Na rynku dostępnych jest wiele rodzajów akumulatorów. Różnią się one między sobą budową i charakterem procesów chemicznych zachodzących wewnątrz. W świetle przerw w dostawie prądu i dużego zapotrzebowania na akumulatory do wdrażania autonomicznych systemów zasilania, w ramach materiału rozważymy popularne typy akumulatorów: samochodowe, do zasilaczy bezprzerwowych i autonomiczne kompleksy oparte na panelach słonecznych lub generatorach wiatrowych. Tego typu akumulatory są do siebie najbardziej podobne.

Uwaga! Nie zaleca się stosowania akumulatorów samochodowych w zasilaczach UPS.
  • Różnią się one od specjalistycznych akumulatorów do systemów zasilania awaryjnego czasem trwania cyklu pracy i równomiernością wydzielania prądu elektrycznego, co jest uwarunkowane różną grubością płytek elektrod.
  • Akumulatory samochodowe mają nieco wyższe napięcie robocze (14-14,2 V w porównaniu do 13,5-13,8 V), w efekcie akumulator z samochodu będzie stale niedoładowany.
  • Nieuszczelnione akumulatory samochodowe podczas ładowania wydzielają łatwopalny wodór.

Kwasowo-ołowiowe (SLA)

Akumulator kwasowo-ołowiowy jest najstarszym spośród innych rozpowszechnionych typów akumulatorów. Technologię tę wynalazł francuski fizyk Gaston Plante w 1859 roku. Akumulatory kwasowo-ołowiowe urzekają wszechstronnością zastosowania i stosunkowo przystępną ceną. Znajdują zastosowanie w różnego typu pojazdach, systemach zasilania autonomicznego lub rezerwowego itp.

Strukturalnie ten typ akumulatora jest zbudowany w plastikowej obudowie i składa się z ołowianych płytek zanurzonych w elektrolicie (wodnym roztworze na bazie kwasu siarkowego). Zasada działania akumulatora polega na zamianie energii chemicznej na energię elektryczną podczas rozładowywania i odwrotnie – energii elektrycznej na energię chemiczną podczas ładowania. Należy pamiętać, że podczas rozładunku na płytach tworzy się powłoka siarczanu ołowiu. Im bardziej akumulator będzie rozładowany, tym grubsza będzie warstwa osadów. W efekcie spada napięcie akumulatora. Podczas ładowania akumulatora następuje proces odsiarczania, jednak w praktyce płytki elektrod nie są całkowicie oczyszczone i z biegiem czasu akumulatory kwasowo-ołowiowe tracą swoją pierwotną pojemność.

Uproszczony schemat budowy akumulatora kwasowo-ołowiowego:
1 - płyty z dwutlenkiem ołowiu; 2 — płyty ołowiowe; 3 - ciekły elektrolit; 4 - ciało.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe charakteryzują się niskim poziomem samorozładowania, brakiem „efektu pamięci” i zachowują sprawność w szerokim zakresie temperatur. Jednocześnie im mniej ładunku pozostaje w takich akumulatorach, tym mniej prądu wytwarzają. Ponadto akumulatory kwasowo-ołowiowe boją się głębokich rozładowań, długo się ładują, mają duże wymiary i wagę. Modele konstrukcji serwisowanej emitują również szkodliwe opary, co nie pozwala na ich stosowanie w zamkniętych przestrzeniach.

Główne zalety:

  • Wysoka niezawodność
  • Niskie samorozładowanie
  • Brak „efektu pamięci”
  • Szeroki zakres temperatur pracy
  • Przystępna cena

Główne wady:

  • 200–500 cykli ładowania/rozładowania
  • Strach przed głębokimi wyładowaniami
  • Wydzielanie szkodliwych oparów
  • Długi czas ładowania
  • Ciężkie
Uwaga! W akumulatorach samochodowych kwasowo-ołowiowych SLA można zastosować różne typy płytek: wapniowe (Ca-Ca), antymonowe (Sb-Sb) lub hybrydowe (Hybrid). Zasadniczo są to stopy ołowiu z dodatkiem odpowiednio wapnia, antymonu i innych różnych metali. Płyty zawierające wapń charakteryzują się niższym poziomem samorozładowania w porównaniu do antymonowych (do 70%), a w wersji hybrydowej elektrody dodatnie są zwykle wykonane jedną technologią, elektrody ujemne inną (na przykład argentowo-wapniową, węglowo-wapniową, węglowo-ołowiową, ołowiowo-wapniową itp.). Część dodatków w hybrydowej wersji płytek gwarantuje stabilność źródła zasilania aż do głębokiego rozładowania, pozostałe natomiast mają na celu niskie samorozładowanie akumulatora.
Popularne akumulatory kwasowo-ołowiowe (SLA)

Kwasowo-ołowiowe (EFB)

Wiele wad oryginalnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych zostało skorygowanych w akumulatorach EFB (Enhanced Flooded Battery). W „wewnątrz” takich akumulatorów montowane są grube, ołowiane płytki pozbawione jakichkolwiek zanieczyszczeń, ponadto płytka z ładunkiem dodatnim umieszczona jest w powłoce z mikrofibry wypełnionej ciekłym elektrolitem. Worki z mikrofibry zapobiegają zrzucaniu masy aktywnej i znacząco spowalniają proces zasiarczenia płytek podczas głębokiego rozładowania akumulatora. Dzięki temu zapewniona jest wysoka wydajność prądowa i wyeliminowane jest ryzyko zwarć.

Płytki ołowiowe w konstrukcjach akumulatorów EFB są zamknięte w workach z mikrofibry.

Ze względu na zastosowanie grubszych płyt akumulatory EFB wymagają więcej czasu na uzupełnienie zapasów energii. Należy je ładować odpowiednimi urządzeniami, dokładnie kontrolując napięcie, w przeciwnym razie elektrolit może się zagotować i odparować. We wszystkich pozostałych punktach ulepszone akumulatory kwasowo-ołowiowe mają szereg zalet: są odporne na głębokie rozładowania, zachowują wysoką wydajność w szerokim zakresie temperatur i wykazują niski poziom samorozładowania. Akumulatory EFB są droższe niż ich oryginalne odpowiedniki kwasowo-ołowiowe.

Główne zalety:

  • Wysoka niezawodność
  • Odporność na głębokie rozładowanie
  • Produktywna praca w wysokich i niskich temperaturach
  • Niski poziom samorozładowania

Główne wady:

  • 300–700 cykli ładowania/rozładowania
  • Wydzielanie szkodliwych oparów
  • Długi czas ładowania
  • Ciężkie
  • Drogie
Popularne akumulatory kwasowo-ołowiowe (EFB)

Żelowe (GEL)

Akumulatory żelowe to również bardziej zaawansowany typ akumulatorów kwasowo-ołowiowych ze specjalnym zagęszczaczem, który doprowadza elektrolit do stanu galaretowatego. Elektrolit w żelu zapewnia maksymalny kontakt z płytkami ujemnymi i dodatnimi, zachowując jednocześnie jednolitą konsystencję w całej objętości. Baterie żelowe produkowane są w szczelnej obudowie, nie wydzielają podczas pracy żadnych szkodliwych substancji i nie wymagają konserwacji.

Elektrolit w akumulatorach żelowych ma konsystencję galarety.

Akumulatory żelowe przekonują wysoką niezawodnością, przyjaznością dla środowiska, niskim poziomem samorozładowania i długą żywotnością. Jednocześnie nie nadają się najlepiej do pracy buforowej - długotrwałego postoju w celu krótkotrwałego podtrzymania zasilania w trybie zasilania rezerwowego. Zakup takich akumulatorów do UPS ma sens, gdy zasilacz awaryjny musi być włączany prawie codziennie - na przykład w przypadku niestabilnych sieci z ciągłymi i długotrwałymi przerwami w dostawie prądu.

Główne zalety:

  • 500–1000 cykli ładowania/rozładowania
  • Wysoka niezawodność
  • Odporność na głębokie rozładowanie
  • Niski poziom samorozładowania
  • Nie wymaga konserwacji
  • Długa żywotność

Główne wady:

  • Wrażliwość na jakość ładowania
  • Czułość zwarciowa
  • Strach przed niskimi temperaturami
Popularne samochodowe akumulatory żelowe (GEL)

Wchłonięty elektrolit (AGM)

Elektrolit w akumulatorach AGM (Absorbed Glass Mat) jest wchłaniany przez porowate włókna, nadając mu galaretowatą strukturę. Akumulatory tego typu produkowane są w szczelnych obudowach i mają obniżony opór elektryczny, co pozwala na dostarczenie znacznych prądów w krótkim czasie. Akumulatory AGM nadają się jako akumulatory rozruchowe do rozruchowych zespołów napędowych w samochodach osobowych oraz bardzo często stosowane są w układach zasilania awaryjnego.

Elektrolit w akumulatorach AGM jest pochłaniany przez drobno porowate włókna szklane.

Przewagi konkurencyjne akumulatorów AGM obejmują długą żywotność, niskie koszty utrzymania i koszty ogólne, wysokie zużycie energii oraz odporność na wstrząsy i wibracje. Jednak akumulatory AGM źle znoszą ładowanie, są wrażliwe na niskie temperatury i są ciężkie.

Główne zalety:

  • Może dostarczać duże prądy w krótkim czasie
  • Tolerancja głębokiego rozładowania
  • Niski poziom samorozładowania
  • Szybkie ładowanie
  • Uszczelniona obudowa
  • Odporność na wstrząsy i wibracje

Główne wady:

  • 400–800 cykli ładowania/rozładowania
  • Słaba tolerancja ładowania
  • Wrażliwość na niskie temperatury
  • Ciężkie
  • Drogie
Popularne akumulatory samochodowe wykonane z włókna szklanego (AGM)

Litowo-jonowe (Li-Ion)

Akumulatory litowo-jonowe Li-Ion znajdują zastosowanie wszędzie we współczesnych realiach. Są szeroko stosowane w sprzęcie gospodarstwa domowego i gadżetach mobilnych, a także znalazły zastosowanie jako źródła zasilania w pojazdach elektrycznych i urządzeniach magazynujących energię. Takie akumulatory składają się z dodatniej anody na folii miedzianej i ujemnej katody na folii aluminiowej. Ładowanie i rozładowywanie akumulatorów Li-Ion wiąże się z przenoszeniem jonów litu pomiędzy elektrodami.

Akumulatory Li-Ion charakteryzują się najwyższym stosunkiem pojemności w stosunku do wymiarów obudowy, dzięki czemu możliwe jest wyprodukowanie wydajnych akumulatorów przy minimalnych wymiarach i wadze. Ten rodzaj baterii stosowany jest w urządzeniach o dużym poborze prądu lub w razie potrzeby w celu zapewnienia maksymalnej żywotności baterii.

Duże pakiety akumulatorów litowo-jonowych będą doskonałym rozwiązaniem do zasilania „żarłocznych” odbiorców energii.

Akumulatory tego typu posiadają dużą rezerwę na cykle ładowania/rozładowania, obsługują procedurę przyspieszonego ładowania, charakteryzują się całkowitym brakiem „efektu pamięci” i niskim poziomem samorozładowania. Wadą akumulatorów Li-Ion jest wysokie ryzyko pożaru, podatność na degradację w czasie i wrażliwość na niskie temperatury. Proces ładowania akumulatorów litowo-jonowych monitorowany jest przez specjalną tablicę BMS, która kontroluje ładowanie i rozładowywanie, analizuje stan podzespołów, dokonuje odczytów temperatury, napięcia i rezystancji oraz równoważy prądy pomiędzy elementami akumulatora.

Główne zalety:

  • 500–1500 cykli ładowania/rozładowania
  • Duża pojemność w kompaktowym rozmiarze
  • Duża rezerwa na cykle ładowania/rozładowania
  • Szybkie ładowanie
  • Niski poziom samorozładowania
  • Całkowity brak „efektu pamięci”

Główne wady:

  • Zagrożenie pożarowe
  • Szybka utrata wydajności w niskich temperaturach
  • Wymagany elektroniczny obwód ochronny
  • Podatność na „starzenie się”
Popularne akumulatory samochodowe litowo-jonowe (Li-Ion)

Litowo-polimerowe (Li-Pol)

Główną różnicą pomiędzy akumulatorami Li-Pol i Li-Ion jest rodzaj użytego elektrolitu. W akumulatorach litowo-polimerowych jego rolę pełni specjalny polimer z dodatkami przewodzącymi. Struktura elektrolitu może być różna: sucha, jednorodna w postaci żelu lub z drobno porowatą matrycą polimerową. Akumulatory Li-Pol mogą przybierać elastyczne formy i często są dostępne w miękkiej obudowie zamiast twardej.

Akumulatory Li-Pol są znacznie „smuklejsze” niż ich odpowiedniki litowo-jonowe.

Pozytywne i negatywne cechy akumulatorów litowo-polimerowych są identyczne jak w przypadku akumulatorów Li-Ion. Jedyną różnicą jest to, że takim akumulatorom można nadać absolutnie dowolny kształt. Wyróżniają się smukłymi kształtami, jednak są droższe od swoich litowo-jonowych odpowiedników.

Główne zalety:

  • 300–1000 cykli ładowania/rozładowania
  • Wysoka pojemność właściwa i gęstość energii
  • Stabilność napięcia podczas rozładowania
  • Szybkie ładowanie
  • Niski poziom samorozładowania
  • Całkowity brak „efektu pamięci”
  • Kompaktowy rozmiar i niewielka waga
  • Zmienność form

Główne wady:

  • Zagrożenie pożarowe
  • Szybka utrata wydajności w niskich temperaturach
  • Wymagany elektroniczny obwód ochronny
  • Degradacja podczas długotrwałego przechowywania

Litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4)

Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe LiFePO4 uważane są za najlepsze pod względem wszystkich parametrów dla masowych odbiorców. Tylko akumulatory litowo-tytanowe stoją nad nimi o głowę i ramiona, jednak kosztują też o rząd wielkości więcej. LiFePO4 wykorzystuje żelazofosforan litu jako materiał katody. Głównymi zaletami tego typu akumulatorów są duża liczba cykli ładowania/rozładowania (ponad 2000), stabilność chemiczna i termiczna, możliwość bezproblemowej pracy na zimno, krótszy czas ładowania (w tym przy dużych prądach) oraz podwyższone bezpieczeństwo wykorzystania. .

Akumulatory LiFePO4 obecnie są najbardziej zaawansowanymi.

Kontrolę i sterowanie tymi akumulatorami powierzono zarządowi BMS, który gwarantuje bezpieczne limity napięcia i prądu. Akumulatory LiFePO4 charakteryzują się najniższym prawdopodobieństwem ucieczki termicznej i pożaru. Ich napięcie robocze jest obniżone. Ma to jednak również zalety: prowadzi do niższego oporu wewnętrznego i zwiększonej prędkości ładowania/rozładowania. Jedyne, czego boją się takie akumulatory, to bezpośrednie narażenie na wilgoć - podczas interakcji z wodą aktywny lit jest tracony, a gęstość energii maleje. Ponadto akumulatory LiFePO4 są większe w porównaniu do litowych „koledzy z klasy” (o około 30%) i nie można ich ładować w ujemnych temperaturach. Takie akumulatory są rzadko używane jako akumulatory rozruchowe do samochodów, ponieważ tablica sterownicza BMS przeznaczona do wysokich prądów rozruchowych jest bardzo droga.

Główne zalety:

  • 2000–5000 cykli ładowania/rozładowania
  • Odporność na głębokie wyładowania
  • Stabilność napięcia
  • Szybkie ładowanie wysokimi prądami
  • Brak wyraźnego „efektu pamięci”
  • Szeroki zakres temperatur pracy
  • Trwałość
  • Wysoki poziom bezpieczeństwa

Główne wady:

  • Niskie napięcie znamionowe
  • Wrażliwość na bezpośrednie działanie wilgoci
  • Nie można ładować w temperaturach poniżej zera
  • Większe wymiary w porównaniu do baterii litowych

Wniosek

Aby dokonać właściwego wyboru na korzyść urządzeń magazynujących energię, należy odpowiednio ustawić swoje priorytety i wziąć pod uwagę cechy dalszego wykorzystania akumulatorów. Wybór akumulatora według typu nie jest trudnym zadaniem, jeśli mądrze podejdziesz do problemu i rozważysz zalety i wady każdej popularnej technologii.