Aktuální vydání

celé číslo

08

2020

Mozaika novinek a informací

Restart ekonomiky

celé číslo

Strategie pro prodloužení životnosti akumulátorů v přenositelných zařízeních

Vývojáři pokračují ve vývoji přenositelných zařízení. Ta jsou stále menší a výkonnější. Vysoce výkonné procesory, ačkoliv ty současné jsou velmi úsporné, mají relativně velkou spotřebu. Zároveň se uživatelé dožadují akumulátorů s delší výdrží, se schopností rychlého nabíjení, s menší hmotností a menšími rozměry.

Nejen procesory, ale i akumulátorové články se neustále vyvíjejí. Výrobci se spoléhají na nové chemické materiály pro zvýšení energetické hustoty. Vynikají mezi nimi lithium-iontové a lithium-polymerové akumulátorové články, které jsou využívány jak v průmyslových výrobcích, tak ve spotřebním zboží.

Tyto typy článků nelze zaměňovat s primárními lithio­vými články, které nejsou určeny k dobíjení. Lithium-iontové akumulátorové baterie jsou s oblibou používány v přenositelných zařízeních. Vykazují výborný poměr mezi výkonem a hmotností (obr. 1). Navíc jde o baterie bez paměťového efektu a s pomalým průběhem samovybíjení. Pro uvedené výhody jsou zajímavé také pro užití ve vojenském průmyslu, v elektrických vozidlech nebo v leteckém průmyslu. Výrobci sjednocují poznatky z vý­zkumu s novými technologiemi výroby akumulátorových článků a baterií, aby nejen zvyšovali jejich energetickou hustotu, ale také prodlužovali životnost, snižovali výrobní náklady a zvyšovali bezpečnost jejich používání.

Pokroky v oblasti lithium-polymerových článků

Lithium-polymerové akumulátorové články jsou další generací nastupující po lithium--iontových článcích. Soli lithia jsou v nich rozpuštěny v pevném polymeru, ne v organickém rozpouštědle, jako je tomu u lithium-iontových akumulátorů. K výhodám tohoto přístupu patří nižší výrobní náklady, stabilní konstrukce akumulátorových baterií a flexibilita balení.

Z lithium-polymerových článků, stejně jako z lithium-iontových, mohou být vyrobeny různé akumulátorové baterie s odlišným napětím a kapacitou. Mají příznivý poměr kapacity a hmotnosti. Zatímco lithium-iontové články obklopuje tuhý kovový kryt, články lithium-polymerových akumulátorů jsou obaleny měkkou vrstvou. Výrobci proto mohou být mnohem pružnější při navrhování různých tvarů, které se co nejlépe vejdou do mobilních telefonů nebo do jiných přenosných zařízení.

Přes tyto technické a mechanické výhody se výrobci lithium-polymerových akumulátorových baterií ve snaze o splnění požadavků uživatelů na zvýšení rychlosti nabíjení a prodloužení doby vybíjení střetávají s různými problémy.

Ve srovnání s lithium-iontovými články se lithium-polymerové rychleji opotřebovávají. Nicméně výrobcům se podařilo dosáhnout toho, aby jmenovitá kapacita poklesla na 80 % až po 500 nabíjecích cyklech. Jiná varianta lithium-polymerových článků je tzv. dobíjitelná lithiová tenkovrstvá baterie s více než 10 000 nabíjecími cykly.

Lithium-polymerové baterie je třeba nejméně hodinu nabíjet. Nedávná zlepšení konstrukce umožňují mnohem rychlejší dobíjení (dosažení 90 % kapacity za 5 min), což má velký význam např. pro elektrické nářadí, vozidla s elektrickým pohonem nebo zábavní elektroniku. 

Zdokonalování nabíjecích obvodů

Vývojáře zaměstnává nejen téma doby nabíjení lithium-polymerových akumulátorů. Velkou pozornost věnují také rozvoji vhodných nabíjecích obvodů. U lithiových článků nepřichází v úvahu jednoduché udržovací nabíjení, protože přebití vede k poškození článků. To může mít nebezpečné důsledky. Je nezbytné, aby byly články na začátku nabíjeny konstantním proudem, až dosáhnou jmenovitého napětí 4,2 V. Následně se nabíjecí proud zmenší asi na 10 % původní hodnoty, ale napětí článků musí zůstat 4,2 V. Až potom může být baterie považovaná za 100% nabitou. Jako sekundární prevence je součástí mnohých nabíječek lithium-polymerových článků systém pro hlídání doby nabíjení. Znamená to, že se nabíjení ukončí po uplynutí urči­té doby (obvykle 90 min).

Výrobci se snaží vývojářům pomáhat výrobou vývojových sad, které urychlují proces vývoje. Takové sady dodává např. firma Varta Microbattery. Sada obsahuje vzorek akumulátorových baterií, nabíjecích zdrojů, desku plošných spojů s přepínači a nutné konektory. Do této skupiny patří také sady založené na populárním integrovaném obvodu BQ24014 od Texas Instruments. Jejich součástí jsou rovněž testovací kolíky, které zjednodušují měření, popř. připojení přídavného akumulátorového článku.

Doba nabíjení, kapacita a doba vybíjení jsou předmětem dalšího vývoje akumulátorů. Hnacím faktorem jsou výzkumné a vývojové práce výrobců. Herbert Schein, výkon­ný ředitel a generální ředitel společnosti Varta Microbattery, uvádí: „Zaznamenali jsme silnou poptávku po technicky vyspělých a úsporných akumulátorech. Na trhu se objevují stále výkonnější akumulátorové baterie, zvláště s možností dobíjení. Výzkumné aktivity firmy Varta Microbattery zohledňují požadavky trhu.“ Společnost Varta se na nové úkoly budoucnosti připravila otevřením nového výzkumného a vývojového centra.

Přesto jsou pro mnohé úlohy stále nejlepší tradiční akumulátory, např. olověné (kyselé). Překážkou použití lithium-iontových a lithium-polymerových baterií je omezení proudu při zatížení z důvodu nutnosti ochranného vypínání. Například olověný akumulátor hmotnosti 2,7 kg dodává startovací proud více než 300 A. Je tedy schopen nastartovat vozidlo; ovšem je tak těžký, že jej člověk těžko unese v jedné ruce. Se stovkami dodavatelů různých typů akumulátorových baterií, od malého knoflíkového článku po velké olověné akumulátorové baterie, se vždy najde to správné řešení pro každou úlohu. Bez ohledu na princip činnosti akumulátorových článků stojí každý vývojář před stejným úkolem: najít řešení, které nejlépe splňuje požadavky na velikost, napětí, proud, životnost, hmotnost, provozní teplotu, dobu nabíjení, ohleduplnost k životnímu prostředí a bezpečnost.

Vincent Bannigan, RS Components

Obr. 1. Porovnání energetické hustoty pro různé akumulátorové baterie: A – lithium-polymerový akumulátor, B – lithium-iontový, C – NiMH, D – Ni-Cd, E – olověný akumulátor (z technické příručky Varta PoLiFlex)

Obr. 2. Lithium-iontové akumulátorové baterie od Enix Energies (dodává RS Componets)