Про герметичних лужних Ni-Cd і Ni-Mh акумулятори
Наведені далі відомості представляють спробу якось систематизувати накопичений досвід експлуатації герметичних лужних елементів та акумуляторних батарей Ni-Cd і Ni-Mh типів. Ці дані зовсім не претендують на абсолютну повноту і 100% коректність. Можливо, хтось зможе їх перевірити і уточнити.
В даний час основним джерелом живлення автономних пристроїв є нікель-металогідридні (Ni-Mh) акумулятори герметичного типу. Конструктивно Ni-Mh акумулятори відрізняються від вважаються застарілими нікель-кадмієвих (Ni-Cd) акумуляторів конструкцією негативного електрода.
В Ni-Mh акумулятори цей електрод складається з губчастого металу з розвиненою поверхнею, що абсорбує утворюються при електролізі позитивно заряджені іони водню. Прообразом Ni-Mh акумуляторів можна вважати винайдений в 50-х роках минулого століття «газовий» акумулятор Преснякова.
В Ni-Cd акумулятори іони водню зв'язуються хімічно. З експлуатаційної точки зору Ni-Mh акумулятори відрізняються від Ni-Cd в позитивну сторону підвищеної питомою ємністю (на одиницю ваги або обсягу) і в негативну сторону - помітним саморазрядом, що, втім, компенсується їх високою місткістю. З іншого боку, Ni-Mh акумуляторів абсолютно не властивий ефект «пам'яті», що ускладнює експлуатацію акумуляторів Ni-Cd типу.
Суть останнього ефекту зводиться до втрати реальної ємності Ni-Cd акумуляторів при їх неповному заряді або розряді. Іншими словами, на віддачу Ni-Cd акумулятора позначається передісторія як їх заряду, так і їх розряду. Ni- Cd акумулятор як би «запам'ятовує» значення ємності, відданої на попередньому циклі заряду, і це стає його поточної ємністю.
Така поточна ємність може тільки зменшуватися, що вважається незворотнім процесом. Правда, останні дослідження показали, що при спеціальною схемою заряду / розряду ємність Ni-Cd акумуляторів може бути відновлена до початкового і, що цікавіше, навіть більшого рівня.
Суть такого відновного циклу для Ni-Cd акумуляторів складається в їх заряді до напруги 1,23 ... 1,3 В і потім швидким, приблизно, 1 / 2-1 годинному розряді до напруги 0,8.1 В з подальшим повільним розрядом до напруги 0 ... 0,5 в протягом 20 ... 100 годин.
Потім таким способом розряджений акумулятор піддається прискореної 1/2 ... 2 годинний зарядці до напруги 1,1 ... 1,2 В і повільної дозарядженню протягом 2 ... 10 годин до напруги 1,25 ... 1,3 В. Всі наведені значення є орієнтовними і визначаються номінальною ємністю Ni-Cd акумулятора і ступенем втрати ним ємності.
Якщо відновлювальний цикл не дає збільшення реальної ємності, акумулятор непридатний для подальшої експлуатації і підлягає заміні. При позитивному результаті цикл заряду / розряду повторюють, поки не припиниться наростання ємності. Якщо досягнута при цьому ємність все ж виявляється недостатньою, акумулятор знову таки доведеться замінити.
Процес відновлення досить примхливий і не відрізняється стабільністю. Тим не менше, років 15 ... 20 тому було створено спеціальний зарядний пристрій для відновлення Ni-Cd акумуляторів. Згадка про цей пристрій, як не дивно, вдалося знайти тільки в книзі В. Жельнікова «Криптографія від папірусу до комп'ютера» (- М .: ABF, 1996).
З інших джерел відомо, що найнадійніший спосіб визначення ступеня заряду акумуляторів, і до того ж будь-якого типу (!?), Полягає у вимірюванні їх внутрішнього опору на змінному струмі спеціальної форми. Хоча, правильніше, мабуть, вимірювати треба не опір а ступінь гармонійних спотворень струму під впливом підводиться фіксованого напруги (скажімо, 0,2 ... 0,5 У амплітудного значення) синусоїдальної форми.
Ni-Mh в цьому сенсі простіше в експлуатації і за даними виробників витримують більше число циклів заряд / розряду.
Лужний елемент з напругою 1 В під навантаженням (в амперах рівній 1/10 повної ємності) вважається повністю розрядженим.
ЕРС повністю зарядженого елемента Ni-Cd і Ni-Mh типів дещо різниться. Для Ni-Cd елемента нормальним вважається 1,2 ... 1,25 В без навантаження, в той час як для Ni-Mh елемента ця величина дещо вищий - 1,25 ... 1,35 В.
Нормальне час заряду Ni-Cd акумуляторів близько 10.12 годин, в той час, як Ni-Mh допускають прискорену від 1/2 до 2.3 годин зарядку без будь-яких наслідків. Правда, аномально швидкий прискорений заряд (1/2 ... 1.5 години) допускають Ni-Mh акумулятори тільки окремих виробників. Величина повідомляється акумулятора заряду приблизно на 20 ... 25% вище його номінальної ємності, причому менші значення відносяться до акумуляторів Ni-Cd, а великі - до акумуляторів Ni-Mh типів.
Для заряду Ni-Mh акумуляторів придатні ті ж види зарядних пристроїв, що і для Ni-Cd акумуляторів. Однак використовувати для Ni-Cd акумуляторів зарядні пристрої від Ni-Mh акумуляторів не можна, якщо останні розраховані на прискорений заряд.
Промисловість випускає три типи зарядних пристроїв для герметичних акумуляторів типорозмірів AA і AAA. У найпростіших з них заряд здійснюється за часом 6.20 годин в залежності від ємності акумулятора. У більш досконалих пристроях цей час відраховується не по годинах, а програмується вручну вбудованим таймером. Нарешті, найдосконаліші пристрої, на жаль, розраховані тільки на прискорений заряд Ni-Mh акумуляторів, контролюють не тільки струм і ступінь заряду, але ще й температуру корпусу акумулятора, що досить актуально для автономних герметичних джерел живлення. В якості додаткових в такі пристрої зазвичай вбудовується захист від переполюсовки і підключення неперезаряджувальних Mn-Zn (марганець-цинк) або Ag-Zn (срібло-цинк) елементів.
Практика показала, що при правильній експлуатації елементи Ni-Cd типу мають свідомо кращої передбачуваністю характеристик і фактично витримують набагато більше число циклів заряд / розряд, в порівнянні з гарантованим виробником.
Попередньо відібрані Ni-Cd елементи можна вільно об'єднувати в послідовні батареї, що заряджаються як єдине ціле. З'єднувати послідовно Ni-Mh елементи також можна, але для запобігання швидкого падіння ємності батареї заряджати їх доводиться все ж індивідуально, що не дуже зручно. Можливо і паралельне з'єднання елементів одного типу в батарею. Деяке обмеження для елементів Ni-Cd типу обумовлено виявленої їх схильністю до раптових відмов.
Як виявилося в Ni-Cd акумулятори герметичних конструкцій іноді виникають внутрішні короткі замикання. Причиною таких замикань, як і в Ag-Zn акумуляторах, є ріст дендритів у вигляді гострих металевих «вусів», що проколюють розділяє електроди сепаратор. Але, на відміну від Ag-Zn такі замикання в Ni-Cd акумулятори неможливо «випалити» короткочасним пропусканням струму значної величини. Причому такий вид відмов для акумуляторів Ni-Mh типу поки спостерігати не доводилося.
Свої недоліки мають і акумулятори Ni-Mh типу. Крім зазначеної їх схильності до саморазряду вдалося встановити, що струм саморозряду залежить від безлічі минущих чинників і вкрай нестабільний в процесі експлуатації. Навіть через 5-6 заряд / розрядних циклів відмінність попередньо відібраних за значенням ємності і струму саморозряду Ni-Mh елементів стає занадто помітним.
В цілому залишається враження, що Ni-Cd акумулятори при грамотній експлуатації забезпечують все ж велику надійність в порівнянні з Ni-Mh, хоча багато хто з цим не погодяться.
Викликає лише подив, що всі без винятку виробники мобільних телефонів постачають свої пристрої повністю автоматичними зарядними пристроями, які припиняють заряд при досягненні батареї повної ємності. Правда, використовуються в цих апаратах переважно дорогі Li-Ion (літій іонні) і ще більш дорогі Li-polimer (літій-полімерні) акумулятори.
Разом з тим, зарядні пристрої для мобільних апаратів досить доступні і коштують набагато дешевше «зарядников» для акумуляторів AA і AAA типів. Мабуть, можлива і переробка їх під Ni-Cd і Ni-Mh акумулятори, але відповідні опису зустрічати не доводилося.
І, тим не менш, привід для оптимізму є. Справа в тому, що існують деякі моделі «мобільників» від Siemens, штатний комплект харчування яких складається з трьох послідовно з'єднаних Ni-Cd елементів AA типу, що допускають заміну на звичайні елементи Mn-Zn системи (природно, без підзарядки).
Тому можливо, що трёхвольтовие зарядні пристрої для мобільних телефонних апаратів (у застарілих моделях використовувалися 5-вольт батареї) без всяких переробок можна застосовувати і як автоматичні зарядні пристрої для батарей з трьох послідовно з'єднаних Ni-Cd або Ni-Mh елементів типів AA або AAA.
Взагалі ж, складається враження, що відмінність типів зарядних пристроїв швидше впливає на зручність їх використання і лише в другу чергу позначається на експлуатаційних характеристиках акумуляторів, що заряджаються.
Наведені вище розрізнені відомості по малогабаритним герметичним лужним акумуляторам Ni-Cd і Ni-Mh типу для зручності огляду зведені в таблицю. Чи не згадана раніше технологічна відтворюваність введена для оцінки можливості підбору серед придбаних в різний час акумуляторів по близьким характеристикам.
Порівняльна таблиця параметрів акумуляторів