Za tajemstvím baterií

Baterie a péče o ně jsou vděčným námětem debat majitelů mobilních telefonů. Podklady pro dnešní článek jsme čerpali z materiálů Isidora Buchmanna.

Závisí aktivní doba přenosných zařízení přímo na velikosti akumulátoru a jeho kapacitě? Ve většině případů lze odpovědět "ano". U digitálního zařízení ale aktivní doba nemusí být vždy v lineární závislosti na množství uložené energie.

V tomto článku se zaměříme na to, proč často není možné uvedené aktivní doby dosáhnout, obzvláště v případech, kdy je akumulátor již nějakou dobu v provozu. Budeme se zabývat otázkami týkajícími se klesání kapacity akumulátorů a možností obnovení jejich původní výkonnosti, vysokým vnitřním odporem a jeho vlivem na aktivní dobu akumulátorů, zvýšeným samovybíjením a faktory, které k němu přispívají, a vysokým vypínacím napětím, které brání plnému využití dostupné energie.

Nízká kapacita
Elektrický náboj, který dokáže akumulátor uchovávat, se díky opotřebení, stárnutí a u některých typů kvůli nedostatečné údržbě postupně snižuje. Má-li nově zakoupený akumulátor kapacitu 100%, tato kapacita se bude postupně snižovat a při poklesu na 70% nebo 60% bude nutno akumulátor vyměnit. Jako hranice pro záruku se běžně používá 80%.

Obr. 1 Toto imaginární složení akumulátoru obsahuje sekci použitelné energie, prázdnou sekci a sekci se "zkamenělým" obsahem. S opotřebením a stářím se tato zkamenělá sekce rozšiřuje. Pokud uživatel akumulátor pravidelně nekontroluje, může s sebou po čase místo akumulátoru nosit jen kamení.

Zásobárnu energie v akumulátoru lze rozdělit do tří imaginárních sekcí: je to část s použitelnou energií, prázdná část, kterou je možno energií znovu naplnit, a "zkamenělina", která je již nepoužitelná. Tyto tři sekce akumulátoru ilustruje obrázek č. 1. V akumulátorech na bázi niklu může tato zkamenělina existovat ve formě krystalických formací, známých spíše pod názvem "paměť". Ke ztrátě schopnosti přijímat elektrický náboj dochází u Li-ion akumulátorů vlivem oxidace a koroze článků, které se objevují při provozu jako součást stárnutí. Snižování výkonnosti je u olověných akumulátorů způsobena sulfatací - tenkou vrstvičkou která se usazuje na deskách článku a zabraňuje průtoku proudu. U ventilem regulovaných olověných akumulátorů (verze VRLA) vstupuje do hry i prostupování vody nebo ztráta elektrolytu. Kapacitu akumulátorů na bázi niklu je možné často obnovit hlubokou cyklací. Ta je známá i jako "procvičení" akumulátoru. Typický cyklus se skládá z jednoho nebo několika vybití až na jeden volt na článek a z následných opakovaných vybití.

Kromě samotného procvičení jsou dnes již k dispozici i efektivnější metody k oživení akumulátorů. Po běžném vybití na jeden volt na článek (prahová hodnota, která je považována za konec vybíjení) akumulátor i nadále ztrácí napětí, i když při podstatně zredukovaném proudu, a to až na teoretickou hodnotu 0 voltů. Tato metoda, známá jako "obnovení", poruší krystalické formace, obnoví chemickou strukturu článku a niklové akumulátory efektivně oživí. Sestavy, které se jinak vyhazují, je takto možné znovu uvést do plnohodnotného provozu. Nutno však poznamenat, že některé z těchto akumulátorů mohou vykazovat vysoké samovybíjení způsobené krystalickou formací, která poškodila materiál separátoru. Tento problém je běžný u starších akumulátorů.

Jestliže není možno dosáhnout uživatelem nastavené cílové kapacity, analyzér Cadex C7000 uvedený na obrázku č. 2 automaticky spustí obnovovací cyklus. Selektor cílové kapacity, která se normálně nastavuje na 80%, identifikuje slabé akumulátory a pokusí se je obnovit. Pokud se nedosáhne cílové kapacity ani po obnovení, doporučuje se akumulátor vyměnit. Výhodou tohoto systému je prodloužení životnosti akumulátoru a zajištění, aby všechny akumulátory v systému splňovaly minimální požadovanou výkonnost.

Lithium-iontové akumulátory není možné obnovit cyklováním ani použitím externích prostředků. Ztráta kapacity je trvalá, protože kovy použité v článcích jsou zkonstruovány tak, aby pracovaly pouze po určitou dobu, během níž se stráví. Tento přístup byl zvolen částečně z ekologických důvodů, neboť některé chemikálie používané k maximálnímu zvýšení kapacity jsou vysoce toxické. V době likvidace je ale úroveň toxicity těchto akumulátorů již na rozumně nízké úrovni.

O životnosti v cyklickém provozu a procesu stárnutí nových lithium-polymerových akumulátorů nejsou dostupné dostatečné informace. Lithium-polymerové akumulátory, známé i pod názvem "plastové akumulátory", jsou konstruovány podobně jako lithium-iontové. Hlavním rozdílem je, že jejich elektrolyt je ve formě gelu. Zpevnění elektrolytu umožňuje zjednodušit konstrukci celého článku, protože nehrozí nebezpečí jeho vytečení.

Výrobci pracují na dalším zlepšování výrobního procesu Li-polymerů. Jakmile bude tento vývoj dokončen a výroba dosáhne velkých sérií, očekává se, že Li-polymer bude levnější než Li-ion. Přednostmi tohoto výborného nového systému jsou menší rozměry a nižší hmotnost.

Pokud se olověný akumulátor skladuje ve vybitém stavu nebo udržuje na nízkém napětí, sulfatuje. Jeho obnovení je obtížné a někdy zcela nemožné, obzvlášť, pokud byl akumulátor v tomto stavu dlouhou dobu. Pokud akumulátor skladujete, měli byste ho dobít každého půl roku nebo pokaždé, když jeho napětí klesne pod 2,10 voltů.

Obr. 2: Jestliže není možné dosáhnout uživatelem nastavené cílové kapacity, analyzér akumulátorů Cadex C7000 automaticky spustí obnovovací cyklus. Akumulátory, které nedosáhnou nastavené hodnoty kapacity, jsou vyřazeny, aby všechny akumulátory v sestavě měly vždy alespoň minimální požadovanou výkonnost.

Vliv vysoké a nízké impedance akumulátoru na zatížení  Nízká impedance Normální akumulátor Obr. 3: Akumulátor s nízkou impedancí. Akumulátor s nízkou impedancí má neomezený průtok proudu a vydává veškerou dostupnou energii Vysoká impedance Vadný akumulátor Obr. 4: Akumulátor s vysokou impedancí. Akumulátor s vysokou impedancí nemůže kvůli zúženému průchodu dodávat proud ve velkých dávkách a předčasně vypíná připojené zařízení

Vysoká impedance Vnitřní odpor známý i jako impedance je "vrátným" akumulátoru, který do značné míry určuje jeho výkon i provozní životnost. Vysoká impedance přiškrcuje tok energie z akumulátoru do napájeného zařízení. Na obrázcích 3 a 4 je zobrazen simulovaný případ nízké a vysoké impedance. Pokud je z akumulátoru s vysokou impedancí vyžadován velký proud, napětí spadne a spustí indikátor "low battery". I když akumulátor může mít ještě dostatečnou kapacitu, zařízení se odpojí a zbývající energie zůstane nedostupná. NiCd akumulátory mají ze všech komerčních akumulátorových systémům nejnižší impedanci a jsou schopny dodávat energii i po 1000 cyklech. Ve srovnání s nimi NiHM akumulátory začínají s vyšší impedancí, jejíž hodnoty se po 300 - 400 cyklech dále zvyšují. Li-ion nabízí o něco lepší impedanční charakteristiku než NiMH, která ale není tak dobrá jako v případě NiCd. U Lithium-iontových akumulátorů nepřispívá ke zvyšování impedance používání, ale stárnutí. Jejich běžná životnost je dva roky bez ohledu na to, zda jsou používány či nikoliv. Udržování akumulátoru na nízké impedanci je důležité obzvláště u digitálních mobilních telefonů a přístrojů vyžadujících velký nárazový proud. Pokud akumulátory na bázi niklu řádně neudržujete, může se jejich impedance drasticky zvýšit. U NiCd akumulátorů byla zaznamenána impedance i dvakrát vyšší než je standard. Po použití analyzéru C7000 a aplikování obnovovacího cyklu se ale hodnoty vrátily do normálu. Má se zato, že proces obnovení očistí desky článku od nežádoucích krystalických formací, což obnoví řádný průtok proudu.

Impedanci Lithium-iontových akumulátorů není možné cyklováním snížit, protože oxidace článku, která vysokou impedanci způsobuje, je nevratným jevem. Stav olověných akumulátorů je někdy možné zlepšit cyklováním, dobitím nebo vyrovnávacím nabitím, které redukují proudu bránící sulfatační vrstvu.

Obr 5: Křivka vybíjení. Porovnání aktivní doby akumulátoru se stejnou kapacitou a s vysokou, střední a nízkou impedancí při připojení na pulsní zatížení.

Na obrázku 5 srovnáváme průběh napětí a odpovídající aktivní dobu akumulátoru s nízkou, stření a vysokou impedancí při připojení na digitální zátěž. Tak jako se měkký míč při stlačení deformuje, tak napětí akumulátoru s vysokou impedancí "vlaje" jako prapor ve větru. Pulsy proudu tlačí napětí dolů (k úrovni konce vybíjení), což má za následek předčasné odpojení.

Pokud po odpojení zátěže akumulátor změříte voltmetrem, napětí na kontaktech se běžně "vzpamatuje" a voltmetr zobrazí normální hodnotu. K tomuto jevu dochází hlavně u akumulátorů na bázi niklu. Upozorňujeme, že u tohoto chemického procesu není možno stav nabití odhalit pouze měřením napětí.

Akumulátor s vysokou impedancí může pracovat bez problémů, pokud je zatěžován citlivou zátěží, jakou představují blesky fotoaparátů nebo přenosné přehrávače kompaktních disků. U těchto typů zatížení je možno spotřebovat veškerou energii a nedostatky způsobené vysokou impedancí se ve větší míře neprojevují.

Impedanci akumulátorů je možné měřit samostatně vyhrazenými měřiči impedance. K tomu existuje několik metod, mezi něž patří metody střídavé a stejnosměrné zátěže a pulsní metoda. Každá z nich přináší trochu odlišné hodnoty výsledku.

Analyzér Cadex C7000 nabízí měření impedance jako součást pětisekundového rychlého testu, který se nazývá OhmTest. Kontrola impedance je zahrnuta ve všech servisních programech. Její hodnoty se zobrazují na displeji spolu s naměřenými hodnotami kapacity měřeného akumulátoru. Test impedance se provádí v době, kdy je během nabíjecího cyklu zobrazená hodnota nejnižší.

Velké samovybíjení
Všechny akumulátory vykazují určité samovybíjení, které je nejmarkantnější u akumulátorů na bázi niklu. Podobně jako stlačená pružina se i akumulátor snaží vrátit do uvolněného stavu, který pro něj představuje návrat do nejnižší formy energie.

K největšímu poklesu energie dochází během prvních 24 hodin po nabití. Empiricky platí, že niklové akumulátory ztratí během prvních 24 hodin po nabití 10-15% své kapacity a poté dalších 10-15% každý následující měsíc.

Vliv impedance na vysokou zátěž   Obr. 6: Akumulátor s velkým samovybíjením. Akumulátor postupně ztrácí náboj vlivem samovybíjení. Samovybíjení podporuje zvýšená teplota, velký počet prodělaných cyklů a stáří. Problém nastane, pokud se energie během dne ztratí v důsledku samovybíjení a ne praktickým používáním.

Samovybíjení lithium-iontových akumulátorů je nižší než u niklových systémů. Jedním z nejkvalitnějších akumulátorů z hlediska samovybíjení je systém olova a kyseliny, který samovybíjením ztrácí pouhých 5% za měsíc. Je ale zároveň třeba uvést, že rodina produktů na bázi olova má mezi stávajícími systémy nejnižší hustotu energie. Tím je toto chemické složení nevhodné pro napájení ručních přístrojů. Proto se olověné akumulátory používají ve stacionárních zařízeních, jakými jsou nouzová osvětlení nebo UPS; nebo k pohonu elektrických vozíků jako jsou kolečková křesla nebo golfové vozíky.  Samovybíjení se u akumulátorů všech chemických složení zvyšuje s teplotou. Obecně se jeho rychlost s každými 10°C zdvojnásobí. K velkým ztrátám energie samovybíjením dochází, je-li akumulátor ponechán v horkém vozidle. Problém nastane, pokud se energie během dne ztratí v důsledku samovybíjení a ne praktickým používáním. Tento fenomén je poměrně běžný u starších sestav.

Samovybíjení akumulátorů se zvyšuje s věkem a používáním. NiMH akumulátor například vydrží 300-400 cyklů, zatímco NiCd typ pracuje srovnatelně po dobu přes 1000 cyklů než ho z provozu vyřadí velké samovybíjení. Li-ion a olověné akumulátory nezvyšují samovybíjení po velkém počtu cyklů stejným tempem jako jejich příbuzní na bázi niklu.

Jakmile začne akumulátor vykazovat velké samovybíjení, není k jeho záchraně dostupná žádná metoda. Příčinami zrychlování samovybíjení jsou separátory poškozené velkými krystalickými formacemi, var akumulátorů při nabíjení a vysoký počet cyklů, který podporuje jejich zpuchření.

K měření samovybíjení akumulátorů neexistuje žádný jednoduchý a rychlý test. Analyzátor můžete použít ke kontrole samovybíjení tak, že změříte původní kapacitu po plném nabití a po řekněme 12 hodinách provedete její nové měření. Cadex C7000 tento úkol provádí automaticky.

Vysoké vypínací napětí
Dobře zkonstruovaná přenosná zařízení pracují v širokém napěťovém spektru. I když elektronické obvody se navrhují tak, aby pracovaly pod čím dál nižším napětím, některá přenosná zařízení nedokáží napětí akumulátoru na konci spektra plně využít. V takovém případě se zařízení vypne ještě před dosažením limitního vybíjecího napětí a část cenné energie zůstane v akumulátoru nezužitkována. Takový akumulátor ukazuje obrázek 7.

Problém vysokého vypínacího napětí je častější, než se obecně předpokládá. Určitý typ mobilního telefonu například vypíná na jednočlánkovém Li-ion akumulátoru při 3,3 voltech, i když byl tento akumulátor zkonstruován na vybíjení až na 3 volty nebo i níže. Při vybíjení do 3,3 voltů se využívá jen asi 70% z očekávané 100% kapacity. Jiný mobilní telefon slavného výrobce používající NiMH a NiCd akumulátory zkonstruované na vybíjení do 5 voltů vypíná už při 5,7V. Když tyto akumulátory po odpojení zařízení na analyzéru vybijete až k odpovídajícímu prahu vybíjení, naměříte zbytkovou kapacitu až 60%. Tento fenomén je výrazný hlavně u akumulátorů s vysokou impedancí a u sestav pracujících za zvýšených teplot.

Zbývající energie po odpojení napájeného zařízení

Obr. 7: Ilustrace zařízení s vysokým vypínacím napětím. Některá přenosná zařízení nezužitkují z akumulátoru veškerou dostupnou energii a nechávají její cenné zbytky ladem.

I když se vysoké vypínací napětí týká převážně připojeného zařízení, v některých případech je problém předčasného vypnutí způsoben akumulátorem s nízkým napětím. Nízké napětí často vzniká v sestavách obsahujících zkratované články. Paměť je dalším prvkem způsobujícím pokles napětí. Tento fenomén se ale objevuje pouze u systémů na bázi niklu, které nebyly řádně udržovány. Napětí všech akumulátorových systémů snižují i vyšší teploty. Ztráta napětí v důsledku vysoké teploty je dočasná a po zchladnutí akumulátoru se napětí normalizuje.

Rekapitulace

Aktivní doba, kterou uvádí výrobce zařízení, není v lineárním vztahu s kapacitou akumulátoru. To platí obzvláště v případech, kdy do hry vstupují negativní vlivy jako stárnutí nebo podmínky prostředí. Je běžnou praxí, že výrobci své produkty testují za ideálních podmínek, testují perfektní zařízení napájené novým akumulátorem za mírné provozní teploty. Uživatel se pak diví, proč se jeho konkrétní přístroj chová jinak a proč se mu nikdy nedaří dosáhnout optimistických hodnot aktivní doby uváděných ve specifikaci.

I když se technologie akumulátorů v průběhu posledního desetiletí zlepšila, pokrok zdaleka nebyl tak dramatický jako v oblasti mikroelektroniky. Maximalizace kapacity a nekonečné zmenšování rozměrů akumulátorů přinesly vedlejší účinky, k nimž patří vyšší impedance a zvýšené samovybíjení, nemluvě o kratší životnosti a vyšších provozních nákladech.

Obecně řečeno, moderní zařízení disponují delšími aktivními dobami než stroje, které nahradila. Zásluhu na tom mají nejen samotné akumulátory, ale i vylepšené elektronické obvody, které jsou dnes méně hladové po energii.

Při pohledu do budoucnosti nejsou na dohled žádná okamžitá řešení, která by vyřešila nedostatky dnešních akumulátorů. Dokud budou naše akumulátory založeny na elektro-chemických procesech, jsme vázáni na zásobárny energie, které jsou drahé, "náladové", nepředvídatelné, velké, těžké, pomalu se nabíjející a mající krátkou životnost.

Takové akumulátory, jaké existují v technologii palivových článků a které běží na základě nepřerušené dodávky paliva, nejsou dosud pro ručí přístroje a nástroje dostupné. Jednoho dne bude možná zcela běžně vidět i mobilní telefony a notebooky napájené palivovými články. Jestliže k tomu dojde, bude uživatel v kufříku nosit jako rezervu láhev s tekutou energií místo dnešní obligátní nabíječky.