2 года назад 27 января 2017 в 1:25 706

Мимо одна за другой проносятся станции метро, а в наушниках старенького смартфона бьются в неподражаемой истерике любимые «Рычаги». И боевое настроение портит только одно – медленно, но верно подползающий к нулю индикатор заряда батареи.

Четыре года – это вам не шутки. Даже лучшая из батарей за столь долгий срок эксплуатации сохранит максимум половину первоначальной емкости Вот и приходится из года в год наблюдать, как уменьшается время автономной работы гаджета. И когда встает вопрос о приобретении нового источника питания, невольно спрашиваешь себя: а можно ли было с самого начала эксплуатировать плеер / смартфон / телефон / ноутбук (нужное подчеркнуть) так, чтобы отсрочить замену батареи? Постепенно, пытаясь найти ответ на этот непростой вопрос, я созрел для написания статьи

Да простят меня потомственные электротехники, но мой подход к собиранию материала был чисто потребительским. В том смысле, что во главу угла я поставил не кривые зависимости емкости от температуры окружаюшей среды и не правила подбора оптимального тока зарядки, а вещи куда более приземленные и понятные. В конце концов, те, кому интересно, как именно движутся ионы в электролите, при желании досконально изучат вопрос за несколько лет, воспользовавшись услугами ближайшего технического вуза. А мы просто пытаемся сэкономить деньги и выгадать часок-другой на прослушивание любимой музыки (смайл).

Предметная область

Нельзя объять необъятное и впихнуть… Ну, вы поняли. Существуют сотни разновидностей устройств, умеющих запасать и по команде отдавать электрический ток. На наше счастье, в современной переносной электронике прижилось не так уж много типов перезаряжаемых батарей. По сути, если уж мы говорим о более или менее современных девайсах, реальный выбор ограничивается четырьмя вариантами никель-кадмиевыми (Ni-Cd), никель-металлгидридными (Ni-MH), литий-ионными (Li-Ion) и литий-полимерными (Li-Pol) аккумуляторами. В особую группу выделяют топливные элементы (fuel cells), действие которых основано на утилизации водорода или метанола. О них поговорим отдельно, так как. во-первых, они не являются аккумуляторами, хотя и выполняют те же функции, а во-вторых, широкой общественности пока недоступны.

Двигаться от типа к типу будем, руководствуясь возрастом соответствующей технологии. Вы удивитесь, но аккумуляторы самого старого типа, применяемые по сей день, – никель-кадмиевые – были созданы более ста лет назад, а точнее, в 1899 году.

Дедушка-долгожитель

Батареи класса Ni-Cd хоть и были изобретены давно, но обладают свойствами, которым позавидовал бы любой из современных элементов питания Так, не в пример новичкам, эти аккумуляторы выдерживают более тысячи (!) циклов перезарядки без существенной потери емкости. Правда, при соблюдении ряда правил. Главное – регулярно, желательно раз в две недели, производить полную разрядку батареи, дабы избежать возникновения так называемого эффекта памяти, связанного с ростом кристаллов на контактных пластинах.

Еще одним серьезным преимуществом аккумулятора Ni-Cd является нечувствительность к температурному режиму, причем как при хранении и эксплуатации, так и в процессе зарядки Заряженная батарея Ni-Cd может храниться при температуре от -20 до +45 СС. и она начнет отдавать ток как только потребуется. Правда, зарядку все равно придется производить при температуре хотя бы немного выше нуля.

При столь существенных преимуществах есть у таких аккумуляторов и недостатки, иначе не пришлось бы создавать капризные батареи на основе лития. Прежде всего, элементы класса Ni-Cd но любят, когда их заряжают постоянным током. Поэтому лучше использовать специальное устройство, способное производить «реверсную» зарядку – так, чтобы длительные заряжающие импульсы чередовались с короткими разряжающими. Тогда «эффект памяти» будет проявляться в наименьшей степени. На это стоит обратить особое внимание.

Впрочем, как бы вы ни холили и ни лелеяли батарею, когда-нибудь ее емкость упадет настолько, что использовать девайс дальше будет просто невозможно. Рано или поздно большая часть аккумуляторов Ni-Cd отправляется на свалку, что не очень хорошо, так как они содержат массу токсичных веществ. Но есть другой выход, и некоторые им пользуются Емкость элемента Ni-Cd в 60-70% случаев можно восстановить до значения, близкого к первоначальному, путем зарядки так называемыми восстанавливающими циклами (эта технология требует специального оборудования). Помогает это не всегда, но вероятность успеха довольно высока. Обычно возиться с восстановлением имеет смысл, если аккумулятор принадлежит к какому-нибудь особо редкому, более не поддерживаемому производителями типу, в противном случае проще купить новый, который к тому же будет работать надежнее, чем реанимированный

Заметим, что, несмотря на многочисленные достоинства, никель-кадмиевые батареи, еще двадцать лет назад стоявшие практически во всех портативных электронных устройствах, год за годом сдают позиции и уступают место новым источникам питания. Что поделаешь – слишком крупные габариты. Из-за невозможности дальнейшего наращивания удельной емкости аккумуляторов класса Ni-Cd химикам пришлось экспериментировать с другими материалами. Из всех рассматриваемых нами типов батарей именно никель-кадмиевые являются самыми громоздкими.

Наследник героя

Никель-металлгидридные батареи пришли на смену никепь-кадмиевым, по крайней мере в отдельных отраслях, в 1980-х. Произошло это из-за постоянного повышения требований к габаритам и емкости батарей. При том же объеме аккумуляторы Ni-MH способны хранить на 40% больше электроэнергии, однако их себестоимость оказалась примерно на столько же выше, а число гарантированных циклов перезарядки составило 500 вместо прежней тысячи, а то и полутора. Между тем никель-металлгидридный элемент заряжается примерно вдвое дольше, чем никель-кадмиевый, выделяет значительно больше тепла (широко распространены аккумуляторы Ni-MH со встроенным датчиком температуры, предназначенным для того, чтобы точно определять время окончания зарядки), и у него в большей степени выражен «эффект саморазрядки». заключающийся в быстрой потере части заряда сразу по окончании «кормления». Если элементы Ni-Cd теряют около 10% накопленной энергии в течение первых суток и далее по 10% ежемесячно, то батареи Ni-MH – вдвое больше. Вот вам и плата за относительно скромное, всего на 30-40%. уменьшение размеров.

В остальном аккумуляторы Ni-MH унаследовали все достоинства своего прародителя, такие как нечувствительность к температурному режиму и, в отдельных случаях, способность к восстановлению после долгой эксплуатации. Теоретики заявляют, что реанимации подлежит до 40% аккумуляторов данного типа. Впрочем, по мнению большинства практиков, в реальных условиях (при неправильной эксплуатации, отсутствии «тренировочных» разрядок) лишь отдельные батареи класса Ni-MH можно вернуть к жизни Зато в таких элементах нет ядовитого кадмия, поэтому они экологически гораздо более безопасны.

Отметим также, что у аккумуляторов на основе Ni-MH «эффект памяти» выражен слабее, и «тренировать» их достаточно раз в квартал, а то и в полгода.

Эпоха лития

Не стоит думать, что батареи с электродами на основе лития, самые распространенные на сегодняшний день, были изобретены несколько лет назад. На самом деле литий, известный своими отличными электрохимическими свойствами, привлекает создателей аккумуляторов еще с 1920-х. Правда, в те времена так и не удалось создать ничего интересного в коммерческом отношении. Лишь в 1980-е была изобретена первая перезаряжаемая литиевая батарея, эксплуатация которой оказалась сравнительно безопасной для пользователя. Да, это не описка, речь идет о безопасности для здоровья, а возможно, и для жизни.

Все недавние сообщения о неожиданных возгораниях и взрывах литиевых источников энергии в смартфонах, ноутбуках и прочих устройствах не должны вызывать удивления у того, кто знает, как эти аккумуляторы устроены и функционируют. В процессе работы внутри них растут проводящие ток древовидные кристаллы (дендриты). Если такой дендрит, образовавшись на отрицательном электроде, достигнет его положительной пары, произойдет короткое замыкание, которое приведет к резкому повышению температуры. В ряде случаев она может оказаться выше точки плавления лития. Бурная реакция металла с электролитом в герметически закрытой батарее практически неизбежно вызывает взрыв. Именно поэтому литий-ионные источники питания так долго преодолевали путь от лаборатории до полок магазинов. Сделать литий-ионный аккумулятор сравнительно, но, к сожалению, не полностью безопасным удалось благодаря использованию электродов на основе распределенных в графите ионов лития. Они несколько менее эффективны, чем чисто литиевые, зато более предсказуемы. Кроме того, в аккумуляторах такого типа установлен контроллер (так называемая схема защиты) – электрическая схема, питающаяся от самого источника энергии и предназначенная для того, чтобы не допустить перезаряда или переразряда. Контроллер не дает аккумулятору полностью разрядиться, иначе электроника перестала бы функционировать и не дала бы осуществить последующую зарядку. Такая блокировка нужна еще и в связи с необратимыми химическими изменениями в структуре полностью «обессиленной» батареи, что может сделать ее дальнейшее использование опасным.

Но к чему все эти ухищрения и зачем рисковать? Все ради непревзойденных (пока!) удельных характеристик литий- ионных аккумуляторов Хотите телефон тоньше одного сантиметра, который сутками напролет мог бы пребывать в режиме ожидания, периодически связываясь по радиоканалу с находящейся в паре километров базовой станцией? Значит, нужно идти на разумный риск. При равном объеме литий-ионные батареи способны запасти вдвое, а то и втрое больше электроэнергии чем самые совершенные никель-кадмиевые. А современная электроника ох как любит покушать! Как следствие, мы и получили компактные эффективные источники энергии, которые, будучи недостаточно качественно изготовленными, вполне могут обжечь владельца гаджета или даже загореться. Подобные несчастные случаи исчисляются сотнями.

Помимо того, что использование литий-ионных элементов сопряжено с риском, такие аккумуляторы имеют еще один существенный недостаток – повышенную чувствительность к низкой температуре (да и к высокой, какая, например, бывает в салоне автомобиля жарким летом). От эксплуатации на морозе, а равно и от пребывания в условиях сильной жары (свыше +45 °С) они теряют емкость, и впоследствии она не восстанавливается.

Кстати, о емкости. Она уменьшается. Уменьшается прямо сейчас! В сущности, любой литий-ионный аккумулятор начинает «деградировать» со дня своего рождения. Уже после года эксплуатации (даже просто хранения!) его емкость падает настолько заметно, что это сказывается на потребительских свойствах гаджета, в состав которого входит батарея. Время автономной работы устройства неуклонно уменьшается, и вот уже через пару-тройку лет приходится покупать новый источник энергии. И это, заметьте. при соблюдении всех правил эксплуатации. Так что не забудьте посмотреть на дату изготовления батареи при покупке ноутбука, планшета или смартфона! Неудобства очевидны, зато вы получаете огромную емкость, отсутствие «эффекта памяти» и возможность регулярных частичных подзарядок.

Удобная альтернатива

Литий-полимерные аккумуляторы появились не так давно. Они являются следствием развития литий-ионных батарей и обладают рядом интересных свойств. В частности, такие батареи могут встраиваться в корпуса любой формы, в том числе сверхтонкие. Электролит в подобных аккумуляторах имеет консистенцию геля, что делает практически невозможной его утечку. По потребительским свойствам Li-Pol и Li-Ion очень близки, хотя некоторые источники утверждают, что число циклов зарядки-разрядки у новичка несколько меньше. Зато он дешевле в производстве. В остальном каких-либо отличий от прародителя литий-полимерные источники питания не имеют.

Условия хранения

После рассказа о режимах эксплуатации было бы неверно уклониться от вопроса о сроке хранения перезаряжаемых батарей. К счастью, рассматривать по отдельности все четыре типа аккумуляторов не нужно, достаточно разделения на две группы – литиевые и никелевые.

Начнем с более старых. Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные источники энергии отлично переносят длительное хранение, если заранее позаботиться о создании подходящих условий. Надо лишь разрядить аккумулятор, насколько возможно, и убрать его в сухое место с комнатной температурой. Некоторые рекомендуют предварительно замкнуть между собой клеммы, а батарею поместить в холодильник. Можно спорить об эффективности подобной методики, но лучше все-таки обойтись без нее. В «высушенном» состоянии никелевые батареи могут спокойненько ждать своего часа по пять лет и более. По окончании периода консервации надо будет лишь два-три раза полностью зарядить и разрядить элемент питания для восстановления его первоначальной емкости.

С литиевыми источниками энергии все сложнее. Во-первых, их нельзя хранить разряженными. Это неизбежно приведет к значительному уменьшению емкости батарей и даже может сделать последующую зарядку невозможной (см. выше). Также не очень полезна длительная полная зарядка устройства. Производители литиевых аккумуляторов для сокращения потери емкости рекомендуют хранить их заряженными на 50-70%. Надо еще учесть, что батареи такого типа саморазряжаются на 2-5% ежемесячно. Отсюда вывод: более полугода бездействия – это очень плохо для элементов питания Li-Ion и Li-Pol. Стоит вспомнить о том, что батареи в любом случае перестанут выполнять возложенную на них задачу через три-четыре года после изготовления, так что целесообразность их длительной консервации сомнительна.

Для начала эксплуатации долго не применявшегося литиевого аккумулятора никаких особых мер принимать не нужно. Достаточно просто зарядить его в штатном режиме и начать использование. «Тренировка», вопреки распространенному заблуждению, не является необходимой, разве что у некоторых батарей – чаще ноутбучных, большой емкости – контроллер производит самокалибровку. Тогда для уточнения показаний индикатора оставшейся энергии можно прогнать один полный цикл. Но с «эффектом памяти» он никак не будет связан.

Суммируя пройденное

Итак, пришло время подвести итоги. Попробуем обобщить вышесказанное и сформулировать несколько простых и хорошо запоминающихся правил, которым было бы легко следовать.

Если вам нужна долговечность и вы хотите подолгу хранить аккумулятор вне предназначенного для него электронного устройства, то ваш выбор – батареи на основе никеля. Они не боятся температурных перепадов, могут за короткое время отдать весь накопленный заряд и выдерживают от пятисот (Ni-MH) до тысячи (Ni-Cd) циклов перезарядки. Боятся частичной подзарядки из-за «эффекта памяти», нуждаются в регулярной «тренировке». Хранятся полностью разряженными. Удельная емкость – средняя. Требуется «реверсивное» зарядное устройство. В ряде случаев возможно восстановление работоспособности потерявшей емкость батареи. Продаются «пустыми».

Источники питания на основе лития обладают очень высокой удельной емкостью и прекрасно подходят для устройств с малым, растянутым во времени расходом электроэнергии (для мобильных телефонов, к примеру). «Эффект памяти» полностью отсутствует, «тренировка» не требуется (за исключением калибровки контроллера, если он поддерживает эту функцию). Частичные подзарядки не только не вредны для аккумуляторов класса Li-Pol и Li-Ion, но и способствуют поддержанию их емкости Эти батареи выдерживают 300-500 циклов перезарядки. Емкость уменьшается непрерывно на протяжении всего срока эксплуатации и хранения. Рассчитаны на работу в течение двух-трех лет. Чувствительны к перепадам температуры, перезаряду, полной разрядке: все эти факторы приводят к значительной потере емкости батареи и даже способны вывести ее из строя. Заряжаются такие аккумуляторы постоянным током. Продаются заполненными приблизительно наполовину.

На практике в большинстве случаев выбрать тип аккумулятора, конечно же, нельзя. Вы покупаете электронное устройство, и вопрос о том, какого типа батарея будет в нем стоять, остается на совести производителя. Да и, по правде говоря, никель-кадмиевый аккумулятор вы встретите скорее в каком-нибудь «шуруповерте», чем в смартфоне. Зато, вооружившись знаниями, вы. возможно, сумеете реанимировать запылившийся на полке древний девайс. А заодно перестанете прилежно «тренировать» литий-ионный аккумулятор своего планшета. Ибо незачем.

 

Заряд будущего

Поскольку технологии производства аккумуляторов переживают некий застой, внимание прогрессивной общественности приковано к топливным элементам: именно им уготована роль новых, революционных источников питания, которые должны прийти на смену устаревшим электродам и электролиту. Пока на выставках демонстрируются прототипы конверторов, которые способны генерировать ток, перерабатывая водород или метанол, многие компании давно наладили серийный выпуск таких устройств для промышленного сектора. Миниатюрных, мощных и не имеющих даже такого параметра, как емкость: знай подливай реактив. До простых потребителей эти чудо-устройства до сих пор не дошли исключительно из-за того, что в бытовых условиях трудно добыть достаточно водорода, а метанол вообще ядовит. Вот когда появится сопутствующая инфраструктура, методы безопасного хранения, транспортировки и передачи частным лицам запасов расходуемых веществ, тогда мы войдем в топливный рай.

Что же мы получим? О-о, достаточно много! При том же объеме конвертор с каждой заправки будет выдавать нужный ток втрое дольше, чем лучший из аккумуляторов. Такое понятие, как время зарядки, вообще уйдет в прошлое, так как топливный элемент достаточно будет перезаправить, что потребует буквально нескольких секунд. И никакого «эффекта памяти», никаких «тренировок», ограниченного количества циклов и прочей головной боли. Правда, на повестке дня остается вопрос о безопасности работы с горючими и ядовитыми веществами, а также ресурс самого конвертора.

 

 

Никто не прокомментировал материал. Есть мысли?