Аккумуляторы

Олег Татарников

Свинцово-кислотные элементы (Lead Acid)

Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd)

Никель-гидридные аккумуляторы (Nickel-Metal Hydride, NiMH)

Литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion)

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-Pol, или Li-Polymer)

Литиевые аккумуляторы (Li-Metal)

Перезаряжаемые щелочные батареи (Rechargeable Alkaline Manganese, RAM)

Хранение аккумуляторов

Аккумуляторы будущего

Характеристики аккумуляторов для широкого применения

Не спешите выбрасывать аккумулятор! Специализированные системы для проверки и восстановления аккумуляторов

Зарядные устройства

Как правило, при покупке мобильного телефона, портативного компьютера или CD-плейера мы не задумываемся о том, какой аккумулятор стоит у них внутри и чем вообще питаются эти устройства. И только потом, столкнувшись на практике с потребительскими качествами тех или иных батарей (а также убедившись, что они не вечные), мы начинаем анализировать и выбирать.

азалось бы, в течение последних десятилетий аккумуляторы значительно изменились. Появились новые типы, усложнились технологии изготовления. Но так ли уж существенны последние усовершенствования в плане удельной энергоемкости (то есть емкости батарей относительно их веса и размера)? По сравнению с радикальными изменениями в таких областях, как микроэлектроника или компьютерная техника, прогресс в области технологий накопления и сохранения электроэнергии не кажется очевидным. Аккумуляторная батарея остается самым архаичным элементом даже в автомобилестроении (иначе мы имели бы сверхпрочную автомобильную батарею размером хотя бы с монету).

Исследования последних лет позволили разработать целый ряд химических аккумуляторов, каждых из которых имеет свои преимущества, но ни одно из современных решений в этой области не обеспечивает полного превосходства над другими. В свое время казалось, что никель-кадмиевые аккумуляторы заменят никель-гидридные, затем широко рекламировались литиевые, а сейчас пророчат вытеснение литий-ионных батарей литий-полимерными элементами. Да, никель-гидридные аккумуляторы в значительной степени потеснили никель-кадмиевые, но таких неоспоримых достоинств последних, как способность отдавать большой ток при низкой стоимости и длительном сроке службы, они обеспечить не смогли, и полноценной замены так и не произошло. Аналогичная ситуация складывается и с литиевыми технологиями.

Таким образом, с уверенностью можно утверждать только одно: выбор есть, но его необходимо сделать исходя из конкретных предпочтений. В зависимости от сферы применения возможны два подхода к выбору типа аккумулятора:

• независимо от цены необходимы батареи минимального размера и максимально возможной энергоемкости, которые обеспечили бы непрерывную работу устройства без подзарядки в течение длительного времени;
• желательно сэкономить, но получить при этом надежную батарею с длительным сроком службы (большим числом циклов зарядки/разрядки) при условии правильной эксплуатации и аккуратного обслуживания.

Если ваш аппарат работает на специализированных перезаряжаемых аккумуляторах, то особого выбора нет, и вам лишь нужно знать особенности их обслуживания, понимать, что можно, а чего не следует ожидать от того или другого типа батарей, и не удивляться «преждевременному» выходу их из строя.

Если же ваше мобильное устройство работает на универсальных сменных батарейках и при этом оно сложнее, чем пульт дистанционного управления, то первое, над чем вы должны подумать, — это комплект надежных перезаряжаемых элементов питания (аккумуляторов) и зарядное устройство к ним. Дело в том, что одноразовые щелочные батареи, которые обычно включаются в комплект поставки какого-нибудь аппарата или приобретаются в различных «случайных» местах, для более или менее сложных устройств — это не только сплошное разорение, но и причина всевозможных коллизий и неприятностей: фотоаппарат вдруг отказывается снимать, плейер «затыкается», диск не раскручивается и пр. Особенно актуально позаботиться о запасе аккумуляторов для таких энергоемких устройств, как цифровые камеры, GPS-навигаторы, CD-плейеры и другие устройства с большими цветными ЖК-панелями, моторизованными приводами и пр.

Сегодня имеются следующие типы аккумуляторов для мобильных устройств:

• герметичные свинцово-кислотные элементы SLA (Sealed Lead Acid);
• никель-кадмиевые (NiCd);
• никель-гидридные (Nickel-Metal Hydride, или NiMH);
• литий-ионные (Li-Ion);
• литий-полимерные (Li-Polymer);
• литиевые (Li-Metal);
• перезаряжаемые щелочные батареи (RAM–Rechargeable Alkaline Manganese).

Обращайте внимание на специальное обозначение на аккумуляторах – Rechargeable, иначе вы рискуете перепутать их с неперезаряжаемыми одноразовыми батареями и, в лучшем случае, повредите зарядное устройство.

Свинцово-кислотные элементы (Lead Acid)

зобретенный в 1859 году французским врачом Гастоном Планте, свинцово-кислотный аккумулятор был первым устройством сохранения энергии, предназначенным для коммерческого использования. Сегодня заливаемые жидким электролитом свинцово-кислотные аккумуляторы используются в автомобилях и оборудовании, требующем большой мощности. В середине 1970 годов были разработаны и появились в широкой продаже свинцово-кислотные батареи, в которых жидкий электролит был заменен на гелевое наполнение или увлажненные кислотой сепараторы. Корпус был сделан герметичным, и батареи могли работать, находясь в любом положении (для отвода газов, образующихся в течение зарядки и разрядки, применяются специальные клапаны). Таким образом, по типу электролита свинцово-кислотные аккумуляторы разделяются на необслуживаемые герметичные и обслуживаемые батареи с жидким электролитом, уровень которого приходится регулировать вручную. Герметичные батареи, соответственно, подразделяются на два типа: гелевые — SLA (Sealed Lead Acid), также обозначаемые фирменным знаком Gelcell, и батареи с регулируемым клапаном — VRLA (Valve Regulated Lead Acid). Технически обе батареи идентичны (различия только в устройстве клапанов для отвода газов), при этом, строго говоря, их название — «герметичные» — не совсем соответствует действительности.

Сегодня гелевые свинцово-кислотные батареи используются в автомобилях, автокарах и в качестве источников резервного питания при гарантированном энергоснабжении.

Однако в мобильной аппаратуре они применяются очень редко (причем в качестве переносных батарей используются только элементы SLA-типа), хотя для стационарных приборов и в системах связи по-прежнему используются очень широко, особенно там, где требуется большая емкость и высокая надежность работы при значительных перепадах температур. В отличие от свинцово-кислотного аккумулятора с жидким электролитом, гелевые батареи имеют более низкий потенциал заряда и разрабатываются с существенным запасом по нагрузкам, чтобы предотвратить появление пузырьков газа в процессе зарядки/разрядки, которое, в свою очередь, вызывает водное истощение и выход аккумулятора из строя. По этой же причине SLA- и VRLA-аккумуляторы никогда не могут быть заряжены полностью (интенсивная зарядка на завершающем этапе вызвала бы насыщение газами и водное истощение). Однако они (как и любые другие свинцово-кислотные аккумуляторы) всегда должны находиться в заряженном состоянии во избежание повышенной сульфации, которая приводит к тому, что батарею становится трудно, а затем и невозможно перезаряжать.

Таким образом, из всех заряжаемых аккумуляторов SLA имеют самую низкую удельную энергоемкость, что делает их малопригодными для компактных мобильных устройств. Заметим, что при более высоком уровне безопасности герметичные батареи с гелевыми электролитами имеют самые плохие характеристики по этому параметру даже среди свинцово-кислотных батарей, а по надежности уступают аккумуляторам с жидким электролитом.

Тем не менее такие аккумуляторы сегодня — это наиболее экономичный и безопасный выбор для больших и мощных источников питания, где вес и габариты имеют второстепенное значение. Свинцово-кислотные батареи применяются в медицинском оборудовании, служат для пожарного освещения и используются в системах бесперебойного питания (UPS). Большие SLA-аккумуляторы для стационарных применений имеют емкость от 50 до 200 A•ч.

Все типы свинцово-кислотных аккумуляторов имеют примерно одинаковые характеристики работы при низких температурах. Так, при 0 °C они сохраняют примерно 95% от своей емкости при комнатной температуре, при понижении температуры до –20 °C емкость падает, но под небольшой нагрузкой можно рассчитывать примерно на 70% от емкости при комнатной температуре, а при больших токах нагрузки — примерно на 50%.

Важно не забывать, что, хотя аккумулятор работает при низких температурах, это совсем не означает, что он может быть заряжен в этих условиях. Восприимчивость к заряду у большинства аккумуляторов при очень низких температурах чрезвычайно ограниченна, и ток заряда в этих случаях должен быть уменьшен до одной десятой от номинального.

Оптимальная операционная температура для свинцово-кислотных батарей (как SLA, так и VRLA) приблизительно 25 °C. Как правило, повышение температуры на каждые 8 °C сокращает жизнь батареи наполовину. Аккумулятор, который работал бы в течение 10 лет при температуре 25 °C, будет функционировать только 5 лет при температуре 33 °C. И та же самая батарея не проработала бы и года при температуре 42 °C.

В последние годы на рынке все чаще встречается новая модификация свинцовых батарей, маркируемая как AGM (Absorption Glass Mat) — в этих батареях жидким электролитом пропитан наполнитель из материала, напоминающего стекловату с очень тонкими стеклянными волокнами. По характеристикам AGM занимают промежуточное положение между гелевыми батареями и батареями с жидким электролитом — они безопасны более, чем последние, но менее, чем первые, и, что немаловажно, практически лишены одного из наиболее неприятных недостатков гелевых батарей: необратимого увеличения внутреннего сопротивления батареи при небрежной эксплуатации, когда в геле, используемом для фиксации электролита, образуются разрывы из-за появляющихся пузырьков газа.

Несмотря на то что свинцово-кислотные аккумуляторы имеют самую низкую удельную энергетическую плотность по сравнению с другими типами батарей, необходимо учитывать, что саморазряд на 40% от запасенной энергии у них происходит приблизительно за год, тогда как у NiCd-батареи он наступает уже через три месяца (у NiMH — примерно через месяц). Так что по этому параметру SLA-аккумуляторы оказываются весьма привлекательными. Кроме того, SLA-батареи относительно недорогие, а затраты на их обслуживание невысоки. Однако свинцово-кислотные аккумуляторы (особенно гелевые) не допускают быстрой зарядки — типичное время зарядки для них — от 8 до 16 часов.

Более того, в отличие от других типов батарей, свинцово-кислотные не любят слишком частого чередования глубоких циклов зарядки/разрядки, и каждый такой цикл безвозвратно лишает батарею части ее емкости.

В зависимости от глубины разрядки и температуры эксплуатации SLA-батареи выдерживают от 200 до 300 циклов глубокой разрядки/зарядки. Причина малого количества циклов для этих батарей — коррозия свинцового каркаса и истощение/разложение активного материала. Необратимые изменения подобного типа наиболее характерны при эксплуатации при повышенных температурах. Резкие перепады температур также не улучшают ситуацию.

Достоинства свинцово-кислотных аккумуляторов:

• способность выдерживать большие импульсы тока нагрузки;
• недорогие (в терминах стоимости В/ч) и простые в производстве; наиболее доступные и безопасные в эксплуатации — SLA-батареи;
• хорошо разработанная, зрелая, надежная и предсказуемая технология — при правильной эксплуатации SLA-батареи работают очень долго;
• низкая стоимость эксплуатации;
• самый слабый саморазряд среди всех широкодоступных перезаряжаемых аккумуляторов (лучшее сохранение заряда — самопроизвольно разряжается в 10-15 раз меньше, чем NiMH-аккумулятор);
• не подвержены эффекту памяти (см. NiCd-аккумуляторы);
• при правильном обслуживании выдерживают большое число поверхностных (неглубоких) циклов зарядки/разрядки;
• допускается оставлять аккумулятор в зарядном устройстве на плавающем заряде в течение длительного времени безо всякого вреда.

Недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов:

• самая низкая энергетическая плотность на единицу веса и объема по сравнению с другими технологиями;
• неприемлем режим быстрого заряда (обычное время — от 8 до 16 ч). При этом, как ни парадоксально, SLA-аккумуляторы весьма хорошо заряжаются с чередующимися импульсами разряда;
• выдерживают наименьшее число циклов зарядки/разрядки по сравнению с другими технологиями (в среднем от 200 до 500 циклов для современных аккумуляторов). Причем предпочтительнее поверхностный, а не глубокий разряд, срок службы непосредственно связан с глубиной разряда;
• не могут храниться в разряженном состоянии (полная разрядка вызывает образование сульфатов и такую потерю емкости, после которой батареи не восстанавливаются);
• могут применяться только там, где глубокая разрядка представляет собой случайное явление;
• имеют невысокие низкотемпературные показатели. Причем способность отдавать большой ток в нагрузку при низких температурах существенно уменьшается;
• хотя свинцово-кислотный аккумулятор имеет самую высокую емкость при температуре более 30 °C, но длительная эксплуатация в таких условиях сокращает срок службы аккумулятора;
• электролит и свинцовые пластины наносят вред окружающей среде (но меньший, чем NiCd);
• при зарядке следует соблюдать осторожность — может произойти самопроизвольный выход из-под контроля (опасный перегрев вызывает кипение кислоты, что может привести к ожогам и отравлению газами).

Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd)

ехнология изготовления аккумуляторов на основе никеля была предложена еще в 1899 году, но необходимые материалы были в то время очень дороги, поэтому их применение было ограничено лишь специальной техникой. В 1932 году внутрь пористого пластинчатого никелевого электрода были введены активные материалы, а с 1947-го начались исследования герметичных NiCd-аккумуляторов, в которых газы, выделяющиеся во время заряда, рекомбинировали внутри, а не выпускались наружу, как в предыдущих вариантах. Эти усовершенствования сделали NiCd-аккумулятор герметичным и безопасным, и именно в таком виде он используется и сегодня.

Появившись на широком рынке никель-кадмиевые элементы питания (NiCd, или Nicad) сразу стали чрезвычайно популярными и нашли применение во многих областях: радиоприемники/передатчики, биомедицинское оборудование, профессиональные видеокамеры и различные инструменты с электрическим приводом. Они по-прежнему достаточно дешевы, удобны в использовании и обладают целым рядом достоинств: фактически, NiCd — это единственный тип батареи, который способен работать в достаточно жестких условиях и выдерживает значительные нагрузки. Появление современных электрохимических аккумуляторов хотя и повлекло за собой уменьшение использования NiCd-батарей, но не привело к полному их вытеснению, а выявленные недостатки новых видов аккумуляторов заставляют вновь вернуться к NiCd-технологиям. Однако эти аккумуляторы имеют и серьезные недостатки. Одним из них является то, что они имеют емкость ниже традиционных одноразовых щелочных батарей того же формата (примерно на 20%). Но главным недостатком NiCd-батарей является, конечно, так называемый эффект памяти: в том случае, когда такой аккумулятор начинают заряжать прежде, чем он полностью разрядился, ему не удается набрать полного заряда. В результате от цикла к циклу батареи на основе никеля «устают», уменьшается их емкость, пока наконец они вообще не перестают держать какой бы то ни было заряд.

Причина этого явления заключается в том, что в процессе эксплуатации с каждым новым циклом зарядки/разрядки рабочее вещество внутри NiCd- и NiMH-аккумуляторов постепенно изменяет свою структуру — площадь рабочей поверхности уменьшается, что, естественно, приводит к уменьшению реальной емкости. Этот эффект свойствен всем аккумуляторам на основе никеля, но сильнее всего он проявляется именно в никель-кадмиевых аккумуляторах. Как правило, в результате коротких циклов с неполной разрядкой через 3-6 месяцев (в зависимости от качества аккумулятора, количества циклов, глубины разряда и других условий эксплуатации) реальная емкость аккумулятора заметно уменьшается. Косвенным показателем «прогрессирующей» болезни является сокращение времени заряда и увеличение внутреннего сопротивления батареи.

Никель-гидридные аккумуляторы, напротив, вроде бы подвержены эффекту памяти в меньшей степени (а некоторые производители NiMH-батарей даже утверждают, что их изделия вообще не имеют эффекта памяти). Однако обычно для восстановления функций никель-кадмиевых аккумуляторов их можно «потренировать», повторив несколько раз полные циклы разрядки/зарядки, а вот «вылечить» никель-гидридные батареи значительно сложнее. Но в любом случае легче предотвратить появление эффекта памяти, чем потом устранять его последствия. А для предотвращения необходимо периодически проводить циклы полной зарядки и последующей разрядки до напряжения 1 В на элемент (3-4 раза). Процесс этот проще всего выполнять на настольных зарядных устройствах, имеющих функцию разряда, или на специальных анализаторах батарей, которые могут автоматически восстанавливать функции «уставших» аккумуляторов до максимально возможного уровня. Периодичность такой процедуры для никель-кадмиевых аккумуляторов — один раз в месяц, для никель-гидридных — раз в 2-3 месяца. Если делать это чаще, то при незначительном полезном эффекте излишняя «тренировка» приведет к износу аккумулятора.

Исправные NiCd-батареи имеют весьма малое внутреннее сопротивление, умеренный саморазряд и демонстрируют вполне приличные характеристики при низких температурах, хотя и специфицируются, как правило, для работы до –20 °C. Под небольшой нагрузкой эти 1,2-вольтовые элементы при 0 °C отдают около 95% от своей номинальной емкости, а при увеличении нагрузки емкость уменьшается примерно до 90%. При понижении температуры до –20 °C можно рассчитывать на 60% емкости под большой нагрузкой, хотя при малых токах батарея способна отдать до 80% емкости. При –40 °C можно ожидать до 40% емкости при малых токах нагрузки, но батарея будет практически неспособна отдавать большой ток.

Таким образом, NiCd-аккумуляторы еще рано списывать со счетов, ведь они имеют самое короткое время заряда, обеспечивают самый высокий ток нагрузки, имеют самую низкую стоимость одного цикла, долго и исправно выполняют свои функции при любых неблагоприятных условиях и легче восстанавливаются.

Достоинства никель-кадмиевых аккумуляторов:

• быстро и просто заряжаются даже после длительного хранения — ток заряда может превышать номинальный в 2-3 раза. Предпочтителен импульсный (реверсивный) метод заряда — аккумулятор меньше нагревается и более эффективно заряжается по сравнению со стандартным методом заряда постоянным током. Другая важная проблема, которая решается при использовании реверсивного заряда, — это уменьшение кристаллических образований в элементах аккумулятора, что повышает эффективность и продлевает срок его эксплуатации (примерно на 15-20 %);
• выдерживают большое число циклов зарядки/разрядки (при правильном обслуживании — более 1000 циклов);
• демонстрируют хорошие эксплуатационные показатели, выдерживают высокие нагрузки и способны отдавать большой ток;
• выдерживают длительные сроки хранения (при соблюдении условий эксплуатации и при периодическом обслуживании);
• безопасны при эксплуатации и прощают ошибки при перезарядке;
• даже если они эксплуатировались неправильно, то легко восстанавливают понижение емкости (от 60 до 70% аккумуляторов, признанных негодными, могут быть восстановлены для полноценной эксплуатации). Восстановление аккумулятора происходит путем циклов «тренировки» или по специальному алгоритму в профессиональных зарядных устройствах — анализаторах аккумуляторов. К циклу восстановления прибегают в том случае, когда тренировочные циклы не помогают;
• имеют приемлемые низкотемпературные показатели до –40 °C (в том числе позволяют перезаряжать их при низких температурах);
• экономичные — самая низкая стоимость на цикл работы;
• доступны на рынке в широком диапазоне размеров, параметров и эксплуатационных показателей — большинство современных NiCd-аккумуляторов цилиндрические (AA, AAA и др.).

Недостатки никель-кадмиевых аккумуляторов:

• относительно низкая удельная энергоемкость по сравнению с другими технологиями (большие габариты и вес при той же емкости по сравнению с аккумуляторами других типов);
• необходимость периодического обслуживания для устранения эффекта памяти — для восстановления функций никель-кадмиевые аккумуляторы нужно периодически «тренировать», доводя до полной разрядки. Фактически, NiCd-аккумуляторы — это единственный тип аккумуляторов, которые выполняют свои функции лучше, если периодически подвергаются полному разряду;
• для NiCd-аккумуляторов вредно находиться в зарядном устройстве в течение нескольких дней;
• содержат ядовитые металлы (особенно кадмий), сложные для утилизации (из-за этого некоторые страны ограничили использование NiCd-аккумуляторов);
• имеют относительно высокую саморазрядку (до 10% в течение первых 24 ч и до 20% в первый месяц после заряда) — необходимо перезаряжать после длительного хранения.

Никель-гидридные аккумуляторы (Nickel-Metal Hydride, NiMH)

сследования в области никель-гидридных систем начались еще в 1970 годах с разработки средств хранения водородных соединений для батарей, применяемых в космических спутниках. Естественно, разработки в этой области были предприняты и с целью преодолеть недостатки никель-кадмиевых аккумуляторов. Но в ранних экспериментальных батареях гидридные соединения были неустойчивы и не могли обеспечить необходимые рабочие характеристики портативных аккумуляторов. В результате развитие технологий NiMH замедлилось. Новые, достаточно устойчивые гидридные соединения были разработаны в 1980 годах, и с тех пор батареи NiMH постоянно улучшаются.

Сегодня никель-гидридные аккумуляторы являются оптимальными по соотношению «цена/емкость» для большинства применений и достаточно надежными источниками энергии. Основные области применения: мобильные телефоны и портативные компьютеры.

Современные батареи на основе NiMH предлагают более высокую плотность энергии по сравнению с NiCd (от 40 до 60%), могут использоваться в портативных системах большей мощности и не имеют некоторых отрицательных качеств, присущих NiCd, — в них не содержатся вредные компоненты и они меньше подвержены эффекту памяти. Ряд фирм, выпускающих современные NiMH-аккумуляторы, даже заявляет, что их аккумуляторы практически полностью лишены этого эффекта, но «злые языки» утверждают, что эффект памяти в никель-гидридных аккумуляторах просто не успевает проявляться из-за малого срока их эксплуатации. Да, к сожалению, срок эксплуатации NiMH-аккумуляторов меньше, чем элементов на основе NiCd. А высокие пиковые нагрузки, жесткие температурные режимы эксплуатации и хранения существенно уменьшают их энергоемкость и срок службы. Кроме того, NiMH-аккумуляторы страдают от высокой саморазрядки, значительно большей, чем у NiCd-батарей. Первые NiMH-элементы могли обеспечить только 200-300 циклов зарядки, и лишь спустя годы появились аккумуляторы этого типа, которые можно перезаряжать от 500 до 1000 раз (однако некоторые ограничения еще сохраняются). Словом, параметры современных никель-гидридных батарей еще далеки от совершенства, но, если верить рекламе, постоянно улучшаются.

Никель-гидридные аккумуляторы, как правило, считаются работоспособными до температур порядка –20 °C, когда под малой нагрузкой они способны обеспечить до 90% от своей номинальной емкости, однако под большой нагрузкой при такой низкой температуре стоит рассчитывать всего лишь на 40% от полной емкости. При температурах около 0 °C и малых токах разряда эти аккумуляторы могут обеспечить порядка 95% от своей емкости при комнатной температуре и около 90% от полной емкости при больших токах.

Несмотря на значительное снижение емкости под большими нагрузками при низких температурах, в случае невысокого потребления электроэнергии эти аккумуляторы считаются вполне работоспособными на морозе.

Аккумуляторы NiMH приобретают все большую популярность (особенно в наиболее распространенных форматах «пальчиковых» батареек AA и ААА), с каждым годом увеличивается их емкость. Если емкость первых аккумуляторов формата АА не превышала 700-800 мА•ч, то теперь подобными параметрами обладают маленькие аккумуляторы ААА, а для наиболее популярного формата АА не имеет смысла покупать элементы, обладающие емкостью, меньшей 1600-1800 мА•ч.

Цена современных NiMH-аккумуляторов — от 2 долл. за батарею 1600 мА•ч и от 3 долл. за 1800 мА•ч (при покупке от 4 аккумуляторов возможна скидка).

Важно отметить, что новые NiMH-аккумуляторы после покупки должны пройти 3-5 циклов полной зарядки-разрядки прежде, чем они будут набирать полный заряд (то есть достигнут пиковых эксплуатационных показателей). Это не означает, что вы должны избегать коротких циклов, как на NiCd-аккумуляторах, но если вы проведете «тренировку» в самом начале, то батареи скорее выйдут на рабочий режим и будут лучше держать заряд. Заметим, что функции вывода NiMH-аккумуляторов в рабочий режим (так же, как и «тренировки» NiCd-аккумуляторов) реализованы в некоторых современных зарядных устройствах (кондиционерах батарей).

Но основным недостатком этих батарей продолжает оставаться довольно сильная самопроизвольная разрядка, и если вы надеетесь, что однажды заряженный NiMH-аккумулятор можно будет положить в запас, то вас ждет разочарование — они имеют тенденцию полностью разряжаться за 30-60 дней (в зависимости от условий хранения).

Достоинства никель-гидридных аккумуляторов:

• обеспечивают 40-50-процентное преимущество в удельной энергоемкости по сравнению с прежним фаворитом — NiCd;
• имеют значительный потенциал для увеличения энергетической плотности;
• менее склонны к эффекту памяти — циклы подзарядки могут быть сколь угодно короткими, а полная разрядка требуется не часто;
• дружественны к окружающей среде — содержат только умеренные токсины, доступные для вторичной переработки;
• недорогие;
• доступны в широком диапазоне размеров, параметров и эксплуатационных показателей.

Недостатки никель-гидридных аккумуляторов:

• выдерживают меньшее число циклов зарядки/разрядки по сравнению с другими технологиями (в среднем чуть более 500 циклов для современных аккумуляторов). Причем предпочтительнее поверхностный, а не глубокий разряд, а срок службы непосредственно связан с глубиной разряда;
• плохо выдерживают пиковые нагрузки: оптимальный режим работы при нагрузке — от одной пятой до половины номинальной;
• ограниченный срок службы — если неоднократно в течение циклов работы повторяются высокие пиковые нагрузки, то эксплуатационные показатели начинают ухудшаться после 200-300 циклов и время работы до полной разрядки постепенно снижается;
• эксплуатационные показатели сильно ухудшаются, если хранить эти батареи при высоких температурах. При температурах, близких к 0 °C, можно сохранить более половины заряда;
• более сложный алгоритм зарядки — эти аккумуляторы сильно греются в процессе зарядки большими токами, поэтому требуется тщательная регулировка напряжения и более длительное время зарядки, чем у NiCd-аккумуляторов;
• NiMH-аккумуляторы не могут заряжаться так быстро, как NiCd. Время заряда обычно в 2-3 раза больше, чем у NiCd. Рекомендуемый ток разряда — от одной пятой до половины значения номинальной емкости;
• имеют очень высокую саморазрядку (до 30% в месяц) — необходимо часто перезаряжать после хранения;
• приблизительно на 20-30% дороже, чем NiCd-аккумуляторы сравнимой емкости.

Литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion)

ервые работы с батареями на основе лития начались еще в 1912 году, но только в начале 70-х появились первые коммерческие неперезаряжающиеся литиевые батареи. Литий — самый легкий из металлов и имеет большой отрицательный электрохимический потенциал, поэтому батареи на его основе теоретически обеспечивают самую высокую удельную энергоемкость.

Попытки разработать перезаряжающиеся литиевые батареи продолжались в 80-х годах, но неизменно оканчивались неудачами из-за проблем с безопасностью. Вследствие высокой агрессивности лития и неустойчивости соединений на его основе аккумуляторы вели себя неадекватно, особенно в процессе зарядки. Тогда исследователи переключились на неметаллические литиевые батареи, использующие ионы лития. Такие технологии позволяли добиться, конечно, меньшей энергетической плотности, но Li-Ion при соблюдении некоторых предосторожностей стал вполне безопасен как при зарядке, так и при разрядке. В 1991 году корпорация Sony создала первый коммерчески удачный литий-ионный аккумулятор, и с тех пор батареи этой компании на основе лития пользуются большой популярностью, при этом активно развиваясь и совершенствуясь. Другие производители также освоили подобные технологии и выпускают Li-Ion-аккумуляторы для различных устройств.

Сегодня аккумуляторы на основе лития считаются наиболее эффективными и удобными по многим параметрам: они имеют большую удельную энергоемкость (в 2-3 раза выше, чем у NiCd-батарей), показывают неплохие нагрузочные характеристики как при низких, так и при высоких температурах, имеют малое внутреннее сопротивление и очень длительный саморазряд (2-5% в месяц). При этом Li-Ion-аккумулятор не имеет недостатков NiMH и ведет себя аналогично NiCd (форма их разрядных характеристик сходна и различается лишь напряжением). Плоская кривая разрядки обеспечивает эффективное использование накопленной энергии в необходимом спектре напряжений. Сейчас это самая прогрессивная и быстро развивающаяся технология. Производители непрерывно совершенствуют аккумуляторы на основе ионов лития. Идет постоянный поиск и улучшение материалов электродов и состава электролита. Параллельно предпринимаются усилия для повышения безопасности литий-ионных аккумуляторов как на уровне источников тока, так и на уровне управляющих электрических схем.

Li-Ion-аккумуляторы используются главным образом там, где необходима высокая энергоемкость при малом размере и весе. Однако сами элементы на основе лития довольно капризны и для обеспечения безопасности и долговечности их работы требуются специальные управляющие интегральные схемы и управляющие ключи, которые ограничивают пиковое напряжение на каждом элементе в течение зарядки и предотвращают слишком резкое падение напряжения на клеммах элемента при разрядке. Кроме того, они имеют датчики температуры и тепловые предохранители, которые контролируют температуру элементов во избежание опасного перегрева в процессе зарядки/разрядки (впрочем, аккумуляторы на основе никеля тоже могут содержать внутренний тепловой предохранитель и датчик температуры). Максимальные перепады тока зарядки/разрядки ограниченны и не могут превышать номинальные более чем в два раза. Все это в совокупности призвано защитить потребителя от физических повреждений в случае нарушения электрических режимов эксплуатации аккумулятора. Соблюдение всех предосторожностей позволяет избежать опасной металлизации лития, имевшей место при перегрузках ранних батарей такого типа.

Другая проблема — деградация («старение») Li-Ion-батарей, поэтому большинство производителей обходят молчанием сроки их эксплуатации. Часто повреждения аккумулятора, вызванные неправильной эксплуатацией, использованием неисправного зарядного устройства, переохлаждением или перегревом, а иногда и браком по вине изготовителя или поставщика, списывают на эффект памяти, но аккумуляторы на основе лития его влиянию не подвержены. Некоторое неизбежное уменьшение емкости наступает уже через год после выпуска, причем независимо от того, находится ли батарея в активном использовании или нет. По истечении двух-трех лет многие Li-Ion-аккумуляторы безвозвратно теряют емкость и, в отличие от NiCd-аккумуляторов, уже не восстанавливаются. Впрочем, и другие химические батареи (в том числе и одноразовые) также склонны к проявлению возрастных дегенеративных эффектов. Особенно заметно проявляется деградация у тех же NiMH-аккумуляторов, если они были подвергнуты воздействию высоких температур (в том числе и при хранении). Для Li-Ion-батарей изготовители рекомендуют температуру хранения не выше 15 °C. Кроме того, батарея при хранении должна быть обязательно заряжена.

Области применения Li-Ion-аккумуляторов — это портативные компьютеры, сотовые телефоны и коммуникаторы. Причем изготовители постоянно улучшают химические свойства батарей и расширяют спектр применения (различные усовершенствования представляются раз в полгода или даже чаще).

Большинство производителей специфицируют аккумуляторы этого типа для работы при температурах до –20 °C, при которых они способны отдавать под малой нагрузкой 60-70% от своей номинальной емкости, но при больших токах нагрузки отдача падает до 40%. Впрочем, при температурах, близких к 0 °C, уменьшение емкости литий-ионных аккумуляторов мало заметно.

Благодаря своим высоким характеристикам, хорошей энергоемкости и длительности хранения заряда, эти аккумуляторы очень популярны для использования в малогабаритной мобильной аппаратуре. Однако они пока являются самыми дорогими из доступных сегодня на рынке, не выпускаются в потребительских форматах АА и ААА, имеют нестандартное напряжение 3,6 или 7,2 В (это связано с применяемыми в них химическими компонентами), а кроме того, при повреждении склонны к неприятной тенденции взрываться при интенсивной зарядке. Впрочем, взорваться может любой из поврежденных аккумуляторов, так что обращайтесь с ними осторожнее. А литий-ионные аккумуляторы обладают к тому же очень высокой удельной энергией.

Совершенствование технологии производства и замена, например, применяемого в этих аккумуляторах оксида кобальта на менее дорогой материал могут привести к уменьшению стоимость на 50% в самом ближайшем будущем. Продолжается развитие и других литий-ионных технологий, которые обещают большую безопасность, быструю зарядку, высокую эффективность при низкой температуре и улучшение других характеристик.

Достоинства литий-ионных аккумуляторов:

• высокая удельная энергоемкость с большим потенциалом для дальнейшего совершенствования;
• относительно низкий саморазряд — примерно 3-5% в первый месяц, затем уменьшение до 1-3% в месяц, но дополнительно около 3% в месяц потребляет схема управления (это в 2-3 раза ниже, чем у NiCd и NiMH);
• высокое напряжение единичного элемента (3,6 В против 1,2 В у NiCd и NiMH), что упрощает конструкцию и уменьшает габариты — можно применять один элемент там, где раньше требовалось три;
• низкие эксплуатационные расходы — отсутствие необходимости периодической разрядки/зарядки;
• практически полное отсутствие «памяти» — их можно ставить на зарядку когда угодно и держать в зарядном устройстве сколь угодно долго (зарядные устройства для Li-Ion-аккумуляторов после окончания заряда автоматически отключаются).

Недостатки литий-ионных аккумуляторов:

• необходимость в схемах защиты, которые ограничивают напряжение и силу тока при зарядке/разрядке и следят за температурой элемента, что, в свою очередь, практически исключает возможность металлизации лития. Однако это ведет к дополнительному повышению стоимости и снижению надежности аккумулятора;
• батарея безопасна только пока не имеет повреждений;
• аккумуляторы этого типа подвержены старению, причем даже тогда, когда они не используются, а высокая температура способствует ускоренной деградации. Для уменьшения процесса старения необходимо хранить их при низкой температуре и заряженными на 60-90%;
• умеренный ток разрядки;
• высокая стоимость (в 2-3 раза выше, чем у NiCd и NiMH).

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-Pol, или Li-Polymer)

i-Ion-аккумулятор был бы хорош, если бы не проблемы с обеспечением безопасности его эксплуатации и высокая стоимость производства. Попытки решения этих проблем и привели к появлению литий-полимерных аккумуляторов (Li-Pol, или Li-Polymer). Аккумуляторы Li-Polymer отличаются от Li-Ion типом используемого электролита. Первые батареи с использованием сухих и твердых полимерных электролитов разрабатывались еще в 70-х годах, но первые коммерческие батареи с обозначением Li-Polymer появились относительно недавно. Суть технологии — нанесение электролита на пластмассовую пленку, которая сама не проводит электричество, но позволяет беспрепятственно обмениваться ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Грубо говоря, полимерный электролит заменяет традиционный пористый сепаратор, который пропитан жидким электролитом. Сухая полимерная конструкция обеспечивает малую толщину ячейки (до 1 мм), относительную простоту изготовления и безопасность использования (отсутствие жидкого или гелевого электролита исключает возможность отравления или ожога). Разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров таких аккумуляторов, вплоть до внедрения их в одежду, обувь или какие-то нетрадиционные конструкции.

Тем не менее сухой Li- Pol страдает от ухудшения проводимости и внутреннее сопротивление полимеров слишком высоко для обслуживания современных мощных передатчиков или раскручивания жестких дисков мобильных компьютеров. При нагревании ячейки до 60 °C и выше проводимость увеличивается, но такие температуры неприемлемы для переносных устройств. Некоторые виды Li-Pol-аккумуляторов в настоящее время используются в качестве резервных источников питания в жарком климате или вместе с нагревательными элементами, поддерживающими благоприятную температуру для данного типа аккумуляторов.

Чтобы сделать маленький литий-полимерный аккумулятор более эффективным, к полимерным электролитам добавляют немного гелевых. Большинство коммерческих батарей, используемых сегодня в мобильных телефонах, — это как раз гибрид полимера и геля. Правильное название для такого устройства — литий-ионный полимер (Lithium Ion Polymer, или Li-Ion Pol), но большинство изготовителей обозначают их просто как Li-Pol. Гибридные литий-полимерные аккумуляторы — самый распространенный сегодня тип батарей для использования в мобильном оборудовании. Они постепенно заменяют как Li-Ion, так и Li-Polymer без гелевого электролита.

Современные разработки в области технологий на основе лития привели к появлению Li-Pol-аккумуляторов в сверхкомпактных корпусах (толщиной менее 4 мм) с упрощенным монтажом кристалла в корпусе (высокое напряжение на клеммах элемента позволяет делать портативные источники питания только с одной ячейкой). Относительно низкое внутреннее сопротивление одноэлементных батарей с комбинированным электролитом позволяет отдавать высокий ток в течение коротких импульсов нагрузки.

В чем же заключаются основные различия между классическим Li-Ion-аккумулятором и Li-Ion-Pol, который сегодня «ошибочно» называют Li-Polymer? Хотя характеристики и эксплуатационные показатели этих двух систем очень похожи, Li-Ion-Pol не имеет пористого сепаратора, который вызывал постепенную деградацию батарей. Гелевый электролит здесь просто добавлен для расширения ионной проводимости.

Однако вследствие технических трудностей при производстве, достоинства новых батарей не могут проявиться в полной мере, и обещанное превосходство литий-ионных полимеров еще не до конца реализовано. Фактически, энергоемкость новых батарей немного ниже обычных Li-Ion, а цена — выше. Главная причина для перехода к полимерным технологиям пока одна — уменьшение размеров батарей.

Таким образом, основная область применения Li-Pol батарей сегодня — это мобильные телефоны, где повышение безопасности, уменьшение размеров и веса устройств являются весьма существенным стимулом для выбора именно этой технологии.

Однако исследователи продолжают разработку Li-Pol-технологий с сухим твердым электролитом, работающим при комнатной температуре. Подобные аккумуляторы, как ожидается, появятся в ближайшие 2-3 года. Они будут стабильными, будут допускать более 1000 полных циклов зарядки/разрядки и обладать более высокой удельной энергоемкостью, чем сегодняшние Li-Ion-аккумуляторы.

Достоинства литий-полимерных аккумуляторов:

• существенное снижение размеров и веса — возможность изготовления батарей размером и толщиной с кредитную карточку (металлический корпус необязателен);
• возможность гибкого изменения формы — может быть реализован аккумулятор любого разумного размера и мощности;
• улучшенная безопасность — аккумулятор более стоек к перегрузкам, практически не подвержен утечкам электролита.

Недостатки литий-полимерных аккумуляторов:

• меньшая, чем у Li-Ion, энергоемкость;
• более сложные миниатюрные схемы управления;
• высокая температура для оптимальной работы — от 60 до 100 °C;
• глубокий разряд отрицательно сказывается на внутренней структуре аккумулятора;
• высокая стоимость (выше, чем у Li-Ion).

Литиевые аккумуляторы (Li-Metal)

итиeвые аккумуляторы, в отличие от литий-ионных, сегодня применяются довольно редко. Это связано с тем, что при их использовании особенно жестки требования к режиму заряда и по соображениям безопасности необходимо обеспечить специальные условия эксплуатации. Поэтому все ныне выпускаемые типы литиевых аккумуляторов изготавливаются только в виде специализированных батарей для определенных типов аппаратуры, в которую встроены различные контроллеры заряда, предохранительные устройства и т.д.

Литиевые аккумуляторы имеют напряжение, кратное 3 (3 В — это напряжение одного элемента), и специфицируются для использования при температуре до –30 °C. Но максимальную энергоемкость литиевые аккумуляторы имеют при комнатной температуре, когда по отношению к весу и объему они имеют лучшие показатели по сравнению с любыми другими из ныне серийно выпускаемых типов аккумуляторов; однако это преимущество постепенно сходит на нет при понижении температуры.

Даже при температуре около 0 °C емкость этих батарей падает примерно до 70% от их емкости при комнатной температуре, при –20 °C — до половины емкости, а при –30 °C можно рассчитывать на чуть более трети.

Кроме того, эти аккумуляторы до сих пор считаются не вполне безопасными при разгерметизации, и производители продолжают работать над их усовершенствованием.

Перезаряжаемые щелочные батареи (Rechargeable Alkaline Manganese, RAM)

ерезаряжаемые щелочные батареи (Rechargeable Alkaline — не путайте с обычными одноразовыми щелочными батарейками Alkaline) имеют весьма высокое внутреннее сопротивление уже при комнатной температуре, что приводит к серьезному падению напряжения при использовании их в аппаратуре с большой потребляемой мощностью (свыше десятых долей Ватта). Они довольно дешевы, но максимальный рекомендуемый ток разряда не превышает 400-500 мА, и перезаряжать их следует не более 50 раз. При низких температурах проблема падения напряжения становится критической, что делает эти батареи непригодными для использования зимой. При низких температурах эти батареи подходят только для маломощных устройств, обеспечивая при температуре около 0 °C даже на малых токах не более 75% от емкости при комнатной температуре, а уже при –20 °C емкость таких батарей составит менее 20% от номинальной. Единственная привлекательная особенность этих батарей — их весьма малый (для перезаряжаемых аккумуляторов) саморазряд. Основным недостатком батарей, выполненных по такой технологии, является невысокая надежность и недолговечность (малое число циклов заряд/разряд, которые они способны отработать при допустимой потере емкости).

КомпьютерПресс 5'2002