В категории: Брой 1-2/2002, Инструменти, Металообработване, Облицовки и настилки, Ремонти, Сухо строителство

Акумулаторните батерии

Допреди няколко години у нас понятието акумулатор извикваше представата за тежък автомобилен акумулатор с неизбежните следи от разлята киселина върху капака му. Нещата обаче бързо се промениха и сега около един и половина милиона българи имат в джобовете си мобилни телефони с акумулаторни батерии. Ако прибавим акумулаторите в настолните безжични телефони, акумулаторните батерии във фотоапаратите и кинокамерите, във всевъзможните органайзери и джобни компютри, в ръчните електрически инструменти с автономно захранване и т.н., навярно броят на намиращите се в момента в употреба акумулаторни батерии у нас значително надхвърля населението на държавата ни.

Съвременните акумулаторни батерии имат доста висок капацитет и продължителност на експлоатация – над 1000 цикъла на зареждане и разреждане. Те обаче изискват и грамотно поддържане, от което силно зависи дали ще достигнат проектната си дълготрайност или бързо-бързо ще ни се наложи да купуваме нова батерия, което по правило е доста голям разход – често пъти съизмерим с цената на самия телефон, например.

Нещата допълнително се усложняват и от факта, че понастоящем се използват чeтири типа акумулаторни батерии, които се различават по експлоатационните си параметри, по поддръжката и по цената. Видът на акумулаторната батерия също трябва да се вземе предвид при избора на прибора, който се захранва от него.

Миниатюрните акумулаторни батерии представляват херметично затворени клетки, изпълнени предимно с гел и по-рядко с течен електролит. Всяка клетка има анод, катод и сепаратор, чиято задача е сигурно да ги разделя, за да не възникне помежду им късо съединение. Между анода и катода протича електрохимическа реакция, в резултат на което между тях възниква електрическо напрежение и може да протича електрически ток. В зависимост от материала, от който са направени анодът и катодът, акумулаторните батерии се делят на:

* Никел-кадмиеви (NiCd)

* Никел-металхидридни (Ni-MH)

* Литиево-йонни (Li-Ion)

* Литиево-полимерни (LiPo).

В същия ред акумулаторните батерии се подреждат според появата им на пазара и съответно – по техническото им съвършенство.

На най-ниското стъпало се намират никел-кадмиевите акумулаторни батерии. Те са първите, направили възможна появата на пазара на редица прибори и електрически инструменти с автономно захранване. Спрямо останалите те имат най-малък електрически капацитет и сравнително големи размери. Същевременно обаче са и най-евтини и издържат най-много цикли на зареждане и разреждане – над 1500. Характерен за този вид батерии е т.нар. „ефект на запаметяване”, който ги прави силно чувствителни към режима на експлоатация. Поради тези причини много рядко в нов мобилен телефон или електрически инструмент ще намерите такава батерия и ако това тук-там се прави, то е единствено от стремежа на производителя на снижи в максимална степен цената, но за сметка на експлоатационните параметри и качеството като цяло.

Бързото намаляване на капацитета на батерията, предизвикан от „ефекта на запаметяване”, може да се предотврати, ако се използват зарядни устройства, които, преди да превключат в режим на зареждане, първо разреждат напълно батерията.

Необходимо е да се знае, че пълният капацитет на новия акумулатор се постига едва след 4-5 цикъла на зареждане. Оптималният режим за един акумулатор е да се ползва редовно, като всеки път се достига пълно разреждане и след това се пристъпва към зареждане.

Пълното разреждане не вреди на акумулатора. Той обаче може сигурно да се повреди, ако се слезе под тази граница, например електрическа машина с изтощен акумулатор, който едва-едва върти ротора, се остави с включен превключвател и така, макар и малък, от акумулатора продължи да се черпи ток.

Никел-металхидридните акумулатори са по-съвършени от никел-кадмиевите и повсеместно ги заместват, но и са по-скъпи. Те имат значително по-голям капацитет. При еднакви големини никел-металхидридните акумулатори имат около 50% по-голям капацитет в сравнение с никел-кадмиевите. Те са значително по-сигурни при експлоатация, но подобно на никел-кадмиевите са склонни да „боледуват” – при тях се проявява т.нар. „Lazy ефект”, който, макар и различен от „ефекта на запаметяване”, също води до преждевременно бракуване на акумулатора. Тези акумулатори отстъпват на никел-кадмиевите по своята дълготрайност, защото издържат средно около 500 цикъла на разреждане и зареждане.

Литиево-йонните акумулаторни батерии са по-малки и по-леки от двата предишни типа, а по своя електрически капацитет значително ги надвишават – над два пъти по-голям от капацитета на никел-металхидридните батерии. Не случайно този вид батерии е най-често използваният при мобилните телефони. Така например литиево-йонният акумулатор на телефона Siemens S25 e два пъти по-лек при еднаква големина с акумулатора на Siemens S35, който обаче е никел-металхидриден. Същевременно продължителността на работа с едно зареждане при режим на очакване (Stand-by) при първия телефон е с около 60 часа повече, отколкото при телефона с никел-металхидридна батерия.

При този вид акумулаторни батерии „ефектът на запаметяване” напълно липсва и те могат безпроблемно да бъдат дозареждани по всяко време и при всяко ниво на разряд, без това да скъсява дълготрайността им. Тези батерии издържат над 1000 цикъла на зареждане и разреждане.

Литиево-йонните акумулатори са най-подходящите и вече масово използвани батерии за захранване на мобилни телефони и други подобни прибори, при които постигането на минимална големина при максимален капацитет е особено важно.

Трябва да се подчертае още, че литиево-йонните батерии стареят и когато не се използват. При едногодишно съхранение на склад капацитетът им вече забележимо спада, а две-тригодишно съхранение ги прави напълно негодни. Изводът е, че когато се купува такава батерия, е добре да се знае датата на производството ґ.

Литиево-полимерните (LiPo) акумулатори почти не се отличават от литиево-йонните батерии по своята големина и капацитет. Поради своята физическа структура, обаче могат да бъдат изпълнени със съвсем тънко тяло от пластмаса, включително и в тяло с произволна форма. Те не съдържат течен електролит, а гелобразна маса. Тези им качества ги правят изключително подходящи за приложения в мобилните телефони, например акумулаторът от този вид на Ericsson T28 има дебелина само 4 mm. Засега този вид акумулатори са все още в стадий на прохождане и тепърва предстои да се види доколко широко приложение ще намерят.

Есплоатация на акумулаторните батерии

В процеса на работа или даже при съхранение без товар всяка акумулаторна батерия се разрежда и идва момент, когато трябва да бъда включена към източник на заряден ток.

Общовалидното правило за всички акумулаторни батерии е, че колкото по-рядко се зареждат, толкова по-дълго време ще ни служат. Това означава още, че приборът трябва да се използва максимално дълго, докато капацитетът на акумулатора спадне дотолкова, че да се налага неговото зареждане. Това повече или по-малко се отнася за всички видове акумулатори. Даже и вашият мобилен телефон да има най-добрия за момента литиево-йонен акумулатор, привичката преди всяко лягане да го включвате към зареждащото устройство, независимо че и половината от капацитета на акумулатора още не е използван, не е за препоръчване.

Никел-кадмиеви и никел-металхидридни батерии. Преди първото зареждане батерията трябва да бъде напълно разредена. То продължава 10-12 h и не бива да бъде прекъсвано преждевременно.

Експлоатацията на батерията трябва да бъде така организирана, че да достига пълно разреждане и веднага след това да се зарежда отново, без прекъсване, до достигане на пълен заряд. Този вид батерии не бива да се презареждат, особено произведените по-отдавна, които нямат защита срещу презареждане. Производителят на батерията посочва в паспорта и времето на зареждане. Повечето прибори имат индикатори за следене нивото и процеса на зареждане. Във всеки случай акумулаторът не бива да престоява повече от 24-30 h в зарядното устройство.

Литиево-йонни и литиево-полимерни батерии. Тези акумулатори са значително по-непретенциозни при експлоатация. Без опасност от повреда те могат да се зареждат по всяко време и при всяко равнище на разреждане. За тях се използват специални зареждащи устройства и поради това всеки такъв акумулатор трябва да се зарежда само с предвиденото от производителя за него зарядно устройство. По принцип тези акумулатори не могат да бъдат презаредени и съответно повредени, защото имат вградена защита. Въпреки това не се препоръчва изпитването на това им качество на всяка цена, примерно оставяне на телефона в зарядното устройство за повече от седмица.

Влияние на температурата

Общовалидно за всички акумулаторни батерии е, че екстремните температури, както и големите температурни колебания се отразяват вредно на работоспособността им. Прекрачването на границите от –15 оС и +45 оС влече силно намаляване на капацитета на батерията. При температури под -20 оС никел-кадмиевите акумулатори стават напълно непригодни. И по този показател литиево-йонните батерии са по-надеждни, но, особено в мразовити зимни дни, те не бива да се оставят на студено, например телефонът да се забрави в жабката на автомобила. Същото важи и за горещите летни дни.

„Ефект на запаметяване” и Lazy ефект

Вече стана дума, че този ефект е характерен за никел-кадмиевите акумулатори и неговото непознаване и съответно неспазването на специфичните за този вид акумулатори експлоатационни изисквания значително може да снижи капацитета и дълготрайността им.

Той настъпва, когато акумулаторът се включи за зареждане, преди още напълно да се е разредил от предното зареждане. Този вид акумулатори имат способността „да запаметяват” (чрез образуване на микрокристалчета върху електродите) достигнатото ниво на разреждане преди новия цикъл на зареждане и същевременно „забравят”, че действителният им капацитет е по-голям от този, който е бил изразходван. Съответно на това при следващия цикъл на зареждане батерията се стреми да достигне само този вече редуциран поради „ефекта на запаметяване” капацитет.

С всяко следващо частично разреждане на батерията, последвано от ново зареждане, този вреден ефект се задълбочава и в скоро време капацитетът на иначе новата батерия рязко намалява и тя трябва да се зарежда на все по-къси интервали. Предизвиканото от „ефекта на запаметяване” спадане на капацитета настъпва сравнително рязко, за разлика от другия, характерен за никел-металхидридните акумулатори със сходни последици ефект Lazy. Двата ефекта са напълно различни, защото са предизвикани от различни химични процеси, протичащи в акумулаторната батерия. При Lazy ефекта капацитетът на батерията почти не се променя, но за сметка на това отдаваното от нея напрежение пада, съответно намалява енергията, която може да се черпи. Крайният резултат и в двата случая е един и същ – преждевременното бракуване на акумулатора и купуване на нов. Процесът при Lazy ефекта не протича така бързо и лесно забележимо, както при никел-кадмиевите акумулатори, но макар и за по-продължителен период, вредният ефект в крайна сметка е един и същ.

Този ефект настъпва най-бързо, когато акумулаторът се използва в режим, при който времето на саморазряд значително надвишава времето на активно използване на акумулатора. Типичен пример е ръчен електрически инструмент, който продължително време не се използва, а не се взимат мерки за периодично разреждане и отново зареждане на акумулатора. Поразеният от това „заболяване” акумулатор дава преждевременно сигнал на зарядното устройство, че пълният капацитет на батерията е достигнат, без това да е така.

Такива акумулатори могат да бъдат или до голяма степен, или напълно излекувани чрез провеждане на серия цикли на пълно разреждане и пълно зареждане.

При работа с акумулаторни батерии винаги трябва да се има предвид склонността им към по-бързо саморазреждане в сравнение с обикновените батерии за еднократна употреба. Докато те запазват капацитета си повече от година, акумулаторната батерия има месечен саморазряд в порядъка на около 20% от капацитета си. Процесът на саморазреждане на една батерия протича по-бързо при по-високи температури.

Изводът е, че при никел-кадмиевите и никел-металхидридните акумулатори е особено важно да се спазва изискването за пълно разреждане на акумулатори и едва тогава той да се зарежда отново, както и да не се оставя продължително време без натоварване. Така ще си спестите немалко средства, а и количеството на вредните вещества, замърсяващи силно околната среда, ще бъде ограничено.

Акумулаторите и околната среда

И двете разновидности на никел-кадмиевите батерии съдържат редица тежки метали: живак, кадмии, никел и олово, които са силни замърсители на околната среда и увреждат непоправимо човешкото здраве – било чрез директно попадане в организма или посредством хранителната верига. Литиево-йонните батерии също съдържат опасни за здравето вещества: литий и електролита в батерията. Ето защо всеки производител на такива батерии задължително предупреждава, че в никакъв случай те не бива да се изхвърлят заедно с обикновените домашни отпадъци, защото ще предизвикат замърсяване на околната среда – било като техни вредни съставки проникнат в подпочвените води при складиране в депа, или пък попаднат в димните газове при изгаряне.

На Запад от години се вземат мерки за разделно събиране на отпадъците от домакинствата, приети са редица законодателни мерки, които задължават производители и търговци да приемат обратно използваните акумулаторни батерии и т.н.

Неволята обаче е приучила българина да гризка какво ли не и малко повече кадмий или живак едва ли ще го впечатлят. И без това организмът на всеки от нас съдържа почти пълния набор химически елементи от Менделеевата таблица, щедро доставени от „мащабната индустриализация” на страната ни, от възлюбената ни „голяма химия” и пресоленото с изкуствени торове селско стопанство. Какво пък! Преживяхме Чернобил, дано преживеем и безразборното изхвърляне на акумулаторни батерии, защото едва ли скоро някой грижовен държавник ще се сети за такива несъществени за пред електората неща.

НС