максимальной емкости батареи, и процесс завершается примерно за 10 или 12 часов. Быстрый способ подразумевает зарядку током от 1/3 до равного полной емкости аккумулятора и отнимает около 3 часов или менее. Не все модели позволяют проводить быструю зарядку, поэтому читайте сопровождающую документацию или спрашивайте продавца.

Ионолитиевые аккумуляторы

Li-Ion-аккумуляторы были сконструированы Льюисом (G. N. Lewis) еще в далеком 1912 г., однако первые коммерческие образцы литиевых батарей появились лишь в 1970 г., а безопасно перезаряжать их научились только в 1991 г. сотрудники фирмы Sony. Чуть ранее, в этом же 91-м, в Японии была сделана попытка наладить широкие продажи ионолитиевых аккумуляторов, однако из-за несовершенства технологии со временем происходило короткое замыкание, разогрев и взрыв аккумулятора. Множество пользователей сотовых телефонов получило сильнейшие ожоги, прежде чем Sony удалось создать действительно безопасные устройства.

Литий — самый легкий из металлов, так что при его использовании мы получаем наиболее высокую удельную плотность электрического заряда на единицу веса. Благодаря этому ионолитиевые аккумуляторы — абсолютные лидеры по емкости. Кроме того, они не страдают от эффекта памяти и, следовательно, не нуждаются в особом уходе.

Что же необходимо знать покупателю ионолитиевого аккумулятора? Во-первых, устройства этого типа лучше чувствуют себя в заряженном состоянии, а разрядки до уровня напряжения ниже обозначенного в документации допускать нельзя. За режимами зарядки и разрядки следят встроенные электронные схемы, которые самостоятельно отключат аккумулятор от нагрузки или зарядного устройства при повышении температуры или аномальных значениях напряжения. Благодаря тому что скорость саморазрядки для ионолитиевых аккумуляторов крайне низка, нет необходимости в частой подзарядке при хранении, однако следует помнить о явлении "старения": вне зависимости от интенсивности эксплуатации они придут в полную негодность спустя полтора-два года после изготовления.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Наиболее тяжелые аккумуляторы как по весу, так и в эксплуатации. Однако все неудобства и необходимость аккуратного обращения компенсируются длительностью службы и невысокой ценой.

Удельная электрическая емкость, достигаемая при использовании никель-кадмиевой технологии, невелика — потребуется 4 NiCd-аккумулятора, чтобы получить эквивалент одного элемента Li-Ion. Высокая скорость саморазрядки (10% за первые сутки) также не свидетельствует в ее пользу. Кроме того, NiCd-аккумулятор обладает эффектом "памяти", недостатки которого были рассмотрены ранее. Максимальный срок годности NiCd батареи — 5 лет (500 циклов зарядки/разрядки).

Никельметаллгидридные аккумуляторы

Данный тип аккумуляторов разрабатывался как альтернатива довольно неудобным в эксплуатации никель-кадмиевым батареям. По своим основным характеристикам (емкости, весу и стоимости) они занимают промежуточное положение между NiCd- и Li-Ion-аккумуляторами.

Как ни старались инженеры, им не удалось преодолеть все недостатки основанных на никеле щелочных аккумуляторов. Полученный гибрид избавился от сильного эффекта памяти, но не от ограниченного количества циклов зарядки/разрядки, довольно большого веса и невысокого напряжения элементов (всего 1,2 В).

NiMH-батареи греются существенно сильнее, чем кадмиевые собратья, поэтому их приходится снабжать температурным датчиком, который сообщит заряжающему устройству о завершении зарядки. Также ухудшились показатели максимально допустимого тока нагрузки. По-прежнему не рекомендуется неполный разряд аккумулятора, что может привести к уменьшению его емкости. Правда, восстановить первоначальные характеристики несложно — достаточно выполнить несколько циклов полной разрядки/зарядки. Зато емкость по сравнению с кадмиевой технологией в среднем повысилась на 30%.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Или, как их еще принято называть, SLA-аккумуляторы (Sealed Lead-Acid). Это одно из наиболее древних (если, конечно, не считать лейденской банки) изобретений человечества в области конструирования перезаряжаемых батарей. В 1859 г. первое подобное устройство было создано французским врачом Гастоном Плантэ (Gaston Plante).

Свинцово-кислотные аккумуляторы отличаются низкой плотностью энергии, большим весом и размером, малым количеством циклов зарядки/разрядки (200—500), чувствительностью к глубокой разрядке и низкой температуре. Хранить их следует в заряженном состоянии, поскольку глубокая разрядка усложняет последующую зарядку. Благо, саморазрядка происходит чрезвычайно медленно (40% в год), а зарядить свинцовый аккумулятор сверх необходимого крайне сложно, поэтому выполнение вышеуказанного условия не представляет особых проблем. Технология изготовления значительно усовершенствовалась с 1859 г. (что неудивительно), поэтому если ранее быстрая зарядка SLA-батареи считалась невозможной, то сегодня некоторые производители допускают ее применение, и вместо утомительных 6—12 часов современные модели доходят до "кондиции" всего за 1—2 часа.

Если вы полагаете, что сфера использования свинцовых аккумуляторов ограничивается только медицинским оборудованием и автомобилями, то вы ошибаетесь. Они находят свое применение везде, где требуется высокое напряжение питания (существуют элементы 6 и 12 В), сильный ток разрядки, а вопросы массы вторичны. Например, мощные сотовые телефоны класса "Атташе", которые встраиваются в автомобили или перевозятся в кейсах, различные транкинговые радиостанции, профессиональные видеокамеры и т. д.

В последнее время появилось несколько новых технологий производства аккумуляторов, но до промышленного внедрения подобных устройств еще очень далеко, так что выбирать придется из батарей четырех перечисленных выше типов. Удачной покупки.

Характеристики аккумуляторов
Параметры Ионолитиевые Никель-кадмиевые Никель-
металлгид-
ридные
Свинцово-кислотные
Длительность службы, циклов зарядки/разрядки

1—1,5 года

500—1000

500

200–500

Энергетическая емкость, Вт*ч/кг

200

60

90

Н/д

Ток разряда, мA*емкость аккумулятора

0,7

0,1—0,5

1,0—2,0

250

Напряжение одного элемента, В

3,7

1,0—1,2

1,2

6, 12

Скорость саморазряда

2—5% в месяц

10%  за первые сутки,
10% за каждый последу
ющий месяц

Н/д

40% в год

Диапазон допустимых температур, градусы Цельсия зарядки

0… +45

0… +45

0… +45

0… +40

разрядки

-20… +60

-20… +65

-10… +45

-15… +50

Диапазон допустимых напряжений, В

2,5—4,3 (коксо- вые), 3,0—4,3 (графитовые)

1,0—1,4

1,0—1,4

5,25—6,85 (для батарей 6 В), 10,5—13,7 (для батарей 12 В)