Gondolkodott már azon, hogyan működik egy akkumulátor? Nap mint nap találkozol ezzel a varázslatos eszközzel – a telefonodban, a laptopodban, az autódban vagy akár egy távirányítós játékban. Akkumulátorok nélkül a modern technológia megállna. Ebben a cikkben könnyen érthető módon elmagyarázzuk, mi az az akkumulátor, hogyan működik, és milyen típusú akkumulátorok léteznek. Azt is megtudhatja, hogy miből készül egy tipikus akkumulátor, hol használják, valamint a különböző típusok előnyeit és hátrányait. Végül, de nem utolsósorban pedig néhány érdekes adat és adat – mert az akkumulátorok világa tele van izgalmas történetekkel és tényekkel!
Mi az az akkumulátor?
Az akkumulátor olyan elektromos energiatároló eszköz, amely többször is feltölthető és lemeríthető. Egyszerűen fogalmazva, az akkumulátort feltölti, energiát tárol, majd szükség esetén felhasználhatja. Az eldobható akkumulátorokkal (az úgynevezett elsődleges cellákkal) ellentétben az újratölthető akkumulátorok másodlagos cellák, ami azt jelenti, hogy ha egyszer lemerült, újra feltölthető, ahelyett, hogy kidobnák. Ennek eredményeképpen egyetlen újratölthető akkumulátor több tucat vagy akár több száz eldobható elemet helyettesíthet, így pénzt és környezetet takaríthat meg.
Minden akkumulátornak meghatározott feladata van: áramot szolgáltatni olyan elektromos eszközöknek, ahol nincs állandó áramforrás, vagy ahol mobil energiaforrásra van szükség. Amikor bekapcsol egy zseblámpát anélkül, hogy bedugná a konnektorba, vagy beindítja az autó motorját – az akkumulátor az, ami a szükséges energiát biztosítja. Az akkumulátor szerepe tehát az, hogy kémiai formában tárolja az elektromos energiát, és igény szerint felszabadítja azt.
Az akkumulátor elve
Az akkumulátor a kémiai energia elektromos energiává történő átalakításának elvén működik. Belsejében két különböző vezető anyag található. Ezek az elektródák (általában pólusoknak nevezik őket). Az egyik elektróda pozitív (+), a másik pedig negatív (-). Mindkettő egy vezető anyagba, az elektrolitba van merítve. Az akkumulátor működése (egy eszköz táplálása) során az elektródákon kémiai reakciók játszódnak le, amelyek során elektronok szabadulnak fel. Ezek az elektronok a negatív elektródáról a pozitív elektródára áramlanak egy csatlakoztatott külső áramkörön – például motoron vagy villanykörtén – keresztül, energiát szolgáltatva. Ily módon az akkumulátorban tárolt kémiai energia átalakul a készülékbe áramló elektromos energiává.
Az akkumulátor töltésekor ezek a folyamatok fordítva játszódnak le. A töltő áramot (elektronokat) ad közvetlenül az akkumulátornak, ami fordított kémiai reakciókat idéz elő. Az elektródákon lévő vegyi anyagok visszatérnek eredeti állapotukba, és az elektromos energiát ismét kémiai formában „tárolják”. Ez ahhoz hasonlítható, mintha üzemanyagot töltenénk a tartályba: a töltés energiával „tölti” fel az akkumulátort. Ha az akkumulátor teljesen feltöltődött, készen áll arra, hogy ismét áramot adjon le, amikor egy terheléshez csatlakoztatjuk.
Töltési és kisütési ciklusok
A gyakorlatban egy akkumulátor több száz vagy akár több ezer ilyen töltési és kisütési cikluson mehet keresztül. Érdemes azonban tudni, hogy egyetlen akkumulátor sem tökéletes. Minden egyes ciklus során a reakció egy része visszafordíthatatlanul lezajlik, így az akkumulátor idővel veszít eredeti kapacitásából. Ennek ellenére a jó akkumulátorok akár évekig is kitarthatnak. Az akkumulátor elvét jellemző fontos paraméterek a feszültség (voltban megadva) és a kapacitás (általában amperórában, Ah-ban kifejezve). A feszültség a felhasznált anyagoktól és a cella kialakításától függ – például egy egyszerű ólomelem feszültsége körülbelül 2 volt, egy nikkel-kadmium elemé körülbelül 1,2 volt, egy lítium-ion elemé pedig körülbelül 3,6-3,7 volt. A kapacitás viszont azt mutatja meg, hogy az akkumulátor mennyi ideig képes áramot szolgáltatni – minél nagyobb a kapacitás (Ah), annál több a tárolt energia.
Akkumulátor-kialakítás
Egy tipikus akkumulátor egy vagy több cellából áll, amelyek egyetlen házban vannak összekötve. Minden egyes cella egy miniatűr „akkumulátor”, amely három fő összetevőből áll: két elektródából (pozitív és negatív) és a közöttük lévő elektrolitból. Az elektródák olyan anyagokból készülnek, amelyek könnyen részt vesznek a kémiai reakciókban. Ezek lehetnek fémek vagy lemezeken lerakott kémiai vegyületek. Az elektrolit viszont egy ionvezető anyag (folyadék, gél vagy néha szilárd anyag), amely lehetővé teszi az áramáramlást a cellán belül (az ionok áramlása révén zárja az áramkört az egyik elektródától a másikig, miközben az elektronok kifelé áramlanak az eszközön keresztül).
Az akkumulátorházban általában több ilyen cellát kapcsolnak egymás után, hogy magasabb feszültséget érjenek el. Például egy autóban használt 12 voltos akkumulátor hat, egyenként körülbelül 2 voltos cellából áll, amelyek sorba vannak kötve. Minden alkatrész egy zárt házba van zárva (általában műanyag vagy fém), amely megakadályozza az elektrolit szivárgását és megvédi az akkumulátort a külső sérülésektől. Az akkumulátor tetején találhatók a kivezető csatlakozók (+ és -), amelyekhez a készülék vagy az elektromos rendszer vezetékeit csatlakoztatjuk.
Érdemes hozzátenni, hogy az akkumulátor típusától függően az elektróda anyagai és az elektrolit típusa változhat – de a működési elv hasonló marad. Legyen szó akár egy nehéz ólomakkumulátorról egy autóban, akár egy apró lítiumakkumulátorról egy okostelefonban, mindegyiknek alapvető építőkövei az anód, a katód és az elektrolit. Ezenkívül a modern akkumulátorok gyakran különböző biztonsági funkciókkal vannak felszerelve. Például nyomásszelepek a savas akkumulátorokban vagy vezérlő elektronika a lítium-ion akkumulátorokban a biztonságos működés érdekében.
Akkumulátor típusok
Számos akkumulátortípus létezik, amelyek a felhasznált anyagok és paraméterek tekintetében különböznek egymástól. Az alábbiakban a technológiában leggyakrabban előforduló akkumulátortípusokat tárgyaljuk: a klasszikus ólom-sav akkumulátortól a modern lítium-ion akkumulátorokig. Mindegyik típusnak megvan a maga története, sajátos előnyei és hátrányai, valamint tipikus alkalmazásai.
Hogyan működik egy ólom-sav akkumulátor?
Ez a legrégebbi és még mindig nagyon elterjedt akkumulátortípus. A már 1859-ben feltalált ólom-sav akkumulátor (feltalálója után Plantego akkumulátornak is nevezik) forradalmasította a technológia világát. Ez volt az első gyakorlati újratölthető akkumulátor. Felépítése ólomlemezeken alapul: az egyik elektróda tiszta ólomból, a másik ólom(IV)-oxidból (PbO₂) készült. Elektrolitként kénsavas oldatot használ. Az egész egységet egy robusztus házba zárják, amelynek tetejéből masszív pólusok (bilincsek) állnak ki.
Az ólomakkumulátorok jellemzője, hogy a tárolt energiához képest nagy a súlyuk és a térfogatuk – egyszerűen nehezek és méretesek. Ennek ellenére jelentős előnyeik vannak: rövid idő alatt nagyon nagy áramot képesek leadni. Ezért ideálisak belsőégésű motorok indításához (az indítónak erős áramlökésre van szüksége). Emellett viszonylag olcsó az előállításuk (az ólom olcsó és a technológia jól ismert) és egyszerű a használatuk. Elsősorban autóipari alkalmazásokban találhatók – 12 voltos akkumulátor található szinte minden benzines és dízelüzemű autó motorházteteje alatt, valamint motorkerékpárokban, hajókban és traktorokban. Az ólomakkumulátorokat szünetmentes tápegységekben (UPS), riasztórendszerekben és napelemes berendezések energiatárolójaként is használják.
Természetesen az ólom-sav akkumulátornak is vannak hátrányai. A súlya problémát jelenthet ott, ahol fontos a mobilitás (nem tennénk be egy telefonba vagy akár egy e-biciklibe – túl nehéz lenne). Ezenkívül mérgező anyagokat (ólom és sav) tartalmaz, így megfelelő ártalmatlanítást és újrahasznosítást igényel. A régebbi kivitelek rendszeres vízutántöltést igényeltek (az elektrolit működés közben elpárolgott), bár az újabb karbantartásmentes változatok zártak. A korlátozások ellenére az ólomtechnológia folyamatosan fejlődik (pl. a zselés és az AGM akkumulátorok továbbfejlesztett elektrolittal ellátott ólomfajták), és megbízhatósága és alacsony ára miatt jól tartja magát.
Hogyan működik egy újratölthető nikkel-kadmium (Ni-Cd) akkumulátor?
A nikkel-kadmium akkumulátorok a 19. század végén (1899 körül) jelentek meg a nehéz ólomelemek alternatívájaként. Ezen elemek elektródái nikkel-hidroxidot (pozitív elektróda) és kadmiumot (negatív elektróda, amely a reakció során kadmium-hidroxidot képez) használtak. Az elektrolit általában kálium-hidroxid (KOH) oldat, azaz lúgos környezet – ezért a Ni-Cd akkumulátorokat néha lúgos celláknak is nevezik. Az egészet általában egy hengeres vagy téglalap alakú acéltartályba zárják.
A Ni-Cd a 20. században vált népszerűvé, különösen a hordozható berendezésekben és az elektromos szerszámokban. Éveken át ezek voltak a fényképezőgépek, távirányítók vagy játékok AA/AAA újratölthető elemeinek szabványai, mielőtt újabb típusok váltották volna fel őket. Fő előnyük a tartósságuk és megbízhatóságuk – sok töltési ciklust kibírnak, jól tűrik a kisütött tárolást, és széles hőmérséklet-tartományban működnek. Emellett jelentős áramot is képesek leadni (pl. akkumulátoros fúrógépekben). Sajnos jelentős hátrányuk a mérgező kadmium – a környezetre és az egészségre káros nehézfém – jelenléte. Emiatt a használt Ni-Cd akkumulátorok speciális ártalmatlanítást igényelnek (sok országban az értékesítésüket a professzionális használatra korlátozták).
A nikkel-kadmium akkumulátorok másik ismert hátránya az úgynevezett memóriahatás. Ha egy Ni-Cd akkumulátort többször újratöltenek, mielőtt teljesen lemerülne, akkor fokozatosan „megjegyzi” a kisebb kapacitást – ez az üzemidő csökkenésében nyilvánul meg. A régi Ni-Cd mobiltelefonok vagy laptopok felhasználói valószínűleg emlékeznek arra az ajánlásra, hogy a memóriahatás kiküszöbölése érdekében az akkumulátort időnként teljesen le kell meríteni és újra kell tölteni. E hátrányok ellenére a Ni-Cd akkumulátorokat néha még mindig használják speciális alkalmazásokban (pl. katonai, űrtechnikai berendezések), mivel rugalmasak és kiszámítható teljesítményűek.
Hogyan működik a nikkel-fémhidrid (Ni-MH) akkumulátor?
A nikkel-fém-hidrid technológiát a nikkel akkumulátorok továbbfejlesztett és környezetbarátabb változataként fejlesztették ki. A Ni-MH akkumulátorok szintén nikkel-hidroxid pozitív elektródot használnak (mint a Ni-Cd), de a negatív elektróda egy hidrogént tárolni képes, abszorbens fémötvözetből készül (innen a „fém-hidrid” elnevezés). Az elektrolit ismét lúgos (kálium-hidroxid). A gyakorlatban a töltés során a hidrogén a fém-hidrogén ötvözetben tárolódik, a kisülés során pedig felszabadul és reakcióba lép a másik elektródon lévő nikkelnel.
A Ni-MH akkumulátorok az 1990-es években kerültek véglegesen használatba, és fokozatosan felváltották a Ni-Cd akkumulátorokat a legtöbb fogyasztói alkalmazásban. Nem tartalmaznak mérgező kadmiumot, ami hatalmas környezetvédelmi előny. Az azonos méretű Ni-Cd-akkumulátorokhoz képest általában nagyobb kapacitással rendelkeznek – ami hosszabb élettartamú készülékeket jelent. Napjainkban a 2500 mAh kapacitású tipikus AA „pálcikák” általában csak Ni-MH-ból készülnek. Ezeket fényképezőgépekben, játékokban, elektromos fogkefékben és hibrid autókban is használják (pl. a Toyota Prius első generációiban Ni-MH akkumulátorok voltak).
A Ni-MH nagyrészt kiküszöbölte a Ni-Cd-ről ismert memóriaeffektus problémáját – ez elhanyagolhatóan kicsi bennük. Azonban ezek sem mentesülnek a hátrányoktól. Az önkisülésük gyorsabb, mint más típusoké (bár a „használatra kész” vagy „előtöltött” címkével ellátott modern újratölthető akkumulátoroknál ez a hatás csökkent). Ezenkívül nem tűrik jól a túltöltést és a magas hőmérsékletet – ezért intelligens töltőkre van szükségük, amelyek a megfelelő pillanatban megszakítják a töltést. Mindazonáltal a Ni-MH akkumulátorok nagyon sikeres kompromisszumnak számítanak – viszonylag olcsók, biztonságosak, környezetbarátok és számos alkalmazáshoz elegendőek. A nagyobb energiaigényű eszközök korában azonban egy másik akkumulátortípus – a lítium-ion – háttérbe szorította őket.
Hogyan működik egy lítium-ion (Li-ion) akkumulátor?
Jelenleg ezek a legnépszerűbb és legfejlettebb akkumulátortípusok, amelyeket az elektronikában és azon túl is használnak. Ha okostelefont, laptopot használsz, vagy elektromos autót nézel – a lítium-ion akkumulátorok látják el őket energiával. Mi teszi őket kiemelkedővé? Először is, hogy nagyon nagy energiasűrűséggel rendelkeznek, azaz kis súly és méret mellett sok energiát képesek tárolni. Ennek köszönhetően a mai telefonok vékonyak, az elektromos autók pedig több száz kilométeres hatótávolsággal rendelkeznek.
A Li-ion akkumulátorok teljesen más anyagokat használnak, mint a korábbi generációk. A negatív elektród (anód) porózus szénből (grafit), a pozitív elektród (katód ) pedig lítium- és fémvegyületekből (pl. lítium-kobalt-oxid LiCoO₂, lítium-vasfoszfát LiFePO₄ vagy más, fajtától függően) készül. A kettő között egy vékony, elektrolittal telített szeparátor van, amely lítiumsók szerves oldószerek keverékében lévő oldata. Amikor az akkumulátor működik, a lítiumionok az elektródák között az elektrolitban mozognak, az elektronok pedig a külső áramkörön keresztül áramlanak, és táplálják az eszközt. Az ionoknak ez az oda-vissza mozgása (töltéskor és kisütéskor) adta az egész technológiának a nevét.
A lítium-ion akkumulátorok nem rendelkeznek „memóriahatással”.
A lítium-ion akkumulátorok nem rendelkeznek „memóriahatással”, és bármikor újratölthetők anélkül, hogy a kapacitás csökkenne. Alacsony önkisülés is jellemzi őket – feltöltés és tárolás után még több hónap elteltével is megőrzik energiájuk nagy részét. Ideálisnak hangzik? Majdnem – a Li-ionoknak van néhány hátrányuk is. Érzékenyek a helytelen kezelésre: a túltöltésre, a túlzott kisütésre vagy a magas hőmérsékletre. Szélsőséges helyzetekben megsérülhetnek vagy akár meg is gyulladhatnak, mivel elektrolitjuk gyúlékony. Bizonyára hallott már olyan esetekről, amikor egy telefon vagy laptop kigyulladt. Ez ritka helyzet, de az elektronikai gyártók nagy gondot fordítanak a biztonságra, védőkörök beépítésével és az akkumulátor leállításával, ha veszélybe kerül. Egy másik probléma a kapacitás fokozatos csökkenése – a Li-ion akkumulátorok nem csak a ciklikus használat miatt öregednek. Még akkor is, ha használaton kívül, különösen magas hőmérsékleten fekszenek. Egy lítium akkumulátor 2-3 év intenzív telefonhasználat után gyakran észrevehetően veszít a kapacitásából, és cserére szorul.
E korlátok ellenére a lítium-ion cellák a modern elektronika és az energiaellátás abszolút alappillérét képezik. Nehéz elképzelni az okostelefonok, laptopok, elektromos szerszámok vagy elektromos járművek fejlődését e találmány nélkül. Érdemes megemlíteni, hogy 2019-ben a kémiai Nobel-díjat éppen a lítium-ion akkumulátorok kifejlesztéséért ítélték oda három tudósnak. Ez is mutatja, mennyire úttörő ez a technológia. A fejlesztések folyamatosan zajlanak: új kémiai fajtákat fejlesztenek ki (pl. a hosszú élettartamukról és biztonságukról ismert LiFePO₄ lítium-vas-foszfát akkumulátorokat), és a jövőben tervezik szilárdtest (szilárd elektrolit) akkumulátorok bevezetését.
Hogyan működik a lítium-polimer (Li-Po) akkumulátor?
Érdemes tudni, hogy a lítium-ion akkumulátorok lítium-polimer változatban is léteznek. Miben különbözik a Li-Po a hagyományos Li-iontól? Alapvetően ugyanaz a kémia, de az elektrolit nem folyékony, hanem polimer gél vagy szilárd anyag formájában van. A Li-Po cellákat fémház helyett leggyakrabban rugalmas fóliába burkolják. Ez lehetőséget ad arra, hogy bármilyen alakú, nagyon vékony és könnyű akkumulátorokat hozzanak létre – ezért az okostelefonok, táblagépek vagy drónok általában Li-Po elemeket használnak. Egy ilyen akkumulátor egy lapos „pehely” formájú lehet, amely könnyen elfér egy telefontokba.
A Li-po akkumulátorok hasonló előnyökkel és hátrányokkal rendelkeznek, mint a tipikus Li-ion akkumulátorok: magas fajlagos energia, nincs memória, alacsony önkisülés, de érzékenyek a túltöltésre vagy túlmelegedésre. Kialakításuk miatt néha még érzékenyebbek a mechanikai sérülésekre (pl. kilyukasztás), ami veszélyes meghibásodáshoz vezethet. Ezért óvatosan kell kezelni őket – ne hajlítsa meg, ne lyukassza ki, használjon speciális töltőket. Mindazonáltal a Li-Po hatalmas népszerűségre tett szert a hordozható eszközökben, a modellezésben (RC modellek meghajtására szolgáló csomagok) vagy az elektromos járművekben, ahol minden gramm és centiméter hely számít. A lítium-ion technológia természetes továbbfejlesztése, és bizonyíték arra, hogy az akkumulátorok hogyan fejlődtek az ólomóriások kora óta.
Akkumulátor-alkalmazások
Most, hogy már tudja, hogyan működnek a különböző típusú akkumulátorok, nézzük meg, hogy konkrétan hol használják őket a mindennapi életünkben és a technológiában. Kiderült, hogy az akkumulátorok minden oldalról körülvesznek minket, és számos eszközt működtetnek:
Autóipar és közlekedés
A klasszikus 12 voltos ólomakkumulátorok nélkülözhetetlenek a belsőégésű motorral rendelkező autókban – nélkülük az önindító, a világítás és a rádió nem működik. Az elektromos és hibrid járművek hatalmas akkumulátorokat (általában lítium-ionokat) használnak fő meghajtási forrásként. Az elektromos buszok, robogók, elektromos kerékpárok és még az elektromos repülőgépek is használnak akkumulátorokat. Ezek teszik lehetővé a csendes és károsanyag-kibocsátásmentes közlekedést. A közlekedésben akkumulátorokat találunk a targoncákban, a földalatti vonatokban (vészhelyzeti áramforrásként) vagy az űrjárművekben is.
Személyi elektronika
Valószínűleg ez a legnyilvánvalóbb kategória – mobiltelefonok, okostelefonok, laptopok, táblagépek, okosórák, fényképezőgépek, videokamerák – mind az akkumulátoroknak (ma már főként a lítium-ion akkumulátoroknak) köszönhetik mobilitásukat. Mindannyian naponta feltöltünk egy-egy ilyen eszközt. Akkumulátor nélkül a telefonunkat állandóan a konnektorba kellene dugni – nehéz elképzelni! Az olyan szórakoztató elektronikai eszközök, mint a zenelejátszók, a hordozható játékkonzolok, az e-cigaretták vagy az e-könyv olvasók szintén kis akkumulátorokat használnak.
Otthon és kert
Az akkumulátorok akkumulátoros elektromos szerszámokban (fúrógépek, csavarhúzók, fűrészek, akkumulátoros fűnyírók) találhatók – ezek lehetővé teszik, hogy a konnektortól távol is dolgozhasson. Otthon is gyakran használunk újratölthető akkumulátoros porszívókat, borotvákat, fogkeféket, zseblámpákat vagy gyermekjátékokat. Egyre népszerűbbek a Powerbanks – hordozható akkumulátorok a telefonok útközbeni töltésére. A vészjelző rendszerek és a vészvilágítás áramkimaradás esetén tartalék áramforrásként újratölthető akkumulátorokat használnak.
Energia és energiatárolás
A megújuló energiaforrások korában az akkumulátorok kulcsfontosságú szerepet játszanak az energiatárolásban. A lítium-ion- vagy ólom-sav akkumulátorokon alapuló energiatárolók a napelemekből vagy szélturbinákból származó többletenergiát tárolják, hogy azt visszaadják, amikor nem süt a nap vagy nem fúj a szél. Az ilyen akkumulátorok csúcsidőben képesek ellátni az otthonokat, sőt egész városrészeket is. Világszerte hatalmas akkumulátor-farmok épülnek – Ausztráliában vagy az Egyesült Államokban több száz megawattos létesítmények stabilizálják az elektromos hálózatot. Kisebb léptékben sokan telepítenek otthoni akkumulátorokat (pl. Tesla Powerwall vagy mások), hogy részben függetlenné váljanak az áramellátástól, és éjjel-nappal saját fotovoltaikus energiát használjanak.
Orvostudomány és speciális alkalmazások
Az újratölthető akkumulátorok áramszünet esetén is működésben tartják az orvosi eszközöket (infúziós pumpák, lélegeztetőgépek). A beültethető orvosi eszközök, például a pacemakerek apró, újratölthető elemekkel vagy akkumulátorokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik, hogy hosszú évekig megbízhatóan működjenek. A hadseregben az akkumulátorokat kommunikációs berendezésekben, éjjellátó készülékekben vagy akár lézerekben használják. Az űrben a szondák és műholdak újratölthető (napelemekről töltött) akkumulátorokat használnak a bolygó árnyékában lévő készülékek energiaellátására. Amint látja, a legkisebb készülékektől a hatalmas energiarendszerekig – mindenhol, mindenhol akkumulátorok tárolják az energiát, és adják vissza, amikor szükség van rá.
A különböző típusú akkumulátorok előnyei és hátrányai
Egyetlen akkumulátor sem tökéletes – minden típusnak megvannak az erősségei és a gyengeségei. Az alábbiakban összefoglaljuk a cikkben tárgyalt különböző akkumulátortípusok főbb előnyeit és hátrányait:
Ólomsavas akkumulátorok
Előnyük az alacsony ár, az egyszerű kialakítás és a nagyon nagy áramok leadásának képessége (kiválóan alkalmasak motorok indítására). Rövid távú túlterheléssel szemben is meglehetősen ellenállóak. Hátrányuk azonban a nagy súlyuk és méretük (alacsony energiasűrűség), a töltöttségük fenntartásának szükségessége (nem szeretik a mélykisülést), valamint a káros ólom- és savtartalmuk – biztonságos ártalmatlanítást igényelnek, és sérülés esetén veszélyesek lehetnek (korrozív elektrolit szivárgása).
Nikkel-kadmium (Ni-Cd) újratölthető elemek
Előnyük a nagy tartósságuk – sok ciklust kibírnak, ellenállnak a szélsőséges hőmérsékleteknek és a kisütéses tárolásnak is. Viszonylag nagy áramerősséget képesek leadni, és még zord környezetben is megbízhatóak. Ugyanakkor komoly hátrányaik is vannak: a memóriahatás, amely megnehezítheti a használatukat, valamint a mérgező kadmium jelenléte, ami környezetbaráttá teszi őket. Ezenkívül kisebb a kapacitásuk és nehezebbek, mint az újabb típusok, ami miatt gyengébb a teljesítményük.
Nikkel-fémhidrid (Ni-MH) újratölthető akkumulátorok
A Ni-MH előnyei közé tartozik a kadmium hiánya (zöldebb) és a Ni-Cd-hez képest nagyobb kapacitás azonos méret mellett. A memóriahatás elhanyagolható, ami megkönnyíti a használatukat. Széles körben elérhetőek és viszonylag olcsók. Hátrányuk továbbra is a meglehetősen nagy súly és méret az energiához képest (bár jobb, mint a Ni-Cd, még mindig rosszabb, mint a Li-ion), valamint a jelentős önkisülés – a hagyományos Ni-MH egy hónapos polcon fekvés alatt több százalékot veszíthet az energiából. A cellák túlmelegedésének elkerülése érdekében óvatos töltést is igényelnek.
Lítium-ion (Li-ion) akkumulátorok
Előnyei: a tárgyaltak közül a legnagyobb energiasűrűségűek – könnyűek és tágasak, ami lehetővé teszi kompakt eszközök létrehozását hosszú üzemidővel. Nincs memóriahatásuk, nyugalmi állapotban lassan veszítenek töltést, és speciális töltőkkel gyorsan feltölthetők.
Hátrányok: hőmérsékletérzékenység és működési hibák – fejlett védelmet igényelnek a túltöltés, túlkisülés vagy rövidzárlat ellen. Az élettartamuk az idő múlásával csökken (kémiailag öregednek). Drágább az előállításuk és az anyagok (lítium, kobalt) korlátozottak és újrahasznosítást igényelnek. A hibás lítium akkumulátor gyújtási kockázatot jelenthet. Mindazonáltal az előnyök egyensúlya miatt a lítium-ion ma az elektronika és az elektromobilitás szabványa.
Lítium-polimer (Li-Po) akkumulátorok
A Li-ion egyik változataként közös előnyük a nagyon magas fajlagos energia, az alakrugalmasság (vékony profilok) és a memória hiánya. Lehetővé teszik a tervezők számára, hogy ultravékony készülékeket hozzanak létre. Hátrányaik hasonlóak a Li-ionhoz – törékenység és a túlmelegedésre vagy sérülésre való esetleges érzékenység. Ezenkívül a Li-Po a puha fóliaburkolatuk miatt megduzzadhat vagy kilyukadhat a helytelen használat során. Gondoskodást és megfelelő töltők használatát igénylik, de helyes használat esetén kiváló teljesítménnyel hálálják meg.
Összefoglalva, az akkumulátor kiválasztása az alkalmazástól függ. Ha fontos a nagy teljesítmény és az alacsony költség – még mindig az ólom a nyerő. A mérsékelt igényű, olcsó hordozható eszközök esetében – Ni-MH. A csúcstechnológiai alkalmazásokban, ahol könnyűségre és kapacitásra van szükség – a lítium-ion uralkodik. Azt is fontos megjegyezni, hogy minden akkumulátor újrafelhasználható, ami előny az eldobható akkumulátorokkal szemben – hosszú távon környezetbarátabbak és gazdaságosabbak. Ne feledje azonban, hogy a használt akkumulátorokat mindig újrahasznosítani kell – típustól függetlenül értékes, de potenciálisan káros anyagokat tartalmaznak, amelyek nem kerülhetnek a hulladéklerakókba.
Érdekességek az akkumulátorokról – Hogyan működik egy akkumulátor?
Végül az ígért apróságok. Az akkumulátorok története és fejlődése bővelkedik lenyűgöző tényekben:
Az első „powerbank” 2000 évvel ezelőtt? Hogyan működik egy ilyen típusú akkumulátor? Létezik egy régészeti rejtély, a bagdadi akkumulátor – ősi agyagedényeket találtak egy fémrúddal, amelyek kezdetleges galvánelemek lehettek. Ha valóban azok voltak, akkor az emberek már az ókorban is ismerték az akkumulátor alapjait! Ez még mindig csak egy elmélet, de a képzeletre hat.
A 19. század leggyorsabb járműve… elektromos volt. 1899-ben a világon elsőként a „La Jamais Contente” („Az örökké elégedetlen”) nevű elektromos automobil haladta meg a 100 km/órás sebességet. A járművet ólomakkumulátorral hajtották. Bebizonyította, hogy az akkori elektromosság képes felvenni a versenyt a gőzzel és a dízellel – legalábbis rövid távon.
Nobel-díj az akkumulátorokért
Említettük, hogy a 2019-es kémiai Nobel-díjat John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham és Akira Yoshino kapta a lítium-ion akkumulátorok fejlesztéséhez való hozzájárulásukért. Érdekesség, hogy John Goodenough már 97 éves volt, amikor megkapta a díjat – ő a legidősebb Nobel-díjas a történelemben. Munkájuknak köszönhetően ma már nagy teljesítményű akkumulátorokat hordunk a zsebünkben, és az elektromos autók valósággá válnak.
A világ legnagyobb akkumulátora
Ausztráliában 2017-ben egy 100 MW lítium-ion akkumulátorokból épített hatalmas energiatároló létesítményt (az úgynevezett Hornsdale Power Reserve-t) indítottak el. Ez több tízezer otthon áramellátását teszi lehetővé egy órára, és stabilizálja az elektromos hálózatot. Ez a projekt indította el a megaakkumulátorok építésének trendjét – most még nagyobb energiatárolókat terveznek és hoznak létre, szintén új technológiákat, például vanádiummal működő áramlásos (redox) akkumulátorokat használva.
Hogyan működik az akkumulátor az űrben?
Nélkülük az űr meghódítása lehetetlen lett volna. Már az Apollo-missziók is ezüst-cink akkumulátorokat használtak a holdkompok energiaellátásához. A marsi roverek, mint például a híres Opportunity és Curiosity, akkumulátorokkal (napelemekből vagy radioizotópokból feltöltve) vészelik át a hideg marsi éjszakákat. Még a Nemzetközi Űrállomás is nagyméretű nikkel-hidrid akkumulátorokkal rendelkezik (amelyeket nemrégiben lítium akkumulátorokra cseréltek), hogy legyen energiája, amikor a Föld árnyékában rejtőzik.
Remélhetőleg az akkumulátorok működésének rejtélyei most már világosabbá váltak az Ön számára. Amikor legközelebb a telefonjáért nyúl, vagy elfordítja a kulcsot az autója gyújtásán, gondoljon arra a sok csodálatos kémiai reakcióra és a készülék akkumulátorában elrejtett többéves technológiai fejlesztésre. Az akkumulátorok mindennapi életünk szerény hősei – energiát tárolnak, hogy azt bármikor és bárhol felhasználhassuk.
Összefoglaló – hogyan működik az akkumulátor?
Az akkumulátor egy olyan eszköz, amely lehetővé teszi, hogy az elektromos energiát kémiai formában tároljuk, majd visszaadjuk, amikor szükségünk van rá. Hogyan működik egy akkumulátor? Többek között az elektrolitba merített két elektróda között lejátszódó reverzibilis kémiai reakciók elvén alapul. Kisütéskor az akkumulátor elektronokat szabadít fel, amelyek egy külső áramkörön keresztül áramlanak, és táplálják a csatlakoztatott készüléket. Ha töltőhöz csatlakoztatjuk, ezek a folyamatok ellenkező irányban zajlanak le – az elektromos energia kémiai energiává alakul át, újra „feltöltve” az akkumulátort. Ez a ciklus több százszor megismételhető, így az akkumulátor praktikus, újrafelhasználható energiaforrássá válik.
Az akkumulátortípusok anyaguk, kialakításuk, kapacitásuk, élettartamuk és biztonságuk tekintetében eltérőek. A nehéz, de jól bevált ólom-sav akkumulátoroktól a rugalmas nikkel-fém-hidrid akkumulátorokon át a könnyű és tágas lítium-ion akkumulátorokig – minden technológiának megvan a maga helye. A modern világ nem működhetne akkumulátorok nélkül – megtaláljuk őket az autókban, telefonokban, laptopokban, elektromos szerszámokban és még az elektromos hálózatokat stabilizáló hatalmas energiatárolókban is. Az akkumulátor működésének megértése az első lépés a mindennapi életünket működtető technológia tudatos használatához.
Források – Hogyan működik az akkumulátor?
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Akumulator_elektryczny
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Akumulator_kwasowo-o%C5%82owiowy
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Akumulator_niklowo-kadmowy
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Akumulator_niklowo-metalowo-wodorkowy
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Akumulator_litowo-jonowy
- https://batteryuniversity.com/article/bu-107-comparison-of-secondary-batteries
- https://batteryuniversity.com/article/bu-203-nickel-based-batteries
- https://www.chip.pl/2022/09/najwiekszy-akumulator-swiata-australia-100-mw
- https://energia.rp.pl/surowce-i-energia/art17088481-tesla-i-najwiekszy-akumulator-na-swiecie
- https://nauka.uj.edu.pl/aktualnosci/-/journal_content/56_INSTANCE_d82lKZvhit4m/10172/143941182
- https://www.dzienniknaukowy.pl/nauka-w-polsce/nagroda-nobla-2019-z-chemii-za-rozwoj-akumulatorow-litowo-jonowych
- https://litowe.pl/jak-dziala-akumulator/
Hozzászólások
Írj hozzászólást, és oszd meg a gondolataidat.