Li-Pol akumulátory - proč se nejpokročilejší technologie neprosazuje

22. 6. 2011 07:00    Rubrika: Technologie    Autor: Jakub Pavlis

Lithium-Polymerové články a baterie jsou dnes nejpokročilejší prakticky používanou variantou skladování elektrické energie, přesto je na trhu používá sotva desetina výrobků. Jak tyto články fungují a jaké jsou jejich výhody a nevýhody si povíme v dnešním článku.

Přestože Li-Pol baterie mají oproti všem svým konkurentům hodně výhod a minimum nevýhod, používají se stále jen ve velmi malé míře, najdeme je jen asi v 10% prodaného relevantního zboží, proč tomu tak je? Odpověď není nijak zvlášť složitá, je to cena. Po náročném vývoji je třeba nejprve zaplatit náklady a technologii rozšířit mezi uživatele, připravit výrobní kapacity a poté získat trh. Zde lze ovšem namítnout, že první Li-Pol články jsou na trhu už od roku 1996, takže tato stádia by měly mít již za sebou. Je pravda, že relativní neúspěch je trochu záhadou, ale pokusím se ho osvětlit několika dalšími fakty.

Li-Pol články byly vyvinuty jako evoluce klasických Li-Ion akumulátorů, které jsou jen o málo starší, první z běžně dostupných se na trhu objevily jen 5 let před polymerovými, tedy v roce 1991. Je tedy zřejmé, že byly určeny jen pro nejšpičkovější produkty a proti konkurenční Li-Ion technologii byly velice drahé a ani výrobci moc na přechod na novou technologii nespěchali, byli rádi, že se jim konečně rentují starší výrobní linky.

Druhým důvodem byly po přelomu tisíciletí obrovské naděje vkládané do palivových článků, mezi investory i výrobci tedy panovaly obavy, že krátce po nákladném spuštění výroby akumulátorů s novou technologií uteče celý svět k vodě a alkoholu, což jsou hlavní předpokládané složky paliva pro palivové články.

Li-Pol článek pro použití v RC modelech

Dnes se stále Li-Pol akumulátory objevují především ve špičkových produktech jako jsou výrobky firmy Apple (iPod, iPhone, iPad, některé MacBooky), v ebook readeru Amazon Kindle, netbooku HP Mini, přehrávačích Zune nebo ultramobilních noteboocích Lenovo ThinkPad. V podstatě jediný výrobce, který ve velkém vsadil na Li-Pol baterie, je producent mobilních telefonů Sony Ericsson, který je dává i do nejlevnějších přístrojů. Důvodem neochoty je stále především cena – u notebooků je to kolem 10% celkové ceny, u netbooků více než 15% a s miniaturizací přístrojů tento poměr dále roste. Dobře si je i uvědomit, že trh s „klasickou“ spotřební elektronikou není jediným odběratelem těchto článků, velice oblíbené jsou u RC modelů, zejména letadel a vrtulníků, kde se plně využijí jejich přednosti a zapálený modelář přece na nějakou tu korunu utopenou ve svém koníčku nehledí. Pohled k polymerům obrátil i automobilový průmysl, například Audi A2 poháněné baterií Li-Pol článků drží rekord v dojezdu „bateriového“ elektromobilu – urazil 605 km (nepočítají se hybridní auta či auta se solárním pohonem, která fungují lépe v australské poušti než třeba v mlžném Londýně).

Rekordní Audi A2 – 605 km na jedno nabití

Jaké jsou hlavní výhody Li-Pol akumulátorů. Největším benefitem je jednoznačně nejvyšší hustota uchovávané energie, tedy nejmenší hmotnost a objem při stejném množství uchovávané elektřiny. Druhou výhodou pak vysoký počet nabíjecích cyklů, výrazně se liší použitím článku, ale střední hodnota se nejčastěji udává kolem 1000 cyklů před poklesem na 60% původní kapacity. Další výhody i nevýhody pak mají lithiové baterie společné, ať už jde o -Ion nebo -Pol technologii. Jsou jimi zejména resistence vůči paměťovému efektu, minimální samovybíjení, vyšší jmenovité napětí (3,6 V oproti Ni-Cd článkům s 1,2 V) při stejném objemu či kapacitě, navíc jsou výrazně lehčí, což je u mobilních zařízení velice významný ukazatel.

Nevýhodami jsou především relativní obtížnost nabíjení i vybíjení, které si vyžádaly do všech článků vkládat logické obvody (čipy), baterie stárne, tedy pomalu ztrácí kapacitu, ať už je či není používána (projevuje se zhruba po 2 a více letech), vadí jí úplné vybití, které může článek zcela zničit, stejně jako přebití a vysoké teploty, kdy hrozí výbuch nebo vznícení (slavná ostuda baterií Sony, které v několika případech vybouchli, nejméně jednou dokonce v letadle za letu, a Sony stahovalo obrovské počty baterií z přístrojů nejrůznějších výrobců. Důvodem bylo ovšem selhání řídící elektroniky).

Li-Pol článek v tabletu iPad

Jak polymerové baterie fungují? Vlastně to jsou jen vylepšené lithio-iontové akumulátory, které těží ze změny elektrolytu. Na Li-Ion akumulátorech se pracuje od 60. let minulého století, nejobvyklejším designem je uhlíková anoda (používají se buď grafitové nebo z „amorfního“ uhlíku, který má proti grafitu oslabenou krystalickou mřížku a lepší vodivé vlastnosti) a katoda z různých kovových solí. Elektrolytem je lithiová sůl v organickém rozpouštědle. Každý článek musí být v pevném a těsném pouzdře, což ovlivňuje tvar vyrobeného akumulátoru. Li-Pol články nerozpouští lithiovou sůl v „ředidle“, ale vážou ho do pevného polymerického kompozitu (obvykle v konzistenci tužšího gelu), nejčastěji na bázi oxidů polyethyenu nebo polyakrylonitrilu. Jednotlivé komponenty se pak „laminují“ na sebe, což umožňuje vytvoření téměř libovolného tvaru. Pro základní krytí článku stačí kovová fólie, ale při výkonově náročném nasazení už může být tepelná roztažnost materiálů natolik rozdílná, že hrozí roztržení, proto jsou pevné obaly stále nutné.

Napětí v Li-Pol článcích se pohybuje od 2,7 V (vybito) až po cca 4,23 V (nabito) při poklesu pod 2,5 V dochází k degradaci článku, obvykle zcela ztratí své schopnosti. Při přebití nad tuto hranici se prudce snižuje životnost, článek se zahřívá a při přílišné teplotě může v krajním případě dojít i ke vznícení či výbuchu.

Na závěr si ještě napíšeme několik základních rad, jak Li-Pol (a principiálně i Li-Ion) baterie používat:

Články se před použití neformují (nenechte se splésti termínem, formátování opravdu patří jen k disketám a pevným diskům), nesmí se tedy několikrát plně nabít a zcela vybít, to je vhodné pouze pro Ni-Cd a Ni-MH akumulátory, lépe je nechat je ještě před prvním použitím dobít.

Články nikdy nenecháváme zcela vybít, pro nejdelší životnost je vhodné je dobíjet často, nejlépe pokud mají ještě kolem 40% kapacity. Nemají paměťový efekt, nijak je tím tedy neničíte (na rozdíl od Ni-Cd a Ni-MH akumulátorů).

Články nevystavujte vysokým teplotám, zejména u notebooků věnujte pozornost nastavení chlazení – často používaný silent mód nebo notebook uložený v peřinách může znamenat výrazné (a zbytečné) snížení životnosti článku. Při velikých teplotách (např. na okně auta v parném létě) může článek v krajním případě vzplanout či vybuchnout.

Počítejte, že za nízkých teplot (obecně pod bodem mrazu) článek ztrácí až 50% své kapacity a časté vystavování těmto teplotám výrazně zkracuje počet pracovních cyklů.