Nabíjecí akumulátory - technologie a materiály

Nabíjecí akumulátory jako přenosné zdroje elektrické energie pronikají do stále širších oblastí našeho života,  a to nejen profesního, ale i soukromého. Přednosti ručního akumulátorového nářadí oceňujeme nejen na stavbách, ale i v dílnách, ekonomickými a ekologickými argumenty na nás útočí v oblasti spotřební elektroniky, přítomnost akumulátorů v přenosných počítačích či v mobilních telefonech vnímáme jako samozřejmost. Skutečnost, že jde více či méně o spotřební zboží, ovlivňuje i náš poněkud "konzumní" přístup k této technologii. Součástí každého aku-zařízení je zpravidla i nabíječka - pokud možno s co nejjednodušší obsluhou a nám tak stačí vybité akumulátory pouze nabít. Dokud se nevyskytne nějaký problém, větší péči jim většinou nevěnujeme. Různé typy akumulátorů ovšem jak známo mají nejen různé parametry, ale i různé nároky na údržbu a nabíjení a nesprávným používáním se můžeme připravit o nezanedbatelnou část jejich reálné životnosti. V následujícím příspěvku jsme se proto pokusili poněkud podrobněji proniknou do problematiky akumulátorů a jejich údržby.

Několik důležitých pojmů na úvod :

Kapacita akumulátoru

- označuje množství elektrického náboje, které je článek schopen pojmout a je udávána v Ah nebo mAh. Bývá označována písmenem "C". Velikost využitelné kapacity závisí mj. na způsobu používání akumulátoru. Nejvíce ji ovlivňuje velikost odebíraného proudu a teplota. Čím větší proud odebíráme, tím větší část elektrické energie se mění na tepelnou a tím menší množství elektřiny je k dispozici. U teploty platí, že největší využitelnost kapacity docílíme při běžých teplotách, tedy okolo 20oC. (Používáním akumulátoru se ale jeho kapacita postupně snižuje.)

Napětí akumulátoru

- se udává ve V a liší se podle typů akumulátorů. Velikost napětí akumulátorové baterie kromě typů použitých článků ovlivňuje také jejich počet.

Vnitřní odpor (impedance) akumulátoru

- je závislý na chemickém složení akumulátoru a jeho hodnota je proto u jednotlivých typů odlišná. U komerčních akumulátorů se zpravidla neudává.

Proudové zatížení akumulátoru

- úzce souvisí s vnitřním odporem článku. Čím je vnitřní odpor menší, tím větším vybíjecím nebo nabíjecím proudem může být článek zatížen a naopak. Udává se jako násobek kapacity. Např. 0,5C u akumulátoru s kapacitou 2 Ah odpovídá proudu 1 A.

NiCd, NiMH, Li-lon, Li-Pol

- je označení akumulátorů, s nimiž se v naší praxi setkáváme asi nejčastěji. Jde o dvě naprosto odlišné kategorie, z nichž jedna je založena na chemické reakci s niklem zatímco druhá s lithiem. Liší se od sebe nejen svým chemickým složením, fyzikálními parametry, ale také způsobem nabíjení.

Niklové akumulátory

- Nikl-kadmiové (NiCd) akumulátory se u mobilního profesionálního aku nářadí začaly používat jako první a dodnes jsou v této oblasti nejvíce rozšířeny. Je to nejen z důvodu jejich zpravidla nižší ceny, ale především díky jejich relativně malému vnitřnímu odporu, dovolujícímu vysoké proudové zatížení (při běžné práci 5C až 20C, v krátkodobých špičkách dokonce až 60C). To je důležité zejména u nářadí, u kterého požadujeme vysoký výkon např. pro vyvrtání větších otvorů, zašroubování delších vrutů apod. Proto jsou využívány např. u nářadí pro tesařké práce. Výhodou malého vnitřního odporu je i to, že mohou být velkým proudem také nabíjeny a nabíjecí čas tak může být kratší než 1 hodina (v některých případech i 15 min). Dobře pracují i v minusových teplotách. Obvyklá udávaná životnost je 1500 nabíjecích cyklů (úplné vybití - úplné nabití).

K jejich hlavním nevýhodám patří zejména relativně nízká kapacita. Ta dnes dosahuje maximální hodnoty     2,4 Ah. K dalším nepříznivým faktorům patří tzv. paměťový efekt, který je u tohoto typu zdroje nejvýraznější, a samovybíjecí efekt (samovolné vybíjení), kdy během několika týdnů nepoužívání nebo skladování mohou samovolně ztratit významnou část své kapacity (běžně je udáváno cca 1 % kapacity denně). Vzhledem k obsahu kadmia, které je silně toxické, představují NiCd akumulátory velkou zátěž pro životní prostředí. To je také jeden z hlavních důvodů, proč se od jejich výroby pomalu upouští. NiCd články mají jmenovité napětí 1,2 V.

- Nikl-metalhydridové (NiMH) akumulátory se od předchozích liší v několika zásadních bodech. Při srovnatelné velikosti a hmotnosti mohou mít až dvoujnásobnou kapacitu (až 5 Ah). Zároveň ale mají větší vnitřní odpor, takže nedovolují tak vysoké proudové zatížení (nejčastěji uváděné hodnoty se pohybují v rozpětí 1C - 5C). Jsou proto poutívány hlavně u zařízení nenáročných na vysoké odběry proudu, ale vyždujících naopak delší "výdrž" nebo nižší hmotnost. Obvyklá udávaná životnost je 500-600 nabíjecích cyklů. Oproti NiCd mají výrazně menší paměťový efekt, ale větší samovybíjecí efekt (až 4 % denně). V posledních několika letech se ale na trhu začaly objevovat nové typy NiMH akumulátorů se sníženým samovybíjením, které se navíc vyznačují menším vnitřním odporem, takže snesou vyšší vybíjecí proudy. Udávaná životnost je kolem 1000 cyklů. Zatím jsou ale na spotřebním trhu nabízeny jen v podobě tužkových AA a mikrotužkových AAA článků se speciálním označením od několia světových výrobců (Eneloop - Sanyo, ReCyco+ - GP Batterie, Power Ex - Maha Energy aj.). NiMH články mají jmenovité napětí 1,2V.

Nabíjení niklových akumulátorů

Nabíječky pro nabíjení niklových akumulátorů můžeme rozdělit do tří základních skupin: permanentní s nízkým proudem (spíše starší typy nebo kategorie hobby), časové a automatické. U nejjednodušších permanentních nabíječek jsou články nebo baterie zpravidla nabíjeny malým proudem (0,1C) a doba nabíjení, vycházející z kapacity článků, se zpravidla pohybuje kolem 14 - 16 hod. Uživatel si sám hlídá čas nabíjení, po jehož uplynutí akumulátor vyjme a nabíjení tím zastaví. U těchto nabíječek, pokud zapomeneme sledovat čas, samozřejmě hrozí riziko přebíjení článků, a tím zkracování jejich životnosti. Ale vzhledem k tomu, že se jedná o nízké proudy, nemusí krátkodobé přebíjení hrát zásadní roli. Zejména NiCd články poměrně dobře snášejí přebíjení malým proudem. Pro stanovení doby nabíjení (pokud není udána výrobcem nabíječky či akumulátoru) si můžeme pomoci vzorcem:

T = 1,3C/l  kde  T=čas (hod.),  C=kapacita článku (mAh),  I=nabíjecí proud (mA)

Časové nabíječky s automatickým vypínáním rovněž pracují s malými proudy (0,1C-0,2C). Jsou ale vybaveny elektronikou, která je nastavena na konstantní dobu nabíjení podle kapacity článků a po uplynutí této doby se automaticky vypnou. Doba nabíjení ale vychází ze situace, že baterii nabíjíme ze zcela vybitého stavu. Pokud nabíjíme nevybité akumulátory nebo jejich skutečná kapacita je menší než udávaná (např. stárnutím apod.), dosáhnou stavu plného nabití dříve, než nabíječka vypne, a dalším nabíjením tedy rovněž dochází k jejich přebíjení. (Totéž platí, pokud v nabíječce určené pro články s určitou kapacitou nabíjíme akumulátory s menší kapacitou. Naopak články s větší kapacitou v ní plně nenabijeme).

U automatických nabíječek je stav nabití akumulátoru hlídán na základě poklesu napětí. V průběhu nabíjení na připojené baterii pomalu stoupá napětí. Když se nabíjecí proces blíží ke konci a baterie už nemůže pojmout větší náboj, dodávaný proud se mění v teplo. Baterie se ohřívá a současně dochází k malému poklesu napětí na jejích kontaktech. Tento moment je označován jako "-delta U", "-delta V" nebo "delta peak". Elektronika v nabíječce vybavené uvedenou funkcí tento moment zachytí a nabíjení ukončí. Pro zachycení tohoto momentu je ale nutné nabíjet poněkud vyšším proudem. Obvykle se doporučuje používat nabíjecí proud v rozpětí 0,3C - 1C). Originální nabíječky dodávané spolu s aku-nářadím mají tento parametr zpravidla fixně nastavený na optimální úrovni. (Poznámka: Pomalé nabíjení menším proudem je k akumulátoru šetrnější. Při rychlém nabíjení vyšším proudem nemusí dojít k úplnému nabití a hrozí též nebezpečí zahřátí na vysokou teplotu - nad 40oC - a poškození či zničení akumulátoru.)

Velikost poklesu napětí (-delta U) je řádově několik milivoltů, cca 10-20 mV u NiCd a cca 5 - 10 mV u NiMH. V nabíječkách určených pro NiCd akumulátory se proto nedoporučuje nabíjet NiMH akumulátory, neboť elektronika nastavená na rozpětí 10 - 20 mV nemusí u NiMH rozpoznat pokles v rozpětí 5 až 10 mV. V takovém případě neukončí vybíjení včas a může dojít k poškození nebo ke zničení článků. Nabíječky pro NiCd také mohou mít nastavený větší nabíjecí proud (až 3C) s ohledem na menší vnitřní odpor článků. (Poznámka: profesionální  akumulátorové baterie jsou pro případy přehřátí nebo přebití vybaveny ochrannou pojistkou, která toto riziko snižuje.) Naopak v nabíječkách učených pro NiMH lze zpravidla nabíjet i NiCd akumulátory a výrobci je obvykle takto i označují.

V praxi se často setkáváme s termínem "rychlonabíječka" s nabíjecími časy kratšími než 1 hod., kdy hodnota nabíjecího proudu vysoce přesahuje 1C. V nich by ale měly být nabíjeny pouze akumulátory dobře snášející velké proudy nebo přímo určené pro rychlé nabíjení. U akumulátorů (zejména NiMH), které nejsou pro tento způsob nabíjení konstruovány, může vlivem velkého nabíjecího proudu docházet k jejich přehřívání a následné destrukci. Např. kvalitní rychlonabíječky určené pro tužkové AA a mikrotužkové AAA články proto velkým proudem (až 3C) nabíjí pouze do zhruba 1/2 - 2/3 kapacity (pevně nastaveným časem) a zbytek kapacity (hlídané poklesem napětí) dobijí nižším proudem. Často také bývají vybaveny ochlazovacími ventilátorky.

K aku-nářadí jsou většinou spolu s akumulátory dodávány nabíječky s fixně nastaveným nabíjecím proudem odpovídajícím typu a kapcitě akumulátoru. Totéž platí i pro většinu amatérských nabíječek tužkových akumulátorů. Vedle profesionálních nabíječů určených např. pro modeláře, ale existují i profesionální nabíječky pro tužkové a mikrotužkové aku-články, na nichž můžeme tyto parametry individuálně nastavovat podle typu a kapacity článků a požadované doby nabíjení. Kromě samotného nabíjení nabízí i řadu dalších funkcí, jako je formování, vybíjení, oživení delší dobu nepoužívaných akumulátorů, analýzu jejich skutečné kapacity aj. Na základě provedené analýzy můžeme např. vyřadit slabé články nebo vytvořit sady z akumulátorů s podobnými parametry. Existují i plně automatické nabíječky, které si každý článek nejprve změří a poté automaticky nastaví optimální nabíjecí proud. Ten pak v průběhu nabíjení automaticky přizpůsobují momentálnímu stavu akumulátorů.

Při nabíjení by měl být brán zřetel také na paměťový efekt (i když podle některých odborníků ho není nutné přeceňovat). K tomuto jevu jak známo dochází, pokud pravidelně není využívána celá kapacita akumulátoru, tzn., že  při vybíjení trvale není odčerpáváno více než cca 70 % jeho kapacity. Akumulátor si "zapamatuje" stav, do kterého je pravidelně vybíjen a při cyklu, kdy je odebíráno více kapacity než v cyklech předchozích, dojde v "zapamatovaném" místě k poklesu napětí. Jak bylo již zmíněno v popisu u jednotlivých typů akumulátorů, k tomuto jevu výrazněji inklinují NiCd články. Ty by se proto měly poněkud častěji než NiMH nabíjet celým cyklem (úplné vybití - úplné nabití). V praxi ale není snadné jednoznačně určit, kdy je akumulátor ve stavu úplného vybití, neboť každý spotřebič má jiné nároky na velikost odebíraného proudu. Stav "vybití", tedy okamžik, kdy potřebujeme akumulátor nabít, je tudíž relativní pojem a je u každého přístroje jiný. U ručního aku-nářadí často ani nemůžeme čekat až na jeho dosažení, protože při práci potřebujeme trvalý výkon, který akumulátor v závěrečné fázi výrazně ztrácí, aniž by ale ještě byl ve stavu úplného vybití. Pokud nabíječky neumožňují vybití baterie (a nabíječky pro aku-nářadí touto funkcí zpravidla nedisponují), je vhodné nechat akumulátor zcela vybít v jiném přístroji, s nímž momentálně nepracujeme. Můžeme si pomoci např. i tak, že na akumulátor připojíme žárovku pro dané napětí a necháme ho jednoduše "vysvítit". Výrobci aku-nářadí zpravidla ve svém sortimentu mají i různé svítilny, které lze pro tento účel využít. Tento postup v sobě ale skrývá riziko "podvybití" článků a výrobci akumulátorů ho ne vždy doporučují.

Hluboké vybití neboli podvybití je u NiCd a NiMH článků stav, kdy napětí poklesne pod 0,9 V. Doporučovaná spodní hranice pro vybíjení článků je proto 1 V. Používáme-li v přístroji sadu samostatných článků                   (a nepoužíváme-li profesionální nabíječku s funkcí vybíjení na min. dovolené napětí), můžeme napětí jednotlivých článků zjistit např. změřením. V případě baterií k aku-nářadí, které jsou tvořeny blokem do série zapojených článků, je ale změření jednotlivých článků v běžných podmínkách praktiky vyloučeno. Např. při zakoupení nové kompletní baterie nikdy nevíme, jak dlouho před zakoupením byly baterie skladovány a v jakých podmínkách ani v jakém stavu jsou jednotlivé články. U některých z nich mohlo dojít při nesprávném skladování k jejich poškození nebo snížení životnosti. Možné je i to, že článek s menší kapacitou byl do bloku zařezen již ve výrobě. A jak známo, životnost celé baterie určuje její nejslabší článek. Pokud takový blokový akumulátor vybíjíme ve spotřebiči bez hlídání napětí (např. ve svítilně), může u nejslabšího článku dojít až k jeho přepólování. Klesne-li jeho napětí na nulu, procházející proud, poskytovaný silnějšími články v sadě, začne článek nabíjet na opačnou polaritu. Tím dojde k vybití všech ostatních článků.

Formování niklových akumulátorů

U nových nebo dlouho nepoužívaných akumulátorů se doporučuje provést tzv. formování. Články se po delší nečinnosti (nejméně 1-2 měsíce) stanou chemicky málo aktivní - jakoby zleniví - a nejsou schopny využít celou svou kapacitu. Dochází též ke zvýšení vnitřního odporu. Na vině jsou chemické reakce, které způsobí zmenšení aktivní plochy chemických sloučenin na elektrodách akumulátoru. Formováním dojde k aktivaci chemismu. Postup spočívá v tom, že provedeme 2-3 nabíjecí cykly (úplné vybití - úplné nabití). Formování se doporučuje provádět relativně malým proudem, což ovšem můžeme realizovat pouze na univerzálních nabíječkách s možností nastavení nabíjecího (příp. i vybíjecího) proudu nebo vybavených funkcí "formování" anebo na starších permanentních nabíječkách. Nedoporučuje se provádět na rychlonabíječkách s dobou nabíjení kratší než 1 hod. Pokud nám nevadí, že akumulátor při prvních několika cyklech bude vykazovat o něco nižší kapacitu, nemusíme formování provádět. Používáním se naformuje sám. Tímto způsobem lze odstranit nebo výrazně zmírnit i paměťový efekt vznilý nesprávným používáním.

Skladování nikolových akumulátorů

Akumulátory NiCd se doporučuje uchovávat ve skoro vybitém stavu, NiMH v nabitém. Oběma typům ale prospěje občasné nabití a vybití. Doporučuje se uchovávat je spíše v chladněším suchém prostředí při stálé teplotě, např. v chladničce.

Lithiové akumulátory

Lithium-iontové (Li-lon) akumulátory (s katodou LiCoO2), jako první v této kategorii, přinesly výrazný posun   v parmetrech nabíjecích článků. Mají velmi malý samovybíjecí efekt a prakticky žádný paměťový efekt.      Po stránce proudové kapacity (Ah) jsou zhruba srovnatelné s NiCd (až 2,3 Ah). Při stejné proudové kapacitě   a velikosti jsou však asi o polovinu lehčí a mají zhruba trojnásobné jmenovité napětí (3,7 V/článek), tedy trojnásobnou energetickou kapacitu (Wh). Nevýhodou Li-lon akumulátorů je vyšší vnitřní odpor, který neumožňuje docílit tak vysoké proudové odběry jako umožňují NiCd nebo NiMH akmulátory (nejčastěji uváděné hodny se pohybují v rozpětí 1C - 2C). Udávaná životnost je zpravidla kolem 300 - 500 cyklů.

Lithium-železo-fosfátové (LiFePO4, LFP) akumulátory (s katodou LiFePO4) jsou dalším vývojových stupněm lithium-iontových akumulátorů. Jsou vyráběné na bázi nanotechnologií a některými výrobci aku-nářadí (např. DeWalt) jsou proto obchodně označovány jako Li-lon nano technology.

Jde o technologii komerčně používanou asi 3 - 4 roky, která podle dostupných informací dokáže plně nahradit technologii NiCd. Jelikož patří do kategorie lithiových akumulátorů, nese si s sebou její výhody, což je poloviční hmotnost, vyšší jmenovité napětí (u tohoto typu 3,3 V/článek), zanedbatelný samovybíjecí a téměř nulový paměťový efekt. Navíc má nízký vnitřní odpor, to znamená, že dobře snáší vysoké proudové zatížení, údajně až dvakrát vyšší než NiCd akumulátory (až 40C při běžné práci). Dobře pracují i v minusových teplotách (deklarovaná použitelnost až do - 200C). Udávaná kapacita se pohybuje do 2,5 Ah a udávaná životnost až 2000 cyklů.mm

Lithium-polymerové (Li-Pol) akumulátory jsou elektrochemické články, které využívají tuhý elektrolyt tvořený vrstvou speciálního polymeru. To umožňuje vyrábět články libovolného tvaru včetně hranatých (prizmatických) a zmenšit tak velikost baterie. Používají se hlavně v mobilních telefonech, kamerách, fotoaparátech, noteboocích a dalších přenosných zařízeních. Tato technologie rovněž patří do skupiny lithium-iontových článků a všechny hlavní parametry jsou proto podobné (napětí, kapacita, impedance, životnost). Na jejich vývoji se ale neustále pracuje, je zvyšována jejich kapacita i proudové zatížení a brzy patrně zcela nahradí starší typy Li-lon akumulátorů.

Nabíjení lithiových akumulátorů

Lithiové akumulátory mohou být nabíjeny pouze v nabíječkách k tomu určených. Proces nabíjení není hlídán   na základě poklesu napětí (-delta U), ale reálného stavu napětí. U lithium-kobaltových (LiCoO2) článků nesmí dojít k překročení dovoleného nabíjecího napětí (4,2 V). V takovém případě hrozí až nebezpečí výbuchu nebo požáru. Ke zničení ale může dojít i při překročení minimálního vybíjecího napětí (2,7 V). Jelikož jsou Li-lon akumulátory choulostivé na překročení mezních hodnot, ale i na velké proudové výkyvy, osazují se ochrannou elektronikou (PCB), která při překročení mezních hodnot akumulátor odpojí nebo omezí odběr proudu. Nabíjení vícečlánkových baterií probíhá sice v celém bloku v sérii (podobně jako u NiCd a NiMH), ale každý článek je samostatně měřen ochrannou elektronikou, která upravuje průběh nabíjení celého bloku podle okamžitého stavu napětí v jednotlivých článcích. S PCB zpravidla komunikují i nabíječky a pokud je některý článek např. vadný, příslušný konektor nahlásí chybu a nabíječka baterii vůbec nenabije. Nabíjecí proud pro Li-lon akumulátory je obvykle doporučován v rozmezí 0,7C - 1C. U LiFePO4 (lithium-železo-fosfátových) článků došlo k eliminaci rizika výbuchu (Fe-P-O vazba je silnější než Co-O), a také citlivosti na vybíjení velkými proudy. Problém s elektronikou u nich tedy odpadá. Mohou být vybaveny pouze pojistkou proti přebití a přehřátí. Avšak vzhledem k tomu, že mají menší nabíjecí napětí než lithium-kobaltové články (3,6 V), musí být nabíjeny na jiných nabíječkách nebo na nabíječkách s nastavitelnými parametry. Nelze je nabíjet ani na nabíječkách určených pouze pro niklové akumulátory. Někteří výrobci aku-nářadí ale nabízí pro své baterie univerzální nabíječky pro nabíjení NiCd, NiMH a Li-lon baterií. Nabíjecí proud pro LiFePO4 akumulátory může být až 4C. (Poznámka: Pro lithiové akumulátory platí několik obecných pravidel: při používání nižšího konečeného nabíjecího napětí bude akumulátor nabíjen na menší kapacitu, ale prodlouží se mu životnost. Podobně při vybíjení, čím dříve dáme Li-ion akumulátor nabít, tím více mu prodloužíme životnost a naopak. Vzhledem k absenci paměťového efektu výrobci nedoporučují Li-lon akumulátory vybíjet pod 30 % proudové kapacity. Příliš jim nesvědčí ani dlouhé setrvávání na konečném nabíjecím napětí po ukončení nabíjení. Proto se doporučuje akumulátor po nabití z nabíječky vyjmout nebo přístroj se zabudovanou baterií od nabíječky odpojit. Některé "inteligentní" nabíječky po dosažení konečného nabíjecího napětí vypnou nabíjecí proud, takže napětí akumulátorů může o pár mV klesnout, což zvyšuje jejich živostnost.)

Formování lithiových akumulátorů

U lithiových akumulátorů výrobci neuvádí žádné informace ohledně formování. Lze tedy předpokládat, že tyto články nevyžadují formování, resp. že se během používání naformují samy.

Skladování lithiových akumulátorů

Dlouhodobé skladování lithiových akumulátorů se doporučuje při nabití na cca 60 - 80 % kapacity. Zhruba jednou za rok je vhodné provést dobití na tuto úroveň. Dlouhodobým skladováním plně nabitých článků může dojít k jejich znehodnocení. Co se prostředí a teploty týká, i zde se doporučuje uchovávat je spíše                   v chladnějším suchém prostředí při stálé teplotě, např. v chladničce.

REPASE AKUMULÁTORŮ

Poklesne-li kapacita jednoho nebo více článků v baterii pod únosnou míru nebo dojde-li k jejich nevratnému poškození, nemusí to ještě nutně znamenat její vyřazení a zakoupení nové. Často ekonomicky výhodnější může být např. repase. Na tuto činnost se u nás specializuje několik firem. Repase znamená kompletní výměnu starých článků za nové při zachování nebo zvýšení původní kapacity. Užitná hodnota repasované baterie (pokud je provedena kvalitně) je tak často vyšší než původní, protože jsou používány novější a modernější články. To se týká jak niklových, tak lithiových baterií. V rámci repase je možné také změnit např. původně NiCd akumulátor na NiMH a naopak. Při výměně se každý jednotlivý článek před spojením do baterie (akumulátorového bloku) kontroluje a měří. Tím je garantováno, že kvalita všech článků zařazených do baterie je srovnatelná. Měří se napětí, proudy a vnitřní odpory jednotlivých článků, které se pak spárují tak, aby blok obsahoval co nejvíc podobné články a byl rovnoměrně vyvážený. Výhodou repase je také možnost renovace starých typů akumulátorů, které se již neprodávají.

Zdroj: Truhlářské listy, Accu Partner, Dewalt, azvercajk.cz