Primární galvanické články a jejich porovnání

Primární galvanické články a jejich porovnání

Každý z nás občas potřebuje koupit nový primární galvanický článek – lidově baterii nebo také baterku. V regálu obchodu bývá vystaveno deset či dvacet typů těchto článků a prodavač se ptá, jaký si přejete. Je-li člověk trochu odborník, většinou zná alespoň označení velikosti a snad ví i to, že si přeje článek s kyselým elektrolytem nebo alkalický článek. Tím se výběr zúží na několik typů od různých výrobců a za různou cenu. Dál už lze vybírat buď podle známého reklamního sloganu z televize, nebo podle stavu peněženky. Horší případ nastává, když si pro „baterku„ přijde v této technické situaci bezradná stařenka, navíc obvykle s poloprázdnou peněženkou, a je vydána na milost a nemilost tržnímu přístupu prodavače.
Tento scénář se víceméně stále opakuje, a proto bych se chtěl alespoň pokusit vnést spotřebitelům do této, na první pohled primitivní problematiky trochu jasno. A protože povinností učitele na vysoké škole, kde pracuji, je být objektivním rádcem, vznikly podklady k tomuto příspěvku testováním článků, které byly zakoupeny v běžné distribuční síti u několika prodejců a kdy měření na článcích odpovídala platným technickým normám. Dovolte mi tedy tento příspěvek koncipovat pro běžného spotřebitele bez uvádění technických podrobností konstrukce a vnitřního uspořádání galvanických článků. Zmíním jen ty, které s jejich používáním bezprostředně souvisejí.

Začněme přehledem toho, co na trhu lze koupit. Zdůrazňuji, že se budeme zabývat jen primárními články, a ne akumulátory, tj. sekundárními nabíjecími články. Zmíníme druhy článků podle aktivních materiálů, velikosti a tvaru, jejich provedení a také uživatelské vlastnosti. V závěru na několika příkladech naměřených vlastností ukážu na vhodnou oblast jejich používání.

Z historie je známo, že první provozuschopný, tzv. suchý článek sestavil francouzský fyzik Leclanché skoro před dvěma sty roky a tato koncepce se v podstatě používá u článků s kyselým elektrolytem dodnes. Aktivními elektrodami jsou zinek a oxid manganičitý (burel). Elektrolytem původně byl vodný roztok chloridu amonného (salmiaku) a jako kolektor, tj. sběrná elektroda, funguje uhlíkový roubík opatřený kovovou kontaktní čepičkou. Zinková elektroda článků válcového tvaru má tvar kalíšku, který současně tvoří nosný obal článku. Uvnitř je uložena tzv. panenka, tj. systém, ve kterém je okolo sběrného uhlíkového roubíku uložen burel ve fixačním obalu, a zahuštěný roztok salmiaku. V horní části je článek hermeticky uzavřen nevodivým uzávěrem. Nevýhodou tohoto složení jsou agresivní vlastnosti salmiaku k zinkové nádobce, takže za určitou dobu (i při nečinnosti článku) dochází k proděravění zinkového kalíšku a vylití elektrolytu. Tomuto nepříjemnému jevu je možné čelit několika způsoby. V modernějších typech článků je místo chloridu amonného méně agresivní chlorid vápenatý, který významně snižuje samovybíjení článku. Navíc bývá článek opatřen ještě vnějším pláštěm z pokoveného ocelového plechu, který i při proleptání vnitřního zinkového kalíšku zabrání vytečení elektrolytu. Obecně jsou články Leclanchova typu označovány jako zinkochloridové, ve starších pramenech také zinkouhlíkové (podle vnějšího vzhledu elektrod). Snad jen pro připomenutí: vnitřní elektroda (uhlíková) tvoří kladný (+) pól a vnější obal záporný (–) pól článku.

Obr. 1. Zatěžovací charakteristiky článků R6 – kontinuální zatěžování (10 Ω) grafy R6

Jako elektrolyt je možné v článku použít také zásaditou substanci – v praxi je to vodný roztok hydroxidu draselného. Současně používaná konstrukce alkalického primárního článku vznikla v minulém století. Snahou konstruktérů bylo co nejvíce vylepšit užitné vlastnosti článku a naopak co nejvíce potlačit nevýhody známé ze zinkochloridových článků. Přestože materiály obou elektrod, které se podílejí na proudotvorné reakci, tj. zinek a burel, zůstaly stejné, zásadně se změnilo vnitřní uspořádání článku. Zinek v podobě slisovaného prášku je umístěn ve středové části válcového pouzdra, burel na vnější straně. Výhodou je větší aktivní plocha elektrod, a tím větší získatelná energie (asi dvojnásobná) z článku v porovnání se stejně velkým zinkochloridovým článkem. Konstrukce je pro zachování shodné polarity vnějších kontaktů článku se zinkochloridovými poněkud složitější. Také jmenovité napětí článku je přibližně stejné. Hydroxid draselný je proti vnějšímu pokovenému ocelovému obalu málo agresivní, a tudíž nedochází k proděravění článku a úniku elektrolytu, navíc toto uspořádání vykazuje mnohem nižší úroveň samovybíjení, takže články mohou být déle skladovány.

Pouzdra článků jsou válcová nebo prizmatická, popř. knoflíkového tvaru. Válcové články se označují podle velikosti písmeny AAA – mikro (tzv. malý tužkový článek), AA – mini (tužkový článek, dnes nejrozšířenější velikost), C – midi (malý monočlánek – baby) a D – maxi (velký monočlánek). Samotné články nesou označení typu a tvaru podle jiné normy. Válcové zinkochloridové články mají písmenné označení R, alkalické LR, velikost pouzdra je dána číslicí 3 (AAA), 6 (AA), 14 (C), 20 (D). Např. označení LR 6 znamená alkalický tužkový článek.

Obr. 2. Zatěžovací charakteristiky článků R6 – kontinuální zatěžování (3,9 Ω) grafy R6

Kvalitativními parametry článků jsou:

získatelná energie,
skladovatelnost,
vnitřní odpor.

Získatelná energie z článku závisí především na jeho konstrukci, aktivní ploše elektrod, čistotě materiálů, ale také na způsobu vybíjení (kontinuální nebo přerušované), velikosti vybíjecího proudu, provozní teplotě během vybíjení a na době a podmínkách skladování v období od výroby do uvedení do provozu. Je tedy zřejmé, že v závislosti na zmíněných parametrech je obtížné jednoznačně určit optimální typ a velikost článku, není-li o něm dostatek informací.

Skladovatelnost článku udává dobu, za jakou při stanovených podmínkách skladování zůstane v článku ještě podstatná část energie – obvykle 80 % původního obsahu. Tato doba se uvádí jako údaj „zapni do mm rr„ nebo „expir. mm rr„, který číselně udává měsíc a rok expirace (propadnutí). Ovšem podmínkou pro zachování energie v článku je dodržení optimálních skladovacích podmínek, tj. teplota do 10 °C a relativní vlhkost do 65 %, tzn. suché prostředí. Tyto skutečnosti nemá kupující možnost zjistit a často ani prodejce neví, za jakých podmínek a jak dlouho byly články skladovány. Snad jediným vodítkem může být, že výrobce kvalitních zinkochloridových článků udává jejich expirační dobu přibližně dva až tři roky, někdy i déle, u alkalických to obvykle bývá pět až sedm let. Údaje o expirační době lze najít buď na dolní straně článku, nebo na jeho etiketě, výjimečně pouze na společném obalu několika článků, tzv. blistru. Nejvíce podezřelé jsou články, na nichž nelze nalézt žádný údaj. Ten bývá např. jen na krabici, v níž je obvykle 100 volně ložených článků bez jejich individuálních obalů, popř. ve společném balení dvou či čtyř článků. Takovéto články lze často za výhodné ceny koupit na tržištích.

Obr. 3. Zatěžovací charakteristiky článků LR6 – kontinuální zatěžování (5 Ω) grafy LR6

Vnitřní odpor je měřítkem účinnosti při zatěžování různě velkými proudy. Hodnota vnitřního odporu článků na výrobku nebývá běžně uvedena. Články s větším vnitřním odporem nejsou vhodné pro spotřebiče, které odebírají velký proud (vzniká velký úbytek napětí, na svorkách článku zůstává menší napětí, tzn. že zbytečně velká část energie je zmařena na ohřívání článku). U renomovaných výrobců, kteří ve stejné velikosti dodávají několik typů článku, bývá zvykem, že na balení článků (blistru) je kryptogramem označen vhodný, popř. nevhodný druh spotřebiče.

Co se týče článků, kde jakákoliv informace chybí, je možné vycházet jen z několika doporučení:

pro spotřebiče s velkým proudovým odběrem a krátkou dobou používání (hračky, dětská autíčka apod.) jsou vhodné zinkochloridové články, jestliže nebyly příliš dlouho skladovány,
pro spotřebiče s většími proudovými odběry ve značně nepravidelných intervalech (fotoaparáty, svítilny) jsou vhodnější alkalické články s malým vnitřním odporem,
pro spotřebiče s malým odběrem a dlouhou dobou činnosti (hodiny apod.) jsou vhodné alkalické články s větším vnitřním odporem – u nich bývá garantována delší doba životnosti,
pro spotřebiče s velkým odběrem a častým používáním jsou vhodnější nabíjitelné (sekundární) články – akumulátory.

Porovnání vlastností některých typů primárních článků na našem trhu

Na pracovišti katedry elektrotechnologie Elektrotechnické fakulty ČVUT v Praze bylo uskutečněno srovnávací měření článků různých velikostí několika výrobců. Hlavní pozornost byla věnována nejvíce frekventované velikosti AA (tužkový článek) a velikosti D (velký monočlánek). Zejména pro časté používání v měřicích přístrojích byly porovnávány také primární baterie velikosti 6F22, tj. destičková baterie s napětím 9 V. Okrajově byly měřeny vzorky velikosti AAA a C.

V kategorii zinkochloridových článků R6 byly měřeny články výrobců GP, Panasonic, Xinkada, Bateria a AiT. Udaná expirační doba byla dva až čtyři roky ode dne měření.

Obr. 4. Zatěžovací charakteristiky článků LR6 – kontinuální zatěžování (2,2 Ω) grafy LR6

V kategorii alkalických článků LR6 byly měřeny články výrobců GP, Panasonic, Kendal, AiT, Duracell a Energizer. Udaná expirační doba byla tři až sedm roků ode dne měření.

Destičkové baterie 6F22 byly od výrobců GP, Panasonic, Bateria, AiT a Powercell. Udaná expirační doba byla dva až čtyři roky ode dne měření.

Měření byla vykonávána vždy na dvou článcích ze stejné série. Další články byly připraveny jako referenční pro případ podstatných rozdílů naměřených hodnot článků základní sady. Články byly zatěžovány v kontinuálním režimu do konstantní zátěže podle doporučení platných norem.

Zinkochloridové články R6 byly zatěžovány do konstantní zátěže 10 a 3,9 Ω při okolní teplotě 24 °C. Konečné vybíjecí napětí je pro zatížení odporem 10 Ω určeno normou na hodnotu 0,9 V, pro zatížení větším proudem do odporu 3,9 Ω na 0,8 V. V grafech na obr. 1 a obr. 2 jsou vybíjecí charakteristiky článků GP, Panasonic, Bateria a AiT (číselné označení je nahodilé a neodpovídá pořadí výrobců, jak bylo uvedeno v textu). Normovanou dobu vybíjení 240 min při zátěži 10 Ω do napětí 0,9 V splnily všechny vzorky, některé s rezervou až 25 %. Také při zatížení do odporu 3,9 Ω všechny vzorky vyhověly.

Alkalické články LR6 byly zatěžovány do konstantní zátěže 5 a 2,2 Ω při okolní teplotě 23 °C. Konečné vybíjecí napětí má při zatížení odporem 5 Ω hodnotu 0,9 V, pro zatížení větším proudem do odporu 2,2 Ω hodnotu 0,8 V. V grafech na obr. 3 a obr. 4 jsou vybíjecí charakteristiky článků GP, Panasonic, Kendal, AiT, Duracell a Energizer (číselné označení je opět nahodilé a neodpovídá pořadí výrobců, jak bylo uvedeno v textu). Z charakteristik je zřejmé, že doby vybíjení jednotlivých typů při zatížení menším proudem (R = 5 Ω) do konečného napětí 0,9 V jsou velmi vyrovnané a liší se maximálně o 10 %. Při zatěžování větším proudem do R = 2,2 Ω a konečného napětí 0,8 V je situace obdobná.

Obr. 5. Zatěžovací charakteristiky článků 6F22 – kontinuální zatěžování (267 Ω) grafy 6F22

Zinkochloridové články 6F22 (destičková baterie) byly zatěžovány do konstantní zátěže 267 Ω při okolní teplotě 24 °C. Konečné vybíjecí napětí je určeno normou na hodnotu 5,4 V. V grafu na obr. 5 jsou vybíjecí charakteristiky článků GP, Panasonic, Bateria, AiT a Powercell (číselné označení je nahodilé a neodpovídá pořadí výrobců, jak bylo uvedeno v textu). Normovanou dobu vybíjení 420 min při zátěži 267 Ω do napětí 5,4 V splnil (a to se značnou rezervou) pouze jediný vzorek. U jednoho dalšího vzorku lze považovat výsledek za vyhovující (v toleranci rozptylu charakteristik vzorků stejného výrobce), avšak zbývající tři vzorky naprosto nevyhovují současně platné normě. Opakovaná měření, včetně referenčních vzorků, potvrdila téměř shodné výsledky u článků jednotlivých výrobců.

Měření na zinkochloridových článcích R20 (velký monočlánek) přineslo také značné rozčarování, když z pěti vzorků různých výrobců normě vyhověly pouze dva, ostatní vykazovaly vybíjecí dobu o 20 až 50 % kratší! Referenční vzorky potvrdily správnost měření na vzorcích základní sady.

Závěr

Výsledky měření je možné shrnout do několika bodů.

Zinkochloridové tužkové články R6 od značkových výrobců, dnes značně podceňované, které je možné v maloobchodní síti koupit za 5 až 8 Kč, jsou zcela vyhovující pro již zmíněné aplikace a z ekonomického hlediska ještě zřejmě určitou dobu budou. Podmínkou úspěšného používání je nákup článků, které jsou prokazatelně nové (dlouhá expirační doba) a u nichž je pravděpodobné, že neutrpěly nevhodným skladováním.

Alkalické tužkové články LR6, které jsou vzhledem k mnoha dobrým vlastnostem ve středu pozornosti spotřebitelů, většina výrobců vyrábí téměř shodnou technologií. Rozpětí cen článků na trhu vůbec neodpovídá jejich užitné hodnotě. Články výrobců vynášených reklamou mají užitné vlastnosti v podstatě shodné s ostatními výrobky stejné kategorie, ačkoliv jejich prodejní cena je často o 100 až 150 % vyšší. Navíc se lze v médiích stále setkávat s klamavou reklamou, která srovnává nesrovnatelné a neoprávněně uvádí běžného laického spotřebitele v omyl srovnáváním vlastností alkalických článků určitého výrobce s vlastnostmi zinkochloridových článků.

Ing. Tomáš Cetl absolvoval ČVUT FEL v roce 1962. V témž roce začal pracovat jako asistent a od roku 1965 jako odborný asistent na ČVUT FEL v Praze na katedře elektrických strojů a výkonové elektroniky a později také na katedře elektrotechnologie. V letech 1992 až 1996 spolupracoval ve výzkumném středisku Relgen Research Systems N.Y. na výzkumu netradičních zdrojů elektrické energie. Je autorem mnoha publikací a patentů z oboru aplikací výkonové elektroniky, zdrojů a měničů elektrické energie.

Překvapením našich testů byla nevyrovnanost vlastností dalších typů zinkochloridových článků R20 a 6F22. V současnosti jde o velikosti článků na trhu méně žádané, a je možné, že se na naměřených vlastnostech některých článků projevil vliv delšího nebo nevhodného skladování či další jiné vlivy. Jak jinak vysvětlit, že se naměřené hodnoty v několika případech značně lišily nejen od katalogových hodnot udávaných výrobcem, ale i od jeho vlastních měření, která uvádí na svých webových stránkách.

Opravdu nakonec: Jestliže jste dočetli až sem a v obchodě uvidíte bezradnou stařenku, poraďte jí správně – a vám moje poděkování za to!

Uvedená problematika je řešena na Elektrotechnické fakultě ČVUT v Praze v rámci Výzkumného záměru MSM 6840770017-2 Rozvoj, spolehlivost a bezpečnost elektroenergetických systémů.