Элементы питания: от одноразовых к многократно используемым

Почему места обычных солевых и щелочных батареек все чаще занимают перезаряжаемые электрические аккумуляторы? Всегда ли возможна такая замена, и как сделать правильный выбор? На эти и подобные вопросы отвечает данный материал.

Батареи электропитания образуются из отдельных элементов, соединенных, например, последовательно или параллельно, с целью получения более высокого напряжения или тока. Но поскольку в повседневной жизни термин "батарейка" часто относится даже к одному такому элементу, не будем здесь нарушать это разговорное допущение. Более важно, что существуют гальванические, или первичные (одноразовые), и вторичные (перезаряжаемые) элементы питания, называемые также электрическими аккумуляторами. Все они являются химическими источниками тока, то есть, химические реакции, протекающие в них, используются для получения электрической энергии.

Весьма упрощенно химический источник тока можно представить как два электрода (катод и анод) из разных металлов, разделенных жидким или твердым электролитом.

Нас окружает множество электронных устройств, для функционирования которых необходимы элементы питания: это пульты дистанционного управления и ручные фонарики, игровые консоли и электронные будильники, беспроводные клавиатуры и компьютерные мышки, электробритвы и радиоуправляемые игрушки и т.п. Наиболее часто в подобных девайсах используются одноразовые солевые или щелочные, более известные, как алкалиновые (alkaline -- щелочной), гальванические элементы с напряжением 1,5 В. Среди основных преимуществ этих батареек обычно называют их длительное хранение и возможность использования без предварительной подготовки (зарядки) сразу после покупки.

Однако, чем больше становится электронных гаджетов c одноразовыми элементами питания, тем чаще приходится сталкиваться с ситуацией, когда батарейки внезапно "сели" (истощились) и их нужно срочно менять на новые.

В то же время массовое потребление одноразовых элементов питания наносит серьезный удар по экологии. Трудно представить, но на игровые консоли у заядлого геймера за год уходит более сотни щелочных батареек. А ведь они требуют отдельной утилизации и выкидывать вместе с общим мусором их нельзя. Куда сдавать батарейки на переработку можно узнать, например, на сайте экологического движения "Раздельный Сбор".

Всего один перезаряжаемый аккумулятор, благодаря многократному использованию, сможет заменить несколько сотен одноразовых элементов питания. При этом купить его оказывается дешевле, чем замещаемое им количество даже самых недорогих солевых батареек. Вот, например, каждая из моделей аккумуляторов Panasonic Eneloop и Varta Endless готова стать эквивалентом более двух тысяч последовательно заменяемых щелочных элементов. Действительно, 1,5-вольтовые солевые и алкалиновые батарейки во многих случаях можно без проблем поменять на никель-металлгидридные аккумуляторы (NiMH), выполненные в таком же форм-факторе -- АА или ААА.

Напомним, что в ходу оказались обозначения элементов питания вовсе не по европейскому (IEC) или американскому (ANSI) стандартам. Так, щелочной элемент питания LR6 (IEC) или 24A (ANSI) чаще называют просто AA, а свою очередь, LR03 (IEC) или 15A (ANSI) – AAA. Причем в обиходе АА – это "пальчиковая" (диаметр 14,5 мм, высота 50,5 мм), а ААА -- "мизинчиковая" (диаметр 10,5 мм, высота 44,5 мм) батарейка.

Но вернемся к вопросу замены одноразовых солевых и щелочных элементов никель-металлгидридными аккумуляторами, которые при всех своих недостатках, в отличие от никель-кадмиевых (NiCd), практически не страдают от "эффекта памяти", уменьшающего емкость, и не наносят такого вреда окружающей среде. Эти довольно неприхотливые источники питания, выпущенные в том числе и под знакомыми "батарейными" брендами Duracell, Energizer, GP, могут использоваться во многих электронных устройствах с разным уровнем энергопотребления. К сожалению, приборы с высоким порогом отключения, например, некоторые фотоаппараты, светодиодные вспышки, электронные весы, детские игрушки и т.п. очень капризны к уровню питающего напряжения и замещение на никель-металлгидридные аккумуляторы могут попросту "не понять". Короче говоря, рабочее напряжение никель-металлгидридного аккумулятора (1,2 В) они воспримут как истощение элемента питания и перестанут работать.

Помимо щелочных гальванических (одноразовых!) элементов встречаются и перезаряжаемые алкалиновые аккумуляторы, также обеспечивающие выходное напряжение 1,5 В. В этом случае надпись Alkaline на корпусе обязательно будет дополнена пояснением -- Rechargeable. Особая конструкция корпуса перезаряжаемых марганцево-щелочных элементов RAM (Rechargeable Alkaline Manganese), первое поколение которых появилось еще в 1970-х годах, допускает пару десятков полных перезарядок, причем количество возможных циклов зависит от уровня разряда.

В особо заманчивых предложениях на площадке AliExpress речь сегодня идет о нескольких сотнях, а, например, у алкалиновых аккумуляторов под брендом Okoman вообще до тысячи циклов. Правда, похоже, что посчитано просто количество небольших "доливов" в разряженные менее чем на четверть щелочные элементы питания. Кстати, для их перезаряда необходимо применять специальные или профессиональные устройства. Алкалиновые аккумуляторы отличаются высокой степенью готовности, поскольку продаются уже заряженными, а с учетом низкого саморазряда до первого использования могут храниться довольно долго. Их рекомендуют использовать в устройствах с низким потреблением тока и периодическим характером использования, таких, например, как пульты ДУ для аудио- и видеоаппаратуры, беспроводные телефоны, погодные станции, компьютерные мышки, беспроводные клавиатуры и т.п.

А вот никель-цинковые элементы (NiZn), как часто утверждают их производители, объединяют лучшие свойства никель-металлгидридных и никель-кадмиевых аккумуляторов. Высокое номинальное напряжение (1,6 В), максимальный ресурс до 500 перезарядок и способность отдавать большие разрядные токи делают их хорошим выбором при замене одноразовых щелочных батареек, особенно когда нужны высокая мощность и продолжительность работы, например, в фотоаппаратуре, радиоуправляемых игрушках, электробритвах и т.п. Заметим, что на корпусах этих элементов значение емкости указывается не в миллиампер-часах (mAh), а более честно -- в милливатт-часах (mWh), ведь напряжение-то у них выше. Чтобы получить миллиампер-часы, значение в милливатт-часах делится на напряжение (1,6 В). Например, 2 500 мВт*ч – это примерно 1 560 мА*ч.

Для регенерации NiZn-аккумуляторов требуются специальные зарядные устройства. Следует также иметь в виду появление высокого выходного напряжения (1,85-1,9 В) на клеммах сразу после полной зарядки. Отсутствие в составе NiZn-аккумуляторов токсичных веществ (по сравнению, например, c никель-кадмиевыми) предполагает более простой процесс их утилизации. В качестве примеров перезаряжаемых элементов питания с такой "электрохимией" можно привести продукцию под брендами Ansmann, BPI, Melasta, PkCell и российским Robiton.

Заменой одноразовых солевых и щелочных батареек для случая, когда требуется выходное напряжение в 1,5 В, могут также стать литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы, выгодно отличающиеся значительной емкостью и низким саморазрядом. Поскольку номинальное напряжение таких батарей обычно составляет 3,7 В, то, чтобы получить на выходе заветные 1,5 В, конструкцию аккумулятора дополняют встроенным импульсным преобразователем одного уровня постоянного напряжения в другой, более низкий (Step-Down DC/DC Converter). Кроме того, реализуют температурную защиту, а также функции предохранения от пониженного напряжения и короткого замыкания.

Примером базовой микросхемы в данном случае может служить чип LC9200D (выше на фото, справа от него -- другие аналогичные решения).

Для зарядки таких аккумуляторов обычно предлагается фирменное устройство, которое подключается буквально к любому USB-порту, поскольку максимальное значение тока не превышает возможности данного интерфейса (500 мА). В качестве примеров здесь можно привести подобные элементы питания под торговыми марками Jugee и Palo.

А вот 1,5-вольтовые литий-ионные аккумуляторы под брендом Kentli существенно отличаются конструктивно – у них для заряда базового элемента питания на 3,7 В используется дополнительный контакт на торце, отделенный от анода (1,5 В) изолирующим кольцом. Разумеется, фирменное зарядное устройство для аккумуляторов АА/ААА получило дугообразные положительные электроды, которые могут соприкасаться только с дополнительными кольцевыми контактными площадками на таких аккумуляторах.

Некоторые производители перезаряжаемых элементов питания пошли еще дальше. В частности, они дополнили конструкцию литий-полимерных аккумуляторов в форм-факторах АА и ААА не только импульсным преобразователем напряжения до 1,5 В, но и схемой управления питанием. Отдельное зарядное устройство в этом случае уже не требуется.

Если на боковой поверхности корпуса типа AAA хватает места только для установки microUSB-розетки, то вот для АА-аккумуляторов используется либо такое же решение, либо вилка USB-разъема (тип А) встраивается прямо в торец корпуса со стороны анода. Так что в последнем случае для соединения с USB-розеткой на источнике тока кабель уже не нужен. Правда, к ней нельзя сразу подключить до четырех аккумуляторов, как в случае использования microUSB-разъема.

У аккумуляторов Blackube в форм-факторе АА размещение разъема microUSB на торце у анода даже запатентовано.

А вот, например, для перезаряжаемых батареек под брендами Fuvaly и Twharf и разъем оказался не нужен. Они вполне обходятся USB-кабелем с магнитными контактами-защелками, ну а на крайний случай дополняются зарядным устройством на 5 В.

Мерам безопасности у выпускаемых элементов питания крупные производители стараются уделять особое внимание. Вот, например, в аккумуляторах ARB-L14-1600U под брендом Fenix, помимо клапанов сброса давления, предусмотрено несколько уровней защиты.

Рассмотренные выше литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы отличаются практически неизменным напряжением (1,5 В) на протяжении всего цикла разряда. Помимо упомянутых брендов, подобную продукцию можно найти под торговыми марками EBL, GTF, Power Etinesan, Sorbo, Znter и т.д.

Вот, например, под российским брендом "Даджет" предлагаются литий-полимерные аккумуляторы на 1,5 В в форм-факторах AA и AAA, емкостью 1200 мА*ч и 400 мА*ч, соответственно, которые обещают до 500 циклов перезарядки. При этом полное время регенерации, которое можно отслеживать по светодиодному индикатору, составляет час-полтора. OEM-производителем аккумуляторов является компания Wenzhou Sorbo Technology (бренд Sorbo).

Надо иметь в виду, что литий-ионные и полимерные аккумуляторы, по сравнению с другими типами перезаряжаемых элементов, трудно назвать дешевыми, а уж дополненные электроникой и встроенными разъемами, тем более.

Так, под сингапурским брендом Rombica в России продаются литий-полимерные аккумуляторы на 1,5 В, выполненные к тому же в стильно оформленных корпусах AA (1300 мА*ч) и AAA (400 мА*ч). Конструкции у них одинаковые – оба корпуса с розетками microUSB на боковой поверхности рядом с анодом, поэтому в комплекте с каждым аккумулятором идет свой кабель microUSB-USB. Получившие имена собственные элементы питания Neo X2 и Neo X3 обещают аж до 3 тысяч циклов перезаряда. Вот и цена на эти аккумуляторы в разы выше, чем, например, на элементы питания "Даджет".

Кстати, покупая импортные аккумуляторы, первым делом стоит посетить сайты российских дилеров, поскольку цены у них иной раз оказываются даже ниже, чем в зарубежных интернет-магазинах.

Итак, можно резюмировать, что одноразовые 1,5-вольтовые солевые и щелочные батарейки в форм-факторах АА и ААА чаще всего без особых проблем можно заменить на никель-металлгидридные аккумуляторы таких же типоразмеров. Но вот в отдельных случаях стоит рассмотреть более дорогие решения на базе никель-цинковых (1,6 В), а также литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов (1,5 В), в том числе с прямой зарядкой от USB-портов. И не забывайте, пожалуйста, об экологии!