Typy i rodzaje akumulatorów - akumulator Li-Ion, akumulator Ni-MH, akumulator Li-Po
Typy i rodzaje akumulatorów - akumulator Li-Ion, akumulator Ni-MH, akumulator Li-Po07-12-2021
- Krótka historia akumulatora
- Rynek baterii wtórnych (akumulatorów)
- Cechy akumulatorów
- Akumulatory niklowo – wodorkowe (NiMH)
- Akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion)
- Akumulator Litowo-polimerowy (Li-Po)
- Recykling
Krótka historia akumulatora
Pierwszy akumulator na bazie kwasu ołowiowego powstał we Francji, w połowie XIX w. Wcześniej wszystkie baterie (a właściwie ogniwa) były pierwotne, co oznaczało, że nie można ich było ponownie naładować.
W 1899 r. Waldemar Jungner ze Szwecji wynalazł baterię niklowo-kadmową (NiCd), w której jako elektrodę dodatnią (katodę) zastosowano kadm, a jako elektrodę ujemną (anodę) zastosowano nikiel. Wysokie koszty materiału w porównaniu do ołowiu ograniczały jednak jej stosowanie. Nie zmienia to jednak faktu, iż NiCd był jedynym akumulatorem do zastosowań przenośnych. W latach 90. ekolodzy w Europie zaniepokoili się szkodami wynikającymi z nieostrożnej utylizacji NiCd. Dyrektywa w sprawie baterii 2006/66/WE ogranicza obecnie sprzedaż baterii NiCd w Unii Europejskiej z wyjątkiem specjalnych zastosowań przemysłowych, w przypadku których nie można ich zastąpić. Alternatywą jest akumulator niklowo-metalowo-wodorkowy(NiMH), bardziej przyjazny dla środowiska i podobny do NiCd .
Obecnie większość działań badawczych zajmuje się ulepszaniu systemów litowych, po raz pierwszy wprowadzonych na rynek przez firmę Sony w 1991 roku. Oprócz zasilania telefonów komórkowych, laptopów, aparatów cyfrowych, elektronarzędzi i urządzeń medycznych, akumulatory litowo-jonowe są również wykorzystywane w pojazdach elektrycznych i satelitach. Akumulator ten ma wiele zalet, w szczególności wysoką energię właściwą, proste ładowanie, niskie koszty utrzymania i przyjazność dla środowiska.
Rynek baterii wtórnych (akumulatorów)
Szacuje się, że do 2026 r. akumulatory litowo-jonowe będą stanowić do 70% całego rynku, a kwasowo-ołowiowe - kolejne około 20%. Wielkość branży akumulatorów w litowo-jonowych w 2020 r. miała wartość 40,8 mld USD i oczekuje się, że do 2026 r. osiągnie wartość 100,3 mld USD1 . Rynek baterii ładowalnych napędzany jest rosnącym zapotrzebowaniem na przenośne urządzenia elektroniczne. Smartfony i laptopy to urządzenia powszechnego użytku już nie tylko w krajach rozwiniętych, ale także na całym świecie. Rynek więc cały czas się powiększa, jednocześnie też rośnie nacisk na ochronę środowiska i rolę, jaką pełnić mają producenci sprzętu elektronicznego oraz komponentów takich jak właśnie akumulatory.
Cechy akumulatorów:
Przy doborze akumulatora należy wziąć pod uwagę następujące jego cechy:
- Rodzaj
- Napięcie
- Krzywa rozładowania
Krzywa rozładowania jest wykresem napięcia w funkcji procentu rozładowanej pojemności. Pożądana jest płaska krzywa rozładowania, ponieważ oznacza to, że napięcie pozostaje stałe w miarę zużywania się akumulatora. - Pojemność
Teoretyczna pojemność baterii to ilość energii elektrycznej zaangażowanej w reakcję elektrochemiczną. - Gęstość energii właściwej
Gęstość energii właściwej to energia, którą można uzyskać na jednostkę masy ogniwa (lub czasami na jednostkę masy aktywnego materiału elektrody). Jest to iloczyn pojemności właściwej i napięcia roboczego w jednym pełnym cyklu rozładowania. - Gęstość mocy
Gęstość mocy to moc, którą można uzyskać na jednostkę masy ogniwa (W/kg). - Zależność od temperatury
Szybkość reakcji w ogniwie będzie zależna od temperatury zgodnie z teoriami kinetycznymi. Rezystancja wewnętrzna również zmienia się wraz z temperaturą; niskie temperatury dają wyższą rezystancję wewnętrzną. W bardzo niskich temperaturach elektrolit może zamarznąć, dając niższe napięcie, ponieważ ruch jonów jest utrudniony. W bardzo wysokich temperaturach chemikalia mogą się rozkładać lub może być wystarczająca ilość dostępnej energii, aby aktywować niepożądane, odwracalne reakcje, zmniejszając wydajność. - Żywotność
Cykl życia baterii wielokrotnego ładowania jest definiowany jako liczba cykli ładowania/ładowania, które może wykonać bateria dodatkowa, zanim jej pojemność spadnie do 80% pierwotnej wartości. Zwykle jest to od 500 do 1200 cykli. - Fizyczne wymagania
Obejmuje to geometrię komórki, jej rozmiar, wagę i kształt oraz lokalizację zacisków. -
Cykl ładowania/rozładowania
Istnieje wiele aspektów cyklu, które wymagają rozważenia, takie jak:- Napięcie niezbędne do ładowania
- Czas niezbędny do naładowania
- Dostępność źródła ładowania
- Potencjalne zagrożenia bezpieczeństwa podczas ładowania/rozładowywania
- Cykl życiowy
Cykl życia akumulatora to liczba cykli rozładowania/ładowania, jakie może przejść, zanim jego pojemność spadnie do 80%. - Koszt
Obejmuje to początkowy koszt samej baterii, a także koszt ładowania i jej konserwacji. - Zdolność do głębokiego rozładowania
Istnieje logarytmiczna zależność między głębokością rozładowania a żywotnością baterii, dlatego żywotność akumulatora może zostać znacznie zwiększona, jeśli nie jest całkowicie rozładowana; na przykład bateria telefonu komórkowego wytrzyma 5-6 razy dłużej, jeśli zostanie rozładowana tylko w 80% przed ponownym naładowaniem. Do zastosowań, w których może to być konieczne, dostępne są specjalne akumulatory do głębokiego rozładowania. - Wymagania aplikacyjne
Bateria musi być wystarczająca do zamierzonego zastosowania. Oznacza to, że musi być w stanie wytworzyć właściwy prąd przy odpowiednim napięciu. Musi mieć odpowiednią pojemność, energię i moc. Nie powinien również zbytnio przekraczać wymagań aplikacji, ponieważ może to spowodować niepotrzebne koszty; musi dawać wystarczającą wydajność za najniższą możliwą cenę.
Akumulatory niklowo – wodorkowe (NiMH)
Przez blisko 50 lat urządzenia przenośne opierały się prawie wyłącznie na niklu i kadmie (NiCd), ale w latach 90. pierwszeństwo przejął akumulator niklowo-metalowo-wodorkowy (NiMH), aby rozwiązać problem toksyczności skądinąd wytrzymałego NiCd. Ogniwa mają budowę analogiczną do akumulatorów niklowo–kadmowych i występują we wszystkich rodzajach obudowy (guzikowe, cylindryczne, pryzmatyczne i prostokątne).
Akumulator Ni-MH: ACCU-1/V500HT
Zalety akumulatora niklowo-wodorkowego (NiMH)
- 30-40% wyższa pojemność niż w przypadku standardowego NiCd;
- Mniej podatny na „efekt pamięci” niż NiCd;
- Proste przechowywanie i transport; nie podlega kontroli regulacyjnej;
- Przyjazny dla środowiska, zawiera tylko łagodne toksyny;
- Zawartość niklu sprawia, że recykling jest opłacalny.
Wady akumulatora niklowo-wodorkowego (NiMH)
- Ograniczona żywotność; głębokie rozładowanie skraca żywotność;
- Wymaga złożonego algorytmu ładowania;
- Źle znosi przeładowania; ładowanie podtrzymujące musi być utrzymywane na niskim poziomie;
- Generuje ciepło podczas szybkiego ładowania i rozładowania przy dużym obciążeniu;
- Wysokie samorozładowanie; dodatki chemiczne zmniejszają samorozładowanie kosztem pojemności;
- Wydajność spada, jeśli akumulator jest przechowywany w podwyższonych temperaturach; Powinien być przechowywany w chłodnym miejscu, na poziomie 40% stanu naładowania.
Akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion)
Za wynalezienie ogniwa litowo-kobaltowo-tlenkowego stoi John B. Goodenough (1922). Rok wcześniej firma Sony ogłosiła jednak międzynarodowy patent na katodę litowo-kobaltowo-tlenkową. Nastąpiły lata sporów sądowych, ale Sony udało się zachować patent.
Kluczem do lepszej energii właściwej w przypadku tego typu akumulatorów jest wysokie napięcie ogniwa wynoszące 3,60V. Ulepszenia materiałów aktywnych i elektrolitów może jeszcze bardziej zwiększyć gęstość energii. Charakterystyki obciążenia są dobre, a płaska krzywa rozładowania zapewnia efektywne wykorzystanie zmagazynowanej energii w pożądanym i płaskim spektrum napięcia 3,70–2,80 V/ogniwo. W 1994 r. koszt produkcji litowo-jonowej w cylindrycznym ogniwie 18650 wyniósł ponad 10 USD, a pojemność 1100mAh. W 2001 r. cena spadła poniżej 3 USD, a pojemność wzrosła do 1900mAh. Redukcja kosztów, zwiększona energia właściwa i brak materiałów toksycznych utorowały drogę do tego, aby Li-ion stał się powszechnie akceptowanym akumulatorem do zastosowań przenośnych, przemysłu ciężkiego, elektrycznych układów napędowych i satelitów.
Akumulator Li-Ion: ACCU-14500-0.8-2A
Li-ion to akumulator o niskich wymaganiach konserwacyjnych, co jest zaletą, którą większość innych chemikaliów nie może się pochwalić. Bateria nie ma pamięci i nie wymaga ćwiczeń (celowego pełnego rozładowania), aby utrzymać ją w dobrym stanie. Samorozładowanie jest o ponad połowę mniejsze niż w przypadku systemów opartych na niklu, co pomaga w zastosowaniach wskaźników energii. Nominalne napięcie ogniwa 3,60V może bezpośrednio zasilać telefony komórkowe, tablety i aparaty cyfrowe, oferując uproszczenie i redukcje kosztów w porównaniu z konstrukcjami wieloogniwowymi. Wadami są konieczność stosowania obwodów ochronnych, aby zapobiec ewentualnemu samozapłonowi czy wybuchowi. Dodatkową wadą jest wysoka cena.
Rodzaje baterii litowo-jonowych są dzielone ze względu na zastosowane w nich układy elektrochemiczne:
- (+) MLi / elektrolit organiczny / C (–), gdzie litera M oznacza metal bazowy elektrody
- C – kobalt
- N – nikiel
- M – mangan
- V – wanad
- T – tytan
Akumulatory litowo–jonowe mają obudowy hermetyczne, zawierające zabezpieczające układy kontrolne. Materiały elektrodowe są nanoszone na bardzo cienkie folie (miedzianą i aluminiową), przedzielone separatorem.
Zalety akumulatora litowo-jonowego (Li-Ion)
- Wysoka energia właściwa;
- Stosunkowo niskie samorozładowanie; mniej niż połowa NiCd i NiMH;
- Niskie koszty utrzymania. Nie jest potrzebne okresowe wyładowanie; brak pamięci.
Wady akumulatora litowo-jonowego (Li-Ion)
- Wymaga obwodu ochronnego, aby ograniczyć napięcie i prąd;
- Podlega starzeniu, nawet jeśli nie jest używany (starzenie zachodzi we wszystkich bateriach i nowoczesne systemy Li-ion mają podobną żywotność jak inne chemikalia);
- Tego typu akumulatory obowiązują ścisłe przepisy transportowe.
Akumulator Litowo-polimerowy (Li-Po)
Na początku XXI wieku głośny stał się temat akumulatorów jonowo–polimerowych. Wielu użytkowników ma jednak problem, aby odróżnić zwykły akumulator litowo-jonowy od takiego o architekturze polimerowej. Litowo-polimerowy różni się od innych systemów akumulatorowych rodzajem zastosowanego elektrolitu. Oryginalny polimer z konstrukcją z lat 70-tych wykorzystuje stały (suchy) elektrolit polimerowy, przypominający folię wyglądającą jak plastik. Ten izolator umożliwia wymianę jonów i zastępuje tradycyjny porowaty separator nasączony elektrolitem. Solidny polimer ma słabą przewodność w temperaturze pokojowej i akumulator musi być podgrzany do 50–60°C (122–140°F), aby umożliwić przepływ prądu. Aby nowoczesne ogniwo litowo-polimerowe przewodziło w temperaturze pokojowej, zostało zżelowana.
Akumulator Li-Po: ACCU-LP103451/CL
Prawidłowy termin to „polimer litowo-jonowy” lub polimer litowy. Li-polimer można budować na wielu systemach, takich jak Li-kobalt, NMC, Li-fosforan oraz Li-mangan. Z tego powodu akumulator litowo-polimerowy nie jest uważany za wyjątkowy w stosunku do litowo-jonowych. Większość baterii wtórnych litowo-polimerowych przeznaczonych na rynek konsumencki jest opartych na układach litowo-kobaltowych. Jeśli chodzi o użytkownika, polimer litowy jest zasadniczo tak sam jak akumulator litowo-jonowa. Oba systemy wykorzystują identyczny materiał katodowy i anodowy oraz zawierają podobną ilość elektrolitu. Chociaż cechy i wydajność obu systemów są podobne, polimer litowy jest wyjątkowy pod tym względem, że jest mikroporowatym elektrolitem i zastępuje tradycyjny porowaty separator. Zżelowany elektrolit staje się katalizatorem, który poprawia przewodność elektryczną. Polimer litowy oferuje nieco wyższą energię właściwą, a akumulatory z jego zastosowaniem mogą być cieńsze niż konwencjonalne litowo-jonowe. Jednocześnie koszt produkcji jest wyższy o 10– 30%. Pomimo wyższej ceny, udział ogniw litowo-polimerowych w rynku rośnie. Występują one bowiem również w elastycznej obudowie foliowej (laminat polimerowy lub komora woreczka), przypominającej opakowanie żywności. Podczas gdy standardowy akumulator litowo-jonowy wymaga sztywnej obudowy, aby ścisnąć elektrody razem, Li-polimer wykorzystuje laminowane arkusze, które nie wymagają kompresji. Taka foliowa obudowa zmniejsza wagę o ponad 20%, co więcej, technologia cienkowarstwowa uwalnia projekt formatu, a bateria może być wykonana w dowolnym kształcie, zgrabnie dopasowując się do stylowych telefonów komórkowych i laptopów, aby te były mniejsze, cieńsze i lżejsze. Li-polimer może być bardzo smukły i przypominać kartę kredytową . Charakterystyka ładowania i rozładowania polimeru litowego jest identyczna jak w przypadku innych systemów litowo-jonowych i nie wymaga specjalnej ładowarki. Kwestie bezpieczeństwa są również podobne.
Recykling
Zastosowanie akumulatorów litowo-jonowych w elektronice użytkowej i pojazdach elektrycznych gwałtownie rośnie w ostatnich latach. Ten zwiększony popyt znacznie pobudził produkcję akumulatorów litowo-jonowych, co w konsekwencji doprowadziło do znacznego zwiększenia ilości zużytych, które stają się odpadem.
Trzeba pamiętać, że wszystkie akumulatory zawierają nie tylko bardzo szkodliwe substancje, które nie powinny przedostawać się do gleby i wód gruntowych. Zawierają równie komponenty, które można wykorzystać ponownie.
Twoje baterie zostaną bezpiecznie poddane recyklingowi, jeśli zabierzesz je do punktu zajmującego się odpadami niebezpiecznymi lub do sklepu, który zbiera baterie do recyklingu. Aby zrobić to dobrze, warto wykonać następujące kroki.
- Zbierz i posortuj baterie według typu
- Zaklej taśmą wszystkie zaciski akumulatora. Zapobiega to ich łączeniu się w celu generowania ciepła lub ognia.
- Tak posortowane i zabezpieczone oddaj w miejscu do tego przeznaczonym.
Transfer Multisort Elektronik (TME) to jeden z największych globalnych dystrybutorów komponentów elektronicznych, elektrotechnicznych, wyposażenia warsztatowego, jak również automatyki przemysłowej. W katalogu dostępnych jest ponad 1 000 000 produktów od 1300 wiodących producentów. Nowoczesne centra logistyczne TME, mieszczące się w Łodzi oraz w Rzgowie, o łącznej powierzchni ponad 40 000m2, każdego dnia wysyłają blisko 5500 paczek z komponentami elektronicznymi do klientów w ponad 150 krajach.
TME angażuje się również w rozwój wiedzy i umiejętności młodych inżynierów i pasjonatów elektroniki poprzez projekt TME Edukacja, a także wspiera społeczność technologiczną, organizując cykl wydarzeń TechMasterEvent, promujących innowacje i wymianę doświadczeń.
Podziel się artykułem
PRZECZYTAJ TAKŻE
