Чем отличаются Ni-Cd, Ni-Mh, Li-ion — какой аккумулятор лучше выбрать

В быту в качестве перезаряжаемых автономных источников питания чаще всего используются никель-кадмиевые, никель-металлогидридные или литий-ионные аккумуляторы. Каждый тип отличается своими достоинствами и недостатками, определяющими область оптимального применения.

Отличия в технологиях изготовления

Все классы аккумуляторов отличаются друг от друга по типу электрохимических реакций, происходящих при заряде и разряде накопителя энергии. Эти реакции определяются набором реагентов, входящих в состав элемента. Каждый аккумулятор состоит из:

• твердых реагентов (материалы из которых изготовлены анод и катод);
• жидкого реагента (электролита), в котором движутся ионы от одного электрода к другому.

А сами реакции, в свою очередь, определяют потребительские свойства химических элементов питания.

Конструкция аккумуляторов часто содержит сепаратор, разделяющий анод и катод, и защищающий их от замыкания. Сепаратор в химических реакциях не участвует, его роль – механическая.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Отрицательный электрод такого химического источника тока (ХИТ) выполняется из кадмия или гидроксида кадмия. В состав положительного входит оксид-гидроксид никеля NiOOH (или гидроксид никеля) в виде активной массы, нанесенной на проводящую основу. В качестве электролита применяется раствор гидроксида калия (KOH).

Никель-металлогидратные источники тока

Анод в Ni-MH элементе выполняется тем же самым образом, что и у никель-кадмиевого аккумулятора. Для использования в качестве отрицательного электрода удалось найти замену кадмию. Такой заменой стал сплав никеля с редкоземельными материалами (что несколько повысило стоимость таких источников питания). Электролитом также служит щелочной раствор KOH.

Литий-ионные элементы

Эта категория ХИТ под общим названием скрывает очень широкий набор достаточно различных по электрохимической сущности перезаряжаемых источников питания. Они объединены общим принципом работы:

1. Катод выполняется из алюминиевой фольги с нанесенным на нее соединением лития.
2. Анод выполняется из меди с нанесенным на нее графитом.
3. При заряде происходит извлечение ионов лития из катода, под действием электрического поля они движутся к аноду и встраиваются в структуру графита.
4. При разряде ионы лития извлекаются из анода, движутся по направлению к катоду.

В качестве электролита применяются органические соединения. Электроды в большинстве случаев разделены твердым сепаратором.

Отрицательный электрод может быть выполнен на основе различных соединений лития, поэтому потребительские свойства литий-ионных аккумуляторов будут значительно различаться в зависимости от исполнения катода.

Сравнительная таблица характеристик Ni-Cd, Ni-Mh, Li-ion аккумуляторов

Характеристики различных типов источников питания лучше сравнивать и анализировать, если они представлены в виде таблицы.

Плюсы и минусы источников питания

Никель-кадмиевый аккумулятор — самый старый тип ХИТ, применяется еще с 1899 года. К его главному недостатку относят наличие кадмия – этот металл токсичен и создает проблемы с утилизацией отработанных элементов. Другая серьезная проблема возникает при эксплуатации Ni-Cd аккумуляторов. Они обладают «эффектом памяти». Он состоит в том, что зарядку ХИТ нельзя начинать до полной разрядки (до уровня, принятого за ноль). В противном случае элемент «запоминает» начальный уровень, как нулевой, что ведет к снижению емкости батареи. Сфера применения таких аккумуляторов стремительно сокращается за счет появления новых типов батарей, но полностью их вытеснить пока не получается. Никель-кадмиевые источники незаменимы там, где требуется:

Это определяет область применения подобных батарей в качестве тяговых источников энергии.

Никель-металлогидридные аккумуляторы проще приобрести – выпуск никель-кадмиевых в последнее время резко сократился по соображениям экологии. Кроме того, у них несколько меньше выражен эффект памяти, выше энергоемкость (меньше габариты и вес при одинаковой емкости). Но у них меньше токоотдача и диапазон рабочих температур.

Литий-ионные аккумуляторы по большинству электрических параметров вне конкуренции. Но и они имеют недостатки, ограничивающие их область применения:

Главная же проблема литий-ионных элементов – их высокая пожаро- и взрывоопасность. Разработчики сделали многое, чтобы снизить вероятность возникновения пожара, но полностью решить вопрос не удалось. Тушить же Li-ion батареи сложно и неэффективно.

Рекомендуем: Что лучше литий полимерный или литий ионный аккумулятор

Особенности зарядки аккумуляторов

Оптимальный режим зарядки для никель-кадмиевых элементов – подзаряд постоянным током. Хорошо подходят зарядные устройства, поддерживающие ток в пределах 0,2С..0,3С, но допускается зарядка токами от 0,1С до 1С. Надо помнить, что снижение тока подзаряда ведет к увеличению длительности процесса. Критерием окончания зарядки является достижение напряжения напряжения до 1,37 В на каждый элемент батареи.

После длительного хранения Ni-Cd аккумулятора рекомендуется провести 2-3 цикла полного заряда и разряда. Хранить такие источники питания желательно полностью (но не глубоко) разряженными.

Для никель-металлогидридных элементов тоже применяется способ зарядки постоянным током (оптимально 0,1..0,3С). Признаком окончания зарядки служит достижение напряжения 1,4 вольта на элемент. При больших токах (от 0,5С) наблюдается эффект небольшого снижения уровня на выходе батареи. Это также может служить признаком завершения процесса подзаряда.

Более «умные» зарядные устройства для определения завершения подзаряда используют контроль скорости прироста напряжения. В конце процесса напряжение растет медленнее, что также видно на рисунке.

Самый сложный режим требуют литий-ионные аккумуляторы. Он предполагает зарядку в два этапа:

• постоянным током (напряжение источника зарядного тока в процессе подзаряда возрастает);
• постоянным напряжением (ток при этом падает).

Только такой режим позволяет полностью использовать емкость Li-ion батареи. Критерием окончания процесса служит снижение тока подзаряда на втором этапе ниже заданной величины.

Какой тип аккумулятора выбрать для шуруповерта

При работе с шуруповертом в быту к аккумулятору предъявляются два главных требования:

1. Высокая емкость (чтобы избежать пауз на зарядку батарей).
2. Высокая токоотдача (для сверления тяжелых материалов или закручивание метизов в такие материалы).

В последнее время в качестве источников питания для бытовых шуруповертов применяются литий-ионные аккумуляторы. Обусловлено это тем, что их емкость в тех же габаритах достаточно высока. Недостаточная же токоотдача в большинстве случаев компенсируется повышенным крутящим моментом. Он достигается за счет повышенного напряжения на выходе таких ХИТ.

Для домашнего применения такой подход разумен и оправдан, но для профессиональной работы подходит не всегда. В промышленных условиях часто предпочтительнее использовать Ni-Cd или Ni-Mh батареи (причем, во многих случаях лучше себя показывают морально устаревшие никель-кадмиевые). В подобном применении реализуются их преимущества в:

• повышенной токоотдаче;
• устойчивой работе при отрицательных температурах;
• повышенном ресурсе (в циклах заряд-разряд).

Наконец, эти батареи имеют меньшую стоимость, что в профессиональных условиях тоже может перевесить многие недостатки.

Поэтому, несмотря на триумфальный захват рынка литий-ионными химическими источниками тока, традиционные конструкции аккумуляторов рано списывать со счетов. Существуют области применения, где они вполне конкурентоспособны. Следовательно, однозначного ответа на вопрос, вынесенный в заголовок, не существует. Каждый аккумулятор хорош, если его использовать по назначению.