Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
Akumulatory litowe, kwasowe i zasadowe to trzy najpopularniejsze technologie, z którymi spotyka się praktycznie każdy z nas.
Warto więc wiedzieć, jakie są wady i zalety konkretnych akumulatorów, jak je ładować i o czym jeszcze trzeba pamiętać. Pora też rozwiać kilka mitów i błędnych przekonań na ich temat.
Artykuł zawiera najważniejsze informacje na temat najpopularniejszych dziś typów akumulatorów – zarówno znanych od bardzo dawna kwasowo-ołowiowych (Pb, VRLA, AGM) oraz zasadowych (NiCd, NiMH), jak i kilku odmian coraz popularniejszych i tańszych akumulatorów litowych (Li-Po, Li-Ion).
Oprócz ogólnego omówienia tych technologii w tekście znajduje się również kilka mało znanych, choć istotnych szczegółów, m.in. na temat akumulatorów samochodowych i żelowych. Zainteresowani znajdą tutaj też informacje na temat różnic między akumulatorem i kondensatorem. Wpis ten powstał w nawiązaniu do artykułu opisującego rodzaje baterii jednorazowych.
Zarówno baterie, jak i akumulatory są chemicznymi źródłami energii elektrycznej. Rozładowywanie baterii jest procesem nieodwracalnym. Jeżeli natomiast taki proces jest odwracalny, mówimy o akumulatorze. W akumulatorach podczas rozładowywania energia chemiczna jest zamieniana na energię elektryczną, a podczas ładowania odwrotnie – energia elektryczna jest zamieniana na energię wiązań chemicznych.
Akumulatory rzadko nazywane są w języku polskim ogniwami lub bateriami wtórnymi, ale w języku angielskim określenie secondary cell jest używane powszechnie.
Pierwsze akumulatory powstały w połowie XIX wieku. Wynalezienie bardzo popularnego do dziś akumulatora kwasowo-ołowiowego (Pb) przypisuje się Gastonowi Plantému (rok 1859). Waldemar Jungner w roku 1899 wynalazł zasadowy akumulator niklowo-kadmowy (NiCd) oraz nieużywany już niklowo-żelazowy (NiFe). Naukowcy badali i opracowali wiele rozmaitych akumulatorów, ale oprócz ołowiowych i niklowych popularność zdobyły, a właściwie wciąż zdobywają na naszych oczach, akumulatory litowe. I właśnie te trzy grupy akumulatorów omówione zostały w tym artykule.
Akumulatory niedługo po wynalezieniu zostały wykorzystane w… samochodach elektrycznych. Nie wszyscy wiedzą, że już w roku 1899 właśnie akumulatory pozwoliły osiągnąć niewyobrażalną wówczas prędkość – ponad 100 km/h. Rekord ten należał do samochodu elektrycznego, który nosił nazwę Jamais Contente (co z francuskiego tłumaczy się np. jako „nigdy syty”). Za kierownicą tego bolidu zasiadał Camille Jenatzy, zwany Czerwonym Diabłem (m.in. z powodu koloru swojej brody).
Akumulator jest magazynem energii elektrycznej, kondensator też pełni taką funkcję. Akumulator ma jakąś pojemność, oznaczaną jako C, i kondensator także ma jakąś pojemność, też oznaczaną jako C. Jednak to nie to samo. Pojemność akumulatora to ilość gromadzonego ładunku, która powinna być wyrażana w kulombach (amperosekundach), ale w praktyce jest wyrażana w (mili)amperogodzinach. Pojemność kondensatora wyrażana jest natomiast w faradach, czyli w kulombach na wolt.
Akumulator gromadzi energię w postaci energii wiązań chemicznych, a kondensator (i superkondensator) gromadzi energię w polu elektrycznym.
Bardzo ważne jest to, że podczas normalnej pracy napięcie akumulatora zmienia się niewiele i jest bliskie jego napięciu nominalnemu. Z kolei podczas ładowania kondensatora napięcie rośnie liniowo od zera do wartości maksymalnej, której przekroczenie grozi przebiciem i uszkodzeniem kondensatora.
Nazwa „zasadowe” wynika z tego, że elektrolit w akumulatorze ma odczyn chemiczny zasadowy – jest wodorotlenkiem. Najpierw powstały akumulatory niklowo-kadmowe, jednak kadm ma szkodliwy wpływ na organizm człowieka, ale nie tylko ten fakt wpłynął na zniknięcie z rynku akumulatorów NiCd.
W roku 1989 pojawiły się na rynku akumulatorki NiMH, zwane wodorkowymi lub hydrydowymi, w których zamiast kadmu zastosowano mieszaninę substancji, głównie metali, absorbujących wodór, stąd skrót MH – od metal, wodór. Akumulatorki metalo-wodorkowe mają często nawet ponad dwukrotnie większą pojemność od niklowo-kadmowych tej samej wielkości i takie samo napięcie nominalne – 1,2 V.
Najpopularniejsze na rynku są akumulatorki NiMH o wielkości „paluszka”, czyli baterii R6 (AA). W większości zastosowań mogą one zastąpić baterie jednorazowe, zwykłe i alkaliczne, a w niektórych przypadkach okazują się nawet lepsze.
Akumulatory niklowe mogą dostarczać duży prąd, można je także dość szybko ładować dużym prądem, dlatego do niedawna specjalne wersje NiMH były najpopularniejszymi akumulatorami w modelarstwie. Teraz prawie całkowicie zostały stamtąd wyparte przez nowoczesne akumulatory litowe.
Akumulator modelarski NiMH
Ogólnie rzecz ujmując, zarówno akumulatory NiCd, jak i NiMH wykazują znaczne samorozładowanie, więc nie nadają się do długotrwałej pracy przy małym prądzie, np. w zegarach na ścianie. Mogą się same rozładować w czasie od tygodnia do kilku tygodni i jest to sporą wadą.
W roku 2005 firma Sanyo, przejęta potem przez Panasonic, wypuściła ulepszone akumulatorki NiMH pod marką eneloop. Wykazują one zaskakująco małe samorozładowanie. Parametry mają znakomite, ale ich upowszechnienie zostało zahamowane przez jeszcze lepsze akumulatory litowe.
Akumulatory NiMH eneloop, które charakteryzują się bardzo dobrymi parametrami
Trujące, stare akumulatorki NiCd nie znikły całkowicie z rynku. Przepisy unijne dopuszczają jeszcze ich używanie, ale tylko w tanich elektronarzędziach, np. w najtańszych wkrętarkach. A to dlatego, że tanie akumulatory NiCd są znane ze swej odporności.
Akumulatory NiCd nie boją się rozładowania „do zera”, a niezbyt duże przeładowanie nie grozi uszkodzeniem – akumulator po prostu się grzeje, ale jeśli temperatura nie wzrośnie nadmiernie, nie grozi to katastrofą i nie wpływa na trwałość. Właśnie z powodu odporności na niewłaściwe warunki pracy akumulatory niklowe do dziś są stosowane tam, gdzie przez dłuższy czas akumulator będzie całkowicie pusty, rozładowany „do zera”, np. w lampkach solarnych.
Nazwa „kwasowy” pochodzi stąd, że elektrolit w akumulatorze jest silnym wodnym roztworem kwasu siarkowego (H2SO4). Podczas rozładowywania z kwasu tworzy się siarczan ołowiu, a w akumulatorze całkowicie rozładowanym „do zera” elektrolit staje się… czystą wodą.
Ma z tym związek tzw. „zasiarczenie akumulatora”, które wiąże się z utratą parametrów – powstaje ono, gdy akumulator przez dłuższy czas pozostaje rozładowany „do zera”.
Dla akumulatora 12-woltowego za minimalne dopuszczalne końcowe napięcie rozładowania przyjmuje się zwykle 10,5 V, czyli 1,75 V na ogniwo (celę), podczas gdy napięcie nominalne jednego ogniwa (jednej celi) to 2 V (2,1 V) – rozładowanie poniżej tej granicy może mieć szkodliwe skutki. Z kolei przeładowanie akumulatora kwasowego polega na tym, że nadmiar dostarczonej energii nie może zamienić się na energię wiązań chemicznych, tylko powoduje elektrolizę wody zawartej w elektrolicie.
Tylko i tu trzeba rozróżnić dwa rodzaje akumulatorów kwasowych:
W akumulatorach otwartych (z korkami) oraz uszczelnianych mokrych ciekły elektrolit w pewnych warunkach może się wylać, a jest to przecież silny kwas. Dlatego opracowano akumulatory kwasowe bezpieczniejsze, z których kwas wylać się nie może. W tych bezpiecznych nie może się wylać, ale we wszystkich akumulatorach ołowiowych elektrolitem jest żrący kwas siarkowy.
Akumulatory kwasowe otwarte posiadają korki, które można wykręcić (na ilustracji w kolorze czarnym)
Akumulatory zamknięte też mają zawory, które zapewniają bezpieczeństwo w przypadku bardzo silnego przeładowania. Nie dopuszczają one do wybuchu, tylko wypuszczają na zewnątrz wytworzone podczas intensywnej elektrolizy duże ilości gazowego wodoru i tlenu.
W akumulatorach zamkniętych uszczelnionych, oznaczanych jako sealed lub VRLA (ang. valve regulated lead acid), wewnątrz zastosowany jest dodatkowo katalizator, który małe ilości powstającego wodoru i tlenu zamienia z powrotem w wodę, nie dopuszczając do wzrostu ciśnienia gazów i ubytku elektrolitu. Takie akumulatory nazywane są bezobsługowymi, bo nie trzeba (i nie można) do nich dolewać wody.
Akumulatory szczelne można podzielić na trzy podgrupy: mokre (ze zwykłym ciekłym elektrolitem), akumulatory AGM oraz akumulatory żelowe.
Wewnątrz akumulatorów AGM (ang. absorbent glass mat) umieszczona jest mata – tkanina z włókna szklanego, w którą wsiąka elektrolit i w ten sposób zostaje uwięziony wewnątrz cel. Mata szklana nie ma żadnego znaczenia chemicznego – zapobiega jedynie wylaniu elektrolitu w przypadku awarii.
Akumulator VRLA w wersji AGM
Akumulator żelowy to klasyczny akumulator ołowiowy, który ma kwasowy elektrolit w postaci żelu – galarety, co uzyskuje się np. przez dodanie krzemionki.
Szczelny akumulator żelowy, który spotyka się np. w UPS-ach
Wszystkie akumulatory szczelne – te bez korków, ewentualnie tylko z zaworami bezpieczeństwa – czasami potocznie niesłusznie nazywane są żelowymi. W rzeczywistości akumulatory żelowe są stosunkowo mało popularne. Większość akumulatorów uszczelnianych to akumulatory AGM, z ciekłym elektrolitem uwięzionym w tkaninie szklanej.
Akumulatory litowe pojawiły się na rynku dopiero w roku 1991, czyli około stu lat po wynalezieniu akumulatorów niklowo-kadmowych i kwasowo-ołowiowych. Najpierw stosowane były tylko w sprzęcie przenośnym Sony, potem zaczęły się upowszechniać, co trwa do dziś. Akumulatory litowe mają dużo lepsze parametry od kwasowych i zasadowych, ale są dużo delikatniejsze. W prasie można znaleźć sporo doniesień o problemach z bezpieczeństwem akumulatorów litowych.
Nawet jednorazowe rozładowanie „do zera” powoduje nieodwracalną częściową lub całkowitą utratę pojemności, a przeładowanie nie tylko skraca żywotność, ale też grozi wybuchem.
Najpopularniejsze są obecnie akumulatory litowo-jonowe, oznaczane jako Li-Ion. Prawie wszystkie smartfony, laptopy i inny sprzęt mobilny są zasilane przez akumulatorki Li-Ion – pojedyncze lub ich różne zestawy. Mają one ciekły elektrolit nieorganiczny lub organiczny.
Akumulatory Li-Ion znajdziemy w wielu otaczających nas urządzeniach (np. w telefonach)
W niektórych akumulatorach litowych elektrolit nie jest ciekły, tylko występuje w formie pasty polimerowej (odmiana przewodzącego prąd tworzywa sztucznego). Takie akumulatory polimerowe oznaczane są jako Li-Po lub Li-Poly.
Akumulatory Li-Po to też są akumulatory litowo-jonowe, tyle że ze specyficznym elektrolitem.
Akumulatorami litowo-jonowymi nazywa się ogniwa cylindryczne, w tym najpopularniejsze 18650 oraz akumulatory do smartfonów i innych urządzeń mobilnych. I słusznie. A akumulatorami polimerowymi nazywa się akumulatory modelarskie, w szczególności te mające kształt poduszki. Niektóre z nich rzeczywiście są akumulatorami polimerowymi (Li-Po), ale wiele z nich to akumulatory Li-Ion z ciekłym elektrolitem. To akurat tylko ciekawostka, ponieważ dla praktyka ważniejsze są kwestie eksploatacyjne, w tym możliwość szybkiego ładowania i oddawania dużych prądów.
Popularne pakiety modelarskie Li-Po
Koniecznie trzeba też wiedzieć, co to są akumulatory fosfatowe lub akumulatory żelazowe –oznacza się je jako LiFePO4 oraz LiFePO4 (od symbolu zawartego w nich związku chemicznego). Ich napięcie nominalne to 3,2 V, natomiast wersji Li-Ion oraz Li-Po – 3,7 V, a nielicznych nowszych – 3,8 V. Pomimo niższego napięcia nominalnego mają istotne zalety, w tym wyjątkowo dużą trwałość, nawet ponad 4000 cykli ładowania i rozładowania.
Najbardziej tolerancyjne na błędy ładowania i rozładowania są akumulatory zasadowe NiCd i NiMH. Groźne jest tylko ich silne przeładownie dużym prądem, prowadzące do silnego przegrzania ogniw. Tolerancyjne są również akumulatory kwasowo-ołowiowe otwarte. Nawet jeżeli silne przeładowanie spowoduje elektrolizę i ubytek elektrolitu, wystarczy dolać wody destylowanej lub dejonizowanej.
Przyrząd do sprawdzania elektrolitu w akumulatorze otwartym
Akumulatory szczelne, w tym AGM i żelowe, tolerują nieduże przeładowanie, które nie spowoduje otwarcia zaworów bezpieczeństwa przez gazy wytwarzane podczas elektrolizy. Niekorzystne dla wszystkich akumulatorów kwasowych jest jedynie rozładowanie „do zera”, a zwłaszcza długie pozostawanie w takim stanie całkowitego rozładowania.
Najbardziej delikatne, ale i groźne w przypadku błędów są wszelkie akumulatory litowe. Zasadniczo zasady ich ładowania i rozładowania są dość proste i można łatwo samodzielnie stworzyć ładowarkę potrzebną do ładowania pojedynczego ogniwa litowego. Jednak w praktyce warto stosować dedykowane ładowarki polecane przez producenta danych akumulatorów.
Pakiet Li-Po z rozbudowaną ładowarką obsługującą m.in. taki typ akumulatorów
Jest to szczególnie ważne, gdy w pakiecie akumulatorów litowych szeregowo połączone są dwa ogniwa lub więcej. Akumulatory litowe są wymagające, a w pakiecie poszczególne ogniwa nigdy nie mają identycznych parametrów. Dlatego w przypadku pakietów akumulatorów litowych absolutnie konieczne jest stosowanie tzw. BMS-ów (ang. battery management system), które zapobiegają przeładowaniu każdego ogniwa z osobna (często też nadmiernemu rozładowaniu). Zalecane jest też stosowanie balanserów, które zapewniają pełne wykorzystanie energii wszystkich ogniw.
Dziś popularne są trzy rodzaje akumulatorów. Są to znane od ponad stu lat akumulatory: zasadowe (NiCd i znacznie lepsze NiMH) oraz kwasowo-ołowiowe (Pb) w odmianach otwartych i szczelnych, w tym z elektrolitem żelowym i uwięzionym w tkaninie (AGM). Na naszych oczach coraz tańsze i popularniejsze stają się akumulatory litowe w odmianach Li-Ion, Li-Po oraz LiFePO4.
Temat akumulatorów i ich ładowania jest ogromnie szeroki – w artykule przedstawione są tylko podstawowe informacje. Warto jednak zapamiętać, że niektóre akumulatory pomimo wielu zalet mogą być bardzo niebezpieczne. Dlatego jeśli zauważymy, że np. nasz akumulator w telefonie lub komputerze wyraźnie się psuje (np. powiększa się, puchnie), to nie warto ignorować tych problemów.
Piotr Górecki
Baterie alkaliczne i węglowo-cynkowe to jedne z najpopularniejszych baterii jednorazowych, które są dostępne w sprzedaży. Warto jednak znać też... Czytaj dalej »
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
Dołącz do 20 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...