Какой металл наиболее широко используется в аккумуляторах

Аккумуляторы для мобильных устройств — разновидности, сравнительные характеристики

Никель-кадмиевый, никель-металлгидридный или литий-ионный? А может быть лучше приобрести литий-полимерный аккумулятор? А какой дольше работает? А с каким меньше хлопот? Слышал, Моторола разработала какие-то новые топливные элементы, в которые что-то заливается. Случайно не бензин? Вопросы, вопросы, вопросы…

Попробуем разобраться по порядку.

Типы аккумуляторов

На сегодняшний день для питания мобильных устройств, портативных компьютеров и оборудования наиболее широко применяются аккумуляторы следующих электрохимических систем: герметичные свинцово-кислотные (SLA), никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-ion). Постепенно начинают завоевывать позиции в сфере сотовых телефонов и портативных компьютеров литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы. Ведутся разработки в области топливных элементов и некоторых других перспективных технологий изготовления аккумуляторов [4].

Технические характеристики основных типов аккумуляторов приведены в таблице 1 [3] с разрешения компании Landata [2].

Таблица 1. Разновидности аккумуляторов по электрохимической системе

При правильном и регулярном обслуживании число рабочих циклов заряд /может достигать 4000 вместо 1500 циклов, гарантируемых производителем. Без проведения тренировочных циклов число рабочих циклов может уменьшиться более чем в три раза.
1. Число рабочих циклов зависит от глубины разряда. Малая глубина разряда обеспечивает большее количество циклов. Саморазряд практически прекращается на вторые сутки после полного заряда аккумулятора. Саморазряд NiCd аккумуляторов составляет 10% в течение первых 24 часов, затем снижается до 10% в месяц. Саморазряд увеличивается при увеличении температуры. Встроенная в аккумулятор схема защиты потребляет около 3% в месяц. 1,25 вольта — значение напряжения одного элемента, 1,2 вольта — часто встречается в литературе и описаниях. Оба значения относятся к одному типу элемента .
2. 2,5-3,0 вольта в зависимости от материала положительного электрода.
3. Относится только к разряду; диапазон температур заряда более ограничен. Стоимость приведена на 1999 год.

Каждому типу аккумуляторов свойственны определенные достоинства и недостатки. Рассмотрим и те, и другие подробнее.

SLA аккумуляторы

Область применения — блоки бесперебойного питания (UPS), системы охранной сигнализации, устройства железнодорожной автоматики и связи, инвалидные коляски, резервное освещение. Ранее этими аккумуляторами комплектовались некоторые модели переносных сотовых телефонов и видеокамер. В целом можно сказать, что SLA аккумуляторы обычно используются в тех случаях, когда требуется большая мощность, минимальная стоимость, а габариты и вес не критичны. Диапазон значений емкости для портативных приборов лежит в пределах от 1 до 30 А·час. Поскольку в современных мобильных устройствах эти аккумуляторы на данный момент практически не применяются, то всех интересующихся вопросами по SLA аккумуляторам отправляю на [3].

NiCd аккумуляторы

Область применения: сотовые телефоны, обычные и транковые радиостанции, домашние радиотелефоны, переносные компьютеры, видеокамеры, ручные мощные электроинструменты, медицинские приборы, разнообразное производственное оборудование. Новые модели сотовых телефонов и портативных компьютеров этими аккумуляторами уже не комплектуются. Но в транковых и обычных радиостанциях по-прежнему широко распространены.

• Быстрый и простой метод заряда. NiCd аккумулятор допускает заряд током, численно равным его номинальной емкости и более. Таким образом, вполне реально зарядить аккумулятор за один час. А если вдруг потребуется еще большая скорость заряда, то можно использовать ток заряда вдвое и втрое превышающий значение номинальной емкости. Однако не стоит этим злоупотреблять. Кроме того, при быстром заряде требуется использование специальных зарядных устройств, определяющих момент полного заряда аккумулятора и прекращающих быстрый заряд.
• Для них предпочтителен импульсный метод заряда по сравнению с зарядом постоянным током. Улучшение эффективности достигается распределением импульсов разряда между импульсами заряда. Этот метод заряда, обычно называемый реверсивным, поддерживает высокую площадь активной поверхности электродов, увеличивая эффективность и срок эксплуатации аккумулятора. Реверсивный заряд также улучшает быстрый заряд, т. к. помогает рекомбинации газов, выделяющихся во время заряда. В результате — аккумулятор меньше нагревается и более эффективно заряжается по сравнению со стандартным методом заряда постоянным током.
• Способность отдавать в нагрузку большой ток
• Длительный срок службы при соблюдении условий эксплуатации и периодического обслуживания.
• Слабая чувствительность к неправильной эксплуатации, легкое восстановление при понижении емкости и после длительного хранения (от 60 до 70% аккумуляторов, признанных негодными, могут быть восстановлены для полноценной эксплуатации). Восстановление аккумулятора реализуется путем его разряда по специальному алгоритму до напряжения 0,4 вольта на элемент. Цикл восстановления применяется в случае, если тренировочные циклы не помогают.
• Низкая цена.

• Необходимость периодического обслуживания для устранения «эффекта памяти». Под «эффектом памяти» понимается укрупнение кристаллических образований рабочего вещества аккумулятора и, как следствие, уменьшение площади активной поверхности и реальной емкости аккумулятора. Под обслуживанием (тренировочными циклами) понимается периодический разряд аккумуляторов до напряжения 1 вольт на элемент, в результате которого происходит разукрупнение кристаллических образований и увеличение реальной емкости аккумулятора.
• Высокий саморазряд (до 10% в течение первых 24-х часов и до 20 % в первый месяц после заряда).
• Большие габариты и вес по сравнению с аккумуляторами других типов.
• Аккумулятор содержит кадмий и требует специальной утилизации, поэтому в некоторых странах по этой причине уже запрещен для эксплуатации.

NiMH аккумуляторы

В недалеком прошлом NiMH аккумуляторы пришли на смену NiCd. Однако их шумно разрекламированные преимущества не обеспечили 100% удовлетворение запросов пользователей, главным образом из-за сокращенного срока службы.

Характерные особенности NiMH аккумуляторов.

• Плотность электрической энергии примерно на 30-50% больше, чем у NiCd аккумуляторов и, соответственно, меньше габариты и вес.
• Для них предпочтителен скорее поверхностный, чем глубокий разряд и срок их службы непосредственно связан с глубиной разряда.
• NiMH аккумуляторы по сравнению с NiCd выделяют значительно большее количество тепла во время заряда и требуют реализации более сложного алгоритма для обнаружения момента полного заряда. Как правило, они содержат внутренний температурный датчик для получения дополнительного критерия обнаружения полного заряда.
• NiMH аккумулятор не может заряжаться так быстро, как NiCd. Время заряда — обычно вдвое больше, чем у NiCd. Рекомендуемый ток разряда от одной пятой до половины значения номинальной емкости.
• Меньшая склонность к «эффекту памяти» (можно даже сказать, что аккумулятор просто не успевает его приобрести).
• Экологически чистая технология изготовления.
• Малое число циклов заряда / разряда.
• Высокий саморазряд (до 30% в месяц).

Li-ion аккумуляторы

Область применения: сотовые телефоны и всякого рода переносные компьютеры. По данным экспертов корпорации Varta уже в ближайшее время Li-ion аккумуляторы начнут вытеснять с этого рынка не только NiCd, но и NiMH аккумуляторы. Конструктивно этот тип аккумуляторов содержит внутреннюю схему управления и защиты, призванную ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время заряда и предотвратить понижение напряжения элемента при разряде ниже допустимого уровня. Кроме того, для обеспечения безопасности при их эксплуатации должен быть ограничен максимальный ток заряда и разряда и должна контролироваться температура элемента.

• Высокая плотность электрической энергии, малые габариты и вес.
• Низкий саморазряд (примерно 3-5% в первый месяц, затем уменьшение до 1-3% в месяц, дополнительно около 3% в месяц потребляет схема управления).
• Отсутствие какого-либо обслуживания в течение всего срока эксплуатации.

• Высокая цена.
• Необходимость хранения в заряженном состоянии.
• Подверженность процессу старения, даже если аккумулятор не используется. Ухудшение емкости наблюдается примерно после одного года с момента изготовления. После двух лет, аккумулятор часто становится неисправным. Не рекомендуется хранить Li-ion аккумуляторы в течение длительного времени. Наслаждайтесь ими, пока они новые.
• Хочу заметить, что вследствие разного напряжения единичных элементов аккумуляторов на основе никеля и литий-ионных аккумуляторов (1,2 и 3,6 вольта соответственно), замена одних на другие не всегда возможна. Например, в сотовых телефонах с напряжением 4,8 вольта. Кроме того, эти аккумуляторы требуют разных типы зарядных устройств.

Li-Pol аккумуляторы

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol) — следующий этап в развитии литиевой технологии. Потенциально они менее дороги, чем Li-ion аккумуляторы. Но как любой новый продукт, не достигший массового применения, Li-pol аккумуляторы наиболее дороги на данный момент.

Область применения: сотовые телефоны и переносные компьютеры. Полные данные о параметрах аккумулятора пока не известны. Можно отметить только пока малое, в сравнении с другими типами аккумуляторов, число циклов заряда / разряда и небольшой ток нагрузки. Однако имеется преимущество в конструктивном исполнении. Технология их производства допускает изготовление в различных пластичных геометрических формах, нетрадиционных для обычных аккумуляторов, в том числе достаточно тонких по толщине, и способных заполнять любое свободное место в устройстве.

Итак, мы рассмотрели основные характеристики наиболее распространенных видов аккумуляторов в хронологическом порядке их появления на рынке. Именно в таком порядке они и сменяли и сменяют друг друга в мобильных устройствах и портативных компьютерах. Однако не следует списывать «старичков» со счета раньше времени. Во многих устройствах они продолжают исправно и надежно работать. Их технологию производства, конструкцию и сервисные элементы продолжают совершенствовать. Например, в видеокамерах. Впрочем, это предмет отдельного разговора, и достаточно подробно он освещен в информационно-техническом журнале «625». Тема номера журнала — аккумуляторы для профессиональных видеокамер и зарядные устройства к ним. Цикл статей, хотя и специфичен, но интересен и, безусловно, будет полезен всем, кого интересуют вопросы и проблемы эксплуатации аккумуляторов. В электронном виде со статьями можно познакомиться на [3].

Любопытные сведения по аккумуляторам приведены в [5], а химическим источникам тока и аккумуляторам посвящены две статьи в журнале Электронная промышленность [6].

При написании статьи использованы материалы, любезно предоставленные г-ном Isidor Buchmann, основателем и главой Канадской компании Cadex Electronics Inc. [1], а также компанией Landata, г. Москва [2].

Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной техники связи, компьютеров и других портативных приборов, советы по эксплуатации и обслуживанию приведены в [3].

Разнообразие видов аккумуляторов

Одной из важнейших составляющих электрического оборудования и техники любого типа является аккумуляторная батарея, или, проще говоря, аккумулятор. Существуют различные виды аккумуляторов, и в данной статье речь пойдет обо всех типах таких приспособлений.

Самый первый АКБ был создан более полутора столетий назад во Франции ученым Гастоном Планте. С каждой последующими попытками усовершенствования устройства становились все лучше, однако принцип их функционирования и строение остались неизменны. Сейчас же существуют самые разнообразные типы аккумуляторов: Li-Ion, Ni-MH, Ni-Cd и многие другие. Они имеют примерно одинаковый принцип работы, но у каждого — свои особенности. Стоит рассказать обо всех этих разновидностях по порядку.

Устройства с пониженным содержанием сурьмы

Пожалуй, стоит начать описание с одного из самых часто применяемых видов аккумуляторов. АКБ с содержанием менее 5% сурьмы избавили от необходимости частого добавления дистиллированной воды. Хотя это не делает аккумуляторы данного типа необслуживаемыми из-за имеющихся расходов жидкости.

Также они обладают крайне малой степенью саморазряда батареи и переносимости электрических характеристик автомобильной бортовой сети, в отличие от своих более новых аналогов.

Сурьмянистые аккумуляторы

Данный вид аккумуляторных батарей признан устаревшим. Ему на замену пришли более современные и усовершенствованные типы АКБ с пониженным содержанием сурьмы. Однако до сих пор аккумуляторы данного вида служат по своему назначению в стационарных токовых источниках с неприхотливыми батареями.

Кальциевые альтернативы

Кальциевые АКБ хороши тем, что они уменьшают интенсивность электролиза и снижают уровень электролита. Помимо этого, кальций, заменивший сурьму, увеличил напряжение, нужное для начала осуществления электролиза, что уменьшило критичность последствий перезаряда.

Но не стоит забывать, что, как и все существующие типы аккумуляторных батарей, кальциевые АКБ обладают своими слабыми сторонами. Главный минус — повышенная чувствительность к мощному разряду ведет к резкому падению емкости.

Щелочные АКБ

Щелочными батареями называют такие устройства, в которых электролитом выступает щелочь, а не кислота. Устройства такого вида встречаются в автомобилях далеко не часто, однако они могут выступать в качестве аккумуляторов, например, для шуруповертов.

Одним из таких приспособлений является Ni-Cd аккумулятор — по факту его признали устаревшим, тем не менее он еще может встать наравне со своими более новыми конкурентами за счет дешевизны. Однако так называемый «эффект памяти» и повышенный саморазряд делают применение Ni-Cd устройства весьма проблематичным.

Его никель-металл-гидридный конкурент, разумеется, выше по цене, но при этом по качеству он существенно лучше. По сравнению с Ni-Cd аналогами, «эффект памяти» у них выражается в меньшей степени, хотя он все же присутствует. Также увеличенная вместимость и пониженный саморазряд вполне объясняют высокую цену.

Литий-ионная альтернатива

Пожалуй, из всех существующих видов аккумуляторов для автомобилей и не только самым лучшим можно назвать Li-ion. Он стоит значительно дороже своих Ni-MH и Ni-Cd аналогов. Это можно объяснить тем, что аккумуляторы с ионами лития не имеют тех недостатков, которыми обладают рассмотренные ранее модели. Хотя приспособления такого вида, равно как и все существующие устройства, все же не лишены своих слабых сторон, причем действительно существенных.

Среди главных уязвимостей можно выделить:

• чрезмерную чувствительность к низким температурам, из-за чего уменьшается ток, отправляемый li-ion батареей;
• уменьшение вместимости с каждым годом;
• литий-ионные приспособления не выдерживают тотальной разрядки и зарядки до конца — в противном случае это оканчивается разрушением и даже взрывом прибора.Подробнее о том, как правильно заряжать Li-ion аккумуляторы →

Модели такого типа широко применимы в качестве зарядного устройства для мобильных устройств. В случае, если технологический прогресс дойдет до достаточного уровня, чтобы Li-Ion приспособления лишились своих уязвимостей, они сумеют встать на замену кислотным батареям.

Стоит также заметить, что в старых моделях литий-ионных аккумуляторов применялись разнообразные оксиды лития, в которых также содержался марганец либо кобальт. Однако в более новые модели эти элементы добавлять перестали, заменив их сплавами литий-ферро-фосфатов в связи с их дешевизной, уменьшенной токсичностью и более простой возможносттю переработки.

Литий-полимерные аккумуляторы

Литий-ионный полимерный аккумулятор, известный также как Li-Pol, LiPo, Li-polymer, представляет собой улучшенную версию стандартного литиевого аккумулятора и находит применение во многих видах техники. Электролитом здесь служит полимерный материал.

Такие типы литиевых аккумуляторов хороши тем, что обладают значительной энергетической плотностью на единицу объема и массы, пониженным саморазрядом, донельзя тонкими элементами (всего от 1 мм), возможностью гибкости, крайне несущественным перепадом напряжения в процессе разрядки, широким диапозоном температур, при которых устройство продолжит свою полноценную работу. И, ко всему прочему, LiPo не имеет эффекта памяти.

Хотя не стоит слепо полагать, что батареи такого плана на самом деле можно назвать полностью идеальными. Даже у Li-Pol есть свои изъяны. Один из самых существенных — опасность возгорания в случае перезарядки и избыточного потребления тепла. Недостатком представляется и сравнительно небольшое количество рабочих циклов — 800-900, а также старение аккумуляторов, даже если они лежат в стороне без надобности.

Наконец, даже сама зарядка весьма пагубно влияет на приспособление: если процесс зарядки уменьшает вместимость, то при глубоком заряде прибор можно смело отправлять в металлолом.

AGM и GEL-батареи

Гелевые батареи, как их часто называют, выступили как альтернативный вариант, безопасный в использовании. Проблему безопасности решили посредством перемещения электролита в связанное состояние, чтобы обеспечить уменьшение текучести.

Другими достоинствами GEL-батарей стали:

• пониженное осыпание активной массы пластин;
• пониженный саморазряд;
• переносимость к вибрации.

Их также можно наклонять практически под любым удобным углом, они могут храниться в течение достаточно продолжительного времени за счет медленного саморазряда, а переразряд не «смертелен» и не несет никакого ущерба технике в процессе.

А вот перезарядка устройства этого типа, наоборот, может крайне отрицательно повлиять на него. Поэтому AGM и GEL-батареи все же требуют очень аккуратного и бережного обращения.

К примеру:

• несмотря на то, что их можно класть чуть ли не как угодно, их нельзя держать перевернутыми;
• работа при пониженных температурах может резко снизить функциональность приборов;
• особых мер предосторожности требует особая чувствительность приспособлений к зарядке.

При надежном хранении устройства оно сможет прослужить до десяти лет.

Гибриды

Название говорит само за себя: гибридными считаются те батареи, в строение которых входят неодинаковые пластины, то есть выполненные из различных материалов. Стоит учесть, что положительно заряженные пластины включают в себя компоненты сурьмы (ее содержание в них не превышает 5%), в то время как отрицательно заряженные пластины имеют в составе кальциевые компоненты.

Новый, чуть ли не революционный метод изготовления аккумуляторных батарей смог привести к следующему:

• Во-первых, если сравнивать аккумуляторы с пониженным содержанием сурьмы, расход жидкости очевидно уменьшается.
• Во-вторых, батарея стала более устойчивой и выносливой к перепадам напряжения, даже в случаях интенсивной зарядки и тотальной разрядки.

Конечно, это вовсе не означает, что данные аккумуляторы можно считать полностью идеальными «без единого изъяна». Они не имеют никаких особых преимуществ над всеми вышеописанными устройствами. Но при этом по качеству характеристик их можно поставить прямо посередине этого ряда.

Никель-металл-гидрид

Никель-металл-гидриды, или Ni-MH, как их обозначают в сокращенном варианте, являются такими видами аккумуляторных батарей, где в качестве отрицательного иона выступает водородный металлогидридный электрод, калиевый гидроксид в качестве электролита, никелевый — в качестве положительного иона.

Существует немалое количество различных типов батарей Ni-MH. К примеру, есть батареи долгого хранения LSD NiMH, которым не страшен мороз и длительный срок хранения. Они функционируют и с повышенными токами разряда, не разрываясь и не приходя в негодность из-за чрезмерной нагрузки.

Поэтому, к примеру, никель-металл-гидриды размера АА могут быть применимы в различных видах мелкой техники. Так, АА с большим объемом емкости в 1500-3000 мА/ч можно поместить в музыкальный плеер, радиоуправляемые игрушки, фотоаппарат и многие другие приспособления, где будет произведена зарядка за относительно непродолжительное время.

Весьма хороши и АА-батареи с уменьшенным объемом вместимости — такие АА, где емкость составляет всего 300-1000 мА/ч. АА данного типа применимы в качестве обеспечения питанием неавтоматических фонариков, управляемых пультом ДУ игрушек, раций и электронных приспособлений со сбалансированным энергопотреблением.

Свинцово-кислотный аккумулятор

Свинцово-кислотная батарея стала первым изобретенным аккумулятором, увидевшим свет и нашедшим широкое применение в автомобилях и ряде других технических приборов.

Свое название приспособление получило за счет опущенных в воду и серную кислоту пластин из свинца, выполняющих роль электродов, хотя с течением времени водород в устройстве начинает теряться.

Популярность такие приспособления получили неслучайно, а благодаря очевидным достоинствам:

• отсутствие эффекта памяти;
• наличие необслуживаемых экземпляров;
• невысокая цена;
• несложная конструкция;
• надежная технология;
• пониженный авторазряд;
• потенциал увеличенной токоотдачи.

Хотя, несмотря на немалое количество достоинств, даже у этих моделей есть и свои слабые стороны:

• невозможность хранения разряженными;
• чрезмерная чувствительность к температурным изменениям, влияющая на продолжительность функциональности и жизни;
• ограниченность транспортов и дозволяемых целых циклов разряда;
• и, разумеется, самый очевидный изъян — пагубное влияние свинца на экологическую среду.

Никелево-железные аналоги

Дешевые и малообслуживаемые Ni-Fe, они же никелево-железные батареи, обладают никель оксидо-гидроксидами, используемые как положительные пластины. В роли отрицательных пластин выступают оксиды-гидроксиды феррума. Жидкий электролит представляется в виде разъедающего калия.

Стоит признать, что данный тип батарей весьма надежен благодаря выносливости к тотальным разрядам, частой перезарядке. В отличие от той же свинцово-кислотной альтернативы, такие аккумуляторы не выйдут из строя, будучи в недозаряженном состоянии.

Всё, что нужно знать про аккумуляторы и аккумуляторные батареи

Аккумулятор (от лат. accumulator — собиратель), устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования. Электрический аккумулятор преобразует электрическую энергию в химическую и по мере надобности обеспечивает обратное преобразование; используют как автономный источник электроэнергии. Аккумулятор, как электрический прибор, характеризуется следующими параметрами: электрохимической системой, напряжением, электрической емкостью, внутренним сопротивлением, током саморазряда и сроком службы. А его состояние оценивается по совокупности значений трех его основных характеристик: реальной емкости, внутреннего сопротивления и тока саморазряда. При недооценке или игнорировании какого-либо из этих параметров или преувеличении важности одного из них (как правило, емкости) можно оказаться в ситуации «у разбитого корыта».

Типы аккумуляторов. По электрохимической системе в настоящее время для питания портативных устройств и оборудования наиболее широко распространены свинцово-кислотные SLA аккумуляторы, никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-ion). Начинают появляться литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы.

Качество исполнения. А известно ли вам, что производители подразделяют элементы, которые устанавливаются внутри аккумулятора на три класса по качеству? Никто не пишет об этом и вы никогда не найдете упоминание классе используемых в аккумуляторе элементов на этикетке. Восполним этот пробел и поясним чем элементы класса А отличаются от элементов класса В и С. Впрочем, тут надо отметить, что у разных производителей границы различий элементов между классами могут отличаться в ту или иную сторону. Качественные и количественные характеристики приведены в таблице.

Кликните на изображении чтобы его увеличить

Напряжение аккумулятора определяется тем у?трой?твом, для питания которого он предназначен. Если требуемое значение напряжения не обеспечивается одним элементом, то аккумулятор собирается из нескольких элементов, соединенных последовательно. Так например, для питания сотовых телефонов используются аккумуляторы с номинальным значением напряжения 2.4 В ( 2 NiMH элемента по 1.2 В), 3.6 В (1 Li-ion элемент или 3 NiMH элемента по 1.2 В), 4.8 В ( 4 NiMH элемента по 1.2 В), 6.0 В ( 5 NiCd или NiMH элемента по 1.2 В), 7.2 В ( 2 Li-ion элемента или 6 NiCd или NiMH элементов по 1.2 В).

Ёмкость аккумулятора, номинальная — это количество электрической энергии, которой аккумулятор теоретически должен обладать в заряженном состоянии. Количество энергии определяется при разряде аккумулятора постоянным током в течение измеряемого промежутка времени до момента достижения заданного порогового напряжения. Измеряется в ампер-часах (Ачас) или миллиампер-часах (mAчас). Ее значение указывается на этикетке аккумулятора или зашифровано в обозначении его типа. Практически эта величина колеблется от 80 до 110% от номинального значения и зависит от большого числа факторов: от фирмы-изготовителя, условий и срока хранения, от технологии ввода в эксплуатацию, технологии обслуживания в процессе эксплуатации, используемых зарядных устройств, условий и срока эксплуатации и т.д. Теоретически аккумулятор номинальной емкостью 600 мА*час может отдавать ток 600mA в течение одного часа, 60 мА в течение 10 часов, или 6mA в течение 100 часов. Практически же, при высоких значениях тока разряда номинальная емкость никогда не достигается, а при низких токах превышается. Для примера на рисунке приведены типовые характеристики разряда Li-ion и Li-polymer элементов при различных токах разряда.

Номинальное значение емкости аккумулятора часто обозначается буквой “C”, поэтому здесь и далее часто встречаются ссылки, подобные следующим: С, 1/10 C или C/10. Когда говорят о разряде аккумулятора, равном 1/10 C, это означает разряд током, величина которого равна десятой части от величины номинальной емкости аккумулятора. Так например, для аккумулятора емкостью 600 мА*час это будет разряд током 600/10 = 60mA. Подобно вышесказанному о разряде аккумуляторов, при заряде значение 1/10 C означает заряд током, равным десятой части заявленной емкости аккумулятора.

Внутреннее сопротивление аккумулятора, измеряемое в миллиомах (мОм, mOm), — это хранитель аккумулятора и в значительной степени определяет длительность его работы. При более низком внутреннем сопротивлении, аккумулятор может отдать в нагрузку больший пиковый ток, а значит и большую пиковую мощность. Высокое значение сопротивления делает аккумулятор ‘мягким’ и приводит к резкому уменьшению напряжения при резком увеличении тока нагрузки. Такой коллапс напряжения характеризует ‘слабость’ внешне хорошего аккумулятора, потому что запасенная энергия не может быть полностью выдана в нагрузку (вспомните закон Ома, примеч. переводчика). С другой стороны, ‘крепкий’ аккумулятор с низким внутренним сопротивлением отдает почти всю свою энергию в нагрузку. Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от емкости элемента и числа элементов в аккумуляторе, соединенных последовательно. Измеряется внутреннее сопротивление аккумуляторов на специальных приборах — анализаторах аккумуляторов, например, типа Cadex C7000. Примерные значения внутреннего сопротивления для аккумуляторов различных электрохимических систем для сотовых телефонов при напряжении аккумулятора 3.6 В приведены в таблице:

Кликните на изображении чтобы его увеличить

Явление саморазряда характерно в большей или меньшей степени для всех типов аккумуляторов и заключается в потере ими своей емкости после того, как они были полностью заряжены. Для количественной оценки саморазряда удобно использовать величину потерянной ими за определенное время емкости, выраженную в процентах от значения, полученного сразу после заряда. За промежуток времени, как правило, принимается интервал времени, равный одним суткам и одному месяцу. Так, например, для исправных NiCd аккумуляторов считается допустимым саморазряд до 10% в течение первых 24 часов после окончании заряда, для NiMH — немного больше, а для Li-ion пренебрежимо мал и оценивается за месяц. Следует отметить, что саморазряд аккумуляторов максимален именно в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается. Так NiCd аккумуляторы за месяц могут потерять до 20% емкости, NiMH — до 30% и Li-ion до 8% от своей емкости. Величина саморазряда аккумулятора в значительной степени зависит от температуры окружающей среды. Так, при повышении окружающей температуры на 10 градусов по отношению с комнатной возможно увеличение саморазряда в два раза.

Эффект памяти — это обратимая потеря емкости, вызванная укрупнением кристаллических образований активного вещества аккумулятора и тем самым уменьшением площади его активной поверхности. Часто на эффект памяти списывают потерю емкости, вызванную неправильной эксплуатацией и (или) неправильным обслуживанием аккумуляторов. NiCd и в меньшей степени NiMH аккумуляторы подвержены воздействию эффекта памяти.

Cрок службы (срок эксплуатации) аккумулятора характеризуется количеством циклов заряда /разряда, которое он выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих параметров: емкости, саморазряда и внутреннего сопротивления. Срок службы зависит от методов заряда, глубины разряда, процедуры обслуживания или его отсутствия, температуры и химической природы аккумулятора. Информация о степени влияния различных факторов на срок службы приведена на сайте компании Motorola Energy Systems Group . Кроме того, срок службы аккумулятора определяется временем. прошедшим со дня изготовления, особенно для Li-ion аккумуляторов. Аккумулятор, как правило, считается вышедшим из строя после уменьшения его емкости до 60 — 80 % от номинального значения. Для примера ниже на графике приведена типовая зависимость количества циклов заряда / разряда для Li-ion аккумулятора при нормальных условиях. В силу различных причин отдельные элементы в аккумуляторе могут иметь различную емкость и напряжение, что может отрицательно сказаться на его эксплуатационных параметрах.

Условия эксплуатации аккумуляторов определяются условиями эксплуатации элементов, которые находятся внутри аккумулятора. Для различных типов элементов разных производителей эти условия различны. Отличия заключаются в способности работы элементов в области минусовых температур и в температурных условиях для быстрого заряда. Соблюдая несложные правила приведенные ниже, вы обеспечите бесперебойную работу вашего аккумулятора в течение всего гарантийного срока эксплуатации:

Для увеличения срока службы и сохранения емкости аккумулятора не оставляйте его в холодных или теплых местах, например, в автомобилях летом и зимой или около радиаторов отопления. Всегда старайтесь хранить аккумулятор при температуре от 15 до 25°С (предельное значение температуры, как правило, от -10 до 45°С). Телефон с холодным аккумулятором временно может не работать, даже если он полностью заряжен, а при повышенной температуре быстро саморазряжается.

Время заряда зависит от типа аккумулятора и типа зарядного устройства (обратитесь за более подробными сведениями к руководству по эксплуатации своего телефона). Время заряда также зависит от температуры окружающего воздуха, оптимальная температура от 15°С до 25°С градусов. Никогда не заряжайте теплый или холодный аккумулятор. Сделайте выдержку времени для достижения аккумулятором комнатной температуры.

Старайтесь приобретать фирменные зарядные устройства, рассчитанные на заряд фирменных аккумуляторов. Дело в том, что дешевые универсальные настольные и автомобильные зарядные устройства сторонних производителей могут не обеспечивать требуемого алгоритма заряда фирменных аккумуляторов. Заряжайте Li-Ion аккумуляторы только в специально предназначенных для них устройствах.

Для надежной работы контакты аккумулятора и соответствующие контакты в телефоне должны быть чистыми и не иметь следов окисления. При необходимости удалите следы окисления резиновым ластиком.
Не допускайте соприкосновения и замыкания электрических контактов аккумулятора с металлическими предметами. Это огнеопасно и приведет к его повреждению. Храните аккумулятор в защитной упаковке.

Зарядные устройства можно классифицировать по типу заряжаемых аккумуляторов, по методу заряда и по конструктивному исполнению. В соответствии с тремя основными методами заряда существует и три основных типа зарядных устройств:

• Стандартное (ночное) зарядное устройство – заряд постоянным током, равным 1/10 от величины номинальной емкости аккумулятора, в течение примерно 15 часов.
• Быстрый зарядное устройство — заряд постоянным током, равным 1/3 от величины номинальной емкости аккумулятора в течение примерно 5 часов. Такие зарядные устройства снабжаются устройством разряда аккумулятора.
• Ускоренный или дельта V (D V) заряд – заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора, при котором постоянно измеряется напряжение на аккумулятора и заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен. Время заряда примерно 1 час. Прекращение заряда основано на регистрации отрицательного перепада (спада) напряжения (Negative Delta V — NDV), появляющегося в герметичных NiCd и NiMH батареях при достижении ими состояния полного заряда. В NiMH этот спад меньше по величине, чем в NiCd, и потому используется в совокупности с другими методами для прекращения режима быстрого заряда NiMH батареи.

Анализаторы аккумуляторов. В отличие от зарядного устройства анализатор аккумуляторов — это прибор, специально разработанный для проведения технического обслуживания различных типов аккумуляторов и обеспечивающий:

Оптимальный разряд и заряд аккумуляторов в соответствии с рекомендациями их изготовителей.- Количественную оценку емкости и других параметров аккумуляторов.

Восстановление потерянной в результате эксплуатации номинальной емкости NiCd и NiMH аккумуляторов.
Одновременное независимое обслуживание аккумуляторов различных типов.

Конструкция аккумулятора для сотового телефона представляет собой пластмассовый корпус, в который помещены один или несколько элементов, соединенных последовательно, как правило со схемой управления. Непосредственно в элементах запасается электрическая энергия при заряде. От их качества зависит и качество аккумулятора. Мы используем в наших аккумуляторах элементы ведущих мировых производителей: Panasonic, Maxell, GS-Melcotec, Samsung, B&K. Схема управления обеспечивает управление процессом заряда и разряда, а в некоторых случаях дополнительно идентификацию аккумулятора. В NiMH аккумуляторах схема управления содержит минимум пассивных электро и радиоэлементов, в Li-ion и Li-polymer – она может содержать и микроконтроллер.

Покупка аккумулятора. При покупке нового телефона в комплекте, как правило, никаких проблем с аккумулятором на протяжении примерно года и даже более не возникает. Если Вы, конечно, не нарушаете общих правил эксплуатации аккумулятора, а также правил, характерных для данного типа аккумуляторов. Дело в том, что производители комплектуют свои телефоны оригинальными (фирменными) аккумуляторами, произведенными с полным соблюдением технологического процесса изготовления и контроля качества. Единственно, что требуется от потребителя, — это проконтролировать наличие в комплекте фирменного нового аккумулятора и правильно ввести его в эксплуатацию. Последовательность действий, совершаемых при этом, всегда приводится в инструкции по эксплуатации телефона, которая, безусловно, должна быть на русском языке. Но беда в том, что потребители инструкцию часто не читают.

Старайтесь покупать тот аккумулятор, который уже был в вашем телефоне. Или по крайней мере аналогичный.
Если вы приобретаете аккумулятор стороннего производителя (на них, как правило, вместо фирменного обозначения типа пишется что-нибудь вроде «For Motorola», «For Nokia» или вообще название какой-либо другой фирмы), то попытайтесь найти тех, кто их недавно покупал, покупал именно в этом месте, и узнайте их мнение.

В любом случае заручитесь возможностью вернуть аккумулятор обратно, если он вас не устроит, или продумайте, как вы будете отстаивать свои права в случае возврата аккумулятора с точки зрения закона о защите прав потребителя.

Сразу после покупки и проведения подготовки к эксплуатации несколько раз проконтролируйте время работы телефона с новым аккумулятором и сравните его с указанным в инструкции по эксплуатации для данного значения емкости. Хотя и приблизительно, но это позволит оценить его емкость. Сравните полученную продолжительность времени работы со временем работы на прежнем аккумуляторе (учтите разницу в емкости).

При покупке обратите внимание на то, что литий-ионный аккумулятор обязательно должен быть заряжен не менее чем на 60 — 80 %. Этот тип аккумуляторов не допускается хранить в разряженном состоянии. Никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные аккумуляторы могут быть в разряженном состоянии.

Следует отметить и наличие небольшой вероятности приобретения новых, не соответствующих норме фирменных аккумуляторов, не говоря уже об аккумуляторах сторонних производителей. Это своего рода брак, вызванный или поставкой недоброкачественных аккумуляторов (а такие случаи бывают) по более низкой цене и выдаваемых продавцом за нормальные, или неправильными условиями их хранения на складах продавца.

Оптимальный вариант — это покупка аккумулятора, прошедшего проверку на специальном приборе (например, анализаторе аккумуляторов типа Cadex 7000) и процедуру подготовки к эксплуатации.

Типы аккумуляторных батарей

Развитие технического прогресса сформировало необходимость применения аккумуляторных батарей (АКБ) в разных сферах жизни. Аккумуляторы устанавливаются в автомобили, бытовые и измерительные приборы, компьютеры и смартфоны, системы контроля, безопасности, дата-центры и т. д. Широкое использование вынудило производителей изготавливать большие и маленькие модули постоянных источников тока разной емкости и классифицировать типы аккумуляторных батарей с целью определения эксплуатационной пригодности.

Аккумуляторы — общие принципы работы

АКБ — неотъемлемый элемент большинства современной техники. Поскольку типы кислотных и прочих аккумуляторных батарей разные, их функции тоже различаются. Одни элементы эффективно подпитывают узлы при внезапном прекращении подачи электроэнергии, подают импульсы, а другие считаются основными поставщиками электротока.

Общие принципы работы мобильных, стационарных, основных, резервных источников постоянного тока схожи. За счет обратимости химической реакции (циклов заряда и разряда) они способны многократно накапливать и отдавать электроэнергию. Простейшая аккумуляторная батарея состоит из сосуда, заполненного электролитом, где с правой и левой стороны находится по металлической пластине. Они изготовлены из разных металлов и обозначены знаками плюс и минус.

Классификация аккумуляторов

Повсеместное использование АКБ потребовало от производителей изготавливать различные аккумуляторные батареи. Принятая классификация заметно упрощает применение устройств и избавляет от возможных ошибок. При монтаже в то или иное устройство учитывается напряжение, режим и ток заряда, температурный режим при разрядке, допустимый режим разрядки, срок службы, габариты, масса.

Основные типы АКБ:

1. Серебряно-кальциевые. Изготавливаются с добавлением серебра и считаются необслуживаемыми. Одно из преимуществ использования заключается в устойчивости к глубокому разряду.
2. Гибридные. Называются «кальций плюс» и считаются лучшими в плане расхода воды и саморазряда, чем аналогичные малосурьмянистые изделия.
3. Свинцовые. Отличаются необходимой ремонтопригодностью, но в потребительских целях не изготавливаются.
4. Кальциевые. По сравнению с малосурьмянистыми элементами отличаются сниженным саморазрядом до 30% и расходом воды до 80%.
5. Малосурьмянистые. Менее требовательны к работе электрооборудования, более восприимчивы к саморазряду и расходу воды.

Краткое описание АКБ отчасти дает представление о типах устройств. Некоторые из них целесообразно рассмотреть отдельно.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Аккумуляторные батареи указанного типа широко применяются в автомобильном, железнодорожном транспорте, авиации, но в целом сфера их использования достаточно разнообразна. В устройства высокой мощности они не устанавливаются.

В списке преимуществ АКБ:

• эксплуатационная приспособленность;
• возможность быстрого заряда;
• устойчивость к низким температурам.

• особенности эксплуатации;
• восстановление емкости после длительного хранения после 5 циклов;
• уровень саморазряда выше, чем у аналогичных изделий.

АКБ указанного типа выпускаются в форме таблеток, дисков, цилиндров, призм.

Никель-металлогидридные аккумуляторы

По конструкции считаются аналогами никель-кадмиевых АКБ, а по электрохимическим процессам — никель-водородных. Они устанавливаются в электрокары, гибридные автомобили. Преимущества никель-металлогидридных батарей:

• щадящие условия транспортировки;
• хорошая механическая надежность;
• предельная мощность;
• экологическая безопасность;
• значительный период между полными циклами заряда/разряда;
• минимальный эффект памяти.

• уровень саморазряда очень высок;
• малое количество циклов;
• низкая стойкость к предельно допустимым нагрузкам.

При производстве аккумуляторных батарей применяются разные типы клемм — европейский, азиатский, американский или российский стандарт.

Источники питания ранжируются по химическому составу. Например, аккумуляторная батарея тип 1 — никель-кадмиевая, а тип 2 — никель-металлгидридная. Следующими по списку идут литий-ионные, литий-полимерные, свинцово-кислотные АКБ.

Свинцовые аккумуляторы

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи применяются в резервных, аварийных источниках энергии, в транспортных средствах. АКБ состоят из моноблочного корпуса с изолирующим материалом, стойким к воздействию кислоты, электрода, покрытого специальной пастой из свинцово-оксидного порошка, конвертора-сепаратора и прочих деталей. В перечне эксплуатационных особенностей значится чувствительность к температуре внешней среды.

Типы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей:

• Для обеспечения постоянного тока. Применяются, когда необходимо создать непрерывный поток электроэнергии, например, в электропогрузчиках, тягачах.
• Для подачи тока. Используются в автомобилях с целью запуска мотора — подают на стартер напряжение.

В тяговые АКБ заливается гелеобразный, жидкий или абсорбированный электролит.

У свинцовых аккумуляторных батарей тоже есть характерные преимущества и недостатки. Из плюсов можно отметить:

• возможность обслуживания;
• низкий саморазряд;
• надежность;
• невысокую стоимость.

• нестабильная работа;
• выделение испарений;
• сложности при хранении;
• невысокие эксплуатационные возможности.

Литий-ионные аккумуляторы

Бытовая техника оснащается в основном литий-ионными АКБ. Они устанавливаются в планшеты, камеры, лэптопы, смартфоны, мультиметры и т. д. Авторская разработка этих батарей принадлежит Sony. На рубеже 90-х она представила аккумуляторные батареи Li-ion с анодным материалом на медной фольге и катодным — на алюминиевой тончайшей «бумаге», которые разделены пористыми сепараторами, пропитанными электролитом.

Преимущества литий-ионных ИБП:

• большое количество зарядов/разрядов;
• низкий саморазряд;
• высокая энергоемкость.

• срок эксплуатации 500-1000 циклов;
• фактор старения (даже если не используется);
• степень безопасности.

Эти батареи не нуждаются в обслуживании.

В сложившихся реалиях трудно представить жизнь без аккумуляторов. В отсутствие АКБ остановится больше половины производств, не будут работать системы безопасности, электронная техника и прочие бытовые устройства.