Алкалиновые элементы и ионисторы

5.1. Алкалиновые элементы многократного использования

Алкалиновые элементы широко применяются для питания бытовой электронной аппаратуры. Правильнее было бы называть их щелочными (от англ. alkali — щелочь), но, поскольку название «алкалиновые» прижилось, будем использовать этот термин. На рис. 5.1 показано устройство алкалинового элемента.

Идея перезарядки алкалиновых (щелочных) батарей не нова. Хотя такая возможность производителями не подтверждена, из практики следует, что при подзарядке такие батареи могут служить длительное время. Однако подзарядка эффективна только в

Прокладка (пластик)

Корпус (сталь)

Сепаратор

Плюсовой вывод (анод)

Цинково-гелевый анод

Вентиляционное отверстие

Минусовый вывод (катод)

Катод из двуокиси марганца

Рис. 5.1. Устройство алкалинового элемента

110

Алкалиновые элементы и ионисторы

111

том случае, если емкость батареи не успела снизиться более чем на 50 % от номинальной. Число возможных циклов подзарядки зависит исключительно от степени разряда батареи и в лучшем случае составляет несколько раз. С каждым циклом емкость батареи уменьшается. При этом к самому процессу подзарядки следует подходить осторожно: во время него выделяется водород — взрывоопасный газ. Поэтому следует предпринимать меры предосторожности.

Тесты, проведенные с аккумуляторными элементами типоразмера АА, показали, что после первой перезарядки их емкость была близка к номинальной. Фактически их энергетическая плотность соответствовала плотности никель-металлгидридных батарей. После того как элемент АА был разряжен, а потом вновь заряжен, его емкость уменьшилась до 60 % и стала меньше емкости никель-кадмиевых батарей такого же размера. При дальнейших испытаниях (разряд током 0,2С до напряжения конца заряда 1 В/элемент и заряд) емкость элементов продолжала снижаться.

Дополнительным недостатком повторного использования ал-калиновых батарей является ограничение их тока разряда — он не должен превышать 400 мА, и, чем меньше эта величина, тем лучших результатов удается добиться. Хотя такие токи и допустимы при использовании алкалиновых батарей в качестве источников питания AM/FM радиоприемников, CD и кассетных плееров и вспышек для фотоаппаратов, их нельзя использовать для питания мобильных телефонов и видеокамер. Поэтому для питания устройств с более высокими токами нагрузки следует использовать обычные алкалиновые батареи.

Достоинства алкалиновых батарей многократного использования:

• дешевизна и немедленная готовность к применению сразу
после покупки;

• возможность замены обычных неперезаряжаемых батарей;

• более экономичны, чем неперезаряжаемые батареи, — до
пускают несколько перезарядок;

• малый саморазряд — новые батареи могут храниться до
10 лет;

• экологическая чистота — батареи не содержат токсичных
веществ;

• простота обслуживания и отсутствие «эффекта памяти».

Недостатки алкалиновых батарей многократного использова-

ния:

• ограниченный ток нагрузки;

• ограниченный срок эксплуатации.

Ионистор (по зарубежной терминологии — суперконденса
тор, или supercapacitor) — это энергонакопительный конденса
тор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух
сред — электрода и электролита (фото 5.1). Энергия в ионисторе
хранится в виде статического заряда. Накопление происходит,
если к его обкладкам будет приложена разность потенциалов
(постоянное напряжение). Концепция создания ионисторов по
явилась несколько лет назад, и в настоящее время они нашли
свою нишу применения. Ионисторы с успехом могут заменять
химические источники тока в качестве резервного (микросхемы
памяти) или основного подзаряжаемого (часы, калькуляторы)
источника питания.

Если простой конденсатор представляет собой обкладки из фольги, разделенные сухим сепаратором, то ионистор — это сочетание конденсатора с электрохимической батареей. В нем используются специальные обкладки и электролит. В качестве обкладок используются материалы одного из трех типов: обкладки большой площади на основе активированного угля, оксиды ме-

5.2. Ионисторы

Фото 5.1. Внешний вид одного из типов ионисторов

112 Алкалиновые элементы и ионисторы

таллов и проводящие полимеры. Применение высокопористых угольных материалов позволяет достичь плотности емкости порядка 10 Ф/смЗ и выше. Ионисторы на основе активированного угля наиболее экономичны в производстве. Их еще называют двухслойными или DLC-конденсаторами (DLC — Double Layer Capacitor — двухслойный конденсатор), потому что заряд сохраняется в двойном слое, образующемся вблизи поверхности обкладки.

Электролит ионисторов может быть водным или органическим. Ионисторы на основе водного электролита обладают малым внутренним сопротивлением, но напряжение заряда для них ограничено 1 В. А ионисторы на основе органических электролитов обладают более высоким внутренним сопротивлением, однако обеспечивают напряжение заряда 2...3 В.

Для питания электронных схем необходимы более высокие напряжения, чем обеспечивают ионисторы. Для получения необходимого напряжения их включают последовательно. 3—4 ионистора обеспечивают напряжение достаточной величины. Величина энергетической емкости конденсаторов измеряется в пикофарадах (1 • 10^-12 Ф), нанофарадах (1 • 10^-9 Ф) и микрофарадах (1 • 10^-6 Ф), в то время как емкость ионисторов (суперконденсаторов) поистине огромна и измеряется в фарадах (Ф). В них достижима энергетическая плотность от 1 до 10 Вт/кг. Она больше, чем у обычных конденсаторов, но меньше, чем у аккумуляторных батарей. Сравнительно низкое внутреннее сопротивление ионисторов обеспечивает хорошую проводимость.

Ионистор способен запасать энергию, примерно равную 1/10 энергии никель-металлгидридной батареи. В то время как аккумуляторная батарея выдает относительно постоянное рабочее напряжение, напряжение на ионисторе уменьшается линейно от рабочего значения до нуля и ему не присущи такие «плоские» участки характеристики разряда, как у аккумуляторных батарей. По этой причине он не способен удерживать полный заряд. Степень его заряда определяется в процентах и зависит в первую очередь от того приложения, в котором он используется.

Например, если 6-вольтовая батарея допускает разряд до 4,5 В, пока оборудование не отключится, ионистор достигает этого порога в течение первой четверти времени разряда. Оставшаяся в нем запасенная энергия оказывается ненужной. Для увеличения степени использования запасенной в ионисторе

Алкалиновые элементы и ионисторы 113

энергии можно использовать DC/DC преобразователи, однако такой путь недостаточно эффективен и к тому же ведет к удорожанию системы на 10—15 %.

Чаще всего ионисторы применяют для питания микросхем памяти, и иногда ими заменяют электрохимические батареи. Кроме того, их используют в цепях фильтрации и сглаживающих фильтрах.

Могут они работать и в буфере с батареями в целях защиты их от резких бросков тока нагрузки: при низком токе нагрузки батарея подзаряжает суперконденсатор, и, если он резко возрастет, суперконденсатор отдаст запасенную энергию, чем снизит нагрузку на батарею. При таком варианте применения его размещают либо непосредственно возле аккумуляторной батареи, либо внутри ее корпуса.

Преимущества ионисторов:

• большой срок службы;

• низкое внутреннее сопротивление — обеспечивает сглажи
вание импульсов (бросков) тока нагрузки, если включен
параллельно аккумуляторной батарее;

• быстрый заряд — в течение нескольких секунд из-за низ
кого внутреннего сопротивления;

• работа при любом напряжении, не превышающем номи
нального;

• неограниченное количество циклов заряд/разряд;

• отсутствие необходимости контроля за режимом зарядки;
• применение простых методов заряда;

• широкий диапазон рабочих температур: -25...70 °С;

• дешевизна.

Недостатки ионисторов:

• не обеспечивают достаточного накопления энергии;

• низкая энергетическая плотность;