Technologie akumulatorów

Czas pracy przenośnych urządzeń komputerowych i zasilaczy UPS jest ich poważną wadą, gdyż potrzebna energia jest pobierana z akumulatorów. W dalszym ciągu tekstu opiszemy obecne i przyszłe technologie akumulatorów, wyjaśniając jednocześnie ich wady i zalety w trakcie eksploatacji.

Notebooki, palmtopy i telefony komórkowe to przedmioty, bez których wielu ludzi nie wyobraża sobie już życia. U niektórych przechodzi to wręcz w uzależnienie. Pomijając aspekty społeczne i psychologiczne, fizyczną wadą tych urządzeń jest ograniczony czas pracy, a często również zbyt duża waga. Winę za to ponoszą z reguły "oszczędnie" zaprojektowane akumulatory, choć z drugiej strony okazuje się, że ich waga może dochodzić do 40 procent wagi całego urządzenia (Nokia 6210). Akumulator notebooka Dell Latitude D800 to 15 procent wagi całego komputera. Zależnie od typu akumulatora, czas pracy waha się od kilku dni w przypadku telefonów komórkowych do kilku godzin w przypadku notebooków.

Akumulatory oddają energię elektryczną w wyniku zachodzących w nich procesów chemicznych. Ich wydajność jest ograniczona objętością komórek i rodzajem zastosowanego procesu. W praktyce oznacza to, że akumulator może dostarczać prąd o określonych parametrach w skończonym czasie. Dobry akumulator powinien charakteryzować się następującymi cechami:

• długi czas pracy bez doładowania,
  
• mały ciężar,
  
• mała objętość,
  
• krótki czas ładowania,
  
• duża żywotność (liczba cykli ładowania/rozładowania),
  
• niska cena,
  
• łatwość utylizacji po zużyciu.

Nie trzeba być specjalistą, żeby zauważyć, że spełnienie wszystkich wymagań jest bardzo trudne, a wiele z nich jest wzajemnie sprzecznych.

Opiszemy szczegółowo współczesne technologie akumulatorów ołowiowo-kwasowych, niklowo-kadmowych, niklowo-wodorkowych i litowo-polimerowych. Zajmiemy się też obiecującymi technologiami przyszłości - ogniwami paliwowymi i akumulatorami cynkowo-powietrznymi.

Sposób działania akumulatora

W wyniku procesów elektrochemicznych między anodą a katodą powstaje różnica potencjałów (napięcie).Akumulator to w ogólnym ujęciu elektrochemiczny przetwornik energii. Może przetwarzać energię zgromadzoną w wyniku procesów chemicznych w energię elektryczną i odwrotnie. To ostatnie nie jest możliwe w przypadku baterii. Baterie to źródła energii jednorazowego użytku - po rozładowaniu podlegają utylizacji zgodnie z lokalnymi przepisami.

Akumulator działa w następujący sposób: w zbiorniku znajduje się ciecz przewodząca prąd elektryczny (elektrolit). W cieczy zanurzone są dwa elementy wykonane z różnych metali przewodzących (elektrody). Dzięki różnemu składowi chemicznemu powstaje między nimi napięcie. Tę właściwość metali odkrył w roku 1793 Alessandro Volta i zdefiniował ją w postaci "szeregu napięciowego Volty", mówiącej, że im bardziej dwa metale oddalone są od siebie w szeregu napięciowym, tym wyższe jest napięcie między nimi.

''Kolumna Rittera'' uchodzi dzisiaj za pierwowzór współczesnych akumulatorów. Składała się ułożonych na przemian krążków miedzianych i kartonowych, zanurzonych w roztworze soli kuchennej. (źródło - Varta)Obie elektrody metalowe (anoda i katoda) zanurzone w elektrolicie oddzielone są porowatą przegrodą (separatorem), która zapobiega zwarciu w wyniku zetknięcia elektrod. Na anodzie jest nadmiar elektronów, natomiast na katodzie - ich niedobór. Ta właśnie różnica potencjału jest napięciem elektrycznym. Odbiornik połączony z elektrodami umożliwia rozładowanie napięcia. Przepływ elektronów od anody do katody określa się mianem prądu elektrycznego. Ilość prądu, jaką akumulator może oddać do odbiornika w określonym przedziale czasu, to jego pojemność.

Aby możliwy był stały przepływ prądu, obwód musi być zamknięty również w elektrolicie. Zapewnia to proces elektrochemiczny w płynnym elektrolicie poprzez utlenianie i redukcję zastosowanych metali. Powstaje strumień jonów, płynących w elektrolicie przez separator od katody do anody. Jeżeli obwód prądu zostanie przerwany, "rozładowanie" zostaje przerwane, jakkolwiek niecałkowicie. Zależne od temperatury procesy chemiczne wewnątrz akumulatora powodują przepływ ładunków między elektrodami i rozładowują system. Zjawisko to nosi nazwę samorozładowania i w jego rezultacie akumulator zależnie od typu traci do 30 procent energii w ciągu miesiąca.

Ładowanie akumulatora polega na "wpompowaniu" elektronów od katody do anody i reaktywacji rozładowanych elektrod. Cykl ładowania i rozładowania można powtarzać do tysiąca razy zależnie od typu akumulatora, który później nie przetworzy już energii elektrycznej w chemiczną.

Historia akumulatorów

Akumulatory kwasowo-ołowiowe znane są od mniej więcej 150 lat, a ta konstrukcja pochodzi z roku 1952. To jedno z najstarszych elektrochemicznych źródeł energii i ciągle jeden z najczęściej używanych rodzajów akumulatorów. (źródło - Bosch)Historia akumulatorów zaczęła się od badań nad elektrycznością, które prowadzili Luigi Galvani (1737-1798) i Alessandro Cont di Volta (1745-1827). Galvani odkrył w roku 1789, że nogi żaby poruszają się, gdy dotknąć ich dwoma różnymi metalami. Wyprowadził stąd wniosek o bezpośredniej zależności między elektrycznością a ruchem mięśni i odkrył pierwszy proces elektrochemiczny.

Około dziesięciu lat później Volta skonstruował pierwsze użyteczne ogniwo elektrochemiczne. Posłużył się paskami z miedzi i cynku, rozdzielonymi skórą nasączoną w solance.

Pierwowzór współczesnego akumulatora opracował w roku 1802 Johann Wilhelm Ritter. Znane dziś jako "kolumna Rittera" eksperymentalne urządzenie można było ładować prądem elektrycznym, odzyskiwanym podczas rozładowania. Szklana kolumna zawierała krążki z kartonu i miedzi, zalane roztworem soli kuchennej. Około roku 1850 naukowcy Sinsteden i Plante eksperymentowali z pierwszymi akumulatorami na bazie ołowiu, dwutlenku siarki i dwutlenku ołowiu. Zastosowane płyty ołowiane mogły po kilku cyklach ładowania i rozładowania - tak zwanym formowaniu - gromadzić energię elektryczną, aby później oddać ją do odbiornika. Pierwsze przemysłowe zastosowanie akumulatora opatentował Faure w roku 1880. Obłożył płytę ołowianą pastą z kwasu siarkowego i sproszkowanego ołowiu, uzyskując już w pierwszym ładowaniu bardzo dużą pojemność (wydajność energetyczną).

Ze względu na zawartość silnie toksycznego kadmu akumulatory niklowo-kadmowe muszą być absolutnie gazoszczelne. Z kolei wysokie ciśnienie panujące wewnątrz narzuca okrągły kształt obudowy. (źródło - Varta)Za pionierów w dziedzinie akumulatorów niklowo-kadmowych uznaje się dwóch wynalazców: Thomasa Alvę Edisona oraz Waldemara Jungnera. Prowadzili oni badania nad elektrochemicznym magazynowaniem energii i w roku 1901 zgłosili pierwsze wnioski o patenty na akumulatory niklowo-żelazowe i niklowo-kadmowe. Uważa się ich również za wynalazców akumulatora cynkowo-powietrznego. Decydujący krok w zakresie komercyjnego wykorzystania akumulatorów niklowo-kadmowych wykonał Neumann, który w roku 1948 opisał gazoszczelną obudowę do takich akumulatorów. Z powodu wysokich kosztów utylizacji akumulatorów niklowo-kadmowych na początku lat dziewięćdziesiątych wyeliminowano silnie toksyczny kadm, zastępując go wodorem związanym w metalach. Tak rozpoczęła się era akumulatorów niklowo-metalowo-wodorkowych.

Rosnąca popularność urządzeń przenośnych i związane z tym zapotrzebowanie na lekkie, wydajne akumulatory o niewielkich wymiarach spowodowało, że w połowie lat dziewięćdziesiątych opracowano akumulatory litowe. Wraz z postępującą miniaturyzacją urządzeń producenci domagali się akumulatorów litowych o różnych kształtach. Tak powstały akumulatory litowo-polimerowe, które dziś stosowane są głównie w telefonach komórkowych i palmtopach.