Ogniwa i pakiety litowe wyznaczają dziś kierunek miniaturyzacji urządzeń przenośnych. Pomimo to akumulatory NiMH wciąż utrzymują swoją pozycję na rynku. Czy stosowanie starszego typu źródeł energii o mniejszej gęstości mocy i niższym napięciu ogniwa ma jeszcze dziś sens? Odpowiedź znajdziesz w tym artykule.
NiMH a technologie litowe
Jak powszechnie wiadomo, ogniwa Li-Ion i Li-Po zwykle zapewniają znacznie większą gęstość energii niż NiMH: przy podobnej zgromadzonej energii są najczęściej wyraźnie lżejsze i zajmują mniej miejsca. Płaskie ogniwa litowo-polimerowe dodatkowo ułatwiają zagospodarowanie cienkich obudów, co ma znaczenie szczególnie w urządzeniach przenośnych i elektronice ubieralnej.
Pojedyncze ogniwo NiMH ma napięcie nominalne 1,2 V, czyli około 3-krotnie mniejsze niż typowe ogniwa Li-Ion i Li-Po (3,6…3,7 V). Technologia NiMH po początkowym, dość szybkim spadku napięcia pracuje na względnie płaskim odcinku charakterystyki, zakończonym gwałtownym obniżeniem napięcia. Płaski przebieg charakterystyki napięciowej NiMH sprzyja stabilności zasilania, ale utrudnia ocenę pozostałego ładunku wyłącznie przez pomiar napięcia – z tym samym problemem mierzą się zresztą konstruktorzy urządzeń zasilanych za pomocą akumulatorów na bazie litu.
Ważną zaletą technologii NiMH jest wodny elektrolit alkaliczny. Brak palnego elektrolitu organicznego, stosowanego w typowych ogniwach litowych, znacznie zmniejsza ryzyko pożaru przy uszkodzeniu. Rekombinacja tlenu pozwala też przyjmować ograniczony prąd przeładowania w dopuszczonych warunkach. Nadmierne ładowanie i zwarcie nadal grożą jednak nagrzewaniem, wzrostem ciśnienia oraz wyciekiem żrącego elektrolitu. Pomimo to małe pakiety NiMH często wymagają prostszej elektroniki ochronnej niż ich litowe odpowiedniki.
Ładowanie i aplikacje zasilania rezerwowego
Ogniwa NiMH ładuje się prądem o kontrolowanej wartości. Typowy tryb powolny to około 0,1C przez 14…16 godzin w przypadku całkowicie rozładowanego ogniwa, przy czym czas ładowania musi uwzględniać początkowy stan naładowania akumulatora. Szybsze ładowanie wymaga wykrywania końca procesu, np. przez detekcję szczytu napięcia lub niewielkiego spadku -ΔV, a także – co bardzo ważne – nadzoru temperatury i czasu. Dla porównania, akumulatory Li-Ion i Li-Po wykorzystują zwykle CC/CV: po fazie stałego prądu następuje faza stałego napięcia, najczęściej 4,2 V na ogniwo, zakończona po spadku prądu do ustalonego progu. Co ciekawe, w przypadku ogniw NiMH napięcie w rejonie pełnego naładowania nie zatrzymuje się na względnie stałej wartości, ale może… łagodnie opadać! Do ładowania NiMH nie stosuje się więc typowego dla ogniw litowych algorytmu CC/CV z ustalonym napięciem końcowym, stąd też typowe ładowarki przeznaczone do akumulatorów niklowo-wodorkowych oraz ładowarki akumulatorów litowych nie są wzajemnie kompatybilne.
Wiele ogniw NiMH dopuszcza podładowywanie małym prądem (tzw. tryb trickle charge), kompensujące samorozładowanie.
Ułatwia to utrzymywanie gotowości zasilania rezerwowego, niezbędnego np. do podtrzymania zegara czasu rzeczywistego, lecz wymaga wyraźnego dopuszczenia w karcie katalogowej konkretnego ogniwa. Niektóre scalone ładowarki NiMH realizują takie zadanie w sposób impulsowy.
Przykłady praktyczne
Poniżej zestawiliśmy cztery przykładowe modele ogniw i pakietów NiMH z oferty firmy Akyga Battery. AKY1880 jest ogniwem w rozmiarze AA, natomiast AKY0985, AKY1401 i AKY1033 to pakiety złożone z szeregowo połączonych ogniw guzikowych. Połączenie szeregowe zwiększa napięcie do 3,6 (3 ogniwa) lub 4,8 V (4 ogniwa), zachowując przy tym stałą pojemność nominalną równą 80 mAh. Poniższa tabela pokazuje również, jak silnie konstrukcja akumulatora wpływa na gęstość energii (źródło danych: katalog NiMH).
| Model | Napięcie | Pojemność | Masa | Energia* | Gęstość energii* | Ładowanie standardowe |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AKY1033 | 4,8 V | 80 mAh | 14 g | 0,384 Wh | 27,4 Wh/kg | 8 mA, 14-16 h |
| AKY1880 | 1,2 V | 2500 mAh | 29,5 g | 3,00 Wh | 101,7 Wh/kg | 250 mA, 16 h |
| AKY0985 | 3,6 V | 80 mAh | 10 g | 0,288 Wh | 28,8 Wh/kg | 8 mA, 14-16 h |
| AKY1401 | 3,6 V | 80 mAh | 10 g | 0,288 Wh | 28,8 Wh/kg | 8 mA, 14-16 h |
*Obliczenia orientacyjne: energia [Wh] = napięcie nominalne [V] × pojemność [Ah]; masowa gęstość energii [Wh/kg] = energia [Wh] / masa [kg]. Energia rzeczywiście oddana do obciążenia zależy oczywiście od warunków rozładowania. Źródła: AKY1033, AKY1880, AKY0985, AKY1401.
Współczesne zastosowania akumulatorów NiMH
Aktualne obszary zastosowań ogniw i pakietów niklowo-wodorkowych obejmują trzy ważne grupy.
Urządzenia z wymiennymi ogniwami AA/AAA: ogniwa w postaci zwykłych oraz małych „paluszków” doskonale nadają się do zasilania urządzeń o relatywnie wysokim poborze prądu, np. lamp błyskowych, latarek czy niektórych aparatów cyfrowych. Głównymi zaletami są tutaj łatwość szybkiej wymiany rozładowanych ogniw na inny zestaw, a także kompatybilność wymiarowa z (droższymi pod względem eksploatacyjnym) bateriami pierwotnymi. Zastosowanie ogniw NiMH jest możliwe, o ile urządzenie toleruje niższe napięcie względem baterii alkalicznych – przykładowo, napięcie nominalne czterech szeregowych ogniw NiMH wynosi tylko 4,8 V , czyli o 1,2 V mniej niż napięcie znamionowe czterech baterii pierwotnych (6,0 V).
Zasilanie rezerwowe: układy pamięci, zegary RTC, liczniki, alarmy czy niewielkie oświetlenie awaryjne to także dobre przykłady zastosowań ogniw i pakietów NiMH. Niektóre wyspecjalizowane serie akumulatorów niklowo-wodorkowych są dobierane pod kątem trwałości, temperatury oraz podładowywania.
Motoryzacja: dużym rynkiem docelowym dla akumulatorów NiMH jest obecnie podtrzymanie zasilania systemów eCall i alarmów. Szacuje się, że w 2032 roku rynek tych właśnie źródeł energii w systemach eCall będzie wart przeszło 89 milionów dolarów.
Podsumowanie
Akumulatory NiMH utrzymują się na rynku przede wszystkim za sprawą wysokiego poziomu bezpieczeństwa, wynikającego z chemii ogniwa. Duże znaczenie ma także łatwa obsługa (w przypadku ogniw walcowych AA czy AAA), a także przydatność do pracy w trybie podtrzymującym (zasilanie rezerwowe). Gdy priorytetem jest miniaturyzacja, znaczną przewagę mają technologie litowe. Jednak w przypadkach, gdy ważniejsze są wymienność, prostota obsługi i warunki pracy, ogniwa i pakiety NiMH nadal zasługują na uwzględnienie w projekcie urządzenia.
Sponsorem artykułu jest marka Akyga Battery
Akyga Battery to linia produktowa marki Akyga Components, oferująca praktyczne rozwiązania zasilania dla elektroniki użytkowej i przemysłowej. Baterie pierwotne oraz akumulatory Akyga projektowane są z myślą o stabilnej pracy i niezawodnym dostarczaniu energii w urządzeniach takich jak czujniki, piloty czy sprzęt przenośny. Więcej informacji można znaleźć na stronie: akygabattery.com
