Le batterie elettriche hanno una gamma estremamente ampia di applicazioni. Sono utilizzati come fonte di elettricità in giocattoli per bambiniLe batterie sono anche utilizzate in utensili elettrici e come fonte di propulsione nei veicoli elettrici. Per usarli correttamente, è necessario conoscere le loro proprietà, i loro punti di forza e di debolezza.
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Cos'è una batteria elettrica e come è costruita?
La batteria elettrica - è un rinnovabile fonte di energia elettrica. A differenza delle celle galvaniche, una volta scaricata può essere ricaricata di nuovo. In linea di principio, tutte le batterie hanno la stessa struttura e consistono in un catodo e un anodo posti in un elettrolita.
Il materiale dell'elettrodo e la composizione dell'elettrolita variano, e questo è ciò che determina le proprietà di consumo delle batterie e la loro applicazione. Un separatore dielettrico poroso - un separatore impregnato di elettrolita - può essere posto tra il catodo e l'anodo. Ma determina soprattutto le proprietà meccaniche dell'insieme e non influisce fondamentalmente sul funzionamento della cella.
Fondamentalmente il funzionamento della batteria si basa su due conversioni di energia:
- elettrico a chimico su carica;
- chimica in energia elettrica alla scarica.
Entrambe le conversioni si basano su reazioni chimiche reversibili, il cui corso è determinato dalle sostanze utilizzate nella batteria. Nella cella piombo-acido, per esempio, la parte attiva dell'anodo è fatta di biossido di piombo e il catodo è fatto di piombo metallico. Gli elettrodi sono in un elettrolita di acido solforico. Durante la scarica all'anodo, il biossido di piombo viene ridotto a solfato di piombo e acqua, e il piombo al catodo viene ossidato a solfato di piombo. Durante la carica, avvengono le reazioni opposte. In altri design di batterie, i componenti reagiscono in modo diverso, ma il principio è simile.
Tipi e tipi di batterie
Le proprietà di consumo delle batterie ricaricabili sono determinate principalmente dalla sua tecnologia di produzione. Diversi tipi di pile sono i più comuni in ambito domestico e industriale.
Piombo-acido .
Questo tipo di batterie è stato inventato a metà del XIX secolo, e ha ancora la sua nicchia di applicazione. Tra i suoi vantaggi ci sono:
- tecnologia semplice, poco costosa e di produzione elaborata nel corso di decenni;
- uscita ad alta corrente;
- lunga durata (da 300 a 1000 cicli di carica-scarica);
- la più bassa corrente di autoscarica;
- nessun effetto memoria.
Ci sono alcuni svantaggi. Prima di tutto è la bassa densità di potenza che porta all'aumento delle dimensioni e del peso. Inoltre, sono state notate scarse prestazioni a temperature al di sotto del congelamento, specialmente al di sotto di meno 20 °C. Ci sono anche problemi di smaltimento - i composti di piombo sono abbastanza tossici. Ma questa è una sfida anche per altri tipi di batterie..
Sebbene il design delle batterie al piombo-acido sia stato ottimizzato, anche qui ci sono possibilità di miglioramento. Per esempio, c'è la tecnologia AGM in cui un materiale poroso impregnato di elettrolita è posto tra gli elettrodi. I processi elettrochimici di carica e scarica non sono interessati. Questo migliora principalmente le caratteristiche meccaniche delle batterie (resistenza alle vibrazioni, capacità di lavorare in quasi tutte le posizioni, ecc.
Un altro vantaggio notevole è il funzionamento migliorato senza perdita di capacità e uscita di corrente a temperature fino a meno 30°C. I produttori di batterie AGM sostengono di aver aumentato la corrente di avviamento e la durata di vita.
Un'altra modifica della batteria al piombo è la batteria al gel. L'elettrolito è addensato fino a diventare una gelatina. Questo previene la perdita di elettrolito durante il funzionamento ed elimina la possibilità di gas. Tuttavia, l'uscita di corrente è un po' ridotta, limitando l'uso delle batterie al gel come batterie di avviamento. Le proprietà miracolose dichiarate di tali batterie in termini di aumento della capacità e della durata di vita sono responsabilità degli specialisti del marketing.
Le batterie al piombo-accumulatore sono solitamente caricate nella modalità di stabilizzazione della tensione. Questo aumenta la tensione della batteria e diminuisce la corrente di carica. La fine del processo di carica è indicata dalla caduta della corrente ad un limite prestabilito.
Nichel-cadmio.
Stanno arrivando alla fine della loro età e la loro gamma di utilizzo sta gradualmente diminuendo. Il loro principale svantaggio è il loro effetto memoria. Se si inizia a caricare una batteria Ni-Cd non completamente scarica, la cella "ricorda" questo livello e la capacità è quindi determinata da questo valore. Un altro problema è la scarsa compatibilità ambientale. I composti tossici del cadmio causano problemi con lo smaltimento di tali batterie. Altri svantaggi sono:
- alta tendenza all'autoscarica;
- capacità energetica relativamente bassa.
Ma ci sono anche dei vantaggi:
- basso costo;
- lunga durata (fino a 1000 cicli di carica e scarica);
- capacità di erogare una corrente elevata.
Anche i meriti di tali batterie includono la capacità di funzionare a basse temperature negative.
Le celle Ni-Cd sono caricate in modalità a corrente costante. Il pieno utilizzo della capacità può essere ottenuto con una diminuzione graduale o continua della corrente di carica. La fine del processo è monitorata da una riduzione della tensione della cella.
Idruro di nichel metallico.
Sono progettate per sostituire le batterie al nichel-cadmio. Hanno molte caratteristiche e prestazioni migliori delle batterie Ni-Cd. L'effetto memoria è stato parzialmente eliminato, la capacità di potenza è aumentata di circa una volta e mezza e la tendenza all'autoscarica è stata ridotta. Allo stesso tempo, la produzione di corrente è rimasta alta e il costo è rimasto approssimativamente allo stesso livello. La questione ambientale è alleviata - le batterie sono prodotte senza l'uso di composti tossici. Tuttavia, questo è stato pagato da un ciclo di vita notevolmente inferiore (fino a 5 volte più breve) e la capacità di funzionare a temperature minime fino a -20°C contro i -40°C delle batterie al nichel-cadmio.
Queste celle sono caricate in modalità DC. La fine del processo viene monitorata quando la tensione di ogni cella sale a 1,37 volt. La modalità di corrente pulsata con emissioni negative è la più favorevole. In questo modo si elimina l'effetto memoria.
Batterie agli ioni di litio
Le batterie agli ioni di litio stanno conquistando il mondo. Stanno spostando altri tipi di batterie da aree in cui la posizione sembrava immutabile. Le celle Li-ion non hanno praticamente nessun effetto memoria (è presente, ma a livello teorico), resistono fino a 600 cicli di carica-scarica e hanno una capacità di 2-3 volte quella delle batterie al nichel-metallo idruro.
La tendenza all'autoscarica durante lo stoccaggio è anche minima, ma bisogna letteralmente pagare per tutto questo - tali batterie sono molto più costose delle batterie tradizionali. Ci si può aspettare che i prezzi scendano con lo sviluppo della produzione, come accade di solito, ma altri svantaggi intrinseci di tali batterie - uscita di corrente inferiore, incapacità di operare a temperature sotto lo zero - è improbabile che siano superati dalla tecnologia esistente.
Insieme a un maggiore rischio di incendio, questo ostacola in qualche modo l'uso di Batterie Li-ion. Bisogna anche considerare che tali cellule sono soggette a degradazione. Anche se non vengono caricate e scaricate, la loro stessa aspettativa di vita scende a zero in 1,5...2 anni di stoccaggio.
La modalità di ricarica più favorevole è in due fasi. Prima con una corrente costante (con una tensione leggermente crescente), poi con una tensione costante (con una corrente leggermente decrescente). In pratica, il secondo stadio è implementato come una corrente di carica in costante diminuzione. Più spesso questo stadio consiste in un solo passo - solo una corrente stabilizzata decrescente.
Le principali caratteristiche delle batterie
Il primo parametro che si cerca quando si sceglie una batteria è il suo tensione nominale. La tensione di una singola cella di batteria è determinata dai processi fisici e chimici che avvengono all'interno della cella e dipende dal tipo di batteria. Una batteria completamente carica può fornire:
- cella al piombo - 2,1 volt;
- nichel cadmio - 1,25 volt;
- nichel-metallo idruro - 1,37 volt;
- Ioni di litio - 3,7 volt.
Per ottenere tensioni più elevate, le celle sono assemblate in batterie. Così, per una batteria d'automobile, 6 batterie al piombo devono essere collegate in serie per produrre 12 volt (12,6 volt per essere esatti), e per un cacciavite da 18 volt, 5 batterie agli ioni di litio da 3,7 volt ciascuna.
Il secondo parametro importante è capacità. Questo determina il tempo di funzionamento della batteria sotto carico. Si misura in ampere ore (corrente divisa per il tempo). Per esempio, una batteria con una capacità di 3 A⋅h sarà scaricata in 3 ore con una corrente di 1 amp, e con una corrente di 3 amp in 1 ora.
Importante! In senso stretto, la capacità di una batteria dipende dalla corrente di scarica il prodotto del tempo di scarica della corrente e della corrente di scarica a diversi valori di carico non sarà lo stesso per la stessa batteria.
E il terzo parametro importante capacità di trasporto di corrente. Questa è la corrente massima che una batteria può erogare. Questo è importante, per esempio, per batteria auto - determina la capacità di far girare l'albero motore a freddo. Anche la capacità di fornire alte correnti, creando una coppia elevata, è importante per gli utensili elettrici, per esempio. Per i gadget mobili, tuttavia, questa caratteristica è meno importante.
Le proprietà elettriche e le prestazioni delle batterie dipendono dal loro design e dalla tecnologia di produzione. L'uso corretto della batteria implica l'utilizzo dei vantaggi delle fonti di energia chimica rinnovabile e il livellamento degli svantaggi.
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