Na rynku dostępnych jest wiele rodzajów akumulatorów. Różnią się one od siebie budową i charakterem procesów chemicznych zachodzących w ich wnętrzu. W świetle przerw w dostawie prądu i dużego zapotrzebowania na akumulatory do wdrażania autonomicznych systemów zasilania, w ramach materiału rozważymy popularne rodzaje akumulatorów: samochodowy, do zasilania bezprzerwowego oraz autonomiczne kompleksy oparte na panelach słonecznych lub turbinach wiatrowych . Między sobą te typy baterii są najbardziej podobne.

Kwas ołowiowy

Typ ołowiowo-kwasowy jest najstarszy w kontekście innych popularnych rodzajów akumulatorów. Technologia została wynaleziona przez francuskiego fizyka Gastona Plante w 1859 roku. Akumulatory kwasowo-ołowiowe urzekają swoją wszechstronnością i stosunkowo przystępną ceną. Znajdują zastosowanie w różnego rodzaju pojazdach, systemach zasilania autonomicznego lub rezerwowego itp.

Strukturalnie ten typ akumulatora jest zbudowany w obudowie z tworzywa sztucznego i składa się z ołowianych płytek zanurzonych w elektrolicie (roztworze wodnym na bazie kwasu siarkowego). Zasada działania akumulatora polega na zamianie energii chemicznej na energię elektryczną przy rozładowywania i odwrotnie – energii elektrycznej na energię chemiczną przy ładowania. Należy pamiętać, że przy rozładowania na płytach tworzą się osady siarczanu ołowiu. A im bardziej akumulator jest rozładowany, tym grubsza będzie warstwa osadów. W rezultacie spada napięcie akumulatora. Podczas ładowania akumulatorów zachodzi proces odsiarczania, jednak w praktyce płytki elektrod nie są całkowicie oczyszczone i z czasem akumulatory kwasowo-ołowiowe tracą swoją pierwotną pojemność.

Uproszczony schemat budowy akumulatora kwasowo-ołowiowego: 1 - płytki z dwutlenku ołowiu; 2 - płyty ołowiane; 3 - ciekły elektrolit; 4 - ciało.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe charakteryzują się niskim samorozładowaniem, brakiem „efektu pamięci” i mogą pracować w szerokim zakresie temperatur. Jednocześnie im mniej ładunku pozostaje w takich bateriach, tym mniej wytwarzają prądu. Ponadto akumulatory kwasowo-ołowiowe boją się głębokich rozładowań, długo się ładują, mają duże wymiary i wagę. Modele serwisowalne emitują również szkodliwe opary, przez co nie nadają się do użytku w pomieszczeniach.

Główne zalety:
Wysoka niezawodność;
Niskie samorozładowanie;
Brak „efektu pamięci”;
Szeroki zakres temperatur pracy;
Przystępny koszt.
Główne wady:
Strach przed głębokimi wyładowaniami;
Emisja szkodliwych oparów;
Długi czas ładowania;
Duża waga.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe

Ołowiowo-kwasowe EFB

Wiele wad oryginalnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych jest naprawianych w akumulatorach EFB (Enhanced Flooded Battery). Ich skrót oznacza „Advanced Wet Battery”. W „jelicie” takich akumulatorów instalowane są grube ołowiane płytki bez żadnych zanieczyszczeń, ponadto płytka z ładunkiem dodatnim znajduje się w otoczce z mikrofibry wypełnionej płynnym elektrolitem. Worki z mikrofibry zapobiegają zrzucaniu masy aktywnej i znacznie spowalniają proces zasiarczenia płyt przy głębokich rozładowań baterii. Dzięki temu zapewniona jest wysoka sprawność przepływu prądu i wyeliminowane jest ryzyko zwarć.

Płyty ołowiane w konstrukcji akumulatora EFB umieszczone są w woreczkach z mikrofibry.

Ze względu na zastosowanie grubszych płyt akumulatory EFB potrzebują więcej czasu na uzupełnienie swoich zapasów energii. Należy je ładować odpowiednimi urządzeniami, skrupulatnie kontrolując napięcie, w przeciwnym razie elektrolit może się zagotować i odparować. We wszystkich pozostałych punktach programu zaawansowane akumulatory kwasowo-ołowiowe mają tylko szereg zalet: są odporne na głębokie rozładowania, zachowują wysoką wydajność w szerokim zakresie temperatur i wykazują niski poziom samorozładowania. Akumulatory EFB są droższe od oryginalnych odpowiedników kwasowo-ołowiowych.

Główne zalety:
Wysoka niezawodność;
Odporny na głębokie wyładowania;
Wydajna praca w wysokich i niskich temperaturach;
Niskie samorozładowanie.
Główne wady:
wysoki koszt;
Emisja szkodliwych oparów;
Długi czas ładowania;
Duża waga.
Akumulatory samochodowe EFB

Ważna uwaga. Baterie samochodowe nie są zalecane do stosowania w UPS. Po pierwsze, różnią się one od specjalistycznych akumulatorów „uninterruptibles” czasem trwania cyklu pracy oraz równomiernością uwalniania prądu elektrycznego, co wynika z różnej grubości płytek elektrod. Po drugie, akumulatory samochodowe mają nieco wyższe napięcie robocze (14-14,2 V w porównaniu z 13,5-13,8 V), w wyniku czego akumulator z samochodu będzie stale niedoładowany. Po trzecie, w trakcie ładowania nieszczelne akumulatory samochodowe emitują łatwopalny wodór.

Żele GEL

Akumulatory żelowe to również bardziej zaawansowany typ akumulatorów kwasowo-ołowiowych ze specjalnym zagęszczaczem w składzie, który doprowadza elektrolit do stanu galaretowatego. Elektrolit w żelu zapewnia maksymalny kontakt z płytkami ujemnymi i dodatnimi przy zachowaniu jednolitej konsystencji w całej objętości. Akumulatory żelowe wykonane są w szczelnej obudowie, przy eksploatacji nie wydzielają absolutnie żadnych szkodliwych substancji i nie wymagają konserwacji.

Elektrolit wewnątrz akumulatorów żelowych jest w stanie galaretowatym.

Akumulatory żelowe przekupują wysoką niezawodnością, przyjaznością dla środowiska, niskim samorozładowaniem, długą żywotnością. Jednocześnie nie najlepiej nadają się do pracy buforowej - długiego postoju w celu podtrzymania zasilania w trybie czuwania przez krótki czas. Zakup takich akumulatorów do zasilacza UPS ma sens, gdy „bezprzerwowy” musi włączać się prawie codziennie - na przykład w przypadku niestabilnych sieci ze stałymi i długimi przerwami w dostawie prądu.

Główne zalety:
Wysoka niezawodność;
Odporny na głębokie wyładowania;
Niskie samorozładowanie;
Nie ma potrzeby konserwacji;
Długa żywotność.
Główne wady:
Wrażliwość na jakość ładowania;
Wrażliwość na zwarcia;
Strach przed niskimi temperaturami.
Akumulatory żelowe UPS

Absorbowany elektrolit AGM

Elektrolit w akumulatorach AGM (Absorbed Glass Mat) jest wchłaniany przez porowate włókna, nadając mu galaretowatą strukturę. Takie akumulatory są wykonane w szczelnych obudowach i mają zmniejszoną rezystancję elektryczną, co pozwala na podawanie znacznych prądów w krótkich odstępach czasu. Akumulatory AGM nadają się do rozruchu jednostek zasilających w samochodach i są bardzo często stosowane w układach zasilania awaryjnego.

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

Konkurencyjne przewagi akumulatorów AGM obejmują długą żywotność, niskie koszty utrzymania i całkowity koszt, wysoką energochłonność, odporność na wstrząsy i wibracje. Jednak akumulatory AGM źle znoszą przeładowanie, są wrażliwe na niskie temperatury i są ciężkie.

Główne zalety:
Może dostarczać wysokie prądy w krótkim czasie;
Tolerancja na głębokie wyładowania;
Niskie samorozładowanie;
szybkie ładowanie;
Uszczelniona obudowa;
Odporność na wstrząsy i wibracje.
Główne wady:
Słaba tolerancja na przeładowanie;
Wrażliwość na niskie temperatury;
Wielka waga;
Wysoki koszt.
Akumulatory UPS AGM

Li-Ion Li-Ion

Akumulatory litowo-jonowe Li-Ion stosowane są we współczesnych realiach na całym świecie. Znajdują szerokie zastosowanie w sprzęcie AGD i gadżetach mobilnych, znalazły zastosowanie jako źródła zasilania w pojazdach elektrycznych oraz jako magazyny energii. Takie akumulatory składają się z dodatniej anody na folii miedzianej i ujemnej katody na folii aluminiowej. Ładowanie i rozładowywanie w akumulatorach Li-Ion wiąże się z przenoszeniem jonów litu pomiędzy elektrodami.

Akumulatory typu Li-Ion charakteryzują się najwyższym stosunkiem pojemności do wielkości obudowy, co umożliwia produkcję akumulatorów o dużej mocy przy minimalnych wymiarach i wadze. Ten typ baterii jest stosowany w urządzeniach o dużym poborze mocy 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, wyróżniają się całkowitym brakiem „efektu pamięci” oraz niskim samorozładowaniem. Wadą akumulatorów Li-Ion jest duże zagrożenie pożarowe, podatność na degradację w czasie oraz wrażliwość na niskie temperatury. Proces ładowania akumulatorów litowo-jonowych jest monitorowany przez specjalną płytkę BMS, która steruje ładowaniem i rozładowaniem, analizuje stan podzespołów, dokonuje pomiaru temperatury, napięcia i rezystancji oraz bilansuje prądy pomiędzy elementami akumulatora.

Główne zalety:
Duża pojemność przy kompaktowych wymiarach;
Duża rezerwa na cykle ładowania/rozładowania;
szybkie ładowanie;
Niskie samorozładowanie;
Całkowity brak „efektu pamięci”.
Główne wady:
zagrożenie pożarowe;
Szybka utrata pojemności w niskich temperaturach;
Wymaga elektronicznego obwodu zabezpieczającego;
podatność na starzenie.

Litowo-polimerowy Li-Pol

Główną różnicą między akumulatorami Li-Pol a akumulatorami Li-Ion jest rodzaj zastosowanego 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. Baterie Li-Pol mogą przybierać elastyczne formy i często są dostarczane w miękkiej obudowie zamiast w twardej obudowie.

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

Pozytywne i negatywne cechy akumulatorów litowo-polimerowych są identyczne z typem Li-Ion. Jedyną różnicą jest to, że takie baterie mogą mieć absolutnie dowolny kształt. Wyróżniają się gracją i smukłymi formami, jednak są droższe od litowo-jonowych rówieśników.

Główne zalety:
Wysoka pojemność właściwa i gęstość energii;
Stabilność napięcia przy procesu rozładowania;
szybkie ładowanie;
Niskie samorozładowanie;
Całkowity brak „efektu pamięci”;
Kompaktowy rozmiar i niewielka waga;
Zmienność formy.
Główne wady:
zagrożenie pożarowe;
Szybka utrata pojemności w niskich temperaturach;
Wymaga elektronicznego obwodu zabezpieczającego;
Degradacja przy długotrwałego przechowywania.

Fosforan litowo-żelazowy LiFePO4

Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe LiFePO4 uważane są za najlepsze pod względem parametrów dla masowego odbiorcy. Baterie litowo-tytanowe są o wiele lepsze, jednak kosztują też o rząd wielkości więcej. LiFePO4 wykorzystuje żelazofosforan litu jako materiał katody. Główne zalety tego typu akumulatorów to duża liczba cykli ładowania/rozładowania (ponad 2000), stabilność chemiczna i termiczna, możliwość bezproblemowej pracy w niskich temperaturach, krótszy czas ładowania (w tym dużymi prądami) oraz zwiększone bezpieczeństwo eksploatacji.

Akumulatory typu LiFePO4 są jak dotąd najbardziej zaawansowanymi.

Sterowanie i sterowanie tymi akumulatorami powierzone jest płycie BMS, co gwarantuje bezpieczne limity napięcia i prądu. Akumulatory LiFePO4 mają najmniejszą szansę na ucieczkę termiczną i pożar. Ich napięcie robocze jest zmniejszone. Ma to jednak swoje zalety: prowadzi do mniejszej rezystancji wewnętrznej i zwiększonej szybkości ładowania / rozładowania. Jedyne, czego boją się takie akumulatory, to bezpośrednie narażenie na wilgoć - przy interakcji z wodą aktywny lit jest tracony, a gęstość energii maleje. Ponadto akumulatory LiFePO4 są większe w porównaniu z litowymi „koledami” (o około 30%) i nie można ich ładować w niskich temperaturach. Takie akumulatory są rzadko używane jako akumulatory rozruchowe do samochodów, ponieważ tablica kontrolna BMS, zaostrzona do wysokich prądów rozruchowych, jest bardzo droga.

Główne zalety:
Ogromna liczba cykli ładowania / rozładowania;
Odporność na głębokie wyładowania;
Stabilność napięcia;
Szybkie ładowanie wysokimi prądami;
Nie ma wyraźnego „efektu pamięci”;
Szeroki zakres temperatur pracy;
Trwałość;
Wysoki poziom bezpieczeństwa.
Główne wady:
Niskie napięcie znamionowe;
Wrażliwość na bezpośrednią ekspozycję na wilgoć;
Nie można ładować w niskich temperaturach;
Większe wymiary w porównaniu do baterii litowych.
Akumulatory LiFePO4 do UPS

_____

Aby dokonać właściwego wyboru na korzyść urządzeń do magazynowania energii, należy odpowiednio ustalić priorytety i wziąć pod uwagę cechy dalszego wykorzystania akumulatorów. Wybór baterii według rodzaju nie jest trudnym zadaniem, jeśli mądrze podejdziesz do problemu i rozważysz zalety i wady każdej popularnej technologii.