Жад эффектісі дегеніміз не?
Жад эффектісі - қайта зарядталатын батареялар тек ішінара зарядсызданғаннан кейін қайта зарядталғанда максималды қуат сыйымдылығын жоғалтатын құбылыс. Батарея азырақ сыйымдылықты «есте сақтайтын» сияқты және бастапқыдағыдан аз қуат береді. Бұл, ең алдымен, никель{2}}кадмий (NiCd) және никель{3}}металл гидридті (NiMH) батареяларында болады, дегенмен бұл химиялық заттардың ауырлығы мен механизмдері әртүрлі.
Жад әсерінің артындағы ғылым
Жад әсері батареяның ішкі құрылымын өзгертетін күрделі электрохимиялық процесті қамтиды. NiCd батареясы қайта зарядталмас бұрын бірдей деңгейге дейін зарядсызданған кезде, батарея тақталарында кадмий гидроксиді кристалдары пайда болады. Бұл кристалдар уақыт өте келе үлкейіп, электр энергиясын шығаратын химиялық реакциялар үшін қол жетімді белсенді бет аймағын азайтады.
Бұл құбылыстың техникалық термині «кернеудің төмендеуі» болып табылады. Жартылай зарядсыздану циклдары кезінде, химиялық энергия сақталса да, батареяның кернеуі керектен ерте төмендейді. Бұл шын мәнінде пайдаланылмаған сыйымдылықты сақтаған кезде батарея таусылды деген елес тудырады.
Швейцариядағы Пол Шеррер институтының зерттеулері 2013 жылы нақты механизмді анықтады. Олардың Nature Materials журналында жарияланған зерттеуі есте сақтау әсері электродтың локализацияланған аймақтарында гамма{1}}фазалық никель оксигидроксидінің пайда болуынан болатынын көрсетті. Бұл аймақтар аккумулятор бірдей тереңдікте зарядсызданған кезде дамиды, электрод беті бойынша материал фазаларының біркелкі таралуын жасайды.
Неліктен ішінара разряд циклдары әсерді тудырады
Үлгі жеке зарядтау сеанстарына қарағанда маңыздырақ. 50% сыйымдылыққа дейін зарядсызданған, содан кейін қатарынан 20 рет қайта зарядталған NiCd батареясы сол 50% шегінде жад әсерін дамытады. Батареяның химиясы осы жүйеге бейімделіп, оның ішкі материалдарын осы таяз циклдарды оңтайландыру үшін қайта құрылымдайды.
Бұл қайта құрылымдау электрохимиялық реакциялар аккумулятордағы бірдей физикалық орындарда орын алатындықтан орын алады. Электродтың толық айналымға қосылмаған аймақтары белсенділігі төмендейді, ал қайта-қайта пайдаланылған жерлерде проблемалы кристалдық түзілімдер пайда болады. Уақыт өте келе электродтың пайдаланылмаған бөліктері қалыпты жұмыс үшін қолжетімсіз болып қалады.
Қандай батарея түрлері жад әсерін сезінеді
Никель{0}}Кадмий (NiCd) батареялары: жоғары сезімталдық
NiCd батареялары ең күшті жад әсерін көрсетеді. Бұл батареялар 1960-1990 жылдар аралығында сансыз сымсыз құралдарды, апаттық жарықтандыру жүйелерін және портативті электрониканы қуаттады. Зарядтау әдеттер нашар болса, әсер олардың пайдалану мүмкіндігін 20-30% төмендетуі мүмкін.
Қайталанатын 50% разряд циклдарына ұшыраған 1000 мАч NiCd батареясы бірнеше айдан кейін тек 700 -800 мАч пайдалануға жарамды сыйымдылықты бере алады. Қалған сыйымдылық жоғалған жоқ - ол көптеген құрылғылар жеңе алмайтын жоғары кернеу тосқауылының артында құлыпталған.
Никель-Метал гидрид (NiMH) батареялары: орташа сезімталдық
NiMH батареялары жад әсерінің жұмсақ нұсқасын сезінеді. Олар 1990 жылдардың аяғы мен 2000 жылдардың басында көптеген қолданбаларда NiCd ауыстырды. Олар ішінара циклден кейбір сыйымдылықты жоғалтуы мүмкін болғанымен, әсер NiCd батареяларына қарағанда шамамен 60-70% азырақ.
Төмендетілген сезімталдық электродтар химиясындағы айырмашылықтардан туындайды. NiMH батареялары кадмийдің орнына сирек жер металдарының қорытпаларын пайдаланады, олар қайталанатын цикл кезінде әртүрлі кристалдық құрылымдарды құрайды. Бұл құрылымдар NiCd аккумуляторларына қарағанда тұрақтылығы төмен және оңай ауыстырылады.
Литий-иондық және литий-полимерлі батареялар: нақты жад әсері жоқ
Литий{0}}негізіндегі батареялар, соның ішінделитий полимерлі батареядизайн, классикалық жад әсерін сезінбейді. Олардың химиясы литий иондарының жады әсеріне жауап беретін кристалдық түзілістерді тудырмайтын-қабатты құрылымдарға-интеркалациялануы және де{2}}мүлдем басқаша принциптері бойынша жұмыс істейді.
Бұл литий-полимерлі аккумулятор технологиясының заманауи тұрмыстық электроникада, электр көліктерінде және портативті құрылғыларда басым болуының бір себебі. Пайдаланушылар бұл батареяларды кез келген зарядсыздану күйінде жад әсерінен сыйымдылықты жоғалтудан қорықпай зарядтай алады.
Литий батареяларының тәжірибесі басқа механизмдерден бірте-бірте сыйымдылықты жоғалтады: электродтардың ыдырауы, қатты электролит интерфейсінің өсуі және литиймен қаптау. Бұл процестер жады әсерінен түбегейлі ерекшеленеді және зарядтау үлгілеріне қарамастан жүреді.
Жад әсері туралы жиі кездесетін қате түсініктер
Миф: барлық қайта зарядталатын батареяларда жад әсері бар
Бұл сенім жад әсері шынайы алаңдаушылық болған кезде NiCd дәуірінде сақталады. Бүгінгі таңда қайта зарядталатын батареялардың көпшілігі литий химиясын пайдаланады, бұл мәселені шешпейді. Қате түсінік адамдарды литий батареяларын қажетсіз толық зарядсыздандыруға алып келеді- бұл олардың қызмет ету мерзімін қысқартады.
Миф: қайта зарядтау алдында зарядты толығымен босату керек
Бұл кеңес NiCd батареялары үшін дұрыс болды, бірақ литий{0}}негізіндегі жасушалар үшін зиянды. Литий батареялары таяз разряд циклдерін жақсы көреді. Олардың 20%-дан төмен түсуі деградацияны қайта-қайта тездетеді. Оңтайлы тәсіл - ыңғайлы кезде зарядтау, мүмкіндігінше батареяны 20-80% сыйымдылық арасында ұстау.
Миф: кондиционер әрқашан жад әсерін түзетеді
Батареяны-толық зарядтау және қайта зарядтау-кондициялау кейде проблемалы кристалдық құрылымдарды біркелкі бұзуға және қайта құруға мәжбүрлеу арқылы NiCd ұяшықтарындағы жад әсерін кері қайтарады. Дегенмен, көп жылдар бойы нашар зарядтау әдеттерінен туындаған ауыр жад әсері жиі тұрақты болады. Сыйымдылықты толығымен қалпына келтіру үшін кондициялау үшін кристалдар тым үлкен және тұрақты болып өседі.
Миф: Ескі батареялар ұзаққа созылмайды, себебі есте сақтау әсері
Жад әсері NiCd және NiMH батареяларының сыйымдылығын жоғалтуға ықпал еткенімен, бұл жалғыз кінәлі емес. Қалыпты қартаю процестері-электродтардың коррозиясы, электролиттердің ыдырауы және сепаратордың деградациясы-ескі батареялардағы сыйымдылықтың көпшілігінің төмендеуіне әкеледі. Бес{4}}жылдық-зарядтау дағдысы бар NiCd батареясы жаңаға қарағанда әлі де аз зарядталады.
Батарея өнімділігіне практикалық әсер ету
Жад әсерінің ауырлығы пайдалану үлгілеріне байланысты. Үздіксіз пайдаланатын сымсыз телефондар сияқты қайта зарядталмай тұрып, қуат алатын құрылғылар жад әсерінің қаупін азайтты. Ертедегі сымсыз бұрғылар немесе камералар сияқты ерікті заряд деңгейінде күнделікті қайта зарядталатын құрылғылар осал болды.
Бақыланатын сынақта NiCd батареялары бірдей разряд тереңдігінде 15-20 таяз циклден кейін өлшенетін жад әсерін дамытты. Әрбір қайталаумен әсер күшейтілді. Осындай 100 циклден кейін сыйымдылық жоғалуы 25% немесе одан да көп болуы мүмкін.
NiMH батареялары әртүрлі үлгілерді көрсетті. Олар маңызды жад әсерін көрсетуге дейін 50{4}}70 таяз циклды қажет етті және сыйымдылықтың максималды жоғалуы әдетте 10-15% шамасында болды. Бұл жақсы төзімділік оларды толық разряд практикалық емес, жоғары ағынды құрылғылар үшін танымал етті.
Алдын алу және кері қайтару стратегиялары
NiCd батареялары үшін
Толық зарядсыздану циклдары-әр 20-30 пайдалану сайын жад әсерінің дамуын болдырмайды. Кондиционерлеу немесе қалпына келтіру деп аталатын бұл тәжірибе электродтың толық бетін орындайды және локализацияланған кристалдардың түзілуіне жол бермейді. Кондиционерлеу режимдері бар арнайы зарядтағыштар бұл процесті автоматтандырады.
Кейбір өнеркәсіптік NiCd жүйелері импульстік зарядтауды пайдаланады, кристалдық түзілімдерді бұзу үшін зарядтау кезінде қысқа{0}}ток импульстерін қолданады. Бұл әдіс арнайы жабдықты қажет етеді және тұтынушы батареялары үшін қол жетімді емес.
NiMH батареялары үшін
Кездейсоқ толық зарядсыздану көмектеседі, бірақ NiMH батареялары NiCd-ге қарағанда жартылай циклді жақсырақ өткізеді. Әр 50-100 цикл сайын зарядты толығымен босату жеткілікті техникалық қызмет көрсетуді қамтамасыз етеді. Жиі кондиционерлеу аз пайда әкеледі және қажетсіз тозуды қосады.
Қазіргі заманғы батареяны басқару
Литий химиясын пайдаланатын құрылғылардағы батареяларды басқару жүйелері өнімділікті оңтайландыру үшін заряд деңгейлерін, температураны және ток ағынын бақылайды. Бұл жүйелер пайдаланушының араласуын қажетсіз етеді. Кейбір құрылғылардағы "батареяны калибрлеу" процесі жад әсерін болдырмайды-ол басқару жүйесіне сыйымдылықты дәл бақылауға көмектеседі.
Литий технологиясына ауысу
Тұтынушы қолданбаларында NiCd және NiMH батареяларынан бас тарту ішінара жад эффектісі мәселелеріне байланысты. Өндірушілер тұтынушылардың техникалық қызмет көрсетусіз{1}}батареяларды алғысы келетінін түсінді. Литий химиясы мұны жоғары энергия тығыздығымен және қуаттың -салмаққа- жақсырақ қатынасымен қамтамасыз етті.
Литий-полимерлі батарея технологиясын пайдаланатын заманауи құрылғылар NiMH-пен салыстырғанда бір грамм үшін 2-3 есе энергия сақтауды ұсына отырып, жад әсерін толығымен болдырмайды. Бұл оларды смартфондар, планшеттер, дрондар және жұмыс уақытын ұлғайту маңызды болатын салмаққа сезімтал басқа қолданбалар үшін өте қолайлы етеді.
Дегенмен, NiCd және NiMH батареялары экстремалды температуралар, жоғары зарядсыздандыру жылдамдығы немесе ұзақ мерзімді сенімділік -жад әсерінен асып түсетін жағдайларда қолданылады. Сақтық қуат жүйелері, медициналық құрылғылар және кейбір өнеркәсіптік құралдар әлі де никельге негізделген химия-қа негізделген.
Жиі қойылатын сұрақтар
Жад әсері батареяны біржола зақымдауы мүмкін бе?
Жад әсерінің өзі батареяның физикалық құрылымына зақым келтірмейді. Ол электрод материалдарының орналасуын өзгерту арқылы қол жетімді қуатты азайтады. Теориялық тұрғыдан дұрыс кондиционерлеу оны кері қайтара алады, дегенмен жылдар бойы нашар зарядтау әдеттерінен туындаған ауыр жағдайлар толық қалпына келтіруге қарсы тұруы мүмкін. Батареяны пайдалану үшін қауіпсіз-ол азырақ жұмыс уақытын береді.
Батареяның жад әсері бар-жоғын қалай білуге болады?
Жад әсері толық зарядсыздану-циклінен кейін айтарлықтай жақсаратын қысқа жұмыс уақыты ретінде көрсетіледі. Жұмыс уақыты кондиционерлеуден кейін де төмен болып қалса, мәселе жад әсерінен гөрі қалыпты қартаю немесе ішкі зақым болуы мүмкін. Қазіргі литий батареялары бұл үлгіні көрсетпейді, өйткені олар шынайы жад әсерін сезбейді.
Жад әсері автомобиль батареяларына әсер ете ме?
Жоқ. Автокөлік батареялары есте сақтау әсерін дамытпайтын қорғасын{1}}қышқыл химиясын пайдаланады. Ескі автокөлік аккумуляторларындағы сыйымдылықтың жоғалуы сульфаттанудан (қорғасын сульфатының кристалының жиналуынан), белсенді материалдың төгілуінен және электролит стратификациясынан{3}}әр түрлі емдеуді қажет ететін әртүрлі процестерден туындайды.
Неліктен телефон өндірушілері мерзімді толық зарядсыздандыруды ұсынады?
Бұл кеңес жад әсерін болдырмауға емес, батарея көрсеткішін калибрлеуге қатысты. Құрылғының бағдарламалық құралы кернеу мен токты бақылау арқылы батарея сыйымдылығын бақылайды. Оқта-текте -босқа дейін зарядтау жүйеге батареяның шынайы сыйымдылығын өлшеуге көмектеседі, осылайша заряд деңгейін бағалауды жақсартады. Ол батареяның өзінде сыйымдылықтың жоғалуын болдырмайды.
Жад эффектісі пішінді батарея технологиясының ондаған жылдар бойы дамуы. Оның механизмдерін түсіну батареяның химиялық құрамы мен ақылды зарядтау жүйелеріне әкелді. Бүгінгі таңда пайдаланушылардың көпшілігі литий{2}}негізделген батареялардың арқасында шынайы жад эффектісін ешқашан кездестірмегенімен, алынған сабақтар тасымалданатын қуат жүйелерін жобалау және басқару әдісіне әсер етуді жалғастыруда.
Литий-полимерлі батарея конструкцияларына және басқа озық химияға көшу жад әсерінен құтылу ғана емес. Бұл технологиялар заманауи құрылғы талаптарына сәйкес келетін энергия тығыздығында, зарядтау жылдамдығында және жұмыс икемділігінде негізгі артықшылықтарды ұсынады. Әлі де никельге негізделген батареяларды қолданатын қолданбалар үшін жад эффектісін білу өнімділік пен қызмет ету мерзімін арттыру үшін маңызды болып қала береді.
Негізгі қорытындылар
Жад әсері қайталанатын ішінара зарядсыздандыру циклдары арқылы пайдаланылатын батарея сыйымдылығын азайтады, ең алдымен NiCd батареяларына әсер етеді.
Бұл құбылыс таяз цикл кезінде локализацияланған электрод аймақтарында дамитын кристалдық түзілімдерден туындайды.
Литий{0}}негізделген батареялар, соның ішінде литий полимерлі конструкциялары шынайы жад әсерін көрсетпейді.
Мерзімді түрде кондиционерлеу сезімтал батарея түрлерінде жад әсерін болдырмауға және кері қайтаруға көмектеседі
Батареяны басқарудың заманауи жүйелері литиймен жұмыс істейтін құрылғыларға{0}}қолмен араласу қажеттілігін жояды
