Магазин умных зарядных устройств

автор: La-Crosse.ru

см. также: Аккумуляторы Eneloop - сделано в Японии

Аккумулятор – это предназначенное для хранения электрической энергии устройство, причем энергия в этом устройстве хранится в химическом виде. Принцип действия аккумулятора заключается в том, что два металла находятся в растворе кислоты, и при этом они вырабатывают электричество. Аккумуляторы характеризуется по таким основным их характеристикам, как: емкость, внутреннее сопротивление, ток саморазряда, срок службы.

Емкостью аккумулятора называют количество запасенной электроэнергии, которой обладает аккумулятор. Это – одна из самых главных характеристик аккумулятора, ведь от емкости зависит время работы электроприборов, подключенных к аккумулятору. Этот параметр измеряется в миллиампер-часах (мА.ч). При этом на этикетке или же непосредственно на аккумуляторе указывается номинальная емкость. Дело в том, что номинальная емкость не всегда равняется реальной. Реальная емкость аккумулятора может отличаться от номинальной в диапазоне от 80 до 110%. Связано это с тем, что на протяжении всего срока эксплуатации аккумулятора, его реальная емкость постепенно меняется, как правило, в сторону уменьшения, и, кроме всего прочего, зависит от множества дополнительных факторов. Сильно влияют на реальную емкость условия эксплуатации и обслуживания, время эксплуатации и способ зарядки аккумулятора.

Внутреннее сопротивление – также достаточно важный параметр аккумулятора. Единицей измерения внутреннего сопротивления является миллиом (мОм). Сопротивление, в свою очередь, зависит от емкости одного элемента (банки) аккумулятора, числа этих элементов, типа аккумулятора, срока службы и условий работы. Определяется внутреннее сопротивление с помощью приборов-анализаторов. Во время работы аккумулятора внутреннее сопротивление постепенно увеличивается. Если аккумулятор имеет сопротивление в целых 500 Ом, то можно сделать вывод о том, что он имеет весьма солидный возраст, или же он просто неправильно использовался. Большое внутреннее сопротивление приводит к повышенному расходу электроэнергии, и, как следствие, к меньшему времени работы приборов, так как по закону Ома большое сопротивление значительно увеличивает потребляемый ток и одновременное падение напряжения. А при сильном падении напряжения подключенный электроприбор принимает аккумулятор за разряженный, или же просто за тот, который не в состоянии работать. В результате аккумулятор не может выдать всю запасенную энергию, что значительно сокращает время работы электроприборов.

Саморазрядом аккумулятора называется самопроизвольная утечка электроэнергии из заряженного аккумулятора в течение некоторого времени. Этому явлению подвержены практически все виды аккумуляторов, независимо от их устройства и электрохимического типа. Для количественного определения саморазряда служит величина энергии, которую теряет аккумулятор на протяжении определенного периода времени, и исчисляется он в процентах от величины полностью заряженного аккумулятора. Величина саморазряда – не постоянна, так, в первые сутки после зарядки она достигает максимальных значений, а затем постепенно уменьшается. В связи с этим, принято измерять величину саморазряда в первые сутки, а затем через месяц после заряда. На саморазряд также имеет влияние температура окружающей среды, причем взаимосвязь между величиной саморазряда и температурой пропорциональна. Имеется в виду, что при повышении температуры увеличивается и величина саморазряда. К примеру, у некоторых типов аккумуляторов, при повышении температуры от 20 до 30 градусов величина саморазряда увеличивается в два раза. Если говорить о более конкретных его значениях, то для аккумуляторов Ni-Cd типа нормальной считается величина 10% в сутки, а аккумуляторы Ni-MH типа имеют несколько большую величину саморазряда, для Li-Ion и для Li-Pol эта величина насколько мала, что ее оценивают только через месяц после заряда. Что же касается месячной величины саморазряда, то для этих же типов аккумуляторов соответственно имеем такие параметры:  Ni-Cd – 20%,  Ni-MH – 30%, Li-Ion – 10%. Эти показатели являются среднестатистическими, и могут несколько отличатся у каждого конкретного аккумулятора.

Для определения величины срока службы аккумулятора используют количество циклов между зарядом и разрядом аккумулятора, которое он способен выдержать во время эксплуатации, не меняя при этом в значительных пределах своих главных параметров, таких как емкость, величина саморазряда, внутреннее сопротивление. Также учитывается время, которое истекло с момента изготовления аккумулятора. В том случае, если емкость уменьшается до 60% номинального значения, аккумулятор считается вышедшим из строя. На срок службы влияют самые различные факторы: тип аккумулятора, способ заряда, условия эксплуатации и правильность обслуживания.

В зависимости от используемой электрохимической системы все аккумуляторы делятся на следующие типы: SLA/Pb – классические свинцово-кислотные, Ni-Cd – никель-кадмий, Ni-MH – никель-маталгидрид, Li-Ion – литий-ионные, Li-Pol – литий-полимерные, которые являются относительно новым словом в современной технике.

Никель-кадмиевый (Ni-Cd)

Впервые аккумуляторные батареи никель-кадмиевого типа были разработаны еще 100 лет назад Вальдемаром Янгером, случилось это в 1899 году. В этом аккумуляторе внутренние газы, которые выделяются в процессе электрохимической реакции,  выпускаются прямо в атмосферу. Батареи, имеющие данную особенность, называются открытыми. В те времена, главные элементы – никель и кадмий, стоили довольно дорого, по этой причине данные батареи не имели большого успеха. Однако в 1947 году, появилась новая разработка – герметичный никель-кадмиевый аккумулятор. Особенностью этой батареи было то, что газы не выбрасывались в атмосферу, а циркулировали внутри. Кроме того, параметры этого аккумулятора значительно улучшились за счет того, что никелевый электрод был выполнен в виде пористой пластины, в порах которой находились активные вещества. Такое устройство также значительно снизило стоимость аккумулятора. В настоящее время устройство никель-кадмиевых аккумуляторов практически не изменилось.

Их главным достоинством является, пожалуй, то, что работать они могут при любых погодных условиях. Зарядить никель-кадмиевую батарею можно даже на морозе, т.е. при минусовых температурах. Эти качества делают батареи данного типа практически незаменимыми в северных районах.  При соблюдении правил эксплуатации, они могут выдержать около тысячи циклов заряда. При снижении емкость, а также после длительного хранения, эти батареи легко восстанавливаются. Даже в том случае, если заряжать аккумулятор нужно каждый день, прослужит он более трех лет, что является довольно неплохим результатом. Есть также еще один плюс – малое время заряда, да и отдавать они могут намного больший ток, по сравнению с батареями других типов.

И, наконец, – ложка дегтя. Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют довольно малую энергетическую плотность (имеется в виду отношение емкости аккумулятора к его массе), что подразумевает большой вес и размеры при одинаковой емкости с батареями других типов. Кадмий, используемый в электрохимическом процессе, считается весьма «недружелюбным» материалом в отношении к окружающей среде. Потому никель-кадмиевые батареи после отработки ресурса требуют специальной утилизации. Следующий минус заключается в высокой величине саморазряда. Так в течение первых суток теряется около 10%, а в течение месяца до 20% максимальной энергии. И напоследок стоит упомянуть о том, что батареи данного типа подвержены так называемому эффекту памяти.

Эффектом памяти называют обратимую потерю емкости аккумулятора, которая связана с неблагоприятными условиями для  эксплуатации. Очень часто этот эффект проявляется при заряде не полностью разряженных аккумуляторов, и в этом случае только никелевые аккумуляторы ему подвержены. Это связано с тем, что рабочее вещество имеет вид мелких кристаллов, что обеспечивает большую площадь для соприкосновения с электролитом. Постепенно в процессе эксплуатации это вещество меняет свою структуру, что уменьшает площадь рабочей поверхности. Следствием является уменьшение напряжения и снижение емкости. Если имеют место неблагоприятные условия эксплуатации, то кристаллы становятся более крупными, иногда увеличиваясь почти  в 150 раз. Иногда доходит даже до того, что своими острыми гранями, кристаллы разрезают сепаратор, что является причиной высокого саморазряда или даже короткого замыкания.

Чтобы избежать последствий данного эффекта, необходимо выполнять тренировку аккумулятора. Тренировкой называют циклические (3-4 раз) заряды и разряды аккумулятора до напряжения около 1 вольта на каждый элемент. Выполняется тренировка с помощью настольных зарядных устройств, которые имеют функцию разряда. Выполняется данная процедура один раз в месяц. Более часто делать эту операцию не рекомендуется, пользы будет немного, а вот износ батареи значительно повысится. Однако при сильно запущенном состоянии аккумулятора тренировка становится неэффективной, и результата можно добиться только применением восстановления, которое основано на очень глубоком разряде, около 04 вольта на каждый элемент, который выполняется с использованием специального алгоритма.

Никель-металлогидридный (Ni-MH)

Аккумуляторы никель-металогидридного типа (Ni-MH) изначально предназначались для замены никель-кадмиевых батарей. Разработки начались еще в 70-е годы, однако первые результаты появились только в 80-х годах. И в конце 80-х характеристики никель-металлогидридных аккумуляторов начали постепенно улучшаться. В настоящее время аккумуляторы этого типа почти полностью заменили никель-кадмиевые, и являются одним из самых распространенных видов аккумуляторов. По сравнению с никель-кадмиевыми, они имеют почти на 40% большую энергетическую плотность, что позволяет значительно уменьшить размеры и вес батареи. Кроме того, эти аккумуляторы не содержат кадмий, и потому являются экологически безвредными. Значительно меньше проявляется эффект памяти, что позволяет проводить тренировку только раз в два месяца.

Однако некоторые параметры все еще оставляют желать лучшего. Так, ресурс их составляет всего 500 циклов разряда и заряда, к тому же, саморазряд порой доходит до 10% за сутки, и до 30% в месяц. Да и время заряда больше почти в два раза. Стоит ли говорить о таком недостатке, как большая цена. В 2006 году появились новые Никель-металлогидридные аккумуляторы Sanyo Eneloop созданные по новой технологии LSD, проблема саморазряда в этих аккумуляторах практически решена.Эти аккумуляторы выдерживают до 1500 циклов заряда разряда, могут работать в условиях больших нагрузок, и саморазряд у них 15% через год хранения, через 3 года хранения они разряжаются всего на 25%.

Литий-ионный (Li-Ion)

Разработка этих аккумуляторов началась в далеком 1912 году. Несмотря на это, на прилавках магазинов батарейки этого типа появились в только в 70-х годах. В 80-х была предпринята попытка создать перезаряжаемую батарею, однако в те времена это оказалось невозможным в связи с высокой опасностью при работе данных аккумуляторов. В 1991 году от взрывов мобильных телефонов с литиевыми батареями пострадало несколько человек. Именно потому, самые первые партии этих батарей, которые выпустили на рынок Японии, пришлось срочно отзывать из продажи. В связи с нестабильностью лития, разработчики направили свое внимание на неметаллические литиевые батареи, в которых использовались ионы лития. В течение очень коротких сроков, в течение того же 1991 года, на рынок были выпущены первые образцы литий-ионных аккумуляторов. Эти батареи имеют встроенную систему управления, которая позволяет ограничить напряжение и ток при работе батареи. Применение системы управления позволило обеспечить безопасность и долговечность аккумулятора, а также взять под контроль температуру батареи.

В настоящее время технология изготовления литий-ионных батарей постоянно совершенствуется, так как применение аккумуляторов этого типа наиболее перспективно. Даже, несмотря на довольно большую цену, преимуществ в использовании этих батарей столько, что они легко компенсируют затраченные средства.

Перечень достоинств следует начать с большой емкости данных батарей, которая превышает емкость никелевых аккумуляторов на 20-30%. Величина суточного саморазряда составляет не более 1%, а в месяц не превышает 10% (и это с расходом электроэнергии на питание встроенной системы управления). Большим достоинством является то, что Li-Ion батареи абсолютно не требуют обслуживания, так как в данном случае отсутствует эффект памяти. В результате есть возможность выполнять подзарядку батарей в любое удобное время, и совсем не обязательно ждать полной разрядки. Что касается долговечности, то здесь она тоже на высоком уровне и составляет около 1000 циклов разряда/заряда.

Но все же, есть и небольшой минус. Дело в том, что по истечении некоторого времени батареи начинают стареть (терять свою емкость). Причем этот процесс имеет необратимый характер и начинается сразу после изготовления батареи. Кроме того, не имеет значения, работает аккумулятор, или же он просто лежит на полке. Падение емкости начинает  заметно сказываться по истечении одного года. И мало какая батарея служит более двух лет. По этой причине становится невыгодным покупать литиевые батареи для использования в качестве запасных и для хранения.  Необходимо учитывать также тот факт, что на старение батареи сильно влияют степень заряженности и температура окружающей среды. Наиболее оптимальным режимом для хранения литиевых аккумуляторов является температура ниже +15 градусов, а заряжена она должна быть при этом примерно на 40%. При соблюдении этих условий в течение года теряется не более 5% от первоначальной емкости. Для заряжания литиевых батарей категорически запрещается использовать зарядные устройства, не предназначенные для этих аккумуляторов. В случае невыполнения этого требования происходит неполная зарядка и уменьшение срока службы. Заряжаются данные батареи, как правило, в течение 4 часов, а в случае превышения этого времени встроенная система управления просто отключает устройство, и батарея может пребывать в подключенном к сети состоянии сколь угодно долго. 

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-Pol)

Литий-полимерные аккумуляторы – новое слово в области бытовой электроники. Отличие от всех остальных батарей состоит в электролите. Существует три вида электролитов для литий-полимерных аккумуляторов: 1. полимерные сухие (полиэтиленоксид плюс соли лития), 2. гомогенные гель-полимерные (смесь солей лития пластификаторов и различных полимеров), 3. микропористая полимерная матрица и сорбированные в ней растворы лития. 

Чаще применяется сухой электролит из полимера, вместо ставших традиционными пропитанных электролитами пористых сепараторов. Внешне они напоминает тонкую пластиковую пленку. По характеристикам литий-полимерные аккумуляторы во многом подобны литий-ионным, однако работать могут только при температуре более +60 С. При более низких  температурах, например, комнатной, литий-полимерные аккумуляторы обладают сниженной электропроводностью. Для повышения электропроводности таких аккумуляторов добавляется электролит, имеющих гелеобразную консистенцию. Улучшенные литий-полимерные аккумуляторы могут работать только при положительных температурах. Стоимость этих устройств чрезмерно высока и оправдывается только в тех случаях, когда батарею необходимо изготовить в какой либо нестандартной форме, так как аккумулятор может заполнить любое пустующее в корпусе оборудования пространство. Например, в сверхтонких мобильных телефонах. Для них могут изготавливаться аккумуляторы толщиной в 1мм.

«Старение» данного вида аккумуляторов происходит также, как и литий-ионных. Даже если аккумулятор лежит без действия, за 2 года он теряет 20% емкости. Хранить такие устройства рекомендуется полузаряженными (на 40-50%) при температуре 0-10 С. При низких температурах происходит кристаллизация полимера и снижение его электропроводных свойств.

Преимущества литий-полимерных аккумуляторов заключаются в низком саморазряде, высокой плотности энергии на единицу массы и объема, небольших перепадах напряжения в процессе разряда, гибких формах и толщине элементов до 1мм, 300-500 рабочих циклов. Для предотвращения перегрева и перезарядки устройства оснащены специальной микросхемой, которая регулирует интенсивность разряда. Благодаря тому, что в устройствах отсутствует жидкий электролит, они более безопасны. Современные литий-полимерные аккумуляторы имеют улучшенные свойства, высокую интенсивность электроотдачи, увеличенный температурный диапазон для применения, поэтому с успехом используются в производстве различной электроники (сотовые телефоны, ноутбуки, фотоаппараты).