Батарейки на морозе

Введение

В сегодняшней статье мы представляем вам короткое и немного необычное исследование — изучение работы четырёх разных типов элементов питания формата AA при температуре -15 °C. На дворе зима, и хоть «русской суровой» её в этом году можно назвать лишь условно, тема работы батареек при отрицательных температурах, на наш взгляд, актуальна. Тем более, что рассматривать мы будем не столько продукцию разных фирм, сколько разные типы элементов питания — то есть отличающиеся друг от друга электрохимией.

В том, что батарейки и аккумуляторы на морозе теряют ёмкость, нет ничего удивительного: внутри у них находится электролит, от температуры которого зависит и подвижность ионов, и скорость протекания химических реакций — а значит, эффективность работы элемента питания. Разные типы элементов имеют разный состав электролита и, соответственно, по-разному реагируют на снижение температуры. Сегодня мы и попробуем эту разницу увидеть на практике.

Исследование наше будет заключаться в измерении ёмкости четырёх элементов питания при двух температурах — +23 °C и -15 °C. В тестировании приняли участие:


щелочные батарейки Duracell Turbo;
литиевые одноразовые (неперезаряжаемые) батарейки Energizer Ultimate Lithium;
никель-кадмиевые аккумуляторы GP 100AAKC (паспортная ёмкость 1000 мА*ч);
никель-металлгидридные аккумуляторы Sanyo HR3U (паспортная ёмкость 2700 мА*ч).

Обращаем ваше внимание, что литиевые элементы — это одноразовые батарейки формата AA с рабочим напряжением 1,5 В, а не перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы, чьё напряжение обычно равно 3,6 или 3,7 В. Хотя последние при сильном охлаждении также страдают — и это известно, пожалуй, всем владельцам мобильных телефонов, которые вынуждены были когда-либо подолгу разговаривать зимой на улице — в нашем тесте они не приняли участие по двум причинам. Во-первых, в промышленных устройствах Li-ion аккумуляторы обычно альтернативы не имеют, устройство может использоваться только с одной конкретной моделью аккумулятора. Во-вторых, в нашем распоряжении не было как Li-ion аккумуляторов, удобных для подключения к нашей тестовой нагрузке, так и отдельного зарядного устройства для них.

Также стоит уточнить, что при охлаждении до -15 °C потеря ёмкости аккумуляторов и батареек — временная, после нагрева обратно до комнатной температуры их характеристики полностью восстанавливаются. Для необратимого повреждения большинство типов аккумуляторов, включая литий-ионные, требуется охладить ниже -40 °C.

В статье мы будем говорить только о разрядке аккумуляторов при низких температурах. Зарядку же их всегда лучше выполнять при температуре не ниже +10 °C.
Постановка эксперимента

Тестирование батареек и аккумуляторов проходило в два этапа: сначала мы провели измерение их ёмкости при разряде постоянным током 500 мА (примерно такую же нагрузку на элементы питания создаёт фотоаппарат или фонарик с лампочкой накаливания) при нормальной комнатной температуре (23 °C), после чего зарядили аккумуляторы, заменили батарейки — и повторили эксперимент при тех же условиях, за исключением температуры.

В результате мы получили два набора данных, разница между которыми была только в температуре окружающего воздуха, при которой эти данные получались.

Нужная температура создавалась при помощи инкубатора Sanyo MIR-253 — 254-литрового термошкафа, способного сколь угодно долго поддерживать внутри себя любую заданную температуру в диапазоне от -20 до +50 °C. Температура в нём устанавливается с точностью до 1 °C, а чтобы она была одинакова по всему объёму инкубатора, он снабжён вентилятором. Мощный компрессор позволяет инкубатору остыть от комнатной температуры до -15 °C всего лишь за полтора часа.

Для разрядки элементов питания постоянным током использовалось уже известное нашим читателям устройство, представляющее собой 4-канальный стабилизатор тока. В ходе процесса напряжения всех четырёх элементов питания фиксировались самописцем Velleman PCS10, каждый из каналов которого предварительно калибровался для получения максимально возможной точности измерения.


Чтобы изучить влияние холода только на сами батарейки, но не на нашу установку, блок с батарейками был подключён к ней с помощью гибкого 40-сантиметрового шлейфа, проходящего через специальное отверстие в стенке инкубатора. Таким образом, условия разряда в первом и втором экспериментах не отличались ничем, кроме температуры окружающего батарейки воздуха.

Непосредственно перед экспериментом аккумуляторы заряжались с помощью универсального зарядного устройства Sanyo NC-MQR02.


Изначально инкубатор был установлен на температуру +5 °C. За полтора часа до начала измерений в него были помещены батарейки, а температура изменена на -15 °С. Примерно за час инкубатор остыл до заданного уровня (табло на фотографии выше показывает текущую температуру воздуха внутри инкубатора), через полчаса после этого батарейки были подключены к находящейся снаружи инкубатора нагрузке — и эксперимент начался.

Таким образом, тестировавшиеся элементы питания успели остыть ниже нуля градусов ещё до начала разрядки. Это было сделано специально, чтобы смоделировать ситуацию, когда, скажем, вы отправляетесь гулять с фотоаппаратом, и к моменту, когда вы захотите сделать снимок, батарейки в нём уже успеют остыть. В случае, если батарейки пробыли на морозе несколько часов, потеря ёмкости может оказаться ещё более значительной, чем в нашем эксперименте.

Эксперимент продолжался до полной разрядки последней из батареек, дверца инкубатора при этом открывалась дважды на несколько секунд, чтобы извлечь разрядившиеся Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторы — температура в инкубаторе при этом поднималась примерно на градус-полтора, но, благодаря мощному холодильному агрегату, быстро возвращалась обратно.
Итоги тестирования

Для начала — график разряда протестированных элементов питания при комнатной температуре:


Аккумулятор Sanyo HR3U (паспортная ёмкость 2700 мА*ч) на постоянном токе 500 мА мы уже тестировали ранее, а вот про остальные три элемента стоит сказать отдельно.

Никель-кадмиевый (Ni-Cd) аккумулятор GP 100AAKC полностью подтвердил свои паспортные данные — при обещанной производителем ёмкость 1 А*ч в нашем тесте он смог отдать 1,03 А*ч. Аккумулятор хорошо держит напряжение в течение почти всего процесса разрядки.

Одноразовая литиевая батарейка Energizer Ultimate Lithium в очередной раз подтвердила свои отличные характеристики — ёе ёмкость, в отличие от более привычных щелочных батареек, весьма мало зависит от разрядного тока. Ранее мы уже тестировали её при разряде током 750 мА, и получили примерно тот же результат — около 3 А*ч. К слову, паспортная ёмкость Ultimate Lithium как раз трём ампер-часам и равна. Батарейка хорошо держит напряжение до последнего момента, после чего быстро «просаживается».

Щелочная батарейка Duracell Turbo (также тестировавшаяся нами ранее, но на других токах — 250 и 750 мА) звёзд с неба не хватает: хотя при разряде до 1,0 В её ёмкость в ампер-часах оказалась одинакова с Ni-Cd аккумулятором, но вот напряжение она держит плохо, так что при пересчёте в ватт-часы батарейка займёт последнее место в рейтинге. Шансы на конкуренцию с Ni-Cd аккумулятором у неё есть разве что в случае, когда питаемое устройство может работать от напряжения 0,9 В или ниже, но на конкуренцию с литиевыми батарейками или Ni-MH аккумуляторами при таком разрядном токе — шансов уже нет никаких. Впрочем, этот вывод не нов, щелочные батарейки мы уже тестировали и об их непригодности для устройств со сколь-нибудь серьёзным энергопотреблением говорили.

Теперь посмотрим на результаты, полученные на элементах питания, охлаждённых до -15 °C. Оси графика имеют такой же масштаб, как и выше:


Во-первых, у всех элементов снизилось напряжение — примерно на 0,1 В у Ni-Cd аккумулятора и литиевой батарейки, и немного больше, на 0,15 В, у Ni-MH аккумулятора.

Во-вторых, все элементы сократили свою ёмкость, кроме того, у Ni-MH аккумулятора и литиевой батарейки графики стали более пологими, теперь их напряжение плавно снижается с самого начала процесса разряда, а не держится на постоянном уровне.

В-третьих, отдельно стоит сказать о щелочной батарейке — как наглядно видно из графика, при температуре -15 °C она попросту неработоспособна: под нагрузкой её напряжение падает ниже 1 В примерно за четверть часа, далее у батарейки хоть и открывается ненадолго «второе дыхание» (напряжение вдруг начинает расти), но ситуацию оно не спасает никоим образом. О конкуренции даже с относительно малоёмкими Ni-Cd аккумуляторами более не идёт и речи.


Диаграмма с емкостями протестированных элементов в ампер-часах лишь подтверждает сказанное — щелочная батарейка при сильном охлаждении практически перестаёт работать, её ёмкость на нагрузке 500 мА упала до 0,14 А*ч.

Весьма интересно, что падение емкостей Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов вполне сравнимо, хотя традиционно считается, что Ni-Cd более устойчивы к холоду. То ли под холодом надо понимать температуры ниже -30 °C, то ли, возможно, стоит попробовать Ni-Cd аккумуляторы других производителей, но в нашем случае по абсолютной ёмкости среди аккумуляторов, несомненно, побеждает Ni-MH.

В общем же зачёте привычно лидируют литиевые батарейки Energizer — им и мороз нипочём. Ещё бы стоили они подешевле...


При пересчёте в ватт-часы разница емкостей при температурах +23 °C и -15 °C становится больше — сказывается тот факт, что при охлаждении у всех элементов питания снизилось рабочее напряжение. Впрочем, расстановка сил не меняется: щелочные батарейки на морозе не годны практически ни на что, Ni-Cd аккумулятор теряет примерно половину ёмкости, а лучше всех держится одноразовая литиевая батарейка.


И, наконец, самая наглядная диаграмма: потеря ёмкости в процентах при охлаждении до -15 °C относительно ёмкости при +23 °C.

Щелочная батарейка Duracell Turbo демонстрирует катастрофический результат — падение на 87 %. Боюсь, если летом во многих фотоаппаратах щелочных батареек хватает на десять-двадцать снимков, то зимой — хорошо, если объектив-то удастся выдвинуть...

Чуть меньше чем вдвое снизилась ёмкость Ni-Cd аккумулятора — увы, чуда не произошло, и по абсолютной ёмкости обогнать он смог лишь щелочную батарейку, в общем зачёте оказавшись на третьем месте.

Весьма неплохо выдерживает мороз Ni-MH аккумулятор: его ёмкость падает примерно на треть, но номинальное её значение достаточно велико, чтобы остатка хватило на уверенное второе место. Таким образом, по крайней мере для эпизодического использования при температурах до -15 °C менять Ni-MH на Ni-Cd смысла нет никакого.

И, наконец, лучший результат — у одноразовых литиевых батареек, падение ёмкости которых при охлаждении на 38 градусов составило всего лишь около 20 %. К сожалению, их высокая стоимость (в московских магазинах — более 70 рублей за штуку на момент подготовки статьи) не позволяет широко использовать их вместо аккумуляторов.

Сформулируем вкратце выводы:

щелочные батарейки при отрицательных температурах работают крайне плохо, падение ёмкости при охлаждении у них лишь немного не дотянуло до десятикратного;
для техники со сравнительно большим энергопотреблением для периодического использования при температурах до -15 °C лучшим выбором являются обычные Ni-MH аккумуляторы;
для техники с малым энергопотреблением (например, заоконные беспроводные датчики домашних метеостанций), а также техники, которая должна долго храниться при низких температурах с батарейками в комплекте (например, ручной фонарик в неотапливаемом гараже) лучшим выбором являются одноразовые литиевые батарейки Energizer Ultimate Lithium, несмотря на их высокую стоимость;
какого-либо смысла в использовании Ni-Cd аккумуляторов с точки зрения эпизодической работы при температурах до -15 °C мы обнаружить не смогли.

P.S. То, что аккумуляторы или батарейки способны работать на морозе, ещё не значит, что устройство, в которое они установлены, также рассчитано на отрицательные температуры. Сверяйтесь с руководством пользователя!
Другие материалы по данной теме

Тестирование Ni-MH аккумуляторов формата AA
Тестирование батареек формата AA
Методика тестирования аккумуляторов и батареек