Ποιό είναι το πρότυπο τάσης των συνηθισμένων κυψελών μπαταριών;

Ονομαστική τάση ανά χημεία κυψέλης μπαταρίας

Κυψέλες AA/AAA Alkaline, NiMH και Λιθίου πρωτεύουσας

Η κύρια διαφορά μεταξύ των συνηθισμένων και των επαναφορτιζόμενων μπαταριών AA/AAA έγκειται στα επίπεδα τάσης τους, κάτι που έχει μεγάλη σημασία όσον αφορά τα ηλεκτρονικά εργαλεία με τα οποία λειτουργούν. Οι συνήθεις αλκαλικές μπαταρίες παράγουν περίπου 1,5 βολτ μέχρι να εξαντληθούν σχεδόν τελείως. Αντίθετα, οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες NiMH λειτουργούν κανονικά στα 1,2 βολτ, αλλά μετά τη φόρτιση φτάνουν προσωρινά περίπου στα 1,4 βολτ πριν σταθεροποιηθούν. Οι μπαταρίες λιθίου (όπως οι τύπου Li-FeS2) έχουν επίσης την ίδια ονομαστική τάση των 1,5 βολτ όπως οι αλκαλικές, αλλά διατηρούν καλύτερα την απόδοσή τους κάτω από έντονη χρήση, επειδή έχουν μεγαλύτερη ενέργεια και αντιστέκονται καλύτερα στις εσωτερικές απώλειες. Αυτό τις καθιστά ιδανικές για συσκευές που καταναλώνουν γρήγορα ενέργεια, όπως οι ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές ή οι ισχυροί φακοί. Αυτό συμβαίνει λόγω της χημικής σύνθεσης. Οι αλκαλικές και οι μπαταρίες NiMH χρησιμοποιούν υδατικά εσωτερικά υλικά, οπότε δεν μπορούν να ξεπεράσουν τα 1,5 βολτ χωρίς να προκληθούν προβλήματα λόγω διάσπασης του νερού. Αντίθετα, οι μπαταρίες λιθίου χρησιμοποιούν διαφορετικά χημικά στοιχεία που τους επιτρέπουν φυσικά να φτάνουν σε υψηλότερες τάσεις. Ωστόσο, υπάρχει μία προειδοποίηση: αν κάποιος τοποθετήσει μπαταρίες NiMH των 1,2 βολτ σε μία συσκευή που σχεδιάστηκε για τις συνήθεις αλκαλικές μπαταρίες των 1,5 βολτ, η συσκευή μπορεί να σβήσει πολύ νωρίτερα – μερικές φορές ακόμη και 20% γρηγορότερα από το αναμενόμενο – απλώς και μόνο επειδή η τάση της μπαταρίας πέφτει κάτω από το επίπεδο που αναμένει η συσκευή.

Κοινές τάσεις κυλινδρικών και πρίσματος κυψελών μπαταρίας Li-ion

Οι κυψέλες μπαταρίας ιόντων λιθίου επικρατούν στις σύγχρονες επαναφορτιζόμενες εφαρμογές, με ονομαστική τάση που καθορίζεται από τη χημεία της καθόδου. Κυλινδρικές (π.χ. 18650) και πρισματικές μορφές μοιράζονται αυτές τις βασικές παραλλαγές:

Το είδος του υλικού της καθόδου κάνει τη διαφορά εδώ. Το οξείδιο του κοβαλτίου (LCO) μας προσφέρει υψηλή τάση και συμπυκνώνει πολλή ενέργεια σε μικρούς χώρους, κάτι που είναι ιδανικό για συγκεκριμένες εφαρμογές. Η φωσφορική σιδηρού (LFP), από την άλλη πλευρά, δεν παρέχει τόσο υψηλή τάση, αλλά διακρίνεται για την ικανότητά της να παραμένει δροσερή υπό πίεση και να διαρκεί περισσότερο. Γι' αυτόν τον λόγο πολλοί επιλέγουν την LFP για εφαρμογές όπως τα συστήματα αποθήκευσης μπαταριών στο σπίτι, όπου η ασφάλεια έχει μεγαλύτερη σημασία από τη μέγιστη έξοδο ισχύος. Υπάρχει επίσης το NMC, το οποίο βρίσκεται κάπου στη μέση μεταξύ αυτών των δύο ακραίων. Οι κατασκευαστές προτιμούν το NMC για ηλεκτρικά οχήματα, επειδή ανταποκρίνεται ικανοποιητικά στις απαιτήσεις απόδοσης, χωρίς να θυσιάζει υπερβολικά από τη μία ή την άλλη πλευρά. Όταν αναμιγνύονται διαφορετικές χημικές συνθέσεις μπαταριών, μπορεί να προκύψουν προβλήματα αν εκφορτωθούν πέρα από τα ασφαλή όριά τους. Για παράδειγμα, όταν τα κελιά LFP πέφτουν κάτω από 2,5 βολτ ή τα NMC κάτω από 3 βολτ, επιταχύνεται η φθορά και ενδέχεται να προκληθεί ζημιά σε όλη τη μπαταρία με την πάροδο του χρόνου.

Γιατί διαφέρει η τάση του στοιχείου μπαταρίας: Η ηλεκτροχημεία πίσω από την ονομαστική τάση

Η τάση στα στοιχεία της μπαταρίας δεν είναι απλώς τυχαίοι αριθμοί σε ένα φύλλο προδιαγραφών. Προέρχεται στην πραγματικότητα από τις φυσικές διαφορές στις ηλεκτροχημικές ιδιότητες ανάμεσα σε ό,τι συμβαίνει στο άνοδο και στο καθοδικό υλικό μέσα στη μπαταρία. Όταν μιλάμε για ονομαστική τάση, αναφερόμαστε βασικά στο σημείο στο οποίο το στοιχείο τείνει να σταθεροποιηθεί κατά τον κύκλο εκφόρτισης. Αυτό το σημείο σταθερότητας καθορίζεται από όλες εκείνες τις χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα όταν η μπαταρία λειτουργεί. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου φτάνουν περίπου στα 3,6 έως 3,7 βολτ επειδή χρησιμοποιούν ισχυρά καθοδικά υλικά όπως το οξείδιο του λιθίου-κοβαλτίου. Από την άλλη πλευρά, οι μπαταρίες NiMH λειτουργούν διαφορετικά. Βασίζονται στο οξυϋδροξείδιο του νικελίου μαζί με συγκεκριμένα κράματα που μπορούν να απορροφήσουν υδρογόνο, γεγονός που τους δίνει τη χαμηλότερη τάση εξόδου της τάξης των 1,2 βολτ. Υπάρχουν τρεις κύριοι λόγοι για τους οποίους διαφέρουν αυτές οι τάσεις ανάμεσα στους διαφορετικούς τύπους μπαταριών:

• Διαφορές δυναμικού αναγωγής-οξείδωσης η ισχυρή αναγωγική δύναμη του λιθίου και η υψηλή ηλεκτρονική συγγένεια παράγουν μεγαλύτερες διαφορές τάσης από το ψευδάργυρο (αλκαλικό) ή το νικέλιο (NiMH).
• Περιορισμοί ηλεκτρολύτη οι υδατικοί ηλεκτρολύτες περιορίζουν τη χρησιμοποιήσιμη τάση στα ~1,5V για να αποφευχθεί η διάσπαση του νερού· οι οργανικοί ή οι στερεού σώματος ηλεκτρολύτες στα συστήματα λιθίου επιτρέπουν ασφαλώς υψηλότερες δυναμικές.
• Κινητική αντίδρασης και φασική συμπεριφορά οι χημείες με μονοφασικές αντιδράσεις εκφόρτωσης—όπως οξείδιο του αργύρου (1,55V) ή LFP (3,2V)—παράγουν επίπεδες πλατφόρμες τάσης, ενώ οι αντιδράσεις πολλαπλών βημάτων οδηγούν σε κλίσεις καμπύλες (π.χ. αλκαλικές).

Αυτές οι διαφορές σχηματίζουν άμεσα την αρχιτεκτονική του συστήματος: τα κύτταρα υψηλότερης τάσης μειώνουν τον αριθμό σειράς σε συμπαγείς ηλεκτρονικές συσκευές, ενώ οι επιλογές χαμηλότερης τάσης υποστηρίζουν οικονομικά ευαίσθητα, χαμηλής ισχύος σχέδια. Η βάση των επιλογών επιλογής σε ηλεκτροχημικές αρχές εξασφαλίζει βέλτιστη απόδοση, ασφάλεια και διάρκεια ζωής.

Πέρα από την Ονομαστική: Πραγματική Συμπεριφορά Τάσης Κυψέλης Μπαταρίας Υπό Φορτίο

Συγκρίσεις Καμπύλων Εκφόρτισης Αλκαλικών, NiMH και Κυψελών Μπαταριών Li-ion

Η έννοια της ονομαστικής τάσης είναι πραγματικά απλώς ένα σημείο εκκίνησης. Όταν βάζουμε πραγματικά τις μπαταρίες υπό πραγματικά φορτία, βλέπουμε αρκετά σημαντικές διαφορές στη συμπεριφορά τους. Πάρτε για παράδειγμα τις αλκαλικές μπαταρίες. Ξεκινούν γύρω στα 1,5 βολτ, αλλά σταδιακά χάνουν ισχύ καθώς εξαντλούνται, συχνά πέφτοντας κάτω από 1,1 βολτ όταν είναι σχεδόν νεκρές. Οι μπαταρίες νικελίου-υδριδίου μετάλλου (NiMH) διηγούνται διαφορετική ιστορία. Διατηρούν αρκετά σταθερή τάση γύρω στα 1,2 βολτ για το μεγαλύτερο μέρος της διάρκειας ζωής τους, πριν πέσουν απότομα μόλις φτάσουν το 80% κατανάλωσης. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου όμως; Είναι κάτι εντελώς διαφορετικό. Τόσο οι λιθιοϊονικές χημείες NMC όσο και LFP διατηρούν την τάση τους αρκετά σταθερή, περίπου στα 3,6 βολτ ή 3,2 βολτ αντίστοιχα, για έως και 80% της συνολικής τους χωρητικότητας, λόγω του σταθερού τρόπου με τον οποίο το λίθιο μετακινείται μέσα από αυτές. Αυτή η σταθερότητα κάνει τη μεγάλη διαφορά σε εφαρμογές όπου είναι πολύ σημαντικό να ξέρει κανείς ακριβώς πόσο θα λειτουργήσει κάτι, όπως drones που πετούν πάνω από καλλιέργειες ή ιατρικός εξοπλισμός σε νοσοκομεία. Και όταν οι συσκευές χρειάζεται να αντέχουν ξαφνικές αιχμές ισχύος, η διαφορά γίνεται ακόμη μεγαλύτερη. Οι αλκαλικές μπαταρίες τείνουν να μειώνουν δραματικά την τάση τους κατά τις σύντομες στιγμές υψηλής κατανάλωσης, ενώ οι λιθιοϊονικές συνεχίζουν να παρέχουν ισχύ αξιόπιστα. Αυτή η αξιοπιστία είναι που καθιστά το λίθιο τόσο σημαντικό για συσκευές που απολύτως δεν μπορούν να ανεχθούν ασταθή παροχή ηλεκτρικού ρεύματος.

Πτώση τάσης, Κατώφλια διακοπής και Κίνδυνοι συμβατότητας συσκευών

Όταν παρατηρείται αιφνίδια πτώση της τάσης κατά τη διάρκεια περιόδων υψηλής ζήτησης ρεύματος, το φαινόμενο αυτό, γνωστό ως πτώση τάσης, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη χημεία της μπαταρίας. Οι αλκαλικές μπαταρίες υφίστανται αρκετή πτώση τάσης, μερικές φορές μέχρι περίπου 1,0 βολτ όταν βρίσκονται υπό συνθήκες μεγάλου φορτίου. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αντιμετωπίζουν αυτές τις καταστάσεις πολύ καλύτερα, επειδή έχουν χαμηλότερη εσωτερική αντίσταση και καλύτερα χαρακτηριστικά κίνησης ιόντων. Τα περισσότερα συσκευές είναι εξοπλισμένα με ενσωματωμένους μηχανισμούς προστασίας που διακόπτουν την παροχή ρεύματος σε συγκεκριμένα επίπεδα τάσης, προκειμένου να προστατευθούν τόσο η ίδια η μπαταρία όσο και τα συνδεδεμένα ηλεκτρονικά. Συνηθισμένα σημεία απενεργοποίησης είναι περίπου 2,8 βολτ ανά κελί για τις συνηθισμένες μπαταρίες ιόντων λιθίου, 2,5 βολτ για τους τύπους φωσφορικού σιδήρου λιθίου και περίπου 1,0 βολτ για τα κελιά υδριδίου νικελίου-μετάλλου. Η ανάμειξη διαφορετικών χημειών μπαταριών μπορεί να οδηγήσει σε πραγματικά προβλήματα. Για παράδειγμα, η προσπάθεια λειτουργίας εξοπλισμού που προορίζεται για μπαταρίες ιόντων λιθίου 3,6 βολτ με τυπικά αλκαλικά κελιά 1,5 βολτ, ακόμη κι αν ταιριάζουν φυσικά στον ίδιο χώρο, συχνά έχει ως αποτέλεσμα brownouts, παράξενα προβλήματα λειτουργίας ή απλώς η συσκευή δεν ξεκινάει καθόλου. Πριν αντικαταστήσετε τις μπαταρίες, είναι απολύτως απαραίτητο να ελέγξετε όχι μόνο την ονομαστική τάση, αλλά και την πραγματική ελάχιστη αποδεκτή τάση λειτουργίας, όπως καθορίζεται από τις προδιαγραφές του κατασκευαστή.

Επιλογή της Κατάλληλης Μπαταρίας Βάσει των Απαιτήσεων Τάσης

Είναι πολύ σημαντικό να επιλέξετε τη σωστή τάση κυψέλης μπαταρίας για τη συσκευή που θέλετε να τροφοδοτήσετε, διότι διαφορετικά τα πράγματα απλώς δεν λειτουργούν τόσο καλά, χαλάνε νωρίτερα ή ακόμη και δημιουργούν επικίνδυνες καταστάσεις μερικές φορές. Ξεκινήστε προσδιορίζοντας το εύρος τάσης που χρειάζεται πραγματικά το σύστημα για να λειτουργήσει σωστά. Οι περισσότεροι χρησιμοποιούν τυπικές τάσεις όπως 3,3 βολτ για τις μικρές πλακέτες μικροελεγκτών, 5 βολτ για συσκευές USB στο σπίτι και 12 βολτ, οι οποίες χρησιμοποιούνται παντού, από αυτοκίνητα μέχρι συστήματα ηλιακής ενέργειας. Μόλις καταλάβετε ποιο επίπεδο τάσης είναι κατάλληλο, επιλέξτε τύπο μπαταρίας που πλησιάζει αυτόν τον αριθμό, λαμβάνοντας υπόψη και την κατανάλωση ενέργειας με την πάροδο του χρόνου. Για παράδειγμα, οι ρυθμιστές φόρτισης ηλιακών πάνελ με ονομαστική τάση 12 βολτ, συχνά βασίζονται σε τέσσερις κυψέλες λιθίου-σιδήρου-φωσφορικού (lithium iron phosphate) συνδεδεμένες μεταξύ τους, αφού κάθε μία παρέχει περίπου 3,2 βολτ όταν είναι φρέσκια. Ο λόγος; Αυτές οι μπαταρίες LFP διατηρούν σταθερή τάση εξόδου καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους και αντέχουν και στις καλοκαιρινές ζέστες και στις χειμερινές παγωνιές χωρίς ιδιαίτερα προβλήματα.

Όταν εξετάζετε επιλογές μπαταριών, μη σταματάτε στην ονομαστική τάση που αναγράφεται στη συσκευασία. Η πραγματική απόδοση δείχνει μια διαφορετική εικόνα. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου διατηρούν πάνω από 90 τοις εκατό της ονομαστικής τάσης τους μέχρι και όταν είναι σχεδόν άδειες. Οι αλκαλικές μπαταρίες λειτουργούν διαφορετικά – η τάση τους μειώνεται σταθερά κατά τη διάρκεια της χρήσης, κάτι που μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την απόδοση των γραμμικών τροφοδοτικών. Και εδώ είναι κάτι σημαντικό που πρέπει να ελέγξετε: κάθε συσκευή έχει τις δικές της ελάχιστες απαιτήσεις τάσης. Μερικές μονάδες GPS εντοπισμού ή μικροί αισθητήρες IoT μπορεί να σταματήσουν εντελώς να λειτουργούν μόλις η τάση κάθε στοιχείου πέσει κάτω από 3 βολτ, ακόμα κι αν η μπαταρία φαίνεται να έχει ακόμα φορτίο σύμφωνα με τις τυπικές προδιαγραφές. Γι' αυτόν τον λόγο, η ταύτιση των προδιαγραφών δεν είναι πάντα αρκετή για αξιόπιστη λειτουργία.

Για κλιμακώσιμα σχέδια:

• Χρησιμοποιήστε παράλληλες συνδέσεις για αύξηση της χωρητικότητας μόνο με στοιχεία ίδιας χημείας, ηλικίας και κατάστασης φόρτισης.
• Υπολογίστε τον αριθμό στοιχείων σε σειρά χρησιμοποιώντας πρακτικά όρια:
  Minimum cells = System minimum operating voltage ÷ Cell end-of-discharge voltage
Maximum cells = System maximum input voltage ÷ Cell charging voltage

Αυτή η προσέγγιση προστατεύει από βλάβες λόγω υπερεκφόρτισης και επιτρέπει τις διακυμάνσεις τάσης υπό δυναμικό φορτίο—διασφαλίζοντας ανθεκτική, έτοιμη για χρήση στο πεδίο ενσωμάτωση μπαταρίας.

Συχνές ερωτήσεις

Τι είναι η ονομαστική τάση στις μπαταρίες;

Η ονομαστική τάση αναφέρεται στην τυπική τάση στην οποία λειτουργεί ένα κελί μπαταρίας κατά τον κύκλο εκφόρτισής του, και επηρεάζεται από τις ηλεκτροχημικές του ιδιότητες.

Γιατί οι αλκαλικές και NiMH μπαταρίες έχουν διαφορετικές ονομαστικές τάσεις;

Οι αλκαλικές μπαταρίες έχουν υψηλότερη ονομαστική τάση λόγω των περιορισμών του υδατικού ηλεκτρολύτη, ενώ οι μπαταρίες NiMH έχουν χαμηλότερη ονομαστική τάση, η οποία επηρεάζεται από τη χημική τους σύνθεση.

Γιατί προτιμώνται οι μπαταρίες ιόντων λιθίου για εφαρμογές υψηλής ισχύος;

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου προσφέρουν σταθερή ονομαστική τάση και μπορούν να αντέξουν υψηλές απαιτήσεις ισχύος καλύτερα λόγω της χαμηλής εσωτερικής αντίστασης και της αποτελεσματικής κίνησης ιόντων.

Πώς επηρεάζει η χημεία της μπαταρίας τη συμβατότητα της συσκευής;

Διαφορετικές χημείες οδηγούν σε διαφορετικές ονομαστικές τάσεις και συμπεριφορά εκφόρτισης, κάτι που μπορεί να επηρεάσει τη λειτουργικότητα της συσκευής αν η τάση της μπαταρίας δεν είναι σύμφωνη με τις απαιτήσεις της συσκευής.