Плюсы и минусы литий-ионных батарей против никель-металлогидридных батарей
Плюсы и минусы литий-ионных батарей против никель-металлогидридных батарей
Плюсы и минусы литий-ионных батарей против никель-металлогидридных батарей
Литий-ионные аккумуляторы и никель-металлогидридные (NiMH) батареи являются двумя наиболее часто используемыми батареями во всем мире. Однако для некоторых приложений требуется одно из двух из-за нескольких факторов и параметров.
Давайте в этой статье откроем для себя различия между литий-ионными батареями и никель-металлогидридными батареями через их уникальные плюсы и минусы.
Пользовательский литий-ионный аккумулятор 26
Составляющие материалы
Основная и основная основа различий между литий-ионными батареями и никель-металлогидридными батареями заключается в материалах, из которых они состоят. Первый состоит из углерода и лития. С другой стороны, последний содержит водород, никель и еще один металл, обычно титан.
Литий с высокой реакционной способностью накапливает энергию внутри литий-ионных батарей. В случае никель-металлогидридных батарей эту роль выполняет водород.
Цена
Для сравнения, никель-металлогидридные батареи дешевле литий-ионных. Это может быть связано с такими факторами, как сложный производственный процесс, трудоемкость производства и т. Д.
Однако исследования рынка аккумуляторов показывают, что из-за повышенного спроса на литиево-ионные аккумуляторы и более инновационные процессы развития, в будущем цена может упасть.
Вес
Литий-ионные батареи значительно легче и меньше никель-металлогидридных батарей. Чем тяжелее аккумулятор, тем ниже его удельная энергия.
По этой причине литий-ионные батареи используются в гибридных автомобилях, где мощность батареи должна преодолевать инерцию автомобиля. Они должны делать это без какой-либо помощи бензина и набирать максимально возможный пробег.
Время зарядки
Никель-металлогидридные батареи и литий-ионные батареи имеют почти одинаковое количество энергии. Однако время, необходимое для цикла зарядки и разрядки, значительно меньше для последнего по сравнению с первым. Таким образом, литий-ионные аккумуляторы готовы к работе быстрее, чем никель-гидридные, даже если они заряжаются вместе.
Кроме того, литий-ионные батареи не подвергаются и не испытывают сильного эффекта памяти, который в противном случае может уменьшить их емкость.
Долговечность
И литий-ионные, и никель-металлогидридные батареи обладают достаточной долговечностью, что позволяет им работать в течение длительного времени. Тем не менее, в этом случае NiMH аккумуляторы имеют преимущество перед литий-ионными аккумуляторами.
В то время как литиево-ионные аккумуляторы не могут выдерживать экстремальные температуры, особенно жару, никель-металлогидридные батареи могут отлично работать в тех же условиях.
Размер
Никель-металлогидридные батареи доступны в различных формах и размерах. Эта функция позволяет им находить приложения в различных секторах, областях, областях и отраслях. В отличие от большинства других батарей, они подходят и подходят для использования в тесноте.
С другой стороны, литий-ионные батареи имеют фиксированный набор размеров. Их выпускают только в этом ассортименте. Таким образом, их заявки заранее предопределены.
Зарядное устройство
Огромным преимуществом никель-металлогидридных аккумуляторов является то, что их можно заряжать с помощью разных зарядных устройств, а не своих собственных. Это не относится к литий-ионным батареям. У каждой их разновидности есть свое зарядное устройство, которое необходимо для зарядки.
Благодаря этой особенности, зарядка никель-металлогидридных батарей становится чрезвычайно легкой и нетребовательной, даже если их зарядное устройство потеряно или повреждено.
Заряд и истощение напряжения
Литий-ионные батареи имеют дополнительное преимущество перед никель-металлогидридными батареями. Это потому, что они не теряют со временем свой заряд или напряжение. Таким образом, они могут прослужить долгое время и обеспечить почти 100% -ную производительность при каждом использовании.
Какой аккумулятор лучше: литиевый или никелевый?
Для автономной работы беспроводного электроинструмента и других портативных устройств нужны аккумуляторы. Именно от их способности накапливать, хранить и отдавать энергию зависит, насколько удобным и эффективным будет использование аккумуляторной техники. От выбора АКБ напрямую зависят рабочие параметры инструмента или другого энергозависимого оборудования.
Сегодня массово распространены Li-ion аккумуляторы. Огромную популярность им обеспечила способность накапливать большой объем энергии при компактных размерах и легком весе. Конечно, это не единственное преимущество литий-ионных элементов. Тем не менее, им не удалось полностью вытеснить никелевые аккумуляторы. В продаже все еще встречаются и никель-металлгидридные, и даже никель-кадмиевые элементы.
Так какие АКБ лучше, литиевые или никелевые? Чтобы обоснованно ответить на этот вопрос, рассмотрим подробно технические характеристики, достоинства и слабые стороны аккумуляторов каждого типа.
Никель-кадмиевые АКБ
Изобретенные в далеком 1899 году, Ni-Cd аккумуляторы упрямо не хотят становиться историей. Несмотря на весомые недостатки, они пытаются конкурировать с более современными аналогами за счет своим сильных качеств.
Плюсы
Минусы
Надежность. Устойчивость к высоким токовым нагрузкам при зарядке и работе. Стабильная токоотдача в течение всего рабочего цикла.
Токсичность кадмия и сложности с его утилизацией.
Срок службы 6–7 лет и более, ресурс около 1000 циклов с сохранением 70–80% восстанавливаемой емкости.
Большой вес и размеры.
Способность работать в сложных условиях, в температурном диапазоне от -40 до +60 °С.
Ощутимый эффект памяти (снижение доступной емкости из-за неполного разряда перед зарядкой) – чтобы избежать его, АКБ необходимо разряжать и заряжать полностью.
Возможность быстрой зарядки.
После длительного хранения – необходимость выполнения 5 тренировочных циклов заряд-разряд для восстановления рабочих параметров.
Никель-металлгидридные АКБ
В 1990 году на смену Ni-Cd пришла никель-металлгидридная технология. Напряжение у никелевых элементов обоих подвидов равно 1,2 В. Важнейшими преимуществами Ni-MH моделей стали: повышенная практически на 30% емкость (порядка 150 Вт·ч/дм³) и нетоксичный состав без тяжелых металлов.
Плюсы
Минусы
Отсутствие в составе токсичного кадмия – меньше проблем при изготовлении и утилизации благодаря использованию сплавов Ni с редкоземельными металлами.
Чувствительность к глубоким разрядам – в отличие от Ni-Cd моделей, аккумуляторы Ni-MH нежелательно разряжать ниже 20%, а хранить их нужно в заряженном состоянии. При глубоком разряде в их структуре происходят необратимые изменения, и восстанавливаемая емкость заметно уменьшается.
Увеличенная втрое энергоемкость (по сравнению с Ni-Cd моделями аналогичных размеров).
Снижение рабочих характеристик при температуре ниже –10 °С.
Меньшие размеры и вес – при той же емкости.
Ресурс до 500 циклов.
Менее выраженный эффект памяти.
Саморазряд 1% за сутки.
Более высокая цена.
Стабильное напряжение разряда.
Меньшая устойчивость к токовым нагрузкам. Длительное восполнение заряда.
Возможность подзарядки при неполном разряде – если с момента последней эксплуатации прошло менее 3 дней.
Склонность нагреваться при работе – для защиты от перегрева Ni-MH элементы имеют температурные реле и предохранители.
Литий-ионные аккумуляторы
Со времени появления в 1991 году Li-ion аккумуляторы уверенно заняли лидерские позиции и не намерены их сдавать. У большинства пользователей уже давно не возникает сомнений, какой аккумулятор лучше, литиевый или никелевый? Литий-ионные АКБ на практике ежедневно демонстрируют свои преимущества. И хотя они также не лишены недостатков, огромный перевес достоинств делает их абсолютными лидерами.
Плюсы
Минусы
Повышенное рабочее напряжение. Номинальный вольтаж у большинства моделей составляет 3,6–3,7 В, а рабочий диапазон – от 3 до 4,2 В. У аккумуляторов подвида LiFePO4 номинальный вольтаж составляет 3,2–3,3 В, а рабочий диапазон – от 2,5 до 3,65 В. У литий-титанатных моделей номинальное напряжение равно 2,4 В, а рабочий диапазон – от 1,8 до 2,75 В.
У большинства моделей – чувствительность к глубокому разряду. Исключение – аккумуляторы типа LiFePO4 и LTO.
Увеличенная энергетическая емкость – в зависимости от материала катода и подвида Li-ion аккумуляторов, ее значение составляет от 65–80 Вт·ч/кг у литий-титанатных моделей до 200–260 Вт·ч/кг у Li-ion аккумуляторов подвида NCA (с никелем, кобальтом и алюминием).
Временное снижение емкости на морозе. Но среди Li-ion элементов питания есть морозоустойчивые подвиды – LiFePO4 и LTO.
Большой выбор подвидов с разным химическим составом и отличающимися характеристиками – например, емкостные модели NCA, NMC, LCO и высокотоковые аккумуляторы LNO илиLFP.
Более высокая цена. Но если учесть больший срок службы и комфорт использования, покупку литий-ионных АКБ можно считать более выгодной.
Большой ресурс – 500–1000 циклов у большинства моделей, более 2000 у аккумуляторов LiFePO4, 3000–7000 циклов у LTO.
Склонность к «старению» – постепенной химической деградации, снижению восстанавливаемой емкости при хранении. Более устойчивую химическую структуру и меньшую склонность к «старению» имеют аккумуляторы LiFePO4 и LTO.
Невыраженный эффект памяти. Возможность подзарядки при любом уровне остаточной емкости, возможность частичного заряда.
Минимальный саморазряд – до 20% в год.
У некоторых моделей – возможность возгорания и взрыва, если не использовать плату защиты.
Возможность быстрой зарядки.
Выводы
После подробного сравнения Ni-Cd, Ni-MH и Li-ion аккумуляторов очевидными остаются преимущества литий-ионной технологии. В большинстве случаев именно литиевые элементы питания становятся наиболее удобными и эффективными в эксплуатации. Но все же выбор АКБ зависит от особенностей аккумуляторной техники и рабочих параметров, которые наиболее важны в конкретном случае.
Например, для небольших портативных устройств подходят емкие аккумуляторы типа Li-ion или Ni-MH. Для оснащения шуруповерта или другого электроинструмента нужны высокотоковые АКБ, устойчивые к низким температурам. Это могут быть и никелевые аккумуляторы, и литиевые модели с высокими значениями допустимых токов. Но все же Li-ion модели накапливают больше энергии на единицу массы, выдают большее напряжение, проще в использовании и долговечнее. Поэтому они преобладают во всех сферах – от цифровых устройств и портативных инструментов до электромобилей.
Ni-Mh аккумуляторы, что это и в чем отличие от Li-ion
Со времени создания первого аккумулятора не прекращается поиск новых решений и усовершенствование хорошо известных формул. Изобретатели предлагают разные сочетания материалов, и самые удачные варианты идут в массовое производство. Со временем их вытесняют более эффективные аналоги с еще лучшими характеристиками.
Так произошло с никель-кадмиевыми аккумуляторами, на смену которым пришли никель-металлгидридные модели – с электродами из сплавов никеля с редкоземельными металлами. Но и им пришлось уступить лидерство, когда на рынке появились литий-ионные аккумуляторы. Поиски идеальных элементов питания продолжаются до сих пор, но пока Li-ion технология по-прежнему остается лучшей из всех вариантов.
Какой он, идеальный аккумулятор?
При оценке автономных источников питания учитываются следующие характеристики:
- размеры;
- масса;
- емкость;
- напряжение;
- ресурс – количество циклов заряд-разряд;
- допустимые токи заряда и разряда;
- простота эксплуатации;
- безопасность при использовании и утилизации.
В идеале накопитель энергии должен при минимальных размерах и небольшом весе иметь достаточно большую емкость. Тогда он сможет накапливать больше электроэнергии и дольше обеспечивать питание автономно работающих устройств. Но кроме удельной энергоемкости важны и остальные характеристики.
Ni-Mh, что это?
Такое обозначение имеют никель-металлогидридные аккумуляторы. Они появились на рынке в 1990 году, придя на смену никель-кадмиевой технологии. Номинальное напряжение у Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторов одинаково – порядка 1,2 В. Но по сравнению с Ni-Cd элементами, Ni-Mh ячейки не содержат токсичных тяжелых металлов, поэтому более безопасны при производстве и утилизации. Также они имеют увеличенную почти на 30% удельную энергоемкость – около 150 Вт·ч/дм³.
Их дополнительными плюсами выступают:
- допустимая температура от -60 до +50 °С;
- стабильное напряжение питания – оно не снижается вплоть до полного исчерпания заряда;
- невыраженный эффект памяти;
- возможность подзарядки не полностью разряженных элементов питания, если со времени последнего использования прошло не более 3 дней.
Ресурс у Ni-Mh элементов питания скромный – 200–500 циклов заряд-разряд. Из-за склонности к нагреву эти аккумуляторы оснащаются дополнительными деталями – температурными реле и предохранителями. Также они склонны к значительному саморазряду – даже в 1,5 раза больше, чем у предшествующих им NiCd моделей.
Поэтому никель-металлгидридные элементы нужно беречь от полного разряда в процессе работы, хранить заряженными и при длительном хранении периодически перезаряжать. При разряде «в ноль» происходят необратимые изменения в структуре и снижение емкости. Поэтому эффективность и срок службы таких элементов питания во многом зависит от соблюдения рекомендаций по их использованию и хранению.
Преимущества Li-ion технологии
Литий-ионные аккумуляторы не зря используются в большинстве современных устройств. Со времени создания в 1991 году они отлично заявили о себе и заметно потеснили конкурентов. И хотя поиски идеального аккумулятора продолжаются до сих пор, литий-ионные АКБ пока остаются неоспоримыми лидерами.
В отличие от Ni-Mh аккумуляторов, Li-ion модели имеют:
- ресурс более 1000 циклов – до снижения исходного запаса емкости на 20%;
- более высокую энергоемкость – до 230 Вт·ч/дм³;
- минимальный саморазряд – менее 5% в месяц, до 20% в год;
- абсолютно невыраженный эффект памяти;
- комфортные условия эксплуатации – с возможностью подзарядки в любое время, независимо от уровня остаточного заряда;
- быстрое восполнение заряда;
- номинальное напряжение 3,6–3,7 В на элемент;
- диапазон рабочих температур от −20 до +60 °C.
Есть у Li-ion аккумуляторов и минусы: снижение емкости на морозе, боязнь перезаряда и глубокого разряда, риск возгорания при разгерметизации или коротком замыкании. Для устранения этих недостатков аккумуляторные батареи и элементы питания оснащаются платами контроля и защиты.
BMS плата четко отслеживает рабочие параметры и не допускает опасных состояний. В частности, она отключает севшие аккумуляторы от нагрузки, контролирует уровень и равномерность заряда на всех элементах питания АКБ и останавливает процесс заряда, когда напряжение достигает своего максимума. При наличии рабочей платы защиты и соблюдении простых правил безопасности Li-ion аккумуляторы абсолютно безопасны в использовании.
Выводы
Основными отличиями Li-ion аккумуляторов от элементов питания типа Ni-Mh являются увеличенные значения циклического ресурса, рабочего напряжения и емкости, меньший саморазряд и отсутствие эффекта памяти. Аккумуляторные батарейки обоих типов имеют схожие типоразмеры, но ячейки на основе ионов лития:
Аккумуляторы для электроинструмента. Рассказываем плюсы и минусы Ni-Mh, Ni-CD, Li-ion
Это руководство поможет вам разобраться, что лучше всего подходит для ваших задач. Узнайте, на что можно закрыть глаза в аккумуляторах для электроинструмента, а с какими недостатками аккумуляторов Ni-Mh, Ni-CD, Li-ion мириться не получится.
Типы аккумуляторов для электроинструмента
- • Li-ion — литий-ионные (обычно на «банках» 18650, то есть ячейках цилиндрической формы внутри батарейных блоков);
- • Ni-MH — никель-металлогидридные (NiMH, бывают в дешёвых и дорогих);
- • Ni-Cd — никель-кадмиевые (NiCd, чаще всего в старых или недорогих).
Далее мы указали плюсы и минусы, преимущества и недостатки по каждому типу электрохимической системы при использовании в шуруповёртах, дрелях, перфораторах и других электроинструментах.
Литий-ионные ( Li-ion )
Новейшая технология из предложенных. За кусачий ценник лучший выбор, когда важно учесть все упомянутые факторы единовременно.
Li-ion нет альтернативы, когда работаете и дома, и на улице, долго храните от зарядки к зарядке, некогда обслуживать.
Литий-ионная технология работает без обслуживания. Вот только недолго и с недостатками. Не зря говорят, что Li-ion уже тридцать лет нуждается в модернизации.
Плюсы: когда Li-ion лучше других аккумуляторов
- • В электроинструменте любого типа;
- • чтобы быстро заряжались (зависит от химии, контроллера, зарядки);
- • нужны ёмкие высокотоковые элементы единовременно;
- • можно выбрать электрохимические системы (цена, срок службы, безопасность, ёмкость или ток);
- • если нет времени обслуживать батареи (почти нет эффекта памяти, практически отсутствует саморазряд);
- • нужны компактные размеры/вес;
- • служат около 3 лет (работают после 10 лет службы, но не держат заряд*).
Минусы: с чем невозможно мириться у Li-ion
- • Боятся перегрева, жары;
- • не терпят физического воздействия, повреждений (при разрушении происходит тепловой разгон с воспламенением);
- • невозможно зарядить на морозе (на улице);
- • с возрастом при интенсивном использовании ёмкость сокращается;
- • при хранении в разряженном состоянии выходят из строя;
- • затратная замена.
Вердикт
В большинстве случаев будет оправдано применение Li-ion. Но технология уступает из списка NiCd в долговечности и устойчивости в экстремальных условиях работы. По стоимости, бытовым нюансам лучше смотреть на NiMH.
Никель-металлгидридные ( Ni-MH )
Цена ниже Li-ion. Но дороже NiCd из-за проведённых улучшений в технологии никелевых аккумуляторов. В NiMH увеличена ёмкость на 25%-45%. Изменения позволили сделать перезаряжаемые ячейки компактнее, легче.
NiMH подходят внеуличному электроинструменту с регулярным пользованием — дешевле Li-ion и дольше держит, чем NiCd.
NiMH лояльны для окружающей среды. Это означает меньшие потери производителей на экосборах, что удешевляет техподдержку.
Плюсы: когда NiMH лучше других аккумуляторов
- • В домашнем инструменте, которым часто пользуются;
- • при многочасовой работе «на весу», на вытянутых руках;
- • нужна сверхбыстрая зарядка;
- • с небольшими затратами нужна максимальная ёмкость;
- • если обычно хранится от зарядки до зарядки не больше месяца;
- • если важны небольшие вес/габариты батареи;
- • служат около 5 лет (встречаются* более старые рабочие батареи).
Минусы: с чем невозможно мириться у NiMH
- • Эффект памяти — нужна глубокая разрядка каждые 3 месяца (меньше выражен, чем у NiCd);
- • если не обслуживать, то ёмкость быстро сокращается;
- • плохо переносят температуры ниже 0°C и выше +40/+50°C;
- • плохо хранятся в разряженном состоянии (требуется дозаправка);
- • саморазряд в районе 20% в месяц (+20°C).
Вердикт
Никель-металлогидридные батареи требуют ухода, хотя часто производители внушают обратное. Сейчас наблюдается всё более активное использование NiMH в бытовой электронике. Они дешёвые при замене, компактные, хороший срок службы, долго держат заряд. И мороки всё равно меньше, чем с NiCd, хотя и уступают им в долговечности и прочности.
Никель-кадмиевые ( Ni-Cd )
Старая технология, но дешёвая. Батареи NiCd в шуруповёртах и других видах электроинструмента производители устанавливают до сих пор.
У NiCd нет альтернативы, когда работы предстоят в экстремальных условиях (холод, жара, нагрузки).
Никель-кадмиевые батареи трудно вывести из строя ударами, физическим воздействием. Служат десятилетия [максимально зафиксировано 28 лет] при правильном уходе.
Плюсы: когда NiCd лучше других аккумуляторов
- • В ударном инструменте, где серьёзные вибрации;
- • при работе на морозе или в жару, либо с перепадами температур;
- • при небольших затратах нужен максимальный ток;
- • если есть риск хранения в разряженном состоянии;
- • если вес/габариты аккумуляторного блока некритичны;
- • служат до сих пор* даже в старых моделях.
Минусы: с чем невозможно мириться у NiCd
- • Эффект памяти — требуется глубокая разрядка каждый месяц;
- • если не соблюдать правила, то становятся практически бесполезными;
- • ёмкость значительно меньше, чем у других технологий;
- • при хранении испытывают саморазряд в районе 10% в месяц (+20°C).
Вердикт
Литий-ионные и никель-металлогидридные батареи новее никель-кадмиевых. Но от NiCd-технологии производители не спешат отказываться. Эти элементы чрезвычайно прочные, долговечные, дешёвые. В определённых профессиональных задачах с высокой нагрузкой на электроинструмент покажут себя лучше, чем Li-ion и NiMH.
Итоги: какой аккумулятор для электроинструмента лучше?
Однозначного лидера нет. Взвесьте факторы из списков выше. Они помогут разобраться в чём разница между NiCd, NiMH и Li-ion, чтобы принять решение, исходя из того, как вам нужно работать электроинструментом.
* — Конец срока службы всех трёх типов батарей определяется сокращением ёмкости ниже 70% (продлить им жизнь можно за счёт правильной зарядки).
Как правильно заряжать электроинструмент с разными аккумуляторами:
- • Li-ion без необходимости разряжать и заряжать не до конца (достаточно подключать зарядник при 20% или 1/4 заряда, отключать при 80%, 3/4 заряда);
- • Ni-MH каждые три месяца нужен полный цикл разряда (до отключения) с последующей зарядкой;
- • Ni-Cd разряжайте перед использованием и каждый месяц циклируйте точно такой же схемой, как у NiMH.
Напишите в комментарии, с каким типом аккумулятора вам удаётся работать эффективнее? Мы ждём ваши сообщения и ВКонтакте @NeovoltRu.
Подпишитесь на нашу группу, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.