აკუმლატორები-დასაბამიდან დღემდე

[NEIRON]

კაცობრიობის ერთ-ერთ მნიშვნელოვან აღმოჩენას აკუმლატორის შექმნა მიეკუთვნება, რომელსაც თქვენ ახლაც იყენებთ : სმარტფონში, ლეპტოპსა თუ რიდერში ....
ქიმიური დენის წყაროს ისტორია 2 საუკუნით ადრე , 1800 წელს იწყება, გალვანის მიერ გაკვეთილ ბაყაყებზე ჩატარებული ექსპერიმენტებით იწყება: ორი სხვადასხვა მეტალის შეერთებული ზონდით ბაყაყის ქსოვილებთან შეხებისას მან შენიშნა , რომ კუნთის შეკუმშვა ხდებოდა. გალვანიმ ექსპერიმენტებით დაასკვნა, რომ ეს გამოთავისუფლებული „ცხოველური ელექტროობა“ იყო, რომელიც თავის ტვინიდან კუნთებისკენ მოძრაობდა სითხის სახით და იწვევდა შეკუმშვას.

ამავე ექსპერიმენტზე სხვა აზრი ჰქონდა ალესანდრო ვოლტას, რომელმაც გალვანის ექსპერიმენტიდან დაასკვნა , რომ კუნთების შეკუმშვა შეეძლო გამოეწვია მეტალებს შორის ელ. დენის წარმოქმნას, რაც მან 2 სხვადასხვა მეტალის მონეტების ენაზე მოთავსებას დაუკავშირა, რასაც „ელექტრული გემო“ ჰქონდა. მან შეისწავლა სკარის ელექტრული დენის გამომუშავების პრინციპი , რომელიც ნადირობდა ელ. დენის მეშვეობით მსხვერპლზე. საბოლოოდ კი, „ვოლტას ბოძი“ გამოვიდა -სპილენძის და თუთიას შორის მოთავსებული მჟავაში გაჟღენთილი მატერია, რომლის ფირფიტების მიმდევრობა რამდენჯერმე გაიმეორა, მოქმედების პრინციპი შემდეგნაირად იყო (+{მჟავა}-)(+{მჟავა}-)(+{მჟავა}-). ამ მეცნიერების საპატივსაცემოდ დენის ძაბვის საზომ ერთეულს-ვოლტი, ქიმიური დენის წყაროს კი გალვანოელემენტი ეწოდა.

სრულყოფილი აკუმლატორი 1859 წელს ფრანგმა ინჟინერმა გასტონ პლანტემ შექმნა, რომელიც გახლდათ დღევანდელი ტყვიის აკუმულატორის ანალოგი და მისი პრინციპი დღმდე უცვლელია.

მიუხედავად იმისა, რომ აკუმლატორების გამოყენების ერა რამდენიმე საუკუნეა რაც დაიწყო, მისი საიდუმლოებით მოცული ისტორია ალესანდრო ვოლტას დაბადებამდე 2000 წლით ადრე იწყება, რომელიც 1938 წელს ბაგდადთან ახლოს აღმოაჩინა ვილჰელმ კენიგმა. ეს უცნაური ნივთი, რომელიც დღესაც უამრავ კითხვებს ბადებს , ბაგდადის ელემენტი (Baghdad Battery ) იყო, რომელიც თიხის ჭურჭელში მოთავსებული სპილენძის და რკინის ღერძისგან შედგებოდა. როდესაც ბაგდადის ელემენტის ანალოგში ძმარი ჩაასხეს, მან 1,1 ვოლტი გამოიმუშავა. ბაგდადის ელემენტის გამოყენების კონკრეტული სფერო უცნობია, თუმცა მეცნიერთა აზრით, მას იყენებდნენ სპილენძის მოოქროვებისთვის გალვანიზაციის მეთოდით, რა ტექნოლოგიაც დღეს ფართოდ გამოიყენება.

აკუმულატორები ინტერესის სფეროს არ წარმოადგენდა , სანამ დინამო-მანქანა არ შექმნეს, რადგან მათი დამუხტვა ახლა გაცილებით მარტივი იყო.
ტექნოლოგიურმა წინსვლამ კი აუცილებელი გახადა შედარებით უკეთესი ქიმიური ელ. დენის წყაროს შექმნა, რომლის სრულყოფა დღემდე მიმდინარეობს.
აკუმლატორის მუშაობის პრინციპი დაფუძნებულია ელექტროდებზე, რომლებიც დადებით და უარყოფით პოლუსს წარმოადგენენ და გამოყენებულ ნივთიერებაზე, ანუ ელექტროლიტზე.
ელექტროლიტი გახლავთ ნივთიერება, რომელიც ატარებს ელ. დენს იონიზაციის პროცესის დახმარებით,ანუ ელექტროდენს შორის ხდება იონთა მიმოსვლა. ელექტროლიტებია მჟავა და ტუტე თვისების მქონე ნივთიერებები(მაგ:ციტრუსების წვენი, ლიმონი, ფორთოხალი, ძმარი....)
აკუმლატორების მუშობის პრინციპი ეფუძნება ელექტროლიტში იონების მიმოსვლას დადებითი (კათოდი) და უარყოფით(ანოდი) პოლუსებს შორის, დამუხტვის შედეგად კი იონთა კონცენტრაციის აღდგენას.
მაგალითისთვის ავხსნათ ტყვიის აკუმლატორის მუშაობის პრინციპი:
ტყვიის აკუმლატორი შედგება ტყვიის ფირფიტებისგან, სადაც ტყვია და ტყვიის დიოქსიდით არის წარმოდგენილი ანოდი და კათოდი, რომლებიც გოგირდმჟავაშია მოთავსებული.
ელ. ენერგია წარმოიქმნება ტყვიის ოქსიდის და გოგირდმჟავას ზემოქმედებით სულფატამდე.
ტყვიის აკუმლატორში ერთდროულად მიმდინარეობს 60 რეაქციაზე მეტი, რომელთგანაც განვიხილავთ კლასიკურ მაგალითს:
განმუხტვის დროს ხდება კათოდზე ტყვიის დიოქსიდის აღდგენა(ანუ მიიერთა ელექტრონები) და დაჟანგვა(ელექტრონების გაცემა) ტყვიის ანოდზე. დამუხტვისას პროცესი მიმდინარეობს პირიქით.
მსგავსი დაჟანგვა-აღდგენის პრინციპი ეფუძნება აკუმლატორებს, სადა ელექტროლიტში მიმდინარეობს რეაქციები.
აკუმლატორის მახასიათებლები დამოკიდებულია შემდეგ მაჩვენებლებზე: კომპაქტურობა და ტევადობის შეფარდება, სამუშაო ტემპერატურის ოპტიმალური შუალედი, თვითგანმუხტვის მაჩვენებელი , რადგან რაც ნაკლებია თვითგანმუხტვა, აკუმლატორი მით მეტხანს ინარჩუნებს მუხტს(მაგ: li-ion-ის თვითგანმუხტვა ბევრად დაბალია ni-cd ზე)
აკუმლატორების უამრავი ტიპი არსებობს, მათგან კი ყველაზე ფართოდ გამოყენებადი ლითიუმ იონის და ლითიუმ პოლიმერის გახლავთ. li-ion აკუმლატორი 1940-იან წლებში შეიქმნა, სერიულად კი გამოჩნდა 1991 წელს, რომელსაც ფართოდ იყენებენ ელ.ხელსაწყოებსა თუ ტექნიკაში.

li-ion ის აკუმლატორებმა ჩაანაცვლეს ნიკელ კადმიუმის აკუმლატორები, რომლებსაც მახსოვრობის ეფექტი გააჩნდათ, ეს კი დღვანდელ ტექნიკასთან პრაქტიკულად შეუთავსებელია. Ni-cd აკუმლატორს ყოველ 1-2 თვეში ერთხელ უნდა განმუხტვა, რადგან მახსოვრობის ეფექტი იწვევს აკუმლატორის ტევადობის შემცირებას, თუმცა ამ ტიპსაც გააჩნია მისი დადებითი მხარეები.
განვიხილოთ li-ion ის აკუმლატორები და მათი სწორი ექსპლუატაცია:
1) როგორ შევინახოთ li-ion აკუმლატორი, რადგან არასწორი შენახვა ახალ ლითიუმ-იონის აკუმლატორსაც უმცირებს ექსპლუატაციის ვადას
li-ion აკუმლატორს არ გააჩნია მახსოვრობის ეფექტი, მაგრამ შენახვა ელემენტის მოითხოვს მის წინასწარ მომზადებას: ვმუხტავთ ელემენტს 40-70 %-ზე და ვინახავთ გრილ ადგილას. შენახვისთვის ოპტიმალურია 5 ⁰C, რა დროსაც აკუმლატორის თვითგანმუხტვა ყველაზე ნაკლებია და არ მცირდება ექსპლუატაციის ვადა.
მაჩვენებლები 40% და 100%-ზე დამუხტვის დროს:
⁰C--------40%-თვითგანმუხტვა---100% თვითგანმუხტვა
0 ⁰C--------------2% თვეში-------------6%
25 ⁰C-------------4%თვეში-------------20%
40 ⁰C------------15%თვეში------------35%
60 ⁰C------------25%თვეში------------40%

საშუალოდ li-ion აკუმლატორის შენახვის ვადა არის 2-3 წელი ოპტიმალურ ტემპერატურაზე, ცხრილის მიხედვით კი, 100% ზე დამუხტვას აზრი არ აქვს, რადგან უფრო სწრაფად განიმუხტება ვიდრე 40%-ით დამუხტული.
ხანგრძლივი შენახვისას კი, სასურველია პერიოდული კონტროლი აკუმლატორის ყოველ 7-9 თვეში, რადგან თვითგანმუხტვის გამო საჭიროებს პერიოდულ დამუხტვას.
Li-ion-ის აკუმლატორის 40-70% დამუხტვის ინტერვალის ზუსტი იდენტიფიცირება ძნელია მობილურ ან სხვა ტექნიკაში, სადაც დამუხტვის მაჩვენებელი უფრო სწრაფად აღწევს მაქსიმუმს, როდესაც აკუმლატორი დამუხტული ჯერ არცაა სასურველ დონემდე, ამიტომ, ოპტიმალურია აკუმლატორის სრულად დამუხტვა და სასურველ მაჩვენებლამდე განმუხტვის შემდეგ მათი შენახვა. როდესაც ვაპირებთ შევინახოთ li-ion აკუმლატორი, ტემპერატურული რეჟიმის გათვალისწინებაც სასურველია და გამოთვლის გზით ტევადობის შემცირებისას მისი დამუხტვა 40-დან 70% მდე შუალედში.

2) li-ion ის აკუმლატორების სწორი ექსპლუატაცია:
li-ion ის ტიპის აკუმლატორები ვერ იტანენ ბოლომდე განმუხტვას და „გადამუხტვას“, რადგან განიცდიან ამორტიზაციას, ეს ამცირებს დამუხტვა განმუხტვის ციკლს, რაც საშვალოდ 1000-ს შეადგენს. თუმცა, ეს პრობლემა არ ეხება ახლანდელ li-ion ტიპის აკუმლატორებს, რადგან ინტეგრირებულია სისტემა BMS-ით (კონტროლერი დამუხტვა-განმუხტვის) რომლითაც აღჭურვილია ყველა აკუმლატორი, ემსახურება შემდეგს : როდესაც აკუმლატორი განიმუხტება 15-20 %-მდე, დენის მიწოდება წყდება აკუმლატორიდან და დამუხტვისას 95%-ს როდესაც გადააჭარბებს მაჩვენებელი, ხდება დამუხტვის შეწყვეტა, მაგრამ ეს არ ნიშნავს იმას, რომ ლეპტოპი იქნება თუ მობილური, დატოვებული იქნას ხანგრძლივად დამუხტვის შემდეგ.
ამ ტიპის აკუმლატორის უარყოფითი არის შენახვის პირობები და სამუშაო დიაპაზონი 0-დან +60 გრადუსამდე , უარყოფით ტემპერატურაზე კი დამუხტვა შეუძლებელია, დაბალ ტემპერატურაზე დამუხტვისას აკუმლატორის მუშობის ხანგრძლივობა მცირდება .
მომდევნო ტიპი აკუმლატორის, რომელსაც მახასიათებლები უფრო გაუმჯობესებული აქვს, არის Li-polymer-ეს გახლავთ li-ion -ის მოდიფიცირებული ვერსია, რომელსაც ფართოდ იყენებენ ტექნიკაში შემდეგი მახასიათებლების გამო:
მოცულობა/ტევადობის შეფარდებით, იგი 2 ჯერ ძლიერია იმავე ზომის li-ion აკუმლატორზე.
დაბალი თვითგანმუხტვა
უმნიშვნელო ცვლილება დენის ძალის (ამპერი) განმუხტვისას, რა თვისების ხარჯზეც შესაძლებელია იმავე ძალის მიღბა აკუმლატორის ტევდადობის 20-30%-ზეც კი.
მუშაობის ტემპერატურული დიაპაზონი: -20 დან +40 გრადუსამდე, რაც li-ion-ის მახასიათებელთან შედარებისას, შთამბეჭდავია.
დამუხტვა განმუხტვის ციკლი საშუალოდ იმავე აქვთ, რამდენიც მის წინაპარს-1000 დამუხტვა/განმუხტვა.

li-ion და li-polimer აკუმლატორების ყიდვისას, მისი შენახვის სპეციფიკაციებიდან გამომდინარე სასურველია თუ არ შეიძენთ 2 წელზე მეტი ხნის განმავლობაში შენახულ აკუმლატორს, რადგან ისინი ამორტიზაციას განიცდიან, როდესაც ხანგრძლივად არ გამოიყენება.
ლითიუმის აკუმლატორის დახვეწა დღემდე მიმდინარეობს, სადაც მისი შიდა სტრუქტურული ცვლილება ზრდის აკუმლატორის მახასიათებლებს და ტევადობას, რადგან დღვანდელი ელ. ენერგიის ტევადობის მაჩვენებელი არ არის საკმარისი თანამედროვე ტექნიკისთვის.