Rozdělení baterií podle elektrochemického principu

Na elektrokolech

jsou nejčastěji používány lithium-iontové (Li-Ion) lithium-polymerové (Li-Poly) a Lithium-železo-fosfátové ( LiFePO4) baterie. Neměli bychom zapomenout na baterie olověné, ale ty se pro svou velkou hmotnost a obsah kyseliny sírové v Evropě na elektrokolech již téměř nepoužívají. V ojedinělých případech se setkáme také s nikl metal hydridovými bateriemi (NiMh).

Olověný akumulátor

galvanický článek s elektrodami z olova, elektrolytem je kyselina sírová.

Vlastnosti 

• Jmenovité napětí jednoho článku: 2,1 V
• energie / hmotnost 30–40 Wh/kg
• energie / velikost 60–75 Wh/l
• Rychlost samovybíjení je v rozmezí 3-20% kapacity za měsíc. Horní hranice se váže ke starším typům akumulátorů.
• životnost 500-800 cyklů
• Olověné akumulátory dělíme na záložní, startovací a trakční.

Výhody

• Hlavní výhodou olověných akumulátorů je schopnost dodávat nárazově vysoké proudy.
• Další výhodou je nízká cena.

 Nevýhody

• nízká hustota energie 30–40 W·h/kg, 60–75 Wh/l z toho plyne vysoká hmotnost.
• obsahuje kyselinu sírovou.
• při ponechání v nenabitém stavu dochází již po několika dnech k tzv. sulfataci, která výrazně snižuje jeho kapacitu.

Levné elektrokolo s olověným akumulátorem o celkové hmotnosti 38 KG !

Pro elektrokola se používají baterie trakční. Tyto baterie jsou uzpůsobené i pro hluboké vybití, díky masivním elektrodám snášejí časté vybíjení a nabíjení. Olověné akumulátory se na elektrokolech vyskytují hlavně v asijských zemích. Vysoká hmotnost olověného akumulátoru přes 15 kg  dělá toto elektrokolo velmi těžkopádné.

Niklokadmiový akumulátor - stálice mezi akumulátory

Niklokadmiový akumulátor znal už Váš pradědeček. Jedná se o akumulátor, který snese velmi nezodpovědné zacházení, nevadí mu vybití na nulu, dokonce se doporučuje skladovat jej ve vybitém stavu, nemá velkou kapacitu ve vztahu k hmotnosti a objemu, má nízké nominální napětí. Ke konci nabíjení dojde k prudkému krátkodobému zvýšení nabíjecího proudu a zároveň ke snížení napětí akumulátoru. Současně se začíná článek zahřívat. Obou těchto stavů se může využít pro automatické odpojení od nabíječe.

 A říká se o něm, že trpí paměťovým efektem.

Vlastnosti

energie / hmotnost 40–60 W·h/kg
energie / velikost 50–150 W·h/L
efektivita nabíjení/vybíjení 70–90%
samovybíjení 10%/měsíc
životnost v cyklech 1 000 - 2 000 cyklů
nominální napětí článku 1,2 V

Výhody

• Odolný proti přebíjení a podvybití.
• Dlouhá životnost. 
• Možnost nabíjet vyššími proudy.
• Může být skladován vybitý.
• Pracuje dobře i za nízkých teplot. 

Nevýhody

• Problematické kadmium
• Nízké napětí článku
• Nižší kapacita například oproti NiMh
• Paměťový efekt?

 Podle zákona 297/2009 Sb. se směji niklokadmiové akumulátory používat jen pro průmyslové aplikace, nikoliv pro komerční využití. Ale když si koupíte poměrně kvalitní akušroubovák Makita, můžete si stále ještě vybrat variantu s NiCd. Já jsem to udělal (rok 2015). 

Nikl-metal hydridový akumulátor

Když si půjdeme koupit nabíjecí tužkovou baterii, nejčastěji obdržíme právě akumulátor Ni-MH.

Vlastnosti

• energie / hmotnost 60–120 W·h/kg
• energie / velikost 140–300 W·h/L
• samovybíjení 15-30% za měsíc
• životnost v cyklech 500–1000, články s menší kapacitou (hustotou energie) vydrží větší počet cyklů  
• nominální napětí článku 1,2 V

Nevýhody 

• nízké nominální napětí 1,2V
• velké samovybíjení, až 30% za měsíc
• snížená funkce při nízkých teplotách 

Výhody

• přibližně 2,5x vyšší kapacita na jednotku hmotnosti oproti svému NiCd předchůdci
• možnost nabíjet velkými proudy, tzv. rychlonabíjení bez poškození
• nízká cena
• nemá paměťový efekt
• neobsahuje problematické kadmium 

NiMH akumulátor má oproti starším NiCd akumulátorům až 2,5× větší kapacitu. Dokáže dodávat relativně vysoké proudy. Má dlouhou životnost, malé pořizovací náklady, možnost rychlonabíjení bez většího poškození. Napětí 1,2 V v podstatě během vybíjení neklesá. To je výhodou pro zařízení, které nemusí pracovat se snižujícím se napětím, ale nevýhoda spočívá v tom, že u NiMh článku nelze změřit okamžitou kapacitu, což bývalo tragické zejména u starších telefonů, kde baterka došla "náhle a rychle" a bez varování.

NiMh akumulátor je velmi používaným v zařízeních spotřební elektroniky, v elektrokolech se objevuje zřídka. 

Lithium-iontový akumulátor

Princip byl popsán již kolem roku 1912, ale první komerčně vyráběnou baterii představila společnost SONY až v roce 1991. V současné době nejpoužívanější akumulátor v mobilních telefonech, přenosných zařízeních a elektrokolech. 

Výhody:

• Vysoká hustota energie 200 Wh/kg,  nebo 530 Wh/l, tedy třikrát vyšší hodnota než například  Ni-MH.
• Tedy lze vyrobit baterii s vysokou kapacitou, malým objemem a hmotností.
• Malé samovybíjení (do 5 % měsíčně).
• Nemá paměťový efekt.
• Lze jej vyrábět v různých tvarech.
• Vysoké nominální napětí: 3,7 V na článek
• Životnost 500–1200 nabíjecích cyklů.

Nevýhody

• Baterie je velmi choulostivá na přílišné vybití a také na přebíjení.
• Hrozí nebezpečí výbuchu, nebo vznícení při zkratu, nebo při poruše nabíječky.
• Stárnutí baterie i když není používána.
• Je potřeba udržovat po celou dobu života baterrie napětí mezi 3,0 a 4,2 V na článek, při hodnotě 4,3V dochází ke snižování životnosti - ztrátě kapacity a při poklesu pod 2,5 V dochází ke zničení baterie. Proto je součástí každého článku čip, který tyto hodnoty monitoruje a v případě potřeby baterii odpojuje od zařízení. Tento čip má sice malé, ale přeci jen nezanedbatelné energetické nároky, které musíme přičítat k samovybíjení.

Na obrázku Li-Ion baterie pro elektrokolo - při poklesu pod 2,5 V na článek dochází ke zničení baterie. Proto je součástí každého článku elektronický obvod (BMS) , který tyto hodnoty monitoruje a v případě potřeby baterii odpojuje od zařízení. 

Lithium-polymerový akumulátor (Li-Pol)

je relativně nový typ akumulátoru, vychází z lithium-iontového, některé jeho vlasnosti jsou ještě vylepšeny, například při stejné kapacitě jako Li-Ion je  Li-Pol článek až o 20% lehčí. Jeho konstrukci je dokonce možné ohýbat. Proto jsou Li-Poly články dobře využitelné v tenkých mobilních telefonech a špičkových počítačích. Využívají je například notebooky Apple.

Li-Pol akumulátor je však velmi náročný na údržbu.

Vlastnosti

• Nominální napětí 3,7 V
• Hustota energie 100-265W/kg, 250-730W/l
• Životnost až 2000 cyklů
• Teplotní rozsah -10 až 50 °C

Výhody

• Velká kapacita na malém rozměru
• Extrémně nízká hmotnost, až o 20% oproti Li-Ion
• Bez paměťového efektu
• Minimální samovybíjení (cca 5 % za měsíc)
• Možnost rychlonabíjení až 5 násobkem kapacity článku, tedy lze nabít za 15 minut až na 90%
• Snáší vysoký vybíjecí proud špičkově až 50 násobek kapacity článku

Nevýhody

• Možnost vznícení nebo výbuchu (zejména při zkratu nebo přebíjení
• Kapacita klesá i při nepoužívání akumulátoru
• Při poklesu napětí pod 2,7 V je akumulátor nenávratně zničen
• Vyšší pořizovací cena
• Akumulátor může tzv. "vytuhnout" (i při nízkém samovybíjení, po roce a půl nepoužívání prostě odejde)
• Časem se zvyšuje tlak uvnitř baterie, články se nafukují. viz obr 

Tyto akumulátory se používají hlavně v malých zařízeních, jako jsou navigace, mobilní přístroje, fotoaparáty, notebooky a velmi oblíbené jsou u leteckých modelářů. (Také mám doma sbírku vyřazených a nafouknutých. TF)

Lithium-polymerový akumulátor se obvykle loučí se životem nafouknutím, dokáže roztrhnout i telefon.

Vsuvka:

Vlastním model rychlého větroně s elektromotorem. Téměř dvoukilový stroj s létá s lithium polymerovou baterí o napětí 14,8 Voltů a kapacitě 2,2 Ampérhodin. Tato 285 gramů vážící baterie dokáže dodávat  maximální proud 77 ampér, což je  teoretický výkon 1100 wattů. Veškerou svoji energii je schopná tato LI-Poly baterie vydat přibližně za 2 minuty.

Tohle Li-Ion baterie nedokáže. 

Ve skutečnosti mám motor s maximálním příkonem jen 800 W, což umožňuje létat maximální rychlostí cca 160 km/h. Maximální výkon však využívám jen pro stoupání. Model dokáže stoupat kolmo vzhůru rychlostí  20 metrů za sekundu, takže je motor v provozu jen 10 vteřin, během kterých model vystoupá do výšky cca 200 m.  Pak dlouho plachtí, takže při této konfiguraci vydrží na jedno nabití baterie ve vzduchu skoro hodinu. 

Špatnou zprávou je, že i při sebevětší péči se takto používaný akumulátor nedožije více jak 3 let.

Lithium polymerový akumulátor se v elektrokolech nepoužívá tak často, jako lithium iontový. Jeho extrémně velké nabíjecí a vybíjecí proudy nejsou pro provoz elektrokola potřeba. Li-Ion akumulátor naproti tomu není tak choulostivý a "dožívá se" vyššího věku.

LiFePO4 (LFP)

je zcela nový druh akumulátoru, který byl objeven v roce 1996 na Texasské univerzitě a zpočátku se zdálo, že má zázračné parametry. Očekává se, že tento typ akumulátoru nahradí akumulátory lithiom-Iontové a lithium-polymerové. Důvodem je nízká výrobní cena, dobrá dostupnost železa, brzdou pro masivní rozšíření je nízká vnitřní vodivost. Tento problém řeší výzkumná pracoviště po celém světě na úrovni nanotechnologií. 

Vlastnosti

• Hustota energie 90-110 Wh/kg, 220 Wh/l
• Životnost >10 roků
• Životnost v cyklech přes 2000 nabíjecích cyklů, (i poté pouze pokles kapacity na přibližně 80%!)
• Schopnost dodávat vysoký proud při špičkových odběrech
• Dobrá dostupnost železa
• Vynikající tepelná stabilita
• Bezpečnost – nevznikají žádné plyny
• Samovybíjecí efekt u těchto akumulátorů prakticky neexistuje
• Nemá paměťový efekt
• Nominální napětí článku 3.2V (3.1 – 3.3V)
• Maximální napětí článku 4.25V
• Minimální napětí článku 2.5V
• Bezpečné maximální napětí článku 4.0V (3.9V)
• Bezpečné minimální napětí článku 2.8V

Ve srovnání s lithium-Iontovými články, se kterými má LiFePO4 hodně společného, je téměř netoxický, teplotně stabilní, má vyšší počet nabíjecích cyklů, pomaleji stárne, ale stále ještě se vyskytují problémy při hlubokém vybíjení, stačí i pod 30% zůstatkové kapacity, kdy článek kolabuje. Výrobci jsou zatím při jeho nasazování do elektrokol zdrženliví. 

Ideální akumulátor neexistuje.

Každý dosud vynalezený článek má nějaké výhody a nějaké nevýhody. I když se výrobci snaží vyrobit akumulátory bezúdržbové,  "blbuvzdorné" a prošpikované sofistikovanou hlídací elektronikou, tak otázka jak dlouho a v jaké kondici nám bude akumulátor sloužit, záleží hlavně na uživateli.

Pojďme se podívat na to, jaké zákonitosti ovlivňují životnost akumulátoru při nabíjení a vybíjení. 

Jaké jsou metody nabíjení baterií?

Jak nabíjet baterie pro začátečníky, pokročilé a pro skrblíky?