Akumulator to jeden ze sposobów magazynowania energii, w tym wypadku elektrycznej. W zależności od zapotrzebowania i celu magazynowania istnieją różne rodzaje akumulatorów. Aby nie trafić na akumulator, w którym połowa ogniw zawiera tylko piasek (żeby waga się zgadzała, ale pojemność już nie), trzeba uważać na ich jakość.
Akumulatory elektrochemiczne przede wszystkim należy podzielić na dwie grupy: kwasowe oraz zasadowe. Kwasowe, bo oczywiście zawierają kwas, który jest elektrolitem. A zasadowe, bo nie mają zasad… 😉
A na poważnie, dla tych co nie uczyli się chemii w podstawówce, zasada to takie chemiczne przeciwieństwo kwasu. Akumulatory kwasowe z reguły jedną z elektrod mają wykonaną z ołowiu i należy koniecznie pamiętać, aby zużyte oddawać do recyklingu.
Warto tu zaznaczyć, że zasada w kontakcie z materiałem biologicznym może być nawet bardziej niebezpieczna niż kwas. Ogniwa zasadowe generalnie zawierają żrącą, bardzo toksyczną i nieekologiczną „chemię”. Ludzie zazwyczaj obawiają się tylko tych samochodowych, podczas gdy w kieszeni noszą tykająca bombę w postaci niezbyt bezpiecznie wykonanej baterii wewnątrz telefonu lub e-papierosa, która dosłownie może wybuchnąć.
Na przestrzeni wielu lat, wraz ze zmieniającymi się potrzebami i możliwościami technicznymi, opracowano wiele rodzajów ogniw elektrochemicznych. Od 1866 roku w użyciu są jednorazowe ogniwa suche – najlepszym ich przykładem są tzw. baterie R6 i R3 (potocznie: „paluszki” i „małe paluszki”) powszechnie stosowane w urządzeniach elektroniki użytkowej, np. w pilotach zdalnego sterowania.
Zarówno w bateriach jednorazowych, jak i akumulatorach każdego typu, mamy dwie elektrody wykonane z różnych materiałów oraz między nimi elektrolit. Podobnie jak kondensator, z tymi dwoma różnicami, że elektrody nie są identyczne i zamiast izolatora występuje elektrolit.
Jak już widać po kształcie widocznym z zewnątrz, szczegółowa budowa jest jak z kondensatorami – elektrody mogą być płaskie i sztywne lub długie elektrody wykonane z materiału łatwego do wyginania, jak np. folia aluminiowa, są zwinięte na kształt cylindra. W pierwszym wypadku, prąd ładowania i rozładowywania jest z reguły większy, wskutek mniejszej rezystancji szeregowej i większej powierzchni oddawania ciepła. W drugim wypadku, niższy koszt produkcji i większa pojemność przy tej samej objętości.
Przy ogniwach cylindrycznych, ciekawostką są ogniwa litowo-jonowe od niedawna używane w samochodach elektrycznych marki Tesla. Rezystancja szeregowa wcześniejszych ogniw cylindrycznych, powodowała istotne straty – podobnie jak przy długich i cienkich przewodach, które jak wiadomo, grzeją się pod wpływem płynącego prądu. Normalnie zwinięte elektrody wraz z elektrolitem, są dość długie i jeśli odprowadzenia obu elektrod są w jednym miejscu, to cała ta zwijka robi za grzałkę. Metoda w tych „teslowych” polega na tym, że z obu stron, jedna elektroda okresowo wychodzi w postaci wielu blaszek łączących się tuż przy odprowadzeniu, tym samym skracając odległość przewodnika jakim są elektrody, dzięki czemu jest niższa rezystancja i „przesyłowe” straty energii są mniejsze, więc zasięg i przyśpieszenie są istotnie większe, mimo tej samej lub nawet nieco mniejszej pojemności.
Skoro istnieje tyle różnych typów to logiczne się staje, że nie jest to celem zrobienia komuś na złość – jak niektórzy mogliby wywnioskować, tylko że każdy ma swoje zalety i wady. Świat to nie wyidealizowany film science-fiction i na przykład akumulator o największej gęstości pojemności (stosunek pojemność/rozmiar i pojemność/masa) najpewniej będzie miał bardzo niski maksymalny prąd rozładowywania, więc w samochodzie, zamiast rozruchu, będziemy mieć fajerwerki. Ale takowy z pewnością idealnie przyda się do zasilania elektroniki, która pobiera małą moc.
Akumulatory kwasowe
Akumulatory kwasowe z reguły oferują dość dobrą żywotność przy traktowaniu ich dużymi prądami ładowania i rozładowywania. Klasyczny akumulator rozruchowy kwasowo-ołowiowy, podczas eksploatacji wydziela wodór oraz tlen – elektrolit jest roztworem kwasu siarkowego (70%) z wodą (30%), a oba te związki, jak wiadomo zawierają wspomniane atomy wodoru i tlenu. Największa utrata dotyczy wody, którą trzeba dolać i woda z kranu to nie tylko sama woda. To chyba najlepiej tłumaczy obecność wody demineralizowanej na stacjach benzynowych. Parowanie wraz z niewielką nieszczelnością, również może być przyczyną ubytku wody w elektrolicie.
Często zdarza się, że akumulator ładowany jest pierwszym lepszym prostownikiem, przez mechanika, którego pojęcie o akumulatorach jest niewiele większe niż to, że są… Przy złym traktowaniu, jedno lub więcej ogniw wydziela dość duże ilości wodoru i tlenu – reakcja tych dwóch zdarzyła się w pewnym mało znanym reaktorze w Czarnobylu – skoro odrobinę odeszliśmy od tematu, to właśnie wbrew powszechnej opinii żaden reaktor tam nigdy nie wybuchł, tylko woda, która miała go chłodzić…
Jeśli dobrze poszukać, to można znaleźć w internecie filmy w których ktoś traci kończynę lub oko wskutek eksplozji nieumiejętnie traktowanego akumulatora rozruchowego. Takich filmów jest bardzo niewiele, nie dlatego że to wielka rzadkość, tylko dlatego, że mało kto uwiecznia pięćdziesiąte i nudne ładowanie – zupełnie jakby nagrywać każdorazowo podłączenie ładowarki do telefonu…
Z kwasowych dwa typy, często mylone ze sobą, to akumulatory żelowe oraz AGM. Te pierwsze, mają niską gęstość energii, ale są bezobsługowe i ich trwałość pozwala na długie lata pracy – byłyby popularniejsze, gdyby nie to, że się szybko zużywają z każdym cyklem ładowania-rozładowania. Żelowe trzymane naładowane do pełna, nie zwracają na siebie uwagi, przez co są popularne w urządzeniach UPS, gdzie ich rozładowanie zdarza się w sytuacjach awaryjnych, gdy nie ma zasilania z sieci.
AGM, są podobnie bezobsługowe jak żelowe, gdyż używają włókno szklane do reabsorpcji wydzielanego tlenu i wodoru. Innymi słowy, to też taki samochodowy, ale nie trzeba lać mu wody.
Upraszczając dwa powyższe typy, AGM to prawie klasyczny akumulator kwasowy, tylko że jest bezobsługowy, gdyż nie wymaga uzupełniania elektrolitu. Żelowy również jest bezobsługowy, ale ma mniejsze samorozładowanie i większą trwałość, gdy hest trzymany cały czas naładowany. Wadą żelowych, jest mniejsza gęstość energii i mniejszy maksymalny prąd rozładowywania, przez co bardzo rzadko spotyka się je w motoryzacji, w przeciwieństwie do AGM.
Należy koniecznie pamiętać, że bezobsługowość, nie oznacza, że nie wydziela się wybuchowy wodór. Podczas znacznego przeładowania lub zwarcia może dojść do dość silnej eksplozji, mogącej pozbawić rąk, które jak mi się wydaje, zwykle są dość przydatne. Nawet ładując z pomocą (chińskiego) elektronicznego „prostownika”, należy okresowo sprawdzać napięcie. W przypadku nap. znamionowego 12 V, bezpieczną granicą jest 13.8 V (2.3 V na każdą celę).
Bardzo podobne do AGM, są EFB, które różnią się tym, że mają większą odporność (mniejsze zużycie) przy częstych prądach rozruchowych, większą gęstość energii i generalnie większą trwałość.
Stosunkowo rzadkim, ale bardzo ciekawym przypadkiem są akumulatory spiralne, które można poznać po tym, że nie są całkiem kwadratowe, bo z dołu mają widoczne zabudowane cele na kształt cylindra. To jest nic innego jak budowa celi jak w bateriach typu paluszek czy w np. kondensatorach foliowych i elektrolitycznych. Elektrody zamiast być płaskimi płytami, to są zwinięte, co znacznie zwiększa pojemność i w zależności od szczegółowej budowy tych elektrod, zwykle mają mniejszą rezystancję szeregową, co pozwala na znacznie większy prąd rozruchowy bez konieczności wstawiania akumulatora o większej pojemności i innego typu. Wśród akumulatorów kwasowych, można by rzec, że jest to ideał, gdyby tylko nie ta cena.
Często się zdarza, że jakiś samochód stał długo nie używany. Wówczas niewielki pobór prądu oraz samorozładowanie (występujące w każdym jednym ogniwie każdego typu), powoduje tzw. zasiarczenie. Oznacza to, że fragmenty płyt ołowianych zjadł kwas i takowy związek grawitacyjnie opada sobie na dno, często zwierając obie elektrody. Generalnie jest to proces nieodwracalny, więc lepiej nie dopuszczać do nadmiernego rozładowania – np. poprzez odłączenie klem, gdy planujemy dłuższy postój i po dłuższym czasie podładowanie prostownikiem/ładowarką.
Oczywiście w każdym obecnie masowo produkowanym typie akumulatorów, nadmierne rozładowanie lub przeładowanie powoduje trwałe uszkodzenia, co w najlepszym razie powoduje częściowy spadek pojemności. Warto tu podkreślić, że w akumulatorach zasadowych bazujących na licie (np. litowo-jonowe), czym bliżej cykl znajduje się od połowy poziomu naładowania, tym mniejsza jest utrata pojemności z każdym cyklem – dlatego baterie w telefonach komórkowych ładowane między 20% a 70-90%, potrafią wytrzymać bardzo długie lata, zamiast np. mniej niż rok.
Akumulatory/baterie zasadowe
Dla tych co się zastanawiają na co komu akumulatory zasadowe i różne ich typy, skoro są przecież ww. kwasowe, to wyjaśniam – aku zasadowe mają tą gigantyczną zaletę, że mają większą gęstość energii – czyli przy tych samych rozmiarach i masie, mają sporo większą pojemność. Różnica jest tu „zaledwie” kilkukrotna. Któż by chciał używać małą wkrętarkę do której bateria waży 10-15 kg?
Pierwsze konstrukcje o odczynie zasadowym powstały w 1899 roku. Były to typy niklowo-kadmowe (Ni-Cd) oraz niklowo-żelazowe (Ni-Fe). Ich jedyną zaletą była długowieczność, o ile miały podtrzymywane napięcie (każdy jeden akumulator cierpi na mniejsze lub większe samorozładowanie) – wtedy mogły zachować pojemność przez 20-50 lat.
Wady tych dwóch, są nie tyle liczne, co dotkliwe. Mała gęstość energii w porównaniu do innych zasadowych oraz co istotniejsze, zjawisko zwane efektem pamięci. Jeśli takową sztukę rozładujemy do połowy, a nie całkowicie i po tym naładujemy do pełna, to ogniwo będzie „pamiętać” tą właśnie połowę, tzn. po takim jednym cyklu będzie mieć tylko połowę pojemności – odzyskanie większości pojemności jest możliwe po kilku pełnych cyklach ładowania-rozładowania. Są również bardzo wrażliwe na przeładowanie, podczas którego bardzo gwałtownie tracą pojemność.
Niklowo-kadmowe, jak sama nazwa wskazuje, zawierają nikiel oraz kadm. Bardzo toksyczne substancje i bardzo szkodliwe dla środowiska. Wyrzucanie ich gdzie popadnie, powoduje, że prędzej czy później te metale ciężkie do nas wracają, poprzez to co jemy. Więc takowe trzeba zawsze poddawać recyklingowi – nie tylko dla innych, ale też dla nas samych.
Ni-Cd w ostatnią dekadę-dwie praktycznie zniknęły z rynku. Początkowo i w dużej mierze wyparły je NiMH, czyli niklowo-metalowo-wodorkowe, popularnie zwane jako niklowo-wodorowe lub niklowo-wodorkowe. Mają one to samo napięcie per ogniwo/cela, większą pojemność o około 30% oraz znacznie mniejszy efekt pamięci.
Bardzo dużą obecnie popularność osiągnęły ogniwa bazujące na licie, ze względu na dużą gęstość energii, czyli duża pojemność, kosztem małej masy i rozmiaru.
Baterie litowo-jonowe oraz litowo-polimerowe obecnie można spotkać w niemal każdym przenośnym urządzeniu elektronicznym, jak np. telefon czy laptop oraz oczywiście w samochodach elektrycznych.
Wadą ww. wymienionych dwóch, jest ich zdolność do samozapłonu, a nawet wybuchu w razie zwarcia lub fizycznego uszkodzenia. W gorszych wykonaniach (pozdrawiamy sprzedawców baterii na chińskich portalach) samoczynny zapłon lub wybuch bez udziału człowieka, nawet przy niepodłączonych i leżących luzem, jest bardzo częstym zjawiskiem. Wbicie metalowego przedmiotu powoduje, że takowa niespodzianka jest na nasze zawołanie (można wtedy również otrzymać nagrodę Darwina).
Dość ciekawą odmianą ogniw litowych jest LiFePO4. Pomimo odrobinę mniejszej gęstości niż Li-Ion i Li-Po, to mają dużo istotnych zalet. Mianowicie, duża żywotność, znacznie mniejsza podatność na zapłon i wybuch (zwłaszcza w razie zwarcia) oraz niskie samorozładowanie.
LiFePO4 ze względu na znacznie większe bezpieczeństwo niż inne ogniwa litowe, jest bardzo popularny w lotnictwie. Pożar samolotu to poważny problem. Pożar jakiegoś laptopa i przez to cudzego domu, oczywiście nie jest naszym problemem, ale czemu w takim razie jest u Ciebie tyle zabawek z bateriami litowo-jonowymi które prędzej czy później się zapalą razem z Twoim domem?
Jakość wykonania ogniw baterii/akumulatorów
Szukając baterii np. do swojej starej golarki lub telefonu być może odwiedzasz pewien znany chiński serwis aukcyjny (na którym nie ma aukcji, ale mniejsza o to) na którym są niezwykle kuszące ceny baterii i wszelakich urządzeń bateryjnych, wliczając w to zwłaszcza power-banki, rowery elektryczne i hulajnogi (ostatnio bardzo popularne narzędzie w Polsce do popełniania licznych wykroczeń i przestępstw drogowych).
Może powiesz, że trzeba być idiotą aby takie rzeczy kupować gdzie indziej. Przykładowo widziałem ogniwo 18650 o pojemności 99000 mAh i w cenie niższej niż niemieckie 2600 mAh? Otóż w mojej opinii idiotą jest ten co to kupi, gdyż ta pojemność jest tylko na papierze, a w środku zwykle jest albo głównie piasek albo ogniwo o krytycznie niskiej jakości, które nigdy nie będzie mieć 2600 mAh, mimo że napisali to co napisali – powodzenia w zwracaniu tego do sprzedawcy, zwłaszcza gdy niska jakość takiego ogniwa doprowadzi do jego samozapłonu.
Jeśli ktoś był zbyt leniwy aby przeczytać poprzedni akapit, to streszczę: chińscy sprzedawcy oszukują z olbrzymimi pojemnościami oferując je w absurdalnie niskich cenach. Jak kupiłeś choć raz, to dałeś się nabrać gorzej jak małe dziecko.
