Napięcie ogniwa

Napięcie elektryczne na zaciskach ogniwa jest właściwością materiałową, zależną od rodzaju aktywnych materiałów, z których wykonane są anoda i katoda. Wiele materiałów elektrodowych jest zestawionych w tabelach ze standardowym potencjałem. To stanowi podstawę napięcia ogniwa. Przykładowo ogniwo NiCd ma 1,2 wolta, a ogniwo litowo‑jonowe 3,6 wolta.

Gdy ogniwo jest obciążone, uzyskuje się niższe napięcie, a podczas ładowania – wyższe napięcie. Stosuje się różne pojęcia: napięcie spoczynkowe, napięcie znamionowe, napięcie robocze, napięcie końcowe, napięcie ładowania. Dla akumulatora ołowiowego np. napięcie spoczynkowe wynosi 2,1 wolta, napięcie znamionowe 2,0 wolta, napięcie robocze 2,0–1,75 wolta, napięcie końcowe 1,75 wolta, a napięcie ładowania 2,5 wolta.

Pojemność

Pojemność ogniwa jest określona przez ilość aktywnego materiału i stanowi całkowitą ilość ładunku elektrycznego w reakcji elektrochemicznej, wyrażoną w kulombach (As) lub amperogodzinach (Ah). Oznacza to liczbę elektronów przepływających z anody do katody przy pełnym rozładowaniu.

Energia

Energia elektryczna ogniwa to napięcie pomnożone przez pojemność, a jednostką energii są watogodziny (Wh). Przykładowo ogniwo litowe o napięciu 3,5 wolta i pojemności 3 Ah ma energię 10,5 Wh. Często porównuje się właściwości ogniw różnych baterii na podstawie energii, jaką ogniwa mają na jednostkę masy lub objętości. Typowe są wartości określające, ile energii mieści się w jednym kilogramie ogniwa lub w jednym litrze ogniwa. Jednostkę tę nazywa się gęstością energii i wyraża się w Wh/kg lub Wh/litr.

Effekt

Effekt dla ogniwa oblicza się jako napięcie pomnożone przez prąd i mierzy w watach (W). Effekt zależy od czasu. Jeśli ogniwo jest rozładowywane wysokim prądem, uzyskuje się wysoką moc, ale pojemność jest szybko zużywana i rozładowanie trwa krótko. Jeśli ogniwo litowe z powyższego przykładu rozładowuje się prądem 3 A, uzyskuje się moc 10,5 W, a rozładowanie może trwać godzinę. Jeśli to samo ogniwo rozładowuje się prądem 10 A, uzyskuje się moc 30 W, ale rozładowanie może trwać tylko około 15 minut.

W ogniwach występuje rezystancja wewnętrzna, która zgodnie z prawem Ohma powoduje zależny od prądu spadek napięcia. Spadek napięcia na ogniwie podczas rozładowania jest również istotny dla mocy. Można także porównywać moce w przeliczeniu na jednostkę masy lub objętości – wtedy gęstość mocy ma jednostkę W/kg lub W/litr.

Analogia ogniwa

Właściwości elektryczne ogniwa można porównać do dwóch zbiorników z wodą połączonych rurą. Napięcie odpowiada różnicy ciśnień między zbiornikami (różnicy wysokości), a pojemność – ilości wody, która jest opróżniana z jednego zbiornika do drugiego. Prąd to przepływ wody przez rurę łączącą zbiorniki. Energia to całkowita praca, jaką może wykonać ilość wody i różnica ciśnień. Effekt to chwilowa praca wykonywana przez wodę. Wysoki prąd (moc) oznacza dużo wody i rurę o dużej średnicy.

Połączenie szeregowe i równoległe.

Ogniwa są często łączone w baterię, gdy mają być używane, np. w samochodzie. Jeśli ogniwa są połączone szeregowo, napięcie rośnie – wtedy biegun dodatni łączy się z biegunem ujemnym następnego ogniwa i tak dalej. Sześć połączonych szeregowo ogniw ołowiowych 10 Ah daje 12 woltów i 10 Ah. Jeśli ogniwa są połączone równolegle, rośnie pojemność – wtedy łączy się biegun dodatni z dodatnim, a ujemny z ujemnym. Sześć równolegle połączonych ogniw ołowiowych daje 60 Ah i 2 wolty.

W analogii ze zbiornikami wodnymi sześć par zbiorników połączonych szeregowo ustawia się jeden nad drugim – ciśnienie (napięcie) rośnie wraz z wysokością. Jeśli sześć par zbiorników stoi na tym samym poziomie i jest połączonych wspólną rurą, mamy połączenie równoległe – więcej wody (pojemność).

 

Informacje ogólne o bateriach pierwotnych

Baterie pierwotne, czyli ogniwa nienadające się do ładowania, są stosowane w urządzeniach elektrycznych, takich jak latarki, odtwarzacze muzyczne, aparaty słuchowe, zegarki, zabawki, urządzenia komunikacyjne itd. Baterie pierwotne są łatwe w użyciu, mają przyzwoitą gęstość energii i mocy, są niezawodne i dostępne w rozsądnej cenie.

Baterie pierwotne występują w postaci małych ogniw guzikowych aż po duże ogniwa stosowane jako zasilanie rezerwowe. Typowe ogniwa pierwotne to jednorazowe baterie typu AA, AAA, C i D.

Najczęstszym typem baterii pierwotnej jest bateria alkaliczna, czyli taki typ baterii, który można kupić praktycznie w każdym sklepie i który jest używany w produktach konsumenckich, takich jak aparaty fotograficzne, lampy błyskowe, odtwarzacze muzyczne, radia, latarki i podobne urządzenia.

Wcześniej stosowano niemal wyłącznie baterie cynkowo‑węglowe, będące poprzednikiem baterii alkalicznej. Innym typem baterii pierwotnych, który staje się coraz powszechniejszy, są ogniwa guzikowe. Jak sama nazwa wskazuje, bateria ma kształt guzika lub składa się z kilku ogniw połączonych w baterię. Ogniwa guzikowe są stosowane w zegarkach, kalkulatorach, elektronicznych zabawkach i aparatach słuchowych.

Historycznie w bateriach pierwotnych bardzo powszechnie stosowano cynk jako materiał anodowy, występuje on np. w bateriach cynkowo‑węglowych, bateriach srebro‑cynk i bateriach cynk‑powietrze. W ostatnim czasie jako materiał anodowy upowszechnił się również metaliczny lit, który ma najwyższą gęstość energii i najwyższe napięcie spośród wszystkich metali. Jako materiał katodowy stosuje się różne tlenki metali, np. tlenek manganu i srebra, natomiast elektrolit jest najczęściej wodny.

Napięcie w systemach cynkowych wynosi około 1,5 wolta, a w systemach litowych ponad 3 wolty. Dla baterii pierwotnych gęstość energii rozwinęła się z około 50 Wh/kg do ponad 500 Wh/kg.

Ważnymi właściwościami, oprócz napięcia i gęstości energii, są trwałość, koszt oraz właściwości temperaturowe i mocy.

Trwałość, czyli samoczynne ładowanie, jest również ważna, ponieważ ogniwa pierwotne często pozostają w urządzeniu lub są przechowywane przez długi czas. Trwałość różnych typów baterii może się wahać od roku do nawet dwudziestu lat. Właściwości temperaturowe także różnią się między typami – często pogarszają się przy niskiej temperaturze, a przy wysokiej temperaturze ogniwo może ulec uszkodzeniu. Właściwości mocy różnią się znacznie między typami – ogniwo cynk‑powietrze, które wykorzystuje tlen z powietrza jako katodę, jest przeznaczone do bardzo małych mocy przy niskim prądzie przez długi czas.

Informacje ogólne o bateriach wtórnych

Kwasowo‑ołowiowe (PbA), niklowo‑metalowo‑wodorkowe (NiMH), niklowo‑kadmowe (NiCd) i litowo‑jonowe (Li‑ion) to najczęściej stosowane typy akumulatorów. Zakres zastosowań jest bardzo szeroki – od małych akumulatorów w elektronice użytkowej, telefonach komórkowych itd., po duże stacjonarne instalacje akumulatorów przemysłowych, np. jako zasilanie rezerwowe w elektrowniach jądrowych. Okręty podwodne wykorzystują akumulatory do napędu w zanurzeniu – takie baterie mogą mieć nawet 10 MWh energii. W instalacji w Fairbanks w Kanadzie mówi się o największej baterii na świecie jako zasilaniu rezerwowemu miasta na wypadek, gdyby zasilanie z Anchorage zostało przerwane. Bateria ma ponad 60 MWh energii i może dostarczyć moc 46 MW przez 5 minut. Bateria została dostarczona z szwedzkiej fabryki SAFT w Oskarshamn.

Dla akumulatorów bardzo ważną cechą są właściwości cykliczne, przy czym cyklem nazywa się jedno rozładowanie i jedno ładowanie. Często żywotność podaje się jako liczbę cykli, którym akumulator może być poddany.

Jednocześnie akumulatory często wymagają pewnej obsługi – niektóre akumulatory ołowiowe wymagają uzupełniania wody po pewnym czasie użytkowania. W akumulatorze z wodnym elektrolitem rozkład wody może być reakcją uboczną. Woda rozkłada się wtedy na tlen i wodór, które są odprowadzane z ogniwa. Tę wodę trzeba uzupełnić. Trwają prace nad ogniwami bezobsługowymi, w których zużycie wody jest minimalizowane lub woda jest rekombinowana wewnątrz ogniwa.

Akumulatory ołowiowe są nadal dominującym systemem, a akumulator samochodowy jest najczęściej spotykanym akumulatorem. Inne typowe zastosowania to akumulatory motocyklowe, akumulatory do samochodów ciężarowych, akumulatory trakcyjne do wózków widłowych w magazynach, akumulatory stacjonarne jako zasilanie rezerwowe w instalacjach telekomunikacyjnych i energetycznych oraz akumulatory UPS do zasilania bezprzerwowego.

Obecnie obowiązuje zakaz sprzedaży akumulatorów NiCd jako baterii domowych do elektroniki użytkowej, tzn. małych akumulatorów NiCd. Akumulatory NiCd do zastosowań przemysłowych są nadal produkowane i sprzedawane. Producenci dużych akumulatorów przemysłowych mają kontrolę nad zbiórką i recyklingiem akumulatorów, podczas gdy baterie domowe często trafiają do odpadów i rozprzestrzeniają się w środowisku.

Jako bardziej przyjazną dla środowiska alternatywę opracowano akumulatory NiMH. Są one dziś szeroko stosowane w elektronice użytkowej, np. w narzędziach ręcznych, golarkach itp. Innym dużym zastosowaniem akumulatorów NiMH są pojazdy hybrydowe.

Akumulatory litowo‑jonowe to system, którego produkcja i zastosowanie rosną najszybciej. Dziesięć lat temu w telefonach komórkowych i laptopach powszechne były akumulatory NiMH, dziś praktycznie w 100% stosuje się akumulatory litowo‑jonowe. Dzięki wysokiej gęstości energii akumulatory litowo‑jonowe są stosowane w niemal całej elektronice użytkowej: smartfonach, tabletach, sprzęcie fotograficznym itd. Dzisiejsze tablety nie byłyby praktycznie możliwe bez tych akumulatorów. Jednocześnie duzi producenci akumulatorów czekają i przygotowują się na przełom w elektryfikacji pojazdów – pojazdy hybrydowe, hybrydy plug‑in i pojazdy elektryczne. Elektryfikacja pojazdów oznacza bardzo duże wolumeny produkcji. Również ten rozwój opiera się na akumulatorze litowo‑jonowym. Roczny wzrost wolumenu produkcji wynosi 15–20%, a koszt spada o 5–10% rocznie.

Różne typy baterii

Bateria cynkowo‑węglowa

Bateria sucha, cynk‑grafit lub Leclanché to różne nazwy tego samego systemu elektrochemicznego – baterii cynkowo‑węglowej.

Ogniwo cynkowo‑węglowe opracowano w XIX wieku, ale miało ono wówczas zupełnie inny wygląd – szklane naczynie i ciekły elektrolit. Z czasem ogniwo zostało rozwinięte tak, że obudowa cynkowa stała się naczyniem, a elektrolit został wchłonięty w masę, co dało tzw. ogniwa suche. Ogniwo suche jest odporne na wycieki i można je łatwo obsługiwać i transportować. Obecnie ogniwo składa się z pojemnika cynkowego, który pełni również funkcję anody. Wewnątrz ogniwa znajduje się katoda w postaci masy złożonej z dwutlenku manganu zmieszanego z węglem i elektrolitem. Biegun dodatni stanowi pręt węglowy zanurzony w masie katodowej.

Najczęściej spotykane są tzw. ogniwa AA, stosowane w odtwarzaczach muzycznych, latarkach itd. Inne popularne typy ogniw to AAA, C, D. Napięcie wynosi 1,5 wolta, a pojemność ogniwa AA mieści się w zakresie od 0,4 do 1,7 Ah. Trwałość sięga do 3 lat. Ogniwo najlepiej pracuje w temperaturze od 20 do 30 ºC, przy temperaturze powyżej 50 ºC ulega uszkodzeniu i szybko traci pojemność, a przy temperaturze poniżej -20 ºC nie dostarcza prądu.

 

Baterie alkaliczne

Bateria alkaliczna jest rozwinięciem baterii cynkowo‑węglowej, przy czym materiały anody i katody są takie same jak w baterii cynkowo‑węglowej .  Obudowa jest stalowym pojemnikiem, a wewnątrz pojemnika znajduje się najpierw katoda w postaci dwutlenku manganu i elektrolitu, natomiast anoda to proszek cynkowy nasączony elektrolitem. Prąd jest wyprowadzany mosiężnym trzpieniem do dna ogniwa, a stalowa obudowa i wieczko stanowią biegun dodatni.

W porównaniu z baterią cynkowo‑węglową ogniwo alkaliczne jest prawie dwukrotnie droższe, ale zapewnia znacznie dłuższy czas pracy. Najczęściej spotykane są ogniwa AA, stosowane w odtwarzaczach muzycznych, latarkach itd. Inne popularne typy ogniw to AAA, C i D. Napięcie wynosi 1,5 wolta, a pojemność ogniwa AA sięga 3 Ah. Trwałość wynosi do 6 lat. Ogniwo najlepiej pracuje w temperaturze od 20 do 30 ºC, powyżej 50 ºC ulega uszkodzeniu, a przy niskich temperaturach traci pojemność, ale ma zdecydowanie lepsze właściwości niż ogniwo cynkowo‑węglowe.

Srebro‑tlenek

Ogniwa guzikowe występują w kilku różnych systemach elektrochemicznych, np. alkalicznych, z tlenkiem rtęci i z tlenkiem srebra jako materiałem katodowym, przy czym wszystkie mają cynk jako materiał anodowy .  Ogniwo guzikowe wygląda jak mały guzik i składa się z pojemnika z wieczkiem. Wieczko stanowi biegun ujemny i jest w kontakcie z masą anodową. Pojemnik jest w kontakcie z materiałem katodowym i stanowi biegun dodatni.

Ogniwo jest powszechnie stosowane w mikroelektronice, np. w zabawkach, grach elektronicznych, zegarkach, układach pamięci i kartkach z życzeniami z dźwiękiem.

Ogniwo srebro‑tlenkowe ma napięcie rozładowania 1,6 wolta. Poprzez ułożenie kilku ogniw jedno na drugim i zamknięcie ich w obudowie z tworzywa buduje się połączone szeregowo baterie o wyższym napięciu, np. 6, 12 lub 15 woltów. Ogniwo produkuje się w różnych rozmiarach od 10 mAh do 200 mAh. Ogniwa srebro‑tlenkowe mogą pracować w stosunkowo szerokim zakresie temperatur od -30 ºC do +70 ºC. Trwałość wynosi ok. 2 lata.

  

Bateria litowa

Baterie litowe (nie mylić z akumulatorami litowo‑jonowymi) to grupa baterii pierwotnych z metalicznym litem jako materiałem anodowym. Lit można łączyć z wieloma różnymi materiałami katodowymi i elektrolitami. W ten sposób produkuje się ogniwa o różnych, dopasowanych właściwościach, takich jak wysoka energia, wysoka moc lub szeroki zakres temperatur pracy.

Ogniwa litowe produkuje się w wielu różnych rozmiarach – od małych ogniw guzikowych po ogniwa AA. Dostępne są również jako baterie 9‑woltowe do czujników dymu.

Najczęstszym ogniwem jest takie, które ma dwutlenek manganu jako materiał katodowy – ten sam co w bateriach cynkowo‑węglowych i alkalicznych – ale anodą jest metaliczny lit zamiast cynku. Ogniwo to ma napięcie 3 wolty i stosunkowo szeroki zakres temperatur pracy od -30 ºC do +60 ºC. Trwałość wynosi do 5 lat, ale samoczynne ładowanie jest wysokie przy wysokiej temperaturze.

Innym popularnym ogniwem litowym jest takie, które ma dwusiarczek żelaza jako materiał katodowy; ogniwo to ma napięcie 1,5 wolta i jest doskonałą alternatywą dla ogniw alkalicznych w aplikacjach o dużym zapotrzebowaniu na energię, ponieważ to ogniwo magazynuje znacznie więcej energii – do 300 Wh/kg. Ogniwo to ma również bardzo długą trwałość – do 20 lat.

  

Cynk‑powietrze

Ogniwa guzikowe do aparatów słuchowych produkuje się obecnie w systemie elektrochemicznym cynk‑powietrze. Biegun ujemny jest tu w kontakcie z masą anodową składającą się z pasty cynkowej. Jako katodę wykorzystuje się tlen z powietrza, który przez małe otwory w obudowie ogniwa dostaje się do środka i reaguje z katodą. Dzięki temu materiał katodowy nie zajmuje miejsca w ogniwie, ponieważ jest dostępny w nieograniczonej ilości w powietrzu, a całe ogniwo można wypełnić materiałem anodowym. W ten sposób uzyskuje się ogniwo o wysokiej gęstości energii przy stosunkowo niskim koszcie.

Napięcie wynosi 1,45 wolta, a gęstość energii jest wysoka – do 500 Wh/kg. Ponieważ ogniwo zależy od dopływu tlenu z powietrza do baterii, gęstość mocy jest niska, a prąd wynosi zwykle zaledwie kilka mA.

Akumulatory ołowiowe

Akumulatory ołowiowe są produkowane od prawie 150 lat i są najstarszym systemem akumulatorowym. Anoda składa się z metalicznego ołowiu, a katoda z dwutlenku ołowiu. Napięcie ogniwa wynosi 2 wolty, a gęstość energii jest ograniczona do ok. 30–40 Wh/kg.

Akumulatory ołowiowe występują w wielu wariantach i dzieli się je często na akumulatory rozruchowe, trakcyjne i stacjonarne.

Akumulatory rozruchowe występują jako małe akumulatory motocyklowe o pojemności 10 Ah aż po duże akumulatory do samochodów ciężarowych o pojemności 250 Ah. Akumulatory rozruchowe są optymalizowane pod kątem zdolności rozruchowej pojazdu, tzn. muszą dostarczyć wysoki prąd w krótkim czasie, także przy dużym mrozie, a jednocześnie zapewnić rozsądną żywotność (ponad 5 lat) i koszt.

Akumulatory trakcyjne są stosowane do napędu głównie wózków widłowych pracujących w halach magazynowych. Baterie te są budowane z połączonych pojedynczych ogniw w stalowych wannach – od 12 do 120 woltów i od 50 Ah do 1500 Ah. Baterie te są zaprojektowane do pracy cyklicznej i mogą wytrzymać do 1500 cykli rozładowania i ładowania.

Akumulatory stacjonarne są stosowane jako zasilanie rezerwowe m.in. w instalacjach telekomunikacyjnych i wytwarzania energii elektrycznej. Takie baterie buduje się zarówno z grupowych ogniw 12‑woltowych, jak i z pojedynczych ogniw w bateriach od 12 do ponad 400 woltów o pojemnościach od 100 Ah do 3500 Ah. Baterie te są zaprojektowane do pracy przy ciągłym ładowaniu (ładowanie podtrzymujące) i są używane tylko w przypadku zaniku napięcia zewnętrznego, kiedy następuje rozładowanie. W tym przypadku ważna nie jest liczba cykli, lecz możliwość ładowania przez długi czas – nawet do 20 lat.

Samoczynne ładowanie oznacza, że akumulatory należy regularnie doładowywać, aby nie uległy zniszczeniu, a system wymaga pewnej obsługi, np. uzupełniania wody.

Akumulatory ołowiowe występują również w wersji bezobsługowej, zwanej AGM lub typu żelowego. W tych akumulatorach elektrolit jest unieruchomiony, a w procesie wewnętrznym odzyskuje się tlen i wodór, dzięki czemu uzupełnianie wody nie jest konieczne.

Akumulatory niklowo‑metalowo‑wodorkowe / niklowo‑kadmowe

Akumulatory niklowo‑metalowo‑wodorkowe (NiMH) są bardziej przyjaznym dla środowiska rozwinięciem akumulatorów niklowo‑kadmowych (NiCd), ponieważ kadm w katodzie zastąpiono metalohydrydem. Metalohydryd to stop metali ziem rzadkich, który ma zdolność pochłaniania jonów wodoru.

Akumulatory NiMH zastąpiły dziś praktycznie całe zastosowanie akumulatorów NiCd w produktach konsumenckich. Obecnie obowiązuje zakaz sprzedaży akumulatorów NiCd do zastosowań w produktach konsumenckich. Jako akumulatory przemysłowe NiCd są nadal stosowane, ponieważ istnieje kontrola nad zbiórką i recyklingiem zużytych akumulatorów. Jednocześnie dzięki akumulatorom NiMH osiągnięto dwukrotnie lepsze parametry w porównaniu z NiCd.

Akumulatory NiMH są dziś stosowane w systemach alarmowych, w bezprzewodowych narzędziach ręcznych i w wielu zastosowaniach wojskowych. Akumulatory NiMH były wcześnie stosowane w systemach pojazdów hybrydowych, co nadal stanowi duży obszar zastosowań.

W dłuższej perspektywie akumulatory NiMH tracą udział w rynku na rzecz akumulatorów litowo‑jonowych.

Anoda składa się z niklu, a katoda z metalohydrydu. Elektrolit jest wodny.

Napięcie wynosi 1,2 wolta, a gęstość energii 80–100 Wh/kg. Zdolność do pracy cyklicznej przekracza 1000 cykli. Samoczynne ładowanie jest stosunkowo wysokie. Akumulator ma również efekt pamięci, co oznacza, że akumulator powinien być co pewien czas głęboko rozładowany, aby przywrócić pełną pojemność.

Akumulatory litowo‑jonowe

Akumulatory litowo‑jonowe to grupa akumulatorów, w których jon litu przemieszcza się między anodą a katodą podczas ładowania i rozładowania. Katoda składa się tu z tlenku metalu zawierającego lit, a anoda z materiału węglowego, np. grafitu. Ze względu na wysokie napięcie ogniwa nie można stosować wody w elektrolicie, który jest oparty na rozpuszczalnikach organicznych. Aktywność elektrochemiczna opiera się na zjawisku chemicznym zwanym interkalacją. Jon litu wnika w puste przestrzenie w sieci krystalicznej tlenku metalu lub materiału węglowego i uwalnia lub wiąże elektrony.

System litowo‑jonowy jest stosunkowo nowy i intensywnie rozwijany na wszystkich kontynentach. Celem rozwoju jest dalsze zwiększanie wydajności, obniżanie kosztów i zwiększanie bezpieczeństwa.

Dzięki wysokiej wydajności ogniwa litowo‑jonowego możliwe było opracowanie wielu nowych produktów, takich jak cienkie telefony komórkowe i tablety. Wszyscy duzi producenci pojazdów rozwijają dziś pojazdy z napędem elektrycznym. Również ten rozwój był uzależniony od wysokiej wydajności, jaką zapewnia ogniwo litowo‑jonowe. Zdolności produkcyjne ogniw litowo‑jonowych są szybko rozbudowywane, aby sprostać zapotrzebowaniu przemysłu motoryzacyjnego.

Obecnie istnieje zależność między jakością a ceną ogniw litowo‑jonowych. Ogniwa o dobrych parametrach są nadal drogie.

Ogniwo ma napięcie 3,2–3,8 wolta i gęstość energii do 200 Wh/kg.

Zdolność do pracy cyklicznej waha się od 500 do 5000 cykli w zależności od zastosowania i jakości.

Istnieją ogniwa litowo‑jonowe nazywane litiowo‑polimerowymi – jest to jednak ten sam system, w którym elektrolit zastąpiono polimerem przewodzącym jony lub żelem.

Użytkowanie baterii

Ważne jest, aby baterie były używane we właściwy sposób i zgodnie z instrukcjami producenta. Nieprawidłowe użytkowanie może spowodować pożar i wyciek, uszkodzenie sprzętu oraz obrażenia ciała.

Poniżej kilka ogólnych wskazówek dotyczących prawidłowego obchodzenia się z bateriami.

• Należy starannie podłączać właściwą polaryzację do urządzenia – wszystkie ogniwa i baterie muszą mieć oznaczone bieguny. Jest to szczególnie ważne przy większych bateriach. Błędne podłączenie może spowodować obrażenia ciała i uszkodzenie sprzętu.
• Baterie mogą zawierać duże ilości energii. Należy chronić bieguny baterii osłonami, aby zmniejszyć ryzyko zwarcia. Jest to szczególnie ważne podczas pracy z metalowymi narzędziami w pobliżu baterii. W przypadku małych baterii należy uważać na klucze, spinacze itp.
• Baterie mogą zawierać żrący kwas. Należy używać rękawic, odzieży ochronnej, okularów ochronnych oraz osłony twarzy.
• Niektóre baterie mogą w określonych sytuacjach wydzielać mieszaninę wybuchową. Należy zadbać, aby wentylacja była wystarczająca. Nie wolno używać otwartego ognia ani powodować iskrzenia.
• Należy ładować podtrzymująco akumulatory, jeśli nie są używane – szczególnie akumulatory ołowiowe najlepiej znoszą stan pełnego naładowania.
• Nigdy nie należy ładować ogniwa pierwotnego. Ogniwo może eksplodować.
• Baterie należy przechowywać w niskiej temperaturze i przy niskiej wilgotności, najlepiej w oryginalnym opakowaniu.
• Należy wymieniać wszystkie baterie w urządzeniu jednocześnie, nie mieszać starych i nowych ogniw ani ogniw różnych producentów. O pojemności decyduje najsłabsze ogniwo.
• Należy wyjmować baterie z urządzenia, jeśli nie będzie ono używane przez dłuższy czas. Mogą występować małe prądy upływu, które powoli rozładowują baterię.
• Nigdy nie należy otwierać ani demontować ogniwa lub baterii. Może to spowodować obrażenia ciała, takie jak oparzenia chemiczne lub termiczne.
• Nigdy nie należy wrzucać ogniw ani baterii do ognia – istnieje ryzyko eksplozji.
• Należy dopilnować, aby dzieci nie miały dostępu do ogniw ani baterii. Jeśli dziecko połknęło ogniwo guzikowe, należy skontaktować się z ośrodkiem informacji toksykologicznej.

Rozładowanie

Celem baterii jest magazynowanie energii elektrycznej, która może być oddawana w kontrolowany sposób poprzez rozładowanie. Podczas rozładowania strumień elektronów przepływa z anody przez obciążenie do katody. Wielkość prądu decyduje o czasie trwania rozładowania. Przy wysokim prądzie czas rozładowania jest krótszy, a przy niskim prądzie – dłuższy. Dla ogniwa 10 Ah można je rozładować prądem 10 A przez 1 godzinę. Przy prądzie 20 A w idealnym przypadku rozładowanie trwałoby 0,5 godziny, a przy prądzie 5 A – 2 godziny.

Często stosuje się współczynnik C do skalowania prądu ładowania i rozładowania. Akumulator 10 Ah rozładowywany prądem 1C jest rozładowywany prądem 10 A przez godzinę. Akumulator 10 Ah rozładowywany prądem 2C jest rozładowywany prądem 20 A przez 0,5 godziny. Ten sam akumulator rozładowywany prądem 0,5C jest rozładowywany prądem 5 A przez 2 godziny.

Z powodu rezystancji wewnętrznej i procesów wewnętrznych w ogniwie pojemność i energia, jaką ogniwo może oddać, maleją wraz ze wzrostem prądu. Gdy ogniwo jest obciążone prądem rozładowania, napięcie na jego zaciskach spada – im wyższy prąd, tym większy spadek napięcia. Ogniwo, które przy 1C ma pojemność 10 Ah, może przy 2C mieć tylko 9,5 Ah. Na rysunku pokazano rozładowania dla różnych współczynników C dla ogniwa NiMH. Zjawisko to staje się jeszcze wyraźniejsze, gdy uwzględni się energię.

 

Temperatura ma również wpływ na pojemność. Przy niskiej temperaturze wszystkie reakcje chemiczne przebiegają wolniej, co oznacza, że napięcie i pojemność maleją. Na rysunku poniżej pokazano napięcie i pojemność w zakresie od -20 ºC do +60 ºC dla ogniwa litowo‑jonowego.

 

Często ogniwo jest projektowane do konkretnego zastosowania. Rozładowanie w lampie błyskowej aparatu fotograficznego pobiera wysoki prąd (wysoką moc) w krótkim czasie. Takie ogniwo musi wytrzymywać wysoki prąd bez dużego spadku napięcia i często nazywa się je ogniwem mocy. Radio pobiera niski prąd i może pracować długo (wysoka energia). Ogniwo powinno zawierać dużo energii i często nazywa się je ogniwem energii. Inne przykłady różnych optymalizacji baterii to z jednej strony pojazd hybrydowy, który musi wytrzymywać wysokie prądy przy krótkotrwałym przyspieszaniu – tu stosuje się ogniwo mocy. Z drugiej strony pojazd elektryczny musi zapewnić możliwie długi zasięg, więc stosuje się ogniwo energii.

W przypadku ogniw pierwotnych rozładowanie przerywa się, gdy urządzenie przestaje działać zadowalająco – gdy latarka świeci słabo, czas wymienić baterie. W przypadku akumulatorów korzystne jest przerwanie rozładowania, zanim napięcie spadnie zbyt nisko. Dla rozładowania akumulatora określa się napięcie końcowe. Dla akumulatora ołowiowego, NiMH i ogniwa litowo‑jonowego napięcia końcowe wynoszą odpowiednio 1,75 wolta, 1,0 wolta i 3,0 wolta.

Ładowanie

Różne procedury ładowania stosuje się dla różnych typów baterii. Każdy typ baterii wymaga swojej specyficznej charakterystyki ładowania, a podmioty wprowadzające baterie na rynek często udostępniają instrukcje dotyczące sposobu ładowania baterii. Należy zawsze przestrzegać instrukcji producenta.

Nie należy ładować baterii pierwotnych, takich jak baterie alkaliczne czy cynkowo‑węglowe – mogą one eksplodować podczas ładowania.

Do opisu ładowania baterii stosuje się różne pojęcia.

• Ładowanie standardowe – metoda ładowania zalecana przez producenta
• Ładowanie podtrzymujące – ładowanie mające na celu przeciwdziałanie samoczynnemu ładowaniu i utrzymanie akumulatora w stanie pełnego naładowania.
• Ładowanie końcowe – cykl ładowania kończy się niższym prądem ładowania, aby osiągnąć pełne naładowanie bez wzrostu temperatury i silnego gazowania.
• Szybkie ładowanie – ładowanie wysokim prądem w krótkim czasie.
• Ładowanie stałym prądem, mocą lub napięciem – charakterystyka ładowania opisująca szczegóły przebiegu ładowania, może być kombinacją kilku metod, np. stały prąd a następnie stałe napięcie.
• Ładowanie indukcyjne – elektromagnetyczne przekazywanie energii między ładowarką a baterią.
• Współczynnik ładowania – stosunek odzyskanej pojemności do pojemności oddanej podczas rozładowania.

Temperatura jest ważna dla prawidłowego ładowania – przy niskiej temperaturze zdolność przyjmowania ładunku jest niska i trudno jest ładować, natomiast przy wysokiej temperaturze zdolność przyjmowania ładunku jest dobra, ale wysoka temperatura może uszkodzić ogniwo.

Typ baterii	Temperatura ładowania	Zalecenia
Akumulatory ołowiowe	-20 ºC do +50 ºC	Ładować prądem 0,3C lub niższym przy temperaturze poniżej 0 ºC. Należy zmniejszać napięcie ładowania o 3 mV/ºC powyżej 30 ºC
NiCd, NiMH	-20 ºC do +65 ºC	Ładować prądem 0,1C między -20 a 0 ºC. Ładować prądem 0,3C między 0 ºC a 5 ºC Ładować prądem 1C między 5 ºC a 65 ºC Zdolność przyjmowania ładunku przy 45 ºC wynosi 70%
Litowo‑jonowe	0 ºC do +45 ºC	Nie należy ładować w temperaturach ujemnych. Dobre właściwości ładowania w wysokiej temperaturze, ale skrócona żywotność przy temperaturze powyżej 35 ºC

Akumulatory ołowiowe są często ładowane według charakterystyki stałego napięcia. Proces ładowania rozpoczyna się wtedy prądem, jaki może dostarczyć ładowarka, a gdy napięcie wzrośnie do wartości granicznej, prąd maleje. Niektóre ładowarki kończą ładowanie prądem stałym jako ładowanie wyrównawcze. Akumulator ołowiowy jest doładowywany ze współczynnikiem ładowania około 1,2–1,25 dla ogniw otwartych i 1,05–1,1 dla akumulatorów AGM i żelowych.

Ogniwa NiMH i NiCd są często ładowane według charakterystyki stałego prądu i proces kończy się, gdy napięcie lub temperatura osiągną określoną wartość. Ładowanie rozpoczyna się i przebiega stałym prądem, aż napięcie osiągnie i przekroczy wartość maksymalną lub temperatura osiągnie wartość maksymalną. Współczynnik ładowania wynosi często 1,3–1,4.

Akumulatory litowo‑jonowe ładuje się w taki sam sposób jak akumulatory ołowiowe – stałym napięciem. Napięcie końcowe jest tu bardzo ważne, aby nie doszło do przeładowania. Przy przeładowaniu ogniwa litowe mogą ulec poważnemu uszkodzeniu z ryzykiem pożaru lub eksplozji. Napięcie końcowe jest różne w zależności od systemu litowego, który jest ładowany. Współczynnik ładowania dla litu jest niski – 1,01– 1,03.

Cykliczna praca

Ważną cechą akumulatorów jest to, ile razy akumulator można rozładować i naładować, zanim zostanie zużyty. Rozładowanie z następującym po nim ładowaniem nazywa się często cyklem rozładowania lub krótko – cyklem.

Akumulator telefonu komórkowego jest rozładowywany i ładowany, czyli pracuje cyklicznie, często raz na dobę. Akumulator do golarki lub aparatu fotograficznego może być cyklowany tylko raz w miesiącu.

Akumulator telefonu komórkowego może być używany przez dwa lata, zanim trzeba go wymienić – oznacza to, że akumulator wytrzymuje 500– 700 cykli, zanim zostanie zużyty. Akumulator pojazdu elektrycznego musi wytrzymać więcej cykli, aby był praktyczny i ekonomicznie uzasadniony – być może 5000 cykli.

Na liczbę cykli wpływają takie czynniki jak głębokość rozładowania, profil ładowania i rozładowania oraz temperatura. Często ogranicza się głębokość rozładowania do 80%, aby nie obciążać zbyt mocno systemu. Rozładowanie i ładowanie wysokimi prądami wpływa na żywotność. Cykliczna praca w wysokiej temperaturze oznacza dodatkowe obciążenie i zmniejsza liczbę cykli.

Akumulatory mogą być, w zależności od tego, co jest najważniejsze, projektowane tak, aby wytrzymywały różną liczbę cykli – akumulator stacjonarny do oświetlenia awaryjnego ma więc inną konstrukcję niż akumulator do wózka elektrycznego.

Dla akumulatorów litowych zdolność do pracy cyklicznej jest często powiązana z jakością i ceną ogniwa. Akumulator telefonu komórkowego może wytrzymać 500 cykli, ale istnieją wysokiej jakości akumulatory litowe, które mogą wytrzymać 5000 cykli.

Samoczynne ładowanie

Wszystkie systemy baterii mają pewien poziom samoczynnego ładowania. Wynika to z powolnych reakcji ubocznych zachodzących w ogniwie. Często reakcje te są związane z zanieczyszczeniami w elektrolicie i materiałach elektrodowych, a więc częściowo są kwestią jakości. Skutkiem samoczynnego ładowania jest powolny spadek pojemności podczas przechowywania ogniwa. Oznacza to, że wszystkie baterie są produktami o ograniczonej trwałości i dlatego są oznaczane datą ważności. Dla ogniw pierwotnych mówi się raczej o okresie trwałości. Po upływie okresu trwałości ogniwo jest uznawane za zużyte. Ogniwo wtórne można i należy ponownie naładować, aby skompensować samoczynne ładowanie. Akumulatory stacjonarne, które stoją jako zasilanie rezerwowe, np. w instalacjach telekomunikacyjnych, są cały czas ładowane podtrzymująco, aby skompensować samoczynne ładowanie.

Akumulator ołowiowy przechowywany w magazynie powinien być ładowany co trzy miesiące, aby pozostał w pełni naładowany. Akumulator typu NiMH lub NiCd ma wysokie samoczynne ładowanie i powinien być ładowany co miesiąc, aby pozostał w pełni naładowany. Akumulatory litowo‑jonowe mogą mieć niskie samoczynne ładowanie.

Zawsze warto naładować akumulatory przed ich użyciem.

Temperatura

Wydajność podczas rozładowania, ładowania i przechowywania ogniwa zależy od temperatury. Wszystkie reakcje chemiczne w ogniwie są kontrolowane przez temperaturę, dotyczy to również reakcji elektrochemicznych w ogniwie. Przy wysokiej temperaturze reakcje zachodzą szybciej, a pojemność ogniwa rośnie. Istnieje jednak maksymalna temperatura, powyżej której ogniwo ulega uszkodzeniu.

Prawdopodobnie każdy wie, że trudniej jest uruchomić samochód, gdy rano zimą jest -20 stopni, niż w ciepły letni dzień. Wynika to po pierwsze z tego, że akumulator przy niskiej temperaturze ma mniejszą pojemność. Po drugie, reakcje ładowania przebiegają wolniej w temperaturach ujemnych, co często prowadzi do tego, że stan naładowania akumulatora rozruchowego w samochodzie jest ogólnie niski w okresie zimowym.

Wiele akumulatorów litowo‑jonowych nie powinno być ładowanych w temperaturach ujemnych, ponieważ ogniwo może ulec uszkodzeniu. Aby mieć pewność, że akumulator zostanie w pełni naładowany, należy go ładować w temperaturze około 20 stopni.

Samoczynne ładowanie również zależy od temperatury – ogniwo rozładowuje się szybciej przy wysokiej temperaturze. Dlatego korzystne jest przechowywanie baterii w niskiej temperaturze.

Historia

Baterie i ogniwa elektrochemiczne były używane już na początku naszej ery. Podczas wykopalisk pod Bagdadem w Iraku znaleziono gliniany dzban, który okazał się ogniwem elektrochemicznym. Uważa się, że ogniwo to było używane do platerowania biżuterii metalami szlachetnymi. Ogniwo było zbudowane z miedzi i żelaza, a jako elektrolitu używano wina lub octu.

Na początku XIX wieku rozpoczął się rozwój i zrozumienie tego, co dziś znamy jako ogniwa i baterie. Stos Volty składał się z kilku płyt miedzianych i cynkowych (elektrod) ułożonych jedna na drugiej z kawałkami skóry lub papieru jako materiałem porowatym (separatorem) między metalami. Materiał porowaty był nasączany roztworem soli, ługiem lub innym roztworem alkalicznym (elektrolitem). W połowie XIX wieku Francuz Leclanché opracował baterię cynkowo‑węglową. Ogniwo to okazało się bardzo użyteczne i jest stosowane do dziś, będąc pierwowzorem współczesnych baterii alkalicznych.

Szwecja ma bogatą tradycję w dziedzinie rozwoju i produkcji baterii. Waldermar Jungner opracował kilka różnych systemów elektrochemicznych: niklowo‑żelazowy, srebro‑kadmowy i przede wszystkim niklowo‑kadmowy. Ogniwo niklowo‑kadmowe jest nadal jednym z najbardziej niezawodnych systemów akumulatorowych. Jungner kształcił się w KTH w Sztokholmie i założył firmę Svenska Ackumulator Aktiebolaget Jungner, która nadal produkuje akumulatory niklowo‑kadmowe w Oskarshamn. Na zachodnim wybrzeżu, w Nol pod Göteborgiem, produkowano akumulatory ołowiowe, a w Ängelholm produkowano baterie cynkowo‑węglowe pod marką Tudor, z kotem o dziewięciu życiach jako znakiem towarowym.

W XX wieku kontynuowano rozwój nowych systemów baterii. Zapotrzebowanie na przenośny sprzęt komunikacyjny podczas II wojny światowej doprowadziło do powstania baterii z tlenkiem rtęci, podobnej do baterii cynkowo‑węglowej, ale o wyższej wydajności. Bateria cynkowo‑węglowa została rozwinięta w baterię alkaliczną o wyższej wydajności i niskim koszcie. Wprowadzono również ogniwa guzikowe z tlenkiem srebra jako źródłem zasilania mikroelektroniki. Lit jako materiał elektrodowy został najpierw wprowadzony w ogniwach pierwotnych, a następnie w akumulatorach litowo‑jonowych. Lit jest metalem, który zapewnia najwyższe napięcie elektrochemiczne i jednocześnie jest najlżejszym metalem. Dzięki temu ogniwa litowe mogą zapewniać bardzo wysoką wydajność.

Prace nad redukcją emisji dwutlenku węgla z floty pojazdów doprowadziły do rozwoju pojazdów hybrydowych, w których baterie są kluczowym elementem. Toyota wprowadziła swój pierwszy samochód hybrydowy pod koniec lat 90. XX wieku. Rozwój ten wygenerował duże nakłady na rozwój baterii. W rezultacie opracowano akumulatory niklowo‑metalowo‑wodorkowe i litowo‑jonowe.

Problem zawartości metali ciężkich w bateriach, takich jak rtęć, kadm i ołów, również wpłynął na rozwój. Wraz ze wzrostem znaczenia aspektów środowiskowych rtęć i kadm zostały praktycznie wyeliminowane z baterii konsumenckich.

Przyszłość

Rozwój różnych baterii trwa nadal. Obecnie prowadzi się badania w dziedzinie baterii głównie w obszarze chemii litowo‑jonowej – jest to wciąż stosunkowo nowy system baterii. Opracowuje się i testuje nowe materiały katodowe, anodowe i elektrolity. Celem rozwoju jest zwiększenie wydajności i obniżenie kosztów.

Telefony komórkowe, tablety i laptopy korzystają dziś wyłącznie z akumulatorów litowo‑jonowych. Dzisiejsze smartfony nie wyglądałyby tak, jak wyglądają, gdyby nie akumulator litowo‑jonowy.

Silnym motorem rozwoju jest dziś zapotrzebowanie przemysłu motoryzacyjnego na redukcję emisji dwutlenku węgla z floty pojazdów. Wszyscy duzi producenci pojazdów rozwijają pojazdy z napędem elektrycznym, takie jak hybrydy, hybrydy plug‑in i pojazdy elektryczne. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania przemysłu motoryzacyjnego na baterie rosną wolumeny produkcji, a jednocześnie rośnie presja na obniżanie kosztów. Przemysł baterii przygotowuje się obecnie, rozbudowując moce produkcyjne, aby sprostać temu zapotrzebowaniu. Rozwój ten stał się możliwy dzięki opracowaniu akumulatorów litowo‑jonowych.

Dzisiejsze ogniwa litowo‑jonowe mają zawartość energii między 150 a 200 Wh/kg. Dzięki nowym materiałom elektrodowym i nowym elektrolitom oczekuje się, że zawartość energii wzrośnie do 300 Wh/kg.

Prowadzone są również badania nad innymi systemami, w których litowo‑powietrzne ma potencjał do jeszcze wyższej wydajności niż dzisiejsze akumulatory litowo‑jonowe, szczególnie jeśli chodzi o gęstość energii, która mogłaby osiągnąć nawet 500 Wh/kg. Szwecja uczestniczy w tym rozwoju poprzez badania prowadzone na kilku szwedzkich uniwersytetach i uczelniach technicznych. Uniwersytet w Uppsali należy do ścisłej czołówki światowej.

Środowisko i recykling baterii

Prace środowiskowe związane z bateriami trwają od początku lat 80. XX wieku. Wówczas zaczęto tworzyć systemy zbiórki, aby zagospodarować zużyte baterie, a jednocześnie producenci pracowali nad dostosowaniem baterii do wymogów środowiskowych poprzez zastępowanie substancji niebezpiecznych dla środowiska innymi, mniej szkodliwymi odpowiednikami.

Postępowanie z bateriami jest regulowane rozporządzeniem w sprawie baterii SFS 2008:834.

Odpowiedzialność producenta za baterie oznacza, że podmioty importujące i sprzedające baterie na rynku szwedzkim muszą zapewnić, że baterie są zbierane, zagospodarowywane i poddawane recyklingowi. Recykling może być wręcz opłacalny, ponieważ wiele baterii zawiera cenne metale, takie jak miedź, nikiel i cynk. Rozporządzenie wprowadza również surowsze wymagania dotyczące oznakowania, niższe wartości graniczne dla metali ciężkich – ołowiu i kadmu – oraz zakaz stosowania przenośnych baterii kadmowych.

Prace nad opracowaniem przyjaznych środowisku baterii doprowadziły m.in. do tego, że baterie z tlenkiem rtęci do aparatów słuchowych zostały zastąpione bezrtęciowymi bateriami cynk‑powietrze, a akumulatory niklowo‑metalowo‑wodorkowe w dużej mierze zastąpiły niklowo‑kadmowe.

W odniesieniu do akumulatorów ołowiowych, gdzie głównym produktem są akumulatory rozruchowe do pojazdów, obecnie nie ma rozsądnej alternatywy. Zamiast tego opracowano skuteczny system zbiórki i recyklingu.

Gminy odpowiadają za to, aby baterie nie trafiały do odpadów komunalnych. Dzięki informowaniu mieszkańców i punktom recyklingu z m.in. pojemnikami na baterie gminy umożliwiają zbiórkę wszystkich typów baterii. Gminy często mają umowy z organizacjami odpowiedzialnymi za producentów, przy czym gminy odpowiadają za zbiórkę baterii, a organizacje producentów – za ich odbiór i recykling.

Tak obecnie należy segregować baterie:

• Małe baterie należy zbierać i oddawać do najbliższego pojemnika na baterie znajdującego się w punktach recyklingu. Można je również oddawać w niektórych sklepach, na stacjach środowiskowych i w centrach recyklingu.
• Akumulatory samochodowe i podobne należy oddawać do gminnego centrum recyklingu.
• Wbudowane baterie w zabawkach, narzędziach, grach elektronicznych, kartkach z dźwiękiem itd. mogą być czasem trudne do zauważenia. Wszystkie produkty lub urządzenia, które świecą lub wydają dźwięki, mają jednak zazwyczaj baterię w środku i dlatego należy je oddawać jako elektroodpady w centrum recyklingu.
• Istnieją pewne ogniwa guzikowe, które nadal zawierają niewielkie ilości rtęci i są technicznie trudne do zastąpienia. Należy więc szczególnie starannie oddawać te baterie do pojemników na baterie.