Krótka historia baterii akumulatorowych - działanie, przechowywanie i użytkowanie

18 lutego przypada Światowy Dzień Baterii, zatem to doskonała okazja, aby przybliżyć historię, budowę i sposób działania baterii. Z tego artykułu dowiesz się między innymi, dlaczego to właśnie akumulatory litowo-jonowe szturmem podbiły światowe rynki elektrosprzętów.

Data 18 lutego została wybrana na Dzień Baterii nie bez powodu – to właśnie tego dnia w roku 1745 urodził się Alessandro Volta, wynalazca pierwszego ogniwa galwanicznego. Ogniwo to jest przodkiem dzisiejszych akumulatorów i baterii, dlatego też historię baterii zaczynamy właśnie od postaci jego twórcy.

Alessandro Volta – odkrywca napięcia elektrycznego

Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta to pochodzący z Włoch naukowiec, fizyk, wynalazca i konstruktor. Lista jego wynalazków jest dość imponująca, z czego na szczególne uznanie zasługują tzw. ogniwo Volty, czyli ogniwo złożone z elektrod srebrnej i cynkowej oraz elektrolitu (1800), elektroskop do pomiarów elektrycznych (1781) i kondensator płytkowy (1782).

To właśnie w 1800 roku Volta opisał konstrukcję pierwszego nieładowalnego ogniwa galwanicznego i połączenia szeregowego ogniw, a także ogniwo elektryczne, które sam skonstruował. Jako wyraz uznania dla jego zasług dla świata nauki od nazwiska tego znakomitego włoskiego fizyka utworzono jednostkę napięcia elektrycznego, czyli wolt (volt = V).

Jak działa bateria alkaliczna? Budowa i ogólna zasada działania baterii

Ogniwo alkaliczne zostało wynalezione przez amerykańskiego chemika Lewisa Urry'ego w 1959 roku. W charakterze elektrolitu zastosowano roztwory alkaliczne, czyli zasadowe. Zasada działania ogniwa sprowadza się do reakcji chemicznej, która zachodzi między cynkiem a tlenkiem manganu. Reakcja ta jest dość prosta do wytłumaczenia: mamy tu ładunki elektryczne – dodatnie (anoda) i ujemne (katoda) – które w swojej obecności zaczynają się w naturalny sposób przyciągać; w ten sposób przesyłają energię i zasilają nią różne urządzenia.

Baterie alkaliczne mają swoje wady i zalety. Wśród zalet wymienia się najczęściej większą gęstość energii i dłuższy okres przydatności do użycia. Są dużo bardziej wydajne od zwykłych ogniw cynkowych i można ich używać od 5 do 10 razy dłużej. Najmocniejsze ogniwa (LR6) osiągają pojemność rzędu 2500 mAh. Jako najczęstszą wadę można wskazać brak możliwości ładowania – jest to więc bateria jednorazowego użytku i wymaga częstej wymiany – oraz trudności z utylizacją przez wysoką toksyczność.

Rodzaje baterii akumulatorowych: Li-Po i Li-Ion

Problem z jednorazowością baterii rozwiązują akumulatory, czyli ogniwa regenerowalne. Akumulatory (łac. accumulare – gromadzić) to urządzenia, które można naładować ponownie za pomocą prądu elektrycznego o właściwym natężeniu. Najczęściej spotykane, na przykład w elektronarzędziach, są akumulatory litowo-jonowe oraz litowo-polimerowe – opisujemy je poniżej.

Rodzaje akumulatorów:

• litowo-jonowe (Li-Ion),
• litowo-polimerowe (Li-Po),
• niklowo-kadmowe (Ni-Cd),
• niklowo-metalowo-wodorowe (Ni-MH).

Warto w tym miejscu dodać, że akumulatory nie są niezniszczalne ani długowieczne – wytrzymują określoną liczbę cykli ładowania i rozładowania. Jednak mimo tego i tak cieszą się ogromną popularnością, chociażby ze względu na korzyści dla środowiska i domowego budżetu.

Baterie litowo-polimerowe

Jest to wariant akumulatora litowo-jonowego, z tą różnicą, że tu mamy elektrolit w postaci stałej bądź żelowej, a w wersji litowo-jonowej jest on płynny. Bateria akumulatorowa Li-Po zbudowana jest z metalicznego litu i przewodników polimerowych; ma najczęściej 2 lub 3 ogniwa.

Najważniejsze cechy baterii Li-Po:

• znamionowe napięcie wynosi 3,7V,
• najlepiej pracuje w przedziale 20–80% naładowania,
• średnio wytrzymuje 200–350 cykli ładowania i pracy,
• na jej żywotność wpływa sposób użytkowania (ładowania),
• może w dość łatwy sposób ulec rozszczelnieniu,
• stwarza ryzyko tzw. efektu pamięci akumulatora.

Podstawową jej zaletą jest duża pojemność przy niskim ciężarze, ponadto ten rodzaj akumulatora jest lekki i giętki. Wadą jest wyższa cena w porównaniu do baterii Li-Ion oraz ryzyko mniejszej żywotności, jeśli będzie często rozładowywana lub źle użytkowana. Efekt pamięci może wystąpić, gdy ładujemy nie w pełni wyczerpany akumulator oraz wskutek niedoładowania akumulatora. Ważna jest moc ładowania – mniejsza niż 3V prowadzi do upośledzenia pracy, a powyżej 4,2V uszkadza ogniwa, które puchną i może dojść do samozapłonu.

Bateria litowo-jonowa

Budowa baterii Li-Ion to dwie elektrody, z czego jedna jest z węgla, a druga z tlenków metali. Obie elektrody zanurzone są w elektrolitycznej cieczy, zawierającej sole litowe. Zaletą akumulatorów Li-Ion jest wysoka gęstość, która pozwala na gromadzenie większego ładunku w baterii o takim samym rozmiarze. Ważna jest również inna kwestia – brak efektu pamięci, co oznacza, że taką baterię możemy w dowolnym momencie doładować bez ryzyka utraty mocy.

Najważniejsze cechy baterii Li-Ion:

• długa żywotność osiągająca nawet 2000 cykli,
• wydajność i szybkie ładowanie,
• lekkość,
• brak efektu pamięci.

Czas pracy akumulatora litowo-jonowego tak naprawdę zależy tylko od dwóch kwestii: pojemności i zużycia energii. Pojemność baterii Li-Ion wyrażana jest najczęściej w mAh i zmienia się podczas użytkowania. Przykładowo fabryczna pojemność baterii do laptopa 4400 mAh może po roku wynosić 4000 mAh. Spadek pojemności zależy od intensywności i poprawności użytkowania baterii. Nie zaleca się zostawiać rozładowanego do zera akumulatora przez dłuższy czas – baterię należy regularnie ładować.

Kondycja baterii – jak sprawdzić stan baterii akumulatorowej?

Do sprawdzania stanu baterii możemy wykorzystać specjalne testery lub dokonywać pomiarów napięcia ogniw. Problem ten odchodzi w przypadku bardziej nowoczesnych akumulatorów, w które wyposażone elektronarzędzia lub narzędzia ogrodowe. Na przykład elektrosprzęt RYOBI wyposażony jest w akumulatory litowe o zwiększonej pojemności z czterostopniowym wskaźnikiem poziomu naładowania: 100%, 75%, 50% i 25%. Dzięki temu o wiele łatwiej jest kontrolować poziom baterii.

Aby cieszyć się długą żywotnością baterii akumulatorowej, należy o nią dbać. Zasada jest tu prosta: częste ładowanie przedłuża życie baterii. Tym samym każda bateria litowo-jonowa swoje pierwsze ładowanie powinna mieć od razu po zakupie. Najlepiej też ładować od razu po rozładowaniu, nie zaleca się przechowywania akumulatora całkowicie rozładowanego.

Pojemność baterii Li-Ion

RYOBI oferuje akumulatory o zróżnicowanej pojemności od największej – 9.0Ah do najmniejszej – 1.5Ah. Parametr Ah określa liczbę godzin pobierania z akumulatora prądu o natężeniu 1 A w sposób ciągły. Nowa generacja mocniejszych, bardziej wytrzymałych akumulatorów Lithium HIGH ENERGY 6.0Ah i 9.0Ah dostarcza narzędziom więcej mocy oraz zapewnia trzy razy dłuższy czas pracy i o 20% wyższą moc w porównaniu do poprzednich generacji akumulatorów litowych RYOBI.

Dodajmy, że dzięki technologii ONE+ możliwa jest praca z użyciem ponad 200 różnych narzędzi z tym samym akumulatorem.

Jak dbać o baterię litowo-jonową?

O każdy akumulator należy dbać i trzeba wiedzieć też, jak oszczędzać baterię. Należy traktować ją jak każdy delikatny sprzęt elektroniczny, czyli nie poddawać wstrząsom, chronić od uszkodzeń mechanicznych oraz trzymać z dala od światła słonecznego. Najlepszym miejscem na przechowywanie baterii jest miejsce suche, najlepiej ze stałą temperaturą około 15 stopni Celsjusza (im wyższa temperatura, tym większe samorozładowanie). W ten sam sposób powinna być przechowywana ładowarka do baterii.

Każdy producent akumulatorów dołącza wskazówki dotyczące tego, jakie są parametry przechowywania oraz jak długo można przechowywać akumulator i co najlepiej zrobić dla oszczędzania baterii. Dlatego najlepiej zapoznać się z dołączoną kartą katalogową albo zastosować uniwersalne zasady dla wszystkich akumulatorów litowych.