Οι ηλεκτρικές μπαταρίες έχουν εξαιρετικά ευρύ φάσμα εφαρμογών. Χρησιμοποιούνται ως πηγή ηλεκτρικής ενέργειας σε παιχνίδια για παιδιάΟι μπαταρίες χρησιμοποιούνται επίσης σε ηλεκτρικά εργαλεία και ως πηγή κίνησης σε ηλεκτρικά οχήματα. Για να τα χρησιμοποιήσετε σωστά, είναι απαραίτητο να γνωρίζετε τις ιδιότητές τους, τα δυνατά και τα αδύνατα σημεία τους.
Περιεχόμενα
Τι είναι μια ηλεκτρική μπαταρία και πώς κατασκευάζεται;
Η ηλεκτρική μπαταρία - είναι μια ανανεώσιμη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σε αντίθεση με τις γαλβανικές κυψέλες, μπορεί να επαναφορτιστεί μετά από εκφόρτιση. Κατ' αρχήν, όλες οι μπαταρίες έχουν την ίδια δομή και αποτελούνται από μια κάθοδο και μια άνοδο τοποθετημένες σε έναν ηλεκτρολύτη.
Το υλικό του ηλεκτροδίου και η σύνθεση του ηλεκτρολύτη ποικίλλουν και αυτό είναι που καθορίζει τις ιδιότητες των μπαταριών και την εφαρμογή τους. Ένας πορώδης διηλεκτρικός διαχωριστής - ένας διαχωριστής εμποτισμένος με ηλεκτρολύτη - μπορεί να τοποθετηθεί μεταξύ της καθόδου και της ανόδου. Αλλά καθορίζει κυρίως τις μηχανικές ιδιότητες του συγκροτήματος και δεν επηρεάζει ουσιαστικά τη λειτουργία της κυψέλης.
Βασικά, η λειτουργία της μπαταρίας βασίζεται σε δύο μετατροπές ενέργειας:
- από ηλεκτρικό σε χημικό με φόρτιση,
- χημική σε ηλεκτρική ενέργεια κατά την εκφόρτιση.
Και οι δύο μετατροπές βασίζονται σε αντιστρεπτές χημικές αντιδράσεις, η πορεία των οποίων καθορίζεται από τις ουσίες που χρησιμοποιούνται στη μπαταρία. Στην κυψέλη μολύβδου-οξέος, για παράδειγμα, το ενεργό τμήμα της ανόδου είναι κατασκευασμένο από διοξείδιο του μολύβδου και η κάθοδος από μεταλλικό μόλυβδο. Τα ηλεκτρόδια βρίσκονται σε ηλεκτρολύτη θειικού οξέος. Κατά την εκκένωση στην άνοδο, το διοξείδιο του μολύβδου ανάγεται σε θειικό μόλυβδο και νερό και ο μόλυβδος στην κάθοδο οξειδώνεται σε θειικό μόλυβδο. Κατά τη διάρκεια της φόρτισης, λαμβάνουν χώρα οι αντίθετες αντιδράσεις. Σε άλλα σχέδια μπαταριών, τα εξαρτήματα αντιδρούν διαφορετικά, αλλά η αρχή είναι παρόμοια.
Τύποι και είδη μπαταριών
Οι καταναλωτικές ιδιότητες των επαναφορτιζόμενων μπαταριών καθορίζονται κυρίως από την τεχνολογία παραγωγής τους. Διάφοροι τύποι μπαταριών είναι οι πιο συνηθισμένοι στο νοικοκυριό και τη βιομηχανία.
Μόλυβδος-οξύ .
Αυτός ο τύπος μπαταριών εφευρέθηκε στα μέσα του ΧΙΧ αιώνα και εξακολουθεί να έχει τη δική του θέση εφαρμογής. Μεταξύ των πλεονεκτημάτων του είναι:
- απλή, ανέξοδη και τεχνολογία παραγωγής που δουλεύεται επί δεκαετίες,
- έξοδος υψηλού ρεύματος,
- μεγάλη διάρκεια ζωής (από 300 έως 1000 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης),
- το χαμηλότερο ρεύμα αυτοεκφόρτισης,
- καμία επίδραση μνήμης.
Υπάρχουν ορισμένα μειονεκτήματα. Πρώτα απ' όλα είναι η χαμηλή πυκνότητα ισχύος που οδηγεί σε αύξηση των διαστάσεων και του βάρους. Επίσης, έχει παρατηρηθεί κακή απόδοση σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν, ιδίως κάτω από μείον 20 °C. Υπάρχουν επίσης προβλήματα με τη διάθεση - οι ενώσεις του μολύβδου είναι αρκετά τοξικές. Αλλά αυτό είναι μια πρόκληση για άλλους τύπους μπαταριών πρέπει επίσης να αντιμετωπιστεί..
Αν και ο σχεδιασμός των μπαταριών μολύβδου-οξέος έχει βελτιστοποιηθεί, ακόμη και εδώ υπάρχουν δυνατότητες βελτίωσης. Για παράδειγμα, υπάρχει η τεχνολογία AGM όπου ένα πορώδες υλικό εμποτισμένο με ηλεκτρολύτη τοποθετείται μεταξύ των ηλεκτροδίων. Οι διαδικασίες ηλεκτροχημικής φόρτισης και εκφόρτισης δεν επηρεάζονται. Αυτό βελτιώνει κυρίως τα μηχανικά χαρακτηριστικά των μπαταριών (αντοχή στους κραδασμούς, δυνατότητα λειτουργίας σε σχεδόν οποιαδήποτε θέση κ.λπ.) και αυξάνει ελαφρώς την ασφάλεια λειτουργίας.
Επίσης, ένα αξιοσημείωτο πλεονέκτημα είναι η βελτιωμένη λειτουργία χωρίς απώλεια χωρητικότητας και ρεύματος σε θερμοκρασίες έως και μείον 30°C. Οι παραγωγοί μπαταριών AGM ισχυρίζονται ότι έχουν αυξημένο ρεύμα εκκίνησης και διάρκεια ζωής.
Μια άλλη τροποποίηση της μπαταρίας μολύβδου-οξέος είναι η μπαταρία τζελ. Ο ηλεκτρολύτης συμπυκνώνεται σε κατάσταση ζελέ. Αυτό αποτρέπει τη διαρροή ηλεκτρολύτη κατά τη λειτουργία και εξαλείφει την πιθανότητα αερίων. Ωστόσο, το ρεύμα εξόδου είναι κάπως μειωμένο, περιορίζοντας τη χρήση των μπαταριών τζελ ως μπαταριών εκκίνησης. Οι δηλωμένες θαυματουργές ιδιότητες αυτών των μπαταριών όσον αφορά την αυξημένη χωρητικότητα και τη διάρκεια ζωής είναι ευθύνη των ειδικών του μάρκετινγκ.
Οι συσσωρευτές μολύβδου φορτίζονται συνήθως στη λειτουργία σταθεροποίησης τάσης. Αυτό αυξάνει την τάση της μπαταρίας και μειώνει το ρεύμα φόρτισης. Το τέλος της διαδικασίας φόρτισης υποδεικνύεται από την πτώση του ρεύματος σε ένα προκαθορισμένο όριο.
Νικέλιο-κάδμιο .
Πλησιάζουν στο τέλος της ηλικίας τους και το εύρος χρήσης τους μειώνεται σταδιακά. Το κύριο μειονέκτημά τους είναι η επίδραση μνήμης. Εάν αρχίσετε να φορτίζετε μια ατελώς αποφορτισμένη μπαταρία Ni-Cd, το στοιχείο "θυμάται" αυτό το επίπεδο και η χωρητικότητα καθορίζεται στη συνέχεια από αυτή την τιμή. Ένα άλλο πρόβλημα είναι η χαμηλή φιλικότητα προς το περιβάλλον. Οι τοξικές ενώσεις καδμίου προκαλούν προβλήματα με την απόρριψη αυτών των μπαταριών. Άλλα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν:
- υψηλή τάση αυτοεκφόρτισης,
- σχετικά χαμηλή ενεργειακή ικανότητα.
Υπάρχουν όμως και πλεονεκτήματα:
- χαμηλό κόστος,
- μεγάλη διάρκεια ζωής (έως και 1000 κύκλοι φόρτισης-εκφόρτισης),
- ικανότητα να αποδίδει υψηλό ρεύμα.
Επίσης, στα πλεονεκτήματα αυτών των μπαταριών περιλαμβάνεται η δυνατότητα λειτουργίας σε χαμηλές αρνητικές θερμοκρασίες.
Οι κυψέλες Ni-Cd φορτίζονται σε λειτουργία σταθερού ρεύματος. Η πλήρης αξιοποίηση της χωρητικότητας μπορεί να επιτευχθεί με σταδιακή ή συνεχή μείωση του ρεύματος φόρτισης. Το τέλος της διαδικασίας παρακολουθείται από τη μείωση της τάσης της κυψέλης.
Υδρίδιο μετάλλων νικελίου .
Έχουν σχεδιαστεί για να αντικαθιστούν τις μπαταρίες νικελίου καδμίου. Έχουν πολλά καλύτερα χαρακτηριστικά και επιδόσεις από τις μπαταρίες Ni-Cd. Το φαινόμενο μνήμης εξαλείφθηκε εν μέρει, η χωρητικότητα ισχύος αυξήθηκε κατά περίπου μιάμιση φορά και η τάση αυτοεκφόρτισης μειώθηκε. Ταυτόχρονα, η τρέχουσα παραγωγή παρέμεινε υψηλή και το κόστος παρέμεινε στο ίδιο περίπου επίπεδο. Το περιβαλλοντικό ζήτημα απαλύνεται - οι μπαταρίες παράγονται χωρίς τη χρήση τοξικών ενώσεων. Ωστόσο, αυτό αντισταθμίστηκε από τον σημαντικά μικρότερο κύκλο ζωής (έως και 5 φορές μικρότερο) και τη δυνατότητα λειτουργίας σε θερμοκρασίες μείον έως -20°C έναντι -40°C για τις μπαταρίες νικελίου καδμίου.
Οι κυψέλες αυτές φορτίζονται σε λειτουργία συνεχούς ρεύματος. Το τέλος της διαδικασίας παρακολουθείται καθώς η τάση κάθε κυψέλης ανεβαίνει στα 1,37 βολτ. Η λειτουργία παλμικού ρεύματος με αρνητικές εκπομπές είναι η πιο ευνοϊκή. Με αυτόν τον τρόπο εξαλείφεται το φαινόμενο της μνήμης.
Μπαταρίες ιόντων λιθίου
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου κατακτούν τον κόσμο. Εκτοπίζουν άλλους τύπους μπαταριών από περιοχές όπου η θέση φαινόταν αμετάβλητη. Οι κυψέλες ιόντων λιθίου δεν έχουν πρακτικά κανένα φαινόμενο μνήμης (υπάρχει, αλλά σε θεωρητικό επίπεδο), αντέχουν έως και 600 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης και έχουν χωρητικότητα 2-3 φορές μεγαλύτερη από εκείνη των μπαταριών νικελίου-υδριδίου μετάλλου.
Η τάση αυτοεκφόρτισης κατά την αποθήκευση είναι επίσης ελάχιστη, αλλά πρέπει κυριολεκτικά να πληρώσετε για όλα αυτά - οι μπαταρίες αυτές είναι πολύ πιο ακριβές από τις παραδοσιακές μπαταρίες. Οι τιμές μπορεί να αναμένεται να μειωθούν καθώς αναπτύσσεται η παραγωγή, όπως συμβαίνει συνήθως, αλλά άλλα εγγενή μειονεκτήματα αυτών των μπαταριών - χαμηλότερη παραγωγή ρεύματος, αδυναμία λειτουργίας σε θερμοκρασίες κάτω του μηδενός - είναι απίθανο να ξεπεραστούν από την υπάρχουσα τεχνολογία.
Μαζί με τον αυξημένο κίνδυνο πυρκαγιάς, αυτό εμποδίζει κάπως τη χρήση των Μπαταρίες Li-ion. Πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη ότι τα κύτταρα αυτά υπόκεινται σε υποβάθμιση. Ακόμη και αν δεν φορτίζονται και δεν εκφορτίζονται, το ίδιο το προσδόκιμο ζωής τους μηδενίζεται σε 1,5...2 χρόνια αποθήκευσης.
Ο πιο ευνοϊκός τρόπος φόρτισης είναι σε δύο στάδια. Πρώτα με σταθερό ρεύμα (με ελαφρά αυξανόμενη τάση), στη συνέχεια με σταθερή τάση (με ελαφρά μειούμενο ρεύμα). Στην πράξη, το δεύτερο στάδιο υλοποιείται ως σταθερά μειούμενο ρεύμα φόρτισης. Συχνότερα το στάδιο αυτό αποτελείται από ένα μόνο βήμα - απλώς ένα μειούμενο σταθεροποιημένο ρεύμα.
Τα κύρια χαρακτηριστικά των μπαταριών
Η πρώτη παράμετρος που αναζητείται κατά την επιλογή μιας μπαταρίας είναι η ονομαστική τάση. Η τάση ενός μεμονωμένου στοιχείου μπαταρίας καθορίζεται από τις φυσικές και χημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό του στοιχείου και εξαρτάται από τον τύπο της μπαταρίας. Μια πλήρως φορτισμένη μπαταρία μπορεί να αποδώσει:
- κυψέλη μολύβδου-οξέος - 2,1 βολτ,
- νικέλιο κάδμιο - 1,25 βολτ,
- υδρίδιο νικελίου-μετάλλου - 1,37 βολτ,
- Ιόντα λιθίου - 3,7 βολτ.
Για να επιτευχθούν υψηλότερες τάσεις, οι κυψέλες συναρμολογούνται σε μπαταρίες. Έτσι, για μια μπαταρία αυτοκινήτου, 6 μπαταρίες μολύβδου-οξέος πρέπει να συνδεθούν σε σειρά για να παράγουν 12 βολτ (12,6 βολτ για την ακρίβεια), και για ένα κατσαβίδι 18 βολτ, 5 μπαταρίες ιόντων λιθίου των 3,7 βολτ η καθεμία.
Η δεύτερη σημαντική παράμετρος είναι χωρητικότητα. Αυτό καθορίζει το χρόνο λειτουργίας της μπαταρίας υπό φορτίο. Μετριέται σε ώρες αμπέρ (ρεύμα διαιρούμενο με το χρόνο). Για παράδειγμα, μια μπαταρία με χωρητικότητα 3 A⋅h θα εκφορτιστεί σε 3 ώρες με ρεύμα 1 αμπέρ και με ρεύμα 3 αμπέρ σε 1 ώρα.
Σημαντικό! Αυστηρά μιλώντας, η χωρητικότητα μιας μπαταρίας εξαρτάται από το ρεύμα εκφόρτισης το γινόμενο του χρόνου τρέχουσας εκφόρτισης και του ρεύματος εκφόρτισης σε διαφορετικά φορτία δεν είναι το ίδιο για την ίδια μπαταρία.
Και η τρίτη σημαντική παράμετρος ικανότητα μεταφοράς ρεύματος. Αυτό είναι το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να αποδώσει μια μπαταρία. Αυτό είναι σημαντικό, για παράδειγμα, για μπαταρία αυτοκινήτου - καθορίζει την ικανότητα περιστροφής του άξονα του κινητήρα σε κρύο καιρό. Επίσης, η ικανότητα παροχής υψηλών ρευμάτων, που δημιουργούν υψηλή ροπή, είναι σημαντική για τα ηλεκτρικά εργαλεία, για παράδειγμα. Για τις φορητές συσκευές, ωστόσο, αυτό το χαρακτηριστικό είναι λιγότερο σημαντικό.
Οι ηλεκτρικές ιδιότητες και οι επιδόσεις των μπαταριών εξαρτώνται από το σχεδιασμό και την τεχνολογία παραγωγής τους. Η ορθή χρήση της μπαταρίας προϋποθέτει τη χρήση των πλεονεκτημάτων των ανανεώσιμων χημικών πηγών ενέργειας και την εξισορρόπηση των μειονεκτημάτων.
Σχετικά άρθρα:
