В последние десятилетия наблюдается неуклонный и значительный рост выпуска разнообразной портативной аппаратуры и тем самым спроса на герметичные химические источники тока (ХИТ) для ее электроснабжения. И хотя быстрый прогресс в разработке и производстве литий-ионных источников тока привел к некоторой деформации общей структуры рынка малогабаритных ХИТ, не сокращается и сектор щелочных аккумуляторов, никель-кадмиевых (Ni-Cd) и никель-металлгидридных (Ni-MH). Первые из них выпускаются уже несколько десятков лет, последние — меньше, но в последнее десятилетие их характеристики значительно улучшены. При этом из-за более высоких удельных энергетических характеристик и отсутствия экологических проблем при использовании во всем мире наблюдается тенденция к расширению производства Ni-MH аккумуляторов. Но никель-кадмиевые аккумуляторы благодаря своим несомненным достоинствам (относительно более низкая стоимость, отработанность решений, больший диапазон рабочих температур и возможность обеспечения больших токов разряда) до сих пор сохраняют свои позиции и, вероятно, будут сохранять их и в ближайшем будущем.

Аккумуляторы Ni-Cd и Ni-MH имеют одинаковое рабочее напряжение 1,2 В, но удельные энергетические и эксплуатационные характеристики их заметно различаются (см. табл. 1).

Таблица 1 Типичные характеристики герметичных щелочных аккумуляторов

Для портативной аппаратуры разного рода наибольший интерес представляют цилиндрические источники тока. Современные цилин-дрические аккумуляторы, в которых два тонких электрода в виде ленты с сепаратором между ними сворачиваются в компактный пакет, имеют разрядное напряжение, мало меняющееся при разряде номинальным током 0,2 С (5-ти часовой разряд). Они обеспечивают хорошие разряд-ные характеристики и при значительно больших плотностях тока. Наблюдаемые при больших токах потери разрядной емкости зависят как от внутреннего сопротивления аккумуляторов, так и от технологии их изготовления, реализуемой разными компаниями.

В стремлении увеличить емкость аккумуляторов при сохранении их габаритных размеров разные производители могут:

• изменить состав активной массы электродов в попытке обеспечения большей эффективности их работы;
• увеличить закладку активной массы положительного электрода, определяющего емкость аккумулятора, за счет уменьшения массы отрицательного электрода; в этом случае уменьшается соотношение емкостей электродов С-/С+ и это может привести к увеличению давления газов при перезаряде аккумулятора;
• улучшить структурные характеристики сепаратора для ускорения транспорта кислорода, выделяющегося при перезаряде положитель- ного оксидно-никелевого электрода, к отрицательному;
• увеличить общий объем пакета электродов за счет уменьшения объема свободного пространства, но это может сказаться на величине предельного внутреннего давления, и т. д.

В настоящее время все чаще возникает задача проектирования из герметичных щелочных аккумуляторов батарей, которые должны быть работоспособны при больших токах. В этом случае выбор источников тока определяется не только номинальной емкостью, но и мощностны-ми характеристиками, определяющими уровень рабочего напряжения и потери емкости при разных режимах разряда.

Напряжение источника тока под нагрузкой U = НРЦ — I Rполн = I (R? + Rпол), где НРЦ –напряжение разорванной цепи, I — ток, протекающий через источник тока; Rполн — его полное внутреннее сопрортивление; R? — омическое сопротивление, определяемое сопротивлением токоотводов, активных масс электродов и электролита; Rпол –поляризационное, определяемое характером и скоростями электрохимиических реакций.

Сопротивление R? зависит от габаритных размеров источника тока и особенностей технологии изготовления. Типичные величины R? (или импеданса при 1000 Гц при другой методике измерения этого параметра) аналогичных аккумуляторов большинства производителей мало различаются. Но разброс этого параметра у продукции каждого производителя характеризует стабильность и степень автоматизирован-ности производства: операций упаковки пакета электродов и сборки аккумулятора, точность дозировки электролита. А некоторое разнооб-разие рецептур активных масс электродов и особенностей технологии отражается и в величине поляризационного сопротивления Rпол, и в соотношении составляющих внутреннего сопротивления R?/ Rпол.

Ниже показаны характеристики широко используемых цилинд-рических аккумуляторов типоразмера АА (? 14,5мм, h = 50,5 мм), выпускаемых наиболее известными зарубежными компаниями и в России: никель-кадмиевых емкостью порядка 1 Ач (табл. 2) и никель-металлгидридных емкостью не менее 1,5 Ач (табл. 3).

Представлены некоторые данные производителей и полученные в результате испытаний по единой методике партий из 8–12 свежих аккумуляторов. Исследовались разрядные характеристики после стандартного заряда током 0,1 Сн и быстрого током 1 Сн при регламен-тированном контроле конца процесса по снижению напряжения (-?U).

Потери напряжения при больших токах разряда отражены в характеристике напряжения полуразряженных аккумуляторов. Величины внутреннего сопротивления R? и Rпол даны, чтобы показать дополнительную возможность отбора более однородных аккумуляторов при комплектации батарей, предназначаемых для жестких режимов эксплуатации.

Таблица 2 Характеристики герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов типоразмера АА разных производителей

При сравнении характеристик аналогичных Ni-Cd аккумуляторов можно отметить:

• при токе разряда 0,2 С фактическая емкость аккумуляторов всех производителей имеют небольшой разброс (3 — 6,5%), но продукция компании GP нуждается в обязательном входном контроле (в случай-ной выборке из 8 свежих аккумуляторов один отдал емкость значи-тельно ниже нормы, менее 900 мАч);
• при токе разряда 3 С потери емкости максимальны у аккумуля-торов GP (~30%); разброс по емкости в выборках составляет 9, 17 и 20% для продукции GP, SAFT и PANASONIC соответственно;
• все аккумуляторы могут быть разряжены и большим током (порядка 5 А); в этом случае разрядное напряжение сильно понижается и потери емкости при разряде до 0,8 В относительно Сн составляют до 35% у аккумуляторов SAFT, до 45% у аккумуляторов PANASONIC и GP, разброс по емкости также увеличивается;
• внутреннее сопротивление аккумуляторов SANYO значительно ниже, чем у аналогичной продукции других компаний, поэтому они обеспечивают разряд без значительных потерь при токе до 8 С (на 5-10% при токе 5 С);
• внутреннее сопротивление (и R?, и Rпол)аккумуляторов увеличивается в процессе разряда: у компаний SANYO и SAFT мало, у других значительнее;
• батареи с повышенным рабочим напряжением при больших токах нагрузки могут быть собраны при сортировке аккумуляторов по параметру внутреннего сопротивления;
• возможность быстрого заряда аккумуляторов после исчерпания емкости определяется особенностями реализации замкнутого кисло-родного цикла и характеризуется величиной максимального зарядного напряжения и потерями емкости относительно номинальной; все акку-муляторы обеспечивают заряд током 1 С и коэффициент использования Сраз/Сзар?1, но у аккумуляторов компании PANASONIC очень высокое зарядное напряжение; в этом случае при постоянных быстрых зарядах может значительно уменьшиться ресурс аккумуляторов.

При сравнении характеристик Ni-МН аккумуляторов можно отметить:

• разброс в выборках фактической емкости аккумуляторов трех компаний не превышает 3-4%, но емкость трех из 8 аккумуляторов компании GP (с очень значительным разбросом по емкости) была ниже нормы;
• допустимые плотности тока разряда Ni-MH аккумуляторов ниже чем для никель-кадмиевых;
• внутреннее сопротивление Ni-MH аккумуляторов больше чем у никель-кадмиевых и в процессе разряда изменяется иначе: в интервале разряженности от 0 до 50-60% оно заметно снижается, во второй половине разряда — растет;
• рабочее напряжение Ni-MH аккумуляторов ниже чем при таких же относительных токах у никель-кадмиевых; при токе 3 С у полураз-ряженных аккумуляторов оно близко к 1 В;
• потери емкости при токе разряда 3 С не очень велики, но при разряде до более низкого предельного напряжения;
• эффективность быстрого заряда током 1С для Ni-MH аккумуля-торов всех компаний, кроме SAFT, близка к эффективности процесса заряда никель-кадмиевых.

При проектировании батарей для больших нагрузок необходимо учитывать снижение их рабочего напряжения в процессе разряда. Дополнительным резервом для обеспечения требуемого его уровня может стать сортировка аккумуляторов по их внутреннему сопротив-лению, которое может довольно значительно различаться в партии выбранной продукции. И нужно понимать, что чем менее отработана у производителя технология аккумуляторов, чем ниже уровень автоматизации производства, тем больше разброс этого параметра в закупаемой продукции.

При проектировании батарей для интенсивного использования и быстром восполнении истраченной емкости следует иметь в виду, что у аккумуляторов разных компаний быстрый заряд током порядка 1 С проходит с разной эффективностью, а высокое предельное зарядное напряжение свидетельствует о повышенном выделении кислорода в конце процесса, большем давлении в аккумуляторе и большем его разогреве. Высокий уровень кислородного содержания в поровом пространстве положительного электрода является и одной из главных причин быстрого исчерпания ресурса аккумуляторов.

Дополнительный резерв для увеличения ресурса батарей при таком режиме эксплуатации может обеспечить комплектация батарей из аккумуляторов выбранного производителя при анализе их зарядных кривых и исключении аккумуляторов с более ранним и/или большим увеличением напряжения в конце заряда.