TFM RC - Toruńskie Forum Modelarskie RC

pawel2555

Akumulatory niklowo-kadmowe

W przeciwieństwie do akumulatorów NiCd akumulator NiMH nie zawiera szkodliwego kadmu. Budowa mechaniczna jest w zasadzie identyczna.

Jak sugeruje nazwa, akumulator taki składa się z ujemnej elektrody kadmowej oraz z dodatniej elektrody wykonanej z wodorotlenku niklu. Elektrolitem jest wodorotlenek potasu. Renesans akumulatorów niklowo-kadmowych nastąpił wraz z rozpowszechnieniem się notebooków. Mogą dostarczyć w krótkim czasie duży prąd do prądożernych komponentów notebooka, jak procesor, wyświetlacz i twardy dysk. Dodatkowo charakteryzują się dużą trwałością przy niskich kosztach wytwarzania, bo podstawowe materiały - nikiel i kadm - są stosunkowo niedrogie.

Wadą akumulatorów niklowo-kadmowych jest niewielka energia właściwa, rzędu 40 do 60 Wh/kg.

W akumulatorach niklowo-manganowych lub litowych jest ona dwa, a nawet trzy razy większa. Ponadto akumulatory niklowo-kadmowe charakteryzują się tzw. efektem pamięci.

Kadm stanowi wielki problem z punktu widzenia ochrony środowiska. To silnie toksyczny metal ciężki, wymagający stosowania gazoszczelnej obudowy i specjalnych procedur utylizacji. Ze względu na dużą obciążalność wykorzystuje się go przede wszystkim w urządzeniach o dużym poborze prądu. Z kolei niska cena powoduje, że jest chętnie stosowany na przykład w telefonach komórkowych i kamerach wideo.

Efekt pamięciowy

Przy niewłaściwym obchodzeniu się z akumulatorem NiMH pojemność spada w całym okresie rozładowania (tzw. efekt leniwego akumulatora).

Jedną z większych wad akumulatorów niklowo-kadmowych jest tzw. efekt pamięciowy. Jego źródłem jest kadm zastosowany jako elektroda ujemna. Metal ten w określonych warunkach ma tendencję do krystalizacji.

Zjawisko to występuje wówczas, gdy akumulator jest ponownie ładowany przed całkowitym rozładowaniem. W wyniku krystalizacji zmniejsza się pojemność, a od punktu wystąpienia efektu pamięciowego na linii rozładowania spada dostarczane napięcie. Akumulator nie dostarcza właściwego napięcia przez przewidziany czas i podłączone do niego urządzenie zwykle przedwcześnie się wyłącza na skutek spadku napięcia poniżej określonego poziomu. Efekt pamięciowy występuje również na skutek ładowania prądem niższym, niż przewidziany do danego typu akumulatora.

Efekt pamięciowy można usunąć poprzez wielokrotne rozładowanie przy niewielkim prądzie do ściśle określonego poziomu. Pomocne są specjalne ładowarki, wyposażone w funkcję Refreshing. Są sterowane mikroprocesorowo i mogą ustalić stan akumulatora, żeby następnie dobrać odpowiedni program ładowania, również do częściowo uszkodzonych akumulatorów. Taka procedura w zasadzie przywraca akumulator do pierwotnego stanu.

Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe

Akumulatory litowe dysponują wyższą energią właściwą niż NiCd lub NiMH. (źródło - Varta)

Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH) to odpowiedź przemysłu na rosnące zapotrzebowanie na akumulatory, które mogą dostarczać dużych, stabilnych prądów przez długi czas. Elektrody umieszczone są w elektrolicie o odczynie alkalicznym. Biegun dodatni jest wykonany z wodorotlenku niklu, a biegun ujemny to stop metalu, który może wiązać wodór. Budowa gazoszczelnych akumulatorów NiMH jest taka sama, jak akumulatorów niklowo-kadmowych.

Dzięki zastosowanym materiałom akumulator NiMH dostarcza przy tej samej objętości i wadze wyższą energię właściwą, niż niklowo-kadmowy - od 60 do 80 Wh/kg. W tej technologii nie jest stosowany toksyczny kadm, a więc utylizacja zużytych akumulatorów nastręcza mniej problemów. Istotną wadą NiMH jest efekt leniwego akumulatora - podobny do efektu pamięciowego akumulatorów niklowo-kadmowych. Ze względu na niewielką szkodliwość dla środowiska oraz dużą pojemność akumulatory NiMH stosowane są przede wszystkim w telefonach komórkowych, kamerach wideo, notebookach i urządzeniach audio.

Efekt leniwego akumulatora

Napięcie w trakcie niemal całego okresu rozładowania akumulatora Li-Io przekracza napięcie znamionowe 3,6 V. Brak efektu pamięciowego czy efektu leniwego akumulatora.

Odwracalny efekt leniwego akumulatora (lazy battery effect) jest porównywalny z efektem pamięciowym akumulatorów niklowo-kadmowych. Powstaje w wyniku niecałkowitego rozładowania akumulatora w trakcie pracy lub długotrwałego ładowania prądem o za małym natężeniu (niezgodnym ze specyfikacją). Podobnie jak w przypadku efektu pamięciowego, na dodatniej elektrodzie wykonanej z wodorotlenku niklu tworzą się kryształy. Jednak napięcie obniża się nieznacznie w całym okresie rozładowania, a nie dopiero po częściowym rozładowaniu akumulatora.

Skutki efektu leniwego akumulatora są mniejsze niż efektu pamięciowego. Napięcie jest wprawdzie nieco niższe od znamionowego, ale czas pracy urządzenia skraca się nieznacznie. Aby usunąć efekt, należy kolejno dwu- lub trzykrotnie całkowicie rozładować akumulator. Podobnie jak w przypadku efektu pamięciowego, specjalna ładowarka przywróci pierwotny stan akumulatora.

Akumulatory litowe

Akumulatory litowe to najnowsze osiągnięcie technologii akumulatorów. Charakteryzuje się najwyższą energią właściwą, rzędu 90-110 Wh/kg. Dodatkowa zaleta to niewielkie samorozładowania, a więc długi czas przechowywania bez ponownego ładowania. Jednak szczególną zaletą akumulatorów Li-Io jest to, że nie dotyczy ich ani efekt pamięciowy, ani efekt leniwego akumulatora. Dostarczają niemal stałego napięcia (ponad 3,6 V) w całym okresie rozładowania.

Odmienie niż akumulatory NiCd czy NiMH, akumulator Li-Io wytwarza napięcie 3,6 V zamiast 1,2 V. Wynika to z jego budowy. Elektroda ujemna jest wykonana ze związków litu, które mogą zawierać tlenek kobaltu, manganu lub niklu, natomiast anoda - ze związków grafitu. Separator między membranami stanowi mikroprzepuszczalna membrana z tworzywa sztucznego. Elektrolit to ciecz organiczna zawierająca sól litu.

Lit to silnie reagujący metal lekki, a więc mocno nagrzany łatwopalny materiał mógłby eksplodować.

Z tego powodu obecnie produkowane akumulatory zawierają organiczny elektrolit. Mimo to każdy akumulator litowy jest wyposażony w zawór bezpieczeństwa i ma szczególnie solidną obudowę. Dodatkowo każdy zawiera specjalne układy elektroniczne, nadzorujące przebieg ładowania - chronią przed powstaniem zbyt dużych prądów ładowania i rozładowania, nadzorują warunki ładowania i rozładowania oraz zabezpieczają akumulator przed przegrzaniem. Oczywiście, wszystkie te zabezpieczenia mają wpływ na cenę akumulatora. Akumulator Li-Io jest o prawie 30 procent droższy od akumulatora NiMH.

Akumulatory Li-Io mają najwyższą zdolność gromadzenia energii w przeliczeniu na wagę i objętość, jednak nie osiągają dużej pojemności. Najczęściej stosowane są w telefonach komórkowych, kamerach cyfrowych i notebookach.

Akumulatory litowo-polimerowe

Żelowy elektrolit umożliwia swobodne kształtowanie akumulatora litowo-polimerowego. (źródło - Varta)

Akumulatory litowo-polimerowe charakteryzują się zasadniczo taką samą budową, jak akumulatory litowe, ale nie zawierają ciekłego elektrolitu, a więc niebezpieczeństwo wycieku jest mniejsze. Elektrolit może mieć postać żelu lub wręcz stałą, mimo to akumulator litowo-polimerowy charakteryzuje się taką samą energią właściwą, jak litowy.

Obudowy akumulatorów litowo-polimerowych mogą mieć kształty nie tylko klasycznego pudełka lub cylindryczne. Zewnętrzna powłoka z aluminiowej lub metalizowanej folii pozwala niemal dowolnie kształtować akumulator, który może wypełnić "opakowanie" o skomplikowanych kształtach.

Przechowywanie i konserwacja akumulatorów

Nawet jeżeli naładowany akumulator nie jest używany przez dłuższy czas, procesy chemiczne w jego komorach zachodzą stale i tzw. samorozładowanie powoduje, że po upływie tygodni lub miesięcy tracą zgromadzony ładunek energii.

Porównanie współczesnych technologii akumulatorów

Samorozładowanie przebiega szybciej w podwyższonej temperaturze. Aby mu przeciwdziałać, należy przechowywać akumulator w suchym i chłodnym miejscu. Doładowywanie go w pewnych odstępach czasu zapobiega głębokiemu rozładowaniu i przedłuża jego żywotność.

Odpowiednie ładowanie przedłuża trwałość i przydatność akumulatora. Nowoczesna, sterowana mikroprocesorowo ładowarka może uwzględniać wiele parametrów fizycznych akumulatora (prąd, napięcie, temperatura), odpowiednio dostosowując parametry ładowania. W ten sposób akumulator jest zawsze ładowany optymalnym prądem i napięciem. Co najważniejsze, inteligentna ładowarka "wie", kiedy zakończyć ładowanie. Przechodzi wówczas w tryb okresowego doładowywania, podtrzymującego pełną gotowość akumulatora do pracy. Kolejne zalety profesjonalnych ładowarek to programy regeneracji i konserwacji akumulatorów. Składają się na nie specjalne cykle ładowania i rozładowania o ściśle określonych parametrach elektrycznych. W rezultacie czas pracy akumulatora znacznie się wydłuża, ponadto zachowuje on niemal przez cały okres eksploatacji swoją pojemność znamionową - czyli zdolność nowego akumulatora do gromadzenia określonej ilości energii elektrycznej.

Podsumowanie

Pod wpływem prądu elektrycznego elektrolit (wodny roztwór soli) rozkłada się na wodór i tlen.

Tradycyjne technologie akumulatorów NiCd i NiMH osiągnęły praktycznie kres swoich możliwości. Ze względu na zawartość toksycznych metali i niską energię właściwą akumulatory niklowo-kadmowe nie odgrywają żadnej roli w segmencie mobilnym. Ich niszowe zastosowanie to urządzenia wymagające krótkotrwałych, dużych prądów - prąd rozładowania akumulatora Ni-Cd może dwudziestokrotnie przekraczać jego pojemność znamionową.

Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe zaliczają się obecnie do najpopularniejszych źródeł energii wielokrotnego użytku. Dysponują dużą energią właściwą, pojemnością i obciążalnością. Dodatkowo stanowią mniejsze obciążenie dla środowiska, gdyż toksyczny kadm zastąpiono wodorkiem metalu. Ich wady to mała żywotność (liczba cykli ładowania/rozładowania) oraz wysokie samorozładowanie.

Ogniwo paliwowe w tzw. procesie zimnego spalania wodoru i tlenu wytwarza energię elektryczną i ciepło.

Duże możliwości rozwoju są jeszcze przed akumulatorami litowymi i litowo-polimerowymi. Mają dużą energię właściwą, niskie samorozładowanie i podlegają wadom w rodzaju efektu pamięciowego czy efektu leniwego akumulatora. Akumulator litowo-polimerowy daje się niemal dowolnie formować, co zwiększa możliwości zastosowania. Zalety mają swoją cenę - za wygodę użytkownik musi dopłacić.

W przyszłości źródłami energii do urządzeń przenośnych mogą być akumulatory cynkowo-powietrzne i ogniwa paliwowe. Obecnie wciąż trwają prace badawcze, ale perspektywy są bardzo obiecujące.

Akumulator ołowiowo-kwasowy to jedno z najstarszych i najbardziej rozpowszechnione źródło energii. Jako zapasowe źródło energii w zasilaczach bezprzerwowych (UPS) lub jako akumulator rozruchowy, oferuje niezrównany stosunek osiągów do ceny, wynikający z zastosowania powszechnie występującego i taniego ołowiu. Dodatkowo, dzięki zastosowaniu nowoczesnych rozwiązań, jest niekłopotliwy w eksploatacji. Z wad należy wymienić bardzo niską gęstość energetyczną w porównaniu z innymi technologiami oraz uciążliwość ołowiu dla środowiska.