Сколько энергии в севшей батарейке?

Несмотря на то, что большое количество современных устройств имеют встроенные аккумуляторы, батарейных устройств у нас всё еще очень много. И, наверное, каждому знакома ситуация, когда вы достаете такое устройство из шкафа, включаете и вдруг понимаете, что оно не работает. «Села батарейка», догадываетесь вы, меняете её на новую и продолжаете пользоваться прибором еще какое-то время, пока ситуация не повторится. И, казалось бы, это естественный круг жизни и здесь нет ничего необычного, но выкидывая батарейку в специализированный контейнер, задумывались ли вы, действительно ли она полностью разряжена? Или, может быть, в ней еще есть немного энергии? А, может, её там достаточно много и батарейку можно еще как-то использовать? Об этом сегодня и пойдет речь, так что, если интересно, берите попкорн и добро пожаловать.

---

Тема энергии батареек начала меня интересовать еще очень давно. В детстве, когда я только увлекся радиоэлектроникой и стал понимать, что такое вольты и амперы, я задал себе вопрос – «Почему на аккумуляторах пишут электрическую ёмкость, а на батарейках нет? Сколько же тогда энергии содержится в батарейке?» Но на тот момент никто из моего окружения ответить на него не мог, а разряжать батарейку просто так, чтобы узнать какую-то цифру было непозволительной роскошью, ведь по меркам школьника того времени батарейки были достаточно дорогими, а некоторые так и вообще редкими. Позже я собрал себе первый сетевой блок питания, потом второй, потом третий, и, в итоге, так и повзрослел не зная, сколько же энергии содержится в одной батарейке.

К счастью, сейчас ситуация кардинально поменялась и, в частности, благодаря Алексею Надёжину (ammo1) практически каждый читать Муськи не просто знает, сколько энергии содержится в элементах АА и ААА, но и может посмотреть детальные тесты разряда батареек большинства популярных фирм-производителей, что позволяет проводить их выбор и покупку более осознанно. Кстати, именно благодаря Алексею и его тестам для меня в свое время стало открытием, что вопреки рекламе дорогущие топовые батарейки и те, что стоят в разы дешевле не имеют настолько сильного различия в отдаваемой энергии, после чего я перестал покупать Duracell даже по акции.

Но вернемся к теме статьи. Если говорить про форм-фактор АА и ААА, то сейчас в продаже есть три разных типа батареек – солевые, щелочные (алкалиновые) и литиевые. Солевые – это наиболее худший вариант химического источника тока по всем параметрам, кроме цены. Но и даже низкая цена их не спасает, энергии в них настолько мало, что к покупке они вообще не рекомендуются. Литиевые, с другой стороны, это наиболее топовые и дорогие батарейки. Энергии в них больше, они способны держать большие токи и, самое главное, они не так сильно теряют ёмкость на морозе. Это позволяет с успехом применять их в различных уличных датчиках, где другие типы батареек показывают себя значительно хуже. Минус у литиевых батареек только один – весьма высокая цена. Щелочные или как их еще неправильно называют «алкалиновые» (от английского alkaline – щелочной) представляют собой золотую середину, оптимальную для потребителя по соотношению цена/качества, поэтому сегодня речь пойдет именно о них.

Несмотря на то, что мы привыкли считать батарейки полуторавольтовыми, свежая щелочная батарейка имеет НРЦ (напряжение разомкнутой цепи, то есть, напряжение без нагрузки) до 1.6 В. Напряжением же полного разряда такой батарейки принято считать 0.9 В, поэтому если ваше хорошее устройство разряжает батарейки до этого уровня, вы можете быть совершенно спокойны, что оно забирает из них всю энергию, после чего батарейки можно смело отправлять на выброс. Только делать это стоит не в общую мусорку, а в специализированные ящики для сбора батареек, которые устанавливают обычно в больших супермаркетах. Конечно же, существует мнение, подтвержденное даже реальными историями, что батарейки из таких ящиков всё равно потом отправляются на обычную помойку, но вот тут я считаю, что для нас, как для конечных потребителей это не может быть аргументом, и мы всё равно должны выполнять свою часть экологического контракта. А уж что будет с батарейками дальше, пусть остается на совести других организаций, стоящих выше в этой цепочке утилизации.

С хорошими устройствами понятно, но сейчас существует огромное множество условно «плохих» устройств, которые перестают работать при напряжении батарейки 1.25 В или даже 1.3 В на элемент. С одной стороны очевидно, если в батарейке осталась половина напряжения, наверное, в ней осталась непотраченной и половина ёмкости. Но, с другой стороны, есть одна интересная теория, идея которой заключается в том, что если батарейку разряжать не непрерывно, а короткими периодами, после чего давать ей достаточное время отдохнуть, то не смотря на относительно высокое остаточное НРЦ, энергии в ней уже практически не будет. В пользу этой теории говорит и простой факт, что НРЦ батарейки через некоторое время после снятия нагрузки действительно возрастает, и «отдохнувшая» батарейка может еще чуть поработать.

Лично я в эту теорию вплоть до сегодняшнего дня не верил, но и самому проверить как-то случай не подворачивался. А пока сам не проверишь (или хотя бы не прочтешь работу по данной теме других уважаемых авторов), полностью отметать теорию тоже нельзя, так что гештальтик-то оставался открытым. Но тут вдруг подвернулся прекрасный случай – разрядились батарейки в портативном тонометре (в том самом лучшем подарке для людей за 30) и под рукой оказалась электронная нагрузка, способная считать ёмкость и энергию. Тогда я решил, что такой шанс упускать нельзя и взял один разряженный экземпляр для тестов. Итак, знакомьтесь:


Сегодня в нашей «лаборатории» обычная алкалиновая щелочная батарейка форм-фактора АА, купленная, предположительно, в 2021 году в Ашане. Комплект таких батареек года 2 исправно отработал в бытовом тонометре, после чего тонометр заявил об их полном разряде и производить измерения более отказался. Покручивание элементов в батарейном отсеке уже тоже не помогало – если кто не знает, иногда такие манипуляции действительно могут помочь, так как удаляют окислы между контактами отсека и полюсами батареек, и устройство может еще чуть-чуть поработать. В общем, батарейки пришлось заменить, и тут я вдруг подумал, что условия разряда данного комплекта были как раз именно такими, какие требует проверяемая теория – периодическое потребление с продолжительными интервалами для отдыха. Также срок годности батареек еще не подошел к концу, что сделало их просто идеальными кандидатами для тестов:


Перед началом теста я измерил НРЦ и внутреннее сопротивление батарейки, и они получились 1.318 В и 479 мОм соответственно. Чтобы было с чем сравнить, произвел аналогичные измерения у нетронутой щелочной батарейки другой модели, продаваемой под такой же маркой Ашан, и получил 1.588 В и 85 мОм. После измерений стало совершенно понятно, почему батарейки перестали работать в тонометре – их внутреннее сопротивление выросло в 6 раз, что косвенно может означать, что основная часть энергии батарейкой уже потрачена, и, таким образом, только подтверждает проверяемую теорию. Что же, вот именно это сегодня мы и подтвердим (или опровергнем), поэтому вставляем батарейку в нагрузку и приступаем:


Для начала я решил выставить ток разряда 50 мА, что, как мне кажется, является средним разрядным током, позволяющим батарейному устройству не просто выполнять свои функции, но и иметь каких-то активных потребителей вроде светодиодов, динамиков или очень маленьких моторчиков. Как только я включил нагрузку, напряжение батарейки практически сразу упало до 1.24 В:


Походу, много выжать из неё не выйдет. Кстати, падение напряжения под нагрузкой до 1.24 В означает, что такая батарейка уже не сможет нормально работать в устройствах, где от двух последовательно соединенных элементов запитываются белые, голубые или синие светодиоды. А таких устройств в последнее время китайцы наплодили просто несчетное количество.

Через час разряда напряжение батарейки упало до 1.13 В, хотя полезной энергии было получено всего 50 мАч. Значит, изначально батарейка уже была практически разряжена? Продолжаем:


Через два часа разряда темп падения напряжения немного замедлился, оно снизилось лишь до 1.09 В:


Через 4 часа разряда ситуация стабилизировалась, напряжение упало до 1.06 В:


Что ж, пока батарейка разряжается, самое время поговорить о том, сколько же энергии вмещается в типоразмер АА в принципе, чтобы было с чем сравнить измеренный остаток. Согласно сайту Battery test лидером щелочных батареек сейчас является некая «Nanfu Alkaline Power Ring», которая вмещает аж 2864 мАч или 3600 мВтч. Если что, то это даже немного больше, чем у топовых NiMH аккумуляторов аналогичного типоразмера.

Но это лидер, которым обозреваемая батарейка не была даже в юности, поэтому с ним сравнивать бессмысленно. К сожалению, тестов именно бело-зеленых ашановских батареек на сайте нет, поэтому возьмем «ближайшие» к ней Auchan High Performance, которые отдают 2539 мАч или 3195 мВтч. Не буду утверждать, но мне кажется, что обозреваемая бело-зеленая позиционировалась магазином как чуть попроще. Конечно, напрямую сравнивать с цифрами на сайте не очень корректно – там батарейки разряжаются током 100 мА, у меня же только 50 мА, но с чем-то сравнивать надо, а данных при разряде меньшим током у меня нет.

Тем временем, через 7 часов разряда напряжение на батарейке снизилось до 1.03 В, но она всё еще держалась:


Через десять с половиной часов напряжение упало до 1.01 В:


Но тут уже наступила глубокая ночь, и я решил снизить разрядный ток до 20 мА. Почему я так поступил? Во-первых, нижнего предела напряжения окончания разряда я не выставил и поэтому не знал, при каком именно напряжении отключится электронная нагрузка. И чтобы предотвратить неконтролируемую остановку разряда, решил попытаться его продлить до утра, снизив для этого ток. Во-вторых, я подумал, что батарейка уже и так неплохо отдала по ёмкости (550 мАч), значит, можно перейти к следующему сценарию, более характерному для малопотребляющих устройств, потому что работа от такого низкого напряжения, в основном, свойственна только им. И, наконец, в-третьих, тут мне реально уже стало любопытно, сколько же я могу выжать из батарейки, а в таком случае надо было точно снижать разрядный ток.

Тем не менее, 20 мА – это ток, вполне достаточный для выполнения многих реальных действий. Например, таким током можно питать какой-то несложный приборчик, который будет иметь в своем составе МК, дисплей и даже небольшую светодиодную подсветку.


После снижения тока напряжение на батарейке тут же поднялось до 1.04 В и продолжало немного возрастать уже непосредственно в процессе разряда! Батарейка как будто немного восстанавливалась, и это означало, что щелочные батарейки плохо держат большие разрядные токи.

На следующее утро, через 8 часов после снижения тока и через 19 часов с момента начала разряда напряжение на батарейке было 1.05 В, и она уже отдала в нагрузку 723 мАч, что удивило и одновременно воодушевило меня:


Мною завладел спортивный интерес – сколько же она отдаст всего? 23 часа, 1.03 В, 800 мАч:


31 час, 0.98 В, 960 мАч и 1006 мВтч:


34 часа, 0.96 В, 1012 мАч – порог в 1 Ач был пройден!


41 час, 0.89 В, 1165 мАч:


Раз уж такое дело, тут я решил, что не буду останавливаться на 0.9 В, а продолжу разряд хотя бы до 0.8 В, ведь при таком напряжении от батарейки еще можно что-то получить, например, еще вполне работает мой самодельный повышающий преобразователь. 47 часов, 0.83 В, 1273 мАч:


Наконец, при достижении 0.8 В нагрузка отключилась сама. За 47 часов 69 минут и 48 секунд из батарейки удалось снять 1296 мАч или 1311 мВтч:


Если считать, что в новой батарейке находится 2539 мАч или 3195 мВтч, то разряженная батарейка дополнительно отдала 51% своей первоначальной ёмкости или 41% первоначальной энегроёмкости! По мне, это невероятно большие значения остаточной энергии, которую мы вынуждены буквально выбрасывать в урну из-за того, что многие устройства просто не могут разряжать батарейки до конца. После окончания разряда внутреннее сопротивление батарейки даже чуть упало и составило 372 мОм, а напряжение после небольшого отдыха подросло до 0.987 В.

Казалось бы, на этом статью можно завершать, но всё это время я держал в уме небольшой факт, что «народная» электронная нагрузка Atorch обладает не очень высокой точностью на маленьких токах, поэтому непосредственно перед началом и сразу после завершения теста я проверил, насколько точно она соблюдает установленный разрядный ток. И оказалось, что при выставлении 50 мА нагрузка реально потребляет 53 мА, а вместо 20 мА – 23.3 мА. Причем, эти значения до и после разряда оказались одинаковыми, то есть, это некая статическая погрешность. А это означает, что на самом деле, ёмкость, отданная батарейкой была даже еще больше! Давайте, для порядка, произведем перерасчет.

Нагрузка насчитала, что батарейка отдала 560 мАч или 592 мВтч при разряде током 50 мА, после чего она дополнительно отдала 1296 – 560 = 736 мАч или 1310 – 592 = 718 мВтч при разряде током 20 мА. Таким образом, с учетом повышающего коэффициента оказывается, что на первом этапе батарейка отдала 593.6 мАч или 627.5 мВтч. А на втором – 857.4 мАч или 836.5 мВтч. В сумме это составляет 1451 мАч или 1464 мВтч, или 57% оригинальной ёмкости и 46% оригинальной энергоёмкости.

Итоги

Проведенный тест подтвердил, что правильно разряжать щелочную батарейку нужно всё-таки до напряжения 0.8 В – 0.9 В на элемент. Он также с треском опроверг проверяемую теорию, что при прерывистом разряде несмотря на относительно высокое НРЦ в батарейке остается уже очень мало энергии – нет, энергии в ней остается достаточно, это лишь проблема питаемых устройств, что они не в состоянии эту энергию из батарейки забрать.

Также тест наглядно показал, что щелочные батарейки, по сути, хорошо себя ведут лишь только на малых токах разряда, они плохо предназначены для сколь-либо мощных потребителей. Поэтому такие приборы как тонометр просто обречены конструктивно, и при всем желании никогда не смогут разряжать батарейки до конца.

Что же делать, продолжать выбрасывать полуразряженные батарейки и смириться с их перерасходом? Во-первых, как покупатели мы можем «голосовать рублем» — стараться выбирать те устройства, которые могут разряжать батарейки до конца, то есть, до 0.8 В – 1 В на элемент и не брать такие, которые перестают работать уже при 1.25 В – 1.3 В, если, конечно, такая информация известна до покупки.

Во-вторых, можно отдавать предпочтение устройствам со встроенным аккумулятором. Даже если оно будет плохо спроектировано и сможет разряжать аккумулятор лишь наполовину, сам аккумулятор никуда после каждого разряда выбрасывать не надо, да и оставшаяся половина энергии тоже в нем не пропадет.

Ну, и, в-третьих, если у вас уже есть или по каким-то объективным причинам вам пришлось приобрести устройство, которое не может разрядить до конца щелочные батарейки, можно попытаться перевести его на питание от аккумулятора. В самом простом случае вместо пальчиковых батареек АА и ААА можно просто попробовать установить NiMH аккумуляторы аналогичного размера. Но здесь, скорее всего, мы столкнемся с той же проблемой – напряжение NiMH аккумуляторов ниже, чем напряжение щелочных батарей и составляет 1.2 В, поэтому, если устройство изначально «кривое» и не может разрядить батарейку ниже 1.25 В, оно нормально и с такими аккумуляторами работать не будет.

Но это не всегда так, есть и обратные примеры. Тот же самый тонометр прекрасно работает с NiMH аккумуляторами, хоть и не может разрядить батарейки до конца. Получается так потому, что, в принципе, тонометр сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до 1.06 В на элемент, но ему нужен от батареек достаточно большой ток (~250 мА). Наполовину разряженные батарейки отдать такой ток не могут, напряжение на них проседает ниже и тонометр отключается. А вот NiMH аккумуляторы легко справляются с этой нагрузкой, поэтому даже если их начальное напряжение оказывается ниже, тонометр продолжает прекрасно работать. И это, на самом деле, пример того, как надо правильно проектировать батарейные устройства.

Если с NiMH не получилось, но «кривое» устройство всё-таки хочется перевести на аккумулятор, можно менять пары батареек на комбинацию из LiFePO4 аккумулятора и пустышки, поскольку один такой аккумулятор имеет такое же напряжение, как две свежие щелочные батарейки. Этот вариант, правда, проигрывает батарейкам в энергоёмкости, но зато работает безотказно, т.к. от 3.2 В даже кривое устройство не работать не может. И особенно хорош он для устройств с повышенным потреблением, таких как, например, электрические перцемолки. Поэтому в своих двух (для соли и для перца) я именно так и поступил, причем вместо 6-ти ААА поставил лишь два LiFePO4 аккумулятора такого же типоразмера – их напряжения вполне хватило, чтобы электрическая мельница работала в полную силу. При цене на один LiFePO4 форм-фактора ААА от Soshine около 100 рублей и моем домашнем сценарии использования мельниц такая замена должна окупиться уже через год эксплуатации.

В общем, варианты как бороться с перерасходом батареек есть. Единственное, перед выбором каждого из них стоит обращаться к здравому смыслу, задавая себе вопрос «Действительно ли так будет лучше?», менять просто ради замены тоже не стоит. Например, если у вас есть какое-либо «кривое» батарейное устройство, которым вы пользуетесь раз в месяц, в результате чего одного комплекта батареек хватает на 3-4 года, переводить его на аккумуляторы нет никакого смысла. Ведь один LiFePO4 стоит как 4 щелочные батарейки, значит, окупится он только после первой замены, а станет выгодным после второй. Но две замены при таком сценарии эксплуатации – это от 6 до 8 лет, не факт, что и LiFePO4, и само устройство столько прослужат.

На этом у меня всё, спасибо за внимание и берегите нашу планету.