Baterijos ir akumuliatoriai yra plačiai naudojami beveik visose gyvenimo srityse - nuo labai specializuotų pramoninių ir laboratorinių taikymų iki kasdienio naudojimo daiktų, pramogų ir švietimo. Elementai naudojami gyvybę gelbstinčioje įrangoje, specializuotose mašinose, RTV ir buitinėje technikoje, taip pat vis labiau populiarėjančiame daiktų internete (IoT) ar vaikų žaisluose. Tiek baterijos, tiek akumuliatoriai priklauso elektros energijos šaltiniams, apimantiems galvaninius elementus, tai yra tokius, kurie cheminę energiją paverčia elektros energija cheminės reakcijos metu.
Baterijos (pirminiai elementai) yra vienkartinės, tai reiškia, kad išsekus energijai jos negali būti pakartotinai įkraunamos. Dėl specifikos baterijos naudojamos įrenginiuose, kuriems reikia mažai energijos, o akumuliatoriai rekomenduojami naudoti įrenginiuose, kuriems reikia daugiau elektros energijos. Baterijų kaina paprastai yra mažesnė, tačiau dėl pakartotinio įkrovimo, ilgalaikėje eksploatacijoje akumuliatoriai pasirodo esantys pigesni naudoti.
Šis darbas atliekamas norint sužinoti kur ir kam praktikoje naudojami galvaniniai elementai ir akumuliatoriai, į kokias grupes jie skirstomi. Galvaniniai elementai ir akumuliatoriai yra plačiai naudojami mūsų kasdieniniame gyvenime, t. y. be jų neišsiverstume nei dienos. Kiekvienas turi savo paskirtį: vieni naudojami automobiliuose, kiti gaminant šilumą, treti paskirstant vandenį ir panašiai. Taigi, apibendrinant visa tai, mums net tik palengvina, bet ir pagelbsti kasdieniniame gyvenime.
Istorinė apžvalga
Baterijų istorija siekia 1800 metus, kai Alessandro Volta sukūrė įrenginį, galintį paversti cheminę energiją į elektros energiją, vėliau pavadintą Voltos stulpu arba Voltos elementu. Elementą sudarė pakaitomis išdėstyti cinko ir vario diskai, atskirti druskos tirpalu (vandens druskos tirpalu) sudrėkinta kartono gabalėliais. Cheminės reakcijos tarp metalų ir elektrolito generavo įtampą, leidžiančią tekėti elektros srovei.
Kiti ankstyvieji elementai buvo Daniell ir Leclanché elementai - pastarasis tapo pagrindu vėlesnėms sausosioms baterijoms, įskaitant populiarias cinko-anglies baterijas.
Baterijų (pirminių elementų) tipai ir jų taikymas
Pirmosios šiuolaikinės baterijos buvo jau minėtos, vis dar rinkoje esančios, cinko-anglies baterijos, pagamintos Leclanché elemento pagrindu. Šios baterijos rodo gerą našumą įrenginiuose, kuriems reikia mažai srovės, tačiau jų našumas žymiai sumažėja, kai srovės poreikis viršija 100mA. Katodas yra anglies strypas, padengtas mangano dioksidu, anodas - cinkas, o elektrolitas - amonio chlorido arba cinko chlorido vandens tirpalas. Baterijos pasižymi nominalia 1,5V įtampa ir teorine energijos tankiu, siekiančiu 40-70Wh/kg. Jos gali veikti nuo -10°C iki +50°C temperatūroje, o jų laikymo laikas yra apie 2 metus. Jos yra pigios gaminti, todėl jų kaina yra maža.
Šarminės baterijos, išrastos XX a. 50-aisiais Kanados chemiko Lewiso Urry'io dėka, turi katodą iš mangano dioksido (MnO2) miltelių ir anodą iš cinko oksido. Elektrolitas yra kalio hidroksido (KOH) vandens tirpalas. Nominali elementų įtampa yra 1,5V. Dėl didesnės talpos, ilgesnio tarnavimo laiko ir platesnio temperatūros diapazono (-30°C iki +70°C), šarminės baterijos šiuo metu plačiai naudojamos, ypač įrenginiuose, kuriems reikia vidutinės srovės (100-300mA). Teorinis šių baterijų energijos tankis yra 80-100Wh/kg, laikymo laikas yra apie 5-7 metus, o elektrolito išsiliejimas po visiško iškrovimo pasitaiko labai retai.
Sidabrinės baterijos (dar vadinamos sidabro oksido arba sidabro-cinko), išrastos XIX a. pabaigoje, pradėtos masiškai gaminti XX a. 60-aisiais. Jų katodas pagamintas iš sidabro oksido, o anodas iš cinko, su kalio hidroksido tirpalu kaip elektrolitu. Nominali įtampa yra 1,55V. Teorinis energijos tankis yra 130-150Wh/kg, kas suteikia sidabrinėms baterijoms labai aukštą talpos ir masės santykį. Jos idealiai tinka taikymams, kuriems reikia pastovios įtampos, todėl naudojamos įrenginiuose, jautriuose įtampos svyravimams (elektronika).
Ličio-mangano baterijos turi anodą iš ličio, o katodą iš mangano dioksido miltelių. Jose naudojamas organinis elektrolitas. Elektros energija susidaro ličio oksidacijos reakcijos metu, tuo tarpu nesusidaro jokios dujos, kas pašalina slėgio padidėjimą elemente. Baterijos atsparios dideliems temperatūros svyravimams ir turi nominalią 3,0V įtampą. Jos pasižymi labai dideliu energijos tankiu, siekiančiu 270Wh/kg, kas leidžia sumažinti svorį ir/ar padidinti nešiojamų įrenginių maitinimo šaltinių talpą.
Cinko-oro baterijos buvo išrastos XIX a., tačiau plonos ir efektyvios versijos pradėtos gaminti tik XX a. 70-aisiais. Katodas yra deguonis, anodas - cinko milteliai, o elektrolitas - kalio hidroksidas (KOH). Baterijos veikia dėl katalizinės cinko oksidacijos reakcijos, tuo tarpu deguonis imamas iš oro. Nominali elementų įtampa yra 1,4V. Dėl tradicinio katodo pašalinimo, cinko miltelių anodas gali užimti daugiau vietos, todėl cinko-oro baterijos pasižymi labai dideliu energijos tankiu vienam masės vienetui, teoriškai siekiančiu 180-250Wh/kg.
Baterijų taikymo sritys
- Cinko-anglies ir šarminės baterijos naudojamos daugumoje tipinių namų ir kasdienio gyvenimo taikymų.
- Sidabrinės ir ličio-mangano baterijos naudojamos smulkiai vartotojų elektronikai (skaičiuotuvai, termometrai, laikrodžiai), matavimo prietaisams ar perdavimo įrenginiams maitinti.
Akumuliatorių tipai ir jų priežiūra
Šiuo metu, ypač Europos Sąjungoje, siekiama kuo labiau pakeisti baterijas akumuliatoriais. Tai lemia aplinkos apsaugos sumetimai. Li-ion akumuliatorius pasižymi dideliu energijos tankiu, ilgu ciklo gyvenimu, mažu svoriu ir nėra atminties efekto. Kita vertus, jie yra jautrūs per dideliam įkrovimui ir perkaitimui bei reikalauja elektroninių apsaugų. Ličio-polimerų akumuliatoriai yra lengvi, juos galima formuoti bet kokia forma (lengvai priima įvairias formas), pasižymi dideliu energijos tankiu, tačiau taip pat turi trumpesnį ciklo gyvenimą ir yra brangesni nei Li-ion akumuliatoriai.
Akumuliatorių tarnavimo laiko sutrumpinimo priežastys
Kiekvienas akumuliatorius turi ribotą įkrovimo ir iškrovimo ciklų skaičių. Per kiekvieną ciklą cheminės reakcijos akumuliatoriaus viduje sukelia laipsnišką jo talpos mažėjimą. Šis reiškinys vadinamas cikliniu senėjimu. Jo negalima žymiai sumažinti, tačiau vengiant klaidų galima išvengti per didelio antrinių elementų tarnavimo laiko sutrumpėjimo.
- Per didelis įkrovimas - įvyksta, kai akumuliatorius įkraunamas pasiekus pilną talpą. Tai gali sukelti perkaitimą, elektrolito ir elektrodų medžiagų degradaciją, kas galiausiai sutrumpina akumuliatoriaus tarnavimo laiką.
- Gilus iškrovimas, ypač ličio-jonų akumuliatoriuose, gali sukelti nuolatinius elementų pažeidimus, mažinant jų gebėjimą saugoti energiją.
- Aukšta darbo temperatūra pagreitina chemines reakcijas elementų viduje, kas lemia greitesnį medžiagų senėjimą.
- Greitas įkrovimas ir iškrovimas padidina mechaninį ir terminį elektrodų stresą, kas pagreitina jų degradaciją.
- Reguliaraus įkrovimo trūkumas - akumuliatoriai, kurie nėra reguliariai įkraunami, gali savaime išsikrauti, kas lemia jų degradaciją.
Per didelis akumuliatoriaus įkrovimas sutrumpina jo tarnavimo laiką. Kita vertus, reguliarus nepakankamas įkrovimas gali sukelti įvairias problemas, priklausomai nuo akumuliatoriaus tipo. Tai sukelia, pvz., talpos sumažėjimą, akumuliatoriaus tarnavimo laiko sutrumpėjimą, sulfatinimą (švino-rūgštinių akumuliatorių atveju) ir įrenginių veikimo problemas.
Akumuliatoriaus būklės įvertinimas
Kaip vis dėlto nustatyti, ar akumuliatorius yra visiškai įkrautas? Vienas iš būdų, tinkamas tiek švino-rūgštiniams, nikelio-kadmio, nikelio-metalo hidrido, ličio-jonų, tiek ličio-polimerų akumuliatoriams, yra įtampos matavimas. Žinoma, kasdien naudojant akumuliatorius, nenaudojame matuoklių. Daugumos įrenginių atveju naudojame specialią įkroviklį, kuris nurodo pilną akumuliatoriaus įkrovimą, tuo pačiu automatiškai nutraukdamas įkrovimą, neleidžiant per dideliam įkrovimui.
Nors kasdien naudojant pilnam įkrovimui nustatyti tiesiog naudojame įkroviklius, tačiau verta žinoti, kad įtampos matavimas leidžia ne tik nustatyti akumuliatoriaus įkrovimo lygį, bet ir jo talpą. Norint atlikti akumuliatoriaus (baterijos) talpos matavimus, pakanka multimetro, kurį reikia nustatyti nuolatinės srovės įtampos (DC) matavimui. Kitas žingsnis yra prijungti zondus - juodą prie COM lizdo (masė, neigiamas), o raudoną prie V lizdo (įtampa, teigiamas). Tada juodo zondo galą reikia uždėti ant neigiamo akumuliatoriaus poliaus, o raudono - ant teigiamo. Multimetro ekrane turėtų pasirodyti įtampos vertė. Dabar reikia interpretuoti rezultatą. Atliekant tyrimą reikia žinoti, kad įtampos matavimas be apkrovos (t. y. neprijungus baterijos prie įrenginio) ne visada gali suteikti pilną baterijos būklės vaizdą. Kai kurios baterijos šioje situacijoje rodo teisingą įtampą, kuri vis dėlto apkrovos metu labai greitai krenta. Profesionaliuose matavimuose naudojami specialūs testeriai, kurie apkrauna bateriją matavimo metu.
Net jei tinkamai rūpinamės akumuliatoriumi, įkraudami jį pagal priimtas taisykles ir laikydami optimaliomis temperatūromis sausoje vietoje, kiekvienas elementas laikui bėgant degraduoja. Kas gali rodyti, kad reikia pakeisti akumuliatorių? Vienas iš nerimą keliančių simptomų yra vadinamasis baterijos išsipūtimas, rodantis dujų kaupimąsi elemento viduje. Pakeisti gali reikėti ir akumuliatorių, kuris išoriškai atrodo gerai, tačiau įtampos matavimas aiškiai rodo, kad elementų talpa sumažėjo tiek, kad jie netinkami tolesniam darbui. Tada reikia utilizuoti elementus.
Galvaninių elementų ir akumuliatorių atliekų tvarkymas
Dėl savo pobūdžio baterijos ir akumuliatoriai turi būti laikomi tam tikromis sąlygomis, o jų būklė reguliariai stebima - pažeidimai ar atsitiktinis elementų susilietimas gali sukelti daug pavojingų situacijų, įskaitant užsidegimą ir sprogimą.
2030 metais Lietuvoje pagal Europos Sąjungos reikalavimus turės būti surenkama ir sutvarkoma mažiausiai 70 proc. į mūsų šalies rinką patenkančių galvaninių elementų atliekų. Šiuo metu šis skaičius siekia 46 proc., o tai yra vos procentu daugiau, nei reikalauja teisės aktai. Skeptikus tokios prognozės neramina - baiminamasi, kad be naujos galvaninių elementų surinkimo sistemos įdiegimo, per dešimtmetį pasiekti ambicingus šių pavojingųjų atliekų tvarkymo tikslus gali būti sudėtinga užduotis.
„Šiuo metu esanti galvaninių elementų surinkimo sistema puikiai veikia, svarbu tik tinkamai ją išnaudoti. Kad dabartinė galvaninių elementų surinkimo sistema yra veikianti pagrindžia ir „Žalvario“ užsakymu atliktas „Spinter“ visuomenės nuomonės tyrimas, kuriuo buvo siekta išsiaiškinti dabartinės sistemos infrastruktūros efektyvumą bei gyventojų įpročius ja naudotis. Tyrimo metu buvo klausiama, kaip gyventojai įprastai atsikrato panaudotų galvaninių elementų ir senų baterijų. Rezultatai parodė, kad net 80 proc. apklaustųjų žino, kaip reikia tinkamai išmesti tokias atliekas ir sistema sėkmingai naudojasi. Ir tik mažiau nei penktadalis gyventojų (17 proc.) elementus vis dar meta į buitinių atliekų konteinerius. „Net 59 proc. apklaustųjų įvardijo, kad galvaninius elementus išmeta prekybos centruose esančiose atliekų surinkimo vietose, kiti tokias atliekas išmeta į specialias daugiabučiuose esančias galvaninių elementų surinkimo dėžutes (7 proc.), dalis gyventojų tokias dėžutes turi savo namuose (7 proc.), kurias pripildę patys pristato atliekų tvarkytojui. Galvaninius elementus gyventojai taip pat palieka degalinėse esančiose jų surinkimo vietose (6 proc.)“, - sako V. Elementus ir senas baterijas išmetančios prekybos centruose esančiose tokių atliekų surinkimo vietose dažniau įvardijo moterys, 36 metų ir vyresnio amžiaus respondentai, aukščiausio išsimokslinimo grupės atstovai. Išmetantys į buitinių atliekų konteinerį dažniau įvardijo kaimo vietovių gyventojai.
Pasak „Žalvaris“ direktoriaus, tyrimas tik patvirtina, kad reikia investuoti ne į baterijų ir elementų atliekų tvarkymo sistemos keitimą, o į aktyvesnį visuomenės švietimą, juolab, kad patys gyventojai visuomenės edukaciją ir skatinimą saugoti aplinką priskiria prie svarbiausių aplinkosaugos iniciatyvų - taip mano 44 proc. apklaustųjų. Šiuo metu galvaninių elementų surinkime dalyvauja atliekų tvarkytojai ir asociacijos, per kurias gamintojai ir importuotojai finansuoja importuojamų ir į vidaus rinką patenkančių galvaninių elementų surinkimą bei sutvarkymą. Atliekų tvarkytojai, surinkę ir sutvarkę galvaninius elementus, apie šį sutvarkymą importuotojams turi pateikti įrodančius dokumentus. Pasak V. Sapožnikovo, į Lietuvos rinką patenka palyginti nedideli galvaninių elementų ir baterijų kiekiai - tokių atliekų per metus susidaro apie 500-600 tonų, o apie 60 proc. „Mes nuolat investuojame į galvaninių elementų surinkimą: visoje Lietuvoje gyventojams ir verslo subjektams nemokamai suteikiame galvaninių elementų surinkimo dėžutes, kurių šiuo metu įvairiuose šalies miestuose ir rajonuose yra maždaug 14 tūkstančių. Iš jų apie 10 tūkst. naudojama daugiabučiuose, 1,3 tūkst. - parduotuvėse ir prekybos centruose, 2,4 tūkst. - biuruose ir komercinėse patalpose, apie 300 degalinėse ir 100 - švietimo įstaigose“, - komentuoja pašnekovas. „Dabartinės sistemos pajėgumai yra ženkliai didesni nei keliamos galvaninių elementų sutvarkymo užduotys. Turėdami jau veikiančią sistemą nesunkiai galime užtikrinti dar didesnį šios infrastruktūros prieinamumą gyventojams, plečiantis į mažesnius miestelius - jų daugiabučiams, švietimo įstaigoms pasiūlant įrengti galvaninių elementų surinkimo dėžutės. Investuoti į perdirbimo gamyklą ar, juo labiau, kurti naują šių atliekų surinkimo sistemą - tiesiog neapsimoka, esama rinka yra akivaizdžiai per maža“, - įsitikinęs V. Pasak jo, naujai kuriama tokių pavojingųjų atliekų surinkimo ir perdirbimo sistema pareikalautų milijoninių investicijų, o perdirbami elementų kiekiai jų neatpirktų praėjus ir keliems dešimtmečiams. „Keli šimtai tonų atliekų per metus - per maži skaičiai. Norint, kad sistema veiktų, tektų rinkti ir perdirbti gerokai didesnius kiekius, tačiau Lietuvoje jų neturime.
Įvadas į galvaninius ir voltinius elementus
tags: #galvaniniu #elementu #ir #akumuliatoriu #taikymas #praktikoje