Що треба знати про заряд акумуляторів: питання і відповіді

Залежить від того, що маємо на увазі. Слово "батарея" означає множину елементів одного типу, зібрану у єдиний блок для підсилення їхніх властивостей. Тому джерела енергії, що складаються з декількох елементів живлення, мають назву "акумуляторні батареї". Відповідно до цього, окремі елементи живлення мають назву "елементи", або "ячейки". Тобто, акумулятором можна назвати як батарею, так і окремий елемент, проте називати елементи живлення "батарейками" з технічної точки зору не зовсім коректно, хоча у побуті така назва є мовною нормою, що склалася історично. Цікаво, що акумуляторні батареї у побуті мають назву "акумулятори", хоча технічно це саме батарея з шести двовольтових елементів.

Акумулятор енергії у загальному сенсі - це пристрій, що дозволяє в одних умовах накопичувати енергію, а в інших віддавати її, тим самим запасаючи  енергію, аби використати у майбутньому. Найпростіший вид акумулятора енергії - маховик (він же дзиґа або вовчок). Коли енергія передається на нього, він розкручується і якийсь час здатний крутити сам себе, використовуючи накопичену енергію для подолання сили тертя.

Предметом даної статті є електричний акумулятор, який має иншу назву "хімічне джерело струму", що повністю розкриває його суть. Він складається з двох пластин і прошарку між ними, заповненого електролітом. У загальних рисах принцип роботи такий: при підключеному навантаженні виникає хімічна реакція - наприклад, у свинцево-кислотному акумуляторі відбувається окислення свинцю і його реакція з сірчаною кислотою, отриманий сульфат свинцю осідає на пластинах. А при зарядці йде зворотня реакція: перша пластина відновлюється, але відбувається окислення іншої пластини. В літієвих акумуляторах відбувається не окислення - там заряд переносять іони літію. Хімічні реакції можуть бути абсолютно різні, але всі їх об'єднує те, що вони відбуваються з поглинанням або з виділенням електричної енергії. Приблизно так само працюють і звичайні батарейки, але в них протікає незворотня хімічна реакція.

Якщо порівнювати акумулятори однакової хімії і однакового типорозміру, то ємність залежить від площі електродів. В циліндричних елементах живлення, як от АА, ААА, 18650 і подібних, електроди являють собою тришарову стрічку (анод, катод, а поміж ними діелектрик, який просякнуто електролітом), котру згорнули у рулон і запхали у корпус. Також слід враховувати, що у процесах заряду і розряду акумуляторів всі три складових частини акумулятору (анод, катод та електроліт) витрачаються. Тому і електроди не повинні бути занадто тонкими, бо вони можуть просто розсипатися, і електроліту не повинно бути занадто мало, інакше електродам ні з чим буде вступати у реакцію. Власно кажучи, ємність акумуляторів цим і обмежується: електроди мають бути досить товсті, аби не витратися повністю, а електроліту має бути достатньо, аби забезпечити повну реакцію всієї площини електроду.

Для різних акумуляторів різна:

• Максимальна ємність акумуляторів NiMH АА - 2700 мАг;
• Максимальна ємність акумуляторів NiMH ААА - 900 мАг;
• Максимальна ємність акумуляторів Li-Ion 18650 - 3500 мАч.

Кращі виробники акумуляторів, Sanyo, Panasonic, Sony, LG, Samsung станом на сьогодення утнулися в технологічні обмеження і не випускають акумулятори більшої ємності. Якщо ви бачите на етикетці суттєво більші числа, це стовідсоткова ознака підробки.

Щодо літієвих акумуляторів в розмірі АА / ААА маю чомусь стійке упередження. Візьмемо акумулятори KENTLI 1,5v AA 2800 мАг, про які питала людина. Судячи з опису, там всередині стоїть літієвий аккумулятор 3,7 В / 760 мАг і понижуючий перетворювач на півтора вольти. Але навіть при 100% ККД перетворювача з 760 мАг на 3,7 вольта ніяк не вийде 2800 мАг, максимум 1874. Тобто, якщо китайці не брешуть і там дійсно 3,7 * 760, реальна ємність цих акумуляторів з урахуванням втрат на перетворювачі буде близько 1600 мАг. Але, якщо там «як завжди» з китайським літієм, то реальна ємність буде 750-1000 мАг. У підсумку, при ціні $ 8 за штуку ми отримуємо акумулятор, який має ємність менше, ніж Енелуп за $ 3. Триразова різниця в ціні повинна означати, що споживчі якості товару в три рази вище, але я цього не спостерігаю.
Я поступово відмовляюся від нікелевих акумуляторів на користь літієвих, і я використовую 18650. Але повністю перейти на них не можу, тому що дитяча залізниця, Фьорбі, рибальські ваги, настінні годинники, пульти дистанційного керування та інші споживчі товари проектуються під живлення від АА/ААА. Проте, всі мої пристрої нормально працюють від стандартних АА акумуляторів на 1,2 вольти. Сенс у літієвих акумуляторах розміру АА є тільки тоді, коли потрібна постійна напруга, у літієвих акумуляторів АА/ААА на всьому протязі роботи стабільні півтора вольти.

З мого власного досвіду, у зовнішньому радіо-блоці погодної станції вже четвертий рік поспіль стоять по черзі акумулятори eneloop і gsuasa, про які написано у першій статті. І перших і других вистачає приблизно на півроку. Було таке, що ставив звичайні акумулятори — два-три місяці, взимку місяць.

Цитата з сайту виробника (в мене немає підстав ставити під сумнів їх слова): «Eneloop has superior performance at 0ºC and can even be used at temperature as low as -20ºC. Eneloop is able to maintain a low selfdischarge rate even in temperatures as low as –20ºC. Operation time will be shorter than that of room temperature».
Загалом, будь-які хімічні елементи на морозі втрачають ємність, проте лише літієві акумулятори LiIon та LiPo при цьому вмирають назавжди.

Коротше кажучи, до -20 можна сміливо користуватися Eneloop, а для більш низких температур використовувати літієві батарейки (не акумулятори) - наприклад, за паспортом Energizer L91 може працювати вд -45 до +65.

Ні. Літій-полімерні акумулятори, якого б форм-фактору вони не були, на морозі вмирають і відновленню не підлягають. Якщо LiIon ще можна спробувати відігріти і врятувати, то LiPo після декількох циклів на морозі можна буде просто викинути.
Я радив би вам використовувати при низьких температурах літієві батарейки, які не акумулятори, а саме одноразові літієві батарейки. Тільки вони здатні працювати на морозі.
З акумуляторів більш-менш тримають заряд на морозі лише нікелеві LSD акумулятори, виробник гарантує працездатність до -20.
Літієві акумулятори на холоді вмирають. Я кажу про холод трохи нижче нуля, ні про які -30 мови йти не може!

Доброго дня! Стас, скажіть будь ласка, ви писали, що li ion акумулятори на морозі нижче 0 градусів вмирають, не кажучи вже про морози - 40 і нижче градусів. Так склалося, що зараз я перебуваю в Якутії і такі температури взимку у нас майже кожен день. Хочу докладніше дізнатися як саме «вмирають» літієві акумулятори за таких температур, використовую акумулятори 18650 soshine Samsung в ліхтарях EagleTac G25C2, Яскравий промінь панда 1.0, skilhunt h03, замовив ще захищені Панасоніки 18650. Не хотілося б їх вбити, тим самим викинувши гроші на вітер, тому хочу дізнатися у вас більш докладніше, які процеси відбуваються з акумуляторами і т.д.
Спасибі, Дмитро.

Яким саме струмом заряджати акумулятори? Існує універсальне правило, яке використовується практично для будь-яких акумуляторів: зарядка струмом 0,1С акумулятору не зашкодить. Якщо заряджати струмом 0,1С акумулятор не буде перегріватися і кипіти, запасе більше енергії. Це стосується як автомобільних акумуляторів, так і усіх інших, у тому числі нікелевих, літієвих, цинкових, кадмієвих і літій-полімерних акумуляторів усіх форм і розмірів. Єдиний мінус в цьому правилі - час, 10 годин до повної зарядки. Це багато. Струм зарядки - це завжди компроміс між швидкістю і безпекою. Тому один з напрямків вдосконалення сучасних акумуляторів - час зарядки, який залежить від того, наскільки високий струм здатний "перетравити" акумулятор не заподіявши собі шоди. Тож давайте розділимо акумулятори на "спеціальні" і "звичайні" і розпишемо трошки детальніше, яким струмом зарядити акумулятор. Під "звичайними" ми матимемо на увазі побутові акумулятори, до яких не ставиться особливих вимог, а під "спеціальними" - ті, які створювалися для вирішення певних завдань. Наприклад, високострумові, стартерні, тягові, батареї глибокого розряду, тощо. Мається на увазі, якщо виприбдали спеціальний акумулятор, то ви розумієте, нащо ви його купили і як ним користуватися. Якщо не розумієте, то в будь-якому випадку, "побутовий" режим використання не зашкодить високострумовому акумулятору.

• NiMH, нікелеві: звичайні 0,3С, високострумові (наприклад, Eneloop) 1C;
• Li-ion, літієві: 0.3-0.5C, високострумові (наприклад, Samsung INR18650-25R) 1,6С;
• Li-pol, літій-полімерні: треба заряджати струмом не більше 1С, до 3С для високострумових;
• LiFePO₄, літій-залізо-фосфатний акумулятор треба заряджати струмом 2С;
• NiCd, нікель-кадмій: не вище 0.3С;
• Pb, свинцево-кислотні: не вище 0.3С і не нижче 0,05С.

С від англійського capacity - "ємність". Параметр, який використовується для позначення зарядного струму, С, вважається числовим виразом ємності акумулятора. Якщо десь написано, що акумулятор потрібно заряджати струмом 1С, а ваш акумулятор має ємність 2000 мАг, це означає, що струм заряду повинен бути не вище 2000 мА. Для більшості акумуляторів оптимальним вважається струм заряду 0,1. Тобто, для заряду акумулятора ємністю 12 Аг найкраще підійде ток 1,2А, а для заряду акумуляторів 900 мАг оптимальний струм заряду 90 мА.

Високострумові акумулятори мають дещо інше внутрішній устрій. Пов'язано це з самою природою акумуляторів. Задля того, щоб акумулятор віддав струм, необхідно, аби електрод вступив в хімічну реакцію з електролітом. Місце, де електрод вступає в реакцію - це його поверхня, та частина, яка контактує з електролітом. А якщо бути зовсім точним, з електролітом контактує самий верхній шар молекул електроду. Тільки один шар в кожен проміжок часу. Потім необхідно, щоб електроліт, що прореагував (тобто, розряджений) забрався всередину, а на його місце проник свіжий електроліт, який одразу вступить в реакцію з молекулами електроду і почне віддавати струм, отже, електроліту потрібно більше, ніж у звичайному випадку. Другий нюанс: задля передачі високого струму потрібен більш товстий провідник, тобто, сам електрод не може бути затонким, тонкий електрод на великих струмах буде нагріватися.

Використання цих та інших хитрощів (наприклад, пористі електроди, зміни хімічного складу електроліту і електродів) дозволяє зробити акумулятори, які можуть віддавати струм в десятки разів вище, у порівнянні зі звичайними акумуляторами. Але необхідність в більшому обсязі електроліту і більш товстих електродах не дозволяє робити високострумові акумулятори великої ємності.

Кращі високострумові NiMH акумулятори формату АА і ААА - це Panasonic Eneloop, за специфікацією виробника вони припускають швидкий заряд струмом 1С і розряд струмом 2С (це 2000мА і 4000мА відповідно).

Високострумові літієві акумулятори формату 18650 виробляють Samsung, Sony, LG, Panasonic і Sanyo, при цьому максимальний струм таких акумуляторів сягає 50А, а максимальна ємність - у акумулятора Sony US18650VTC6 - 3120 мАг.

Я не користуюсь акумуляторами NiZn з кількох  прічин.

1. Єдиний їх плюс - висока напруга, у порівнянні з NiMH. Має сенс тільки в тих випадках, коли є споживачі, які відключаються при 1.2 вольта і нижче. Тільки тоді їх енергоємність перевершує енергоємність нікелевих акумуляторів. У мене таких споживачів немає. Дитячі іграшки, ліхтарі, годинник і інші прилади, які я використовую, відмінно працюють в межах ефективного напруги нікелю, від 1,5 до 0,9 вольта.

2. Мінімальний строк служби. Різниця, у порівнянні з LSD нікелем - у 10 разів менше, приблизно 200 циклів проти 2000. З цим можна було б змиритися, якби цинкові акумулятори мали яке-небудь істотню для мене перевагу: більш високу ємність, наприклад, низький саморозряд. Але ж ні, ємність нижче, саморозряд вище, якість гірша, ціна вище.

3. Якість. Навіть більш-менш пристойні виробники, як от Turnigy, PowerGenix (тепер Zinkfive) або PKcell, не радують стабільністю характеристик. А враховуючи що кількість циклів перезарядки дуже обмежена, тренувати ці акумулятори собі дорожче. Та й, здебільшого, нема чим.

4. Необхідність в окремому зарядному пристрої. З перелічених зарядних пристроїв хімію NiZn підтримують тільки SkyRC. Решта (спеціальні ЗП для нікель-цинкових акумуляторів) працюють або за часом (це взагалі минуле сторіччя), або це тупі стабілізатори напруги з обмеженням по струму, без ознак інтелектуальності. Або колгосп, типу зарядки в режимі нікелю з відсіченням по напрузі 1,9 вольта, зарядки двох банок, підключених послідовно, в режимі LiPo, тощо. Але я б купив SkyRC МС3000, якби використання акумуляторів NiZn себе хоч якось виправдовувало. З моєї точки зору, процес NiZn - це як в анекдоті про "відкопали стюардесу". Проект NiZn вже був одного раз згорнутий у минулому сторіччі, від нього відмовилися на користь NiCd через низький ресурс і високий саморазряд. Зараз його реанімовано виключно завдяки старанності маркетологів. Ось графік з кривими розряду батарей NiZn і Eneloop. Єдине, коли потрібно вибирати NiZn, це якщо ваш споживач краще працює в верхньому діапазоні напруги (жовта частина графіку) під невеликим навантаженням. Якщо в нижньому, то нікель ефективніший. Ще на графіку добре видно стабільність характеристик під час підвищення навантаження: одна і та ж банка тестувалася 10 разів поспіль, щоразу струм розряду підвищувався. Eneloop тримає навантаження стабільно, а NiZn під час підвищення навантаження вмирає, встигнувши віддати лише половину ємності.

Підкажіть будь ласка про технологію зарядки. Ось я маю nc2600, він не повністю заряджає одні батарейки (2700 зарядив тільки до 1900), а інші нові, попередньо розряджені, eneloop 1950, зарядив до 2050 і 1980 (купляв в Японії). Питання в тому які налаштування там ставити для Temp Protect, -dV, Voltage Protect, Trickle Current (може взагалі вимкнути?), Discharge Cut-Off і якими струмами заряджати батарейки 1900mAh, 2500mAh і 930mAh і 750mAh. Заряджав струмами 300-900 mA. Планую заряджати по 2 або 4 штуки, якщо ця інформація важлива. Ніколи не користувався розумними зарядками, купив ось nc2600 і якось дивно вона заряджає, не можу зрозуміти чи бракований екземпляр (була Err02 на всіх екранах, до чого б це?) Або я щось не так роблю. Загалом заплутався у технологіях зарядки (((
Невже після цієї доведеться ще одну купувати, і справа не скільки у грошах, скільки в місці де все це зберігати ((
Велика дяка за сайт!

Тренування і відновлення акумуляторів - це одне й те саме? Для чого вони?

Треба з'ясувати, що ми маємо на увазі під тренуванням Li-Ion. Якщо те саме, що й у випадку з NiMH, циклічний заряд-розряд для відновлення ємності, то для літієвих елементів ця процедура не має сенсу. В літієвих акумуляторах зовсім інший хімічний процес. Деградація літієвих елементів відбувається через порушення структури катоду і руйнування аноду. На жаль, ці обидва процеси незворотні.

Проте, іноді "тренуванням" називають балансування елементів у літієвій батареї. Ця процедура вкрай важлива, вона проводиться спеціальними пристроями, найбільш популярним з яких є SkyRC Imax B6, оригінал або копія. Якщо батарея складається з послідовно з'єднаних літієвих елементів, то при роботі скорше розрядяться ті, у яких більший внутрішній опір, навіть якщо різниця невелика. Спробуємо уявити механіку процесу на прикладі батареї 2S.

Вона складається з двох літієвих елементів, максимальна напруга кожного 4,2 вольти. Відповідно, напруга повністю зарядженої батареї 2S - 8,4 В. Під час роботи перший елемент розрядився трошки швидше, оскільки двох  ідентичних акумуляторів не існує. Контролер відключив живлення і ми отримали батарею з двох елементів, в першому залишковий заряд 2,7 вольти, а в другому 2,5. Аби знову отримати готову до роботи заряджену батарею, нам потрібно, щоб кожен елемент зарядився до 4,2 В. Підключаємо батарею до зарядного пристрою. Вона заряджається в нормальному режимі, поки кожен елемент не підіймає свою напругу на 1,5 вольти. При цьому більш кращий елемент досягає 4,2 В, але зарядка не припиняється, оскільки повного заряду 8,4 В ще не досягнуто, другий елемент набрав лише 4,0 В. Зарядний пристрій продовжує заряджати батарею, при цьому перший елемент, який досяг межі , перегрівається і кипить все той час, поки другий набирає ємність. Нарешті, батарея заряджається до 8,4 В і ЗП відключає струм. Тепер у нас перший акумулятор стає слабкою ланкою, оскільки кипіння відібрало у нього чималу частину ємності. У такому режимі батарея довго не протягне, десять-двадцять циклів і у смітник.

Тому на батареях, що складаються з декількох елементів, існує балансуваний роз'єм. У випадку з двома елементами роз'єм має три контакти, це плюс, мінус, і ще один контакт, який підключається між елементами батареї. Зарядний пристрій стежить за напругою кожного елементу батареї, і, якщо один з них зарядився, вимикає його з ланцюга, продовжуючи заряджати той, що залишився. За таким саме принципом працюють плати BMS, які вбудовані в деякі батареї, в цьому випадку на роз'єм подається потрібна напруга, а BMS сам стежить, скільки якій банці слід згодувати.

Ні, батарею з паралельно підключених літієвих акумуляторів не потрібно балансувати. Це не має сенсу. Напруга при зарядці в будь-якому випадку не перевищить максимально припустиму, більш потужні елементи підтримуватимуть менш потужні, система прийде у рівновагу і все буде добре.
Звичайно, я маю на увазі, що використовуються елементи з однаковою хімією і адекватний алгоритм заряду. Категорично заборонено використовувати елементи на 4,2 В в одній батареї з елементами на 4,35 вольти. І завжди треба пам'ятати, що літієві елементи небезпечні: за умов неправильної експлуатації вони можуть спалахнути бо навіть вибухнути.

Акумулятори АА (пальчикові) за стандартом повинні мати розмір 14,5х50,5 мм, відповідно, гнізда для акумуляторів мають такий самий розмір, або на кілька десятих міліметру більше. Зазвичай виробники випускають акумулятори, які  точно відповідають стандарту, або на пару десятих менше. Проте, мені зустрічалися акумулятори більшого розміру (зелений Soshine 2700). Аби вони вмістилися у Фьорбі, довелося зрізати етікетку.
Аккумулятори ААА (мізинчикові) за стандартом повинні мати розмір 10,5х44,5 мм.

Станіслав, дякую за просту і корисну статтю. Розкажіть про китайські акумулятори. Які вони бувають і чи варто їх купувати? Або якість китайських акумуляторів не коштує тих грошей, що за них просять?
Сашко, Козятин

Дякую, Сашко! Про китайські акумулятори можна говорити довго, їх сотні видів і десятки виробників. Якщо коротко: як і інші товари, акумулятори з Китаю бувають як виключно якісні, так і рідкісний мотлох. Почну з нікелевих акумуляторів, тут деякі китайські виробники практично не поступаються "фірмовим".

• Виробник PKcell робить відмінні акумулятори за стандартами LSD, ціна в районі 1 долара за один акумулятор АА, станом на сьогодення це найкращий вибір за співвідношенням ціна-якість. Я купував на тести 4 акумулятора, другий рік працюють не гірше, ніж Eneloop;
• BPI Enelong, який зазвичай взагалі коштує копійки, від 8 доларів за 12 штук, не такий стабільний за якістю, як PKcell (розбіг параметрів на акумуляторах з однієї партії приблизно у 3-5%), але все одно за своїми характеристиками значно кращий, ніж звичайні акумулятори. Та сама Varta Rechargeable Accu R2U AA 2100 коштує близько 15 доларів за 1 блістер (4 штуки). Придбавши BPI, за ті самі гроші ви отримаєте 24 акумулятори замість 4. Зрозуміло, що їх можна і треба купувати.

Це ті акумулятори, які використовую я особисто і можу рекомендувати. Що стосується акумуляторів, які я не рекомендую категорично, назву декілька:

• Palo. Не можна купувати ні за яких обставин. Акумулятори з однієї коробки мають розбіг ємності від 600 до 2000 мАг, що становить від 25 до 60 відсотків від заявленої. Навантаження не тримають зовсім, просідали навіть від слабкого ліхтарика ;
• BTY (не плутати з BPI). Акумулятори BTY - це приклад страшезної китайської підробки. 300 мАг за фактом проти 3000 заявлених, навіть при ціні в півтора долари за 4 штуки не витримують жодної критики.
• GP 3000 і взагалі будь-які акумулятори АА, на яких написане число більше 2750 або ААА вище 1000 мАг. Це стовідсоткові шахраї. Сюди відносяться UltraFire 350AAHC, LITELONG AA 3200mAh, Kingwei 3000, GooP 3000 і їм подібні: більшість з них виробляється в одному сарайчику дядечком Ляо і продаються з різними етикетками (це підтверджують і пропозиції оптовиків на Аліекспресс: здебільшого акумулятори цих марок виставляються на продаж одним лотом).
• Акумулятори YCDC. Я їх замовив для тесту і зїясувалося, що реально в акумуляторах АА цієї марки усього біля 850 мАг.

Тепер декілька слів про літієві китайські акумулятори 18650. Я поки що не зустрічав нормальних китайських літієвих акумуляторів. Ті, що приходили в комплекті з ліхтарями і повербанкамі, мали ємність від 400 до 800 мАг, проте написано на них було і 3600 і навіть 9000 мАг. Я знаю про існування "народних" акумуляторів TrustFire Protected 18650 2400mAh з чесної ємністю, але не бачу жодного сенсу в їх покупці, оскільки їх ціна за пару - близько $ 6,99 . При цьому ціна за пару оригінальних Samsung ICR18650 - 26FM (2600mAh) всього $6,33 , а два оригінальних Panasonic NCR18650B на 3400mAh можна знайти на Алі за $6. Так що з літієвими акумуляторами ситуація зворотня: фірмові - вони і краще, і дешевше.