Akumulatory litowe, kwasowe oraz zasadowe stanowią trzy najczęściej spotykane technologie, z którymi na co dzień ma do czynienia większość z nas. Zatem istotne jest, aby zrozumieć słabe i mocne strony każdego rodzaju akumulatorów, wiedzieć, jak je prawidłowo ładować oraz co jeszcze należy mieć na uwadze.
Ponadto, posiadanie podstawowej wiedzy na temat tych akumulatorów może znacząco wpłynąć na optymalizację ich użytkowania i przedłużenie żywotności. Nadszedł również czas, by obalić kilka mitów i nieprawidłowych przekonań związanych z nimi.
Akumulator – co to jest?
Baterie i akumulatory funkcjonują jako chemiczne magazyny energii elektrycznej. W przypadku baterii, proces rozładowywania jest nieodwracalny, co oznacza, że po zużyciu energii nie można ich ponownie naładować. Z kolei akumulatory charakteryzują się możliwością odwrócenia tego procesu. Podczas rozładowywania akumulatorów energia chemiczna przekształcana jest w energię elektryczną, natomiast w trakcie ładowania proces ten przebiega w przeciwnym kierunku – energia elektryczna jest magazynowana w postaci energii chemicznej.
Trochę o historii…
Historia akumulatorów sięga połowy XIX wieku. Uważa się, że to Gaston Planté w 1859 roku wynalazł akumulator kwasowo-ołowiowy (Pb), który cieszy się niesłabnącą popularnością do dziś. W 1899 roku Waldemar Jungner stworzył akumulator zasadowy niklowo-kadmowy (NiCd) oraz obecnie już wycofany z użycia niklowo-żelazowy (NiFe). Przez lata, naukowcy eksplorowali i tworzyli różne typy akumulatorów, ale poza wersjami ołowiowymi i niklowymi, to akumulatory litowe zyskały, a właściwie nadal zyskują, rozległą popularność. Niniejszy artykuł koncentruje się na omówieniu właśnie tych trzech kluczowych rodzajów akumulatorów.
Akumulator a kondensator – jakie są podstawowe różnice?
Zarówno akumulator, jak i kondensator służą jako magazyny energii elektrycznej. Oba posiadają pojemność, oznaczaną symbolem C, ale definiuje się ją w różny sposób. Pojemność akumulatora odnosi się do ilości przechowywanego ładunku, teoretycznie wyrażanego w kulombach (amperosekundach), choć w rzeczywistości mierzy się ją w (mili)amperogodzinach. Z kolei pojemność kondensatora mierzona jest w faradach, co odpowiada ilości kulombów na wolt.
Energia w akumulatorze jest magazynowana w formie wiązań chemicznych, podczas gdy kondensator (włączając w to superkondensatory) przechowuje energię w polu elektrycznym.
Istotne jest również to, że w trakcie typowej eksploatacji napięcie akumulatora pozostaje stosunkowo stabilne i zbliżone do jego napięcia nominalnego. W przypadku kondensatora, w trakcie ładowania, napięcie wzrasta w sposób liniowy od zera do wartości maksymalnej, a jego przekroczenie może prowadzić do przebicia i zniszczenia kondensatora.
Najpopularniejsze rodzaje akumulatorów
I. Akumulatory zasadowe
Akumulatory zasadowe, znane jako NiCd (niklowo-kadmowe) i NiMH (niklowo-metalowo-wodorkowe), mają swoje korzenie w chemicznych reakcjach zasadowych, gdzie elektrolit to wodorotlenek. NiCd, będące pierwszymi w swoim rodzaju, stopniowo zanikały z rynku, głównie ze względu na toksyczność kadmu oraz wprowadzenie bardziej efektywnych technologii.
W 1989 roku zadebiutowały akumulatory NiMH, w których kadm zastąpiono metalami zdolnymi do absorpcji wodoru, co znacznie zwiększyło ich pojemność przy zachowaniu nominalnego napięcia 1,2 V. Akumulatory te są szczególnie popularne w formie „paluszków” (R6, AA), często służą jako efektywna, wielokrotnego użytku alternatywa dla tradycyjnych baterii jednorazowych, a w niektórych aplikacjach nawet je przewyższają.
Mimo swoich zalet, akumulatory niklowe mają jedną istotną wadę: tendencję do znacznego samorozładowania, co sprawia, że są niepraktyczne w urządzeniach wymagających długotrwałego zasilania niskim prądem, takich jak zegary ścienna. Jednakże, w 2005 roku, firma Sanyo (później przejęta przez Panasonic) wprowadziła na rynek ulepszone akumulatorki NiMH pod marką eneloop, charakteryzujące się znacznie niższym samorozładowaniem.
Pomimo swoich doskonałych parametrów, ich ekspansja została ograniczona przez jeszcze bardziej wydajne akumulatory litowe. Co ciekawe, pomimo swoich ograniczeń, akumulatory NiCd wciąż znajdują zastosowanie w pewnych niszach, na przykład w tanich elektronarzędziach, ze względu na ich odporność na całkowite rozładowanie i umiarkowane przeładowanie.
II. Akumulatory kwasowo-ołowiowe
Akumulatory kwasowo-ołowiowe zawierają elektrolit, który jest silnym roztworem kwasu siarkowego (H2SO4). Główną cechą tych akumulatorów jest to, że podczas rozładowania elektrolit przekształca się w siarczan ołowiu, a w przypadku całkowitego rozładowania akumulatora, staje się zwykłą wodą.
Jednak pozostawienie akumulatora w stanie całkowitego rozładowania na dłuższy czas prowadzi do procesu znanego jako „zasiarczenie”, które znacznie pogarsza parametry akumulatora. Dla akumulatora 12-woltowego, napięcie nie powinno spaść poniżej 10,5 V (1,75 V na ogniwo), ponieważ może to spowodować trwałe uszkodzenie. Nadmierne ładowanie, z kolei, może spowodować elektrolizę wody w elektrolicie, co również jest niepożądane.
Wśród akumulatorów kwasowo-ołowiowych wyróżniamy dwa typy: otwarte, które pozwalają na dolewanie wody, i zamknięte, które są hermetycznie uszczelnione. Akumulatory otwarte posiadają korki umożliwiające dostęp do elektrolitu, co jest konieczne do ich konserwacji, lecz stwarza ryzyko wycieku silnego kwasu.
W odpowiedzi na to wyzwanie, opracowano akumulatory zamknięte, wyposażone w zawory bezpieczeństwa, które w razie nadmiernego ciśnienia uwalniają gazy, zapobiegając wybuchowi. Szczególną kategorię stanowią akumulatory bezobsługowe (sealed lub VRLA), które zawierają katalizator przekształcający wodór i tlen z powrotem w wodę, co zapobiega utracie elektrolitu i eliminuje potrzebę dolewania wody.
III. Akumulatory litowe
Akumulatory litowe, które zadebiutowały na rynku w 1991 roku, stanowią znaczący postęp w technologii przechowywania energii, szczególnie w porównaniu z wcześniejszymi akumulatorami niklowo-kadmowymi i kwasowo-ołowiowymi. Początkowo wykorzystywane przez Sony w ich urządzeniach przenośnych, baterie te szybko zyskały popularność dzięki swoim wyższym parametrom, chociaż są bardziej delikatne i podatne na problemy związane z bezpieczeństwem, o czym świadczą liczne raporty w mediach.
Akumulatory litowe są niezwykle wrażliwe na skrajne warunki ładowania; rozładowanie „do zera” lub przeładowanie może nie tylko znacznie skrócić ich żywotność, ale w skrajnych przypadkach doprowadzić do wybuchu. Wśród nich, akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion) zyskały szczególną popularność, napędzając większość dzisiejszych smartfonów, laptopów i innych urządzeń mobilnych, głównie ze względu na ich ciekłe elektrolity, które mogą być nieorganiczne lub organiczne.
Jedną z odmian akumulatorów litowych są akumulatory litowo-polimerowe (Li-Po), które wyróżniają się nie ciekłym, a polimerowym elektrolitem w formie pasty, co pozwala im na bardziej elastyczne formy i często sprawia, że są preferowanym wyborem w modelarstwie. Istotne jest jednak zrozumienie, że mimo różnic w konstrukcji, akumulatory Li-Po nadal należą do rodziny akumulatorów litowo-jonowych.
Inny rodzaj, akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4), choć mają niższe napięcie nominalne (3,2 V) w porównaniu do standardowych Li-Ion i Li-Po (3,7 V), oferują znaczące korzyści, takie jak znacznie wydłużona żywotność, osiągając nawet ponad 4000 cykli ładowania. Ich trwałość oraz stabilność sprawiają, że są one atrakcyjną alternatywą w wielu zastosowaniach, gdzie długotrwałe przechowywanie energii i bezpieczeństwo są kluczowe.
Podsumowanie: Akumulatory – Sercem Współczesnych Technologii
Akumulatory, będące kluczowymi elementami w naszym codziennym życiu, ukrywają za swoją prostą zasadą działania skomplikowaną chemię i fizykę. Zrozumienie różnic pomiędzy głównymi typami akumulatorów – litowymi, kwasowymi, i zasadowymi – jest niezbędne nie tylko do optymalizacji ich użytkowania, ale także do przedłużenia ich żywotności oraz zapewnienia bezpieczeństwa.
Akumulatory litowe reprezentują szczyt technologiczny w dziedzinie przechowywania energii, oferując wysoką gęstość energii przy stosunkowo niskiej wadze. Ich wrażliwość na ekstremalne warunki ładowania wymaga jednak świadomego użytkowania i odpowiednich środków bezpieczeństwa.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe, mimo swojego wieku, nadal są niezastąpione w wielu zastosowaniach, zwłaszcza tam, gdzie potrzebna jest duża moc rozruchowa lub buforowanie energii. Ich obsługa wymaga jednak regularnej konserwacji i świadomości zagrożeń związanych z zasiarczeniem.
Akumulatory zasadowe, choć powoli ustępują miejsca nowocześniejszym technologiom, nadal znajdują swoje zastosowanie dzięki możliwości wielokrotnego ładowania i relatywnej odporności na złe traktowanie. Należy jednak pamiętać o ich tendencji do samorozładowania.
Niezależnie od typu, wszystkie akumulatory wymagają odpowiedniej wiedzy do optymalnego i bezpiecznego użytkowania. Demistyfikacja mitów i nieporozumień związanych z akumulatorami nie tylko pomoże w lepszym wykorzystaniu tych urządzeń, ale również przyczyni się do ochrony środowiska poprzez maksymalizację ich żywotności i minimalizację odpadów. W erze, w której zrównoważone i efektywne zarządzanie energią staje się coraz bardziej krytyczne, zrozumienie i optymalne wykorzystanie akumulatorów jest ważniejsze niż kiedykolwiek.