Kako pravilno skladištiti baterije: temperatura, vlažnost vazduha i samopražnjenje

Uvod u starenje na polici (Calendar Ageing)

Svaki izvor hemijske energije prirodno gubi svoj naboj i stari od onog trenutka kada je napravljen u fabrici. U tehničkom smislu, baterije uvek žele da postignu energetski najstabilnije stanje – potpunu ispražnjenost. Materijali u bateriji ne čekaju pasivno da vi pritisnete prekidač na lampi kako bi počeli proces elektrohemijske konverzije. Zbog unutrašnje jonske provodljivosti elektrolita i neželjenih parazitskih reakcija na površini elektroda, sve baterije se konstatno prazne.

Ovaj fenomen nazivamo samopražnjenjem (self-discharge), a degradaciju komponenti tokom stajanja označavamo kao kalendarsko starenje (calendar ageing). Pravilno skladištenje – odnosno manipulisanje spoljnim okruženjem baterije – ima za isključivi cilj usporavanje ovih negativnih procesa, jer se oni ne mogu potpuno zaustaviti.

Tri glavna inženjerska parametra kontrolišu brzinu starenja:

1. Termalni stres (Temperatura okoline)
2. Stanje napunjenosti (SOC - State of Charge)
3. Vlažnost vazduha i kondenzacija

Uticaj temperature: Arenijusova jednačina na delu

Temperatura je alfa i omega elektrohemije. Po poznatoj Arenijusovoj (Arrhenius) jednačini (koja opisuje kinetiku hemijskih reakcija), svako povećanje temperature za oko 10°C u proseku udvostručuje brzinu odvijanja unutrašnjih reakcija.

Kada se baterija ne koristi, brzina hemijske reakcije na elektrodama izjednačava se sa brzinom razlaganja elektrolita i korozijom internih metalnih struktura.

Ako svoju Li-ion bateriju iz bušilice ostavite u gepeku automobila tokom vrelih letnjih meseci (gde temperatura lako dostiže 50°C do 60°C), elektrolit unutar nje će početi ubrzano da se raspada. Formiraće gas, pritisak unutar ćelije će rasti, i izgubiće i do 20% do 30% svog maksimalnog kapaciteta nepovratno za samo par nedelja.

S druge strane, ekstremna hladnoća (ispod -20°C) ne šteti drastično samom hemijskom sklopu (jer potpuno zaleđuje i zaustavlja reakcije degradacije), ali oštećuje mehanički integritet polimera, puca plastične separatore, a može dovesti do pucanja aluminijumskog kućišta ukoliko se tečni elektrolit zaledi i usled toga proširi (mada moderni elektroliti trpe i veoma niske temperature bez zaleđivanja).

Tabela samopražnjenja po hemijskom sastavu (na 20°C)

Mit o frižideru: Istina i opasnosti kondenzacije

Pre pojave litijumskih baterija, stari majstori i fotografi čuvali su svoje baterije (uglavnom stare cink-ugljenične i prve alkalne) u frižideru. Inženjerski gledano, teorija je besprekorna: držanje baterija na 4°C dramatično usporava Arenijusove reakcije samopražnjenja. Stara baterija bi, na sobnoj temperaturi od 25°C "iscurila" sama od sebe za 2 godine. U frižideru na 4°C, mogla bi opstati i 6 godina bez gubitka energije.

Zašto je ovo danas loša ideja?

Problem nije u hladnoći (hladnoća je i dalje odlična stvar za baterije), već u vlagi i drastičnim temperaturnim skokovima. Frižideri su vlažna okruženja. U njima se dešava sledeće:

1. Korozija kontakata: Vlaga ulazi u mikroskopske pore papirne ambalaže i izaziva oksidaciju niklovanih kapica na pozitivnom i negativnom polu baterije.
2. Kondenzacija i kratki spoj: Kada izvadite hladnu bateriju iz frižidera (na 4°C) na letnju sobnu temperaturu (npr. 28°C), na njenoj metalnoj površini trenutno se kondenzuje kapljica vode iz vazduha (rošenje). Ako tu "znojavu" bateriju ubacite u foto-aparat ili baterijsku lampu pre nego što se potpuno aklimatizovala i osušila, voda na kontaktima može stvoriti mikro-kratke spojeve na elektronici, uništavajući sam aparat, a često izazivajući i ozbiljno koroziono curenje iz same baterije usled lokalnog kratkog spoja na samom pakovanju.

[!WARNING] Ako zbog specifičnih uslova ipak morate da uskladištite Li-ion baterije ili skupe alkalne pakete u hladnjaku (npr. zalihe lekarske opreme koja mora trajati godinama), one moraju biti zatvorene u hermetički zip-lock plastičnim kesama sa ubačenim "silica-gel" kesicama za upijanje vlage. Pre korišćenja, te plastične kese moraju ostati na stolu bar par sati (bez otvaranja!), kako bi se temperatura izjednačila sa sobnom, a kondenzacija (ako se desi) ostala isključivo na spoljnom sloju plastike, a ne po metalu.

Danas su alkalne baterije i litijumske baterije primarnog tipa napravljene toliko kvalitetno da im samopražnjenje iznosi manje od 2-3% godišnje na čistoj sobnoj temperaturi. Frižider apsolutno nije potreban. Čuvajte ih u običnom ormaru na 20°C i biće sasvim u redu i do 10 godina.

Stanje napunjenosti (SOC): Kako smestiti zveri na spavanje

Temperatura je jedan deo jednačine, ali kod punjivih sistema, udeo energije koji se ostavlja u bateriji – State of Charge (SOC) – diktira brzinu unutrašnjih destruktivnih procesa.

Litijum-jonske i litijum-polimerske (Li-Po) baterije

Ovo su "zveri" hemije. Litijumske ćelije nalaze se pod najvećim naponskim i hemijskim stresom kada su potpuno napunjene (na oko 4.2 volta po ćeliji). Zadržavanje litijumskih baterija napunjenih do 100% (npr. laptop koji vam je konstatno uključen na punjač nedeljama, ili dron čije ste baterije napunili i ostavili u ormar preko zime) eksponencijalno ubrzava propadanje katode (rastvaranje metala u tečni elektrolit) i zadebljanje SEI sloja na anodi (što podiže unutrašnji otpor). Baterija u laptopu koja se drži na 100% u toploj sobi izgubiće 20% kapaciteta u prvoj godini.

Sa druge strane, ne smete ih ostaviti ni potpuno prazne (0%). Li-ion ćelija na 0% (tj. napon oko 2.8V do 3.0V) će se usled prirodnog samopražnjenja spustiti na opasnu granicu od oko 2.0V do 2.5V posle par meseci. Tada može doći do otapanja bakarnih vodova unutar nje same, te njenog internog kratkog spoja. Zaštitna elektronika će trajno zaključati (bricked state) takvu bateriju kako bi izbegla eksploziju prilikom narednog pokušaja punjenja.

• Pravilno: Litijumske baterije odlažite i ostavljajte duže od mesec dana napunjene na tačno 40% do 50%. Na ovom procentu (oko 3.8 volti) unutrašnja napetost strukture je najmanja i razlaganje elektrolita je minimalizovano. Baterija drona skladištena na 50% i 15°C nakon godinu dana gubi tek oko 4% trajnog zdravlja (nasuprot 20% i više ako se čuva na 100%). Mnogi pametni uređaji poput Apple Macbook-a i DJI dronova danas imaju softver koji automatski delimično isprazni baterije (Storage Mode) ukoliko primeti da uređaj niste palili više nedelja.

Olovni akumulatori (Sistemi tekućeg olova)

U potpunoj suprotnosti od litijuma, olovne (auto, UPS) baterije propadaju isključivo onda kada nisu na 100%. Olovna hemija živi kroz ravnotežu sulfata. Tokom pražnjenja, na olovnim pločama se stvara meki sloj olovo-sulfata ($PbSO_4$). Tokom vožnje (punjenja), alternator ponovo pretvara ovaj meki sulfat u olovo i sumpornu kiselinu, pa sistem savršeno cirkuliše.

Međutim, ako ostavite olovni akumulator poluprazan, recimo u ugašenom vozilu tokom jake zime (ispod 5°C), meki sulfat na olovnim pločama doživljava fatalan proces starenja: on očvrsne, rekristalizuje se i formira debele, oštre bele kristale sulfata. Ovi kristali ne provode struju i fizički blokiraju protok jona. Taj proces se u autoindustriji zove sulfatizacija i glavni je ubica akumulatora. Jednom uspostavljen čvrsti sulfat, više ga ne možete razbiti nikakvim punjačem, on postaje praktično beton, i akumulator je "mrtav". Pored toga, praznom olovnom akumulatoru opada koncentracija kiseline u vodi (elektrolitu postaje "više voda nego kiselina"), i on usled jakog mraza ispod nule može i fizički zalediti, što puca olovne rešetke i uništava akumulator.

• Pravilno: Olovni akumulator uvek mora biti skladišten i ostavljen napunjen na maksimalnih 100%. Ukoliko se vozilo ne vozi preko zime, baterija se mora izvaditi i staviti na takozvani "Smart trickle charger" (pametni kapljični punjač, npr. CTEK) koji će mikronskim impulsima konstatno vršiti dopunjavanje samopražnjenja i mehaničko "stresanje" belih kristala sa elektroda tokom cele zime. Ako nemate punjač, proveravajte akumulator na svakih mesec dana i dopunite ga na obično auto punjaču do maksimuma.

Nikl-Metal hidridne (NiMH)

Kao i litijum, ne vole ekstremnu toplotu, i po prirodi imaju drastičnije samopražnjenje. Ne ostavljajte ih prazne u aparatima.

• Pravilno: Pune se i ostavljaju na između 50% i 100%, pri čemu im ne smeta ni ako su potpuno pune (kao što smeta litijumu). Ipak, savetuje se držanje na oko 70% na čistoj, hladnoj sobnoj temperaturi, u suvoj kutiji koja sprečava kotrljanje i međusobni spoj.

Sprečavanje mehaničkih oštećenja i kratkih spojeva

Koliko god hemija bila stabilna, neadekvatno mehaničko skladištenje je najčešći uzrok direktnih požara, čak i pre termalnog i hemijskog starenja. Baterije se ne smeju sipati, poput klikera, na gomilu u neku metalnu fioku ili papirnu kutiju sa sitnim šrafovima, žicama i metalnim novčićima.

Razlog je vrlo direktan i brutalan: ako se pozitivni i negativni pol baterije dodirnu (bilo same o sebe preplitanjem, bilo preko bačenog metalnog novčića ili spajalice u fioci) – nastaće kratki spoj. Litijumska i alkalna baterija koja uđe u "hard short circuit" u fioci istog trenutka oslobađa snagu od desetina ampera. Unutrašnjost joj se za tri sekunde podgreva na 100°C. Omotač buči pod gasovima, izolacija puca i baca vatrene iskre na okolne kartonske kutije u kući.

1. Odlaganje: Nikada ih ne držite rasute. Čuvajte baterije tako što su im polovi uvek u istom smeru (uspravno stoje kao vojnici u redu), najbolje u namenskim plastičnim kutijicama, organizerima ili barem, obavijeni komadićima selotejp trake preko polova. Originalno "blister" pakovanje u kom se baterije kupe je dizajnirano da bude i savršena kutija za čuvanje pre upotrebe.
2. Odlaganje oštećenih i naduvanih baterija: Ako baterija (posebno od mobilnog, drona ili powerbanka) postane bucmasta na dodir i nabubri (kao mekani balončić pod plastikom), to znači da je unutar nje počeo proces izdvajanja zagušljivih i izuzetno eksplozivnih gasova, zbog hemijskog kvara separatora. Ona je na ivici termalnog pregrevanja. Takva baterija se više apsolutno ne sme držati u kući! Mora se ostaviti napolju u metalnoj ne-zapaljivoj kanti, posuti peskom dok se ne donese na zvanični pult za reciklažu elektronskog opasnog otpada. Bilo kakvo grebanje ili fizičko ubrizgavanje "trbušaste" maske makazama dovešće do spontanog zapaljenja (mlaza crvene plamene stihije kao iz brenera, koji voda obično ne može lako da ugasi).