Обновлено 10.02.2021: добавили ссылки с примерами аккумуляторов, расширили пояснения, привели источники и научные сведения.
Пару веков назад Алессандро Вольта (wiki) доказал, что электрический ток получается при соединении разных металлов через проводящий электролит. Он изобрёл простой способ получения гальванического элемента («Вольтов столб», 1800 год). Разность потенциалов между его выводами составляет 1,1 Вольта (подробнее про напряжение между пластинами).
Эффективное напряжение нулевой нагрузки неразряженной современной щелочной батареи от 1,5 В до 1,65 В. Оно зависит от содержания оксида цинка в электролите и чистоты диоксида марганца (источник «Справочник Линдена по батареям (3-е изд.)», стр. 10–12.). Под нагрузкой варьируется от 1,1 В до 1,3 В. Полностью разряженный элемент генерирует 0,8-1,0 В.
Электронные устройства обычно изготавливаются для работы от ячеек с напряжением от 1,0 до 1,5 В. Новая батарейка выдаёт 1,5 В и во время использования постепенно уменьшает напряжение до 1,2 В (тускнеет свет в фонаре, хуже работает моторчик в игрушке и так далее). В конце своего жизненного цикла она выдаёт 1,0 В (обычно устройство перестаёт работать, но те же настенные часы ещё вполне ходят).
Вспомним 1980-е, когда формировались и создавались огромные рынки электроники на батарейках. Первопроходцы обеспечивали массовый спрос. Эти же компании (либо их правопреемники) существуют до сих пор и продолжают развиваться.
У одноразовых батареек появилась альтернатива
Производители «батареечных устройств» предлагают запитывать игрушечную машинку вашего ребёнка, будильник, пульт ДУ, брелок от автосигнализации 1,5-вольтовыми элементами. Их выбор довольно широк сейчас.
Пока школьники и домохозяйки регулярно бегали в магазины за «енерджайзерами и дюраселями», последние 20 лет продолжался бурный рост популярности:
- - смартфонов,
- - планшетов,
- - ноутбуков,
- - прочих портативных гаджетов,
- - радиоуправляемых устройств
- - и электротранспорта.
Они работают на относительно недорогих и долго служащих литий-ионных (и литий-полимерных) аккумуляторах.
Просто взгляните, почему литий-ионный аккумулятор используют чаще всего.
Теперь мы часто слышим справедливый вопрос — почему бы производителям не сделать глобально замену на Li-Ion всех Ni-Mh?
Аккумулятор Ni-Mh или Li-Ion — что же лучше для 1,5-вольтовой электроники?
В контексте массовой 1,5-вольтовой электроники лучше всего не тот и не другой, а самые обычные неперезаряжаемые батарейки (камера, плеер, радиоуправляемая техника).
Перезаряжаемые аккумуляторы лучше подходят к устройствам, где использование периодическое и длительное (фонарик, навигатор, игрушки). Логику постарались показать простыми словами ниже.
1. Неперезаряжаемые солевые и щелочные батарейки
Пара АА-«енерджайзеров» обеспечивает напряжение 2,4-3 В. На него-то и рассчитана работа большинства устройств (если батареек шесть, то 7,2-9 В, и так далее). В проекте «вилка», конечно, больше — от 1 до 1,6 В на элемент.
Можно утверждать, что переход на никель-металлогидридные (Ni-Mh) перезаряжаемые батареи возможен (иногда даже штатно предусмотрен производителями).
2. Перезаряжаемые Ni-Mh аккумуляторы
Ni-Mh обеспечат стабильные (в отличие от одноразовых батареек с нелинейным графиком напряжения) 1,2 В на элемент (тоже самое относится к старым элементам никель-кадмиевого типа, Ni-Cd). Но там, где нужно 6 или 9 элементов возникает риск некачественной работы моторчиков и других зависящих от напряжения узлов из-за условно «недостатка вольтажа». Лучше руководствоваться инструкцией к электронному устройству.
Почему аккумулятор 1,2 В не всегда хуже (а иногда даже и лучше), чем щелочные батарейки рассказывал Алексей Надеждин из LampTest на Habr.com.
3. Перезаряжаемые Li-Ion/Li-Po аккумуляторы
Литий-ионный (Li-Ion) и литий-полимерный (Li-Po) аккумулятор имеет напряжение от 3,2 до 4,2 В на элемент в зависимости от уровня заряда. Заменить AA-элементы на литиевые также, как с NiMH получится только при вмешательстве в конструкцию и, вероятно, электросхему (путём установки преобразователя).
Всё зависит от электронного продукта и типа литиевой батареи (например, есть химические соединения, которые совместимы с 1,5 В). В нашем контексте речь идёт о популярных и распространённых литий-ионных батареях с относительно невысокой стоимостью.
Если вас интересуют примеры готовой замены (то есть та, что находится в продаже) 1,5-вольтовых батареек на перезаряжаемый Li-Po 3,7 В с преобразователем (внутренней схемой), то можете взглянуть на запатентованный продукт Kentli (тип АА, ёмкость 2800 мВт·ч) — независимый обзор. На eBay их стоимость начинается от 950 рублей за элемент в зависимости от продавца и курса валюты. Подобные разработки существуют и у других производителей (Sorbo, Bevigor, Voniko и так далее).
Простыми словами, выгорает электроника при подключении 3,7 В к контактам устройства, рассчитанного на источник питания 1,5 В. Исключение — устройства, например, с питанием от трёх батареек. В таких случаях производители даже могут предусмотреть установку литий-ионных аккумуляторов без вмешательства в электросхему.
Перезаряжаемые литиевые элементы с преобразователем напряжения на 1,5 В ещё пару лет назад не делал никто. Создавали только одноразовые литиевые батарейки с напряжением 1,5 В (например, литий-железо-дисульфидные Li/FeS2 — описание в PDF).
Сейчас есть попытки вывести на рынок литиевые элементы 14500 (AA) с ёмкостью от 400 мАч и даже microUSB-разъёмом для зарядки. Они состоят из литий-ионного аккумулятора, понижающего преобразователя (4,2 В > 1,5 В), защиты.
Однако это неоптимальное решение. Преобразователь занимает драгоценное место, качество пока на низком уровне. Высокая цена отталкивает массового покупателя. Всё ещё дешевле и проще использовать традиционные батарейки.
Чтобы выполнить полноценную замену Ni-Mh на Li-Ion-аккумуляторы производители должны массово перенастроить электронику по источнику питания с 1,5 В на 3,7 В. Точно так, как это произошло в мире мобильных устройств.
Существуют ли попытки установить 3,7 В Li-Ion вместо щелочной 1,5 В батарейки?
Да — так, в общем-то, и появились все те устройства, которые сегодня поддерживают аккумуляторы 18650. Например, светодиодные фонарики стали лучшим примером быстрого перехода от одного типа источников питания к другим.
Производители (фонарей, электронных сигарет, электротранспорта) первыми экспериментировали с заменой Ni-Mh на Li-Ion. Если не вдаваться в подробности исследований, со временем изменился форм-фактор таких элементов с двух АА на один 18650.
***
Алессандро Вольт по сути создал прекрасную возможность для формирования рынка мобильных и портативных электронных устройств. Но с появлением экономически практичных солевых и щелочных батареек производители придерживались вилки допустимого напряжения.
В результате перевести Ni-Mh разом на Li-Ion оказалось практически невозможно (для массового потребителя сложно). Всему виной устоявшиеся за два века стандарты схемотехники, производства, рыночной обстановки.
Однако изменения назревают и даже происходят прямо в эти дни.
10 лет назад прогресс с литий-ионной (и литий-полимерной, разумеется) революцией начался одновременно с успехами Apple (первые iPhone, iPod, iPad). Смартфоны дали импульс технологии. Теперь законодателем становится электромобиль на фоне снижения цен на литий и разработок в области бескобальтовых перезаряжаемых элементов питания.
