česky english Vítejte, dnes je sobota 17. duben 2021

Elektrické vlastnosti komerčných primárnych alkalických článkov. Aktuálny trh alkalických článkov renomovaných a lacných značiek

DPS 5/2020 | Měření - články
Autor: Ing. Slavomír Kardoš, PhD., KTE FEI TU v Košiciach

Primárne články nie je potrebné zvlášť približovať, sú štandardnými napájacími komponentmi spotrebných, ale i profesionálnejších elektronických systémov už celé desaťročia. Komerčne úspešné značky výrobcov, ako sú GP, Energizer, Duracell, Toshiba, Sony, Panasonic, či Varta, sú predpokladom spoľahlivej služby ich elektrochemických článkov v napájaných zariadeniach. Na trhu je však množstvo primárnych článkov nesúcich meno obchodného reťazca, internetového obchodu alebo meno celkom neznáme. Aký je ich pôvod a aké sú ich reálne vlastnosti?

Svetlo do ich často pochybného sveta je možné vniesť fyzickou analýzou ich vlastností, čo je zároveň i jadrom tohto príspevku. Nie je dôvodné pochybovať, ale overíme vlastnosti niektorých známych značiek a na pranier prídu neznáme články zaplavujúce náš trh pod známkou záruky kvality. Označenie výrobkov certifikačnou značkou CE alebo iným certifikátom so sebou nie vždy nesie regulárne vystavené vyhlásenie o zhode. Spotrebiteľa na ich kúpu vyzývajú výrazy ako „Super energy“, „Super power“ alebo „Ultra“. Nemenej pochybne znie superlatív „Up to 12x more power“, a to i napriek tomu, že ho nesie článok pod typovým označením Kodak Xtralife.

Aký je pôvod elektrochemických článkov nerenomovaných značiek a akou cestou sa k nám dostávajú? Sú to články pochybnej kvality výroby alebo pochádzajú z vyspelých liniek produkujúcich značkové články a pod inou značkou sú vyrábané na objednávku? Oboje je skutočnosťou a to, čo sa na náš trh dostane, je na jednej strane záležitosťou legislatívy dohliadajúcej nad reguláciou toku zahraničnej produkcie v podobe vyžadovania vyhlásenia o zhode s legislatívne definovanými technickými požiadavkami a na druhej strane záležitosťou spotrebiteľskej etiky.

Technickou špecifikáciou a grafickým dizajnom je možné spotrebiteľa motivovať pri voľbe konkrétneho typu napájacích článkov. Čo je však pre spoľahlivú činnosť napájaných zariadení relevantné, sú ich aplikačné vlastnosti, a teda či spĺňajú technické parametre za definovaných pracovných podmienok.

Na úvod trocha teórie

Primárny elektrochemický článok je zdroj elektrickej energie, v ktorom sa chemické pochody prejavujú zmenou elektrochemického potenciálu na elektródach. Tok elektrického náboja je sprevádzaný nereverzibilnou elektrochemickou transformáciou jeho zložiek.

Alkalické články sú dnes všeobecne používané pre energeticky náročné prístroje, ich základnou prednosťou voči klasickým zinkovo-uhlíkovým (Zn-C) článkom je vyššia využiteľná energetická kapacita. Kladnú elektródu tvorí valcová tyčinka tvorená zmesou uhlíka a MnO2, obalená alkáliou – KOH. Zápornú elektródu tvorí pórovitý zinkový valček. Ich menovité napätie je 1,55 V (pri Zn-C 1,5 V).

Menovité napätie je napätie článku pri zaťažení stredným vybíjacím prúdom, a je teda odlišné od napätia naprázdno a napätia pri zaťažení iným prúdom v rámci dovoleného prevádzkového rozsahu.

Vnútorný odpor článku predstavuje ekvivalentný odpor jeho štruktúry, vyjadriteľný pomerom zmeny výstupného napätia voči zmene zaťažovacieho prúdu (pri kvalitnom primárnom článku do 300 mΩ). Zapojením článku do obvodu so záťažou sa napätie na jeho svorkách zníži o úbytok napätia na vnútornom odpore:

vzorec-1

kde Rv je ekvivalentný vnútorný odpor článku a I prúd obvodom. Týmto vyjadrením je však možné ho iba definovať, no meraním v aspoň dvoch bodoch zaťažovacej charakteristiky je možné elimináciou elektromotorického napätia článku ho aj číselne vyjadriť ako záporný prírastok, resp. úbytok napätia na svorkách článku v dôsledku nárastu prúdu vyvolaného znížením odporu DC záťaže:

vzorec-2

V technickej praxi je používané práve takéto vyjadrenie vnútorného odporu článku. Je to číslo, determinujúce schopnosť článku dodať do obvodu požadovaný prúd a tiež mieru strát energie premenenej na tomto odpore na teplo. V skutočnosti je však vnútorný odpor funkciou Rv = f (Iz, Cvyuž, tskl, ϑ), a teda jeho aktuálna hodnota je závislá od zaťažovacieho prúdu, aktuálnej využiteľnej kapacity (zostatkovej energie), pracovného cyklu, skladovania, pracovnej teploty a ďalších. Pre väčšinu aplikácií však postačuje aproximácia na jediné číslo v rámci dovoleného prevádzkového rozsahu parametrov.

Využiteľná kapacita článku predstavuje využiteľný náboj daný tokom vybíjacieho prúdu I počas doby t po dosiahnutie spodnej hranice dovoleného prevádzkového napätia, pričom štandardne ide o ampérhodinovú (Ah, nábojovú) kapacitu. Vyčísliteľná je na základe vybíjania definovaným vybíjacím prúdom po dosiahnutie minimálneho dovoleného svorkového napätia, pričom jeho hodnota je daná súčinom tohto prúdu a času vybíjania. Watthodinová (Wh, energetická) kapacita je zakomponovaním napätia na svorkách zaťaženého článku už nositeľom informácie o využiteľnej energii. Keďže je veľkosť tohto napätia premenná s vyťaženým nábojom, je potrebné toto napätie merať s dostatočnou frekvenciou. Energetickú kapacitu je potom možné vyčísliť podľa:

vzorec 3

kde ½(Ui + Ui–1) je stredné napätie na svorkách článku počas jeho vybíjania konštantným prúdom Iz počas príslušného časového intervalu Δt.

Životnosť je daná vlastnosťami článku a je značne ovplyvnená spôsobom používania a skladovania.

Výklad vlastností a požiadaviek na elektrochemické články sa nijako nekončí, zahŕňa nemenej dôležitú dlhodobú skladovateľnosť, teplotnú stabilitu, odolnosť proti povestnému vytekaniu, ktoré môže spôsobiť až poškodenie samotného zariadenia chemickou koróziou a ďalšie.

Navzdory množstvu technických parametrov elektrochemických článkov, všetky determinujú ich životnosť a spoľahlivosť v elektronickom zariadení spotrebiteľa [1, 2, 3].

tabulka

Test vybraných parametrov alkalických elektrochemických článkov

Testovanie elektrických vlastností elektrochemických článkov vyžaduje vybavenie pre meranie základných elektrických parametrov a tiež regulovateľnú záťaž. V tejto štúdii bola použitá elektronická DC záťaž IT8511 spoločnosti ITECH, pomocný voltmeter a predmetom merania boli primárne alkalické elektrochemické články typu AA troch renomovaných značiek a troch typov článkov predávaných na spotrebiteľskom trhu pod neznámou značkou, resp. pod značkou obchodného reťazca.

V prvej kategórii sa nachádza viacero ďalších významných zástupcov ako Duracell alebo GP a v druhej kategórii skutočne nepreberné množstvo, pre uvedený test bolo vybraných iba niekoľko frekventovane sa na trhu nachádzajúcich typov článkov. Odlíšiť je možné ešte jednu podkategóriu článkov, ktoré však vykazujú zjavné známky podvodnej konštrukcie. Majú skutočne pochybný pôvod a laicky ich možno bez akéhokoľvek merania identifikovať typicky výrazne nižšou hmotnosťou (u jedného typu článku pochádzajúceho z ponuky nemenovaného známeho obchodného reťazca v prepočte iba necelých 60 %). Nie je neobvyklé, ak nemajú dodržané ani rozmerové tolerancie. Takéto články preto pre test neboli uvažované.

Teplota pracovného okolia bola počas testovania 21 ± 0,5 °C, pričom charakteristiky uvádzané výrobcom príslušného článku sú uvádzané pre teplotu 20 alebo 21 °C. Meranými a vyhodnocovanými parametrami sú napätie naprázdno a predovšetkým pod zaťažením, zaťažovacia charakteristika, vnútorný odpor (dvojbodový a charakteristika), Ah (nábojová) a Wh (energetická) kapacita.

grafy

Použitím údajov zaťažovacej charakteristiky (graf 1) bol vyhodnotený vnútorný odpor aj viacbodovo ako funkcia zaťažovacieho prúdu (graf 2), pričom zaťažovacia charakteristika bola vyhodnotená tiež na sklonku využiteľnej kapacity po vyťažení prúdom 1 A do napätia 0,8 V (graf 3).

Zaťažovacia charakteristika vypovedá o konformnej závislosti napätia článkov zaťažovaných prúdom v rámci dovoleného rozsahu, líšiac sa približne 50 mV predovšetkým v oblasti vyšších zaťažovacích prúdov (od 300 mA). Menšie deviácie sú spôsobené charakterom elektrochemických pochodov a ich teplotnou závislosťou, predmetnou z dôvodu ohrevu článkov zaťažených vyššími prúdmi až do hodnoty 9,5 °C @ 1 A.

Ako už bolo spomenuté, vnútorný odpor je štandardne vyhodnocovaný na základe dvojbodovo meranej zaťažovacej charakteristiky a jeho hodnoty sú uvedené v tabuľke 2. Produktové informácie týkajúce sa vnútorného odporu článku Energizer Alkaline Power (0,15–0,3 Ω) [5] sú v súlade s vyhodnotenými výsledkami, pri článku Kodak Xtralife sú však výrobcom nadsadené (0,15 Ω) [6]. Pre ilustráciu je v tejto štúdii vnútorný odpor vyhodnotený aj ako závislosť od zaťažovacieho prúdu na základe parciálnych úbytkov napätia vplyvom príslušných prírastkov zaťažovacieho prúdu.

Porovnanie zaťažovacej charakteristiky pred a po vyťažení článkov prúdom 1 A do napätia 0,8 V v grafe 3 pre článok Varta Longlife 4106 vypovedá o posune charakteristiky na napäťovej osi a čiastočnom vzraste vnútorného odporu, u uvedeného článku z 0,28 Ω (tabuľka 2) na 0,32 Ω.

tabulka 1

Od vlastností technických je vhodné prejsť k vlastnostiam používateľsky praktickým, ku ktorým nepochybne patrí využiteľná kapacita. V nasledujúcich testoch bola na základe merania napätia na článku zaťaženom konštantným prúdom vyhodnotená nábojová i energetická využiteľná kapacita alkalických primárnych článkov (graf 4 a 5).

Zjavný je nesúlad tvaru charakteristiky nábojovej a energetickej kapacity niektorých článkov, ktorý súvisí s rôzne veľkou využiteľnou energiou v jednotlivých častiach krivky vyťažovania. Zvlášť protichodné sú charakteristiky článkov Kodak Xtralife v porovnaní s článkami Varta Longlife 4106, pričom silná stránka druhého uvedeného typu je v oblasti nižších zaťažovacích prúdov.

grafy 1

Exkluzívny pohľad na využiteľnú kapacitu článku je možné vytvoriť spracovaním vybíjacích kriviek do tvaru závislostí parciálnych energetických kapacít na príslušné úbytky napätí na svorkách článku. Takéto vyjadrenie vypovedá o množstve energie, využiteľnej v danej časti charakteristiky vyťažovania pri danom zaťažovacom prúde, na základe čoho je možné posúdiť efektívnosť návrhu manažmentu napájania zariadenia. Z charakteristík v grafe 6 je zrejmé, že uvedeným článkom je pri zaťažení prúdom 0,5 A neefektívne napájať zariadenie, ktorého spodná hranica napätia na článok je viac ako 1 V, pretože tretina využiteľnej energie sa nachádza pod touto hranicou.

Zo súhrnnej bilancie výsledkov testu v tabuľke 2 je zrejmé, že zo strany uvedených nerenomovaných značiek sa nie je možné v zmysle využiteľnej energie vyjadriť o akejkoľvek ujme pre spotrebiteľa. Pri niektorých alkalických článkoch to indikujú aj viaceré dostupné recenzie. Vynikajúco z týchto testov popri článkoch Varta Longlife vyšli články Aerocell, a to aj v pomere ceny za jednotku využiteľnej energie.

Disproporcia je skôr v prípade článkov Energizer Alkaline Power, pri ktorých výrobca v dvojnásobnej cene aktuálneho priemeru premietol skôr meno značky, než akokoľvek vyššiu využiteľnú kapacitu. Komplexné posúdenie vlastností aktuálne dostupných komerčných alkalických článkov však vyžaduje aj hodnotenie neelektrických parametrov ako zhoda rozmerových tolerancií, uvoľňovanie látok z vnútornej štruktúry a ďalšie, tie sú však už mimo rámca tejto štúdie zameranej predovšetkým na hodnotenie elektrických vlastností.

LiteratÚra

[1] Dan Durbin: Advantages of Primary Batteries, Battery University, 2017, https://batteryuniversity.com/learn/article/primary_batteries

[2] ChemPages: Electrochemistry: Primary and Secondary Batteries, https://www2.chem.wisc.edu/deptfiles/genchem/netorial/rottosen/tutorial/modules/ electrochemistry/06battery/18_61.htm

[3] Slavomír Kardoš: Správa napájania elektronických systémov, TU Košice, 2018, ISBN: 978-80-553-2738-9

[4] VARTA Consumer Batteries GmbH & Co. KGaA: Longlife 4106, Product Datasheet

[5] Energizer Brands, LLC: Energizer LR6 Alkaline Power, Product Datasheet

[6] Strand Europe Ltd under KODAK license: KODAK Xtralife Alkaline Battery KAA, Product Datasheet D-01-102-20

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik