ZERO Export | Off Grid Technology » Akumulatory typy, budowa, właściwości

Akumulatory typy, budowa, właściwości

Jak działa akumulator?
Na wstępie istotna uwaga, zależało nam, by nasz poradnik był maksymalnie zrozumiały dla możliwie szerokiego kręgu odbiorców, dlatego postaramy się operować na pewnym poziomie ogólności, bez wchodzenia w zawiłości fizyki i chemii współczesnych akumulatorów. Co do zasady jakikolwiek magazyn energii to obiekt, w którym równowaga ładunków elektrycznych na poziomie atomowym jest zaburzona. Jak wiemy, cała otaczająca nas materia składa się z atomów, te zaś składają się przede wszystkim z trzech rodzajów trwałych cząstek elementarnych: protonów (cząstka elementarna o ładunku dodatnim, zlokalizowana w jądrze atomu), neutronów (cząstka subatomowa, również zlokalizowana w jądrach atomów, jest elektrycznie obojętna) oraz elektronów (elementarny ujemny ładunek elektryczny). W przypadku substancji elektrycznie obojętnych ładunek atomów stanowiących daną substancję jest wyrównany – ładunek dodatni w protonach jest równoważony ładunkiem ujemnym zgromadzonym na elektronach otaczających jądro każdego atomu materii. Usunięcie elektronu z atomu sprawia, że dany atom staje się dodatni – stan ten nie utrzymuje się jednak długo, bo atomy dążą do zachowania neutralnego ładunku, co wywołuje ruch elektronów w tak zaburzonym ośrodku, a ten uporządkowany ruch ładunków elektrycznych jest istotą zjawiska znanego powszechnie pod nazwą prąd elektryczny. W istocie każdy atom z nadmiarem ładunków dodatnich (protonów) lub ujemnych (elektronów) staje się jonem – odpowiednio dodatnim (kationem) lub ujemnym (anionem).
Jak zbudowane są współczesne akumulatory?
Każdy akumulator zbudowany jest z ogniw (ang. cell). Każde ogniwo składa się z dwóch elektrod: anody i katody oraz elektrolitu. W naładowanym akumulatorze anoda gromadzi ładunek ujemny, katoda dodatni. Tym co powstrzymuje ten układ przed natychmiastowym wyrównaniem ładunków na elektrodach jest elektrolit z separatorem. Chodzi o to, by móc kontrolować ruch jonów pomiędzy elektrodami, co właśnie umożliwia separator wewnątrz ogniwa, który pozwala na przepływ prądu jedynie w sytuacji, gdy akumulator jest podłączony do jakiegokolwiek obiektu przewodzącego prąd (w praktyce: do urządzenia, które ma zasilać). Ruch jonów w wyniku procesów chemicznych zachodzących w akumulatorze stanowi i istocie jego działania jako ładowalnego nośnika energii elektrycznej. Oczywiście zasadniczą cechą każdego akumulatora jest możliwość jego ładowania, co w praktyczne oznacza odwrócenie kierunku przepływu ładunków w wyniku przyłożenia napięcia prądu ładującego i gromadzenie energii elektrycznej przez akumulator. Innymi słowy oznacza to, że zachodzące w danym akumulatorze procesy chemiczne można odwrócić za pomocą prądu elektrycznego. Procesy te to utlenianie na anodzie oraz redukcja na katodzie. Role katody i anody zmieniają się w zależności od tego, czy akumulator pracuje samoczynnie (oddaje zgromadzoną energię urządzeniu, do którego jest podłączony), czy też jest ładowany. W trakcie rozładowywania utleniająca się elektroda ujemna oddaje elektrony podlegającej redukcji elektrodzie dodatniej, powodując przepływ prądu. W trakcie ładowania proces ten jest odwracany.

Kryteria klasyfikowania akumulatorów i ważne ich parametry użytkowe
Akumulatory różnią się między sobą wieloma parametrami, np. liczbą ogniw, obecnością lub nie sterownika dbającego o odpowiedni poziom ładowania i rozładowywania danego akumulatora (cecha akumulatorów litowo-jonowych), pojemnością (ile energii dany akumulator jest w stanie zgromadzić), napięciem znamionowym, gęstością energii, gęstością mocy, odpornością na samorozładowanie, żywotnością, czy wreszcie kosztem.

Poszczególne ogniwa wykonane w tej samej technice nie będą się od siebie znacząco różnić. Oczywiście pewne szczegóły procesów produkcyjnych mogą zdecydować o tym, że jednej akumulatory danego typu będą działać lepiej od innych. Jednak zasadniczą różnicą w obrębie tego samego typu może być np. pojemność (zależy od wielkości i liczby ogniw zastosowanych w danym akumulatorze).
W przypadku różnego typu ogniw podstawowe różnice pomiędzy nimi mogą dotyczyć napięcia znamionowego (napięcie uzyskiwane na elektrodach ogniwa, gdy jest ono naładowane). Np. ogniwa niklowo-kadmowe mają napięcie 1,2 V, a litowo-jonowe 3,6-3,7 V. To że np. akumulatory litowo-jonowe w laptopach czy samochodach elektrycznych mają wyższe napięcie robocze wynika z szeregowego łączenia poszczególnych ogniw w moduły o wymaganym napięciu.
Kolejna różnica pomiędzy akumulatorami różnego typu dotyczy gęstości energii – to bardzo ważny parametr, który mówi nam ile watogodzin można użyć z jednostki masy (1 kg) lub objętości (1 litr) (zależnie od tego, czy dla danego projektu ważniejsza jest masa akumulatora, czy jego objętość). Na przykład gęstość energii w akumulatorach niklowo-kadmowych to ok. 40 Wh/kg, a w przypadku typowych akumulatorów litowo-jonowych (LiCoO2) wynosi ona ok. 250 Wh/kg.

Gęstość energii mówi nam o tym, jak wiele energii będziemy w stanie zgromadzić w konkretnej ilości (masie) akumulatorów danego typu. Jednak ilość energii nic nam nie mówi o zdolnościach oddawania ładunku – tutaj w grę wchodzi kolejny ważny parametr: gęstość mocy, czyli tego jaką moc dany typ ogniwa jest w stanie oddać do otoczenia (w praktyce: do zasilanego urządzenia). Najmniejszą gęstością energii wśród powszechnie wykorzystywanych typów akumulatorów cechują się akumulatory niklowo-kadmowe, najwyższą ogniwa litowo-polimerowe.
Trzeba pamiętać, że parametry danego akumulatora podawane przez producentów dotyczą zawsze warunków wzorcowych, tymczasem w praktyce, właściwości konkretnego typu akumulatora będą zależeć od wielu czynników zewnętrznych, np. temperatury ogniw, pobieranego prądu, temperatury otoczenia (znany powszechnie spadek pojemności akumulatorów litowo-jonowych zimą) itp.
Podziału akumulatorów można dokonać jeszcze ze względu na rodzaj zastosowanego elektrolitu. Stąd dzielimy je na ogniwa kwasowe i zasadowe. Obecnie te pierwsze produkowane są praktycznie wyłącznie jako ogniwa kwasowo-ołowiowe (opisujemy je w dalszej części artykułu), podczas gdy do drugiej grupy należą praktycznie wszystkie pozostałe.

Wreszcie ostatnim kryterium podziału akumulatorów jest ich konstrukcja. Wyróżnia się akumulatory otwarte i zamknięte. Te pierwsze umożliwiają dosyć łatwe uzupełnianie elektrolitu, są bardziej odporne na przeładowanie, gdyż nie pojawia się w nich nadmierny wzrost temperatury ani ciśnienia, ale ich elektrody łatwiej ulegają zniszczeniu ze względu na kontakt z atmosferą. Akumulatory zamknięte są bardziej odporne na uszkodzenia mechaniczne, łatwiejsze w transporcie i użytkowaniu – dlatego też to właśnie zamknięte konstrukcje są powszechnie stosowane np. w laptopach czy sprzęcie mobilnym.

Typy akumulatorów we współczesnych urządzeniach
Na rynku mamy obecnie bardzo wiele różnego typu akumulatorów. Zasilają one mnóstwo urządzeń, od niewielkich sprzętów z zakresu elektroniki użytkowej, poprzez sprzęt mobilny, laptopy, aż po samochody elektryczne. Przyjrzyjmy się bliżej poszczególnym typom akumulatorów, z jakich dziś powszechnie korzystamy.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe
Zacznijmy od akumulatorów powszechnie spotykanych w motoryzacji, ale obecnych również w wielu systemach podtrzymywania zasilania (przemysłowe UPS-y), mowa o akumulatorach kwasowo-ołowiowych. To jeden z najstarszych typów akumulatorów, opracowany jeszcze w 1850 roku przez niemieckiego fizyka Wilhelma Josefa Sinstedena.

Ogniwa kwasowo-ołowiowe są zbudowane z ołowianych płytek zanurzonych w kwasie siarkowym (H2SO4). Są wykorzystywane przede wszystkim w motoryzacji jako podstawowe akumulatory samochodowe. W nieco innej postaci montuje się je w systemach zasilania bezprzerwowego, takich jak popularne UPS-y. Te obszary zastosowań wynikają przede wszystkim z tego, że takie ogniwa pozwalają zapewnić dosyć duże impulsy prądu, czyli charakteryzują się dużą gęstością mocy (duży impuls jest np. niezbędny w celu uruchomienia silnika spalinowego). Niestety, okazują się bardzo ciężkie, jak na zgromadzoną w nich energię: jej gęstość wynosi ok. 30 Wh/kg. Nominalne napięcie pojedynczego ogniwa to ok. 2,1 V. W przypadku tradycyjnych akumulatorów tego typu zaletą może być otwarta konstrukcja, która pozwala łatwo uzupełnić elektrolit przez dolanie wody destylowanej. Jednak dotyczy to dziś głównie starszych samochodów.
W nowszych konstrukcjach (zarówno w motoryzacji jak i w systemach podtrzymywania zasilania) ten tym akumulatorów wykonuje się w postaci żelowej, zamkniętej, w której elektrolit zmieszany jest z krzemionką albo jest zamknięty w specjalnych przedziałach, wykonanych z maty szklanej (tzw. akumulatory AGM). Pozwala to zwiększyć odporność akumulatora na uszkodzenia mechaniczne oraz usprawnia proces ładowania, ale uniemożliwia uzupełnianie go wodą. Ten typ akumulatorów jest wrażliwy na długoterminowe rozładowanie (stąd zalecenia dla kierowców, którzy na długo rezygnują z auta, szczególnie zimą, by wyjmowali z pojazdu akumulator). Ich zaletą jest dość proste ładowanie, a także podatność na regenerację (zajmuje się tym wiele firm), albo poprzez uzupełnianie elektrolitu, odsiarczanie elektrod czy wymianę pojedynczych ogniw.

Akumulatory niklowo-kadmowe
Kolejny typ akumulatorów, jakim się tu przyjrzymy to znane już od wielu lat akumulatory niklowo-kadmowe. Ogniwa niklowo-kadmowe (Ni-Cd), kiedyś powszechnie były oferowane w formie tzw. „paluszków”, dziś wypierane przez nowsze ogniwa Ni-Mh (niklowo-wodorkowe), ale spotyka się je wciąż w formie wymiennych pakietów akumulatorowych do urządzeń elektrycznych i elektronicznych.
Ogniwa niklowo-kadmowe składają się z elektrod wykonanych z zasadowego tlenku niklu (NiO(OH)) i metalicznego kadmu. Elektrolitem jest wodorotlenek potasu (KOH). Jest to już wiekowy typ akumulatorów, wypierany w wielu gałęziach gospodarki przez nowsze rozwiązania, ale wciąż ma pewne zalety, które sprawiają, że tego typu ogniwa wciąż można spotkać w urządzeniach elektronicznych. Otóż akumulatory niklowo-kadmowe to zalecane magazyny energii w środowiskach zagrożonych wybuchem, dobrze znoszą wysokie temperatury (40°C). Ponadto dosyć dobrze znoszą głębokie rozładowanie. Ich napięcie nominalne wynosi 1,2 V i nie uszkadzają się nawet wtedy, gdy spadnie ono do 0,9 V. Ich gęstość energii wynosi od ok. 40 Wh/kg. Mają one niestety dosyć silną tendencję do samorozładowywania się (ok. 20% na miesiąc). Ich gęstość mocy jest, niestety, mała, za to są dosyć trwałe i wytrzymują wiele cykli ładowania.

Ogniwa Ni-Cd były też głównym powodem rozpowszechnienia się poglądu o znaczeniu tzw. efektu pamięci, tj. sytuacji, w której niepełne rozładowanie akumulatora przed ponownym ładowaniem go skutkuje zmniejszeniem efektywnej pojemności ogniw. Akumulator pozornie zachowuje się tak, jakby jego pojemność zmniejszyła się do ilości ładunku dostarczonego od momentu rozpoczęcia ładowania. W praktyce objawia się to przede wszystkim spadkiem napięcia na ogniwie, co nie jest jednoznaczne z niemożnością pobrania ładunku wcześniej zgromadzonego w akumulatorze. Co więcej, ponowne, np. kilkukrotne, pełne rozładowanie akumulatora (o ile dany model to umożliwia) pozwala osłabić ten efekt, choć ze względu na zwiększające się zużycie z czasem parametry ogniw i tak się pogarszają. Generalnie zalecanym sposobem używania tego typu akumulatorów jest ich możliwie pełne rozładowanie przed ponownym naładowaniem.

Warto też pamiętać o wspomnianej odporności na spadek napięcia spowodowany silnym rozładowaniem. Zmniejszenie napięcia na ogniwie poniżej 0,9 V powoduje istotne pogorszenie parametrów, ale wartość 0,9 V jest i tak względnie mała w porównaniu z innymi akumulatorami, dla których takie obniżenie napięcia byłoby zabójcze. Jest to jeden z powodów, dla których dbanie o pełne rozładowanie akumulatora Ni-Cd ma sens. Efekt pamięci występuje nie tylko w akumulatorach niklowo-kadmowych, ale ponieważ w tym przypadku jest silny, a z drugiej strony można sobie z nim całkiem dobrze radzić bez narażania ogniw na inne problemy, warto o nim pamiętać i starać się faktycznie całkowicie rozładować akumulator przed ponownym naładowaniem. Dużą wadą akumulatorów Ni-Cd jest obecność bardzo szkodliwego dla środowiska kadmu, dlatego tam, gdzie jest to możliwe, są one wypierane przez nowsze rozwiązania.

Akumulatory niklowo-wodorkowe (niklowo-metalowo-wodorowe)
Akumulatory niklowo-wodorkowe (Ni-MH) skutecznie wyparły ogniwa niklowo-kadmowe z typowo domowych zastosowań (zasilanie niewielkich urządzeń elektronicznych, np. różnego typu radia przenośne, budziki, etc.). To obecnie najbardziej popularny rodzaj tzw. paluszków. Ogniwa Ni-MH są bardzo zbliżone do Ni-Cd, ale pod wieloma względami lepsze. Ich elektrody wykonane są z zasadowego tlenku niklu (NiO(OH)) oraz stopów metali, takich jak nikiel, chrom, żelazo, wanad i tytan. Elektrolitem jest zasadowy wodorotlenek potasu (KOH). Ich napięcie nominalne wynosi 1,2 V i nie powinny być zbyt często rozładowywane poniżej 1,1 V. Ich gęstość energii wynosi od ok. 70 Wh/kg do nawet 120 Wh/kg, a gęstość mocy jest kilkukrotnie większa niż w przypadku Ni-Cd. Niestety ich wadą jest to, że dość szybko ulegają samorozładowaniu.

Ten typ akumulatorów także jest podatny na tzw. efekt pamięci, ale w mniejszym stopniu niż w przypadku ogniw Ni-Cd. Niemniej nie warto próbować niwelować tego efektu poprzez zupełne rozładowanie, bo akumulatory Ni-Mh nie są zbyt odporne na zbyt duży spadek napięcia. Zbyt duże rozładowanie może skutkować nadmiernym zużyciem tego typu ogniw.
W urządzeniach domowych zdecydowanie zalecane jest stosowanie akumulatorów niklowo-wodorkowych (w urządzeniach zasilanych z „paluszków”), które są nie tylko wydajniejsze od odpowiadających im napięciem i siłą elektromotoryczną akumulatorów niklowo-kadmowych, ale też znacznie bezpieczniejsze dla środowiska, ze względu na brak trującego kadmu.

Producenci dopracowali też już technologię produkcji tych akumulatorów, dzięki czemu (efekt skali) nie są one dziś droższe od starszych ogniw Ni-Cd, są powszechnie dostępne, na dodatek wielu producentów oferuje te akumulatory już wstępnie naładowane deklarując niski spadek pojemności eksploatacyjnej z upływem czasu.

Akumulatory litowo-jonowe
Od wielu lat ten typ akumulatorów króluje na świecie – spotykamy je powszechnie nie tylko w elektronice użytkowej, urządzeniach przenośnych (smartfony, tablety) czy laptopach, ale również w samochodach elektrycznych i hybrydowych. Ten typ akumulatorów najczęściej występuje w formie gotowych komponentów dostosowanych kształtem do konkretnych produktów (np. modeli smartfonów, czy laptopów). Ogniwa litowo-jonowe mają zauważalnie wyższe napięcie znamionowe 3,6 V. Ich elektrody wykonywane są z węgla (najczęściej grafitu) oraz tlenków metali, a zanurzone są w elektrolicie z soli litowych. Cechują się najlepszą gęstością energii spośród dziś powszechnie dostępnych akumulatorów, sięgającą 250 Wh/kg. Mają też wyraźnie lepszą gęstość mocy niż ogniwa Ni-MH. Charakteryzują się również wysoką trwałością, długim cyklem życia (duża ilość cykli ładowania), powoli ulegają samorozładowaniu i powoli (w stosunku do wcześniej wymienionych typów) tracą pojemność.
Mają one jednak istotną wadę: zbyt duży spadek napięcia jest dla tego typu akumulatorów wręcz zabójczy – jeżeli napięcie ogniwa spadnie poniżej ok. 2,4 V najprawdopodobniej przestanie ono w ogóle działać. Dlatego nowoczesne akumulatory litowo-jonowe składają się nie tylko z samych ogniw i połączeń elektrycznych, ale ich stałym elementem jest również zaawansowany układ sterujący (BMS – Battery Management System), którego zadaniem jest monitorowanie stanu poszczególnych ogniw oraz całych modułów tych ogniw (np. w samochodach elektrycznych), gdy któreś ogniwo przestaje trzymać pożądane parametry robocze BMS dla bezpieczeństwa całego akumulatora odcina dane ogniwo lub moduł od całego układu wciąż pozostawiając użyteczną pojemność pozostałej części akumulatora. Zadaniem układów BMS jest również rejestracja cykli ładowania/rozładowania, kontrolowanie stanu energii przechowywanej w akumulatorze czy kontrolowanie procesu ładowania i rozładowania.

Dawniej, gdy układy sterujące były prostsze, bardziej prymitywne i mniej dokładne, akumulatory Li-Ion były narażone na wybuch z powodu przeładowania. Obecnie problemy te praktycznie nie występują. Z tego powodu – oraz ze względu na bardzo dobre parametry – są one powszechnie stosowane w nowoczesnych urządzeniach elektronicznych, takich jak smartfony, tablety, laptopy, aparaty fotograficzne, a także w samochodach elektrycznych i hybrydowych. Oprócz tego ogniwa litowo-jonowe coraz częściej są stosowane jako stacjonarne magazyny energii stabilizujące produkcję energii ze źródeł odnawialnych, czego doskonałym przykładem jest instalacja Hornsdale Power Reserve zbudowana w 2017 roku przez Teslę (rozbudowana w 2020 roku) na australijskiej farmie wiatrowej Hornsdale Wind Farm, gdzie zespół akumulatorów litowo-jonowych tworzy magazyn energii o pojemności niemal 200 MWh (megawatogodzin) i mocy 150 MW (megawatów).

Akumulatory litowo-polimerowe
To tak naprawdę podtyp akumulatorów litowo-jonowych. Podstawowa różnica sprowadza się do tego, że Li-Poly są w istocie ogniwami litowo-jonowymi, w których elektrolit to nie ciecz, a polimer. Dzięki temu takie ogniwa łatwiej jest dowolnie kształtować, dopasowując ich formę do konkretnych zastosowań (kształtu konkretnych produktów), a ponadto cechują się odrobinę większą gęstością mocy i zazwyczaj mają nieco wyższe napięcie znamionowe (3,7 V). Bardzo wolno ulegają samorozładowywaniu i są dosyć trwałe. Pozostałe cechy, obecność elektroniki kontrolnej, wymogi dotyczące procesu ładowania i rozładowywania są identyczne jak w przypadku „zwykłych” ogniw Li-Ion.

Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe
To kolejny podtyp akumulatorów litowo-jonowych. Zasadnicza różnica to materiał, z którego wykonano katodę. W tym przypadku nie jest to LiCoO2 lub LiMn2O4, ale z LiFePO4. Dzięki temu ogniwa te cechują się nieco mniejszym napięciem znamionowym (ok. 3,25 V) niż tradycyjne Li-Ion, ale bardzo dużą gęstością mocy i dużą gęstością energii. Są też bardzo żywotne – wytrzymują wiele cykli ładowania i rozładowania. Ich napięcie nie powinno jednak spadać poniżej 2 V, czego powinny pilnować odpowiednie układy sterujące. Tego typu ogniwa stosowane są tam, gdzie potrzebne są akumulatory o dużej mocy (np. w elektromobilności) o wysokiej odporności na niewłaściwe warunki eksploatacji. Spotkamy je również w elektronarzędziach czy modelach zdalnie sterowanych. Dużą zaletą tego typu akumulatorów jest czas eksploatacji (kilka tysięcy cykli ładowania/rozładowania). Podobnie jak w pozostałych rodzajach ogniw litowo-jonowych nie ma tu efektu pamięci.

Nie zasada, tylko kwas
Na co dzień spotykamy jeszcze jeden rodzaj ogniw galwanicznych, zupełnie inny niż dotąd opisane. Są to ogniwa kwasowo-ołowiowe, zbudowane z ołowianych płytek zanurzonych w kwasie siarkowym (H2SO4). Są wykorzystywane przede wszystkim w motoryzacji jako podstawowe akumulatory samochodowe. W nieco innej postaci montuje się je w systemach zasilania bezprzerwowego, takich jak popularne UPS-y. Te obszary zastosowań wynikają przede wszystkim z tego, że takie ogniwa pozwalają zapewnić dosyć duże impulsy prądu, czyli charakteryzują się dużą gęstością mocy. Niestety, okazują się bardzo ciężkie, jak na zgromadzoną w nich energię: jej gęstość wynosi 30-40 Wh/kg. Nominalne napięcie pojedynczego ogniwa to ok. 2,1 V.
W przypadku tradycyjnych akumulatorów tego typu zaletą może być otwarta konstrukcja, która pozwala łatwo uzupełnić elektrolit przez dolanie wody destylowanej.
Jednakże coraz częściej – nie tylko na potrzeby UPS-ów, ale i pojazdów – wykonywane są w postaci żelowej, zamkniętej, w której elektrolit zmieszany jest z krzemionką. Pozwala to zwiększyć odporność akumulatora na uszkodzenia mechaniczne oraz usprawnia proces ładowania, ale uniemożliwia uzupełnianie go wodą.

Poza gęstością energii ich wadą jest np. podatność na kruszenie się elektrod, które może nawet spowodować zwarcie wewnątrz ogniwa. Co więcej, są wrażliwe na długoterminowe rozładowanie, ale też dosyć proste w ładowaniu.
Warto również wspomnieć, że na rynku działa dużo firm, które z powodzeniem regenerują akumulatory kwasowo-ołowiowe, i to nie tylko przez dolewanie wody, ale też odsiarczając elektrody lub zupełnie wymieniając pojedyncze ogniwa.

Ładowanie akumulatorów
Jak należy ładować akumulatory? Wszystko zależy od ogniw, które zostały użyte. Najlepiej robić to za pomocą przeznaczonej do nich ładowarki i trzymać się zaleceń typowych dla danego typu. Dbać o pełne rozładowywanie i ładowanie akumulatorów niklowo-kadmowych i nie rozładowywać zbytnio niklowo-wodorkowych. Ogniw litowo-jonowych nie należy zostawiać zbyt długo nienaładowanych po ich prawie pełnym wyczerpaniu. W przypadku tych ostatnich zbytniemu rozładowaniu zapobiegnie wbudowany układ sterujący, ale nie ma on już wpływu na przebieg wewnętrznych procesów, które i tak zachodzą w ogniwach. Taki prawie rozładowany akumulator, jeśli przez długi czas nie zostanie podłączony do ładowarki, będzie stopniowo dalej się samoczynnie rozładowywał, aż w końcu przekroczy krytyczną granicę napięcia, po której... zupełnie przestanie działać. Autor artykułu sam doświadczył tego problemu, po tym gdy wciąż bardzo dobrze działający, choć już trzyletni akumulator litowo-jonowy został prawie zupełnie rozładowany, a następnie odstawiony na półkę wraz z komputerem na czas około miesięcznego wyjazdu. Po powrocie komputer już się nie włączył, a akumulatora nie dało się ponownie naładować. Co więcej, okazało się, że nowy zamiennik ma efektywnie mniejszą pojemność niż stary akumulator na miesiąc przed awarią.

Ogniw kwasowo-ołowiowych również nie należy zbyt długo trzymać nienaładowanych, gdyż wtedy na ich elektrodach wytwarzają się szkodliwe dla sprawności akumulatora kryształki siarczanu ołowiu. W przypadku mało popularnych ogniw manganowo-cynkowych czas życia zmniejsza się kilkukrotnie, gdy są doprowadzane do całkowitego rozładowania.
Zbytnie rozładowanie może mieć też katastrofalne skutki, gdy zajdzie w jednym z ogniw połączonych w szereg z innymi. Wtedy może dojść w nim do przebiegunowania, które spowoduje wzrost prądu przepływającego przez cały akumulator lub szereg akumulatorów, a w konsekwencji nawet jego przegrzanie i zniszczenie.
Bardzo szkodliwe jest też przeładowanie, gdyż powoduje hydrolizę elektrolitu, w której wyniku powstaje wodór i tlen. Zwiększają one ciśnienie i temperaturę w ogniwach zamkniętych, a w przypadku akumulatorów otwartych oraz wyposażonych w duże wentyle – wysychanie.
Aby uniknąć przeładowania, trzeba określić moment, w którym akumulator jest już naładowany. Niestety, jeśli nie zna się dokładnie ilości ładunku, jaki pozostał do załadowania, niekiedy wykrycie momentu przeładowania jest bardzo trudne. Wynika to z charakterystyki napięciowej w funkcji ładunku zgromadzonego w ogniwie. Największy problem dotyczy akumulatorów Ni-MH, w których napięcie końcowe ładowania bywa delikatnie niższe, niż gdy do pełnego naładowania brakuje tylko ułamka pojemności. Dlatego zamiast monitorować napięcie akumulatora, często bada się jego temperaturę, która szybko rośnie, gdy nadmierna ilość dostarczanego ładunku powoduje hydrolizę elektrolitu.
Akumulatory Ni-MH są też problematyczne ze względu na prąd, jakim powinny być ładowane. Zazwyczaj zaleca się bowiem, by ładować je impulsami, gdyż prąd stały może je uszkodzić. Nadmierny prąd uszkadza też praktycznie wszystkie inne akumulatory, dlatego producenci podają zalecane prądy ładowania lub całe procedury, które pozwalają zapewnić najdłuższą żywotność ogniw.
By poprawnie naładować akumulatorki Ni-Cd, trzeba zmierzyć temperaturę lub zmienić napięcie na ogniwie. Stosowana jest w tym celu tzw. metoda delta V. Gdy akumulator jest całkowicie naładowany, pojawia się spadek napięcia, który jest wykrywany przez ładowarkę, i proces ładowania jest wstrzymywany. Trzeba jednak pamiętać, że ogniwa Ni-Cd cechują się dużą podatnością na temperaturę. Gdy akumulator się nagrzewa, jego rezystancja wewnętrzna spada, co może spowodować zniszczenie go ze względu na zbyt mocno rosnący wraz ze wzrostem temperatury prąd ładowania.
Ogniwa Li-Ion i podobne zaleca się ładować najpierw stałym prądem, a następnie stałym napięciem. Oczywiście, dzieje się to automatycznie. W praktyce podczas wymuszania przepływu wybranego prądu ładującego napięcie stopniowo (samoczynnie) rośnie do około 3,6 V. Po przekroczeniu ustalonego prądu napięcia ładowarka zaczyna wymuszać konkretne napięcie na akumulatorze, w czego efekcie, zgodnie z prawami fizyki, pobierany z niej prąd zmienia się samoczynnie (maleje), dostosowując się do zmieniającej się rezystancji ogniw. Ładowanie kończy się albo wtedy, gdy prąd zmaleje poniżej pewnego progu, albo wtedy, gdy wbudowany licznik zliczy przez całkowanie numeryczne prądu po czasie ilość ładunku zapakowanego do akumulatora i zdecyduje, że akumulator jest już pełny. Ładowanie może też zostać przerwane ze względu na nadmierny wzrost temperatury albo – jeszcze prościej – przez odmierzanie czasu. Tego drugiego rozwiązania już się praktycznie nie stosuje, gdyż bardziej zaawansowane metody są wystarczająco tanie, by ich powszechnie używać.
Praktycznie w przypadku każdego akumulatora im mniejszy prąd ładowania, tym lepiej dla ogniw. Ma to znaczenie szczególnie w ogniwach Ni-MH i Ni-Cd, w których prąd ten często ustawiamy samodzielnie (choćby kupując konkretny model ładowarki). Trzeba pamiętać, że akumulatory ładowane szybciej będą wcześniej traciły na pojemności i w efekcie szybciej ulegały samorozładowywaniu.
Ogniwa cienkowarstwowe
Ta bardzo nowoczesna technika przypomina trochę zasadą działania akumulatory litowo-jonowe, ale pozwala tworzyć ultracienkie ogniwa. Są one zbudowane z nanometrowych lub mikrometrowych warstw grafitu i litu, podczas gdy elektrolitem jest najczęściej tlenek magnezu. Ich zaletą jest nieco większe napięcie niż w przypadku tradycyjnych ogniw litowo-jonowych: do 4 V. Mają też rewelacyjną gęstość energii: do 600 Wh/kg. Pozwalają także pobierać bardzo duży prąd (jego wielkość zależy od kształtu), w czego efekcie ich gęstość mocy jest ponad 10-krotnie większa niż w przypadku pozostałych rodzajów akumulatorów. Niestety, są bardzo kosztowne w produkcji. Dlatego obecnie na rynku dostępne są praktycznie tylko ogniwa o bardzo małej pojemności, rzadko dochodzącej do kilku miliamperogodzin. Z tego powodu na razie ich główne zastosowanie sprowadza się do tzw. inteligentnych czujników, które wymagają bardzo małej ilości energii do działania, a na dodatek pobierają ją z otoczenia, np. wykorzystując wiatr, różnicę temperatur lub naprężenia.

Warto dodać, ze mikrometrowa grubość ogniwa pozwala tworzyć niezwykle cienkie, a nawet elastyczne akumulatory.

Ładowalne alkaliczne akumulatory manganowe
Od jakiegoś czasu na rynku można znaleźć alkaliczne akumulatory manganowe (ang. Rechargeable Alkaline Manganese, RAM), które łączą w sobie cechy tradycyjnych baterii alkalicznych i akumulatorów. Produkuje je praktycznie tylko kilka firm. Ich podstawą jest patent kanadyjskiej firmy Battery Technologies.

Producenci twierdzą, że akumulatory tego typu tracą od 0,6% do 18% ładunku w miesiąc (w zależności od temperatury: im niższa, tym lepiej). Ponadto ich zaletą jest wyższe napięcie nominalne, zbliżone do poziomu 1,4 V (początkowo 1,5 V). Dzięki temu mogą być z powodzeniem stosowane w starszych urządzeniach przenośnych, których sprawność działania przy zasilaniu akumulatorami o napięciu 1,2 V jest ograniczona. Dawniej akumulatory nie były tak powszechne, dlatego sprzęt elektroniczny projektowało się, nie zwracając uwagi na to, czy będzie mógł być zasilany obniżonym napięciem. Co więcej, wraz ze wzrostem napięcia zasilania rośnie efektywny zasięg urządzeń radiowych, dlatego np. klawiatury bezprzewodowe mogą działać w większej odległości od odbiornika, gdy są zasilane zwykłymi bateriami, niż wtedy, gdy zamontuje się w nich akumulatorki o napięciu 1,2 V.
Akumulatory RAM mają też dosyć dużą gęstość energii, ale nie tak dużą gęstość mocy jak inne akumulatory. Mają też coś w rodzaju odwrotnego efektu pamięci: im mniejsza będzie „głębokość” rozładowania, tym wyższe będzie ich napięcie po pełnym naładowaniu i tym więcej cykli ładowania i rozładowania wytrzymają. Gdy wyczerpuje się nie więcej niż 25% ich pojemności, można je ładować nawet ponad 200 razy. Jeśli przed ponownym ładowaniem zużyje się około 50% ładunku, ich żywotność spada do ok. 25 cykli.

Superkondensatory
W pewnych zastosowaniach jako akumulator może posłużyć też odpowiedni kondensator, o ile tylko ma wystarczająco dużą pojemność i nie postępuje w nim zbyt szybko zjawisko samorozładowywania. W ostatnich latach na rynku pojawiło się sporo tzw. superkondensatorów, których cechy pozwalają korzystać z nich jak z długotrwałych akumulatorów energii. Ale praktycznie nie stosuje się ich w ten sposób w przenośnej elektronice użytkowej, bo mają małą gęstość energii, nie większą niż 10 Wh/kg. Dopiero niedawno w sprzedaży pojawiła się pierwsza nowość tego typu: myszki bezakumulatorowe, o których już pisaliśmy na łamach PCLab.pl. Jednak dalszy postęp techniczny może sprawić, że ich obszar zastosowań zwiększy się. Do zalet superkondensatorów należy przede wszystkim bardzo krótki czas ładowania, bardzo duża żywotność liczona w cyklach ładowania (setki tysięcy razy, jeśli nie więcej) i możliwość pobierania bardzo dużego prądu. Oznacza to, że jako akumulatory cechują się bardzo dużą gęstością mocy.

Ogniwa paliwowe
O technice ogniw paliwowych było głośno kilka lat temu, ale jak się okazuje, wieści o rewolucji były zdecydowanie przesadzone. W praktyce obecnie trudno spotkać urządzenie z ogniwem paliwowym. To, co dotąd wyprodukowano, to zazwyczaj tylko przykłady i egzemplarze demonstracyjne, które miały pokazać przyszłe możliwości wykorzystania.
Ogniwa paliwowe generują energię elektryczną za pomocą reakcji chemicznych, w trakcie których zużywa się dostarczone do nich paliwo. Działa to dosyć podobnie jak w przypadku samochodu napędzanego przez spalanie benzyny, tylko że paliwem może być np. wodór. Z założenia ogniwa paliwowe powinny cechować się bardzo dużą gęstością energii, a więc zapewniać bardzo długie działanie sprzętu. Co więcej, można by je bardzo szybko napełniać, co byłoby ich następną przewagą nad tradycyjnymi ogniwami. Oprócz wodoru mogłyby wykorzystywać metanol, biogaz czy też LPG.
O ile na rynku istnieją firmy tworzące duże ogniwa paliwowe, które mogą posłużyć jako przydomowa elektrownia, to do zastosowania tego typu zasilania w urządzeniach przenośnych jeszcze daleko. Jednym z problemów jest wysoka temperatura, będąca ubocznym efektem generowania prądu.
Być może za światełko w tunelu należałoby uznać to, że pod koniec 2011 roku firma Apple złożyła wnioski patentowe opisujące urządzenia zasilane w ten sposób. Gdyby faktycznie powstały takie komputery, być może do popularyzacji ogniw paliwowych przyczyniłaby się moda wykreowana przez tego wyznaczającego trendy producenta. Zdaje się jednak, że zagranie Apple'a to jedynie próba zdobycia patentów na coś, co jeszcze nie zostało opracowane ani nie działa, ale co można zastrzec, zanim zrobią to inni.

Tips & tricks
Uzbrojeni w wiedzę o ogniwach możemy wyciągnąć pewne wnioski, które pozwolą „podkręcić” przenośny sprzęt pod względem zasilania.
Przykładowo wiele dawniej produkowanych urządzeń było wyposażanych w pakiety akumulatorowe wykonane w technice niklowo-kadmowej. Bardzo często można je z powodzeniem zastąpić nowymi i nieco lepszymi akumulatorami niklowo-wodorkowymi, które są lepsze prawie pod każdym względem. Trzeba tylko pilnować, by nie doprowadzać ich do nadmiernego permanentnego rozładowania, i liczyć się z tym, że ogniwa te w trakcie spoczynku będą tracić ładunek szybciej niż niklowo-kadmowe. Pewnym problemem może być też sposób ich ładowania: wbudowana ładowarka może nie być w stanie wykryć momentu napełnienia akumulatora Ni-MH albo może ładować go po prostu przez określony czas od momentu podłączenia do prądu. Mając to na uwadze, aby zoptymalizować użytkowanie tak zmodyfikowanego sprzętu, należałoby ustalić specjalne procedury ładowania akumulatora. Najczęściej jest to ograniczenie czasu ładowania.
Wymiana ogniw Ni-Cd lub Ni-MH na litowo-jonowe lub podobne jest nieco trudniejsza, gdyż konieczne jest dopasowanie napięć. Dopiero jeśli w urządzeniu zastosowane są trzy szeregowo połączone ogniwa wspomnianego typu, można próbować zastąpić je pojedynczym ogniwem litowo-jonowym. Jednakże trudno znaleźć gotowe pakiety litowo-jonowe o wymiarach odpowiadających niklowo-kadmowym i niklowo-wodorkowym. Co więcej, trzeba koniecznie się upewnić, że stosowany w urządzeniu prąd ładowania nie uszkodzi sterownika nowych ogniw i umożliwi mu poprawną kontrolę poziomu naładowania akumulatora.
Wymiana tradycyjnego akumulatora litowo-jonowego na litowo-polimerowy nie będzie problemem, o ile znajdzie się zamiennik o odpowiednich wymiarach i kompatybilnym sterowniku. Nie należy jednak oczekiwać cudów po takiej zamianie. Jeśli jakiś dostawca twierdzi, że kupując oferowany przez niego akumulator litowo-polimerowy, wydłużymy czas pracy urządzenia, w którym dotąd stosowany był akumulator litowo-jonowy, o kilkadziesiąt procent, to jest to albo zwykłe kłamstwo, albo znaczne przeszacowanie. Należy też z dużą nieufnością podchodzić do wszystkich, na których napisane jest, że mają kilkukrotnie większą pojemność od bardzo podobnych wyrobów renomowanych producentów. Z taką sytuacją często można się spotkać w przypadku aparatów fotograficznych: czasem oryginalny akumulator oficjalnie ma pojemność nawet ponaddwukrotnie mniejszą niż niektóre trzykrotnie tańsze zamienniki. Praktyka pokazuje, że zamiennik nie tylko wcale nie jest lepszy od oryginału, ale i najczęściej ma nieco mniejszą pojemność, a zastosowane w nim ogniwa są słabej jakości i mają bardzo małą żywotność. Wynika to m.in. z tego, że oryginalne akumulatory do sprzętu elektronicznego wysokiej klasy trzeba wytwarzać w taki sposób, by zapewnić produkt dobrej jakości, pozwalający działać urządzeniu przez długi czas, a jednocześnie jak najmniejszy i najlżejszy. Gdyby było inaczej, producenci nie sięgaliby po technikę litowo-jonową i stosowali tańsze i łatwe w wymianie akumulatory niklowo-wodorkowe lub zwykłe baterie paluszki. Zresztą dzieje się tak właśnie w przypadku elektroniki „z niższej półki”, np. tanich aparatów fotograficznych.
Osoby zainteresowane maksymalizowaniem wydajności akumulatorów warto też przestrzec przed łączeniem ogniw różnego typu, a nawet istotnie różniących się akumulatorków tego samego rodzaju. Choć mogłoby się wydawać, że potrzebne napięcie, np. 5 V, można uzyskać, zestawiając ze sobą szeregowo akumulator niklowo-wodorkowy i litowo-polimerowy, takie połączenie nie będzie poprawnie działać. Pomińmy już problem ładowania – trudność pojawi się nawet podczas zwykłej pracy. Przyczyną jest to, że spadek napięcia na różnych ogniwach będzie się różnie kształtował w zależności od płynącego przez nie prądu. Może to doprowadzić do sytuacji, w której spadki napięć rozłożą się tak, że jedno z ogniw w szeregu będzie stawiało duży opór płynącemu prądowi, a w skrajnych przypadkach – do odwrócenia polaryzacji na którymś z ogniw. Podobne zjawisko może też zajść w momencie, gdy zastosuje się dwa takie same ogniwa, ale np. o istotnie różnych parametrach, choćby z tego powodu, że jedno z nich będzie znacznie starsze i bardziej zużyte. To właśnie dlatego producenci często piszą na swoich urządzeniach, aby stosować w nich tylko baterie lub akumulatory tego samego typu, a gdy się rozładują – by nie próbować mieszać ogniw rozładowanych z nowymi. Praktyka jednak pokazuje, że coś takiego niemal nigdy nie prowadzi do katastrofy. I choć nie jest to optymalne wyjście, pozwala niekiedy uruchomić sprzęt, gdy nie ma pod ręką kompletu nowych akumulatorów lub baterii.
Na koniec wspomnimy o równoległym łączeniu akumulatorów, które może posłużyć do zwiększenia sumarycznej pojemności ogniw i wydłużenia pracy urządzenia przenośnego. Ogólnie jest to dość bezpieczne, choć bardzo rzadko stosowane ze względu na ograniczenia przestrzenne. Producenci raczej nie przewidują, że ich sprzęt będzie zasilany dodatkowymi ogniwami, i zazwyczaj należy w jakiś sposób doczepić dodatkowe ogniwa z zewnątrz urządzenia. Niemniej pozwala to istotnie wydłużyć czas działania urządzeń zasilanych ogniwami niklowo-kadmowymi i niklowo-wodorkowymi. Ze względu na wbudowane sterowniki takie proste połączenie nie jest dostępne w przypadku ogniw z rodziny litowo-jonowej.
Łącząc ze sobą akumulatory równolegle, należy tylko pamiętać, by stosować modele o bardzo podobnych parametrach, gdyż ich niedopasowanie może spowodować przyspieszone rozładowywanie się ogniw.