Яка напруга є стандартною для звичайних елементів батарей?

Номінальна напруга за хімічним складом елементів батарей

Лужні, NiMH та первинні літієві елементи AA/AAA

Основна різниця між стандартними і зарядними акумуляторами AA/AAA полягає в їх рівнях напруги, що має велике значення, коли мова йде про те, з якими гаджетами вони будуть працювати. Зазвичай ще 1 - 5 вольт випускають ще калічні батареї, поки вони не вимруть. Зарядні NiMH працюють на 1,2 вольта, але насправді досягають близько 1,4 вольта відразу після зарядки, перш ніж заспокоїтися. Літійні батареї (як ті з типу Li-FeS2) також мають такий же рівень 1,5-вольт, як і луковисті, але вони краще витримують при важкому використанні, тому що вони містять більше енергії і стійкі до внутрішніх втрат. Це робить їх відмінними для речей, які швидко витрачають енергію, таких як цифрові камери або потужні ліхтарі. Це пов'язано з основою хімії. Алкалічні та NiMH батареї використовують матеріали на воді, тому вони не можуть перевершити 1,5 вольт, не викликаючи проблем з розкладом води. Літійні батареї використовують різні хімічні речовини, які дозволяють їм досягати більш високого напруження. Але варто попередити: якщо хтось вставить ці 1,2 вольтні батареї NiMH в щось, що призначено для звичайних 1,5-вольтних луковищ, пристрій може вимкнутись занадто рано, іноді навіть на 20% швидше, ніж очікувалося, просто тому, що напруга батареї падає нижче

Зазвичай літій-іонні циліндричні та призматичні батарейні стільниці

Літій-іонні батарейні елементи домінують у сучасних зарядних пристроях, причому номінальне напруження формується хімією катодів. Циліндричні (наприклад, 18650) і призматичні формати мають такі основні варіанти:

Тип катодного матеріалу робить тут всю різницю. Оксид кобальту (LCO) дає нам високе напругу і запалює велику кількість енергії в невеликі простори, що чудово підходить для певних застосувань. З іншого боку, фосфат заліза (ФЗЗ) не забезпечує такого напруження, але блискує, коли справа доходить до охолодження під тиском і тривалості. Саме тому багато людей звертаються до LFP для таких речей, як домашні системи зберігання батарей, де безпека важливіша за максимальну потужність. Потім є NMC, яка знаходиться десь посеред цих крайнь. Виробники люблять NMC для електромобілів, тому що він досить добре відповідає обом вимогам до продуктивності, не жертвуючи занадто багато з будь-якого боку. Коли різні хімічні речовини батареї змішуються, можуть статися погані речі, якщо вони розрядуються за межами безпеки. Візьмімо LFP-клітини, що піднімаються до 2,5 вольт, або NMC, що падають до 3 вольт - така ситуація прискорює знос і може навіть пошкодити весь пакет батарей з часом.

Чому напруга батарейки відрізняється: електрохімія, що лежить за номінальним напругою

Напруження в батарейних батареях - це не просто випадкові числа на таблиці характеристик. Це насправді відбувається через природні відмінності в електрохімічних властивостях між тим, що відбувається на аноді проти матеріалів катоду всередині. Коли ми говоримо про номінальне напруження, ми в основному розглядаємо, де клітина схильна стабілізуватися під час циклу розряду. Ця точка стабільності встановлюється всіма хімічними реакціями, що відбуваються, коли батарея працює. Літій-іонні батареї досягають від 3,6 до 3,7 вольт, тому що вони використовують потужні катоди, такі як кобальтокис літію. З іншого боку, NiMH батареї працюють по-іншому. Вони залежать від нікелевого оксигідроксиду разом з певними сплавами, які можуть поглинати водній, що дає їм більш низьку потужність приблизно 1,2 вольта. Існує три основні причини, чому ці напруги відрізняються за різними типами батарей:

• Рекдоксні потенційні прогалини сильна відновлювальна здатність літію та його висока електронна спорідненість забезпечують більші різниці напруги, ніж у цинку (лужні) або нікелю (NiMH).
• Обмеження електроліту водні електроліти обмежують корисну напругу приблизно до 1,5 В, щоб запобігти розкладанню води; органічні або твердотільні електроліти в літієвих системах безпечно дозволяють досягати вищих потенціалів.
• Кінетика реакцій і фазова поведінка хімічні елементи з однією фазою під час розряду — як, наприклад, срібло-оксид (1,55 В) або LFP (3,2 В) — створюють плоскі плато напруги, тоді як багатоступеневі реакції призводять до похилих кривих (наприклад, лужні).

Ці відмінності безпосередньо визначають архітектуру систем: елементи з вищою напругою зменшують кількість послідовних з'єднань у компактній електроніці, тоді як варіанти з нижчою напругою підходять для недорогих, малопотужних конструкцій. Урахування електрохімічних принципів при виборі забезпечує оптимальну продуктивність, безпеку та довговічність.

За межами номіналу: реальна поведінка напруги елемента батареї під навантаженням

Порівняння кривих розряду лужних, NiMH та Li-ion елементів акумуляторів

Поняття номінальної напруги — це справді лише точка відліку. Коли ми дійсно навантажуємо акумулятори у реальних умовах, спостерігаємо чималий розкид у їхній поведінці. Візьмемо, наприклад, лужні батарейки. Вони починають із приблизно 1,5 вольта, але поступово втрачають потужність, часто опускаючись нижче 1,1 вольта, коли майже сідають. Гідрофосфатні нікель-металеві (NiMH) акумулятори мають іншу картину. Вони довгий час стабільно тримаються біля 1,2 вольта, після чого швидко падають, як тільки використано близько 80%. А от акумулятори на основі літію? Це зовсім інша історія. Як хімія NMC, так і LFP тримають напругу досить постійною — близько 3,6 вольта або 3,2 вольта відповідно — протягом до 80% загальної ємності через стабільний рух літію всередині них. Ця стабільність має величезне значення в застосунках, де важливо точно знати, скільки часу працюватиме пристрій: наприклад, дрони, що літають над полями, чи медичне обладнання в лікарнях. І коли пристрої мають витримувати раптові піки навантаження, розрив стає ще більшим. Лужні батарейки суттєво просідають за напругою під час короткочасних моментів підвищеної потужності, тоді як літій-іонні продовжують надійно постачати енергію. Саме ця надійність робить літій настільки важливим для пристроїв, які категорично не можуть дозволити собі нестабільне електроживлення.

Провал напруги, пороги відключення та ризики сумісності пристроїв

Коли під час високого попиту на струм раптово знижується напруга, це явище, відоме як провал напруги, значною мірою залежить від хімічного складу батареї. Лужні батареї досить сильно схиляються до провалів, іноді знижуючись до приблизно 1,0 вольта при великих навантаженнях. Літій-іонні акумулятори краще справляються з такими ситуаціями, оскільки мають менший внутрішній опір і кращі характеристики руху іонів. Більшість пристроїв оснащені вбудованими механізмами захисту, які вимикають живлення при певних рівнях напруги для захисту як самої батареї, так і під'єднаної електроніки. Поширені точки відключення становлять близько 2,8 вольта на елемент для звичайних літій-іонних акумуляторів, 2,5 вольта для типів літій-залізо-фосфату та близько 1,0 вольта для елементів нікель-металогідридного типу. Змішування різних хімічних складів батарей може призвести до серйозних проблем. Наприклад, спроба запустити обладнання, призначене для 3,6-вольтових літій-іонних батарей, за допомогою стандартних 1,5-вольтових лужних елементів, навіть якщо вони фізично підходять до того самого місця, часто призводить до пониження напруги (броньових режимів), дивних проблем у роботі або взагалі не дає запустити пристрій. Перш ніж замінювати батареї, абсолютно необхідно перевірити не лише номінальну напругу, а й те, яка найнижча припустима робоча напруга насправді є згідно з технічними специфікаціями виробника.

Вибір правильної акумуляторної батареї за вимогами напруги

Дуже важливо отримати правильну напругу елемента батареї для того, що має працювати, бо інакше пристрої просто гірше працюватимуть, швидше вийдуть з ладу або навіть іноді створюватимуть небезпечні ситуації. Почніть з визначення діапазону напруги, який системі дійсно потрібен для належного функціонування. Більшість людей мають справу зі стандартними значеннями напруги: 3,3 вольта для малих мікроконтролерних плат, 5 вольт — для USB-пристроїв у побуті та 12 вольт, які використовуються скрізь — від автомобілів до сонячних енергетичних установок. Як тільки відомо, який рівень напруги є оптимальним, слід вибрати тип батареї, який найкраще відповідає цьому значенню, а також враховувати обсяг споживаної потужності протягом часу. Наприклад, контролери заряду від сонячних панелей номіналом 12 вольт часто використовують чотири послідовно з’єднані комірки літій-залізо-фосфату, оскільки кожна з них дає близько 3,2 вольта, коли нова. Чому саме так? Тому що LFP-батареї забезпечують досить стабільну подачу напруги протягом усього терміну служби й добре працюють як влітку в спеку, так і взимку в холод, не стикаючись із серйозними проблемами.

При виборі батарей не зупиняйтеся лише на номінальній напрузі, вказаній на упаковці. У реальних умовах експлуатації історія може бути зовсім іншою. Літій-іонні акумулятори практично повністю зберігають свій номінальний вольтаж — понад 90 відсотків — аж до майже повного розряду. Лужні батарейки працюють інакше: їхня напруга поступово знижується під час використання, що суттєво впливає на роботу лінійних джерел живлення. І ось що важливо врахувати: кожен пристрій має свої мінімальні вимоги до напруги. Деякі GPS-трекери чи маленькі IoT-датчики можуть припинити працювати, як тільки напруга в кожній комірці впаде нижче 3 вольт, навіть якщо, за стандартними оцінками, батарея ще містить заряд. Саме тому відповідність технічних характеристик не завжди гарантує стабільну роботу.

Для масштабованих конструкцій:

• Використовуйте паралельне з'єднання для збільшення ємності тільки з елементами однакової хімії, терміну експлуатації та стану заряду.
• Розраховуйте кількість послідовних елементів із практичних обмежень:
  Minimum cells = System minimum operating voltage ÷ Cell end-of-discharge voltage
Maximum cells = System maximum input voltage ÷ Cell charging voltage

Цей підхід захищає від пошкодження через надмірний розряд і компенсує коливання напруги при змінному навантаженні — забезпечуючи надійне, готове до експлуатації в полівих умовах, використання акумуляторів.

ЧаП

Що таке номінальна напруга акумуляторів?

Номінальна напруга — це стандартний рівень напруги, при якому працює акумуляторна банка під час циклу розряду, що визначається її електрохімічними властивостями.

Чому лужні та NiMH акумулятори мають різну номінальну напругу?

Лужні акумулятори мають більшу номінальну напругу через обмеження водного електроліту, тоді як NiMH акумулятори мають нижчу номінальну напругу, що зумовлено їхнім хімічним складом.

Чому літій-іонні акумулятори вважаються кращими для високопотужних застосунків?

Літій-іонні акумулятори забезпечують стабільну номінальну напругу і краще витримують високі потужності завдяки низькому внутрішньому опору та ефективному русі іонів.

Як хімічний склад акумулятора впливає на сумісність із пристроями?

Різні хімічні склади призводять до різної номінальної напруги та поведінки розряду, що може вплинути на функціональність пристрою, якщо напруга акумулятора не відповідає вимогам пристрою.