Создателем привычных нам одноразовых источников питания, которые в быту часто называют «батарейками» (хотя с технической точки зрения это не совсем корректно), считается французский инженер Жорж Лекланше. В 1866 году он разработал первый гальванический элемент, получивший впоследствии его имя. При этом важно не путать такие элементы с аккумуляторами аналогичных типоразмеров — несмотря на внешнее сходство, принцип их работы принципиально различается. Отличия между батареями и аккумуляторами будут рассмотрены далее в статье.
Изначально элемент Лекланше с номинальным напряжением около 1,5 В применялся для питания телеграфных аппаратов, звонков и первых телефонных устройств. Это было продиктовано практической необходимостью — компактного и автономного источника энергии в то время просто не существовало. Сегодня, спустя более чем полтора века, элементы этого класса по-прежнему используются, хотя и в значительно усовершенствованном виде. Они питают игрушки, радиоприемники, портативные аудиоплееры, фонари и множество других маломощных устройств. Одновременно с этим в бытовой и профессиональной технике все чаще применяются более дорогие, но эффективные литиевые батареи.
Разнообразие электронных устройств и способов их эксплуатации приводит к тому, что к источникам питания предъявляются разные требования: по емкости, рабочему напряжению, допустимому току разряда и сроку службы. Эти параметры напрямую влияют на форму и размеры батарей, их внутреннюю конструкцию, материалы электродов и тип используемого электролита. В результате на рынке представлено множество разновидностей элементов питания, различающихся как по химическому составу, так и по эксплуатационным характеристикам. Возникает закономерный вопрос: чем именно отличаются различные типы батарей и как правильно их использовать?
Краткие факты о батареях
- Одноразовые батареи относятся к первичным гальваническим элементам и после полной разрядки не предназначены для повторного использования.
- Самыми ранними считаются цинково-углеродные элементы, отличающиеся невысокой емкостью и ограниченным сроком службы.
- Щелочные батареи обладают большей емкостью, сроком хранения до 7 лет и расширенным температурным диапазоном.
- Литиевые элементы характеризуются рекордной плотностью энергии — до 270 Вт·ч/кг — и сроком службы до 10 лет.
- Серебряные батареи обеспечивают стабильное выходное напряжение, что делает их оптимальными для измерительной техники.
- Обозначения батарей указывают на их химический состав и размер, например LR6 — щелочной элемент формата AA.
- Литиевые батареи выпускаются также в виде плоских кнопочных элементов, широко применяемых в часах и компьютерах.
- Попытки зарядки одноразовых батарей опасны и могут привести к утечке электролита или взрыву.
- Современные элементы питания различаются и по экологическим параметрам — например, ртуть в них больше не используется
Цинково-углеродные элементы
Классический элемент Лекланше имел существенный недостаток — в нем применялся жидкий электролит. Конструкция включала цинковый электрод в виде сосуда и пористый контейнер, заполненный влажной смесью диоксида марганца и графитовой пыли. Внутри размещался графитовый стержень, выполнявший функцию токосъема. Пространство между электродами заполнялось концентрированным раствором хлорида аммония. Диоксид марганца выступал в роли деполяризатора, поглощая водород, выделяющийся на поверхности угольного электрода. Без этого процесса газ изолировал бы электрод от электролита и препятствовал бы протеканию тока.
Значительный шаг вперед был сделан в 1887 году, когда немецкий инженер Карл Гасснер разработал так называемую «сухую» версию элемента. Он заменил жидкий электролит пастообразной смесью хлорида аммония и влагосвязывающего наполнителя. Со временем в качестве загустителей стали применять крахмальный клейстер или силикагель. Это решение существенно повысило удобство и безопасность эксплуатации батарей.
За более чем 150 лет существования цинково-углеродные элементы претерпели множество доработок, направленных на увеличение емкости и срока службы. Одним из способов стало добавление хлорида цинка в электролитную пасту — такие элементы часто обозначаются как «сверхмощные» и предназначены для более энергоемких устройств. Однако следует учитывать, что хлорид аммония представляет собой соль сильной кислоты и слабого основания, поэтому раствор обладает кислой реакцией. В результате цинковый электрод продолжает медленно растворяться даже в режиме хранения, без нагрузки.
Для снижения саморазряда применялись различные методы, в том числе амальгамация — покрытие внутренней поверхности цинковой чашки ртутью. Цинковая амальгама значительно менее подвержена коррозии, сохраняя при этом электрохимические свойства металла. По экологическим причинам этот способ сегодня практически не используется, а современные батареи маркируются как «0% ртути» или «mercury free».
Современные цинково-углеродные батареи имеют теоретическую плотность энергии в диапазоне 40-70 Вт·ч/кг, рабочие температуры от -10 до +50°C и срок хранения около 2 лет.
Проблема протекших батарей
При эксплуатации цинково-углеродных элементов важно своевременно извлекать их из устройств после разрядки. Оставленные батареи могут дать утечку электролита, что приводит к коррозии контактов и повреждению электронных компонентов оборудования.
Щелочные элементы питания
Существенный технологический прорыв в области одноразовых батарей произошел в 1955 году с появлением щелочного элемента. Его разработал канадский инженер Льюис Фредерик Урри, работавший в компании, известной сегодня как Energizer. В новой конструкции отсутствовали традиционный графитовый катод и цинковый стакан. Оба электрода представляли собой пастообразные массы, разделенные сепаратором.
Катод формировался из смеси диоксида марганца и графита, а анод — из цинковой пыли с добавлением гидроксида калия. Для придания нужной консистенции в состав вводились специальные загустители, а металлическими оставались только токовыводы.
Щелочные батареи отличаются значительно лучшими эксплуатационными характеристиками по сравнению с цинково-углеродными. Они способны отдавать более высокие токи, имеют увеличенный срок хранения и более высокую энергетическую плотность — теоретически 80-100 Вт·ч/кг. Диапазон рабочих температур также шире и составляет примерно от -30 до +70°C. Срок хранения таких батарей достигает 5-7 лет. В маркировке щелочных элементов используется буква L — например, элемент формата AA обозначается как LR6.
Литий-марганцевые батареи
Так называемые литиевые батарейки формата AA на практике относятся к литий-марганцевым элементам. Их номинальное напряжение составляет 3 В, что вдвое выше, чем у стандартных щелочных батарей. Они устойчивы к температурным колебаниям и обладают исключительно высокой плотностью энергии — до 270 Вт·ч/кг. Благодаря этому литиевые элементы AA способны запасать почти втрое больше энергии по сравнению с щелочными аналогами.
Такие батареи широко применяются в часах, видеокамерах, фотоаппаратах, компьютерной технике и другой электронике, где требуется длительная автономная работа. Срок их хранения может достигать 10 лет.
Семейство литиевых батарей включает множество подтипов, объединенных использованием лития или его соединений в качестве анода. В качестве катодных материалов применяются оксид марганца, тионилхлорид, оксид серы, йод, хромат серебра и другие соединения. В зависимости от химического состава выходное напряжение может варьироваться от 1,5 до 3,7 В.
Литий-марганцевые элементы отличаются крайне длительным сроком службы, поэтому часто используются в устройствах, рассчитанных на многолетнюю работу без замены источника питания: кардиостимуляторах, слуховых имплантатах, часах, схемах резервного питания памяти и микросхемах RTC. К дополнительным преимуществам относятся устойчивость к высоким токам разряда и широкий диапазон рабочих температур — от -40 до +65°C.
Ранее такие батареи считались дорогими и применялись ограниченно, однако сегодня они все чаще встречаются даже в массовых устройствах и игрушках. Наиболее распространенной разновидностью являются литиевые кнопочные элементы, часто называемые «плоскими батарейками 3 В». Они получили свое название благодаря компактной форме, напоминающей пуговицу. Несмотря на наличие и других форм-факторов, именно кнопочные элементы получили наибольшее распространение.
Благодаря длительному сроку службы литиевые батареи нередко оснащаются приваренными выводами для пайки непосредственно на печатную плату. В таких применениях, например при питании CMOS-памяти или часов реального времени, один элемент способен обеспечивать стабильную работу устройства на протяжении многих лет без замены.
Серебряные элементы питания: особенности и назначение
Серебряные батарейки относятся к категории первичных элементов с номинальным напряжением 1,55 В. В их конструкции катод изготавливается из оксида серебра, анод — из цинка, а в качестве электролита применяется раствор гидроксида калия. История этих источников питания начинается еще в конце XIX века, однако промышленное производство в значимых объемах было налажено лишь в 1960-х годах. В технической литературе и каталогах они могут встречаться под названиями «оксидно-серебряные» или «серебряно-цинковые» элементы.
Ключевым преимуществом серебряных батарей является исключительно стабильное выходное напряжение и практически горизонтальная разрядная характеристика. Это означает, что напряжение на выводах остается почти неизменным на протяжении большей части срока службы и резко падает лишь на завершающем этапе разряда. Теоретическая плотность энергии таких элементов составляет порядка 130-150 Вт·ч/кг. Благодаря этим свойствам серебряные батарейки оптимально подходят для питания устройств, чувствительных к колебаниям напряжения, прежде всего, измерительных приборов, медицинской и прецизионной электроники.
Средний срок хранения серебряных элементов составляет около 2 лет. Существенным недостатком данной технологии является склонность цинка к коррозии в щелочной среде электролита. В результате со временем происходит деградация внутренней структуры элемента, что может приводить к утечкам. На практике такие батарейки нередко начинают протекать спустя 4-5 лет, представляя потенциальную угрозу для окружающей среды и электронных устройств, в которых они установлены.
Маркировка и габариты популярных батарей
Ниже приведен обзор обозначений и типоразмеров наиболее распространенных батарей, представленных на рынке и доступных в ассортименте компании Эиком.
Элементы формата AA
Батареи типоразмера AA, в быту часто называемые «пальчиковыми», являются одними из самых распространенных. В стандартном исполнении они маркируются как R6, а в щелочной версии — LR6. Диаметр таких элементов составляет около 14 мм, высота — порядка 50 мм. Номинальное напряжение равно 1,5 В. Современные аккумуляторы формата AA имеют емкость в диапазоне от 1600 до 2500 мА·ч в зависимости от технологии и производителя.
Батареи AAA (миниатюрные пальчиковые)
Элементы AAA представляют собой уменьшенную версию формата AA и не уступают ему по популярности. Их обозначение — R03 для обычных и LR03 для щелочных вариантов. Номинальное напряжение также составляет 1,5 В. Диаметр батареек AAA равен примерно 10 мм, а высота — около 44 мм. За счет меньших габаритов их емкость ниже и обычно лежит в пределах 800-1200 мА·ч.
Элементы LR61, R14, R20 и другие размеры
К компактным цилиндрическим батареям относится формат LR61. Диаметр такого элемента составляет около 8,3 мм, высота — 42,5 мм, а номинальное напряжение равно 1,5 В. Максимальная емкость достигает примерно 650 мА·ч.
Для задач, требующих более высокой емкости, применяются батареи увеличенного размера — R14 (тип C) и R20 (тип D). Элемент R14 имеет диаметр около 23 мм и высоту 50 мм, при этом его емкость может достигать 8000 мА·ч. Самыми емкими среди цилиндрических батарей являются элементы R20 диаметром 33 мм и высотой 58 мм — их емкость способна достигать 21 000 мА·ч.
Батареи с повышенным напряжением
Источники питания с напряжением, отличным от стандартных 1,5 В, получают путем последовательного соединения нескольких элементов. Так, классическая плоская батарея формируется из трех последовательно соединенных элементов R10. Аналогичным образом популярная батарея на 9 В (тип 6F22 или 6LR61) состоит из шести миниатюрных элементов F22, заключенных в общий прямоугольный корпус размером примерно 48 х 25 х 15 мм.
Следует учитывать, что указанные значения емкости носят ориентировочный характер. Технологии производства постоянно совершенствуются, а высокий спрос на эффективные источники питания приводит к регулярному обновлению параметров батарей одного и того же типоразмера.
ANSI IEC NEDA Другие обозначения Размеры Номинальное напряжение N R1 910A - L = 30,2 мм; D = 12 мм 1,5 В AAAA LR61 25A MN2500 L = 42 мм; D = 8 мм 1,5 В AAA R03 24A MN2400, AM4, UM4 L = 44,5 мм; D = 10,5 мм 1,5 В AA R6 15A MN1500, AM3, UM3 L = 50 мм; D = 14,2 мм 1,5 В C R14 14A MN1400, UM2 L = 50 мм; D = 23 мм 1,5 В D R20 13A MN1300, UM1 L = 58 мм; D = 33 мм 1,5 В PP3 6LR61 / 6F22 1604A MN1604 48 х 25 х 15 мм 9 В
Маркировка литиевых элементов
Для большинства литий-марганцевых батарей с номинальным напряжением 3 В используется единый принцип обозначений. В маркировке указывается диаметр и толщина элемента: CR<диаметр в мм> <толщина х0,1 мм> . Например, батарея CR2032 имеет диаметр 20 мм и толщину 3,2 мм. Это правило справедливо для наиболее распространенных литиевых кнопочных элементов. Следует помнить, что существуют и литиевые батареи других химических систем, включая серебряные, которые маркируются по иной схеме.
Чем отличаются батареи от аккумуляторов
Главное различие между батареями и аккумуляторами заключается в возможности повторного использования. Батарея — это одноразовый первичный элемент: после полного расходования запасенной энергии она становится непригодной к дальнейшей эксплуатации. Аккумуляторы, напротив, рассчитаны на многократные циклы заряда и разряда — от нескольких сотен до нескольких тысяч, в зависимости от технологии.
За более чем 150 лет развития технологии одноразовых источников питания было создано множество типов батарей, отличающихся химическим составом, формой, емкостью и рабочими характеристиками. В повседневной практике наиболее распространены цинково-углеродные, щелочные, литий-марганцевые и серебряные элементы. Каждый из этих типов имеет свою область оптимального применения — от простых бытовых устройств до точной измерительной и медицинской техники. При выборе батареи важно учитывать не только типоразмер и напряжение, но и стабильность параметров, срок хранения и условия эксплуатации. И независимо от технологии следует помнить: одноразовые элементы питания не предназначены для перезарядки, а попытки их восстановления могут привести к утечке, повреждению оборудования и даже взрыву.
Вопросы и ответы
Какие категории батарей существуют и по какому принципу их делят?
Все источники питания принято разделять на две основные группы: первичные элементы, которые используются однократно, и вторичные — аккумуляторы, рассчитанные на многократную перезарядку. Внутри этих групп выделяют различные химические системы, включая щелочные, цинк-углеродные, серебряные, элементы на основе металлического лития, а также перезаряжаемые литий-ионные, никель-металлгидридные (NiMH) и свинцово-кислотные аккумуляторы. Каждый тип отличается рабочим напряжением, плотностью энергии и областью применения.
Какие бывают типоразмеры батареек и какой формат считается самым миниатюрным?
Размер батареи определяется ее стандартным обозначением (AA, AAA, CR2032 и т. д.) и фактическими габаритами в миллиметрах. Например, элементы AAA имеют размеры около 44,5 х 10,5 мм, AA — примерно 50 х 14,5 мм, а кнопочная батарея CR2032 — 20 мм в диаметре и 3,2 мм по толщине. Одними из самых компактных серийно применяемых элементов считаются CR1025 диаметром 10 мм и толщиной 2,5 мм. Для специализированной электроники существуют и еще более миниатюрные батареи с диаметром менее 6 мм.
Чем принципиально отличаются щелочные батарейки от литиевых?
Щелочные элементы работают при номинальном напряжении 1,5 В и основаны на электрохимической реакции между цинком и диоксидом марганца в щелочном электролите. Литиевые батареи используют металлический литий и различные катодные материалы, благодаря чему обеспечивают более высокое напряжение — от 3 до 3,7 В, повышенную плотность энергии и значительно больший срок хранения. Кроме того, литиевые элементы лучше переносят температурные перепады и чаще применяются в ответственных и долговременных приложениях, таких как медицинская техника, измерительные приборы и уличное оборудование.
Означает ли больший размер батареи автоматически большую емкость?
Нет, прямая зависимость между габаритами и емкостью существует не всегда. Хотя увеличение размера обычно позволяет разместить больше активного материала, решающую роль играет химический состав элемента. Так, компактная литиевая батарея CR123 может иметь меньшие размеры, чем цилиндрический элемент R20, но при этом сопоставимую или даже более высокую энергетическую плотность. Эффективная емкость определяется типом электродов, электролита и рабочим напряжением, а не только физическими размерами.
Какие батареи считаются наиболее экологичными на сегодняшний день?
С точки зрения энергоэффективности и переработки наибольший потенциал имеют литий-ионные и никель-металлгидридные (NiMH) аккумуляторы. Современные разработки, включая твердотельные батареи, дополнительно повышают безопасность и снижают экологические риски за счет отказа от жидких электролитов. При этом важно помнить, что любой тип батарей требует корректной утилизации, особенно элементы, содержащие тяжелые металлы или химически активные вещества.
Зачем кнопочные батарейки иногда поставляются с припаянными выводами?
В устройствах, где критична надежность питания — например, в микросхемах часов реального времени (RTC), CMOS-памяти или медицинских имплантатах, — важно исключить даже кратковременный разрыв контакта. Батареи с приваренными или припаянными выводами жестко фиксируются на печатной плате, что предотвращает их смещение или выпадение. Такое решение позволяет обеспечить стабильное питание в течение многих лет, иногда до 8-10 лет, без необходимости обслуживания или замены элемента.