Сегодня речь у нас пойдет о батарейках. И даже большей частью об аккумуляторах, поскольку, думаю, ни один читатель, активно работающий с цифровой техникой, не пользуется батарейками в качестве основного источника питания - слишком у них большое соотношение цена/срок службы. Вообще же, хоть батарейки и относительно простое устройство, но именно они обеспечивают работу многочисленных мобильных устройств.

Откуда берется электричество?

Деньги, как известно, берутся из тумбочки. Откуда берется электричество в батарейках? Оно появляется в ходе электрохимических реакций, а именно - реакций окислительно-восстановительных, при которых выделяются свободные электроны. Вот эти-то электроны и дают нам электрический ток. Напряжение, выдаваемое батарейкой, зависит от типа реагирующих веществ. Например, для цинковых и щелочных (это те, которые называются алкалиновыми) батарей оно составляет 1.5 вольта, а для литиевых - до трех вольт.

Простейшая цинковая батарея состоит из, как это ни странно, цинка (анод), двуокиси марганца (катод) и водного раствора хлорида цинка (электролит). В щелочных батареях в качестве электролита используется щелочь KOH (в водном растворе или в виде геля). Реакция, которая протекает при разряде батареи, выглядит так:

Анод: Zn + 2 OH-=Zn(OH)₂+ 2 e^-

Катод: 2 MnO₂ + H₂O + 2 e^-=Mn₂O₃ + 2 OH^-

Вот эти то 2 e^-, идущие от анода к катоду, и создают ток в цепи, в которую включена батарея.

Реакции, происходящие в батареях, необратимы. То есть, когда все активные вещества прореагируют, ток закончится, и батарейку можно выбрасывать. В аккумуляторах же состав подобран таким образом, что, приложив напряжение к батарее, ее можно восстановить до первоначального состояния, то есть зарядить. Однако при каждом цикле разряд-заряд часть веществ теряется - поэтому время жизни аккумулятора ограничено. Сейчас в бытовой электронике используется, в основном, три вида аккумуляторов - никель-кадмиевые (NiCd), никель-металл гидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-Ion). Рассмотрим их подробнее.

Никель-кадмиевый аккумулятор по своей идеологии довольно похож на щелочную батарейку. В качестве электролита в нем используется та же самая KOH. Анод сделан из кадмия (Cd), катод - из Ni(OH)₂. Реакция, происходящая в этом аккумуляторе, выглядит так:

2 NiOOH + 2 H₂O + Cd=2 Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂

Причем эта реакция обратима под воздействием электрического тока.

А вот никель-металл гидридный аккумулятор, по сути своей, скорее, находится ближе к топливным элементам. Реакция в нем выглядит так:

NiOOH + H=Ni(OH)₂

Откуда берется водород? Он хранится в связанном виде в металлическом аноде. Известно, что некоторые металлы (например, палладий) могут растворять и хранить в себе большой объем связанного водорода за счет структуры кристаллической решетки. Именно этот эффект здесь и используется. Причем плотность водорода в таком связанном состоянии получается даже выше, чем у жидкого водорода. Сам металл анода в реакцию не вступает, а служит только источником водорода.

Практика

Впрочем, все эти экскурсы в электрохимию совершенно не нужны для того, чтобы пользоваться батарейками. Поэтому дальше будем смотреть на них с точки зрения самого обычного пользователя.

Во-первых, какие батарейки нам нужны и что нам от них нужно. Так сложилось, что лично я чаще всего пользуюсь цифровым фотоаппаратом и CD-MP3-плеером. Оба этих устройства используют стандартные элементы форм-фактора AA (цилиндрические, диаметром 14.5 мм и высотой 48 мм). В камеру таких элементов устанавливается четыре штуки, в плеер - два. Большинство камер может работать в диапазоне питающих напряжений от 6.5 до где-то 4.4-4.2 вольта. То есть надо, чтобы один элемент питания выдавал не меньше примерно 1.05 вольта. Что касается потребляемых токов, то тут ситуация сложнее. Скажем, цифровой фотоаппарат Hewlett-Packard PhotoSmart 315, с которым я экспериментировал, потребляет около 0.5 ампера в режиме ожидания и порядка 2 ампер при активной работе (то есть со включенным LCD-дисплеем и заряжающейся встроенной вспышкой) - почувствуйте разницу. Отрубается этот аппарат, когда напряжение падает ниже 4.5 вольта (то есть, 1.12 вольта с элемента). Вот на эти величины мы и будем ориентироваться. А теперь рассмотрим основные типы аккумуляторов в применении к этой схеме.

Никель-кадмиевые (NiCd)

NiCd это, пожалуй, первые массовые аккумуляторы такого размера (AA) для бытовой электроники. Они имеют рабочее напряжение 1.2 вольта (полностью заряженный элемент 1.3 В, алкалиновая батарейка - 1.5 В). В формате AA выпускаются никель-кадмиевые аккумуляторы емкостью до 1100 миллиампер-часов (для сравнения, емкость хорошей алкалиновой батареи составляет где-то порядка 1000 mA-часов). То есть для нашего случая такого аккумулятора должно хватить примерно на полчаса активной работы. На самом деле получится еще меньше, поскольку напряжение по мере разряда падает (см. рис.) и под конец очень быстро.

Кстати, индикатор уровня заряда батареи в фотоаппаратах, как правило, показывает текущее напряжение питания относительно номинального. Так что даже с полностью заряженными аккумуляторами он может сообщать о частичной разрядке. А если по индикатору осталось меньше половины заряда, то это значит, что аккумуляторов хватит еще на пару минут, не больше.

Причем обратите внимание на кривые для разных характерных токов разряда (C в данном случае значит ток, численно равный емкости батареи). Как видите, эффективная емкость батареи зависит от потребляемого тока (а в цифровой технике, как мы уже убедились, токи бегают весьма неслабые). Так что большая емкость значит не только то, что батарейка дольше проработает, но и то, что она с пользой отдаст больший процент заряда.

Широко известная особенность никель-кадмиевых аккумуляторов - так называемый "эффект памяти" (правильнее было бы называть его подавлением напряжения, поскольку происходит только резкое падение напряжения, после чего аккумулятор еще долго может отдавать ток - только вот потребляющим устройствам этого напряжения уже не хватает). Заключается он в том, что если такой аккумулятор разряжать не до конца, то он через некоторое время "запомнит" это состояние и будет разряжаться только до такого же (то есть его эффективная емкость значительно уменьшится). Вызывается это неприятное явление тем, что при таких циклах неполной разрядки на обоих электродах аккумулятора начинают образовываться крупные кристаллы активных веществ. Они сильно снижают общую площадь активной поверхности и, соответственно, время работы. Чтобы избавиться от эффекта памяти, надо периодически подвергать элемент "тренировке" или "глубокой разрядке". Причем глубокий разряд не подразумевает, что надо закоротить батарею и подождать пару часов. Необходимо только разрядить ее до уровня напряжения примерно в 1 Вольт. Никель-кадмиевые аккумуляторы рекомендуется подвергать такой процедуре где-то раз в месяц. В принципе, рекомендуется также давать доработать батарейкам в аппаратуре до полного разряда, а потом уже заряжать их, но тут можно обойтись без излишнего фанатизма. Специально разряжать их перед зарядкой, тем более, не стоит (если, конечно, эта функция не реализована в зарядном устройстве).

Теперь пару слов о зарядке. Никель-кадмиевые батареи, пожалуй, самые "живучие" из всех аккумуляторов. Они выдерживают до 1000 циклов заряд-разряд практически без потери емкости и еще порядка 500-1000 с постепенным ухудшением характеристик (емкость упадет где-то до 70% от номинальной). Кстати, совершенно новый аккумулятор имеет емкость порядка 110% от номинала. Заряжать аккумуляторы рекомендуется током 0.1С (то есть численно равным 0.1 емкости). В таком режиме они не пострадают от чрезмерного заряда, не взорвутся и вообще будут дольше жить. Только вот занимает этот процесс 12-14 часов, что при нынешних темпах жизни ну совершенно не устраивает большинство людей (начиная с меня самого). Поэтому делаются зарядные устройства с функцией быстрой зарядки - скажем, током 1C. Так можно зарядить элемент всего за полтора часа. Но тут уже надо следить - после того, как аккумулятор наберет полный заряд, начнется банальный электролиз электролита. Во-первых, это укоротит срок жизни аккумулятора. Во-вторых, выделяющиеся газы будут создавать избыточное давление в корпусе и могут разорвать его, как капля никотина пресловутого хомячка. Так что очень рекомендуется купить хороший зарядник, который отслеживает состояние батареек (по температуре или напряжению) и сам отключается (или переключается на tricle charge - то есть заряд током 0.02-0.05C) при полном заряде.

И под конец еще несколько деталей. Никель-кадмиевые аккумуляторы (как, впрочем, и все остальные) со временем разряжаются. Называется это саморазрядом. Так вот для них величина саморазряда составляет порядка 20% в месяц (причем из них 10% в первые пару дней). Далее, NiCd содержит ядовитый кадмий и потому является вредным для окружающей среды (особенно если выбрасывать отработавшие аккумуляторы на улицу). В некоторых странах требуется их обязательная утилизация. А еще, емкость аккумулятора зависит от температуры, причем зависит довольно сильно. Скажем, при температуре -100С наш фотоаппарат отключится, когда в батарее еще будет 60% заряда. При высоких температурах (порядка 30-40 градусов) наблюдается аналогичный эффект, но в меньшей степени. Вообще же рекомендуемый температурный диапазон для всех аккумуляторов - от 10 до 30°С.

Никель-металлгидрид (NiMH)

Это более современный тип аккумуляторов. В первую очередь, он характеризуется большей емкостью, по сравнению с никель-кадмиевыми. Сейчас можно купить NiMH-аккумуляторы емкостью до 2000 миллиампер-часов. То есть, в среднем, они в полтора-два раза "объемнее" NiCd при тех же размерах (AA). Соответственно, при больших токах нагрузки NiMH элементы будут вести себя лучше NiCd. Вообще-то, на самом деле при равной емкости по отдаваемому току выигрывает никель-кадмий, но тут NiMH как раз и выручает больший объем. Рабочее напряжение аккумулятора чуть больше 1.2 вольта, но на полностью заряженном оно может доходить до 1.4 В (кривые разряда NiCd и NiMH аккумуляторов вообще довольно похожи).

Что касается эффекта памяти, то, вопреки рекламе, он присущ и никель-металлгидридным элементам. Но в значительно меньшей степени, чем никель-кадмиевым. Для них тренировку (тот же разряд до 1 вольта) рекомендуется проводить только раз в три месяца. Заряжать эти аккумуляторы все так же рекомендуется током 0.1С. Но можно производить и быстрый заряд. Правда, надо учитывать, что NiMH более чувствительны к чрезмерному заряду. К тому же окончание заряда для них определяется (с точки зрения зарядного устройства) немного по-другому, чем для NiCd. Так что для NiMH может потребоваться отдельный зарядник для быстрого заряда. Впрочем, современные зарядные устройства обычно умеют работать и с теми, и с другими. Но чтобы убедиться в этом, обязательно изучите инструкцию. Естественно, хороший зарядник будет стоить денег (порядка $20-40). Но если приходится заряжать комплект аккумуляторов хотя бы каждые два-три дня, он вполне окупится.

В большинстве литературы по аккумуляторам указывается, что NiMH элементы выдерживают до 500 циклов зарядки, после чего их характеристики начинают быстро деградировать. На самом деле последние модели могут при правильной эксплуатации пережить до 1000 циклов. И все же это меньше, чем у никель-кадмиевых. Правда, большая емкость компенсирует укороченный срок жизни, но иметь в виду этот момент необходимо. Скорость саморазряда у NiMH-аккумуляторов порядка 30% в месяц. С точки зрения экологической безопасности, NiMH элементы намного лучше NiCd.

Литий-ионные

Два новейших типа аккумуляторов - литий-ионные и литий-полимерные. В отличие от NiCd и NiMH, рабочее напряжение одного элемента таких батарей - 3.6 вольта (диапазон рабочих напряжений от 4 до 3.4 вольт). Соответственно, стандартных (типа AA, например) литиевых элементов не бывает. На их основе делаются специализированные аккумуляторные блоки, предназначенные для конкретных устройств. Кроме того, эти батареи требуют намного более тонкого контроля при зарядке, так что устройства, в которых они используются, обычно имеют встроенные зарядные устройства. Большой плюс литиевых батарей - высокая плотность энергии, а значит, и высокая емкость при аналогичных размерах. Кроме того, они имеют довольно низкое внутреннее сопротивление, так что могут обеспечивать высокие токи нагрузки, требующиеся в цифровой технике. Еще один плюс - низкий уровень саморазряда (порядка 10% в месяц) и полное отсутствие эффекта памяти. Однако есть у них и весьма большой минус - литий-ионные аккумуляторы подвержены эффекту старения (со временем в них происходят необратимые процессы). То есть, даже если вы запрете батарею в сейф и не будете ей пользоваться, через год-полтора (и чем выше температура хранения, тем раньше) аккумулятор все равно можно выкидывать на свалку. Соответственно, при покупке литиевого аккумулятора обязательно надо посмотреть на дату его выпуска. Что касается количества циклов перезарядки, то для Li-Ion батарей оно составляет порядка 500 с последующим ухудшением характеристик (максимум 1000 циклов), а для литий-полимерных - 150-200. Ну и, кроме всего прочего, литиевые батареи пока заметно дороже NiCd и NiMH.

И прочие мелочи жизни

Еще одна интересная новинка - перезаряжаемые алкалиновые батарейки. Выпускает их, в частности, фирма Rayovac. Эти батарейки представляют собой обычные алкалиновые элементы со всеми их плюсами (большая емкость и рабочее напряжение 1.5 вольта), однако сконструированы они так, что процесс разряда обратим. Правда, выдерживают они всего от 25 до 50 циклов и для зарядки требуется специальное зарядное устройство. Но сама идея неплоха.

Другая перспективная технология - топливные элементы. В них электричество вырабатывается за счет окисления топлива (например, спирта) кислородом воздуха. Такой элемент представляет собой открытую систему, которая не нуждается в зарядке, а требует только долива топлива. Правда, коммерческих реализаций этой технологии для бытовой техники пока не существует, но работа ведется, и все к тому идет.

Наконец, если вас интересуют параметры конкретных существующих аккумуляторов, советую сходить по адресу www.imaging-resource.com/ACCS/BATTS/BATTS.HTM. Там расположена постоянно пополняющаяся база данных по аккумуляторам формата AA.

Константин АФАНАСЬЕВ

По материалам журнала E-Photo