Высокие требования, предъявляемые к химическим источникам тока, привели к разработке и внедрению в практику некоторых новых типов аккумуляторов. Среди них прежде всего нужно отметить серебряно-цинковые (СЦ), а также безламельные кадмий-никелевые (КН) аккумуляторы.

При относительно малых габаритах и весе эти аккумуляторы имеют большую емкость и значительный ток разряда. Но этим типам аккумуляторов присущ и ряд недостатков, которые ограничивают область их применения. К основному недостатку безламельных кадмий-никелевых и особенно серебряно-цинковых аккумуляторов относится их высокая стоимость, обусловленная применением в них таких дорогих материалов, как кадмий и серебро.

Новый тип никель-цинковый (НЦ) аккумулятор, обладая высокими удельными характеристиками, требует для своего производства гораздо более дешевых и доступных материалов; поперечный разрез его показан на рис. 1. Рабочее напряжение ни-кель-цинковых аккумуляторов лежит в пределах 1,60— 1,70 в, то есть выше чем у серебряно-цинковых аккумуляторов на 7— 9% и кадмий-никелевых аккумуляторов — на 30— 33%.

В качестве положительного электрода никель-цинковых аккумуляторов используется высокопористая метал-локер амическая (никелевая) основа, пропитанная активным веществом — гидратом закиси никеля. Никелевая пластина изготовляется спеканием при высокой температуре порошка карбонильного никеля.

Рис 1.1. 1 — полистироловый сосуд, 2 — отрицательный электрод, 3 — положительный электрод, 4 — капроновый чехол, 5 — целлофановая оболочка, 6 — изоляционная трубка отрицательного токовода, 7 — борн, 8 — пробка.

Капроновый чехол на положительном электроде выполняет роль сепаратора. Отрицательным электродом является брикет, спрессованный из смеси просеянной окиси цинка и цинковой пыли в отношении 7:3 со связующим 2,5% раствором крахмала. Отрицательный электрод завертывается в три слоя полупроницаемой пленки из специально обработанного целлофана. Электроды подобного типа используются в настоящее время в серебряно-цинковых (отрицательный электрод) и в безламельных кадмий-никелевых аккумуляторах (положительный электрод). Токоотводом служит медная кадмированная проволока. Электролит в аккумуляторе — раствор едкого калия КОН с добавкой едкого лития LiOH 15 г/л.

Таблица 1. Удельные характеристики некоторых систем аккумуляторов.

Реакции, происходящие в аккумуляторе, можно изобразить следующим образом:

При шестичасовом режиме заряда никель-цинковых аккумуляторов напряжение их не должно превышать величины 2,05—2,1 в. При необходимости аккумуляторы могут быть заряжены и при одночасовом режиме.

Аккумуляторы этого типа работоспособны в интервале температур от — 30° до +40°С. При —30°С и трехчасовом режиме разряда до напряжения 1,3 в аккумуляторы отдают 18— 22% и до 1 в — 28 — 34% своей номинальной емкости.

При комнатной температуре никель-цинковые аккумуляторы теряют до 20— 30% своей емкости за месяц, как и кадмий-никелевые аккумуляторы. Срок службы никель-цинковых аккумуляторов такой же, как у серебряноцинковых аккумуляторов. Никель-цинковые аккумуляторы выдерживают не менее 50 циклов заряд-разряд; при залитом электролите они могут храниться не менее шести месяцев.

По удельным характеристикам ннкель-цинковые аккумуляторы значительно превосходят безламельные кадмий-никелевые и приближаются к серебряно-цинковым аккумуляторам (таблица).

По ориентировочным расчетам стоимость никель-цинковых аккумуляторов не превышает 1—1,5 руб. за 1 ет-час (в расчете на номинальную емкость). Для сравнения укажем, что себестоимость безламельных кадмий-никелевых аккумуляторов составляет 2— 2,5 руб., а серебряно-цинковых— 4— 5 руб. за 1 вт-час.

Сплав никель - цинк. Цинковые покрытия, легированные никелем (50% Ni и 50% Zn), имеют более высокую коррозионную стойкость, чем цинковые, и способны обеспечить анодную защиту стальным деталям от коррозии. Наиболее оптимальным для этой цели является электролит (в г/л):

Хлористый аммоний 200-250

Окись цинка 15-17

Хлористый никель 25 — 40

Кислота борная 20—25

Декстрин 5 — 10

Режим электролиза: температура электролита 15-20 °С, i к = 1 ÷ 2 А/дм 2 , аноды — раздельные Zn:Ni = 1:1, рН =6,3 ÷ 6,7.

Покрытия получаются блестящими и хорошо сцепленными с основой. Продолжительность действия добавки декстрина (блескообразователь) составляет 5 г/л на 10 А.ч/л.

Наряду с этим составом применяют электролит, содержащий (в г/л):

Сернокислый цинк 75-125

Сернокислый никель 25 — 75

Сернокислый аммоний 35 — 40

Аммиак, мл/л 250

Режим электролиза : температура электролита 15 — 20°С, i к = 1 ÷ 2 А/дм 2 , (i к в начале электролиза 2 — 3 А/дм 2 в течение 1 мин), аноды — из сплава, который осаждается на катоде.

Декоративные и светопоглощающие покрытия из черного никеля в оптической промышленности осаждают из электролита (в г/л):

Сернокислый никель 65 — 75

Сернокислый цинк 30 — 40

Никель — аммоний сернокислый 45 — 50

Натрий роданистый 15

Кислота борная 25

Режим электролиза: температура электролита 45 —55°С, i к = 1,0 ÷1,5 А/дм 2 , аноды раздельные Ni: Zn = 1:1 или из сплава, который осаждается на катоде.

Сначала при 0,02 — 0,05 А/дм 2 рекомендуется осадить определенный слой обычного никеля в качестве подслоя, а потом повысить i к до 1,3 А/дм 2 и нанести черный никель. Благодаря этому повышается адгезия покрытия с основой. Для работы в условиях умеренного климата (помимо подслоя меди и никеля по стали) черные никелевые покрытия дополнительно обрабатывают в горячем растворе дву-хромовокислого калия.

В покрытия, получаемые из роданистого электролита, помимо никеля и цинка входит роданистый натрий и двойная никель-аммонийная соль.

При малых i к = 0,2 ÷ 0,4 А/дм 2 на катоде осаждается серый никель, прочно сцепленный с основой. Увеличение i к от 0,4 до 1,0 А/дм 2 приводит к получению черных осадков. Одновременно изменяется качество — покрытия становятся хрупкими. При понижении температуры электролита до 20°С покрытия становятся грубыми, с подгарами. Переход от серого никеля к черному происходит скачкообразно. На рис. 43, участок 1 кривой соответствует выделению никеля, а участок 2 — выделению цинка. На переходном участке происходит восстановление Ni — Zn на катоде. При 50°С этот момент соответствует i к = 0,35 ÷ 0,4 А/дм 2 . В составе серых покрытий содержатся следы цинка, 14 — 15% черного сульфида никеля, 74% гидроокиси цинка, 9% обычного сульфида никеля.

Рис. 43.

1 — выделение никеля; 2 — выделение цинка

Катодное восстановление сплава Ni — Zn сводится к тому, что при значении i к, отвечающем скачку потенциала на поверхности катода, начинается выделение пузырьков водорода. С повышением рН прикатодного слоя в нем образуется гидроокись цинка, которая, адсорбируясь поверхностью катода, пассивирует грани растущих кристаллов и прекращает их рост.

В результате восстановления роданидов образуются сульфиды металлов, при осаждении которых на пассивированных гранях катода последние становятся электропроводными. Это обеспечивает возникновение новых центров кристаллизации металла, дальнейший рост которых тормозится пассивированием граней кристаллов гидроокисью цинка.

Микротвердость покрытий сплавом Ni — Zn составляет 400 — 500 кгс/мм 2 и возрастает с увеличением содержания никеля в сплаве. Сплав Ni — Zn может быть использован в качестве самостоятельного покрытия или подслоя перед нанесением на сталь хромо-никелевых покрытий.

Петр Степанович Мельников . Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении , 1979 .

Приобретал я NiZn аккумуляторы (не по этой ссылке, правда). AA были заявлены как 2800 мВт*ч (просто элементы в зеленой оболочке с падписью как на матричном принтере напечатанной), AAA - 1150 мВт*ч (эти в нормальной оболочке, под брендом UltraCell). В реале элементы AA выдали 1400-1480 мА*ч (т.е., весьма похоже на элементы PowerGenix) или 2250 мВт*ч при разряде током 500 мА. AAA элементы выдали 560-580 мА*ч (или 900 мВт*ч) при разряде током 200 мА. Так что тут обычное китайское приукрашивание характеристик, но не более. Примерно 10-15% из них имели высокий саморазряд (продавцы без проблем высылали замену).

Насчет же зарядки Z4... она явно была сделана изначально под Li-ion, и только затем добавлены дополнительные напряжения для LeFePO4, NiZn, NiMH. Что касается ее схемотехники, то это стандартный блокинг-генератор, преобразующий 220 В в примерно 12 В, и импульсный преобразователь на MC34063 с 12 В в нужное напряжение (от 1,46 до 4,20 В в зависимости от положения переключателя). Никакого микропроцессора или специализированного контроллера заряда нет - это просто тупой стабилизатор напряжения с ограничением по току. Для указанной микросхемы свист, шипение и т.п. звуковые эффекты - вполне нормальное явление, они вызваны самим принципом работы микросхемы (частота преобразования не фиксирована, и ее изменение и слышно как свист и шипение). На безопасность не влияет. Гораздо больше внимания надо уделять тому, чтобы не включить одновременно сеть и внешний источник питания. Они никак не развязаны, т.е. предсказать результат будет сложно.

MC34063 выдает запрограммированное переключателем напряжение (1,46 В для NiMH, 1,86 В для NiZn, 3,63 В для LiFePO4 и 4,20 В для Li-ion), которое затем из одной точки подается на все 4 аккумулятора через резисторы по 0,3 Ом. Собственно, вся развязка аккумуляторов друг от друга - это эти резисторы (бывает и хуже - просто параллельное включение). Хочу заметить, что 1,46 В мало для зарядки NiMH, а 1,86 В - для зарядки NiZn. Чтобы нормально их заряжать этим ЗУ, надо его доработать напильником (впаять пару резисторов, которые приведут к тому, что напряжение поднимется до 1,49 В и 1,91 В соответственно). Для Li-ion ничего дорабатывать не надо.

Про 1200 мА - вранье, общий ток вряд ли превысит 500-600 мА на все аккумуляторы (это ограничение заложено в схеме токоограничения MC34063). В принципе, можно его немного сдвинуть (сама микросхема может до 750 мА выдавать без опасности перегрева), но потянет ли это преобразователь 220-12 - неизвестно.

Насчет индикаторов - на них можно не смотреть. Они отключаются тупо по напряжению (1,42 В для NiMH и 1,80 В для NiZn, и только для Li-ion при 4,20 В). 1,42 В и 1,80 В - это очень мало, фактически, аккумуляторы при этом заряжены, от силы, наполовину. Даже когда индикаторы погасли, аккумуляторы продолжают заряжаться как ни в чем не бывало. Для полной зарядки пары AA NiZn аккумуляторов надо часов 20 (после доработки время снижается примерно до 10 часов), более точно можно определить мультиметром (напряжение на аккумуляторе достигнет 1,85-1,86 В).

Итог: NiZn аккумуляторы достаточно интересны, хотя и могут оказаться неподходящими для определенной техники (не рекомендую использовать их в устройствах, работающих от 2 аккумуляторов - в них может стоять повышающий преобразователь, который не может выдать напряжение ниже, чем на входе, а 3,7 В может оказаться слишком много для микросхем, рассчитанных на 3,3 В). Зарядка же - конструктор для любителя. После доработки годится для зарядки нечетного количества NiZn аккумуляторов (нормальные ЗУ их, обычно, только парами заряжают).

Пусть фотоаппарат и не новый, но работал нормально, качественно фотографировал и полностью меня устраивал - выбрасывать было жалко. Поиск решения проблемы привел меня на АЛИэкспресс, а интернет подсказал возможные варианты, одним из которых было применение Ni-Zn аккумуляторов, напряжением 1,6 В и емкостью 2500 mAh. Цена была довольно высокой, 2$ за батарейку, но альтернатива выглядела еще печальнее, так как “кормить” Rekam одноразовыми солевыми или щелочными батарейками с рекомендуемым напряжением в 1,5 В было довольно накладно. Напомню, что хорошая пальчиковая батарейка в “Магните” стоит около 60 рублей.

Решено, заказываю на АЛИэкспресс 4 аккумулятора и в начале сентября мне приходит посылка. Вставляю в фотоаппарат и с удовольствием наблюдаю, что все работает нормально. Батарейки пришли заряженные, посмотрим на сколько их хватит.

Позже дополню статью опытом эксплуатации.

Прошло больше месяца со дня начала эксплуатации аккумуляторов Ni-Zn. Две батарейки постоянно находятся в фотоаппарате, но фотографировать пришлось немного, поэтому по разряду сказать нечего. На форуме фотографов вычитал, что эти аккумуляторы имеют (как бы) два положения - “вкл” и “выкл”, то есть если он разряжается ниже определенного предела (около 1,4 В), то тупо вырубается и перестает работать. После месяца работы напряжение у моих аккумуляторов остается 1,81 В.

Очередная посылка с АЛИэкспресс доставила мне зарядное устройство для Li-Ion батареи и бокс для двух батареек размера АА. Все это добро предназначено для зарядки моих аккумуляторов Ni-Zn. Идея в том, что Li-Ion батарею в такой зарядке можно заменить двумя батареями Ni-Zn. Однако, полноценной такую замену назвать нельзя, так как напряжение зарядки Li-Ion - 3,7-4,2 В (делим на два, получаем 1,85-2,1 В), и оно немного выше нужного. Для нормальной зарядки необходим ручной контроль, т.е. надо периодически измерять вольтметром напряжение на выводах аккумулятора и не допускать перезаряда. Напряжение должно лежать в пределах 1,92-1,95 В. Напомню, что аккумуляторы Ni-Zn очень боятся перезаряда и судя по отзывам - мгновенно выходят из строя (не все, но опасаться надо).

На фотографии зарядное устройство для Ni-Zn аккумуляторов своими руками. Припаял два провода (+ красный) и (- черный) от бокса к плате, саму плату приклеил к боксу двусторонним скотчем, также, на двусторонний скотч приклеил кусочек белого пластика для защиты модуля. Для питания сгодится любой USB порт, на фотографии у меня зарядка от телефона и переходной шнур от стандартного USB к mini USB. Горит красный светодиод - показывает, что зарядка идет. В моем случае - 1,93 В на одну батарейку.

Простое зарядное устройство для никель-цинковых аккумуляторов на TP4056

Эксперимент по эксплуатации никель-цинковых аккумуляторов , начатый в прошлом году, привёл к поиску зарядного устройства. Первая зарядка была произведена вообще от блока питания. Соединив элементы последовательно в готовом китайском держателе , на них было подано напряжение 3,8 вольт согласно рекомендациям заряжать напряжением 1,9 вольт каждый. Окончание заряда отслеживалось по падению зарядного тока.

В дальнейшем мы придумали универсальное зарядное устройство на микроконтроллере, прототип которого описан . Им можно заряжать любые аккумуляторы, от привычных никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных до литиевых и даже свинцовых. Параллельно при этом ведётся подсчёт залитых миллиампер-часов, а для тестирования и восстановления есть режим разряда с аналогичным подсчётом. Это заметно упростило процесс, но как-то понадобилось заряжать ещё один комплект Ni-Zn, а собирать ещё одно универсальное зарядное устройство было лень, тем более, что требовался просто заряд без особого контроля и мониторнига.

Сразу закрались мысли, нельзя ли как-то переделать популярный китайский модуль зарядки лития на микросхеме TP4056 ? Разница в напряжении - 0,4 вольта. Но у TP4056 нет отдельного входа для слежения за напряжением, всё это находится внутри микросхемы. Поэтому подумалось, нельзя ли лишние доли вольта как-то погасить? Для подобных вещей часто используют диоды с их падением напряжения. Этот параметр также называется прямым напряжением диода и приводится в даташите в виде графика вольтамперной характеристики. Изучив эти графики, стало понятно, что нужным падением напряжения обладают лишь диоды Шоттки: на малых токах оно как раз находится в районе 0,4 вольт.

Для проверки мы выбрали диод 1N5818, подключив его последовательно с заряжаемыми аккумуляторами. В китайском модуле был заменён токозадающий резистор с 1,2 кОм на 2,55 кОм для тока в районе 500 мА. Идея частично сработала, но на малом токе - 50мА в конце зарядки - аккумулятор стоял слишком долго - более 2 часов, а до полного заряда не хватало всего 0,5В. Если ещё подержать, то, вероятно, через некоторое время аккумуляторы зарядятся полностью, и такой режим дозаряда даже скорее всего правильный. Напряжение на двух последовательно соединённых никель-цинковых аккумуляторах должно составлять 3,8 вольт, что соответствует 1,9 вольт на аккумулятор. После этого им следует дать "отлежаться", пока напряжение не опустится до 1,6 вольт, и можно пользоваться.

Полученное таким образом зарядное устройство является, по-видимому, самым простым и наиболее дешёвым вариантом с приличной функциональностью. Готовые зарядки для NiZn на Али, например, стоят соответственно самим аккумуляторам. А если применённый здесь модуль дополнить популярным USB-тестером, то получится ещё более функциональное зарядное устройство.

На модуле с