Аккумуляторы: очень маленькие, но такие полезные!

Что такое аккумулятор и его основные характеристики

Аккумулятор – это устройство для хранения энергии в химической форме, которая может преобразовываться в электрическую. Аккумулятор работает благодаря тому, что два различных металла, находясь в растворе электролита, вырабатывают электричество. Все аккумуляторы, независимо от электрохимической системы, характеризуются напряжением, электрической емкостью, внутренним сопротивлением, саморазрядом и сроком службы.

Емкость аккумулятора – количество электрической энергии, которой должен обладать полностью заряженный аккумулятор. Это самый важный параметр: ведь чем больше емкость, тем дольше будут работать приборы, не требуя подзарядки. Емкость измеряется в миллиампер-часах (мА/час). Номинальная емкость всегда указывается на этикетке аккумулятора или на самом аккумуляторе. Однако реальная емкость не всегда совпадает с номинальной. На практике реальная емкость аккумулятора колеблется от 80 до 110% от номинального значения. В процессе эксплуатации реальная емкость аккумулятора, как правило, уменьшается.

Внутреннее сопротивление – еще один из важных параметров аккумулятора. Измеряется в миллиомах (мОм) и зависит от емкости элемента, числа элементов, электрохимической системы, а также от возраста и условий эксплуатации аккумулятора. В процессе эксплуатации аккумулятора значение его внутреннего сопротивления увеличивается. Например, сопротивление, равное 500 мОм, говорит либо о почтенном возрасте аккумулятора, либо о его неправильной эксплуатации. Если аккумулятор обладает большим внутренним сопротивлением, то при резком увеличении потребляемого прибором тока напряжение на нем существенно падает (по закону Ома). Причем, если напряжение падает ниже определенного значения, прибор считает, что аккумулятор полностью разряжен, и отключается. Таким образом, аккумулятор с высоким внутренним сопротивлением не выдает в нагрузку всю запасенную им энергию, вследствие чего сокращается время работы приборов.

Время саморазряда аккумулятора – самопроизвольная потеря аккумулятором запасенной энергии с течением времени после того, как он был полностью заряжен. Ее имеют все типы аккумуляторов, независимо от электрохимической системы. Для количественной оценки времени саморазряда используется величина потерянной аккумулятором за определенное время энергии, выраженная в процентах от значения, полученного сразу после заряда. Саморазряд максимален в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается. Поэтому оценивается саморазряд за одни сутки и за один месяц после заряда. Не стоит забывать и о том, что величина  его зависит от температуры. Например, при увеличении температуры с 20°С до 30°С саморазряд увеличивается почти в 2 раза.

Срок службы аккумулятора характеризуется количеством циклов заряда/разряда, которое он выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих основных параметров: емкости, саморазряда и внутреннего сопротивления. Также срок службы определяется временем, прошедшим со дня изготовления. Как правило, аккумулятор считается вышедшим из строя после уменьшения его емкости до 60 – 80% от номинального значения, а его срок службы зависит от разных факторов: электрохимической системы, методов заряда и глубины разряда, условий эксплуатации и процедуры обслуживания.

Классификация аккумуляторов по электрохимической системе

По электрохимической системе аккумуляторы делятся на следующие основные типы:

• свинцово-кислотные SLA/Pb аккумуляторы;
• никель-кадмиевые (Ni-Cd);
• никель-металлогидридные (Ni-MH), литий-ионные (Li-Ion);
• литий-полимерные (Li-Pol).

Свинцово-кислотные аккумуляторы – наиболее распространенный на сегодняшний день тип. Применяются в основном в автомобильном транспорте и как аварийные источники электроэнергии. В современных беспроводных устройствах не используются.

Никель-кадмиевая перезаряжаемая батарея изобретена Вальдемаром Янгером  в 1899 году. Это был открытый аккумулятор, в котором внутренние газы, выделяющиеся во время заряда, выпускались в атмосферу. Никель и кадмий, используемые в аккумуляторе, стоили дорого, поэтому такие батареи не получили широкого распространения. Только после войны, в 1947 году, был изобретен герметичный Ni-Cd аккумулятор. Выделяемые газы уже не выводились наружу, а рекомбинировали внутри. Кроме того, внутрь пористого пластинчатого никелевого электрода были введены активные материалы, что позволило улучшить параметры Ni-Cd аккумуляторов и значительно снизить стоимость их производства. С 1947 года их конструкция существенно не изменилась.

Аккумуляторы могут работать практически при любых погодных условиях. В отличие от других электрохимических типов, Ni-Cd аккумуляторы способны заряжаться даже при отрицательных температурах, что делает их незаменимыми в условиях Крайнего Севера. При правильной эксплуатации они без проблем выдерживают более тысячи циклов заряда/разряда и легко восстанавливаются при понижении емкости или после длительного хранения. Даже при ежедневной зарядке такой аккумулятор прослужит более трех лет. Еще одним важным достоинством Ni-Cd аккумуляторов является короткое время заряда. Кроме того, они могут отдавать в нагрузку значительно больший ток, чем аккумуляторы других типов.

К сожалению, у этого типа аккумуляторов имеются недостатки, причем достаточно серьезные. Во-первых, относительно маленькая энергетическая плотность (отношение емкости к массе) и, соответственно, больший вес и габариты при одинаковой емкости. Во-вторых, они содержат кадмий, «недружественный» к окружающей среде, и поэтому требуют специальных условий для утилизации. В-третьих, имеют высокий саморазряд. За первые сутки после заряда они теряют до 10%, а за месяц – до 20% запасенной энергии. И, наконец, в-четвертых, Ni-Cd аккумуляторы подвержены эффекту памяти.

Эффект памяти – обратимая потеря емкости аккумулятора, связанная с неправильной эксплуатацией. Им обладают только аккумуляторы на основе никеля. Эффект развивается вследствие заряда не полностью разряженных аккумуляторов, проявляется следующим образом: аккумулятор «запоминает», что его начали заряжать, не дождавшись полного разряда, и разряжается только до этого «запомненного» уровня. Дело в том, что в таких аккумуляторах рабочее вещество находится в виде мелких кристаллов, обеспечивая максимальную площадь соприкосновения с электролитом. С каждым циклом заряда/разряда рабочее вещество постепенно изменяет свою структуру, уменьшая при этом площадь активной поверхности. В результате напряжение снижается, и емкость уменьшается. При неблагоприятных условиях эксплуатации кристаллы укрупняются до размеров, в 150 раз превосходящих первоначальные.

Поиск замены никель-кадмиевым аккумуляторам занял совсем немного времени. Ими стали никель-металлогидридные аккумуляторы. Работа над ними началась в 1970-е годы, однако металлогидридные соединения, достаточно устойчивые для применения в аккумуляторах, были открыты спустя 10 лет. И с тех пор характеристики Ni-MH аккумуляторов постоянно улучшаются. Они обладают на 30–40% большей энергетической плотностью и экологической безопасностью, так как не содержат кадмий. Кроме того, Ni-MH аккумуляторы подвержены эффекту памяти в меньшей степени, чем Ni-Cd. Сейчас они практически заменили никель-кадмиевые в бытовых приборах. Несмотря на очевидные плюсы, по ряду параметров Ni-MH аккумуляторы все еще проигрывают никель-кадмиевым. Во-первых, они выдерживают всего лишь до 500 циклов заряда/разряда. Во-вторых, у них более высокий саморазряд: до 10% за первые сутки и до 30% за месяц. В-третьих, заряжаются они, как правило, в два раза дольше. И в заключение, Ni-MH аккумуляторы стоят дороже.

Еще один популярный вид аккумуляторов прошлого  века – литий-ионные. Работа по созданию батарей на основе лития началась еще в 1912 году. Главной задачей было стремление создать химический источник тока с наиболее активным восстановителем – щелочным металлом, который позволил бы резко повысить как рабочее напряжение элемента, так и его удельную энергию. Попытки разработать аккумуляторы на основе лития предпринимались на протяжении длительного периода и с разной степенью успеха. Используемая сегодня модификация литий-ионного аккумулятора была выпушена корпорацией Sony в 1991 году.
 
В современном мире литий-ионные аккумуляторы распространены, пожалуй, наиболее широко, и технология их изготовления постоянно совершенствуется. Они применяются как в мобильных телефонах, так и в ноутбуках и планшетах и прочих устройствах. Потребителей они вполне устраивают своим удобством и простотой в использовании. Хотя Li-Ion аккумуляторы дороже Ni-MH, разница в цене с лихвой компенсируется их достоинствами. Такие аккумуляторы обладают на 20–30% большей емкостью, чем Ni-MH того же размера. Саморазряд за первые сутки составляет менее 1%, а за месяц – менее 10% (включая около 3% на питание встроенной схемы защиты). Кроме того, Li-Ion аккумуляторы не нуждаются в обслуживании, поскольку у них отсутствует эффект памяти, другими словами, их можно заряжать в любое время, не дожидаясь полного разряда.
 
Но свои недостатки есть и у них. Несмотря на то, что литий-ионные аккумуляторы выдерживают до 1000 циклов заряда/разряда, стареют, то есть теряют емкость, и они. Начинается этот процесс сразу после их производства, причем независимо от того, используется аккумулятор каждый день или лежит на полке. Ухудшение емкости наблюдается примерно после одного года, а после двух лет он и вовсе становится неисправным. Поэтому производители не рекомендуют хранить Li-ion аккумуляторы в течение длительного времени, а при покупке внимательно смотреть дату изготовления. Для заряда Li-Ion аккумуляторов специалисты рекомендуют только предназначенные для этих целей зарядные устройства. Несоблюдение этого правила может привести к неполному заряду аккумуляторов и даже к сокращению срока службы. Влияют на скорость старения также температура и степень заряда аккумулятора.

Для заряда Li-Ion аккумуляторов возможно использовать только предназначенные для этого зарядные устройства. Применение других зарядников может привести к неполному заряду аккумуляторов и даже к сокращению срока службы. Время заряда литий-ионных аккумуляторов обычно не превышает четырех часов, однако их можно оставлять в зарядном устройстве сколь угодно долго. Замыкает список «минусов» риск взрыва аккумулятора при перегреве или перезарядке и выход из строя, как только аккумулятор получает глубокий разряд.

В начале XXI века на рынке бытовой электроники появился новичок – литий-полимерный аккумулятор, представляющий собой усовершенствованную разновидность литий-ионного. Главное его отличие заключается в типе используемого электролита. Изначально в литий-полимерных аккумуляторах вместо традиционного пористого сепаратора, пропитанного электролитом, использовался сухой твердый полимерный электролит. Однако такие сухие Li-Pol аккумуляторы могут использоваться только при температуре выше + 60° С. При комнатной температуре они обладают недостаточной электропроводностью и не могут обеспечить величину тока, необходимую для питания современных мобильных телефонов. Для повышения электропроводности литий-полимерных аккумуляторов разработчики добавили в них гелеобразный электролит и таким образом решили проблему. По своим характеристикам Li-Pol аккумуляторы практически подобны литий-ионным. Используются в основном в случаях, когда необходимо использовать аккумулятор нестандартной формы, т.к. технология изготовления позволяет придавать Li-Pol аккумуляторам любую форму. Они могут быть очень тонкими (до 1 мм) или заполнять любое свободное место в корпусе устройства. Достоинства таких аккумуляторов очевидны: низкий саморазряд, малая толщина элементов, большая плотность энергии на единицу объема массы, небольшой перепад напряжения по мере того, как он разряжается, а также количество рабочих циклов, которое исчисляется от 500 до 1000.

К недостаткам таких аккумуляторов можно отнести ограничение диапазона рабочих температур. Увы, эти элементы на холоде работают плохо. В список «минусов» попадает то обстоятельство, что они могут быть пожароопасны при перегреве или при перезарядке. Чтобы нивелировать эти недостатки, производители встраивают в Li-Pol аккумуляторы такую электронную схему, которая контролирует заряд литий-ионного аккумулятора и снижает риск поломки устройства. В заключение добавим, что время заряда обычно не превышает четырех часов, при этом аккумулятор можно оставлять в зарядном устройстве сколь угодно долго.
 
Специалисты совершенно справедливо полагают, что будущее принадлежит литий-полимерным аккумуляторам. В настоящее время конструкторы продолжают работать над Li-Pol аккумуляторами с сухим твердым электролитом, способными работать при комнатной температуре. Предполагается, что скоро они могут появиться в продаже, и это станет еще одной вехой в развитии мобильных гаджетов. Ожидается также, что по своим характеристикам они будут превосходить Li-Ion аккумуляторы при равной или даже более низкой стоимости. Какое отношение все это имеет к разработке и производству слуховых аппаратов? Самое прямое. Технология производства технических средств реабилитации для глухих и слабослышащих людей постоянно совершенствуется. Одна из главных задач здесь, как и во многих других отраслях микроэлектроники, заключается в максимальном уменьшении размера устройства при сохранении всей его электронной начинки. Использование литий-полимерных аккумуляторов внушает оптимизм. Мы помним, что они способны иметь различную толщину и форму, а значит, их можно без труда разместить в самом сложном по конструкции корпусе. Насколько быстро Li-Pol смогут завоевать рынок сурдотехники – покажет время.