Technologie wykonania baterii i akumulatorów.
2023-07-09 14:56:00Na rynku spotykanych jest wiele rodzajów baterii i akumulatorów. Niektóre z nich noszą oznaczenia, które warto znać, aby dokonać odpowiedniego wyboru.
Istnieje kilka rodzajów akumulatorów stosowanych w różnych zastosowaniach. Oto kilka głównych rodzajów akumulatorów:
Akumulatory kwasowo-ołowiowe (Lead-Acid Batteries): To najbardziej powszechny rodzaj akumulatora. Składają się z ołowiowych płytek i kwasu siarkowego jako elektrolitu. Akumulatory kwasowo-ołowiowe są stosunkowo tanie, mają dużą pojemność energetyczną i są w stanie dostarczać duże prądy rozładowania.
Istnieją dwa główne rodzaje akumulatorów kwasowo-ołowiowych:
Akumulatory rozruchowe (Starting Batteries): Są one również nazywane akumulatorami zwykłymi i są powszechnie stosowane w samochodach i motocyklach. Mają za zadanie dostarczyć krótkotrwały, ale intensywny prąd rozruchu, który jest potrzebny do uruchomienia silnika pojazdu. Akumulatory rozruchowe są projektowane tak, aby miały wysoką gęstość energii i krótkotrwałe wydajność, umożliwiając skuteczne rozruchy silnika.
Akumulatory cykliczne (Deep-Cycle Batteries): Akumulatory cykliczne są przeznaczone do cyklicznego rozładowywania i ładowania. Charakteryzują się większą grubością płytek ołowiowych, co zapewnia większą wytrzymałość i dłuższą żywotność w przypadku głębokiego rozładowania i częstych cykli ładowania. Akumulatory cykliczne są stosowane w systemach zasilania awaryjnego, przyczepach kempingowych, łodziach, wózkach golfowych, systemach fotowoltaicznych itp.
istnieją także akumulatory kwasowo-ołowiowe o specjalnych zastosowaniach, takie jak:
Akumulatory AGM (Absorbent Glass Mat): W akumulatorach AGM elektrolitem jest matowa mata szklanofibrowa nasączona kwasem siarkowym. Matowa struktura pomaga wchłaniać i zatrzymywać elektrolit, co zapewnia lepsze trzymanie płytek ołowiowych. Akumulatory AGM są popularne w systemach zasilania awaryjnego, telekomunikacji, systemach alarmowych itp.
Akumulatory żelowe (Gel Batteries): Akumulatory żelowe mają dodatkową warstwę żelu wewnątrz akumulatora, która utrzymuje elektrolit w postaci żelu. Ta konstrukcja zapewnia większą stabilność elektrolitu i zmniejsza ryzyko wycieku. Akumulatory żelowe są stosowane w aplikacjach, gdzie wymagana jest większa odporność na wibracje i trudne warunki, takie jak łodzie, pojazdy terenowe, systemy fotowoltaiczne itp.
Akumulatory kwasowe mogą być wykonane w technologi VRLA.
Skót "VRLA" odnosi się do typu akumulatora ołowiowo-kwasowego, który jest zabezpieczony przed wyciekiem elektrolitu. "VRLA" to skrót od anglojęzycznego terminu "Valve-Regulated Lead-Acid", co można przetłumaczyć jako "ołowiowo-kwasowy akumulator regulowany zaworowo".
Akumulatory VRLA są również znane jako akumulatory bezobsługowe, ponieważ nie wymagają regularnego uzupełniania wody destylowanej. Zamiast tego są wyposażone w zawór, który reguluje ciśnienie wewnątrz akumulatora i utrzymuje właściwy poziom elektrolitu.
Istnieją dwa główne rodzaje akumulatorów VRLA: akumulatory kwasowo-ołowiowe (AGM) i akumulatory żelowe. Obydwa typy używają maty szklanofibrowej do utrzymania elektrolitu, jednak akumulatory żelowe mają również dodatkową warstwę żelu, która zapewnia większą stabilność elektrolitu podczas poruszania się akumulatora.
Akumulatory VRLA są szeroko stosowane w różnych zastosowaniach, takich jak zasilanie awaryjne (np. w systemach UPS), energii słonecznej, telekomunikacji, zasilanie elektrycznych pojazdów inwalidzkich, a także w samochodach i motocyklach. Ich zabezpieczenie przed wyciekiem elektrolitu sprawia, że są bardziej praktyczne i bezpieczne w użytkowaniu w porównaniu do tradycyjnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych.
Akumulatory niklowo-kadmowe (Nickel-Cadmium Batteries - NiCd): Wykorzystują elektrody niklowe i kadmowe oraz potażowo-wodorotlenkowy elektrolit. Charakteryzują się dużą wydajnością przy dużych prądach rozładowania i są odporne na cykle głębokiego rozładowania. Jednak zawierają toksyczny kadm, co wpływa na ich ekologiczny profil.Warto zauważyć, że choć akumulatory NiCd były popularne w przeszłości, obecnie ich popularność spada ze względu na ograniczenia środowiskowe. Obecnie akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH) i akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) są bardziej powszechne jako alternatywa dla akumulatorów NiCd.
Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe (Nickel-Metal Hydride Batteries - NiMH): Podobne do akumulatorów NiCd, ale zamiast kadmowych elektrod wykorzystują metalowo-wodorkowe elektrody. Są bardziej ekologiczne niż akumulatory NiCd i mają większą gęstość energii, ale są mniej wydajne w wysokich prądach rozładowania.
Rodzaje baterii niklowo-metalowo-wodorkowych (Nickel-Metal Hydride - NiMH) obejmują różne konfiguracje i rozmiary. Oto kilka głównych rodzajów baterii NiMH:
Baterie AA i AAA: Są to najpopularniejsze rozmiary baterii NiMH i znajdują szerokie zastosowanie w wielu urządzeniach, takich jak piloty, zegarki, kamery, zabawki, odtwarzacze muzyczne itp. Baterie AA mają większą pojemność niż AAA, ale oba rodzaje są ładowalne i mogą być używane wielokrotnie.
Baterie do aparatów fotograficznych: Istnieją dedykowane baterie NiMH, zaprojektowane specjalnie do zasilania aparatów fotograficznych. Są one często oznaczane jako "baterie foto" lub "baterie do aparatu".
Baterie do narzędzi elektrycznych: Baterie NiMH są również stosowane w narzędziach elektrycznych, takich jak wiertarki, wkrętarki, pilarki itp. Często mają większą pojemność i wydajność, aby sprostać wymaganiom narzędzi o większej mocy.
Baterie do telefonów komórkowych: Chociaż baterie litowo-jonowe (Li-ion) są bardziej powszechne w telefonach komórkowych, istnieją także baterie NiMH dostępne jako alternatywa. Mogą być stosowane jako zamienniki dla oryginalnych baterii, zwłaszcza w starszych modelach telefonów.
Baterie do samochodów hybrydowych: Baterie NiMH są również wykorzystywane w niektórych samochodach hybrydowych jako źródło energii dla układu napędowego. Oferują one odpowiednią pojemność i wydajność, umożliwiając efektywne działanie pojazdu.
Wszystkie te rodzaje baterii NiMH mają podobne właściwości, takie jak ładowalność, większa pojemność niż baterie alkaliczne, brak efektu pamięciowego (przeładunku), ale mają pewne różnice w zastosowaniach i wydajności.
Akumulatory litowo-jonowe (Lithium-Ion Batteries - Li-ion): Są to obecnie najpopularniejsze akumulatory stosowane w urządzeniach przenośnych, takich jak telefony komórkowe, laptopy, tablety itp. Wykorzystują litową sól jako elektrolit. Charakteryzują się wysoką gęstością energii, niskim samorozładowaniem i brakiem efektu pamięciowego.
Rodzaje akumulatorów litowo-jonowych (Lithium-Ion - Li-ion) różnią się od siebie głównie pod względem konstrukcji i składu materiałów katodowych oraz elektrolitu. Oto kilka głównych rodzajów akumulatorów litowo-jonowych:
Li-ion Cobalt (LiCoO2): Jest to najpopularniejszy rodzaj akumulatora litowo-jonowego. Wykorzystuje tlenek kobaltu jako materiał katodowy. Akumulatory Li-ion Cobalt charakteryzują się wysoką gęstością energii, co sprawia, że są idealne do zastosowań, w których ważne jest osiągnięcie maksymalnej pojemności. Są powszechnie stosowane w telefonach komórkowych, laptopach, aparatach fotograficznych i innych urządzeniach przenośnych.
Li-ion Manganese (LiMn2O4): Ten rodzaj akumulatora litowo-jonowego wykorzystuje tlenek manganu jako materiał katodowy. Akumulatory Li-ion Manganese są bardziej odporne na przegrzewanie i mają większą żywotność w porównaniu do akumulatorów Li-ion Cobalt. Są stosowane w narzędziach elektrycznych, rowerach elektrycznych i innych aplikacjach, gdzie wymagana jest wytrzymałość i bezpieczeństwo.
Li-ion Nickel Cobalt Aluminum (NCA): Ten rodzaj akumulatora litowo-jonowego wykorzystuje mieszaninę tlenku kobaltu, niklu i glinu jako materiał katodowy. Akumulatory Li-ion NCA oferują wysoką gęstość energii i wydajność, co sprawia, że są popularne w samochodach elektrycznych i pojazdach hybrydowych.
Li-ion Iron Phosphate (LiFePO4): Akumulatory Li-ion Iron Phosphate są znane z wysokiej stabilności termicznej i bezpieczeństwa. Wykorzystują fosforan żelazowo-litowy jako materiał katodowy. Mają mniejszą gęstość energii w porównaniu do innych rodzajów akumulatorów litowo-jonowych, ale oferują dłuższą żywotność, większą odporność na przegrzewanie i lepsze parametry bezpieczeństwa. Są stosowane w aplikacjach zasilania awaryjnego, magazynowaniu energii, pojazdach elektrycznych itp.
Warto zauważyć, że wraz z postępem technologicznym i badaniami nad akumulatorami litowo-jonowymi pojawiają się nowe rodzaje i mieszaniny materiałów katodowych, które mają na celu poprawę wydajności, gęstości energii i innych parametrów.
Akumulatory litowo-polimerowe (Lithium-Polymer Batteries - Li-Po): Są podobne do akumulatorów litowo-jonowych, ale zastosowana jest polimerowa elektrolitowa membrana. Charakteryzują się elastyczną formą, co umożliwia bardziej zróżnicowane kształty i rozmiary. Są szeroko stosowane w urządzeniach elektronicznych, dronach, modelach rc itp.
Oto kilka głównych rodzajów akumulatorów litowo-polimerowych:
Li-Po o pojedynczej komórce: Najprostsza konstrukcja akumulatora litowo-polimerowego składa się z pojedynczej komórki. Są one stosowane w mniejszych urządzeniach, takich jak telefony komórkowe, odtwarzacze muzyczne, smartwatche itp.
Li-Po wielokomórkowe: Akumulatory litowo-polimerowe mogą być również skonstruowane z wielu komórek połączonych szeregowo lub równolegle. W ten sposób tworzy się akumulatory o wyższej napięciu lub większej pojemności, które są stosowane w bardziej wymagających aplikacjach, takich jak laptopy, tablety, drony, samochody RC itp.
Pouch Cells: Akumulatory litowo-polimerowe w postaci tzw. "pouch cells" (komórki torebkowe) są cienkie, elastyczne i mogą mieć różne kształty. Są one popularne w urządzeniach, gdzie ważna jest elastyczność konstrukcji, takich jak smartfony, smartwatche, elektroniczne okulary VR itp.
Prismatic Cells: Akumulatory litowo-polimerowe w formie komórek prostopadłościennych (prismatycznych) mają prostokątny kształt i są stosowane w większych urządzeniach, takich jak laptopy, e-rowery, pojazdy elektryczne itp. Mają większą pojemność niż pojedyncze komórki, co zapewnia dłuższe działanie.
Wszystkie rodzaje akumulatorów litowo-polimerowych charakteryzują się podobnymi zaletami, takimi jak wysoka gęstość energii, niskie samorozładowanie, brak efektu pamięciowego i zdolność do dostarczania wysokich prądów. Jednak ważne jest odpowiednie użytkowanie i ładowanie akumulatorów litowo-polimerowych zgodnie z zaleceniami producenta, aby zapewnić bezpieczeństwo i maksymalną żywotność baterii.
Oprócz akumulatorów chemicznych, istnieją również inne rodzaje akumulatorów, które różnią się sposobem przechowywania i uwalniania energii. Oto kilka przykładów:
Akumulatory kinetyczne: Akumulatory kinetyczne przechowują energię w postaci ruchu obrotowego lub kinetycznego. Wykorzystują one zasadę energii mechanicznej, która jest gromadzona w wyniku obracania wirnika lub elementów wewnętrznych. Są one stosowane w różnych aplikacjach, takich jak zasilanie awaryjne, zabezpieczenia antykradzieżowe, zasilanie urządzeń mobilnych itp.
Akumulatory termiczne: Akumulatory termiczne przechowują energię w postaci ciepła. Wykorzystują zjawiska termodynamiczne, takie jak absorpcja i uwalnianie ciepła w reakcjach chemicznych lub fazowych. Są stosowane w systemach magazynowania energii termicznej, ogrzewaniu domów, odnawialnych źródłach energii itp.
Akumulatory mechaniczne: Akumulatory mechaniczne przechowują energię w postaci naprężenia mechanicznego lub potencjalnej energii. Wykorzystują one sprężyny, ciężary, systemy hydrauliczne lub pneumatyczne do magazynowania energii. Są stosowane w urządzeniach takich jak zegarki mechaniczne, mechanizmy do wychwytywania energii kinetycznej, systemy regeneracji energii itp.
Akumulatory magnetyczne: Akumulatory magnetyczne przechowują energię w postaci pola magnetycznego. Wykorzystują zjawiska magnetyczne do magazynowania energii i jej uwalniania. Są one nadal w fazie badań i rozwoju, a ich zastosowanie jest ograniczone.
Warto zauważyć, że w przypadku niektórych akumulatorów, takich jak akumulatory kinetyczne, termiczne i mechaniczne, energia jest przechowywana w innym niż chemiczny sposób. Jednak obecnie najbardziej powszechne i praktyczne są akumulatory chemiczne, takie jak akumulatory kwasowo-ołowiowe, litowo-jonowe, niklowo-kadmowe itp., które są szeroko stosowane w różnych zastosowaniach zasilania przenośnego.
Najrzadziej spotykanym typem baterii są baterie jądrowe, ale są one stosowane głównie w specjalistycznych zastosowaniach, a nie jako powszechnie dostępne baterie do użytku domowego. Baterie jądrowe, znane również jako baterie radioizotopowe lub termoelektryczne generatory izotopów, wykorzystują rozpad radioaktywnych izotopów do generowania energii elektrycznej.
Baterie jądrowe są najczęściej wykorzystywane w przestrzeni kosmicznej i w miejscach, gdzie długotrwałe, niezawodne i niezależne od warunków atmosferycznych źródło zasilania jest kluczowe. Przykłady zastosowań baterii jądrowych obejmują:
Przestrzeń kosmiczna: Baterie jądrowe są stosowane w sondach kosmicznych, statkach kosmicznych i innych misjach kosmicznych, gdzie są wykorzystywane do zasilania instrumentów, urządzeń nawigacyjnych, sond i satelitów. Dają one niezawodne źródło energii w przestrzeni kosmicznej, gdzie inne metody zasilania mogą być niepraktyczne lub niemożliwe.
Urządzenia medyczne: Baterie jądrowe są wykorzystywane w niektórych urządzeniach medycznych, takich jak implanty serca i stymulatory nerwów. Ze względu na długotrwałą żywotność i niezawodność, baterie jądrowe są w stanie dostarczać energię przez wiele lat, co jest istotne w takich implantach.
Zastosowania wojskowe: Baterie jądrowe znalazły również zastosowanie w niektórych zastosowaniach wojskowych, takich jak urządzenia do nawigacji, czujniki, systemy komunikacyjne itp.
Warto podkreślić, że baterie jądrowe są bardzo specjalistycznymi urządzeniami, które wymagają odpowiedniego zarządzania i bezpieczeństwa z powodu używanych radioaktywnych materiałów. Zastosowanie baterii jądrowych jest ściśle regulowane i kontrolowane przez odpowiednie agencje regulacyjne, takie jak Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (IAEA) i Komisja Regulacji Energii Atomowej (NRC).