Jak na baterie NiCd a NiMH

Kdo si chce pořídit nějaký mobilní přístroj, má zpravidla jasnou představu, na čem mu záleží - o koupi rozhodují taková kritéria, jako je výkon, vybavení, hmotnost, design nebo cena. Na zdroj energie pomyslí při plánování jen málokdo; a není se ani co divit, vždyť kvalita akumulátorů se považuje za dosti nevypočitatelnou veličinu. Ti šťastnější komunikují svou radiostanicí nebo mobilem celá léta, smolaři musí třeba i skoro nový zdroj energie dát do sběru.

Bylo to tak psáno ve hvězdách? Vůbec ne. Každý uživatel může "osud" svého akumulátoru výrazně ovlivnit. Když o zdroj v mobilních zařízeních dobře pečujete a správně ho nabíjíte, žije dlouho a překypuje energií. Ukážeme Vám jak na to.

Není však akumulátor jako akumulátor. I při nejlepší údržbě se mezi nimi, podle typu a výrobce, vyskytují nezanedbatelné rozdíly.

V přenosných přístrojích se dnes etablovaly čtyři typy akumulátorů: niklokadmiové(NiCd), niklometalhydridové (NiMH), lithioiontové (LiIon) a lithiopolymerové(Li-Polymer). Všechny jmenované druhy převádějí chemickou energii na elektrickou. Vždy mají tři základní komponenty. Kladnou (anoda) a zápornou elektrodu (katoda) a mezi nimi elektrolyt. V nabitém stavu je u záporného pólu přebytek elektronů, což má za následek elektrické napětí mezi oběma póly. Při uzavření obvodu (tj. propojení pólů přes nějaký spotřebič, v našem případě radiostanice, mobil, notebook, "digiťák" atd.) kladný pól elektrony "odsává" - vzniká tak elektrický proud a akumulátor se pozvolna vybíjí. Elektrolyt, zpravidla nějaký roztok, přitom umožňuje pohyb elektronů mezi elektrodami uvnitř akumulátoru. Jakmile se přebytek elektronů u záporné elektrody odčerpá, je akumulátor vybit - pak přijde ke slovu nabíječka a celý cyklus se opakuje.

Niklové akumulátory jsou levné, dokáží ale uskladnit jen málo energie. Při dodržení speciální nabíjecí techniky zůstanou dlouho v dobrém stavu.

Špatná technika nabíjení - úhlavní nepřítel akumulátoru. Alfou a omegou akumulátoru, chcete-li dobíjecího článku, je správná péče. Příliš časté dobíjení a zanedbaná údržba mohou snížit jeho kapacitu o 40 až 50 %. Energetickou bilanci akumulátoru si můžeme představit rozdělenu na tři oblasti. Energii z "prázdné zóny" již spotřebič vyčerpal - tu lze znovu dobít.

"Užitečná zóna" obsahuje energii, kterou spotřebič ještě může odebrat. Žádnou použitelnou energii už však nenajde v "oblasti usazenin", která se s přibývajícím stářím, při špatné údržbě a při přetěžování článku zvětšuje. Důsledkem pak je, že i po plném nabití akumulátor rychle ochabne.

U článků typu NiCd a NiMH je oblast usazenin tvořena (na rozdíl od připojeného schematicky pojatého vyobrazení) krystalickými nánosy na elektrodách, což se v provozu projevuje jako tzv. paměťový efekt (Memory-effect) u NiCd (el. článek si "pamatuje" stav, v němž začalo dobíjení, a považuje jej za počáteční) nebo efekt "líné baterie" (Lazy Battery Effect) v případě NiMH (viz připojené grafy). S dobrou nabíječkou je však možné niklové akumulátory usazenin zbavit, a to vícenásobným opakováním nabíjecích a vybíjecích cyklů - potom usazeniny zpravidla zmizí a článek je téměř jako nový.

Výrobci rádi zamlčují, že "usazeninovou zónu" vykazují i lithiové akumulátory. Začne růst (kvůli korozi lithiové elektrody) už zhruba po roce a postupně způsobí drastickou ztrátu kapacity až o 50 %.

Vnitřní odpor článku:

Čím nižší, tím delší provoz Akumulátor dodává plný výkon, jen je-li jeho vnitřní odpor co nejnižší. Pouze tehdy udrží napětí i v případě, že spotřebič odebírá hodně proudu. Taková situace například nastane, když se mobilní telefon přihlašuje do sítě v nepříznivých rádiových podmínkách, když notebook velmi často pracuje s diskem nebo když předou motory "digicamu"

V jednom z rámečků můžete porovnat situaci "zdravého" akumulátoru s nízkým a "nemocného" s vysokým vnitřním odporem. Velký vnitřní odpor škrtí průtok proudu článkem: potřebuje-li přístroj krátkodobě hodně proudu, napětí akumulátoru v důsledku velkého odporu poklesne i když je "naládován" až po okraj.

Na to však zareaguje obvod přístroje hlídající vybití akumulátoru a způsobí jeho předčasné odpojení, ačkoliv je v něm stále ještě nevyužitá energie.

Dobré NiCd akumulátory vykazují malý vnitřní odpor (viz tabulka), jen asi 10 až 15mW. Takzvané slinuté články, zvláštní forma NiCd akumulátoru s impedancí jen 4 až 10mW, se vyskytují ve spotřebičích s velmi vysokým odběrem proudu, jako jsou akumulátorové vrtačky a profesionální fotografické blesky. Ani po více než 1500 nabíjecích cyklech se vnitřní odpor dobře udržovaného niklokadmiového akumulátoru prakticky nezvýší.

Horší je to s články typu NiMH: jejich vnitřní odpor bývá na počátku mezi 20 a 30mW, po nějakých 300 až 400 nabíjecích cyklech se však zpravidla zvyšuje zhruba o 50 % - pak už se akumulátor rychle unavuje a patří do sběru.

Akumulátorové články detailně.

NiCd:

Jak vidíte na jednom z obrázků, niklkadmiový akumulátor je složen ze tří vrstev. Kladnou elektrodu tvoří hydroxid niklu, zápornou (jedovaté) kadmium. Obě elektrody odděluje separátor obsahující elektrolyt (hydroxid draselný). Elektrody jsou spojeny s kladným a záporným vývodem (pólem). Jmenovité napětí článku (při zátěži) je přibližně 1,2 V - jeli zapotřebí vyšší napětí, spojuje se více článků za sebou ve formě akumulátorové baterie.

Výhodou oproti ostatním typům je vysoká proudová zatížitelnost a odolnost vůči mrazu až do -15 °C. Navíc snese pětkrát rychlejší nabíjení než typ NiMH a až dvacetkrát razantnější než lithiová varianta - samozřejmě za předpokladu, že máte nabíječku schopnou dodávat potřebně velký proud.

Je-li NiCd akumulátor nabíjen přes deset hodin malým proudem a před nabíjením nebyl úplně vyprázdněn, paměťový efekt jej rychle diskvalifikuje: ačkoliv je plně nabit, při zatížení selže. Důvod je prostý. Na záporné elektrodě se usazují kovové krystalky. Tím se snižuje kapacita, roste vnitřní odpor a článek při zátěži neudrží napětí. Takový akumulátor pak vydrží pracovat třeba jen několik minut.

Unavené NiCd články v žádném případě nedobíjejte, ale nejprve je nechte úplně vybít nejlépe pomocí počítačově řízené nabíječky. Je-li NiCd akumulátor ochromen paměťovým efektem, lze jej opakovaným vybíjením a nabíjením reaktivovat - paměťový efekt NiCd článku je reverzibilní

NiMH:

Mají podobnou stavbu, používají ale mnohem ekologičtější materiály. Kladná elektroda je opět z hydroxidu niklu, záporná je tvořena kovovou slitinou schopnou vázat vodík. Separátor oddělující obě elektrody obsahuje i zde alkalický elektrolyt (hydroxid draselný). Jediný rozdíl oproti řešení NiCd tedy představuje vodík vázající slitina, která nahradila jedovaté kadmium. Stejně jako u NiCd článku je jmenovité napětí 1,2 V, samovybíjení je ale o něco menší: po 24 hodinách "vyprchá" (v závislosti na výrobku) 6 až 16% energie.

Nesprávný postup nabíjení může mít za následek, že NiMH článek bude náladový jako nějaká protivná primadona: přestože je plně nabit, po krátké době provozu začne stávkovat - efekt líné baterie udeřil jako migréna. Naštěstí je i zde poměrně snadná pomoc. Stačí článek čas od času před nabíjením zcela vybít. "Zlenivění" NiMH akumulátoru se projeví poklesem napětí při zatížení - přístroj se předčasně vypne. Mnohé mobilní telefony však nabízejí speciální funkci pro údržbu akumulátoru, která vzniku efektu "líné" baterie zabraňuje.

U ostatních přenosných přístrojů byste nějaký "pečovatelský" program, který by NiMH články průběžně udržoval "v dobré kondici", bohužel hledali marně. Najdete jej však u velmi kvalitních nabíječek a jeho pomocí prodloužíte životnost akumulátoru až o 50%.

NiMH článek uskladní při téže hmotnosti téměř dvojnásobek energie oproti >NiCd. Poněvadž oba "niklové" systémy vykazují stejné rozměry, lze je přímo zaměnit. Ale pozor u přístrojů, které hodně "žerou".

Nejdůležitější pojmy kolem akumulátorů.

Kdo se zabývá akumulátory, měl by znát alespoň tyto základní pojmy: kapacita, poměrný nabíjecí proud, vnitřní odpor a paměťový efekt, resp. efekt líné baterie. Pokud těmto odborným výrazům porozumíte, vlastnosti akumulátorů lépe pochopíte.

Kapacita akumulátoru.

Kapacita se nejčastěji udává v miliampérhodinách (mAh). Například údaj 1000 mAh znamená, že akumulátor může dodávat proud 1000 mA po dobu jedné hodiny nebo třeba 200 mA po dobu pěti hodin ap. Potom je akumulátor vybit a při zatížení neudrží napětí. Tužkové články NiMH dnes dosahují kapacity kolem 2200 mAh, bloky lithiových baterií v noteboocích to mohou dotáhnout i na více než 6000 mAh

Samovybíjení.

Jaká část kapacity ubude za jeden den, zjišťujeme takto: Plně nabitý niklový akumulátor na den uskladníme při 21 °C a pak změříme jeho aktuální náboj. Poměr hodnoty naměřené bezprostředně po nabití a po 24hodinovém uskladnění představuje koeficient samovybíjení (udáváme jej v procentech).

Poměrný nabíjecí/vybíjecí proud.

Tento pojem zavádíme proto, aby bylo možné vyjádřit velikost nabíjecího či vybíjecího proudu (což jsou jisté charakteristické údaje pro jednotlivé typy akumulátorů) nezávisle na konkrétní kapacitě článku. Udává se (v mA či A) jako násobek čísla C, které zastupuje jmenovitou (číselnou) hodnotu kapacity (udané v mAh či Ah). Je-li například článek o kapacitě 1000 mAh nabíjen (vybíjen) poměrným proudem 3 C, znamená to, že v absolutním vyjádření jde o proud 3 x 1000 mA, tedy 3A.

Poznámka:

Mnozí výrobci udávají u Li-Ion akumulátorů velikost uskladněné energie pouze ve watthodinách (Wh). Tento údaj však můžete snadno přepočítat na obvyklejší (mili)ampérhodiny, vydělíte-li jej napětím článku ve voltech: je-li na akumulátoru uvedeno např. 10 Wh a 7,2 V, je jeho kapacita 10/7,2 = cca 1,4 Ah neboli 1400 mAh

Impedance neboli vnitřní odpor.

Čím menší je vnitřní odpor, tím později "povolí" napětí při velkých proudech a akumulátor se méně zahřívá. U typu NiMh se vnitřní odpor zvětšuje tím více, čím častěji je nabíjen. V tomto směru jsou na tom nejlépe články NiCd, jejichž vnitřní odpor se téměř nemění.

Čím nižší je vnitřní odpor článku, tím lépe jím protéká proud. Pokud se vnitřní odpor akumulátoru (u lithiových typů v důsledku stárnutí, u niklových kvůli nesprávnému nabíjení) zvýší, jím napájený přístroj se vypne třeba už po několika minutách provozu. Se svými cca 100 miliohmy (mΩ) vykazují nejnižší vnitřní odpor články NiCd, následovány typy Li-Ion (150 mΩ) a Li-Pol (200 mΩ). Nejhůře jsou na tom články NiMH, jejichž vnitřní odpor přes 200 mΩ může v důsledku špatné údržby vzrůst až na více než 350 mΩ

Paměťový efekt a efekt "líné baterie".

Niklové akumulátory špatně snášejí, když se od nich málo vyžaduje - typy NiCd pak postihne tzv. paměťový efekt, u NiMH hrozí efekt "líné baterie". Oba tyto nepříznivé jevy vznikají v důsledku častého nabíjení příliš nízkým proudem (např. 0,1 C) nebo pokud zapomenete plný akumulátor čas od času zcela vybít. Pak se na elektrodách tvoří drobné krystalky, což může zkrátit dobu provozu až o 90%, neboť tím naroste vnitřní odpor a při zatížení pak spadne napětí. Oba efekty jsou podobné - až na jeden rozdíl. Efekt líné baterie nenastává tak náhle jako efekt paměťový.

Z hmotnosti a naměřené kapacity určujeme specifickou kapacitu. Jednotkou je Wh/kg (watthodina na kilogram). Čím vyšší je tato hodnota, tím lépe. Vzdor malé váze dodává akumulátor více energie.

Akumulátor vždy fit.

Akumulátory NiCd a NiMH jsou nejlevnější, nejrobustnější a mají také nejdelší životnost - vydrží 700 až 1000 nabíjecích cyklů. Neprávem se jim přisuzuje vlastnost rychlejšího "ochabnutí" než u dražších akumulátorů lithiového typu. Opak bude pravda, pokud si osvojíte následující doporučení.

Správná údržba.

Niklové akumulátory žijí déle, pokud je jednu až dvě hodiny podrobíte rychlonabíjení velkým proudem pomocí počítačově řízené nabíječky. Pro správnou údržbu je ovšem zapotřebí nabíječka, která akumulátor umí nejen nabíjet, ale i vybíjet (oživení) - tak odvrátíte nebezpečí paměťového efektu i efektu "líné baterie". Jestliže niklový akumulátor nechcete delší dobu (několik měsíců) používat, měli byste jej vybít a uložit do chladničky při 0 až cca 8 °C. Ale pozor, ne do "mrazáku" - teploty hlouběji pod nulou nadělají víc škody než užitku!

Oživení NiMH článku v mobilu.

Akumulátory mobilních telefonů pojmou postupem času méně a méně energie a přijde doba, kdy se "položí" už po několika telefonátech. Stává se to hlavně těm, kteří mobil často dobíjejí, aniž by vyčkali jeho vybití - efekt "líné baterie" našel svou další oběť. Ale existuje obrana. V menu mnoha mobilních telefonů bývá obsažen program pro údržbu NiMH článku, který dokáže dostat dárce energie opět "do formy". Jak program pracuje, už víme - nejprve úplné vybití, pak nabíjení. Pokud se váš mobil o údržbu svého akumulátoru nedokáže postarat sám, pomozte mu alespoň takto. Nechte jej zapnutý tak dlouho, dokud se sám nevypne, a teprve pak článek nabijte.

Vytřídění starých niklových článků.

Snad v každé domácnosti se dnes hromadí spousta starých NiCd a NiMH článků - mnohé ještě fungují, z jiných nedostanete "ani kapku". Chcete-li oddělit ty dobré od špatných, budete potřebovat nějaký měřicí přístroj, např. digitální multimetr. Změřte jím napětí naprázdno jednotlivých článků. Pokud po nabití naměříte více než 1,68 V, patří do sběru. Blížící se konec akumulátoru jinak také poznáte podle krátké výdrže a zahřívání při provozu.

Odstranění paměťového efektu a efektu „líné baterie“.

S počítačově řízenou rychlonabíječkou můžete unavené NiCd a NiMH akumulátory skoro stoprocentně regenerovat. Tyto přístroje dokáží kromě nabíjení také vybíjet. Při tomto postupu se akumulátor nejprve vybije na cca 0,9 až 1 V v jednom článku a hned poté je nabit na plnou kapacitu (1C). Celý proces některé inteligentní nabíječky opakují dvakrát až třikrát, což umocňuje konečný výsledek. Takovémuto ošetření, při němž u baterií NiCd a NiMH mizí paměťový efekt či efekt "líné" baterie, se v odborném žargonu říká "cyklování" nebo také "trénování" akumulátoru.

Oživení „unaveného“ akumulátoru i bez vybíjecí funkce

Unavený akumulátor však můžete bez problémů oživit i pomocí rychlonabíječky, která nemá vybíjecí funkci. Nechte jej v jakémkoli přístroji pracovat tak dlouho, než se zcela vybije, a pak jej rychlonabíječkou úplně nabijte. Když tento postup u niklových akumulátorů dvakrát až třikrát zopakujete, paměťový efekt nebo efekt "líné" baterie u nich zmizí. Ale pozor! Spolehlivě to funguje jen tehdy, když se nabíjí velkým poměrným proudem (nejméně 0,5 až 1 C).

Do mrazu jsou lepší akumulátory NiCd.

Jakmile teploty například při příchodu zimního období klesnou pod nulu, odevzdají i plně nabité NiMH články jen asi 50 až 70% uskladněné energie. Chlad brzdí chemické procesy provázející přeměnu na proud a zvláště při malém zatížení pak klesne napětí článku. Naproti tomu akumulátory NiCd tento problém takřka neznají a s mrazivými teplotami se vyrovnají lépe. Vzhledem k identické velikosti můžete akumulátory NiCd a NiMH v provozu navzájem většinou zaměnit.

NiMH článek nikdy nenabíjet NiCd nabíječkou.

Nikdy nepřipojujte akumulátor NiMH k nabíječce určené jen pro typ NiCd, neboť by mohlo dojít k jeho přebití a přehřátí. To má následující důvod. Oba typy sice mají podobnou nabíjecí křivku (viz graf ), ale napěťový "hrbol" je u metalhydridových článků méně výrazný než u kadmiových. Proto musí vypínací automatika NiMH nabíječek reagovat mnohem citlivěji, než jak to postačuje pro typ NiCd. Aby se tomuto úskalí vyhnuly, bývají rychlonabíječky mnoha výrobců vybaveny přepínačem pro NiCd a NiMH

Moderní technikou nabíjení ke spokojenosti akumulátorů.

Články na bázi niklu rozvinou svůj plný výkonnostní potenciál jen tehdy, jsou-li nabíjeny vysokými poměrnými proudy (alespoň 0,5 až 1 C) a před každým třetím až pátým nabíjením kompletně vybity. Pokud se k akumulátorům používají nevhodné nabíječky, může se stát, že z oněch 700 (články NiMH) až 1000 (články NiCd) nabíjecích cyklů jich zbude jen asi 30 až 50.
Výrobci nabíječek o tomto nebezpečí samozřejmě vědí a také patřičně reagovali a nabízejí nabíječky společně s akumulátory, které jsou navzájem optimálně přizpůsobeny

S ultrarychlou nabíječkou natankováno za 15 minut.

Novou generaci NiMH článků a příslušných nabíječek pod názvem "15 Minute Charge& Go" vrhla Varta na trh teprve nedávno. Speciální, extrémně rychlá nabíječka plně "natankuje" čtyři v dodávce obsažené tužkové NiMH články (2000 mAh) za pouhou čtvrthodinu - nabíjí se proudem o intenzitě až 7,8 A (cca 3,9 C). Za ukončení nabíjení v tomto případě neodpovídá jinak obvyklý postup "delta peak>", ale senzor, který uvnitř akumulátoru sleduje tlak vznikající během nabíjecího procesu. Při dosažení určité hranice se nabíječka vypne a článek je nabit. Podle kovového pásku v etiketě akumulátoru "15 Minute Charge & Go" nabíječka automaticky rozpozná, zda má co dělat s novým typem Varty schopným takto intenzivního nabíjení, nebo zda jde o běžný článek bez vestavěného tlakového senzoru.

Zdroj: Chip 7.2004