Elektriske batterier har en meget bred vifte af anvendelsesmuligheder. De anvendes som en kilde til elektricitet i legetøj til børnBatterierne anvendes også i elværktøj og som drivmiddel i elektriske køretøjer. For at kunne bruge dem korrekt er det nødvendigt at kende deres egenskaber, deres styrker og svagheder.
Indhold
Hvad er et elektrisk batteri, og hvordan er det opbygget?
Det elektriske batteri - er en vedvarende kilde til elektrisk energi. I modsætning til galvaniske celler kan den oplades igen, når den først er afladet. I princippet har alle batterier den samme struktur og består af en katode og en anode, der er placeret i en elektrolyt.
Elektrodematerialet og elektrolytsammensætningen varierer, og det er dette, der bestemmer batteriernes forbrugeregenskaber og deres anvendelse. En porøs dielektrisk separator - en separator imprægneret med elektrolyt - kan placeres mellem katoden og anoden. Men den bestemmer hovedsagelig samlingens mekaniske egenskaber og påvirker ikke fundamentalt cellens funktion.
Batteriets funktion er grundlæggende baseret på to energiomdannelser:
- elektrisk til kemisk ved opladning;
- kemisk til elektrisk energi ved udladning.
Begge omdannelser er baseret på reversible kemiske reaktioner, hvis forløb bestemmes af de stoffer, der anvendes i batteriet. I bly-syre-cellen er den aktive del af anoden f.eks. fremstillet af blydioxid og katoden af metallisk bly. Elektroderne befinder sig i en svovlsyreelektrolyt. Under udladning ved anoden reduceres blydioxid til blysulfat og vand, og bly ved katoden oxideres til blysulfat. Under opladning finder de modsatte reaktioner sted. I andre batteridesigns reagerer komponenterne anderledes, men princippet er det samme.
Typer og typer af batterier
Forbrugeregenskaberne ved genopladelige batterier bestemmes hovedsagelig af produktionsteknologien. Der findes flere typer battericeller, som er de mest almindelige i husholdninger og industrien.
Bly-syre .
Denne type batterier blev opfundet i midten af det XIX århundrede og har stadig sit anvendelsesområde. Blandt dens fordele er:
- enkel, billig og produktionsteknologi, der er udviklet over årtier;
- høj strømudgang;
- lang levetid (fra 300 til 1000 opladnings- og afladningscyklusser);
- den laveste selvafladningsstrøm;
- ingen hukommelseseffekt.
Der er nogle ulemper. Først og fremmest er det den lave effekttæthed, hvilket fører til større dimensioner og vægt. Der er også blevet konstateret dårlige resultater ved temperaturer under frysepunktet, især under minus 20 °C. Der er også problemer med bortskaffelse - blyforbindelser er ret giftige. Men det er en udfordring for andre batterityper skal også tages op til behandling..
Selv om konstruktionen af bly-syre-batterier er blevet optimeret, er der også her mulighed for forbedringer. Der findes f.eks. AGM-teknologi, hvor et porøst materiale, der er imprægneret med elektrolyt, er placeret mellem elektroderne. De elektrokemiske opladnings- og afladningsprocesser påvirkes ikke. Dette forbedrer primært batteriernes mekaniske egenskaber (modstandsdygtighed over for vibrationer, evne til at arbejde i næsten alle positioner osv.) og øger driftssikkerheden en smule.
En anden mærkbar fordel er den forbedrede drift uden tab af kapacitet og strømudgang ved temperaturer ned til minus 30 °C. Producenterne af AGM-batterier hævder, at de har øget startstrøm og levetid.
En anden ændring af blybatteriet er gelbatteriet. Elektrolytten fortykkes til geléformet tilstand. Dette forhindrer elektrolytlækage under drift og eliminerer muligheden for gasdannelse. Strømudbyttet er dog noget mindre, hvilket begrænser brugen af gelbatterier som startbatterier. De erklærede mirakuløse egenskaber ved sådanne batterier med hensyn til øget kapacitet og levetid er marketingspecialisternes ansvar.
Blybatterier oplades normalt i spændingsstabiliseringstilstand. Dette øger batterispændingen og mindsker opladestrømmen. Slutningen af opladningsprocessen indikeres ved, at strømmen falder til en forudindstillet grænse.
Nikkel-cadmium .
De er ved at være ved at være udtjente, og deres anvendelsesområde bliver gradvist mindre og mindre. Deres største ulempe er deres hukommelseseffekt. Hvis du begynder at oplade et ufuldstændigt afladet Ni-Cd-batteri, "husker" cellen dette niveau, og kapaciteten bestemmes derefter ud fra denne værdi. Et andet problem er den ringe miljøvenlighed. Giftige cadmiumforbindelser skaber problemer med bortskaffelse af sådanne batterier. Andre ulemper er bl.a.:
- stor tendens til selvafladning;
- relativt lav energikapacitet.
Men der er også fordele:
- lave omkostninger;
- lang levetid (op til 1000 opladnings- og afladningscyklusser);
- evne til at afgive en høj strøm.
Blandt disse batteriers fordele er også, at de kan fungere ved lave negative temperaturer.
Ni-Cd-celler oplades med konstant strøm. Der kan opnås fuld udnyttelse af kapaciteten ved en trinvis eller kontinuerlig nedsættelse af opladestrømmen. Slutningen af processen overvåges ved et fald i cellens spænding.
Nikkelmetalhydrid .
De er beregnet til at erstatte nikkel-cadmium-batterier. De har mange bedre egenskaber og præstationsegenskaber end Ni-Cd-batterier. Hukommelseffekten blev delvist elimineret, strømkapaciteten blev øget med ca. halvanden gang, og tendensen til selvafladning blev reduceret. Samtidig er den nuværende produktion fortsat høj, og omkostningerne har været omtrent på samme niveau. Miljøproblemet er lettet - batterierne fremstilles uden brug af giftige stoffer. Dette blev dog kompenseret af en betydeligt kortere levetid (op til 5 gange kortere) og muligheden for at fungere ved minusgrader på ned til -20 °C mod -40 °C for nikkel-cadmium-batterier.
Disse celler oplades i DC-tilstand. Slutningen af processen overvåges, når spændingen i hver celle stiger til 1,37 volt. Pulserende strømtilstand med negative emissioner er den mest gunstige. På denne måde elimineres hukommelseseffekten.
Lithium-ion-batterier
Litium-ion-batterier er ved at indtage hele verden. De fortrænger andre batterityper fra områder, hvor positionen syntes ufravigelig. Li-ion-celler har praktisk talt ingen hukommelseseffekt (den er til stede, men på et teoretisk niveau), kan klare op til 600 opladnings- og afladningscyklusser og har en kapacitet på 2-3 gange større end nikkel-metalhydridbatterier.
Tendensen til selvafladning under opbevaring er også minimal, men du skal bogstaveligt talt betale for alt dette - sådanne batterier er meget dyrere end traditionelle batterier. Priserne kan forventes at falde, efterhånden som produktionen udvikles, som det normalt er tilfældet, men andre iboende ulemper ved sådanne batterier - lavere strømudbytte, manglende evne til at fungere ved temperaturer under nul - vil sandsynligvis ikke kunne overvindes med den eksisterende teknologi.
Sammen med den øgede brandfare er dette i nogen grad en hindring for brugen af Li-ion-batterier. Det skal også tages i betragtning, at sådanne celler er udsat for nedbrydning. Selv hvis de ikke oplades og aflades, falder deres forventede levetid til nul i løbet af 1,5...2 års opbevaring.
Den mest fordelagtige opladningstilstand er i to trin. Først med konstant strøm (med en let stigende spænding), derefter med konstant spænding (med en let faldende strøm). I praksis gennemføres anden fase som en støt faldende opladestrøm. Endnu oftere består denne fase af et enkelt trin - blot en faldende stabiliseret strøm.
De vigtigste egenskaber ved batterier
Den første parameter, der undersøges, når man vælger et batteri, er dets nominel spænding. Spændingen i en enkelt battericelle bestemmes af de fysiske og kemiske processer, der foregår i cellen, og afhænger af batteritypen. Et fuldt opladet batteri kan levere:
- blycelle - 2,1 volt;
- nikkel-cadmium - 1,25 volt;
- nikkel-metalhydrid - 1,37 volt;
- Lithium-ion - 3,7 volt.
For at opnå højere spændinger samles cellerne til batterier. For et bilbatteri skal 6 blybatterier kobles i serie for at producere 12 volt (12,6 volt for at være præcis), og for en 18-volts skruetrækker skal der bruges 5 lithium-ion-batterier på hver 3,7 volt.
Den anden vigtige parameter er kapacitet. Dette bestemmer batteriets driftstid under belastning. Den måles i amperetimer (strøm divideret med tid). Et batteri med en kapacitet på 3 A⋅h vil f.eks. blive afladet på 3 timer med en strømstyrke på 1 ampere og med en strømstyrke på 3 ampere på 1 time.
Vigtigt! Strengt taget, kapaciteten af et batteri afhænger af udladningsstrømmen produktet af den aktuelle afladningstid og den aktuelle afladningsstrøm ved forskellige belastningsværdier vil ikke være det samme for det samme batteri.
Og den tredje vigtige parameter strømførende kapacitet. Det er den maksimale strømstyrke, som et batteri kan levere. Dette er vigtigt for f.eks. bilbatteri - bestemmer evnen til at sætte motorakslen i gang i koldt vejr. Evnen til at levere høje strømme, der skaber et højt drejningsmoment, er også vigtig for f.eks. elværktøj. For mobile gadgets er denne egenskab dog mindre vigtig.
Batteriernes elektriske egenskaber og ydeevne afhænger af deres design og produktionsteknologi. Korrekt brug af batteriet indebærer, at man udnytter fordelene ved vedvarende kemiske energikilder og udligner ulemperne.
Relaterede artikler:
