Akumulatory niklowo-wodorkowe, znane także jako niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH) są ulepszonymi następcami starszych akumulatorów niklowo-kadmowych (NiCd). Tego typu akumulatory stosowane są w przypadku popularnych paluszków AA oraz AAA, a także, przykładowo, w aparatach fotograficznych i samochodach z napędem hybrydowym. Jak działają akumulatory niklowo-wodorkowe, jak sprawdzają się w porównaniu z innymi rodzajami akumulatorów, jak o nie dbać, by służyły możliwie najlepiej i najdłużej?
Szczypta historii
Technologia stojąca za akumulatorami niklowo-wodorkowymi została wynaleziona już w 1967 roku. Przez dwie dekady głównymi sponsorami rozwoju tego typu akumulatorów byli giganci rynku motoryzacyjnego: Daimler-Benz oraz Volkswagen AG.
Wzrost zainteresowania akumulatorami NiMH przypadł na lata siedemdziesiąte XX wieku, gdy technologia zaczęła być wykorzystywana w satelitach kosmicznych jako bezpieczniejsze i bardziej skondensowane źródło energii. Dalsze prace prowadzone m.in. przez Philipsa oraz francuski instytut CNRS doprowadziły do ulepszenia i redukcji kosztów wytwarzania akumulatorów niklowo-wodorkowych, które w 1989 roku stały się powszechnie dostępne na rynku.
Na dalszą popularyzację technologii NiMH znaczący wpływ miało rozpowszechnienie się samochodów z napędem hybrydowym oraz dyrektywa UE, zgodnie z wytycznymi której akumulatory niklowo-wodorkowe ostatecznie zastąpiły starsze niklowo-kadmowe w zastosowaniach konsumenckich.
Jak działają akumulatory niklowo-wodorkowe?
Akumulatory niklowo-wodorkowe składają się z katody (czyli elektrody, z której wypływa prąd elektryczny) zbudowanej zasadowego tlenku niklu oraz anody (elektrody, przez którą wpływa prąd, przeciwieństwa katody) wykonanej ze stopu metali: niklu, chromu, magnezu, wanadu, tytanu, żelaza, aluminium kobaltu w różnych konfiguracjach zależnie od rodzaju i producenta. Rolę elektrolitu, czyli przewodnika elektrycznego, w którym poruszające się jony przenoszą ładunki elektryczne, pełni wodorotlenek potasu. Separator wykonany jest z poliamidu lub polietylenu.
Napięcie nominalne akumulatorów NiMH wynosi 1,2V i nie powinno zbyt często spadać poniżej 1,1V, ponieważ może to prowadzić do uszkodzenia akumulatora lub obniżenia jego trwałości.
W czasie ładowania, zachodzące w akumulatorze reakcje chemiczne wiążą wodór ze stopem metali. Rozładowywanie akumulatora oznacza natomiast reakcję odwrotną: wodór jest ze stopu uwalniany.
Akumulatory niklowo-wodorkowe w porównaniu z akumulatorami niklowo-kadmowymi
Główną przewagą akumulatorów typu NiMH nad starszymi akumulatorami niklowo-kadmowymi jest większa o 30% pojemność oraz większa o około 30% gęstość energii w realnych zastosowaniach, która wynosi 120 Wh/kg.
Efekt pamięci, czyli zjawisko postępowego obniżania się pojemności akumulatora w miarę kolejnych cykli ładowania rozpoczętych w czasie, gdy ogniwo nie jest w pełni rozładowane lub spadek nominalnego napięcia wskutek wielokrotnego nadmiernego ładowania, zostało w akumulatorach NiMH znacząco zredukowane. Wciąż jest ono jednak obecne, chociaż w stopniu znacznie niższym, niż w przypadku starszych akumulatorów niklowo-kadmowych.
Wadą akumulatorów niklowo-wodorkowych w porównaniu z akumulatorami NiCd jest większy koszt produkcji, a także szybciej zachodzący efekt samorozładowania.
Przykłady zastosowań akumulatorów niklowo-wodorkowych
Technologia akumulatorów NiMH zastąpiła NiCd w wielu zastosowaniach, przede wszystkim w małych akumulatorach, takich jak popularne paluszki typu AA lub AAA, gdzie oferują pojemność 1,1-2,8 Ah przy napięciu 1,2V. Akumulatory tego typu często można spotkać także w aparatach fotograficznych, czy samochodzikach RC.
Przez dłuższy czas akumulatory niklowo-wodorkowe stosowane były także w samochodach hybrydowych, między innymi Toyocie Prius pierwszej i drugiej generacji, Toyocie RAV4 EV, Hondzie Civic Hybrid, Fordzie Espace Hybrid. W przemyśle samochodowym zostały one jednak w ostatnich latach wyparte przez akumulatory wykorzystujące w swej konstrukcji pierwiastek lit.
Zasady eksploatacji akumulatorów niklowo-wodorkowych
Akumulatory niklowo-wodorkowe pozwalają osiągnąć zazwyczaj około 2000 cykli ładowania i rozładowywania, chociaż wartość ta może się wahać zależnie od producenta, konstrukcji, a nawet egzemplarza danego akumulatora. Aby najbardziej przedłużyć żywotność akumulatorów tego typu warto kierować się prostymi zasadami podczas eksploatacji.
Najlepszym sposobem ładowania akumulatorów niklowo-wodorkowym jest używanie w tym celu możliwie najsłabszego natężenia prądu, ale jednocześnie utrzymywać czas ładowania poniżej dwudziestu godzin. Po tym czasie należy zaprzestać ładowania akumulatorów, aby nie doprowadzić do ich przeładowania, które może doprowadzić do utraty właściwości prądowych przez akumulator i skrócenie okresu jego eksploatacji. Nowoczesne ładowarki do akumulatorów same zaprzestają ładowania, gdy napięcie osiągnie nominalną wartość zwalniając użytkownika z konieczności pilnowania stanu naładowania.
Pomimo faktu, że efekt pamięci w akumulatorach niklowo-wodorkowych został w stosunku do niklowo-kadmowych poprzedników znacząco zredukowany, a dalszy rozwój technologii NiMH jeszcze bardziej tę różnicę pogłębił, wspomniany efekt wciąż w niewielkim stopniu występuje. Ważne jest więc, aby akumulatory rozładowywać do samego końca, co pozwoli zapobiec redukcji pojemności. Jeśli jednak efekt pamięci powstanie, przywrócenie pierwotnych właściwości wciąż może być możliwe. W tym celu stosuje się cykle pełnego naładowania, a następnie pełnego rozładowania. Niektóre inteligentne ładowarki wyposażone są również w specjalne tryby, które pozwalają odratować uszkodzone akumulatory.