Сегодня батарейки это такой же продукт первой необходимости, как и зубная паста или салфетки, без них не будет работать пульт, ночник, фонарик, калькулятор, часы и многое другое. Если вы сейчас сядете и посчитаете, сколько же приборов питается от этих маленьких элементов, то возможно удивитесь, практически половине устройств необходимо покупать батарейки. Как часто придется менять, зависит от грамотного подхода к выбору батареек. Почему элементы питания одной фирмы работают месяц, а другой пол года? Дело даже не в цене. Как правило, в магазине покупатель первым делом смотрит на форму и размер, может еще и на производителя. Лишь единицы подбирают батарейки по химическому составу, напряжению, емкости, проверяют сроки годности.

Что такое батарейка и когда она появилась?

Батарейка (она же гальванический элемент) – это источник электроэнергии, который действует на основе химических взаимодействий определенных веществ между собой. Первый химический элемент питания был изобретен Луиджи Гальвани. Точнее Гальвани первооткрыватель процесса, причем совершенно случайный. Ученый проводил опыты над лягушкой и когда он подсоединил к ее лапке две полоски разных металлов, то обнаружил протекание тока между ними.
Открытие Гальвани послужило толчком для другого ученого - Алессандро Вольта, который докопался до истины и дал развитие научной находке. В дальнейшем инициативу по усовершенствованию элементов питания подхватили компании, первой из которых была Eveready. Реализуемая компанией продукция лишь отдаленно напоминала современные виды элементов питания, основными действующими веществами были марганец и цинк. Предназначались первые батарейки для радиоприемников, в дальнейшем электропитание на основе химического взаимодействия распространилось в машиностроительной отрасли.

В 1920 годах на рынок выходит всем известная компания Duracell. Приборы с питанием от батареек распространялись все шире, производство росло в геометрической прогрессии. Первая батарейка Duracell изготавливалась из цинкового корпуса с графитным электродом и латунным колпачком. Заполнена она была оксидом марганца, стенки цинкового корпуса изнутри покрывали электролитом. Латунный колпачек был положительным, а донышко цинкового корпуса отрицательным полюсом. Такие батарейки выпускались вплоть до развала СССР. Но ввиду своих недостатков: малого срока службы, не безопасной конструкции они быстро ушли в прошлое. На смену старому образцу пришли современные элементы питания с долгим сроком жизни, безопасной конструкцией и высокой емкостью.

Современные виды батареек

В зависимости от состава и активных компонентов батарейки можно разделить на группы. У каждой группы есть плюсы и минусы.
- Солевые батарейки. Самый бюджетный вид элементов питания, характеризуются низкой отдачей тока, коротким сроком службы и хранения. При низких температурах емкость уменьшается намного быстрее. Устройство солевых батареек не далеко ушло от первых образцов компании Duracell. Электроды выполнены из оксида марганца, цинка и соединены между собой солевым мостом. Но несмотря на все недостатки потребители по-прежнему покупают солевые батарейки в больших количествах. Лучший способ применения для солевых гальванических элементов это приборы с низким потреблением: часы, пульты дистанционного управления, весы. Если солевую батарейку оставить в приборе и долго не использовать велика вероятность что она потечет. Связанно это с протеканием химических реакции, на последней стадии разряда характерно повышение активной массы положительного электрода, из-за чего увеличивается давление на электролит. Параллельно протекают процессы разложения диоксида марганца и коррозии цинка, что влечет за собой выделение кислорода и водорода, объем и давление внутри батарейки повышаются.

- Щелочные (алкалайновые) батарейки. Универсальные как по цене, так и по сроку службы батарейки, занимающие большую долю рынка. В качестве электролита используется гидроксид калия, от чего у батареек такое название. Щелочные батарейки хранятся до пяти лет, имеют большую емкость, чем предшественники. У данного вида снижены риски протечки, долгая работоспособность при низких температурах и минимальная скорость саморазряда. Маркируются щелочные элементы питания надписью ALKALINE, что в переводе с английского значит щелочные. Рекомендуются для использования в приборах с умеренной нагрузкой, таких как: детские игрушки, ночники, радио, пульты ДУ и т.п.

- Литиевые батарейки. Появились сравнительно недавно, находятся выше по ценовой категории. С развитием всевозможных гаджетов и портативных устройств начал расти спрос на элементы питания, выдерживающие интенсивное потребление тока в длительный промежуток времени. Литиевые батарейки отвечают всем требованиям потребителя: долгий срок хранения и службы, устойчивость к температурам (высоким и низким), легкие по весу, не протекают. Следует отметить, литиевые батарейки обладают постоянным напряжением и высокой энергоплотностью, которую не обеспечит ни один предшественник. Подходят для оборудования с высоким энергопотреблением: фонари, вспышки, фотоаппараты, портативные колонки. Маркируются надписью на корпусе «Lithium».

Довольно редко встречаются ртутные и серебряные элементы питания, хотя по своим свойствам они схожи и мало чем уступают литиевым.
Недостатками ртутных элементов питания считается небезопасность использования при повреждении целостности конструкции, сложности с утилизацией.

Типоразмеры батареек

Батарейки отличаются не только размерами, но формой, одни распространены и широко известны (АА, ААА), другие приходится долго искать по магазинам. Несмотря на изобилие форм, все батарейки имеют классификацию согласно стандартам. Привычные на слух названия размеров АА, ААА, С, D принадлежат американскому стандарту.
Существуют и другие системы классификаций элементов питания: международные, национальные. В России размеры батареек регламентированы согласно ГОСТу, но данный вид маркировки не на слуху и мало кто из молодежи им пользуется.

АА (пальчиковые или R6/LR6) – цилиндрические тонкие батарейки, используются в пультах ДУ, часах, игрушках, фонарях и другой мелкой технике. Обозначение R6 говорит о размерности батарейки, а приставка L вносит ясность, что элемент щелочной.

ААА (мизинчиковые или R03/LR03) – цилиндрические батарейки, тоньше элементов АА, но могут применяться в тех же приборах.

С (R14/LR14) и D (R20/LR20) – похожие по форме и размеру элементы, по сравнению с АА и ААА очень громоздкие и тяжелые. Сегодня производители редко прибегают к установке данных элементов питания, так как размеры гаджетов становятся все меньше и компактнее, батарейки соответственно тоже.

Крона (6F22 / 6LR61) – данный элемент питания отличается от предыдущих размерами, формой и самым высоким напряжением 9V. Контакты батарейки находятся с одной стороны. Применяется в современных приборах крайне редко.

К отдельной категории следует отнести миниатюрные элементы питания, выполненные в виде «таблетки». Они имеют собственную обширную маркировку и классификацию, отличаются по диаметру, высоте, емкости, химическому составу.

Важные особенности

- Саморазряд. Это потеря емкости батареи за период хранения, поэтому у каждого элемента питания есть срок годности. За время хранения (без использования) батарейки емкость может сократиться до 30%, так же многое зависит от температуры хранения. Происходит это из-за медленного протекания химических процессов внутри батарейки, т.е. процесс протекает все время, просто в рабочем режиме химические реакции проходят быстрее, а в состояние покоя медленнее. Когда покупаете батарейки, обязательно смотрите на дату производства, чем она свежее, тем больше емкость соответствует заявленной.

- Напряжение. В зависимости от вида и типа батарейки варьируется напряжение, которое она обеспечивает. Стандартное напряжение бюджетных элементов питания 1,5V, литиевые батарейки обеспечивают напряжение в 3V. Самым мощным элементом питания следует считать Крону, напряжение составляет 9V.

- Емкость. Показатель, определяющий количество «электричества» с батарейке, срок службы элемента питания напрямую зависит от емкости. Как рассчитать время выработки батарейки?

Для расчета важно знать два параметра: заряд и потребляемый ток. Допустим заряд батарейки 3 Ач и установлена она в устройство с потреблением тока 250 мАч (0,25Ач), рассчитываем сколько часов проработает батарейка: 3 Ач / 0,25 Ач = 12 часов.
Фактический срок службы может не совпадать с рассчетным по ряду причин:
Температура внешней среды
Саморазряд
Режимы использования
Ток отсечки

Подводим итоги

Многие производители указывают на упаковке для каких устройств подходит элемент питания. Но что делать, если область применения не указана? Подбираем батарейку в зависимости от целей использования:
- Солевые элементы питания нет смысла устанавливать в приборы, выдающие высокую мощность: профессиональные фонари, вспышки фотоаппаратов. В приборах со средними нагрузками солевые элементы питания тоже прослужат недолго. Все дело в маленькой емкости, всего 600-700 мАч.
- Щелочные батарейки так же не подойдут для мощных осветительных приборов, но долго прослужат во всех остальных гаджетах, начиная от музыкальной колонки и заканчивая детским паровозиком.
- Литиевые элементы питания подойдут абсолютно для любого устройства, но не всегда имеет смысл покупать дорогостоящий элемент. Оптимальный выбор для приборов частого использования.

Важно: просто выбросить отработанную батарейку в мусорное ведро не правильно!
На упаковке или корпусе всегда присутствует обозначение -не выбрасывать вместе с бытовым мусором. Если в вашем городе есть пункт приема, то не поленитесь сделать мир чуточку чище.

В наше время батарейки являются самыми распространёнными источниками питания для электроники и мелкой техники. Необходимость их замены возникает довольно часто. Для того чтобы сделать оптимальный выбор при покупке нового гальванического элемента, следует обращать внимание не только на размеры батареек и наименование производителя. В этой статье найдутся ответы на следующие вопросы: какой формы бывают эти источники питания? Какими бывают по размеру? Как маркируются гальванические элементы и на что нужно обратить внимание при покупке, чтобы источник питания прослужил долго?

Виды батареек

Классификация батареек осуществляется в зависимости от материалов, из которых изготовлены их активные компоненты: анод, катод и электролит.

Существует пять видов современных источников питания:

• солевые,
• щелочные,
• ртутные,
• серебряные,
• литиевые.

Типы батареек по размеру будут перечислены ниже. А сейчас подробно рассмотрим каждый из указанных классов гальванических элементов.

Солевые батарейки

Солевые батарейки были созданы во второй половине двадцатого столетия. Они пришли на смену существовавшим ранее марганцево-цинковым источникам питания. Размеры батареек не изменились, а вот технология изготовления этих гальванических элементов стала другой. В солевых источниках питания в качестве электролита используется раствор хлорида аммония. В нём размещены электроды, изготовленные из цинка и оксида марганца. Соединение между отдельными электролитами осуществляется при помощи солевого моста.

Основным достоинством таких батареек является их низкая стоимость. Эти гальванические элементы питания самые дешёвые среди всех существующих.

Недостатки солевых батареек:

• в период разряда существенно снижается напряжение;
• срок хранения мал и составляет всего 2 года;
• к концу гарантированного срока хранения ёмкость снижается на 30-40 процентов;
• при низкой температуре ёмкость уменьшается практически до нуля.

Щелочные батарейки

Такие батарейки были изобретены в 1964 году. Ещё одно название этих источников питания - алкалайновые (от английского слова alkaline, что в переводе означает именно «щелочной»).

Электроды такой батарейки изготовлены из цинка и двуокиси марганца. В качестве электролита выступает щёлочь гидроксид калия.

На сегодняшний день именно эти батарейки являются самыми распространёнными, ведь они отлично подходят большинству электронных устройств.

Достоинства алкалайновых источников питания:

• обладают большей ёмкостью в сравнении с солевыми и, как следствие, более длительным сроком службы;
• могут работать при низкой температуре окружающей среды;
• обладают улучшенной герметичностью, то есть вероятность протечки снижена;
• имеют более длительный срок хранения, который составляет 5 лет;
• обладают сниженной скоростью саморазряда по сравнению с солевыми батарейками.

Недостатки щелочных источников питания:

• период разряда характеризуется постепенным снижением выходного напряжения;
• размеры батареек алкалайновых аналогичны параметрам солевых, а вот стоимость и масса щелочных источников питания выше.

Ртутные батарейки

В такой батарейке анод изготавливается из цинка, катод - из оксида ртути. Электроды разделены при помощи сепаратора и диафрагмы, которая пропитана 40% раствором гидроксида калия. Щёлочь здесь используется как электролит. Благодаря именно такому составу этот источник питания может работать как аккумулятор. Но при цикличной работе гальванический элемент деградирует, ёмкость его снижается.

Достоинства ртутных батареек:

• стабильное напряжение;
• высокие показатели ёмкости и плотности энергии;
• возможность работы как при высокой, так и при низкой температуре окружающей среды;
• длительный срок хранения, который составляет 10 лет.

Недостатки ртутных источников питания:

• высокая цена;
• возможность опасного воздействия паров ртути в случае разгерметизации;
• необходимость налаживания процесса сбора и утилизации.

Серебряные батарейки

В серебряной батарейке для производства анода используется цинк, для катода - оксид серебра. Электролитом выступает гидроксид натрия или калия.

• стабильность напряжения;
• наличие высоких показателей ёмкости и плотности энергии;
• невосприимчивость к температуре окружающей среды;
• длительный срок службы и хранения.

Недостатком таких батареек является их высокая стоимость.

Литиевые батарейки

В такой батарейке катод изготовлен из лития. Он отделён от анода с помощью сепаратора и диафрагмы, которая пропитана органическим электролитом.

Достоинства литиевых батареек:

• постоянное напряжение;
• высокая ёмкость и плотность энергии;
• независимость энергоёмкости от тока нагрузки;
• небольшая масса;
• длительный срок хранения, который составляет до 12 лет;
• невосприимчивость к перепадам температур.

К недостаткам литиевых батареек можно отнести лишь их дороговизну.

Как указано выше, источники питания имеют разный химический состав. Также существенно отличаются друг от друга формы и размеры батареек. Гальванические элементы имеют разную высоту, диаметр и напряжение. Рассмотрим классификацию батареек в соответствии с этими параметрами.

В зависимости от напряжения, высоты, диаметра и формы, источники питания можно определённым образом систематизировать. Одной из самых популярных систем классификации является американская. Она представлена на рисунке ниже. Такая стандартизация отличается удобством, её применяют во многих странах.

Согласно американской системе источники питания классифицируются следующим образом:

Название	Высота, мм	Диаметр, мм	Напряжение, В

Кроме класса, указанного в таблице, источники питания имеют и обиходное название, которое используется в народе. К примеру, размер сопоставим с размером человеческого пальца, поэтому «народное» название этого гальванического элемента - «пальчиковая» батарейка, или «два А». А вот источник питания C именуется в обиходе «дюймовочкой». Гальванический элемент D называют «бочкой». А размеры которой схожи с параметрами самого маленького пальца человека, не зря именуется «мизинчиковой», или «три А». Источник получил название «крона».

Также в электронике широко используются миниатюрные круглые батарейки, размеры и названия которых отличаются многообразием. Более подробная информация о серебристых «пилюлях» и классификация таких источников питания приведена ниже.

Батарейки «таблетки»: размеры и названия

Ещё одно название миниатюрной круглой батарейки - сухой элемент. Такие источники питания состоят из анода, выполненного из оксида серебра, цинкового катода и электролита. В качестве последнего выступает смесь солей, которая имеет пастообразную консистенцию.

Разные производители нередко присваивают таким источникам питания обозначения, которые отличаются от стандартных. Ниже приведена классификационная таблица, в которой указаны альтернативные названия и размеры часовых батареек.

Именно эти миниатюрные серебристые «таблетки» заставляют работать механизмы современных наручных часов. Когда приходит время заменить батарейку, можно столкнуться с вопросом, какой же источник питания подойдёт в этой ситуации? К примеру, если в часах использовался элемент 399, можно вместо него ставить миниатюрную батарейку, которая в зависимости от производителя может иметь названия V399, D399, LR57, LR57SW, LR927, LR927SW или L927E. Под такими наименованиями будет производиться «таблетка», высота которой составляет 2,6 миллиметров, а диаметр - 9,5.

Размер батареек - это не единственный параметр, на который следует обращать внимание при покупке источников питания. Для того чтобы научиться расшифровывать информацию, которая располагается на гальванических элементах, нужно ознакомиться с основными принципами их маркировки.

Маркировка батареек

Международной электротехнической комиссией (IEC) создана определённая система обозначений, согласно которой следует маркировать все батарейки. На корпусе источника питания должна быть указана информация о его энергоёмкости, составе, размере, классе и величине напряжения. На примере батарейки, изображённой ниже, рассмотрим подробнее все элементы маркировки.

Информация, указанная на источнике питания, свидетельствует о следующем:

• электрический заряд гальванического элемента составляет 15 А*ч;
• класс источника питания - AA, то есть это «пальчиковая» батарейка;
• напряжение составляет 1,5 Вольта.

А что означает надпись "LR6"? Это, собственно, и есть маркировка, которая даёт информацию о химическом составе и классе источника питания. Виды батареек имеют следующие буквенные обозначения:

• солевая - R;
• щелочная - LR;
• серебряная - SR;
• литиевая - CR.

Классы батареек обозначаются такими цифрами:

• D - 20;
• C - 14;
• AA - 6;
• AAA - 03;
• PP3 - 6/22.

Теперь можно расшифровать маркировку LR6 на приведённом рисунке. Буквы здесь обозначают, что это щелочной гальванический элемент, а цифра указывает размер «пальчиковой» батарейки, то есть указывает принадлежность источника питания к классу AA.

Сфера применения и особенности выбора батареек

В первую очередь следует отметить, что все гальванические элементы отвечают требованиям унификации, то есть потребитель без проблем может заменить источник питания одного производителя аналогичной батарейкой другого. Есть лишь одно предостережение: не следует использовать в одном устройстве источники тока, изготовленные разными фирмами или тем более относящиеся к разным видам. Это существенно снизит срок службы батареек.

При выборе источников питания нужно обратить внимание на упаковку. Нередко производитель указывает на ней устройства, в которых рекомендуется использовать именно эти батарейки. Если такая информация не предоставлена, советы, размещённые ниже, помогут сделать правильный выбор.

Солевые батарейки обладают малой ёмкостью в 0,6-0,8 А*ч и используются в устройствах с малым энергопотреблением. Это могут быть пульты дистанционного управления, термометры электронные, тестеры, весы напольные или кухонные. Также солевые элементы могут быть использованы как Размеры таких источников тока аналогичны соответствующим параметрам алкалайновых, однако области их применения существенно разнятся. Ведь если использовать солевые батарейки в устройствах с электродвигателем, фонариках или фотоаппаратах, то срок их службы может составить всего 20-30 минут. Такие гальванические элементы не рассчитаны на большие нагрузки.

Щелочные батарейки обладают достаточно большой ёмкостью в 1,5-3,2 А*ч. Это позволяет успешно использовать их в устройствах, которые имеют повышенное энергопотребление. К таким приспособлениям относятся цифровые фотоаппараты со вспышкой, фонарики, детские игрушки, офисные телефоны, компьютерные мышки и т. п. Батарейки, разработанные специально для фотоаппаратов, быстрее отдают энергию. Это положительно отражается на скорости работы камер. Если использовать алкалайновый источник питания в устройствах с небольшим энергопотреблением, то батарейки покажут отличный результат, их срок службы составит несколько лет.

Двадцать - тридцать лет назад ртутные батарейки широко использовались в таких устройствах, как кардиостимуляторы, слуховые аппараты, приспособления военного назначения. На сегодняшний день использование этих источников питания является ограниченным. Во многих странах запрещено производить и эксплуатировать такие гальванические элементы из-за того, что ртуть является токсичным веществом. В случае использования этих источников тока необходима организация их отдельного сбора и утилизация согласно требованиям безопасности.

Серебряные батарейки не получили массового распространения из-за высокой стоимости металла. Однако миниатюрные источники питания этого вида широко используются в наручных часах, материнских платах ноутбуков и компьютеров, слуховых аппаратах, музыкальных открытках, брелоках и прочих устройствах, где невозможно использовать батарейки большего размера.

Литиевые батарейки имеют более длительный срок службы в сравнении даже с лучшими алкалайновыми. Поэтому такие источники питания применяются в устройствах, которые обладают высоким энергопотреблением. Это может быть компьютерная и фототехника, медицинская аппаратура.

Заключение

Батарейка - изделие, которое, несмотря на свои небольшие размеры, может быть опасным. Нельзя разбирать источник питания, бросать его в огонь и, конечно, пытаться перезарядить. В сети можно отыскать советы о том, как подарить батарейке вторую жизнь. Не пытайтесь проводить такие эксперименты, ведь это может быть опасно.

При покупке новых батареек следует обращать внимание не только на производителя и подходящие размеры, но и на химический состав источников питания. Для этого нужно уметь читать маркировку. Правильно подобранные батарейки будут служить долго и качественно.

Практически каждый из нас сталкивается в своей жизни и гальваническими элементами, но далеко не каждому эта встрача оставляет приятные воспоминания. Чаще всего у обычного человека возникают следующие проблемы: батарейки почему-то работают слишком короткое время, тогда как ожидалось, что они будут работать намного дольше, они плохо держат напряжение, текут и портят аппаратуру. Виноватых обычно ищут где-то на стороне, редко допуская, что в случившимся есть доля собственной вины. Возможно батарейка «сдохла» потому, что ваш выбор был неверен. Возможно, вы просто не вполне четко представили себе ее способности и не знали, чего от таких элементов требовать. Возможно, в подобных условиях эксплуатации данная батарейка и обязанна вести себя именно так, как она себя повела.

Введение

Разные нагрузки требуют разных источников питания. Типичные примеры различных нагрузок для ХИТ (химических источников тока): фотоаппарат, часы и плеер. Современный автоматический фотоаппарат с автофокусировкой и со вспышкой требует большого, но кратковременного тока, а аудиоплеер наоборот предпочитает длительный ток разряда средней величины. Номинальная емкость инапряжение батарей для этих разных по типу потребления устройств могут быть одинаковыми, ноиз-за разного максимального разрядного тока для них должны применяться источники разных типов.

Электромеханические кварцевые или электронные часы могут в течение долгого времени потреблять от источника очень малый ток и работать годами. Оснащать их аккумулятором было бы неправильно, так как у него большой ток саморазряда и часы остановятся раньше чем через месяц, как бы мало они ни потребляли. Устанавливать дорогой щелочной элемент также не стоит - вполне подойдет и дешевый солевой.

Отсутствие знаний осложняет жизнь и приводит к неприятностям. Чтобы не совершать грубых ошибок в выборе источника питания и не попадать в нелепые ситуации, чтобы понимать, чего следует ожидать от работы ХИТ, необходимо познакомиться сих основными свойствами и различиями.

Основные характеристики

Все поставляемые ХИТ можно подразделить на две большие группы по их способности к повторному использованию. Элементы, запасы энергии вкоторых могут быть восстановлены путем заряда после того, как будет исчерпан начальный ресурс, принято называть аккумуляторами. Другая большая группа источников - одноразовые ХИТ, которые обычно в быту называют батарейками. Строго говоря, батареей следовало бы называть несколько соединенных особым образом гальванических элементов (такой прием часто применяется для повышения суммарного напряжения ХИТ или разрядного тока). В технике же принято называть «первичными» элементы, не подлежащие повторному использованию.

Первое, на что обычно обращает внимание покупатель - напряжение элемента. Следует различать рабочее напряжение элемента и напряжение наклеммах при отключенной нагрузке (его принято обозначать аббревиатурой НРЦ - напряжение разомкнутой цепи). На этикетке всегда указывается рабочее напряжение. Как правило, НРЦ выше или ниже рабочего, а разница иногда достигает нескольких десятых вольта. Выход батареи на рабочее напряжение при подключении нагрузки может быть протяженным во времени или быстрым, почти мгновенным. Особым образом ведут себя литиевые ХИТ после длительного хранения. Здесь порой наблюдается начальный провал напряжения, а затем постепенный выход параметра на нормальный уровень. Ряд напряжений, присущий ХИТ, таков: 1,2 В; 1,3 В; 1,5 В; 3 В; 3,6 В. Остальные значения (например, 4,5 В; 6 В; 9 В; 12 В) получают путем объединения элементов в батарею. Для специальных целей могут производиться батареи со специфическими значениями номинального напряжения.

Другой важной характеристикой ХИТ является электрическая емкость. Напомним, что под термином «номинальная электрическая емкость батареи», обычно измеряемой в ампер-часах, принято понимать количество энергии, которое способна выдавать батарея в виде электрического тока при 20°С и заданном напряжении на клеммах. (То есть, если говорят, что батарея имеет емкость, например,2 А·ч, то это означает, что она способна в течение 10 часов выдавать в нагрузку ток, равный 0,2 А (10x0,2 = 2). Или 200 часов по 10 мА. Или 1000 часов по 2мА.) Диапазон емкостей довольно широк и простирается от нескольких десятков миллиампер-часов у ХИТ для бытового и промышленного применения и до нескольких десятков тысяч ампер-часов в батареях для военных и космических нужд. В данной статье речь пойдет лишь о наиболее распространенных и популярных типах элементов.

Кроме уже приведенных двух важнейших характеристик, ХИТ различаются также повеличине максимально допустимого тока, который они способны отдавать в нагрузку. Поскольку нагрузка может иметь различную потребляемую мощность, необходимо внимательно отнестись к подбору батареи поданному параметру. Этот параметр важен, поскольку устройства, потребляющие при подключении большой ток, недолжны оснащаться теми же элементами, что и устройства, предназначенные для эксплуатации впродолжительном слаботочном режиме. На этикетке батареи данный параметр, как правило, отсутствует. Вместо него на солевых (угольно-цинковых) батарейках бывает написано что-нибудь вроде «Super Duty» (можно перевести как высокая мощность или супернагрузка) или «Super Heavy Duty» (сверхтяжелая, то есть очень большая нагрузка), но чаще всего встречаются элементы с надписью «General Purpose», что и естественно, поскольку надпись переводится как «общее применение» или «общее назначение». Элемент «Super Heavy Duty» мощнее остальных в своей группе, так как обладает максимальной емкостью и разрядным током. На щелочных батареях всегда пишут «Alkaline». О том, что следует из этого наименования, будет рассказано дальше, а пока скажем только, что при одинаковом конструктивном исполнении и равных с солевым элементом габаритах, алкалайновый обладает много большей емкостью. Внутри данной группы также существует деление на подгруппы по емкости и токам нагрузки.

Кроме величины разрядного тока имеет значение температурный диапазон, при котором будет эксплуатироваться ХИТ. Как известно, с понижением температуры энергоотдача большинства химических источников падает, а с возрастанием температуры сокращается время жизни батарей и увеличивается вероятность их полного разрушения. Однако разработаны и производятся специальные типы источников с диапазоном, расширенным в ту или иную сторону, и при выборе батареи следует обратить на это внимание.

Самое большое разнообразие характерно для конструкций химических батарей и их габаритных размеров. Выпускаются как крошечные, таблеточного вида элементы, так и источники сравнительно больших габаритов. При этом возможны, например, исполнения с тонкими сварными клеммами, приспособленные под пайку на плате. Применяются также пружинные зажимы или элементы с гибкими проводниками, приваренными к полюсам ХИТ.

По внешнему виду источника невозможно сделать однозначно правильный вывод о его характеристиках, поэтому на него наносится кодовое обозначение, несущее информацию о наиболее важных характеристиках. В некоторых западных странах еще жива старая система обозначений, в основе которой лежит геометрический размер элемента. Самым крупным из наиболее распространенных типов цилиндрических батарей является элемент, маркированный литерой D, затем в порядке убывания C, A, АА, ААА, АААА. Кроме целых значений возможны также промежуточные (дробные) величины: 1/3 AA, 2/3 AA, 1/2 AAA и т. д. (Такая система маркировки габаритных размеров характерна для «пальчиковых» элементов традиционных технологий. Для современных литиевых батарей чаще встречается не литерная, а цифровая система кодировки. Например, в обозначении xR34615 записаны размеры: диаметр 34мм, высота 61,5 мм, а код CR2032 означает, что батарейка имеет диаметр 20 мм и высоту 3,2 мм.) Таблица 1 содержит некоторые сведения по старой маркировке ХИТ.

Современный международный стандартизированный способ маркировки, применяемый при обозначении батарей, позволяет судить о них более квалифицированно и точно. В начале стоит символ, характеризующий состав элемента, за ним стоит символ, характеризующий геометрическую форму элемента, а далее - его размер. Буква R обозначает цилиндрическую форму элемента, а цифры, которые стоят в конце, означают порядковый номер в международной классификации батареек. Например, элемент 6F22 (у нас в стране он известен как батарейка «Крона») расшифровывается следующим образом: 6 - количество последовательно соединенных элементов напряжением по1,5В (в сумме дают 9 В), F (от Flat) - плоская батарея, 22 означает международный номер элементов, из которых собрана эта батарея. Сейчас эта система изменяется, и последние цифры, вероятно, будут содержать информацию о габаритных размерах батарейки.

Батарейки - бытовое название группы ХИТ, имеющих однократное применение ине подлежащих перезарядке, восстановлению заряда. В процессе разрядки, то есть извлечения электричества из элемента, анод, катод и электролит необратимо изменяются. Элементы не подлежат повторному использованию. Технологии производства батареек развиваются уже более сотни лет. За это время удалось найти оптимальные конструктивные решения. По этой причине они являются сравнительно дешевыми источниками электрической энергии. Основными типами батарей являются солевые, щелочные, литиевые и воздушно-цинковые ХИТ (перечислены не все, а лишь те группы элементов, которые пользуются самым высоким спросом).

«Сухие», или солевые элементы - это группа ХИТ, в которых электролит находится не в свободном жидком виде, а распределяется в гелеобразном или пастообразном состоянии по объему сепаратора, отделяющего анод от катода. Относительная «сухость» электродов дала наименование этим источникам электричества. Сухие угольно-цинковые элементы (марганцево-цинковые) являются самыми распространенными элементами. Они применяются при малых токах или прерывистых режимах работы. Номинальноенапряжение элемента составляет 1,5В. Эффективность использования элемента повышается по мере уменьшения тока разряда и введения перерывов, так как они могут «восстанавливаться» во время перерыва в работе. Врезультате периодического «отдыха» срок службы элемента продлевается. Это явление обусловлено постепенным выравниванием, разрушением локальных неоднородностей, возникающих в электролите впроцессе разряда. Важно помнить об этой особенности впроцессе использования, например, аудиоплеера. Два поочередно сменяемых комплекта батареек могут работать в2–3 раза дольше, чем работал бы каждый вотдельности врежиме «до полного износа». Конструктивно «сухие» батареи могут выполняться в цилиндрическом и прямоугольном виде, а также в форме плоского диска («таблетки»). Достоинством угольно-цинковых элементов является их относительно низкая стоимость, а к существенным недостаткам следует отнести значительное снижение напряжения при разряде, невысокую удельную мощность (5–10Вт/кг) и малый срок хранения. Низкие температуры снижают эффективность использования гальванических элементов. Разогрев батареи может повысить ее эффективность, но может привести к быстрому высыханию электролита и,как следствие, кполному отказу. Таблица2 содержит сведения о некоторых типах солевых батареек компании Energizer.

Щелочные батареи - химические источники, в которых в качестве электролита используются щелочи. Другое их название - алкалайновые батареи (от английского alkaline - щелочь). Это наиболее современный иперспективный тип батарей. Они отличаются существенно большей электрической емкостью, превышающей емкость солевых элементов в 3–5 раз (самые современные элементы, в составе электролита которых присутствуют соли титана, имеют еще большую емкость и низкое внутреннее сопротивление). Напряжение щелочных элементов всего лишь на 0,1В меньше, чем у солевых угольно-цинковых и поэтому эти элементы взаимозаменяемы. Напряжение элементов со щелочным электролитом в процессе разряда понижается меньше, чем у солевых элементов, асрок их хранения значительно больше. Улучших образцов он может достигать 5 лет, поскольку токи саморазряда у них очень малы. Данная группа ХИТ характеризуется повышенным нагрузочным током иможет применяться для питания устройств со средним и высоким потреблением. Важное отличие этих элементов - герметичность исполнения, достигаемая благодаря отсутствию газовыделения при разряде. Этосвойство позволяет использовать их без риска испортить аппаратуру вытекающим солевым раствором. В таблице3 приведены характеристики батареек фирмы Energizer одной из самых распространенных серий Eveready.

Еще один перспективный тип батарей - воздушно-цинковые ХИТ. Они отличаются большой емкостью и экологической чистотой применяемых компонентов. Их электрическая емкость в несколько раз больше емкости щелочных источников. Номинальное напряжение на клеммах - 1,3В, в батареях 2,6В и выше. Один из расходуемых реагентов - атмосферный кислород, участвующий в реакции окисления цинка. Источники производятся либо в виде готовых к эксплуатации элементов, в которых перед началом работы следует лишь удалить со специального отверстия герметизирующую пленку, препятствующую проникновению кислорода внутрь батареи, либо в виде резервных элементов питания, которые активируются путем заливки внутрь небольшого количества воды. Первая разновидность давно завоевала прочные позиции как элемент питания слухового аппарата для слабослышащих, и достойной замены ей пока не видно. Последний тип часто применяется в качестве источника питания для аварийно-спасательных огней, а также в бакенах и т. п. устройствах. Хорошее применение этим источникам нашла корпорация Electric Fuel. Представьте себе ситуацию, когда вы отправляетесь в места, где у вас не будет возможности произвести подзарядку аккумулятора автономного прибора, например, спутникового мобильного телефона - в горы, в лес, в тундру. Здесь пригодится воздушно-цинковая батарея большой емкости. Она легко сопрягается саппаратом, так как специально изготовлена для этих целей. Ее емкости должно хватить на срок эксплуатации аппарата, вдвое превышающий период работы от аккумулятора, после чего ее можно выбросить и заменить новой.

В неактивированном виде данные элементы могут храниться в течение многих лет, нозапущенные в эксплуатацию воздушноцинковые источники теряют энергию даже при отсутствии нагрузки, посколку химическая реакция между компонентами безостановочно продолжается, сокращая количество полезных веществ. Это свойство - основной недостаток воздушно-цинковых элементов.

Литиевые батареи - химические источники, в которых в качестве анода используется металлический литий - один из самых химически активных металлов. Литий - самый легкий из всех металлов, имеет самый большой электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность энергии. Активность лития очень осложняет технологические процессы изготовления и предъявляет жесточайшие требования к герметичности источника тока, что в конечном итоге сказывается на стоимости данных ХИТ.

Под названием «литиевые батареи» скрывается целая серия источников с различной химической начинкой:

• литий - тионилхлорид (Li/SOCl 2);
• литий - диоксид серы (Li/SO 2);
• литий - диоксид марганца (Li/MnO 2).

Каждый из видов имеет свои особенности, но если говорить о качествах всей группы в целом, то данные элементы, обладая большой энергетической мощностью, в силу технологических особенностей предпочитают работу с нагрузками, потребляющими относительно небольшой (или средний) разрядный ток. Возможно,по этой причине, а также из-за стоимостных параметров, они не смогли вытеснить с рынка щелочные батареи. Наиболее изученый и технологически отработаный тип литиевых батарей - элементы на основе системы литий - диоксид марганца (Li/MnO 2), поэтому они из всей группы самые доступные по цене. Батареи Li/SOCl 2 характеризуются самым высоким выходным напряжением (3,6В), самым широким диапазоном температур (–55…+85°С), очень малыми токами саморазряда (сроки хранения элементов - свыше 10 лет) и небольшим типовым током разряда. Батареи с таким типом электролита «не любят» высоких температур. Поскольку при значительных токах разряда на внутреннем сопротивлении батареи может выделяться тепло в пределах, превышающих допустимый уровень, товконструкцию элемента вводят предохранитель-ограничитель тока (терморезистор), недопускающий токовых перегрузок. Однако существуют специальные серии таких элементов, способные выдавать повышенные токи разряда и нормально работать при высоких температурах. Достичь этого удалось благодаря специальной конструкции цилиндрического корпуса, препятствующей проникновению влажных паров снаружи, ноне мешающей выходу газов.

Примерно такие же ограничения имеет следующая серия - батареи на основе Li/SO 2 , которые также критичны к высоким температурам и тоже не допускают сильноточного разряда, но имеют меньшее рабочее напряжение (3,0В). Исторически это более ранний тип продукции. Они также выпускаются в герметичном исполнении.

Рисунок 2 показывает относительное положение некоторых типов батареек в многообразном мире ХИТ. Таблица 4 обобщает основные свойства первичных элементов.

В таблице 5 приведены характеристики литий-ионных батарей, изготавливаемых одним из крупнейших мировых производителей - французской компанией SAFT.

Осенью 2003 года на выставке в Санкт-Петербурге на одном из стендов можно было ознакомиться с образцами продукции китайской компании ЕЕМВ и получить их фирменный каталог. В таблице 6 приведены данные, взятые из этого каталога. Они относятся к энергоемким батарейкам, аналогичным французским (Li-SoCl 2). Как видно по приводимым параметрам, производители из Юго-Восточной Азии лишь немного уступают в качестве продукции своим именитым европейским конкурентам.

Примечание:

1. * - Повторнократковременный или продолжительный, очень малого потребления;
2. * - Малого и среднего потребления, продолжительный;
3. * - Высокое потребление

Аккумуляторы или «вторичные» элементы - это ХИТ, которые могут использоваться неоднократно, то есть могут быть разряжены, а затем вновь заряжены для повторного использования. Нужно сказать, что некоторые типы щелочных батареек также могут перезаряжаться, но, несмотря на это свойство, к категории аккумуляторов их не относят. (В радиолюбительской литературе можно найти схемы зарядных устройств и рекомендации по выбору режима заряда. Однако поскольку восстановление заряда у первичных элементов - действие, не предусмотренное технологией, не гарантирующее полного возврата к первоначальным параметрам, то обсуждаться здесь оно не будет, ноупомянуть отакой возможности все же следовало.) Принято считать, что настоящими вторичными ХИТ являются только те, которые способны выдерживать не менее 300 циклов заряда-разряда. Сегодня практически на все типы аккумуляторов гарантируется не менее 500 циклов (перезаряжаемые же батарейки выдерживают в лучшем случае 30 циклов).

Общие характеристики. Так же, как и батарейки, аккумуляторы различаются по величине электрической емкости, которая, в общем случае, немного меньше емкости первичных элементов. У вторичных источников ток саморазряда имеет заметно бoльшую величину, чем у батареек. По этой причине аккумулятор теряет свою полезную энергию быстрее даже при отключенной нагрузке. Так, например, для исправных Ni-Cd аккумуляторов считается допустимым саморазряд в10% в течение первых 24 часов после окончания заряда, для Ni-MH - немного больше, а для Li-ion суточный разряд пренебрежимо мал и оценивается только за месяц (около 12%). Другая важная характеристика - срок службы (срок эксплуатации) аккумулятора. Его принято оценивать по тому количеству циклов заряда-разряда, которое он выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих основных параметров. Срок службы зависит от многих факторов: методов заряда, глубины разряда, процедуры обслуживания или его отсутствия, температуры и химической природы аккумулятора. Кроме того, он определяется временем, прошедшим со дня изготовления, что особенно важно для Li-ion аккумуляторов. Аккумулятор, как правило, считается вышедшим из строя после уменьшения его емкости до 60–80% от номинального значения. Еще одна уже знакомая характеристика - рабочий температурный диапазон. У аккумуляторов он, как правило, уже, чем упервичных элементов. Следующая особая черта - режим заряда ХИТ и допустимость перезарядки (избыточного заряда). Некоторые типы аккумуляторов не допускают проведения заряда ускоренным методом (путем подачи большого зарядного тока), другие - допускают, позволяя, таким образом, сократить время пребывания в состоянии «временной нетрудоспособности». В последнем варианте в предельном случае ток заряда может равняться полной токовой емкости батареи. Например, аккумуляторная батарея емкостью 650 мА·ч может быть заряжена током в 650 мА всего за 1 час (стандартный ток заряда никелевых ХИТ равен 10% емкости батареи, и процесс заряда длится чуть больше 10 часов). Режим ускоренного заряда требует внимательного контроля состояния ХИТ, так как может произойти необратимое нарушение баланса реагентов и целостности конструкции, вызванное высокими внутренними температурами и избыточным зарядом.

Наиболее популярными аккумуляторами, применяемыми для питания электронных приборов, являются ХИТ следующих типов: никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-металлгидридные (Ni-MH) и литий-ионные.

Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы имеют напряжение питания 1,2 В и способны выдерживать свыше 1000 циклов заряда-разряда. ХИТ данной группы допускают эксплуатацию в режиме разряда большими токами. Их стоимость значительно ниже, чем улитиевых ХИТ. Благодаря этим качествам аккумуляторы получили самое широкое распространение. Однако, наряду с положительными свойствами, данные элементы имеют серьезный недостаток. До недавнего времени у Ni-Cd аккумуляторов наблюдался неприятный эффект, получивший название «эффект памяти». Объясняется он следующим образом: в процессе циклической эксплуатации источника меняется структура поверхности электродов, а в сепараторе аккумулятора образуются химические соединения, мешающие его дальнейшей разрядке малыми токами. Источник как бы запоминает свое состояние неполного разряда. В результате на разрядной кривой постепенно формируется новая линия, потенциал которой на 0,2 В положительнее первоначальной (то есть напряжение на клеммах снижается по абсолютной величине). Реальная емкость аккумулятора заметно уменьшается. Аккумулятор очень быстро заряжается, но быстро же и разряжается, имея притом пониженное напряжение на выходе. Кроме того, возможно небольшое увеличение внутреннего сопротивления.

Современные никель-кадмиевые аккумуляторы, производимые наиболее известными фирмами, не имеют эффекта памяти. Нокем бы ни был произведен элемент, с эффектом памяти, если он все-таки проявился, можно бороться. Восстановить напряжение и емкость можно путем проведения нескольких полных циклов заряда-разряда. Конечно, лучше нового ваш аккумулятор уже не станет, часть емкости все-таки пропадет безвозвратно, но работать с ним можно будет еще долго. Несколько слов о периодичности данного процесса: рекомендуется выполнять эту процедуру примерно один раз в месяц. Если делать это чаще, то полезный эффект увеличивается незначительно, а износ аккумулятора возрастает.

Отрицательным свойством никель-кадмиевых аккумуляторов является их высокая экологическая опасность, так как они содержат кадмий, соли которого очень ядовиты. Отработавшие свой срок Ni-Cd аккумуляторы нельзя просто выбросить. Следует утилизировать их в специальных местах (найти которые у нас в стране довольно трудно).

Применяются никель-кадмиевые источники в различных устройствах со средним и высоким потреблением тока, таких, как пейджеры и сотовые телефоны, переносные компьютеры, видеокамеры, фотоаппаратура и аварийные источники для энергоемких приборов.

Близкие по свойствам никель-металлгидридные (Ni-MH) аккумуляторы имеют тот же уровень выходного напряжения (1,2В), хорошие емкостные характеристики, высокую надежность и разнообразие конструктивных исполнений. Отсутствие ядовитого кадмия - важное качество ХИТ данного вида. Они отличаются менее широким диапазоном рабочих температур (–10…+40°С), атакже существенно большей емкостью, но имеют при этом меньшие максимально допустимые токи разряда и меньшее число циклов заряда-разряда (но все-таки не менее 500). Недопустимость высоких температур налагает ограничения на максимальные разрядные токи и требует усложнения конструкции аккумулятора. Внутри многих из них устанавливаются термисторы или тепловые реле, препятствующие быстрому разряду источника. В то время как температура –20°C является пределом, при котором Ni-MH иLi-ion аккумуляторы прекращают функционировать, Ni-Cd могут продолжать работать при ее снижении до –40°C.

По общему мнению, литий-ионные аккумуляторы - самые перспективные. Они имеют большую по сравнению с другими аккумуляторами емкость, около 500 циклов перезарядки, экологически безопасны и не обладают эффектом памяти. Самым большим преимуществом ХИТ этого типа является рекордная удельная емкость - количество запасенной энергии, соотнесенное к единице веса или объема. Li-ion аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной температуре. Работа при повышенной температуре сокращает срок их службы, поскольку она способствует ускоренному старению, сопровождаемому увеличением внутреннего сопротивления. Из недостатков можно отметить следующие: Li-ion аккумулятор «не любит» глубокого разряда. (помните об этом, когда ваш телефон отключается при разрядеаккумулятора!). Он очень требователен к температурному диапазону, боится перезаряда, взрывоопасен при нарушении герметичности, понемногу теряет емкость («старится» даже при отключенной нагрузке) и имеет самую высокую стоимость.

Очевидно, что до идеального источника ему далеко, но все недостатки компенсируются высокой удельной энергоемкостью. Все-таки, среди малогабаритных ХИТ, литий-ионным аккумуляторам сегодня нет равных. А к отрицательным качествам можно как-то приспособиться, можно с ними бороться. Так, например, зарядные устройства аккумуляторов в мобильных телефонах обладают достаточным интеллектом, чтобы недопустить перезаряда, контролируя сразу несколько параметров: ток, напряжение, температуру и время заряда.

Основное отличие литий-полимерных (Li-pol, или Li-polymer) аккумуляторов отлитий-ионных (Li-ion) заложено в самом названии и заключается в типе используемого электролита. Сухой твердый полимерный электролит похож на пластиковую пленку и не проводит электрический ток, но допускает обмен ионами. Полимерный электролит фактически заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом. Такая конструкция упрощает процесс изготовления, более безопасна и позволяет производить тонкие аккумуляторы произвольной формы. Но пока, к сожалению, сухие Li-polymer аккумуляторы обладают недостаточной электропроводностью при комнатной температуре. Внутреннее сопротивление их слишком высоко и не может обеспечить величину тока, требуемую для современных портативных устройств.

В таблице7 приведены сравнительные характеристики разных типов аккумуляторов.

Для разных типов аккумуляторов характерны свои особые режимы заряда. Для ХИТ Li-ion они не такие, как для никелевых источников. Кроме того, внутри каждой группы также возможны различные режимы. Например, для Ni-Cd или Ni-MH аккумуляторов известны 4 основных способа заряда:

• стандартный заряд - заряд постоянным током, равным 1/10 от величины номинальной емкости аккумулятора, в течение примерно 15 часов. Этот метод иногда называют тонкоструйным из-за малой величины зарядного тока.
• быстрый заряд - заряд постоянным током, равным 1/3 от величины номинальной емкости аккумулятора в течение примерно 5 часов.
• ускоренный, или «дельта V», заряд - заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора. Время заряда равно примерно 1 часу. Приэтом постоянно измеряется напряжение на аккумуляторе и по характеру его изменения принимается решение о моменте окончания заряда.
• реверсивный заряд - импульсный метод заряда, при котором короткие импульсы разряда распределяются между длинными зарядными импульсами.

Стандартный способ - самый щадящий, но и самый медленный. Наиболее опасен для никелевых ХИТ метод быстрого заряда, но он позволяет восстановить работоспособность источника в кратчайшие сроки. Ускоренный метод с постоянным контролем напряжения наиболее точен и удобен, но одновременно и наиболее сложен. Для его реализации требуются зарядные устройства, способные отслеживать минимум два параметра - время и напряжение (в идеале следовало бы контролировать еще и температуру, недопуская ее повышения и своевременно уменьшая зарядный ток). Если в процессе заряда аккумулятора контролировать напряжение, то можно обнаружить, что, начиная с некоторого момента времени, оно начинает снижаться. Величина изменения очень мала- порядка 10 мВ для Ni-Cd и около 2 мВ для Ni-МН. Это как раз тот самый момент, когда подачу тока следует прекратить. Графическое представление процесса заряда имеет вид, показанный на рис. 3.

Контроль уровня напряжения и управление током заряда - удел специальных устройств. Для автоматизации управления процессом производятся микросхемы контроллеров заряда. Так, компания MAXIM поставляет около 20 типов контроллеров заряда разного уровня сложности. В их числе чипы МАХ712 и МАХ713, контролирующие время, температуру, напряжение и изменение напряжения на элементе, автоматически переключающие ток на минимальный подпитывающий уровень, компенсирующий саморазряд аккумулятора. Не остались безучастными к потребностям рынка и такие гиганты, как Analog Device, (5 микроконтроллеров серии ADP38xx и др. серии) и Texas Instrument (около полусотни контроллеров серий BQ20xx, BQ24xx, BQ29xx и др.).

У литиевых аккумуляторов другие режимы заряда. Зарядное устройство для Li-ion аккумуляторов имеет повышенное напряжение, более жесткие ограничения на отклонения этого напряжения и у них не применяется тонкоструйный заряд потому, что этот метод может вызвать металлизацию лития, что приводит к нестабильности элемента. Вместо этого для компенсации маленького саморазряда аккумулятора может применяться кратковременный заряд. Основные параметры: напряжение заряда равно 4,1–4,2В (выбор зависит от типа электродов аккумулятора); ток- 0,3С; время заряда - около 3–4 часов).

Как правило, Li-ion аккумуляторы включают в свою конструкцию устройства защиты. Иногда это плавкий предохранитель, но чаще- термистор или многоразовый ограничитель тока типа Polyswitch, которые срабатывают, если напряжение заряда достигает 4,30 В или температура элемента достигает 100°C.

Несколько слов о том, куда движется прогресс в данной области.

Большинство современных химических источников тока в той или иной мере опасны для человека. Некоторые содержат в себе ядовитые компоненты, другие при неправильной эксплуатации угрожают небольшим взрывом с разбрызгиванием кипящей щелочи. В любом случае, все они изготовлены с применением дефицитных и потому дорогих химических веществ. Это неприятно и хлопотно. Поэтому конструкторская мысль упорно ищет пути получения электрической энергии от источников, свободных от перечисленных проблем. И кое-какие успехи здесь намечаются.

Ученым из американского университета штата Огайо удалось разработать источники энергии, работающие на веществах, которые на нашей планете присутствуют в изобилии и могут быть использованы совершенно бесплатно. Речь идет о топливных элементах, извлекающих энергию из реакции окисления водорода. Главный элемент новой батареи - миниатюрный конвертер, который преобразует топливо и воду в газовую смесь, насыщенную водородом. Этот газ поступает в топливные ячейки, где вступает в реакцию с атмосферным кислородом, в результате чего образуются электричество и вода. Все это упаковано в миниатюрный контейнер размером с монетку. Экологически чисто, безопасно и удобно.

Есть и другой путь - использование биоферментов для генерации тока. В таких топливных элементах используется не вода, а другой популярный источник энергии - спирт. Принцип тот же - разложение спирта на водород и воду и затем окисление водорода с образованием воды и генерацией электрического тока. С одной стороны - перспективный способ - дешевого спирта можно производить сколько угодно, так как технологии его получения давно известны и хорошо отработаны. Успехи уже есть, но… Похоже, что незагорами то время, когда без стакана спиртного ваш прибор работать откажется. Если вы ему нальете проклятого зелья, то он как-нибудь поработает, а если нет - извините! (Такое бывало раньше только у людей!) К сожалению, такой постоянно «нетрезвый образ жизни» плохо отражается на продолжительности жизни энзимов. Батарейки служат короткое время. Но надежда есть! Без энергии человечество не останется.

Литература

1. В. Васильев. Аккумуляторы: Академия для неинженеров. http://www.ixbt.com/mobile.shtml#accum.
2. http://www.batteryteam.ru/catalog/battery/index.html
3. В. Кийякин. Главное - правильно питаться. Сайт журнала «Потребитель». http://www.potrebitel.ru/04/01/batarey.htm.
4. А. А. Таганова, Ю. И. Бубнов. Герметичные химические источники тока. Щелочные аккумуляторы. Литиевые источники тока. Справочник. СПб: Химиздат. 2000.
5. Методы заряда Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов. http//:www.newlist.ru/battery/.
6. Заряд литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов. http//:www.newlist.ru/battery/.
7. В. Васильев. Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. http://www.ixbt.com/mobile.shtml.
8. Б. Ефремов. Что нужно знать пользователю химических источников тока (марганцево-цинковых гальванических элементов) // Электронные компоненты. 2001. № 1.
9. С. Орлов. Элементы питания - ХИТы //Электронные компоненты. 2000. № 4.
10. Лаврус В.С. Батарейки и аккумуляторы.Киев: «НиТ». 1995.
11. Ю. Дзюбан. Водка для компьютера. http://vodka.org.ua/articles/other/247.htm.

Статьи с тестом батареек и их восхвалением. В душе у меня он вызвал небольшое негодование, особенно когда многие стали писать что используют их в пультах РУ. Сразу вспомнив что в моем пульте используется 8 аккумуляторов и представив что многие часто выкидывают 8 батареек на помойку стало не по себе.

Сразу скажу что для статьи я использовал сугубо данные из чужих тестов. Сам тесты не проводил т.к. часто сталкивался с практическим подтверждением этих тестов лично и не вижу смысла в их повторении в сотый раз.

Важная информация которую полезно знать:

1. Ни в одном более менее нормальном и сложном устройстве, например таком как пульт управления не используется питание напрямую от батареи, обычно ставят в зависимости от качества аппаратуры и требованиям к питанию импульсный стабилизатор с хорошей фильтрацией (качественная дорогая аппаратура), линейный стабилизатор/импульсный стабилизатор (обычная аппа), например в моей 7ми канальной футабе несколько линейных стабилизаторов, ВЧ блок передачи питается от стабилизатора на... внимание... на 5 вольт! при том что аппаратура питается от сборки 8-ми никель металлгидридных аккамуляторов напряжением 9.6 вольт. (для справки импульсные стабилизаторы обладают очень высоким КПД, линейные стабилизаторы всю лишнюю энергию превращают в тепло, так, например, при токе в 1А и понижении напряжения с 10 вольт до 5 на них выделяется 5Вт и кпд составляет ~50% так что например ставить в мою аппаратуру батарейки АА смысла никакого нет, при большем напряжении большая часть энергии просто уйдет в тепло).

2. Среднее напряжение до которого заряжаются аккумуляторы это 1.4-1.6 В. Напряжение под нагрузкой в процессе их разряда изменяется от 1.4В до 0.9В. Без нагрузки напряжение на разряженных аккумуляторах 1.0-1.1 В. Если разрядить сильнее то аккумулятору с большой вероятностью будут нанесены необратимые повреждения. В зависимости от степени и количества разрядов аккумулятор в последствии выйдет из строя.

3. Не смотря на, вроде как, меньшее номинальное напряжение аккумуляторов, обычно заявляется как 1.2В, в то время как у батареек оно заявляется равным 1.5В, график разряда аккумуляторов более пологий по сравнению с обычными батарейками АА и при начале разряда они сохраняют свое напряжение в отличии от батареек у которых оно сразу начинает падать до 1.3-1.2В.
Пример можно посмотреть на картинке:
при 23 градусах


при -15 градусах

Обращаю внимание что любое устройство перестают функционировать когда напряжение достигает какого-то определенного для этого устройства порогового значения. На графике при обычной температуре очень хорошо видно что например аккумуляторы практически все время разряда держат напряжение выше 1 вольта, если быть точнее то модель приведенная на графике держала напряжение выше 1 вольта примерно 95-98% времени разряда в ноль. Обычные же батарейки имеют более наклонный график и в данном примере например батарейка держалась выше 1 вольта примерно 80% времени разряда в ноль. И это батарейка которая в данной статье набрала максимальную емкость!
Если же верхним порогом поставить напряжение в 1.1В то у аккумулятора оно держится примерно 90-92% времени! А у батарейки 53% ! Разница на лицо!!

На морозе ситуация с батарейками только усугубляется, причем значительно! В данном тесте время работы батарейки при -15 по по сравнению с временем работы при +23 изменилось следующим образом:
при разряде до 1 В время работы уменьшилось примерно в 8 раз!
при разряде до 1.1 В время работы уменьшилось примерно в 7 раз!

Для аккумулятора падение времени разряда составило примерно 1.5 раза.

А если еще вспомнить про линейные регуляторы напряжения которые на самом деле используются очень часто так только они могут выдать ток без пульсации при копеечной цене, про зависимость напряжения от температуры, то в итоге львиная доля батарейки не будет использована.

Вывод из этого может быть только один - максимум где можно использовать батарейки это сверхнизкоточные устройства, такие как пульт от телевизора, часы, ароматизатор воздуха. И то если не брать в расчет аккумуляторы со сверх низким током саморазряда, такие как eneloop.

P.S. Хотелось бы узнать статистику использования батареек, кто, как часто и где их использует, предлагаю в комментариях ниже написать.
P.S.2. Надеюсь эта информация пролила свет на то почему очень важно иметь график зависимости напряжения батарейки/аккумулятора от времени разряда в тестах. Также в этой маленькой статье нет графика зависимости времени от тока разряда, но в целом стоит отметить что чем больше ток тем сильнее усугубляется ситуация с батарейками. Чем меньше ток тем больше сокращается разница между хорошими батарейками и аккумуляторами (если не учитывать аккумуляторы с низким током саморазряда, они по прежнему оставляют батарейки позади), но эта разница сокращается на хоть какое-то более менее значимое значение при токах порядка 0.5мА (пол года работы). При токах 200мА когда аккумулятор или батарейка разряжаются за 10-15 часов, ток саморазряда роли практически не играет и батарейки проигрывают по всем параметрам.

В данном материале речь пойдет о таких источниках энергии, как батарейки и аккумуляторы, их типах и о том, какой источник лучше всего выбрать для вашего проекта.

Чем различаются батарейки?

Существует несколько пунктов, по которым можно различить батарейки и аккумуляторы.

Размер. Размер имеет значение! Свинцово-кислотные аккумуляторы не такие маленькие, как батарейки типа C, но дают энергии куда больше. Батарейки-таблетки же можно использовать в очень узких пространствах. Вообще, в международной классификации существуют стандартные размеры типа AA, AAA или 9V.

Вес и удельная отдача энергии. Батарейки и аккумуляторы лучшего качества (а, следовательно, большей цены) имеют более высокую удельную отдачу энергии или, как ее еще называют, плотность мощности. Если вес является важным аспектом вашего проекта, то, вероятно, вам нужно будет найти более легкие батарейки или аккумуляторы с как можно более высокой удельной отдачей энергии (это, естественно, скажется на стоимости источника энергии). Такой показатель обычно выражается в ваттах-часах на килограмм.

Цена. Как уже было отмечено, цена в значительной степени пропорциональна удельной отдачи энергии и емкости батареи. Чем больше мощности в меньшем корпусе вы хотите получить, тем больше придется отдать денег.

Напряжение. Напряжение батарейки или аккумулятора, как правило, определяется типом химических элементов, используемых в источнике энергии. Например, все щелочные батарейки выдают 1.5 В, свинцово-кислотные 2 В, а литиевые 3 В. Батареи могут быть изготовлены из нескольких ячеек. Так, например, вы вряд ли увидите свинцово-кислотные батареи напряжением 2 В. Обычно они соединяются друг с другом в одном корпусе, чтобы на выходе источника энергии получить 6 В, 12 В или 24 В. Кроме того, большинство электронных устройств используют несколько щелочных батареек для генерации необходимого рабочего напряжения.

Не забывайте про номинальные и реальные напряжения. Например, батарейка типа AA на 1.5 В начнет свою работу при 1.6 В, затем быстро снизит напряжение до 1.5 В и потом будет медленно разряжаться до 1.0 В (точка, при которой батарейка будет считаться «мертвой»).

Повторное использование. Некоторый батарейки можно перезаряжать до сотни раз.

Энергоемкость и энергоотдача

Энергоемкость определяет количество энергии, которое сохраняется в батарее. Эта величина часто выражается в ватт-часах. Ватт-час представляет собой напряжение в вольтах, которое обеспечивает источник энергии, умноженное на силу тока в амперах, которую этот источник может выдать за час. Поскольку напряжение зависит от типа используемого в батарее химического элемента (щелочные, литиевые, свинцово-кислотные и т.д.) зачастую на батарейке пишется только величина ампер-час (Ач или Ah) или миллиампер-час (мАч или mAh). Для получения ватт-час (Вт*ч или Wh). Нужно умножить Ач на номинальное напряжение. Например, предположим, что у нас есть батарейка с номинальным напряжением 3 В и 1 Ач, значит ее энергоемкость составит 3 Вт*ч.

Тем не менее, величина тока, которую мы действительно можем получить (энергоотдача) зачастую ограничена. Например, батарейка-таблетка, которая рассчитана на 1 Ач не может в действительности обеспечить 1 Ампер тока в течение часа. По факту, она даже не предоставит и 0.1 А. Если сравнить с человеком, то можно сказать, что человек способен преодолеть 50 километров. И, конечно же, пробежать 50 километров это не то, что просто пройти те же 50 километров. Кроме того, батарейка не имеет никаких проблем с тем, чтобы выдать 1 мА за 1000 часов, но если вы попытаетесь получить 100 мА, что она не продержится и 10 часов.

Например, на рисунке ниже батарейка-таблетка питает резистор 3.9 КОм и выдает 230 мАч прежде чем разрядиться до 2 В, но если поставить сопротивление 1 КОм, она предоставит только 125 мАч.

Свинцово-кислотные аккумуляторы являются рабочими лошадками в промышленной и автомобильной сферах. Они достаточно дешевы, перезаряжаемы и легко доступны. Такие источники питания используются там, где необходимо много энергии, и вес энергоносителя не столь важен. Один элемент свинцово-кислотного источника имеет номинальное напряжение 2 В, это значит, что вы всегда получите аккумулятор с четным значением напряжения (6, 12 или 24 В).

Плюсы: относительно дешевы, мощные, легко перезаряжаемые, высокая токоотдача

Минусы: тяжелые, имеют большие размеры, поскольку удельная отдача энергии довольно низка

Цены: свинцово-кислотный аккумулятор на 12 В и 7 Ач будет стоит 500-1000 руб.

Удельная отдача энергии: 7 Вт*ч/кг

Щелочные батарейки являются наиболее распространенными среди батарейных источников энергии. Они продаются почти в каждом магазине, поэтому с доступностью проблем возникнуть не должно. Благодаря доступности, цене и размерам они хороши в потребительских электронных устройствах. Они имеют более высокую плотность заряда, чем никель-кадмиевые и немного выше, чем никель-металл-гидридные батарейки. Тем не менее, они одноразового использования. Их номинальное напряжение 1.5 В и доступны они в размерах, начиная от AAAA и заканчивая D.

Также существуют большие 6-вольтовые щелочные батарейки, состоящие из пары крупных энергоэлементов. Они довольно удобны тем, что они доступны во многих магазинах, имеют большую емкость и энергоотдачу, и к их выводам удобно присоединить провода.

Кроме того, имеются батарейки на 9 В (в России известные как Крона) в специальном форм-факторе, которые на самом деле состоят из маленьких отсеков на 1.5 В. В результате они имеют довольно низкую энергоемкость и энергоотдачу, и в то же время они достаточно дорогие. Если вам нужно получать с источника питания более 20 мА, то они не будут лучшим решением.

Цены: батарейки типа AA могут стоить 30-40 рублей и иметь до 3000 мАч

Удельная отдача энергии: 100 Вт*ч/кг

Плюсы: популярные, относительно безопасные, долгий срок эксплуатации

Минусы: неперезаряжаемые, невысокая энергоемкость

Никель-кадмиевые (Ni-Cad) батарейки

Это давно известные перезаряжаемые батарейки, которые когда-то были очень популярны. Они продаются в стандартных форм-фаторах типа AA, AAA, C, а также в прямоугольных корпусах, что позволяет их легче вставлять в некоторые типы устройств. Сегодня они используются достаточно редко, поскольку никель-металл-гидридные (NiMH) батарейки имеют большую плотность энергии. Однако они дешевле и до сих пор используются во многих беспроводных телефонах, фонарях и радиоуправляемых игрушках, то есть там, где энергоэффективность не так важна, как цена. Еще одна приятная вещь заключается в том, что они разряжаются медленнее, чем NiMH. Батарейки Ni-Cad состоят из элементов с номинальным напряжением 1.2 В, что дает возможность сформировать из трех элементов батарейку напряжением 3.6 В.

Плюсы: недорогие, надежные, стандартные размеры, легко перезаряжаются

Минусы: низкая плотность энергии, содержат токсичные металлы

Цены: батарейки типа AA могут стоить 30-40 рублей и иметь до 1000 мАч

Удельная отдача энергии: 60 Вт*ч/кг

Никель-металл-гидридные батарейки (Ni-MH)

Это более популярные перезаряжаемые батарейки, они также продаются в стандартных размерах. Во многих случаях никель-металл-гидридные батарейки будут хорошей заменой обычным щелочным батарейкам. Напряжение одного элемента составляет 1.25 В, что меньше напряжения щелочных батареек 1.5 В, но больше никель-кадмиевых 1.2 В. Самый неприятный момент заключается в том, что эти батарейки имеют высокий показатель саморазряда, хотя за последние годы благодаря новым технологиям этот показатель удалось снизить.

Плюсы: хорошая альтернатива щелочным батарейкам, высокая плотность заряда, стандартные размеры, лучшая емкость по сравнению со щелочными батарейками, довольно легко подзарядить, но они не слишком надежные

Минусы: дороже, чем никель-кадмиевые батарейки, срок службы не очень длинный, быстро саморазряжаются

Цены: батарейки типа AA могут стоить 70-100 рублей и иметь до 2500 мАч

Удельная отдача энергии: 100 Вт*ч/кг

Литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-Poly) аккумуляторы

Эти аккумуляторы появились не так давно и завоевали популярность благодаря возможности перезарядки. Сегодня они используются в устройствах потребительской электроники, таких как видеокамеры, сотовые телефоны, ноутбуки и т.д. Они очень легкие и имеют высокую плотность заряда. Тем не менее, они очень чувствительны и требуют специальной цепи, чтобы не допустить возможности взрыва. Это означает, что литий-ионные элементы на прилавках магазинах в «сыром» виде в основном не встречаются, поскольку они достаточно опасны без защитной цепи. Если вам нужен литий-ионный аккумулятор, то лучше взять его из видеокамеры или телефона и заряжать только соответствующим зарядным устройством. Один литий-ионный энергоэлемент рассчитан на 3.6 В, поэтому часто можно встретить аккумуляторы на 3.6 В или 7.2 В.

Плюсы: очень легкие, высокая плотность заряда и энергоотдача, относительно высокое напряжение

Минусы: дорогие, хрупкие, могут взорваться при неправильном использовании

Цены: аккумуляторы для сотовых могут стоить около 300-400 рублей и иметь 750 мАч

Удельная отдача энергии: 126 Вт*ч/кг для литий-ионных, 185 Вт*ч/кг для литий-полимерных аккумуляторов

Большинство литиевых батареек, которые вы встретите, будут в форме таблетки или кнопки. Литиевые батарейки-таблетки имеют номинальное напряжение 3 В, а щелочные, цинковые и марганцевые батарейки-таблетки характеризуются напряжением 1.5 В. Они очень малы и очень легкие, отлично подходит для небольших, маломощных устройств. Тем не менее, они не являются перезаряжаемыми и имеют высокое внутреннее сопротивление (это делает их довольно безопасными).

Наиболее популярной на сегодняшний день батарейкой такого типа является CR2032, имеющая диаметр 20 мм и толщину 3.2 мм. Она выдает 220 мАч при напряжении 3 В. Наибольшими по размерам являются CR2477 (24 мм x 8 мм) с энергоемкостью 1000 мАч и ценой от 120 рублей.

Еще можно встретить батарейки типа CR123 с напряжением 3 В, которая немного толще и немного короче батарейки типа AA.

Плюсы: легкие, компактные, высокая плотность, дешевые, относительно высокое напряжение, легко соединять для получения больших напряжений, долгий срок эксплуатации

Минусы: неперезаряжаемые, невысокая токоотдача, нужен специальный держатель

Цены: CR2032 (220мАч) стоит примерно 15-30 рублей, CR123 (1300 мАч) 100-150 рублей

Удельная отдача энергии: 270 Вт*ч/кг

Как подобрать подходящий источник энергии для вашего проекта

Итак, вы изобрели какое-то устройство и вам нужно запитать его. Для начала нужно ответить на два вопроса.

Ваше устройство «прожорливое»? Проекторы, большие аудио системы, и проекты с электроприводом должны ориентироваться на количество ампер потребляемого тока. Здесь следует обратить внимание на большие 6-вольтовые щелочные батарейки одноразового использования или перезаряжаемые свинцово-кислотные аккумуляторы.

Ваше устройство очень компактное? Если да, то, возможно, вам потребуются литиевые батарейки-таблетки (одноразовые) или маленькие литий-полимерные батарейки, которые используются радиоуправляемых самолетах.

Также можно ориентироваться в выборе источника питания по дополнительным вопросам.

Вы будете делать много таких устройств? Если да, то берите классические щелочные батарейки, которые легко можно найти на прилавках магазинов.

Батарейки должны быть удобны для пользователя? Тогда берите батарейки типа AA или на 9 В типа Крона.

Нужно входное напряжение примерно 5 В? Три щелочные (4.5 В) или 4 NiMH (4.8 В) пойдут наиболее лучшим образом.

Необходим перезаряжаемый источник энергии? Возьмите кейс для батареек, поместите туда батарейки NiMH и плодзаряжайте их зарядным устройством высокого качества.

Нужно несколько батареек, соединенных последовательно? Следует помнить, что у последовательно соединенных батареек должна совпадать энергоотдача. Если вы соедините 9-вольтовую батарейку с батарейкой типа AA, чтобы получить 10.5 В, 9-вольтовая батарейка разрядиться за 1/10 долю отведенного времени, оставив вас с напряжением только 1.5 В.

.
   Если Вы хотите, чтобы интересные и полезные материалы выходили чаще, и было меньше рекламы,
   Вы можее поддержать наш проект, пожертвовав любую сумму на его развитие.