Обзор NiCd, NiMH и Li-Ion аккумуляторы, сравнение

Итак. Ежедневно мы используем в работе АКБ. И зачастую для неопытного пользователя становится египетскими письменами всё, что сказано о них в приводимых описаниях.

Первый и наиболее очевидный параметр – это ёмкость (измеряется в Ампер/часах) то есть за сколько часов аккумулятор может быть разряжен при номинальном токе 1 ампер полностью (сейчас мы говорим, я напомню, об аккумуляторах для носимых радиостанций, а их отличие от автомобильных или стационарных более чем существенно не только по размерам и назначению, но и по сути характеристик )
С грехом пополам разобравшись с емкостью и формой АКБ наш неподготовленный пользователь натыкается на непонятную абревиатуру
Как говорит нам справочник, аккумуляторы на данный момент выпускаются трёх двух основных видов. Это LiOn (Литий-ионные) и NiMH (Никельметаллгидридные, ранее Никель-кадмиевые)
Суть понять можно. Однако какой из них лучше?
На миг углубимся в историю:
Непрерывный поиск автономных источников питания постоянного тока продолжается с тех пор, как А. Вольта предложил общественности в 1859 году химический источник электрической энергии в виде батареи гальванических элементов. С тех пор было предложено немало идей электролитов, рано или поздно предававшиеся забвению из-за недостаточной эффективности, а иногда и из-за вредного воздействия на окружающую среду (например, ртутные элементы).
Идеальный автономный источник постоянного тока должен иметь небольшие габариты и массу, но в то же время обладать достаточной энергоемкостью для продолжительной работы в заданных условиях, допускать многократное использование (подзарядку и быть безопасным при утилизации), В той или иной мере этим требованиям отвечают аккумуляторы.
При использовании в различной радиоэлектронной аппаратуре на сегодня популярны, никель-металлгидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Последние появились относительно недавно, но уверенно заявляют о своих правах. Их использование с каждым годом растет- Так, например, в 1994 г. таких аккумуляторов различного назначения изготовили и реализовали порядка 12,3 млн. штук, а уже в следующем - производство достигло 32 млн. Справедливости ради следует отметить, что в то же время NiMH аккумуляторов во всем мире было изготовлено более 300 млн.
Попытаемся ответить на этот вопрос.

NiMH аккумуляторы были разработаны фирмой Sanyo Electric в 1990 г С тех пор они заметно потеснили широко известные NiCd аккумуляторы. Главное их преимущество оказалось в более высокой плотности энергии на единицу объема, выражаемую в размерности ватт час на литр (Вт.ч/л).
Типовое значение плотности энергии лучших образцов NiCd аккумуляторов составляет 120 Вт ч/л, в то время как для металлгидридных оно имеет значение 175 Вт.ч/л, а для литий-ионных-230 Вт ч/л.
Повторим: Никель металл гидрид более емкий нежели никель кадмий. Но уступает Литий-иону

Другое преимущество металлгидридного аккумулятора заключается в его "удельной" стоимости. В пересчете на единицу электрической емкости источника тока эти аккумуляторы вдвое дешевле по сравнению с литий-ионными, но, правда, во столько же дороже NiCd. Впрочем, последнее не является принципиальным недостаткам металлгидридных аккумуляторов - их никель-кадмиевые конкуренты окончательно проиграли борьбу по другим позициям - массо-габаритным параметрам и высокой токсичности кадмия при утилизации.
Повторим: Никель металл гидрид дешевле и меньше по габаритам.

Сравним теперь электрические характеристики различных аккумуляторов. Номинальное напряжение никель-кадмиевых и металлгидридных аккумуляторов одинаково и составляет примерно 1,25 В. Оно практически постоянно в течение всего цикла разрядки, снижаясь резко только в конце этого цикла. У литий-ионного аккумулятора номинальное напряжение составляет 3,6 В. В процессе цикла разрядки оно линейно уменьшается. Ниже определенного напряжения литий-ионный аккумулятор разряжать нежелательноВнутреннее сопротивление NiCd и NiMH элементов очень низкое (менее 0,1 Ом для элементов типоразмера АА), поэтому они позволяют получить значительный разрядный ток. У Li-Ion элементов внутреннее сопротивление на порядок больше.
Итак: Никель металл гидрид запоминает зарядку., а Литий –ион устает со временем.

Саморазряд запасенной энергии у никель-кадмиевого и металлгидридного аккумуляторов относительно высокий - в течение месяца хранения он достигает около 25%. Здесь литий-ионный аккумулятор, можно сказать, вне конкуренции. Этот параметр у него не превышает 1 % за тот же период.
По надежности металлгидридные аккумуляторы близки к никель-кадмиевым, но склонны к отказам при высоких разрядных токах.
Металлгидридные аккумуляторы имеют еще одно преимущество перед литий-ионными. При прохождении 300 циклов зарядки-разрядки (с соблюдением правил эксплуатации) у металлгидридных совсем не происходило потери паспортного значения энергоемкости, в то время как у литий-ионных она снижается на 20 %. Более того, это наблюдается и при длительном хранении аккумуляторов без работы на реальную нагрузку. Отмечались также случаи разрушения Li-Ion аккумуляторов, если напряжение на них снижалось ниже определенного значения. Вот почему некоторые изготовители даже устанавливают на свои аккумуляторы индикаторы разрядки чтобы была возможность визуально оценить его текущее состояние.
Наиболее вероятными причинами отказов NiCd элементов являются внутренние короткие замыкания, вызываемые ростом кристаллов, называемых дендритами. Хотя они и могут быть разрушены "форсированным" высоким зарядным током или зарядкой током специальной формы (часть периода имеющего отрицательное значение), дендриты повторно вырастают, если элемент используется не регулярно.
По заявлениям разработчиков, дендриты у металлгидридных аккумуляторов не наблюдались.
Общеизвестная проблема для NiCd аккумуляторов - это "эффект памяти", который проявляется в частичной (временной) потере энергоемкости аккумулятора, если он будет поставлен на зарядку до полного разряда. Он как бы "помнит" точку начала очередного цикла подзарядки и при разрядке активно отдаст только полученную за время последней подзарядки энергоемкость.

"Эффект памяти" присущ также и NiMH аккумуляторам. Из этого следует сделать вывод, что необходимо устройство, которое бы контролировало глубину разрядки. За нижнюю границу принимают уровень 1,05..,1,1 В на элемент, при этом "эффектом памяти" можно пренебречь. Такие устройства повсеместно применяются в мобильных и переносных телефонах, поэтому даже если в них и проявляется этот эффект, то он минимизирован - энергоемкость никогда на снижается более чем на 10 %. Если "эффект памяти" в какой-то период эксплуатации все же проявился. то его устраняют несколькими циклами тренировки (зарядка-разрядка). После чего аккумуляторы вполне пригодны для дальнейшей работы в составе любых потребителей.
Существует два способа подзарядки аккумуляторов: быстрый и продолжительный. Продолжительный способ, принимаемый всеми изготовителями аккумуляторов как основной, выполняется небольшим по величине током, безопасным для элементов в случае нарушения временного режима (хотя последнее и не рекомендуется). Большое преимущество этого способа в том, что не требуется никаких устройств индикации окончания подзарядки поскольку, как было сказано выше, небольшой ток не может вывести из строя элемент или батарею независимо от того, как долго происходит подзарядка. Недостаток - длительность процесса зарядки.
Это не всегда удобно, вот почему подобные аккумуляторы сейчас используются только в дешевых изделиях - игрушках фонарях и др, А вот для аккумуляторов типоразмера С (используемых преимуществвенно в мобильных системах) номинальным зарядным током принято значение, численно равное его энергоемкости.
Обычный способ определения момента окончания подзарядки - использование индикаторов напряжения или температуры. Менее наглядный способ, а следовательно, и менее продуктивный, - применение таймера, отключающего заряжаемый аккумулятор по истечении заданного периода времени.

Подведём итоги:
Плюсы Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов

Низкая цена Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов
Возможность отдавать наибольший ток нагрузки
Возможность быстрого заряда аккумуляторной батареи
Сохранение высокой ёмкости аккумулятора до -20°C
Большое количество циклов заряда-разряда. При правильной эксплуатации подобные аккумуляторы отлично работают и допускают до 1000 циклов заряда-разряда и более

Минусы Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов

Относительно высокий уровень саморазряда – Ni-Cd Никель-кадмиевый аккумулятор теряет порядка 8-10% своей ёмкости в первые сутки после полного заряда.
Во время хранения Ni-Cd Никель-кадмиевый аккумулятор теряет порядка 8-10% заряда каждый месяц
После длительного хранения ёмкость Ni-Cd Никель-кадмиевого аккумулятора восстанавливается после 5 циклов разряда-заряда.
Для продления срока службы Ni-Cd Никель-кадмиевого аккумулятора рекомендуется каждый раз полностью его разряжать для предотвращения проявления «эффекта памяти»

Плюсы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов

Нетоксичные аккумуляторы
Меньший «эффект памяти»
Хорошая работоспособность при низкой температуре
Большая ёмкость по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами

Минусы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов

Более дорогой тип аккумуляторов
Величина саморазряда примерно в 1.5 раза выше по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами
После 200-300 циклов разряда-заряда рабочая ёмкость Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов несколько снижается
Батареи Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов имеют ограниченный срок службы

Плюсы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов

Отсутствует «эффект памяти» и поэтому появляется возможность заряжать и подзаряжать аккумулятор по мере необходимости
Высокая ёмкость Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
Небольшая масса Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
Рекордно-низкий уровень саморазряда – не более 5% в месяц
Возможность быстрого заряда Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов

Минусы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов

Высокая стоимость Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
Сокращается время работы при температуре ниже нуля градусов Цельсия
Ограниченный срок службы постоянна тренировка.