Виды аккумуляторов

Аккумуляторы или ещё аккумуляторные батареи используются в различных устройствах требующие автономное питание. В частности за счет перезарядки и повторного использования и удобства эксплуатации. Из статьи вы узнаете об основных видах аккумуляторов, сфере применения, преимуществах и недостатках.

Что такое аккумулятор

Аккумулятор представляет собой батарею перезаряжаемого типа. Такие источники питания изготавливаются из положительного и отрицательного электрода – катод и анод, куда перемещаются ионы в процессе зарядки и разрядки, а так же электролита в качестве проводника. На возможности аккумулятора влияет химический состав и материалы. А срок службы определяется интенсивностью и временем использования. Сохранить аккумулятор и продлить срок службы помогает корректная эксплуатация: использование качественного зарядного устройства, соблюдение рабочих температур и т.д.

Никелевые

Переносчиком заряда выступает ион никеля. Наиболее популярные соединения в аккумуляторах – никель-кадмиевые Ni-Cd и никель-металлогидридные Ni-MH. Последний тип отличаются увеличенной на 20 % ёмкостью при одинаковых размерах. Ещё металлогидридные аккумуляторы менее токсичные.

Важная особенность Ni-Cd аккумуляторов – наличие «эффекта памяти», тогда как Ni-MH практически лишены данного явления. Аккумулятор «запоминает» остаточную емкость, что после подзарядки приводит к потере фактической емкости. Поэтому батареи такого типа важно полностью разряжать перед зарядкой или использовать зарядные устройства с кнопкой принудительной разрядки. Такая кнопка разряжает источник питания, а только потом заряжает. 

Применение

Оба типа аккумуляторных батарей в бытовых нуждах используются для питания пультов управления, а так же других устройств в качестве альтернативы не перезаряжаемым батарейкам. Из-за токсичного соединения с кадмием применение Ni-Cd аккумуляторов ограничено.

Основные преимущества Ni-Cd

• Надежность и долговечность.
• Работоспособность при температуре ниже -20°C.
• Устойчивость к вибрации.

Основные недостатки Ni-Cd

• Высокая токсичность из-за соединения с кадмием.
• Наличие «эффекта памяти».
• Высокий саморазряд – до 10% в сутки.
• После длительного хранения работоспособность восстанавливается через 5 полных циклов зарядки.
• Требуется зарядное устройство с кнопкой разрядки.

Основные преимущества Ni-MH

• Не токсичные.
• На 20% выше емкость при одинаковых размерах корпуса.
• «Эффект памяти» практически отсутствует.
• Работоспособность при низких температурах.

Основные недостатки Ni-MH

• Выше стоимость в сравнении с Ni-Cd.
• Нагрев при зарядке.
• Снижение емкости через 200-300 циклов зарядки.
• Глубокий разряд сокращает срок службы.

Свинцово-кислотные

В батареях такого типа химическая реакция возникает между свинцом и серной кислотой. При разрядке свинцовые пластины покрываются оксидом сульфита свинца, а при зарядке происходит удаление сульфита свинца с пластин. При этом пластины очищается не до конца, что с каждым циклом приводит к сокращению срока службы.

Применение

Из-за низкой удельной емкости 30-60 Втч/кг свинцово-кислотные аккумуляторы рассчитаны только на стационарное использование: питание автомобилей, в источниках бесперебойного питания, для сохранения энергии в солнечных и ветряных станциях и т.д.

Основные преимущества

• Доступная цена.
• Длительный срок службы.
• Разгерметизация корпуса не приводит к воспламеняемости.
• Возможность восстановления батареи для повторного использования, что обойдется в 30% производства нового аккумулятора.

Основные недостатки

• Низкая запасаемая емкость на килограмм.
• Некоторые типы аккумуляторов служат 1-2 год.
• Разгерметизация корпуса несет вред для человека и окружающей среды из-за содержания свинца и паров серной кислоты.

Литиевые

Носителем заряда выступает ион лития. Анод обычно графитовый, а катод – оксид лития с всевозможными металлическими соединениями, благодаря чему достигаются различные физические и эксплуатационные свойства аккумулятора. В качестве электролита используется жидкий раствор или мягкий полимерный материал. Поэтому литиевые аккумуляторы подразделяются на два типа: литий-ионные и литий-полимерные.

Батареи литиевого типа лишены эффекта памяти, поэтому не нуждаются в строгих требованиях режима зарядки. Допускается частичная подзарядка и эксплуатация в определенном диапазоне.

Важное условие эксплуатации батарей литиевого типа – наличие управляющей платы с контроллером питания. Защитная плата отключает отдачу энергии для предотвращения глубокого разряда, поскольку в таком состоянии аккумулятор деградирует и приходит в негодность. Ещё котроллер питания отключает подачу энергии при заполнении, так как перезарядка так же сокращает срок службы и может привести к взрыву источника питания.

Литий-ионные аккумуляторы Li-Ion

Наличие жидкого электролита обеспечивает свободное перемещение ионов лития между электродами. При этом сборка аккумулятора выполняется в жестком корпусе, для плотной фиксации электродов. Так же прочный корпус необходим из соображений безопасности. На воздухе происходит бурная химическая реакция с выделением тепла, вплоть до воспламенения или взрыва. Поэтому разгерметизация корпуса недопустима.

Литий-полимерные аккумуляторы Li-Po

Мягкий полимерный материал позволяет производить батареи разной формы и толщины, что позволяет расширить сферу применения. Так же при разгерметизации корпуса меньше вероятность воспламенения и взрыва батареи. А ещё для Li-Po батарей не выставляются строгие требования для прочности корпуса. Поэтому внешняя оболочка представляет собой тонкий слой фольги.

Применение

Аккумуляторы Li-Ion и Li-Po применяются в сотовых телефонах, смартфонах, планшетах, квадрокоптерах, беспроводных наушниках, умных часах и браслетах. Так же в электромобилях и других устройствах, где требуется высокая энергетическая плотность при компактных габаритах. Причем батареи Li-Ion типа обычно используются только в устройствах с поддержкой горячей замены. А Li-Po в устройствах неразборного типа.

Основные преимущества

• Наибольшая удельная емкость среди других источников питания – 250 Втч/кг.
• Поддержка быстрой зарядки.
• Нет эффекта памяти.
• Возможность получения аккумуляторов разной формы и размера Li-Po типа.

Основные недостатки

• Вероятность взрыва Li-Ion типа в случае разгерметизации корпуса.
• Сокращение срока службы при глубоком разряде, перезарядке и эксплуатации за пределами оптимальной температуры -10 +30°C.
• Не допускается длительное хранение полностью в разряженном и заряженном состоянии. Рекомендуемая емкость батареи 40-60 %.
• Для работы батареи необходима плата защиты.
• Батарея подвержена старению и ежегодно теряет емкость: 3-5% при идеальных условиях хранения.

Литиевые батареи безопасны?

Любой аккумулятор безопасен, если придерживаться правильных условий эксплуатации и хранения. В ином случае аккумулятор может загореться или взорваться. Так же литиевые аккумуляторы содержат тяжелые металлы в составе, приводящие к загрязнению при попадании в почву. Поэтому литиевые аккумуляторы запрещается выбрасывать с твердыми бытовыми отходами, а только утилизировать. Для всех литиевых аккумуляторов недопустимы следующие условия эксплуатации:

• Разгерметизация корпуса батареи.
• Перегрев.
• Глубокий разряд и перезаряд.
• Изменение полярности.  
• Переохлаждение.

Разгерметизация корпуса батареи

Литий – активный элемент и при контакте с воздухом мгновенно воспламеняется. Поэтому все литиевые аккумуляторы герметично упакованы. Любое даже незначительное повреждение корпуса может привести к мгновенному возгоранию или батарея взорвется. Не допускается прокалывать батарею, разбирать, разламывать или давать детям. А в корпусе телефона или другого устройства литиевая батарея должна быть надежно зафиксирована. Поскольку вибрация или неплотный контакт могут привести к разгерметизации корпуса батареи.  

Перегрев

Температура эксплуатации литиевых аккумуляторов до +40 градусов по Цельсию. Критическая температура +60 градусов по Цельсию или 140 градумов по Фарингейту. Превышение допустимой температуры эксплуатации приводит к взрыву литиевых аккумуляторов. Поэтому запрещается использовать литиевые батареи рядом с нагревающимися узлами и компонентами, хранить батареи возле нагревающихся устройств, а так же запрещено бросать литиевые аккумуляторы в огонь или воду.

Использование литиевых батарей при высокой температуре сокращает срок службы. Поскольку высокая температура вызывает деградацию и старение химического состава аккумулятора. В процессе деградации в аккумуляторе могут скапливаться газы и деформировать корпус батареи. Зарядка деформированной батареи может привезти к возгоранию аккумулятора. Так же деформированный аккумулятор может мгновенно загореться при повреждении корпуса. Поэтому эксплуатировать деформированные аккумуляторы запрещено.

Глубокий разряд и перезаряд

Полная разрядка литиевого аккумулятора ускоряет процесс деградации. А длительное хранение аккумулятора в разряженном состоянии приводит к потере емкости и поломке. Рекомендуется всегда оставлять не меньше 20% заряда для продления срока службы аккумулятора. Так же запрещается заряжать аккумулятор свыше положенной емкости. Иначе такой аккумулятор может взорваться из-за перезаряда.

В целях безопасности литиевые аккумуляторы для работы в телефоне снабжаются модулем защиты. Модуль защиты содержит микросхему для ограничения питания при достижении минимального и максимального напряжения батареи. Иногда модуль защиты может содержать дополнительную микросхему для защиты при смене полярности и датчик температуры. Литиевые аккумуляторы для использования в дронах, PowerBank и т.д. часто не содержат модуль защиты. Поскольку в таких устройствах уже имеется модуль защиты. В остальных случаях использовать литиевые аккумуляторы без модуля защиты запрещается.

Изменение полярности

Смена полярности при неправильном подключении питания может привести к замыканию внутри аккумулятора. В таком случае аккумулятор может перестать работать или взорвется. Поэтому важно всегда соблюдать полярность при подключении питания. Так же можно использовать дополнительные микросхемы защиты, предотвращающие поломку аккумулятора при изменении полярности.

Переохлаждение

Использование литиевых батарей при низкой температуре так же приводит к ускорению деградации и потере емкости. Поэтому зарядка аккумулятора при температуре ниже +15 градусов по Цельсию не желательна. Запрещается заряжать батарею при возвращении с холодной улицы или при низкой температуре. В процессе зарядки может скопиться конденсат и привести к замыканию. Поэтому перед зарядкой лучше дать телефону несколько часов нагреться до комнатной температуры.

Почему литиевые батареи выходят из строя?

Поломка литиевых батарей связана с неправильными условиями эксплуатации. Большая нагрузка и высокая температура снижают срок службы батареи. Что бы продлить срок службы литиевой батарей достаточно придерживаться нескольких несложных рекомендаций:

• Исключить глубокую разрядку.
• Не допускать перезарядку аккумулятора.
• Не использовать быструю зарядку.
• Ограничено использовать беспроводную зарядку.
• Не переохлаждать и не перегревать батарею.
• Хранить неиспользуемую батарею с 50% зарядом.
• Не допускать повреждение корпуса батареи.
• Заряжать батарею только оригинальными зарядными устройствами.

Исключить глубокую разрядку

Полная разрядка литиевой батареи ускоряет старение химического состава. Это приводит к сокращению срока службы батареи и уменьшению объема запасаемой энергии. А длительное хранение в разряженном состоянии приводит к полной потери емкости и поломке батареи. Поэтому важно, никогда не разряжать батарею ниже 20-25%. В ОС Android так же предусмотрено несколько предупреждений низкого заряда батареи для сохранения работоспособности батареи. Система сообщает пользователю о необходимости зарядки, когда осталось 15% заряда, 5% и 1%. Не стоит игнорировать напоминание о зарядке батареи.

Не допускать перезарядку аккумулятора

Перезарядка аккумулятора приводит к физическому разрушению и может вызвать возгорание или взрыв батареи. Поэтому все литиевые аккумуляторы в телефонах и планшетах содержат модуль защиты, предотвращающий полную разрядку и перезарядку батареи. При этом не желательно длительное время держать на зарядке полностью заряженную батарею. Так же важно не оставлять телефон заряжаться ночью. Поскольку такие действия негативно сказываются на состоянии аккумулятора или могут привести к перезарядке, если модуль защиты поврежден из-за некачественного зарядного устройства. Поэтому не обязательно заряжать батарею до 100%, лучше заряжать батарею до 85-95%.

Не использовать быструю зарядку

Использование технологии быстрой зарядки батареи приводит к росту сопротивления внутри батареи и снижению количества запасаемой энергии. Дополнительно быстрая зарядка нагревает аккумулятор и ускоряет старение химического состава батареи. За год ежедневного использования быстрой зарядки аккумулятор теряет до 30% емкости. Через 1.5-2 года батарею в телефоне придется заменить. С использованием медленной зарядки мощностью до 10 Вт аккумулятор теряет 10-15% емкости в год и исправно работает 4-5 лет. Поэтому для продления срока службы аккумулятора лучше использовать зарядное устройство не высокой мощности на 5-10 Вт.

Ограничено использовать беспроводную зарядку

В процесс работы беспроводной зарядки до 40% энергии переходит в тепло. В результате беспроводная зарядка приводит к перегреву аккумулятора и ускоряет старение химического состава батареи. Поэтому лучше не использовать беспроводную зарядку или заряжать телефон только с использованием активного охлаждения. В продаже можно найти беспроводные зарядки со встроенным вентилятором для обдува телефона. Можно так же использовать кастомное охлаждение для обдува телефона во время зарядки. К примеру, использовать для обдува вентилятор для корпуса ПК или заряжать телефон на подставке для охлаждения ноутбука.  

Не переохлаждать и не перегревать батарею

Наилучшая температура хранения, зарядки и разрядки аккумулятора от +15 до +25 градусов по Цельсию. Поэтому для продления срока службы батареи важно придерживаться указанного диапазона температур. Максимальная температура использования аккумулятора +40 градусов по Цельсию. Критическая температура для литиевого аккумулятора +60 градусов по Цельсию или 140 градусов по Фаренгейту. При этом важно не допускать использование батареи при температуре выше +40 градусов по Цельсию, поскольку в таком случае существенно ускоряется старение химического состава. Внутри могут собраться газы и привести к возгоранию или взрыву батареи. 

Нежелательно использовать литиевый аккумулятор на холоде. Работа батареи при температуре -10 -20 градусов по Цельсию ускоряет старение химического состава и сокращает срок службы аккумулятора. При температуре -40 градусов по Цельсию литиевый аккумулятор может физически разрушится. Поэтому в холодное время года желательно держать телефона во внутреннем кармане теплой одежды. Так же при возвращении с улицы не стоит сразу же заряжать батарею. Резкое изменение температур приводит к скоплению конденсата и поломке батареи. Лучше подождать несколько чесов перед зарядкой, пока телефон не нагреется.

Хранить неиспользуемую батарею с 50% зарядом

Правильно хранить неиспользуемые литиевые аккумуляторы с 50% зарядом. Каждые несколько месяцев желательно подзаряжать батарею для сохранения 50-55% энергии. Хранить полностью заряженную батарею не стоит, поскольку в таком случае аккумулятор изнашивается быстрее. Так же хранить батарею важно в темном месте при температуре от +15 до +25 градусов по Цельсию.

Не допускать повреждение корпуса батареи

Все литиевые аккумуляторы герметично запакованы. Поскольку литий при контакте с воздухом мгновенно входит в реакцию и воспламеняется. Поэтому важно не допускать падения литиевых аккумуляторов на землю, не хранить рядом с острыми предметами и надежно фиксировать внутри корпуса устройства.

Так же важно не использовать литиевые батареи с деформированным или вздутым корпусом. Поскольку в таких батареях могут собраться газы в результате старения химического состава. Повреждение корпуса может привести к возгоранию, а зарядка вздутой батареи может привести к взрыву.  

Заряжать батарею только оригинальными зарядными устройствами

Заряжать аккумулятор телефона важно только оригинальным зарядным устройством. Так же можно использовать зарядные устройства известных брендов. Не нужно использовать дешевые, некачественные или поврежденные зарядные устройства. Поскольку в таком случае можно повредить телефон, модуль защиты батареи или саму батарею.

В чем разница между батарейкой и литиевым аккумулятором?

Все батарейки предназначены для одноразового использования и не поддерживают перезарядку. Это дешевый источник энергии для нечастого использования в различных устройствах: пультах дистанционного управления, для хранения настроек БИОСа в компьютере и т.д. Напряжение внутри батареек не фиксированное и медленно снижается по мере отдачи энергии. Поэтому эффективность батареек ухудшается раньше полной разрядки.

Литиевый или другой аккумулятор разработан для многоразового использования, а срок службы исчисляется циклами полной зарядки и разрядки. Аккумулятор можно повторно зарядить и использовать, из-за чего стоимость аккумуляторов в 15-20 раз выше стоимости одноразовых батареек. При этом ресурс литиевого аккумулятора составляет 500-800 циклов. Поэтому высокая стоимость аккумулятора со временем окупается несколько раз. Применяют аккумуляторы для питания устройств с регулярным режимом работы: телефоны, планшеты, ноутбуки, умные часы и браслеты, беспроводные наушники и т.д. Напряжение внутри аккумуляторов так же снижается по мере отдачи энергии. При этом в аккумуляторах можно использовать микросхемы для стабилизации и получения постоянной мощности даже почти разряженного аккумулятора.

Какая самая большая проблема с литиевыми батареями?

Самая большая проблема литиевых батарей – возгорание или взрыв. При этом литиевые батареи самопроизвольно не взрываются. Взрыв батареи наступает при определенных условиях:

• Внутренне замыкание.
• Повреждение корпуса.
• Зарядка вздутой батареи.
• Перезарядка.

Внутренне замыкание батареи обычно наступает из-за смены полярности, когда к клемме + подключается клемма -, а к клемме — подключается клемма +. В результате температура внутри батареи нарастает до критической отметки. Так же к замыканию приводит внешнее давление на батареи с последующей деформацией. Реже замыкание возникает из-за производственного дефекта.

Нарушение герметизации возникает из-за прокалывания оболочки острым предметом или при ударе внутри корпуса из-за плохой фиксации. Повредить корпус не сложно, так как оболочка литиевых аккумуляторов внутри телефона состоит из фольги толщиной в несколько десятков микрон. Корпус других типоразмеров литиевых аккумуляторов прочнее. Повредить оболочку батареи можно только при внешнем давлении на батарею.

В изношенном аккумуляторе часто собираются газы, получаемые в результате побочных химических реакций. Корпус аккумулятора деформируется и часто раздувается в несколько раз. Дальнейшая эксплуатация вздутого аккумулятора не возможна из-за высокой вероятности возгорания в процессе зарядки.

Все литиевые аккумуляторы внутри телефонов и планшетов снабжены модулем защиты для предотвращения перезарядки. Неправильная работа или поломка модуля защиты приводит к вздутию и взрыву батареи. Некоторые литиевые аккумуляторы не оснащаются модулем защиты, так как предназначены для работы в устройствах с микросхемой контроля заряда и предотвращения перезарядки.

Часто задаваемые вопросы

Вывод

В статье подробно описаны наиболее актуальные виды аккумуляторов. В смартфонах и прочей мобильной электронике используются исключительно элементы литиевого типа, ввиду компактных габаритов и высокой запасаемой мощности. Аккумуляторы Ni-Cd и Ni-MH более ориентированы на замену обычных не перезаряжаемых батареек. А свинцово-кислотные из-за крупных размеров и веса, а так же низкой запасаемой энергии на килограмм, используются исключительно для стационарного использования.

Какие у вас имеются вопросы? Оставляйте сообщения в комментариях под статьей.