Baterije - tehnologija i održavanje

Autor: Željko Harjač

Uz vaš mobilni aparat dobili ste bateriju i "punjač". Zašto punjač pod navodnicima? Zato što je taj uređaj, kojeg svi zovemo punjačom, zapravo tek mrežni ispravljač, tj. uređaj koji 220V izmjeničnog mrežnog napona smanjuje na nižu razinu i pretvara ga u istosmjerni. Elektronika koja se brine o pravilnom punjenju baterije gotovo uvijek se nalazi unutar telefona.

BaterijaBaterije za mobilne telefone dolaze u različitim vrstama, oblicima i izvedbama. Postoje baterije koje ujedno imaju i ulogu dijela kućišta mobitela, dok se neke postavljaju ispod zasebnog poklopca. Neke su pak fiksno ugrađene u telefon i nisu predviđene za radoznale oči. Neke pak baterije nude i dodatnu funkcionalnost koja nema previše veze s pohranjivanjem i davanjem električne energije, npr. imaju ugrađenu vibracijsku dojavu poziva. Što se tiče vrste, vaša baterija vjerojatno je NiMH, Li-Ion ili Li-Poly. Ako ne znate koju vrstu bateriju posjedujete, ugasite mobitel te odvojite bateriju (ukoliko je to moguće) te pročitajte podatke s naljepnice. Tamo ćete zasigurno naći i podatak o vrsti baterije. I što sad? Strpite se, za trenutak ćemo objasniti koje su osnovne značajke svake spomenute vrste.

Primijetit ćete da baterija vjerojatno ima više od dva metalna kontakta kojima se spaja s mobitelom. Naravno da su za osnovnu funkciju baterije dovoljni + i - priključci, no suvremene baterije ne staju na tome. Dodatni kontakti omogućuju mobitelu i punjaču da očitaju razne parametre o bateriji, poput vrste baterije i njene temperature - dva parametra vrlo važna za ispravno punjenje. Već sada polako naziremo da su baterije malo kompliciranije sprave nego što se to čini na prvi pogled.

Prije nego počnemo razmatrati pojedine vrste baterija, upoznajmo se s nekim osnovnim pojmovima koje ćemo susretati:

Kapacitet
mjera za količinu električne energije koju baterija može pohraniti prilikom punjenja, te koju može dati tijekom pražnjenja. Uobičajena mjerna jedinica je mAh (miliampersat). Iako stvari baš nisu tako jednostavne, može se reći da kapacitet od 600 mAh znači da baterija sat vremena može davati struju od 600 mA. Pogađate, baterija koja tijekom dva sata može davati struju od 300 mA ima također kapacitet od 600 mAh.
Gustoća energije
omjer sadržane električne energije i mase baterije, obično se navodi u Wh/kg (vatsati po kilogramu). Veća gustoća energije znači lakšu bateriju uz isti kapacitet i nazivni napon.
Ciklus
pod ciklusom podrazumijevamo jedno pražnjenje i jedno punjenje baterije. Obično se podrazumijeva da se baterija uvijek puni do kraja, a prema tome koliko se baterija isprazni razlikujemo plitke i duboke cikluse.
Životni vijek
broj ciklusa nakon kojeg kapacitet baterije nepovratno padne ispod 80% početnog kapaciteta. Također, pod životnim vijekom može se smatrati i vrijeme (npr. broj godina) nakon kojeg dolazi do osjetnog pogoršanja performansi baterije.
Održavanje baterije
periodičko pražnjenje baterije do donje granice nakon kojeg slijedi ponovno punjenje do punog kapaciteta, a sve u cilju eliminacije ili smanjivanja izgubljenog kapaciteta kao posljedice kristalizacije ili memorijskog efekta.

Pogled iznutra

BaterijeKad bismo otvorili kućište baterije za mobilni telefon, unutra bismo našli jednu ili više baterijskih ćelija te vjerojatno nekoliko elektroničkih elemenata. Uočimo razliku između baterije i ćelije. Ćelija je osnovna baterijska jedinica i odlikuje se svojim nazivnim naponom i kapacitetom. Spajanjem ćelija u seriju dobivamo bateriju čiji je napon jednak zbroju napona pojedinih ćelija, dok je ukupni kapacitet nepromijenjen i jednak je kapacitetu jedne ćelije. Spajanjem ćelija u paralelni spoj povećat ćemo ukupni kapacitet uz zadržavanje napona. Pogledajmo sada osnovne razlike u građi pojedinih vrsta punjivih baterija.

Kao prvu vrstu spomenut ćemo NiCd (nikal-kadmij) bateriju, iako je nećete naći na vašem mobilnom telefonu. Spomen je zaslužila zato jer je udarila temelj današnjem poimanju punjivih baterija, a postavila je i dobru tehnološku osnovu za razvoj novijih vrsta. NiCd baterija predstavlja prvu široko prihvaćenu punjivu bateriju opće namjene. Unatoč tome što nudi nisku gustoću energije, a i kemijski sastav joj je daleko od ekološki prihvatljivog (toksični kadmij), veliki životni vijek (čak i do 1500 ciklusa) i dobro podnošenje većih struja pražnjenja čini je i danas vrlo pogodnom za određene primjene (kućanski uređaji i alati, prijenosne radio-stanice, medicinska oprema, profesionalne video- kamere). Njenu prikladnost za široke mase umanjuje činjenica da s ovom baterijom treba znati ispravno postupati, zbog vrlo izraženog problema kristalizacije.

Sljedeća generacija baterija, NiMH (nikal-metal-hidrid), donijela je mnoga poboljšanja, ali i neke probleme. Osnovni napredak je u tome što je toksični kadmij zamijenjen hidridom (spojem metala i vodika) netoksičnog metala. Ovaj ekološki znatno prihvatljiviji kemijski sastav donio je i znatno veću (do 50%) gustoću energije od NiCd baterija. NiMH baterije se odlikuju i znatno smanjenom kristalizacijom, pa su stoga osjetno manje zahtjevne za svakodnevnog korisnika jer traže tek minimalno održavanje. Osnovni nedostatak im je oko dva puta kraći životni vijek, no ne brinite previše - NiMH bateriju ćete napuniti i isprazniti barem 300-500 puta prije nego primijetite pad kapaciteta. Potencijalni nedostatak je i vrlo izraženo samopražnjenje: već 24 sata nakon punjenja baterija će izgubiti oko 10% svog kapaciteta, a nakon toga samopražnjenje polako pada i smanjuje se na 10% mjesečno. Ni zbog ovoga ne trebate brinuti jer ćete napunjenu bateriju vjerojatno iskoristiti unutar nekoliko dana.

Litij-ionska baterija (Li-Ion) predstavlja veći korak u evoluciji punjivih baterija. Budući da kao osnovnu aktivnu tvar koristi litij, jedan od najlakših metala, ova vrsta baterije odlikuje se vrlo malom masom. Jedna od najvećih prednosti joj je vrlo velika gustoća energije, čak dvostruko veća od tipične NiMH baterije, a odlikuje je i tri puta veći nazivni napon od niklenih baterija (3.6V u odnosu na 1.2V). Velika prednost joj je i u tome što, za razliku od baterija na bazi nikla, Li-Ion baterija ne zahtijeva apsolutno nikakvo održavanje jer ne pati ni od memorijskog ni od kristalizacijskog efekta. Dakle, moguće ju je puniti bilo kada i nema potrebe za periodičkom pražnjenjem. Li-Ion baterija je, sama po sebi, izuzetno osjetljiva na prepunjavanje i pretjerano pražnjenje, no za to se, umjesto korisnika, brine elektronika koja je ugrađena u svaku komercijalnu Li-Ion bateriju. Iako nije pogodna za pražnjenje jakom strujom, pokazala se kao izvrsno rješenje za mobilne telefone. Njen relativno dug životni vijek (500-1000 ciklusa) može biti skraćen starenjem baterije i bez njene upotrebe, što je znatno naglašenije nego kod baterija na bazi nikla.

Sljedeći korak u razvoju baterija na bazi litija predstavlja Li-Poly (litij-polimer) baterija. Ova vrsta vrlo je slična Li-Ion bateriji, s kojom dijeli i većinu značajki. Elektrolit baziran na polimeru omogućuje joj osobinu koja je gotovo nezamisliva kod ostalih navedenih vrsta. Radi se o mogućnosti gotovo potpuno proizvoljnog oblikovanja baterije, čak i u vrlo tanke oblike. Ne treba mnogo mašte da se uvide mogućnosti ove tehnologije u trendu smanjivanja mobilnih aparata. Nedostaci u odnosu na stariju sestru su prije svega kraći životni vijek (približno jednak NiMH bateriji), te veća osjetljivost na niske temperature.

Ovime smo završili pregled značajki današnjih punjivih baterija za mobilne uređaje. Razmotrit ćemo još dvije zanimljive baterijske tehnologije koje nemaju previše dodirnih točaka s dosad navedenom skupinom.

Spomenimo prvo tehnologiju koja je tek u posljednje vrijeme postala dostupna korisnicima mobilnih telefona. Radi se o Zn-Air (cink-zrak) bateriji. Iako ova baterija ne spada u punjive, pokazala se kao vrlo korisnom u funkciji rezervne baterije ili baterije za hitne slučajeve. Ova baterija isporučuje se hermetički zapakirana i specifičnog je izgleda. Kao što joj ime govori, stvaranje električne energije u ovoj bateriji se zasniva na reakciji cinka i zraka, tj. kisika. Kako bi kisik imao pristup do cinčanih elektroda u unutrašnjosti baterije, kućište baterije probušeno je mnoštvom malih otvora. Kada se hermetičko pakiranje jednom otvori, kisik u dodiru s cinčanim elektrodama proizvodi električnu energiju i baterija se postupno prazni, koristili je mi ili ne. Kapacitet ovih baterija obično je više nego tri puta veći od prosječnih Li-Ion ili NiMH baterija, što znači da ćete ovu bateriju tipično moći koristiti preko dva tjedna - na žalost, samo jednom. Kada prestane davati napon, Zn-Air bateriji preostaje samo recikliranje. Kao zanimljivost spomenimo da su ove baterije komercijalno dostupne i u obliku punjača, tj. priključuju se na mobitel umjesto mrežnog ispravljača.

Pregled vrsta baterija završit ćemo tehnologijom za koju se očekuje da bi u skorijoj budućnosti mogla naći primjenu i kod mobilnih telefona. Gorive ćelije (eng. fuel cell) mogle bi doista biti prekretnica u općem poimanju električne energije, ne samo na području mobilne telefonije. Princip na kojem se teoretski zasnivaju iznimno je jednostavan, a temelji se na procesu suprotnom elektrolizi vode. Elektroliza vode je razlaganje vode na vodik i kisik provođenjem električne energije kroz nju. Ideja je obrnuti ovaj postupak te iz vodika i kisika dobiti vodu i električnu energiju. Ovaj ekološki savršen postupak izgleda vrlo jednostavno u teoriji, no praksa pokazuje da je ovaj proces u praksi znatno teže izvesti. Naravno, ovdje ne govorimo o oksidaciji vodika sagorijevanjem, već kontroliranim procesom uz pomoć katalizatora (tvari koja taj proces potiče). Postoje mnoge varijante gorive ćelije, od onih koje rade na elementarni vodik i kisik, do onih koje vodik dobivaju indirektno. Za mobilnu elektroniku zanimljive su gorive ćelije koje kao gorivo troše metanol. Umjesto da mobitel priključimo na punjač, gorivoj ćeliji bit će dovoljno doliti malo metanola i aparat će raditi tjednima. Za sada je ovo moguće tek u laboratorijskim uvjetima, dok će za komercijalnu upotrebu biti potrebno riješiti niz problema, a prvenstveno efikasnost, dimenzije i cijenu.

Život baterije

BaterijeVelika većina novih ili duže nekorištenih baterija zahtijeva uhodavanje ili formiranje. Pod time se podrazumijeva nekoliko uzastopnih i potpunih ciklusa punjenja i pražnjenja baterije. Većina novih baterija postići će svoj puni kapacitet tek nakon 2-3 ciklusa, a ponekad ih je potrebno i više. Tijekom uhodavanja preporučljivo je bateriju puniti do kraja, i to bez prekida. Proizvođači obično naglase da prvo punjenje treba neprekidno trajati oko 14 sati (varira od proizvođača do proizvođača), unatoč tome što će mobitel punjenje proglasiti završenim. Većina punjača će nakon završenog punjenja bateriju održavati punom pomoću tzv. trickle-charge (u slobodnom prijevodu: punjenjem na kapaljku). Ovo je redovita praksa kod punjenja NiMH baterija budući da imaju veliko samopražnjenje, dok Li-Ion i Li- Poly baterije ovaj tretman ne trebaju.

Vjerojatno se čuli za nešto što se zove memorijski efekt. Recimo to odmah na početku - baterija vašeg mobilnog telefona od toga zasigurno ne pati. Memorijski efekt je fenomen koji se, u mjerljivom iznosu, javlja isključivo kod starijih generacija NiCd baterija. Uočen je kod baterija na jednom satelitu, a pojavio se iz jednog vrlo specifičnog razloga. U orbiti oko Zemlje, kako su solarni paneli satelita ulazili i izlazili iz njene sjene, baterija je uzastopno prolazila kroz potpuno jednake razine pražnjenja i punjenja. Iako se baterija u Zemljinoj sjeni nije uopće znatno praznila, nakon većeg broja ciklusa primijećen je znatan pad kapaciteta. Na kraju, kapacitet baterije smanjio se upravo na razinu do koje se baterija praznila prilikom svakog ciklusa, kao da baterija pamti razinu do koje se prazni. Otuda i ime - memorijski efekt. Rješenje ovog problema bilo je u povremenom punom ciklusu pražnjenja i punjenja, tj. bateriju je bilo potrebno nekoliko puta uzastopce potpuno isprazniti i napuniti, a taj postupak održavanja trebao se ponoviti svakih mjesec dana. Za sve današnje NiCd i sve NiMH baterije može se reći da nemaju mjerljivi memorijski efekt, a Li-Ion i Li-Poly uopće ne pate od tog fenomena. Za paranoične: čak i kada bismo u mobitelu imali stariju vrstu NiCd baterije, normalnom uporabom bilo bi gotovo nemoguće u bateriji izazvati memorijski efekt. Razlog tome je što bateriju gotovo nikad ne praznimo do potpuno iste razine.

No, danas se pod memorijskim efektom često spominje jedan drugačiji fenomen. Radi se o kristalizaciji unutar baterije. U NiCd bateriji kadmij je prisutan u obliku sićušnih kristala. U određenim uvjetima ti kristali se mogu povezati i narasti u veće kristale, čime im se smanjuje korisna površina, pa dolazi do pada napona i kapaciteta baterije. Nikal je također podložan kristalizaciji. U ekstremnom slučaju, kristali mogu narasti u dendrite, dugačke lance koji mogu kratko spojiti + i - pol baterije, uzrokujući visoko samopražnjenje, kratki spoj i prividnu "smrt" baterije. NiCd baterija je podložnija kristalizaciji od NiMH jer kod nje kristalizaciji doprinose i nikal i kadmij.

Kako onda otkloniti pad kapaciteta nastao kristalizacijom? Vrlo jednostavno: NiCd bateriju je potrebno jednom mjesečno isprazniti do kraja (do točke gašenja mobitela), pa je zatim napuniti do vrha, dok je za NiMH ovaj postupak dovoljno prakticirati svaka dva do tri mjeseca. Li-Ion i Li-Poly baterije ne boluju od memorijskog efekta, a ne pate ni od problema kristalizacije, pa njima nije potreban nikakav postupak održavanja. Upozorenje: ne pokušavajte bateriju nasilno prazniti ispod granice gašenja mobitela. Većina baterija ima donju granicu napona ispod koje se ne smije prazniti.

Spomenimo i utjecaj načina punjenja na bateriju. Razlikujemo sporo i brzo punjenje. Razlika između sporog i brzog punjenja je jednostavna: sporo punjenje puni bateriju malom strujom pa za to treba više vremena, dok brzo punjenje traje znatno kraće ali koristi veću struju. Dok se pod sporim punjenjem podrazumijeva punjenje koje traje 10-20 sati, brzim punjenjem baterija se može napuniti već za sat vremena. Iako jače zagrijavanje baterije prilikom brzog punjenja može negativno utjecati na njen životni vijek, brzim punjenjem razbija se kristalizacija unutar baterije. Dodamo li tome i praktičnost kraćeg trajanja punjenja, vidimo da brzo punjenje ima više prednosti. Jedini uvjet je da je brzi punjač dovoljno inteligentan, tj. da zna prepoznati kada je baterija puna. NiMH i osobito Li-Ion baterije su vrlo osjetljive na prepunjavanje i izuzetno je važan pravi trenutak završetka punjenja. Ne brinite - elektronika za punjenje u vašem telefonu dovoljno je pametna za taj zadatak. Baterija se neće oštetiti ako ostane i danima priključena na takav inteligentni punjač. Današnji mobilni telefoni redovito sadrže inteligentne brze punjače.

Održavanje

Dok će veći dio korisnika puniti i prazniti bateriju ne opterećujući se previše problemom kristalizacije, neki će, gotovo fanatično, paziti da bateriju uvijek prazne do kraja, pa zbog toga uz mobitel uvijek sa sobom nose i punjač. Iako ni potpuni nemar nije pohvalan, pretjerana "briga" može donijeti više štete nego koristi. Štoviše, nepotrebno pražnjenje baterije samo nepotrebno skraćuje njen životni vijek. Pokazalo se da duboki ciklusi brže skraćuju životni vijek baterije od plićih, osobito kod NiCd i NiMH baterija. Baterija koja se ne prazni redovito "do kraja" dat će tijekom svog života više električne energije. Dodatna opasnost u dubokom pražnjenju baterije je u tome što baterije imaju specificiranu donju granicu napona. Ako se baterija isprazni ispod te granice, mogući su razni problemi. Može doći do trajnog gubitka dijela kapaciteta, punjač može odbiti punjenje, a u slučaju da se baterija sastoji od više serijski povezanih ćelija, može doći i do okretanja polariteta na jednom od članaka uslijed nejednolike napunjenosti. Ekstrem je Li-Ion baterija koje se na taj način može nepovratno izgubiti, jer njeno punjenje nakon predubokog pražnjenja postaje opasno, pa i nemoguće.

Najjednostavnije je pridržavati se sljedeće rutine: ako navečer procijenite da baterija neće izdržati cijeli sutrašnji dan, stavite da se puni preko noći. Ne bojte se prepunjavanja baterije: kao što smo već spomenuli, punjači današnjih mobitela dovoljno su pametni. Samo ukoliko imate NiMH bateriju, jednom u mjesec-dva se sjetite i ispraznite je "do kraja" - pustite da mobitel isprazni bateriju dok se sam ne ugasi, a nakon toga je bez prekida napunite "do vrha".

Spomenimo i kako ispravno čuvati baterije ako duže vrijeme neće biti u upotrebi. Kao prvo, svakako ih skinite s mobitela. Spremite ih na suho i hladno mjesto (no uvijek iznad 0o C). Hladnjak (ne zamrzivač!) nije loše rješenje, ali baterije treba dobro zapakirati da ne budu izložene vlazi. Ni sobna temperatura ne predstavlja osobit problem, no više temperature svakako nisu preporučljive. Obično se preporuča bateriju čuvati na 40% napunjenosti, ali napunjenost nije lako procijeniti. Za Li-Ion bateriju postoji opasnost ako se uslijed stajanja isprazni ispod svoje kritične razine, jer punjenje tada može postati nemoguće. Zato ćete manje pogriješiti ako je spremite nešto jače napunjenu. Nakon skladištenja najbolje je bateriju pustiti da se prirodno aklimatizira na sobnu temperaturu, te je tada napuniti. Nakon dužeg stajanja nužnim se može pokazati i ponovno uhodavanje baterije.

Pretraga