Никель цинковые аккумуляторы напряжение заряда. Покрытие сплавом никель - цинк

Приобретал я NiZn аккумуляторы (не по этой ссылке, правда). AA были заявлены как 2800 мВт*ч (просто элементы в зеленой оболочке с падписью как на матричном принтере напечатанной), AAA - 1150 мВт*ч (эти в нормальной оболочке, под брендом UltraCell). В реале элементы AA выдали 1400-1480 мА*ч (т.е., весьма похоже на элементы PowerGenix) или 2250 мВт*ч при разряде током 500 мА. AAA элементы выдали 560-580 мА*ч (или 900 мВт*ч) при разряде током 200 мА. Так что тут обычное китайское приукрашивание характеристик, но не более. Примерно 10-15% из них имели высокий саморазряд (продавцы без проблем высылали замену).

Насчет же зарядки Z4... она явно была сделана изначально под Li-ion, и только затем добавлены дополнительные напряжения для LeFePO4, NiZn, NiMH. Что касается ее схемотехники, то это стандартный блокинг-генератор, преобразующий 220 В в примерно 12 В, и импульсный преобразователь на MC34063 с 12 В в нужное напряжение (от 1,46 до 4,20 В в зависимости от положения переключателя). Никакого микропроцессора или специализированного контроллера заряда нет - это просто тупой стабилизатор напряжения с ограничением по току. Для указанной микросхемы свист, шипение и т.п. звуковые эффекты - вполне нормальное явление, они вызваны самим принципом работы микросхемы (частота преобразования не фиксирована, и ее изменение и слышно как свист и шипение). На безопасность не влияет. Гораздо больше внимания надо уделять тому, чтобы не включить одновременно сеть и внешний источник питания. Они никак не развязаны, т.е. предсказать результат будет сложно.

MC34063 выдает запрограммированное переключателем напряжение (1,46 В для NiMH, 1,86 В для NiZn, 3,63 В для LiFePO4 и 4,20 В для Li-ion), которое затем из одной точки подается на все 4 аккумулятора через резисторы по 0,3 Ом. Собственно, вся развязка аккумуляторов друг от друга - это эти резисторы (бывает и хуже - просто параллельное включение). Хочу заметить, что 1,46 В мало для зарядки NiMH, а 1,86 В - для зарядки NiZn. Чтобы нормально их заряжать этим ЗУ, надо его доработать напильником (впаять пару резисторов, которые приведут к тому, что напряжение поднимется до 1,49 В и 1,91 В соответственно). Для Li-ion ничего дорабатывать не надо.

Про 1200 мА - вранье, общий ток вряд ли превысит 500-600 мА на все аккумуляторы (это ограничение заложено в схеме токоограничения MC34063). В принципе, можно его немного сдвинуть (сама микросхема может до 750 мА выдавать без опасности перегрева), но потянет ли это преобразователь 220-12 - неизвестно.

Насчет индикаторов - на них можно не смотреть. Они отключаются тупо по напряжению (1,42 В для NiMH и 1,80 В для NiZn, и только для Li-ion при 4,20 В). 1,42 В и 1,80 В - это очень мало, фактически, аккумуляторы при этом заряжены, от силы, наполовину. Даже когда индикаторы погасли, аккумуляторы продолжают заряжаться как ни в чем не бывало. Для полной зарядки пары AA NiZn аккумуляторов надо часов 20 (после доработки время снижается примерно до 10 часов), более точно можно определить мультиметром (напряжение на аккумуляторе достигнет 1,85-1,86 В).

Итог: NiZn аккумуляторы достаточно интересны, хотя и могут оказаться неподходящими для определенной техники (не рекомендую использовать их в устройствах, работающих от 2 аккумуляторов - в них может стоять повышающий преобразователь, который не может выдать напряжение ниже, чем на входе, а 3,7 В может оказаться слишком много для микросхем, рассчитанных на 3,3 В). Зарядка же - конструктор для любителя. После доработки годится для зарядки нечетного количества NiZn аккумуляторов (нормальные ЗУ их, обычно, только парами заряжают).

Уже год как появились на одном многими используемом модельном сайте(магазине) никель-цинковые аккумуляторы.

По размерам - они с пальчиковые (или АА)

По напряжению - Номинальное - 1,6Вольт.

Что ни говори, но аккумуляторы - металлгидриды с их номинальными напряжениями в 1,2Вольта - уже не так интересно выглядят. Ведь иногда именно напряжения не хватает в том же фонарике или приемнике. А тут - даже несвежезаряженный аккумулятор будет иметь напряжение как свеженькая батарейка. Надо оговориться, что емкость у данного типа аккумуляторов все-таки меньше, чем никель-металлгидрида такого же габарита. Но думаю, что это зачастую не требуется, так как мы все обычно не разряжаем все равно аккумуляторы "до упора", а подразумевается, что мы прилежно следим за эксплуатацией акков и вовремя ставим их на зарядку.

Начнем с мер безопасности.

Что говорит нам инструкция о мерах безопасности:

Внимание! Нарушение следующих правил эксплуатации может привести к повреждению Ni -Zn аккумулятора , взрыву, пожару и серьезным травмам!

Запрещено бросать Ni -Zn аккумулятор в огонь или подвергать нагреву !

Запрещено подвергать Ni -Zn

Не замыкайте контакты Ni -Zn аккумулятора напрямую без нагрузки.

Не кладите Ni -Zn аккумулятор на высоту более 1,5 метра на случай падения. Не бросайте его с высоты более 1,5 метра .

Используйте специальные токоизолирующие контейнеры для транспортировки и хранения .

Используйте зарядное устройство для зарядки специально предназначенное для Ni -Zn аккумуляторов .

Не разбирайте Ni -Zn аккумуляторы. Это приведет к внешним или внутренним коротким замыканием поврежденных частей, что приведет к химической реакции и затем к выделению тепла , взрыву, пожару или выбросу электролита.

Уже довольно - таки страшно и напоминает литий-полимеры...

И продолжим:

Не допускать контакта Ni -Zn аккумуляторов с водой, морской водой или другими реагентами окисления , которые могут вызвать ржавение и тепловыделение. Если батареи заржавеет, то аварийный клапан сброса давления может не сработать и это приведет к взрыву .

Не перезаряжайте Ni -Zn аккумуляторы, то есть не оставляйте аккумуляторы Ni -Zn , в зарядном устройстве после окончания времени зарядки . Если Ni -Zn аккумуляторы заряжаются не полностью данным типом зарядного устройства, пожалуйста, прекратите зарядку . Продолжительная зарядка может привести к нагреву и взрыву .

Не соединяйте более 20 шт аккумуляторов последовательно . Это может привести к утечке электролита , короткому замыканию или нагреву .

Не разбирайте Ni -Zn аккумулятор , так как это может привести приведет к короткому замыканию , утечке электролита, нагреву, возгоранию и взрыву.

Не используйте Ni -Zn батарей при обнаружении утечки электролита или любом изменении цвета аккумулятора, его формы или других видимых изменениях . В противном случае он может на греться, воспламениться или взорваться.

Держите Ni -Zn аккумуляторы и электронное оборудование, использующее Ni -Zn аккумуляторы вдали от детей, чтобы избежать проглатывания аккумуляторов ребенком.

Используйте только новые Ni -Zn аккумуляторы, когда аккумулятор уже произвел большое количество циклов заряда-разряда - утилизируйте аккумулятор .

Ничего себе - веселенькие аккумуляторы... Эдакая баночка со смесью тротила и цианистого калия....

Так как же заряжать эти Ni -Zn аккумуляторы?

Инструкция нам четко говорит, что мы должны заряжать аккумуляторы данного типа специальным зарядным для этих Ni -Zn аккумуляторов. И модельный магазин предлагает купить эти зарядные.

Вот так выглядит это зарядное - как обычное для пальчиковых аккумуляторов.

Согласитесь, не особо хочется тратить еще как минимум 10 долларов на то, чтобы приобрести нонейм зарядку и заряжать ею, в то время как уже куплена какая-нибудь интеллектуальная (компьютерная) зарядка, например, Accucel-6 и деньги на нее уже потрачены. Но ведь в ней нет режима зарядки Ni-Zn-аккумуляторов!!! Что же делать?

Выход достаточно прост. Производителем указано напряжение окончания зарядки на банку - это 1,9В. И емкость каждой банки 1500мАч.

Теперь мы можем перейти к способам заряда:

Первый.

Если зарядка позволяет ограничить в каком-то режиме напряжение заряда (Voltage Cut-Off) - просто устанавливаем значение этого ограничения (Voltage Cut-Off) исходя из 1,9В на банку(для двух банок это 3,8В, для трех - 5,7В итд.) Далее - используя этот режим - заряжаем аккумуляторы током0,5С-1С(С - это емкость аккумулятора), т.е. 750-1500мА (миллиампер).

Второй.

Этим способом пользуюсь я. У меня в моей турниге Accucel-6 нет ограничения по напряжению заряда(или я его не нашел), поэтому я пользуюсь ограничением по емкости. В меню настроек (USER SET PROGRAM -->) есть пункт Capacity Cut-Off. У многих (и у меня так было) этот пункт выставлен в OFF. Надо его поставить в ON и выставить значение 1500mAh. А потом переходить в режим зарядки никель-металлгидридных (NiMh) или никель-кадмиевых (NiCd) аккумуляторов и выставлять ток, как рекомендовано производителем - 0,5С-1С, т.е. это означает для данных аккумуляторов 750-1500мА (миллиампер). И в таком режиме заряжать. Некоторые пользователи на форумах поднимают установленную емкость в зарядных устройствах до 1900мАh, но это уже Вам принимать решение - как лучше распоряжаться своими аккумуляторами.

Третий.

Можно заряжать Ni-Zn-аккумуляторы используя режим для заряда LiFe аккумуляторов, но будьте внимательны - при этом режиме количество аккумуляторов Ni-Zn должно быть два на одну банку LiFe. Т.е, если в зарядном Вы выставляете 2 банки LiFe, то реально Вы должны подключить 4 последовательно соединенных Ni-Zn-аккумулятора, если в зарядном Вы выставляете 3 банки LiFe, то реально Вы должны подключить 6 последовательно соединенных Ni-Zn-аккумуляторов, если в зарядном Вы выставляете 1 банку LiFe, то реально Вы должны подключить 2 последовательно соединенных Ni-Zn-аккумулятора и т.д. И конечно же, мы (Вы) не можем использовать режимы балансировки данных аккумуляторов. Минус этого способа заряда - Voltage Cut-Off для каждой банки Ni-Zn-аккумулятора наступит при 1,8В, что меньше на 0,1В, чем стандартное значение отсечки для Ni-Zn-аккумуляторов, а следовательно - аккумуляторы не возьмут полный заряд.

Думаю, что если пару циклов заряда Вы пронаблюдаете за своими аккумуляторами и сделаете анализ происходящего - Вы сами определитесь - какой способ заряда использовать или какую же емкость ставить для аккумулятора, чтобы он взял полный заряд.

Внимание! Вся информация, описанная в данной статье - не является ни официальной инструкцией, ни руководством по эксплуатации. Она лишь выражает мнение автора. За любые действия и последствия, которые Вы произведете, почерпнув информацию из этой статьи - автор данной статьи ответственность не несет. Все свои дальнейшие действия Вы совершаете на свой страх и риск...

В течение целых пятидесяти лет портативные устройства для автономной работы могли полагаться исключительно на никель-кадмиевые источники питания. Но кадмий очень токсичный материал, и в 1990-х на смену никель-кадмиевой технологии пришла более экологичная никель-металл-гидридная. По сути эти технологии очень схожи, и большинство характеристик никель-кадмиевых аккумуляторов передались по наследству никель-металл-гидридным. Но тем не менее, для некоторых применений никель-кадмиевые аккумуляторы остаются незаменимыми и используются по сей день.

1. Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd)

Изобретенный Вальдмаром Юнгнером в 1899 году, никель-кадмиевый аккумулятор имел несколько преимуществ по сравнению со свинцово-кислотным, единственным существовавшим тогда аккумулятором, однако был более дорогим из-за стоимости материалов. Развитие этой технологии было довольно медленным, но в 1932 году был сделан значительный прорыв - в качестве электрода стал использоваться пористый материал с активным веществом внутри. Дальнейшее усовершенствование было сделано в 1947 году и решило проблему газопоглощения, что позволило создать современную герметичную необслуживаемую никель-кадмиевую батарею.

На протяжении многих лет именно NiCd батареи служили в качестве источников питания для двухсторонних радиостанций, экстренной медицинской техники, профессиональных видеокамер и электроинструмента. В конце 1980-х были разработаны ультраемкие NiCd аккумуляторы, которые потрясли мир своей емкостью, на 60% превышающей показатель стандартной батареи. Это было достигнуто благодаря размещению большего количества активного вещества в батарее, но добавились и недостатки - повысилось внутреннее сопротивление и уменьшилось количество циклов заряда/разряда.

NiCd стандарт остается одним из самых надежных и непритязательных среди аккумуляторных батарей, и авиационная отрасль остается верной этой системе. Тем не менее, долговечность этих аккумуляторов зависит от надлежащего обслуживания. NiCd, и отчасти NiMH аккумуляторы, подвержены эффекту “памяти”, который приводит к потере емкости, если периодически не делать полный цикл разряда. При нарушении рекомендованного режима зарядки аккумулятор будто помнит, что в предыдущие циклы работы его емкость не была использована полностью, и при разряде отдает электроэнергию только до определенного уровня. (Смотрите: Как восстановить никелевый аккумулятор ). В таблице 1 перечислены преимущества и недостатки стандартного никель-кадмиевого аккумулятора.

Таблица 1: Преимущества и недостатки никель-кадмиевых батарей.

2. Никель-металл-гидридные аккумуляторы (NiMH)

Исследования никель-металл-гидридной технологии начались еще в 1967 году. Однако нестабильность металл-гидрида тормозила разработку, что в свою очередь привело к развитию никель-водородной (NiH) системы. Новые гидридные сплавы, обнаруженные в 1980-х, решили проблемы с безопасностью, и позволили создать аккумулятор с удельной энергоемкостью на 40% большей, чем у стандартного никель-кадмиевого.

Никель-металл-гидридные аккумуляторы не лишены недостатков. Например, их процесс зарядки более сложен, чем у NiCd. С саморазрядом в 20% за первые сутки и последующей ежемесячной в 10%, NiMH занимают одну из лидирующих позиций в своем классе. Модифицируя гидридный сплав, можно добиться снижения саморазряда и коррозии, но это добавит недостаток в виде уменьшения удельной энергоемкости. Но в случае использования в электротранспорте, эти модификации весьма полезны, так как повышают надежность и увеличивают срок службы батарей.

3. Использование в потребительском сегменте

NiMH батареи в данный момент являются одними из самых легкодоступных. Такие гиганты отрасли как Panasonic, Energizer, Duracell и Rayovac признали необходимость присутствия на рынке недорогого и долговечного аккумулятора, и предлагают никель-металл-гидридные источники питания разных типоразмеров, в частности АА и ААА. Производителями тратятся большие усилия, чтобы отвоевать часть рынка у щелочных батарей.

В этом сегменте рынка никель-металл-гидридные батареи являются альтернативой перезаряжаемым щелочным батареям , которые появились еще в 1990 году, но из-за ограниченного жизненного цикла и слабых нагрузочных характеристик не снискали успеха.

В таблице 2 сравниваются удельная энергоемкость, напряжение, саморазряд и время работы батареек и аккумуляторов потребительского сегмента. Представленные в АА, ААА и других типоразмерах, эти источники питания могут использоваться в портативных устройствах. Даже если у них может немного различается номинальный вольтаж, состояние разряда, как правило, наступает при одинаковом для всех фактическом значении напряжения в 1 В. Эта широта значений напряжения допустима, так как портативные устройства имеют некоторую гибкость в плане диапазона напряжений. Главное – необходимо вместе использовать только однотипные электрические элементы. Проблемы безопасности и несовместимость напряжения препятствуют развитию литий-ионных батарей в АА и ААА типоразмере.

Таблица 2: Сравнение различных батарей типоразмера АА.

* Eneloop является торговой маркой корпорации Sanyo, основанной на NiMH системе.

Высокий показатель саморазряда NiMH является причиной продолжающейся озабоченности потребителей. Фонарь или портативное устройство с батареей NiMH разрядится, если не пользоваться им несколько недель. Предложение заряжать устройство перед каждым использованием навряд ли найдет понимание, особенно в случае с фонарями, которые позиционируются как источники резервного освещения. Преимущество щелочной батареи со сроком хранения в 10 лет тут видится бесспорным.

В никель-металл-гидридной батарее от Panasonic и Sanyo под торговой маркой Eneloop удалось значительно уменьшить саморазряд. Eneloop может храниться без подзарядки в шесть раз дольше чем обычная NiMH. Но недостатком такой улучшенной батареи является немного меньшая удельная энергоемкость.

В таблице 3 приведены преимущества и недостатки никель-металл-гидридной электрохимической системы. В таблице не учтены характеристики Eneloop и других потребительских торговых марок.

Таблица 3: Преимущества и недостатки NiMH батарей.

4. Железо-никелевые аккумуляторы (NiFe)

После изобретения в 1899 году никель-кадмиевого аккумулятора шведский инженер Вальдмар Юнгнер продолжил исследования и пытался заменить дорогой кадмий более дешевым железом. Но низкая эффективность заряда и чрезмерное газообразование водорода заставили его отказаться от дальнейшего развития NiFe батареи. Он даже не стал патентовать эту технологию.

Железо-никелевый аккумулятор (NiFe) использует в качестве катода гидрат окиси никеля, анода - железо, а электролита - водный раствор гидроксида калия. Ячейка такого аккумулятора генерирует напряжение в 1,2 В. NiFe устойчив к излишнему перезаряду и глубокому разряду; может эксплуатироваться в качестве резервного источника питания в течение более чем 20 лет. Устойчивость к вибрациям и высоким температурам сделали этот аккумулятор самым используемым в горной промышленности в Европе; также он нашел свое применение для обеспечения питания железнодорожной сигнализации, также используется как тяговой аккумулятор для погрузчиков. Можно отметить, что во время Второй мировой войны именно железо-никелевые батареи использовались в немецкой ракете “Фау-2”.

NiFe имеет низкую удельную мощность - примерно 50 Вт/кг. Также к недостаткам стоит отнести плохую производительность при низких температурах и высокий показатель саморазряда (20-40 процентов в месяц). Именно это, вкупе с высокой стоимостью производства, побуждает производителей оставаться верными свинцово-кислотным батареям.

Но железо-никелевая электрохимическая система активно развивается и в недалеком будущем способна стать альтернативой свинцово-кислотной в некоторых отраслях. Перспективно выглядят экспериментальная модель ламельной конструкции, в ней удалось снизить саморазряд аккумулятора, он стал практически невосприимчив к пагубному воздействию пере- и недозарядки, а его срок службы ожидается на уровне 50 лет, что сопоставимо с 12-летним сроком службы свинцово-кислотной батареи в режиме работы при глубоких циклических разрядах. Ожидаемая цена такой NiFe батареи будет сравнима с ценой литий-ионной, и всего в четыре раза превышать цену свинцово-кислотной.

NiFe аккумуляторы, равно как и NiCd и NiMH , требуют особых правил зарядки - кривая напряжения имеет синусоидальную форму. Соответственно, использовать зарядное устройство для свинцово-кислотного или литий-ионного аккумулятора не выйдет, это даже может навредить. Как и все батареи на основе никеля, NiFe боятся перезаряда - он вызывает разложение воды в электролите и приводит к ее потере.

Сниженную в результате неправильной эксплуатации емкость такого аккумулятора можно восстановить путем приложения высоких токов разрядки (соразмерных значению емкости аккумулятора). Данную процедуру необходимо проводить до трех раз с длительностью периода разряда в 30 минут. Также следует следить за температурой электролита - она не должна превышать 46°С.

5. Никель-цинковые аккумуляторы (NiZn)

Никель-цинковый аккумулятор похож на никель-кадмиевый тем, что использует щелочной электролит и никелевый электрод, но отличается по напряжению - NiZn обеспечивает 1,65 В на ячейку, в то время как NiCd и NiMH имеют показатель в 1,20 В на ячейку. Заряжать NiZn аккумулятор необходимо постоянным током с значением напряжения 1,9 В на ячейку, также стоит помнить, что этот вид аккумуляторов не рассчитан для работы в режиме подзарядки. Удельная энергоемкость составляет 100Вт/кг, а количество возможных циклов - 200-300 раз. NiZn не имеет в своем составе токсичных материалов и может быть легко утилизирован. Выпускается в различных типоразмерах, в том числе в АА.

В 1901 году Томас Эдисон получил патент США на перезаряжаемую никель-цинковую батарею. Позже его разработки были усовершенствованны ирландским химиком Джеймсом Драммом, который установил эти аккумуляторы на автомотрисы, которые курсировали по маршруту Дублин-Брей с 1932 по 1948 год. NiZn не получил должного развития из-за сильного саморазряда и короткого жизненного цикла, вызванного образованиями дендритов, что также часто приводило к короткому замыканию. Но совершенствование состава электролита уменьшило эту проблему, что дало повод снова рассматривать NiZn для коммерческого использования. Низкая стоимость, высокая выходная мощность и широкий диапазон рабочих температур делают эту электрохимическую систему крайне привлекательной.

6. Никель-водородные аккумуляторы (NiH)

Когда в 1967 началась разработка никель-металл-гидридных батарей, исследователи столкнулись с нестабильностью гидритов металла, что вызвало сдвиг в сторону развития никель-водородного (NiH) аккумулятора. Ячейка такого аккумулятора включает в себя инкапсулированный в сосуд электролит, никелевый и водородный (водород заключен в стальной баллон под давлением в 8207 бар) электроды.

Простое зарядное устройство для никель-цинковых аккумуляторов на TP4056

Эксперимент по эксплуатации никель-цинковых аккумуляторов , начатый в прошлом году, привёл к поиску зарядного устройства. Первая зарядка была произведена вообще от блока питания. Соединив элементы последовательно в готовом китайском держателе , на них было подано напряжение 3,8 вольт согласно рекомендациям заряжать напряжением 1,9 вольт каждый. Окончание заряда отслеживалось по падению зарядного тока.

В дальнейшем мы придумали универсальное зарядное устройство на микроконтроллере, прототип которого описан . Им можно заряжать любые аккумуляторы, от привычных никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных до литиевых и даже свинцовых. Параллельно при этом ведётся подсчёт залитых миллиампер-часов, а для тестирования и восстановления есть режим разряда с аналогичным подсчётом. Это заметно упростило процесс, но как-то понадобилось заряжать ещё один комплект Ni-Zn, а собирать ещё одно универсальное зарядное устройство было лень, тем более, что требовался просто заряд без особого контроля и мониторнига.

Сразу закрались мысли, нельзя ли как-то переделать популярный китайский модуль зарядки лития на микросхеме TP4056 ? Разница в напряжении - 0,4 вольта. Но у TP4056 нет отдельного входа для слежения за напряжением, всё это находится внутри микросхемы. Поэтому подумалось, нельзя ли лишние доли вольта как-то погасить? Для подобных вещей часто используют диоды с их падением напряжения. Этот параметр также называется прямым напряжением диода и приводится в даташите в виде графика вольтамперной характеристики. Изучив эти графики, стало понятно, что нужным падением напряжения обладают лишь диоды Шоттки: на малых токах оно как раз находится в районе 0,4 вольт.

Для проверки мы выбрали диод 1N5818, подключив его последовательно с заряжаемыми аккумуляторами. В китайском модуле был заменён токозадающий резистор с 1,2 кОм на 2,55 кОм для тока в районе 500 мА. Идея частично сработала, но на малом токе - 50мА в конце зарядки - аккумулятор стоял слишком долго - более 2 часов, а до полного заряда не хватало всего 0,5В. Если ещё подержать, то, вероятно, через некоторое время аккумуляторы зарядятся полностью, и такой режим дозаряда даже скорее всего правильный. Напряжение на двух последовательно соединённых никель-цинковых аккумуляторах должно составлять 3,8 вольт, что соответствует 1,9 вольт на аккумулятор. После этого им следует дать "отлежаться", пока напряжение не опустится до 1,6 вольт, и можно пользоваться.

Полученное таким образом зарядное устройство является, по-видимому, самым простым и наиболее дешёвым вариантом с приличной функциональностью. Готовые зарядки для NiZn на Али, например, стоят соответственно самим аккумуляторам. А если применённый здесь модуль дополнить популярным USB-тестером, то получится ещё более функциональное зарядное устройство.

На модуле с