Akkumulátorok, töltők

Ebben a cikkben a manapság széles körben elterjedt akkumulátorokról és töltőkről, s azok helyes alkalmazásáról fogunk beszélni.

Kezdjük az akkumulátorokkal

Manapság minden hordozható eszköz akkumulátorokat használ energiaforrásként, ezért szerencsére az iparág rá van kényszerítve a folyamatos fejlődésre. Én még elég sokat használtam nikkel bázisú akkumulátor cellákat, melyek nagyok, nehezek és érzékenyek voltak. Használatuk és töltésük körülményes volt és mivel egy cella névleges feszültsége relatív alacsony (kb. 1,2V) legalább 3-4 db-ot kellett sorba kötni egy áramkör működtetéséhez. Ez további problémákhoz vezetett pl. cellák széthangolódása.

Egy kis történeti áttekintő arról, hogy hogyan jutottunk el a Nikkel bázisú akkumulátor-celláktól a manapság általános Lítium bázisú cellákig

• A Li-ion-akkumulátor létrehozásával először M. S. Whittingham foglalkozott az 1970-es években. Ezek még költséges titán-szulfid-katódot és fémes lítiumanódot tartalmaztak. A fémes lítium kisebb üzemzavar hatására is hajlamos volt villámsebesen felforrósodni, és ez az akkumulátor felrobbanásához vagy elolvadásához vezetett.
• A veszélyek ellenére több gyártó is belefogott a Li-ion-akkumulátorok fejlesztésébe, mivel ennek a típusnak a legnagyobb a kapacitása – a NiCd-akkukénak kétszerese – és cellafeszültsége. Használható formában a Bell Labsnál a nyolcvanas években sikerült ilyen akkumulátorokat előállítani grafitanód alkalmazásával.
• Kereskedelmi bevezetését a John Goodenough által vezetett kutatócsoport munkája tette lehetővé, amely a katódot többrétegű lítium-kobalt-oxid anyaggal valósította meg. Erre alapozva az első lítiumion-akkumulátorokat a Sony jelentette meg 1991-ben.
• 1989-ben Arumugam Manthiram és John Goodenough kimutatták, hogy a polianiont – például szulfátot – tartalmazó katódok nagyobb feszültséget állítanak elő az oxidos változatoknál.
• 1996-ban Padhi és Goodenough megállapították, hogy a lítium-vas-foszfát (LiFePO4) és néhány rokon vegyülete is megfelelő katódnak.

A Lítiumcellák felépítése

A lítiumion-technológia a nevét onnan kapta, hogy a töltés tárolásáról lítiumionok gondoskodnak, amelyek töltéskor a negatív, szénalapúelektródához, kisütéskor pedig a pozitív fém-oxid-elektródához vándorolnak. Az anódot és a katódot elválasztó elektrolit LiPF₆, vagy újabban a kevésbé korrodáló LiBF₄, általában folyékony, szerves oldat formájában.

Az újratölthető lítiumion-akkumulátorok élettartama véges, a folyamat kémiai jellegéből adódóan: egy töltésciklust jelent, mikor az akkumulátor lemerül, tehát 100%-osan elhasználják a kapacitását. De ha félig lemerül az akkumulátor, s újratöltés után másnap ismét így tesz, akkor ez is egy töltésciklust jelent. Minden alkalommal, mikor elhasznál egy töltésciklust, kissé csökken az akkumulátor kapacitása. A notebookhoz készített Li-ion-akkumulátoroknak általában 300 teljes töltésciklus után már kevesebb mint 80%-os a kapacitásuk.

Előnyei

• Mivel a lítium a legkönnyebb fém, így az ebből készült akkumulátorok sokkal könnyebbek a nikkelalapúaknál és tartósabbak is.
• Nincs memóriaeffektus: egyáltalán nem képződnek kristályok az akkumulátorban, így nem kell gondot fordítani a rendszeres tréningeztetésre. Sőt, a Li-ion-akkumulátorok nem is szeretik igazán, ha teljesen kisütik őket.
• A Ni-MH-technológiához hasonlóan ezek az akkuk is nagyon kevés mérgező anyagot tartalmaznak.
• Lassan veszíti el a töltését.
• Mivel még a kimerült cella is képes legalább 3 V-ot szolgáltatni az 1-1,25 V-os NiCd-, illetve NiMH-akkumulátorokkal szemben (teljesen feltöltött állapotban mintegy 4,2 V a cellafeszültség), egyetlen cellával táplálható a legtöbb modern digitális áramkör (pl. mobiltelefon).
• Az egyetlen cellából épített akkumulátor esetén nem kell számolni a rosszul párosított vagy gyári hibás cellákból eredő, valamint az egyenetlen elöregedés okozta problémákkal.

Hátrányai

• Túltöltés vagy a névlegesnél magasabb feszültséggel való töltés esetén hő fejlődik, ami az akku felrobbanásához is vezethet.
• Az akkumulátornak védőáramkörökre vagy megfelelően informált üzemeltető személyre van szüksége.
• Öregedési és elhasználódási probléma, hasonlóan a nikkel alapú akkumulátorokhoz (A 40% töltöttségi szint körüli, hideg (kb. 0°C), száraz helyen való tárolás lassítja az öregedési folyamatot.) Azért ne tegyétek a hűtőbe, légyszi!

 Alkalmazásuk

Amennyiben védőáramkörrel rendelkező akkumulátort veszünk, nem kell aggódnunk a túláram, túltöltés és túlmerülés okozta károsodástól. Ez azonban felveti azt a problémát, hogyha egy vv/vw modban használnánk a védett cellát, a két elektronika lehet, hogy “összeakadna” egymással, azaz valamelyik védelem indokolatlanul lépne életbe. Ennek kiküszöbölése végett védetlen cellákat használunk a szabályozott eszközökben.

Bármilyen cellát használunk óvjuk a mechanikai behatásoktól, sérülésektől, mert ahogy olvashattátok, igen precíz a belső szerkezetük.

A cellák méretezése

A lítium-ion celláknak jellemzően hengeres formája van, akárcsak a kiemelt képen. Az egyszerűség kedvéért a gyártók egységes méretkódokkal látják el a cellákat. A legelterjedtebb méret a 18650, ahol az első két számjegy jelöli a szélességet, a hátsó három pedig a hosszúságot (mm-ben). Emellet elterjedtek még a 18500, 18350, 16340 és 14500 cellák is. A szükséges cellaméretet a készülékek adatlapján mellékelik. Egyes készülékek különböző méretű akkumulátorokkal is használhatóak toldócsövek használatával vagy vannak úgynevezett teleszkópos modok, amelyeknél a cső teljes hosszában menetes, ezáltal kiegészítők nélkül finomhangolhatjuk a legtöbb mérethez.

Újabban egyre több készülék tartalmaz beépített akkumulátort szabványos micro usb töltővel, ahol természetesen nem kell gondot fordítani a külön cellák és töltő vásárlására, viszont cserébe ha nincs a közelünkben usb aljzat pl. túrázás esetén, nem cserélhetjük pillanatok alatt az akkumulátorunkat.

Honnan érdemes tájékozódni

• Először is keresnünk kell egy megbízható viszonteladót. A közösség biztosan segítségünkre lesz ebben.
• A második lépés: kinézni a megfelelő típust. Ebben nagy segítségünk a Google keresője. Írjuk be a típus nevét/számát és a “datasheet” kifejezést. A datasheet egy általános felhasználási információkat tartalmazó iromány, amelyet minden elektronikai cikkhez megtalálhatunk. Ebben az üzemeltetés körülményeiről közölnek tulajdonságokat. A legfontosabb számunkra a belső ellenállása a cellának. Ez minél alacsonyabb, annál jobb. Ami szintén nagyon fontos tulajdonság: a maximális konstans kisütési áram. Ez határozza meg, hogy mekkora teljesítményen biztonságos az alkalmazása.
• Néhány ajánlott márka a teljesség igénye nélkül.: Efest, LG, Keeppower, Nitecore, Xtar, Samsung, Panasonic, MXJO, Sibeile, MNKE, Keeppower, Eneloop / Sanyo, Sony, Orbtronic, Enerpower, AWT, Basen, Kinoko, EagleTac

A töltőkről

Egyetlen módszer van a lítium-bázisú akkumulátorok töltésére, a CC/CV. Az úgynevezett “csoda-töltők”, melyek az akkumulátorok feljavítását illetve élettartamuk megnövelését ígérik, a lítium-kémiában nem léteznek, ahogyan a szuper gyorstöltők sem. A lítium-ion akkumulátor gyártók használati utasításai határozottak, szigorúak, a töltést ezek szerint kell végezni. A lítium-ion nagyon tiszta technológia, így semmi szükség nincs az úgynevezett “formázásra”, amit a korábban használatos nikkel-bázisú akkumulátoroknál végre kellett hajtanunk. Az első töltés semmiben nem különbözik az ötödiktől, vagy akár az ötvenediktől. Egyes forgalmazók azt tanácsolják, hogy első alkalommal töltsük az akkumulátort 8 órán át, de ez a tévhit még a nikkeles időkből maradt fenn. A töltő 3-4 óra után automatikusan kikapcsol…

A legtöbb cellát 4,2 Volttal kell tölteni, +- 0,05 Volt ingadozást tolerálnak. Ha 4,1 Volttal töltünk, az csökkenti a kapacitást, de 10%-kal növeli az élettartamot. Az újabb cellák már 4,2 Volttal való töltés esetén is jó élettartammal bírnak. Az ábra a lítium-ion cella viselkedését mutatja a töltés folyamán:

Folyamatos vonallal a cella feszültségét ábrázolják, míg a szaggatott vonal az aktuális töltőáramot mutatja. Az ábrán látszik, hogy a cellát először viszonylag nagy és állandó töltőárammal (~4.1V kapocsfeszültségig, ez a CC, azaz az állandó áramú szakasz),  majd állandó feszültséggel (CV) és folyamatosan csökkenő  árammal töltik.

A legtöbb töltőnél a töltési idő 3-6 óra, de ez nagyban függ a kapacitástól és a töltőáramtól és a merültség fokától egyaránt. A modernebb akkumulátorokat, melyeket a mobiltelefonokban használnak 0.5-1 C-vel töltjük, míg például a laptopokban használt hagyományos Li-ion akkumulátorokat 0.3-0.8 C-vel.
(A C egy töltés/merítési arányszám, 1000 mAh-ás akkumulátor esetén az 1C 1000 mA-t jelent, tehát 1 C-vel töltve egy akkumulátor alig több, mint 1 óra alatt töltődik fel, míg 1C-vel ugyanez az akkumulátor pontosan egy óra alatt merül le.)

Szívem szerint nem tárgyalnám tovább a töltési algoritmust, mert manapság a jó töltők mindezt tudják. Rossz töltőt pedig csak hülye vásárol. Komolyan. Én vettem már olyat, ami kigyulladt és olyat is, ami felrobbant.

Éppen ezért a legfontosabb töltő vásárlása előtt szintén az ismertetők elolvasása. Ügyeljünk arra, hogy minél több védelmi funkció legyen benne. A hatalmas LCD kijelzők csak tetézik az örömöket, de nem szükséges kiegészítők.

• Az első lépés itt is egy megbízható viszonteladó keresése.
• A következőkben ismét néhány márkát ajánlanék kiindulópontnak: Efest, Nitecore, Xtar, AWT, Orbtronic.
• Ezek után már csak azt kell eldöntenünk, hogy a pénztárcánk mennyi extra funkciót enged meg, mert az ajánlottak listájáról bátran vehetjük bármelyik modellt.

Mára a töltők hozzáférhetőek 1-2-4 vagy akár 8 töltőággyal is. Amennyiben ilyet vásárolunk, mindenképpen fontos megbizonyosodni róla, hogy a különböző töltőágyakat egyenként felügyelje az elektronika. Ellenkező esetben csúnya baleset érhet.