Akkumulátorok típusai

Az akkumulátort számos területen alkalmazzák, de a közlekedésben és a szünetmentes áramforrások fenntartásában különlegesen fontos szerepe van, mert közlekedési eszköz nem nagyon képzelhet el nélküle és a villamos hálózati hibajelenségek esetén sem maradhatnak legfontosabb eszközeink energia nélkül.

Az akkumulátor lehet termelő, ha fogyasztókat kötünk rá (kisütés) és lehet fogyasztó, ha éppen töltjük. Kisütéskor a kémiai energiából lesz villamos energia, míg töltéskor fordítva.

A további oldalakon összefoglaltuk a járművekhez leginkább használt akkumulátorok fajtáit felhasználásuk és működési elvük szerint.

Tovább olvasom >>

Az akkumulátorok alapvetően a felhasznált elektrolittól függően két csoportba oszthatók, úgymint savas és lúgos akkumulátorok. Gépjárművekben savas, többnyire ólomakkumulátort használnak, mert előállítási költsége viszonylag alacsony, súlya és térfogata is kisebb, míg a hajókon és a vasúti járműveken jobbára a lúgos akkumulátorok a közkedveltek, mert élettartamuk jobb, karbantartási költségük kisebb.

1.Savas akkumulátorok

Legelterjedtebb típusa az ólomakkumulátor, melyet Gaston Planté (1884-1889) francia fizikus talált fel (1859).

1. Ólomsavas akkumulátor (PbO2)

Az ólomsavas akkumulátor a legrégebbi és legelterjedtebb típus az összes közül. Ennek oka a kiforrott technológia, hosszú élettartama, alacsony bekerülési és üzemeltetési költsége, és gyors működése.

Az ólomsavas akkumulátor pozitív elektródja ólom-dioxid, míg negatív elektródja fém ólom, mely ólomrácsra rákent szivacsos fém ólomlemez. Elektrolitja kénsav melyet desztillált vízzel hígítanak. Kisütés esetén a katódon ólom-oxid keletkezik, ami reakcióba lép a kénsavval, így ólom-szulfát keletkezik. Az anódon a fém ólom oxidálódik ólom-ionná, ami a kénsavval való reakciója következtében ólom-szulfáttá alakul. Ekkor elektromos áram keletkezik, amit ki tudunk nyerni a berendezésből.

Ezen lemezpárokat sorosan kapcsolva cellákat alakítanak ki. Az egyes cellák feszültsége 2 V, energiasűrűsége ~30 Wh/kg. Az így kialakított cellák egynemű sarkait összekötve az egységből kinyerhető áramerősség nő változatlan feszültség mellett. Előnyük a magas hatásfok és alacsony önkisülési szint.

Az ólomakkumulátornak három fő típusa van

• az indító- vagy starter-akkumulátor, mely rövid ideig névleges áramának sokszorosát tudja leadni, de tölthetősége 150-350 ciklus.
• Ciklikus akkumulátorok: kevésbé nagy áram leadására képesek, de élettartamuk 500- 2000 ciklus, jelent sebben nagyobb. Felhasználásuk a szünetmentes áramforrásoknál, vasúti biztosító berendezéseknél, targoncáknál stb. terjedt el.
• Szünetmentes akkumulátorok
  1. Indítóakkumulátorok

Az indítóakkumulátorok feladata, hogy rövid időre fedezze a beindításhoz szükséges, nagy áramot. Ezeket elsősorban személygépjárművekben alkalmazzák, ahol az indítókulcs elfordításával gyújtást adunk, ekkor az akkumulátor előállítja a szükséges áramot, hogy a gépjárműben lévő motor beinduljon. Innentől a járműben lévő generátor feladata, hogy ellássa árammal a többi berendezést. Másik feladata, hogy azokban az esetekben, amikor a gépjármű motorja nem megy, de egyéb fogyasztók működnek, mint pl. világítótestek, akkor azok áramigényét fedezni tudja. Huzamosabb ideig nem képesek ezt ellátni, hamar lemerülnek ebben az állapotban.

1. ábra: Indító akkumulátor gépjárműben

1. Ciklikus akkumulátor

A ciklikus vagy munkaakkumulátor felépítésében is eltér az előbb említett indítóakkumulátortól. Ezt hosszabb idejű igénybevételre tervezték, több kisütési ciklussal, és nem bírja a rövid idejű nagy áram leadását.  A ciklikus akkumulátorok vastagabb lemezekből állnak, így jobban ellenállnak a korróziónak. Általában 45 – 75% közötti kapacitásig merítik le az akkumulátorokat mielőtt új eszközt szereznek be. Ezeket az akkumulátorokat használják targoncákban, golfjárművekben, reptéri elektromos kisteherautókban, kerekesszékekben, villanymotorok működtetésére.

1. Szünetmentes tápegységek

A szünetmentes tápegységeket gyakran nevezik az angol elnevezésük rövidítése alapján UPS-eknek (Uninterruptible Power Supply). Ez elfogadott a magyar gyakorlatban is. Nem szakmai körökben gyakran használatos még a(z): "inverter", "szükségáramforrás", "tartalék áramforrás", "akkumulátor"(!) elnevezés is.

2. ábra: Szünetmentes tápegység

Amíg a hálózat a megengedett határokon belül van (ez általában +/-10%) a fogyasztók közvetlenül a hálózatról kapják a táplálást, az akkumulátor csepptöltésen van. Némelyik készülék rendelkezik feszültség rendelkezik feszültség stabilizátor funkcióval is, így ezek a hálózati feszültség ingadozását kismértékben korrigálni tudják.

Hálózathiba esetén az inverter elindul és a kimeneten lévő általában elektromechanikus kapcsoló (ritkán statikus kapcsoló) átkapcsolja a fogyasztót az inverter kimenetére. Az inverter kimeneti jelalakja a kisebb berendezéseknél szinte minden esetben lépcsős, míg a relatíve nagyobb teljesítményűeknél már szinuszos.

3. ábra: Off-line UPS hálózatkimaradás esetén

4. ábra: Off-line UPS átkapcsolása hálózatról inverterre

2.Lúgos akkumulátorok

Az első lúgos akkumulátort Th. A. Edison készítette 1904-ben. Előnye a savashoz képest igénytelensége, érzéketlensége a környezeti behatásokkal szemben és hosszú élettartama, amely mintegy 1200 ciklus.

A lúgos akkumulátorokat szokás nikkel bázisú akkumulátoroknak is nevezni.

Ezek a nikkel- kadmium (NiCd), nikkel-metál hidrid (NiMH), és nikkel-cink (NiZn) akkumulátorok. Ezen típusú berendezések csak az anódjuk anyagában térnek el egymástól. Ezen típusú akkumulátorok felépítésük szempontjából csak az anódjuk összetételében térnek el egymástól. Katódjuk nikkel-hidroxid vegyület, elektrolitjuk pedig kálium-hidroxid (kálilúg) vizes oldata. A kadmium alapú készülék anódja kadmium-hidroxid, a NiMH anódja fémötvözet, míg végül a NiZn akkumulátoré cink –hidroxid. Ellentétben az ólomsavas akkumulátorokkal, melyek feszültsége 2 V, a lúgos akkumulátorok fezültsége csak 1,2 V, de energiasűrűségük nagyobb. A NiCd ~50 Wh/kg értékkel rendelkezik, NiMH ~80 Wh/kg, míg a NiZn akkumulátor energiasűrűsége ~60 Wh/kg. Ebből látható, hogy egyes típusok ezen értékei duplája a hagyományos ólomsavaséhoz képest. Tipikus élettartamuk ~2000 ciklusra tehető.

5. ábra: NiCd akkumulátorok

Hátrányként kell megemlíteni az ólomsavas akkumulátorhoz képest, hogy szerényebb hatásfokkal rendelkeznek. Memóriaeffektussal rendelkeznek, főleg a NiCd típusok. Ez azt jelenti, hogy mélykisütés szükséges feltöltésük előtt, ellenkező esetben teljesítményük csökken. Magas önkisülési szinttel rendelkeznek, illetve bekerülési költségük majdnem tízszerese a hagyományos ólomsavas akkumulátoréhoz képest. A kadmium igen mérgező anyag, ezért üzemeltetése és hulladékként való kezelése magas odafigyelést igényel.

A lúgos akkumulátorokat széles körben alkalmazzák hordozható készülékekben. Ipari méretekben a NiCd akkumulátorokat használják még, mint szünetmentes áramforrás.

3.Lítiumion-akkumulátor (Li-ion)

A lítiumos akkumulátorokban a katód lítium alapú fém-oxid, az anód réteges szerkezetű szén grafit. Az elektrolit szerves karbonátokban oldott lítium só. Töltés esetén a katódban lévő lítium atom ionizálódik és az anód felé vándorol az elektroliton keresztül, ahol egyesül a szabad elektronokkal és lítium atomként lerakódik a rétegek között. Töltési fázisban ez a folyamat megfordul. Ezen akkumulátorcellák névleges feszültsége 3,7 V.

Ezen típusok energiasűrűsége ~200 Wh/kg, élettartama 10.000 ciklusra tehető, illetve hatásfoka megközelíti a 100%-ot. Túlnyomórészt hordozható készülékben alkalmazzák, ennek oka, hogy nagyméretű Li-ion akkumulátor gyártása drága, több mint 600 $/kWh fajlagos beruházási költséggel (Ibrahim et al., 2008)

6. ábra: Lithium akkumulátorok típusegységei

4.Nátrium-kén akkumulátor (NaS)

Ez a fajta akkumulátor olvasztott só típusú akkumulátor, melynek katódja folyékony kén, míg anódja folyékony nátrium. Ezeket egy szilárd béta-alumínium-oxid membránfal választja el egymástól, mely csak a pozitív nátrium-ionokat engedi át. Ez az ion kén jelentélében nátrium-poliszulfiddá alakul. Eközben elektronok áramlanak az akkumulátor külső áramkörében, 2 V feszültségű áramot előállítva (Miakich, 2015).

A NaS akkumulátorok tipikus élettartama 2500 ciklus. Hatásfoka 75 – 90% körül mozog. Energiasűrűsége 150-170 kWh/ m³. Anyagai nem mérgezőek. Hátrány, hogy működéséhez 300 – 350 °C-on kell a berendezést tartani, így üzemeltetése drága (Aneke, Wang, 2016).

7. ábra: NaS akkumulátorok felépítése

5.Fém-levegő akkumulátor

A fém-levegő akkumulátor még egy fejlesztési fázisban lévő megoldás. Ezen típusú készülékek anódja valamiféle elektropozitív fém, mely lehet pl. cink, lítium vagy alumínium. Ezek a fémek elektront bocsájtanak ki oxidációjuk közben, így az elektromos áramlást tudunk létrehozni, melyet az akkumulátor végpontjain kivezetve felhasználunk. A katód általában porózus szerkezetű szénvegyület, amit katalizátorréteggel vonnak be. Az elektrolit jól vezető tulajdonsággal bíró kálium-hidroxid, mely folyékony vagy membrán.

Előnye lehet, hogy ez lehet a legolcsóbb akkumulátorfajta, de hátránya, hogy még jelenleg igen csekély hatásfokkal rendelkezik ~50%, illetve élettartama is még csak 100- 200 ciklusra tehető (Aneke, Wang, 2016). Felhasználását a további fejlesztések után az elektromos gépjárművek akkumulátoraiként képzelik el.

6.Folyadékáramos akkumulátor

Az utolsó akkumulátor típus az úgynevezett folyadékáramos akkumulátor. Ennek a típusnak a két aktív összetevője mindig elektrolitként vesz részt a folyamatban. Felépítése a következő. Két féle kémiai anyagot oldanak vízben, melyeket általában a cellatömbben egy membrán választ el egymástól. Üzemeltetéséhez keringtető szivattyúk kellenek, melyek az elektrolitokat a cellatömbön pumpálja keresztül, ahol elektromos áram keletkezik a kémiai reakciók során.

A berendezés energiasűrűsége a tartályok méretétől és az elektrolitok mennyiségétől függ. Ennek következtében jól tervezhető és illeszthető különféle rendszerekhez. Magas teljesítménnyel és élettartammal rendelkezik. Amikor a berendezést nem használják és a szivattyúk nem mozgatják az elektrolitokat, akkor kémiai reakciók sem mennek végbe. Ennek köszönhetően az önkisülési szint megközelítőleg nullára csökkenthető. Emellett még alacsony a fenntartási költsége is. Mélykisütésük a várható ciklusidejüket nem befolyásolja negatívan. Nagy előnye, hogy azonnal újratölthető a rendszer, ha az elektrolitokat tartályukkal együtt kicseréljük (Ibrahim et al., 2008).

Hátrányként említendő meg a segédberendezések szüksége, mint pl. szivattyúk, szenzorok, melyek működése így az egész rendszer hatásfokát mérsékelik.

7.Felhasználás

Felhasználás szerint az akkumulátorokat alkalmazzák kisebb elektronikai készülékekben. Ezek a mobiltelefonok, hordozható számítógépek, hordozható elektronikai készülékek és egyéb kézi szerszámok. Ezek általában kisebb teljesítményű Li-ion akkumulátorok.

Második alkalmazási terület a közlekedésben és az autóipar. Itt a hagyományos gépjárművek indító akkumulátoraiként (PbO₂), illetve hibrid és elektromos autók ciklikus akkumulátoraiként (Li-ion) alkalmazzák. Továbbá lehetnek ciklikus akkumulátorok csónakokban, hajókban, motorokban vagy kerekesszékekben.

Végső nagy alkalmazási terület az ipar. Itt funkcionálhatnak adatvesztés vagy üzemkiesés elhárítása érdekében pl. elektromos orvosi műszerek szünetmentes tápjaként (PbO₂). Alkalmazható anyagmozgatásra pl. targoncákban vagy egyéb munkagépekben, illetve használják még a közlekedésben és biztosítóberendezésekben, mint pl. vészvillogók vagy lámpák energiaforrásaként is (Miakich, 2015). Emellett napelemek által előállított áram tárolására is telepítik. Erre a megoldásra a legelterjedtebb a Li-ion akkumulátor.

Szendrei Márton energetikus

2016. december