Elektrisko akumulatoru pielietojums ir ļoti plašs. Tos izmanto kā elektroenerģijas avotu rotaļlietas bērniemAkumulatorus izmanto arī elektriskajos darbarīkos un kā piedziņas avotu elektriskajos transportlīdzekļos. Lai tos pareizi izmantotu, ir jāzina to īpašības, stiprās un vājās puses.
Saturs
Kas ir elektriskais akumulators un kā tas ir izgatavots?
Elektriskais akumulators - ir atjaunojams elektroenerģijas avots. Atšķirībā no galvaniskajiem elementiem to var uzlādēt pēc izlādes. Principā visām baterijām ir vienāda struktūra, un tās sastāv no katoda un anoda, kas ievietoti elektrolītā.
Elektroda materiāls un elektrolīta sastāvs ir atšķirīgs, un tas nosaka akumulatoru patēriņa īpašības un to pielietojumu. Starp katodu un anodu var novietot porainu dielektrisko separatoru - ar elektrolītu piesūcinātu separatoru. Taču tas galvenokārt nosaka montāžas mehāniskās īpašības un būtiski neietekmē šūnas darbību.
Būtībā akumulatora darbības pamatā ir divas enerģijas pārveides:
- elektriskā uz ķīmisko uzlādi;
- ķīmiskā enerģija tiek pārvērsta elektriskajā enerģijā izlādes laikā.
Abas pārveidošanas pamatā ir atgriezeniskas ķīmiskas reakcijas, kuru norisi nosaka akumulatorā izmantotās vielas. Piemēram, svina-skābes elementā anoda aktīvā daļa ir izgatavota no svina dioksīda, bet katoda aktīvā daļa ir izgatavota no metāliska svina. Elektrodi atrodas sērskābes elektrolītā. Izlādes laikā pie anoda svina dioksīds reducējas līdz svina sulfātam un ūdenim, bet pie katoda svins oksidējas līdz svina sulfātam. Uzlādes laikā notiek pretējas reakcijas. Citu akumulatoru konstrukcijās komponenti reaģē atšķirīgi, taču princips ir līdzīgs.
Akumulatoru veidi un tipi
Uzlādējamo bateriju patēriņa īpašības galvenokārt nosaka to ražošanas tehnoloģija. Mājsaimniecībā un rūpniecībā visbiežāk tiek izmantoti vairāku veidu akumulatori.
Svina-skābes .
Šis akumulatoru veids tika izgudrots 19. gadsimta vidū, un tam joprojām ir sava pielietojuma niša. Tās priekšrocības ir šādas:
- vienkārša, lēta un gadu desmitiem izstrādāta ražošanas tehnoloģija;
- liela strāvas jauda;
- ilgs kalpošanas laiks (no 300 līdz 1000 uzlādes-izlādes cikliem);
- zemākā pašizlādes strāva;
- nav atmiņas efekta.
Ir daži trūkumi. Pirmkārt, tas ir zems jaudas blīvums, kas palielina izmērus un svaru. Ir novērota arī slikta veiktspēja temperatūrā, kas ir zemāka par nulli, jo īpaši zem mīnus 20 °C. Ir arī problēmas ar utilizāciju - svina savienojumi ir diezgan toksiski. Bet tas ir izaicinājums jārisina arī citu bateriju tipu jautājumi..
Lai gan svina-skābes akumulatoru konstrukcija ir optimizēta, arī šeit ir iespējas uzlabojumiem. Piemēram, ir AGM tehnoloģija, kurā starp elektrodiem ir ievietots porains materiāls, kas piesūcināts ar elektrolītu. Tas neietekmē elektroķīmiskos uzlādes un izlādes procesus. Tas galvenokārt uzlabo akumulatoru mehāniskās īpašības (izturība pret vibrāciju, spēja strādāt gandrīz jebkurā pozīcijā utt.) un nedaudz palielina ekspluatācijas drošību.
Ievērojama priekšrocība ir arī uzlabota darbība bez jaudas un izejas strāvas zudumiem temperatūrā līdz mīnus 30°C. AGM akumulatoru ražotāji apgalvo, ka tiem ir palielināta starta strāva un kalpošanas laiks.
Vēl viena svina-skābes akumulatora modifikācija ir želejas akumulators. Elektrolīts ir sabiezēts līdz želejveida konsistencei. Tas novērš elektrolīta noplūdi darbības laikā un novērš gāzu veidošanās iespēju. Tomēr strāvas izejas jauda ir nedaudz samazināta, kas ierobežo želejas akumulatoru kā startera akumulatoru izmantošanu. Par šādu bateriju deklarētajām brīnumainajām īpašībām, kas izpaužas kā palielināta ietilpība un kalpošanas laiks, ir atbildīgi mārketinga speciālisti.
Svina-skābes akumulatori parasti tiek uzlādēti sprieguma stabilizācijas režīmā. Tas palielina akumulatora spriegumu un samazina uzlādes strāvu. Uzlādes procesa beigas norāda strāvas kritums līdz iepriekš iestatītai robežai.
Niķeļa-kadmija .
To vecums tuvojas beigām, un to izmantošanas diapazons pakāpeniski samazinās. To galvenais trūkums ir atmiņas efekts. Ja sākat uzlādēt nepilnīgi izlādētu Ni-Cd akumulatoru, šūna "atceras" šo līmeni, un pēc tam ietilpība tiek noteikta pēc šīs vērtības. Vēl viena problēma ir zemā draudzība videi. Toksiskie kadmija savienojumi rada problēmas ar šo bateriju utilizāciju. Citi trūkumi ir šādi:
- augsta tendence pašizlādēties;
- salīdzinoši zema enerģijas jauda.
Taču ir arī priekšrocības:
- zemas izmaksas;
- ilgs kalpošanas laiks (līdz 1000 uzlādes un izlādes cikliem);
- spēja izdalīt lielu strāvu.
Šādu akumulatoru priekšrocības ir arī spēja darboties zemā negatīvā temperatūrā.
Ni-Cd elementi tiek uzlādēti pastāvīgas strāvas režīmā. Pilnīgu jaudas izmantošanu var panākt, pakāpeniski vai nepārtraukti samazinot uzlādes strāvu. Procesa beigas uzrauga pēc šūnu sprieguma samazināšanās.
Niķeļa metāla hidrīds .
Tās ir paredzētas niķeļa-kadmija akumulatoru nomaiņai. Tām ir daudz labākas īpašības un veiktspējas rādītāji nekā Ni-Cd akumulatoriem. Daļēji tika novērsts atmiņas efekts, enerģijas jauda palielinājās aptuveni pusotru reizi un samazinājās pašizlādes tendence. Tajā pašā laikā pašreizējā ražošanas jauda ir saglabājusies augsta, un izmaksas ir palikušas aptuveni tādā pašā līmenī. Vides problēma ir mazināta - baterijas tiek ražotas, neizmantojot toksiskus savienojumus. Tomēr par to tika samaksāts ar ievērojami īsāku dzīves ciklu (līdz pat 5 reizēm īsāku) un spēju darboties mīnus temperatūrā līdz -20°C salīdzinājumā ar -40°C niķeļa-kadmija akumulatoriem.
Šīs šūnas tiek uzlādētas līdzstrāvas režīmā. Procesa beigas tiek uzraudzītas, kad katras šūnas spriegums paaugstinās līdz 1,37 voltiem. Impulsa strāva ar negatīvu emisiju ir vislabvēlīgākais uzlādes režīms. Šādā veidā tiek novērsts atmiņas efekts.
Litija jonu akumulatori
Litija jonu akumulatori pārņem pasauli. Tie izspiež cita veida akumulatorus no jomām, kurās šī pozīcija šķita nemainīga. Li-jonu elementiem praktiski nav atmiņas efekta (tas ir, bet teorētiski), tie iztur līdz pat 600 uzlādes-izlādes cikliem, un to ietilpība ir 2-3 reizes lielāka nekā niķeļa-metālhidrīda baterijām.
Arī pašizlādes tendence uzglabāšanas laikā ir minimāla, taču par to visu burtiski ir jāmaksā - šīs baterijas ir daudz dārgākas nekā tradicionālās baterijas. Var gaidīt, ka, attīstoties ražošanai, cenas samazināsies, kā tas parasti notiek, taču citus šādiem akumulatoriem raksturīgos trūkumus - mazāku strāvas jaudu, nespēju darboties zemākā temperatūrā - diez vai izdosies pārvarēt, izmantojot esošās tehnoloģijas.
Līdztekus paaugstinātai ugunsbīstamībai tas nedaudz apgrūtina arī to izmantošanu. Li-ion akumulatori. Jāņem vērā arī tas, ka šādas šūnas ir pakļautas degradācijai. Pat ja tās netiek uzlādētas un izlādētas, to paredzamais kalpošanas ilgums pats par sevi samazinās līdz nullei 1,5...2 gadu laikā pēc uzglabāšanas.
Visizdevīgākais uzlādes režīms ir divpakāpju uzlāde. Vispirms ar vienmērīgu strāvu (ar maigi pieaugošu spriegumu), pēc tam ar vienmērīgu spriegumu (ar maigi samazinošu strāvu). Praksē otrais posms tiek īstenots kā vienmērīgi samazinoša uzlādes strāva. Vēl biežāk šis posms sastāv no viena soļa - tikai no stabilizētas strāvas samazināšanās.
Akumulatoru galvenās īpašības
Pirmais parametrs, kas tiek meklēts, izvēloties akumulatoru, ir tā nominālais spriegums. Viena akumulatora elementa spriegumu nosaka fizikālie un ķīmiskie procesi, kas notiek elementā, un tas ir atkarīgs no akumulatora tipa. Viens pilnībā uzlādēts akumulators var nodrošināt:
- svina-skābes elements - 2,1 volts;
- niķeļa kadmija - 1,25 volti;
- niķeļa-metāla hidrīda - 1,37 V;
- Litija jonu - 3,7 V.
Lai iegūtu lielāku spriegumu, šūnas tiek saliktas baterijās. Tātad automašīnas akumulatoram, lai iegūtu 12 voltu spriegumu (precīzāk, 12,6 voltu), ir jāsavieno 6 svina-skābes akumulatori, bet 18 voltu skrūvgriezim - 5 litija jonu akumulatori, katrs ar 3,7 voltu spriegumu.
Otrs svarīgs parametrs ir jauda. Tas nosaka akumulatora darbības laiku slodzes režīmā. To mēra ampērstundās (strāva dalīta ar laiku). Piemēram, akumulators ar 3 A⋅h ietilpību tiks izlādēts 3 stundās ar 1 ampēra strāvu, bet ar 3 ampēru strāvu - 1 stundā.
Svarīgi! Stingri runājot, akumulatora ietilpība atkarīgs no izlādes strāvas pašreizējā izlādes laika un strāvas izlādes reizinājums pie dažādām slodzes vērtībām nebūs vienāds vienam un tam pašam akumulatoram.
Un trešais svarīgais parametrs strāvas caurlaides spēja. Tā ir maksimālā strāva, ko akumulators var nodrošināt. Tas ir svarīgi, piemēram. automašīnas akumulators - nosaka spēju darbināt motora vārpstu aukstā laikā. Arī spēja piegādāt lielu strāvu, radot lielu griezes momentu, ir svarīga, piemēram, elektriskajiem instrumentiem. Tomēr mobilajiem sīkrīkiem šī īpašība ir mazāk svarīga.
Akumulatoru elektriskās īpašības un veiktspēja ir atkarīga no to konstrukcijas un ražošanas tehnoloģijas. Pareiza akumulatora izmantošana nozīmē izmantot atjaunojamo ķīmisko enerģijas avotu priekšrocības un izlīdzināt trūkumus.
Saistītie raksti:
