Приводимые далее сведения представляют попытку как-то систематизировать накопленный опыт эксплуатации герметичных щелочных элементов и аккумуляторных батарей Ni-Cd и Ni-Mh типов. Эти данные вовсе не претендуют на абсолютную полноту и 100% корректность. Возможно, кто-то сможет их перепроверить и уточнить.
В настоящее время основным источником питания автономных устройств являются никель-металлогидридные (Ni-Mh) аккумуляторы герметичного типа. Конструктивно Ni-Mh аккумуляторы отличаются от считающихся устаревшими никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов конструкцией отрицательного электрода.
В Ni-Mh аккумуляторах этот электрод состоит из губчатого металла с развитой поверхностью, абсорбирующей образующиеся при электролизе положительно заряженные ионы водорода. Прообразом Ni-Mh аккумуляторов можно считать изобретённый в 50-х годах прошлого столетия «газовый» аккумулятор Преснякова.
В Ni-Cd аккумуляторах ионы водорода связываются химически. С эксплуатационной точки зрения Ni-Mh аккумуляторы отличаются от Ni-Cd в положительную сторону повышенной удельной ёмкостью (на единицу веса или объёма) и в отрицательную сторону — заметным саморазрядом, что, впрочем, компенсируется их высокой ёмкостью. С другой стороны, Ni-Mh аккумуляторам совершенно не свойственен эффект «памяти», осложняющий эксплуатацию аккумуляторов Ni-Cd типа.
Суть последнего эффекта сводится к потере реальной ёмкости Ni-Cd аккумуляторов при их неполном заряде или разряде. Иными словами, на отдачу Ni-Cd аккумулятора сказывается предыстория как их заряда, так и их разряда. Ni- Cd аккумулятор как бы «запоминает» значение ёмкости, отданной на предыдущем цикле заряда, и это становится его текущей ёмкостью.
Такая текущая ёмкость может только уменьшаться, что считается необратимым процессом. Правда, последние исследования показали, что при специальной схеме заряда/разряда ёмкость Ni-Cd аккумуляторов может быть восстановлена до начального и, что интереснее, даже большего уровня.
Суть такого восстановительного цикла для Ni-Cd аккумуляторов состоит в их заряде до напряжения 1,23… 1,3 В и затем быстрым, примерно, 1/2-1 часовом разряде до напряжения 0,8.1 В с последующим медленным разрядом до напряжения 0…0,5 В в течение 20…100 часов.
Затем таким способом разряженный аккумулятор подвергается ускоренной 1/2…2 часовой зарядке до напряжения 1,1…1,2 В и медленной дозарядке в течение 2…10 часов до напряжения 1,25…1,3 В. Все приведённые значения являются ориентировочными и определяются номинальной ёмкостью Ni-Cd аккумулятора и степенью потери им ёмкости.
Если восстановительный цикл не даёт приращения реальной ёмкости, аккумулятор непригоден для дальнейшей эксплуатации и подлежит замене. При положительном результате цикл заряда/разряда повторяют, пока не прекратится нарастание ёмкости. Если достигнутая при этом ёмкость всё же оказывается недостаточной, аккумулятор опять таки придётся заменить.
Процесс восстановления достаточно капризный и не отличается стабильностью. Тем не менее, лет 15…20 назад было создано специальное зарядное устройство для восстановления Ni-Cd аккумуляторов. Упоминание об этом устройстве, как ни странно, удалось найти только в книге В. Жельникова «Криптография от папируса до компьютера» (- М.: ABF, 1996).
Из других источников известно, что самый надёжный способ определения степени заряда аккумуляторов, и притом любого типа (!?), состоит в измерении их внутреннего сопротивления на переменном токе специальной формы. Хотя, правильнее, надо полагать, измерять надо не сопротивление а степень гармонических искажений тока под воздействием подводимого фиксированного напряжения (скажем, 0,2…0,5 В амплитудного значения) синусоидальной формы.
Ni-Mh в этом смысле проще в эксплуатации и по данным производителей выдерживают большее число циклов заряд/разряда.
Щелочной элемент с напряжением 1 В под нагрузкой (в амперах равной 1/10 полной ёмкости) считается полностью разряженным.
ЭДС полностью заряженного элемента Ni-Cd и Ni-Mh типов несколько различается. Для Ni-Cd элемента нормальным считается 1,2…1,25 В без нагрузки, в то время как для Ni-Mh элемента эта величина несколько выше — 1,25…1,35 В.
Нормальное время заряда Ni-Cd аккумуляторов около 10.12 часов, в то время, как Ni-Mh допускают ускоренную от 1/2 до 2.3 часов зарядку без каких-либо последствий. Правда, аномально быстрый ускоренный заряд (1/2…1.5 часа) допускают Ni-Mh аккумуляторы только отдельных производителей. Величина сообщаемого аккумулятору заряда примерно на 20…25% выше его номинальной ёмкости, причём меньшие значения относятся к аккумуляторам Ni-Cd, а большие — к аккумуляторам Ni-Mh типов.
Для заряда Ni-Mh аккумуляторов пригодны те же виды зарядных устройств, что и для Ni-Cd аккумуляторов. Однако использовать для Ni-Cd аккумуляторов зарядные устройства от Ni-Mh аккумуляторов нельзя, если последние рассчитаны на ускоренный заряд.
Промышленность выпускает три типа зарядных устройств для герметичных аккумуляторов типоразмеров AA и AAA. В простейших из них заряд осуществляется по времени 6.20 часов в зависимости от ёмкости аккумулятора. В более совершенных устройствах это время отсчитывается не по часам, а программируется вручную встроенным таймером. Наконец, самые совершенные устройства, увы, рассчитанные только на ускоренный заряд Ni-Mh аккумуляторов, контролируют не только ток и степень заряда, но ещё и температуру корпуса аккумулятора, что достаточно актуально для автономных герметичных источников питания. В качестве дополнительных в такие устройства обычно встраивается защита от переполюсовки и подключения неперезаряжаемых Mn-Zn (марганец-цинк) или Ag-Zn (серебро-цинк) элементов.
Практика показала, что при правильной эксплуатации элементы Ni-Cd типа обладают заведомо лучшей предсказуемостью характеристик и фактически выдерживают гораздо больше число циклов заряд/разряд, по сравнению с гарантируемым производителем.
Предварительно отобранные Ni-Cd элементы можно свободно объединять в последовательные батареи, заряжаемые как единое целое. Соединять последовательно Ni-Mh элементы также можно, но для предотвращения быстрого падения ёмкости батареи заряжать их приходится всё же индивидуально, что не слишком удобно. Возможно и параллельное соединение элементов одного типа в батарею. Некоторое ограничение для элементов Ni-Cd типа обусловлено выявленной их склонностью к внезапным отказам.
Как оказалось в Ni-Cd аккумуляторах герметичных конструкций иногда возникают внутренние короткие замыкания. Причиной таких замыканий, как и в Ag-Zn аккумуляторах, является рост дендритов в виде острых металлических «усов», прокалывающих разделяющий электроды сепаратор. Но, в отличие от Ag-Zn такие замыкания в Ni-Cd аккумуляторах невозможно «выжечь» кратковременным пропусканием тока значительной величины. Причём такой вид отказов для аккумуляторов Ni-Mh типа пока наблюдать не приходилось.
Свои недостатки имеют и аккумуляторы Ni-Mh типа. Помимо отмеченной их склонности к саморазряду удалось установить, что ток саморазряда зависит от множества преходящих факторов и крайне нестабилен в процессе эксплуатации. Даже через 5-6 заряд/разрядных циклов различие предварительно отобранных по значению ёмкости и току саморазряда Ni-Mh элементов становится слишком заметным.
В целом остаётся впечатление, что Ni-Cd аккумуляторы при грамотной эксплуатации обеспечивают всё же большую надёжность по сравнению с Ni-Mh, хотя многие с этим не согласятся.
Вызывает лишь удивление, что все без исключения производители мобильных телефонов снабжают свои устройства полностью автоматическими зарядными устройствами, прекращающими заряд при достижении батареи полной ёмкости. Правда, используются в этих аппаратах преимущественно дорогие Li-Ion (литий- ионные) и ещё более дорогие Li-polimer (литий-полимерные) аккумуляторы.
Вместе с тем, зарядные устройства мобильных аппаратов весьма доступны и стоят много дешевле «зарядников» для аккумуляторов AA и AAA типов. По- видимому, возможна и переделка их под Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторы, но соответствующие описания встречать не приходилось.
И, тем не менее, повод для оптимизма есть. Дело в том, что существуют некоторые модели «мобильников» от Siemens, штатный комплект питания которых состоит из трёх последовательно соединённых Ni-Cd элементов AA типа, допускающих замену на обычные элементы Mn-Zn системы (естественно, без подзарядки).
Поэтому возможно, что трёхвольтовые зарядные устройства мобильных телефонных аппаратов (в устаревших моделях использовались 5-вольтовые батареи) без всяких переделок можно применять и как автоматические зарядные устройства для батарей из трёх последовательно соединённых Ni-Cd или Ni-Mh элементов типов AA или AAA.
Вообще же, складывается впечатление, что различие типов зарядных устройств скорее влияет на удобство их использования и лишь во вторую очередь сказывается на эксплуатационных характеристиках заряжаемых аккумуляторов.
Приведённые выше разрозненные сведения по малогабаритным герметичным щелочным аккумуляторам Ni-Cd и Ni-Mh типа для удобства обозрения сведены в таблицу. Не упомянутая ранее технологическая воспроизводимость введена для оценки возможности подбора среди приобретённых в разное время аккумуляторов по близким характеристикам.
