3 7 вольта вместо аккумулятора

«Всё из-за Алессандро Вольта»: AA-батарейки нельзя просто взять и поменять на Li-Ion

Обновлено 10.02.2021: добавили ссылки с примерами аккумуляторов, расширили пояснения, привели источники и научные сведения.

Пару веков назад Алессандро Вольта (wiki) доказал, что электрический ток получается при соединении разных металлов через проводящий электролит. Он изобрёл простой способ получения гальванического элемента («Вольтов столб», 1800 год). Разность потенциалов между его выводами составляет 1,1 Вольта (подробнее про напряжение между пластинами).

«Вольт» (В, или международное V) назвали единицу измерения электрического потенциала (разницы потенциалов) — электрическое напряжение. В XX-м веке при экспериментальном выборе наиболее практичных материалов широко распространились одноразовые элементы (например, углерод-цинк, щелочной диоксид марганца), которые в свежем виде имеют напряжение порядка 1,5 В.

Эффективное напряжение нулевой нагрузки неразряженной современной щелочной батареи от 1,5 В до 1,65 В. Оно зависит от содержания оксида цинка в электролите и чистоты диоксида марганца ( источник «Справочник Линдена по батареям (3-е изд.)», стр. 10–12. ). Под нагрузкой варьируется от 1,1 В до 1,3 В. Полностью разряженный элемент генерирует 0,8-1,0 В.

Напряжение 1,0-1,5 В впоследствии было взято за основу электросхем массовых изобретений и устройств:

• — электронные часы,
• — фонари,
• — радиоаппаратура,
• — слуховые аппараты,
• — камеры,
• — игрушки,
• — телефоны и так далее.

Вокруг полутора вольт построили тысячи отраслей.

Электронные устройства обычно изготавливаются для работы от ячеек с напряжением от 1,0 до 1,5 В. Новая батарейка выдаёт 1,5 В и во время использования постепенно уменьшает напряжение до 1,2 В (тускнеет свет в фонаре, хуже работает моторчик в игрушке и так далее). В конце своего жизненного цикла она выдаёт 1,0 В (обычно устройство перестаёт работать, но те же настенные часы ещё вполне ходят).

Вспомним 1980-е, когда формировались и создавались огромные рынки электроники на батарейках. Первопроходцы обеспечивали массовый спрос. Эти же компании (либо их правопреемники) существуют до сих пор и продолжают развиваться.

У одноразовых батареек появилась альтернатива

Производители «батареечных устройств» предлагают запитывать игрушечную машинку вашего ребёнка, будильник, пульт ДУ, брелок от автосигнализации 1,5-вольтовыми элементами. Их выбор довольно широк сейчас.

Выбор элементов 1,5 В:

• — солевые неперезаряжаемые батарейки;
• — щелочные (алкалиновые) неперезаряжаемые батарейки;
• — никель-металлогидридные (Ni-Mh/NiMh) перезаряжаемые аккумуляторы (у них, кстати 1,2 В, но они в некоторых случаях могут подойти для электроники 1,5 В);
• — литий-железо-дисульфидные (Li/FeS2) перезаряжаемые аккумуляторы (тоже подходят для электроники 1,5 В, подробности в конце).

Пока школьники и домохозяйки регулярно бегали в магазины за «енерджайзерами и дюраселями», последние 20 лет продолжался бурный рост популярности:

• — смартфонов,
• — планшетов,
• — ноутбуков,
• — прочих портативных гаджетов,
• — радиоуправляемых устройств
• — и электротранспорта.

Они работают на относительно недорогих и долго служащих литий-ионных (и литий-полимерных) аккумуляторах.

Просто взгляните, почему литий-ионный аккумулятор используют чаще всего.

Теперь мы часто слышим справедливый вопрос — почему бы производителям не сделать глобально замену на Li-Ion всех Ni-Mh?

Аккумулятор Ni-Mh или Li-Ion — что же лучше для 1,5-вольтовой электроники?

В контексте массовой 1,5-вольтовой электроники лучше всего не тот и не другой, а самые обычные неперезаряжаемые батарейки (камера, плеер, радиоуправляемая техника).

Перезаряжаемые аккумуляторы лучше подходят к устройствам, где использование периодическое и длительное (фонарик, навигатор, игрушки). Логику постарались показать простыми словами ниже.

1. Неперезаряжаемые солевые и щелочные батарейки

Пара АА-«енерджайзеров» обеспечивает напряжение 2,4-3 В. На него-то и рассчитана работа большинства устройств (если батареек шесть, то 7,2-9 В, и так далее). В проекте «вилка», конечно, больше — от 1 до 1,6 В на элемент.

Можно утверждать, что переход на никель-металлогидридные (Ni-Mh) перезаряжаемые батареи возможен (иногда даже штатно предусмотрен производителями).

2. Перезаряжаемые Ni-Mh аккумуляторы

Ni-Mh обеспечат стабильные (в отличие от одноразовых батареек с нелинейным графиком напряжения) 1,2 В на элемент (тоже самое относится к старым элементам никель-кадмиевого типа, Ni-Cd). Но там, где нужно 6 или 9 элементов возникает риск некачественной работы моторчиков и других зависящих от напряжения узлов из-за условно «недостатка вольтажа». Лучше руководствоваться инструкцией к электронному устройству.

Почему аккумулятор 1,2 В не всегда хуже (а иногда даже и лучше), чем щелочные батарейки рассказывал Алексей Надеждин из LampTest на Habr.com.

3. Перезаряжаемые Li-Ion/Li-Po аккумуляторы

Литий-ионный (Li-Ion) и литий-полимерный (Li-Po) аккумулятор имеет напряжение от 3,2 до 4,2 В на элемент в зависимости от уровня заряда. Заменить AA-элементы на литиевые также, как с NiMH получится только при вмешательстве в конструкцию и, вероятно, электросхему (путём установки преобразователя).

Всё зависит от электронного продукта и типа литиевой батареи (например, есть химические соединения, которые совместимы с 1,5 В). В нашем контексте речь идёт о популярных и распространённых литий-ионных батареях с относительно невысокой стоимостью.

Если вас интересуют примеры готовой замены (то есть та, что находится в продаже) 1,5-вольтовых батареек на перезаряжаемый Li-Po 3,7 В с преобразователем (внутренней схемой), то можете взглянуть на запатентованный продукт Kentli (тип АА, ёмкость 2800 мВт·ч) — независимый обзор. На eBay их стоимость начинается от 950 рублей за элемент в зависимости от продавца и курса валюты. Подобные разработки существуют и у других производителей (Sorbo, Bevigor, Voniko и так далее).

Что будет, если не использовать преобразователь? Представим:

• 1. у вас есть 2 Li-Ion батареи полностью заряженные (по 4,2 В каждая, то есть всего 8,4 В);
• 2. вы их подключаете к устройству, рассчитанному на работу при максимальном напряжении 3,2 В (две совершенно новые щелочные батареи AA);
• 3. теперь напряжение источника тока превышает напряжение электропотребителей внутри устройства, так как подаётся 8,4 В вместо 3,2 В (предположим, что пределы изменения напряжения сверх нормы не просчитаны производителем);
• 4. в результате мы наблюдаем выход из строя ШИМ, диодных мостов, трансформаторов (зависит от устройства).

Простыми словами, выгорает электроника при подключении 3,7 В к контактам устройства, рассчитанного на источник питания 1,5 В. Исключение — устройства, например, с питанием от трёх батареек. В таких случаях производители даже могут предусмотреть установку литий-ионных аккумуляторов без вмешательства в электросхему.

Перезаряжаемые литиевые элементы с преобразователем напряжения на 1,5 В ещё пару лет назад не делал никто. Создавали только одноразовые литиевые батарейки с напряжением 1,5 В (например, литий-железо-дисульфидные Li/FeS2 — описание в PDF).

Сейчас есть попытки вывести на рынок литиевые элементы 14500 (AA) с ёмкостью от 400 мАч и даже microUSB-разъёмом для зарядки. Они состоят из литий-ионного аккумулятора, понижающего преобразователя (4,2 В > 1,5 В), защиты.

Однако это неоптимальное решение. Преобразователь занимает драгоценное место, качество пока на низком уровне. Высокая цена отталкивает массового покупателя. Всё ещё дешевле и проще использовать традиционные батарейки.

Чтобы выполнить полноценную замену Ni-Mh на Li-Ion-аккумуляторы производители должны массово перенастроить электронику по источнику питания с 1,5 В на 3,7 В. Точно так, как это произошло в мире мобильных устройств.

Существуют ли попытки установить 3,7 В Li-Ion вместо щелочной 1,5 В батарейки?

Да — так, в общем-то, и появились все те устройства, которые сегодня поддерживают аккумуляторы 18650. Например, светодиодные фонарики стали лучшим примером быстрого перехода от одного типа источников питания к другим.

Производители (фонарей, электронных сигарет, электротранспорта) первыми экспериментировали с заменой Ni-Mh на Li-Ion. Если не вдаваться в подробности исследований, со временем изменился форм-фактор таких элементов с двух АА на один 18650.

Алессандро Вольт по сути создал прекрасную возможность для формирования рынка мобильных и портативных электронных устройств. Но с появлением экономически практичных солевых и щелочных батареек производители придерживались вилки допустимого напряжения.

В результате перевести Ni-Mh разом на Li-Ion оказалось практически невозможно (для массового потребителя сложно). Всему виной устоявшиеся за два века стандарты схемотехники, производства, рыночной обстановки.

Однако изменения назревают и даже происходят прямо в эти дни.

10 лет назад прогресс с литий-ионной (и литий-полимерной, разумеется) революцией начался одновременно с успехами Apple (первые iPhone, iPod, iPad). Смартфоны дали импульс технологии. Теперь законодателем становится электромобиль на фоне снижения цен на литий и разработок в области бескобальтовых перезаряжаемых элементов питания.

Оставляйте вопросы в комментарии или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь на нашу группу, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.

Источник

Аккумуляторы 3.7 вольт | Какой лучше выбрать?

Статья обновлена: 2021-01-21

Литий-ионные аккумуляторы 3.7 вольт – это высокоэффективные элементы питания, широко используемые по-отдельности и в составе аккумуляторных батарей. При последовательном соединении ячеек ( S ) суммируется их напряжение, а при параллельном (Р) – емкость. В зависимости от необходимых характеристик аккумуляторной батареи, из ячеек с напряжением 3,7 V собирается АКБ по подходящей схеме.

Размеры и форма

У аккумуляторов Li — ion 3,7 V размеры бывают разные. Самый распространенный типоразмер – 18650 – имеют цилиндрические аккумуляторы диаметром 18 мм и длиной 65 мм. Но в продаже встречаются и аккумуляторы других форм-факторов с напряжением 3,7 В, например, 21700, 26650, 26980, 32650. Кроме цилиндрических ячеек, такое напряжение имеют и литий-ионные аккумуляторы призматической формы и пакетированные модели, например, 2217391, 858222, 75115330.

Характеристики аккумуляторов 3,7 вольт

Такие элементы питания производят не только разных размеров и форм, но и различного химического состава. Наиболее распространены изделия с содержанием кобальта, марганца, никеля. Внутри литиевых элементов питания находятся электроды, электролит и пористый сепаратор. Анод производится из графита, катод – из различных литиевых соединений: LiCoO2, LiMn2O4, LiNiCoMnO2. Электролит зачастую представляет собой смесь LiPF6 и карбоната.

Li-ion аккумуляторы с номинальным напряжением 3,7 вольт имеют:

• допустимое рабочее напряжение 2,8–4,2 В;
• удельную энергоемкость;
• легкий вес;
• высокую токоотдачу;
• малый саморазряд – Точные характеристики литиевых аккумуляторов зависят от их размеров, химического состава, бренда производителя и других факторов. Например, ячейки типоразмера 18650 могут иметь емкость от 1800 до 3600 мАч. Посмотреть рабочие параметры можно в технических паспортах на продукцию. Характеристики литиевых батарей из 18650 3,7 V или других ячеек зависят от рабочих параметров элементов и схемы их сборки.

Слабыми качествами Li — ion элементов питания считаются:

• чувствительность к перезаряду и глубокому разряду;
• временное снижение токоотдачи и емкости при минусовых температурах;
• подверженность деградации при эксплуатации на больших токах и при нарушении рекомендованного температурного режима.

С защитой и без

Li — ion элементы с номинальным напряжением 3,7 В, как и остальные литиевые аккумуляторы, бывают защищенными и незащищенными. Защита представляет собой миниатюрную электронную схему, которая встраивается в ячейку в области плюсового контакта и оберегает ее от всевозможных рисков: перезаряда более 4,2 В, критического разряда менее 2,75 В, перегрева и короткого замыкания.

Встроенная плата защиты уменьшает риск возгорания и повреждения электронных приборов при установке в них таких элементов питания. У некоторых аккумуляторов кроме платы защиты дополнительно предусмотрен клапан для стравливания избыточного давления. Он задействуется при вздутии элемента питания и возникновении риска самовоспламенения.

Перед тем, как выбрать аккумулятор 3,7 V с защитой или без нее, нужно учесть особенности его предстоящего использования. Незащищенные модели традиционно используются для сборки в батарею и для установки в приборы с собственным контроллером безопасности. При использовании таких ячеек важно:

• не разряжать их «в ноль»;
• избегать перезаряда – использовать ЗУ с контроллером заряда;
• держать контакты закрытыми, во избежание их случайного замыкания.

В приборах без встроенного контроллера заряда и разряда – простых фонарях, детских игрушках, электронных сигаретах и пр. – в целях безопасности рекомендуется использовать защищенные аккумуляторы.

Выбор аккумулятора

Лучшими производителями литиевых аккумуляторов считаются LG, Sony, Samsung, Sanyo, Panasonic. При выборе элементов питания для использования с повышающим преобразователем напряжения нужно учесть минимальное входное напряжение для этого преобразователя. Если оно составляет 3 В, подойдет любой тип аккумулятора. А если меньше, необходим аккум со встроенной защитой. Незащищенные элементы в таких условиях быстро выйдут из строя из-за глубокого разряда.

В электронных сигаретах, мехмодах и подобных устройствах рекомендуется использовать высокотоковые Li — ion аккумуляторы форм-фактора 18650 с кратковременной токоотдачей до 40–60 А. Ячейки, рассчитанные на стандартные нагрузки до 4–5 А (2С–3С) в таких условиях эксплуатации быстро исчерпывают свой ресурс.

В вопросе емкости, с одной стороны, чем больше – тем лучше. Но емкость зависит от размеров аккумулятора. Например, у элементов типоразмера 18650 бывает емкость от 1800 до 3600 мАч. Иногда на «банках» 18650 указывают фантастические значения емкости: 5400, 9000 мАч и т.п. Эти значения в маркировке характерны для дешевых подделок и не соответствуют действительности – по факту емкость таких элементов не может превышать 3600 мАч.

Как проверить качество

Проверить рабочие характеристики можно при помощи мультиметра. Альтернативный вариант – просто взвесить «банку». Аккумы емкостью выше 2000 мАч не могут весить менее 40 грамм. С увеличением реальной емкости растет и вес изделий.

С другой стороны, солидный вес не всегда свидетельствует о высокой емкости аккумулятора. Недобросовестные производители иногда добавляют в конструкцию что-нибудь для утяжеления, например, песок. Чтобы избежать покупки фальсификата, рекомендуется приобретать аккумуляторы у проверенных поставщиков, не гнаться за низкой ценой и не верить большим значениям емкости на корпусе. Аккумуляторы и другие товары высокого качества легко купить в интернет-магазине VirtusTec . ru .

Как заряжать аккумуляторы 3,7 V

Правильная зарядка аккумуляторов 3,7 вольта – это управляемый и контролируемый процесс. Он состоит из нескольких стадий:

1. Подготовительный этап – медленный прирост напряжения при неизменном токе небольшого номинала. При увеличении напряжения до заданного значения начинается следующий этап.
2. Быстрая подзарядка – стремительный рост напряжения при постоянной величине тока. Она может составлять от 0,2 до 1С, где С – номинальная емкость в Ач. Когда напряжение достигает 4–4,1 В, стартует следующая стадия.
3. Завершающий этап – плавное уменьшение тока при постоянном напряжении.

По этому принципу работают все правильные зарядные устройства для аккумуляторов 3,7 вольт типа Li — ion . Заряжать сборку из нескольких последовательно соединенных ячеек нужно устройствами, имеющими систему балансировки заряда каждого аккума. Такая система отслеживает параметры каждой «банки» и останавливает процесс зарядки АКБ при полном заряде одного элемента. Это оберегает АКБ от чрезмерного заряда и продлевает срок ее службы.

О причинах поломок литиевых батарей читайте здесь .

Источник