Аккумуляторные батареи NiCd, NiMH, Li-Ion

Аккумуляторный электроинструмент с каждым годом становится все популярнее. Производители и крупные продавцы ручного электроинструмента из года в год отмечают уверенный рост продаж аккумуляторных моделей. Причина высокой популярности кроется, во-первых, в удобстве работы из-за отсутствия мешающих сетевых кабелей и удлинителей, а во-вторых, в высокой степени автономности работы, так как аккумуляторным инструментом можно работать в местах, где электричество отсутствует полностью. Это и неудивительно, ведь запас электроэнергии в аккумуляторном инструменте всегда с собой и находится в аккумуляторной батарее.

Аккумуляторная батарея известна и в различных исполнениях применяется повсюду, начиная от наручных часов и калькуляторов и заканчивая автомобильными стартерными батареями. В инструменте нашли применение несколько типов электрических батарей. Это никель-кадмиевые батареи, имеющие обозначение NiCd, никельметаллогидридные NiMH и ионно-литиевые Li-Ion.

Внутреннее устройство батарей примерно одинаково для всех типов. Внутри корпуса располагаются соединенные между собой небольшие перезаряжаемые элементы питания. Комбинируя соединения последовательно и параллельно, получают единые батареи нужной мощности и емкости. В некоторых типах внутри корпуса располагаются микросхемы для управления зарядкой.

Акумялятор характеризуется напряжением на ее клеммах, которое измеряется в вольтах, и емкостью, измеряемой в Ампер-часах. В аккумуляторном инструменте напряжение батареи определяет максимальную мощность электродвигателя, а емкость – время работы инструмента. Существуют несколько уровней инструмента по мощности, и, соответственно, для каждого мощностного уровня используется батарея определенного напряжения. Батареи выпускаются с напряжением 9.6В, 12В, 18В, 24В. Батареи с низким напряжением применяются в маломощных бытовых исполнениях инструмента, а батареи с более высоким напряжением используются в профессиональных моделях. Емкость батареи, измеряемая в ампер-часах, определяет время работы инструмента. Большинство пользователей считают, что, например, если емкость батареи 2 Ач, то батарея сможет питать нагрузку током в 2 ампера в течение 1 часа. Строго говоря, это соотношение не совсем верно. Однако в общем можно сказать, что чем больше емкость батареи, тем большее время в одинаковых условиях она сможет обеспечивать питанием инструмент. Естественно, чем больше емкость батареи, тем удобнее работать с инструментом. Однако на пути изготовителей батарей большой емкости встает ограничение по весу. Аккумуляторный электроинструмент является все-таки ручным типом инструмента, и вопросы эргономики выступают на первый план. Исходя из максимального облегчения конструкции инструмента, емкость аккумуляторных батарей не превышает 2.5 Ач у профессиональных моделей и 1.5 Ач для бытовых моделей.

Отличиях различных типов батарей.

Никель-кадмиевые батареи обозначаются NiCd. Они были изобретены в 1899 году Вальдмаром Джунгнером. Основными элементами конструкции элемента аккумулятора являются положительный и отрицательный электроды, которые отделены друг от друга разделяющим слоем, помещены в металлический корпус и залиты электролитом. Для увеличения площади поверхности электроды изготавливаются из тонкой фольги. Положительный электрод содержит гидрооксид никеля NiOOH, а отрицательный включает в себя кадмий Cd в составе компаунда. Разделяющий слой изготовлен из нетканого материала, устойчивого к воздействию щелочи. Во время разрядки активные никель- и кадмийсодержащие компоненты электродов реагируют между собой и превращаются в соответствующие гидрооксиды -- Ni(OH)2 и Cd(OH)2. Щелочной электролит в реакции не участвует. Вырабатывающийся при зарядке в процессе реакции кислород поглощается непрореагировавшей частью отрицательного электрода, который гораздо больше положительного. Напряжение одного никель-кадмиевого элемента составляет 1 В, поэтому для получения нужного напряжения их объединяют в батареи. Плотность энергии составляет порядка 60 Втч/кг. Зарядка осуществляется в диапазоне температур от 0°C до +45°C, а разрядка, то есть использование, возможна от -20°C до +65°C. Допускается быстрая зарядка элементов. NiCd-батареи обладают высокой скоростью саморазряда. сантехнический трос, оборудование для прочистки канализации. За первые сутки заряженная батарея теряет 10% первоначальной емкости заряда, а в течении последующих месяцев – по 10 % в месяц.

Казалось бы, что выход прост и заключается в периодической подзарядке. Правильно, однако никель-кадмиевые аккумуляторы обладают так называемым эффектом памяти. Он заключается в том, что если начать зарядку никель-кадмиевого аккумулятора, который еще недостаточно разряжен, то оставшаяся невыработанная емкость в дальнейшем будет потеряна, что приведет к снижению общей реальной емкости батареи. Этот эффект обусловлен образованием на кадмиевом электроде кристаллических образований, которые приводят к уменьшению его полезной площади и, соответственно, снижают емкость аккумулятора. Глубокий разряд аккумулятора, то есть когда напряжение на выводах становится меньше определенного производителем, также вреден. Поэтому при эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторных батарей необходимо учитывать эти два момента и использовать аккумулятор до полного его разряда, но не переходить ниже минимально допустимого уровня напряжения. Производители батарей предлагают ежемесячно проводить контрольно-тренировочные циклы – несколько полных разрядок-зарядок аккумулятора. Внимательно соблюдая эти простые правила эксплуатации, можно увеличить срок службы никель-кадмиевого аккумулятора. Никель-кадмиевые батареи имеют относительно невысокую стоимость среди других типов.

Никельметаллогидридные аккумуляторы имеют обозначение NiMH. Они были разработаны в конце 70-х годов ХХ века и создавались с целью замены никель-кадмиевых аккумуляторов, так как кадмий является вредным для здоровья химическим элементом. Конструкция никельметаллогидридных аккумуляторных батарей очень похожа на конструкцию никель-кадмиевых. Однако в таких батареях отрицательный электрод изготавливается из сплавов, поглощающих водород. Эти сплавы состоят из двух компонентов и способны связывать объем водорода в несколько тысяч раз больше собственного. Металлы, входящие в состав материала, принято обозначать буквами A и B, а все возможные комбинации классифицируют по соотношению компонентов, например AB, AB2, A2B, AB5 и т. д. Сейчас наилучшими считаются варианты AB2 (TiNi2, ZnMn2) и AB5 (например, LaNi5). Например, сплавы, относящиеся к типу АВ5, используются в продукции Matsushita Electric, которой принадлежит торговая марка Panasonic. Химическая реакция основывается на перемещении ионов водорода между электродами. Щелочной электролит в аккумуляторе не принимает участия в реакции. В ходе зарядки гидрооксид никеля Ni(OH)2 превращается в оксигидрит NiOOH, отдавая водород сплаву отрицательного электрода. Поглощение водорода не является реакцией с постоянной температурой, поэтому металлы для сплава отрицательного электрода подбираются таким образом, чтобы один из них при связывании водорода выделял тепло, а другой, наоборот, тепло поглощал. В теории это должно обеспечить постоянство температуры, однако никельметаллогидридные аккумуляторы греются сильнее никель-кадмиевых. Срок службы этих типов аккумуляторов примерно одинаков. Для борьбы с "эффектом памяти" применяются такие же меры. Величина саморазряда для NiMH аккумуляторов в 1,5-2 раза выше, чем для NiCd аккумуляторов. Напряжение одном элементе NiMH аккумулятора больше и составляет 1.2В. Электрическая плотность никельметаллгидридных аккумуляторов возросла на 50% и составляет около 90 Втч/кг. Это позволяет несколько увеличить емкость и напряжение батареи. Однако и стоимость их, соответственно, тоже возросла. NiMH-аккумуляторы необходимо хранить в заряженном состоянии, а из-за сильного нагрева при заряде многие модели поставляются со встроенной электроникой, контролирующей температуру.

Ионно-литиевые аккумуляторы Li-Ion являются наиболее совершенным и дорогим типом аккумуляторов в настоящее время. В качестве активного элемента в этих аккумуляторах используется литий, который, являясь одновременно и самым легким металлом, обеспечивает самую большую плотность электрохимического заряда. Она в несколько раз выше плотности других аккумуляторов и составляет порядка 200 Втч/кг. Конструкция ионно-литиевого аккумулятора не отличается от рассмотренных ранее видов аккумуляторов. Отличие состоит только в химическом процессе. Положительный электрод выполнен из литийкобальтоксида LiCoO2. Во время реакции зарядки ионы лития перемещаются и связываются материалом отрицательного углеродного электрода. Электролитом выступает органический растворитель. Напряжение единичного элемента батареи очень высоко и составляет 3.7В. Это позволяет увеличить емкость и напряжение ионно-литиевой батареи при равных массогабаритных характеристиках с никель-кадмиевой и никельметаллогидридной батареях.

Одной из технологических проблем, которые до недавнего времени сдерживали широкое использование изобретенных еще в 1912 г. ионно-литиевых аккумуляторов, заключалась в дендритах – древесноподобных кристаллических структурах, развивающихся на поверхности положительного литиевого электрода. Они после нескольких рабочих циклов достигали поверхности отрицательного электрода, происходило короткое замыкание и взрыв аккумулятора. Только в 1991 г. специалисты корпорации Sony сумели преодолеть все трудности. Тем не менее, ионно-литиевые батареи обязательно оснащаются контрольной электроникой, отключающей элемент от нагрузки в случае повышенных значений температуры или напряжения. В реальной эксплуатации это удобно и позволяет не заботиться о длительности зарядки. Здесь также допускается быстрая зарядка. Следующее преимущество ионно-литиевых аккумуляторов состоит в низкой скорости саморазряда – около 5% в месяц. Температурные диапазоны для зарядки и разрядки не отличаются от других аккумуляторов. Также не допускается и глубокая разрядка. Основной недостаток Li-Ion батарей состоит в ограниченном сроке их службы, равном примерно 2 годам и не зависящим от количества циклов заряда-разряда.