Первичные элементы питания

Многие полагают, что электрические батареи - вещь сугубо современная. На самом деле, этой человеческой затее в следующем году исполняется ровно двести лет. Прародительница современных элементов питания была, конечно, не такой миниатюрной и совсем не такой долгоиграющей, но в принципе, работала, так же, как и сегодняшние пальчики и таблетки.

Первую батарею придумал итальянец. Его звали Алессандро Вольта. Вольтов столб - так окрестили изобретение ученые-химики - состоял из пластин цинка, меди или серебра, разделенных матерчатыми прокладками, смоченными в растворе соли или кислоты. Когда пластины соединяли металлической проволокой, по ней шел постоянный ток. Для того чтобы получать большее напряжение, англичане придумали соединить последовательно несколько обычных гальванических элементов. Не одну, а сразу несколько десятков пар электродов из меди и цинка помещали в раствор кислоты. Чтобы сберечь подверженный разрушению цинк и продлить срок службы батареи, в нерабочем состоянии цинковые пластины вынимали из электролита. Стоит ли говорить, что все эти манипуляции делали бытовое использование первых батарей делом чрезвычайно хлопотным. К тому же полученное напряжение держалось недолго.

В самых современных батарейках, так называемых алкалиновых (от англ. alkaline - щелочь), электролит соответственно щелочной. Он растворен в специальном геле, в котором присутствует железный порошок - электрод №1. Второй электрод - это не сам корпус, как раньше, а тонкий слой оксида марганца, напыленный на внутренние стенки стаканчика. Эти батарейки, со сроком службы в несколько раз большим, чем у солевых, не текут и лучше работают на холоде.

Самые долговечные батарейки - литиевые. Их применяют на самых ответственных работах: например, в кардиостимуляторах. В таких батарейках - два электрода, разделенных специальным сепаратором: один - литиевый, другой - из смеси графита и оксида марганца. Литиевые батарейки еще и самые легкие, поэтому и незаменимы в медицинских и прочих микроприборах.

Чтобы понять, к какому типу принадлежит тот или иной элемент питания, не надо быть выдающимся химиком, достаточно внимательно изучить все надписи на самой батарейке и ее упаковке. На элементах солевого типа должно красоваться обозначение R6. Если батарейка щелочная - на ней напишут LR6 и слово ALKALINE. Там же, на корпусе, должен быть указан размер батарейки и ее рабочее напряжение. На все эти параметры в России, да и во всем мире установлены жесткие стандарты. Зато на всевозможные категории вроде Super Ultra или Super Power+ никаких стандартов не существует, а потому все эти громкие обещания целиком и полностью остаются на совести производителя. Рано или поздно даже неработающие батарейки начинают постепенно разряжаться. Чтобы замедлить этот, в общем-то, естественный процесс, по-долгу не используемые батарейки лучше всего хранить в прохладном, даже холодном, но не влажном месте. Кроме того, они должны продаваться запаянными в пленку или блистер. Срок годности должен быть пропечатан или выгравирован на шайбе отрицательного вывода.

На сегодняшний день история промышленного производства химических источников тока насчитывает около ста лет. Итак, 1890 год, Нью-Йорк, иммигрант из России Конрад Губерт изобретает первый в мире карманный фонарик. Через шесть лет компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов питания Columbia. Это так называемые солевые элементы питания, их химия очень проста - это электрохимический активный диоксид марганца, цинковый порошок и электролит на основе хлористого аммония (называемого в народе нашатырем). Технология их производства - самая простая и дешевая. Последние 15 лет происходило усовершенствование старой технологии производства солевых элементов питания. Первоначально, для того, чтобы исключить коррозию цинка в процессе хранения батарейки, использовались добавки в цинковый порошок в виде ртути, и содержание ртути было достаточно высоким. Последние лет 5 произошли ощутимые изменения, касающиеся требований к экологической чистоте продукта. Поэтому вместо ртути стали применять органические соединения, которые по своим свойствам заменили добавки из ртути. Смысл использования этих компонентов заключается в том, что цинк (если вспомнить школьный курс химии) подвергается процессу коррозии, и чтобы уменьшить его (а значит и саморазряд батареи), туда добавлялась ртуть, теперь замененная органическими соединениями. Благодаря усовершенствованной технологии увеличился срок годности, а это очень важный параметр элементов питания (на сегодняшний день достигнут трехлетний срок годности для солевых элементов питания).

Сейчас все элементы питания делятся на две группы: первичные и вторичные. Суть заключается в том, что первичные элементы работают один раз до полной разрядки, а вторичные (аккумуляторы), можно многократно перезаряжать.

Перезаряжаемые элементы питания (вторичные элементы питания)

Аккумуляторы как и батарейки имеют большую номенклатуру изделий все аккумуляторы делятся на два типа: бытовые и промышленные. К бытовым будем относить те аккумуляторы, которые являются взаимозаменяемыми с первичными элементами питания. Большинство же промышленных аккумуляторов идет на сборки аккумуляторных батарей, которые используются в рациях, видеокамерах, сотовых телефонах, портативных компьютерах. Наиболее распространенными системами аккумуляторов является никель-кадмиевая серия, никель-металлгидридная и литий-ионная.

Самая давняя и самая отработанная технология - никель-кадмиевые аккумуляторы. Их массовое производство в начале шестидесятых годов наладила компания Sanyo, и на сегодняшний день она является мировым лидером по их производству (торговая марка CadNica). Аккумуляторы на этой основе имеют напряжение питания 1,2 В и способны выдерживать до 1000 циклов заряд-разряд. Давайте получше рассмотрим технологию перезарядки никель-кадмиевых аккумуляторов. У этих аккумуляторов до недавнего времени имелся такой минус: нужно было начинать зарядку только после полной разрядки элемента. Этот эффект называется эффектом памяти. Объясняется он следующим образом: в момент, с которого начинается зарядка аккумулятора, в сепараторе аккумулятора образуется химическое соединение, которое мешает дальнейшей глубокой разрядке. Современные никель-кадмиевые аккумуляторы не имеют эффекта памяти. Этого добиваются путем изменения химического состава сепаратора. Отрицательным моментом по отношению к никель-кадмиевым аккумуляторам является их экологическая опасность, так как они содержат кадмий (соли кадмия очень ядовиты). Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют емкость до 1100 мАч (для элемента размера АА). Применяются в различных устройствах со средним и высоким потреблением тока, таких как: пейджеры, переносные компьютеры, видеокамеры, фотоаппаратура. В Казахстане никель-кадмиевые аккумуляторы представляют компании Panasonic, GP Batteries, Varta, и др.

Никель-металлгидридные аккумуляторы. Появились они совсем недавно, и, в связи с этим, технология отработана не до конца. Емкость этих элементов выше, чем у соответствующих никель-кадмиевых, однако они дороже. Аккумуляторы этого типа безопасны для окружающей среды. По своему химическому составу в принципе не могут иметь эффекта памяти. На какие особенности хочется обратить внимание? Это прежде всего процесс зарядки этих аккумуляторов. Для никель-металлгидридных аккумуляторов необходимо специальное зарядное устройство, которое могло бы следить за температурой аккумулятора и за напряжением при зарядке. Для чего это нужно? Оказывается, что никель-металлгидридные аккумуляторы очень боятся нескольких вещей. Это перегрев при зарядке, нахождение на холоде, и переполюсовка, которая может возникнуть при разрядке батареи, если в ней в силу определенных обстоятельств один из элементов имеет меньшую емкость, чем другие элементы батареи.

Никель-металлгидридные аккумуляторы хорошо подходят для использования в быту в видеокамерах, сотовых телефонах, калькуляторах. Никель-металлгидридные аккумуляторы в Казахстане представляют такие компании как Varta, Panasonic, GP Batteries, , Sony и теперь еще компания МР.

Литий-ионные аккумуляторы. По общему мнению, литий-ионные аккумуляторы - самые перспективные. Они экологически абсолютно безопасны, не обладают эффектом памяти. Они работают в широком диапазоне температур и применяются в энергоемких устройствах, таких как цифровые видеокамеры, переносные компьютеры, сотовые телефоны.

Зарядные устройства

Зарядные устройства предназначены для зарядки цилиндрических и призматических никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов делятся на несколько видов:

1. Интеллектуальные зарядные устройства;

Зарядные устройства, предназначенные для никель-металлгидридных аккумуляторов имеют по два светодиодных индикатора, контролирующих зарядные режимы. Красный индикатор контроля показывает, что осуществляется режим заряда. При достижении аккумулятором номинальной емкости загорается зеленый индикатор и аккумулятор переводится в режим дозаряда (т.е. сохранения емкости). Для этой цели зарядные устройства оснащены встроенным таймером и температурными датчиками.

2. Слаботочные зарядные устройства;

Зарядные устройства, предназначенные для никель-металлгидридных аккумуляторов имеют по два светодиодных индикатора, контролирующих зарядные режимы. Красный индикатор контроля показывает, что осуществляется режим заряда. При достижении аккумулятором номинальной емкости Красный индикатор контроля на тухнет, поэтому в таких зарядных устройствах необходимо точно соблюдать инструкцию по времени зарядки аккумулятора. Но даже если вы забыли выключить зарядное устройство по истечении определенного инструкцией времени заряда, ни чего страшного не произойдет, т.к. заряд осуществляется малым током, который не наносит вреда аккумуляторной батареи. Поэтому можно продержать аккумулятор в иаком устройстве лишних 10 – 15 часов.

3. Сильноточные (Быстрые) зарядные устройства.

Зарядные устройства для никель-кадмиевых аккумуляторов подразделяются на универсальные (для всех типов аккумуляторов с автоматической установкой тока) или предназначенные для заряда одного, трех типов. Зарядные устройства для никель-металлгидридных аккумуляторов предусматривают зарядку двух или четырех аккумуляторов типоразмера АА и снабжены температурными датчиками.

Зарядные устройства, предназначенные для никель-металлгидридных аккумуляторов имеют по два светодиодных индикатора, контролирующих зарядные режимы. Красный индикатор контроля показывает, что осуществляется режим быстрого заряда. При достижении аккумулятором номинальной емкости загорается зеленый индикатор и аккумулятор переводится в режим дозаряда (т.е. сохранения емкости). Для этой цели зарядные устройства оснащены встроенным таймером и температурными датчиками.