Какъв е стандартът за напрежение на разпространените батерийни клетки?

Номинално напрежение според химичния състав на батерийния елемент

Алкални, NiMH и първични литиеви AA/AAA елементи

Основната разлика между стандартните и презареждащите се АА/ААА батерии се крие в нивата на напрежението им, което има голямо значение за това с какви устройства ще работят. Обикновените алкални батерии поддържат около 1,5 волта почти до изчерпването им. Презареждащите се NiMH батерии обикновено работят при около 1,2 волта, но всъщност достигат почти 1,4 волта веднага след зареждане, преди да се стабилизират. Литиевите батерии (като тези Li-FeS2 типове) също имат същото 1,5-волтово номинално напрежение като алкалните, но се представят по-добре при интензивна употреба, защото съдържат повече енергия и са по-устойчиви към вътрешни загуби. Това ги прави отличен избор за устройства, които бързо изразходват енергия, като цифрови фотоапарати или мощните фенерчета. Причината за това се корени в основната химия. Алкалните и NiMH батерии използват водни разтвори вътре, поради което не могат да надвишават около 1,5 волта, без да възникнат проблеми с разлагането на водата. Литиевите батерии вместо това използват различни химикали, които им позволяват естествено да достигат по-високи напрежения. Едно предупреждение обаче: ако някой постави 1,2-волтови NiMH батерии в устройство, проектирано за обикновени 1,5-волтови алкални батерии, устройството може да се изключи много по-рано — понякога дори с 20% по-бързо от очакваното, просто защото напрежението на батерията пада под нивото, което устройството изисква.

Разпространени напрежения на цилиндрични и призматични клетки на Li-ion батерии

Клетките на литиево-йонни батерии доминират в съвременните презареждащи се приложения, като номиналното напрежение се определя от химическия състав на катода. Цилиндричните (напр. 18650) и призматичните формати споделят тези основни варианти:

Видът на катодния материал прави цялата разлика тук. Кобалтовият оксид (LCO) ни осигурява високо напрежение и събира много енергия в малки пространства, което е отлично за определени приложения. Желязната фосфатна (LFP), от друга страна, не осигурява толкова високо напрежение, но се отличава с това, че остава студена под налягане и има по-дълъг живот. Затова много хора избират LFP за системи за батерийно съхранение в домовете, където безопасността е по-важна от максималната мощност. Следва NMC, която заема средно положение между тези два крайни случая. Производителите предпочитат NMC за електрически превозни средства, защото разумно добре отговаря на изискванията за производителност, без да жертва прекалено много от двете страни. Когато се смесват различни батерийни химии, могат да се случат неприятни неща, ако те се изтощат над техните безопасни лимити. Например, ако LFP клетките паднат под 2,5 волта или NMC под 3 волта – такива ситуации ускоряват износването и може дори да повредят целия батерейен пакет с течение на времето.

Защо се различава напрежението на батерийните клетки: Електрохимията зад номиналното напрежение

Напрежението в батерийните клетки не е просто произволен номер от спецификацията. То всъщност идва от естествените разлики в електрохимичните свойства между това, което се случва в анода и катода вътре в клетката. Когато говорим за номинално напрежение, всъщност гледаме към точката, в която клетката има тенденция да се стабилизира по време на цикъла си на разряд. Тази точка на стабилност се определя от всички тези химични реакции, които протичат, докато батерията работи. Литиево-йонните батерии достигат около 3,6 до 3,7 волта, защото използват силни катодни материали като литиев кобалтов оксид. От друга страна, NiMH батериите работят по различен начин. Те разчитат на никелов оксихидроксид и определени сплави, които могат да абсорбират водород, което им дава по-нисък изход около 1,2 волта. Има три основни причини, поради които тези напрежения се различават при различните типове батерии:

• Разлики в редокс потенциала силната редуцираща способност на лития и високата му електронна афинитетност водят до по-големи напрежения в сравнение с цинка (алкални) или никела (NiMH).
• Ограничения на електролита водните електролити ограничават ползваемото напрежение до около 1,5 V, за да се предотврати разлагането на водата; органичните или твърдотелните електролити в литиевите системи осигуряват по-високи потенциали по безопасен начин.
• Кинетика на реакцията и фазово поведение химичните състави с еднофазни разрядни реакции — като сребърен оксид (1,55 V) или LFP (3,2 V) — произвеждат плоски плато от напрежение, докато многостъпковите реакции водят до наклонени криви (напр. алкални).

Тези разлики директно определят архитектурата на системата: клетките с по-високо напрежение намаляват броя на серийните включвания в компактни електронни устройства, докато вариантите с по-ниско напрежение поддържат икономически чувствителни, нискомощни конструкции. Решенията за избор на заземяване в електрохимичните принципи осигуряват оптимална производителност, безопасност и дълготраеност.

Над Номиналното: Поведението на напрежението на батерийни клетки в реални условия под товар

Сравнение на разрядните криви при алкален, NiMH и Li-ion батерийни клетки

Концепцията за номинално напрежение всъщност е просто отправна точка. Когато поставим батериите под реални натоварвания, виждаме доста значителни разлики в тяхното поведение. Вземете алкалните батерии например. Те започват с около 1,5 волта, но бавно губят мощност при изразходване, често падайки под 1,1 волта, когато почти са изтощени. Батериите от тип никел-метал хидрид (NiMH) разказват различна история. Те остават сравнително стабилни около 1,2 волта през по-голямата част от живота си, преди рязко да паднат, когато достигнат около 80% използване. А литиево-йонните батерии? Те са нещо съвсем различно. И двата типа литиеви химически състава – NMC и LFP – запазват напрежението си доста постоянно, съответно около 3,6 волта или 3,2 волта, в продължение на до 80% от общия им капацитет, поради последователния начин, по който литият се премества през тях. Тази стабилност прави голяма разлика в приложения, където е от съществено значение точно да се знае колко дълго ще работи дадено устройство – помислете за дронове, летящи над засеяни площи, или медицинско оборудване в болници. А когато устройствата трябва да поемат внезапни енергийни нужди, разликата става още по-голяма. Алкалните батерии имат тенденция рязко да понижават напрежението си в тези кратки моменти на висока мощност, докато литиево-йонните продължават надеждно да подават енергия. Тази надеждност е причината литиевите батерии да са толкова важни за устройства, които абсолютно не могат да си позволят нестабилно електрическо захранване.

Напрежение Съг, Прагове за Изключване и Рискове от Съвместимост с Устройства

Когато има рязко падане на напрежението по време на периоди с висока консумация на ток, това явление, известно като проседане на напрежението, силно зависи от химичния състав на батерията. Алкалните батерии изпитват значително проседане, понякога спадайки до около 1,0 волта при тежки натоварвания. Литиево-йонните батерии се справят много по-добре в такива ситуации, защото имат по-ниско вътрешно съпротивление и по-добри характеристики на йонното движение. Повечето устройства разполагат с вградени защитни механизми, които изключват захранването при определени нива на напрежение, за да се предпазят както самата батерия, така и свързаната електроника. Често срещани гранични стойности са около 2,8 волта на клетка за обикновени литиево-йонни батерии, 2,5 волта за типовете литий-желязо-фосфат и около 1,0 волт за никел-металхидридните клетки. Смесването на различни химични състави на батерии може да доведе до сериозни проблеми. Например, ако се опитате да задвижите устройство, предназначено за 3,6 волта литиево-йонни батерии, с обикновени 1,5 волтови алкални елементи, дори ако физически пасват в едно и също гнездо, това несъответствие често води до намаляване на напрежението (brownout), странни смущения в работата или просто устройството изобщо няма да стартира. Преди да смените батериите, е абсолютно задължително да проверите не само номиналното напрежение, но и какво е най-ниското допустимо работно напрежение според спецификациите на производителя.

Избор на подходяща батерийна клетка въз основа на изискванията за напрежение

Важно е да се получи правилното напрежение на батерийната клетка за захранването на устройството, защото в противен случай нещата просто няма да работят добре, ще се повредят по-рано или понякога дори могат да създадат опасни ситуации. Започнете с определянето на диапазона на напрежението, от което системата има нужда, за да работи правилно. Повечето хора използват стандартни напрежения като 3,3 волта за малките платки с микроконтролери, 5 волта за USB устройства у дома и 12 волта, които се срещат навсякъде – от автомобили до слънчеви енергийни инсталации. След като разберем какво ниво на напрежение е най-подходящо, избираме тип батерия, който отговаря близо на тази стойност и същевременно отговаря на нуждите по отношение на консумацията на енергия в продължение на време. Например, контролери за зареждане при слънчеви панели с номинално напрежение 12 волта често разчитат на четири свързани последователно клетки литиев желязо-фосфат, тъй като всяка от тях дава около 3,2 волта, когато е нова. Причината? Батериите LFP осигуряват доста стабилен изход през целия си живот и се справят добре както при горещите летни дни, така и при студените зимни нощи, без да имат сериозни проблеми.

Когато разглеждате опциите за батерии, не спирайте само на номиналното напрежение, посочено на опаковката. В реални условия представянето разказва различна история. Литиево-йонните батерии всъщност запазват над 90 процента от номиналното си напрежение чак до момента, в който почти са изчерпани. Алкалните батерии обаче работят по друг начин – тяхното напрежение постепенно намалява по време на употреба, което може сериозно да повлияе на работата на линейни захранвания. И ето още един важен момент за проверка: всяко устройство има свои собствени минимални изисквания за напрежение. Някои GPS проследяващи устройства или малки IoT сензори могат напълно да спрат работа, ако напрежението на всяка отделна клетка падне под 3 волта, дори и когато батерията според стандартните оценки все още изглежда заредена. Затова съвпадението на техническите характеристики не винаги е достатъчно за надеждна работа.

За мащабируеми конструкции:

• Използвайте паралелни връзки, за да увеличите капацитета само с клетки с еднаква химична структура, възраст и степен на заряд.
• Изчислете броя на последователните клетки, като използвате практическите граници:
  Minimum cells = System minimum operating voltage ÷ Cell end-of-discharge voltage
Maximum cells = System maximum input voltage ÷ Cell charging voltage

Този подход предпазва от повреди при прекалено разреждане и компенсира колебанията на напрежението при динамична натовареност – осигурявайки здравословна, готова за ползване интеграция на батерии.

ЧЗВ

Какво е номинално напрежение при батерии?

Номиналното напрежение се отнася до стандартното ниво на напрежение, при което работи батерийната клетка по време на цикъла си на разреждане, което се влияе от нейните електрохимични свойства.

Защо алкалните и NiMH батерии имат различно номинално напрежение?

Алкалните батерии имат по-високо номинално напрежение поради ограниченията на водния електролит, докато NiMH батериите имат по-ниско номинално напрежение, което се влияе от химичния им състав.

Защо литиево-йонните батерии се предпочитат за високомощни приложения?

Литиево-йонните батерии предлагат стабилно номинално напрежение и могат да поемат по-големи мощности благодарение на ниското вътрешно съпротивление и ефективното движение на йони.

Как химичният състав на батерията влияе на съвместимостта с устройствата?

Различните химични състави водят до различни номинални напрежения и поведение при разреждане, което може да повлияе на функционалността на устройството, ако напрежението на батерията не отговаря на изискванията на устройството.