Виды батареек
Каждый человек использует электронные устройства, у которых имеется автономный источник питания. В большинстве случаев это одноразовые элементы питания, называемые батарейками.
Что такое батарейка
Батарейка – это автономный гальванический элемент питания различных устройств, работающих от электрической энергии. Принцип действия батареек основан на использовании необратимой химической реакции двух металлов (или их оксидов) в электролите, сопровождающейся появлением электродвижущей силы. Из-за необратимости проходящих в таких источниках питания реакций, связанных с образованием электроэнергии, их называют первичными.
Вторичные источники питания (аккумуляторы), работают с использованием тех же принципов действия, но с химическими веществами, которые могут восстанавливаться после заряда, что делает возможным их многократное использование.
Маркировки батареек
Согласно стандарту IEC (Международная электротехническая комиссия), маркировку гальванических источников тока делают исходя из состава электролита и активного металла, применяющихся в их конструкции.
По этой классификации существует 5 самых распространенных типов круглых (цилиндрических) батареек: солевые, щелочные, литиевые, серебряные и воздушно-цинковые. Буква R в их обозначении означает круглую форму (от английского round).
Солевые батарейки (R). Имеют катод из цинка, анод из диоксида марганца и электролит из хлоридов аммония и цинка. Они обеспечивают напряжение 1,5 вольта, имеют небольшую емкость, высокий саморазряд и низкий срок хранения (до 2-х лет). При низких температурах они неработоспособны.
Солевые батарейки самые дешевые и имеют посредственные технические характеристики. В обиходе их также называют цинк-карбоновыми и угольно-цинковыми.
Литиевая и Щелочная батарейка
Эти источники тока недороги, в обиходе их еще называют алкалиновыми и щелочно-марганцевыми.
Воздушно-цинковые элементы (PR). Имеют катод из цинка, анод из кислорода и электролит из гидроксида щелочного металла.
При хранении такие элементы нужно герметизировать для предотвращения саморазряда. При соблюдении правильных условий хранения (обеспечение герметичности) они имеют низкий саморазряд и могут храниться несколько лет.
Типы батареек по размеру и их обозначения
В настоящее время в мире очень большое распространение получила система обозначений батареек, принятая в США. Она основана на физических размерах источников питания. Далее рассматриваются самые распространенные из них.
| Название | Маркировка и Тип | Диаметр, мм | Высота, мм | Емкость, мАч* |
|---|---|---|---|---|
| A | Солевая (R23) Щелочная (LR23) | 17 | 50 | н/д |
| AA | Солевая (R6) Щелочная (LR6) Литиевая (FR6) | 14,5 | 50,5 | 1100-3500 |
| AAA | Солевая (R03) Щелочная (LR03) Литиевая (FR03) | 10,5 | 44,5 | 540-1300 |
| AAAA | Щелочная (LR8D425) | 8,3 | 42,5 | 625 |
| B | Щелочная (LR12) | 21,5 | 60 | 8350 |
| C | Солевая (R14) Щелочная (LR14) | 26,2 | 50 | 3800-8000 |
| D | Солевая (R20) Щелочная (LR20) | 34,2 | 61,5 | 8000-19500 |
| F | Солевая (R20) Щелочная (LR20) | 33 | 91 | н/д |
| N | Солевая (R1) Щелочная (LR1) | 12 | 30,2 | 1000 |
| 1/2AA | Солевая (R14250) | 14,5 | 25 | 250 |
| R10 | Солевая (R10) | 21,5 | 37,3 | 1800 |
* Технологии развиваются очень быстро из-за этого не сегодняшний день емкость может быть выше, чем указана в таблице (2018 год)
Далее будут более подробно рассмотрены типоразмеры батареек и их характеристики.
Батарейки таблетки
Это дисковые источники тока круглой формы, так же их называют монетки или кнопуи. Существует много разновидностей батареек такого типа, основными из которых являются:
Виды популярных батареек
Большую популярность, благодаря высокой емкости и удобству, применения завоевали цилиндрические батарейки. Рассмотрим самые популярные из них, имеющиеся в продаже.
AA. Это один из самых распространенных видов цилиндрических батареек на полтора вольта размером 14,5х50,5 мм. Они обозначаются по стандарту IEC как LR6 (щелочные), R6 (угольно-цинковые), FR6 (литиевые). В обиходе называются пальчиковыми.
AAA. Это очень распространенные источники тока на 1,5 вольта размером 10,5х44,5 мм. Маркируются LR03 для щелочных элементов и аналогично элементам АА для других видов батареек (R03, FR03 и так далее). В просторечии называются мизинчиковыми батарейками.
Тип C. Элементы R14 и LR14 на 1,5 вольта бывают солевыми и щелочными. В просторечии называются средними. Они имеют размер 26,2х50 мм и по длине примерно равны батарейкам АА, из-за чего иногда заменяются ими при использовании специальных накладок.
Тип D. Обозначаются LR20 (щелочные), R20 (солевые). Имеют размер 34,2х61,5 мм и большую емкость 8000-12000 мАч. В народе эти батарейки называются «большими» или «бочонками». Это самые первые батарейки на 1,5 вольта, которые начали выпускаться еще в 1898 году для фонариков.
PP3. По классификации IEC обозначаются 6LR61 (щелочные), 6F22 (солевые) и 6KR61 (литиевые). В обиходе эти батареи называются «Крона». Они имеют размеры 48,5х26,5х17,5 мм, напряжение 9v, емкость от 400 (солевые) до 1200 мАч (литиевые).
Конструктивно являются объединением в одном корпусе шести (солевых или щелочных) или трех (литиевые) элементов.
Экзотические типы батареек
A. Это солевые батарейки цилиндрической формы на полтора вольта, обозначающиеся R23 по стандарту IEC. Они имеют размер 17х50 мм и были популярны в старых моделях ноутбуков и нестандартных устройствах. В настоящее время практически не применяются.
AAAA. Это щелочные цилиндрические минибатарейки LR61 на полтора вольта размером 8,3 на 42,5 мм. Применяются в тонких фонариках (в виде ручки), глюкометрах, лазерных указках и мощных стилусах.
Тип B. Выпускаются солевые R12 и щелочные LR12 цилиндрические элементы этого типа размером 21,5х60 мм на 1,5 v. Обычно применяются в фонариках.
Тип F. Эти полторавольтовые источники питания обозначаются L25 и LR25. Они имеют емкость от 10,5 (солевые) до 26 (щелочные) А/ч. Имеют размер 33х91 мм.
Тип N. Батарейки R1 и LR1 имеют емкость 400-1000 мАч, вольтаж – 1,5 вольта, размер 12х30,2 мм.
1/2AA. Обозначаются CR14250 для литий-диоксидмарганцевых (Li‑MnO2) на 3 вольта и ER14250 для литий-тионилхлоридных (Li‑SOCl2) батареек на 3,6 вольта. Имеют размеры 14х25 мм.
R10. Это элементы питания на полтора вольта, которые выпускались в СССР под маркировкой 332. Имеют размер 21х37 мм. В настоящее время они выпускаются очень ограниченно.
Существуют батареи с маркировкой 2R10 размерами 21,8х74,6 мм на 3 вольта, называемые Duplex из-за того, что они внутри содержат два последовательно соединенных элемента R10 по 1,5 вольта.
A23. Это щелочная батарея (по классификации IEC — 8LR932) на 12 v размером 10,3х28,5 мм. Обычно состоит из 8 элементов LR932, соединенных последовательно. Применяется для изделий, управляющихся по радио.
A23 и A27
A27. Это щелочная батарея (по классификации IEC — 8LR732) на 12 v размером 8х28,2 мм. Обычно состоит из 8 элементов LR632, соединенных последовательно. Применяется для изделий, управляющихся по радио, электрозажигалках и электронных сигаретах.
Широкое распространение в различных устройствах также имеют плоские батареи на 4,5 и 9 вольт.
3336. По стандартам IEC обозначаются 3LR12 (щелочные), 3R12 (солевые) В обиходе имеют название «квадратные». Они выпускаются с 1901 года для фонариков. Имеют напряжение 4,5 вольта, емкость от 1200 до 6100 мАч, размер 67х62х22 мм. Конструктивно представляют собой 3 последовательно соединенных элемента R12, объединенных в одном корпусе.
Большое обилие источников питания, имеющихся в продаже, позволяет с легкостью подобрать необходимую батарейку для каждого конкретного случая. При этом лучше ориентироваться на известные бренды, которые выпускают продукцию хорошего качества, стоящую потраченных денег.
Если Вы обнаружили, что какой-то батарейки не хватает, то напишите пожалуйста ее маркировку в комментариях и мы ее обязвтельно добавим.
Разнообразие форм электрических батарей
Первые серийно выпускаемые электрические батареи имели цилиндрическую форму корпуса. Такую форму имел типоразмер F, введенный в 1896 году для фонарей, и типоразмер D, разработанный в 1898 году. Наметившаяся тенденция к уменьшению размеров элемента, привела к созданию новых типоразмеров С и АА, которые были введены в 1900 и 1907 году соответственно, и также имели цилиндрическую форму. (Смотрите: Обзор старых и новых типоразмеров электрических батарей).
1. Цилиндрический тип
Цилиндрический тип формы продолжает оставаться одним из самых широко используемых типов корпуса для первичных и вторичных батарей. Преимуществами такой формы является простота изготовления и хорошая механическая устойчивость. Трубчатый цилиндрический корпус может выдерживать высокое внутреннее давление без деформации.
Большинство литиевых и никелевых цилиндрических батарей имеют функцию переключателя положительного теплового коэффициента. При воздействии чрезмерного тока, нормально проводящий полимер нагревается и становится резистивным, препятствуя движению тока и действуя в качестве защиты от короткого замыкания. После нормализации температуры полимер возвращает свое состояние проводника.
| OPzS | NI-CD | OPzV |
 |  |  |
| 20 лет / 1500 циклов | 25 лет / 2000 циклов | 20 лет / 1500 циклов |
| для промышленного и частного применения: телекоммуникации, аварийное освещение, солнечные электростанции, системы безопасности, (UPS) источники бесперебойного питания и т.д. | ||
Большинство цилиндрических батарей также имеют функцию сброса давления, которая в простейшем варианте реализована как уплотнительная мембрана, разрывающаяся под действием высокого давления. Но после разрыва такой мембраны может произойти вытекание электролита и, как следствие, высыхание батареи, поэтому было разработано повторно закрывающееся отверстие в виде клапана. В некоторых литий-ионных аккумуляторах такой клапан сброса давления соединяется с электронным предохранителем, который дает команду клапану сбрасывать давление при небезопасном его значении. На рисунке 1 показано поперечное сечение цилиндрического элемента.
Рисунок 1: Поперечное сечение цилиндрического литий-ионного элемента. Цилиндрическая конструкция корпуса предлагает хорошие циклические характеристики, долгий срок жизни и экономичность, но имеет недостатки в виде тяжелого веса и низкой плотности размещения из-за пустого пространства между элементами.
В 2013 году было произведено 2,55 миллиардов элементов типоразмера 18650. Ранние версии таких элементов имели емкость 2,2 Ач, позже они сменились улучшенными версиями с емкостью 2,8 Ач. Современные элементы имеют емкость 3,1 Ач, а к 2017 году ее планируют увеличить до 3,4 Ач. В более долгосрочной перспективе производители ожидают улучшение емкости до 3,7 Ач.
| AGM Deep Cycle | GEL Deep Cycle | Литиевые (LiFePO4) |
 |  |  |
| 10 лет / 400 циклов | 10 лет / 500 циклов | 20 лет / 2200 циклов |
| универсальное применение | для циклических разрядов | для частых глубоких разрядов |
Типоразмер 18650 является одним из самых удачных, элементы этого формата одни из самых дешевых в производстве при перерасчете на стоимость ватт-часа, а также имеют хорошие показатели надежности и безопасности. Но поскольку существует тенденция перехода к плоской форме аккумуляторов, вызванная популярностью мобильных телефонов и планшетов, спрос на 18650 уменьшается, что показано на рисунке 3. Но большим подспорьем для этого типоразмера стало увеличение интереса к электротранспорту, и в частности, к электромобилям компании Tesla, которые как раз и используют в своих аккумуляторных системах элементы типоразмера 18650.
Рисунок 3: График спроса и предложения на элементы типоразмера 18650. Спрос на 18650 достиг пика в 2011 году. Переход к плоской конструкции в потребительских устройствах снизило спрос на этот типоразмер.
Другой типоразмер для литий-ионной системы 26650 имеет диаметр 26 мм. Он не такой популярный, как 18650, так как более сложен в производстве и его использование накладывает ограничения из-за большего диаметра. 26650 в основном используется в больших системах с высокими нагрузочными характеристиками.
Некоторые свинцово-кислотные системы также используют цилиндрический тип формы. Известные как Howker Cyclone, эти элементы имеют улучшенную стабильность, более высокие разрядные характеристики и лучшую температурную стабильность по сравнению с обычным призматическим типом формы. Howker Cyclone имеет свой собственный типоразмер.
Даже при том, что цилиндрические элементы не в полной мере используют пространство из-за низкой плотности размещения, элемент типоразмера 18650 имеет более высокую плотность энергии по сравнению с литий-ионным элементом призматического или бескорпусного типа. 18650 с емкостью 3 Ач предоставляет 248 Вт/кг, тогда как современный бескорпусный элемент имеет показатель 140 Вт/кг. Более высокая плотность энергии цилиндрического элемента компенсирует наличие свободного пространства, которое, в свою очередь, может быть использовано для охлаждения.
Разрушение элемента не всегда можно предотвратить, но распространение этого процесса можно контролировать. Для этого цилиндрические элементы часто разнесены друг от друга, чтобы разрушение одного элемента не повредило другой. Такое разнесение также помогает и в нормализации общей температуры. К тому же, цилиндрическая конструкция не меняет своего размера при неправильной эксплуатации. К примеру, 5 мм элемент призматической формы может расшириться до 8 мм и повредить устройство, где он установлен.
2. Кнопочный (таблеточный) тип
Большинство кнопочных элементов сегодня являются неперезаряжаемыми и используются в медицинских имплантантах, часах, слуховых аппаратах, брелоках сигнализации и в системах обеспечения резервного копирования памяти. На рисунке 4 показан таблеточный элемент и его поперечное сечение.
Внимание! Держите кнопочные элементы в недоступном для детей месте. Попадание внутрь организма может вызвать серьезные проблемы со здоровьем. Смотрите: Влияние электрохимических батарей на здоровье человека.
Рисунок 4: Кнопочные элементы имеют небольшой размер, большинство из них являются первичными и используются поодиночно.
3. Призматический тип
Разработанный в начале 1990-х, современный призматический тип корпуса батареи призван заполнить форм-фактор тонких источников питания. Такие элементы преимущественно используются в мобильных телефонах, планшетах и ноутбуках. Емкость в среднем составляет от 800 до 4000 мАч. Единого универсального формата не существует, каждый производитель выбирает габаритные размеры исходя из своих потребностей.
Призматический тип также бывает доступен и в довольно больших размерах. Упакованные в цельный алюминиевый корпус, емкостью 20-50 Ач, такие аккумуляторные батареи в основном используются в гибридных и электрических транспортных средствах, а также для других электрических силовых агрегатов. На рисунке 5 показан призматический тип элемента питания.
Рисунок 5: Поперечное сечение призматического элемента. Призматический тип формы улучшает использование пространства и предлагает вариативность при выборе габаритных размеров, но элементы такого типа дороже в производстве, более подвержены температурному воздействию и имеют более короткий срок службы в сравнении с цилиндрическими элементами. Также они могут немного набухать в процессе эксплуатации.
Призматические элементы требуют наличия крепкого корпуса для противодействия внутреннему давлению. Некоторое увеличение размеров из-за внутреннего скопления газов является нормальным явлением. Например, элемент толщиной 5 мм может увеличиться до 8 мм после 500 циклов заряда/разряда. Но если это расширение затрудняет нахождение элемента в батарейном отсеке, его дальнейшую эксплуатацию необходимо прекратить, так это может привести к возникновению небезопасной ситуации.
4. Бескорпусный тип
В 1995 году, когда впервые был представлен бескорпусный тип элемента, общественность была крайне удивлена, увидев эту электрическую батарею. Вместо того, чтобы использовать классические решения и материалы, эта конструкция скорее напоминала запакованный в фольгу завтрак космонавта. На рисунке 6 показан элемент бескорпусного типа.
Рисунок 6: Бескорпусный элемент питания. Бескорпусный тип электрической батареи предлагает простое, гибкое и легкое конструктивное решение, но нуждается в правильной эксплуатации и обслуживании.
Элементы бескорпусного типа чаще всего используют литий-полимерную электрохимическую систему. Малоразмерные элементы популярны для портативных устройств, где требуется большие нагрузочные токи, например, для беспилотных летательных аппаратов. Большие элементы, емкостью от 40 Ач, используется в системах накопления энергии, где полезным оказывается конструктивное решение по уменьшению количества элементов путем увеличения емкости отдельного элемента.
Хотя такие элементы весьма удобны для компактного совместного использования, необходимо предусматривать возможность их физического расширения (набухания) в процессе эксплуатации. В то время как бескорпусные элементы небольшого размера могут увеличиться на 5-10 % в течение 500 циклов, большие увеличиваются на тот же процент за 5000 циклов. Лучше не размещать такие элементы друг на друге, гораздо правильнее будет установить их бок о бок, предусмотрев между ними дополнительное пространство. Также следует избегать размещения возле острых краев, которые могут повредить расширяющийся элемент.
Чрезмерное расширение бескорпусного элемента может негативно сказываться на аспектах безопасности. Создаваемое давление может сломать крышку батарейного отсека или даже повредить дисплей и электронные платы устройства. Вздувшиеся элементы небезопасны, внутри находится газ, который в случае непосредственной близости к источнику тепла или огня может воспламениться. На рисунке 7 показан набухший бескорпусный элемент.
Рисунок 7: Вздувшийся бескорпусный элемент питания. Расширение вызывается чрезмерным внутренним газообразованием. Ведутся разработки, которые позволят уменьшить этот эффект. Большие бескорпусные элементы меньше подвержены расширению.
При производстве внутреннее давление бескорпусного элемента налаживают с помощью временного присоединения дополнительной газовой оболочки. Во время первой зарядки газы перемещаются именно в этот временный резервуар, снимая нагрузку с оболочки элемента. Далее элемент, который уже заряжен, запечатывается; последующие зарядки уже не приводят к чрезмерному газообразованию. В случае, если ваш бескорпусный элемент расширился в период гарантированного срока службы, то дело скорее всего в несоблюдении вышеуказанного техпроцесса при его производстве.
Дальнейшее развитие и улучшение бескорпусных и призматических элементов имеют больший потенциал в сравнении с классическим цилиндрическим форматом. Конечно, пока стоимость цилиндрического типоразмера 18650 ниже, но прогнозируется постепенное удешевление производства бескорпусных и призматических элементов. Плоская конструкция аккумуляторной батареи становится все более конкурентоспособной, и эксперты прогнозируют увеличение ее доли на рынке. На рисунке 8 сравниваются цены различных типов элементов.
Рисунок 8: Цена литий-ионного элемента в различных форматах исполнения. Исторически сложилось, что затраты на производство призматических и бескорпусных элементов были выше в сравнении с цилиндрическими, но в последнее время существует тенденция к выравниванию стоимости. Цена включает в себя только стоимость производства элемента.
| Батарейный монитор | Защита от глубокого разряда | Батарейный балансир |
 |  |  |
| контроль более 25 параметров, история и синхронизация | защита от низкого и высокого напряжения, возможность регулировки | для 12, 24, 36 и 48В систем, возможность параллельного подключения |
5. Итоги
Разработка бескорпусной технологии элементов позволила производителям упростить сам процесс производства, но у каждой технологии есть свои и достоинства, и недостатки, которые перечислены ниже.
Элементы призматического типа помещены в алюминиевый или стальной корпус для лучшей стабильности. Большая многослойная аккумуляторная система из призматических элементов более эффективно использует пространство, чем система из цилиндрических, но ее конечная стоимость выше. Современные призматические элементы используются для электрических силовых агрегатов и в системах хранения энергии.