Первичные батареи и их особенности
Первичные батареи, также известные как неперезаряжаемые батареи, как правило, остаются в тени внимания СМИ, которое получают вторичные или перезаряжаемые батареи. Сосредоточение внимания на одном продукте может создать впечатление, что первичные батареи – это устаревшая технология. Это не так.
Применение
Первичные батареи играют важную роль, особенно когда зарядка нецелесообразна или невозможна: в военных действиях, спасательных операциях, при тушении лесных пожаров. Они регламентируются стандартом IEC 60086 и используются в:
- кардиостимуляторах;
- манометрах давления в шинах;
- интеллектуальных счетчиках;
- бурильных установках в горном деле;
- системах отслеживания животных;
- маячках, наручных часах, пультах ДУ и игрушках.
Медицинские и бытовые примеры
Большинство кардиостимуляторов оснащены литиевыми батарейками, работающими 5–10 лет при потреблении всего 10–20 мкА. Батарейки для слуховых аппаратов имеют емкость 70–600 мА·ч и обеспечивают работу 5–14 дней. Аккумуляторные аналоги имеют меньшую емкость и работают всего около 20 часов, хотя и позволяют экономить средства.
Преимущества первичных батарей
Первичные батареи имеют высокую удельную энергию, длительный срок хранения и мгновенную готовность к работе. Их можно использовать после многолетнего хранения, они удобны в транспортировке и относительно безопасны в утилизации.
Щелочные батареи
Самой популярной первичной батареей является щелочная. Она имеет высокую удельную энергию, экономически эффективна, экологически чиста и герметична даже после полного разряда. Щелочную батарею можно хранить до 10 лет, она имеет хорошие показатели безопасности и может перевозиться в самолете без соблюдения правил ООН по транспортировке и других правил. Недостатком являются низкие токи нагрузки, что ограничивает ее использование легкими нагрузками, такими как пульты дистанционного управления, фонарики и портативные развлекательные устройства.
Литий-металлические батареи
Переход к большей емкости и лучшей нагрузочной способности приводит к появлению литий-металлических аккумуляторов. У них очень строгие правила авиаперевозки, и они подпадают под действие Правил перевозки опасных грузов, касающихся опасных материалов 9 класса.
На инфографике сравнивается удельная энергия свинцово-кислотных, никель-металлогидридных и литий-ионных аккумуляторов как вторичных, а также щелочных и литий-металлических аккумуляторов как первичных.
Сравнение вторичных (rechargeable) и первичных (non-rechargeable) источников, Вт·ч/кг
Недостатки первичных батарей
Удельная энергия указывает лишь на емкость, которую может удерживать аккумулятор, и не включает подачу энергии, что является недостатком большинства первичных аккумуляторов. Производители первичных аккумуляторов публикуют удельную энергию; удельная мощность публикуется редко. Хотя большинство вторичных аккумуляторов рассчитаны на ток разряда 1C, емкость первичных аккумуляторов потребительского класса измеряется при очень низком токе 25 мА. Кроме того, аккумуляторам позволяют разряжаться с номинальных 1,5 В для щелочных аккумуляторов до 0,8 В, прежде чем они будут считаться полностью разряженными. Это обеспечивает впечатляющие показатели на бумаге, но результаты менее убедительны при применении нагрузок, потребляющих более высокие токи.
На инфографике сравниваются характеристики первичных и вторичных аккумуляторов, определенные как «номинальные» и «фактические». Номинальная емкость относится к удельной энергии при разряде очень низким током; фактический ток разряда составляет 1C, что соответствует характеристикам большинства вторичных аккумуляторов. Рисунок четко демонстрирует, что первичные щелочные аккумуляторы хорошо работают с легкой нагрузкой, типичной для развлекательных устройств, в то время как вторичные аккумуляторы, представленные свинцово-кислотными, никель-металлогидридными и литий-ионными, имеют более низкую номинальную емкость (номинальная), но лучше при нагрузке током разряда 1C (фактическая).
Номинальная vs Фактическая плотность энергии
Сравнение паспортных (Rated) и фактических (Actual) значений удельной энергии батарей, Вт·ч/кг
Одной из причин низкой производительности под нагрузкой является высокое внутреннее сопротивление первичных батарей, что приводит к падению напряжения. Сопротивление определяет, насколько хорошо электрический ток протекает через материал или устройство, и измеряется в омах (Ω). По мере того как батарея разряжается, и без того повышенное сопротивление еще больше возрастает. Цифровые камеры с первичными батареями являются пограничными случаями — использование электроинструмента на щелочных батареях будет непрактичным. В использованной щелочной батарее от цифровой камеры часто остается достаточно энергии, чтобы кухонные часы работали в течение двух лет.
Ниже показана емкость стандартных щелочных батареек с нагрузками, питающими типичные персональные развлекательные устройства или небольшие фонарики.
| Тип батареи | Номинальное напряжение | Номинальная емкость | Предельное напряжение | Номинальная нагрузка | Разряд, C-rate |
|---|---|---|---|---|---|
| 9V | 9 V | 570mAh | 4.8 V | 620 Ω | 0.025 |
| AAA | 1.5 V | 1,150mAh | 0.8 V | 75 Ω | 0.017 |
| AA | 1.5 V | 2,870mAh | 0.8 V | 75 Ω | 0.007 |
| C | 1.5 V | 7,800mAh | 0.8 V | 39 Ω | 0.005 |
| D | 1.5 V | 17,000mAh | 0.8 V | 39 Ω | 0.0022 |
Форматы и стандарты
AA и AAA – самые распространенные форматы элементов для первичных батареек. Известные как батарейки для карманных фонариков, батарейки AA стали доступны общественности в 1915 году и использовались как шпионский инструмент во время Первой мировой войны; Американский национальный институт стандартов стандартизировал этот формат в 1947 году. Батарейки AAA были разработаны в 1954 году для уменьшения размера камер Kodak и Polaroid, а также других портативных устройств. В 1990-х годах ответвление от 9-вольтовой батарейки привело к появлению батареек AAAA для лазерных указок, светодиодных фонариков, компьютерных стилусов и усилителей для наушников. (9V использует шесть батареек AAAA последовательно.)
В таблице сравниваются распространенные первичные батареи
| Характеристика | Солевая (Zinc-carbon) | Щелочная (Alkaline) | Литиевая (Li-FeS₂) |
NiCd | NiMH |
|---|---|---|---|---|---|
| Емкость (мАч) AA / AAA |
400–1,700 ~300 |
1,800–2,600 800–1,200 |
2,500–3,400 1,200 |
600–1,000 300–500 |
800–2,700 600–1,250 |
| Номинальное напряжение | 1.50 | 1.50 | 1.50 | 1.20 | 1.20 |
| Скорость разряда | Очень низкая | Низкая | Средняя | Очень высокая | Высокая |
| Перезаряжаемые | Нет | Нет | Нет | Да | Да |
| Срок хранения | 1–2 года | 7 лет | 10–15 лет | 5 лет | 5 лет |
| Цена (2015) AA / AAA |
Не во всех магазинах | $0.75 $1.00 |
$3.00–5.00 $4.00–5.00 |
Не во всех магазинах | $1.60–2.00 $1.00 |
Рынок и стоимость
Элемент типа AA имеет примерно вдвое большую емкость, чем меньший аккумулятор типа AAA, при аналогичной цене. Это удваивает стоимость энергии для аккумулятора типа AAA по сравнению с аккумулятором типа AA. Стоимость энергии часто уступает место уменьшению размера. Это касается велосипедных фонарей, где формат AA лишь незначительно увеличивает размер фонаря, но может обеспечить вдвое большее время работы за ту же цену.
Чтобы сократить расходы, города часто объединяют закупки, и это включает оптовые закупки щелочных батареек. Город размером с Ванкувер, Канада, с населением около 600 000 жителей закупил бы примерно 33 000 щелочных батареек типа AA, 16 000 AAA, 4500 C и 5600 щелочных батареек типа D для общего использования.
Розничные цены на щелочные батарейки типа АА различаются, как и их производительность. Американская инженерная фирма Exponent Inc. проверила емкость восьми фирменных щелочных батареек в корпусах типа АА и выявила 800-процентное расхождение между самыми высокими и самыми низкими показателями. Стандарт тестирования основывался на подсчете снимков цифровой камеры до полного разряда батареек, что учитывало емкость и способность батарейки выдерживать нагрузку.
Сравнение в цифровых камерах
На инфографике показано количество снимков, которые может сделать цифровая камера импульсами разряда 1,3 Вт, используя щелочные, NiMH и литиевые (Li-FeS₂) аккумуляторы формата AA. (С двумя последовательно соединенными элементами на 3 В, 1,3 Вт потребляет 433 мА.) Явным победителем стал Li-FeS₂ (литиевый аккумулятор) с 690 импульсами; вторым был NiMH с 520 импульсами, а третьим, оставшимся далеко позади, был стандартный щелочной аккумулятор, который выдал всего 85 импульсов. Количество снимков определяется внутренним сопротивлением, а не емкостью.
Количество снимков, которое может сделать цифровая камера со щелочными, NiMH и литиевыми аккумуляторами.
Связь между емкостью аккумулятора и отдаваемым током лучше всего иллюстрируется диаграммой Рагона. Названная в честь Дэвида В. Рагона, диаграмма Рагона оценивает устройство накопления энергии по энергии и мощности . Энергия в Вт·ч отражает доступную емкость аккумулятора, которая отвечает за время работы; мощность в ваттах определяет ток нагрузки.
На рисунке изображена диаграмма Рагона с нагрузкой 1,3 Вт для цифровой камеры (обозначено красной стрелкой и пунктирной линией) с использованием литиевых (Li-FeS₂), никель-металлогидридных и щелочных аккумуляторов. Горизонтальная ось отображает энергию в Вт·ч, а вертикальная — мощность в ваттах. Шкала является логарифмической, что позволяет использовать широкий выбор размеров аккумуляторов.
Диаграмма Рагона иллюстрирует производительность аккумулятора при различных условиях нагрузки.
Итоги
Первичные аккумуляторы практичны для применений, которые потребляют электроэнергию периодически, но они могут быть дорогими при постоянном использовании. Цена является еще одной проблемой, когда аккумуляторы заменяют после каждой задачи, независимо от продолжительности использования. Утилизация частично использованных аккумуляторов является распространенным явлением, особенно во флоте и в критически важных миссиях, поскольку удобно просто выдавать новые аккумуляторы с каждой задачей, а не оценивать использование. На конференции, посвященной аккумуляторам, генерал армии США заявил, что половина выбрасываемых аккумуляторов все еще имеют 50 процентов энергии.
Состояние заряда первичных аккумуляторов можно оценить, измерив внутреннее сопротивление. Для каждого типа аккумулятора требуется своя справочная таблица, поскольку резистивные характеристики могут отличаться. Более точным методом является кулоновский подсчет, который наблюдает за утечкой энергии, но это требует более дорогой схемы и редко используется. Это требует более дорогой схемы и редко используется.
