Kas ir atmiņas efekts?
Atmiņas efekts ir parādība, kad uzlādējamās baterijas zaudē savu maksimālo enerģijas ietilpību, atkārtoti uzlādējot pēc tikai daļējas izlādēšanās. Šķiet, ka akumulators "atceras" mazāko ietilpību un nodrošina mazāk enerģijas, nekā sākotnēji varēja. Tas galvenokārt notiek niķeļa-kadmija (NiCd) un niķeļa-metāla hidrīda (NiMH) baterijās, lai gan šo ķīmisko vielu smagums un mehānismi atšķiras.
Zinātne aiz atmiņas efekta
Atmiņas efekts ietver sarežģītu elektroķīmisku procesu, kas maina akumulatora iekšējo struktūru. Kad NiCd akumulators pirms uzlādēšanas atkārtoti tiek izlādēts līdz tādam pašam līmenim, uz akumulatora plāksnēm veidojas kadmija hidroksīda kristāli. Šie kristāli laika gaitā kļūst lielāki, samazinot aktīvās virsmas laukumu, kas pieejams ķīmiskajām reakcijām, kas ražo elektrību.
Šīs parādības tehniskais termins ir "sprieguma nomākums". Daļējas izlādes ciklos akumulatora spriegums pazeminās agrāk nekā vajadzētu, lai gan ķīmiskā enerģija paliek uzkrāta. Tas rada ilūziju, ka akumulators ir izlādējies, kad tas faktiski saglabā neizmantoto jaudu.
2013. gadā Šveices Pola Šerera institūta veiktais pētījums atklāja precīzu mehānismu. Viņu pētījums, kas publicēts žurnālā Nature Materials, atklāja, ka atmiņas efekts rodas no gamma-fāzes niķeļa oksihidroksīda veidošanās lokālos elektroda apgabalos. Šie reģioni veidojas, kad akumulators tiek pastāvīgi izlādēts līdz tādam pašam dziļumam, radot neviendabīgu materiāla fāžu sadalījumu pa elektrodu virsmu.
Kāpēc daļējas izlādes cikli izraisa efektu
Modelim ir lielāka nozīme nekā atsevišķām uzlādes sesijām. NiCd akumulators, kas izlādēts līdz 50% jaudai un pēc tam atkārtoti uzlādēts 20 reizes pēc kārtas, attīstīs atmiņas efektu pie šī 50% sliekšņa. Akumulatora ķīmija pielāgojas šai rutīnai, pārstrukturējot tā iekšējos materiālus, lai tie būtu optimizēti šiem seklajiem cikliem.
Šī pārstrukturēšana notiek tāpēc, ka elektroķīmiskās reakcijas galvenokārt notiek tajās pašās fiziskajās vietās akumulatorā. Elektroda zonas, kas nav pilnībā ciklētas, kļūst mazāk aktīvas, savukārt atkārtoti izmantotās vietās veidojas problemātiski kristālu veidojumi. Laika gaitā neizmantotās elektroda daļas faktiski kļūst nepieejamas normālai darbībai.
Kuriem akumulatoru veidiem ir atmiņas efekts
Niķeļa{0}}kadmija (NiCd) akumulatori: augsta jutība
NiCd akumulatoriem ir visspēcīgākais atmiņas efekts. Šīs baterijas darbināja neskaitāmus bezvadu instrumentus, avārijas apgaismojuma sistēmas un portatīvo elektroniku no 1960. līdz 1990. gadiem. Efekts var samazināt to izmantojamo jaudu par 20-30%, ja uzlādes paradumi ir slikti.
1000 mAh NiCd akumulators, kas pakļauts atkārtotiem 50% izlādes cikliem, pēc vairākiem mēnešiem var nodrošināt tikai 700-800 mAh izmantojamo jaudu. Atlikusī ietilpība netiek zaudēta — tā ir bloķēta aiz augstāka sprieguma barjeras, kuru lielākā daļa ierīču nevar pārvarēt.
Niķeļa{0}}metāla hidrīda (NiMH) akumulatori: mērena uzņēmība
NiMH akumulatoriem ir maigāka atmiņas efekta versija. 90. gadu beigās un 2000. gadu sākumā tie daudzos lietojumos aizstāja NiCd. Lai gan tie var izraisīt zināmu kapacitātes zudumu daļējas riteņbraukšanas dēļ, efekts ir aptuveni par 60–70% mazāks nekā NiCd akumulatoriem.
Samazinātā jutība rodas no elektrodu ķīmijas atšķirībām. NiMH akumulatoros kadmija vietā tiek izmantoti retzemju metālu sakausējumi, kas veido dažādas kristāla struktūras, veicot atkārtotu ciklu. Šīs struktūras ir mazāk stabilas un vieglāk maināmas nekā NiCd baterijās.
Litija{0}}jonu un litija polimēru akumulatori: nav patiesas atmiņas efekta
Litija{0}}akumulatori, tostarplitija polimēru akumulatorsdizainiem, neizjūt klasisko atmiņas efektu. Viņu ķīmija darbojas pēc pilnīgi atšķirīgiem principiem-litija jonu interkalācija un de{2}}interkalācija slāņainās struktūrās-, kas nerada kristāliskus veidojumus, kas ir atbildīgi par atmiņas efektu.
Tas ir viens no iemesliem, kāpēc litija polimēru akumulatoru tehnoloģija dominē mūsdienu plaša patēriņa elektronikā, elektriskajos transportlīdzekļos un pārnēsājamās ierīcēs. Lietotāji var uzlādēt šos akumulatorus jebkurā izlādes stāvoklī, nebaidoties no jaudas zuduma atmiņas efekta dēļ.
Litija bateriju pieredze ir pakāpeniska kapacitātes samazināšanās no citiem mehānismiem: elektrodu sadalīšanās, cietā elektrolīta saskarnes augšana un litija pārklājums. Šie procesi būtiski atšķiras no atmiņas efekta un notiek neatkarīgi no uzlādes veida.
Izplatīti nepareizi priekšstati par atmiņas efektu
Mīts: Visām uzlādējamajām baterijām ir atmiņas efekts
Šī pārliecība saglabājas no NiCd laikmeta, kad atmiņas efekts bija patiesas bažas. Mūsdienās lielākajā daļā uzlādējamo akumulatoru tiek izmantota litija ķīmija, kas šo problēmu neizraisa. Nepareizs priekšstats liek cilvēkiem bez vajadzības pilnībā izlādēt litija baterijas,{2}}kas faktiski saīsina to kalpošanas laiku.
Mīts: pirms uzlādes ir pilnībā jāizlādē
Šis padoms bija piemērots NiCd akumulatoriem, taču kaitīgs litija{0}}baterijām. Litija baterijas dod priekšroku sekliem izlādes cikliem. To izsīkšana zem 20% atkārtoti paātrina degradāciju. Optimālā pieeja ir uzlāde, kad vien tas ir ērti, saglabājot akumulatora ietilpību starp 20-80%, ja iespējams.
Mīts: kondicionēšana vienmēr novērš atmiņas efektu
Kondicionēšana -pilnīga akumulatora izlāde un uzlādēšana-dažreiz var mainīt atmiņas efektu NiCd šūnās, liekot problemātiskajām kristālu struktūrām sadalīties un vienmērīgi reformēties. Tomēr nopietns atmiņas efekts, ko izraisa gadiem ilgi slikti uzlādes ieradumi, bieži kļūst par pastāvīgu. Kristāli aug pārāk lieli un stabili, lai kondicionētu, lai pilnībā atjaunotu kapacitāti.
Mīts: Atmiņas efekts ir iemesls, kāpēc vecās baterijas nedarbojas ilgi
Lai gan atmiņas efekts veicina NiCd un NiMH akumulatoru kapacitātes zudumu, tas reti ir vienīgais vaininieks. Normāli novecošanas procesi-elektrodu korozija, elektrolītu sadalīšanās un separatora noārdīšanās-izraisa lielāko daļu vecāku akumulatoru kapacitātes samazināšanās. Piecus--gadus vecs NiCd akumulators ar ideāliem uzlādes paradumiem joprojām izturēs mazāku uzlādi nekā jauns.
Praktiska ietekme uz akumulatora veiktspēju
Atmiņas efekta smagums ir atkarīgs no lietošanas paradumiem. Ierīces, kas pirms uzlādēšanas patērē strāvu, līdz gandrīz izbeidzas, piemēram, bezvadu tālruņi nepārtrauktā lietošanā, samazina atmiņas efekta risku. Ierīces, kas tika uzlādētas katru dienu ar patvaļīgiem uzlādes līmeņiem, piemēram, agrīnās bezvadu urbjmašīnas vai kameras, bija neaizsargātākas.
Kontrolētā pārbaudē NiCd akumulatori attīstīja izmērāmu atmiņas efektu pēc 15-20 sekliem cikliem ar tādu pašu izlādes dziļumu. Efekts tiek papildināts ar katru atkārtojumu. Pēc 100 šādiem cikliem jaudas zudums varētu sasniegt 25% vai vairāk.
NiMH akumulatoriem bija dažādi modeļi. Viņiem bija nepieciešami 50-70 sekli cikli, lai parādītu ievērojamu atmiņas efektu, un maksimālais jaudas zudums parasti bija aptuveni 10–15%. Šī labāka tolerance padarīja tos populārus ierīcēm ar lielu drenāžu, kur pilnīga izlāde nebija praktiska.
Profilakses un apvērsuma stratēģijas
NiCd baterijām
Pilnīgas izlādes{0}}uzlādes cikli ik pēc 20–30 lietojumiem palīdz novērst atmiņas efektu. Šī prakse, ko sauc par kondicionēšanu vai atjaunošanu, izmanto visu elektrodu virsmu un novērš lokalizētu kristālu veidošanos. Speciālie lādētāji ar kondicionēšanas režīmiem automatizē šo procesu.
Dažas rūpnieciskās NiCd sistēmas izmanto impulsu uzlādi, lādēšanas laikā izmantojot īsus augstas{0}}strāvas impulsus, lai izjauktu kristālu veidojumus. Šim paņēmienam ir nepieciešams specializēts aprīkojums, un tas nav pieejams patērētāju akumulatoriem.
NiMH baterijām
Reizēm pilnīga izlāde palīdz, taču NiMH akumulatori labāk panes daļēju ciklu nekā NiCd. Pilnīga izlāde ik pēc 50-100 cikliem nodrošina pietiekamu apkopi. Biežāka kondicionēšana sniedz minimālu labumu un palielina nevajadzīgu nodilumu.
Mūsdienīga akumulatora vadība
Akumulatora pārvaldības sistēmas ierīcēs, kurās izmanto litija ķīmiju, uzrauga uzlādes līmeni, temperatūru un strāvas plūsmu, lai optimizētu veiktspēju. Šīs sistēmas padara lietotāju iejaukšanos nevajadzīgu. "Akumulatora kalibrēšanas" process dažās ierīcēs nenovērš atmiņas efektu,{2}}tas palīdz pārvaldības sistēmai precīzi izsekot jaudai.
Pāreja uz litija tehnoloģiju
Atteikšanās no NiCd un NiMH akumulatoriem patērētāju lietojumos daļēji ir saistīta ar bažām par atmiņas ietekmi. Ražotāji atzina, ka patērētāji vēlas akumulatorus bez apkopes{1}. Litija ķīmija to nodrošināja kopā ar lielāku enerģijas blīvumu un labāku jaudas-un-svara attiecību.
Mūsdienu ierīces, kurās izmanto litija polimēru akumulatoru tehnoloģiju, pilnībā izvairās no atmiņas efekta, vienlaikus piedāvājot 2-3 reizes vairāk enerģijas uz vienu gramu, salīdzinot ar NiMH. Tas padara tos ideāli piemērotus viedtālruņiem, planšetdatoriem, droniem un citām svara jutīgām lietojumprogrammām, kurās ir svarīgi maksimāli palielināt izpildes laiku.
Tomēr NiCd un NiMH akumulatori joprojām tiek izmantoti, ja ekstremālas temperatūras, augsts izlādes ātrums vai ilgtermiņa uzticamība ir lielāka par atmiņas ietekmi. Rezerves barošanas sistēmas, medicīnas ierīces un daži rūpnieciskie rīki joprojām ir balstīti uz niķeļa{2}}ķīmijām.
Bieži uzdotie jautājumi
Vai atmiņas efekts var neatgriezeniski sabojāt akumulatoru?
Atmiņas efekts pats par sevi nebojā akumulatora fizisko struktūru. Tas samazina pieejamo jaudu, mainot elektrodu materiālu izvietojumu. Teorētiski pareiza kondicionēšana var to mainīt, lai gan smagos gadījumos, kad gadiem ilgi slikti uzlādes ieradumi var pilnībā atgūties. Akumulators joprojām ir droši lietojams,-tas tikai nodrošina mazāku darbības laiku.
Kā es varu zināt, vai manam akumulatoram ir atmiņas efekts?
Atmiņas efekts parādās kā īsāks izpildes laiks, kas ievērojami uzlabojas pēc pilnīgas izlādes{0}}uzlādes cikla. Ja izpildes laiks paliek zems pat pēc kondicionēšanas, problēma, visticamāk, ir normāla novecošanās vai iekšējie bojājumi, nevis atmiņas efekts. Mūsdienu litija baterijas nerādīs šo modeli, jo tām nav patiesa atmiņas efekta.
Vai atmiņas efekts ietekmē automašīnas akumulatorus?
Nē. Automobiļu akumulatoros tiek izmantota svina-skābes ķīmija, kas neizraisa atmiņas efektu. Veco automašīnu akumulatoru kapacitātes zudumu izraisa sulfācija (svina sulfāta kristālu uzkrāšanās), aktīvā materiāla izdalīšanās un elektrolītu noslāņošanās-dažādi procesi, kuriem nepieciešami dažādi līdzekļi.
Kāpēc tālruņu ražotāji iesaka periodiski pilnībā izlādēties?
Šis padoms attiecas uz akumulatora mērītāja kalibrēšanu, nevis atmiņas efekta novēršanu. Ierīces programmatūra izseko akumulatora jaudu, uzraugot spriegumu un strāvu. Laiku pa laikam izlādējoties līdz gandrīz -tukšai, sistēmai palīdz izmērīt patieso akumulatora jaudu, uzlabojot uzlādes līmeņa aprēķinus. Tas nenovērš jaudas zudumu pašā akumulatorā.
Atmiņas efekts veidoja akumulatoru tehnoloģiju attīstību gadu desmitiem. Izpratne par tā mehānismiem nodrošināja labāku akumulatoru ķīmisko sastāvu un viedākas uzlādes sistēmas. Lai gan lielākā daļa lietotāju mūsdienās nekad nesaskaras ar patiesu atmiņas efektu, pateicoties litija-baterijām, gūtās atziņas joprojām ietekmē to, kā mēs projektējam un pārvaldām pārnēsājamas energosistēmas.
Pāreja uz litija polimēru akumulatoru konstrukcijām un citām progresīvām ķīmijām ir vairāk nekā tikai izbēgšana no atmiņas efekta. Šīs tehnoloģijas piedāvā būtiskas priekšrocības attiecībā uz enerģijas blīvumu, uzlādes ātrumu un darbības elastību, kas atbilst mūsdienu ierīču prasībām. Lietojumprogrammām, kurās joprojām tiek izmantotas niķeļa -baterijas, atmiņas efekta apzināšanās joprojām ir vērtīga, lai palielinātu veiktspēju un kalpošanas laiku.
Key Takeaways
Atmiņas efekts samazina izmantojamo akumulatora jaudu, veicot atkārtotus daļējas izlādes ciklus, galvenokārt ietekmējot NiCd akumulatorus
Parādība izriet no kristāliskiem veidojumiem, kas veidojas lokālos elektrodu apgabalos sekla cikla laikā
Litija{0}}baterijām, tostarp litija polimēru konstrukcijām, nav patiesas atmiņas efekta
Periodiskā kondicionēšana palīdz novērst un mainīt atmiņas efektu jutīgiem akumulatoru veidiem
Mūsdienu akumulatoru pārvaldības sistēmas novērš vajadzību manuāli iejaukties ar litija{0}}darbināmām ierīcēm
