Элементы питания. Прошлое, будущее и настоящее

Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCad)

В потребительской электронике, большинство аккумуляторов - никель-кадмиевые. Это самый популярный тип подзаряжаемых батареек. Обычно их обозначают NiCad. Катоды в таких элементах сделаны из никеля, а аноды - кадмиевые. Больше всего в таких элементах ценится их емкость и способность перезаряжаться большое количество раз. Обычно такие элементы остаются пригодными к работе даже после 500-1000 циклов перезарядки. Кроме того, такие элементы относительно легки, и имеют довольно высокую плотность (хотя она в два раза меньше обычных щелочных). Таким элементам не страшна непрерывная подзарядка (по крайней мере, при правильном осуществлении). Минусом в никаль-кадмиевых элементах считается их токсичность (кадмий - яд) - об этом можно прочесть на обечайке.

Выходное напряжение большинства химических элементов уменьшается по мере разряда. Это происходит по причине того, что реакции, происходящие внутри батарейки, увеличивают её внутреннее сопротивление. Никель-кадмиевые элементы обладают очень низким внутренним сопротивлением, а это означает, они могут вырабатывать высокие токи, которые не сильно изменяются по мере разрядки батарейки. Соответственно, такие элементы могут создавать практически постоянное напряжение до тех пор, пока целиком не разрядятся. Как только такие элементы разряжаются целиком, напряжение резко падает.

Такое постоянное напряжение очень ценится разработчиками электроники - теперь им не приходится создавать вариаторы напряжения. Но эта же черта не позволяет вычислять степень заряда батарейки. В результате, большинство ноутбуков, к примеру, не проверяют состояние батарейки каждый раз, а вычисляют степень заряда аккумулятора исходя из количества часов, которое она проработала, и её номинальной емкости.

Ещё одним недостатком никель-кадмиевых батареек считается эффект памяти. Некоторые элементы, не будучи полностью разряженными, при дозарядке могут терять мощность. Химия объясняет такой эффект просто - в результате преждевременной перезарядки на анодах элементов возникают кристаллы кадмия, уменьшающие площадь реакции. Возникновение этих кристаллов называется эффектом химической памяти. Такая химическая память запоминает вторичное состояние разряда аккумулятора. Когда батарейка разряжается до этого состояния, мощность батарейки резко падает, даже несмотря на оставшуюся емкость. Если такой элемент продолжать заряжать из этого состояния, ситуация только усугубится - будет сложнее привести аккумулятор в нормальное состояние. При последующих циклах перезарядки из этого состояния батарея ещё лучше его "запомнит". Для того же, чтобы целиком восстановить емкость аккумулятора и избавиться от этого эффекта запоминания, необходимо разряжать аккумулятор так, чтобы он миновал состояние вторичного разряда.

С практической стороны, вылечить аккумулятор можно сильно разрядив его - до уровня, чтобы он едва работал, и затем целиком зарядив его. Но это не означает, что нужно полностью разряжать аккумулятор. Так можно испортить практически любой элемент. Например, если разряжать никель-кадмиевый аккумулятор до напряжения одного вольта (при номинальном напряжении в 1,2) - то можно его погубить. Ноутбуки же отключаются еще до того, как батарейка полностью разряжается. Поэтому можно не заботиться о чрезмерной разрядке батареек. И еще: не пытайтесь разрядить аккумулятор с помощью короткого замыкания - вы рискуете испортить батарею и устроить пожар.

Хотя практикой это и не подтверждается, но если верить производителям батарей, современные никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батарейки лишены этого недостатка. Некоторые производители литиевых элементов утверждают, что эффект памяти образуется под воздействием никеля, а не кадмия. С таким выводом не согласны химики, а пользовательский опыт наводит на противоречивые сведения.

В любом случае, для эффективного использования никель-кадмиевых аккумуляторов, для обеспечения максимального срока службы, лучше пользоваться ими равномерно, по нормальному циклу. Заряжать полностью, и использовать до нормального уровня разряда, затем снова заряжать до конца.

Предотвращение электролиза

Как и в свинцовых аккумуляторах, в никель-кадмиевых батарейках возможен электролиз - распад воды в электролите на потенциально взрывоопасные водород и кислород. Производители батареек предпринимают различные меры для предотвращения этого эффекта. Обычно элементы для предотвращения утечки герметично упаковывают. Кроме того, батарейки устроены так, чтобы сначала вырабатывался не водород, а кислород, который предотвращает реакцию электролиза.

Для того чтобы герметичные аккумуляторы не взрывались, и чтобы в них не скапливался газ, обычно в батарейках предусматривают клапаны. Если закрыть эти вентиляционные отверстия, то возникнет опасность взрыва. Обычно эти отверстия настолько малы, что остаются незамеченными. Работают они автоматически. Это предостережение (не закрывать вентиляционные отверстия) относятся в основном к производителям устройств. Стандартные отсеки для батареек предполагают возможность вентиляции, но вот если залить батарейку в эпоксидной смоле, то вентиляции не будет.