Выделите текст, чтобы комментировать.
Разные аккумуляторы с единым функциональным принципом
Особенно популярны Ni‑MH (никель-металл-гидридный) аккумуляторы, выпускаемые с разной энергоёмкостью, не обладающие выраженным «эффектом памяти» (против устаревших, того же размера аккумуляторов NiCd). По отдельности и в составе аккумуляторных батарей (АКБ) их применяют в перезаряжаемых источниках питания для переносных (автономных) электронных устройств, автоматических зубных щеток, детских игрушек, пультов дистанционного управления (ПДУ), домашнего и строительного инструмента широкого назначения, фонарей, в целом — электронных устройств небольшой мощности — как аналог батареек. Для зарядки применяют специальные зарядные устройства – ЗУ.
Важно зарядить аккумулятор до полной ёмкости — она указана на корпусе элемента в ампер-часах, к примеру, 2800 мА/ч. Тогда «полностью заряженный» аккумулятор обеспечит длительное и стабильное электропитание электронного устройства. Со временем, даже если им не пользуются, аккумулятор теряет энергоёмкость. Что сказывается на более коротком времени его работы после очередной зарядки.
Когда на практике использования падение энергоёмкости Ni‑MH аккумуляторов становится очевидным, их, как правило, заменяют. Но до замены или в случае её нерентабельности, в большинстве случаев, когда энергоёмкость не потеряна критически, можно пользоваться теми же аккумуляторами, применив проверенный автором метод «двойной» зарядки.
Понятно и то, что никакой аккумулятор не вечен, разве что разработанные недавно к КНР «ядерные» или «атомные» изотопные батарейки на основе Ni63 с заявленным сроком действия в 30 лет. Пример такой батарейки представлен на рис.
«Ядерная» батарейка из Китая разработки 2023 года
Об этом мы ещё поговорим ниже. Однако в свободной продаже их пока нет. Поэтому для эффективной (полной) зарядки аккумулятора Ni-Mn-типа необходимо учитывать несколько условий — от изменяемого аккумулятором с накоплением энергоёмкости тока заряда и даже температуры среды в зоне процесса. Простые и типичные ЗУ обеспечивают лишь постоянный режим заряда, и означенных факторов не учитывают. А «интеллектуальные» ЗУ относительно дороги по стоимости. Все это известно многим. А сегодня поговорим о практической пользу «двойной» зарядки никель-металл-гидридных аккумуляторов, незначительно потерявших ёмкость во время эксплуатации. Сей способ позволяет достигать максимально длительной работы в электронном оборудовании новых и старых «бытовых» аккумуляторов и АКБ на их основе.
Особенности типичного ЗУ
К примеру, режим зарядки аккумуляторов Ni‑MH энергоёмкостью 1200 мА/ч рекомендован таким: зарядной ток 100 мА (миллиампер) в течении 15 часов. Рекомендации указаны, как правило, на корпусе аккумулятора. Современные электронные зарядные устройства имеют встроенный светодиодный индикатор режима. Некоторые из таких устройств представлены на рис.
Зарядное устройство «Космос» (слева) и Navigator NCH-415 (справа)
Автоматическое (хоть и простейшее) ЗУ «Космос максимум» удобное тем, что имеет переключатель для зарядки Ni‑MH и Ni-Cd аккумуляторов. Соответственно в режиме ЗУ для Ni-Cd аккумуляторов ток зарядки составит 210 мА, и 75 мА для зарядки Ni‑MH аккумуляторов — при напряжении на клеммах аккумулятора 1,4 Вольта (В). Рот тока постоянный. В другом случае, в ЗУ Navigator модели NCH-415 (рис. 2 – справа) обеспечивает зарядку током 150…190 мА (для АА) и 75…100 мА для формата ААА. Когда ток зарядки становится незначительным, индикаторы режима зарядки отключаются (гаснут), ток в электрической цепи (через аккумуляторы) почти прекращается, аккумуляторы считаются заряженными, и устройство отключают от осветительной сети. Саморазряд заряженных аккумуляторов и их разряд через элементы ЗУ почти не происходит, так как в ЗУ предусмотрена диодная защита от обратного тока. Такое «автоматически отключившееся» ЗУ можно отключать из электрической сети не принципиально — как в следующий час после окончания зарядки, так и через сутки и т. д.
Для вычисления времени зарядки никель-металл-гидридного аккумулятора или батареи из нескольких элементов уместно следовать формуле: время зарядки (ч) = Ёмкость аккумулятора (мАч) / Сила тока зарядного устройства (мА). К примеру, имеется аккумулятор АА с номинальным напряжением 1,2 В энергоёмкостью 2000 мА/ч. Ток заряда известен по типу электронного ЗУ - 500 мA (указан на корпусе и в документации). Делим ёмкость аккумулятора на ток заряда и получаем 2000/500=4. Это означает, что при зарядном токе 500 мA рассматриваемый аккумулятор будет заряжаться до полной ёмкости примерно 4 часа.
Но есть нюансы, связанные с тем, что в современных электронных устройствах встроена «схема» автоматического контроля зарядки: зарядка отключается по достижению аккумулятором ёмкости, то есть при падении зарядного тока до некоей минимальной величины, на порог срабатывания которой настроена схема контроля ЗУ.
Настройка в простых ЗУ не регулируется. Чтобы изменить режим зарядного тока потребуется вскрыть корпус ЗУ и с помощью аккумуляторов или их эквивалента в виде конденсатора большой ёмкости (или последовательно соединённых ионисторов) произвести настройку порога отключения зарядки в устройстве. Соблюсти точные рекомендации производителя по зарядному току с учётом имеющихся в продаже «универсальных» электронных ЗУ затруднительно, но примерно это возможно.
Вот почему при зарядке аккумуляторов с известной энергоёмкостью, но разными ЗУ, происходит и разный по времени эффект. Это же объясняется тем, что известно два способа зарядки — условно «дозированный» и «быстрый». Опять же с разными эффектами, влияющими на длительную работоспособность (эксплуатацию) Ni‑Mh аккумуляторов и батарей.
При зарядке элементов АА и ААА на авторском примере установлено, что ЗУ «автоматически» отключает зарядку при достижении зарядного тока определённого значения (он будет разным у аккумуляторов разной фактической энергоёмкости) – вот почему нет универсального средства для зарядки уже «видавших виды» аккумуляторов Ni-Mh. Поэтому рекомендуемый метод «двойной» зарядки.
Эффективный способ «двойной» зарядки
Сначала надо зарядить аккумуляторы штатным способом до окончания зарядки — автоматического отключения ЗУ и индикатора, затем отключить ЗУ от бытовой осветительной сети 230–240 В на пару минут, и вновь включить его — на следующий цикл зарядки аккумуляторов. Установлено практикой, что после этого аккумуляторы Ni-Mh безотносительно года выпуска набирают наиболее полную ёмкость, и более сбалансировано — это важно, когда одновременно заряжается несколько аккумуляторов. Также можно (при необходимости и желании) провести третий цикл зарядки. Замечено, что с каждым новым циклом время зарядки сокращается.
Но аккумулятор набирает наиболее полную доступную (по условиям эксплуатации) ёмкость. Итак, польза представленного метода в том, что вы «теряете» немного больше времени на процесс зарядки, но получаете в итоге максимально заряженный аккумулятор, который обеспечит для электронных устройств — потребителей энергии — более длительную работу.
Заряд аккумуляторов рекомендуемым способом (с помощью ЗУ, представленных выше и аналогичных) осуществляют, имея в виду и такой нюанс: включают в осветительную сеть ЗУ с уже установленными в ячейках (подключенными) аккумуляторами, но не наоборот — установкой (включением) аккумуляторов в ячейках после подачи питания (от осветительной сети) на ЗУ. Во втором, некорректном, случае ЗУ из представленных просто не включается.
На рис. представлен график зависимости зарядного тока, напряжения и времени зарядки для аккумулятора Ni-Mh, заряжаемого с помощью ЗУ «Космос»
График зависимости зарядного тока, напряжения и времени зарядки для аккумулятора Ni-Mh, заряжаемого с помощью ЗУ «Космос»
Этот график показывает важность длительной непрерывной зарядки рассматриваемого типа аккумуляторов. Но в таком случае контроль зарядного тока должен осуществлять «оператор» вручную (что неудобно) или с помощью «интеллектуального» электронного ЗУ с качественным контролем зарядного тока и «программой» возобновления зарядки (без отключения подзаряженных в первом цикле аккумуляторов) – на второй цикл и нового контроля зарядного тока. Таким образом, есть хорошие альтернативные решения по ситуации, но в «бюджетном» варианте, когда ничего другого под рукой нет, вполне подходит представленный в статье способ «двойной» зарядки аккумуляторов — с помощью выключения, а затем повторного включения ЗУ в осветительную сеть.
Особенности хранения
Заряд аккумулятора «на консервации» желательно поддерживать в диапазоне от 40% до 80% энергоёмкости. Примерно 2% от энергоёмкости теряет аккумулятор в год. Для аккумуляторов формата АА и ААА есть зарядные устройства с функцией разряда; перед тем, как зарядить аккумулятор, его разряжают до уровня 2…5% ёмкости, что способствует его более длительной работоспособности с высокой энергоёмкостью. Параметр долговременности эксплуатации Ni‑MH аккумуляторов также зависит и от тока разрядка (тока, протекающего в нагрузке) и от тока заряда, от внешних температурных условий и, в целом, особенностей хранения. Так, при 100%-ом заряде или при хранении в условиях относительно высокой температуры аккумулятор теряет энергоёмкость сравнительно быстрее.
Что касается некоторых других типов аккумуляторов и АКБ, ещё в 2013 в Институте Пауля Шерера (Швейцария) по результатам исследований доказали, как ионы лития покидают частицы литий-феррофосфата в структуре аккумуляторов Li-ion, где «эффект памяти» очень незначителен и пользователю незаметен.
Из истории аккумуляторных батарей (АКБ)
История автономных элементов питания по-своему любопытна. Древняя багдадская (она же парфянская) электрическая батарея была похожа на глиняный горшок, внутрь которого вставлен и зафиксирован полый цилиндр из меди. По центру так, чтобы не соприкасался со стенками трубы, установлен металлический (железный) стержень. Конструкция закрывалась пробкой из битумной смолы. Внешний вид старинной парфянской электрической батареи представлен на рис.
Прообраз современной электрической батареи
Подобных артефактов при раскопках найдено несколько. Местом обнаружения стало древнее поселение Худжут Рабу неподалёку от Багдада, где в 1936-м велись археологические раскопки. Возраст городища оценивается примерно в 2000 лет, оно было построено в Парфянскую эпоху предположительно между 250 годом до н. э. и 224 годом н.э.; даже если иметь «семи пядей во лбу» мы не можем теперь установить точно «для каких причин это было надобно людям», и в каких целях парфянскую батарею использовали. Однако, согласно предположению немецкого археолога Вильгельма Кенига, выдвинутого в 1938 году, предназначение сосуда то же, что у современного электрического аккумулятора. За загадочным артефактом прочно закрепилось название «багдадская батарейка».
Вероятность гипотезы подтверждена экспериментами, проведенными после Второй мировой войны Уиллардом Греем, исследователем компании «Дженерал Электрик». Исследователь соорудил копию предполагаемой батарейки; после наполнения её электролитом, Грей выяснил, что устройство является источником электрического тока с напряжением примерно 2 В. И ежели сие действительно так, древние люди в своей цивилизации, о которой мы так мало знаем, вполне могли (теоретически) пользоваться источниками питания с существенно более высоким напряжением — если подключать подобные «сосуды» в последовательную электрическую цепь и извлекать из оной, к примеру, 220 В. Если предполагать последовательное включение 110 багдадских горшков.
По части альтернативных электрических батарей, работающих по принципу химической реакции и не взирая на традиционные и давно известные «автомобильные» и другие АКБ, уместно вспомнить и такой вид химических источников тока, как батареи для акваторий. Пример такой электрической батареи представлен на рис.
Электрохимический источник тока для питания световых и звуковых сигналов на воде
Одними из особенных, и заслуживающих внимания химических источников тока (ХИТ), являются специальные водоактивируемые батареи. Сухие законсервированные и герметично упакованные в целлофановую плёнку батареи, способные обеспечить в электрической цепи ток 2–10 А (зависит от типа батареи) при заполнении резервуара водой. Главное их назначение — морские и речные (озёрные) устройства навигации, сигнализации, освещения и спасения.
Химические источники питания, работающие под воздействием воды, предназначены производителями для всех подобающих случаев, например, для огней спасательных жилетов (к примеру, ЖСМ), светящихся буев (БС-2), спасательных плотов, огней поиска (ЭОСС-98ПВ) и самозажигающихся огней спасательных кругов. К примеру, буй БСД-02 (буй светодымящий аварийный) предназначен для обнаружения спасательного круга, как в ночное, так и в дневное время, за счёт подачи светового и оранжевого дымового сигнала. Он состоит из поплавка и корпуса, в котором размещен водо-активируемый источник питания (приводится в действие автоматически, при падении в воду) и дымящий состав.
Такие источники разных моделей, фирм и годов выпуска, но действующие (активирующиеся) по единому принципу подходят и для электропитания элементов плавсредств, а также буев. Активация происходит автоматически — после того, как внутренний резервуар устройства заполняется водой и происходит химическая реакция.
Чтобы это произошло, электрохимический источник тока, предварительно подключенный к электронному устройству (РЭА) нагрузки, освобождают от пробки-заглушки и помещают (бросают) в воду.
Внутренняя начинка водоактивируемых батарей
При производстве на лист магния толщиной 1,4…2 мм — объёмный поpистый электpод из металлического магния маpки МА2 или МА8) напрессовывают хлоpид в смеси с проводящими ток (гpафит) и связующими (бутилкаучук, целлюлоза, декстpин) добавками.
Хлоpидный электpолит пpопитывает целлюлозные (стекловолоконные) сепаpатоpы и высушивается. Батарея хранится в целлофановой, приближенной к вакууму упаковке, длительное время. При поступлении воды (деконсервации и применении) химсостав батареи реагирует, и между двумя противоположными полюсами — выводами (через несколько минут после воздействия воды с температурой +1…+40 °С) появляется разница потенциалов. Напряжение между полюсами элемента не превышает 6 В (в разных ХИТ), но ток, отдаваемый в нагрузку существенен. Он может достигать единиц Ампер в течение 10–30 мин, а ток короткого замыкания порядка 8–10 А. Одним из примеров являлась батарея типа «Дымок» (выпускавшаяся отечественной промышленностью в Липецке), фото которой представлено на рис - выше.
О перспективах
Разрабатываемые автономные источники электропитания, способные работать без подзарядки десятилетиями, востребованы во многих отраслях промышленности — от космоса до медицины. Из новых трендов стоит отметить ядерные или радиоизотопные, или атомные электрические батареи на основе радионуклидов миниатюрного форм-фактора. Вернемся к «вечной батарейке», анонсированной в Китае и не только.
«Ядерные батареи» – автономные источники тока, в которых энергия радиоактивного распада метастабильных ядер преобразуется в электрический ток. В зависимости от конкретной задачи в таких батареях используются a- и b-активные ядра с периодом полураспада нуклидовT1/2 от сотни дней до сотни лет.
Области применения ядерных батарей разнообразны: они незаменимы на территориях, удалённых от инфраструктуры, к примеру, в Арктике, на больших глубинах, на газо- и нефтепроводах большой протяжённости, в космосе, в устройствах, обеспечивающих специальную связь и в медицине - везде, где требуется длительный мониторинг без возможности подзарядки или замены источников энергии. Для изотопных источников применительно к кардиостимуляторам или датчикам артериального давления, электронным анализаторам крови подходят только плутоний-238 и никель-63.
Требование безопасного радиоизотопа сужает возможности, поскольку радионуклиды при распаде должны распадаться, либо переходить в состояние дочернего ядра. Кроме выбора радионуклида принципиально важным при разработке радиоизотопных источников энергии является выбор схемы преобразователя энергии ядерного распада в электрический ток. На практике преобразование осуществляется по непрямому ступенчатому принципу: кинетическая и кулоновская энергия альфа- и бета-частиц сначала превращаются в тепловую, химическую, механическую, световую и др. виды., а затем — в электрическую.
Концепция оригинальной физической системы на основе 63Ni предложена группой ученых из Института «ЛаПлаза» под руководством Петра Борисюка. Если обеспечить условия эффективной генерации вторичных электронов непосредственно внутри наноструктурированных пленок никеля и значительно увеличить токовый сигнал, вызванный каскадом многократных неупругих соударения бета-частиц — на выходе экспериментальной реализации получают относительно простую систему.
Но весьма результативную с точки зрения состава плотно упакованных нанокластеров никеля с градиентным распределением наночастиц по размеру, осаждённых на поверхности широкополосного диэлектрика — оксида кремния. Вследствие размерной зависимости энергии Ферми, наличие пространственно-неоднородного распределения металлических наночастиц по размерам приводит к пространственному перераспределению заряда в электропроводящей системе соприкасающихся друг с другом металлических наночастиц. Их средний размер изменяется в выделенном направлении, что приводит к возникновению разности потенциалов на полярных выходах (напряжению).
Объяснением сего эффекта с помощью знаний физики ядерной реакции является иллюстрация формирования нанокластерных пленок никеля-63 с градиентным распределением наночастиц. В процессе реакции достигают двух эффектов. Во-первых, формируются покрытия с фиксированной разностью потенциалов (определяется разницей размеров наночастиц в выделенном направлении); во-вторых, происходит преобразование энергии бета-распада 63Ni в ток электронов (электрический ток) без использования дополнительных сложных для реализации полупроводниковых систем. Разработанная в России установка для испытания «батарей будущего» представлена на рис.
Пример российской разработки
Рассмотренные изотопные источники питания в антивандальных (и безопасных) для флоры и фауны соответствующей местности контейнерах будут оснащены комплексом удалённого контроля местоположения и фиксации параметров окружающей среды, в том числе радиационного фона. Такой контроль посредством современных телекоммуникационных систем позволит минимизировать риски техногенной катастрофы, сохранять окружающую среду и обеспечить безопасность для людей, животных и в целом природы на высоком уровне.
Утилизации и безопасности изделия также уделено внимание. Динамика разгона альфа-частиц плутония-238 существенно меньше толщины стенок внутренней капсулы, а внешние стенки корпуса устройства со свинцовым экраном являются надёжной преградой для радиации. По истечении срока службы батарею будут утилизировать, а ядерный компонент изымать и захоронить в рекреационных зонах согласно плану утилизации ядерных отходов.
Оригинальный альтернативный подход к решению проблемы преобразования энергии ядерного распада в электричество и реализация соответствующей программы позволит совершенствовать процесс преобразования энергии во всем объёме материала.
А увеличение эффективности и КПД системы открывает поистине космические возможности масштабирования элементов для получения большей мощности источников питания при их условной миниатюризации. Ведет в будущем к созданию ядерных батарей с энергоёмкостью до в единицы и сотни кВт Ожидается, что уже к 2030 году производственная сфера получит прошедшие испытания и апробированные изделия накопления и сохранения энергии с разным сроком службы и мощностью в сотни Ватт.
