НОВІ ВИДИ АКУМУЛЯТОРІВ

У нікель-металгідридних акумуляторів – наступників широко поширених нікель-кадмієвих, виявилися конкуренти – літій-іонні акумулятори. Щоб читач міг судити, наскільки це масштабна конкуренція, ми пропонуємо познайомитися з основними характеристиками нових акумуляторів, з їх перевагами і недоліками.

Безперервний пошук автономних джерел живлення постійного струму продовжується з тих пір, як А. Вольта продемонстрував на початку минулого століття хімічне джерело електричної енергії у вигляді батареї гальванічних елементів. З тих пір багато води (а точніше електроліту) спливло, багато різних видів гальванічних елементів і акумуляторів з'являлися і віддавалися забуттю з-за своїх обмежених можливостей, а іноді і з-за шкідливого впливу на навколишнє середовище (наприклад, ртутні матеріалів).

Ідеальний автономне джерело струму повинен мати невеликі габарити і масу, але в той же час володіти достатньою енергоємністю для тривалої роботи в заданих умовах, допускати багаторазове використання (підзарядку і бути безпечним при утилізації), В тій чи іншій мірі цим вимогам відповідають акумулятори.

При використанні в різній радіоелектронної апаратури (носяться радіоприймачах, звуковідтворюючих пристроях, телевізорах, відеокамерах, мобільних телефонах і радіостанціях, ноутбуках і т. п.) сьогодні популярні нікель-кадмієві (NiCd), нікель-металгідридні (NiMH) і літій-іонні (Li-Ion) акумулятори. Останні з'явилися зовсім недавно, але впевнено заявляють про свої права. Їх використання з кожним роком збільшується: Так, наприклад, у 1994 р. таких акумуляторів різного призначення виготовили та реалізували близько 12,3 млн. штук, а вже в наступному – виробництво досягло 32 млн. Справедливості заради слід зазначити, що в той же час NiMH акумуляторів у всьому світі було виготовлено більше 300 млн.

Так чим же хороші нові види акумуляторів і чому нікель-кадмієві поступаються свої позиції? Спробуємо відповісти на це питання.

NiMH акумулятори були розроблені фірмою Sanyo Electric в 1990 р З тих пір вони помітно потіснили широко відомі NiCd акумулятори. Головна їхня перевага виявилося в більш високій щільності енергії на одиницю об'єму, відображену у розмірності ват годину на літр (Вт.ч / л).

Типове значення щільності енергії кращих зразків NiCd акумуляторів становить 120 Вт год / л, в той час як для металгідридних воно має значення 175 Вт.ч / л, а для літій-іонних-230 Вт год / л. Забезпечуючи підвищення конкурентоспроможності та завойовуючи лідерство на ринку автономних джерел живлення, конструктори NiMH акумуляторів добилися помітних успіхів. У результаті вже в 1996 р. була досягнута щільність енергії цих акумуляторів близько 300 Вт.ч / л (це навіть більше, ніж у літій-іонного) і є певні напрацювання до кінця 1997р. довести її до 340 Вт ч / л.

Інша перевага металгідридних акумулятора полягає в його "питомої" вартістю. У перерахунку на одиницю електричної ємності джерела струму ці акумулятори вдвічі дешевше в порівнянні з літій-іонними, але, правда, у стільки ж дорожче NiCd. Втім, останнє не є принциповим недоліків металгідридних акумуляторів – їх нікель-кадмієві конкуренти остаточно програли боротьбу по інших позиціях – Масо-габаритним параметрами та високої токсичності кадмію при утилізації.

Цікаво порівняти і електричні характеристики різних акумуляторів. Номінальна напруга нікель-кадмієвих та металгідридних акумуляторів однаково і становить приблизно 1,25 В. Воно практично постійно протягом всього циклу розрядки, знижуючись різко тільки в кінці цього циклу (рис.1). У літій-іонного акумулятора номінальна напруга становить 3,6 В. У процесі циклу розрядки воно лінійно зменшується. Нижче певного напруження літій-іонний акумулятор розряджати небажано. На рис.1 показаний характер зміни напруги Li-Ion акумулятора з вуглецевим анодом (фірми Sony і AT Battery Corp.) У приладів з анодами на основі графітових композитів (фірми Sanyo, Matsushita і ін) наприкінці циклу розрядки відзначаються короткочасні коливання напруги. З цієї причини останні слід підключати неодмінно через стабілізуючі пристрої.

Внутрішній опір NiCd і NiMH елементів дуже низька (менше 0,1 Ом для елементів типорозміру АА), тому вони дозволяють отримати значний розрядний струм. У Li-Ion елементів внутрішній опір на порядок більше. Це обмежує застосування Li-Ion акумуляторів в пристроях з великим споживаним струмом, наприклад, в радіостанціях.

Саморозряд запасеної енергії у нікель-кадмієвого та металгідридних акумуляторів відносно високий – протягом місяця зберігання він сягає близько 25%. Тут літій-іонний акумулятор, можна сказати, поза конкуренцією. Цей параметр у нього не перевищує 1% за той же період.

У режимах швидкої зарядки (про це мова піде нижче) NiCd акумулятор дозволяє, при необхідності, виконати цю процедуру за 15 хв, NiMH елемент – принаймні, за годину, a Li-Ion – за дві години.

За надійності металгідридні акумулятори близькі до нікель-кадмієвих, але схильні до відмов при високих розрядних токах.

Металгідридні акумулятори мають ще одну перевагу перед літій-іонними. При проходженні 300 циклів зарядки-розрядки (з дотриманням правил експлуатації) у металгідридних зовсім не відбувалося втрати паспортного значення енергоємності, в той час як у літій-іонних вона знижується на 20%. Більш того, це спостерігається і при тривалому зберіганні акумуляторів без роботи на реальну навантаження. Відзначалися також випадки руйнування Li-Ion акумуляторів, якщо напруга на них знижувалося нижче певного значення. Ось чому деякі виробники навіть встановлюють на свої акумулятори індикатори розрядки щоб була можливість візуально оцінити його поточний стан.

Найбільш вірогідними причинами відмов NiCd елементів є внутрішні короткі замикання, що викликаються зростанням кристалів, званих дендрита. Хоча вони і можуть бути зруйновані "форсованим" високим зарядним струмом або зарядкою струмом спеціальної форми (частина періоду має від'ємне значення), дендрити повторно виростають, якщо елемент використовується не регулярно.

За заявами розробників, дендрити у металгідридних акумуляторів не спостерігалися.

Загальновідома проблема для NiCd акумуляторів – це "ефект пам'яті", який проявляється у частковій (тимчасової) втрати енергоємності акумулятора, якщо воно буде поставлене на зарядку до повного розряду. Він як би "пам'ятає" точку початку чергового циклу підзарядки і при розрядці активно віддасть тільки отриману за час останньої підзарядки енергоємність.

"Ефект пам'яті" властивий також і NiMH акумуляторів. З цього слід зробити висновок, що необхідно пристрій, яке б контролювало глибину розрядки. За нижню межу приймають рівень 1,05 .., 1,1 В на елемент, при цьому "ефектом пам'яті" можна знехтувати. Такі пристрої повсюдно застосовуються в мобільних телефонах і переносних, тому навіть якщо в них і виявляється цей ефект, то він мінімізований – Енергоємність ніколи на знижується більш ніж на 10%. Якщо "ефект пам'яті" у якийсь період експлуатації все ж таки проявився. то його усувають кількома циклами тренування (зарядка-розрядка). Після чого акумулятори цілком придатні для подальшої роботи у складі будь-яких споживачів.

Для мінімізації відмов NiMH акумуляторів необхідно передбачити влаштування їх захисту і при зарядці, наприклад. від коротких замикань у ланцюгах зарядного пристрою. Коли фірма Sanyo початку масовий випуск NiMH акумуляторів в 1990 р,, вона рекомендувала використовувати три типи пристрої захисту:

переривники ланцюгів, теплові плавкі вставки (запобіжники) і термістори з обов'язковим їх вбудовуванням в корпус акумуляторної батареї.

Сьогодні в основному використовують тільки останній з названих методів – вбудований в корпус акумулятора і має з ним контакт теплової термістор з позитивним значенням, температурного коефіцієнта опору (ТКС), який обмежує зарядний і розрядний струми при підвищенні температури всередині.

Масовий випуск NiMH акумуляторів здійснюється не більше шести років, вже є досить широка гама їх тіпономіналов, що враховує вже сформований ринок побутової радіоелектронної апаратури. Вона включає в себе найбільш масовий типорозміри, такі як ААА (прототип російського елементу 286), АА (316), С і D, а також батареї акумуляторів з напругою 10 і 12 В. Типовий ряд продукції фірми Sanyo включає елемент розміру ААА з електричною ємністю 500 мА-год, АА-750мА-год і інші (до 3.5 А-ч.). Про досягнення фірми можна судити по акумуляторних елементів HR-4/3A, що має номінальну ємність 3,5 Ач при діаметрі 17 і висоті 67 мм. Важить він при цьому всього 1956

У порівнянні з NiCd акумуляторами металгідридні володіють ще одним незрівнянним перевагою – вони екологічно чисті. Якщо в NiCd акумуляторі одна п'ята частина маси виробу складає небезпечний для природи і людини кадмію, та NiMH акумулятор не містить ні кадмію, ні ртуті, ні їх з'єднань, і для навколишнього середовища "відслужив" примірник не представляє ніякої небезпеки.

І нікель-кадмієві, і метаплгідрідние акумулятори заряджають від джерела постійного струму. Значення зарядного струму визначається типом використовуваних акумуляторів, для яких встановлені цілком конкретні значення величини струму та тривалості зарядки. Допуски на стабільність напруги не обмовляються. На відміну від них, літієвим акумуляторам потрібно джерело з напругою порядку 4,2 В (на елемент) з досить жорстким допуском – не більше ± 0,05 В.

Існує два способи підзарядки акумуляторів: швидкий і тривалий. Тривалий спосіб, який приймається всіма виробниками акумуляторів як основний, виконується невеликим за розміром струмом, безпечним для елементів у разі порушення часового режиму (хоча останнє і не рекомендується). Велика перевага цього способу в тому, що не потрібно ніяких пристроїв індикації закінчення підзарядки оскільки, як було сказано вище, невеликий струм не може вивести з ладу елемент або батарею незалежно від того, як довго відбувається підзарядка. Недолік – тривалість процесу зарядки.

Для більшості нікель-кадмієвих акумуляторів встановлений номінальний зарядний струм, рівний 0,1 енергоємності (Е) даного типу при тривалості підзарядки 12 год (для вітчизняних акумуляторних елементів прийнята тривалість циклу зарядки 15 год – (Прим ред.). Це не завжди зручно, ось чому подібні акумулятори зараз використовуються тільки в дешевих виробах – іграшках ліхтарях і ін, А от для акумуляторів типорозміру С (використовуваних преімуществвенно в мобільних системах) номінальним зарядним струмом прийнято значення, чисельно рівне його енергоємності.

Металгідридні елементи, в порівнянні з нікель-кадмієвих акумулятори, пред'являють більш жорсткі вимоги до зарядного струму. Максимальна безпечна його величина визначається виробником (записується у паспорті на виріб) і зазвичай складає 0,025-0,1 Є. Перевищення цього струму може пошкодити елемент, якщо в зарядному пристрої не передбачені заходи щодо його захисту та контролю закінчення зарядки,

Швидкі режими зарядки для нікель-кадмієвих та металгідридних акумуляторів визначені тривалістю в одну годину з збільшенням зарядного струму до значення 1,2 Є. Існують спеціальні розробки нікель-кадмієвих акумуляторів. для яких передбачають "надшвидкий" режим зарядки – 15 хв. зарядний струм при цьому збільшують до значення 5 Є. Швидкий режим зарядки для літієвих акумуляторів визначено тривалістю в дві години. При швидких режимах зарядки існує небезпека "перезарядити" акумулятор (наприклад, не встежили за струмом підзарядки або часом), а це для нього теж небажано, оскільки призводить до виходів з ладу або втрати енергоємності. Ось чому такий спосіб підзарядки повинен жорстко контролюватися.

Звичайний спосіб визначення моменту закінчення підзарядки – використання індикаторів напруги або температури. Менш наочний спосіб, а отже, і менш продуктивний, – застосування таймера, що відключає заряджається акумулятор після закінчення заданого періоду часу.

На рис. 2 показані типові характеристики (температури і напруги) процесу зарядки для нікель-кадмієвих та металгідридних акумуляторів при струмі зарядки, рівному 1 Є. З цих графіків досить добре видно, що температура різко змінюється (більш ніж на 10 ° С) при досягненні повної зарядки. У той же час напруга в процесі зарядки збільшується практично за лінійним законом і тільки при досягненні повної зарядки відзначається деяке падіння (у нікель-кадмієвих акумуляторів трохи більше). Тому для створення більш точних індикаторів моменту закінчення режиму підзарядки краще використовувати температурний фактор. Можна використовувати і фактор зміни напруги, але в цьому випадку буде потрібно застосування мікропроцесорів, що відстежують динаміку його зміни і визначають точку перегину на характеристичної кривої.

Для створення зарядним пристроїв з контролем закінчення процесу вже створені спеціалізовані інтегральні мікросхеми з можливістю управління струму підзарядки й автоматичного відключення у разі виникнення нештатних ситуацій. Як приклад можна вказати на розробки фірми Philips – це ТЕА1102 і ТЕАП04. Мікросхема ТЕА1102 може бути використана в зарядних пристроїв для всіх підзаряджаються акумуляторів (Включаючи літій-іонні), володіє можливістю визначення динаміки зміни напруги на ділянках зовнішніх ланцюгів і визначення його екстремуму, має введення для підключення датчиків температури і вбудований таймер. TEAI 104 – це спрощений тип пристрою управління зарядним струмом, аналізу температури і характеру зміни напруги, рекомендується: використовувати в зарядний пристрій тільки нікель-кадмієвих і металгідридних акумуляторів. Фірма Nailonal розробила мікросхему LM2576 з функцією переривання процесу зарядки. але для неї потрібен додатковий датчик, що фіксує момент закінчення підзарядки акумулятора.

Як читач міг переконатися, металлгідрідмие акумулятори все-таки мають деяку перевагу перед літій-іонними (не кажучи вже про нікель-кадмієвих), але чи вистачить цього для того, щоб незаперечно віддати їм перевагу? Адже коли мова заходить про використання джерел живлення і малогабаритною радіоелектронної апаратури, вартісні категорії часто відходять на другий план. Однак, якщо розробники досягнутий заявлених значень параметрів металгідридних акумуляторів, можливо це і буде вирішальним чинником їхньої переваги. Адже поки недоліки літійіонних подолати не вдалося.

Р. PHILLIPS. The NiMH cell gathers strenght,-ELECTRONICS Australia, October, 1996

РАДІО № 1,1996 р., с. 48-49.