Elektrické a úžitkové vlastnosti komerčných primárnych alkalických článkov

Nezávislý test reálnych vlastností článkov renomovaných a lacných značiek

Termín batéria v hovorovom i technickom slangu prebral význam pojmu elektrochemický článok. Avšak, ako je možné nájsť i v Oxfordskom slovníku pod heslom battery (of something), vyjadruje spojenie dvoch alebo viacerých článkov, spravidla rovnakého typu. Preto je možné stretnúť sa u výrobcu toho istého článku s pojmom battery v užívateľskom popise a s pojmom cell v technickom liste.

Primárne články nie je potrebné zvlášť približovať, sú štandardnými napájacími komponentmi spotrebných 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 sveta je možné vniesť fyzickou analýzou ich vlastností, čo je zároveň i jadrom tohto príspevku. Nie je dôvodné pochybovať, ale overiť 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 regulérne vystavené prehlásenie o zhode. Spotrebiteľa k ich kúpe vyzývajú výrazy ako „Super energy“, „Super power“, „Ultra“ či „Extra“. 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 ku 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.

Teoretický úvod

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 vybiehajúcim zinko-uhlíkovým (Zn-C) článkom je podstatne vyššia využiteľná energetická kapacita ako aj prúdová zaťažiteľnosť. 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 (u 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 (u kvalitného primárneho článku do 300 mΩ). Zapojením článku do obvodu so záťažou sa napätie na jeho svorkách zníži o úbytok napätia na vnútornom odpore: 

kde R_v je ekvivalentný vnútorný odpor článku a I prúd obvodom. Meraním v aspoň dvoch bodoch zaťažovacej charakteristiky je možné elimináciou elektromotorického napätia článku ho číselne vyjadriť ako záporný prírastok, resp. úbytok napätia na svorkách článku v dôsledku nárastu prúdu vyvolaného znížením odporu DC záťaže:

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 R_v = f (I_z, C_využ, t_skl), 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 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 sa jedná 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 doby vybíjania. Watthodinová (Wh, energetická) kapacita je zakomponovaním napätia na svorkách zaťaženého článku už nositeľom informácie o využiteľnej energii. Nakoľko je veľkosť tohto napätia premenná s vyťaženým nábojom, je potrebné toto napätie merať s dostatočnou frekvenciou. Energetickú kapacitu je potom možné vyčísliť podľa:

kde ½(U_i + U_i-1) je stredné napätie na svorkách článku počas jeho vybíjania konštantným prúdom I_z 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 nijako nekončí, zahŕňa nemenej dôležitú dlhodobú skladovateľnosť, teplotnú stabilitu, odolnosť voči povestnému vytekaniu, ktoré môže spôsobiť až poškodenie samotného zariadenia chemickou koróziou a ďalšie. Všetky uvedené technické vlastnosti elektrochemických článkov determinujú ich životnosť a spoľahlivosť v elektronickom zariadení spotrebiteľa. [1], [2], [3]

Test vybraných parametrov alkalických elektrochemických článkov

Testovanie elektrických vlastností elektrochemických článkov vyžaduje technické vybavenie pre meranie základných elektrických parametrov a tiež regulovateľnú záťaž. V tejto štúdii bola použitá elektronická DC záťaž IT8511 spoločnosti ITECH, multimeter Agilent 34411A a predmetom merania boli primárne alkalické elektrochemické články typu LR6 (AA) piatich renomovaných značiek a šiestich typov článkov predávaných na spotrebiteľskom trhu pod neznámou značkou, resp. pod značkou obchodného reťazca. V prvej kategórii sa nachádza viacero ďalších významných článkov s cenovou reláciou podľa značky a pokročilosti použitej technológie 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 kategóriu článkov, ktoré však vykazujú zjavné známky podvodnej konštrukcie. Majú pochybný pôvod a možno ich bez akéhokoľvek merania identifikovať typicky výrazne nižšou hmotnosťou (u jedného typu článku pochádzajúceho z ponuky nemenovaného známeho obchodného reťazca iba necelých 60 % a bolo ho možné mechanicky deformovať voľným stlačením). Nie je neobvyklé, ak nemajú dodržané ani rozmerové tolerancie. Takéto články preto pre test neboli uvažované.

Pre porovnanie bolo do testu zahrnuté po jednom článku rovnakého formátu, avšak odlišného chemizmu, a to klasický ZnC článok a sekundárny NiMH článok. Ich úžitkové vlastnosti však nie sú rozoberané, slúžia pre ilustráciu odlišností ich charakteristík a energetickej výťažnosti.

Teplota pracovného okolia bola počas testovania udržiavaná na úrovni 21 ±0,5 °C, pričom charakteristiky výrobcov príslušných článkov sú uvádzané pre teplotu 20 alebo 21 °C.

Meranými a vyhodnocovanými parametrami sú napätie naprázdno a predovšetkým pod zaťažením v rozsahu dovolených zaťažovacích prúdov, zaťažovacia charakteristika, vnútorný odpor (dvojbodový a charakteristika), Ah (nábojová) a Wh (energetická) kapacita.

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).

Graf 1. Zaťažovacia charakteristika vybraných typov alkalických článkov (s porovnaním pre ZnC a NiMH) v rozsahu zaťažovania vybíjacím prúdom 0,05 – 1 A

Graf 2. Viacbodová charakteristika vnútorného odporu vybraných typov alkalických článkov (s porovnaním pre ZnC a NiMH) v rozsahu zaťažovania vybíjacím prúdom 0,05 – 1 A

Graf 3. Zaťažovacia charakteristika alkalického elektrochemického článku Varta Longlife 4106 v rozsahu zaťažovania vybíjacím prúdom 0,05 – 1 A v porovnaní s článkom vyťaženým prúdom 1 A do napätia 0,8 V

Zaťažovacie charakteristiky vypovedajú o vzájomnej konformnosti 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. Z porovnania s klasickými ZnC článkami je zároveň zrejmé, že tieto nie sú vhodné pre zaťaženie prúdmi väčšími ako 0,25 A. Naproti tomu sekundárne články NiMH typu sú vzhľadom na nižší vnútorný odpor (graf 2) tzv. tvrdšími zdrojmi.

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

Porovnanie zaťažovacej charakteristiky pred a po vyťažení 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 hodnoty 0,28 na 0,32 Ω (tab. 2).

Od vlastností technických je vhodné prejsť ku vlastnostiam užívateľsky praktickým, ku ktorým nepochybne patrí využiteľná kapacita. V nasledujúcich testoch bola na základe merania napätia na článkoch zaťažených konštantným prúdom vyhodnotená nábojová (Ah) i energetická (Wh) využiteľná kapacita (graf 4 a 5).

Graf 4. Nábojová využiteľná kapacita vybraných typov alkalických článkov (s porovnaním pre ZnC a NiMH) vyťažených vybíjacím prúdom 0,25, 0,5 a 1 A do napätia 0,8 V

Graf 5. Energetická využiteľná kapacita vybraných typov alkalických článkov (s porovnaním pre ZnC a NiMH) vyťažených vybíjacím prúdom 0,25, 0,5 a 1 A do napätia 0,8 V

Graf 6. Energetická využiteľná kapacita alkalického elektrochemického článku Varta Longlife 4106 vyťaženého vybíjacím prúdom 0,25, 0,5 a 1 A do napätia 0,8 V vo vyjadrení parciálnych Wh kapacít na príslušné 0,05 V úbytky napätia

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

Exkluzívny pohľad na využiteľnú kapacitu článku je možné vytvoriť spracovaním vybíjacích kriviek do tvaru závislostí parciálnych energetických kapacít na príslušné úbytky napätí na článkoch. 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 (spravidla viacčlánkovej batérie) je viac ako 1 V, pretože takmer tretina využiteľnej energie sa nachádza pod touto hranicou. U niektorých výkonových aplikácií pri zaťažovacom prúde 1 A je to už polovica.

Zo súhrnnej bilancie výsledkov testu v tab. 2 je zrejmé, že zo strany uvedených nerenomovaných značiek sa nie je možné v zmysle využiteľnej energie vyjadriť o akejkoľvek ujme pre spotrebiteľa. U niektorých alkalických článkov to indikujú aj viaceré dostupné recenzie. Vynikajúco z týchto testov vyšli články Aerocell, a to aj v pomere ceny za jednotku využiteľnej energie. Disproporcia je skôr v prípade článkov Energizer Alkaline Power, Duracell Simply MN 1500 Alkaline a GP Ultra+ Alkaline, u ktorých výrobcovia zvučných mien v niekoľkonásobnej cene aktuálneho priemeru premietli skôr meno značky, než akokoľvek vyššiu využiteľnú kapacitu.

Graf 7. Bilancia energetickej využiteľnej kapacity alkalických elektrochemických článkov typu LR6 (AA) vyťažených nominálnym vybíjacím prúdom 0,25 A do napätia 0,8 V

Graf 8. Bilancia efektívnej ceny alkalických elektrochemických článkov typu LR6 (AA) vyťažených nominálnym vybíjacím prúdom 0,25 A do napätia 0,8 V

Pre koncového užívateľa je zrozumiteľnejší náhľad vo forme pruhových grafov (graf 7 a 8), z ktorých sú zrejmé jednotlivé proporcie a ktoré môžu byť vhodným štatistickým podkladom pre výber konkrétneho modelu článku.

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 rámec tejto štúdie, zameranej predovšetkým na hodnotenie elektrických vlastností.

Prvotnou motiváciou vypracovania štúdie bola príprava učebných materiálov pre výučbu manažmentu napájania v rámci študijných programov na FEI TU v Košiciach, avšak jej technický i užívateľský ráz bol motívom pre publikáciu širšej odbornej i spotrebiteľskej verejnosti.

Tab. 1. Základné informácie vybraných typov primárnych alkalických článkov typu LR6 (AA) (s porovnaním pre ZnC a NiMH)

Tab. 2: Bilancia elektrických vlastností a ceny vybraných typov primárnych alkalických článkov typu LR6 (AA) (pre ilustráciu aj s porovnaním pre ZnC a NiMH)

The area of interest is a problematics of alkaline primary cells from electrical and end-user point of view. Technical introductory part defines the terminology and main characteristics. Instead of commercial information and reviews, the valuation of electrical properties is based on complex electrical measurements at a set of commercial cells. The results are mathematically and graphically processed, illustrative compared and discussed.

Ing. Slavomír Kardoš, PhD.
je odborným asistentom na Katedre technológií v elektronike so špecializáciou na montážne a prepojovacie technológie v elektronike, mikroelektronické senzory a manažment napájania elektronických obvodov. Inžinierske štúdium ukončil v roku 1998 v odbore Materiálové inžinierstvo a PhD. titul obhájil v roku 2007 v odbore Elektrotechnológia a materiály.

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.