Jak działa bateria elektryczna, jej zasada działania, rodzaje, przeznaczenie i główne cechy

Zakres zastosowania baterii elektrycznych jest niezwykle szeroki. Wykorzystywane są jako źródła energii elektrycznej w zabawki dzieci, w elektronarzędziach oraz jako źródło trakcji w pojazdach elektrycznych. Aby prawidłowo używać baterii, musisz znać ich właściwości, mocne i słabe strony.

Co to jest bateria elektryczna i jak działa

Akumulator elektryczny - jest odnawialny źródło energii elektrycznej. W przeciwieństwie do ogniw galwanicznych, po rozładowaniu można je ponownie naładować. W zasadzie wszystkie akumulatory są ułożone w ten sam sposób i składają się z katody i anody umieszczonych w elektrolicie.

Materiał elektrod i skład elektrolitu mogą być różne, a to decyduje o właściwościach konsumenckich akumulatorów i ich zakresie.Pomiędzy katodą a anodą można ułożyć porowaty separator dielektryczny - separator impregnowany elektrolitem. Decyduje jednak w większości o właściwościach mechanicznych zespołu i nie ma zasadniczego wpływu na działanie elementu.

Generalnie działanie baterii opiera się na dwóch transformacjach energii:

• elektryczny na chemiczny podczas ładowania;
• chemikalia w elektryczność podczas rozładowania.

Oba rodzaje konwersji opierają się na zachodzeniu odwracalnych reakcji chemicznych, których przebieg determinują substancje zastosowane w akumulatorze. Tak więc w ogniwie kwasowo-ołowiowym część aktywna anody jest wykonana z dwutlenku ołowiu, a katoda z ołowiu metalicznego. Elektrody znajdują się w elektrolicie kwasu siarkowego. Po wyładowaniu na anodzie dwutlenek ołowiu jest redukowany do siarczanu ołowiu i wody, a ołów na katodzie utlenia się do siarczanu ołowiu. Podczas ładowania następują reakcje odwrotne. W akumulatorach innych konstrukcji elementy reagują inaczej, ale zasada jest podobna.

Rodzaje i rodzaje baterii

Właściwości konsumenckie akumulatorów zależą głównie od technologii ich produkcji. W życiu codziennym i przemyśle najczęściej stosuje się kilka rodzajów ogniw baterii.

kwas ołowiowy

Ten rodzaj baterii został wynaleziony w połowie XIX wieku i nadal ma swoją niszę zastosowań. Jego zalety to:

• prosta, niedroga i kilkudziesięcioletnia technologia produkcji;
• wyjście wysokoprądowe;
• długa żywotność (od 300 do 1000 cykli ładowania-rozładowania);
• najniższy prąd samorozładowania;
• brak efektu pamięci.

Są też wady.Przede wszystkim jest to niska energochłonność właściwa, prowadząca do wzrostu wymiarów i wagi. Słaba wydajność występuje również w niskich temperaturach, zwłaszcza poniżej minus 20 °C. Pojawiają się też problemy z utylizacją – związki ołowiu są dość toksyczne. Ale to zadanie należy zaadresować dla innych typów baterii.

Chociaż akumulatory kwasowo-ołowiowe zostały zoptymalizowane do ich optymalnego poziomu, nawet tutaj jest miejsce na ulepszenia. Na przykład istnieje technologia AGM, zgodnie z którą między elektrodami umieszcza się porowaty materiał impregnowany elektrolitem. Nie wpływa to na elektrochemiczne procesy ładowania i rozładowania. Zasadniczo poprawia to właściwości mechaniczne akumulatorów (odporność na wibracje, możliwość pracy w prawie każdej pozycji itp.) i nieco zwiększa bezpieczeństwo pracy.

Niewątpliwą zaletą jest również ulepszona praca bez utraty pojemności i prądu wyjściowego w temperaturach do minus 30 °C. Producenci akumulatorów AGM deklarują wzrost prądu rozruchowego i zasobów.

Akumulatory żelowe to kolejna modyfikacja akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Elektrolit gęstnieje do stanu galaretki. Osiąga to wykluczenie wycieku elektrolitu podczas pracy i eliminuje możliwość tworzenia się gazów. Ale prąd wyjściowy jest nieco zmniejszony, co ogranicza możliwość używania akumulatorów żelowych jako akumulatorów rozruchowych. Deklarowane cudowne właściwości takich baterii w zakresie zwiększonej pojemności i zwiększonego zasobu leżą na sumieniu marketerów.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe są zwykle ładowane w trybie stabilizacji napięcia. Jednocześnie wzrasta napięcie na akumulatorze i maleje prąd ładowania. Kryterium zakończenia procesu ładowania jest spadek prądu do ustawionego limitu.

Nikiel-kadm

Ich stulecie dobiega końca, a zakres stopniowo się kurczy. Ich główną wadą jest wyraźny efekt pamięci. Jeśli zaczniesz ładować niecałkowicie rozładowany akumulator Ni-Cd, to element „zapamiętuje” ten poziom, a pojemność jest dalej określana z tej wartości. Kolejnym problemem jest niska przyjazność dla środowiska. Toksyczne związki kadmu stwarzają problemy z utylizacją takich baterii. Inne wady to:

• wysoka skłonność do samorozładowania;
• stosunkowo niski pobór mocy.

Ale są też plusy:

• niska cena;
• długa żywotność (do 1000 cykli ładowania-rozładowania);
• zdolność do dostarczania wysokiego prądu.

Do zalet takich akumulatorów należy również możliwość pracy w niskich ujemnych temperaturach.

Ładowanie ogniw Ni-Cd odbywa się w trybie prądu stałego. Możesz w pełni wykorzystać pojemność, ładując z płynnym lub stopniowym spadkiem prądu ładowania. Koniec procesu jest kontrolowany przez obniżenie napięcia ogniwa.

Wodorek niklu

Przeznaczony do wymiany baterii niklowo-kadmowych. Wiele cech i właściwości użytkowych jest wyższych niż w przypadku Ni-Cd. Udało się częściowo pozbyć efektu pamięci, zwiększyć intensywność energii o około półtora raza i zmniejszyć skłonność do samorozładowania. Jednocześnie zachowana została wysoka wydajność prądowa, a koszt pozostał w przybliżeniu na tym samym poziomie. Problem środowiskowy zostaje złagodzony – baterie produkowane są bez użycia toksycznych związków. Ale musieliśmy za to zapłacić znacznie zmniejszonym zasobem (do 5 razy) i możliwością pracy w ujemnych temperaturach - tylko do -20°C w porównaniu z -40°C dla niklowo-kadmowych.

Takie ogniwa są ładowane w trybie prądu stałego. Koniec procesu jest kontrolowany poprzez zwiększenie napięcia na każdym elemencie do 1,37 wolta. Najkorzystniejszy jest tryb prądu pulsacyjnego z ujemnymi przepięciami. Eliminuje to skutki efektu pamięci.

Li-ion

Akumulatory litowo-jonowe podbijają świat. Wypierają inne rodzaje baterii z tych obszarów, w których sytuacja wydawała się niezachwiana. Ogniwa Li-ion praktycznie nie mają efektu pamięci (jest obecny, ale na poziomie teoretycznym), wytrzymują do 600 cykli ładowania-rozładowania, energochłonność jest 2-3 razy wyższa niż stosunek pojemności i masy niklowo-metalowo-wodorkowych baterie.

Skłonność do samorozładowania podczas przechowywania również jest minimalna, ale dosłownie za to wszystko trzeba zapłacić – takie baterie są znacznie droższe od tradycyjnych. Można spodziewać się obniżek cen wraz z rozwojem produkcji, jak to zwykle bywa, ale inne nieodłączne wady takich akumulatorów – obniżona wydajność prądowa, niemożność pracy w ujemnych temperaturach – raczej nie zostaną przezwyciężone w ramach istniejących technologii.

Wraz ze zwiększonym zagrożeniem pożarowym utrudnia to nieco użytkowanie Akumulatory litowo-jonowe. Należy również pamiętać, że takie elementy ulegają degradacji. Nawet jeśli nie są ładowane i rozładowywane, sam ich zasób spada do zera po 1,5 ... 2 latach przechowywania.

Najkorzystniejszy tryb ładowania jest dwuetapowy. Najpierw stabilny prąd (o płynnie rosnącym napięciu), potem stabilne napięcie (o płynnie malejącym prądzie). W praktyce drugi etap realizowany jest w postaci stopniowego zmniejszania prądu ładowania. Jeszcze częściej ten etap składa się z jednego etapu - stabilizowany prąd po prostu maleje.

Główne cechy baterii

Pierwszym parametrem, na który zwraca się uwagę przy wyborze akumulatora, jest jego Napięcie znamionowe. Napięcie jednego ogniwa baterii zależy od procesów fizykochemicznych zachodzących wewnątrz ogniwa i zależy od rodzaju baterii. Jeden w pełni naładowany bank wydaje:

• element kwasowo-ołowiowy - 2,1 wolta;
• niklowo-kadmowy - 1,25 wolta;
• wodorek niklu - 1,37 wolta;
• litowo-jonowy - 3,7 wolta.

Aby uzyskać wyższe napięcie, ogniwa montuje się w baterie. Tak więc w przypadku akumulatora samochodowego należy połączyć szeregowo 6 puszek kwasowo-ołowiowych, aby uzyskać 12 woltów (dokładniej 12,6 V), a dla śrubokręta 18 V - 5 puszek litowo-jonowych o napięciu 3,7 woltów każda.

Drugim ważnym parametrem jest Pojemność. Określa żywotność baterii pod obciążeniem. Jest mierzony w amperogodzinach (iloczyn prądu i czasu). Tak więc akumulator o pojemności 3 Ah po rozładowaniu prądem o natężeniu 1 ampera zostanie rozładowany w ciągu 3 godzin, a prądem o natężeniu 3 amperów - w ciągu 1 godziny.

Ważny! Ściśle mówiąc, Pojemność baterii zależy od prądu rozładowania, więc iloczyn prądu i czasu rozładowania przy różnych wartościach obciążenia dla jednego akumulatora nie będzie taki sam.

I trzeci ważny parametr - obecnie zaopatrzenie. Jest to maksymalny prąd, jaki może dostarczyć akumulator. Jest to ważne np. dla: akumulator samochodowy - określa możliwość obracania wału silnika w zimnych porach roku. Również zdolność do dostarczania wysokiego prądu, tworzącego wysoki moment obrotowy, jest ważna, na przykład w przypadku elektronarzędzi. A w przypadku gadżetów mobilnych ta cecha nie jest tak ważna.

Właściwości elektryczne i właściwości użytkowe akumulatorów zależą od ich konstrukcji i technologii produkcji. Prawidłowe użytkowanie baterii to wykorzystanie zalet odnawialnych chemicznych źródeł energii i zniwelowanie wad.

Podobne artykuły: