Современные аккумуляторы

Олег Татарников

Выбор технологии

Основные термины

Классификация аккумуляторов

   Свинцово-кислотные аккумуляторы (SLA)

   Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd)

   Никель-металлгидридные аккумуляторы (NiMH)

   Литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion)

Перспективные разработки

Подыскивая подходящий автономный источник энергии для какого-нибудь мобильного устройства — сотового телефона, ноутбука, КПК или аудиоплеера, — пользователь, на которого обрушивается настоящий вал слухов, домыслов и рекламной мишуры, может сделать неправильный выбор, в результате чего при эксплуатации устройства возникнет целый ряд проблем. Между тем аккумуляторы, в отличие от цифровой электроники, совершенствуются гораздо медленнее, поэтому информацию о технологиях изготовления и способах применения тех или иных батарей найти не так уж и сложно. Эти сведения помогут выбрать наиболее эффективное решение для вашего мобильного устройства.

Идеального аккумулятора энергии до сих пор не существует — в разных областях для каждого типа мобильных устройств и конкретных решений сложилась определенная специфика применения источников питания, а также технологические предпочтения. Однако, если вы хорошо знаете преимущества и недостатки тех или иных технологий, совершенно необязательно, что ваш выбор будет базироваться на традиционных подходах.

Например, выбор одного из двух: цифрового фотоаппарата со стандартным NiNH-аккумулятором или подобной модели со специальным литий-ионным аккумулятором — далеко не однозначен. С одной стороны, специальный литий-ионный аккумулятор в фотокамере позволяет получить 300-400 снимков на одной зарядке (эта характеристика обычно всегда указывается производителем), а работоспособность камеры с неизвестно где купленными стандартными аккумуляторами оценить трудно. Но в любом случае у никель-металлгидридных батарей емкость значительно меньше, чем у литий-ионного аккумулятора. У камер, где используются стандартные «пальчиковые» батареи, довольно часто возникают различные проблемы с питанием. Поэтому верить рекламе, что такой аппарат проще в применении и что батарейки для него продаются на каждом углу, тоже нельзя. В инструкциях современных цифровых фотоаппаратов с питанием на элементах формата АА рекомендуется использовать исключительно NiNH-аккумуляторы, а обычными щелочными батарейками (то есть как раз теми, которые продаются на каждом углу) можно пользоваться только в случае крайней необходимости или для проверки функциональности фотоаппарата (кстати, «пальчиковые» батарейки кладут в комплект поставки именно для проверки устройства, а не для постоянного использования).

Достоинствами литий-ионных аккумуляторов являются не только более высокая емкость, но и способность работать с большим током нагрузки. Кроме того, в отличие от никель-металлгидридных, у литий-ионных аккумуляторов отсутствует так называемый эффект памяти. Однако специализированные аккумуляторы стоят довольно дорого, и найти в продаже нужный элемент питания все же гораздо сложнее, чем аккумулятор стандартного формата АА. Нельзя сбрасывать со счетов и якобы устаревшие никель-кадмиевые элементы. Практика показывает, что в некоторых случаях, когда, например, нагрузка устройств сильно варьируется или приходится работать с устройством при разной температуре (в том числе и на морозе), никель-кадмиевые элементы оказываются наиболее надежным решением.

Выбор технологии

Термин «аккумулятор» у большинства пользователей ассоциируется с автомобилем, хотя применяемый в нем аккумулятор отнюдь не отвечает требованиям, предъявляемым к автономным источникам питания для мобильных устройств или к резервным источникам питания в системах безопасности. Автомобильные аккумуляторы предназначены для подачи очень мощного тока за короткое время, а батареи, обслуживающие мобильные устройства, должны выдавать относительно небольшой ток, но на протяжении длительного периода. Поэтому для подобных устройств, помимо емкости, важнейшее значение приобретают так называемые временные зарядно-разрядные характеристики, то есть кривые заряда-разряда батареи.

Основное достоинство любых аккумуляторов, в том числе и автомобильных, состоит не столько в том, что они могут хранить электрическую энергию и отдавать ее в соответствии с требуемыми характеристиками, сколько в возможности снова заряжать их до полной мощности. В связи с этим одной из важнейших характеристик аккумуляторов является срок службы (эксплуатации). Его оценивают по количеству циклов зарядки-разрядки, которое аккумулятор выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих основных параметров. Срок службы зависит от многих факторов — от методов зарядки, глубины разрядки, процедур обслуживания или его отсутствия, температуры и химической природы самого аккумулятора. Кроме того, этот срок определяется временем, прошедшим со дня изготовления, что особенно важно для литий-ионных (Li-Ion) устройств. Аккумулятор обычно считается вышедшим из строя после уменьшения его емкости до 60-80% от номинального значения.

Следует принимать меры предосторожности при использовании и утилизации аккумуляторов.

Основные термины

Ток, протекающий через аккумулятор при зарядке и разрядке, удобно выражать в значениях, кратных Сн, где Сн — ток, численно равный номинальной емкости (например, Сн для аккумулятора емкостью 1,2 А·ч равно 1,2 А). Номинальная емкость — это емкость полностью заряженного аккумулятора при температуре 20 °С. Скорость зарядки и разрядки обычно выражается в величинах, кратных долям Сн, и в зависимости от этой величины строятся кривые заряда-разряда аккумуляторных батарей. Далее мы рассмотрим это более подробно, а пока отметим, что если разрядка аккумулятора определяется током потребления конкретного мобильного устройства, то скорость зарядки варьируется в зависимости от различных зарядных устройств (режимов зарядки). Известны такие режимы, как быстрая зарядка, зарядка малым током («капельная»), стандартная, ускоренная и др. Проще говоря, режим быстрой зарядки производится током от Сн до 4Сн, зарядка малым током предполагает использование токов от Сн/50 до Сн/10, стандартная зарядка идет от Сн/20 до Сн/10, а ускоренная — от Сн/5 до Сн/3.

Отметим также влияние температуры окружающей среды на форму разрядных кривых и на реальную емкость аккумуляторов. Рассмотрим функциональную эффективность типичного никель-металлгидридного аккумулятора (NiMH) в зависимости от температуры. Такая батарея рассчитана, как правило, на 500-600 циклов зарядки-разрядки. При этом изменение разрядной емкости при колебании температуры окружающей среды прямо пропорционально изменению температуры (t) и может быть оценено в процентах по следующей формуле: Сн = 90 + 0,77 t (%).

При разрядной емкости 80-90% от номинальной производитель гарантирует 500 циклов зарядки-разрядки, хотя в среднем можно получить и большее число циклов. По своим обобщенным зарядно-разрядным характеристикам NiMH-аккумуляторы подобны никель-кадмиевым (NiCd), но превышают последние в 1,5-2 раза по удельной емкости, однако диапазон температур, при которых возможна эксплуатация NiMH-аккумуляторов, все же несколько меньше, чем у никель-кадмиевых, как и гарантированное число циклов зарядки-разрядки. Кроме того, в отличие от NiCd- и NiMH-аккумуляторов, изменение температуры окружающей среды не оказывает столь значительного влияния на форму разрядных кривых и на емкость современных литий-ионных аккумуляторов.

Классификация аккумуляторов

Аккумуляторные батареи используются в автономных источниках энергии в самых различных областях. Требования, предъявляемые к этим устройствам, тоже различаются весьма значительно. При выборе конкретного типа аккумулятора с потребительской точки зрения во внимание принимаются следующие характеристики:

• рабочее напряжение;
• планируемый режим разряда (постоянный или импульсный разряд);
• максимальный ток разряда;
• температурный режим при разрядке;
• допустимый режим зарядки (стандартный, ускоренный, быстрый или режим постоянной подзарядки, называемый также буферным);
• масса и габаритные характеристики;
• срок службы.

К тому же в случае, если заряженные батареи некоторое время хранятся без использования, необходимо обращать внимание на скорость их саморазряда.

В зависимости от электрохимической технологии можно выделить следующие основные типы современных источников тока для мобильных устройств:

• герметизированные свинцово-кислотные (SLA);
• никель-кадмиевые (NiCd);
• никель-металлгидридные (NiMH);
• литий-ионные (Li-Ion);
• литий-полимерные (Li-Pol).

К редким типам аккумуляторов можно отнести:

• никель-цинковые;
• серебряно-цинковые;
• серебряно-кадмиевые;
• топливные.

Что касается последних, то пока нет устоявшихся технологий для изготовления миниатюрных топливных элементов, поэтому устройства данного типа мы рассматривать не будем.

Чтобы удовлетворить разнообразные потребности пользователей, аккумуляторы независимо от применяемой технологии традиционно выпускают в различных конструктивных вариантах (формфакторах), с различной емкостью и номинальным напряжением. Кроме того, они могут иметь специфические свойства для обеспечения наилучших характеристик в особых режимах и условиях эксплуатации. Указанные параметры аккумуляторов соответствуют международным стандартам, что гарантирует возможность замены аккумуляторов различных производителей. Основные формфакторы аккумуляторов следующие:

• цилиндрический;
• дисковый;
• призматический.

Отметим, что гальванические источники тока одноразового действия (батарейки) обычно отличаются от аккумуляторов по внешнему виду, хотя существуют аккумуляторы, конструктивно выполненные так же, как батарейки. Чтобы различать эти устройства, потребителю необходимо обращать внимание на маркировку, нанесенную на корпус элементов питания.

Свинцово-кислотные аккумуляторы (SLA)

Для обозначения таких аккумуляторов применяется аббревиатура SLA (Sealed Lead Acid — герметизированные свинцово-кислотные). Это старейшие перезаряжаемые аккумуляторы, предназначенные для коммерческого использования, причем они до сих пор остаются наиболее дешевыми автономными источниками энергии. Видимо, самым существенным недостатком, присущим свинцово-кислотным элементам, является выделение газов — кислорода и водорода. Предотвратить его можно только путем уменьшения напряжения при зарядке, однако при подзарядке это приводит к тому, что аккумулятор не заряжается полностью до номинального напряжения. Так что проблема до сих пор не решена. Вместе с тем способность удерживать номинальную силу тока при низком напряжении, небольшая цена по сравнению с затратами на обслуживание батарей этого типа и отсутствие сбоев питания при их использовании вполне оправдывают установку свинцово-кислотных аккумуляторов большой емкости.

Сегодня SLA-аккумуляторы применяются в основном там, где требуется большая мощность при низкой стоимости устройств, а их вес и габаритные характеристики несущественны (например, в блоках бесперебойного питания, охранных системах, системах резервного освещения). В портативных приборах используются герметичные (необслуживаемые) аккумуляторы или аккумуляторы с регулирующим клапаном давления. Подобными SLA-устройствами иногда комплектуются переносные сотовые телефоны большой мощности и некоторые видеокамеры, но в целом их применение для портативных систем нехарактерно. Появились необслуживаемые и малообслуживаемые аккумуляторы, основанные на внутренней рекомбинации газа, а также различные герметизированные аккумуляторы (правильно говорить «герметизированные», а не «герметичные»). Из особенностей современных свинцово-кислотных аккумуляторов следует отметить:

• зарядка от простейших зарядных устройств;

• улучшение работы в буферном режиме, то есть в режиме постоянного подзаряда — срок службы доведен уже до 25 лет;

• значительное увеличение ресурса — количество циклов зарядки-разрядки составляет уже 600-800, а не 200-300, как раньше;

• сведение к минимуму величины саморазряда — 0,1% в день;

• появление множества типоразмеров и введение их единой стандартизации.

В отличие от обычных свинцово-кислотных аккумуляторов, в частности автомобильных, SLA-аккумуляторы для электроники разрабатываются с низким потенциалом перезарядки с целью предотвращения выделения газа. Поэтому SLA-аккумулятор имеет длительный срок хранения, но никогда не заряжается до своей полной емкости, а следовательно, по сравнению с другими типами заряжаемых батарей имеет самую низкую плотность энергии (удельную энергоемкость), которая выражается в количестве запасенной энергии к единице веса или объема. Вследствие низкого саморазряда, отсутствия эффекта памяти и минимальных требований по обслуживанию такие батареи в некоторых областях до сих пор остаются весьма выгодным решением. Так, если NiCd-аккумуляторы за три месяца саморазряжаются на 40%, то SLA-аккумуляторам для подобной саморазрядки понадобится не менее года.

Разновидностью SLA-устройств являются так называемые гелевые аккумуляторы (некоторые из них продаются под торговой маркой gelcell), основанные на технологии Gelled Electrolite (GEL), которая была разработана в конце 50-х годов и предусматривает добавление в электролит двуокиси кремния (SiO2), в результате чего через несколько часов после заполнения электролит приобретает консистенцию желе. В толще желеобразного электролита образуются поры и раковины, имеющие значительные объем и площадь поверхности, где происходит рекомбинация молекул кислорода и водорода с выделением воды. В результате количество электролита остается неизменным, и в течение всего срока службы аккумулятора долив воды не требуется.

Кроме GEL-технологии, применяется технология Absorptive Glass Mat (AGM), разработанная в конце 70-х годов и предполагающая использование пористого заполнителя из стекловолокна, пропитанного жидким электролитом. Микропоры этого материала заполнены электролитом не полностью, и в этом свободном пространстве происходит рекомбинация газов, что позволяет производить необслуживаемые батареи, как и по GEL-технологии.

У свинцово-кислотных аккумуляторов, естественно, имеются и недостатки. Например, они не могут быстро заряжаться (зарядный ток, в зависимости от конструкции, не должен превышать 0,1-0,3 Сн, а типовое время зарядки — не менее 8-16 ч) и не переносят глубокого разряда. К тому же хранение SLA-аккумулятора в разряженном состоянии вызывает сульфатацию, которая делает последующую зарядку трудной или вообще невозможной, вследствие чего стандартные свинцово-кислотные аккумуляторы выдерживают относительно небольшое число циклов зарядки-разрядки. Так, в зависимости от глубины разрядки и температуры эксплуатации, типичный SLA-аккумулятор выдерживает лишь 300-500 циклов зарядки-разрядки. фактически каждый такой цикл отнимает у аккумулятора некоторую часть емкости. Конечно, это верно и для аккумуляторов других электрохимических систем, но в меньшей степени. Впрочем, у некоторых современных SLA-аккумуляторов, как уже отмечалось, количество циклов зарядки-разрядки доведено до 600-800, что сравнимо с NiMH-технологией.

К тому же при низких температурах у SLA-аккумуляторов значительно уменьшается способность отдавать большой ток в нагрузку. Зависимость нелинейная, но для каждого элемента наблюдается падение напряжения на 2-5 мВ на один градус.

Что касается утилизации вышедших из строя батарей, то из-за высокого содержания свинца SLA-аккумуляторы по нанесению экологического вреда уступают только NiCd-аккумуляторам.

Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd)

Основное преимущество никель-кадмиевых элементов по сравнению со свинцово-кислотными заключается в том, что они почти не выделяют газа и отличаются простотой в обслуживании. При этом у них очень низкое внутреннее сопротивление и они способны отдавать большой ток в относительно короткие промежутки времени — практически так же, как и свинцово-кислотные. NiCd-аккумуляторы переносят даже короткое замыкание. Кроме того, эти устройства могут выдерживать длительные нагрузки, причем их функциональные свойства мало изменяются при понижении температуры.

NiCd-устройства, несмотря на то, что они уступают по емкости (при тех же массе и габаритах) аккумуляторам других типов, остаются наиболее популярными для применения в целом ряду портативных устройств, особенно там, где требуется высокая отдача. Поэтому до сих пор около половины выпускаемых аккумуляторов для переносного оборудования — никель-кадмиевые. Появление новых технологий электрохимических аккумуляторов сначала привело к резкому сокращению использования NiCd-аккумуляторов, однако по мере выявления недостатков новых моделей интерес к NiCd-устройствам снова возрос. Так, в приборах, где применяются электродвигатели и потребляются довольно большие токи, NiCd-батареям трудно найти замену. Однако максимальная емкость потребительских NiCd-аккумуляторов не превышает 3000 мА·ч. Типовые разрядные токи, на которых используются подобные аккумуляторы, невысоки — 20-40 А. При токах до 70 А NiCd-батареи и ныне остаются вне конкуренции.

В числе преимуществ NiCd-аккумуляторов можно назвать следующие:

• работоспособность в широком интервале рабочих токов заряда, разряда и температур окружающей среды (допустимый ток разряда составляет 0,2-2 Сн, диапазон рабочих температур — от –40 до +50 °С);
• высокая нагрузочная способность даже при низких температурах (NiCd-аккумулятор при низких температурах даже можно перезаряжать);
• возможность быстрой и простой зарядки в любом режиме (NiCd-аккумуляторы нетребовательны к типу зарядного устройства);
• большое количество циклов зарядки-разрядки (при правильном обслуживании NiCd-аккумулятор выдерживает свыше 1000 циклов);
• возможность восстановления после понижения емкости или длительного хранения;
• пожаро- и взрывобезопасность, устойчивость к механическим нагрузкам;
• низкая цена, длительный срок службы и широкая доступность, большой ассортимент потребительских формфакторов.

Для зарядки NiCd-аккумуляторов быстрый режим более предпочтителен, чем медленный, а импульсный заряд — чем заряд постоянного тока. К тому же для восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов можно применять так называемый реверсивный заряд, когда импульсы разряда чередуются с импульсами заряда. Реверсивный заряд даже ускоряет процесс, поскольку помогает рекомбинации газов, выделяющихся во время заряда: дополнительные исследования показали, что реверсивный заряд добавляет около 15% к сроку службы NiCd-аккумулятора. Для увеличения отдачи этих аккумуляторов некоторые пользователи практикуют быструю зарядку с дозарядкой слабыми токами, что приводит к более полной зарядке батарей.

Однако, наряду с преимуществами, данные элементы имеют серьезные недостатки. До недавнего времени у NiCd-аккумуляторов наблюдался неприятный эффект, получивший название «эффект памяти». Его возникновение объясняется тем, что в процессе циклической эксплуатации источника меняется структура поверхности электродов, а в сепараторе аккумулятора образуются химические соединения, мешающие его дальнейшей разрядке малыми токами. Источник как бы запоминает свое состояние неполного разряда. Чтобы избежать возникновения данного эффекта, необходимо после того, как NiCd-батарея отработала, обязательно ее разрядить. Если этого не делать, то NiCd-аккумулятор постепенно теряет эффективность, то есть его емкость постепенно уменьшается — он очень быстро заряжается, но так же быстро и разряжается, имея при этом пониженное напряжение на выходе. Вдобавок возможно и небольшое увеличение внутреннего сопротивления.

Хранить NiCd-батареи необходимо в разряженном состоянии. Если ваше зарядное устройство не имеет встроенного разрядника, то для полного разряжения батареи можно воспользоваться лампочкой накаливания с номинальным напряжением и с допустимым током 3-20 А. Необходимо подключить такую лампу к аккумулятору и дождаться того момента, когда спираль начнет краснеть (кстати, глубокая разрядка вовсе не означает, что аккумулятор следует посадить «в ноль»). NiCd-батареи — это единственный тип аккумуляторов, которые лучше выполняют свои функции в случае, если периодически подвергаются полной разрядке. Электрохимические аккумуляторы всех остальных разновидностей нуждаются в неглубокой разрядке. Впрочем, если выполнять процедуру полного разряда слишком часто, то и NiCd-аккумуляторы неизбежно изнашиваются.

Мировым лидером в производстве NiCd-элементов, способных отдавать большие токи, является фирма Sanyo (по сравнению с моделями других производителей, аккумуляторы Sanyo имеют меньшее внутреннее сопротивление и большую отдачу, медленнее стареют и меньше греются). Аналогичные NiCd-аккумуляторы производят фирмы Panasonic и Varta. Производители непрерывно совершенствуют технологию никель-кадмиевых аккумуляторов, и в современных NiCd-батареях от известных фирм эффект памяти почти не возникает. Например, компания GP Batteries выпускает никель-кадмиевые аккумуляторы по новой, пенной технологии. В этом случае дозаряд перед разрядом не требуется, а ресурс батареи полностью используется по назначению. Благодаря этому не только исключается эффект памяти, но и продлевается реальный срок службы никель-кадмиевых устройств.

Очевидные недостатки NiCd-батарей — необходимость периодической полной разрядки для сохранения эксплуатационных свойств (устранения эффекта памяти), высокий саморазряд (до 10% в течение первых суток после зарядки) и большие габариты при той же емкости по сравнению с аккумуляторами других типов. Некоторые новые типы NiCd-элементов имеют высокую емкость, близкую к емкости NiMH-батарей. Однако аккумуляторы высокой емкости не могут обеспечивать такой же большой ток нагрузки, как стандартные NiCd-аккумуляторы, а следовательно, лишаются одного из своих главных преимуществ. Кроме того, в этом случае количество циклов зарядки-разрядки у них несколько меньше, хотя все равно больше, чем у NiMH-аккумуляторов.

Разрядные характеристики NiCd-аккумуляторов при различных токах
разрядки при температуре окружающей среды 20 °С

Разрядные характеристики NiCd-аккумуляторов при различной
температуре окружающей среды при токе разрядки 0,2 С_н

Следует особо отметить важность правильной утилизации отработавших NiCd-элементов. Дело в том, что кадмий, содержащийся в NiCd-аккумуляторах, по токсичности не уступает ртути. Поэтому во всех цивилизованных странах имеются пункты приема таких батарей, а стоимость переработки сразу включается в цену аккумуляторов. Более того, во многих странах запрещено использовать NiCd-элементы, которые не включены в общую программу утилизации, то есть на которых отсутствует специальная маркировка.

Никель-металлгидридные аккумуляторы (NiMH)

Никель-металлгидридная технология развивалась как альтернатива никель-кадмиевой — для преодоления вышеописанных недостатков. Неэкологичный кадмиевый анод был заменен на анод на основе сплава, абсорбирующего водород. Напряжение этих систем одинаковое, а изменение в химическом составе позволило реализовать новый внутренний баланс элемента при существенном увеличении плотности энергии. Новый катодный материал высокой плотности на основе сферического гидрата закиси никеля с войлочной основой позволил существенно улучшить характеристики NiMH-аккумуляторов. Кроме того, NiMH-технология предусматривает возможность достижения более высокой удельной емкости, чем по NiCd-технологии, что позволило никель-металлгидридным аккумуляторам стать серьезными конкурентами никель-кадмиевых и вытеснить их из целого ряда областей портативной техники, прежде всего из областей, где не требуется высокий ток отдачи, а важнее время непрерывной работы.

Отличительные особенности современных NiMH-аккумуляторов:

• высокая удельная энергия по массе и объему (емкость в 1,5-2 раза больше, чем у стандартных NiCd-аккумуляторов тех же габаритов);
• диапазон рабочих температур от –10  до +40 °С;
• меньшая склонность к эффекту памяти, чем у NiCd-батарей (то есть периодических циклов восстановления практически не требуется);
• устойчивость к длительному перезаряду малыми токами;
• механическая прочность и устойчивость к механическим нагрузкам;
• длительный срок службы и хранения (в разряженном состоянии);
• меньшая токсичность при утилизации.

К сожалению, NiMH-аккумуляторы имеют ряд недостатков и по некоторым параметрам уступают NiCd-батареям. Так, число циклов зарядки-разрядки NiMH-аккумуляторов существенно меньше, чем никель-кадмиевых, — гарантируется примерно 500 циклов, в то время как у NiCd-аккумуляторов оно может доходить до 1000. К тому же для NiMH-аккумуляторов, в отличие от NiCd-батарей, более предпочтителен поверхностный, а не глубокий разряд, а ведь долговечность аккумуляторов непосредственно связана именно с глубиной разряда.

При быстрой зарядке NiMH-аккумулятора выделяется значительно большее количество тепла, чем во время зарядки NiCd-батареи, поэтому никель-металлгидридные аккумуляторы предъявляют к зарядным устройствам повышенные требования — необходимы более сложные алгоритмы для обнаружения момента полного заряда и контроль температуры (впрочем, большинство современных NiMH-аккумуляторов оборудовано внутренним температурным датчиком для получения дополнительного критерия обнаружения полного заряда). По той же причине NiMH-аккумулятор не может заряжаться так же быстро, как никель-кадмиевый, — время заряда NiMH-батареи такой же емкости обычно вдвое больше.

Рекомендуемый ток разряда для NiMH-аккумуляторов, как мы уже отмечали, значительно меньше, чем для NiCd-батарей, и большинство производителей рекомендуют ток нагрузки от 0,2 до 0,5 Сн (то есть от 20 до 50% номинальной емкости). Этот недостаток не столь критичен, если необходим низкий ток нагрузки, а для устройств, которые требуют высокого тока нагрузки или имеют импульсную нагрузку (например, переносных радиостанций и мощных инструментов с электродвигателями), рекомендуются специальные типы NiMH-аккумуляторов, такие как вышеописанные изделия компании Panasonic, или NiCd-аккумуляторы.

Кроме того, как для NiCd-, так и для NiMH-аккумуляторов характерен высокий саморазряд. Однако если NiCd-батарея теряет около 10% своей емкости в течение первых суток, после чего саморазряд составляет примерно 10% в месяц, то саморазряд у NiMH-аккумуляторов примерно в 1,5-2 раза выше. Конечно, для некоторых типов NiMH-батарей применяются гидридные материалы, улучшающие связывание водорода для уменьшения саморазряда, но это обычно приводит к уменьшению емкости аккумулятора, то есть к потере главного преимущества по сравнению с NiCd-технологией.

Диапазон рабочих температур у NiMH-аккумуляторов также меньше, чем у NiCd-батарей. Так, если температура –20 °C является пределом, при котором NiMH- и Li-ion-аккумуляторы прекращают функционировать, то NiCd-батареи могут продолжать работать до температуры –40°C.

Разрядные характеристики NiMH-аккумуляторов при различных
токах разряда при температуре окружающей среды 20 °С

Разрядные характеристики NiMH-аккумуляторов при токе разряда
1С_н при различной температуре окружающей среды

Наконец, цена NiMH-аккумуляторов приблизительно на треть выше цены NiCd-батарей. Даже современные NiCd-аккумуляторы большой емкости, которые дороже стандартных, по соотношению «емкость/цена» все равно превосходят NiMH.

Литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion)

Технологии непрерывно развиваются, и на смену традиционно используемым никель-кадмиевым и никель-металлгидридным батареям пришли литий-ионные. При примерно одинаковом весе одного элемента они имеют большую емкость, чем рассмотренные выше аккумуляторы (превосходя NiCd-аккумуляторы в 4-5, а NiMH в 3-4 раза), и дают более высокое напряжение на одном элементе. Например, напряжение элемента наиболее распространенных потребительских форматов у литий-ионных аккумуляторов составляет 3,6 В, что в три раза больше, чем у NiCd- и NiMH-элементов. Следовательно, там, где прежде требовались батареи из двух или трех элементов, теперь можно использовать только один. Что касается количества рабочих циклов, то по этому параметру литиевые элементы находятся между NiCd- и NiMH-аккумуляторами. Вообще говоря, данных по реальному количеству рабочих циклов для литий-ионных аккумуляторов пока еще очень мало, так что к приводимым производителями характеристикам следует относиться критически. Однако технология изготовления Li-Ion-устройств быстро совершенствуется, а вместе с этим увеличивается и срок службы батарей.

В литиевых батареях в качестве анода используется металлический литий — один из химически активных металлов, самый легкий, с наибольшим электрохимическим потенциалом, обеспечивающий самую высокую плотность энергии. Благодаря этому теоретическая удельная емкость у аккумуляторных батарей на основе лития максимальна, а источники тока на основе лития обладают высоким разрядным напряжением. Однако химическая активность лития очень осложняет технологические процессы изготовления и предъявляет жесточайшие требования к герметичности источника тока, что в конечном счете сказывается на себестоимости аккумуляторных батарей.

Долгое время вообще не удавалось получить литий-ионные аккумуляторы для коммерческого использования, поскольку производители не могли обеспечить надлежащего уровня безопасности при обращении с ними. Если температура внутри аккумулятора достигнет температуры плавления лития, то в результате бурного химического взаимодействия лития с электролитом может произойти взрыв. Известно, что большое количество литиевых аккумуляторов, поставленных в Японию в начале 1990-х годов, было возвращено производителям после того, как после взрывов элементов питания в сотовых телефонах от ожогов пострадало несколько человек. А последний скандал по поводу взрывов литий-ионных аккумуляторов в мобильниках Nokia разгорелся совсем недавно, в 2003 году, когда ожоги получили более 20 человек. Nokia, конечно, утверждала, что батареи во всех взрывоопасных телефонах были несанкционированно заменены на произведенные сторонними фирмами, но независимые исследования показали, что и некоторые фирменные батареи Nokia тоже не защищены от короткого замыкания и взрыва.

Пытаясь создать безопасный источник тока на основе лития, производители заменили неустойчивый при повышении температуры в процессе зарядки-разрядки металлический литий на соединения лития с другими металлами в оксидах. Сначала для создания литий-ионных аккумуляторов в качестве активного материала применялся литий/кобальта оксид (Li/CoO2). Но этот материал довольно дорог, склонен к разложению, которое резко ускоряется и приобретает необратимый характер, если напряжение аккумулятора превышает номинальное или падает ниже (например, для аккумуляторов 3,6 В допустимые пределы — от 2,7 до 4,2 В). Поэтому использование аккумуляторов на его основе невозможно без специального контроллера, ограничивающего напряжение заряда и разряда на каждом аккумуляторе, входящем в состав батареи. Такой контроллер обеспечивает и безопасность, останавливая работу аккумулятора при превышении предельных величин тока и температуры. Кстати, именно для того, чтобы не допустить использования литий-ионных аккумуляторов в оборудовании, не приспособленном для их применения, производители отказались от выпуска аккумуляторов в габаритах, идентичных массовым бытовым типоразмерам.

Сегодня под названием «литиевые батареи» объединены источники с различной химической начинкой:

• литий/тионилхлоридные (Li/SOCl2);
• литий/серы оксид (Li/SO2);
• литий/никеля оксид (Li/NiO2);
• литий/марганца оксид (Li/MnO2).

Наиболее изученный и технологически отработанный тип литиевых батарей — элементы на основе литий/оксидов марганца (Li/MnO2 и Li/Mn2O4), поэтому они из всей группы самые доступные по цене. Их емкость ниже, чем у материалов на основе кобальта, но они дешевле и не требуют сложного контроллера для управления процессами зарядки-разрядки. Li/NiO2 имеет более высокую емкость, чем предыдущий оксид, но труднее в производстве и более опасен. Поэтому для повышения безопасности в аккумуляторах большой емкости начали использовать смешанные оксиды кобальта и никеля (20-30% никеля).

Батареи Li/SOCl2 характеризуются самым высоким выходным напряжением (3,6 В), наиболее широким диапазоном температур (от –55 до +85 °С), очень малыми токами саморазряда и небольшим типовым током разряда. Однако батареи с таким типом электролита не выносят высокой температуры. А поскольку при значительных токах разряда на внутреннем сопротивлении батареи может выделяться тепло, превышающее допустимый уровень, в конструкцию элемента вводят предохранитель-ограничитель тока (терморезистор), не допускающий токовых перегрузок. Впрочем, существуют специальные серии Li/SOCl2-элементов, способных выдавать повышенные токи разряда и нормально работать при высокой температуре. Достичь этого удалось благодаря специальной конструкции цилиндрического корпуса, препятствующей проникновению влажных паров снаружи, но не мешающей выходу газов.

Примерно такие же ограничения имеет и серия батарей на основе Li/SO2, которые тоже критичны к высоким температурам и не допускают сильноточного разряда, но имеют меньшее рабочее напряжение (3,0 В). Кстати, из всех литий-ионных аккумуляторов эта серия появилась на рынке раньше других.

Несмотря на то что новые электродные материалы обладают в несколько раз меньшей, по сравнению с чистым литием, удельной электрической энергией, аккумуляторы на их основе получаются более безопасными для человека при условии соблюдения некоторых мер предосторожности в процессе зарядки-разрядки. При этом удельные зарядно-разрядные характеристики литий-ионных аккумуляторов на основе оксидов превышают аналогичные показатели NiCd- и NiMH-аккумуляторов по крайней мере вдвое, они хорошо работают на больших токах (что необходимо, например, в сотовых телефонах и портативных компьютерах) и имеют низкий саморазряд (для современных батарей — всего 2-5% в месяц). Как и все аккумуляторы, литиевые подвержены старению, но в меньшей степени, чем многие конкуренты, — через 2 года батарея сохраняет более 80% емкости.

Однако Li-Ion-технологии по-прежнему требуют соблюдения техники безопасности, поэтому каждый пакет аккумуляторов должен быть оборудован электрической схемой управления, чтобы ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время зарядки, а также предотвратить понижение напряжения элемента при разрядке ниже допустимого уровня для долговечной работы батарей. Кроме того, следует ограничить максимальный ток зарядки и разрядки и контролировать температуру элемента. Эти меры приводят к удорожанию аккумуляторов на основе лития, что является главным препятствием для их более широкого распространения, не говоря уж о высокой стоимости как самого лития, так и технологии производства данных батарей (необходимы инертная среда, очистка неводных растворителей и т.д.).

Таким образом, главный недостаток литий-ионных аккумуляторов — их дороговизна. Однако рынок литиевых элементов и батарей малой емкости, цена которых по определению не может быть существенной, постоянно расширяется, появляются все новые и новые области их использования, так что литий-ионные аккумуляторы сегодня считаются самыми перспективными.

В 1991 году фирма Sony Energetic впервые начала коммерческое производство литий-ионных аккумуляторов и в настоящее время является одним из самых крупных поставщиков. Отметим, что по материалу отрицательного электрода литий-ионные аккумуляторы можно разделить на два основных типа: с отрицательным электродом на основе кокса (технология Sony) и на основе графита. Источники тока с отрицательным электродом на основе графита имеют более плавную разрядную кривую с резким падением напряжения в конце цикла разряда по сравнению с более пологой разрядной кривой аккумулятора с коксовым (сажевым) электродом. Поэтому в целях получения максимально возможной емкости конечное напряжение разряда аккумуляторов с коксовым (сажевым) отрицательным электродом обычно устанавливают ниже, чем на аккумуляторах с графитовым электродом. Так, аналогичные по формфактору литий-ионные аккумуляторы одной и той же компании с номинальным напряжением 3,6 В — это, как правило, аккумуляторы с сажевым электродом, а 3,7 В — с графитовым, то есть производители специально вводят различия по номинальному напряжению, чтобы уравнять характеристики. Сегодня все больше производителей предпочитают выпускать Li-Ion-аккумуляторы с графитовым отрицательным электродом, поскольку они способны обеспечить более высокий ток нагрузки и меньший нагрев во время зарядки-разрядки, чем коксовые аккумуляторы.

Из преимуществ современных Li-Ion-аккумуляторов по сравнению с другими технологиями можно отметить следующие:

• самый высокий уровень удельной емкости и плотности разрядного тока;
• минимальный саморазряд (для некоторых типов литий-ионных батарей при 20 °С — не более 3% в год);
• длительный срок службы (до 10 лет);
• большое количество циклов зарядки-разрядки (гарантируется свыше 1000 циклов);
• работоспособность в широком диапазоне температур;
• высокая сохранность запасенной энергии и постоянная готовность к работе.

Следует иметь в виду, что стандартные элементы обеспечивают более высокую емкость при средних токах и высокое напряжение разряда в широком диапазоне рабочих температур, а элементы повышенной емкости гарантируют более длительный срок службы при малых токах.

За последние годы общая картина производства литий-ионных источников претерпела существенные изменения. Производители непрерывно совершенствуют технологию, находят более современные материалы электродов и состав электролита. Параллельно прилагаются усилия для повышения безопасности эксплуатации аккумуляторов на основе лития на уровне как отдельных источников тока, так и управляющих электрических схем.

Что касается главного недостатка Li-Ion-аккумуляторов — высокой цены, то сегодня решается задача замены оксида кобальта батарей на менее дорогие материалы, что приведет к снижению их стоимости в течение ближайших лет примерно в два раза. Дополнительные резервы в плане удешевления Li-Ion-аккумуляторов при использовании новых материалов кроются в повышении безопасности этой технологии в источниках питания.

Однако Li-Ion-технология, помимо высокой цены, имеет и другие недостатки. Известно, что стандартные литий-ионные аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной температуре, а работа при повышенной температуре сокращает срок их службы, поскольку это приводит к ускоренному старению, сопровождаемому увеличением внутреннего сопротивления. Плохо реагируют Li-Ion-аккумуляторы и на отрицательные температуры.

Однако ученые из Американской национальной лаборатории (INEEL) в штате Айдахо объявили о разработке новой конструкции литиевой батареи, в которой значительно расширены функциональные возможности этого традиционного устройства и преодолены имеющие недостатки.

Основное изменение в конструкции заключается в использовании смеси гелеобразного полимера и керамического порошка, которые образуют прозрачную мембрану, выполняющую роль электролита при контакте с двумя электродами. Такая конструкция по сравнению с традиционными, где в качестве электролита используются жидкости и гели, обладает рядом преимуществ. Прежде всего в новой конструкции исключена возможность утечки электролита (поскольку электролит там твердый) и нет осаждения изолирующего слоя на поверхности электродов, что приводит к сокращению времени работы батареи, а в конце концов — к потере ее работоспособности. Отсутствие жидкого электролита, который к тому же потенциально пожароопасен и в некоторых случаях приводит к взрывам в процессе зарядки батарей, значительно повышает безопасность использования. Сами исследователи видят наибольшее преимущество твердого электролита в том, что батареи теперь можно будет применять в более широком диапазоне температур — электролит не расплавится при высоких температурах и не замерзнет при отрицательных, сохраняя свою работоспособность даже при –73 °С.

Из других недостатков технологий на основе лития можно отметить следующие: Li-Ion-аккумулятор не любит глубокого разряда, очень требователен к температурному диапазону (при переохлаждении устройства с литиевым аккумулятором повышается внутреннее сопротивление батарей, что может проявляться в самопроизвольном отключении устройства), боится перезаряда, взрывоопасен при нарушении герметичности и со временем понемногу теряет емкость (то есть стареет даже при отключенной нагрузке). Одним словом, до идеального источника энергии ему еще далеко, хотя все недостатки компенсируются высокой удельной энергоемкостью.

В последнее время в области технологий на основе лития наметился переход на литий-полимерные аккумуляторы (Lithium-Polimer battery). Собственно, принципиальных различий в указанных технологиях нет, однако при почти такой же плотности энергии, что у литий-ионных аккумуляторов, литий-полимерные батареи могут изготовляться в различных пластичных геометрических формах, что особенно актуально для миниатюрных устройств. Нетрадиционные для обычных аккумуляторов формы литий-полимерных батарей позволяют заполнять все свободное пространство внутри портативного устройства и не требуют специального отсека, как прежде. Таким образом, при применении литий-полимерной батареи той же удельной емкости, что у традиционной цилиндрической батареи, за счет выбора оптимальной формы и заполнения всех неиспользуемых объемов можно, не меняя формы самого портативного устройства, сохранять на 20-30% больше энергии.

Разрядные характеристики Li-Ion-аккумуляторов при различных
токах разряда при температуре окружающей среды 15-25 °С

Разрядные характеристики Li-Ion-аккумуляторов при токе разряда
0,2 С_н при различных температурах окружающей среды

Основное отличие литий-полимерных (Li-Pol, Li-Polymer) аккумуляторов от литий-ионных заложено в самом их названии и заключается в типе применяемого электролита. Сухой твердый полимерный электролит (или электролит в виде полимерного геля) похож на пластиковую пленку и не проводит электрический ток, но допускает обмен ионами. В результате становится возможным упрощение конструкции элемента, поскольку полимерному электролиту не грозит утечка, а значит, нет необходимости обеспечивать герметичность. Полимерный электролит фактически заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом. Такая конструкция элементов более безопасна, делает процесс их изготовления менее сложным и позволяет производить тонкие аккумуляторы произвольной формы, но пока, к сожалению, сухие полимерные электролиты обладают недостаточной электропроводностью даже при комнатной температуре. Внутреннее сопротивление их слишком высоко и не может обеспечить величину тока, необходимую современным портативным устройствам. Кроме того, вследствие недостаточной отработанности технологии изготовления Li-Pol-аккумуляторы еще слишком дороги и недолговечны — гарантированное число полных циклов зарядки-разрядки для них по крайне мере в 2 раза меньше, чем для Li-Ion. Правда, промежуточные решения — с жидким гелевым электролитом — уже весьма надежны и широко применяются.

Перспективные разработки

Итак, сегодня для мобильных устройств применяются никель-кадмиевые, никель-металлгидридные и литиевые аккумуляторы. А что же сегодня предлагают разработчики в качестве альтернативы традиционным батареям и аккумуляторам?

Несомненно, ни одна из рассмотренных выше электрохимических систем в той или иной мере в обозримом будущем не исчезнет — ведь каждая из них имеет какие-то неоспоримые преимущества, а процесс поиска оптимального источника для конкретного устройства порой довольно сложен. Кроме того, достижение максимальной эффективности — это всегда компромисс между характеристиками и ценой в различных областях применения — приборы-то тоже разные!

Сегодня аккумуляторы с анодом на основе соединений лития и полимерным электролитом наиболее перспективны, а повышение проводимости твердых электролитов при комнатной температуре и решение проблем безопасности позволит максимально эффективно эксплуатировать эту пока самую энергоемкую систему. А по мере повышения спроса на аккумуляторы и увеличения объема их выпуска цена обязательно будет падать, и тогда литий станет наконец-то таким же распространенным, как NiMH (если, конечно, за это время их не догонят топливные элементы).

Интенсивное развитие должны получить литий-полимерные системы, открывающие широкие перспективы разработчикам портативной аппаратуры по размещению источников питания.

Возможно также, что вскоре будут в полной мере реализованы технологии топливных элементов на основе метанола, водорода или какого-либо другого топлива, что позволит осуществлять зарядку аккумуляторов столь же легко, как дозаправку автомобилей. Кстати, весьма перспективными выглядят также разработки в области различных гибридных систем, где новые электрохимические технологии используются для подзарядки традиционных носителей энергии.

Что касается новых разработок, то их великое множество. Другое дело, что они, быстро появившись и наделав много шума, также внезапно исчезают. Например, пока так и не нашли широкого применения источники энергии на солнечных батареях. Их распространению давно и серьезно мешают три основных фактора: низкий коэффициент полезного действия (удается преобразовать лишь около 2-5% солнечной энергии), дороговизна (при их производстве используются химически особо чистые вещества и материалы), хрупкость и проблематичность использования при неравномерном освещении. Однако новинки последнего времени приятно удивляют своей повысившейся «живучестью».

Например, калифорнийская компания Sunpower Systems создала на базе обычной Li-Ion-батарейки для сотового телефона небольшой модуль солнечных батарей. В ясный день 15-минутного заряда хватит на минуту разговора, а пробыв 5 часов под солнцем, батарейка зарядится полностью. Стоимость аксессуара вполне доступная — около 50 долл.

Немецкие инженеры из компании Fraunhofer ISE, похоже, справились с основными минусами солнечных батарей — низким КПД и их высокой стоимостью. Утверждается, что наконец разработаны высокоэффективные солнечные батареи — их КПД превышает 20%. Такое устройство подключается, например, к мобильному телефону, и в ясную солнечную погоду мощности батарей хватает, чтобы полностью обеспечивать его автономную работу в режиме ожидания. И даже при искусственном освещении или при сильной облачности телефон в режиме ожидания все равно работает гораздо дольше, чем без зарядного устройства.

Другим недавним открытием рынка стала батарея Solartech — простое и удобное устройство: два блока солнечных элементов в виде книжечки и универсальный разъем типа автомобильного прикуривателя. Солнечные элементы преобразуют световую энергию в электрическую и подают ее на разъем. На выходе формируется напряжение около 12,5 В при силе тока 240 мАч. Пользоваться устройством просто: вы раскрываете батарею и кладете под солнечный или искусственный свет, подсоединив к ней телефон. К сожалению, для полноценной зарядки требуются прямые солнечные лучи, которые не только светят, но и достаточно сильно греют, а в пасмурную погоду процесс зарядки вообще может сильно затянуться.

Группа китайских ученых одного из шанхайских институтов сообщила о создании солнечных батарей нового поколения. Они запатентовали свое новое открытие и заявили, что их аккумуляторы гораздо более продвинутые, чем все другие подобные устройства. По их заявлениям, батареи могут использовать любую световую энергию и работают примерно в два раза дольше обычных литиевых аккумуляторов. В спецификациях заявляется, что при ярком солнечном свете аккумулятор телефона заряжается за 6 часов. К тому же срок эксплуатации такого источника питания в два раза превышает аналогичный показатель современных литиевых аккумуляторов.

Британские военные ученые из агентства DERA придумали обувь, с помощью которой энергия, вырабатываемая во время ходьбы, преобразуется в электрическую энергию. Автор идеи изобретатель Тревор Бейлис нашел способ преобразовывать подобную механическую энергию в электрическую. Роль преобразователя здесь играет пьезоэлектрическое устройство, встроенное в каблук ботинка. Силы давления и изгибания каблука под тяжестью человеческого тела вполне достаточно для того, чтобы подзарядить аккумулятор мобильного телефона.

Энергетические ботинки можно доукомплектовать подзаряжающей одеждой. Ученые из Института физической электроники при штутгартском университете (Германия) разработали синтетические волокна, которые под воздействием света генерируют электрический ток, достаточный для питания электронных устройств. На основе этого изобретения может быть создан ряд материалов, которые найдут применение в самых разных сферах. Например, рубашка, сшитая из такой ткани, вполне сможет обеспечить током какой-нибудь портативный прибор, а парус на яхте — всю бортовую электронику.

Новый комплект для зарядки сотовых телефонов под названием Instant Power Charger создали в компании Electric Fuel. Комплект состоит из двух компонентов: кабеля SmartCord и одноразового генератора энергии PowerCartridge, который представляет собой воздушно-цинковую батарею одноразового использования, упакованную в герметичный алюминиевый контейнер. Освобожденная из упаковки батарея в процессе окисления цинка вырабатывает на воздухе электричество и примерно за два часа заряжает аккумулятор сотового телефона. Зарядив телефон, нужно спрятать картридж в контейнер до следующей зарядки, а по его истощении — просто выбросить. Кабель SmartCord, в отличие от картриджа, многоразовый, и выбрасывать его не следует (если только вы не сменили телефон). Емкость PowerCartridge составляет 3300 мАч, размеры — 52x68x13 мм, вес — 76 г. Одного картриджа хватает на три зарядки, а стоит он около 15 долл.

Цинково-кислородные батареи, которые получают энергию в процессе реакции окисления цинка в воздушном пространстве, выпустила и израильская компания Electric Fuel Corp. Такие батареи позволяют продлить время разговора с 3-5 часов на Li-Ion-аккумуляторе до 10-17 (или с 70-90 до 300 часов в режиме ожидания). Основное достоинство таких батарей — их дешевизна, надежность, большой запас энергии, небольшие размеры и дружественность к окружающей среде (батарейки по крайней мере не взрываются). А недостаток только один — эти батареи одноразовые (в результате в них просто не остается цинка).

А компания Freeplay Energy Europe поступила совсем просто — она представила прототип мобильного телефона, который перед разговором нужно заводить, как механические часы! Энергия накапливается в специальном устройстве, которое в заводном телефоне заменяет батарейку. Ручного завода хватает примерно на шесть минут разговора. Однако, несмотря на то, что устройство выглядит курьезом, компания утверждает, что вполне серьезный интерес к ней проявил один из крупных производителей мобильных телефонов.

Таким образом, помимо аккумуляторной «классики» существует немалое количество пока еще экзотических, но потенциально перспективных технологических разработок вариантов энергообеспечения мобильных устройств. Ведущие компании-производители в погоне за новыми покупателями порой изобретают такие устройства, которые можно посчитать иллюстрацией к фантастическому роману, а не утилитарными вещами из современной жизни.

КомпьютерПресс 11'2006