Trudno sobie dziś wyobrazić funkcjonowanie wielu urządzeń codziennego użytku bez baterii czy akumulatorów. Budziki, golarki elektryczne, szczoteczki do zębów, pojazdy elektryczne, zabawki, samochody czy telefony komórkowe to tylko kilka nielicznych przykładów zastosowania baterii czy akumulatorów, należących do chemicznych źródeł prądu. Energia wiązań chemicznych zawartych w nich substancji przekształcana jest na energię elektryczną w wyniku zachodzących reakcji chemicznych.

Fot. 1. Popularne baterie AA różnych producentów. Fot.: www.shtr.eu Fot. 1. Popularne baterie AA różnych producentów. Fot.: www.shtr.eu

Podstawą działania chemicznego źródła prądu jest zestaw substancji czynnych i elektrolitu. W bateriach i akumulatorach zestaw ten funkcjonuje w postaci ogniwa zawierającego elektrody dodatnie i ujemne oraz elektrolit w indywidualnej zamkniętej obudowie. Ogniwa mogą być ogniwami pierwotnymi (do których zalicza się baterie) charakteryzującymi się tym, że wytwarzanie energii elektrycznej odbywa się w nich w wyniku nieodwracalnej reakcji chemicznej i nie można ich ponownie ładować za pomocą innych źródeł elektryczności. Drugą odmianą są ogniwa wtórne, w których wytwarzanie energii elektrycznej następuje w wyniku odwracalnej reakcji chemicznej i można je ładować za pomocą innych źródeł energii elektrycznej. Do tej grupy ogniw zalicza się akumulatory.
Baterie i akumulatory mogą występować w różnych konfiguracjach kształtu i wielkości. Jednostką elektryczną opisującą baterie, według której są one rozróżniane, jest napięcie elektryczne baterii. W przypadku akumulatorów często jednostką tą jest dodatkowo pojemność akumulatora podawana w amperogodzinach (Ah). Bateriom i akumulatorom poświęcony jest cykl norm z serii PN-EN60086. Każda bateria czy akumulator opisana jest odpowiednim oznaczeniem, dzięki czemu producentom sprzętu elektrycznego zasilanego z baterii czy akumulatora łatwo jest wskazać użytkownikowi, jakie źródło powinien do tego urządzenia zakupić. Pierwsza litera w oznaczeniu baterii mówi o technologii, w jakiej została ona wykonana. Druga zaś określa jej kształt jak w poniższym wykazie:

Fot. 2. Bateria litowa. Fot.: www.psdgraphics.com Fot. 2. Bateria litowa. Fot.: www.psdgraphics.com
  • pierwsza litera – technologia wykonania: (brak) – ogniwo cynkowo-węglowe (grafitowe)
  • A – ogniwo cynkowo-powietrzne
    B – ogniwo litowo-węglowe
    C – ogniwo litowo-manganowe
    E – ogniwo litowo-tionylowe
    F – ogniwo litowo-żelazowe
    H – ogniwo niklowo-metalowo-wodorkowe ładowalne (akumulator NiMH)
    K – (oznaczenie spotykane) ogniwo niklowo-kadmowe ładowalne (akumulator Ni-Cd)
    L – ogniwo alkaliczno-braunsztynowe (anoda: cynk; elektrolit: wodorotlenek metalu zasadowego; katoda: tlenek manganu IV)
    M – dawniej: ogniwo rtęciowe; obecnie: ogniwo litowe ładowalne
    P – ogniwo alkaliczno-powietrzne
    S – ogniwo srebrowe
    Z – ogniwo niklowo-manganowe (Ni-Mn)

  • druga litera - kształt ogniwa
  • R – ogniwo cylindryczne
    F – ogniwo płytkowe
    S – ogniwo prostopadłościenne

Fot. 3. Pastylkowa bateria srebrowa. Fot.: www.conrad.pl Fot. 3. Pastylkowa bateria srebrowa. Fot.: www.conrad.pl

Wielorakości baterii wynikają z ich różnych konstrukcji i materiałów użytych do produkcji. To z kolei powoduje, że poszczególne rodzaje baterii różnią się parametrami elektrycznymi. Poniżej przedstawiono podstawowe rodzaje baterii.

  • Baterie cynkowo-węglowe – mają znamionowe napięcie ogniwa o wartości 1,5 V. Jest to najstarszy rodzaj baterii wprowadzonych do powszechnej sprzedaży. Baterie te zwane też są często bateriami cynkowo-grafitowymi. Wykorzystywane są do zasilania urządzeń o małym prądzie (do 100 mA). Charakteryzują się niskim kosztem produkcji i niską ceną. Baterie tego typu nie mogą być pozostawione w urządzeniu, jeśli są wyczerpane. Bardzo często następuje z nich wyciek elektrolitu, co może spowodować zniszczenie urządzeń. Można spotkać je w latarkach, zabawkach, kalkulatorach, zegarach itp.
  • Baterie alkaliczne – o napięciu ogniw 1,5 V. Tego typu baterie dobrze sprawdzają się w urządzeniach o średnim (100-300 mA) i dużym poborze prądu (rzędu 0,5 C; liczbowo prąd wielkości jemności 1000 mAh mówimy o obciążeniu prądem 500 mA). Charakteryzują się większą pojemnością, dłuższą żywotnością i szerszym zakresem temperatur pracy (-30°C...+70°C) w stosunku do baterii cynkowo-węglowych. Czas przechowywania baterii alkalicznych wynosi około 5-7 lat i jest dłuższy, niż w przypadku baterii cynkowo-węglowych – gdzie czas przechowywania wynosi maksymalnie 2 lata. Wylania elektrolitu (po całkowitym rozładowaniu) zdarzają się zdecydowanie rzadziej. Baterie alkaliczne są zdecydowanie droższe od ich odpowiedników w wersji cynkowo-węglowej.
  • Baterie cynkowo-powietrzne – charakteryzujące się przede wszystkim bardzo długim czasem przechowywania, który praktycznie jest nieograniczony dopóki nie zostaną wystawione na działanie powietrza. Po „aktywacji” czas działania tego typu baterii nie jest zbyt długi i wynosi 3-4 miesiące. Zastosowanie znajdują w aparatach słuchowych i urządzeniach telemetrycznych.
  • Baterie litowo-manganowe – to baterie o napięciu znamionowym ogniw wynoszącym 3 V. Ich podstawową cechą jest duża odporność na wahania temperatury oraz bardzo duża gęstość energii. Pozwala to na uzyskanie z baterii o rozmiarze AA trzykrotnie więcej energii, niż z takiej samej wielkości baterii alkalicznej. Baterie litowe są powszechnie stosowane w urządzeniach wymagających niezawodności. Mogą pracować w zakresie temperatur -40°C...+65°C i charakteryzują się niskim współczynnikiem samorozładowania, dzięki czemu czas ich przechowywania sięga nawet 10 lat.
  • Baterie litowe (Li-FeS2) – zostały wprowadzone na rynek konsumencki w 2007 r. przez firmę Energizer. Ich napięcie znamionowe wynosi 1,7 V, a charakteryzują się odpornością na zmiany temperatury i bardzo długim czasem przydatności do użytku – nawet do 15 lat. Baterie litowe są bardzo odporne na rozładowanie dużym prądem np. w lampach błyskowych aparatów fotograficznych. Przy obciążeniu dużym prądem rozładowania baterie litowe wykazują 4 razy większą pojemność od baterii alkalicznych.
  • Baterie srebrowe – mają nieco wyższe napięcie znamionowe wynoszące 1,55 V. Rozpoznawane są także pod nazwami baterii tlenkowo-srebrowych lub srebrowo- -cynkowych. Dzięki stabilnemu napięciu wyjściowemu znajdują zastosowanie w urządzeniach czułych na zmiany napięcia zasilania. Przeciekające baterie srebrowe są niebezpieczne dla środowiska, co stanowi duży problem przy przechowywaniu zużytych ogniw.
Fot. 4. Akumulator SBL 200-12i. Fot.: WAMTECHNIK Fot. 4. Akumulator SBL 200-12i. Fot.: WAMTECHNIK

Spośród wyżej opisanych rodzajów baterii najbardziej powszechne tzw. „zwykłe”, które kupujemy w sklepie jako np. baterie AA lub AAA to baterie cynkowo- -węglowe lub ich nieco droższe odmiany alkaliczne.
Akumulatory mają tę przewagę nad bateriami, że możemy korzystać z ich energii wielokrotnie. Po rozładowaniu wystarczy je ponownie naładować, używając odpowiedniej ładowarki, tzn. przeznaczonej do danego typu akumulatora.
Wyróżnia się poniższe typy akumulatorów.

  • Akumulatory kwasowo-ołowiowe – najbardziej powszechnym miejscem ich stosowania są samochody. Każdy akumulator składa się z pojedynczych cel o napięciu nominalnym 2 V. Większość akumulatorów składa się z 3 do 6 cel – co daje napięcie akumulatora 6 lub 12 V. Należą do grupy akumulatorów tanich i w razie konieczności mogą dostarczać duży prąd (np. do rozruchu silnika). Ich wadą jest dość duża masa przypadająca na jednostkę pojemności. Wykonuje się je jako obsługowe lub bezobsługowe – czyli bez dostępu do cel. Podgrupą tego typu akumulatorów są akumulatory AGM, w których elektrolit jest zaabsorbowany w separatorze wykonanym z maty szklanej. Poprzez taki rodzaj wypełnienia przestrzeni międzyelektrodowej zlikwidowano możliwość wycieku elektrolitu z uszkodzonego mechanicznie akumulatora. Akumulatory AGM znajdują zastosowanie w systemach podtrzymania zasilania UPS.
  • Akumulatory żelowe – elektrolitem w tego typu akumulatorach jest zżelowany kwas siarkowy. Zaletą akumulatorów żelowych jest dobra odporność na ubytek elektrolitu podczas pracy elektrycznej oraz małe samorozładowanie. Akumulatory żelowe mają zdecydowanie najdłuższą żywotność – ok. 12 lat, a także największą możliwą liczbę cykli ładowania/rozładowania. Poza tym charakteryzują się dobrą odpornością na zmiany temperatury zewnętrznej, co jest dość istotną zaletą w naszym zmiennym klimacie. Niestety są one zdecydowanie droższe, niż ich odpowiedniki kwasowo-ołowiowe.
  • Akumulator NiCd (niklowo-kadmowy) – nominalne napięcie akumulatorów Ni-Cd wynosi 1,2 V. Akumulatory Ni-Cd charakteryzują się dobrą wydajnością w zastosowaniach wymagających większych prądów i/lub niskich temperatur. Poza tymi cechami są one odporne na głębokie rozładowania – nawet do 0,9 V. Mają jednak tzw. efekt pamięci, który pojawia się przy niewłaściwym użytkowaniu tego typu akumulatora i związany jest z rozpoczęciem ładowania, zanim nastąpi całkowite jego rozładowanie. Powoduje on zmniejszenie pojemności akumulatora, co docelowo przekłada się na czas pracy urządzenia zasilanego tym akumulatorem. Akumulatory Ni-Cd nadal są stosowane głównie ze względu na niską cenę. Często spotykane są w tańszych elektronarzędziach oraz dość powszechnie w oświetleniu awaryjnym i ewakuacyjnym.
  • Akumulator NiMH (niklowo-wodorkowy) – ma napięcie nominalne 1,2 V i nie zaleca się rozładowania głębszego, niż 1,1 V. Ich cechą charakterystyczną jest brak efektu pamięci, ale za to przejawiają efekt tzw. „leniwej baterii” polegający na tym, że w przypadku naładowania akumulatora przed uprzednim jego całkowitym rozładowaniem jego napięcie nieco spada.
  • Akumulator Li-Ion (litowo-jonowy) – znamionowe napięcie pojedynczego ogniwa wynosi 3,7 V. Z tego względu tego typu akumulatory nie mogą być bezpośrednimi zamiennikami powyżej opisanych niklowo-kadmowych czy niklowo- -wodorkowych. Stosowane są tam, gdzie wymagana jest duża moc, a waga i rozmiar mają być minimalne. Ich podstawową zaletą jest brak efektu pamięci oraz brak efektu „leniwej baterii”. Ponieważ są wrażliwe na przeładowanie (grozi to wybuchem akumulatora) proces ich ładowania jest nieco bardziej rygorystyczny, niż w obu powyżej wymienionych przypadkach. Powoduje to, że ładowarki akumulatorów Li-Ion są nieco bardziej skomplikowane w konstrukcji, a zatem też droższe.
  • Akumulator litowo-polimerowy – jest odmianą akumulatora Li-Ion. Podstawową zaletą tego typu akumulatorów jest to, że można je wykonywać w dowolnym kształcie i stosunkowo cienkie. To spowodowało, że znalazły szerokie zastosowanie choćby w telefonach komórkowych, czy innych urządzeniach mobilnych. Ogniwa litowo-polimerowe praktycznie wykazują takie same właściwości jak akumulatory litowo-jonowe.
  • Akumulator nanofosfatowy – to najnowocześniejsza odmiana akumulatorów litowo-jonowych. Akumulatory te oznaczane są symbolem LiFePO4. Charakteryzują się one znamionowym napięciem na poziomie 3,25 V oraz bardzo dużą gęstością mocy i energii. Tego typu akumulatorów nie należy rozładowywać do napięcia poniżej 2 V. Akumulatory LiFe- PO4 charakteryzują się także bardzo dużą żywotnością.
Fot. 5. Akumulatory Li-Ion do profesjonalnych
elektronarzędzi. Fot.: BOSCH Fot. 5. Akumulatory Li-Ion do profesjonalnych elektronarzędzi. Fot.: BOSCH

Użytkowanie baterii ogranicza się do wyboru właściwego modelu, zakupu, zainstalowania w urządzeniu, a po zużyciu oddania baterii do utylizacji. W przypadku akumulatorów zasad ich poprawnej eksploatacji jest nieco więcej. Akumulatory bowiem mogą być narażone na uszkodzenia z wielu różnych powodów, a przede wszystkim wymagają odpowiedniego przechowywania oraz ładowania. Każdy typ akumulatora wymaga innego sposobu ładowania – co wynika z jego budowy. Ze względu na sposób sterowania ładowaniem, ładowarki akumulatorów można podzielić na sterowane zegarowo lub procesorem. Przed wyborem akumulatora należy zawsze zastanowić się, jaki typ będzie najbardziej odpowiedni do naszego zastosowania, czy będzie eksploatowany codziennie czy tylko sporadycznie, czy zasilane nim urządzenie wymaga dużego prądu, jaki maksymalny gabaryt i kształt jest dopuszczalny? Znając odpowiedzi na te pytania oraz specyfikę budowy i parametrów poszczególnych typów akumulatorów, można dopiero w sposób świadomy i poprawny dokonać wyboru właściwego akumulatora. Na zakończenie warto podkreślić, że pod żadnym pozorem nie wolno wyrzucać akumulatorów i baterii do śmieci. Zawsze zużyte ogniwa należy oddać do punktu zbiórki tego typu urządzeń, skąd trafiają one do utylizacji. Punkty zbiórki zużytych baterii i akumulatorów znajdują się choćby w sklepach czy marketach budowlanych lub narzędziowych – zatem dostęp do tego typu punktów jest bardzo powszechny. Taki sposób utylizacji wynika z faktu, że baterie czy akumulatory zawierają metale ciężkie (m.in.: ołów, kadm, rtęć) oraz kwasy bądź zasady tworzące elektrolit, które mają właściwości żrące i korozyjne. Stwarza to zagrożenie dla życia ludzkiego i środowiska naturalnego. W związku z powyższym warto, zanim dokonamy kolejnego zakupu baterii czy akumulator, sprawdzić, czy nie posiadamy ich w domu. Warto też zamieniać baterie na akumulatory, gdyż mogą być one wielokrotnie ładowane i dzięki temu dłużej użytkowane. Takie działania na pewno ograniczą liczbę baterii wprowadzanych na rynek, a zatem ograniczą także ich szkodliwy wpływ na środowisko.

Robert Gabrysiak