Coulomb- és energiahatásfok: mennyi megy veszendőbe töltéskor és kisütéskor?

Röviden: minden akkumulátornak vannak veszteségei, ezért a töltés után kivehető energia mindig kisebb a betöltöttnél. A veszteséget a coulomb-hatásfokkal, a feszültséghatásfokkal és az energiahatásfokkal írják le.

Honnan jönnek a veszteségek?

A forrás szerint az akkumulátor elektrokémiájában lejátszódó mellékreakciók miatt a hatásfok nem érheti el a 100%-ot. A nagyon gyors töltés és a nagy terhelés is rontja az energiahatásfokot, és emellett terheli az akkumulátort, ami csökkenti az élettartamot. A hatásfok különösen fontos a nagy akkumulátorrendszereknél, például elektromos járművekben, energiatároló rendszerekben és műholdakban.

Coulomb-hatásfok

A hatásfokot gyakran a coulomb-hatásfokkal mérik. A coulomb az elektromos töltés egysége, egy coulomb egy amperszekundum (1 As). A coulomb-hatásfok (CE, más néven faraday- vagy áramhatásfok) azt írja le, mennyire hatékonyan vándorolnak az elektronok az akkumulátorban: a teljes ciklus alatt az akkumulátorból kivett és a betáplált töltés aránya.

A lítiumion az újratölthető akkumulátorok közül az egyik legmagasabb CE-vel rendelkezik: a hatásfoka 99% fölött van. Ez azonban csak mérsékelt árammal és hűvös hőmérsékleten lehetséges. A nagyon gyors töltés a töltésfelvétel és a hő okozta veszteségek miatt csökkenti a CE-t, és a nagyon lassú töltés is, mert ilyenkor az önkisülés is szerepet kap. A lítiumion coulomb-hatásfoka a forrás szerint a ciklizálással javul: egyes cellák 99,1%-ról 15 ciklus alatt 99,5%-ra, mások 99,5%-ról 30 ciklus alatt 99,9%-ra javultak.

Az ólomsavas akkumulátor CE-je a forrás szerint kb. 90%, a nikkelalapúaké általában még alacsonyabb. Gyors töltésnél a NiCd és a NiMH elérheti a 90%-ot, de lassú töltésnél ez kb. 70%-ra esik. A kis CE-hez hozzájárul az alacsonyabb töltésfelvétel 70% töltöttség fölött, és az önkisülés, amely a töltés vége felé, melegedés közben nő. A forrás szerint minden akkumulátor a közepes, 30–70%-os töltöttségi tartományban éri el a legjobb hatásfokot, és minden rendszernek saját CE-értékei vannak, amelyek a töltési sebességgel és a hőmérséklettel változnak. A kor is számít.

Feszültséghatásfok és energiahatásfok

A feszültséghatásfok az átlagos kisütési feszültség és az átlagos töltési feszültség aránya. Veszteség azért lép fel, mert a töltési feszültség mindig magasabb a névleges feszültségnél, hogy beinduljon a kémiai reakció az akkumulátorban.

A lítiumion coulomb-hatásfoka általában 99% fölött van, az energiahatásfoka viszont kisebb szám, és a töltési-kisütési C-rátától függ. 20 órás töltésnél (0,05C) az energiahatásfok magas, 99%. Ez 0,5C-nél kb. 97%-ra esik, és 1C-nél tovább csökken. A forrás egy gyakorlati példát is említ: a Tesla Roadster energiahatásfoka állítólag 86%. A nagyon gyors töltés az újabb elektromos járműveknél rontja az energiahatásfokot és az akkumulátor élettartamát is.

Mit érdemes megjegyezni?

Egy „hatásfok” adat mindig feltételhez kötött: a töltési sebességtől, a hőmérséklettől, a töltöttségi tartománytól és az akkumulátor korától függ. A PVEducation oldalán közölt értékek (például az ólomsavas kb. 85%-os coulomb-hatásfoka) eltérnek a Battery University adatától, ezért a számokat forrásonként, nem közvetlenül összehasonlítva érdemes értelmezni. Az akkumulátor hatásfokának általános leírását az akkumulátor hatásfokáról szóló cikk adja, a töltésről a lítiumion töltéséről szóló írás, az élettartamról az élettartamról szóló cikk.