Эффект памяти у аккумуляторов что это

Эффект памяти у аккумуляторов что это

Эффект памяти аккумуляторной батареи — в настоящий момент под эффектом памяти понимается обратимая потеря ёмкости, имеющая место в некоторых типах электрических аккумуляторов при нарушении рекомендованного режима зарядки, в частности, при подзарядке не полностью разрядившегося аккумулятора.

Эффектом памяти называется явление уменьшения первоначальной емкости аккумулятора из-за нарушения потребителем рекомендованного производителем режима эксплуатации. Свое название данный эффект получил благодаря его практическому проявлению: аккумулятор словно запоминает факт, что в прошлый раз его разрядили не до конца, что его полная емкость не была востребована, и в следующие разы отдает уже меньше энергии, чем когда он был новым, чем теоретически позволила бы его номинальная емкость.

Данному эффекту подвержены некоторые популярные типы аккумуляторов: литий-ионные, никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные. Хорошая новость заключается в том, что на ранней стадии эффект памяти является обратимым, а у литий-ионных и вовсе проявляется незначительно. Так что если вы столкнулись с эффектом памяти у аккумулятора, то не спешите расстраиваться.

Давайте же уясним для себя, какие именно действия человека способствуют развитию у аккумулятора эффекта памяти и как не допустить этого неприятного явления.

Если вы решаете подзарядить аккумулятор который еще почти полностью заряжен или разряжен не более чем на половину емкости, то именно это и ведет к формированию и разрастанию эффекта памяти.

Правильными действиями будут такие: аккумулятор всегда следует разряжать почти полностью, и только после этого ставить на зарядку, тогда эффект памяти не разовьется, и в ярко выраженной форме себя не проявит.

Конечно не стоит допускать и глубокого разряда ячеек. В идеале лучше разряжать до минимального, рекомендованного производителем в документации, напряжения, и только потом заряжать. Скажем, для литий-ионных аккумуляторов нижняя граница разряда лежит в районе 2,5 вольт.

Физическая причина возникновения эффекта памяти заключается в том, что если аккумулятор систематически не разряжается полностью, то кристаллы активного вещества внутри него становятся все крупнее. Следовательно общая площадь активной рабочей поверхности элемента уменьшается.

Очевидно, что в новом аккумуляторе площадь поверхности активного вещества значительно больше, потому что кристаллические структуры изначально по размеру меньше. Значит и химической энергии аккумулятор в таком состоянии сможет запасти и отдать больше.

А когда объем кристаллов увеличивается, общая активная поверхность уменьшается, следовательно максимально доступный ток становится меньше и меньше, внутреннее сопротивление растет, в общем — снижается емкость аккумулятора.

В худшем случае крупные кристаллы засорят пространство между катодом и анодом настолько, что в конце концов интенсивность саморазряда лишит аккумулятор работоспособности. Кроме того острые кристаллы способны повредить сепаратор и сделать элемент полностью непригодным.

Чтобы пресечь развитие эффекта памяти на корню, необходимо всегда соблюдать правильный режим эксплуатации аккумулятора. Нужно полностью разрядить аккумулятор, и только после этого начинать заряжать.

В процессе зарядки не нужно превышать рекомендованный ток заряда, а в процессе разряда — рекомендованный ток разряда. Новый аккумулятор всегда необходимо потренировать прежде чем начинать использовать его по назначению: разрядить полностью, а потом полностью зарядить, и так два-три раза.

Данная тренировка позволит довести емкость аккумулятора до максимума. Лучше вообще использовать зарядные устройства оснащенные функцией предварительного доразряда батареи. Такое устройство, когда аккумулятор в него установлен, сначала нагружает его для разряда до минимума, и только когда ток разряда сильно упал — начинает заряжать.

Ранее ЭлектроВести писали, что г руппа японских ученых создала уникальную технологию для создания самовосстанавливающихся аккумуляторов. Материал, из которого он изготовлен, обладает высокой износоустойчивостью и может самовосстанавливаться.

Эффект памяти аккумуляторов

Эффект памяти аккумуляторов на основе никеля известен давно. И если раньше под ним понимали своего рода запоминание аккумулятором того состояния, в котором он был перед последующей зарядкой, то сейчас толкование этого термина другое. Внешнее проявление эффекта заключается в уменьшении реальной емкости аккумулятора в процессе эксплуатации.

Количество энергии, которое аккумулятор способен удерживать (реальная емкость), постепенно уменьшается в процессе эксплуатации и старения, а также из–за недостаточного обслуживания для аккумуляторов некоторых электрохимических систем. Аккумулятор, в конечном счете, должен быть заменен, когда его емкость падает до 60–70 % от номинальной величины. Индивидуальные российские пользователи, как правило, умудряются эксплуатировать аккумуляторы до тех пор, пока их емкость не упадет до 20–30% от номинального значения. Значение емкости в 80% обычно принимается за нижнее допустимое значение для нового аккумулятора. Фирменные (именные) новые аккумуляторы, как правило, имеют реальную емкость близкую к 90%, аккумуляторы сторонних производителей – часто около 70%.

NiCD и в меньшей степени NiMH аккумуляторы подвержены воздействию эффекта памяти. В настоящий момент под эффектом памяти понимается обратимая потеря ёмкости, вызванная укрупнением кристаллических образований активного вещества аккумулятора и тем самым уменьшением площади активной поверхности его рабочего вещества.

Суть явления такова, что при мелких кристаллических образованьях внутреннего рабочего вещества аккумулятора – площадь поверхности кристаллических образований максимальна, а, следовательно, и максимально количество энергии, запасаемой аккумулятором. При укрупнении кристаллических образований в процессе эксплуатации – площадь их поверхности уменьшается и, как следствие, уменьшается реальная емкость.

Можно ли эти укрупненные образования «раздробить» и привести к первоначальному состоянию? Да, можно, если процесс их укрупнения не зашел слишком далеко. Для этого необходимо периодически проводить тренировку аккумуляторов на основе никеля: NiCD – примерно раз в месяц, NiMH – раз в два месяца. Под тренировкой в данном случае понимается полный разряд аккумулятора до напряжения 1 вольт на элемент (если у Вас, например, аккумулятор с номинальным напряжением 6V, т.е. 5 элементов в аккумуляторе, то его необходимо разряжать до 5V) и последующий полный заряд. Для восстановления емкости аккумулятора может потребоваться до 3–5 таких циклов разряда/заряда. Разряд аккумулятора непосредственно в телефоне, как правило, до такого напряжения не происходит – телефон отключается при более высоком напряжении. Лучший эффект достигается в некоторых зарядных устройствах с функцией разряда.

Однако следует отметить, что некоторые из восстановленных аккумуляторов могут иметь высокий саморазряд вследствие повреждения кристаллическими образованьями материала сепаратора. Эта обычно свойственно старым аккумуляторам.

Что же в конечном счете можно посоветовать рядовому потребителю, эксплуатирующему NiCD или NiMH аккумуляторы? Старайтесь эксплуатировать их в режиме: зарядил, использовал до конца, и только затем вновь на зарядку.

Совершенно по другому дело обстоит с литий–ионными (Li-ION) аккумуляторами, которые скорее любят находиться в заряженном состоянии. Их можно ставить на заряд в любой момент и держать в заряднике сколько угодно. Важно только, чтобы зарядник был предназначен для заряда именно Li-ION аккумуляторов. Такие зарядники после окончания заряда отключают ток заряда. Другая важная особенность Li-ION аккумуляторов, также как и герметичных свинцово–кислотных (SLA), – это необходимость их хранения только в заряженном состоянии.

Эффект памяти аккумулятора

При эксплуатации герметичного Ni-Cd аккумулятора отмечается феномен, который долгие годы вызывал беспокойство пользователей этих источников тока. Феномен получил название — эффект памяти.

Первоначально его наблюдали при специфических режимах циклирования — с малой глубиной разряда (не более 30% от состояния полной заряженности) аккумулятора. В результате такой эксплуатации на разрядной кривой аккумулятора возникала вторая площадка более низкого напряжения, и емкость, которую можно было снять до момента достижения 1В, понижалась. При увеличении продолжительности циклирования в этом режиме площадка пониженного напряжения увеличивалась (сдвигалась влево).

Впоследствии любое уменьшение разрядного напряжения, наблюдаемое при длительном циклировании на небольшую глубину, стали называть «эффектом памяти», хотя механизмы, приводящие к такому эффекту, могли различаться. Так как вопрос об «эффекте памяти» возникает у большинства потребителей источников тока разных систем, мы хотим обратить особое внимание на различие этих механизмов, приводящих к снижению напряжения аккумулятора.

В герметичных Ni-Cd аккумуляторах кадмиевый электрод имеет никелевую основу. Кроме того, в его активной массе присутствует некоторое количество оксидов никеля, которые входят в рецептуру или попадают в электрод в ходе технологического процесса его производства. При циклировании аккумуляторов в кадмиевом электроде может образоваться интерметаллическое соединение Ni ₅ Cd ₂₁ разряд которого совершается при потенциале на 150 мВ положительнее, чем разряд чистого кадмиевого электрода. В результате этого на разрядной кривой Ni-Cd аккумулятора и появляется вторая площадка с более низким напряжением. Формирование этой площадки идет наиболее быстро при небольших токах заряда и ускоряется с повышением температуры. Именно такая ситуация часто имеет место при использовании источников тока в буферном режиме. Неглубокое циклирование на верхнем уровне заряженности приводит к повышенному тепловыделению аккумулятора и быстрому росту содержания Ni ₅ Cd ₂₁ .

Уменьшение разрядного напряжения в результате накопления никелата кадмия не является необратимым. Разрушение Ni ₅ Cd ₂₁ и восстановление начального состояния активной массы происходит при проведении нескольких разрядов до 1В, которые следует делать не реже 1 раза в месяц.

Если аккумулятор используется в режиме глубокого циклирования, этот эффект вообще не возникает.

Имеет место и другой механизм, который приводит к снижению разрядного напряжения, хоть и меньшему по величине по сравнению с описанным выше. Он связан с регулярными значительными перезарядами аккумуляторов. На оксидно-никелевом электроде в этом случае образуется γ-фаза NiOOH, разрядный потенциал которого ниже на 50 мВ, чем у β-NiOOH. И разрядное напряжение аккумулятора понижается. Эффект снижения разрядного напряжения аккумуляторов, связанный с действием их перезаряда, можно назвать ложным эффектом памяти.

Для того чтобы такой эффект не возникал, достаточно просто правильно контролировать заряд и не допускать продолжительных перезарядов, особенно при больших токах.

Следует добавить, что перезаряд к тому же способствует формированию крупных кристаллов в структуре электродов. Их рабочая поверхность уменьшается, и это ведет к уменьшению разрядной емкости. Укрупнение кристаллов в электродных массах происходит и при малых токах, которые имеют место в режиме компенсационного подзаряда. Поэтому долго держать аккумуляторы в таком режиме не рекомендуется.

При периодическом проведении разрядов никель-кадмиевых аккумуляторов до 1В происходит перестройка структуры активных масс. Возвращение мелкопористой структуры приводит к увеличению рабочей поверхности электродов и повышению разрядной емкости аккумулятора. Еще больший эффект разукрупнения кристаллов достигается при последующем доразряде до 0,5В малыми токами, а также при циклировании с зарядом знакопеременным током.

Но не стоит забывать что уменьшение емкости аккумуляторов происходит и в результате процессов деградации, которые происходят даже в не использующихся аккумуляторах.

Аккумуляторы для мобильных устройств. Эффект памяти

Казалось бы, что может быть проще? Разрядился аккумулятор — подключай за-рядное устройство и заряжай до готовности. Однако в один прекрасный момент начинаешь замечать, что время работы полностью заряженного аккумулятора становится меньше, чем было ранее. В чем дело? Кто виноват и как объяснить данное явление?

Рассмотрим эту проблему и ее решение на примере аккумуляторов для сотового телефона. Впрочем, все нижеизложенное будет справедливо и для аккумуляторов радиостанций, радиотелефонов и радиоудлинителей, портативных компьютеров, цифровых фотоаппаратов и видеокамер, ручных инструментов.

Начнём с никель-кадмиевых (NiCd) и никель-металлгидридных (NiMH) аккумуляторов.

Всем известно, что по окончании заряда аккумулятора в обычном зарядном устройстве, загорается зеленый свет индикатора, указывающий на то, что аккумулятор полностью заряжен и готов к работе. Если аккумулятор заряжается в телефоне, то последний сообщит вам об этом присущим ему способом… В результате вы полагаете, что ваш аккумулятор заряжен, обладает полной емкостью и ему можно доверять на все 100%.

Но не верь глазам своим! «Зеленый свет» обычного зарядного устройства никоим образом не гарантирует достаточную (номинальную) емкость [1] и исправность аккумулятора. Все дело в том, что обычное зарядное устройство заряжает (наполняет) аккумулятор электрической энергией лишь до тех пор, пока есть «свободное место», в то время как количество закачанной в аккумулятор энергии никак не оценивается! Напрашивается простая аналогия со стаканом, которую мы подробно рассмотрели при обсуждении электрической емкости аккумулятора в статье [1]. Если в пустой стакан можно налить 200 мл воды, то в тот же стакан, но частично заполненный, например, песком или мелкими камешками — гораздо меньше. Продолжая эту аналогию, отметим, что каждый цикл заряда-разряда вносит в наш стакан-аккумулятор «посторонние примеси», уменьшая тем самым объем для хранения полезной энергии.

Естественно, возникает вопрос: почему аккумулятор в процессе эксплуатации постепенно становится неспособным принять во время заряда то количество энергии, на хранение которого он рассчитан?

Для примера на рис. 1 схематично изображены 5 различных состояний одного и того же NiCd аккумулятора.

Рис. 1. Емкость аккумулятора в зависимости от состояния его рабочего вещества.

Левый крайний аккумулятор обладает стопроцентной емкостью. Его рабочее вещество имеет однородную структуру из мельчайших частиц и максимальную площадь активной поверхности. Крайний правый — наихудший и имеет только 20% от номинальной емкости. Частицы его рабочего вещества укрупнились, и площадь активной поверхности значительно уменьшилась. Причина этого явления заключается в том, что в процессе эксплуатации с каждым новым циклом заряда-разряда рабочее вещество внутри NiCd и NiMH аккумуляторов постепенно изменяет свою структуру в сторону уменьшения площади активной поверхности, что приводит к уменьшению реальной емкости. Этот эффект, называемый также эффектом памяти, развивается вследствие заряда не полностью разряженных аккумуляторов на основе никеля и сильнее всего проявляется в никель-кадмиевых аккумуляторах. Никель-металлгидридные аккумуляторы подвержены эффекту памяти в меньшей степени. Рассмотрим изображенную а рис. 2 анодную пластину нового NiCd аккумулятора: кристаллические образования имеют малые размеры (около 1 мкм), и площадь их соприкосновения с электролитом максимальна.

Рис 2. Структура анодной пластины нового NiCd аккумулятора

В процессе эксплуатации потребители, как правило, не дожидаются полной разрядки аккумулятора перед очередным зарядом. Впрочем, это вполне естественно, особенно, когда отсутствует запасной аккумулятор. Однако в результате такой практики через 3-6 месяцев (в зависимости от частоты заряда, глубины разряда, условий эксплуатации, качества аккумулятора и фирмы-изготовителя) реальная емкость аккумулятора заметно уменьшается. Сокращается также и время заряда. Кроме того, возможно небольшое увеличение внутреннего сопротивления [1] аккумулятора. Словом, начинает проявляться эффект памяти. Состояние такого аккумулятора с укрупненными кристаллическими образованиями показано на рис.3.

Рис 3. Структура анодной пластины NiCd аккумулятора, не подвергавшегося периодической тренировке

Если и далее не принимать особых мер, то при дальнейшей эксплуатации увеличивающиеся кристаллические образования могут привести к разрушению сепаратора (своего рода перегородки, разделяющей анод и катод) и увеличению тока саморазряда [1]. В этом случае аккумулятор становится подобен худому ведру: воду носить можно, но недалеко.

Что же делать? Вспомнить старое доброе правило: легче эффект памяти предотвратить, чем потом устранить. А для предотвращения необходимо применять тренировку аккумуляторов, под которой понимаются периодические (3-4 раза) циклы заряда и последующего разряда до напряжения 1 вольт на элемент. Процесс этот проще всего выполнять на настольных зарядных устройствах, имеющих функцию разряда, или на специальных анализаторах типа Cadex C7000, C7200 [2,3]. Последние процесс тренировки автоматизируют и увеличивают емкость аккумулятора до максимально возможного уровня… Выполнение тренировочных циклов непосредственно в телефоне тоже возможно, но не так эффективно, поскольку телефон, как правило, успевает отключиться раньше, чем аккумулятор полностью разрядится. Да и времени для этого требуется значительно больше.

Теперь несколько слов о периодичности данного процесса. Рекомендации таковы: для никелькадмиевых аккумуляторов — один раз в месяц, для никель-металлгидридных — раз в два месяца. Если делать это чаще, то полезный эффект увеличивается незначительно, а износ аккумулятора значительно возрастает.

Всегда ли помогают тренировочные циклы заряда-разряда? Не всегда. С запущенными аккумуляторами дело обстоит сложнее, и помочь тут может только метод восстановления, основанный на глубоком (до 0,4 вольта на элемент) разряде аккумуляторов по специальному алгоритму. При таком разряде происходит дробление крупных кристаллических образований, в результате чего емкость аккумулятора восстанавливается. Структура рабочего вещества восстановленного аккумулятора показа-на на рис.4.

Рис 4. Структура анодной пластины восстановленного NiCd аккумулятора

Однако следует отметить, что некоторые из восстановленных аккумуляторов могут иметь высокий саморазряд [1] вследствие повреждения кристаллическими образованиями материала сепаратора. По большей части это присуще старым аккумуляторам.

А теперь подведем итоги.

1. Эффект памяти свойственен только аккумуляторам на основе никеля, причем сильнее всего он проявляется в никель-кадмиевых аккумуляторах. Существуют мнение, что в никель-металлгидридных аккумуляторах этот эффект просто не успевает значительно проявиться из-за меньшего срока их службы. В то же время ряд фирм, выпускающих NiMH аккумуляторы, заявляет, что их аккумуляторы свободны от этого эффекта. Например, фирма GP Batteries International Limited в сопроводительной этикетке на некоторые типы своих аккумуляторов указывает следующие параметры: количество циклов разряда-заряда — 1000, отсутствие эффекта памяти и необходимости разряда аккумулятора перед зарядом. Словом, параметры более чем привлекательны.
2. Часто на эффект памяти списывают повреждения аккумулятора, вызванные неправильной эксплуатацией: использованием неисправного или «неродного» зарядного устройства, длительным пребыванием в зарядном устройстве, переохлаждением или перегревом аккумулятора, да и просто браком по вине изготовителя или поставщика.
3. Для предупреждения эффекта памяти при отсутствии специальных зарядных устройств можно порекомендовать заряд после как можно более полного разряда аккумулятора в телефоне.

И в заключение несколько слов о литий-ионных (Li-ion) аккумуляторах.

С ними дело обстоит с точностью до наоборот. Они не подвержены эффекту памяти. Более того, Li-ion аккумуляторы предпочитают заряженное состояние незаряженному. Их можно ставить на заряд в любой момент и держать в зарядном устройстве сколько угодно. Зарядные устройства для Li-ion аккумуляторов после окончания заряда автоматически отключаются, поскольку Li-ion аккумуляторы нельзя перезаряжать. Важно только, чтобы это устройство было предназначено для заряда Li-ion аккумуляторов именно этого производителя. В противном случае аккумулятор может быть либо недозаряжен, либо испорчен. Другая важная особенность Li-ion аккумуляторов — это необходимость их хранения только в заряженном состоянии.

При написании статьи использовались материалы, любезно предоставленные г-ном Isidor Buchmann, основателем и главой канадской компании Cadex Electronics Inc. [3], а также компанией Landata, г. Москва [4].

Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной техники связи, компьютеров и других портативных приборов, а также советы по эксплуатации и обслуживанию приведены в [5].

Продолжение следует

Ссылки:

1. Аккумуляторы для мобильных устройств — устройство и основные параметры
2. Аккумуляторы для мобильных устройств — методы заряда.
3. http://www.cadex.com — Cadex Electronics Inc., Vancouver, BC [British Columbia], Canada — разработчик и производитель зарядных устройств, анализаторов и систем обслуживания аккумуляторов.
4. http://www.landata.ru/kip/catalog.htm (вход через раздел «Обслуживание аккумуляторов») — компания LANDATA — авторизованный и эксклюзивный дистрибьютор канадской фирмы Cadex Electronics Inc. в России.
5. http://www.mari-el.ru/marmobile/battery/ — Аккумуляторы для мобильных устройств и портативных компьютеров. Анализаторы аккумуляторов.
6. http://www.gpbatteries.com.hk/cgi-bin/cellular/ — фирма GP Batteries International Limited.