Baterijų ir akumuliatorių pasaulis: nuo istorijos iki šiuolaikinių sprendimų

Baterijos ir akumuliatoriai yra neatsiejama mūsų gyvenimo dalis, aprūpinanti energija daugybę prietaisų - nuo gyvybę gelbstinčios įrangos ir specializuotų pramoninių mašinų iki kasdienių buitinių prietaisų, pramogų ir švietimo priemonių. Jie naudojami RTV technikoje, vaikų žaisluose, o ypač sparčiai populiarėja daiktų interneto (IoT) sprendimuose.

Tiek baterijos, tiek akumuliatoriai yra elektros energijos šaltiniai, apimantys galvaninius elementus. Šie elementai veikia paverčiant cheminę energiją elektros energija cheminių reakcijų metu. Pagrindinis skirtumas tarp jų slypi galimybėje pakartotinai įkrauti.

Baterijos: vienkartiniai energijos šaltiniai

Baterijos (pirminiai elementai) yra vienkartinės. Tai reiškia, kad išnaudojus jų energiją, jų pakartotinai įkrauti neįmanoma. Dėl šios priežasties baterijos dažniausiai naudojamos įrenginiuose, kuriems reikia mažai energijos. Nors baterijų kaina paprastai yra mažesnė nei akumuliatorių, ilgalaikėje perspektyvoje, atsižvelgiant į pakartotinio įkrovimo galimybę, akumuliatoriai pasirodo esantys ekonomiškesni.

Istorinis žvilgsnis į baterijas

Baterijų istorija prasideda 1800 metais, kai Alessandro Volta sukūrė įrenginį, galintį paversti cheminę energiją į elektros energiją - vėliau pavadintą Voltos stulpu arba Voltos elementu. Šis elementas susidėjo iš pakaitomis išdėstytų cinko ir vario diskų, atskirtų druskos tirpalu (vandens druskos tirpalu) sudrėkintais kartono gabalėliais. Cheminės reakcijos tarp metalų ir elektrolito generavo įtampą, leidžiančią tekėti elektros srovei.

Vėliau atsirado Daniell ir Leclanché elementai. Pastarasis tapo pagrindu vėlesnėms sausosioms baterijoms, įskaitant populiarias cinko-anglies baterijas.

Pagrindinės baterijų tipų charakteristikos

• Cinko-anglies baterijos: tai pirmosios šiuolaikinės baterijos, pagamintos Leclanché elemento pagrindu. Jos pasižymi geru našumu įrenginiuose, kuriems reikia mažai srovės, tačiau jų efektyvumas žymiai sumažėja, kai srovės poreikis viršija 100mA. Katodas yra anglies strypas, padengtas mangano dioksidu, anodas - cinkas, o elektrolitas - amonio chlorido arba cinko chlorido vandens tirpalas. Jų nominali įtampa siekia 1,5V, teorinis energijos tankis - 40-70Wh/kg. Jos gali veikti nuo -10°C iki +50°C temperatūroje, o jų laikymo laikas yra apie 2 metus. Dėl pigios gamybos, jų kaina yra nedidelė.

• Šarminės baterijos (alkalinės): išrastos XX a. 50-aisiais, jos turi mangano dioksido (MnO2) miltelių katodą ir cinko oksido anodą. Elektrolitas yra kalio hidroksido (KOH) vandens tirpalas. Nominali elementų įtampa yra 1,5V. Dėl didesnės talpos, ilgesnio tarnavimo laiko ir platesnio temperatūros diapazono (-30°C iki +70°C), šarminės baterijos šiuo metu plačiai naudojamos, ypač įrenginiuose, kuriems reikia vidutinės srovės (100-300mA). Teorinis jų energijos tankis yra 80-100Wh/kg, laikymo laikas - apie 5-7 metus. Elektrolito išsiliejimas po visiško iškrovimo pasitaiko labai retai.

• Sidabrinės baterijos (sidabro oksido arba sidabro-cinko): išrastos XIX a. pabaigoje ir masiškai pradėtos gaminti XX a. 60-aisiais. Jų katodas pagamintas iš sidabro oksido, o anodas iš cinko, su kalio hidroksido tirpalu kaip elektrolitu. Nominali įtampa yra 1,55V. Teorinis energijos tankis siekia 130-150Wh/kg, kas suteikia joms labai aukštą talpos ir masės santykį. Jos idealiai tinka taikymams, kuriems reikia pastovios įtampos, todėl naudojamos jautriuose įtampos svyravimams prietaisuose (pvz., elektronikoje).

• Ličio-mangano baterijos: šios baterijos turi ličio anodą ir mangano dioksido miltelių katodą. Jose naudojamas organinis elektrolitas. Elektros energija susidaro ličio oksidacijos reakcijos metu, be dujų susidarymo, kas pašalina slėgio padidėjimą elemente. Baterijos atsparios dideliems temperatūros svyravimams ir turi nominalią 3,0V įtampą. Jos pasižymi labai dideliu energijos tankiu, siekiančiu 270Wh/kg, kas leidžia sumažinti svorį ir/ar padidinti nešiojamų įrenginių maitinimo šaltinių talpą.

• Cinko-oro baterijos: išrastos XIX a., tačiau plonos ir efektyvios versijos pradėtos gaminti tik XX a. 70-aisiais. Katodas yra deguonis, anodas - cinko milteliai, o elektrolitas - kalio hidroksidas (KOH). Baterijos veikia dėl katalizinės cinko oksidacijos reakcijos, tuo tarpu deguonis imamas iš oro. Nominali elementų įtampa yra 1,4V. Dėl tradicinio katodo pašalinimo, cinko miltelių anodas gali užimti daugiau vietos, todėl cinko-oro baterijos pasižymi labai dideliu energijos tankiu vienam masės vienetui, teoriškai siekiančiu 180-250Wh/kg.

Akumuliatoriai: daugkartinio įkrovimo sprendimai

Akumuliatoriai yra rekomenduojami naudoti įrenginiuose, kuriems reikia daugiau elektros energijos. Nors jų pradinė kaina gali būti aukštesnė nei baterijų, ilgalaikėje perspektyvoje pakartotinis įkrovimas lemia jų ekonominį pranašumą.

Šiuolaikiniai akumuliatorių tipai ir jų ypatybės

• Li-ion (ličio-jonų) akumuliatoriai: pasižymi dideliu energijos tankiu, ilgu ciklo tarnavimo laiku, mažu svoriu ir neturi atminties efekto. Tačiau jie yra jautrūs per dideliam įkrovimui ir perkaitimui, todėl reikalauja elektroninių apsaugų.

• Ličio-polimerų (Li-Po) akumuliatoriai: lengvi, gali būti formuojami įvairiomis formomis, pasižymi dideliu energijos tankiu, tačiau turi trumpesnį ciklo tarnavimo laiką ir yra brangesni nei Li-ion akumuliatoriai.

Šiuo metu, ypač Europos Sąjungoje, siekiama kuo labiau pakeisti baterijas akumuliatoriais dėl aplinkos apsaugos sumetimų. Daugiau informacijos apie akumuliatorių rūšis ir jų ypatybes galima rasti specializuotuose tekstuose.

Akumuliatorių priežiūra ir eksploatacija

Kiekvienas akumuliatorius turi ribotą įkrovimo ir iškrovimo ciklų skaičių. Per kiekvieną ciklą cheminės reakcijos akumuliatoriaus viduje sukelia laipsnišką jo talpos mažėjimą. Šis reiškinys vadinamas cikline degradacija. Nors jo negalima visiškai išvengti, vengiant tam tikrų klaidų galima ženkliai pailginti akumuliatoriaus tarnavimo laiką.

Dažniausios klaidos, trumpinančios akumuliatoriaus tarnavimo laiką:

• Per didelis įkrovimas: įvyksta, kai akumuliatorius įkraunamas pasiekus pilną talpą. Tai gali sukelti perkaitimą, elektrolito ir elektrodų medžiagų degradaciją.

• Gilus iškrovimas: ypač ličio-jonų akumuliatoriuose gali sukelti nuolatinius elementų pažeidimus, mažinant jų gebėjimą saugoti energiją.

• Aukšta darbo temperatūra: pagreitina chemines reakcijas elementų viduje, lemia greitesnį medžiagų senėjimą.

• Greitas įkrovimas ir iškrovimas: didina mechaninį ir terminį elektrodų stresą, pagreitina jų degradaciją.

• Reguliaraus įkrovimo trūkumas: akumuliatoriai, kurie nėra reguliariai kraunami, gali savaime išsikrauti, kas lemia jų degradaciją.

Reguliarus nepakankamas įkrovimas taip pat gali sukelti įvairių problemų, priklausomai nuo akumuliatoriaus tipo, įskaitant talpos sumažėjimą, tarnavimo laiko sutrumpėjimą, sulfatinimą (švino-rūgštinių akumuliatorių atveju) ir įrenginių veikimo sutrikimus.

Kaip nustatyti akumuliatoriaus įkrovimo lygį ir talpą?

Vienas iš būdų nustatyti, ar akumuliatorius yra visiškai įkrautas, yra įtampos matavimas. Nors kasdien naudojant akumuliatorius mes pasikliaujame įkrovikliais, kurie automatiškai nutraukia įkrovimą, žinoti įtampos matavimo principus yra naudinga.

Norint atlikti akumuliatoriaus talpos matavimus, pakanka multimetro. Nustačius jį nuolatinės srovės (DC) matavimui ir prijungus zondus (juodą prie COM, raudoną prie V lizdo), galima pamatuoti įtampą. Juodo zondo galą reikia uždėti ant neigiamo akumuliatoriaus poliaus, o raudono - ant teigiamo. Multimetro ekrane pasirodys įtampos vertė.

Svarbu suprasti, kad įtampos matavimas be apkrovos (neprijungus baterijos prie įrenginio) ne visada gali suteikti pilną baterijos būklės vaizdą. Kai kurios baterijos šioje situacijoje rodo teisingą įtampą, kuri vis dėlto apkrovos metu labai greitai krenta. Profesionaliuose matavimuose naudojami specialūs testeriai, kurie apkrauna bateriją matavimo metu.

Kada reikia keisti akumuliatorių?

Net tinkamai prižiūrint akumuliatorių, laikui bėgant jis degraduoja. Keletas požymių gali signalizuoti apie poreikį jį pakeisti:

• Akumuliatoriaus išsipūtimas: tai nerimą keliantis simptomas, rodantis dujų kaupimąsi elemento viduje.

• Sumažėjusi talpa: akumuliatorius, kuris išoriškai atrodo gerai, tačiau įtampos matavimas aiškiai rodo, kad elementų talpa sumažėjo tiek, kad jie netinkami tolesniam darbui.

Pažeisti ar netinkami akumuliatoriai privalo būti tinkamai utilizuoti. Dėl savo pobūdžio baterijos ir akumuliatoriai turi būti laikomi tam tikromis sąlygomis, o jų būklė reguliariai stebima - pažeidimai ar atsitiktinis elementų susilietimas gali sukelti pavojingų situacijų, įskaitant užsidegimą ir sprogimą.

tags: #pastotes #akumuliatoriu #baterijos