Основные характеристики аккумуляторов

Аккумулятор — источник питания, который запасает электрическую энергию и отдаёт её по мере необходимости. Такие источники стоят почти везде: в смартфонах, электронных часах, калькуляторах, фонариках, инструменте, системах жизнеобеспечения и в системах запуска двигателей автомобилей. Ниже разберём, чем отличаются разные виды аккумуляторов, какие их характеристики важно знать при выборе и как пользоваться ими безопасно.

Аккумулятор

Чтобы понять принцип работы аккумулятора, полезен небольшой исторический экскурс. Первый химический источник тока появился в 1800 году — его создал Алессандро Вольта. Поместив между пластинами двух разных металлов, цинка и меди, прослойку, смоченную кислотой или солёным раствором, он получил на выводах постоянное напряжение. В ходе опыта цинковая пластина постепенно растворялась, а на медной выделялись пузырьки газа. Такой элемент получил название «вольтов столб».

Аккумулятор работает похожим образом, но реакции в нём обратимы: если пропустить через аккумулятор ток в направлении, противоположном току разряда, вещества на электродах восстанавливаются и запас энергии возвращается. Полностью обратить реакции не удаётся — часть изменений накапливается, поэтому ресурс любого аккумулятора конечен.

Основа любого аккумулятора — два электрода из разных по химическим свойствам материалов, разделённых электролитом. Электролит бывает жидким (как в свинцово-кислотных батареях), гелевым или в виде пористого сепаратора, пропитанного проводящим составом. Именно материалы электродов и электролита определяют характеристики аккумулятора. В свинцово-кислотных батареях для автотранспорта отрицательный электрод — губчатый свинец, положительный — диоксид свинца (PbO₂), электролит — раствор серной кислоты; такие батареи маркируют символами Pb. В самых распространённых в бытовой технике литий-ионных аккумуляторах (Li-Ion) активные материалы другие: на положительном электроде — оксид или фосфат с литием (кобальта, никеля и марганца либо фосфат железа), на отрицательном — графит. Алюминиевая и медная фольга в них служат не электродами, а лишь токосъёмниками, на которые нанесены активные массы.

Несколько таких элементов (банок), электрически соединённых между собой, образуют аккумуляторную батарею. Последовательное соединение нужно, чтобы получить требуемое напряжение, параллельное — чтобы увеличить ёмкость и допустимый ток. Характеристики батареи складываются из характеристик отдельных элементов: при последовательном соединении напряжения суммируются, а ёмкость всей сборки ограничена самым слабым элементом.

Распространённые сегодня виды аккумуляторов:

Таблица не исчерпывающая: новые типы аккумуляторов разрабатываются постоянно.

Технические характеристики

На сферу применения элемента питания напрямую влияют его технические характеристики. Наиболее важные из них:

• ёмкость,
• удельная энергия (плотность энергии),
• номинальное напряжение,
• допустимая глубина разряда,
• срок службы,
• рабочая температура,
• скорость саморазряда,
• допустимый ток разряда,
• габариты и вес,
• форм-фактор (вид исполнения).

Теперь подробнее.

Ёмкость, напряжение и сила тока

Основные характеристики АКБ:

1. Ёмкость — количество заряда, которое аккумулятор способен отдать. Измеряется в ампер-часах (А·ч) или миллиампер-часах (мА·ч). Например, ёмкость 2000 мА·ч означает, что элемент теоретически отдаст ток 2000 мА в течение часа, ток 100 мА — около 20 часов, а ток 1 мА — порядка 2000 часов. На практике при больших токах отдаваемая ёмкость заметно меньше паспортной. Чтобы сравнивать аккумуляторы с разным напряжением, удобнее считать запас энергии в ватт-часах: ёмкость в ампер-часах умножают на напряжение в вольтах. Так, элемент 2000 мА·ч с напряжением 3,7 В запасает около 7,4 Вт·ч.

Работу аккумулятора удобно сравнить с баком воды. Объём бака — это ёмкость, напор (давление) на выходе — напряжение, а расход воды через трубу — сила тока. Чем больше расход, тем быстрее опустеет бак; чем ниже напор, тем слабее работает подключённый потребитель.

Заряжать аккумулятор выше допустимого напряжения опасно: перезаряд вызывает перегрев и выделение газов, а у литий-ионных элементов — необратимую деградацию и риск возгорания.

2. Напряжение — задаётся химией элемента, а не его размером. У свинцово-кислотного элемента оно около 2 В, у никель-кадмиевого и никель-металлгидридного — 1,2 В, у литий-ионного — 3,6–3,7 В (полностью заряженный даёт около 4,2 В). По мере разряда напряжение снижается, поэтому по нему и судят о степени заряда. Нужное напряжение батареи получают последовательным соединением элементов: шесть свинцовых банок по 2 В дают привычные 12 В.
3. Допустимый ток разряда — максимальный ток, который элемент отдаёт без перегрева и ускоренного износа. Часто его указывают не в амперах, а в единицах C: ток 1C численно равен ёмкости, то есть для элемента 2000 мА·ч это 2 А. Отдельно нормируют кратковременный (импульсный) ток, а для автомобильных батарей — ток холодной прокрутки. Превышать эти значения нельзя: при коротком замыкании клемм литий-ионный элемент сильно перегревается и может загореться или взорваться.

Рабочий диапазон температур

Ресурс, допустимый ток и напряжение производитель указывает для нормальных условий — обычно это 20–25 °C. Привязка идёт к скорости химических реакций и к сопротивлению электролита. На холоде реакции замедляются, внутреннее сопротивление растёт: напряжение под нагрузкой просаживается, а доступная ёмкость падает — свинцовая батарея при −18 °C отдаёт заметно меньше половины того, на что способна летом. При этом сам аккумулятор на морозе разряжается не быстрее, наоборот: саморазряд замедляется, просто энергию из него труднее «достать». При нагреве картина обратная: отдаваемые ток и ёмкость выше, но ускоряются саморазряд и старение, а литий-ионные элементы выше 45 °C быстро теряют ресурс. Отдельное правило: литий-ионный аккумулятор нельзя заряжать при отрицательной температуре — на аноде осаждается металлический литий и элемент необратимо портится.

Саморазряд аккумуляторов

Любой аккумулятор подвержен саморазряду: полностью заряженный, он постепенно теряет заряд, даже если к нему ничего не подключено. Причина в том, что внутренние химические процессы идут и без внешней нагрузки, только намного медленнее. Электроды всегда связаны через электролит, поэтому обмен ионами и побочные реакции не прекращаются. У готовых батарей к этому добавляется собственное потребление платы защиты и контроллера.

Разные типы аккумуляторов теряют заряд с разной скоростью. Больше всех — щелочные никелевые: никель-кадмиевые, никель-металлгидридные и никель-железные за первый месяц хранения отдают от 10 до 30 % заряда, причём у никель-железных саморазряд особенно велик. Свинцово-кислотные теряют примерно 3–5 % в месяц. Меньше всех — литий-ионные: порядка 2–3 % в месяц без учёта потребления платы защиты. Отдельно стоит упомянуть никель-металлгидридные элементы с низким саморазрядом (LSD, «предзаряженные»): они сохраняют большую часть заряда в течение года.

Допустимая глубина разряда

Глубина разряда (DoD) показывает, какую часть ёмкости можно израсходовать без вреда для аккумулятора. Разряд «в нуль» вредит любой химии, но по разным причинам. В свинцово-кислотной батарее на пластинах образуется плохо растворимый сульфат свинца (сульфатация), и ёмкость не восстанавливается. В литий-ионном элементе при напряжении ниже примерно 2,5 В начинает растворяться медный токосъёмник, а при последующем заряде внутри растут проводящие мостики — элемент теряет ёмкость и может замкнуться. В батарее из последовательно соединённых элементов добавляется ещё один механизм: самый слабый элемент разряжается первым, а остальные продолжают гнать через него ток и «переполюсовывают» его — анод и катод фактически меняются ролями. Такой элемент быстро выходит из строя, а поскольку соединение последовательное, с ним перестаёт работать и вся батарея. На практике свинцовые батареи стараются не разряжать глубже 50 %, а литий-ионные держат примерно в диапазоне 20–80 % — так ресурс максимален.

Чтобы этого не происходило, современные литий-ионные аккумуляторы комплектуют платой защиты (PCM), а многоэлементные сборки — системой управления батареей (BMS). Она следит за напряжением элементов и отключает потребителя, когда напряжение падает до порогового (обычно 2,5–3,0 В на элемент), а также ограничивает ток и защищает от перезаряда и перегрева. Такие платы стоят практически во всех аккумуляторах бытовой техники — от смартфонов и ноутбуков до электроинструмента.

Примечание! Возможно, кому-то знакома ситуация, когда аккумулятор телефона «умер» и перестал заряжаться. Частая причина — как раз плата защиты: после глубокого разряда она разомкнула выход, а штатное зарядное устройство не видит напряжения на клеммах и не начинает заряд. Такие элементы иногда восстанавливают малым током на специальном зарядном устройстве, но делать это нужно осторожно: глубоко разряженный литий-ионный аккумулятор уже повреждён, а вздувшийся или греющийся следует заменить, а не заряжать.

Срок службы

Аккумулятор — химический источник тока, и его ресурс ограничен. Со временем обратимые реакции идут всё хуже: активная масса электродов разрушается и осыпается, накапливаются побочные соединения, ёмкость падает. Показательны батареи с жидким электролитом: кислота разрушает решётки пластин (коррозия), вода из электролита испаряется и разлагается, часть активной массы безвозвратно превращается в сульфат. У литий-ионных элементов главные причины старения — рост пассивирующего слоя на аноде и деградация материала катода, причём старение идёт даже при простом хранении, особенно в тепле и при полном заряде. Поэтому ресурс правильнее измерять не только в годах, но и в циклах заряд-разряд. Ориентиры такие: автомобильные стартерные свинцово-кислотные батареи служат 3–6 лет, стационарные AGM и гелевые — до 10–12 лет; литий-ионные на оксидах кобальта и никеля — 2–5 лет или 500–1000 циклов; литий-железо-фосфатные (LiFePO₄) выдерживают 2000–5000 циклов; дольше всех живут промышленные никель-кадмиевые с ламельными пластинами (15–20 лет) и никель-железные, которые при обслуживании работают десятилетиями, но имеют низкий КПД и большой саморазряд.

Есть нюанс: заявленный ресурс относится к идеальным условиям — комнатной температуре, умеренным токам и правильному режиму заряда. В реальной эксплуатации он заметно ниже. Носимая техника постоянно меняет температурную среду (улица — помещение), греется при быстрой зарядке и месяцами стоит на 100 % заряда, а это один из главных факторов старения литий-ионных элементов. Кстати, распространённый совет «разряжать аккумулятор в нуль перед зарядкой» к литий-ионным не относится — он остался от никель-кадмиевых батарей с «эффектом памяти». Литий-ионным, наоборот, полезны частые неглубокие подзарядки, а на хранение их лучше оставлять с зарядом около 40–60 %. Автомобильные батареи страдают от перепадов температур, коротких поездок и постоянного недозаряда, хотя свинцовая химия к режиму заряда менее чувствительна, чем литиевая.

Форм-факторы

Аккумуляторы выпускают в разных форм-факторах. Часть из них стандартизована и взаимозаменяема: цилиндрические элементы типоразмеров AA и AAA, 18650, 21700, автомобильные корпуса по европейским и азиатским стандартам. Другие делают под конкретное устройство — это призматические элементы и пакетные (pouch) сборки в мягкой оболочке, из которых собирают батареи смартфонов, ноутбуков и планшетов. Аккумулятор бывает сменным, а бывает встроенным: если производитель рассчитывает срок службы прибора примерно равным ресурсу батареи, её делают несъёмной. В остальных случаях предусматривают замену элемента, израсходовавшего ресурс.

Габариты и вес

Вес и габариты — тоже немаловажные характеристики. От размера элемента напрямую зависят ёмкость и допустимый ток: чем больше площадь и масса активных материалов, тем больше заряда запасает аккумулятор и тем ниже его внутреннее сопротивление. А вот напряжение от размеров не зависит — его задаёт химия элемента. Соотношение запасённой энергии и массы называют удельной энергией: у свинцово-кислотных батарей это всего 30–40 Вт·ч/кг, у никель-металлгидридных — 60–100 Вт·ч/кг, у литий-ионных — 150–250 Вт·ч/кг. Поэтому при равном запасе энергии свинцовые пластины в корпусе с жидким электролитом весят в несколько раз больше, чем сборка из алюминиевой и медной фольги с пропитанным электролитом сепаратором.

Литиевые стартерные батареи для автомобилей всё же выпускают — как правило, на основе LiFePO₄; они втрое-вчетверо легче свинцовых. Но массовыми они не стали: цена за ампер-час существенно выше, на морозе такая батарея хуже отдаёт пусковой ток, а заряжать её при отрицательной температуре без подогрева нельзя. Кроме того, штатный генератор и реле-регулятор рассчитаны на зарядный профиль свинцовой батареи. Поэтому в большинстве машин по-прежнему стоит свинцово-кислотный аккумулятор.

Техника безопасности

Не стоит забывать, что любой элемент питания содержит активные химические вещества и при неправильном обращении опасен. Особенно это касается бытовых литий-ионных аккумуляторов. Металлического лития в них обычно нет — литий входит в состав соединений, — но электролит горюч, и при перегреве, механическом повреждении или внутреннем замыкании элемент может перейти в тепловой разгон: температура нарастает лавинообразно, выделяются горючие газы, элемент воспламеняется или разрывается. Происходит это редко, поэтому в целом такие аккумуляторы относительно безопасны. Причиной перегрева бывают короткое замыкание выводов, удар или прокол, перезаряд и зарядка на морозе. Замыкающий проводник пропускает через себя максимально возможный ток аккумулятора, что и вызывает нагрев.

Замыкать выводы накоротко нельзя ни у одного аккумулятора. Реакции внутри резко ускоряются, ток ограничен только внутренним сопротивлением элемента и может достигать сотен ампер. Кроме перегрева возможно разрушение корпуса выделяющимися газами, а у свинцовой батареи — разбрызгивание кислоты и воспламенение смеси водорода с воздухом. По той же причине на клеммы автомобильной батареи не кладут инструмент, а при снятии первой отключают клемму «минус».

Перегревать аккумулятор тоже нельзя. Стоит электролиту — даже у относительно безопасных щелочных батарей — вскипеть, и корпус разорвёт давлением. И щёлочь, и кислота опасны для человека: в жидком виде это химические ожоги кожи и глаз, в виде аэрозоля или пара — поражение слизистых и дыхательных путей. Поэтому с такими батареями работают в перчатках и защитных очках, а заряжают их в проветриваемом помещении и вдали от открытого огня: при заряде выделяется водород.

Заключение

С развитием технологий развивается и элементная база техники, в том числе аккумуляторы. Появляются новые виды: литий-железо-фосфатные и титанатные элементы, натрий-ионные батареи, которые лучше переносят холод и обходятся без лития и кобальта, разрабатываются твердотельные и гибкие углерод-полимерные конструкции. Пока большинство из них либо дороже, либо уступает литий-ионным по удельной энергии, поэтому полностью вытеснить их не смогли. Так что информация в статье не окончательна — она описывает основные виды аккумуляторов, используемые сегодня.