Tipuri de acumulatori – acumulator Li-Ion, acumulator Ni-MH, acumulator Ni-MH Li-Po

O sursă de energie dovedită și eficientă.

• Scurt istoric al acumulatorului
• Piața bateriilor secundare (acumulatori)
• Caracteristicile acumulatorului
• Acumulatori cu hidrură de nichel-metal (NiMH)
• Acumulatori litiu-ion (Li-Ion)
• Acumulatori litiu-polimer (Li-Po)
• Reciclare

Scurt istoric al acumulatorului

Primul acumulator pe bază de acid de plumb a fost dezvoltată în Franța, la mijlocul secolului al XIX-lea. Înainte de aceasta, toate bateriile (sau mai degrabă celulele) erau primare, ceea ce însemna că nu puteau fi reîncărcate.

În 1899, Waldemar Jungner din Suedia a inventat bateria cu nichel-cadmiu (NiCd), care folosea cadmiul ca electrod pozitiv (catod) și nichelul ca electrod negativ (anod). Însă costul ridicat al materialului în comparație cu plumbul a limitat utilizarea acestuia. Acest lucru nu schimbă faptul că NiCd a fost singurul acumulator pentru aplicații portabile. În anii ’90, ecologiștii din Europa au început să se îngrijoreze în legătură cu daunele provocate de eliminarea neglijentă a NiCd. Directiva 2006/66/CE privind bateriile restricționează în prezent vânzarea bateriilor NiCd în Uniunea Europeană, cu excepția utilizărilor industriale speciale în care acestea nu pot fi înlocuite. O alternativă este acumulatorul reîncărcabil cu hidrură metalică de nichel (NiMH), mai prietenos cu mediul înconjurător și similar cu NiCd.

În prezent, cea mai mare parte a eforturilor de cercetare este dedicată îmbunătățirii sistemelor cu litiu, introduse pentru prima dată de Sony în 1991. Pe lângă alimentarea cu energie a telefoanelor mobile, a laptopurilor, a camerelor digitale, a uneltelor electrice și a dispozitivelor medicale, acumulatorii litiu-ion sunt utilizați și în vehicule electrice și sateliți. Acest acumulator are numeroase avantaje, în special o energie specifică ridicată, o încărcare simplă, o întreținere redusă și un grad de protecție a mediului.

Piața bateriilor secundare (acumulatori)

Până în 2026, se estimează că acumulatorii litiu-ion vor reprezenta până la 70% din piața totală, iar acumulatorii plumb-acid aproximativ 20%. Dimensiunea industriei acumulatorilor litiu-ion a fost de 40,8 miliarde USD în 2020 și se așteaptă să ajungă la 100,3 miliarde USD până în 2026¹ . Piața bateriilor reîncărcabile este impulsionată de cererea în creștere de dispozitive electronice portabile. Telefoanele inteligente și laptopurile sunt dispozitive obișnuite nu doar în țările dezvoltate, ci în întreaga lume. Prin urmare, piața este în continuă creștere și, în același timp, se pune din ce în ce mai mult accentul pe protecția mediului și pe rolul pe care trebuie să îl joace producătorii de echipamente și componente electronice, cum ar fi acumulatorii.

Caracteristicile acumulatorului:

Atunci când selectați un acumulator trebuie să luați în considerare următoarele caracteristici:

1. Tipul
2. Tensiunea
3. Curba de descărcare
   Curba de descărcare este un grafic al tensiunii în funcție de procentul de capacitate descărcată. Este de dorit o curbă de descărcare plană, deoarece aceasta înseamnă că tensiunea rămâne constantă pe măsură ce acumulatorul se consumă.
4. Capacitatea
   Capacitatea teoretică a unei baterii reprezintă cantitatea de energie electrică implicată într-o reacție electrochimică.
5. Densitatea energetică specifică
   Densitatea specifică a energiei este energia care poate fi obținută pe unitatea de masă a celulei (sau, uneori, pe unitatea de masă a materialului electrodului activ). Este produsul dintre capacitatea specifică și tensiunea de funcționare pe durata unui ciclu complet de descărcare.
6. Densitatea puterii
   Densitatea puterii este puterea care poate fi obținută pe unitatea de masă a celulei (W/kg).
7. Dependența de temperatură
   Rata de reacție în celulă va depinde de temperatură, conform teoriilor cinetice. Rezistența internă variază, de asemenea, în funcție de temperatură; la temperaturi scăzute, rezistența internă este mai mare. La temperaturi foarte scăzute, electrolitul poate îngheța, ceea ce determină o tensiune mai mică, deoarece mișcarea ionilor este împiedicată. La temperaturi foarte ridicate, substanțele chimice se pot descompune sau poate exista suficientă energie disponibilă pentru a activa reacții reversibile nedorite, reducând eficiența.
8. Durata lungă de viață
   Ciclul de viață al bateriei reîncărcabile este definit ca fiind numărul de cicluri de încărcare/încărcare pe care o baterie secundară le poate efectua înainte ca capacitatea sa să scadă la 80% din valoarea sa inițială. Aceasta este de obicei între 500 și 1200 de cicluri.
9. Cerințele fizice
   Acestea includ geometria celulei, dimensiunea, greutatea și forma acesteia, precum și amplasarea terminalelor.
10. Ciclul de încărcare/descărcare
    Există multe aspecte ale ciclului care trebuie luate în considerare, cum ar fi:
    1. Tensiunea necesară pentru încărcare
    2. Timpul necesar pentru încărcare
    3. Disponibilitatea sursei de încărcare
    4. Pericole potențiale de siguranță în timpul încărcării/descărcării
11. Ciclul de viață
    Ciclul de viață al unui acumulator reprezintă numărul de cicluri de descărcare/încărcare pe care le poate parcurge înainte de a-i scădea capacitatea la 80%.
12. Costul
    Acesta include costul inițial al bateriei în sine, precum și costul de încărcare și întreținere a acesteia.
13. Capacitatea de descărcare profundă
    Există o relație logaritmică între adâncimea de descărcare și durata de viață a bateriei, astfel încât durata de viață a acumulatorului poate crește semnificativ dacă nu este descărcat complet; de exemplu, o baterie de telefon mobil va dura de 5-6 ori mai mult dacă este descărcată doar în proporție de 80% înainte de a fi reîncărcată. Sunt disponibili acumulatori speciali cu descărcare profundă pentru aplicațiile în care acest lucru poate fi necesar.
14. Cerințele de aplicare
    Bateria trebuie să fie suficientă pentru utilizarea prevăzută. Acest lucru înseamnă că trebuie să fie capabilă să producă curentul potrivit la tensiunea potrivită. Astfel, trebuie să aibă capacitatea, energia și puterea potrivite. De asemenea, nu trebuie să depășească prea mult cerințele aplicației, deoarece acest lucru poate cauza costuri inutile; trebuie să ofere performanțe suficiente la cel mai mic cost posibil.

Acumulatori cu hidrură de nichel-metal (NiMH)

Timp de aproape 50 de ani, dispozitivele portabile s-au bazat aproape exclusiv pe nichel și cadmiu (NiCd), dar în anii 1990, acumulatorul cu hidrură de nichel-metal (NiMH) a devenit prioritar pentru a rezolva problema toxicității NiCd, care altfel era robust. Celulele au o structură analogă cu cea a acumulatorilor cu nichel-cadmiu și sunt disponibile în toate tipurile de carcase (cu buton, cilindrice, prismatice și dreptunghiulare).

ACCU-1_V500HT

Acumulator Ni-MH: ACCU-1/V500HT

 

Avantajele acumulatorului cu hidrură de nichel-metal (NiMH)

1. Capacitate cu 30-40% mai mare decât NiCd standard;
2. Mai puțin sensibile la „efectul de memorie” decât NiCd;
3. Depozitare și transport simplu; bateria nu face obiectul unui control de reglementare;
4. Ecologic, conține doar toxine ușoare;
5. Conținutul de nichel face ca reciclarea să fie rentabilă.

Dezavantajele acumulatorului cu hidrură de nichel-metal (NiMH)

1. Durată de viață limitată; descărcarea profundă scurtează durata de viață;
2. Necesită un algoritm complex de încărcare;
3. Nu tolerează bine supraîncărcarea; sarcina susținută trebuie menținută la un nivel scăzut;
4. Generează căldură în timpul încărcării și descărcării rapide la sarcină mare;
5. Autodescărcare ridicată; aditivii chimici reduc autodescărcarea în detrimentul capacității;
6. Performanța scade dacă acumulatorul este depozitat la temperaturi ridicate; acesta trebuie depozitat într-un loc răcoros, la o stare de încărcare de 40%.

Acumulatori litiu-ion (Li-Ion)

John B. Goodenough (1922) a fost cel care a inventat celula de litiu-cobalt-oxid. Cu un an mai devreme, însă, Sony anunțase un brevet internațional pentru un catod de oxid de litiu-cobalt. Au urmat ani de litigii, dar Sony a reușit să păstreze brevetul.

Cheia pentru o energie specifică mai bună cu acest tip de acumulator este tensiunea ridicată a celulei de 3,60V. Îmbunătățirile aduse materialelor active și electroliților pot crește și mai mult densitatea energetică. Caracteristicile de încărcare sunt bune, iar curba de descărcare plată asigură o utilizare eficientă a energiei stocate în spectrul de tensiune dorit și plat de 3,70-2,80 V/celulă. În 1994, costul de producție al unui litiu-ion într-o celulă cilindrică 18650 era de peste 10 dolari, iar capacitatea era de 1100mAh. În 2001, prețul a scăzut sub 3 dolari, iar capacitatea a crescut la 1900mAh. Costul redus, energia specifică crescută și lipsa materialelor toxice au deschis calea pentru ca Li să devină un acumulator acceptat pe scară largă pentru aplicații portabile, industria grea, sisteme de propulsie electrică și sateliți.

ACCU-14500-0.8-2A

Acumulator Li-Ion: ACCU-14500-0.8-2A

Li-ion este un acumulator care necesită puțină întreținere, un avantaj cu care nu se pot lăuda majoritatea celorlalte substanțe chimice. Bateria nu are memorie și nu necesită niciun exercițiu (descărcare completă deliberată) pentru a o menține în stare bună. Autodescărcarea este mai mult de jumătate din cea a sistemelor pe bază de nichel, ceea ce ajută în aplicațiile cu indicatori de energie. Tensiunea nominală a celulei de 3,60 V poate alimenta direct telefoane mobile, tablete și camere digitale, oferind simplificare și reduceri de costuri în comparație cu proiectele cu mai multe celule. Dezavantajele constau în necesitatea unor circuite de protecție pentru a preveni o eventuală aprindere spontană sau explozie. Un dezavantaj suplimentar este prețul ridicat.

Tipurile de baterii litiu-ion sunt împărțite în funcție de sistemele electrochimice utilizate în acestea:

• (+) MLi / electrolit organic / C (-), unde M reprezintă metalul de bază al electrodului
• C – cobalt
• N – nichel
• M – mangan
• V – vanadiu
• T – titan

Acumulatorii litiu-ion au carcase ermetice care conțin sisteme de control de protecție. Materialele electrozilor sunt aplicate pe folii foarte subțiri (cupru și aluminiu), separate de un separator.

Avantajele unui acumulator litiu-ion (Li-Ion)

1. Energie specifică ridicată;
2. Autodescărcare relativ scăzută; mai puțin de jumătate din cea a NiCd și NiMH;
3. Costuri reduse de întreținere. Nu este necesară o descărcare periodică; nu există memorie.

Dezavantajele unui acumulator litiu-ion (Li-Ion)

1. Necesită un circuit de protecție pentru a limita tensiunea și curentul;
2. Acesta este supus îmbătrânirii, chiar dacă nu este utilizat (îmbătrânirea are loc în toate bateriile, iar sistemele Li-ion moderne au o durată de viață similară cu cea a altor substanțe chimice);
3. Pentru acest tip de acumulator se aplică reglementări stricte privind transportul.

Acumulator litiu-polimer (Li-Po)

La începutul secolului XXI, subiectul acumulatorilor cu polimeri ionici a devenit important. Cu toate acestea, mulți utilizatori au dificultăți în a face diferența între un acumulator litiu-ion obișnuit și unul cu arhitectură polimerică. Litiul-polimer diferă de alte sisteme de acumulatori prin tipul de electrolit utilizat. Polimerul original, cu un design din anii 1970, utilizează un electrolit polimeric solid (uscat), care seamănă cu o peliculă similară plasticului. Acest izolator permite schimbul de ioni și înlocuiește separatorul poros tradițional saturat cu electrolit. Polimerul solid are o conductivitate slabă la temperatura camerei, iar acumulatorul trebuie încălzit la 50-60°C (122-140°F) pentru a permite trecerea curentului. Pentru a face ca celula modernă din polimer de litiu să fie conductivă la temperatura camerei, aceasta a fost gelificată.

ACCU-LP103451_CL

Acumulator Li-Po: ACCU-LP103451/CL

Termenul corect este „polimer litiu-ion” sau polimer de litiu. Li-polimerul poate fi construit pe mai multe sisteme, cum ar fi Li-cobalt, NMC, Li-fosfat și Li-mangan. Din acest motiv, acumulatorul cu polimeri de litiu nu este considerat a fi unic față de acumulatorii litiu-ion. Majoritatea bateriilor secundare litiu-polimer pentru piața de consum se bazează pe cipuri de litiu-cobalt. În ceea ce privește utilizatorul, un polimer de litiu este în esență același lucru cu un acumulator litiu-ion. Ambele sisteme utilizează materiale identice pentru catod și anod și conțin o cantitate similară de electrolit. Deși caracteristicile și performanțele ambelor sisteme sunt similare, polimerul de litiu este unic prin faptul că este un electrolit microporos și înlocuiește separatorul poros tradițional. Electrolitul gelificat devine un catalizator care îmbunătățește conductivitatea electrică. Polimerul de litiu oferă o energie specifică ușor mai mare, iar acumulatorii care îl folosesc pot fi mai subțiri decât cei convenționali litiu-ion. În același timp, costul de producție este cu 10-30% mai mare. În pofida prețului mai ridicat, cota de piață a celulelor litiu-polimer este în creștere. De fapt, acestea sunt, de asemenea, prezentate într-o carcasă flexibilă din folie (laminat de polimer sau cameră de pungă), care amintește de ambalajele alimentare. În timp ce un acumulator standard litiu-ion necesită o carcasă rigidă pentru a comprima electrozii, Li-polimerul utilizează foi laminate care nu necesită compresie. Această carcasă din folie reduce greutatea cu peste 20%, în plus, tehnologia filmului subțire eliberează designul formatului, iar bateria poate fi realizată în orice formă, potrivindu-se perfect în telefoane mobile și laptopuri elegante pentru a le face mai mici, mai subțiri și mai ușoare. Li-polimerul poate fi foarte subțire și poate semăna cu un card de credit. Caracteristicile de încărcare și descărcare ale polimerului de litiu sunt identice cu cele ale altor sisteme litiu-ion și nu necesită un încărcător special. Problemele de securitate sunt, de asemenea, similare.

Reciclare

Utilizarea acumulatorilor litiu-ion în aparatele electronice de consum și în vehiculele electrice a crescut rapid în ultimii ani. Această cerere crescută a stimulat foarte mult producția de acumulatori litiu-ion, ceea ce a dus la o creștere semnificativă a cantității de acumulatori uzați care devin deșeuri.

Toți acumulatorii conțin substanțe foarte dăunătoare care nu ar trebui să ajungă în sol și în apele subterane și, totodată, conțin și componente care pot fi reutilizate.

Bateriile dumneavoastră vor fi reciclate în siguranță dacă le duceți la o instalație de deșeuri periculoase sau la un magazin care colectează baterii pentru reciclare. Pentru a face acest lucru bine, este util să urmați acești pași.

1. Colectați și sortați bateriile în funcție de tip
2. Sigilați toate bornele acumulatorului cu bandă adezivă. Acest lucru le împiedică să se combine pentru a genera căldură sau foc.
3. Returnați obiectele sortate și securizate în zona desemnată.

Text elaborat de Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.

The original source of text: https://www.tme.eu/ro/news/library-articles/page/44796/tipuri-de-acumulatori-acumulator-li-ion-acumulator-ni-mh-acumulator-ni-mh-li-po/