Технология, по которой изготовлена батарейка или аккумулятор.
Технология определяет химический состав «начинки» и особенности происходящих в ней реакций; как следствие, от этого параметра напрямую зависят как общие рабочие характеристики, так и специфические правила эксплуатации и хранения. Среди перезаряряжаемых аккумуляторов в наше время наибольшей популярностью пользуются технологии
Li-Ion,
LiFePO4 и
Ni-Mh, заметно реже встречается
Ni-Cd и Ni-Zn. В батарейках же наблюдается большее разнообразие. Так, недорогие полноразмерные элементы делаются
солевыми;
алкалиновая (щелочная) технология в том или ином виде применяется в продвинутых полноразмерных и сравнительно простых миниатюрных батарейках-«таблетках» на 1,5 В;
серебряно-оксидные элементы являются более продвинутым (и дорогим) аналогом щелочных «таблеток»; а
литиевая технология позволяет создавать миниатюрные источники питания напряжением 3 В. Более редкими и специфическими случаями являются технология Li-SOCl2, применяемая в полноразмерных батарейках с повышенными требованиями к надежности, а также воздушно-цинковый принцип работы, используемый в специализированных источниках питания для слуховых аппаратов. Вот более подробное описание каждог
...о из упомянутых вариантов:
— Li-Ion. Литий-ионная — один из наиболее популярных в наше время технологий производства аккумуляторов; изначально создана для портативной техники, однако позже стала применяться повсеместно. Такие батареи имеют отличную плотность заряда — то есть солидную емкость при сравнительно небольших размерах и весе. Кроме того, они быстро заряжаются, а «эффект памяти» (характерный, в частности, для описанных ниже Ni-Cd элементов) в подобных источниках энергии практически отсутствует (точнее, его компенсируют встроенные контроллеры заряда). Из недостатков можно отметить несколько большую стоимость, чем, к примеру, у Ni-Mh, а также чувствительность к перегрузкам и нарушениям режима эксплуатации — они могут привести к возгоранию и даже взрыву. Впрочем, большинство техники под такие батареи имеет встроенные защитные схемы; а если таких схем нет — достаточно быть внимательным к режиму работы, или купить аккумулятор со встроенной схемой защиты (см. ниже).
— LiFePO4. Модификация литий-ионной технологии (см. соответствующий пункт), разработанная и выпущенная с целью устранения некоторых недостатков Li-Ion. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы обеспечивают высокую плотность энергии, имеют большое количество рабочих циклов заряда/разряда, характеризуются химической и термической стабильностью. К тому же аккумуляторы LiFePO4 выдерживают сильные температурные колебания, поддерживают быструю зарядку высокими токами и отличаются безопасностью в эксплуатации. В отличие от оригинальной технологии Li-Ion, вероятность «взрыва» литий-железно-фосфатной батареи при перегрузке практически сведена к нулю. В целом же такие аккумуляторы эффективно справляются с высокими пиковыми нагрузками и подходят для питания энергоемких устройств, также они держат стабильное рабочее напряжение почти до самого разряда.
— Ni-Mh. Усовершенствованный вариант никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов (см. ниже), в которых для анода вместо кадмия использован особый сплав, поглощающий водород. Это позволило добиться целого ряда преимуществ по сравнению с оригинальной Ni-Cd технологией. Во-первых, при тех же габаритах емкость возросла в 2 – 3 раза; правда, по плотности заряда данный тип аккумуляторов все равно заметно уступает литий-ионным — однако и стоит значительно дешевле. Во-вторых, Ni-Mh батареи экологически безопасны и легко поддаются переработке. В-третьих, «эффект памяти» в них проявляется реже и устраняется проще. Правда, данная технология не позволяет добиться столь высоких токов разряда, как в никель-кадмиевых батареях; тем не менее, Ni-Mh аккумуляторы все равно отлично работают в устройствах с высоким энергопотреблением, для них они более предпочтительны, чем батарейки (даже высококачественные щелочные — см. ниже). Характерный пример такого применения — цифровые фотокамеры. Также из достоинств данной технологии можно отметить стабильное напряжение: оно остается практически неизменным практически все время работы, и заметно падает лишь «на последних процентах заряда». К недостаткам же можно отнести довольно высокий уровень саморазряда; однако этого недостатка лишены аккумуляторы формата «low self-discharge» (Ni-MH LSD), выпускаемые некоторыми производителями. Саморазряд в таких источниках питания удалось снизить настолько, что многие из них поступают в продажу заряженными и готовыми к использованию (как обычные батарейки) и сохраняют достаточный запас энергии на протяжении 1 – 2 лет.
Отметим, что Ni-Mh аналоги 1,5-вольтовых батареек (например, типоразмеров АА и ААА) имеют несколько меньшее номинальное напряжение — 1,2 В. Однако большинство устройств, рассчитанных на подобные типоразмеры, учитывают эту разницу, и проблемы с взаимозаменимостью возникают крайне редко.
— Ni-Cd. Данная технология производства аккумуляторов в наше время нередко воспринимается как устаревшая; тем не менее, подобные элементы продолжают выпускаться и применяться. Никель-кадмиевые батареи имеют довольно невысокую емкость, а также сильно подвержены «эффекту памяти»: если аккумулятор регулярно заряжать, не разрядив при этом полностью, его эффективная емкость снижается (как будто бы батарея «запоминает», до какого уровня ее обычно разряжают, и принимает его как нулевой). Аналогичное явление может возникнуть при регулярном перезаряде — в частности, использовании недорогих устройств для капельной подзарядки (компенсации саморазряда полностью заряженного аккумулятора). Кроме того, технология производства Ni-Cd батарей экологически небезопасна, а сами аккумуляторы сложны в переработке и утилизации. Тем не менее, такие источники питания имеют целый ряд важных (а в некоторых ситуациях — и вовсе принципиальных) преимуществ перед другими перезаряжаемыми батареями. Во-первых, технологии Ni-Cd практически нет равных при работе на высоких токах разряда: даже весьма значительные нагрузки нормально переносятся и практически не влияют на эффективную емкость батареи (подробнее об этом влиянии см. «Емкость»). Во-вторых, аккумуляторы данного типа не боятся ни глубокого переразряда, ни высоких и низких температур, а также безопасны при механических повреждениях. В-третьих, по мере разряда напряжение у никель-кадмиевых батарей снижается очень медленно (в отличие, к примеру, от алкалиновых одноразовых батареек). Все эти моменты делают данный тип аккумуляторов отлично подходящим для устройств, отличающихся высоким энергопотреблением — в частности, электроинструментов и моделей на радиоуправлении.
Аналогично Ni-Mh, подобные элементы в «полуторавольтовом» типоразмере (например, АА или ААА) выдают не 1,5 В, а только 1,2 В.
— Ni-Zn. Одна из самых старых технологий производства аккумуляторов в целом, однако бытовые источники питания этого типа были представлены лишь в 2000-х годах. По многим особенностям такие элементы аналогичны описанным выше никель-кадмиевым: в частности, они отлично переносят высокие токи разрядки и идеально подходят для устройств со значительным энергопотреблением, а также долго удерживают рабочее напряжение по мере разряда. Кроме того, Ni-Zn батареи в «полуторавольтовых» типоразмерах АА и ААА (а таких большинство) имеют не пониженное, а повышенное номинальное напряжение — 1,6 В, что позволяет без каких-либо ограничений применять их как более эффективную замену одноразовым батарейкам. Вещества, используемые в конструкции, экологически безопасны и легко перерабатываются. Основным недостатком некоторое время назад был малый срок службы (уже после 50 – 80 циклов емкость заметно снижалась); эта проблема была решена, однако лишь сравнительно недавно. Отчасти именно поэтому пока (по состоянию на 2021 год) подобных элементов на рынке немного.
А вот основные технологии, применяемые для одноразовых батареек:
— Солевая. Также носит название «марганцево-цинковая», по основным металлам, используемым в конструкции. Наиболее простая технология из применяемых в полноразмерных (не миниатюрных) батарейках; предполагает рабочее напряжение 1,5 В на ячейку — соответственно, элементы с повышенным напряжением вроде 9-вольтовой «Кроны» собираются из нескольких ячеек. В любом случае солевые источники питания имеют невысокую емкость, их напряжение заметно снижается по мере разряда, а высокое внутреннее сопротивление не позволяет применять такие батарейки для нагрузки с высоким потребляемым током. С другой стороны, подобные элементы просты в производстве, стоят недорого и имеют очень низкий уровень саморазряда. В свете последнего для приборов со сравнительно невысоким энергопотреблением (вроде пультов ДУ) такие батарейки подходят даже лучше алкалиновых (см. ниже): большая часть энергии щелочного элемента в таком режиме работы может уйти на саморазряд, а не на питание нагрузки. Многие солевые элементы маркируются как «general purpose» («общего назначения»).
— Алкалиновая. Технология производства одноразовых батареек, предполагающая использование щелочи в виде электролита (второе распространенное название — щелочная). Весьма распространена как в полноразмерных, так и в миниатюрных источниках питания (см. «Типоразмер») с номинальным напряжением в 1,5 В; батарейки с более высоким напряжением (например, «Крона») составляются из нескольких полуторавольтовых элементов. При этом химический состав полноразмерных и миниатюрных версий схож, но вот общие особенности (по сравнению с аналогами тех же типоразмеров) в обоих случаях будут разными:
- Полноразмерные алкалиновые батарейки (такие, как АА и ААА) имеют более продвинутые рабочие характеристики, чем солевые. Во-первых, их общая емкость заметно выше — к примеру, для пальчиковых батареек она может превышать 3000 мАч (тогда как для солевых элементов максимум составляет порядка 900 мАч). Во-вторых, щелочная технология позволяет дольше удерживать рабочее напряжение по мере разряда. В-третьих, она снижает саморазряд и увеличивает срок хранения батареек. Да и диапазон допустимый температур у таких батареек шире, а общая надежность — выше. Обратной стороной данных преимуществ является в первую очередь более высокая стоимость, чем у солевых источников питания. Кроме того, алкалиновые батарейки не имеет смысла покупать для приборов с низкими токами потребления (таких, как пульты ДУ): они проработают дольше солевых, но эта разница не оправдывает разницу в цене, так как значительная часть щелочного источника питания в таких условиях расходуется впустую — на саморазряд.
Миниатюрные алкалиновые батарейки-таблетки, наоборот, являются более простым и доступным аналогом продвинутых серебряно-оксидных элементов. Они используют маркировку LR (см. «Типоразмер»), имеют меньшую емкость (обычно в 1,2 – 1,5 раз ниже, чем у серебряно-оксидных решений в том же типоразмере), склонны к быстрому снижению напряжения по мере разряда, а также не рассчитаны на устройства с высокими токами потребления. С другой стороны, для низкотоковой нагрузки (вроде кварцевых наручных часов) таких возможностей более чем достаточно; а обходятся щелочные таблетки заметно дешевле «серебряных».
— Литиевая. Литиевые батарейки обычно имеют маркировку с индексом CR; они могут относиться как к полноразмерным, так и к миниатюрным (см. «Типоразмер»). Отличительной особенностью таких батареек является то, что их напряжение составляет 3 В на ячейку; таким же обычно является и общее номинальное напряжение, за исключением специфических типоразмеров CR-P2L или 2CR5, в которых используется несколько ячеек.
Полноразмерные батарейки, выполненные по данной технологии, изначально рассчитаны прежде всего на цифровые камеры и другие устройства с нерегулярным энергопотреблением и высоким потребляемыми током. Миниатюрные литиевые «таблетки» также неплохо подходят для аналогичного применения (характерный пример — брелки автосигнализаций, в которых передатчик включается на короткое время, однако требует большого количества энергии), но могут устанавливаться и в для низкотоковую нагрузку. Другой специфический вариант их использования — в роли запасного источника питания для компьютеров, планшетов, цифровых камер и т. п., позволяющий сохранять данные о текущей дате/времени и выставленные настройки даже при отключении основной батареи. К примеру, «классикой жанра» для питания памяти BIOS на материнских платах является батарейка CR2032. Благодаря сравнительно высокому напряжению литиевые «таблетки» имеют довольно солидную фактическую емкость, так что срок их службы в подобной роли обычно исчисляется годами и нередко сравним со сроком работы самого устройства.
— Li-SOCl2. Так называемая литий-тионилхлоридная технология применяется для создания одноразовых батареек повышенной надежности, рассчитанных в основном на неблагоприятные условия эксплуатации. Подобные элементы питания имеют целый ряд важных практических достоинств. Так, их емкость составляет от 1200 мАч для миниатюрного типоразмера 1/2 АА до более чем 35 000 мАч в типоразмере D; а учитывая, что номинальное напряжение составляет 3,6 В, то фактическая энергоемкость получается весьма внушительной. Литий-тионилхлоридные батарейки без проблем переносят высокие нагрузки, в том числе импульсные; долгое время поддерживают стабильное напряжение по мере разряда; имеют обширный диапазон допустимых температур эксплуатации (от -60 °С до +85 °С в обычных моделях и от -40 °С +150 °С в высокотемпературных); оснащаются встроенной защитой от перегрузок и короткого замыкания; и даже при сбоях такой защиты батарейка остается взрыво- и пожаробезопасной и может применяться даже в помещениях, заполненных горючими парами. А саморазряд при хранении не превышает 1 – 2 % в год, что обеспечивает большой срок годности.
В целом батарейки LiSOCl2 — это идеальный вариант для устройств, имеющих сравнительно невысокое постоянное энергопотребление и необходимость долго работать без дополнительного обслуживания. Главный недостаток данной технологии — весьма высокая стоимость, что и ограничивает ее применение в основном специализированными профессиональными источниками питания, применяемыми для промышленного оборудования, в военном деле, аэрокосмической отрасли и т.п. Также стоит учитывать, что хотя Li-SOCl2 могут выполняться в «1,5-вольтовых» типоразмерах вроде АА, однако их номинальное напряжение даже в таких случаях будет составлять упомянутые 3,6 В. А при первом включении напряжение обычно оказывается заметно ниже номинального (порядка 2,5 В, а то и меньше) — это связано с химическими особенностями технологии; через небольшое время данный показатель возвращается в норму, однако эту особенность стоит учитывать при применении в некоторых типах приборов.
— Серебряно-оксидная. Технология, применяемая для продвинутых миниатюрных элементов питания с напряжением 1,5 В. В таких батарейках используются те же типоразмеры, что и в алкалиновых «таблетках» (см. выше), однако различается маркировка: по общепринятому стандарту серебряно-оксидные элементы обозначаются буквами SR (щелочные — LR), а в нашем каталоге в качестве основного принят более специфический стандарт — три цифры с тройкой в начале, например, «315» (он обеспечивает большую точность; подробнее см. «Типоразмер»). В любом случае из-за использования серебра подобные батарейки обходятся заметно дороже алкалиновых аналогов (по этой же причине серебряно-оксидная технология почти не применяется в полноразмерных элементах); однако разница в цене компенсируется рядом практических преимуществ. Одно из самых заметных — высокая емкость (в среднем в 1,5 раза выше, чем у алкалиновых «таблеток» того же размера). Кроме того, данная технология обеспечивает более стабильное напряжение, которое довольно медленно снижается по мере разряда, низкое внутреннее сопротивление, а также стойкость к кратковременным высоким нагрузкам. Касательно последнего стоит отметить, что большинство серебряно-оксидных элементов выпускается в двух вариантах специализации: High Drain (для нагрузки с неравномерным и высоким энергопотреблением, например, беспроводных звонков, брелков автосигнализаций и т. п.) и Low Drain (для нагрузки с низким и равномерным энергопотреблением, такой, как наручные кварцевые часы). При этом у подобных батареек одинакового размера, но разной специализации номинальный ток разряда может быть одинаковым; однако версии HD в целом являются более стойкими к неравномерной нагрузке.
— Воздушно-цинковая. Довольно специфическая технология, популярная в основном в компактных батарейках серии PR для слуховых аппаратов (см. «Типоразмер»). Для химической реакции, происходящей в подобных батарейках, требуется воздух; однако в продажу такие батарейки поступают герметично запечатанными, и реакция в них не происходит. Благодаря этому саморазряд при хранении получается практически нулевым, а срок годности — весьма солидным. Перед использованием нужно активировать источник питания, сняв установленную на нем заглушку и открыв доступ воздуха; отметим, что заглушки в воздушно-цинковых «таблетках» разного типоразмера различаются по цветам, что позволяет различать их буквально с первого взгляда, без необходимости вчитываться в мелкие надписи на корпусе. После активации срок жизни «жизни» такого элемента составляет несколько недель — после этого электролит высыхает и батарейка становится непригодной к использованию независимо от того, применялась она как источник питания или нет. Впрочем, при постоянной работе в слуховом аппарате заряд заканчивается заметно быстрее, чем высыхает электролит. Таким образом, пользователь слухового аппарата может держать при себе приличный запас подобных элементов и активировать их по одному, по мере необходимости, не боясь, что остальные потеряют свои свойства.
