Petr Šimíček

 

Vývoj baterií přenosných počítačů:

 

Mezi starší a dnes již téměř nepoužívané technologie patří baterie olověné, NiFe, NiCd, NiZn a dnes již výběhový NiMH. Často byly velice nešetrné k životnímu prostředí a doba nabíjení i celkový výkon byly na dnešní poměry „směšné“.

 

Li-Ion

V současné době nejčastěji používané. Akumulátory Li-ion jsou úžasný zdroj energie - malé, lehké a výkonné. Mají malé samovybíjení a jednoduše se nabíjejí. Je však třeba s nimi zacházet šetrněji než s akumulátory NiCd nebo NiMH. Hodí se pro přístroje s malým a středním odběrem.

Ačkoli s lithiovými bateriemi experimentoval již v roce 1912 G. N. Lewis, první lithiové články, tehdy ještě nenabíjecí, byly komerčně dostupné až v roce 1970. V osmdesátých letech následoval vývoj nabíjitelných článků, byl však neúspěšný, neboť články byly nebezpečné a snadno explodovaly. Obrat ve vývoji nastal teprve tehdy, když bylo chemicky velmi nestabilní kovové lithium nahrazeno kysličníkem lithia a kobaltu. První akumulátory Li-ion prodávala firma Sony až v roce 1991.


 Typická vybíjecí křivka akumulátoru Li-ion

V praxi se dnes můžete setkat se dvěma typy Li-ion akumulátorů, které se liší provedením záporné elektrody (u akumulátorů je to anoda). V obou případech je to uhlík, v prvém jako mikrokrystalická forma uhlíku, v druhém ve formě grafitu. Tyto akumulátory se liší tvarem vybíjecí křivky (viz obrázek nahoře), nabíjecím napětím a napětím, při kterém je třeba ukončit vybíjení. Základní údaje jsou uvedeny v tab. 1. Pro úplnost je třeba uvést, že se vyrábějí i akumulátory s grafitovou anodou, které mají díky upravené technologii výroby nabíjecí napětí 4,2 V a vybíjecí 2,5 V.  Orientační porovnání akumulátorů Li-ion s akumulátory NiCd, NiMH, SLA a RAM je v tab. 2.

Tab. 1. Typy Li-ion akumulátorů

Tab. 2. Orientační porovnání vlastností běžných typů akumulátorů

 

 

typ

max.
nabíjecí
napětí
[V]

konečné
vybíjecí
napětí
[V]

 

 

Typ akumulátoru

NiCd

NiMH

SLA

RAM

Li-ion

 

Jmenovité napětí [V]

1,2

1,2

2,0

1,5

3,6

Hustota energie [Wh/l]

140

180

85

380

200

Mikrokrystalický C

4,2

2,5

grafit

4,1

3,0

Hustota energie [Wh/kg]

39

57

30

?

90

 

Samovybíjení [%/den]

1

1,5

0,1

0,01

0,5

Počet nabíjecích cyklů

1000

500

>1000

20

400

Rychlonabíjení

15 min

30 min

1 h

?

1 h

 

 

Pozn.: SLA - bezúdržbový olověný akumulátor, RAM - alkalický akumulátor.

S Li-ion akumulátory se setkáte buď ve formě jednotlivých článků, nebo tzv. „akupaků“ pro mobilní přístroje. Jednotlivé články se dnes používají jen výjimečně u energeticky nenáročných přístrojů. Akupaky pak nalezneme v mobilních telefonech, přenosných počítačích a videokamerách. Akupaky bývají vybaveny ochranným obvodem, který zamezuje zničení, případně i explozi článku při nesprávné manipulaci nebo závadě napájeného přístroje či nabíječky. Ochranný obvod zpravidla hlídá minimální a maximální napětí článku, případně i maximální vybíjecí a nabíjecí proud. Pokud je překročen maximální proud nebo povolený rozsah napětí, obvod článek odpojí. Zapojení ochranných obvodů je na obrázku dole. Z uvedeného zapojení je zřejmé, že vývody akupaku nejsou připojeny k článku přímo. Ochranný obvod odebírá z článku trvale proud řádu jednotek až desítek mikroampér. Akupaky dále bývají osazeny termistorem, který informuje nabíječku o teplotě článku.


 Ochranný obvod s SAA1502 (Philips)


Nabíjení Li-ion

Akumulátory Li-ion se nabíjejí standardně ze zdroje napětí s omezením nabíjecího proudu. Podobným způsobem se nabíjejí také bezúdržbové olověné akumulátory (SLA) a alkalické akumulátory (RAM). Při nabíjení Li-ion je třeba velmi přesně dodržet konečné nabíjecí napětí, mnohem přesněji, než je tomu u akumulátorů SLA a RAM. Uvádí se, že již malé překročení nabíjecího napětí podstatně zkrátí dobu života článku, při napětí menším se článek nenabije na plnou kapacitu. Konečné nabíjecí napětí je podle typu článku 4,1 nebo 4,2 V, a je třeba je dodržet s přesností ±1 %.

Naopak nabíjecí proud není třeba přesně dodržet, bude-li menší, bude nabíjení jen trvat déle. Maximální nabíjecí proud uvádějí výrobci od 0,1 do 2 C. Jednotkou C se myslí jmenovitá kapacita článku. Bude-li mít článek kapacitu např. 900 mAh a povolený nabíjecí proud 0,5 C, můžeme jej nabíjet proudem až 450 mA.


 Průběh napětí a proudu při nabíjení akumulátoru Li-ion

Typický průběh nabíjení článku Li-ion je na obrázku nahoře a platí pro nabíjení proudem 1 C. Z obrázku je patrné, že článek se nabíjí velmi rychle. V první fázi se článek nabíjí proudem tak dlouho, dokud napětí na článku nedosáhne konečného nabíjecího napětí. Nabíjecí proud ani nemusí být konstantní, stačí když nepřekročí maximální nabíjecí proud. V okamžiku, kdy napětí článku dosáhne konečného nabíjecího napětí, je článek nabit přibližně na 70 %, pokud byl předtím téměř vybit. Byl-li článek vybit jen částečně, je v tomto okamžiku jeho náboj větší. Rovněž při nabíjení menším proudem bude v okamžiku dosažení konečného napětí náboj článku větší, nabíjení však trvá pochopitelně déle.

V druhé fázi se článek nabíjí konstantním napětím a nabíjecí proud se postupně zmenšuje. Článek považujeme za nabitý, pokud nabíjecí proud poklesne na zlomek původního nabíjecího proudu, většinou asi 0,05 C. Nabíjecí proud se postupně zmenší až k nule. To je výhoda, neboť nehrozí přebití článku. Dobu nabíjení nemusíme hlídat a článek může být v nabíječce libovolně dlouho. Nabíječka může rovněž bez jakéhokoli nastavování nabíjet články s různou kapacitou, stačí zajistit, aby ani u článku s nejmenší kapacitou nebyl překročen maximální nabíjecí proud. Články s větší kapacitou se budou nabíjet déle.

Pro úplnost je třeba se zmínit o nabíjení nových a hluboce vybitých článků. Tyto články se nabíjejí velmi pomalu proudem řádu jednotek miliampér tak dlouho, dokud jejich napětí nedosáhne 2,7 až 3 V. Takové formování článku trvá velmi dlouho, řádově hodiny. Články nelze rovnou nabíjet velkým proudem, mohly by se vážně poškodit. V praxi asi nebudete muset články formovat.  Elektronické obvody přístrojů napájených akumulátory Li-ion zpravidla zařízení vypnou dříve, než je článek zcela vybit. Poslední pojistkou je ochranný obvod v akupaku.

K nabíjení akumulátorů Li-ion byla vyvinuta řada speciálních integrovaných obvodů. Na obrázku je zapojení jednoduché nabíječky s obvodem LM3620. Ke své funkci potřebuje externí zdroj s omezením (nabíjecího) proudu.  Obvod testuje každé 2 ms napětí článku a pokud je větší než konečné napětí, uzavře tranzistor. Počet „prázdných“ cyklů se postupně zvětšuje a je tak simulováno zmenšování nabíjecího proudu. Při dostatečně velkém poměru „prázdných“ a „plných“ cyklů obvod nabíjení ukončí. IO zajišťuje také formování hluboce vybitého článku proudem 5 mA a znovu začne nabíjet článek, pokud jeho napětí poklesne pod 3,89 V. Není bez zajímavosti, že tento zdánlivě jednoduchý integrovaný obvod má ve své struktuře 4692 tranzistorů.


 Nabíječka s LM3620




Obr. 9. Nabíječka s LTC1732

Obvod LTC1732 na obrázku nahoře zajišťuje navíc formování hluboce vybitého článku proudem asi 10x menším, než je maximální nabíjecí proud a  zajišťuje nabíjení včetně omezení nabíjecího proudu

Obvodů pro nabíjení akumulátorů Li-ion je velké množství. Zde je pouze jen několik základních zapojení.

 

Li-Pol

Lithium-polymerové akumulátory umožňují dosáhnout ještě větší energetické hustoty v článku než Li-Ion. Tyto články však rychleji degradují a umožňují menší počet nabíjecích cyklů.

V současné době se již běžně vyrábějí. Mimoto mají  i lepší vlastnosti než Li-Ion - zejména vnitřní odpor a větší poměr kapacita/váha. Tyto články jsou schopné již dávat i proudy desítek ampér. Tento typ baterií se začal zprvu využívat u pohonu ručního nářadí a UPS zdrojů, později se rozšířil především do mobilních telefonů .
Základní parametry jsou stejné jako u Li-Ion, nabíjejí se také stejně na 4,20 V / článek.
U některých starších typů docházelo k "nafukování" článků. Přesná příčina není známa, ale jako hlavní se uváděly dva důvody. Jedním bylo přetěžování článku velkým proudem delší dobu a druhá příčina byla v porušení těsnosti článku při pájení vývodů. Novější články pro velké proudy již touto vlastností netrpí.

 

Jak Li-Pol funguje po technologické stránce? Baterie obsahuje pevný polymer jako elektrolyt, anoda je z kovu lithia a katoda je z kompozitu kysličníku vanadia. Tyto vrstvy se skládají na sebe a buďto se rolují, nebo se vrství kladením na sebe. Tak lze dosáhnout téměř libovolných tvarů.

Zajímavé jsou údaje o kapacitní hustotě baterie - dnes je dosahováno až 250 Wh/kg, zatímco NiMH baterie dosahují cca. 60 Wh/kg a Li-Ion cca. 90 Wh/kg. Na stejnou kapacitu baterie Li-Pol si vystačíte s o málo více jak třetinovou váhou, než u Li-Ion.

 

Alternativní baterie na bázi bioenergie

Vše je založeno na principu přírodního získáváni energie buněčnými organelami zvanými mitochondrie. Mitochondrie získávají energii spalováním dvou základních surovin. Prvním z nich je kyslík jakožto katalyzátor a druhý je rozložený sacharid zvaný ATP. Je to v podstatě jednořetězcová glukóza.

 

Tělo živého organismu získává tyto dva činitele z vnějšího prostředí velice složitým způsobem na kterém se podílí v celém svém rozsahu dýchací a trávicí soustava. Získaná energie se podílí na všech metabolických procesech živých organismů. Jedna se tedy o zcela revoluční myšlenku využití absolutně biologického materiálu na získávání energie pro elektronické přístroje.

První otázkou je: Kolik jednotlivé mitochondrie vyprodukuji energie?

Každá organela je schopna vytvořit velice malé množství energie. Hlavni výhodou ale je, že je možné nahromadit mitochondrie do obrovské hustoty. Tímto způsobem jsme schopni dostat až stovky milionů mitochondrií na jeden kubický milimetr. Tato síla pak ukrývá již nezanedbatelnou energetickou hodnotu a při velikosti dnešních baterii mobilních telefonu by množství mitochondrii mohlo být takřka nepředstavitelné. Například běžný smartphone by tak teoreticky v případě využiti veškeré potencionální energie mohl fungovat až 250 hodin provozu.

Otázka 2: Co kromě mitochondrií je potřeba do baterie implementovat?

Stejně jako Li-polová nebo Li-Ionová baterie jsou nabíjeny „elektrickým proudem“, tak i tato technologie potřebuje „palivo“. Jsou jimi kyslík a ATP, který se musí rovnoměrně nadávkovat po celém povrchu baterie. Jsou potřeba tedy dva vakuové uzavřené zásobníky a mikrodrenážní kanálky. Dále regulace přívodu paliva prostřednictvím integrovaných obvodů a senzor činnosti telefonu. Dále je to kapalina napuštěná v prostoru baterie, která by působila jako cytoplazma. Mělo by se jednat o obyčejnou destilovanou vodu pro svoje ideální vlastnosti. Po povrchu budou přijímače chemické energie pracující na stejném principu jako ribozomy v buňce. Tyto přijímače budou vést energii k přeměníku chemické energie na energii elektrickou. Ten by měl fungovat jako mikroskopická a levná „tepelná elektrárna“.

Otázka 3: Jak drahá by byla nová baterie?

V případě výroby více jak 100000 baterii za den by výrobní cena jedné baterie pro současný mobilní telefon střední třídy neměla přesáhnout 10 €, pro smartphone nebo kapesní počítač 15 € a pro notebook nebo tablet PC 25 €.

 

Tato technologie je samozřejmě stále ještě v plenkách, ale vzhledem k stále se prohlubující propasti mezi energetickou potřebou nejnovějších zařízení a výkonem baterií se o ní začíná zajímat stále více vývojářů, protože by i přes nesmírně velké vynaložené prostředky na výzkum na dlouhou dobu dopředu pokryla veškerou energetickou náročnost moderních přenosných počítačů, telefonů i smartphonů.   

 

zdroje:

http://www.mobil.cz/poradna/baterie/akupack.html

http://www.belza.cz/charge/

http://www.jergym.hiedu.cz/~canovm/elektro/elektro.html#elektro