Baterie oraz wszelkiego rodzaju źródła zasilania, dzięki którym możemy korzystać z urządzeń elektronicznych bezprzewodowo, stają się niemal nieodłącznym elementem naszego funkcjonowania. Dziś akumulatory spotykane są niemal we wszystkich urządzeniach mobilnych, które nas otaczają. Większość z nas określenie “akumulator”, zazwyczaj kojarzy się z samochodem lub telefonem komórkowym lub innych urządzeniach użytku codziennego. W tym artykule natomiast chcemy przybliżyć tematykę baterii bądź akumulatorów, które coraz powszechniej używane są również w środowisku przemysłowym - na przykład w wózkach widłowych i innych urządzeniach transportu bliskiego. Ogniwa te nazywa się bateriami trakcyjnymi.
Wyróżnia się 3 podstawowe typy akumulatorów:
- Akumulatory kwasowe,
- Akumulatory żelowe,
- Akumulatory litowo-jonowe.
Są to najpopularniejsze na ten moment ogniwa używane w wózkach widłowych, za co odpowiada stosunkowo niska cena. Zaliczają się one do grupy akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Baterie te cechuje występowanie elektrolitu w formie płynnej. Poziom oraz sama gęstość płynu musi być stale kontrolowana, ponieważ nie sprawdzanie tych czynników może doprowadzić do uszkodzeń baterii. Uzupełnienia elektrolitu dokonujemy raz w tygodniu (przy założeniu pracy 8-godzinnej, 5 razy w tygodniu) lub co 10 ładowań.
Akumulatory żelowe
Zaletą tych baterii jest elektrolit występujący w postaci żelu. Wpływa to na wyeliminowanie problemu uzupełniania wody, dzięki czemu akumulatory te nazywane są niemal bezobsługowymi. Dodatkowo cechuje je większa odporność na zdarzenia mechaniczne oraz czynniki zewnętrzne. Nie są one jednak tak popularne, ze względu na wysoka cenę oraz krótszą żywotność.
Budowa akumulatorów kwasowo - ołowiowych oraz żelowych
Akumulatory te różnią się w głównej mierze tylko rodzajem elektrolitu. W przypadku akumulatorów kwasowych występuje postać płynna, a w żelowych jak sama nazwa wskazuje postać żelu. Materiałem używanym do żelowania kwasu siarkowego jest krzemionka. Zbudowane są z połączonych ze sobą ogniw galwanicznych. Umieszczone są one w osobnych celach rozdzielonych grodziami (pionowymi ścianami). Każde takie ogniwo wytwarza napięcie elektryczne równe około 2,2 V. Dla przykładu w akumulatorach 12V, zastosowanych zostaje 6 takich członów. Każde ogniwo zbudowane jest z elektrody ołowiowej (odpowiada za funkcję anody), elektrody z tlenku ołowiu (IV) (odpowiada za funkcje katody) oraz elektrolitu (wodny roztwór kwasu siarkowego (VI), ok. 40%).
Rozładowywanie oraz ładowanie akumulatorów kwasowo - ołowiowych oraz żelowych
Stan rozładowania akumulatora kwasowego oszacowuje się przy pomocy gęstości roztworu kwasu siarkowego (VI), gdyż podczas ładowania zostaje on “zużywany”. Do pomiaru tej gęstości używamy zwykle areometru. Dodatkowo, podczas rozładowywania dochodzi do pasywacji elektrod. Oznacza to, że kwas, który reaguje z ołowiem czy też tlenkiem ołowiu (IV), wytwarza na powierzchni elektrod cienką, słabo przewodzącą i nierozpuszczalną warstwę siarczanu (VI) ołowiu(II). Jest to jedna z przyczyn, która powoduje zmniejszenie pojemności ogniwa. W czasie ładowania natomiast następuje odwrócenie wcześniej wspomnianego procesu. Na płycie ujemnej wytwarza się ołów, natomiast na płycie dodatniej tlenek ołowiu (IV). Powoduje to także ubytek siarczanu (VI) ołowiu (II). Proces ten wytwarza wodór, który jest gazem wybuchowym. Dlatego podczas ładowania takiego akumulatora musimy pamiętać o odpowiedniej ochronie oraz wentylowanym pomieszczeniu.
Akumulatory litowo-jonowe
Jak na ten moment są one najnowocześniejszym szeroko dostępnym rozwiązaniem. Cechuje je stosunkowo niska waga oraz mniejsze wymiary przy zachowaniu tej samej pojemności. Dodatkowo są w pełni bezobsługowe (nie licząc ładowania) oraz posiadają najdłuższą żywotność z oferowanych typów na rynku. Ze względu na wysoką jakość są to najdroższe aktualnie oferowane baterie na rynku. Na rynku dostępne są następujące typy akumulatorów Li-ion: LiCoO2, LiMnCoO2, LiNiMnCoO2, LiFePO2.
Rys. 2. Bateria litowo-jonowa
Tak jak w przypadku akumulatorów kwasowych i akumulatorów żelowych występuje tu anoda, katoda oraz elektrolit. Ogniwa są zbudowane z warstwowo ułożonych elektrod, zamkniętych w metalowej obudowie. Po osadzeniu elektrod w obudowie następuje uszczelnienie akumulatora, a zaraz po tym wypełnienie elektrolitem. W obudowie umieszczony zostaje zawór, który umożliwia odprowadzanie gazów powstających w procesie ładowania oraz procesie rozładowywania. Ogniwa są ze sobą złączane. Łączenie szeregowe zwiększa napięcie akumulatora, natomiast łączenie równoległe zwiększa jego prąd. Bardzo często w przypadku baterii litowo - jonowych montowane są odpowietrzniki. Chronią one akumulator przed przegrzaniem i zmniejszania ciśnienie panujące w ich wnętrzu.
Ładowanie oraz rozładowywanie akumulatorów litowo - jonowych
Proces ładowania oraz rozładowywania jest zdecydowanie prostszy do przedstawienia w tych typach akumulatorów w przeciwieństwie do baterii kwasowych czy żelowych. W głównej mierze podczas wymienionych procesów akumulatora następuje migracja dodatnich jonów litu. podczas rozładowywania na katodzie następuje redukcja jonu metalu przejściowego (metalu stanowiącego związek z aktywnym litem, z których wykonana jest katoda) oraz wbudowanie jonów litu w strukturę materiału aktywnego (materiału, z którego wykonana jest anoda). W przypadku ładowania proces ten jest odwracany. Zachodzące reakcje podczas przejścia jonów litu są ściśle zależne od materiałów, z których wykonana jest anoda oraz katoda. Poniżej przedstawiony został schemat procesu ładowania (a) oraz rozładowywania (b).
Rys. 3. Proces ładowania i rozładowania baterii litowo-jonowych
Żywotność akumulatorów
Żywotnością nazywamy ilość cykli ładowania, po której pojemność baterii spada do 80%. Zostaje ona podana przez producenta i w przypadku wózków widłowych zwykle wynosi około 1500 cykli ładowania. Spadek pojemności zależy przede wszystkim od tego w jaki sposób będziemy dbać i eksploatować dany akumulator. Pierwszą zasadą, którą każdy z nas powinien przestrzegać, jest pilnowanie aby poziom naładowania baterii nie spadł poniżej 20%. Tym bardziej nie powinniśmy doprowadzać do rozładowywania baterii. Kolejnym ważnym aspektem jest pilnowanie poprawnego poziomu elektrolitu (głównie w przypadku akumulatorów kwasowych). Konsekwencje zbyt małej ilości płynu mogą doprowadzić do odsłonięcia płyt katodowej i anodowej, co spowoduje pokrycie ich siarczanem. Na dłuższą metę może to przyczynić się do ich pękania oraz trwałego uszkodzenia. Trzeba także pamiętać o regularnym serwisowaniu akumulatorów.
Odpowiednia eksploatacja akumulatorów
W przypadku wszystkich typów akumulatorów najważniejszą rzeczą jest nie doprowadzanie do ich całkowitego rozładowania. Najlepszą opcją jest podłączenie baterii do ładowania, gdy osiągnie ona 20% naładowania. Musimy też pamiętać, że akumulatory te wymagają prostownika do poprawnego ich ładowania. Część wózków widłowych posiada je domyślnie wbudowane i w takim przypadku wystarczy podłączyć pojazd do gniazdka. Gdy nasz wózek widłowy nie posiada prostownika, należy zakupić go osobno w postaci oddzielnego urządzenia. Dodatkowo akumulatory kwasowe wymagają odpowiednich, wentylowanych pomieszczeń, aby nie dopuścić do zaiskrzenia czy ewentualnego wybuchu.
Bezpieczeństwo użytkowania akumulatorów
Jak już zostało to wyżej wspomniane ładowanie akumulatorów wymaga odpowiednich środków bezpieczeństwa, które definiowane są przez producentów oraz zasady BHP. Oto niektóre z nich:
- W pobliżu akumulatorów zabronione jest palenie oraz używanie ognia, ponieważ może doprowadzić to do wybuchy akumulatora,
- Należy zapewnić odpowiednią wentylację, ponieważ wytworzony w procesach ładowania akumulatorów kwasowych wodór może doprowadzić do wybuchu,
- Podczas pracy przy baterii kwasowej (wymianie czy ładowaniu) konieczne jest noszenie odpowiedniego ubrania oraz okularów ochronnych w celu zapobiegania kontaktu skóry z kwasem,
- W przypadku jakiegokolwiek kontaktu kwasu ze skórą, miejsce oparzenia należy przemyć dużą ilością wody i udać się po pomoc medyczną. Plamy na ubraniach powinny być spłukane wodą,
- Należy unikać możliwości zwarcia wyprowadzeń baterii,
- Przed pracą z baterią należy bezwzględnie zdjąć biżuterię i metalowe ozdoby oraz stosować tylko izolowane narzędzia,
- Akumulatory (ogniwa) są bardzo ciężkie. Należy w związku z tym zapewnić odpowiedni sprzęt mocujący oraz sprzęt do transportu,
- Należy stosować się do odpowiednich przepisów o utylizacji odpadów niebezpiecznych. Baterie (ogniwa) oznaczone symbolem utylizacji, należy dostarczyć do zakładu utylizującego lub w przypadku uzgodnienia, oddać do producenta. Zużyte akumulatory nie mogą być mieszane z odpadami chemicznymi ani domowymi,
- Należy pamiętać, aby przestrzegać odpowiednich parametrów ładowania baterii (takich jak napięcie czy prąd) oraz temperatury użytkowania zaleconych przez producenta.
Systemy BMS oraz EMS
BMS, czyli Battery Management System. Jest to system zarządzania akumulatorem w pojazdach, zazwyczaj stosowany w przypadku akumulatorów litowo - jonowych. Zadaniem systemu BMS jest zabezpieczenie baterii pojazdów elektrycznych przed skutkami ich nierównomiernego doładowania, przeładowania lub przegrzania. Największą zaletą systemu BMS jest ochrona akumulatora przed uszkodzeniem, a także wydłużenie trwałości ogniw litowo-jonowych. Dodatkowo kluczowe jest to, że nieustanny monitoring baterii pozwoli uchronić je przed poważną usterką.
EMS, czyli Energy Management System. W uproszczeniu jest to system zarządzania zużyciem energii pojazdu czy maszyny. Kontroluje i kontaktuje się z podzespołami sprawdzając w nich pobór prądu. Dodatkowo jest w stanie wyłączać niepotrzebne w danej chwili komponenty dla bardziej efektywnej pracy energetycznej, przy zachowaniu oczywiście odpowiednich efektów i wydajności pracy.
Porównanie akumulatorów
Akumulator kwasowy tak jak wspomniano wyżej, wypada najlepiej pod względem ceny. Nie sprawdzi się jednak w przypadku większych wstrząsów czy ewentualnego obrócenia urządzenia. Może to spowodować wyciek płynnego elektrolitu, co można uznać za potencjalną awarię oraz zagrożenie dla zdrowia i życia. W bardziej wymagających warunkach sprawdzi się akumulator żelowy, w którym postać elektrolitu zapewnia dużą odporność na wstrząsy, zderzenia czy ewentualne obrócenie urządzenia. Dodatkowo, nie musimy kontrolować poziomu elektrolitu czy też go uzupełniać, przez co bateria staje się bardziej bezobsługowa. Bateria litowo - jonowa posiada najwięcej plusów, między innymi odporność na wstrząsy czy najdłuższą żywotność. Jest też najbardziej bezobsługowa z całego zestawienia. Jej minusem jest za to wyższa cena, która może odstraszyć wiele osób.
Porównując przedstawione akumulatory, jesteśmy w stanie stwierdzić, że nie ma wśród nich najlepszego. Wszystko zależy od tego, czego potrzebujemy. To właśnie od naszych indywidualnych wymagań możemy wyłonić względnie dobre dla nas rozwiązanie. Musimy natomiast pamiętać o poprawnym eksploatowaniu oraz dbaniu o baterię, aby wystarczyła nam ona na lata.
Źródła:
https://www.grupa-wolff.eu/bezpieczenstwo-wybuchowe-podczas-stosowania-baterii-kwasowo-olowiowych/
https://epodreczniki.pl/pdf/PeTYOVRmV
https://www.gimmik.net/blog/akumulatory-zelowe-budowa-oraz-zastosowanie/
https://www.akumulatoryzelowe.pl/faq/roznice_agm-zelowy-vrla-mokry-kwasowy/
https://elektronikab2b.pl/technika/50063-akumulatory-litowo-jonowe-konstrukcje-materialy-parametry
https://www.auto-swiat.pl/ev/porady/bms-co-to-jest-i-jak-dziala-w-aucie-elektrycznym/z90vr96
https://techtru.pl/wp-content/uploads/pdf/Instrukcja_eksploatacji.pdf