Аккумуляторы для мобильных устройств. Эффект памяти

Казалось бы, что может быть проще? Разрядился аккумулятор - подключай за-рядное устройство и заряжай до готовности. Однако в один прекрасный момент на-чинаешь замечать, что время работы полностью заряженного аккумулятора стано-вится меньше, чем было ранее. В чем дело? Кто виноват и как объяснить данное явле-ние?

Рассмотрим эту проблему и ее решение на примере аккумуляторов для сотового телефона. Впрочем, все нижеизложенное будет справедливо и для аккумуляторов радиостанций, радиотелефонов и радио-удлинителей, портативных компьютеров, цифровых фотоаппаратов и видеокамер, ручных инструмен-тов.

Начнём с никель-кадмиевых (NiCd) и никель-металлгидридных (NiMH) аккумуляторов.

Всем известно, что по окончании заряда аккумулятора в обычном зарядном устройстве, загорается зеленый свет индикатора, указывающий на то, что аккумулятор полностью заряжен и готов к работе. Если аккумулятор заряжается в телефоне, то последний сообщит вам об этом присущим ему способом.. В результате вы полагаете, что ваш аккумулятор заряжен, обладает полной емкостью и ему можно до-верять на все 100%.

Но … не верь глазам своим! "Зеленый свет" обычного зарядного устройства никоим образом не гарантирует достаточную (номинальную) емкость [1] и исправность аккумулятора. Все дело в том, что обычное зарядное устройство заряжает (наполняет) аккумулятор электрической энергией лишь до тех пор, пока есть "свободное место", в то время как количество закачанной в аккумулятор энергии никак не оценивается! Напрашивается простая аналогия со стаканом, которую мы подробно рассмотрели при обсуждении электрической емкости аккумулятора в статье [1]. Если в пустой стакан можно налить 200 мл воды, то в тот же стакан, но частично заполненный, например, песком или мелкими ка-мешками - гораздо меньше. Продолжая эту аналогию, отметим, что каждый цикл заряда-разряда вносит в наш стакан-аккумулятор "посторонние примеси", уменьшая тем самым объем для хранения полезной энергии.

Естественно, возникает вопрос: почему аккумулятор в процессе эксплуатации постепенно становит-ся неспособным принять во время заряда то количество энергии, на хранение которого он рассчитан?

Для примера на рис. 1 схематично изображены 5 различных состояний одного и того же NiCd ак-кумулятора.

Рис. 1. Емкость аккумулятора в зависимости от состояния его рабочего вещества.

Левый крайний аккумулятор обладает стопроцентной емкостью. Его рабочее вещество имеет однородную структуру из мельчайших частиц и максимальную площадь активной поверхности. Крайний правый - наихудший и имеет только 20 % от номинальной емкости. Частицы его рабочего вещества укрупнились, и площадь активной поверхности значительно уменьшилась. Причина этого явления заключается в том, что в процессе эксплуатации с каждым новым циклом заряда-разряда рабочее вещество внутри NiCd и NiMH аккумуляторов постепенно изменяет свою структуру в сторону уменьшения площади активной поверхности, что приводит к уменьшению реальной емкости. Этот эффект, называемый также эффектом памяти, развивается вследствие заряда не полностью разряженных аккумуляторов на основе никеля и сильнее всего проявляется в никель-кадмиевых аккумуляторах. Никель-металлгидридные аккумуляторы подвержены эффекту памяти в меньшей степени. Рассмотрим изображенную а рис. 2 анодную пластину нового NiCd аккумулятора: кристаллические образования имеют малые размеры (около 1мкм), и площадь их соприкосновения с электролитом максимальна.

Рис 2. Структура анодной пластины нового NiCd аккумулятора

В процессе эксплуатации потребители, как правило, не дожидаются полной разрядки аккумулятора перед очередным зарядом. Впрочем, это вполне естественно, особенно, когда отсутствует запасной аккумулятор. Однако в результате такой практики через 3 - 6 месяцев (в зависимости от частоты заря-да, глубины разряда, условий эксплуатации, качества аккумулятора и фирмы-изготовителя) реальная емкость аккумулятора заметно уменьшается. Сокращается также и время заряда. Кроме того, воз-можно небольшое увеличение внутреннего сопротивления [1] аккумулятора. Словом, начинает прояв-ляться эффект памяти. Состояние такого аккумулятора с укрупненными кристаллическими образова-ниями показано на рис.3.

Рис 3. Структура анодной пластины NiCd аккумулятора, не подвергавшегося периодической тренировке

Если и далее не принимать особых мер, то при дальнейшей эксплуатации увеличивающиеся кристаллические образования могут привести к разрушению сепаратора (своего рода перегородки, разделяющей анод и катод) и увеличению тока саморазряда [1]. В этом случае аккумулятор становится подобен худому ведру: воду носить можно, но недалеко.

Что же делать? Вспомнить старое доброе правило: легче эффект памяти предотвратить, чем потом устранить. А для предотвращения необходимо применять тренировку аккумуляторов, под которой понимаются периодические (3 - 4 раза) циклы заряда и последующего разряда до напряжения 1 вольт на элемент. Процесс этот проще всего выполнять на настольных зарядных устройствах, имеющих функцию разряда, или на специальных анализаторах типа Cadex C7000, C7200 [2,3]. Последние процесс тренировки автоматизируют и увеличивают емкость аккумулятора до максимально возможного уровня.. Выполнение тренировочных циклов непосредственно в телефоне тоже возможно, но не так эффективно, поскольку телефон, как правило, успевает отключиться раньше, чем аккумулятор полностью разрядится. Да и времени для этого требуется значительно больше.

Теперь несколько слов о периодичности данного процесса. Рекомендации таковы: для никелькадмиевых аккумуляторов - один раз в месяц, для никель-металлгидридных - раз в два месяца. Если делать это чаще, то полезный эффект увеличивается незначительно, а износ аккумулятора значительно возрастает.

Всегда ли помогают тренировочные циклы заряда-разряда? Не всегда. С запущенными аккумуляторами дело обстоит сложнее, и помочь тут может только метод восстановления, основанный на глубоком (до 0.4 вольта на элемент) разряде аккумуляторов по специальному алгоритму. При таком разряде происходит дробление крупных кристаллических образований, в результате чего емкость аккумулятора восстанавливается. Структура рабочего вещества восстановленного аккумулятора показа-на на рис.4.

Рис 4. Структура анодной пластины восстановленного NiCd аккумулятора

Однако следует отметить, что некоторые из восстановленных аккумуляторов могут иметь высокий саморазряд [1] вследствие повреждения кристаллическими образованиями материала сепаратора. По большей части это присуще старым аккумуляторам.

А теперь подведем итоги.

1. Эффект памяти свойственен только аккумуляторам на основе никеля, причем сильнее всего он проявляется в никель-кадмиевых аккумуляторах. Существуют мнение, что в никель-металлгидридных аккумуляторах этот эффект просто не успевает значительно проявиться из-за меньшего срока их службы. В то же время ряд фирм, выпускающих NiMH аккумуляторы, заявляет, что их аккумуляторы свободны от этого эффекта. Например, фирма GP Batteries International Limited в сопроводительной этикетке на некоторые типы своих аккумуляторов указывает следую-щие параметры: количество циклов разряда-заряда - 1000, отсутствие эффекта памяти и необходи-мости разряда аккумулятора перед зарядом. Словом, параметры более чем привлекательны.
2. Часто на эффект памяти списывают повреждения аккумулятора, вызванные неправильной эксплуатацией: использованием неисправного или "неродного" зарядного устройства, длительным пребыванием в зарядном устройстве, переохлаждением или перегревом аккумулятора, да и просто браком по вине изготовителя или поставщика.
3. Для предупреждения эффекта памяти при отсутствии специальных зарядных устройств можно порекомендовать заряд после как можно более полного разряда аккумулятора в телефоне.

И в заключение несколько слов о литий-ионных (Li-ion) аккумуляторах.

С ними дело обстоит с точностью до наоборот. Они не подвержены эффекту памяти. Более того, Li-ion аккумуляторы предпочитают заряженное состояние незаряженному. Их можно ставить на заряд в любой момент и держать в зарядном устройстве сколько угодно. Зарядные устройства для Li-ion акку-муляторов после окончания заряда автоматически отключаются, поскольку Li-ion аккумуляторы нельзя перезаряжать. Важно только, чтобы это устройство было предназначено для заряда Li-ion ак-кумуляторов именно этого производителя. В противном случае аккумулятор может быть либо недозаряжен, либо испорчен. Другая важная особенность Li-ion аккумуляторов - это необходимость их хра-нения только в заряженном состоянии.

При написании статьи использовались материалы, любезно предоставленные г-ном Isidor Buchmann, основателем и главой канадской компании Cadex Electronics Inc. [3], а также компанией Landata, г. Москва [4].

Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной техники связи, ком-пьютеров и других портативных приборов, а также советы по эксплуатации и обслуживанию приведены в [5].

Продолжение следует.

Ссылки:

1. Аккумуляторы для мобильных устройств - устройство и основные параметры
2. Аккумуляторы для мобильных устройств - методы заряда.
3. http://www.cadex.com - Cadex Electronics Inc., Vancouver, BC [British Columbia], Canada - раз-работчик и производитель зарядных устройств, анализаторов и систем обслуживания акку-муляторов.
4. http://www.landata.ru/kip/catalog.htm (вход через раздел "Обслуживание аккумуляторов") - компания LANDATA - авторизованный и эксклюзивный дистрибьютор канадской фирмы Cadex Electronics Inc. в России.
5. http://www.mari-el.ru/marmobile/battery/ - Аккумуляторы для мобильных устройств и порта-тивных компьютеров. Анализаторы аккумуляторов.
6. http://www.gpbatteries.com.hk/cgi-bin/cellular/ - фирма GP Batteries International Limited