AKUMULATORY I ICH ZASTOSOWANIE

Akumulatory są urządzeniami stosowanymi powszechnie zarówno w życiu codziennym jak

i przemyśle. Dzięki ich zastosowaniu urządzenia elektroniczne stały się przenośne, ułatwiając nam życie. Dlatego też istnieje duży wybór akumulatorów o różnorakich właściwościach. Najczęściej stosowane akumulatory to ołowiowe, niklowo - kadmowe, niklowo - metaliczno - wodorkowy (NiMH).

Należy zaznaczyć, iż dąży się do osiągnięcia cech idealnego źródła zasilania energią, czyli:

• Niewielki ciężar
• Długa żywotność
• Duża pojemność
• Łatwe ładowanie
• Duży prąd wyładowania
• Nie zanieczyszczanie środowiska
• Niewielka zależność od temperatury

Akumulatory ołowiowe

Zostały wynalezione przez Raymonda Gaston Plante'a w 1860r. Są bardzo powszechne i stanowią 60% całkowitej ilości akumulatorów w sprzedaży. Ogniwa te wykazują dużą odporność na zmieniające się warunki zewnętrzne, dużą ilość cykli ładowania oraz rozładowania, a także ekonomicznością (niska cena). Akumulatory ołowiowe stosuje się do zasilania rozrusznika w samochodzie, lub jako źródło mocy zapasowej. Elektrody zbudowane są z ołowiu, co korzystnie wpływa na procesy ładowania oraz rozładowania, ale samo urządzenie jest bardzo ciężkie. Dawniej stosowano akumulatory ołowiowe otwarte, w dzisiejszych czasach akumulatory bezobsługowe hermetyczne albo z zaworem regulacyjnym.

Akumulatory ołowiowe, które posiadają zawory regulacyjne mogą występować w kilku rodzajach. Wśród nich wyróżniamy specjalne modele akumulatorów ołowiowych, których elektrody mają spiralny kształt, a pomiędzy nimi znajduje się cienki separator, posiadają również obudowę cylindryczną. Takie typy mają nieznaczną rezystancję wewnętrzną, umożliwiającą pobór prądów o dużej mocy w krótkim czasie.

Ładowanie

Ołowiowy akumulator ładuje się przy pomocy stałego napięcia (zmienna wartość prądu elektrycznego). Prąd ładowania nie może być większy niż 1/3 pojemności tego akumulatora. Ogniwo złożone, oprócz elektrod ołowiowych z elektrolitu - kwasu siarkowego (VI) dostarcza napięcie ogniwa 2 V. Baterie składają się z 3 albo 6 ogniw.

Akumulator może być używany do pracy cyklicznej, wtedy ładowanie oraz rozładowanie następuje naprzemiennie, a napięcie ładowania musi wahać się w granicach 2,40 - 2,50 V/ogniwo lub do pracy buforowej, w postaci źródła zasilania rezerwowego. W tym przypadku z akumulatora zwykle nie pobiera się prądu, tylko poddaje stałemu ładowaniu, w celu pełnej gotowości w okolicznościach alarmowych. Ostatni system stosuje się w UPS-ach, instalacjach alarmowych. Maksymalne napięcie ładowania nie powinno przekraczać wartości 2,25 - 2,30 V/ogniwo. Ważne jest, aby ładowarka zapewniała optymalne warunki ładowania, a więc takie, przy których prąd ładowania podczas pracy cyklicznej wynosi do 10% pojemności akumulatora (0,1C), a podczas pracy buforowej - ok. 5% (0,05C).

Rozładowanie

Akumulator ołowiowy ulega w niedługim czasie szybkiemu rozładowaniu pod wpływem dużych prądów.

W normalnych warunkach taki akumulator posiadający zawór regulacyjny jest zdolny do krótkotrwałego (poniżej 5 s) obciążenia prądem o wartości 15 razy większej od pojemności akumulatora. Stały pobór prądu nie może być większy od potrójnej pojemności.

Żywotność

Akumulatory ołowiowe pracują najczęściej przez 3 - 5 lat, jednak niektóre typy nawet do 10. Na żywotność wpływa, przede wszystkim, ilość cykli, które może on wytrzymać nim jego pojemność zmniejszy się do 60% wartości początkowej. Przeciętna ilość cykli wynosi 500, gdy korzysta się z 50% pojemności podczas każdego rozładowania, a ich ilość jest uzależniona od tzw. głębokości rozładowania (czyli części pojemności wykorzystywanej podczas każdego rozładowania).

Podsumowując, akumulatory ołowiowe stanowią dość tanimi źródłami prądu, a ich ładowanie nie wymaga specjalnych, skomplikowanych obwodów sterowniczo - kontrolnych, chociaż taki proces przeprowadzony w temperaturze niższej niż pokojowa, wymaga dodatkowych napięć. Czas życia tych urządzeń jest stosunkowo długi w porównaniu do innych rodzajów akumulatorów i zależy od typu oraz sposobu eksploatacji. Ogniwa te są toksyczne dla środowiska naturalnego za względu na znaczna zawartość ołowiu. Ich ciężar, z kolei znacznie ogranicza możliwości ich zastosowania.

Akumulatory niklowo - kadmowe

Zostały skonstruowane przez Jungner w 1932r., a w 60 - tych latach produkowano już je na masową skalę. Obecnie akumulatory NiCd są bardzo popularne, stosowane powszechnie w mechanizmach elektronicznych. Dzięki ich zastosowaniu jest możliwe korzystanie z urządzeń bezprzewodowych.

Ich cechą charakterystyczną jest duża gęstość zgromadzonej energii (czyli ilość energii w porównaniu

do ciężaru), a także długi czas życia, spora ilość cykli ładowania oraz rozładowania oraz możliwość poborów prądów o dużej mocy. Akumulatorów NiCd używa się o różnych pojemnościach (od paru mAh do 10 Ah),

w celu jak najlepszego doboru parametrów dla określonego zastosowania (np. o dużej pojemności, krótkim czasie ładowania czy pracy podczas wysokich temperatur otoczenia).

Ogniwo to składa się z elektrody ujemnej - kadmowej i dodatniej - niklowej oraz elektrolitu, którym jest roztwór wodny wodorotlenku potasu. Elektrody przedzielone są za pomocą porowatego separatora zbudowanego

z tworzywa sztucznego, aby można było zapobiec zwarciu. Elektrody ogniw cylindrycznych nawinięte

są w formie spirali, przez co uzyskuje się dużą powierzchnię elektrod (a więc i wysoką pojemność), a separator powinien być cienki (ze względu na obniżenie wewnętrznej rezystancji i w konsekwencji wysokiej wartości prądu rozładowania). Reakcje elektrochemiczne akumulatora są dobrane w taki sposób, aby wydzielające podczas ładowaniu gazy (w tym przypadku tlen powstający przez elektrolizę wody) były absorbowane. Wszystkie ogniwa posiadają zawór bezpieczeństwa zapobiegający utworzeniu nadciśnienia podczas silnego przeładowania.

Ładowanie

Akumulatory niklowo - kadmowe ładuje się przy użyciu stałego prądu. Napięcie takiego ogniwa wynosi ok. 1,2 V. Energia doprowadzona do akumulatora jest równa 140% energii odzyskiwanej w czasie jego pracy. Współczynnik ładowania akumulatora NiCd wynosi 1,4W, tak więc doprowadzona energia musi być większa od tej podczas wyładowania. Zazwyczaj jego prąd ładowania wynosi 0,1 C, a czas 14 - 16 godz. Ładowanie tego akumulatora określa się równaniem:

I = Q *1,4 / t

gdzie:

I - prąd ładowania [A]

Q - pojemność [Ah]

1,4 - współczynnik ładowania

t - czas ładowania [h]

Napięcie ładującego się ogniwa stopniowo rośnie, osiągając wartość 1,45 - 1,5 V w finalnym etapie.

W przypadku prądów ładowania do 0,2 C nie nadzoruje się procesu ładowania.

Akumulatory niklowo - kadmowe o pojemności 0,5 - 1,5 C ładują się w niedługim czasie, a skrócenie czasu ładowania wiąże się z ścisłą kontrolą tego procesu, związana ze znacznym podwyższeniem temperatury w tym ogniwie.

W ładowarkach przeznaczonych do szybkiego ładowania opiera się na metodzie -DV (minus delta V), polegającą na wykrywaniu zmniejszenia się napięcia (w finalnym etapie ładowania) i przerwaniu ładowania. Jako dodatkowe zabezpieczenie stosuje się wyłączniki bimetalowe. Umieszcza się je szeregowo w obwodzie ładowania na obudowie ogniwa. Takie środki ostrożności przedłużają czas życia ogniwa, ponieważ nadmierny wzrost temperatury znacznie skraca się ich żywotność. Temperatura baterii po szybkom naładowaniu osiąga

45 ^oC. Oprócz wyłącznika bimetalowego, wyłączającego obwód po przekroczeniu 45 stopni Celsjusza, stosuje się także wyłącznik czasowy (<1C) w połączeniu z bimetalowym.

Ładowanie buforowe (podtrzymujące)

Wykorzystuje się je przy braku napięcia (np. do zasilania zapasowego komputera) stosując ogniwa wysoko-temperaturowych i pastylkowych. Ogniwa cylindryczne NiCd należy ładować prądem 0,03-0,05 C,

a ogniwa pastylkowe 0,01 C. W przypadku ogniwa cylindrycznego prąd ładowania podtrzymującego

o pojemności 800 mAh musi mieć wartość 24-40 mA.

Rozładowanie

Akumulator NiCd w czasie całkowitego okresu rozładowywania ma stałe napięcie o wartości 1,2 V. W fazie końcowej wartość ta spada do 1,0 V. Niestety ogniwo to ulega samo rozładowaniu (duża wartość prądu samorozładowania, wynosząca 1% na dobę), dlatego charakteryzuje się niską sprawnością podczas ładowania podtrzymującego. Akumulator można obciążyć prądem nawet do wartości 100 C w ciągu krótkiego okresu czasu, a podczas rozładowania w trybie ciągłym wartość pobieranego prądu nie może być większa niż 8-10 C w okresie 4-5 minut.

Żywotność

W przypadku tego rodzaju ogniw liczba cykli ładowania rozładowania wynosi 1000. Oczywiste jest,

że żywotność zależy sposobu eksploatacji. Zarówno w czasie przeładowania ogniwa, jak i zbyt dużego rozładowania, następuje degradacja materiałów składowych. W rozładowanym akumulatorze występują ogniwa o różnej pojemności, a część ogniw uzyska napięcie końcowe trochę wcześniej niż pozostałe i niektóre ogniwa będą naładowane jedynie połowicznie, a inne przeładowane, co wpłynie na krótszą żywotność całego akumulatora. Podczas silnego rozładowania (gdy napięcie baterii obniża się do wartości 0,2 V), może się zdarzyć odwrócenie polaryzacji. W ogniwach NiCd należy zwrócić uwagę na rozładowanie do 1,0 V przed ponownym ładowaniem, wówczas żywotność będzie najdłuższa. Postępowanie zgodnie z zaleceniami przedłuża znacznie jego żywotność.

Akumulatory niklowo - kadmowe są lekkie, posiadają dość dużą pojemność. Ich czas życia, również podczas pracy cyklicznej, jest w pełni zadowalający. Proces ładowania, zwłaszcza szybkiego, z dużymi wartościami prądu, nie powodującego zmniejszenie żywotności akumulatora wymaga ścisłej kontroli.

Na trwałość ogniwa znaczny wpływ ma temperatura, rezystancja wewnętrzna rośnie ze spadkiem temperatury. Stosowanie akumulatora NiCd w niskich lub wysokich temperaturach jest możliwe przy specjalnej konstrukcji urządzenia (np. w urządzeniach awaryjnego oświetlenia).

Niestety, podobnie jak akumulatory ołowiowe, również NiCd zawierają szkodliwy dla środowiska pierwiastek - kadm. Zaleca się, aby zużyte urządzenia zwracać dostawcy albo sprzedawcy.

Akumulatory NiHM (niklowo-metaliczno-wodorkowe)

Akumulatory NiHM używane są od lat 70 - tych. Używa się je jako zamienniki akumulatorów NiCd

ze względu na to, że są one bardziej przyjazne dla środowiska. Obecnie prowadzi się intensywne badania tych układów, tak by dorównywały parametrom ogniw niklowo-kadmowych. Akumulatory NiHM, oprócz wielu zalet, mają także sporo wad, co czasem uniemożliwia ich zastosowanie.

Akumulator NiHM składa się z płytki niklowej, stanowiącej elektrodę dodatnią, stopu metali ziem rzadkich (manganu, niklu, aluminium, magnezu i kobaltu - ich skład procentowy decyduje o właściwościach akumulatora), będącego elektrodą ujemną, elektrolitu zasadowego oraz separatora poliamidowego lub polietylenowego. Ogniwo, w trakcie swojej pracy, uwalnia gazowy wodór, a następnie magazynuje go w stopie metalu. Gazowy wodór przemieszczony zostaje pomiędzy elektrodami podczas ładowania oraz rozładowywania. Od składu stopu metali zależy zdolność absorpcji wodoru, co decyduje o pojemności akumulatora. Zwiększenie pojemności wywołuje, niestety, zmniejszenie szybkości reakcji fizyko-chemicznej, a wpływ na to ma również prąd rozładowania oraz czas ładowania. Baterie NiMH posiadają zawór bezpieczeństwa zapobiegający nadmiernemu ciśnieniu w ogniwie.

Ładowanie

Akumulatory NiMH charakteryzują się wyższą pojemnością w porównaniu do NiCd (więc mają większą ilość aktywnej substancji w identycznej objętości). Urządzenia te posiadają do dyspozycji zmniejszoną objętość rozszerzania się w obudowie, przez co zmniejsza się szybkość reakcji. Efekt ten powoduje, że akumulatory NiMH muszą ładowane być dużo wolniej od NiCd i pod ściślejszą kontrolą (aby uniknąć przeładowania). Wytwarzają one napięcie 1,2 V, a ładowanie trwa 14 - 16 godzin prądem, którego wartość powinna wynosić ok. 0,1 C. W finalnej fazie ładowania ogniwo NiHM osiąga 1,45-1,5 V, a współczynnik ładowania wynosi 1,4. Kontrola ładowania przy prądzie o wartości <0,2 C nie jest potrzebna (poza odmierzaniem czasu).

Szybkie ładowanie

Czas ładowania w przypadku akumulatora NiMH jest 4 razy dłuższy (1 godziny) niż w przypadku NiCd. Wzrost temperatury ogniwa bliskiego naładowaniu następuje dużo szybciej, a obniżenie napięcia jest dużo mniejsze,

z tego względu wskazane używanie co najmniej dwóch zabezpieczeń (-DV, temperatura powierzchni powyżej 45 ^oC, timer). Żywotność akumulatorów NiMH skraca się, w dużo większym stopniu, niż podczas przegrzania ogniwa NiCd. Dużą zaletą baterii NiMH jest brak "efektu pamięciowego"(zmniejszenie maksymalnej pojemności następuje wtedy, gdy powtarza się cykl niezupełnego rozładowania oraz ładowania). Takiemu procesowi można przeciwdziałać przeprowadzając 3-4 pełne rozładowanie i ładowanie.

Ładowanie buforowe (podtrzymujące)

Ze względu na podobieństwa, w takim użytkowaniu, akumulatorów NiMH w postaci pastylkowej do NiCd używane są one jako systemy podtrzymujące. Akumulatory cylindryczne mają zbyt małą żywotność przy ciągłym ładowaniu.

Rozładowanie

Akumulatory NiMH można rozładowywać prądem 3 - 5 C (a więc o niższej wartości od tych w NiCd, wolniej zachodząca reakcja, ze względu na dostępność miejsca wewnątrz ogniwa). Końcowe napięcie dla obydwu ogniw wynosi ok. 1,0 V (jest takie samo jak dla NiCd). Czas przechowywania naładowanego całkowicie akumulatora NiMH nie jest długi i wynosi 1,5% dziennie (wyższe prądy samo rozładowania).

Żywotność

Akumulator NiMH powinien, według producentów baterii, przejść 1000 cykli, ale biorąc pod uwagę normalne warunki eksploatacji, ok. 500-800. Należy podkreślić, że akumulatory te są stosunkowo niedawno wprowadzone na rynek, więc nie ma długoletnich obserwacji, które mogą potwierdzić zapewnienia producentów.

Podsumowując, akumulatory NiMH są jedynymi, powszechnie używanymi ogniwami, które nie zawierając metali ciężkich, a tym samym chronią środowisko naturalne. Wydają się one być "bardziej przyszłościowe" od innych typów. Są lekkie i stosunkowo pojemne, posiadają największą gęstość energii. Czas żucia jest również zadowalający, jedynie nie rekomenduje się używania ich w urządzeniach podtrzymujących

(z wyjątkiem ogniw pastylkowych). Kontrola ładowania powinna być bardziej precyzyjna, niż w przypadku NiCd. Temperatura pracy musi być bezwarunkowo przestrzegana (parametry baterii NiMH są zależne

od temperatury). Ładowanie musi przebiegać pod ściślejsza kontrolą w porównaniu z innymi rodzajami akumulatorów.

Możliwość zastosowana nowoczesnych akumulatorów pozwoliła na rozwój techniki. Dzięki temu na masową skalę stosuje się przenośne urządzenia takie jak: latarki, odtwarzacze kaset, płyt, mini dysków, radiomagnetofony, telefony bezprzewodowe oraz komórkowe, akumulatory samochodowe, UPS'y, zegarki, piloty (do telewizora czy wierzy). Bardzo ważną funkcją jest zastosowanie ich jak podtrzymujące źródła zasilania, np. w szpitalach (pozwala to nawet na ratowanie życia), we wspomnianych wcześniej komputerach (dzięki temu nie traci się bardzo cennych danych).

Niestety akumulatory mają swoje wady, ponieważ niewłaściwie użytkowane (np. w niedogodnych warunkach) mogą szybko wyczerpywać się. Obecnie problemem technologicznym, jak się wydaje są baterie do nowoczesnych telefonów komórkowych, których praca wystarcza jedynie na 3 - 4 dni, podczas gdy wcześniejsza generacja tych urządzeń pozwalała na pracy jednej naładowanej w pełni baterii przez nawet 2 tygodnie.