Akumulatoru baterija

Akumulatoru baterija ir baterijas tips, kuru ir iespējams atkārtoti uzlādēt.

Akumulatori 
Akumulatoru uzlādējot, tam pievadītā elektriskā enerģija pārvēršas ķīmiskajā enerģijā un tādā veidā tiek uzglabāta. Pieslēdzot akumulatoram patērētāju, notiek pretējs process, kurā ķīmiskā enerģija atkal pārvēršas par elektrisko enerģiju. Galvenie akumulatoru raksturojošie lielumi ir spriegums uz tā spailēm un tā elektriskā ietilpība, ko mēra ampērstundās. 
Ja uz akumulatora ir atzīme 40 Ah, tas nozīmē 40 ampērstundas, un, izlādējot ar 40 ampēru lielu strāvu, tas darbosies vienu stundu (jo 40 x 1 = 40). Izlādējot ar 10 ampēru strāvu, akumulators darbosies četras stundas (jo 10 x 4 = 40). Parasti izšķir divas pamatgrupas — svina akumulatorus un niķeļa — kadmija akumulatorus.
Akumulatoru baterijas ir aizliegts izmest sadzīves atkritumiem paredzētā atkritumu konteinerā. Tās jānodod noteiktos nodošanas punktos.

Akumulatoru bateriju veidi

Svina akumulatori 
Šo akumulatoru būtiskākā sastāvdaļa ir svina plates vai elektrodi, kas ievietoti vairākās sekcijās, kuras pildītas ar elektrolītu (elektrību vadošu šķidrumu) —parasti atšķaidītu sērskābi. Pozitīvās plates ir svina oksīds (PbO2), bet negatīvās plates ir porains svins. Vienas pilnīgi uzlādētas sekcijas spriegums bez slodzes ir 2,1 V, ko parasti noapaļo uz 2 V. Šo spriegumu arī sauc par elektrodzinējspēku (EDS). Ja virknē ir saslēgtas sešas sekcijas, tad šīs akumulatoru baterijas EDS ir 12 V. Bez tam akumulatora sekcijā ir arī separatori — skābju izturīgas un šķidruma caurlaidīgas starpsieniņas, kas savstarpēji atdala pretējos polus.
	
Ārējā tvertne parasti ir no plastmasas. Separators netraucē brīvo elektronu plūsmu no “-“ plates uz “+” plati. Ja akumulators ir izlādējies, elektronu plūsma apstājas un potenciāli izlīdzinās. Pilnīgi uzlādēta elektrolīta blīvums ir 1,28 g/cm3, bet gandrīz izlādēta 1,18 g/cm3. Pilnīgi izlādēt akumulatoru nav vēlams. Elektrolīta blīvumu pārbauda ar speciālu blīvuma mērītāju, kas uzrāda, cik daudz darba procesā ir samazinājusies sērskābes koncentrācija, svina oksīdam platēs pārvēršoties svina sulfātā.

Svina akumulatoru no sešām sekcijām var uzlādēt līdz 14,4 V. Vienlaikus ir svarīgi, lai uzlādējošās strāvas lielums nekad nepārsniegtu 1/3 no uzrādītajām ampērstundām. Tā, piemēram, akumulatoram ar atzīmi 75 Ah uzlādēšanas strāva nedrīkst pārsniegt 75/3=25 A. Akumulatora jauda var būt ļoti plašā diapazonā, jo tos lieto gan smagajām mašīnām, gan motocikliem kā startera baterijas, gan elektronikā — piemēram, datoriem. Firmas akumulatorus piegādā gan sausi uzlādētus, gan arī jau ar iepildītu elektrolītu. Ilgāk var uzglabāt sausi uzlādētus akumulatorus.

Niķeļa — kadmija akumulatori 
Šie akumulatori ir plaši lietojami dažādās elektroniskās iekārtās un aparatūrās. Niķeļa hidroksīds veido plusa polu, bet kadmijs ir ar negatīvu lādiņu. Par elektrolītu kalpo kālija hidroksīds. Šīm baterijām ir ļoti atšķirīgi raksturlielumi, sākot ar mazām sekcijām līdz lielas jaudas baterijām. Vienas sekcijas lielums parasti ir 1,2 V. Uzlādes strāvas lielums ir ierobežots un nedrīkst būt lielāks par skaitli, ko iegūst, ampērstundas dalot ar desmit. Tukšu bateriju līdz 40% līmenim iesaka uzlādēt pamazām 14 stundu laikā. Modernie uzlādes aparāti ir paredzēti šādam vairākpakāpju uzlādes procesam.

Tehnoloģija, kā izgatavot niķeļa kadmija baterijas, tika izveidota 1899. gadā, bet pilnībā šāda veida baterijas tika pilnveidotas līdz 1947. gadam, tad arī tika izgatavots hermētiskais niķeļa kadmija barošanas elements, kas plaši tiek izmantots arī mūsdienās. Vēl pirms dažiem gadiem varēja teikt, ka 90% pārnēsājamu aparatūru atradās tieši šādi akumulatori, jo citu veidu akumulatori nebija pietiekami attīstīti vai arī pārāk dārgi maksāja. Iespējams, ka niķeļa kadmija baterijas vēl ilgu laiku skaitīsies pašas izdevīgākās, jo tām ir zema cena un to ilgdarbība ir pietiekami liela. Tās var strādāt lielā temperatūras diapazonā, kā arī ir izturīgākas par citām baterijām. Taču šīm baterijām ir arī trūkumi, kuru dēļ jaunākie mobilie telefoni ar šāda veida baterijām netiek ražoti. Vien tādēļ, ka šīs baterijas aizņem daudz vietas, kā arī, ja tās netiek pareizi likvidētas, tās var radīt nopietnu kaitējumu dabai. Šīs baterijas var pārlādēt pat līdz 1000 reizēm, līdz tās savu mūžu ir nokalpojušas. Diemžēl nepareizas lietošanas dēļ šādas baterijas savas labās īpašības zaudē daudz ātrāk.

Niķeļa metālhidrīda baterija 
Tā kā kadmijs ir indīgs, ir izstrādāta baterija, kur kadmija vietā lieto metālhidrīdu. Tā ir niķeļa-metālhidrīda baterija, saīsināti NiMH. Šīm baterijām salīdzinoši ir par 40% lielāka enerģijas ietilpība. Arī šīs baterijas var atkārtoti uzlādēt un ilgstoši izmantot. Trūkums ir augstā cena, salīdzinot ar niķeļa kadmija baterijām.

Plašāk tiek izmantotas niķeļa-metālhidrīda baterijas. Tās lieto telefonos jau no 1990. gada. Šīs baterijas ir daudz vieglākas par Ni-Cd baterijām, kā arī ir mazāka izmēra. Tās nav tik viegli sabojājamas kā Ni-Cd baterijas, kā arī videi šīs baterijas nav tik kaitīgas. Pie trūkuma pieskaitāms to lielais pašizlādēšanās koeficents (no 15% nedēļā līdz 30% mēnesī). Šo bateriju nekādā gadījumā nedrīkst lādēt ilgāk par divām dienām.

Litija jonu baterijas 

Litija jonu baterijas ir uzlādējamo bateriju tips, kurā litija joni pārvietojas starp anodu un katodu. Izlādes laikā litija joni pārvietojas no anoda uz katodu un no katoda uz anodu uzlādes laikā.
	
Litija jonu baterijas visbiežāk tiek lietotas patērētāju elektroierīcēs. Tie ir vieni no vispopulārākajiem bateriju tipiem pārvietojamām ierīcēm, bez atmiņas zudumiem un ar lēnu uzlādes līmeņa samazināšanos, kad baterija netiek lietota. Diemžēl dažādi iemesli, kā, piemēram, pārāk liels karstums, var izraisīt baterijas uzsprāgšanu. Litija jonu bateriju popularitāte aug elektroiekārtu aizsardzības nozarē.
	
Trīs primārās litija baterijas komponentes ir anods, katods un elektrolīts, kuri var tikt ražoti no dažādām vielām. Vispopulārākais materiāls, no kā tiek veidots anods, ir grafīts, bet tiek lietots arī TiS2. Katodu pārsvarā veido no trim materiāliem: kārtainajiem oksīdiem, piemēram kobalta oksīda, polielektrolīta, piemēram litija dzelzs fosfāts, vai no magnija oksīda. Litija jonu bateriju voltāža, kapacitāte, izmantošanas ilgums un drošība var stipri atšķirties un ir atkarīga no tā, kādu izvēlas anoda, katoda, elektrolīta materiālu. Litija jonu baterijas nedrīkst jaukt ar litija baterijām, atšķirība ir tā, ka litija baterijām ir metālisks litija anods.

Pirmie mēģinājumi radīt Li-Ion bateriju notika 1912. gadā, bet tikai 1970. gadā parādījās pirmie piedāvājumi, kuras varēja iegādāties. Diemžēl baterijas lielu atsaucību neguva, jo nereti notika nelieli sprādzieni un ugunsgrēki Li-Ion bateriju dēļ. Uzlādes laikā baterijas sakarsa, kusa, kā arī notika dažādas ķīmiskas reakcijas starp to elementiem. Mūsdienās šīs problēmas ir novērstas. Galvenās šīs baterijas priekšrocības ir tās nelielais izmērs, svars, kā arī baterijas mazais pašizlādēšanās koeficents. Galvenais tās trūkums šobrīd ir baterijas palielā cena. Tas ir saistīts ar to, ka katrs baterijas elements satur atsevišķu shēmu, kas kontrolē uzlādes procesu (strāvu, laiku, temperatūru). 90. gados Li-Ion baterijas neizturēja kalpošanas laiku ilgāk par 1-1,5 gadu. Mūsdienās baterijas kalpošanas laiks arvien palielinās.

Litija polimēru akumulatori 
Ķīmiski tās ir līdzīgas litija jonu baterijām, taču te elektrolīts ir ciets, un šī iemesla dēl tās var izveidot jebkādā formā.

Šīs baterijas ir vislabākās no visām citām pieejamajām baterijām, jo tās ir vieglas, mazas, kā arī tās var pieņemt jebkuru netradicionālu formu. Tādējādi telefonu var padarīt vēl mazāku, jo bateriju var izveidot tādu, lai tā aizņemtu brīvo vietu telefonā. Trūkums ir tas, ka baterijām nav tik daudz enerģijas, bet jaunie telefoni jau nav sevišķi "ēdelīgi". Savukārt šīs baterijas ir vēl dārgākas par Li-Ion baterijām. Dažiem telefoniem rodas problēmas ar izlādes līmeņa noteikšanu. Šo bateriju nedrīkst ilgi atstāt salā, tas var galīgi sabojāt bateriju. Li-Pol baterijas jau izmanto mobilajos tālruņos, kas deva iespēju samazināt tālruņu masu gandrīz līdz 83g un 72g svaram. Ieguvums ir arī Li-Pol bateriju iespējamie dažādie ģeometriskie izmēri. Tagad projektētājiem nav vairs jārēķinās ar noteiktas formas tilpumu. Ir cerības, ka tuvākajā laikā ar Li-Pol baterijām tiks aprīkotas arī videokameras.

Litija dzelzs fosfāta akumulatori (LiFePO4 akumulatori) 

LiFePO4 vai LFP akumulators (litija ferofosfāts) ir litija jonu akumulatora tips, kurā tiek izmantots LiFePO4 kā katoda materiāls, bet grafīta elektrods ar metāla pamatni kalpo par anodu. LiFePO4 kapacitāte ir augstāka nekā tas ir litija kobalta oksīda ( LiCoO2) sastāvā, bet tā enerģijas blīvums (90–160 Wh/kg) ir mazāks dēļ zemāka nominālā sprieguma (3.2V). Galvenais LiFePO4 trūkums ir tā zemā elektriskā vadītspēja, tāpēc visi LiFePO4 katodi tiek veidoti kā ir LiFePO4/C, pateicoties zemākām izmaksām, zemākam toksiskumam, precīzi definētai veiktspējai, ilgtermiņa stabilitātei un citu faktoru dēļ. LiFePO4 sekmīgi tiek integrēts vairākos transportlīdzekļu sektoros, mērinstrumentos, dažādās elektro iekārtās un rezerves enerģijas nodrošināšanā. Augstāka strāvas atdeve, kas nepieciešama paātrinājumam, mazāks svars un ilgāks kalpošanas laiks padara šo akumulatora tipu ideālu velosipēdu un elektromobiļu ražošanai. 12V LiFePO4 akumulatori arī iegūst arvien lielāku popularitāti karavānu (kempingu) māju vai elektrisko laivu dzinēju barošanā.

Salīdzinot ar citiem akumulatoriem, LiFePO4 elementi ir imūni pret “atmiņas efektu”, kā arī šī ķīmiskā sastāva akumulatoru garantētais uzlādes ciklu skaits ir ievērojami lielāks salīdzinot ar citiem (līdz pat 2000 cikli), turklāt tie spēj darboties ļoti plašā temperatūras diapazonā ( -20°C līdz 60°C) un to paredzamais kalpošanas ilgums ir līdz 10 gadiem.

Litija akumulatoru attīstība pēdējos gados ir bijusi stabila. Veidojoties aizvien lielākam pieprasījumam no autobūves industrijas, kā arī ievērojamu investīciju plūsmai arvien efektīvāku akumulatoru izstrādē, akumulatoru enerģijas blīvums uz kilogramu aiz vien pieaug. Piemēram, ja 2014. gadā tas vidēji bija 140 Wh/kg, bet 2020. gadā jau 300 Wh/kg, tad kapacitāte, ko var iegūt no kilograma akumulatoru ir dubultojusies. Attiecīgi tuvākā nākotnē tiek prognozēts, ka ne tikai pieaugs svara un enerģijas attiecība, bet arī pie tiem pašiem parametriem tiks samazināts tilpums.

Akumulatoru uzlāde / izlāde 
Uzlādes un izlādes ātrumi bieži tiek norādīti kā C koeficients (C-rate). C koeficients ir akumulatora uzlādes vai izlādes ātruma mērvienība attiecībā pret tā ietilpību. C koeficients tiek definēts kā uzlādes vai izlādes strāva, dalīta ar akumulatora spēju uzglabāt elektrisko lādiņu. C nekad nav negatīvs, tas vai nu raksturo uzlādes, vai arī izlādes procesu un ir atkarīgs no konteksta. Piemēram, ja litija 18650 tipa akumulatoram ar ietilpību 3000 mAh (3Ah) atļautā izlādes strāva ir 15A, tad tas atbilst 5C, kas nozīmē, ka ar šādu strāvu var izlādēt minēto akumulatoru 0.2 stundās (jeb 12 minūtēs). Tāpat tam pašam akumulatoram, ja dota standarta uzlādes strāva 1500 mA (1.5A), tā attiecīgi atbilst 0.5C un nozīmē, ka šī strāva vienas stundas laikā akumulatora uzlādes līmeni palielinās par 50%. Elektrisko automašīnu ražotājs "Tesla" piedāvā veikt uzlādi saviem Litija akumulatoriem ar koeficientu līdz pat 4C. Vienas automašīnas akumulatoru modulis sastāv no 7100 elementiem (3.7V 3000mAh), kur katrs tiek lādēts ar līdz pat 12A lielu strāvu.

Akumulatoru bateriju izmantošana 

Akumulatoru baterijas plaši izmanto sadzīves elektroierīcēs. Tās pārsvarā tiek lietotas pārnēsājamās ierīcēs. Mobilajos telefonos, portatīvajos datorus izmanto litija jonu baterijas. Vēl akumulatoru baterijas izmanto bez pārtraukuma barošanas iekārtās (UPS). Šīs ierīces tiek lietotas, lai pasargātu elektroierīces no negaidītas elektrības padeves pārtraukumiem. Akumulatoru baterijas izmanto arī motociklos, automašīnās.

Atsauces

Ārējās saites 

Elektroķīmija
Enerģijas uzglabāšana