O ile samo polecenie jest bezsensowne z uwagi na to, że prąd to – jak pamiętamy z poprzednich wpisów – uporządkowany przepływ ładunków elektrycznych, toteż ma to tyle samo racji bytu, co prośba o przyniesienie dwóch wiader strumienia, o tyle istnieją urządzenia, które można nazwać takimi wiadrami na ładunki elektryczne.

Jak zapewne się domyślacie, chodzi mi o akumulatory. Czym one są i co je odróżnia od tego, co zwykło się nazywać „bateriami”? Przyznam szczerze, że nie lubię słowa „bateria”, gdyż jest ono nie do końca precyzyjne. Otóż zarówno swojski „paluszek”, jak i akumulator tego samego formatu, są bateriami. Wracając do poprzedniego wpisu O napięciu, elektrodzie i elektrolicie – to, co daje nam prąd, to ogniwo galwaniczne – dwie elektrody zanurzone w elektrolicie. Ogniwo, którego nie da się naładować, to ogniwo pierwotne; ogniwo, które taką możliwość posiada, to ogniwo wtórne. To, co potocznie nazywamy „baterią”, to bateria ogniw pierwotnych; to, co nazywamy „akumulatorem”, to bateria ogniw wtórnych.

O różnych typach akumulatorów już za chwilę, a teraz skupmy się nad tym, jak to działa. Skoro rozładowywanie akumulatora polega, tak jak w przypadku baterii, na przemianie energii chemicznej w elektryczną, to intuicyjnie w przypadku jego ładowania można założyć, że będzie ono polegało na przemianie energii elektrycznej w chemiczną – i tak jest. Reakcje chemiczne, które zachodzą na stykach elektrod i elektrolitu, są dokładnie takie same, tyle że przebiegają w odwrotnym kierunku w zależności od tego, czy są wymuszone przepływem prądu w przypadku ładowania, czy też same go generują podczas jego pracy. Oczywiście – jak każde urządzenie będące wytworem ludzkich rąk – także akumulator nie jest idealny i oprócz opisanych reakcji zachodzą w nim również inne, które mają wpływ na utratę jego właściwości. Kluczowa dla użytkownika jest jego pojemność, wyrażana w jednostkach znanych jako amperogodziny (Ah). Co oznacza ta jednostka? Czym jest godzina, to myślę, że każdy wie: 60 minut lub 3600 sekund; amper zaś to jednostka natężenia przepływającego prądu. Spójrzmy na jakiś przewód. Gdybyśmy mogli obserwować jego pojedynczy, cieniutki „plasterek”, to moglibyśmy obserwować przepływające ładunki. Jeśli przez taki przekrój w ciągu sekundy przejdzie ładunek jednego kulomba, to mówimy, że przepływający prąd ma natężenie jednego ampera. Stąd wzór 1A= 1C/s. Jedna amperogodzina oznacza w takim razie, że akumulator o takiej pojemności jest w stanie wytwarzać prąd o natężeniu 1A przez godzinę, tak więc 1 Ah = 1 C/s × 3600 s, co oznacza, że taki akumulator może wytworzyć łączny ładunek 3600 C. Czy to dużo? Sprawdźcie, jaką pojemność mają ogniwa w waszych smartfonach. W moim przypadku jest to 4510 mAh czyli 4,51 Ah. Myślę że odpowiedź nasuwa się sama. Jeśli nie, to poczytajmy, co to właściwie za rodzaj akumulatora i dlaczego akurat taki.

Ogniwa, które możemy znaleźć w smartfonach, laptopach itp. są najczęściej opisane symbolami Li-ion lub Li-Po. Pierwszy ze skrótów z pewnością obił się wam o uszy, bo chodzi o swojskie ogniwa litowo-jonowe, drugi zaś to ogniwo litowo-polimerowe.

Ogniwa litowo-jonowe, jak sama nazwa wskazuje, mają jakiś związek z litem i jonami. I jest to prawda, bo rolę elektrolitu pełni w nich ciecz, na którą składają się złożone sole litowe i rozpuszczalniki organiczne, a rolę elektrod porowaty węgiel i sole metali. Taki akumulator pozwala na skumulowanie dużych ilości energii przy względnie niewielkiej masie. Przeciętne ogniwo wykonane w tej technologii ma pojemność od 120 mAh do 190 mAh na każdy gram masy. Reakcji zachodzących w cyklach ładowania i pracy opisywać nie będę. Sam elektrolit zawiera w sobie takie chemiczne literki jak Li₂SO₄, LiPF₆ czy też LiClO₄ – siarczan litu, heksafluorofosforan litu czy jego nadchloran, a więc wspomniane wcześniej „złożone sole litowe” rozpuszczone w mieszaninie węglanów etylu i metylu oraz innych substancji. Skupmy się lepiej na tym, co z takimi akumulatorami wolno robić i jak je traktować, aby służyły nam jak najdłużej.

Niestety te akumulatory są dość wrażliwe na przeładowanie, przegrzanie i nadmierne rozładowanie. O ile w pierwszym przypadku da się temu zapobiec i większość urządzeń posiada odpowiednie zabezpieczenia, o tyle dwa pozostałe wymagają już pewnej uwagi ze strony użytkownika. Akumulatory tego typu należy po prostu ładować zaraz po ich pełnym rozładowaniu, a najlepiej do tego nie dopuszczać. Jeśli nie planujemy używać jakiegoś sprzętu z takimi bateriami, to najlepiej naładować je „do połowy” i tak zostawić, gdyż zapewni to największą żywotność. Najlepiej znoszą temperatury od około 8 do 28 stopni Celsjusza i w takich należy je ładować. Niska temperatura grozi uszkodzeniem ogniwa, a wysoka – pożarem. Wbrew popularnemu mitowi nie trzeba ich na samym początku formować, tj. przeprowadzić kilku cykli ładowania i rozładowania w krótkim czasie, ani nie występuje w nich „efekt pamięci”.

„Efekt pamięci” czyli zjawisko, którego objawem jest malejąca pojemność akumulatora, dotyczy akumulatorów wykonanych w technologiach Ni-Cd, czyli niklowo-kadmowych, i Ni-MH, czyli niklowo-metalowo-wodorkowych. Ogniwa poddawane kilkudziesięciu cyklom ładowania, gdy nie były rozładowywane do końca, zaczynały się zachowywać tak, jakby miały połowę swojej normalnej pojemności. Jak sprawdzono, wynikało to z nagłego spadku napięcia w trakcie poboru prądu. Przyczyną tego zjawiska okazały się kryształy i stopy. Kryształy kadmu, które powstawały z porcji metalu niewykorzystanej w trakcie rozładowywania akumulatora, i stopy kadmu oraz niklu. W jednym i drugim przypadku nie biorą one udziału w reakcjach, z których czerpiemy energię elektryczną. Zaznaczam, że to zjawisko pojawia się dopiero po wielokrotnym powtórzeniu takiego cyklu niepełne rozładowanie – nadmierne ładowanie i może zostać łatwo usunięte przy pomocy wcześniej wspomnianego formowania baterii. Ogniwa Li-ion i Li-Po nie są narażone na taki efekt tak długo, jak są ładowane w prawidłowy sposób – stąd zalecenia producentów, aby używać oryginalnych ładowarek.

Wartymi uwagi są również akumulatory kwasowe, które można znaleźć w praktycznie każdym samochodzie – praktycznie każdym, gdyż ostatnio podobno wzrosła liczba ich kradzieży. Spójrzmy na ich cechy:

Jak widać, mają o wiele wyższe napięcie niż te w smartfonach, a oprócz tego o wiele większą pojemność i masę. Elektrody w nich wykonane są z metalicznego ołowiu oraz jego dwutlenku. Rolę elektrolitu spełnia 37% roztwór kwasu siarkowego z dodatkami. Prąd elektryczny powstaje na obydwu elektrodach w wyniku reakcji ołowiu z anionem siarczanowym, co powoduje powstanie siarczanu ołowiu. Stąd pełne rozładowanie takiego akumulatora polega na całkowitym przekształceniu elektrod w siarczan ołowiu i jest to proces odwracalny. Efekt pamięci w przypadku tego typu akumulatorów polega na przekształceniu siarczanu ołowiu w jego formę krystaliczną, która jest izolatorem. Należy tego unikać, gdyż proces odsiarczania takiego akumulatora jest drogi i czasochłonny. Akumulatory tego typu nie są w pełni szczelne, co wymusza ostrożność, aby uniknąć rozlania elektrolitu. Niepełna szczelność tego typu akumulatorów wynika z tego, że należy regularnie uzupełniać w nich poziom elektrolitu poprzez dolewanie wody destylowanej. Ubytek wody następuje w nich podczas ładowania, gdy woda jest rozkładana elektrolitycznie na wodór i tlen. Gdyby wodór nie mógł ulatniać się z akumulatora, jego nagromadzenie się mogłoby doprowadzić do eksplozji.

To na koniec może sprawdźcie, na ile powinna wystarczyć bateria w waszym telefonie, wiedząc, że przeciętny pobór prądu w czasie użytkowania to od 100 mA do 500 mA 😉

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.