Выбираем элементы питания для электронного проекта

Если вы разрабатываете устройство с автономным питанием, то, скорее всего, без долгих раздумий возьмете широко распространенный литиево-полимерный аккумулятор или же обычные батарейки формата AA. Но уверены ли вы, что в вашем конкретном случае это будет оптимальным решением? Давайте ознакомимся с альтернативными вариантами, а также разберемся, по каким критериям следует выбирать химические источники тока.

Основные критерии выбора

Прежде всего следует отметить, что разработчики зачастую не задумываются о том, каким образом готовые изделия будут попадать к конечному пользователю. Так, из-за ограничений, касающихся транспортировки батарей на основе лития, пересылка заказчику устройства с литий-полимерным аккумулятором по почте может оказаться непростой задачей. Однако проблемы с доставкой могут возникнуть не только из-за правил перевозки. Свинцово-кислотные батареи, например, очень тяжелы, поэтому их доставка может быть весьма затратной. Указанные факторы могут свести на нет любые преимущества батарей указанных типов.

Также разработчики часто упускают из виду условия, в которых будет эксплуатироваться изделие. Если устройство будет работать на открытом воздухе или в условиях промышленного предприятия, то температура в месте его установки может оказаться намного ниже или намного выше допустимой для батарей выбранного типа. Пока вы тестируете изделие в своей лаборатории при комнатной температуре, все идет прекрасно. А потом прибор оказывается, например, в Канаде на 40-градусном морозе или в Австралии на 45-градусной жаре и - сюрприз! – батареи работают совсем не так, как ожидалось. В химических источниках тока используется энергия протекающих в них химических реакций, которые при -40°C существенно замедляются (электролит вообще может замерзнуть), и батарея перестает работать. А в Австралии – обратная ситуация: на открытом солнце черный корпус легко может нагреться выше 70°C. При таких высоких температурах элементы определенных типов вполне могут устроить красивый фейерверк.

Если вы разрабатываете портативное устройство, то, выбирая тип элементов питания, в первую очередь обратите внимание на их размеры и вес. Возьмем, к примеру, слуховые аппараты. Думаю, никто не ожидает увидеть в слуховом аппарате свинцово-кислотную батарею.

И, конечно же, нельзя обойти вниманием такой параметр как напряжение элемента. Если для получения нужного напряжения придется использовать несколько элементов, то итоговая сборка может оказаться слишком громоздкой или попросту неудобной в применении. С напряжением напрямую связан и ток. Одни батареи способны отдавать очень большой ток, а другие с трудом могут работать даже на небольшую нагрузку. Соответственно, если вашему устройству требуется большой ток для питания двигателей, ярких светодиодов или для обеспечения требуемой производительности, то можно сразу исключить из рассмотрения многие типы батарей.

Расскажу одну историю. Недавно я испытывал экспериментальный автопилот, который управлял небольшим дроном с фотокамерой. Что-то пошло не так, и аппарат упал посреди поля. День был ветреный, стояла жара 42°C (107,6°F), а поле, на которое упал дрон, уже полгода не видело дождя. При падении большая 4-элементная литий-полимерная батарея помялась, в результате чего загорелась одна из ячеек. Постепенно одна за другой воспламенились и остальные ячейки, а потом огонь перекинулся на окружающую траву. К счастью, у нас с собой был огнетушитель – боюсь даже представить себе, что могло бы произойти, не потуши мы огонь (рис. 1). После этого случая мы стали использовать в своих дронах только LiFePO4-аккумуляторы, поскольку они не склонны к таким каскадным возгораниям, да и вообще более надежны. Хоть мне и нужна такая плотность энергии, которую обеспечивают литиевые аккумуляторы, но я вовсе не хочу выплачивать миллионные суммы, возмещая ущерб от пожара.

Рис. 1. Последствия деформации литий-полимерной батареи

Глядя на фотографию, можно подумать, что огонь не такой уж и сильный. Но представьте себе, что крушение произошло у дальней границы полетной зоны, прямо над деревьями. К тому времени, когда мы добрались бы до точки падения, вполне мог начаться серьезный пожар. Отдельно хочу подчеркнуть, что я разбил уже много аппаратов во время тестирования нового оборудования и/или программного обеспечения, но огнетушитель мне понадобился впервые. Вывод: даже несмотря на множество проведенных испытаний, в ситуации, подобной описанной, батарея может показать себя с неожиданной стороны.

Первичные и вторичные элементы питания

Выбирая тип элементов питания, подумайте о том, стоит ли использовать перезаряжаемые элементы (аккумуляторы). С одной стороны, очень удобно, когда в устройстве есть встроенная зарядка. С другой - это сразу же влечет за собой необходимость соблюдения самых разных нормативных требований и получения соответствующих сертификатов. Отдельно следует сказать о батареях на основе лития – они очень чувствительны к режиму заряда и при его несоблюдении могут легко самовоспламеняться. Другие электрохимические системы относятся к перезаряду более терпимо, не превращаясь в этом случае в реактивный снаряд.

Если ваше устройство будет долгое время храниться в бездействующем состоянии, а при работе должно будет демонстрировать непревзойденную надежность, то аккумуляторы, скорее всего, совсем не то, что вам нужно. В качестве примера можно привести такие устройства как индивидуальный аварийный радиомаяк или автоматический наружный дефибриллятор.

В чем же различие между первичными и вторичными элементами питания? Все очень просто – первичные элементы не могут заряжаться и используются однократно. Энергия в элементах обоих типов вырабатывается в результате химических реакций, однако в первичных элементах эти реакции необратимы. Вторичные элементы могут заряжаться и использоваться многократно в режиме «заряд-разряд».

Как правило, первичные элементы питания отличаются большей удельной плотностью энергии и более длительными сроками хранения по сравнению с их вторичными аналогами. С одной стороны, вторичные элементы могут быть более удобными в эксплуатации, поскольку их не нужно менять при разряде. С другой - они не могут долго храниться в заряженном состоянии, а их емкость, как правило, гораздо меньше емкости первичных элементов того же типоразмера.

Первое знакомство

В таблицах 1 и 2 приведены значения самых важных, на мой взгляд, параметров для всех электрохимических систем, рассматриваемых в статье.

Таблица 1. Первичные элементы питания

* Для параметра «Ток разряда» символ «C» означает емкость батареи. Таким образом, для батареи емкостью 2500 мА * ч ток разряда 0,1 C будет равен 250 мА.

Таблица 2. Вторичные элементы питания

* Применение никель-кадмиевых аккумуляторов во вновь разрабатываемых устройствах запрещено на всей территории Европейского Союза.

Щелочные элементы питания

Почти 80% всех производимых в мире батарей составляют щелочные, или, как их часто называют, «алкалиновые», элементы. Щелочные элементы относятся к классу первичных элементов питания. Они выпускаются в корпусах самых разных типоразмеров (рис. 2): в цилиндрических (AAA, AA, C, D), в плоских корпусах типа «таблетка», в призматических корпусах в виде сборок из нескольких элементов (9-вольтовые батареи). Замечу, что это стандартные типоразмеры элементов питания, в таких же корпусах изготавливаются элементы и других типов.

Рис. 2. Внешний вид щелочных элементов питания

Номинальное напряжение щелочного элемента составляет 1,5 В, при этом напряжение свежей батарейки может составлять 1,5…1,65 В в зависимости от ее качества. Остаточное напряжение полностью разряженного элемента будет лежать в диапазоне 0,8…1,0 В.

Такое напряжение хорошо подходит для питания большинства современных электронных схем, требующих 3,3 В. Чтобы получить такое напряжение, будут нужны три последовательно соединенных элемента и стабилизатор с очень малым падением напряжения. По мере истощения элементов выходное напряжение будет снижаться, но большинство ИС нормально работают и при пониженном напряжении. И все же, из-за того что в таких же форм-факторах выпускаются и вторичные элементы с номинальным напряжением 1,2 В, на практике для питания 3,3-вольтовых устройств рекомендуется использовать сборки из не менее чем четырех элементов.

Ток, который могут отдавать щелочные элементы питания, сравнительно небольшой, причем от отдаваемого тока напрямую зависит и полезная емкость. Так, обычный элемент AA при токе нагрузки 25 мА будет иметь емкость порядка 2700 мА*ч, а при увеличении тока до 500 мА полезная емкость элемента уменьшится практически вдвое.

Щелочные элементы не имеют никаких ограничений при транспортировке авиатранспортом, и их можно найти практически в любом супермаркете, продуктовом или хозяйственном магазинах в любой точке земного шара. Поэтому заменить вышедшие из строя батарейки не составит никакого труда. Конечно, батарейки производства известных компаний могут стоить достаточно дорого. В то же время батарейки менее раскрученных брендов, а также батарейки собственных торговых марок магазинов могут оказаться очень дешевыми, хотя и будут иметь немного меньшую емкость. Но даже это всегда верно – вполне может случиться так, что емкость такой дешевой батарейки окажется выше емкости брендовой.

У щелочных элементов питания есть один досадный недостаток – они протекают. Некоторые известные производители гарантируют 100% герметичность своих батареек, поэтому, в зависимости от назначения вашего устройства, возможно, стоит переплатить за фирменные элементы питания. Протекание происходит из-за того, что при определенных условиях в процессе разряда батарейки внутри нее образуется водород. Избыточное давление этого газа может вызвать разрушение прокладки между корпусом батарейки и колпачком или привести к разрыву предохранительной мембраны. После того как герметичность будет нарушена, кислота начнет вытекать с одновременным образованием кристаллов, вызывая коррозию большинства металлов.

Щелочные батарейки хорошо поддаются переработке, поэтому во многих супермаркетах и магазинах канцтоваров по всему миру, особенно в Европе, установлены контейнеры для сбора отработанных батареек.

Литиевые батареи (первичные элементы)

При производстве литиевых батареек бытового назначения используются, главным образом, две технологии: литий-диоксидмарганцевая (Li-MnO₂) и литий-дисульфиджелезная (Li-FeS₂). Диоксид-марганцевые элементы имеют номинальное напряжение 3...3,3 В и обычно выпускаются в плоских цилиндрических корпусах типа «таблетка». Дисульфид-железные элементы, как правило, выпускаются в корпусах AAA/AA, чтобы их можно было использовать вместо щелочных элементов соответствующих типоразмеров.

В настоящее время существуют определенные ограничения на авиаперевозки литиевых батарей любых электрохимических систем. Некоторые авиалинии, службы доставки и почтовые службы либо полностью запрещают провоз литиевых батарей в самолетах, либо разрешают провозить их только в составе бытовой аппаратуры. К сожалению, это не просто чья-то прихоть. Из-за возгорания некачественно собранных или попросту дефектных литиевых (как первичных, так и вторичных) элементов питания перевозчики уже потеряли несколько грузовых самолетов, а также было зафиксировано множество пожаров, вызванных литиевыми батареями. При желании вы можете найти информацию об этих инцидентах в архивах NTSB и CTSB.

Литий-диоксидмарганцевые ИП

Литиевые элементы этой электрохимической системы представлены на рынке наиболее широко. Вы наверняка найдете их в электронных часах или на плате своего компьютера, то есть везде, где требуется высокая плотность энергии и малый уровень саморазряда. С ростом температуры скорость саморазряда элементов этого типа резко увеличивается, поэтому они лучше всего подходят для устройств, работающих при комнатной температуре.

Номинальное напряжение литий-диоксидмарганцевого элемента равно 3,0 В, при этом ЭДС нового элемента составляет около 3,3 В. Напряжение полностью разряженного элемента будет находиться на уровне 2,0 В. Если мы возьмем элемент емкостью 2500 мА*ч и будем разряжать его током от 5 до 100 мА, то увидим, что изменение тока разряда в указанных пределах практически не влияет на емкость элемента. Однако уже при токе 200 мА эффективная емкость элемента уменьшится до 1700 мА * ч, а если увеличить ток разряда до 300 мА, то эффективная емкость элемента снизится до значения 1300 мА*ч. Литий-диоксидмарганцевые элементы хорошо переносят кратковременные перегрузки по току, но не способны отдавать большой ток в непрерывном режиме. Кроме того, емкость этих элементов очень сильно зависит от температуры. Так, при температуре 60°C и токе разряда 40 мА мы сможем полностью израсходовать емкость упомянутого элемента (2500 мА*ч), а при снижении температуры до 0°C емкость элемента уменьшится до 2200 мА * ч. В области отрицательных температур потеря емкости еще заметнее – при изменении температуры с -10°C до -20°C емкость рассматриваемого элемента упадет с 1800 мА*ч до 1000 мА*ч.

Элементы в корпусах типа «таблетка» наиболее распространенных типоразмеров можно найти как в обычных магазинах, так и в супермаркетах. К сожалению, в магазинах эти элементы обычно лежат рядом с более дешевыми щелочными элементами таких же типоразмеров. Из-за этого пользователь вашего устройства, сам того не желая, может купить вместо литий-ионной батарейки щелочную. А если вы применили в устройстве литиевые элементы питания именно из-за их большей емкости или устойчивости к большим импульсным токам, то оно просто не будет работать должным образом.

Литий-дисульфиджелезные ИП

Если вам нужен источник тока, способный работать при очень низкой температуре, то у вас практически нет вариантов – мало кто сможет сравниться по этому параметру с литий-дисульфиджелезными элементами. Именно по этой технологии изготавливаются элементы Energizer Lithium/Lithium Advanced, выпускаемые в корпусах типоразмеров A и AA. По сравнению со щелочными, эти элементы питания имеют очень высокую стоимость 1 Ватт-часа энергии. Тем не менее, если ваше устройство должно работать в течение долгого времени, или если замена разрядившихся батарей будет затруднена, элементы этого типа могут оказаться единственным подходящим вариантом. Лично я применил эти батареи в одном из своих устройств, которое должно было работать при температуре -50°C – у меня просто не было другого выбора.

Номинальное напряжение литий-дисульфиджелезных элементов составляет 1,5 В, а ЭДС полностью заряженного элемента – около 1,7 В. При полном разряде батареи ее напряжение падает до 0,8 В. Помимо способности работать при низких температурах, элементы этого типа очень хорошо ведут себя при постоянном разряде относительно высоким током. Емкость элементов Energizer Lithium форм-фактора АА почти в два раза больше емкости щелочных элементов того же типоразмера. И, что гораздо более важно, эта емкость практически не уменьшается при токах до 1 А. В таком режиме элемент способен отдать практически всю свою емкость, равную 3500 мА*ч, в то время как щелочная батарейка при этих же условиях сможет отдать только треть от своей номинальной емкости, рассчитанной на малый разряд тока.

Элементы этого типа можно приобрести в большинстве крупных супермаркетов. В обычных магазинах шаговой доступности вы их вряд ли найдете, поскольку они не пользуются спросом из-за достаточно высокой стоимости.

Воздушно-цинковые ИП

Воздушно-цинковые батарейки выпускаются лишь в нескольких типоразмерах и используются, главным образом, в слуховых аппаратах. Элементы этого типа имеют довольно большую удельную энергоемкость, однако отличаются очень коротким сроком службы с момента активации. Один из полюсов воздушно-цинковой батарейки при изготовлении закрывают защитной наклейкой, которая препятствует попаданию воздуха внутрь. Кислород, содержащийся в воздухе, выполняет функцию катода, поэтому батарейка начинает работать сразу же после удаления наклейки. Весь объем анода заполнен электролитом, который поглощает содержащуюся в воздухе влагу, из-за чего его эффективность снижается. Кроме того, из-за реакции с углекислым газом уменьшается проводимость электролита. Все это приводит к тому, что срок службы любого воздушно-цинкового элемента составляет всего 7…12 дней с момента активации, независимо от того, использовался он по назначению или нет. Так что если вы разрабатываете миниатюрное устройство, которое допускает частую замену элемента питания, то батарейка этого типа может оказаться идеальным вариантом.

Номинальное напряжение воздушно-цинковой батарейки равно 1,4 В, а остаточное напряжение полностью разряженной батарейки – 1,05 В. Несмотря на то, что элементы этого типа имеют наибольшую энергоемкость среди всех электрохимических систем, представленных на рынке, их нагрузочная способность не так уж и велика. Нагрузка, при которой от элемента постоянно потребляется 8 мА, а импульсами через каждые 2 часа – 24 мА, по мнению компании Energizer, уже считается большой. Стандартный ток разряда для элемента емкостью 600 мА*ч составляет 5 мА. Эффективная емкость воздушно-цинковых батареек также очень сильно зависит от температуры, а при температуре ниже -10?C химическая реакция в батарее практически прекращается.

Батарейки для слуховых аппаратов можно приобрести в центрах сурдопротезирования. Благодаря своей доступности эти батарейки могут стать неплохим решением, несмотря на маленький срок службы.

Серебряно-цинковые батарейки

Серебряно-цинковые элементы питания (рис. 3) выпускаются только в форм-факторе «таблетка» и стоят довольно дорого. В аналогичных корпусах выпускаются и щелочные элементы с таким же напряжением, однако последние имеют гораздо меньшую емкость. Если вам нужен компактный источник, способный в течение многих лет питать ваше устройство небольшим током, вам определенно стоит обратить внимание на серебряно-цинковые элементы.

Рис. 3. Внешний вид серебряно-цинковых ИП

Номинальное напряжение элементов этого типа немного выше, чем у щелочных – 1,55 В, а разряжать их можно до напряжения 1,2 В. При изменении температуры с комнатной до -20?C емкость серебряно-цинковых элементов питания линейно снижается до 50% от номинального значения. Серебряно-цинковые элементы способны отдавать только очень маленький ток – в подавляющем большинстве технической документации на батарейки этого типа приводятся разрядные кривые для тока, равного всего лишь 0,2 мА. К тому же, эти батарейки совершенно не держат импульсную нагрузку.

Серебряно-цинковые элементы найти в магазинах намного сложнее, чем щелочные таких же типоразмеров. Когда я изучал ассортимент магазинов Великобритании, то смог найти в корпусах типа «таблетка» только щелочные и литий-ионные батарейки. Конечно, их несложно заказать в интернет-магазине, но вряд ли вы сможете купить такую батарейку взамен разрядившейся, когда пойдете за продуктами.

Свинцово-кислотные источники питания

Свинцово-кислотные аккумуляторы (рис. 4) отличаются очень низкой стоимостью одного ватт-часа, но при этом они довольно громоздкие и очень тяжелые. Аккумуляторы этого типа применяются, главным образом, на автотранспорте и в системах сигнализации. Если вам необходимо обеспечить энергией удаленную стационарную систему, то свинцово-кислотная аккумуляторная батарея наверняка окажется тем источником питания, который вам нужен, особенно если погодные условия позволят подзаряжать аккумулятор от солнечных элементов в светлое время суток. Помимо всего прочего, аккумуляторные батареи этого типа не требуют каких-то особых режимов зарядки и вполне безопасны при эксплуатации. Таким образом, из аккумулятора емкостью 100 А*ч получится надежный источник питания, который сможет с длительное время и с минимальными затратами обеспечивать энергией самые разные системы.

Рис. 4. Внешний вид свинцово-кислотного аккумулятора

Номинальное напряжение одного свинцово-кислотного элемента составляет 2,1 В, но они практически никогда не используются по одиночке. Обычно они изготавливаются в виде батарей из 3, 6 или 12 элементов. Аккумуляторы для охранных систем содержат 3 или 6 элементов, аккумуляторы для легковых автомобилей и резервных источников питания – 6 элементов, а аккумуляторы для грузовиков – 12. Ток разряда в импульсном режиме просто поражает воображение – типичный аккумулятор легкого грузовика на морозе обеспечивает пусковой ток свыше 7 С!

Отработанные свинцово-кислотные аккумуляторы нельзя просто выбрасывать в мусор, поскольку они содержат свинец и серную кислоту и могут представлять серьезную опасность при повреждении корпуса. В большинстве специализированных магазинов вы можете получить скидку при покупке нового аккумулятора, сдав свой старый аккумулятор на утилизацию.

Никель-кадмиевые батарейки

Никель-кадмиевая технология – достаточно старая. К настоящему времени аккумуляторы этого типа практически полностью вытеснены никель-металлгидридными (о них чуть ниже), а применение никель-кадмиевых аккумуляторов в новых устройствах запрещено по всей Европе. Элементы этой электрохимической системы очень дешевы и, что особенно заманчиво, способны выдерживать большие токи разряда. Тем не менее, опасность этих элементов для окружающей среды перевешивает все их достоинства.

Рис. 5. Никель-кадмиевые батарейки

В связи с тем, что данная технология запрещена к использованию в Европе, ее можно считать устаревшей и даже не принимать в расчет при разработке новых устройств.

Никель-металлгидридные ХИТ

В отличие от никель-кадмиевых источников тока, никель-металлгидридные аккумуляторы используются очень широко. Если вы разрабатываете устройство для бытового применения, NiMH-аккумуляторы являются одними из основных кандидатов на роль источника питания. Хоть они и не могут похвастать такой же энергоемкостью, как аккумуляторы на основе лития, зато их можно свободно перевозить любым видом транспорта, они не склонны к самовозгоранию при несоблюдении режима зарядки и чрезвычайно бюджетны. Никель-металлгидридные элементы не подходят для устройств с большим потреблением, а также обладают весьма заметным саморазрядом. В настоящее время разработаны новые электрохимические системы с малым саморазрядом, однако их энергоемкость остается по-прежнему невысокой.

Номинальное напряжение NiMH-аккумулятора меньше чем у щелочной батареи того же типоразмера (1,2 В против 1,5 В). Это может стать препятствием для их использования в устройствах, рассчитанных на более высокое напряжение щелочных элементов. Напряжение холостого хода полностью разряженного NiMH-элемента составляет 0,9 В. Несмотря на то что аккумуляторы данного типа не рассчитаны на большие токи разряда, они, тем не менее, способны выдерживать разряд током до 2 С.

Существенной проблемой при использовании NiMH-элементов был и остается их сильный саморазряд. Поэтому была разработана новая технология производства этих аккумуляторов, позволяющая изготавливать аккумуляторы с низким уровнем саморазряда (LSDNiMH). Такие аккумуляторы могут терять до 1% своей емкости в месяц, что уже сопоставимо с саморазрядом первичных элементов. Однако такое улучшение достигается ценой уменьшения емкости элемента на 8…10%. С другой стороны, обычные NiMH-аккумуляторы могут терять до 20% емкости в первый день после заряда и до 4% в день в последующие дни. Поэтому для устройств с небольшим потреблением некоторое снижение емкости LSD-элементов может оказаться несущественной платой за увеличенный срок службы.

NiMH-элементы легко найти в магазинах, однако я рекомендую при покупке внимательно проверять их емкость. Было замечено, что крупные компании изготавливают элементы типоразмеров C и D не совсем честным образом: они помещают в пластиковые корпуса соответствующих габаритов элементы меньших типоразмеров. Естественно, емкость таких элементов меньше, чем можно было бы ожидать, глядя на их размер, а стоят они дороже чем «честные» элементы менее известных производителей. Другими словами, даже у такого известного производителя как Energizer можно найти элементы типоразмеров AA, C и D одинаковой емкости и сопоставимого веса.

Никель-цинковые элементы 

Если меньшее, чем у щелочных, напряжение никель-металлгидридных аккумуляторов не позволяет применить их в вашем устройстве, то, возможно, вам стоит обратить внимание на никель-цинковые элементы, имеющие достаточно высокое напряжение. Хотя никель-цинковые аккумуляторы были изобретены еще в 1901 году, их промышленное производство началось относительно недавно, только после того как смогли решить вопрос чрезвычайно короткого срока службы. В настоящее время никель-цинковые элементы питания обеспечивают такое же число циклов «заряд-разряд», что и NiMH. Ксожалению, элементы по-прежнему имеют довольно существенный саморазряд, скорость которого значительно возрастает после примерно 30 циклов.

Никель-цинковые элементы имеют номинальное напряжение 1,65 В, которое сразу после зарядки может достигать значения 1,85 В. Соответственно, если устройство рассчитано на применение NiMH или щелочных элементов, то при установке никель-кадмиевых элементов напряжение питания некоторых компонентов может превысить максимально допустимое, в зависимости от того, сколько элементов соединено последовательно. При полном разряде напряжение элемента снижается до 1,1...1,2 В. Разрядные кривые, которые производители указывают в документации, приводятся, как правило, для тока, равного 3 С или больше. По этим кривым можно заметить, что величина тока разряда практически никак не сказывается на емкости элемента. Поэтому никель-цинковые элементы питания будут очень разумным выбором для устройств, потребляющих большой ток в постоянном или импульсном режимах.

Недостаток у этих элементов, на мой взгляд, всего один, но очень существенный – это большой саморазряд. В течение месяца элемент теряет свыше 10% своего заряда. Если ваше устройство должно работать от одного комплекта батарей несколько месяцев, то NiZn-элементы, очевидно, не ваш вариант. Если же вам необходим большой ток или напряжение, которое не могут обеспечить NiMH-элементы, и при этом допускается более частая зарядка аккумуляторов, то с этим недостатком вполне можно смириться.

В настоящее время NiZn-элементы выпускаются, как правило, в виде аккумуляторов типоразмеров АА и ААА. Правда, я смог найти их только в интернет-магазинах - в локальных магазинах электроники и фототехники, где я побывал, их не было в наличии.

Литиевые (вторичные) элементы питания

Как и литиевые батарейки, аккумуляторы на основе лития практически «невыездные» из-за их предрасположенности к самовозгоранию. Наверняка вы слышали разные истории о телефонах, ноутбуках или планшетах, которые неожиданно превратились в настоящий файербол. А виновник один и тот же – литиевый аккумулятор. Во многих странах воздушная перевозка элементов питания этого типа полностью запрещена. И даже на перевозку наземным транспортом могут накладываться определенные ограничения. Из-за этого при продаже устройств со встроенным литиевым аккумулятором могут возникнуть серьезные проблемы. У меня большой опыт использования литиевых аккумуляторов и я считаю, что их пожароопасность, все же, несколько преувеличена. С другой стороны, я несколько раз становился свидетелем их возгорания, так что эту особенность литиевых аккумуляторов всегда нужно иметь в виду.

Литиевые элементы питания определенных электрохимических систем обеспечивают превосходную плотность энергии, а также просто огромные токи разряда. Обратной стороной таких выдающихся характеристик служит высокая чувствительность этих элементов к переразряду, перезаряду, перегреву и превышению допустимого тока разряда. Если в конструкции вашего решения используется литиевый аккумулятор, то вы должны в обязательном порядке предусмотреть подходящие схемы зарядки и защиты. Кроме того, в таких устройствах обычно имеются термодатчики для контроля температуры элементов питания, которые позволяют отключать устройство в случае сильного разогрева элементов во время заряда или разряда.

При изготовлении литиевых элементов питания используются самые разные электрохимические системы, и в общем случае вы можете даже не знать, что именно покупаете. Чаще всего в продаже встречаются литий-кобальтовые (LiCoO₂)элементы, которые обычно маркируются кодом «ICR». Также весьма популярны литий-марганцевые (LiMn₂O₄) элементы, которые обычно маркируются кодом «IMR».Марганец гораздо дешевле кобальта, к тому же марганцевые элементы имеют более высокое номинальное напряжение (3.9 В против 3.7 В). Однако марганцевые элементы обеспечивают меньшую удельную плотность энергии. Сильноточные аккумуляторы изготавливаются по системе литий-марганец-никель (LiNiMnCoO₂) и обычно маркируются кодом «INR». Элементы последнего типа имеют очень хорошую энергоемкость, поэтому именно из них изготавливаются аккумуляторные батареи для электротранспорта. Все перечисленные электрохимические системы могут использоваться и в элементах, имеющих литий-полимерную конструкцию. А о литий-железофосфатных (LiFePO₄) элементах мы поговорим отдельно.

Литий-ионные и литий-полимерные элементы питания

Основное различие между двумя этими типами элементов – в конструкции. В литий-полимерных элементах имеется тонкая микропористая полимерная мембрана, поры которой заполнены гелеобразным электролитом. Такая конструкция позволяет увеличить удельную плотность энергии, а также величину разрядного тока. С другой стороны, эта мембрана отрицательно влияет на надежность элементов, поскольку из-за нее возрастает вероятность возникновения короткого замыкания в элементе или его перегрева. А это, в сочетании с большей энергоемкостью, значительно увеличивает их пожароопасность.

Обе разновидности литиевых аккумуляторов выпускаются как в цилиндрических, так и в призматических (плоских) корпусах. Просто литий-ионные элементы, как правило, дешевле из-за менее сложной конструкции.

Номинальное напряжение литиевого элемента составляет 3.7 В, при этом напряжение заряда не должно превышать 4.2 В. Литиевые элементы нельзя разряжать ниже 3.0 В. При разряде элемента ниже 2.8 В, он получает необратимые повреждения, и его ресурс сильно уменьшается. Одновременно увеличивается вероятность воспламенения во время заряда или при глубоком разряде.

Литий-железофосфатные

Литий-железофосфатные (LiFePO₄) элементы относятся к классу литий-ионных элементов. В отличие от элементов прочих электрохимических систем на основе лития, литий-железо-фосфатные элементы более безопасны, при этом они имеют меньшую энергоемкость и меньшее напряжение.

Номинальное напряжение литий-железофосфатных элементов составляет 3.2 В, а безопасное напряжение разряженного элемента составляет 2.2 В. При разряде до 2.0 В возможно необратимое повреждение элемента. Элементы этого типа имеют на 20% меньший пиковый разрядный ток и емкость по сравнению с литий-ионными и, особенно, литий-полимерными элементами той же массы и объема. Если источник питания вашего устройства должен обеспечивать большой ток и при этом должен быть более безопасным, чем источник на основе литиевых аккумуляторов, то литий-железофосфатные элементы  – ваш выбор.

Напомню историю, рассказанную в самом начале статьи. Пока я отлаживал программу, мой дрон падал один, а то и два раза в неделю. До поры до времени, несмотря на все эти падения, элементы питания выглядели как новые. Однако в какой-то момент внутри элемента произошло короткое замыкание, и он загорелся. Литий-полимерные элементы, которые имеют меньшую емкость, довести до такого состояния гораздо сложнее. Я по-всякому издевался над сборками емкостью 100-200 мАч, пытаясь добиться возгорания, но у меня ничего не вышло. Намного большую опасность представляет перезаряд элементов, даже для батарей меньшей емкости.

Источник: https://octopart.com

Разделы: Батареи диоксид марганцевые (Li-MnO2), Батареи прочие, Аккумуляторы литий-ионные (Li-Ion), Аккумуляторы никель-металлогидридные (Ni-Mh), Аккумуляторы прочие

Опубликовано: 22.10.2019