Батарейки

Несколько дней назад мы публиковали новость о том, что американский стартап Nano Diamond Battery представил работающий прототип бета-гальванической батареи, способной работать тысячи лет. Рабочие батарейки стартап обещает уже в конце этого года.

Как оказалось, похожая разработка есть и у отечественных ученых. Специалисты из НИИТУ МИСиС в начале августа этого года продемонстрировали собственный прототип батареи, конструкция которой основана на микроканальной объемной структуре никелевого бета-гальванического элемента. Срок службы его около 20 лет.



Особенность структуры в том, что радиоактивный элемент наносится с двух сторон планарного p-n перехода. Это позволяет упростить технологию изготовления элемента, плюс контролировать обратный ток. Благодаря микроканалам эффективная площадь преобразования бета-излучения увеличивается в 14 раз, а значит, увеличивается и ток.

По словам представителей университета, элемент может использоваться в нескольких режимах: аварийный источник питания или датчик температуры в девайсах, которые эксплуатируются при экстремальных температурах в труднодоступных местах, включая горы, воду или даже космос.



Не радиоактивностью единой

А еще ученые НИИТУ МИСиС разработали термохимические ячейки, которые превращают тепло в электрическую энергию. Элементы питания такого типа имеют небольшой размер. Благодаря этому их можно сделать носимыми, размещая на одежде.



Ну а вырабатываемую энергию можно будет использовать для подпитки разных мобильных устройств. По мнению ученых, термоэлектричество одно из наиболее перспективных направлений энергетики. Правда, есть проблема выходная мощность слишком низкая.

Специалисты нашли способ решить эту проблему в конструкции батареек используются оксидно-металлические электроды на основе полых никелевых микросфер и водного электролита. Это решение дает возможность повысить ток, снизив внутреннее сопротивление элемента.



Напряжение разомкнутой цепи может в этом случае достигать 0,2 В при температуре электрода до 85 градусов Цельсия. Мощность такого элемента в 10-20 раз выше по сравнению с аналогами. Ну а использование водного электролита позволяет снизить стоимость производства и увеличить безопасность системы.

Ученые заявили о том, что им удалось достигнуть рекордного для водных электролитов показателя гипотетического коэффициента термоэлектрической чувствительности в 4,5 мВ/К.

В ближайшем будущем отечественные ученые собираются увеличить выходную мощность за счет оптимизации состава электродов и улучшения общей конструкции термоячейки.

Многие из вас удивятся, когда узнают, что обычные щелочные (alkaline) батарейки можно заряжать с помощью специального зарядного устройства. Я провёл эксперимент, чтобы выяснить, сколько энергии способны дать батарейки после перезарядки.




Мне известно только две модели зарядных устройств для батареек. Первое устройство продаётся на Aliexpress, стоит около 600 рулей, заряжает только батарейки и питается от USB.

Второе устройство ROBITON Ecocharger AK02 стоит около 900 рублей, заряжает как батарейки, так и аккумуляторы, питается от сети.



Режим заряда переключается на боковой панели устройства.



Устройство заряжает аккумуляторы током 350 мА, батарейки заряжаются током 100-150 мА.



Можно заржать батарейки и аккумуляторы форматов АА и ААА, у устройства четыре независимых канала. Двухцветные светодиоды показывают состояние каждого канала, так что это заодно ещё и хорошая зарядка для аккумуляторов.



Для эксперимента я взял новые батарейки АА и ААА двух брендов заведомо хорошие GP Super и одни из самых дешёвых FLARX из магазинов FixPrice. Каждого вида по три штуки, всего 12 штук.



Сначала все батарейки были разряжены в трёх режимах с замером ёмкости:

1. Разряд в режиме постоянное сопротивление с начальным током 200 мА;
2. Разряд в режиме постоянное сопротивление с начальным током 1000 мА;
2. Разряд импульсами (10 сек нагрузка, 20 сек пауза) в режиме постоянное сопротивление с начальным током 2500 мА для АА и 1000 мА для ААА.

Все батарейки разряжались до 0.9 В. Я получил следующие результаты ёмкости новых батареек.



Графики разряда.



Далее я дал батарейкам отдохнуть в течение 12 часов, зарядил их, снова дал отдохнуть и разрядил в тех же режимах. И так пять раз (весь процесс занял почти месяц). Я не буду загромождать статью огромным количеством цифр и графиков, покажу лишь, как падала отдаваемая энергия в процентах от начальной.

Лучше всего заряжаются батарейки, которые были разряжены импульсами большого тока: после первой зарядки они дают 60-75% энергии при разряде в таком же режиме и даже после пятой зарядки они способны дать 39-43% начальной энергии. В этой и следующих таблицах указан процент от начальной энергии в ватт-часах после 1, 2, 3, 4 и 5 зарядки.



Хорошо заряжаются батарейки и после непрерывного разряда большим током: 50-60% после первой зарядки, 24-32% после пятой.



А вот после разряда небольшим током всё гораздо хуже. Батарейка FLARX AAA вообще не смогла зарядится ни разу, GP AAA один раз зарядилась и дала 36% начальной энергии, но больше зарядится не смогла. Батарейки АА дали 35-39% начальной энергии после первого заряда, а дальше FLARX AA продолжала заряжаться и давать 33-35% энергии каждый раз, а GP AA зарядиться почти не смогла.



Но энергия это ещё не всё. После заряда батарейки имеют изначально меньшее напряжение и некоторые устройства будут считать свежезаряженные батарейки наполовину разряженными. Я измерил напряжение через минуту после начала разряда.

Новые батарейки, разряжаемые малым током, изначально имеют напряжение выше 1.5В, но уже после первой зарядки их начальное напряжение оказалось около 1.2В и многие устройства справедливо будут считать заряженные батарейки полудохлыми.

В этой и следующих таблицах указаны значения напряжения в вольтах для новой батарейки (0) и после 1-5 зарядки, измеренные через минуту от начала разряда указанным током.



При непрерывном разряде новых батареек большим током через минуту напряжение на батарейках АА составляет около 1.4В, а на батарейках ААА 1.3В. У заряженных батареек это напряжение на 0.2В меньше.



Похожая картина и у батареек, разряжавшихся импульсами большого тока.



В ходе эксперимента выяснено следующее:

щелочные (alkaline) батарейки действительно можно заряжать, причём не один раз;
после зарядки большинство батареек дают от трети до двух третей начальной ёмкости;
лучше всего заряжаются батарейки, которые разряжались большими токами;
чем качественнее батарейка изначально, тем хуже она заряжается, так как при первом использовании она отдала максимум энергии;
процесс заряда занимает от 3 до 12 часов в зависимости от состояния батарейки;
чем больше энергии было отдано батарейкой изначально, тем хуже она заряжается;
для успешного заряда нужно, чтобы напряжение на разряженной батарейке было выше 1 вольта;
в процессе эксперимента ни одна батарейка не протекла.

Стоит ли заряжать батарейки? А почему-бы и нет, но вряд ли имеет смысл заряжать их больше одного раза. Мне кажется лучше всего использовать новые батарейки в устройствах с большим энергопотреблением, а когда они сядут, зарядить их и установить в устройство с небольшим потреблением, например в часы или пульт.

2020, Алексей Надёжин

Номинальное напряжение щелочных батареек 1.5 вольта, а номинальное напряжение NiMh-аккумуляторов 1.2 вольта, из-за этого многие думают, что аккумуляторы могут не работать в устройствах, предназначенных для работы от батареек. Я изучил, как меняется напряжение на батарейках и аккумуляторах при разрядке в разных режимах.

Для теста были использованы хорошие батарейки Lexman и аккумуляторы, использующие технологию Eneloop Fujitsu AA 2500 mah и IKEA LADDA AAA 900 mAh.




Для тестирования ёмкости и нагрузочной способности батарейки и аккумуляторы разряжались в трёх режимах:

Разряд постоянным током 200 мА. Такая нагрузка свойственна для электронных игрушек;
Разряд импульсами (10 секунд нагрузка, 20 секунд пауза) 2500 мА для батареек AA и 1000 мА для AAA. Такая нагрузка свойственна для мощных устройств;
Разряд в режиме постоянное сопротивление с начальным током 1000 мА. Этот режим эмулирует работу фонаря или устройств с электромоторами.

Измерение делались при разряде до напряжения 0.7 В.

Разряд постоянным током 200 мА



Отданная энергия:
AA: аккумулятор 2.97 Втч, батарейка 2.52 Втч;
AAA: аккумулятор 1.08 Втч, батарейка 1.00 Втч;

Аккумуляторы AA дают больше энергии на 15%, аккумуляторы AAA на 7%.

Хоть начальное напряжение на аккумуляторах ниже, уже после разряда на треть оно становится равно напряжению на батарейках. При разряде батареек на 10% напряжение падает до 1.4 В и дальше при разряде до 90% оно плавно падает до 1 В. Аккумуляторы ведут себя по-другому. При первых 30% разряда напряжение плавно падает с 1.4 до 1.2В, а дальше остаётся почти неизменным до тех пор, пока аккумулятор не разрядится на 90%, в последние 10% работы аккумулятора напряжение начинает падать до 1 В и ниже.

Разряд в режиме постоянное сопротивление с начальным током 1000 мА



Отданная энергия:
AA: аккумулятор 3.02 Втч, батарейка 1.55 Втч;
AAA: аккумулятор 1.08 Втч, батарейка 0.59 Втч;

При большой нагрузке аккумуляторы AA дают больше энергии на 49%, аккумуляторы AAA на 45%.

При такой нагрузке напряжение на батарейках уже после 1% разряда падает ниже напряжения на аккумуляторах!

Разряд импульсами 2500 мА (10 секунд нагрузка, 20 секунд пауза)



Отданная энергия: аккумулятор 2.61 Втч, батарейка 0.82 Втч;

При сверхвысокой нагрузке разница между батарейками и аккумуляторами становится ещё больше: аккумулятор даёт более, чем втрое больше энергии.

На графике хорошо видно, что напряжение под нагрузкой у аккумулятора выше с первой секунды разрядки.

Аккумулятор выдерживает гораздо большую нагрузку, поэтому разница напряжения при подаче и снятии нагрузки у него не велика (около 0.1 В), а у батарейки она достигает 0.5 В.

Разряд импульсами 1000 мА (10 секунд нагрузка, 20 секунд пауза)



Отданная энергия: аккумулятор 0.94 Втч, батарейка 0.50 Втч;

Точно такая же картина при разряде сверхбольшим током батареек и аккумуляторов ААА.
аккумулятор даёт почти вдвое больше энергии и напряжение на нём выше в течение всего разряда.


Из моих экспериментов можно сделать следующие выводы:

Аккумуляторы дают преимущества в любых режимах, но особенно большая разница наблюдается при питании мощной и сверхмощной нагрузки аккумулятор может давать в три и более раз больше энергии.
Несмотря на то, что номинальное напряжение у аккумуляторов меньше (1.2 В, а у батареек 1.5 В), фактически в процессе разряда оно становится больше, чем у батареек (с самого начала при большой нагрузке и приблизительно после трети разряда при маленькой).
Аккумуляторы не очень целесообразно использовать в устройствах с очень маленьким потреблением (часы, пульты), где батарейки меняются реже, чем раз в год.
В устройствах, батарейки в которых садятся чаще, чем раз в год, применение аккумуляторов даёт не только экономию, позволяет заботиться об экологии, но и обеспечивают более долгую работу без подзарядки (смены батареек).

2020, Алексей Надёжин

Весной я протестировал 9 батареек типа Крона. Тогда был жёсткий карантин и в тест попали лишь те батарейки, которые удалось купить в ближайших магазинах, а также те и батарейки, что были у меня дома. Из-за этого несколько батареек оказались с истекающим сроком годности и в тест не попали батарейки самых известных брендов.

Теперь я постарался собрать популярные батарейки этого типа и протестировал 20 щелочных батареек 6LR61 и 3 солевые батарейки 6F22.




Батарейки Крона имеют номинальное напряжение 9 вольт, поэтому для теста нельзя использовать высокоточные многоканальные приборы Яростанмаш и анализатор Олега Артамонова (оба этих прибора работают с напряжениями не выше 4.5 вольт). Мне пришлось тестировать Кроны с помощью модифицированного прибора EBD-USB+ в режиме регистратора напряжения. Он подключается к компьютеру и записывает в файл точные значения напряжения на батарейке каждые две секунды.





У прибора есть встроенная электронная нагрузка и функция измерения тока, но ток измеряется с точностью до 1 мА, чего в данном случае не достаточно. В качестве нагрузки для Крон лучше использовать постоянный резистор, чтобы разрядный ток снижался по мере падения напряжения, выдаваемого батарейкой. Я использовал резистор, сопротивлением 234.0 Ом (сопротивление измерено точным мультиметром).



Такая нагрузка даёт ток около 40 мА в начале разряда и щелочная батарейка разряжается 9-11 часов.

Именно такой ток потребляют радиомикрофоны, использующие Кроны, поэтому для теста был выбран этот режим разряда.

Производители указывают для солевых батареек Крона срок хранения 3 года, для щелочных от 5 до 7 лет. Все батарейки были куплены или получены от дистрибьютеров непосредственно перед тестом, но возраст их варьировался от 2 месяцев до 2.5 лет. В скобках указана предположительная дата изготовления для тех батареек, на которых указана только дата окончания срока хранения.



Вот так разряжались батарейки.



Результаты при разряде до 5.4 В (каждый элемент разряжен до 0.9 В).



Больше всех энергии смогла отдать батарейка Robiton, но разница с Varta Energy, отдавшей меньше всего энергии из щелочных батареек, составила чуть больше 20%.

В таком режиме разряда большинство батареек отличаются между собой по ёмкости не более, чем на 10% и я вполне допускаю, что при таком небольшом отличии батарейки из других партий могли расположиться в таблице по-другому.

Солевые батарейки в таком режиме разряда дают гораздо меньше энергии, чем щелочные. Хоть многие и используют солевые Кроны в тех же радиомикрофонах, такой режим разряда для них слишком тяжёлый. Как показал мой весенний эксперимент, при разряде маленькими токами солевые батарейки дадут на 20-30% больше энергии, но всё равно это гораздо меньше, чем у щелочных батареек.

Удивительно, что победителем теста стала самая дешёвая щелочная батарейка Robiton (90 руб) и на первых строчках итоговой таблицы также оказались дешёвые батарейки aro из магазина Метро (139 руб), Auchan из Ашана (120 рублей), Ergolux (90 рублей), Videx (100 рублей), Lexman из Леруа Мерлен (112 руб). При этом очень дорогие батарейки Duracell, Energizer, Varta, Panasonic оказались далеко не лучшими.

В целом можно считать, что батарейки всех брендов и моделей почти не отличаются по ёмкости, и можно смело покупать самые дешёвые.

Основное различие лишь в типе химии щелочные дают в 4-6 раз больше энергии, чем солевые, но если батарейка покупается для устройства, потребляющего мало, вполне можно обойтись и солевыми батарейками.

Выражаю благодарность компаниям, предоставившим часть батареек для теста:

Источник Бэттерис (Duracell, Varta, Panasonic, Ansmann, Robiton);
А-Зет (GP);
Юнити Евразия (Toshiba);
Еллоу-опт (Videx).

2020, Алексей Надёжин

Много я всякого повидал, но впервые сталкиваюсь с тем, что солевые батарейки выдают за щелочные (Alkaline).

Вчера я купил в магазине Светофор на Кольской улице в Москве вот эти батарейки, на которых написано Alkaline и Батареи с щелочным электролитом. Вот только это обман.




Упаковка из 12 батареек AA или AAA Ergolux Alkaline PROMO продаётся по 96 рублей 80 копеек (8.07 руб за батарейку).



На батарейках явно написано Alkaline.



На упаковке написано Батареи с щелочным электролитом, Предназначены для использования в приборах с высоким потреблением электроэнергии ....



Я сравнил эти батарейки с настоящими щелочными батарейками того же бренда, купленными в Wildberries по 204 рубля за упаковку 12 шт (17 рублей за батарейку).



Достаточно вынуть одну батарейку, купленную в Светофоре, из упаковки, чтобы понять, что что-то тут не так: батарейки очень лёгкие. Настоящие щелочные (alkaline) батарейки весят около 23 грамм AA и около 11 грамм AAA, эти весят около 13 и 7 грамм соответственно.



Если посмотреть на донышко батареек, видно, что оно имеет контуры, характерные для солевых батареек. У щелочных батареек донышко ровное.



Начальное напряжение у батареек из Светофора также характерное для солевых около 1.69В (у щелочных оно ниже 1.62-1.64 В).

Конечно же я протестировал эти батарейки с помощью анализатора химических источников тока Яростанмаш АСК2.5.10.8 и сравнил их с настоящими щелочными батарейками того же бренда. Все батарейки разряжались нагрузкой с сопротивлением 3.9 Ом до 0.9 В.

Результаты ожидаемые.

Настоящая щелочная батарейка Ergolux Alkaline AA разряжалась 400 минут, батарейка Ergolux Alkaline AA PROMO из Светофора разрядилась за 69 минут.



Батарейка Ergolux Alkaline AAA разряжалась 150 минут, батарейка Ergolux Alkaline AAA PROMO из Светофора разрядилась за 43 минуты.



Все результаты тестирования в одной таблице.



Сравнение по отданной энергии (мВтч).



Если нечто выглядит как утка, плавает как утка и крякает как утка, то это, вероятно, и есть утка.
Под названием Ergolux Alkaline PROMO в магазинах Светофор продаются обычные солевые батарейки, которые имеют гораздо меньшую ёмкость, чем щелочные (alkaline) и совершенно не годятся для использования в приборах с высоким потреблением электроэнергии.

P.S. Там же купил светодиодную лампочку того же бренда Ergolux, на которой написано 15 Вт, заменяет 120 Вт, 1425 лм, 4500K, индекс цветопередачи 80+, коэффицент мощности > 0.7. Догадайтесь, что из этого правда? :) Скоро будет тест и результаты.

P.P.S. По многочисленным просьбам батарейки были вскрыты. У тех, что были куплены в Светофоре, видны графитовые электроды, типичные для солевых батареек. У настоящих щелочных в центре голубой порошок.



2021, Алексей Надёжин

Цены на разные литиевые батарейки CR2032 отличаются в десятки раз. Мне всегда было интересно выяснить, насколько дешёвые батарейки этого типа отличаются по ёмкости от дорогих и какие из них выгодней покупать.
Я протестировал 14 моделей и всё узнал.




Батарейки CR2032 используются в часах, пультах, термометрах, на материнских платах и во множестве других устройств. Самые дешёвые батарейки этого типа стоят 7 рублей за штуку, самые дорогие 150 рублей.

Батарейки CR2032 рассчитаны на очень малые токи нагрузки. Производители этих батареек указывают типичные токи разряда от 0.2-0.6 мА и типичную ёмкость 220 мАч, максимальный долговременный ток 3 мА.
Впрочем, иногда их этих батареек выжимают токи в десятки и даже сотни миллиампер (в качестве примера приведу китайскую велофару, работающую от двух батареек CR2032).

Я протестировал все батарейки в режиме разряда резистивной нагрузкой 1 кОм до 2.0 В (в процессе разряда ток менялся от 3 до 2 мА).

Тестирование проведено с помощью Анализатора химических источников тока Яростанмаш АСК2.5.10.8.



Список протестированных батареек, отсортированный по цене за одну батарейку.



Батарейки FLARX из магазинов Фикспрайс стоят 55 рублей за блистер с 8 батарейками, но только четыре из них имеют тип CR2032 (ещё две CR2025 и две CR2016), поэтому, если нужны только CR2032, цена одной батарейки удваивается и получается не 6.9, а 13.8 руб.

Батарейки TMMQ, HUANQIU и YCDC куплены на Aliexpress осенью 2020 года, при этом на TMMQ вообще не оказалось даты выпуска и срока годности, а YCDC оказались выпущены летом 2019 года.

Тесты проводились в феврале 2021 года. Результаты тестирования:



Удивительно, но одни из самых дешёвых батареек IKEA (149 рублей за блистер 8 штук, 18.63 р за штуку) оказались лучше всех, чуть-чуть опередив даже дорогущий Duracell.

Батарейки китайских брендов с Aliexpress значительно хуже всех остальных: их ёмкость в 2.5 3.5 раза меньше, чем у IKEA.

Батарейки FLARX дают на 40% меньше энергии, чем IKEA, зато они самые дешёвые и для многих применений вполне пригодны, а магазины FixPrice, в отличие от IKEA, часто расположены в шаговой доступности.

О качестве производства батареек можно судить по стабильности ёмкости нескольких протестированных экземпляров чем результаты ближе, тем выше уровень производства. Два экземпляра батареек IKEA показали одинаковые результаты 616 мВтч, два экземпляра FLARX существенно отличались 370 и 413 мВтч, у китайцев с Aliexpress различия оказались ещё больше YCDC 76 и 111 мВтч.

В сводной таблице есть также результаты в миллиампер-часах, кроме того я провёл тесты пяти батареек в режиме разряда большим током резистивная нагрузка 150 Ом (ток от 20 до 8 мА), разряд до 1.25 В.



В ближайшее время я планирую провести дополнительное тестирование батареек CR2032: я купил батарейки IKEA из более новой партии (надеюсь, они такие же отличные), SONY и Panasoniс на Aliexpress (подозреваю, что не настоящие) и ещё несколько моделей батареек.

Спасибо компании ЯРОСТАНМАШ и лично Ярославу Меньшикову за предоставленный прибор АСК2.5.10.8. Видеообзор прибора: https://youtu.be/UZ_PWCizbzM.

2021, Алексей Надёжин

Я загубил 24 батарейки для того, чтобы посмотреть, как отличаются экземпляры батареек из одной упаковки. Результаты получились довольно неожиданные и они меня расстроили.




C помощью Анализатора химических источников тока Яростанмаш АСК2.5.10.8 я протестировал все батарейки в режиме разряда резистивной нагрузкой 10 Ом до 0.7 В (в процессе разряда ток падал от 160 до 70 мА).

Первыми я протестировал батарейки IKEA ALKALISK AAA (дата выпуска 09.10.20, срок годности 09.10.25).



Результат меня, честно говоря, ошарашил.



Лучший экземпляр 1023 мВтч, худший 925 мВтч. Разница 9.5%. Девять с половиной процентов, Карл!

Это означает, что когда тестируется по одному экземпляру батареек и делается вывод, что батарейка бренда А на 5% лучше батарейки бренда Б всё зависит от попавшегося экземпляра. Если бы попались другие, с тем же успехом Б мог оказаться лучше А на те же 5%.

Вторыми я протестировал батарейки Фотон Alkaline ААА (срок годности 06.2027, дата выпуска предположительно 06.2020).



Результат вернул веру в человечество. :)



Лучший экземпляр 1508 мВтч, худший 1477 мВтч. Разница 2.1%.

И, наконец, я протестировал восемь батареек Ergolux Alkaline AAA (срок годности 09.2025, дата выпуска предположительно 09.2020).



Результат.



Лучший экземпляр 1233 мВтч, худший 1189 мВтч. Разница 3.5%.

Из всего этого я могу сделать следующие выводы:

Все экземпляры батареек отличаются между собой по ёмкости и это отличие может составлять от 2 до 10%;
Возможно по отличию экземпляров можно судить об общем качестве и уровне производства;
Батарейки IKEA уже не торт.

Я думаю, что правильным и достаточным будет теперь тестировать по 4 батарейки каждого типа (желательно из двух разных упаковок).

В 2014 году я делал Грандиозное тестирование батареек и сейчас те результаты уже не очень актуальны: батарейки некоторых брендов изменились, появились новые бренды.

Я хочу заново протестировать многие типы батареек в более правильных и актуальных режимах, причём по четыре штуки каждого типа в каждом режиме.

Режимов тестирования наверное нужно два:

Разряд 3.9 Ом до 0.9 В (ток падает от 400 до 230 мА) это стандартный китайский тест для батареек АА. Я думаю будет правильно применить его же к батарейкам ААА, ведь они теперь используются повсеместно, в том числе и там, где раньше стояли АА.

Разряд 10 Ом до 0.7 В (ток падает от 160 до 70 мА) это тест максимальной ёмкости, показывающий, сколько энергии может отдать батарейка при небольшой нагрузке.

В ближайших планах протестировать самые дорогие, самые дешёвые и самые популярные щелочные батарейки AA и AAA. Дорогие это Duracell, Varta, GP, Energizer. Дешёвые FLARX, Ашан, IKEA, а также самые дешёвые щелочные батарейки из Озон и Wildberries. Популярные топ продаж на этих же площадках.

2021, Алексей Надёжин