Az akkumulátorok világa

Olykor unottan megállapítjuk, hogy megint lemerült számítógépünk vagy telefonunk energiaforrása. Természetesen Murphy idôtlen törvényeinek engedelmeskedve ez az esemény akkor következik be, amikor a legnagyobb szükségünk lenne elektronikus segítônkre. Ugyan könnyen megmagyarázhatjuk e jelenséget azzal, hogy mikor dolgunk támad, sokat kell telefonálni, azaz hamar lemerül a készülék, de ettôl cseppet sem javul a hangulatunk.

Tény, hogy a félelmetes sebességgel fejlôdô elektronika mögött igencsak lemaradtak az akkumulátorok. A mai, többszázszor nagyobb számítási teljesítményû noteszgépeket majdnem ugyanakkora ormótlan telepek táplálják, mint 10 évvel ezelôtti társaikat. Az elmúlt években kialakult óriási igény – és az ennek köszönhetôen befektetett jelentôs összegek – következménye néhány számottevô fejlesztési eredmény lett, például a lítium-ion akkumulátorok kifejlesztése.

Szinte magától értetôdô, mi a cél az akkumulátorok fejlesztésénél: minél nagyobb kapacitás mellett minél kisebb méret és tömeg – vagy tudományosabban: minél nagyobb energiasûrûség. Hiszen ha a méret nem számítana, kár lenne fejlesztéssel veszôdni, legfeljebb magunkkal cipelnénk pár kilónyit a klasszikus ólomakkumulátorokból.

Az imént említett ólomakkumulátorokkal már bizonyára mindenki találkozott. Sôt valószínû, hogy a továbbiakban felsorolt technológiák egy-egy képviselôjét is tartotta már a kezében, hiszen alig van hordozható eszköz akkumulátor nélkül. De arra csak nagyon kevesen figyelnek, pontosan milyen is az adott akkumulátor, pedig nagy különbségek vannak az egyes megoldások között. E különbségek egy része a felhasználót is érinti. Érdemes tehát egy kicsit elidôzni az eltéréseknél.

Mire kell figyelni?

Nem könnyû sorrendet kialakítani az egyes akkumulátortechnológiák között. Mindegyiknek megvannak a maga elônyei és hátrányai, így minden alkalmazáshoz egyedileg kell akkumulátort választani. Vegyük sorra, mire érdemes figyelni!

Sohasem árt, ha nagy az akkumulátor kapacitása. Fontos, hogy ne legyen nagyobb méretû, mint amit még kényelmesen magunkkal tudunk hordozni. Nem szabad azt sem figyelmen kívül hagyni, mekkora az élettartama – ezt a jellemzôt az újratöltések számával szokás megadni. Ezt persze nem úgy kell érteni, hogy az 1000. töltésnél még tökéletes lesz az akku, az 1001. után pedig eldobhatjuk – pusztán annyit jelent, hogy a folyamatosan csökkenô kapacitás megfelelô karbantartás mellett ennyi idô múlva éri el a kritikus (általában 80%-os) szintet.

Ha az elhasznált akkumulátort ki kell dobni, az a bosszúság és a költség mellett környezetvédelmi szempontból is szomorú esemény, mivel a legtöbb akkumulátor tartalmaz bizonyos mennyiségû mérgezô vagy gyúlékony anyagot. Ezért sose dobjuk a szemetesbe az akkukat, gondoskodjunk megfelelô újrafelhasználásukról, vagy legalább szakszerû elhelyezésükrôl!

Nikkel-kadmium

A hatvanas években jelentek meg az elsô nikkel-kadmium (NiCd) akkumulátorok. Akkoriban ezek kínálták az egyetlen alternatívát a sav-ólom akkuk mellett. Nevét – az összes többi technológiához hasonlóan – az alkalmazott anód és katód anyagáról kapta.

Korai érkezésének és jó tulajdonságainak köszönhetôen az utóbbi évekig szinte minden hordozható számítógépbe, rádiótelefonba és kamerába ezeket az áramforrásokat építették. A NiCd számára nagy csapást jelentett a “zöld” korszak eljövetele, mivel a kadmium erôsen mérgezô, így egyre több gyártó választ más, kevésbé veszélyes akkumulátortípust.

Egyetlen versenytársa sem tölthetô újra ennyiszer, és nem képes ekkora csúcsteljesítmény leadására. Emellett könnyen és gyorsan tölthetô, jól szállítható – és olcsó.

Hátrányai közül említésre méltó, hogy a többi megoldáshoz képest kicsi az energiasûrûsége, és hajlamos a köznyelvben memória effektusként emlegetett kristályképzôdésre. A tudományos életben is emlegetnek az akkumulátorokkal kapcsolatban egy memória effektusnak nevezett jelenséget, ami arra vonatkozik, hogy ha egy NiCd akkumulátort rendszeresen pontosan ugyanannyira töltünk fel és merítünk ki, egy idô múlva kisebb lesz a kapacitása. Ez azonban csak különleges körülmények között fordulhat elô, és egyetlen túltöltéssel megszüntethetô.

A mindennapi életben sokkal nagyobb probléma a kristályképzôdés, pontosabban az, hogy az akkumulátor aktív részecskéi, ha sokáig nem mozgatják meg ôket, hajlamosak nagyobb kristályokba összeállni, ami csökkenti az akku kapacitását. Szélsôséges esetben tönkre is teheti a cellát, mivel a kristály sarka kiszúrhatja az elválasztó membrán falát. Ez elsôsorban a mélyebb rétegekben fordul elô, ugyanis az itt elhelyezkedô részecskéket ritkán mozgatjuk meg, ritkán merítjük le ennyire az akkumulátort.

A kristályok kialakulása ellen az a leghatékonyabb védekezés, ha havonta egyszer teljesen lemerítjük az akkumulátort. Figyelem! A teljesen itt azt jelenti, hogy addig, amíg a telefon vagy noteszgép ki nem kapcsol. Ha rövidre próbáljuk zárni az akkumulátort, az azonnal tönkremegy, sôt esetleg felrobban!

Ennél gyakrabban nem kell, sôt egyenesen ellenjavallott a teljes kimerítés, ugyanis ez is csökkenti az akku élettartamát. Ha havonta egyszer elvégezzük ezt a tréninget, a hónap többi részében egyáltalán nem kell foglalkozni az akkumulátorral.

Ha sokáig nem merítjük le az akkumulátorokat, akkora kristályok alakulhatnak ki, amelyeket már csak nagyon gondosan ellenôrzött lemerítés-feltöltés ciklusokkal lehet felaprítani. Ez a mûvelet csak szakmûhelyben végezhetô el, de szerencsés esetben tökéletesen visszafordítható a folyamat.

Hasonló eredményre vezet, ha nagyon sokáig (hetekig, hónapokig) folyamatosan töltjük az akkumulátort, ugyanis ilyenkor pártized volttal csökken a feszültsége, és a készülék azt hiszi róla, hogy kimerült. Ez az állapot is visszafordítható szaksegítséggel.

Nikkel metál-hidrid

Az elmúlt néhány évben a legtöbb kis méretû áramforrást igénylô területen a nikkel metál-hidrid (NiMH) technológia vette át a NiCd akkumulátorok helyét. Ezekben az akkukban a pozitív oldalon a NiCd akkukhoz hasonlóan nikkelt találunk, a negatív oldalon viszont egy speciális hidrogén-megkötô fémötvözet veszi át a kadmium helyét. Töltéskor ez a fémötvözet megköti a savas elektrolit hidrogénjét, kisütéskor pedig leadja azt.

A nyolcvanas években kifejlesztett NiMH akkuk azonos méret mellett 10-40%-kal nagyobb kapacitásra képesek NiCd társaiknál, és sokkal kevésbé hajlamosak a kristályképzôdésre (elég 3 havonta tréningeztetni ôket). Cserébe, mint az cikkünk táblázatában is látható, lassabban tölthetôk, sokkal rövidebb az élettartamuk, és kisebb a kinyerhetô csúcsteljesítményük. A felhasználó szemszögébôl sokkal kevésbé feltûnô, de említésre méltó probléma az is, hogy a NiMH akku töltése sokkal bonyolultabb, mint a NiCd-é. A megfelelô töltésszint eléréséhez az akkumulátor hômérsékletét is figyelembe vevô, bonyolult töltési algoritmus szükséges, ami megdrágítja a töltôáramköröket.

A folyamatos fejlesztésnek köszönhetôen a nagy kapacitású NiCd akkuk szinte minden fronton utolérték ezt a technológiát. Az egyetlen, amivel nem tudnak mit kezdeni a kutatók, a mérgezô kadmium. Mivel a NiMH akkuk sokkal kevesebb mérgezô fémet tartalmaznak, még a kissé magasabb ár ellenére is a legtöbb gyártó ezeket választja.

Lítium-ion

A legfiatalabb generációba tartozik a lítium-ion (Li-ion) technológia. Nevét onnan kapta, hogy a töltés tárolásáról lítium-ionok gondoskodnak, amelyek töltéskor a negatív, szén alapú elektródához, kisütéskor pedig a pozitív fémoxid elektródához vándorolnak. Az anódot és a katódot szerves elektrolit választja el egymástól.

Elôször a nyolcvanas években sikerült ilyen akkumulátorokat elôállítani. Ezek még fémes lítiumot tartalmaztak, ami kisebb üzemzavar hatására is hajlamos volt villámsebesen felforrósodni, és ez az akku felrobbanásához vagy elolvadásához vezetett. A ma kapható variáció a lítium-ionok forrásaként különféle vegyületeket használ, melyekben megfelelôen biztonságosan kötött a lítium.

A veszélyek ellenére is nagyon sok gyártó belefogott a Li-ion akkuk fejlesztésébe, mivel ennek a típusnak a legnagyobb a kapacitása – a NiCd akkukénak kétszerese – és cellafeszültsége. Mivel még a kimerült cella is képes legalább 3 V-ot szolgáltatni az 1-1,25 V-os NiCd, illetve NiMH akkukkal szemben (teljesen feltöltött állapotban mintegy 4 V a cellafeszültség), egyetlen cellával táplálható a legtöbb modern rádiótelefon, és a hasonló feszültségen mûködô számítógépekre is csak néhány évet kell várni. Az egyetlen cellából épített akkumulátor esetén nem kell számolni a rosszul párosított vagy gyári hibás cellákból eredô, valamint az egyenetlen elöregedés okozta problémákkal.

Az elônyök között szerepel még a meglepôen kis súly és az, hogy egyáltalán nem képzôdnek kristályok az akkumulátorban, így nem kell gondot fordítani a rendszeres tréningeztetésre. Sôt, a Li-ion akkumulátorok nem is szeretik igazán, ha teljesen kisütik ôket. A NiMH technológiához hasonlóan ezek az akkuk is nagyon kevés mérgezô anyagot tartalmaznak.

Sajnos a Li-ion akkumulátor sem tökéletes. Még a NiMH akkuknál is gondosabb és hosszasabb töltést igényel, ráadásul jelenleg még meglehetôsen drága.

Lítium-polimer

Még fejlesztés alatt áll a Li-ion utódja, a lítium-polimer (Li-polymer) akkumulátor. Hatalmas elônye, hogy nem vagy csak nagyon kis mennyiségben tartalmaz folyékony elektrolitot, helyette speciális polimer választja el az anódot és a katódot. Ez nagyon vékony és nagyon rugalmas cellákat eredményezhet, mivel nem kell vastag falú burkolattal védekezni a folyadék kifolyása ellen. Az is elképzelhetô, hogy egy szabadon hajtogatható lapocska lesz a jövô akkumulátora, amit ízlés szerint betömködhetünk a rendelkezésre álló nyílásba. Cserébe várhatóan még rövidebb élettartammal és még hosszasabb töltési idôkkel kell számolnunk.

Cink-levegô

Szintén fejlesztés alatt áll a cink-levegô akkumulátortechnológia. Érdekessége, hogy a többi akkutípussal szemben nem zárt: mûködéséhez folyamatos levegô-utánpótlásra van szükség, mert kisüléskor oxigént köt meg, töltéskor pedig oxigént bocsát ki. A hatékony mûködéshez minél nagyobb cellafelületre van szükség, így inkább könnyûek lesznek ezek az egységek, mintsem aprók. A Li-polymerhez hasonlóan ezt a megoldást is hosszú töltési idô és rövid élettartam jellemzi.

Üzemanyag cella

Ma még csak álom, de néhány éven belül valósággá válhat a nagy teljesítményû, miniatûr üzemanyagcella. Az üzemanyagcellák az elemekhez hasonlóan vegyi reakciókkal közvetlenül elektromosságot állítanak elô, a különbség az, hogy míg az elemeket kifogytuk után el kell dobni, az üzemanyagcella mindaddig üzemel, amíg üzemanyagot töltünk bele. Ez az üzemanyag legtöbbször hidrogén, de vannak metánnal és metanollal mûködô változatok is. A hidrogénbôl a reakció során víz lesz, a szénvegyületekbôl emellett széndioxid is képzôdik. Bizonyára sokan találkoztak az iskolában a közismert vízbontási kísérlettel, melynek során elektromosság hatására hidrogén és oxigén keletkezett a vízbôl. Az üzemanyagcella ennek a fordítottját végzi, megfelelô katalizátorok segítségével.

Az üzemanyagcella önmagában nem újdonság, például az ûrsiklón is üzemanyagcellák szolgáltatják az elektromosság egy részét. Ezek a készülékek azonban hatalmasak, és a kW-MW teljesítménytartományban üzemelnek. Ígéretes kutatások folynak azonban a miniatürizálás irányában, így a közeljövôben akár mobiltelefonra illeszkedô változat is készülhet.

Az üzemanyagcellának számos elônye van az akkumulátorokkal szemben. Talán a legfontosabb, hogy pillanatok alatt utántölthetô, és hogy várhatóan lehetséges lesz a jelenlegi akkumulátoroknál sokkal nagyobb kapacitásút elôállítani belôle. Ráadásul gyakorlatilag korlátlan a cella élettartama, ami környezetvédelmi szempontból fontos.

Forrás: Chip magazin