В течение целых пятидесяти лет портативные устройства для автономной работы могли полагаться исключительно на никель-кадмиевые источники питания. Но кадмий очень токсичный материал, и в 1990-х на смену никель-кадмиевой технологии пришла более экологичная никель-металл-гидридная. По сути эти технологии очень схожи, и большинство характеристик никель-кадмиевых аккумуляторов передались по наследству никель-металл-гидридным. Но тем не менее, для некоторых применений никель-кадмиевые аккумуляторы остаются незаменимыми и используются по сей день.

1. Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd)

Изобретенный Вальдмаром Юнгнером в 1899 году, никель-кадмиевый аккумулятор имел несколько преимуществ по сравнению со свинцово-кислотным, единственным существовавшим тогда аккумулятором, однако был более дорогим из-за стоимости материалов. Развитие этой технологии было довольно медленным, но в 1932 году был сделан значительный прорыв - в качестве электрода стал использоваться пористый материал с активным веществом внутри. Дальнейшее усовершенствование было сделано в 1947 году и решило проблему газопоглощения, что позволило создать современную герметичную необслуживаемую никель-кадмиевую батарею.

На протяжении многих лет именно NiCd батареи служили в качестве источников питания для двухсторонних радиостанций, экстренной медицинской техники, профессиональных видеокамер и электроинструмента. В конце 1980-х были разработаны ультраемкие NiCd аккумуляторы, которые потрясли мир своей емкостью, на 60% превышающей показатель стандартной батареи. Это было достигнуто благодаря размещению большего количества активного вещества в батарее, но добавились и недостатки - повысилось внутреннее сопротивление и уменьшилось количество циклов заряда/разряда.

NiCd стандарт остается одним из самых надежных и непритязательных среди аккумуляторных батарей, и авиационная отрасль остается верной этой системе. Тем не менее, долговечность этих аккумуляторов зависит от надлежащего обслуживания. NiCd, и отчасти NiMH аккумуляторы, подвержены эффекту “памяти”, который приводит к потере емкости, если периодически не делать полный цикл разряда. При нарушении рекомендованного режима зарядки аккумулятор будто помнит, что в предыдущие циклы работы его емкость не была использована полностью, и при разряде отдает электроэнергию только до определенного уровня. (Смотрите: Как восстановить никелевый аккумулятор ). В таблице 1 перечислены преимущества и недостатки стандартного никель-кадмиевого аккумулятора.

Таблица 1: Преимущества и недостатки никель-кадмиевых батарей.

2. Никель-металл-гидридные аккумуляторы (NiMH)

Исследования никель-металл-гидридной технологии начались еще в 1967 году. Однако нестабильность металл-гидрида тормозила разработку, что в свою очередь привело к развитию никель-водородной (NiH) системы. Новые гидридные сплавы, обнаруженные в 1980-х, решили проблемы с безопасностью, и позволили создать аккумулятор с удельной энергоемкостью на 40% большей, чем у стандартного никель-кадмиевого.

Никель-металл-гидридные аккумуляторы не лишены недостатков. Например, их процесс зарядки более сложен, чем у NiCd. С саморазрядом в 20% за первые сутки и последующей ежемесячной в 10%, NiMH занимают одну из лидирующих позиций в своем классе. Модифицируя гидридный сплав, можно добиться снижения саморазряда и коррозии, но это добавит недостаток в виде уменьшения удельной энергоемкости. Но в случае использования в электротранспорте, эти модификации весьма полезны, так как повышают надежность и увеличивают срок службы батарей.

3. Использование в потребительском сегменте

NiMH батареи в данный момент являются одними из самых легкодоступных. Такие гиганты отрасли как Panasonic, Energizer, Duracell и Rayovac признали необходимость присутствия на рынке недорогого и долговечного аккумулятора, и предлагают никель-металл-гидридные источники питания разных типоразмеров, в частности АА и ААА. Производителями тратятся большие усилия, чтобы отвоевать часть рынка у щелочных батарей.

В этом сегменте рынка никель-металл-гидридные батареи являются альтернативой перезаряжаемым щелочным батареям , которые появились еще в 1990 году, но из-за ограниченного жизненного цикла и слабых нагрузочных характеристик не снискали успеха.

В таблице 2 сравниваются удельная энергоемкость, напряжение, саморазряд и время работы батареек и аккумуляторов потребительского сегмента. Представленные в АА, ААА и других типоразмерах, эти источники питания могут использоваться в портативных устройствах. Даже если у них может немного различается номинальный вольтаж, состояние разряда, как правило, наступает при одинаковом для всех фактическом значении напряжения в 1 В. Эта широта значений напряжения допустима, так как портативные устройства имеют некоторую гибкость в плане диапазона напряжений. Главное – необходимо вместе использовать только однотипные электрические элементы. Проблемы безопасности и несовместимость напряжения препятствуют развитию литий-ионных батарей в АА и ААА типоразмере.

Таблица 2: Сравнение различных батарей типоразмера АА.

* Eneloop является торговой маркой корпорации Sanyo, основанной на NiMH системе.

Высокий показатель саморазряда NiMH является причиной продолжающейся озабоченности потребителей. Фонарь или портативное устройство с батареей NiMH разрядится, если не пользоваться им несколько недель. Предложение заряжать устройство перед каждым использованием навряд ли найдет понимание, особенно в случае с фонарями, которые позиционируются как источники резервного освещения. Преимущество щелочной батареи со сроком хранения в 10 лет тут видится бесспорным.

В никель-металл-гидридной батарее от Panasonic и Sanyo под торговой маркой Eneloop удалось значительно уменьшить саморазряд. Eneloop может храниться без подзарядки в шесть раз дольше чем обычная NiMH. Но недостатком такой улучшенной батареи является немного меньшая удельная энергоемкость.

В таблице 3 приведены преимущества и недостатки никель-металл-гидридной электрохимической системы. В таблице не учтены характеристики Eneloop и других потребительских торговых марок.

Таблица 3: Преимущества и недостатки NiMH батарей.

4. Железо-никелевые аккумуляторы (NiFe)

После изобретения в 1899 году никель-кадмиевого аккумулятора шведский инженер Вальдмар Юнгнер продолжил исследования и пытался заменить дорогой кадмий более дешевым железом. Но низкая эффективность заряда и чрезмерное газообразование водорода заставили его отказаться от дальнейшего развития NiFe батареи. Он даже не стал патентовать эту технологию.

Железо-никелевый аккумулятор (NiFe) использует в качестве катода гидрат окиси никеля, анода - железо, а электролита - водный раствор гидроксида калия. Ячейка такого аккумулятора генерирует напряжение в 1,2 В. NiFe устойчив к излишнему перезаряду и глубокому разряду; может эксплуатироваться в качестве резервного источника питания в течение более чем 20 лет. Устойчивость к вибрациям и высоким температурам сделали этот аккумулятор самым используемым в горной промышленности в Европе; также он нашел свое применение для обеспечения питания железнодорожной сигнализации, также используется как тяговой аккумулятор для погрузчиков. Можно отметить, что во время Второй мировой войны именно железо-никелевые батареи использовались в немецкой ракете “Фау-2”.

NiFe имеет низкую удельную мощность - примерно 50 Вт/кг. Также к недостаткам стоит отнести плохую производительность при низких температурах и высокий показатель саморазряда (20-40 процентов в месяц). Именно это, вкупе с высокой стоимостью производства, побуждает производителей оставаться верными свинцово-кислотным батареям.

Но железо-никелевая электрохимическая система активно развивается и в недалеком будущем способна стать альтернативой свинцово-кислотной в некоторых отраслях. Перспективно выглядят экспериментальная модель ламельной конструкции, в ней удалось снизить саморазряд аккумулятора, он стал практически невосприимчив к пагубному воздействию пере- и недозарядки, а его срок службы ожидается на уровне 50 лет, что сопоставимо с 12-летним сроком службы свинцово-кислотной батареи в режиме работы при глубоких циклических разрядах. Ожидаемая цена такой NiFe батареи будет сравнима с ценой литий-ионной, и всего в четыре раза превышать цену свинцово-кислотной.

NiFe аккумуляторы, равно как и NiCd и NiMH , требуют особых правил зарядки - кривая напряжения имеет синусоидальную форму. Соответственно, использовать зарядное устройство для свинцово-кислотного или литий-ионного аккумулятора не выйдет, это даже может навредить. Как и все батареи на основе никеля, NiFe боятся перезаряда - он вызывает разложение воды в электролите и приводит к ее потере.

Сниженную в результате неправильной эксплуатации емкость такого аккумулятора можно восстановить путем приложения высоких токов разрядки (соразмерных значению емкости аккумулятора). Данную процедуру необходимо проводить до трех раз с длительностью периода разряда в 30 минут. Также следует следить за температурой электролита - она не должна превышать 46°С.

5. Никель-цинковые аккумуляторы (NiZn)

Никель-цинковый аккумулятор похож на никель-кадмиевый тем, что использует щелочной электролит и никелевый электрод, но отличается по напряжению - NiZn обеспечивает 1,65 В на ячейку, в то время как NiCd и NiMH имеют показатель в 1,20 В на ячейку. Заряжать NiZn аккумулятор необходимо постоянным током с значением напряжения 1,9 В на ячейку, также стоит помнить, что этот вид аккумуляторов не рассчитан для работы в режиме подзарядки. Удельная энергоемкость составляет 100Вт/кг, а количество возможных циклов - 200-300 раз. NiZn не имеет в своем составе токсичных материалов и может быть легко утилизирован. Выпускается в различных типоразмерах, в том числе в АА.

В 1901 году Томас Эдисон получил патент США на перезаряжаемую никель-цинковую батарею. Позже его разработки были усовершенствованны ирландским химиком Джеймсом Драммом, который установил эти аккумуляторы на автомотрисы, которые курсировали по маршруту Дублин-Брей с 1932 по 1948 год. NiZn не получил должного развития из-за сильного саморазряда и короткого жизненного цикла, вызванного образованиями дендритов, что также часто приводило к короткому замыканию. Но совершенствование состава электролита уменьшило эту проблему, что дало повод снова рассматривать NiZn для коммерческого использования. Низкая стоимость, высокая выходная мощность и широкий диапазон рабочих температур делают эту электрохимическую систему крайне привлекательной.

6. Никель-водородные аккумуляторы (NiH)

Когда в 1967 началась разработка никель-металл-гидридных батарей, исследователи столкнулись с нестабильностью гидритов металла, что вызвало сдвиг в сторону развития никель-водородного (NiH) аккумулятора. Ячейка такого аккумулятора включает в себя инкапсулированный в сосуд электролит, никелевый и водородный (водород заключен в стальной баллон под давлением в 8207 бар) электроды.

Обзор специфических аккумуляторов NiZn.
забегая вперед - пользоваться можно, но осторожно =)

Что же это за чудо такое:
Никель-цинковый аккумулятор - это химический источник тока, в котором анодом является цинк, электролитом - гидроксид калия с добавкой гидроксида лития, а катодом - оксид никеля. Часто сокращается аббревиатурой NiZn. Во общем это новое - хорошо забытое старое изобретенное когда то Эдисоном.
Достоинства: большое рабочее напряжение (1,6 В; наибольшее из щёлочных аккумуляторов)
Недостатки: небольшой ресурс (250-370 циклов заряд-разряд).

Внешний вид и заявленные характеристики:
Размеры:
Диаметр максимальный:14.5mm.
Высота максимальная:50.5mm.
Вес:25 грамм.








Проблем с установкой вместо батареек АА не обнаружено.
Емкость:
Типовая:2500мВтч. Примерно соответствует 1600-1700мАч (реальных).
Минимальная:2250мВтч.
Почему указывают емкость мВтч а не мАч? Единственное объяснение, которое я нашел: из-за более низких параметров мАч при той же энергоёмкости (напряжение-то выше) на этих элементах отказались от измерения в мАч и пишут ёмкость в мВтч, что в принципе не противоречит.
Номинальное напряжение:1.6 В.
В интернете встречалось упоминание о хорошей работе при низких температурах, но мной не проверялось...
Зарядка:
Поддерживается быстрая зарядка: током от 0.5C до 1C до достижения напряжения 1.9 В на элемент.
Внутреннее сопротивление при напряжении 1 В ≦20мОм (это круто).

Производитель купленных мной элементов имеет свой сайт, о котором я к своему стыду узнал только тогда, когда начал писать обзор и прочитал надпись на элементе =)

Где я применял:
Выгодны для использования в цифровых фотоаппаратах (на NiMh фотоаппарат отключается при не до конца разряженных батарейках - фотоаппарат рассчитан на щелочные батарейки с напряжением 1,5 В, а NiZn имеет высокое напряжение и в конце разряда.) Как раз история из википедии про мой случай. Мой фотоаппарат canon powershot sx150 is ругался на низкое напряжение питания буквально после 5-6 десятков фотографий, хотя вспышка заряжалась по прежнему очень быстро. Проверка аккумуляторов на зарядном устройстве показывала что емкость остаточная была не меньше 50%! Так же на мой взгляд хорошо зарекомендовали себя в электрифицированных игрушках. Разница с другими типами аккумуляторов очевидна, игрушки более подвижны за счет большего напряжения. А в случае когда элементов всего два, то и вообще говорить не приходится, у р/у машинок дальность связи и подвижность отличается очень существенно! Положительный опыт использования в автоматическом тонометре (омрон М3). Накачка шины происходит оперативнее. Так же замечено успешное применение в фонариках.
Во общем сфера применения достаточно разнообразна.

Отличие от NiCd и NiMh более менее достоверный график:


Где синим указана кривая для цинковых аккумуляторов.
Смысл графика в более высоком рабочем напряжении. Разряд производится до напряжения 1.3 В.
Ах да, любители природы будут в восторге, NiZn аккумуляторы безвредны относительно NiCd, за это им плюс в «репу».

Год пользования:
Покупал в июне 2014 года на пробу. У продавца разные варианты, но я выбрал 4 штуки целенаправленно - по 2 комплекта для фотоаппарата. С аккумуляторами идет бокс на 4 штуки АА элементов, он же подходит и для ААА элементов, просто их надо располагать поперек. Удобная коробочка.
Использовал парами, заряженный комплект всегда был в сумке для оперативной замены. Элементы тупо помечены маркером 1 и 2 полоски соответственно, дабы не перепутать при замене.
Как заряжал в первое время:
Зарядное устройство Imax B6 в режиме NiCd, выставлял ограничение по току 1800мА и использовал (не всегда) датчик температуры. При быстрой зарядке датчик температуры очень хорошо фиксирует окончание заряда. Впрочем и дельта пик ловится неплохо.
Поскольку позже фотоаппарат начала усиленно эксплуатировать старшая дочь, то пришлось покупать отдельную зарядку, заряжать имаксом я не стал доверять, а заряжать самому не всегда было возможно, да и пусть в конце концов самостоятельная будет =).
Для этого была куплена
Зарядка позиционируется для NiMh с напряжением до 1.4 В , но мне повезло - замеры показали ток 190мА и напряжение макс 2В на элемент - то, что нужно. Ставили на зарядку примерно на 10-11 часов. Используя вместо таймера обычный будильник, либо программу будильник на компьютере.

За год с лишним аккумуляторы отработали не менее 150 циклов. Остаточная емкость была примерно 1100 мАч (1700мВтч). Дальнейшая судьба печальна, аккумуляторы отправились в мир иной. То, что не сделала старшая дочь, довершила младшая =(
Причина банальна: фотоаппарат был разбит и аккумуляторы оказались не у дел. Позже при отъезде на несколько дней аккумуляторы были упакованы в этого колобка - убийцу аккумуляторов:


Просто напросто забыли выключить питание. В таком состоянии аккумуляторы пробыли около 2х недель и разрядились в ноль.

Попытка реанимировать оказалась неудачной:


Заряжается с отсечкой по дельа пик (я сначала обрадовался, но не тут то было)

После колобка напряжение было 0 В на всех элементах. Попытка прокачки на интеллектуальном зарядном устройстве положительного эффекта не дала. Высокое внутреннее сопротивление и малая емкость - это все что мне осталось констатировать. Аккумуляторы пойдут на утилизацию.

Заключение:

Высокое напряжение - конек NiZn аккумуляторов , но это не всегда хорошо, вы должны быть уверены что ваше устройство (как правило электроника) будет адекватно функционировать. Опять же требуется отдельное зарядное устройство для NiZn элементов, либо универсальное, поддерживающее NiZn. В противном случае вы разочаруетесь в этих аккумуляторах, которые не смогут раскрыть свой потенциал полностью. На данный момент для меня никелевые аккумуляторы скорее всего пройденный этап, переходим на литий.