Obecnie chyba niewiele osób byłoby w stanie przeżyć bez baterii i akumulatorów

Bez możliwości "magazynowania" energii bardzo trudno byłoby nam funkcjonować.

Nie dzia­łałyby wszelakiego rodzaju przenośne urządzenia elektro­niczne, a samochody należałoby uruchamiać za pomocą korby. Dobrze, że żyjemy w XXI wieku.

Tekst: Kuczyński Grzegorz

Większość idei i konstrukcji ogniw, które dzisiaj stosowane są na szeroką skalę, po­wstała już przeszło dwa wieki temu. Historia ogniw galwanicznych zaczęła się bowiem w latach siedemdziesiątych XVIII wieku, od prac L. Galvaniego, który badał reakcje spreparowanych mięśni żabich udek na prąd elektryczny. Rozpoczęło to doświadczenia naukowców nad zjawiskiem elektryczności i konstruowanie pierwszych ogniw (np. ogni­wo Volty w 1800). Oczywiście od tego czasu konstrukcja akumulatorów była ulepszana, wprowadzane zostały nowe materiały i tech­nologie produkcji, ale ogólna zasada działa­nia pozostaje taka sama W zasadzie dopie­ro w ostatnich dwóch dekadach, w związku z daleko posuniętą miniaturyzacją i boomem na wszelakie elektroniczne urządzenia mo­bilne, w tej dziedzinie zaczęła się prawdziwa rewolucja

Rodzaje ogniw

Ogniwa dzielą się w zależności od kilku elementów: materiału elektrod, składu elek­trolitu, kształtu ogniwa i budowy oraz prze­znaczenia Podstawowa klasyfikacja obej­muje: ogniwa galwaniczne pierwotne - nie­odwracalne, nieregenerowalne, na przykład popularne jednorazowe baterie; ogniwa galwaniczne ładowalne - odwracalne, re­generowalne, czyli akumulatory oraz ogni­wa paliwowe.

Można je także dzielić ze względu na kształt i rozmiar (cylindryczne, prostokątne, płytkowe), zastosowanie czy też rodzaj materiału elektrodowego (anody i katody).

W dalszej części tekstu opisane zostaną wyłącznie ogniwa ładowalne, wy­korzystywane w przenośnych urządzeniach elektronicznych. W typowym ogniwie znajdują się dwa ro­dzaje przewodników, czyli elektrod zanurzo­nych w cieczy przewodzącej prąd, czyli elek­trolicie.

Ogniwa te gromadzą energię elek­tryczną, następnie uwalniają ją dzięki odwra­calnym reakcjom chemicznym, które zacho­dzą w elektrolicie, a także na styku elektrolitu i elektrod. Tak więc ich zasada działania opiera się na bezpośredniej konwersji energii chemicznej na elektryczną (i odwrotnie).

Ogniwa niklowo-kadmowe

Ogniwa zasadowe należą do najdłużej używanych źródeł zasilania Najstarszym ty­pem są ogniwa niklowo-kadmowe (Ni-Cd), opatentowane już w 1899 roku, choć na sze­roką skalę ich produkcja rozpoczęła się do­piero 80 lat temu. Ich największymi zaletami jest bardzo dobra praca wysokoprądowa oraz praca w niskich temperaturach. Akumu­latory niklowo-kadmowe charakteryzują się ponadto długim czasem życia, wytrzymało­ścią na przeładowania i dużą trwałością przy niskich kosztach wytwarzania, bowiem podstawowe materiały - nikiel i kadm - są stosunkowo niedrogie. Mają one szerokie zastosowanie, ale z uwagi na zawartość szkodliwych dla śro­dowiska metali ciężkich (przede wszystkim kadmu) Unia Europejska wprowadziła pew­ne obostrzenia i powoli wycofuje je z rynku komercyjnego. Generalnie stosowane mo­gą być tam, gdzie wymagana jest praca w dowolnym położeniu i w niskiej tempera­turze (w samolotach, satelitach i sprzęcie wojskowym).

Ogniwa niklowo-wodorkowe

Akumulatory Ni-MH pojawiły się jako al­ternatywa szkodliwych ogniw Ni-Cd. Cha­rakteryzują się wyższą gęstością energii, mieszczą 25-30% więcej energii w takiej samej pojemności w porównaniu z Ni-Cd, jednak w porównaniu z akumulatorami Li­-lon mają niższą gęstość energetyczną i szybciej rozładowują się samoistnie. Ich zasada działania opiera się na magazyno­waniu gazowego wodoru w stopie metalu -zdolność pochłaniania wodoru przez stop decyduje o pojemności akumulatora Ogni­wa te nie zawierają metali ciężkich i cieszą się największą popularnością jako kon­strukcje cylindryczne (akumulatory rozmiaru AA). Działają najlepiej w urządze­niach o umiarkowanym poborze prądu, jak np. aparaty cyfrowe, latarki itp.

Ogniwa litowo-jonowe

Ogniwa litowo-jonowe to najpopularnie' sze obecnie źródła zasilania mobilnych urządzeń elektronicznych. Są małe, lekkie i pozbawione efektu pamięciowego. Cechują się małym samorozładowaniem i mają relatywnie wysokie napięcie, proporcjonalne do zgromadzonego ładunku, dzięki temu można łatwo i precyzyjnie określić aktualny stan akumulatora oraz początek i koniec cyklu ładowania Dodatkową zaletą jest fakt, i nie dotyczy ich ani efekt pamięciowy, a efekt leniwego akumulatora oraz to, że można je podładowywać w zależności od potrzeb.

Choć nie ma co szaleć - wszyst ogniwa mają ograniczoną ilość cykli doładowania, a każde kolejne zmniejsza nieznacnie pojemność akumulatora w wyniku utleniania się metali w elektrodach. Przeładowanie lub nadmierne ogrzewani akumulatorów Li-lon może doprowadzi w ekstremalnych sytuacjach nawet do wybuchu, czego przyczyną jest lit, silnie reagujący metal lekki. Nie należy ich również przecho­wywać i transportować naładowanych, bo­wiem przy mechanicznym uszkodzeniu lit spowodować może wewnętrzne zwarcie ogniwa podczas dłuższego przechowywa­nia najlepiej pozostawić ok. 40% energii i co jakiś czas podładowywać ogniwo. Z kolei zbyt głębokie rozładowanie może spowodować zniszczenie akumulatora i brak możliwości jego powtórnego naładowania, mimo że zapobiegają temu obwody umiesz­czone w pakiecie ogniwa

Ale nawet one nie zapobiegną samorozładowaniu. Dlatego też, kupując akumulatory litowe, biorąc pod uwa­gę nieuchronny ubytek pojemności, koniecz­nie trzeba zerknąć na datę produkcji.

Okres ich prawidłowego działania wynosi zazwy­czaj około 2-3 lat i liczony jest od daty pro­dukcji. Potem ogniwo może zacząć wyraźnie tracić pojemność, a w skrajnych przypad­kach - gdy dojdzie do wewnętrznego zwarcia jednego z ogniw - w ogóle przestanie funkcjonować.

Ogniwa litowo-polimerowe

W porównaniu z Li-lon akumulator lito-polimerowy jest lżejszy i może zostać ukształtowany odpowiednio do urządzeń w którym będzie zamontowany. Do tych akumulatorów należy stosować specjalne ła­dowarki, aby uniemożliwić zapłon lub wy­buch. Wymagane są również systemy elektroniczne, zabezpieczające przed nadmier­nym rozładowaniem. Do zalet baterii litowo­-polimerowych należy także brak efektu pa­mięciowego czy efektu leniwego akumulato­a oraz minimalny efekt samorozładowania. Akumulatory litowo-polimerowe nie mają, jak inne ogniwa, elektrolitu w postaci cie­kłej. Wykorzystują go w postaci stałej, co podnosi odporność ogniw w przypadku zwarcia lub przeładowania, eliminuje również problem wycieku elektrolitu i generalnie pod­nosi ich bezpieczeństwo użytkowania

Leniwe efekty pamięci

Największą wadą akumulatorów Ni-Cd t sławetny "efekt pamięci". Ogniwo zapa­miętuje, do jakiego poziomu zostało ostatnio 'ładowane i później działa nie dłużej niż rozładowania się w tym samym stopniu. Za proces ten (tzw. pamięć ogniwa) odpo­wiadają formy tlenkowe i wodorotlenkowe kadmu, które biorą udział w procesie elektro­liwym i w konsekwencji zmniejszają pojem­ść elektryczną ogniwa Jednorazowe głę­bokie rozładowanie ogniwa zmniejsza ten fekt, kilkakrotnie przeprowadzone - usuwa go niemal całkowicie. Rozładowywanie tych ogniw powinno być przeprowadzane co naj­mniej raz na 3 miesiące. W przypadku akumulatorów Ni-MH mamy do czynienia z tzw. efektem leniwego aku­mulatora Powstaje on jako skutek niecałko­witego rozładowania akumulatora w trakcie pracy lub ładowania prądem o zbyt małym natężeniu, niezgodnym ze specyfikacją.

W konsekwencji napięcie obniża się nie­znacznie w całym okresie rozładowania, co skraca czas pracy urządzenia Efekt ten jest tak samo odwracalny jak w przypadku efek­tu pamięci w ogniwach Ni-Cd - poprzez kil­kukrotne rozładowanie ogniwa Akumulatory oparte na związkach litu nie mają żadnego z wymienionych efektów, jed­nak wymagają przeprowadzenia swoistego procesu formowania (nie formatowania, jak się zwykło twierdzić) w celu uzyskania prawi­dłowej i długotrwałej pracy. Dokładniej rzecz biorąc, konieczne jest m.in. prawidłowe ufor­mowanie dróg (kanalików) dla litu i jego jo­nów, co następuje podczas pierwszych peł­nych ładowań i rozładowań na początku eksploatacji ogniwa Wtedy bowiem w struk­turze matrycy węglowej, w reakcji z roztwo­rem elektrolitu, tworzą się stałe warstwy przewodzące, zawierające lit. Nie ma to na­tomiast nic wspólnego z efektem pamięci i cyklami ładowań i rozładowań przeprowa­dzanych w przypadku ogniw zasadowych.

Wręcz przeciwnie, w trakcie codziennej eks­ploatacji ogniwa litowe nie lubią być całkiem rozładowywane...

Uwagi natury ogólnej

Ogniwa galwaniczne nie są wieczne. Sta­rzeją się i mogą podlegać uszkodzeniom w sposób przypadkowy - nie tylko poprzez wadliwy sposób ładowania, ale też i inne czynniki, niezależne od warunków eksplo­atacji. Akumulatory nie lubią ani przeładowy­wania, ani zbyt głębokiego rozładowania Za­zwyczaj są wrażliwe na temperaturę, choć tu ich tolerancja jest różna Na przykład akumu­lator NiMH na 10-stopniowym mrozie utraci ok. 80% energii, a ogniwo litowo-jonowe - około 50%. Istotny jest także proces samorozładowa­nia, któremu ulegają wszystkie ogniwa

Pro­cesy chemiczne w ich komorach zachodzą stale i akumulatory po upływie tygodni lub miesięcy tracą zgromadzony ładunek ener­gii. Doładowywanie ich w pewnych odstę­pach czasu zapobiega głębokiemu rozłado­waniu i przedłuża ich żywotność. Warto do­dać, że samorozładowanie przebiega szyb­ciej w podwyższonej temperaturze, dlatego akumulator należy orzechowvwać w suchym i chłodnym miejscu - choć przechowywanie go w zamrażarce to już raczej przesada.. Na koniec kilka uwag a propos formowa­nia - ogniwa niklowo-kadmowe i niklowo­-wodorkowe powinny być formowane z określoną częstotliwością, aby zniwelować efekty pamięci i leniwego akumulatora For­mowanie ogniw litowych to wciąż kwestia dyskusyjna - jedna strona twierdzi, że to bezsensowna strata cennego czasu i teoria spiskowa producentów (bowiem i tak po na­ładowaniu ogniwa zasilacz odłącza

akumu­lator po 3-4 godzinach), druga strona dowo­dzi, że pełne rozładowywanie i naładowanie akumulatorów

(przy wyłączonym urządze­niu) w 2-3 cyklach ma korzystny wpływ na żywotność baterii.

Jak wynika z wypowie­dzi użytkowników na forum elektrodapl, cho­dzi o ustabilizowanie i zbilansowanie poro­watej struktury elektrod i dostosowanie ogniw do odpowiednich warunków ładowa­nia w telefonie - dokładniej o warstwę gra­niczną między elektrodami i elektrolitem, na której tworzy się różnica potencjałów. Ma ona pokarbowaną powierzchnię, dzięki cze­mu zwiększa się pojemność ogniwa Jeśli akumulator jest używany, jego parametry utrzymują się przez wiele kolejnych cykli ła­dowania/rozładowywania, ale gdy przez dłu­ższy czas jest nieużywany (np. w magazynie producenta), wtedy rzeczona powierzchnia ulega zmianom, "wygładza" się, czego kon­sekwencją jest spadek pojemności ogniwa Wobec tego formowanie ma na celu przy­wrócenie pierwotnych parametrów akumula­tora, a tylko długotrwałe ładowanie może za­pewnić naładowanie całej grubości warstwy czynnej

elektrody - krótkotrwale naładuje tyl­ko cienką warstwę powierzchniową i cel for­mowania nie zostanie osiągnięty.

Technologia akumulatorów Ni-Cd i Ni-MH powoli odchodzi do lamusa, przynajmniej w zakresie ich wykorzystania w niewielkich urządzeniach mobilnych, choć ogniwa niklo­wo-metalowo-wodorkowe wciąż są najpopu­larniejszymi źródłami energii w for­mie cylindrycznej (AA). Niewątpli­wie obecnie dominują akumulatory litowo-jonowe i polimerowe, pozba­wione wielu wad ogniw zasado­wych, ale wciąż poszukiwane są al­ternatywne źródła zasilania, które będą tanie w produkcji i eksploata­cji, będą cechować się niewielkimi rozmiarami i zapewnią zdecydowa­nie dłuższą pracę urządzeń. Być może przyszłością są ogniwa pali­wowe, może panele słoneczne...

A może coś zupełnie innego.

---