Jakie są rodzaje baterii? Poznaj różnice pomiędzy typami ogniw!

Ogniwa bateryjne znajdują zastosowanie już nie tylko w laptopach czy zabawkach. Wraz ze wzrostem gęstości energii można nimi zasilać coraz większe urządzenia: od narzędzi, przez elektryczne hulajnogi i rowery, aż po e-samochody nawet tak duże, jak autobusy. To możliwe, ponieważ we wszystkich tych aplikacjach możemy stosować ten sam typ ogniw (Li-ion). Niezależnie od tego wciąż jednak pracuje się nad nowymi rozwiązaniami. Dlatego warto poznać różnice pomiędzy najpopularniejszymi rodzajami baterii. 

Pierwsze ogniwa bateryjne, czyli NiCd oraz NiMH

Historia ogniw bateryjnych rozpoczyna się w 1899 roku w Szwecji, gdy Waldemar Jungner skonstruował pierwsze ogniwo niklowo-kadmowe (NiCd). Wysokie koszty materiałów, użytych do jej produkcji, mocno ograniczały wykorzystanie akumulatorów tego rodzaju. Dodatkową wadą była duża toksyczność kadmu. Minęło jednak prawie 100 lat, aby głównie z tego powodu sprzedaż baterii NiCd na terenie Europy została prawnie ograniczona wyłącznie do specjalnych zastosowań przemysłowych

W latach 90. ubiegłego wieku pojawiła się technologia ogniw niklowo-metalowo-wodorkowych (NiMH). Pod względem konstrukcyjnym różnią się one od NiCd wyłącznie materiałem katody, dzięki czemu są jednak znacznie bardziej “ekologiczne”. Poza tym oferują od 30 do 40% wyższa pojemność i posiadają wyższa odporność na wystąpienie “efektu pamięci” niż ogniwa NiCd. Poza tym obecność niklu podnosi atrakcyjność ich recyklingu. Do największych wad ogniw NiMh zaliczamy m.in. mocno ograniczoną żywotność, konieczność stosowania złożonych algorytmów ładowania oraz duży spadek wydajności w niskich temperaturach. 

Współczesne rodzaje ogniw bateryjnych. Czym się różnią?

Rozwój ogniw bateryjnych trwał od dziesięcioleci, ale wyraźnie przyspieszył dopiero w latach 90. To właśnie w tamtej dekadzie koszty produkcji nowoczesnych akumulatorów stawały się coraz niższe, dlatego stosowano je coraz częściej, co z kolei stało się impulsem do opracowywania nowych technologii produkcji. 

Ogniwa litowo-jonowe. Co warto o nich wiedzieć?

Odkrycie akumulatora litowo-kobaltowo-tlenkowego datuje się na lata 70. XX wieku. Zbudował go wtedy John B. Goodenough, stosując katodę z tlenku litu i kobaltu . W 1991 roku firma Sony wprowadziła na rynek pierwsze komercyjne baterie litowo-jonowe oparte na technologii LiCoO2.

Popularne akumulatory 18650

Wkrótce opracowano m.in. ogniwa 18650, których nazwa wzięła się od ich wymiarów (średnica 18 mm, długość 65.0 mm). Ogniwa Li-ion mogą mieć także inne kształty i rozmiary. Ich produkcja od 2001 roku zaczęła tanieć, co zapewniło im olbrzymią popularność. 

Zastosowanie ogniw Li-ion

Z drugiej strony ogniwa Li-ion w pewnych warunkach podatne są na samozapłon i wybuch. Stąd konieczność stosowania specjalnych systemów zarządzania baterią, które dbają o stabilność procesów ładowania i rozładowywania oraz chronią baterię przed przegrzaniem . W praktyce największy wpływ na stabilność ogniw Li-ion ma proces ich produkcji oraz poprawna eksploatacja. Dlatego zaleca się stosowanie wyłącznie akumulatorów cenionych producentów z dedykowanymi urządzeniami do ładowania. 

Ogniwa litowo-jonowe są powszechnie stosowane w:

• elektronice użytkowej (telefony, laptopy, aparaty cyfrowe, elektronarzędzia, powerbanki, latarki itp), 
• duże systemy magazynowania energii dla przemysłu,
• niektóre pojazdy elektryczne.

Ogniwa litowo-polimerowe. Dlaczego są tak popularne?

Ogniwa litowo-polimerowe to de facto akumulatory litowo-jonowe, w których ciekły elektrolit zastąpiono polimerem w postaci stałej lub żelowej (nie myl ich jednak z akumulatorami żelowymi, w których żelowy elektrolit jest mieszaniną kwasu siarkowego z krzemionką). 

W pierwszych konstrukcjach ogniw litowo-polimerowych elektrolit miał postać folii z tworzywa sztucznego, którego przewodność elektryczna w temperaturze pokojowej była niska. Zwiększało ją podgrzanie ogniwa do temperatury od 50℃ do 60℃, co w większości zastosowań było jednak kłopotliwe. Dlatego właśnie powstały ogniwa polimerowe z zżelowanym elektrolitem, które mają akceptowalną wydajność w temperaturze pokojowej. 

W przeciwieństwie do ogniw litowo-jonowych, akumulatory Li-Po nie muszą posiadać sztywnych obudów, co redukuje ich masę nawet o ponad 20% i umożliwia wykonanie akumulatora o dowolnym kształcie dopasowanym do urządzenia. Ogniwo litowo-polimerowe może być nawet tak cienkie, jak karta kredytowa. Między innymi z tego właśnie powodu stosuje się je w laptopach i smartfonach oraz innych urządzeniach przenośnych. Ponadto ogniwa Li-Po znajdziemy również w mobilnych urządzeniach medycznych oraz zdalnie sterowanych pojazdach (np. w dronach).

Akumulatory LFP, czyli LiFePO4 – czym są?

Jednym z rodzajów ogniw litowo-polimerowych z zżelowanym elektrolitem są akumulatory LFP, nazywane również LiFePO4 ze względu na fakt, że ich elektroda dodatnia wykonana jest m.in. z żelaza i fosforu. 

Obecnie są to najbezpieczniejsze, bo bardziej odporne na uszkodzenia mechaniczne (szczególnie przebicie), akumulatory na rynku. Ponadto wykazują dużą odporność na niewłaściwe warunki eksploatacji, co w połączeniu z długa żywotnością predysponuje je do zastosowań w przemyśle ciężkim i innych wymagających aplikacjach (również do pracy w głębokim rozładowaniu). W stosunku np. do ogniw NCA/NCM są tańsze, ale posiadają niższą gęstość energii. Charakteryzują się spadkiem wydajności w niskich temperaturach. Prawidłowo użytkowane osiągają żywotność od 3500 do 5000 cykli, co odpowiada okresowi użytkowania od 8 do nawet 10 lat. 

Akumulatory LFP stosowane najczęściej stosowane są w:

• samochodach elektrycznych — zwłaszcza w tańszych modelach, jak np. Tesla w wersji Standard Range
• telekomunikacji, energetyce, przemyśle oraz medycynie,
• systemach awaryjnego zasilania i alarmowych,
• oświetleniu ewakuacyjnym,
• instalacjach PV, 
• zasilaniu pokładowym np. łodzi, kamperów, przyczep kempingowych,
• coraz częściej także w pojazdach magazynowych (wózki widłowe).

Ogniwa NCA — najważniejsze informacje

Ogniwa NCA produkuje Panasonic. W tej konstrukcji wykorzystano katody z mieszaniny niklu, kobaltu i glinu. Dzięki temu ogniwa NCA pracują z najwyższymi mocami ładowania i posiadają dużą gęstość energii (200-260 Wh/kg), ale mają najkrótszą żywotność. Co więcej, spada ona nie tylko w wyniku eksploatacji, ale także z powodu “starzenia się” ogniwa.

Obok NMC, ogniwa NCA stosuje się głównie do zasilania samochodów elektrycznych. Korzysta się z nich także w magazynach energii. W elektronice użytkowej stosowane są sporadycznie.

Ogniwa bateryjne NMC. Czy znasz te fakty?

1. Produkcja ogniw NMC ruszyła w 2009 roku. 
2. Ich elektroda dodatnia wykonana jest mieszaniny niklu, manganu i kobaltu. 
3. Od proporcji tych składników zależą ceny tych ogniw oraz ich właściwości takie jak gęstość energii (150-200 Wh/kg) czy wysokość mocy właściwej. 
4. W porównaniu do baterii LFP posiadają mniejsza żywotność (od 800 do 2000 cykli) i chociaż cechuje je stabilność użytych składników chemicznych, to jednak są mniej bezpieczne, niż ogniwa LiFePO4. 
5. Ogniwa NMC podobnie jak LiFePO4, zawierają elektrolit w postaci żelu, ale okazują się sprawniejsze w niskich temperaturach. 
6. Są to jedne z najczęściej stosowanych ogniw w elektromobilności ze względu na kompromis między gęstością energii i bezpieczeństwem.

Ogniwa NMC stosuje się przede wszystkim do zasilania:

• narzędzi elektrycznych,
• telefonów, laptopów,
• wózków widłowych i paletowych (zwłaszcza najbardziej kompaktowych modele),
• samochodów elektrycznych w wersjach z największymi bateriami (np. Tesla, modele Long Range oraz Performance).

Bezpieczne akumulatory półprzewodnikowe

Ze względów bezpieczeństwa użytkowania najatrakcyjniejsze wydają się akumulatory półprzewodnikowe, czyli solid state. Przede wszystkim dlatego, że z ich konstrukcji usunięto ciekły elektrolit, który zawiera węglowodory, czyli to co czyni go doskonałym paliwem. To właśnie z tego powodu przegrzane baterie Li-ion tak efektownie płoną. Akumulatory solid state posiadają przy tym większą gęstość energii i mogą pracować w szerszym zakresie temperatur.