Elektrische Batterien haben ein extrem breites Anwendungsspektrum. Sie werden als Stromquelle genutzt in Spielzeug für KinderDie Batterien werden auch in Elektrowerkzeugen und als Antriebsquelle in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Um sie richtig einsetzen zu können, muss man ihre Eigenschaften, ihre Stärken und Schwächen kennen.
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Was ist eine elektrische Batterie und wie ist sie aufgebaut?
Die elektrische Batterie - ist eine erneuerbare Quelle für elektrische Energie. Im Gegensatz zu galvanischen Zellen kann eine einmal entladene Zelle wieder aufgeladen werden. Im Prinzip sind alle Batterien gleich aufgebaut und bestehen aus einer Kathode und einer Anode, die in einem Elektrolyten liegen.
Das Elektrodenmaterial und die Zusammensetzung des Elektrolyten variieren und bestimmen die Verbrauchereigenschaften der Batterien und ihre Anwendung. Zwischen Kathode und Anode kann ein poröser dielektrischer Separator - ein mit Elektrolyt imprägnierter Separator - angeordnet werden. Sie bestimmt jedoch hauptsächlich die mechanischen Eigenschaften der Baugruppe und hat keinen grundlegenden Einfluss auf die Funktionsweise der Zelle.
Der Betrieb der Batterie basiert im Wesentlichen auf zwei Energieumwandlungen:
- elektrisch bis chemisch bei Ladung;
- chemische in elektrische Energie bei der Entladung.
Beide Umwandlungen beruhen auf reversiblen chemischen Reaktionen, deren Verlauf durch die in der Batterie verwendeten Stoffe bestimmt wird. Bei der Blei-Säure-Zelle beispielsweise besteht der aktive Teil der Anode aus Bleidioxid und die Kathode aus metallischem Blei. Die Elektroden befinden sich in einem Schwefelsäure-Elektrolyten. Bei der Entladung an der Anode wird Bleidioxid zu Bleisulfat und Wasser reduziert, und an der Kathode wird Blei zu Bleisulfat oxidiert. Während des Ladevorgangs finden die umgekehrten Reaktionen statt. Bei anderen Batterietypen reagieren die Komponenten anders, aber das Prinzip ist ähnlich.
Arten und Typen von Batterien
Die Verbrauchereigenschaften von wiederaufladbaren Batterien werden hauptsächlich durch die Produktionstechnologie bestimmt. Im Haushalt und in der Industrie sind verschiedene Arten von Batteriezellen am weitesten verbreitet.
Blei-Säure .
Dieser Batterietyp wurde in der Mitte des XIX. Jahrhunderts erfunden und hat immer noch seine Anwendungsnische. Zu seinen Vorteilen gehören:
- einfache, preiswerte und über Jahrzehnte erarbeitete Produktionstechnik;
- hohe Stromabgabe;
- lange Lebensdauer (von 300 bis 1000 Lade-/Entladezyklen);
- den geringsten Selbstentladungsstrom;
- kein Memory-Effekt.
Es gibt einige Nachteile. Zunächst einmal ist es die geringe Leistungsdichte, die zu größeren Abmessungen und höherem Gewicht führt. Außerdem wurde eine schlechte Leistung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, insbesondere unter minus 20 °C, festgestellt. Es gibt auch Probleme bei der Entsorgung - Bleiverbindungen sind sehr giftig. Aber das ist eine Herausforderung für andere Batterietypen muss ebenfalls behandelt werden..
Obwohl die Konstruktion von Blei-Säure-Batterien optimiert wurde, gibt es auch hier noch Verbesserungsmöglichkeiten. So gibt es beispielsweise die AGM-Technologie, bei der ein poröses, mit Elektrolyt imprägniertes Material zwischen den Elektroden angebracht wird. Die elektrochemischen Lade- und Entladevorgänge werden nicht beeinträchtigt. Dadurch werden vor allem die mechanischen Eigenschaften der Batterien verbessert (Vibrationsfestigkeit, Fähigkeit, in fast jeder Lage zu arbeiten usw.) und die Betriebssicherheit leicht erhöht.
Ein weiterer spürbarer Vorteil ist der verbesserte Betrieb ohne Kapazitäts- und Stromverluste bei Temperaturen bis zu minus 30°C. Die Hersteller von AGM-Batterien behaupten, dass sie einen höheren Anlaufstrom und eine längere Lebensdauer haben.
Eine weitere Abwandlung der Blei-Säure-Batterie ist die Gel-Batterie. Der Elektrolyt wird zu einem geleeartigen Zustand eingedickt. Dadurch wird ein Auslaufen des Elektrolyts während des Betriebs verhindert und die Möglichkeit einer Gasbildung ausgeschlossen. Allerdings ist die Stromabgabe etwas geringer, was die Verwendung von Gelbatterien als Starterbatterien einschränkt. Die erklärten wundersamen Eigenschaften solcher Batterien in Bezug auf erhöhte Kapazität und Lebensdauer liegen in der Verantwortung von Marketingspezialisten.
Bleiakkumulatorenbatterien werden normalerweise im Spannungsstabilisierungsmodus geladen. Dadurch wird die Batteriespannung erhöht und der Ladestrom gesenkt. Das Ende des Ladevorgangs wird durch das Absinken des Stroms auf einen voreingestellten Grenzwert angezeigt.
Nickel-Cadmium .
Sie kommen in die Jahre und ihr Einsatzbereich nimmt allmählich ab. Ihr größter Nachteil ist ihr Memory-Effekt. Wenn Sie einen nicht vollständig entladenen Ni-Cd-Akku zu laden beginnen, "merkt" sich die Zelle diesen Wert und die Kapazität wird dann durch diesen Wert bestimmt. Ein weiteres Problem ist die geringe Umweltfreundlichkeit. Die giftigen Cadmiumverbindungen verursachen Probleme bei der Entsorgung solcher Batterien. Weitere Nachteile sind:
- hohe Neigung zur Selbstentladung;
- relativ geringe Energiekapazität.
Aber es gibt auch Vorteile:
- geringe Kosten;
- lange Lebensdauer (bis zu 1000 Lade-/Entladezyklen);
- Fähigkeit, einen hohen Strom abzugeben.
Zu den Vorteilen solcher Batterien gehört auch die Fähigkeit, bei niedrigen Minustemperaturen zu arbeiten.
Ni-Cd-Zellen werden im Konstantstrommodus geladen. Die volle Ausnutzung der Kapazität kann durch eine stufenweise oder kontinuierliche Verringerung des Ladestroms erreicht werden. Das Ende des Prozesses wird durch eine Verringerung der Zellspannung überwacht.
Nickel-Metallhydrid .
Sie sind als Ersatz für Nickel-Cadmium-Batterien gedacht. Sie haben viel bessere Eigenschaften und Leistungsmerkmale als Ni-Cd-Batterien. Der Memory-Effekt wurde teilweise beseitigt, die Stromkapazität stieg um das Anderthalbfache und die Neigung zur Selbstentladung wurde verringert. Gleichzeitig ist die Stromproduktion hoch geblieben und die Kosten sind in etwa gleich geblieben. Die Umweltproblematik wird entschärft - die Batterien werden ohne giftige Verbindungen hergestellt. Dies wurde jedoch durch eine wesentlich geringere Lebensdauer (bis zu fünfmal kürzer) und die Möglichkeit des Betriebs bei Minustemperaturen von bis zu -20 °C gegenüber -40 °C bei Nickel-Cadmium-Batterien wettgemacht.
Diese Zellen werden im DC-Modus geladen. Das Ende des Prozesses wird überwacht, wenn die Spannung jeder Zelle auf 1,37 Volt ansteigt. Gepulster Strom mit negativen Emissionen ist der günstigste Lademodus. Auf diese Weise wird der Memory-Effekt beseitigt.
Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien sind dabei, die Welt zu erobern. Sie verdrängen andere Batterietypen aus Bereichen, in denen die Position unveränderlich schien. Li-Ionen-Zellen haben praktisch keinen Memory-Effekt (er ist zwar vorhanden, aber nur theoretisch), halten bis zu 600 Lade-/Entladezyklen aus und haben eine 2-3 mal höhere Kapazität als Nickel-Metallhydrid-Batterien.
Die Neigung zur Selbstentladung während der Lagerung ist ebenfalls minimal, aber das muss man buchstäblich bezahlen - solche Batterien sind viel teurer als herkömmliche Batterien. Es ist zu erwarten, dass die Preise mit der Entwicklung der Produktion sinken werden, wie es normalerweise der Fall ist, aber andere inhärente Nachteile solcher Batterien - geringere Stromleistung, Unfähigkeit zum Betrieb bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt - werden mit der bestehenden Technologie wahrscheinlich nicht überwunden werden können.
Neben einer erhöhten Brandgefahr behindert dies in gewisser Weise die Verwendung von Li-Ionen-Batterien. Außerdem ist zu bedenken, dass solche Zellen einer Degradation unterworfen sind. Selbst wenn sie nicht geladen und entladen werden, sinkt ihre Lebenserwartung nach 1,5 bis 2 Jahren Lagerung auf Null.
Der günstigste Lademodus erfolgt in zwei Stufen. Zunächst mit konstantem Strom (mit leicht ansteigender Spannung), dann mit konstanter Spannung (mit leicht abnehmendem Strom). In der Praxis wird die zweite Stufe durch einen stetig abnehmenden Ladestrom realisiert. Noch häufiger besteht diese Phase aus einem einzigen Schritt - nur ein abnehmender, stabilisierter Strom.
Die wichtigsten Merkmale von Batterien
Der erste Parameter, auf den bei der Auswahl einer Batterie geachtet wird, ist ihr Nennspannung. Die Spannung einer einzelnen Batteriezelle wird durch die physikalischen und chemischen Vorgänge im Inneren der Zelle bestimmt und hängt von der Art der Batterie ab. Eine voll aufgeladene Batterie kann das leisten:
- Blei-Säure-Zelle - 2,1 Volt;
- Nickel-Cadmium - 1,25 Volt;
- Nickel-Metallhydrid - 1,37 Volt;
- Lithium-Ionen - 3,7 Volt.
Um höhere Spannungen zu erzielen, werden die Zellen zu Batterien zusammengesetzt. So müssen für eine Autobatterie 6 Blei-Säure-Batterien in Reihe geschaltet werden, um 12 Volt zu erzeugen (12,6 Volt, um genau zu sein), und für einen 18-Volt-Schraubendreher 5 Lithium-Ionen-Batterien mit jeweils 3,7 Volt.
Der zweite wichtige Parameter ist Kapazität. Dies bestimmt die Betriebsdauer der Batterie unter Last. Sie wird in Amperestunden gemessen (Stromstärke geteilt durch Zeit). Zum Beispiel wird eine Batterie mit einer Kapazität von 3 A⋅h in 3 Stunden mit einem Strom von 1 Ampere entladen, und mit einem Strom von 3 Ampere in 1 Stunde.
Wichtig! Streng genommen, die Kapazität einer Batterie hängt vom Entladestrom ab Das Produkt aus Entladestromzeit und Entladestrom bei verschiedenen Lastwerten ist für dieselbe Batterie nicht gleich groß.
Und der dritte wichtige Parameter Strombelastbarkeit. Dies ist der maximale Strom, den eine Batterie liefern kann. Dies ist wichtig, zum Beispiel für Autobatterie - bestimmt die Fähigkeit, die Motorwelle bei kaltem Wetter anzukurbeln. Auch die Fähigkeit, hohe Ströme zu liefern, die ein hohes Drehmoment erzeugen, ist wichtig, zum Beispiel für Elektrowerkzeuge. Für mobile Geräte ist diese Eigenschaft jedoch weniger wichtig.
Die elektrischen Eigenschaften und die Leistung von Batterien hängen von ihrem Design und ihrer Produktionstechnologie ab. Der richtige Einsatz der Batterie setzt voraus, dass die Vorteile der erneuerbaren chemischen Energiequellen genutzt und die Nachteile ausgeglichen werden.
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