Tužkové akumulátory se v robotice používají velmi často, po administrativním omezení výroby akumulátorů NiCd ale zpravidla jde o akumulátory NiMH, které mají mnoho nežádoucích vlastností. Zatím poměrně málo známou alternativou jsou NiZn články, na něž se nyní zaměříme.
Ke zkouškám byly využity články značky Turnigy, které k nám dováží a za 82 Kč (duben 2014) prodává firma eMotors nebo jsou v nabídce známého čínského internetového obchodu Hobbyking. Jaké jsou výhody a omezení NiZn ve srovnání s používanými NiMH nebo primárními alkalickými články a jak s nimi zacházet?
Kromě větší šetrnosti k životnímu prostředí a předpokladům pro levnější výrobu, které se ale na současné ceně zatím neprojevují, je důležitým parametrem samovybíjení. NiZn mají menší samovybíjení než standardní provedení NiMH, ale vyšší, než speciální provedení tzv. „přednabitých“ akumulátorů (nejznámější jsou Sanyo Eneloop). Pro aplikace s velmi malým odběrem během dlouhé doby měsíců a roků (např. hodiny) je a zůstane výhodnější používat primární alkalické články, při používání a dobíjení s periodou týdnů a několika málo měsíců NiZn vyrovnávají vlastnosti kvalitních NiMH. Katalogové údaje NiZn udávají životnost 200 cyklů pro pokles kapacity na 80% původního stavu, což je méně než u NiMH, nicméně v praxi jsou články NiMH, které by skutečně vydržely víc než 200 cyklů v provozu zejména kvůli rostoucímu vnitřnímu odporu spíše výjimečné. Typickou závadou na konci života článků NiZn je ztráta napětí a zkrat mezi vývody.
Na rozdíl od NiMH je jmenovité napětí NiZn vyšší, a to přes 1,6 V (těsně po nabití mají 1,9 V), takže mírně překonává i primární alkalické články. Tužkové NiZn zvládnou dodávat nejméně podobný proud jako kvalitní NiMH ve stejném pouzdře, proti primárním článkům jsou podstatně tvrdší.
Nejvýraznější výhody přinášejí NiZn v těch zařízeních, kde se používá malý počet článků (1 až 2) a výrobce předpokládá, že budou k napájeny z alkalických primárních článků. Pokud v takovém případě použijeme NiMH, zařízení funguje a jeho provoz bude zřejmě provozně levnější, ale zdaleka nemá takovou výdrž jako s alkalickými bateriemi. Je to proto, že napětí NiMH je příliš nízké a když vlivem zatížení dál poklesne, zařízení to vyhodnotí jako akutní vybití, odpojí se a vlastně nedokáže využít kapacity NiMH. Často v době, kdy ukončí činnost, zůstává v NiMH i více než 80% energie. Typickým příkladem je provoz kompaktních digitálních fotoaparátů napájených dvěma tužkovými články, které místo výrobcem udávaných 200 snímků vydrží při napájení NiMH třeba jen 20 snímků. Právě podobné případy jsou velmi vhodné pro aplikaci NiZn. Nastává dokonce opačný problém, NiZn by se neměly vybíjet pod úroveň 1,3 V (měřeno bez zatížení) nebo 1,2 V (při proudu >0,5 C), což ještě indikace podpětí přístrojů nemusí zaregistrovat. Každopádně je vhodné vyjmout a nabít akumulátory NiZn už když indikátor nastavený podle primárních článků ukazuje poloviční vybití a rozhodně nečekat až na ochranné vypnutí přístroje při 1,0 až 0,8 V.
Je známou věcí, že čím mají NiMH tužkové akumulátory vyšší udávanou kapacitu, tím mívají současně také větší vnitřní odpor a v podstatě jsou pro aplikace, kde je potřeba krátce větší proud, horší. Toto nechápe mnoho uživatelů a vyšší kapacita je pro ně totéž co „lepší baterka“. NiZn se svými 1500 mAh (dle katalogového listu PowerGenix nejméně 1350 mAh) mají zhruba poloviční kapacitu proti „nejlepším“ NiMH, ale ve skutečnosti s nimi přesto některé přístroje pracují i několikanásobně déle.
Nabíjení NiZn je naprosto jiné než nabíjení NiCd nebo NiMH a nabíječky, ať už automatické s detekcí delta peaku, nebo jednoduché „noční“ se síťovými adaptéry a konstantním malým proudem se NIKDY NESMÍpoužívat pro NiZn. V tom je určité nebezpečí, protože stejně vypadající pouzdro a zažité zvyky svádí k omylu. Způsob nabíjení NiZn je obdobný, jaký se používá pro Li-pol, nejprve nabíjení konstantním proudem do dosažení mezního napětí a pak nabíjení konstantním napětím při samovolném poklesu proudu. Typický nabíjecí proud se pohybuje mezi 0,5 a 1 C a za konec se považuje jeho pokles na 1/5 až 1/10 původní velikosti. Při pokojové teplotě (25°C) je mezní napětí pro jeden článek 1,9 V, pokud se teplota okolí podstatně liší, dělá se korekce podle vzorce U = 1,9 – (0,003 x (t – 25)) .
Nabízí se otázka, jestli je potřeba sady článků NiZn stejně jako Li-pol také balancovat a kontrolovat jednotlivé články v průběhu nabíjení, případně i vybíjení. Balancování by rozhodně neuškodilo, nicméně NiZn akumulátory jsou odolnější vůči přebití i nadměrnému vybití než Li-pol, dokonce se dají po nabití dál nabíjet malým „trickel“ proudem kolem 100 mA po omezenou dobu desítek minut nebo hodiny, což poslouží k vyrovnávání článků podobně jako se to děje při malých nabíjecích proudech u NiMH. Je-li sada NiZn v dobrém stavu, nemělo by být balancování potřeba, nabíječ by však měl kontrolovat napětí a porovnávat s očekávaným, aby byl schopen spolehlivě odhalit případný vadný článek.
Pro NiZn se prodávají speciální nabíječe, které pracují se čtyřmi články jednotlivě, jeden najdeme například v sortimentu Conrad electronic pod značkou Voltcraft (č. 200006). Obecně je možné jednotlivé články nabíjet jednoduchým integrovaným stabilizátorem napětí 1,9 V s omezením proudu. Využít se dají i některé modelářské nabíječe. Pokud umí změnit nastavení koncového napětí pro li-pol až na 3,8 V, mohou se sériové dvojice NiZn nabíjet jako jeden článek Li-pol. Takových nabíječů ale není mnoho a nejsou levné.
Kromě průmyslových verzí a již zmíněných tužkových (AA) článků se vyrábějí také mikrotužkové články (AAA) a Sub C články s kapacitou 2000 mAh, ty poslední však nejsou běžně dostupné. Ještě se zmíním o triku, který používají někteří prodejci. Neuvádějí totiž kapacitu článků v mAh, protože „jen“ 1500 mAh vypadá na pohled málo, ale inzerují kapacitu v mWh, která podle jejich mínění vypadá v nabídce lépe, na to je třeba dávat pozor.
Konkrétní akumulátory Turnigy zpočátku vykazovaly asi o 25% nižší kapacitu, ta s dalšími cykly postupně rostla a ustálila se zhruba po 6 až 8 cyklech. Při nabíjení doporučeným proudem 0,75 A (0,5 C) bylo zahřívání neznatelné, fáze konstantního proudu trvala necelou hodinu a půl. Při dalších cyklech jsem používal firmou PowerGenix maximální povolený proud nabíjení 1,5 A (1 C). Nabíjení do poklesu proudu na 150 mA opět bez znatelného zahřívání článků trvalo kolem 90 minut, z toho fáze konstantního proudu jen něco málo přes 15 minut.
Při vybíjecím proudu 0,2 C (0,3 A), ukázalo po 10 cyklech měření kapacitu 1560 mAh. Akumulátory jsou ale schopné dodávat podstatně větší proud, zkoušel jsem až 4 C (6 A), což je vzhledem k zahřátí o 40°C oproti okolí asi nejvyšší trvalý odběr, který tyto články mohou vydržet. Při několikasekundovém zatížení není problém odebírat proud 10 – 12 A. To už je na tužkový článek opravdu hodně, přitom stále napětí převyšuje nezatížený a plně nabitý NiMH akumulátor. Samozřejmě, proud přes 1 A, není možné z tužkových článků odebírat, pokud jsou v běžném pružinovém pouzdře, vyžaduje to buď speciální pouzdro pro vysoké proudy nebo lépe mít pájené vývody z vodičů s dostatečným průřezem.
V dohledné době akumulátory NiZn plošně nenahradí v současnosti hojně používané NiMH. Na druhou stranu už dnes se s nimi výborně doplňují a jako tvrdší, výkonnější a provozně levnější náhrada alkalických primárních článků se uplatní v mnoha aplikacích, kde dělá problémy nízké napětí NiMH.