Na początek sprawdźmy wpływ temperatury na napięcie ogniwa w stanie jałowym bez podłączonego odbiornika.
Ogniwo litowe ma początkowe napięcie ~1,8V (1,816V), które jest wyższe od standardowych 1,5V. W połączeniu ogniw litowych w baterię możemy przekroczyć zakresy napięć zakładane dla ogniw 1,5V. Przykładowo cztery ogniwa litowe połączone szeregowo to 7,2V względem typowych 6V, dla koszyka z 6 ogniwami będzie to 10,8V względem 9V. W temperaturze -20°C napięcie ogniwa litowego spadło do nieco ponad 1,6V (1,625V).
Dla ogniw alkalicznego i cynkowo-węglowego napięcie jałowe w temperaturze +22°C i 0°C nie ulega istotnej zmianie podobnie jak dla ogniwa litowego. Ogniwo cynkowo-węglowe ma nieco większe napięcie początkowe niż alkaliczne (1,630V vs 1,611V). Umieszczenie ogniw w temperaturze -20°C powoduje spadek napięcia w stanie jałowym, silniejszy spadek napięcia jest na ogniwie alkalicznym (1,536V) niż na cynkowo-węglowym (1,581V).
W niskich temperaturach elektronika urządzenia może interpretować obniżenie napięcia jako postępujące rozładowanie ogniwa. Ogniwo alkaliczne w temperaturze -20°C osiągnęło najniższe napięcie w stanie jałowym z pośród testowanych ogniw.
W drugim teście sprawdzimy napięcie na ogniwach w różnych temperaturach przy wymuszonym prądzie 250mA.
Dla temperatury +22°C napięcie na trzech ogniwach jest zbliżone do 1,4V. Już w temperaturze 0°C widać różnice w napięciach, najlepiej wypada ogniwo alkaliczne, następnie litowe i na końcu cynkowo-węglowe. Przy obniżeniu temperatury do -20°C różnice pogłębiają się. Napięcie na ogniwie podczas wymuszonego prądu daje informacje o rezystancji wewnętrznej źródła. Rezystancja wewnętrzna rośnie wraz ze zmniejszającą się temperaturą i najlepiej w tym zakresie poradziło sobie ogniwo alkaliczne. Wynik dla ogniwa litowego był dla mnie zaskoczeniem, ogniwo litowe miało większą rezystancję wewnętrzną niż ogniwo alkaliczne. Niska temperatura i duża moc odbiornika mogą spowodować znaczący spadek napięcia na ogniwach i elektronika urządzenia może zasygnalizować rozładowanie baterii.
W trzeciej próbie zmierzymy prąd jaki popłynie w obwodzie ogniwo-rezystor 0,1Ω-rezystancja przewodów-rezystancja amperomierza.
W temperaturze +22°C wygrywa ogniwo alkaliczne uzyskując wynik 3,5A. Jednak już obniżenie temperatury do 0°C pozwala na przewagę ogniwa litowego. Ogniwo cynkowo-węglowe nie jest przystosowane do pracy z dużymi prądami.
W dokumentacji producenta ogniw alkalicznych znajdziemy informację, że pojemność ogniwa zależy od prądu rozładowania i charakterystyki pracy urządzenia (ciągła/przerywana). Im większy prąd będzie dostarczało ogniwo tym mniejszej pojemności możemy się spodziewać.
Przykładowo dla alkalicznego Energizer E92 przy 25mA oczekiwana pojemność ~1200mAh natomiast przy prądzie 250mA oczekiwana pojemność jest niższa ~700mAh. Dla litowego ogniwa L92 producent podał zależność pojemności od temperatury pracy. Kombinacja temperatur pracy < -20°C i prądów >250mA szybko degraduje dostępną pojemność ogniwa.
Porównajmy napięcie na ogniwach podczas rozładowania stałym prądem 250mA i napięciu granicznym 0,9V.
Ogniwo litowe uzyskało największą pojemność charakteryzując się powolnym spadkiem napięcia w początkowej fazie rozładowania.
Ogniwo alkaliczne w tych warunkach testu uzyskało 66% pojemności ogniwa litowego, dla mniejszego prądu rozładowania można oczekiwać lepszego efektu.
Ogniwo cynkowo-węglowe nie nadaje się do efektywnej pracy z prądem 250mA osiągając 17% pojemności ogniwa litowego i 25% pojemności ogniwa alkalicznego.
Ogniwa litowe posiadają 2,5x dłuższy czas możliwego przechowywania względem ogniw alkalicznych oraz są lżejsze.
Różne charakterystyki rozładowania mogą być przeszkodą dla projektanta urządzenia elektronicznego, gdy chcemy oceniać pozostałą pojemność baterii na podstawie pomiaru napięcia.
Pozostaje pytanie, czy przechowywanie w niskich temperaturach zdegradowało pojemność ogniw? Porównajmy charakterystykę rozładowania ogniw przechowywanych w temperaturze -20°C (wykres niebieski) z ogniwami, które były przechowywane w temperaturze dodatniej (wykres pomarańczowy).
Charakterystyki rozładowania są zbliżone, przechowywanie w niskiej temperaturze nie wpłynęło na pojemność ogniw. Natomiast niska temperatura zdegraduje możliwości ogniw gdy będziemy próbowali odbierać energię w utrzymującej się niskiej temperaturze.
Ogniwa były rozładowywane stałym prądem, jednak gdy odłożymy ogniwa w stanie jałowym i pozwolimy im "odpocząć" napięcie ogniwa wzrośnie. Zobaczmy jak wzrosło napięcie z 0,9V i jakie prądy rozładowane ogniwa są w stanie wygenerować w obwodzie z rezystorem 0,1Ω.
Ogniowo litowe: 1,12V 0,25A
Ogniowo alkaliczne: 1,22V 1,7A
Ogniwo cynkowo-węglowe: 1,40V 0,9A
Widać, że nie bez powodu producenci podają czas pracy dla pracy przerywanej i ciągłej. Wygląda na to, że ogniwa litowe potrafią oddawać energię w sposób ciągły i rozładowują się "na dobre". Pozostałe ogniwa "nie lubią" ciągłego poboru prądu szczególnie o większych wartościach. Po odłączeniu ogniwa od obciążenia pojawia się efekt "regeneracji" i napięcie na ogniwie wzrasta oraz możliwe jest odebranie pozostałej energii.
Ogniwa alkaliczne względem litowych są tańsze i na podstawie eksperymentów na posiadanych egzemplarzach można założyć, że potrafią dostarczać większe prądy (mieć mniejszą rezystancję wewnętrzną) w dodatnich temperaturach.
Czy można powiedzieć coś dobrego o ogniwach cynkowo-węglowych?
Względem alkalicznych są lżejsze, tańsze i mają wyższe napięcie jałowe, które słabiej reaguje na obniżenie temperatury niż w ogniwie alkalicznym.
Jakie są Wasze doświadczenia z jednorazowymi bateriami ogniw elektrochemicznych?
Fajne? Ranking DIY
