Elektrické baterie mají mimořádně širokou škálu použití. Používají se jako zdroj elektřiny v hračky pro dětiBaterie se používají také v elektrickém nářadí a jako zdroj pohonu v elektromobilech. Pro jejich správné použití je nutné znát jejich vlastnosti, silné a slabé stránky.
Obsah
Co je to elektrická baterie a jak je konstruována?
Elektrická baterie - je obnovitelný zdroj elektrické energie. Na rozdíl od galvanických článků je lze po vybití znovu nabít. Všechny baterie mají v zásadě stejnou strukturu a skládají se z katody a anody umístěných v elektrolytu.
Materiál elektrod a složení elektrolytu se liší, což určuje spotřebitelské vlastnosti baterií a jejich použití. Mezi katodu a anodu lze umístit porézní dielektrický separátor - separátor napuštěný elektrolytem. Většinou však určuje mechanické vlastnosti sestavy a nemá zásadní vliv na fungování článku.
Fungování baterie je v podstatě založeno na dvou přeměnách energie:
- elektrický na chemický na náplň;
- chemickou na elektrickou energii při vybíjení.
Obě přeměny jsou založeny na vratných chemických reakcích, jejichž průběh je dán látkami použitými v baterii. Například v olověném článku je aktivní část anody vyrobena z oxidu olovnatého a katoda z kovového olova. Elektrody jsou v elektrolytu kyseliny sírové. Při vybíjení na anodě se oxid olovnatý redukuje na síran olovnatý a vodu a na katodě se olovo oxiduje na síran olovnatý. Během nabíjení probíhají opačné reakce. V jiných konstrukcích baterií reagují komponenty odlišně, ale princip je podobný.
Typy a druhy baterií
Spotřebitelské vlastnosti dobíjecích baterií jsou dány především technologií jejich výroby. V domácnostech a průmyslu se nejčastěji používá několik typů bateriových článků.
Olověný akumulátor .
Tento typ baterií byl vynalezen v polovině 19. století a stále má své uplatnění. Mezi jeho výhody patří:
- jednoduchá, levná a po desetiletí propracovaná výrobní technologie;
- vysoký výstupní proud;
- dlouhá životnost (300 až 1000 cyklů nabíjení a vybíjení);
- nejnižší proud samovybíjení;
- žádný paměťový efekt.
Existují určité nevýhody. Především je to nízká hustota výkonu, která vede k nárůstu rozměrů a hmotnosti. Rovněž byl zaznamenán špatný výkon při teplotách pod bodem mrazu, zejména pod minus 20 °C. Problémy jsou také s likvidací - sloučeniny olova jsou poměrně toxické. Ale to je výzva je třeba se zabývat i jinými typy baterií..
Přestože konstrukce olověných akumulátorů byla optimalizována, i zde existují možnosti zlepšení. Existuje například technologie AGM, kdy je mezi elektrodami umístěn porézní materiál napuštěný elektrolytem. Elektrochemické procesy nabíjení a vybíjení nejsou ovlivněny. Tím se zlepšují především mechanické vlastnosti baterií (odolnost proti vibracím, schopnost pracovat téměř v jakékoli poloze atd.) a mírně se zvyšuje bezpečnost provozu.
Výraznou výhodou je také lepší provoz bez ztráty kapacity a proudového výkonu při teplotách až do minus 30 °C. Výrobci baterií AGM tvrdí, že mají vyšší startovací proud a životnost.
Další modifikací olověného akumulátoru je gelový akumulátor. Elektrolyt je zahuštěn do rosolovitého stavu. To zabraňuje úniku elektrolytu během provozu a eliminuje možnost zplynování. Výstupní proud je však poněkud nižší, což omezuje použití gelových baterií jako startovacích baterií. Deklarované zázračné vlastnosti těchto baterií, pokud jde o zvýšenou kapacitu a životnost, mají na svědomí marketingoví specialisté.
Olověné akumulátory se obvykle nabíjejí v režimu stabilizace napětí. Tím se zvýší napětí baterie a sníží nabíjecí proud. Konec nabíjení je indikován poklesem proudu na předem nastavenou mez.
Nikl-kadmium .
Jejich věk se blíží ke konci a rozsah jejich použití se postupně snižuje. Jejich hlavní nevýhodou je paměťový efekt. Pokud začnete nabíjet neúplně vybitou Ni-Cd baterii, článek si tuto úroveň "zapamatuje" a kapacita se pak určuje podle této hodnoty. Dalším problémem je nízká šetrnost k životnímu prostředí. Toxické sloučeniny kadmia způsobují problémy při likvidaci těchto baterií. Mezi další nevýhody patří:
- vysoká tendence k samovybíjení;
- relativně nízká energetická kapacita.
Existují však i výhody:
- nízké náklady;
- dlouhá životnost (až 1000 cyklů nabíjení a vybíjení);
- schopnost vydávat vysoký proud.
Mezi přednosti těchto baterií patří také schopnost pracovat při nízkých záporných teplotách.
Ni-Cd články se nabíjejí v režimu konstantního proudu. Plného využití kapacity lze dosáhnout postupným nebo plynulým snižováním nabíjecího proudu. Konec procesu je monitorován snížením napětí článku.
Hydrid niklu a kovu .
Jsou určeny k nahrazení nikl-kadmiových baterií. Mají mnohem lepší vlastnosti a výkonnostní charakteristiky než Ni-Cd baterie. Paměťový efekt byl částečně eliminován, energetická kapacita se zvýšila přibližně jedenapůlkrát a snížila se tendence k samovybíjení. Současně zůstala současná produkce vysoká a náklady zůstaly přibližně na stejné úrovni. Problém životního prostředí je zmírněn - baterie jsou vyráběny bez použití toxických sloučenin. To však bylo vykoupeno výrazně nižší životností (až 5krát kratší) a schopností pracovat při minusových teplotách až -20 °C oproti -40 °C u nikl-kadmiových baterií.
Tyto články se nabíjejí v režimu stejnosměrného proudu. Konec procesu se sleduje, když napětí každého článku stoupne na 1,37 V. Nejvýhodnější je režim pulzního proudu s negativními emisemi. Tímto způsobem se eliminuje paměťový efekt.
Lithium-iontové baterie
Lithium-iontové baterie dobývají svět. Vytlačují jiné typy baterií z oblastí, kde se pozice zdála být neměnná. Li-ion články prakticky nemají paměťový efekt (je přítomen, ale jen v teoretické rovině), vydrží až 600 cyklů nabití a vybití a mají 2-3krát větší kapacitu než nikl-metal hydridové baterie.
Tendence k samovybíjení během skladování je také minimální, ale za to všechno musíte doslova zaplatit - takové baterie jsou mnohem dražší než klasické baterie. Lze očekávat, že s rozvojem výroby budou ceny klesat, jak tomu obvykle bývá, ale další přirozené nevýhody těchto baterií - nižší proudový výkon, neschopnost pracovat při teplotách pod bodem mrazu - pravděpodobně stávající technologie nepřekoná.
Spolu se zvýšeným nebezpečím požáru to poněkud ztěžuje používání Li-ion baterie. Je také třeba vzít v úvahu, že tyto buňky podléhají degradaci. I když se nenabíjejí a nevybíjejí, jejich životnost sama o sobě klesne na nulu za 1,5 až 2 roky skladování.
Nejvýhodnější režim nabíjení je dvoufázový. Nejdříve se stálým proudem (s mírně rostoucím napětím), pak se stálým napětím (s mírně klesajícím proudem). V praxi se druhý stupeň realizuje jako postupně klesající nabíjecí proud. Častěji se tato fáze skládá z jediného kroku - pouze z klesajícího stabilizovaného proudu.
Hlavní charakteristiky baterií
Prvním parametrem, který se při výběru baterie hledá, je její jmenovité napětí. Napětí jednoho článku baterie je určeno fyzikálními a chemickými procesy probíhajícími uvnitř článku a závisí na typu baterie. Jedna plně nabitá baterie může poskytnout:
- olověný článek - 2,1 V;
- nikl-kadmium - 1,25 V;
- nikl-metal hydrid - 1,37 V;
- Lithium-iontové - 3,7 V.
Pro dosažení vyššího napětí se články sestavují do baterií. Pro autobaterii je tedy třeba sériově zapojit 6 olověných akumulátorů, aby vzniklo 12 V (přesněji 12,6 V), a pro 18voltový šroubovák 5 lithium-iontových akumulátorů po 3,7 V.
Druhým důležitým parametrem je kapacita. To určuje provozní dobu baterie při zatížení. Měří se v ampérhodinách (proud dělený časem). Například baterie s kapacitou 3 A⋅h se vybije za 3 hodiny proudem 1 ampér a proudem 3 ampéry za 1 hodinu.
Důležité! Přesněji řečeno, kapacita baterie závisí na vybíjecím proudu součin doby vybíjecího proudu a vybíjecího proudu při různých hodnotách zátěže nebude u stejné baterie stejný.
A třetí důležitý parametr proudová zatížitelnost. Jedná se o maximální proud, který může baterie dodávat. To je důležité například pro autobaterie - určuje schopnost vytáčet hřídel motoru za chladného počasí. Také schopnost dodávat vysoké proudy a vytvářet vysoký točivý moment je důležitá například pro elektrické nářadí. U mobilních gadgetů je však tato vlastnost méně důležitá.
Elektrické vlastnosti a výkon baterií závisí na jejich konstrukci a technologii výroby. Správné použití baterie znamená využití výhod obnovitelných chemických zdrojů energie a vyrovnání jejich nevýhod.
Související články:
