CO TO JEST AKUMULATOR ?

Pojęcie akumulatora

Akumulator magazynuje energię, zazwyczaj elektryczną. Jego użytkowanie składa się z dwóch faz: pierwsza z nich to faza ładowania (wówczas staje się on prądnicą), druga - rozładowywania.

Podział akumulatorów ze względu na rodzaj energii magazynowanej:

• Pneumatyczne
• Hydrauliczne
• Cieplne
• Bezwładnościowe
• Elektryczne

Uzyskanie wyższych napięć jest możliwe dzięki połączeniu szeregowym kilku akumulatorów.

Charakterystyka akumulatora elektrycznego

Jest to najczęściej stosowane ogniwo elektrochemiczne. Reakcje przebiegające w układzie (reakcje utleniania - redukcji) są tak dobrane by były odwracalne, czyli umożliwiały naładowanie baterii po jej wyczerpaniu. W procesie ładowania akumulatora wykorzystuje się zjawisko elektrolizy (odwrócenia reakcji zachodzącej w ogniwie pod wpływem prądu elektrycznego).

Podział akumulatorów z uwagi na rodzaj elektrolitu:

• Zasadowe

Przykład: akumulator żelazowo-niklowy

Jego schemat to:

Fe, Fe(OH)₂ / KOH / Ni(OH)₂, Ni(OH)₃, Ni

W ogniwie takim ma miejsce reakcja:

Fe + 2Ni(OH)₃ = Fe(OH)₂ + 2Ni(OH)₂

• Kwasowe

Przykład: akumulator ołowiowy

Schemat tego akumulatora to:

+Pb, PbO₂ |H₂SO₄| Pb-

W stanie naładowania tworzą go płyty siatkowe dwojakiego rodzaju, jedne pokryte ołowiem (ładunek ujemny), drugie - tlenkiem ołowiu (IV) (ładunek dodatni), przy czym tych ostatnich jest zawsze mniej

o jedną. Płyty zanurzone są w rozcieńczonym H₂SO₄. Podczas reakcji elektrochemicznej następuje rozkład kwasu na wodę.

Na elektrodzie ujemnej przebiega reakcja:

Pb + SO₄^2- = PbSO₄

A na dodatniej:

PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- = PbSO₄ + 2H₂O

Ten typ akumulatora wymaga naładowania, jeśli jego napięcie spadnie do 1,80 V ze względu na możliwość zniszczenia urządzenia. Ładowanie następuje pod wpływem prądu stałego. Dodatni biegun akumulatora podłącza się do dodatniego bieguna prądu, a ujemny do ujemnego. Pod koniec tego procesu następuje gwałtowny wzrost napięcia do 2,4 - 2,6 V, czemu towarzyszy wydzielanie się gazu. Akumulator należy poddawać procesowi ładowania co ok. 4 - 6 tygodni. Przyczyną takiej konieczności jest samorozładowywanie akumulatora ołowiowego.

• Nowej generacji

Przykład: akumulator srebrowo-cynkowy, akumulatory litowe

Posiadają lepsze parametry, są lżejsze.

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.

Akumulkator 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. Zwiekszenie 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 charakteryzuja 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.

Parametry akumulatora decydujące o jego przydatności:

• SEM - siła elektromotoryczna ogniwa
• Pojemność - całkowity ładunek elektryczny, jaki uzyskuje się z naładowanego w pełni akumulatora doprowadzając do jego zupełnego rozładowania

Zastosowanie:

• W urządzeniach oświetleniowych
• Jako zapasowe źródło energii
• W pojazdach do zasilania aparatury elektrycznej oraz elektronicznej
• W aparaturze przenośnej (urządzenia pomiarowe)
• W lokomotywach elektrycznych
• W automobilach (w fabrykach)
• Jako baterie (połączenie 3, 6 albo 9 ogniw)

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.