Ako rozlíšiť batérie, čo znamenajú jednotlivé parametre a prečo moja 9V batéria vydrží tak krátko?

Vytvorili ste super projekt a rozhodli ste sa, že by bol ešte viac super, keby bol napájaný z batérie. Naťukáte do google hľadanie pre batérie a objaví sa množstvo typov batérií s rôznymi parametrami, výrobnými technológiami či upozorneniami pri použití, tak ako vybrať tú správnu? V tomto blogu, sa dozviete všetko potrebné.

Kapacita batérií

Najskôr si povedzme niečo o parametroch batérií. Medzi základný patrí kapacita batérie a zvyčajne sa udáva v miliampér hodinách [mAh]. Pre zaujímavosť, jednotka mAh je vlastne Coulomb, teda Elektrický náboj, ktorý sa vypočíta ako C = I * t (náboj = prúd * čas), čiže 2600 mAh znamená náboj 2.6 coulombu. Samozrejme platí, že čím väčšia, tým lepšie. Pre príklad, pri 2600 mAh môžete napájať projekt odberajúci 26 mA po dobu 100 hodín. Ak máte 3000 mA batériu a Váš modul potrebuje na fungovanie 3 mA, batéria vydrží 1000 hodín (41.67 dňa).

Hustota Energie

Ďalším dôležitým parametrom je hustota energie (energy density). Čím väčšia, tým viac energie môže batérie uschovať na 1 kg. Je to dôležitý údaj hlavne pre mobilné zariadenia, elektrické autá či drony, keďže tam hrá hmotnosť pomerne výraznú rolu.

Keďže vývoj ide neustále dopredu a na trhu sú dostupné nové a lepšie batérie, na nasledovnom grafe si môžete pozrieť pokrok pri vývoji LI-ION batérií:

Vybíjací prúd

Pri kúpe batérií sa stretnete aj s parametrom Vybíjací prúd. Jedná sa o maximálny možný prúd, ktorý je možné z batérie dostať. Bežné 18650 Li-Ion batérie môžu mať kapacitu 2000 mAh pri vybíjacom prúde 5C. V takom prípade, môžete z batérie maximálne dostať v jeden okamih 10 Ampérov (5Capacity * 2000mAh = 10000 mA = 10A). Ak teda máte motorček, ktorý potrebuje 15 A, napríklad pre vŕtačku, budete potrebovať buď batérie s väčšou kapacitou alebo batériu s vyšším vybíjacím prúdom. Niektoré výkonné batérie môžu mať vybíjací prúd aj 30C alebo viac.

Pri štarte auta je pritom potrebný prúd rádovo v stovkách ampérov, a preto sa ako autobatérie používajú tzv. olovené batérie. Tie majú v porovnaní s lítiovými batériami horšie prakticky všetky parametre okrem vybíjacieho prúdu, avšak pre niektoré aplikácie sú nevyhnutné.

Technológie batérií

Každá moderná batéria sa skladá iba z 3 častí:
1) Anóda
2) Katóda
3) Elektrolyt medzi nimi

Technológia výroby a vlastnosti batérií sa líšia podľa toho, z akých materiálov sú vyrobené tieto časti. Každý typ má pritom svoje výhody či nevýhody.

Li-Ion

Patrí medzi najrozšírenejší typ batérie, hlavne pre jej výborný pomer hustota energie/cena. Často sa používa v notebookoch, smartfónoch či elektrických autách. Ak máte v notebooku použitú 6 článkovú batériu, znamená to, že pod plastovým krytom sa nachádza 6 kusov okrúhlych, zvyčajne 18650 batérií. Medzi najpoužívanejší typ patrí práve batéria 18650 (18 mm priemer, 650 mm výška), tie môžete nájsť aj v našej ponuke.

Li-Ion batérie sú pomerne starou technológiou, s ktorej vývojom sa začalo už v roku 1912, kedy ju, verte či neverte, použili aj v prvých experimentálnych elektrických autách. V komerčných produktoch sa však začala objavovať až v 90-tych rokoch 20. storočia.

Aj medzi Li-Ion existujú variácie podľa toho, z akého materiálu je vyrobená katóda batérie. Zvyčajne je to oxid lítia a kobalt, avšak nový vývoj je smerovaný k obmedzeniu použitia kobaltu. Je to z toho dôvodu, že kobalt sa ťaží hlavne v afrických krajinách, kde v baniach pracujú aj deti a to v neľudských podmienkach. Anóda týchto batérií je zvyčajne vyrábaná z uhlíka, elektrolyt je tekutý alebo gélový polymér a katóda môže byť vyrobená s prímesou kobaltu či niklu.

Najväčší pokrok posledných mesiacov predstavila automobilka Tesla, ktorá úplne vylúčia kobalt z výrobného procesu katódy a teda ich bude môcť vyrábať lacnejšie a bez medzinárodných škandálov spojených s ťažbou v Afrike.

Ak sledujete vývoj batérií, určite Vám neušla ani o informácia o novom Li-Ion článku, ktorý predstavila Tesla v Septembri. Jedná sa o člańok 4680 (46 mm priemer, 80 mm výška). Vyrobiť takúto veľkú batériu technológiou Li-Ion je veľmi zložité z toho dôvodu, že dochádza z prehrievaniu, ktoré obmedzuje životnosť batérie a celkovo znižuje efektívnosť. Tesle sa to podarilo zmenením dizajnu batérie na tzv. tabless design.

Li-Pol

Hlavným rozdielom medzi Li-Ion a Li-Pol batériami je ten, že Li-Pol batérie používajú pevnú katódu a sú aj o niečo bezpečnejšie. Li-Pol batérie majú v priemere o niečo málo horšiu energetickú hustotu, avšak je možné ich vyrábať aj ako tenké ľahké články, ktoré často nájdete v dronoch či smartfónoch.

Ni-Mh

Jedná sa síce o veľmi populárne, no v porovnaní Lítiovými batériami horšie batérie. Ni-Mh batériu sú nabíjateľné avšak majú nižšiu energetickú hustotu, ich hlavnou výhodou je však cena. V dnešnej dobe už ustupujú do minulosti avšak stále sa s nimi môžete stretnúť v hračkách či nenáročných a lacných zariadeniach.

Alkalické

Alkalické batérie patria medzi starú technológiu avšak vzhľadom na cenu s dobrou energetickou hustotou sú stále pomerne časté. Existujú 2 varianty alkalických batérií, jedna z nich (označenie RAM) je nabíjateľná a len o málo parametrami horšia ako Li-Ion batériám. Druhý typ (Zn/MnO2LR) síce nie je nabíjateľný, avšak na trhu je za lepšiu cenu.

Olovené

Olovené batérie sú rozšírené hlavne v autách, hlavným dôvodom je vysoký vybíjací prúd rádovo v stovkách ampérov. Olovené batérie sú však veľmi nebezpečné, hlavne kvôli použitému tekutému elektrolytu (kyselina sírová). Tieto batérie patria medzi jeden z najstarších typov, ich vývoj sa začal ešte polovici 19. storočia. Manipulácia s olovenými batériami je veľmi nebezpečná aj z toho dôvodu, že ich nie je možné otáčať, inak môžu vytiecť – túto nevýhodu je však možné vyriešiť zakúpením tzv. VRLA batérie, tie používajú netekutý gélový elektrolyt. Môžete ich nájsť aj v našej ponuke.

LiFePO4

Batérie s krkolomným názvom avšak s dobrou nabíjacou aj vybíjacou charakteristikou. Ich napätie kolíše v závislosti od nabitia menej v porovnaní s Li-Ion alebo Li-Pol batériami. To zjednodušuje ich použitie v projektoch, kedy nie sú nutné stabilizátory napätia na výstupe, čo zvyšuje celkovú efektivitu.

Battery packs

Spájaním batérií do série či paralelne vieme meniť výslednú kapacitu a napätie. V prípade že zapojíme batérie do série, výsledné napätie sa sčítava, spájaním paralelne sa sčítava kapacita. Pri spájaní batérií je však nutné, aby boli rovnako nabité a boli vyrobené rovnakou technológiou, inak môže dôjsť k ich poškodeniu a pri lítiových batériách aj k “výbuchu”.

Na rozlíšenie battery pack-ov sa používa označenie xSxP. Povedzme si príklad: Používame 3 batérie v sérií a ku tomu 2 paralelne, označenie by teda bolo “Battery pack 3S2P”. Ak by sme použili batérie s kapacitou 2000 mAh a napätím 4.2V, výsledný battery pack by mal kapacitu 4000 mAh (2000mAh * 2) s výstupným napätím 12.6V (4.2V * 3) a celkovo by v ňom bolo použitých 6 batérií.

Nabíjanie článkov

Každý z týchto typov batérií má iné požiadavky na nabíjanie a niektoré technológie dokonca ani nabíjateľné nie sú. Na správne nabíjanie sú citlivé hlavne lítiové články, pri ktorých môžu pri nesprávnom spôsobe dôjsť až k ich poškodeniu, o čom sa už určite presvedčili aj inžinieri Galaxy Note 7 zo Samsungu. Životnosť batérií sa uvádza v počte nabíjacích cyklov. Pokrok ide stále dopredu, moderné batérie môžu mať stratu kapacity iba o 10% pri 500 nabíjacích cykloch, čo bolo pred niekoľkými rokmi prakticky nepredstaviteľné. Je nutné mať napamäti aj to, že nabíjaním batérie sa mení aj jej výstupné napätie.

Nabíjanie lítiových batérií

Na správne nabíjanie sú citlivé hlavne lítiové batérie. Kým nenabitá Li-Ion batéria môže mať od 2-2.5V, plne nabitá má zvyčajne až 4.2V. Na to treba myslieť aj pri napájaní projektov, kedy je nutné na výstup pripojiť stabilizátory napätia, ktoré však znižujú efektívnosť a spôsobujú straty. Batérie by sa mali nabíjať pod presnou nabíjacou krivkou, preto nesprávne navrhnuté nabíjacie moduly môžu znižovať životnosť batérií.

Ak chcete dosiahnuť čo najväčšiu životnosť lítiových batérií, odporúča sa mať ju nabitú neustále na +-70%. Samozrejme, to nie je prakticky možné, keďže z princípu sú zariadenia s batériou navrhnuté tak, aby boli mobilné a nie naviazané na nabíjačku. To je len optimálny stav a záleží, aj od presného typu batérie či od technológie výroby. Životnosť lítiových batérií znižujú aj rýchlonabíjačky, ktoré prehrievajú batériu.

V prípade že je v sérií zapojených viac článkov, bude potrebný aj nejaký balančný obvod. Keďže nie všetky batérie sú totožné, aj keď sú zakúpené u jedného dodávateľa či vyrobené rovnakou technológiou, pri ich používaní sa môžu inak vybíjať. Udržiavanie rovnakej úrovne nabitia na všetkých batériách zvyšuje životnosť a zabraňuje ich poškodeniu. Obvody, ktoré ukrývajú balančný obvod a slúžia zároveň slúžia aj ako ochranný obvod pred prílišným vybitím či skratovým prúdom na výstupe, sa označujú ako BMS (Battery Management System). Nájdete ich aj v našej ponuku, rozlišujú sa podľa toho, koľko batérií máte zapojených v sérií.

Čo však spôsobuje, že staré batérie už neudržia toľko kapacity? Nabíjaním sa vytvárajú v elektrolyte batérie mikroskopické praskliny a teda batérie strácajú na kapacite a bývajú menej odolné aj voči zmene vonkajších podmienok.

Porovnanie batérií

O všetkých možných typoch a tvaroch batérií už toho v tomto článku zaznelo dosť a možno si už ani nepamätáte, čo ste čítali na začiatku. Tu sme pre Vás pripravili základný prehľad jednotlivých technológií:

Zdroje

1. https://pixabay.com/images/search/battery/
2. https://cleantechnica.com/2020/02/19/bloombergnef-lithium-ion-battery-cell-densities-have-almost-tripled-since-2010/
3. https://www.epectec.com/batteries/cell-comparison.html
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_commercial_battery_types
5. https://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries
6. https://www.explainthatstuff.com/batteries.html
7. https://www.theverge.com/2020/9/22/21449238/tesla-electric-car-battery-tabless-cells-day-elon-musk