Батарейки и аккумуляторы: типы, ёмкость, ресурс

Первичная литиевая батарейка хранится двадцать лет и теряет процент в год, а аккумулятор AA за это время переживёт триста циклов и умрёт. Выбор определяется не ценой на полке, а тем, что нужно в аварийном ящике.

ПАСПОРТ ОБЗОРА · шесть выводов

1. ПРЕДМЕТ АНАЛИЗА

Первичные и перезаряжаемые химические источники тока для аварийного и полевого комплекта

2. МАССОГАБАРИТНЫЙ ОПТИМУМ

AA — 50 г и 2,5–3,7 Вт·ч; CR123A — 17 г и 4,5 Вт·ч на элемент

3. ПИТАНИЕ И ХИМИЯ

Щелочные 1,5 В, литий-железо-дисульфид 1,8 В, Ni-MH 1,2 В, LiFePO4 3,2 В

4. ПОЛЕЗНЫЙ ДИАПАЗОН

Ёмкость AA от 2,5 Вт·ч (щелочная) до 3,7 (литиевая), ресурс Ni-MH 500–1000 циклов

5. КРИТИЧЕСКИЙ РИСК

Протечка щелочных элементов в приборе: электролит разъедает контакты за сезон

6. ПРАКТИЧЕСКИЙ ВЕРДИКТ

Для аварийного ящика — литий, для ежедневной работы — Ni-MH LSD, для сборок — LiFePO4

Ватт-часы вместо миллиампер-часов

Сравнивать батарейки по надписи «2500 мА·ч» бессмысленно: у щелочного элемента номинал 1,5 вольта, у литий-железо-дисульфидного — 1,8, у Ni-MH — 1,2. Правильная величина — энергия в ватт-часах: ёмкость умножить на номинальное напряжение. Щелочная AA на 2500 мА·ч даёт 3,75 ватт-часа, Ni-MH на 2000 мА·ч — только 2,4, а литиевая CR123A на 1500 мА·ч при 3 вольтах — 4,5 ватт-часа при массе 17 граммов.

Вторая ошибка — считать ёмкость до нуля. Щелочной элемент при разряде теряет напряжение плавно, и прибор, рассчитанный на 1,5 вольта, перестаёт работать задолго до того, как элемент отдаст всю энергию. Практически из 3,75 ватт-часа используется 2,5–3. Литий-железо-дисульфидный элемент держит 1,5 вольта почти до конца, и используется 90 % энергии — отсюда его преимущество в приборах, чувствительных к напряжению.

Третья величина — саморазряд. У щелочных он составляет 2–3 % в год, у хороших Ni-MH с низким саморазрядом 10–15 % в год (то есть до 89 % ёмкости через семь месяцев), у первичных литиевых — менее 1 % в год. Именно поэтому литий лежит в аварийном ящике пять лет и остаётся рабочим, а Ni-MH без подзарядки через год бесполезен.

Четыре химии и их место

Щелочные (alkaline) — рабочая лошадка для приборов с малым потреблением: пульт, часы, приёмник, мышь. Дешёвые, доступные, но боятся мороза и текут при долгом хранении. Их место — то, что используется каждую неделю, а не лежит в резерве: запас из щелочных элементов на два года вперёд собирать бессмысленно.

Литий-железо-дисульфид (маркировка L91, FR6) — те же типоразмеры AA и AAA, но 1,8 вольта, масса на треть меньше, работа до минус 40 °C, срок хранения 20 лет. Идеальны для аварийного комплекта, фонаря в машине, GPS-трекера. Минус — цена в три-четыре раза выше щелочных.

Ni-MH с низким саморазрядом — перезаряжаемый вариант для ежедневной работы: вспышка, фонарь, рация, детские игрушки. Ресурс 500–1000 циклов, ёмкость AA 1900–2500 мА·ч. Главное правило — заряжать перед использованием, а не «когда-нибудь», и не смешивать банки разной степени износа в одном приборе.

LiFePO4 — литий-железо-фосфат, 3,2 вольта на ячейку, ресурс 2000–5000 циклов, глубина разряда 80–90 %. Применяется в сборках 12 вольт вместо свинца: масса втрое меньше, ресурс в пять раз больше. Минус — необходимость BMS и запрет заряда при минусовой температуре.

Хранение и температура

Каждые десять градусов выше комнатной температуры сокращают срок хранения щелочного элемента вдвое. При 20 °C он держит заряд пять-семь лет, при 30 °C — три года, при 40 °C в бардачке машины — год. Поэтому запас хранят в прохладном сухом месте, а не на полке над плитой и не в багажнике.

Мороз безопаснее жары для первичных элементов: при минус 20 °C щелочная батарейка теряет половину ёмкости, но после прогрева восстанавливается. Литий-железо-дисульфидный элемент работает до минус 40 °C без потерь. Ni-MH на морозе отдаёт 60–70 % ёмкости, а заряжать его при минусовой температуре нельзя.

Отдельное правило — не оставлять элементы в приборе, который лежит без работы. Протечка щёлочи начинается именно там: контакт замыкается через влагу, элемент разряжается в ноль и вскрывается. Проверка раз в полгода занимает минуту и спасает прибор: элементы вынимают, осматривают контакты, а при малейшем следе белого налёта отправляют в утиль вместе с ветошью, смоченной нейтрализатором.

Что показать мультиметром

Напряжение без нагрузки говорит мало: щелочная батарейка с 1,5 вольта на холостом ходу может провалиться до 1,0 под нагрузкой 0,5 ампера. Практический тест — резистор на 10 ом в качестве нагрузки и замер в течение пяти секунд. Батарейка, которая держит выше 1,2 вольта под такой нагрузкой, рабочая; та, что проваливается ниже 1,0, — в утиль.

Для аккумуляторов тот же тест показывает внутреннее сопротивление и реальную ёмкость: время под нагрузкой до 1,0 вольта, умноженное на ток, даёт отданные миллиампер-часы, и эту цифру уже можно сравнивать с паспортной. Ni-MH с сопротивлением выше 100 миллиом греется при заряде и быстро садится; такие банки отбраковывают, даже если ёмкость формально в норме.

Ресурс и цена одного ватт-часа

Ресурс считается циклами до потери 20 % ёмкости. Ni-MH с низким саморазрядом выдерживает 500–1000 циклов, Ni-Cd — 300–500, LiFePO4 — 2000–5000. Практический перевод: один аккумулятор AA за 300 циклов отдаёт около 700 ватт-часов, то есть примерно в двадцать раз больше энергии, чем стоит одна щелочная батарейка за ту же цену. Именно поэтому для ежедневной работы аккумуляторы выгоднее в разы, а для резерва — нет.

Расчёт по цене одного ватт-часа выглядит так: щелочная AA на 3,75 ватт-часа стоит условную единицу, значит один ватт-час — четверть единицы. Ni-MH на 2,4 ватт-часа стоит три единицы, но работает 500 циклов: 1200 ватт-часов за три единицы, то есть один ватт-час — в четыреста раз дешевле. Литиевая L91 стоит четыре единицы за 3,4 ватт-часа и не перезаряжается — её преимущество не в цене, а в хранении и морозе.

Отсюда правило комплектации: аккумуляторы там, где прибор работает регулярно, первичные элементы — там, где он лежит и должен сработать. Смешивать эти две роли в одном типе элемента означает либо переплату, либо отказ в нужный момент.

Сравнение химий

Как собирается аварийный ящик

[1] РЕЗЕРВ    ──→  литиевые L91 (AA/AAA) + CR123A
                   задача: лежат годами, работают на морозе
                        │
[2] РАБОТА    ──→  Ni-MH LSD + зарядное устройство
                   задача: каждый день, 500–1000 циклов
                        │
[3] СБОРКИ    ──→  LiFePO4 12 В с BMS
                   задача: свет, связь, насос, инструмент
                        │
[4] РАСХОД    ──→  щелочные AA для приборов с малым током
                   задача: пульты, приёмники, часы

Логика простая: то, что должно работать после года лежания, — литий; то, что используется постоянно, — Ni-MH; то, что требует 12 вольт и ёмкости, — LiFePO4. Щелочные остаются для мелочи, где их протечка не критична.

Ошибки и рабочие приёмы

Частые вопросы