Najdete je prostě všude; ve vašem iPhonu, hodinkách, notebooku a třeba i ve sluchátkách. Řeč je pochopitelně o akumulátorech, které dodávají energii veškeré mobilní technice. Práce s nimi se může zdát být nad slunce jasná, ale přesto dělá spousta uživatelů chyby, kterými akumulátory ničí.
Chci se zaměřit zejména na běžnou spotřební elektroniku, se kterou přicházíte do kontaktu každý den. Velmi obecně se dají do tohoto pojednání zahrnout i baterie elektromobilů a modelářské RC baterie, jde totiž stále o chemické články, ale výše zmíněné mají svá specifika, na která se nesmí zapomínat.
Na začátek je třeba udělat pořádek v názvosloví, protože v obecné češtině je akumulátor a baterie totéž. Byť striktně technický popis hovoří jinak. V textu si tedy dovolím používat zaběhlé termíny, které jsou sice technicky špatně, ale budete jim rozumět. Začnu s termínem primární článek: jde o chemický elektrický zdroj na jedno použití. Označuje se také jako galvanický článek. Po vybití je tedy článek dále nepoužitelný a je určen k likvidaci. Nejklasičtější je jednoznačně článek AA, který máte třeba v ovladači od televize. Velkou výhodou je bezproblémové skladování, protože primární články mají až extrémně nízké samovybíjení. Druhý důležitý termín je akumulátor: velmi obecně jde o zařízení schopné uchovávat a opakovaně vydávat a přijímat energii. V našem případě myslíme tedy hlavně elektrickou energii a pak je možné používat i termín – sekundární článek. Akumulátor máte v telefonu, v hodinkách, ale jde třeba i o nabíjecí článek AA atd. A poslední důležitý termín je baterie: technicky přesně jde o skupinu primárních nebo sekundárních článků spojených do jednoho celku. Nejčastěji se články zapojují do série, kvůli vyššímu výstupnímu napětí, ale pokud si to situace žádá, mohou být články řazeny i paralelně, či kombinovaně. Krásným příkladem budiž klasická autobaterie – její výstupní napětí činí 12 V a je toho docíleno spojením šesti článků s napětím asi 2,1 V. Takže „tužkovka“ a akumulátor ve vašem iPhonu nejsou baterie, ale články. Nicméně termín baterie se vžil v takové míře, že jej budu také používat, byť technicky nesprávně.
Všechno je to chemie
Na jednu stranu je u baterií a článků znát neuvěřitelný pokrok, na druhou stranu se princip fungování od vytvoření prvního Voltova článku kolem roku 1800 změnil jen kosmeticky. Každý článek tvoří zpravidla dvě elektrody: kladná a záporná. A mezi elektrodami je elektrolyt, tedy řekněme prostředí. Dnes nejčastěji ve formě jakéhosi gelu, ale může jít i o kyselinu, či jinou kapalinu, plyn, nebo vakuum.
Baterie tedy fungují na základě řízené, chcete-li kontrolované, chemické reakce. U primárního článku jde o reakci jednosměrnou, u akumulátorů musí být z principu věci chemická reakce obousměrná: při vybíjení proběhne jedna chemická reakce a při opětovném nabíjení proběhne obrácená reakce, která vrátí věci do původního stavu. A z toho celkem jasně vyplývá, proč se akumulátory opotřebovávají: nikdy totiž není možné přesně řídit chemickou reakci tam a zpět. Je to jako rozpustit mýdlo ve vodě, pak odpařit vodu a získat zpět mýdlo, to pak zase rozpustit… Pokud to budete dělat večer co večer (ano, tohle je narážka na každovečerní nabíjení iPhonu), tak za tři roky rozhodně nedostanete to mýdlo, co jste měli na začátku.
Do hry dále vstupuje teplota: když něco zahřejete, probíhá chemická reakce jinak a mohou spolu reagovat prvky, které by si za běžné teploty jeden druhého ani nevšimly. A svou roli má pochopitelně i chemická čistota použitých prvků. Každý nevítaný atom narušuje chemickou reakci a dělá neplechu při nabíjení i vybíjení.
Přesná chemická konstrukce je do jisté míry také výrobním tajemstvím, Li-Ion článek není pokaždé stejný, může se výrobce od výrobce lišit v drobnostech, které zajišťují stálejší a předvídatelnější chemické reakce a tím pádem i delší životnost.
Krátká exkurze do technologií
V segmentu spotřební elektroniky se nejčastěji setkáte se třemi technologiemi baterií: NiMH, Li-Ion a Li-Pol. Technologii NiMH (Nikl-metal hydridový akumulátor) si dnes pravděpodobně nejvíce spojíte s nabíjecími články AA, ale používaly se také v telefonech, kdy se tři články se jmenovitým napětím 1,2 V spojily do baterie s kapacitou 3,6 V. Nebudu vás obtěžovat chemickým rozborem. Důležité jsou klíčové vlastnosti: články jsou levné, snadno vyrobitelné a dlouho si drží napětí 1,2 V, téměř až do vybití. Dají se bez problémů vybíjet až do nuly, aniž by to nějak degradovalo článek. Je super, že se dají provozovat s minimem elektroniky, nabíječky baterií AA jsou opravdu jednoduché a příliš toho nehlídají. Na druhou stranu, pokud koupíte lepší nabíječku baterií AA, která třeba hlídá teplotu a více reguluje nabíjecí výkon, mohou vám pak články vydržet hodně dlouho. Velkou nevýhodou je poměrně rychlé samovybíjení, které se může pohybovat okolo 15 až 30 %. Nicméně třeba legendární Panasonic Eneloop udrží až 70 % kapacity po dobu 5 let. Mám je v blesku hromadu let a jsou to neskutečné držáky. Pro telefony a hodinky není NiMH technologie už tak zajímavá, články je obtížné vyrobit v tenkých profilech, které si moderní doba žádá, a to už vůbec nemluvím o nějakých nepravidelných a dělených tvarech. Z formátu AA nebo AAA ale NiMH jen tak někdo nevyštípe.
Z mobilů, sluchátek a hodinek však budete znát spíše technologii Li-Ion a Li-Pol. Lithium-iontový akumulátor je o něco starší a velmi rozšířený typ, Lithium-polymerový akumulátor je o něco novější a dá se označit za evoluci Li-Ion. Obě technologie pracují na podobném principu, ale rozdíly zde pochopitelně jsou.
Li-Ion aktuálně nejčastěji uvidíte ve formě „buřtů“ 18650 a jejich dalších odvozenin. Nicméně ty tvary mohou být všelijaké: Li-Ion najdete v telefonech, noteboocích, powerbankách atd. Jmenovité napětí článku činí 3,6 V. V plném nabití je to 4,2 V, bezpečné vybití má hranici 3 V. Pokud však klesne napětí pod 2,7 V, dochází k nevratným ztrátám kapacity a článek se pak musí docela složitě oživovat. Silnou stránkou je velmi malé samovybíjení, udává se 3 až 5 %. Dále jsou články schopné dodávat vysoké proudy a krátkodobě pracovat i ve zkratu. To ale pochopitelně záleží od konstrukce každého článku. Problematické je stárnutí akumulátoru, které probíhá úplně samo, bez ohledu na to, jestli je používaný nebo jen uskladněný. Stárnutí pochopitelně urychluje vybíjením vysokými proudy, ale také zbytečným držením akumulátoru v plném nabití. Ještě horší je ale úplné vybití článku a ponechání jej v tomto stavu.
Li-Pol články se s Li-Ion v mnohém shodují, mají stejné napětí a také špatně snáší vybití pod 2,7 V. Opět nebudu probírat přesné chemické složení, ale je třeba zmínit zásadní rozdíl mezi Li-Ion a Li-Pol. Li-Ion používá jako elektrolyt vodivou lithiovou sůl v organickém rozpouštědle, technicky jde o velmi viskózní kapalinu. Důležitou součástí je i tzv. separátor, který odděluje katodu a anodu, aby nedošlo ke zkratu. Li-Pol nepoužívají kapalný elektrolyt, ten má strukturu polymerního filmu, takže není potřeba separátor. Díky tomu mohou být Li-Pol články velmi tenké, částečně pružné, případně se dají vytvarovat. Jistě si vzpomenete na různě poohýbané telefony, nebo dokonce náramky s baterií omotanou kolem zápěstí. Li-Pol také o něco lépe snáší stárnutí, články jsou však náchylnější na mechanické poškození, protože kvůli chybějícímu separátoru dochází při proražení pláště ke zkratu. Trpí také na zvyšující se tlak, takže se na konci života umí nafouknout, což se vám mohlo stát třeba u Apple Watch, kdy nafouklá baterie vytlačí displej.
Co tedy bateriím škodí?
Jednoznačně největší mýty panují stran nabíjení, které se přenáší ještě z dob, kdy se používaly NiMH baterie, těm totiž nejvíce vyhovuje naplno je nabít a pak vybít. Radilo se také nenabíjet třeba při 50% stavu, ale k tomu spíše není důvod. NiMH články snesou opravdu šílené zacházení a pokud si třeba na baterie AA koupíte nějakou lepší nabíječku, budou sloužit dlouho a dobře.
Pravým opakem jsou články Li-Ion a Li-Pol, ty se bez kontrolní elektroniky neobejdou. Čip, který hlídá nabíjení a vybíjení, je buď přímo součástí baterie, nebo je v zařízení. U lithiových článků je třeba velmi hlídat teplotu, to je totiž kritický parametr. A teď to zásadní: lithiovým bateriím nevadí nabíjení v jakékoli úrovni nabití. Jestli nabíjíte baterii od půlky nebo do půlky, je fakt jedno, opotřebovává se stejně málo. Škodí jí dlouhodobé připojení k nabíječce a držení na 100 %, což ale většina moderní techniky řeší různými softwarovými fintami. Zařízení se učí, kdy jej sundáváte z nabíječky a třeba posledních 20 % nabije až těsně před tím, než vstanete. Čím ale lithiové články zničíte bezpečně, je hluboké vybití. Netřeba panikařit, když telefon zahlásí 0 % a vypne se. Většinou má ještě nějakou rezervu, právě jako ochranu před poškozením. Když ale takto vybitý telefon necháte v šuplíku několik dní, tak jste baterku prostě popravili.
Krásný mýtus panuje také kolem tzv. cyklů baterie. Plný cyklus se počítá od vybití do plného nabití, což je v praxi téměř nerealizovatelné. Proto se cyklus počítá z mikrocyklů, tedy z kombinací samovybíjení, nabíjení a vybíjení. Popohnání baterie ze 30 % na 60 % se nepočítá jako jeden cyklus, ale jen část cyklu. Jak je daný cyklus počítán, je záležitostí jednak typu baterie, ale také specifikací výrobce, a ne vždy je tato informace úplně jasná. Většinou se udává počet cyklů, který baterie zvládne, než dojde k poklesu kapacity, ten pokles je opět definován výrobcem. Jenže šetřiví jedinci se snaží využít cyklus na maximum v domnění, že baterii pomáhají; pak trápí lithiové články do nuly a nechávají je dlouho na nabíječce v plném nabití. Články se tím ničí a na cyklech stejně nic nenaženou. Počítání cyklů je hlavně věcí ochrany. Pokud baterie rychle ztrácí kapacitu a má minimum cyklů, je jasné, že je něco špatně. A starší baterii s hromadou cyklů zase elektronika pohlídá, aby se nenabíjela příliš vysokými proudy.
Svůj vliv má pochopitelně i teplota. Nízké teploty zpomalují chemické reakce a tím pádem u článku klesne napětí. Z fyziky si možná vzpomenete na výpočet výkonu, což je napětí krát proud. A pokud se telefon dožaduje nějakého výkonu a klesne napětí, začne logicky odebírat vyšší proud. Tím se pochopitelně baterie o něco více opotřebovává. V mrazu je tedy lepší telefon netrápit hraním her a renderováním videa. Jistě jste zažili, že se vám telefon v mrazu vypnul, to je dáno tím, že právě kvůli poklesu napětí musela dávat baterie značené proudy, které už prostě byly za hranicí jejích možností. Tady hodně záleží na tom, v jaké kondici článek je. NiMH typicky začnou zlobit okolo 5 °C. Li-Ion a Li-Pol vydrží obvykle fungovat ještě při teplotě -10 °C. Vysoká teplota je pochopitelně také problém, Li-Ion a Li-Pol mají bezpečný strop u 50 °C, teoreticky vydrží až 60 °C. Nad touto teplotou dochází k nevratnému poškození článku. Nabíjením v autě bez klimatizace a třeba při navigaci dáváte tedy telefonu řádně zabrat. A provozování baterie u této hraniční teploty jí rozhodně neprospívá.
Nejlepší je nabíjet akumulátory při pokojové teplotě, teplota jejich vybíjení (používání) je o dost volnější. Vykašlete se na levné superpomalé nabíječky, které nemají parametry, které vyžaduje výrobce. Opatrně také se supervýkonnými nabíječkami, byť jsou přímo od výrobce. Třeba 120W nabíječka na telefon opravdu funguje, ale nechci vidět stav baterky po roce používání. Je lepší držet baterky spíše nabité než vybité. Pro uskladnění se udává ideálně 60 % až 80 %. Pokud se článek nafoukne, je třeba jej zlikvidovat, protože se může uvnitř zařízení o něco propíchnout a začít hořet. A hlavně, pokud baterie doslouží, její místo rozhodně není v běžném směsném odpadu, ale na specializovaném sběrném místě.
