Што такое эфект памяці?

Эфект памяці - гэта з'ява, калі акумулятарныя батарэі губляюць сваю максімальную энергетычную ёмістасць пры шматразовай падзарадцы пасля таго, як яны былі толькі часткова разраджаны. Здаецца, акумулятар "запамінае" меншую ёмістасць і забяспечвае менш энергіі, чым мог першапачаткова. Гэта адбываецца галоўным чынам у нікель-кадміевых (NiCd) і нікель-металгідрыдных (NiMH) батарэях, хоць сур'ёзнасць і механізмы адрозніваюцца паміж гэтымі хімічнымі рэчывамі.

Навука за эфектам памяці

Эфект памяці ўключае складаны электрахімічны працэс, які змяняе ўнутраную структуру батарэі. Калі нікель-кадміевы акумулятар шматразова разраджаецца да таго ж узроўню перад зарадкай, на пласцінах акумулятара ўтвараюцца крышталі гідраксіду кадмію. Гэтыя крышталі з часам павялічваюцца, памяншаючы плошчу актыўнай паверхні, даступную для хімічных рэакцый, якія вырабляюць электрычнасць.

Тэхнічны тэрмін для гэтай з'явы - "падзенне напружання". Падчас цыклаў частковага разраду напружанне акумулятара падае раней, чым трэба, нават калі хімічная энергія захоўваецца. Гэта стварае ілюзію таго, што акумулятар разраджаны, калі на самой справе захоўвае нявыкарыстаную ёмістасць.

Даследаванне Інстытута Поля Шэрэра ў Швейцарыі вызначыла дакладны механізм у 2013 годзе. Іх даследаванне, апублікаванае ў Nature Materials, паказала, што эфект памяці ўзнікае ў выніку ўтварэння гама-фазы аксігідраксу нікеля ў лакалізаваных участках электрода. Гэтыя вобласці ўзнікаюць, калі акумулятар паслядоўна разраджаецца на аднолькавую глыбіню, ствараючы неаднароднае размеркаванне фаз матэрыялу па паверхні электрода.

Чаму цыклы частковага разраду выклікаюць эфект

Шаблон мае большае значэнне, чым асобныя сеансы зарадкі. Нікель-кадміевы акумулятар, разраджаны да 50% ёмістасці і затым перазараджаны 20 разоў запар, выкліча эфект памяці пры гэтым парозе 50%. Хімічны склад акумулятара прыстасоўваецца да гэтай руціны, перабудоўваючы яго ўнутраныя матэрыялы для аптымізацыі гэтых неглыбокіх цыклаў.

Гэтая рэструктурызацыя адбываецца таму, што электрахімічныя рэакцыі адбываюцца пераважна ў адных і тых жа фізічных месцах ўнутры батарэі. Участкі электрода, якія не прайшлі поўны цыкл, становяцца менш актыўнымі, у той час як у неаднаразова выкарыстаных участках утвараюцца праблемныя крышталі. З часам нявыкарыстаныя часткі электрода становяцца недаступнымі для нармальнай працы.

Якія тыпы батарэй адчуваюць эфект памяці

Нікель-кадміевыя (NiCd) батарэі: высокая адчувальнасць

Нікель-кадміевыя батарэі дэманструюць найбольш моцны эфект памяці. З 1960-х па 1990-я гады гэтыя батарэі сілкавалі незлічоныя бесправадныя інструменты, сістэмы аварыйнага асвятлення і партатыўную электроніку. Эфект можа паменшыць іх карысную ёмістасць на 20-30%, калі звычкі зарадкі дрэнныя.

Нікель-кадміевая батарэя ёмістасцю 1000 мАг, якая падвяргаецца паўторным цыклам разрадкі на 50%, можа забяспечыць толькі 700-800 мАг карыснай ёмістасці праз некалькі месяцаў. Астатняя ёмістасць не губляецца - яна заблакіравана за бар'ерам больш высокага напружання, які большасць прылад не можа пераадолець.

Нікель-металігідрыдныя (NiMH) батарэі: умераная адчувальнасць

Акумулятары NiMH адчуваюць больш мяккі эфект памяці. Яны замянілі NiCd у многіх сферах прымянення ў канцы 1990-х і пачатку 2000-х гадоў. Нягледзячы на ​​тое, што яны могуць прывесці да некаторай страты ёмістасці з-за частковага пераключэння, эфект прыкладна на 60-70% менш сур'ёзны, чым у NiCd батарэй.

Зніжэнне ўспрымальнасці адбываецца з-за адрозненняў у хімічным складзе электродаў. У батарэях NiMH выкарыстоўваюцца сплавы рэдказямельных металаў замест кадмію, якія ўтвараюць розныя крышталічныя структуры пры шматразовым цыкле. Гэтыя структуры менш стабільныя і іх лягчэй пераламаць, чым у нікель-кадміевых батарэях.

Літый-{0}}іённыя і літый-палімерныя батарэі: няма сапраўднага эфекту памяці

Літыевыя-батарэі, у тым лікулітый-палімерны акумулятарканструкцыі, не адчуваюць класічнага эфекту памяці. Іх хімічны склад дзейнічае на зусім іншых прынцыпах-інтэркаляцыі і дэ-інтэркаляцыі іёнаў літыя ў слаістыя структуры-, якія не ствараюць крышталічных утварэнняў, адказных за эфект памяці.

Гэта адна з прычын таго, што тэхналогія літый-палімерных батарэй дамінуе ў сучаснай бытавой электроніцы, электрамабілях і партатыўных прыладах. Карыстальнікі могуць зараджаць гэтыя батарэі ў любым стане разраду, не баючыся страты ёмістасці з-за эфекту памяці.

Тое, што адчуваюць літыевыя батарэі, - гэта паступовае змяншэнне ёмістасці з-за іншых механізмаў: раскладання электродаў, росту межаў цвёрдага электраліта і літыевага пакрыцця. Гэтыя працэсы істотна адрозніваюцца ад эфекту памяці і адбываюцца незалежна ад схемы зарадкі.

Распаўсюджаныя памылкі аб эфекце памяці

Міф: усе акумулятарныя батарэі маюць эфект памяці

Гэта перакананне захавалася з эпохі NiCd, калі эфект памяці быў сапраўднай праблемай. Сёння ў большасці акумулятарных батарэй выкарыстоўваецца хімія літыя, якая не вырашае гэтую праблему. Памылковае меркаванне прымушае людзей без неабходнасці цалкам разраджаць літыевыя батарэі-, што фактычна скарачае тэрмін іх службы.

Міф: Вы павінны цалкам разрадзіць перад зарадкай

Гэтая парада слушная для нікель-кадміевых акумулятараў, але шкодная для літый-элементаў. Літыевыя батарэі аддаюць перавагу неглыбокія цыклы разрадкі. Знясіленне іх ніжэй за 20% шматкроць паскарае дэградацыю. Аптымальны падыход - зараджаць, калі гэта зручна, падтрымліваючы ёмістасць батарэі ў межах 20-80%, калі гэта магчыма.

Міф: кандыцыянаванне заўсёды выпраўляе эфект памяці

Кандыцыянаванне-поўнага разраду і перазарадкі акумулятара-часам можа змяніць эфект памяці ў нікель-кадміевых элементах, прымушаючы праблемныя крышталічныя структуры разбурацца і аднаўляцца. Тым не менш, сур'ёзны эфект памяці з-за гадоў дрэннай зарадкі часта становіцца пастаянным. Крышталі вырастаюць занадта вялікімі і стабільнымі для кандыцыянавання, каб цалкам аднавіць здольнасць.

Міф: дзякуючы эфекту памяці старыя батарэі не служаць доўга

У той час як эфект памяці спрыяе страце ёмістасці NiCd і NiMH акумулятараў, ён рэдка з'яўляецца адзінай віной. Нармальныя працэсы старэння-карозіі электродаў, раскладання электраліта і дэградацыі сепаратара-прычыняюць найбольшае зніжэнне ёмістасці старых батарэй. Пяці{4}}гадовая-акумулятарная батарэя NiCd з ідэальнымі звычкамі зарадкі па-ранейшаму будзе трымаць менш зараду, чым новая.

Практычны ўплыў на прадукцыйнасць батарэі

Выяўленасць эфекту памяці залежыць ад мадэляў выкарыстання. Прылады, якія спажываюць энергію амаль да разрадкі перад падзарадкай, напрыклад бесправадныя тэлефоны пры бесперапынным выкарыстанні, мінімізуюць рызыку эфекту памяці. Прылады, якія штодня зараджаліся пры адвольных узроўнях зарада, такія як раннія акумулятарныя дрылі або камеры, былі больш уразлівыя.

У ходзе кантраляванага тэсціравання нікель-кадміевыя акумулятары развілі вымерны эфект памяці пасля 15-20 невялікіх цыклаў пры аднолькавай глыбіні разраду. Эфект узмацняецца з кожным паўторам. Пасля 100 такіх цыклаў страта магутнасці можа дасягнуць 25% і больш.

Нікель-металгідрыдныя батарэі паказалі розныя ўзоры. Ім патрабавалася 50-70 неглыбокіх цыклаў, перш чым паказаць значны эфект памяці, і максімальная страта ёмістасці звычайна заставалася каля 10-15%. Гэтая лепшая талерантнасць зрабіла іх папулярнымі для прылад з высокім спажываннем энергіі, дзе поўная разрадка была непрактычнай.

Стратэгіі прадухілення і адмены

Для NiCd акумулятараў

Цыклы поўнай разрадкі-зарадкі кожныя 20-30 выкарыстанняў дапамагаюць прадухіліць развіццё эфекту памяці. Гэтая практыка, званая кандыцыянаваннем або аднаўленнем, задзейнічае ўсю паверхню электрода і прадухіляе лакальнае адукацыю крышталяў. Спецыяльныя зарадныя прылады з рэжымамі кандыцыянавання аўтаматызуюць гэты працэс.

Некаторыя прамысловыя сістэмы NiCd выкарыстоўваюць імпульсную зарадку, ужываючы кароткія імпульсы моцнага-току падчас зарадкі для разбурэння крышталяў. Гэтая тэхніка патрабуе спецыяльнага абсталявання і недаступная для спажывецкіх акумулятараў.

Для NiMH акумулятараў

Час ад часу поўная разрадка дапамагае, але нікель-металгідрыдныя акумулятары лепш пераносяць частковую замену, чым нікель-кадміевыя. Поўная разрадка кожныя 50-100 цыклаў забяспечвае дастатковае абслугоўванне. Часцей кандыцыянаванне дае мінімальную карысць і павялічвае непатрэбны знос.

Сучаснае кіраванне батарэяй

Сістэмы кіравання батарэямі ў прыладах, якія выкарыстоўваюць хімію літыя, кантралююць узровень зарада, тэмпературу і паток току для аптымізацыі прадукцыйнасці. Гэтыя сістэмы робяць непатрэбным ўмяшанне карыстальніка. Працэс "каліброўкі акумулятара" ў некаторых прыладах не прадухіляе эфект памяці-а дапамагае сістэме кіравання дакладна адсочваць ёмістасць.

Пераход да літыевай тэхналогіі

Адыход ад нікель-кадміевых і нікель-металгідрыдных батарэй у спажывецкіх праграмах часткова звязаны з праблемамі эфекту памяці. Вытворцы прызналі, што спажыўцам патрэбны-неабслугоўваныя батарэі. Хімія літыя забяспечвала гэта разам з больш высокай шчыльнасцю энергіі і лепшымі суадносінамі магутнасці-да-вагі.

Сучасныя прылады, якія выкарыстоўваюць тэхналогію літый-палімерных акумулятараў, цалкам пазбягаюць эфекту памяці, забяспечваючы пры гэтым у 2-3 разы большую колькасць энергіі на грам у параўнанні з NiMH. Гэта робіць іх ідэальнымі для смартфонаў, планшэтаў, беспілотных лятальных апаратаў і іншых адчувальных да вагі прыкладанняў, дзе важна павялічыць час працы.

Аднак нікель-кадміевыя і нікель-металгідрыдныя акумулятары працягваюць выкарыстоўвацца там, дзе экстрэмальныя тэмпературы, высокая хуткасць разраду або доўгатэрміновая-надзейнасць пераважваюць праблемы з эфектам памяці. Сістэмы рэзервовага сілкавання, медыцынскія прыборы і некаторыя прамысловыя інструменты па-ранейшаму абапіраюцца на-хімічныя рэчывы на аснове нікеля.

Часта задаюць пытанні

Ці можа эфект памяці незваротна пашкодзіць батарэю?

Эфект памяці сам па сабе не пашкоджвае фізічную структуру батарэі. Гэта памяншае даступную ёмістасць, змяняючы размяшчэнне электродных матэрыялаў. Тэарэтычна, належнае кандыцыянаванне можа змяніць гэта, хоць сур'ёзныя выпадкі, звязаныя з гадамі дрэннай зарадкі, могуць перашкодзіць поўнаму аднаўленню. Акумулятар застаецца бяспечным для выкарыстання-яна проста забяспечвае меншы час працы.

Як даведацца, ці мае батарэя эфект памяці?

Эфект памяці выяўляецца як меншы час працы, які значна паляпшаецца пасля поўнага разраду-цыкла зарадкі. Калі час працы застаецца нізкім нават пасля кандыцыянавання, хутчэй за ўсё, праблема заключаецца ў нармальным старэнні або ўнутраным пашкоджанні, а не ў эфекце памяці. Сучасныя літыевыя акумулятары не будуць паказваць такую ​​карціну, паколькі яны не адчуваюць сапраўднага эфекту памяці.

Ці ўплывае эфект памяці на аўтамабільныя акумулятары?

Не. Аўтамабільныя акумулятары выкарыстоўваюць свінцовую-кіслоту, якая не стварае эфекту памяці. Страта ёмістасці ў старых аўтамабільных акумулятарах адбываецца з-за сульфатацыі (назапашвання крышталяў сульфату свінцу), адлучэння актыўнага матэрыялу і расслаення электраліта-рознымі працэсамі, якія патрабуюць розных сродкаў.

Чаму вытворцы тэлефонаў рэкамендуюць перыядычна праводзіць поўную разрадку?

Гэтая парада датычыцца каліброўкі датчыка батарэі, а не прадухілення эфекту памяці. Праграмнае забеспячэнне прылады адсочвае ёмістасць батарэі, кантралюючы напружанне і ток. Перыядычная разрадка амаль-да пустога дапамагае сістэме вымераць сапраўдную ёмістасць акумулятара, паляпшаючы ацэнку ўзроўню зарада. Гэта не прадухіляе страту ёмістасці самой батарэі.

Эфект памяці вызначаў развіццё тэхналогіі акумулятараў на працягу дзесяцігоддзяў. Разуменне яго механізмаў прывяло да лепшага хімічнага складу акумулятараў і больш разумных сістэм зарадкі. Хаця большасць сучасных карыстальнікаў ніколі не сутыкаюцца з сапраўдным эфектам памяці дзякуючы літыевым-батарэям, атрыманыя ўрокі працягваюць уплываць на тое, як мы распрацоўваем партатыўныя сістэмы харчавання і кіруем імі.

Пераход да канструкцый літый-палімерных акумулятараў і іншых перадавых хімічных рэчываў азначае больш, чым проста пазбяганне эфекту памяці. Гэтыя тэхналогіі прапануюць фундаментальныя перавагі ў шчыльнасці энергіі, хуткасці зарадкі і гнуткасці працы, якія адпавядаюць патрабаванням сучасных прылад. Для прыкладанняў, якія ўсё яшчэ выкарыстоўваюць нікелевыя-акумулятары, разуменне эфекту памяці застаецца важным для максімальнай прадукцыйнасці і працягласці жыцця.

Ключавыя вывады

Эфект памяці зніжае карысную ёмістасць акумулятара праз паўторныя цыклы частковага разраду, у першую чаргу ўплываючы на ​​NiCd акумулятары

З'ява звязана з крышталічнымі ўтварэннямі, якія развіваюцца ў лакалізаваных электродных абласцях падчас неглыбокага цыклу

Літый-акумулятары, у тым ліку літый-палімерныя, не адчуваюць сапраўднага эфекту памяці

Перыядычнае кандыцыянаванне дапамагае прадухіліць і змяніць эфект памяці ва адчувальных тыпах батарэй

Сучасныя сістэмы кіравання акумулятарамі пазбаўляюць ад неабходнасці ручнога ўмяшання ў прылады з-літыевым харчаваннем