Времена механических фотокамер и магниевых вспышек навсегда отошли в прошлое. Ни одно современное фотоустройство не обходится теперь без электронных элементов, а цифровая техника и вовсе целиком электрическая. Таким образом, любой фотограф, не желающий привязать себя к электрической розетке студии, вынужден носить источники тока с собой. Поэтому каждая торговая точка, имеющая хоть какое-то отношение к фотобизнесу, непременно располагает широким товарным ассортиментом электрических батарей. Постоянно растущий спрос на компактные и мощные источники энергии породил в последние годы серьезный технологический прорыв - новые типы элементов питания появляются буквально каждый год. Такое множество технических решений часто приводит к тому, что менеджер магазина не всегда способен объяснить покупателю, в чем разница между несколькими типами элементов, и почему их стоимость отличается в разы.
     Итак, какими же бывают современные элементы питания?
     Химики различают гальванические элементы двух родов: первого и второго. Разница между ними заключается в том, как производится энергия, которую они вырабатывают.
     Элементы первого рода (первичные) - это одноразовые батареи, которые производят электроэнергию за счет химических реакций, в результате которых анод, катод и электролит претерпевают необратимые изменения. Это делает перезарядку таких батарей невозможной или очень нерациональной (к примеру, для зарядки некоторых типов батарей придется потратить в десятки раз больше энергии, чем они могут сохранить, а другие виды могут накопить только малую часть своего первоначального заряда). После этого батарею останется только выкинуть в мусорный ящик, откуда, как хотелось бы надеяться, она попадет в переработку, а, скорее всего, на свалку.
     Элементы второго рода (вторичные) чаще называют аккумуляторами. Это значит, что они могут заряжаться, если к электродам подключить источник постоянного тока. Химические реакции, протекающие в них, являются обратимыми. Таким образом, батареи второго рода не производят, а лишь сохраняют энергию.
     При прочих равных, аккумуляторы кажутся лучшим выбором по сравнению с одноразовыми батареями. Используя их, мы не наносим столько вреда окружающей среде, ведь после разрядки их не нужно выбрасывать. Один аккумулятор можно использовать около года, а обычных батареек на этот же срок понадобилось бы штук 100-200, и в каждом элементе содержатся токсичные вещества. Но не все так просто. Например, в случае срочной необходимости, одноразовые батарейки являются лучшим выбором. Они дешевы и всегда готовы к работе. Иногда возникают ситуации, когда аккумуляторы зарядить просто негде - к примеру, при фотосъемке на природе. Таким образом, одноразовые батареи остаются актуальным товаром и следует рассмотреть подробнее их типы и устройство.

     Солевые элементы питания
     Угольно-цинковые элементы (марганец-цинковые) являются самыми распространенными сухими элементами питания. Наследники изобретения Лекланше (см. врезку), они являются самыми распространенными в мире. Одна лишь компания Energizer продает более 6 миллиардов таких батарей ежегодно. В угольно-цинковых элементах используется пассивный (угольный) коллектор тока в контакте с анодом из двуокиси марганца (MnO2), электролит из хлорида аммония и катод из цинка. Электролит находится в пастообразном состоянии или пропитывает пористую диафрагму. Такой электролит мало подвижен и не растекается, поэтому элементы называются сухими. Номинальное напряжение угольно-цинкового элемента составляет 1.5В.
     Сухие элементы могут иметь цилиндрическую, дисковую и прямоугольную форму. Устройство прямоугольных элементов аналогично дисковым. Цинковый анод выполнен в виде цилиндрического стакана, одновременно являющимся контейнером. Дисковые элементы состоят из цинковой пластины, картонной диафрагмы, пропитанной раствором электролита, и спрессованного слоя положительного электрода. Дисковые элементы последовательно соединяют друг с другом, полученную батарею изолируют и упаковывают в футляр.
     Угольно-цинковые элементы "восстанавливаются" в течении перерыва в работе. Это явление обусловлено постепенным выравниванием локальных неоднородностей в композиции электролита, возникающих в процессе разряда. В результате периодического "отдыха" срок службы элемента продлевается.
     Достоинством угольно-цинковых элементов является их низкая стоимость. К существенным недостаткам следует отнести значительное снижение напряжения при разряде, невысокую удельную мощность (5-10 Вт/кг) и малый срок хранения. Низкие температуры снижают эффективность использования гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его повышает. Повышение температуры вызывает химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в электролите, и высыхание электролита. Эти факторы удается несколько компенсировать выдержкой батареи при повышенной температуре и введением внутрь элемента, через предварительно проделанное отверстие, солевого раствора.

     Щелочные Батареи (Alkaline)
     Щелочные батареи более устойчивы. Выпускаются батареи с параметрами, как правило, 1.5 В и 2600 мА/ч. Они имеют большой срок годности (90 % после пяти лет), но начинают "садиться" с первого же момента использования. Номинальное напряжение их 1.5В, но во время эксплуатации оно снижается. Так как норма разряжения постоянна и известна, вы можете измерить напряжение и определить, сколько времени осталось батареи работать - емкость щелочных батарей практически истощена при напряжении около 0.9В. В зависимости от области применения, щелочные батарейки могут прослужить в 4-5 раз дольше, чем обычные угольно-цинковые. Особенно заметна эта разница при таком режиме использования, когда короткие периоды высокой нагрузки перемежаются длительными периодами бездействия.
     Тенденция потребительского рынка идет к все большему потреблению щелочных батарей, в виду увеличения количества устройств с высоким током потребления. В это число входят фотоаппараты с фотовспышками, видеокамеры, электронные записные книжки, портативные проигрыватели мини дисков (MD) и другие. По сравнению с солевыми элементами щелочные являются более энергоемкими и имеют более длительный срок хранения, т.к. в них используется щелочной электролит. Имеются и конструктивные отличия, так, корпус соединен с положительным электродом, и поэтому во время работы последний не растворяется, благодаря чему значительно снижается вероятность вытекания электролита. Можно сказать, что щелочная батарея это солевая, вывернутая наизнанку. Внешний корпус у нее не является анодом, это просто защитная оболочка. Анодом здесь является желеобразная смесь цинкового порошка вперемешку с электролитом (который в свою очередь является водным раствором гидроксида калия). Катод, смесь угля и диоксида марганца, окружает анод и электролит. Он отделяется слоем нетканого материала, таким как полиэстер. К тому же корпус щелочных батарей является только выводом, а не электродом, как в солевых батарейках. Отрицательным электродом является масса цинкового порошка в смеси с некоторыми присадками, через которую проходит цинковый стержень, являющийся отрицательным выводом. Производители батареек постоянно совершенствуют технологию производства этих популярных элементов питания. Они максимально увеличивают внутренний объем для активных компонентов путем уменьшения толщины изоляции и оболочки, оптимизируют реакцию разряда, при помощи более эффективной электрохимической реакции. Этим вызвано такое изобилие батареек, иногда существенно отличающихся по цене. Следует заметить, что выбор потребителем алкалайновых элементов среди всех мощных источников тока часто определяется не только их дешевизной, но и тем обстоятельством, что их паспортное номинальное напряжение больше номинального напряжения щелочных аккумуляторов. Но это всего лишь терминологическая путаница.
     В действительности паспортное номинальное напряжение первичного источника тока - это его начальное напряжение, а при нагрузке оно быстро снижается и большая часть разряда происходит при напряжении в Диапазоне 1,2-1,1 В. А номинальное напряжение аккумулятора - это, по определению, его напряжение в средней части разрядной кривой. Поэтому большая часть разряда аккумулятора при такой же нагрузке происходит при более высоком напряжении (~ на 50-100 мВ).
     Часто возникает вопрос о возможности повторного (хотя бы частичного) использования элементов после исчерпания их емкости. Это касается прежде всего широко используемых марганцево-цинковых элементов.
     Вообще МЦ-элементы допускают несколько десятков зарядно-разрядных циклов (10-20 циклов для солевых и в 2 раза больше для щелочных). Но заряд должен быть обеспечен сразу после разряда на глубину не более 25 % (до напряжения не ниже 1,1 В). При длительном хранении элементов до разряда их последующий заряд сильно затрудняется. К тому же запас емкости с циклами постепенно уменьшается так же, как и напряжение. Для заряда рекомендуется использовать зарядное устройство с напряжением 1,7-1,75 В на элемент с ограничением тока заряда.
     Организовать эксплуатацию МЦ-элементов в таком режиме хлопотно и нецелесообразно из-за дешевизны элементов этой системы. Следует помнить также, что при таком режиме эксплуатации у них сильно усиливается течь электролита. Поэтому чтобы не испортить аппаратуру, в которой используются МЦ-элементы, подзаряд их проводить не рекомендуется.
     Поскольку качество первичного источника тока определяется выборочными методами контроля на производстве и не существует надежных способов оценить состояние сохранности конкретного изделия, необходимо иметь четкую информацию о дате выпуска и гарантиях производителя. Целесообразно заметить, что отечественная продукция дешевле зарубежной, но срок хранения ее, как правило, заметно ниже.

     Литиевые источники питания (Lithium)
     Литиевые батарейки обладают более высоким напряжением, чем источники тока других электрохимических систем. Литиевые элементы питания имеют низкий уровень саморазряда (не более 2% в год) и длительный срок хранения. Характеризуются стабильной работой в широком диапазоне температур от -30 до +65С. Литиевое батареи работают до тех пор, пока они не разрядятся почти полностью, так что вы сможете использовать практически всю номинальную емкость батареи.
     Литиевые элементы характеризуются очень высокой емкостью и долгим сроком службы даже при интенсивном использовании, например, при частых съемках со вспышкой и перемотке пленки. На сегодняшний день именно литиевые элементы питания зарекомендовали себя как наиболее надёжный, самый энергоемкий и всепогодный источник энергии, к тому же имеющий самый продолжительный срок хранения и использования. Однако литиевые батарейки являются и самым дорогим источником питания. Этот тип элементов был задуман как конкурент щелочным батарейкам. По сравнению с ними литиевые весят на треть меньше, имеют большую емкость, а, кроме того, еще и хранятся дольше. Превосходство над конкурентами проявляется наилучшим образом при большой нагрузке. В случае высоких токов нагрузки литиевые элементы могут работать в 2,5 раза дольше, чем алкалайновые батареи того же размера. Если же на выходе не требуется высокая сила тока, то эта разница заметна гораздо меньше. К примеру, один из производителей элементов питания заявил следующие характеристики двух типов своих батарей размера AA: при нагрузке 20 мА щелочная батарейка проработает 122 часа против 135 часов у лития. Если же нагрузку увеличить до 1А, то продолжительность работы составит 0,8 и 2,1 часа соответственно. Как говорится, результат налицо.
     Такие мощные батареи нет смысла ставить в устройства, потребляющие относительно немного энергии в течение длительного времени. Они были специально созданы для использования в фотоаппаратах.

     Никель-кадмиевые аккумуляторы
     Для столь прожорливых устройств, которыми являются современные фотоаппараты использование в качестве источника питания одноразовых батареек было бы непозволительной роскошью. Поэтому основным источником тока стали перезаряжаемые батареи - аккумуляторы. Наиболее доступными и распространенными из них являются никель-кадмиевые. Батареи этого типа имеют никелевый анод и кадмиевый катод. Никель-кадмиевые аккумуляторы (обозначаются Ni-Cad) пользуются заслуженной популярностью у потребителей во всем мире. Не в последнюю очередь это объясняется тем, что они выдерживают большое количество циклов зарядки-разрядки - 500 и даже 1000 - без существенного ухудшения характеристик. Кроме того они относительно легкие и энергоемкие (хотя их удельная емкость приблизительно в два раза меньше, чем у щелочных батареек). С другой стороны, они содержат токсичный кадмий, так что с ними надо быть поаккуратнее, как во время использования, так и после, при утилизации. Напряжение на выходе у большинства батарей падает по мере разрядки, потому что в результате химических реакций увеличивается их внутреннее сопротивление. Никель-кадмиевые батареи характеризуются очень низким внутренним сопротивлением, а потому могут подать на выход достаточно сильный ток, который, к тому же, практически не изменяется по мере разрядки. Соответственно, напряжение на выходе также остается практически неизменным до тех пор, пока заряд почти совсем не иссякнет. Тогда как напряжение на выходе резко падает практически до нуля. Постоянный уровень выходного напряжения является преимуществом при проектировании электрических схем, но это же делает определение текущего уровня заряда практически невозможным. Из-за такой особенности остаток энергии вычисляется на основе времени работы и известной емкости конкретного типа батарей, а потому является величиной приблизительной. Однако самым серьезным недостатком никель-кадмиевых аккумуляторов является "эффект памяти" (см. врезку 3).

     Никель-металлогидридные аккумуляторы
     Еще в конце 60-ых годов 20 века ученые открыли ряд сплавов, способных связывать атомарный водород в объеме, в 1000 раз превышающем их собственный. Они получили название гидриды, а химически они обычно представляют соединения таких металлов, как цинк, литий и никель. При грамотном использовании, с помощью гидридов можно хранить достаточно водорода, чтобы использовать его в обратимых реакциях внутри аккумуляторов. Наибольшее распространение получили никель-металлогидридные (NiMH) батареи, имеющие гидридный катод и никелевый анод.
     Использование гидридов имеет несколько преимуществ. Наиболее очевидным является то, что в производстве не используется токсичный кадмий. Отсутствие этого материала также означает, что такие батареи должны быть свободны от эффекта памяти. Кроме того, благодаря использованию водорода в качестве катода, удалось добить 50-процентного увеличения удельной емкости (по сравнению с никель-кадмиевыми батареями). На практике это значит, что с никель-металлогидридными аккумуляторами фотоаппарат или другое устройство будет работать на 50% дольше.
     Но применение водорода приносит не только положительные, но и отрицательные результаты. Главным недостатком является то, что эти батареи существенно сильнее подвержены саморазрядке. Некоторые из них теряют до 5% заряда за день, хотя в последних моделях этот показателей удалось снизить.
     График разрядки никель-металлогидридных аккумуляторов под нагрузкой немного отличается от никель-кадмиевых. По номинальному напряжению они не различаются (все те же 1,2 В). Но если батарея была полностью заряжена, то в течение некоторого времени напряжение на выходе составляет 1,4 В. После этого короткого промежутка оно падает до уровня 1,2 В, и дальше NiMH-батареи ведут себя так же, как и NiCad.
     Оба типа вообще имеют достаточно похожие свойства. NiMh-батареи также могут вырабатывать ток большой силы, выдерживают много циклов зарядки/разрядки (обычно около 500), но все же это две разные технологии.
     Если во время разрядки батареи двух этих типов ведут себя почти одинаково, то при зарядке сходства не наблюдается. Говоря конкретно, никель-кадмиевые батареи при зарядке практически не изменяют свою температуру. Никель-металлогидридные при этом вырабатывают тепло, причем при достижении полного заряда они могут нагреться весьма значительно. Из-за этого для разных батарей нужны разные зарядные устройства. И хотя на рынке присутствуют универсальные приборы, обычно единовременно в них можно заряжать аккумуляторы только одного типа.
     Достоинства и недостатки никель-металлгидридных аккумуляторов
     В зависимости от сплава, используемого для отрицательного электрода, напряжение разомкнутой цепи никель-металлгидридного аккумулятора находится обычно в диапазоне 1,32-1,35 В, т. е. практически равно НРЦ никель-кадмиевого аккумулятора. Никель-металлгидридные аккумуляторы выпускаются в таких же корпусах, что и никель-кадмиевые. Но замена отрицательного электрода позволила увеличить в 1,3-2 раза закладку активных масс положительного электрода, который и определяет емкость аккумулятора.
     Существенное увеличение удельных энергетических характеристик -не единственное достоинство Ni-MH аккумуляторов перед Ni-Cd аккумуляторами. Отказ от кадмия означает также переход к более экологически чистым производствам. Легче решается и проблема утилизации использованных аккумуляторов. Эти достоинства Ni-MH аккумуляторов определили более быстрый рост объемов их производства у всех ведущих мировых аккумуляторных компаний по сравнению с Ni-Cd аккумуляторами.
     У Ni-MH аккумуляторов нет "эффекта памяти", присущего Ni-Cd аккумуляторам из-за образования никелата в отрицательном кадмиевом электроде. Однако эффекты, связанные с перезарядом оксидно-никелевого электрода, остаются.
     Снижение разрядного напряжения, наблюдаемое при частых и долгих перезарядах так же, как и у Ni-Cd аккумуляторов, может быть устранено при периодическом осуществлении нескольких разрядов до 1 В. Такие профилактические мероприятия достаточно проводить 1 раз в месяц.
     Однако никель-металлгидридные аккумуляторы уступают никель-кадмиевым во многих эксплуатационных характеристиках. Они эффективно работают в меньшем диапазоне рабочих токов и имеют более узкий температурный диапазон функционирования. Большая их часть неработоспособна при температуре ниже -10 °С и выше +40 °С. Но в некоторых сериях аккумуляторов корректировка рецептур обеспечила некоторые отклонения от этих температурных границ.
     В процессе заряда Ni-MH аккумуляторов выделяется больше теплоты, чем при заряде Ni-Cd аккумуляторов. Поэтому максимальная допускаемая температура составляет 40 °С. В целях предотвращения перегрева батареи из Ni-MH аккумуляторов в процессе быстрого заряда и/или значительного перезаряда в них устанавливают термопредохранители или термореле, которые размещают на стенке одного из аккумуляторов в центральной части батареи.
     Опасность перегрева при заряде одного из аккумуляторов батареи, а также переполюсования аккумулятора с наименьшей емкостью при разряде батареи возрастает с рассогласованием характеристик аккумуляторов в результате длительного циклирования. Поэтому разработка батарей более чем из 10 Ni-MH аккумуляторов не рекомендуется всеми производителями.

     Литий-ионные аккумуляторы
     Литий является самым легким металлом, в то же время он обладает и сильно отрицательным электрохимическим потенциалом. Благодаря этому литий характеризуется наибольшей теоретической удельной электрической энергией. Вторичные источники тока на основе лития обладают высоким разрядным напряжением и значительной емкостью.
      Первые работы по литиевым аккумуляторам были осуществлены Г.Н.Льюисом (G. N. Lewis) в 1912 году. Однако, только в 1970 году появились первые коммерческие экземпляры первичных литиевых источников тока. Попытки разработать перезаряжаемые литиевые источники тока предпринимались еще в 80-е годы, но были неудачными из-за невозможности обеспечения приемлемого уровня безопасности при обращении с ними. Основной проблемой при использовании лития является его высокая активность. Он даже может вспыхнуть - что уж говорить, не самая приятная особенность, когда речь идет о батареях.
     При создании перезаряжаемых литиевых источников тока, однако, необходимо было преодолеть ряд затруднений. Известно, что литиевые элементы длительное время сохраняют заряд благодаря образованию на поверхности лития пассивирующей пленки, предохраняющей его от коррозии в электролите на основе апротонных органических растворителей. Но для вторичных источников тока наличие пленки создает проблемы, ограничивающие их циклируемость. Так как литий часто осаждается в виде дендритов, пленка во многих случаях приводит к нарушению контакта с токопроводящей основой. Кроме того, при заряде литиевого аккумулятора могут возникать специфические проблемы, которые называют термическим разгоном: в результате взаимодействия большой новой поверхности лития с компонентами электролита температура может подняться в некоторых случаях настолько, чтобы расплавить некоторое количество лития, что приводит к ускорению этого взаимодействия и дальнейшему повышению температуры аккумулятора (вплоть до его возгорания).
     Для решения этих проблем исследования проводились в трех направлениях:
     - подбор растворителей и электролита;
     - использование в качестве анода вместо лития его сплавов;
     - подбор катодных материалов разной природы.
     При поиске электролита исследовалась природа растворителей, изучалось влияние различных добавок, которые должны были обеспечить образование гладких литиевых осадков. Было показано, что на циклируемость литиевого электрода существенно влияет плотность тока в цикле заряда-разряда и особенно глубина разряда. В результате были подобраны электролиты, в которых литиевый электрод удовлетворительно циклируется при достаточно большой глубине разряда (до 50 %).
     Другой путь улучшения циклируемости литиевых аккумуляторов состоял в поиске сплава лития с другими металлами, более инертными в апротонных средах. Наибольшее внимание уделялось сплавам с алюминием. Однако в процессе разряда у электродов из таких сплавов сильно меняется удельный объем, что и препятствует глубокому разряду аккумуляторов. Меньшее изменение удельного объема наблюдается у сплавов лития с тяжелыми металлами. Но удельные характеристики таких электродов очень низки.
     В поиске катодных материалов ключевым являлся факт отсутствия в апротонных растворителях протонов. Перенос электричества осуществляют катионы лития, находящиеся в растворе электролита. При разряде они внедряются в кристаллическую решетку окислителя (этот процесс называется интеркаляцией), при заряде они должны покидать ее и переходить в электролит. Литиевый источник тока становится циклируемым, если структура основного реагента допускает внедрение второго реагента без разрушения и реакция внедрения обратима. К настоящему времени предложено немало химических соединений, способных к превращениям такого рода. К ним относятся оксиды, сульфиды, халькогениды и др., некоторые соединения элементов VIII группы. Используемые соединения имеют слоистую, волокнистую или кристаллическую структуру.
     Среди слоистых соединений более всего были изучены дисульфид титана и селенид ниобия, а также сульфиды и диселениды ванадия, сульфиды железа и меди. Рассматривались и соединения более сложного состава, в которые предварительно внедряются добавки небольших количеств различных металлов, катионов большего радиуса, чем у катиона лития. Наилучшие результаты по циклированию в апротонных средах были получены при использовании оксидов молибдена и ванадия.
     Промышленное производство перезаряжаемых источников тока с литиевым анодом началось в середине 1990-х годов с выпуска аккумуляторов емкостью 0,6-0,9 Ач, относящихся к источникам тока низкого напряжения (2,2-3,2 В). В настоящее время перезаряжаемые литиевые аккумуляторы выпускает несколько компаний.
     Аккумуляторы допускают 500 циклов при подзаряде после разряда на глубину 20 % и 3000 циклов - после разряда на глубину 5 %. Они обеспечивают более 5 лет службы при использовании в системах защиты памяти.
     Заряд аккумуляторов производится при постоянном напряжении (3,1 ±0,15) В. При использовании источников тока серии ML в режиме подзаряда напряжение источника питания должно быть (2,95 ±0,15) В.
     Наиболее популярными материалами для создания литий-ионных аккумуляторов в настоящее время являются графит и литийкобальтоксид (LiCoO2). Хотя эти электродные материалы обладает в несколько раз меньшей по сравнению с литием удельной электрической энергией, при этом аккумуляторы на их основе являются достаточно безопасными при условии соблюдения некоторых мер предосторожности в ходе заряда-разряда.
     Для анода графит с упорядоченной структурой кажется более перспективным, поскольку позволяет обеспечить большую удельную емкость аккумулятора и стабильное разрядное напряжение. Его использует большая часть компаний, производящих Li-ИА.Электролит - смесь органических растворителей.
     Процесс разряда и заряда Li-ИА сводится к переносу ионов лития из матричного анода в матричный же катод. Металлический литий в системе отсутствует, поэтому аккумуляторы и получили свое специфическое название.
     Кроме высоких удельных характеристик литий-ионных аккумуляторов к их достоинствам следует отнести высокий коэффициент отдачи по емкости и малый саморазряд.
     В России исследования в области Li-ИА ведутся в нескольких институтах, есть определенные успехи в разработке электродных материалов и технологий их изготовления. Однако массовое производство аккумуляторов в настоящее время отсутствует.
     На мировом рынке первыми в 1990 г. появились малогабаритные литий-ионные аккумуляторы японских компаний. Но так как эксплуатация их кардинально отличается от эксплуатации источников тока других электрохимических систем, чтобы не возникало желания простой замены ими щелочных источников тока с такими же габаритными размерами, поставлялись только литий-ионные батареи, в которых предусматривалась электронная защита от перезаряда и переразряда (по напряжению). Для защиты от перегрева в батарее устанавливаются термисторы и термопредохранители. В самих литий-ионных аккумуляторах кроме того под крышкой имеется пружина для прерывания тока, если давление внутри аккумулятора в результате термического разгона превысит допустимые пределы.
     С конца 1997 г. японские компании начали широкомасштабный выпуск литий-ионных аккумуляторов, и третью часть из них производила компания SONY. Начался выпуск аккумуляторов и во многих компаниях по всему миру. В настоящее время номенклатура аккумуляторов цилиндрической и призматической конструкций обширна и у некоторых компаний насчитывает более десятка типоразмеров. Основные потребители этой продукции - это производители сотовых телефонов и портативных компьютеров. Серьезную конкуренцию всемирно известным компаниям (SONY, SANYO, MATSUSHITA, TOSHIBA) начинают составлять другие азиатские компании, такие как китайские BYD Battery Co. и Taijin Lantian High-Tech Power Sources Joint-Stock Co., корейские LG Electronics Inc. и Samsung Electronics Co.
     Современные литий-ионные аккумуляторы имеют высокие удельные показатели: 100-150 Втч/кг и 250-300 Втч/дм3. Рабочее напряжение -3,5-3,7 В. Аккумуляторы работоспособны в широком диапазоне токов разряда и температур (от -20...-30 до +60 °С). Саморазряд их составляет 5-6 % за первый месяц, затем ~ значительно меньше. Ресурс - 500-1000 циклов.
     Следует отметить особое свойство литий-ионных аккумуляторов - необратимо терять емкость на первом цикле заряда-разряда.
     Вообще сборка Li-ИА происходит в разряженном состоянии, что позволяет обходиться без специальных мер предосторожности на протяжении значительной части технологического процесса. Собранное изделие может храниться сколь угодно долго. Для приведения в действие его необходимо зарядить, и это может рассматриваться как предпродажная подготовка. В процессе первого заряда кроме внедрения лития в структуру углеродного материала происходит разложение электролита с образованием пленки, обладающей только ионной проводимостью. Имеет место также и необратимое внедрение лития. Поэтому количество электричества, сообщаемое при первом заряде, существенно (на 30 - 40 %) превышает отдаваемую емкость. Это необратимая потеря емкости заставляет разработчиков аккумулятора закладывать избыток активных масс положительного электрода.
     Удельные характеристики литий-ионных аккумуляторов по крайней мере вдвое превышают аналогичные показатели никель-кадмиевых аккумуляторов и хорошо характеризуют себя при работе на больших токах, что необходимо, например, при использовании данных аккумуляторов в цифровых фотоаппаратах.

     Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol)
     Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol) - последняя новинка в литиевой технологии. Имея примерно такую же плотность энергии, что и Li-ion аккумуляторы, литий-полимерные допускают изготовление в различных пластичных геометрических формах, нетрадиционных для обычных аккумуляторов, в том числе достаточно тонких и способных заполнять любое свободное место.
     Возможность создания литий-полимерного (Li-pol) аккумулятора исследовалась более 25 лет. В основе идеи лежит обнаруженное явление перехода некоторых полимеров в полупроводниковое состояние в результате внедрения в них ионов электролита. Проводимость полимеров при этом возрастает более чем на порядок (до 40 раз). Этот процесс внедрения называют допированием.
     Основные исследования были сосредоточены на создании аккумулятора с металлическим анодом (литий или его сплав) и полимерным катодом в электролите твердом или загущенном на полимерной основеВ настоящее время такие аккумуляторы уже выпускаются промышленно. Это новое поколение перезаряжаемых источников тока с удельными характеристиками до 180 Втч/кг и 250-400 Втч/дм3 для портативных устройств разного рода, прежде всего для сотовых телефонов.
     Заряд литий-полимерных аккумуляторов производится до напряжения не выше 4,2 В. При начальном токе порядка 1 С полный заряд (при снижении тока до 0,05 С) достигается в течение 2,5 ч.
     Li-pol аккумулятор, называемый также "пластиковым", конструктивно подобен Li-ion, но имеет гелевый электролит. Анод отделен от катода полимерной перегородкой, композитным материалом, таким как полиакрилонитрит, который содержит литиевую соль. В результате становится возможной упрощение конструкции элемента, поскольку любая утечка гелеобразного электролита невозможна. Таким образом, при одинаковой удельной плотности, литий-полимерные батареи оптимальной формы могут хранить на 22% больше энергии, чем аналогичные литий-ионные. Это достигается за счет заполнения "мертвых" объемов в углах отсека, которые остались бы неиспользованными в случае применения цилиндрической батареи.
     Кроме этих очевидных преимуществ, литий-полимерные элементы являются экологически безопасными и более легкими, за счет отсутствия внешнего металлического корпуса.

     Новинки лабораторий
     Технологии производства источников питания развиваются стремительно. Скорее всего, те новинки, которые пока не покинули пределы лабораторий через год-другой займут свое место на прилавках фотомагазинов. Так, ученые из INEEL (американской национальной лаборатории в штате Айдахо) сообщили о разработке новой конструкции литиевой батареи, в которой значительно расширены функциональные возможности этого достаточно традиционного устройства и преодолены имеющие недостатки.
     Основное изменение конструкции заключается в использовании смеси гелеобразного полимера и керамического порошка, которые образуют прозрачную мембрану, играющую роль электролита при контакте с двумя электродами. Такая конструкция обладает рядом преимуществ (по сравнению с традиционными, где в качестве электролита используются жидкости и гели). В первую очередь, в новой конструкции исключена возможность утечки электролита (поскольку электролит твердый) и нет осаждения изолирующего слоя на поверхности электродов, что приводит к сокращению времени работы батареи и в конце концов к потере ее работоспособности. Отсутствие жидкого электролита (который к тому же потенциально пожароопасен и в некоторых случаях приводит к взрывам в процессе зарядки батарей), значительно повышает безопасность использования этого устройства. Сами исследователи видят наибольшее преимущество твердого электролита в том, что батареи теперь можно будет использовать в более широком температурном диапазоне - электролит не расплавится при высоких температурах и не замерзнет при низких, сохраняя свою работоспособность даже при -73 C.
     Еще одна новинка: компания MTI MicroFuel Cells Inc. сделала большой прорыв в энергетических технологиях, создав новый элемент питания на базе метанола. Новые батареи будут очень легки и дешевы, что позволит их с успехом использовать в карманных компьютерах и прочих мобильных устройствах. Причем энергия будет поступать не от батарей, расположенных в специальном углублении в корпусе, а из съемного метанолового картриджа. Пока новинка существует только в виде прототипа, а самая маленькая модель по размерам схожа с колодой карт, но в ближайшие годы, компания надеется, появятся гораздо меньшие экземпляры, которые смогут обеспечивать энергией в 10 раз большей, чем литий-ионные аккумуляторы.
     Последний прототип способен обеспечивать энергией 0,24 Вт час на квадратный см, в последствие этот показатель будет увеличен до 5 Вт час. Он представляет собой метаноловый картридж, который может работать в любом положении. MTI MicroFuel Cells планирует начать продажи новинки в 2004 году. Цены на новые батареи будут сравнимы с ценами на литий-ионные аккумуляторы.
     В общем, ученые не дадут нам заскучать - только мы привыкаем к удивительным качествам одного источника питания, как ему на смену уже спешит следующий - еще более совершенный.

     Элементы питания в фотографии
     Рассказав выше об особенностях и устройстве различных элементов питания, нельзя не упомянуть об их применении в интересующей нас области - в фотографии.
     В целом можно разделить камеры на использующие элементы стандартных размеров (в основном, AA) и имеющие в комплекте свои собственные аккумуляторы. Первый тип камер имеет в комплекте поставки однократные элементы питания, на которые не стоит возлагать особых надежд - это самые дешевые батарейки, которые весьма быстро разрядятся, так что скорее всего придется приобрести отдельное зарядное устройство и максимально емкие (1500-1600 mAh) аккумуляторы. Кроме емкости, важным является максимально обеспечиваемый элементами ток - наполовину подсевшие однократные элементы обычно не в состоянии его обеспечить. Поэтому для интенсивной съемки предпочтительно иметь несколько комплектов аккумуляторов и зарядное устройство. Следует помнить, что современные Ni-MH аккумуляторы (а большинство элементов AA относится именно к этому типу) в течение 2-3 месяцев почти полностью теряют свой заряд, поэтому лучше всего заряжать их незадолго до съемки и не хранить длительное время. Аппараты с собственной аккумуляторной батареей обычно имеют в комплекте зарядное устройство, но вот дополнительный аккумулятор к ним может оказаться найти несколько сложнее.
     Неразрывно связанным с батареями моментом является энергопотребление самой камеры: более экономичные аппараты, возможно, смогут пристойно работать с обычными щелочными элементами; также, возможно, и камера, имеющая единственный "специальный" аккумулятор сумеет полностью удовлетворить потребности в съемке, если она потребляет небольшое количество энергии. Некоторой закономерностью можно считать тот факт, что чем дороже камера при неизменном размере матрицы, тем ниже ее энергопотребление: например, у дешевых камер более половины всей энергии потребляет дисплей, в то время как в более дорогих зачастую устанавливаются экономичные LCD-экраны с более низкой потребляемой мощностью.
     Солевые элементы питания - являясь самыми дешевыми элементами с невысокими потребительскими качествами, солевые элементы питания применяются в основном в пленочных любительских аппаратах низшей ценовой категории. Поскольку в таких камерах чаще всего даже перемотка пленки осуществляется вручную, то батареи нужны только для функционирования маломощной встроенной вспышки. Это позволяет солевым элементам обеспечивать достаточно приличный срок службы.
     Щелочные Батареи (Alkaline) - наиболее широко используемые в любительском секторе элементы питания. Чаще всего применяются в пленочных любительских камерах, а так же для питания дополнительных аксессуаров - фотовспышек, внешних экспонометров и т.д. Для использования в цифровых камерах неудобны - высокое энергопотребление последних делает такое применение невыгодным.
     Литиевые источники питания - чаще всего используются в камерах высокого класса, но с небольшим энергопотреблением. Например, механические зеркальные фотоаппараты, где литиевые элементы обеспечивают длительную работу экспонометрической системы. Так же применяются в любительских пленочных аппаратах средней и высокой ценовой категории. Из-за разнообразия форм-факторов, литиевые источники нередко выпускаются по конкретную модель камеры.
     Никель-кадмиевые аккумуляторы и никель-металлогидридные аккумуляторы - используются в качестве замены солевым и щелочным элементам питания. Наиболее часто используемый форм-фактор - АА, аналогичный элементам первого рода. Спектр применения очень широк - от самых дешевых пленочных камер, до цифровых аппаратов невысокого класса. Значительное удобство для потребителя представляет широко распространенный форм-фактор и большой выбор этих элементов и зарядных устройств к ним в продаже.
     Литий-ионные аккумуляторы - поскольку эти элементы питания предназначены для работы с большими токами, то их естественной сферой применения стали цифровые фотокамеры, особенно современные, с большим разрешением матрицы. Часто такие аккумуляторы бывают встроенными в камеру.
     Нельзя не отметить, что литий-ионные аккумуляторы имеют так же применение в смежных с фотографией областях. Так, активному пользователю цифровой камеры часто бывает нужен ноутбук или КПК, для переноса снимков из встроенной памяти фотоаппарата. Подавляющее большинство этих устройств оснащены именно литий-ионными источниками питания.
     Литий-полимерные аккумуляторы - в силу того, что эти элементы являются достаточно новыми, их применение в фотографии пока весьма ограничено. Тем не менее, есть тенденция к тому, что они постепенно займут нишу литий-ионных аккумуляторов.

     Заключение
     Современный фотоаппарат без батареек - просто дорогой и бесполезный ящик. Фотомагазин без источников питания на прилавке - абсурд и коммерческий провал. Мы надеемся, что этот обзор поможет покупателю сделать обоснованный выбор, а сотрудникам магазинов - помочь ему в этом.

     Терминология
     * Анод - положительный вывод батареи.
     * Батарея - два или более элементов, соединенных последовательно или (и) параллельно для обеспечения нужного напряжения и тока.
     * Внутреннее сопротивление - сопротивление току через элемент, измеренное в Омах. Иногда называется внутренним импедансом.
     * Выход энергии - расход емкости, умноженный на среднее напряжение в течение времени разряда батарей, выраженный в Ватт-часах (Втч).
     * Емкость - количество электрической энергии, которое батарея выделяет при определенных условиях разряда, выраженное в ампер-часах (Ач) или кулонах (1 Ач = 3600 Кл).
     * Заряд - электрическая энергия, передаваемая элементу, с целью преобразования в запасаемую химическую энергию.
     * Катод - отрицательный вывод батареи.
     * Компенсационный подзаряд - метод, при котором для приведения батареи в полностью заряженное состояние и поддержания ее в этом состоянии используется постоянный ток.
     * Напряжение отсечки - минимальное напряжение, при котором батарея способна отдавать полезную энергию при определенных условиях разряда.
     * Напряжение холостого хода - напряжение на внешних зажимах батареи при отсутствии отбора тока.
     * Номинальное напряжение - напряжение на полностью заряженной батарее при ее разряде с очень низкой скоростью.
     * Плавающий заряд - метод поддержания подзаряжаемой батареи в полностью заряженном состоянии путем подачи выбранного постоянного напряжения для компенсации в ней различных потерь.
     * Плотность энергии - отношение энергии элемента к его массе или объему, выраженное в Ватт-часах на единицу массы или объема.
     * Поляризация - падение напряжения, вызванное изменениями химических композиций компонентов элементов (разница между напряжением холостого хода и напряжением в любой моментразряда).
     * Разряд - потребление электрической энергии от элемента во внешнюю цепь.
     * Глубокий разряд - это состояние, в котором практически вся емкость элемента израсходована.
     * Неглубокий разряд - это разряд, при котором израсходована малая частьполной емкости.
     * Сепаратор - материал, используемый для изоляции электродов друг от друга. Он иногда удерживает электролит в сухих элементах.
     * Срок хранения - период времени, в течение которого, элемент хранящийся при нормальных условиях (20oC), сохраняет 90% первоначальной емкости.
     * Стабильность - однородность напряжения, при котором батарея отдает энергию в течение полного режим разряда.
     * Элемент - базовая единица, способная преобразовывать химическую энергию в электрическую. Он состоит из положительного и отрицательного электродов, погруженных в общий электролит.
     * Электрод - проводящий материал, способный при реакции с электролитом производить носителей тока.
     * Электролит - материал, проводящий носителей заряда в элементе.
     * Цикл - одна последовательность заряда и разряда элемента.
     

     ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКОВ ТОКА
     Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) - это напряжение источника тока без нагрузки. Значение НРЦ определяется электрохимической системой источника тока. Некоторое влияние на НРЦ оказывают концентрация электролита, температура окружающей среды, степень разряженности источника тока.
     Номинальное напряжение (Uн) - условная величина напряжения источника тока в средней части его характеристики при разряде в номинальном (стандартном) режиме, который устанавливается нормативно-технической документацией на источник тока.
     Следует заметить, что у первичных источников тока номинальное напряжение чаще характеризует начальную его величину. Напряжение в средней части разрядной характеристики обычно ниже (зависит от ее наклона и величины нагрузки).
     Номинальная емкость (Сн) - емкость (количество электричества), отдаваемая источником тока во внешнюю цепь при номинальном токе разряда при 20 °С. Измеряется в ампер-часах (Ач).
     Для аккумуляторов регламентируются также ток заряда, после которого в разряде определяется Сн, и продолжительность паузы между зарядом и разрядом при таких испытаниях.
     Номинальный (стандартный) ток заряда и разряда - ток, регламентируемый документацией на источник тока. Записывается в долях от номинальной емкости (например, ток 0,1 С означает ток, равный по величине десятой доле номинальной емкости).
     Для практики важной характеристикой является напряжение источника тока под нагрузкой - рабочее напряжение ХИТ. Оно меньше НРЦ, так как потенциалы электродов при протекании тока заметно отличаются от потенциалов при разомкнутой цепи и, кроме того, имеет место падение напряжения на омическом сопротивлении ХИТ.
     Поведение источника тока под нагрузкой и его энергетические возможности обычно описывают разрядной характеристикой - изменением напряжения источника тока во времени при разряде постоянным током (для элементов чаще на постоянную нагрузку). Форма разрядной кривой зависит как от электрохимической природы источника тока, его конструкционных особенностей и технологии изготовления, так и от режимов и условий разряда. Для стабильной работы аппаратуры с автономным питанием наилучшим является химический источник тока со обильным напряжением на протяжении большей части разрядной кривой.
     Наиболее полно информация об эксплуатационных возможностях источника тока представляется в виде семейства разрядных кривых при токах во всем допустимом диапазоне и при разной температуре. При разряде большими токами емкость, отдаваемая источником тока, может быть значительно меньше той, что можно получить при разряде стандартным током 0,2 С. Последующий доразряд малым током позволяет получить еще некоторое количество энергии, хотя суммарная емкость все же остается меньше номинальной.
     Энергетические возможности ХИТ могут быть описаны и семейством кривых, отражающих зависимость разрядной емкости от тока разряда и температуры.
     Для перезаряжаемых источников тока существенными являются также и зарядные характеристики. Обычно дается семейство кривых, отражающих изменение зарядного напряжения при нескольких токовых режимах и температурных условиях, которое позволяет понять все ограничения процесса и возможности его контроля.
     Эффективность зарядно-разрядного цикла при разных режимах эксплуатации оценивается коэффициентом отдачи по емкости. Для сравнительной оценки энергетических возможностей ХИТ разных электрохимических систем, типов и конструкций обычно используют величины достигнутой удельной энергии, массовой (в Втч/кг) и объемной (в Втч/дм3). Понятно, что чем выше рабочее напряжение источника тока, тем большие удельные энергетические характеристики можно обеспечить.
     Эти характеристики определяются как теоретически достижимым коэффициентом использования активных масс источника тока, так и его конструкцией и технологией изготовления.
     

Источники:
     www.pencomputing.com, News.Battery.Ru, www.extremetech.com, probuem.ru, www.mobilenews.ru, www.glazok.ru,
     А.А. Таганова, И.А. Пак "Герметичные химические источники тока для портативной аппаратуры" Справочник. Химиздат. 2003.