Элементы питания и аккумуляторы в истории

На сегодняшний день история промышленного производства химических источников тока насчитывает около ста лет. Итак, 1890 год, Нью-Йорк, иммигрант из России Конрад Губерт изобретает первый в мире карманный фонарик. Через шесть лет компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов питания "Columbia". Это так называемые солевые элементы питания, их химия очень проста - это электрохимический активный диоксид марганца, цинковый порошок и электролит на основе хлористого аммония (называемого в народе нашатырем). Технология их производства - самая простая и дешевая. Последние 15 лет происходило усовершенствование старой технологии производства солевых элементов питания. Первоначально, для того, чтобы исключить коррозию цинка в процессе хранения батарейки, использовались добавки в цинковый порошок в виде ртути, и содержание ртути было достаточно высоким. Последние лет 5 произошли ощутимые изменения, касающиеся требований к экологической чистоте продукта. Поэтому вместо ртути стали применять органические соединения, которые по своим свойствам заменили добавки из ртути. Смысл использования этих компонентов заключается в том, что цинк (если вспомнить школьный курс химии) подвергается процессу коррозии, и чтобы уменьшить его (а значит и саморазряд батареи), туда добавлялась ртуть, теперь замененная органическими соединениями. Благодаря усовершенствованной технологии увеличился срок годности, а это очень важный параметр элементов питания (на сегодняшний день достигнут трехлетний срок годности для солевых элементов питания).

Сейчас все элементы питания делятся на две группы: первичные и вторичные. Суть заключается в том, что первичные элементы работают один раз до полной разрядки, а вторичные (аккумуляторы), можно многократно перезаряжать. Давайте постараемся перечислить элементы каждой группы.

Солевые батарейки имеют напряжение 1,6 В, щелочные - 1,5 В, аккумуляторы - 1,2 В (здесь и далее под термином "напряжение", если не указано особо, имеется в виду ЭДС - электродвижущая сила). Самым важным параметром элементов питания является емкость. От ее величины напрямую зависит продолжительность работы элемента в устройстве. Солевые батарейки имеют наименьшую емкость среди элементов питания, она составляет 400-800 мАч, для щелочных эта величина составляет 1500-3000 мАч, а для аккумуляторов - 750-1500 мАч.

Возникает вопрос - неужели все элементы имеют такую емкость? Нет, цифры, приведенные выше, соответствуют так называемому "пальчиковому" типу АА или R6. В связи с этим попробуем теперь разобраться в батареечной номенклатуре. В Америке распространено следующее обозначение: D, C, AA, AAA, AAAA (по уменьшению размера, начиная с самого большого цилиндрического элемента D). По этим обозначениям невозможно узнать о химическом строении элемента. Оно удобно для быстрого подбора нужной батарейки по физическим размерам. Сейчас завоевывает признание международный стандарт обозначений: LR20, LR14, LR6, LR03, 6F22 (9-вольтовая "крона"). Он содержит много дополнительной информации. В начале стоит символ, характеризующий состав элемента, за ним стоит символ, характеризующий геометрическую форму элемента, а далее - его размер. Первая буква L - элемент щелочной, если этой буквы нет, значит элемент солевой, если две первых буквы RX - значит это аккумулятор. Буква R обозначает цилиндрическую форму элемента, а цифры, которые стоят в конце, означают порядковый номер в международной классификации батареек, сейчас этот параметр изменяется, и последние цифры будут содержать информацию о диаметре и высоте батарейки. Элемент 6F22 расшифровывается следующим образом: 6 - количество последовательно соединенных элементов напряжением по 1,5 В (в сумме дают 9 В), F - плоская батарея, 22 означает международный номер элемента, из которых собрана эта батарея.

 

В данный момент можно назвать несколько групп широко распространенных элементов питания: щелочные, солевые, воздушно-цинковые, ртутно-цинковые, серебряно-цинковые, литиевые.
Аккумуляторы - никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, литий-ионные. На сегодняшний день солевые элементы питания на российском рынке представляют такие компании, как Toshiba, Panasonic, Sunlight, Eveready
, GP Batteries, TDK, Maxell.

Хотелось бы рассказать о температурных режимах элементов питания различных типов. Солевые элементы можно использовать в широком диапазоне температур от -20 до 55 градусов Цельсия, но из-за химического строения этих элементов при низких температурах снижается эффективность электрохимических реакций и уменьшается отдача энергии. Повышение температуры вызывает химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в электролите, и высыханием электролита. Эти Факторы удается несколько компенсировать выдержкой батареи при повышенной температуре и введением внутрь элемента, через предварительно проделанное отверстие, солевого раствора.

Щелочные элементы имеют диапазон рабочих температур от -30 до 55 градусов Цельсия.

Рабочий диапазон температур никель-кадмиевых аккумуляторов - от -20 до 45 градусов Цельсия, зарядка должна происходить при температуре от 0 до 45 градусов Цельсия. Никель-металлгидридные менее "морозоустойчивы - рабочий диапазон от -10 до 45 градусов Цельсия, зарядка - от 0 до 40 градусов Цельсия. Литиевые (и батарейки и аккумуляторы) работают в широком температурном диапазоне, так как не содержат воды - от -30 до 70 градусов Цельсия.

Теперь перейдем к вопросам о назначении батареек. Часто можно слышать различного рода претензии - "поставил новую батарейку, а она сразу села...". Так вот, различные типы батареек предназначены для различных типов устройств, и если поставить, например, солевые батарейки, например, в мощную фотовспышку, ничего хорошего не выйдет - и вспыщка будет работать кое-как, и батарейки быстро сядут.

Солевые батарейки предназначены для работы в устройствах с низким и средним потреблением тока. Это могут быть часы, пульты дистанционного управления, сигнализации, детские игрушки, радиоприемники. Для того, чтобы продлить срок службы солевых батареек рекомендуется чередовать комплекты новых и уже поработавших батареек, не дождавшись полного разряда. Суть этой процедуры состоит в том, что во время перерыва в работе происходит постепенное выравнивание локальных неоднородностей в составе электролита, возникающих в процессе разряда. Например, при эксплуатации плеера не рекомендуется использовать один комплект более двух часов подряд.

Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается в применении щелочного электролита, в следствии чего газовыделение при разряде фактически отсутствуют, и эти элементы можно выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их применений. Особенно хочется отметить длительный срок хранения - до 5 лет, и высокую экологическую чистоту щелочных элементов. Напряжение щелочных элементов на 0,1 В меньше, чем у угольно-цинковых (при одинаковых условиях). Следовательно, эти элементы взаимозаменяемы.

Напряжение элементов с щелочным электролитом при разряде понижается значительно меньше, чем у солевых элементов, и резко понижается в конце работы элементов. Для того, чтобы узнать, сколько еще осталось работать щелочной батарейке, такие фирмы-производители химических элементов питания, как Duracell и Energizer начали производство щелочных элементов питания со встроенными тестерами, с помощью которых можно довольно приблизительно оценить остаточную емкость. Так как емкость щелочных элементов питания примерно в 3-5 раз больше чем у солевых, то становится более целесообразным использовать их в устройствах со средним и высоким потреблением энергии. Таких, как электробритвы, фотовспышки, портативные радиостанции, плееры и диктофоны, мощные фонари.

В последнее время ведется тяжелая борьба крупных производителей за главенствующее место на рынке элементов питания. Большинство из них внедряют новые технологии, позволяющие увеличить емкость путем введения в элемент активных химических добавок, которые уменьшают саморазряд элементов за счет уменьшения внутреннего сопротивления, и увеличивают продолжительность электрохимических реакций. Так, Duracell внедрила технологию Titanium. Эта новая технология с применением двуокиси титана заключается в том, что в состав электролита стали добавлять соли титана, и это способствует повышению мощности и эффективности.

В элементы питания внедряется новый высоко гранулированный, высокопроводящий графит, что значительно повышает мощность элементов. Улучшенный гелевый электролит ведет к более высокому химическому взаимодействию между цинком и электролитом. В результате - большая эффективность анодной реакции и общее улучшении отдачи элементов.

Литиевые элементы. В них применяются литиевые аноды, органический электролит и катоды из различных материалов. Литиевые элементы питания имеют низкий уровень саморазряда (не более 2% емкости в год) и обладают очень большими сроками хранения (до 10 лет), высокими плотностями энергии и работоспособны в широком интервале температур - от -30 до 65 градусов Цельсия, поскольку не содержат воды. Литиевые элементы характеризуются наибольшим напряжением при минимальных габаритах. К недостаткам литиевых элементов следует отнести их высокую стоимость, обусловленную высокой ценой лития, особыми требованиями к их производству (необходимость инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Особо следует отметить, что литиевые элементы при их вскрытии могут быть взрывоопасными. Литиевые элементы обычно выпускаются в "кнопочном" исполнении с напряжением 1,5 и 3 В, также большое распространение получили такие батарейки как CR123, 2CR5 и CR2, использующиеся в фотоаппаратуре. Как было уже сказано, литиевые элементы применяются в фотографическом оборудовании, в наручных часах, калькуляторах, для поддержания памяти компьютеров и в схемах резервного питания. В России литиевые батарейки представляют компании Toshiba, Panasonic, TDK, GP Batteries, Energizer, Duracell, Varta, Sanyo, Maxell, Sony.

Воздушно-цинковые дисковые элементы. В них одним из активных элементов электрохимической реакции выступает воздух. Поэтому конструкция элементов предполагает наличие отверстий для беспрепятственного поступления воздуха. Обладают большой емкостью, не содержат токсичных веществ и имеют длительный срок хранения. Саморазряд при комнатной температуре - менее 2% в год. Но при хранении батарейки должны иметь заглушку, предупреждающую доступ воздуха до момента начала эксплуатации. Элементы имеют напряжение 1,4 В, емкость от 70 до 600 мАч и могут эксплуатироваться в диапазоне температур от -18 до 50 градусов Цельсия. Единственный большой недостаток этой системы заключается в узкой области их применения. Главным образом - в слуховых аппаратах, реже в фототехнике.

 

Летом 1995 года в Америке было изобретено и запатентовано универсальное устройство для восстановления первоначальной емкости (т.е. заряда) батареек различного типа и размера. Устройство назвали ECO CHARGER. С его помощью можно восстанавливать как солевые так и щелочные батарейки, а также аккумуляторы самых популярных размеров: AAA, AA, C, D. Устройство имеет встроенный микропроцессор с жидкокристаллическим дисплеем, который анализирует остаточную емкость каждой батарейки и корректирует процесс восстановления для достижения максимального эффекта. Проверка заряда осуществляется в режиме динамической нагрузки, что дает более точные результаты и приближает измерение к условиям реальной эксплуатации. Активная следящая система на протяжении всей зарядки отслеживает состояние батарейки: она может звуковым сигналом предупредить, что элемент вышел из строя, или прервать зарядку, если уже достигнут нужный результат. При восстановлении никель-кадмиевых аккумуляторов ECO CHARGER защищает их от избыточного заряда, который приводит к значительной потери емкости. Еще ECO CHARGER позволяет избежать "эффекта памяти", когда не разряженные до конца никель-кадмиевые аккумуляторы после зарядки теряют свою емкость. Для восстановления слабых батареек размера АА требуется около 12 часов. Чем чаще вы будете заряжать батарейки, не дожидаясь полной разрядки, тем дольше они прослужат и тем меньше времени потребуется на их восстановление. Хорошую щелочную батарейку можно перезаряжать до 50 раз. Обращаем ваше внимание: речь здесь идет о том, что батарейки восстанавливаются ТОЛЬКО устройством ECO CHARGER, и не надо пытаться самому подручными средствами сделать это, иногда это может привести к трагическим для батареек и опасным для окружающих результатам.

Пожалуй пора начать рассказ о вторичных элементах питания. Аккумуляторы как и батарейки имеют большую номенклатуру изделий. Постараемся облегчить себе жизнь, и разделим все аккумуляторы на два типа: бытовые и промышленные. К бытовым будем относить те аккумуляторы, которые являются взаимозаменяемыми с первичными элементами питания. Большинство же промышленных аккумуляторов идет на сборки аккумуляторных батарей, которые используются в рациях, видеокамерах, сотовых телефонах, портативных компьютерах. Наиболее распространенными системами аккумуляторов является никель-кадмиевая серия, никель-металлгидридная и литий-ионная.

Самая давняя и самая отработанная технология - никель-кадмиевые аккумуляторы . Их массовое производство в начале шестидесятых годов наладила компания Sanyo. Аккумуляторы на этой основе имеют напряжение питания 1,2 В и способны выдерживать до 1000 циклов заряд-разряд. Давайте получше рассмотрим технологию перезарядки никель-кадмиевых аккумуляторов. У этих аккумуляторов до недавнего времени имелся такой минус: нужно было начинать зарядку только после полной разрядки элемента. Этот эффект называется "эффектом памяти". Объясняется он следующим образом: в момент, с которого начинается зарядка аккумулятора, в сепараторе аккумулятора образуется химическое соединение, которое мешает дальнейшей глубокой разрядке. Современные никель-кадмиевые аккумуляторы не имеют эффекта памяти. Этого добиваются путем изменения химического состава сепаратора. Отрицательным моментом по отношению к никель-кадмиевым аккумуляторам является их экологическая опасность, так как они содержат кадмий (соли кадмия очень ядовиты). Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют емкость до 1100 мАч (для элемента размера АА). Применяются в различных устройствах со средним и высоким потреблением тока, таких как: пейджеры, переносные компьютеры, видеокамеры, фотоаппаратура.

Никель-металлгидридные аккумуляторы. Появились они совсем недавно, и, в связи с этим, технология отработана не до конца. Емкость этих элементов выше, чем у соответствующих никель-кадмиевых, однако они дороже. Аккумуляторы этого типа безопасны для окружающей среды. По своему химическому составу в принципе не могут иметь "эффекта памяти". На какие особенности хочется обратить внимание? Это прежде всего процесс зарядки этих аккумуляторов. Для никель-металлгидридных аккумуляторов необходимо специальное зарядное устройство, которое могло бы следить за температурой аккумулятора и за напряжением при зарядке. Для чего это нужно? Оказывается, что никель-металлгидридные аккумуляторы очень боятся нескольких вещей. Это перегрев при зарядке, нахождение на холоде, и "переполюсовка", которая может возникнуть при разрядке батареи, если в ней в силу определенных обстоятельств один из элементов имеет меньшую емкость, чем другие элементы батареи. Никель-металлгидридные аккумуляторы хорошо подходят для использования в быту в видеокамерах, сотовых телефонах, калькуляторах.

Литий-ионные аккумуляторы. По общему мнению, литий-ионные аккумуляторы - самые перспективные. Они имеют большую по сравнению с другими аккумуляторами емкость, более 1000 циклов перезарядки, экологически абсолютно безопасны, не обладают эффектом памяти. Они работают в широком диапазоне температур и применяются в энергоемких устройствах, таких как цифровые видеокамеры, переносные компьютеры, сотовые телефоны. На сегодняшний день общепризнанным лидером по производству литий-ионных аккумуляторов является компания Sony.

Краткий словарик

Анод: положительный вывод батареи.

Катод: отрицательный вывод батареи.

Срок хранения: период времени, в течение которого элемент, хранящийся при нормальных условиях (20 градусов Цельсия), сохраняет 80% первоначальной емкости для солевых батареек и 90% для щелочных и литиевых.

Внутреннее сопротивление: сопротивление току через элемент, измеренное в Омах. Иногда называется импедансом.

Выход энергии: расход емкости, умноженный на среднее напряжение в течение времени разряда батарей, выраженный в Ватт-часах (Втч).

Емкость: количество электрической энергии, которое батарея выделяет при определенных условиях разряда, выраженное в ампер-часах (Ач).

Заряд: электрическая энергия, передаваемая элементу, с целью преобразования в запасаемую химическую энергию.

Напряжение отсечки: минимальное напряжение, при котором батарея способна отдавать полезную энергию при определенных условия разряда.

Номинальное напряжение: на полностью заряженной батарее при ее разряде с очень низкой скоростью.

Напряжение холостого хода: напряжение на внешних зажимах батареи при отсутствии отбора тока.

Плотность энергии: отношение энергии элемента к его массе или объему, выраженное в Ватт-часах на единицу массы или объема.

Сепаратор: материал, используемый для изоляции электродов друг от друга. Он иногда удерживает электролит в сухих элементах.

Электрод: проводящий материал, способный при реакции с электролитом производить носители тока.

Поляризация: падение напряжения, вызванное изменениями химических компонентов элементов (разница между напряжением холостого хода и напряжением в любой момент времени).

Электролит: материал, проводящий носители заряда в элементе.

Элемент: базовая единица, способная преобразовывать химическую энергию в электрическую. Он состоит из положительного и отрицательного электродов, погруженных в общий электролит.

Батарея: два или более элементов, соединенных последовательно или параллельно для обеспечения нужного напряжения и тока.

Цикл: одна последовательность заряда и разряда элемента.

Ток вспышки: начальный стабильный ток, который может кратковременно давать батарея.

Плавающий заряд: метод поддержания подзаряжаемой батареи в полностью заряженном состоянии путем подачи выбранного постоянного напряжения для компенсации в ней различных потерь.

Компенсационный подзаряд: метод, при котором для приведения батареи в полностью заряженное состояние и поддержания ее в этом состоянии используется постоянный ток.

Владимир Кийякин,
potrebitel.ru