Elektrische batterijen hebben een zeer breed scala van toepassingen. Zij worden gebruikt als bron van elektriciteit in speelgoed voor kinderenDe batterijen worden ook gebruikt in elektrisch gereedschap en als aandrijvingsbron in elektrische voertuigen. Om ze correct te kunnen gebruiken, is het nodig hun eigenschappen, hun sterke en zwakke punten te kennen.
Inhoud
Wat is een elektrische batterij en hoe zit hij in elkaar?
De elektrische batterij - is een hernieuwbare bron van elektrische energie. In tegenstelling tot galvanische cellen kan een eenmaal ontladen cel weer worden opgeladen. In principe hebben alle batterijen dezelfde structuur en bestaan zij uit een kathode en een anode, geplaatst in een elektrolyt.
Het elektrodemateriaal en de samenstelling van de elektrolyt varieert, en dit bepaalt de gebruikseigenschappen van batterijen en hun toepassing. Tussen de kathode en de anode kan een poreuze diëlektrische scheider - een met elektrolyt geïmpregneerde scheider - worden geplaatst. Maar het bepaalt vooral de mechanische eigenschappen van de assemblage en heeft geen fundamentele invloed op de werking van de cel.
In principe is de werking van de batterij gebaseerd op twee energieomzettingen:
- van elektrische naar chemische lading;
- chemische naar elektrische energie bij ontlading.
Beide omzettingen zijn gebaseerd op omkeerbare chemische reacties, waarvan het verloop wordt bepaald door de stoffen die in de batterij worden gebruikt. In de loodzuurcel bijvoorbeeld is het actieve deel van de anode gemaakt van looddioxide en de kathode van metallisch lood. De elektroden staan in een elektrolyt van zwavelzuur. Tijdens de ontlading aan de anode wordt looddioxide gereduceerd tot loodsulfaat en water, en aan de kathode wordt lood geoxideerd tot loodsulfaat. Tijdens het opladen vinden de tegenovergestelde reacties plaats. In andere batterijontwerpen reageren de componenten anders, maar het principe is vergelijkbaar.
Soorten en types batterijen
De gebruikseigenschappen van oplaadbare batterijen worden hoofdzakelijk bepaald door de productietechnologie. Verschillende soorten batterijcellen komen het meest voor in huishoudens en de industrie.
Lood-zuur .
Dit type batterijen werd uitgevonden in het midden van de XIXe eeuw, en heeft nog steeds zijn toepassingsgebied. Enkele van de voordelen zijn:
- eenvoudige, goedkope en decennialang bewerkte productietechnologie;
- hoge stroom uitgang;
- lange levensduur (van 300 tot 1000 laad/ontlaad cycli);
- de laagste zelfontladingsstroom;
- geen geheugeneffect.
Er zijn enkele nadelen. In de eerste plaats is er de lage vermogensdichtheid, die leidt tot grotere afmetingen en een hoger gewicht. Ook zijn slechte prestaties bij temperaturen onder het vriespunt, met name onder min 20 °C, geconstateerd. Er zijn ook problemen met de verwijdering - loodverbindingen zijn zeer giftig. Maar dit is een uitdaging voor andere batterijtypes ook moet worden behandeld..
Hoewel het ontwerp van lood-zuur-batterijen is geoptimaliseerd, zijn er ook hier mogelijkheden voor verbetering. Zo is er bijvoorbeeld de AGM-technologie waarbij een poreus materiaal, geïmpregneerd met elektrolyt, tussen de elektroden wordt geplaatst. De elektrochemische laad- en ontlaadprocessen worden niet beïnvloed. Hierdoor worden vooral de mechanische eigenschappen van de batterijen verbeterd (trillingsbestendigheid, vermogen om in bijna elke positie te werken, enz.
Een merkbaar voordeel is ook de verbeterde werking zonder verlies van capaciteit en stroomafgifte bij temperaturen tot min 30°C. Producenten van AGM-batterijen beweren dat de startstroom en de levensduur zijn toegenomen.
Een andere modificatie van de lood-zuur accu is de gel accu. De elektrolyt is ingedikt tot een geleiachtige toestand. Dit voorkomt lekkage van elektrolyt tijdens het gebruik en de mogelijkheid van gasvorming. De stroomopbrengst is echter iets minder, wat het gebruik van gel-accu's als startaccu beperkt. De wonderbaarlijk verklaarde eigenschappen van dergelijke batterijen in termen van verhoogde capaciteit en levensduur zijn de verantwoordelijkheid van marketingspecialisten.
Loodzuur-accu's worden gewoonlijk geladen in de spanningsstabilisatiemodus. Dit verhoogt de accuspanning en verlaagt de laadstroom. Het einde van het laadproces wordt aangegeven door de stroomdaling tot een vooraf ingestelde limiet.
Nikkel-cadmium .
Zij naderen het einde van hun leeftijd en hun gebruiksmogelijkheden nemen geleidelijk af. Hun grootste nadeel is hun geheugeneffect. Als u een nog niet volledig ontladen Ni-Cd-batterij begint op te laden, "onthoudt" de cel dit niveau en de capaciteit wordt dan bepaald door deze waarde. Een ander probleem is de geringe milieuvriendelijkheid. Giftige cadmiumverbindingen veroorzaken problemen bij de verwijdering van dergelijke batterijen. Andere nadelen zijn:
- grote neiging tot zelfontlading;
- relatief lage energiecapaciteit.
Maar er zijn ook voordelen:
- lage kosten;
- lange levensduur (tot 1000 laad-/ontlaadcycli);
- in staat om een hoge stroom af te geven.
Tot de verdiensten van dergelijke batterijen behoort ook de mogelijkheid om bij lage negatieve temperaturen te werken.
Ni-Cd-cellen worden opgeladen in constante stroom modus. Volledige benutting van de capaciteit kan worden bereikt door een stapsgewijze of continue daling van de laadstroom. Het einde van het proces wordt gecontroleerd door een verlaging van de celspanning.
Nikkelmetaalhydride .
Zij zijn ontworpen ter vervanging van nikkel-cadmiumbatterijen. Zij hebben veel betere eigenschappen en prestatiekenmerken dan Ni-Cd-batterijen. Het geheugeneffect werd gedeeltelijk opgeheven, de stroomcapaciteit nam ongeveer anderhalf maal toe en de neiging tot zelfontlading werd verminderd. Tegelijkertijd is de huidige produktie hoog gebleven en zijn de kosten ongeveer op hetzelfde niveau gebleven. Het milieuprobleem wordt verlicht - de batterijen worden geproduceerd zonder het gebruik van giftige verbindingen. Dit werd echter betaald door een aanzienlijk lagere levenscyclus (tot 5 keer korter) en de mogelijkheid om te werken bij min temperaturen van -20°C tegen -40°C voor nikkel-cadmium-batterijen.
Deze cellen worden geladen in gelijkstroom modus. Het einde van het proces wordt gecontroleerd wanneer de spanning van elke cel stijgt tot 1,37 volt. Pulserende stroom modus met negatieve emissies is het gunstigst. Op deze manier wordt het geheugeneffect geëlimineerd.
Lithium-ion batterijen
Lithium-ion batterijen veroveren de wereld. Zij verdringen andere soorten batterijen uit gebieden waar de positie onveranderlijk leek. Li-ion-cellen hebben praktisch geen geheugeneffect (het is aanwezig, maar op een theoretisch niveau), zijn bestand tegen 600 laad/ontlaadcycli en hebben een capaciteit van 2 tot 3 maal die van nikkel-metaalhydride-batterijen.
De neiging tot zelfontlading tijdens de opslag is ook minimaal, maar daar moet je letterlijk voor betalen - dergelijke batterijen zijn veel duurder dan traditionele batterijen. Verwacht mag worden dat de prijzen zullen dalen naarmate de produktie zich ontwikkelt, zoals gewoonlijk het geval is, maar andere inherente nadelen van dergelijke batterijen - lagere stroomopbrengst, onvermogen om bij temperaturen onder het vriespunt te werken - zullen met de bestaande technologie waarschijnlijk niet kunnen worden overwonnen.
Samen met een verhoogd brandgevaar, belemmert dit enigszins het gebruik van Li-ion batterijen. Er moet ook rekening mee worden gehouden dat dergelijke cellen aan degradatie onderhevig zijn. Zelfs als ze niet worden opgeladen en ontladen, daalt hun levensverwachting zelf tot nul in 1,5...2 jaar opslag.
De gunstigste laadwijze is in twee fasen. Eerst met constante stroom (met een zacht stijgende spanning), dan met constante spanning (met een zacht dalende stroom). In de praktijk wordt de tweede trap uitgevoerd als een gestaag afnemende laadstroom. Nog vaker bestaat deze fase uit één enkele stap - slechts een afnemende gestabiliseerde stroom.
De belangrijkste kenmerken van batterijen
De eerste parameter waarnaar wordt gekeken bij de keuze van een batterij is de nominale spanning. De spanning van een enkele batterijcel wordt bepaald door de fysische en chemische processen die zich in de cel afspelen en is afhankelijk van het type batterij. Eén volledig opgeladen batterij kan dat leveren:
- lood-zuur cel - 2,1 volt;
- nikkel-cadmium - 1,25 volt;
- nikkel-metaal hydride - 1,37 volt;
- Lithium-ion - 3,7 volt.
Om hogere spanningen te verkrijgen, worden de cellen samengevoegd tot batterijen. Voor een autoaccu moeten dus 6 loodaccu's in serie worden geschakeld om 12 volt te produceren (12,6 volt om precies te zijn), en voor een 18-volt schroevendraaier 5 lithium-ion-accu's van elk 3,7 volt.
De tweede belangrijke parameter is capaciteit. Dit bepaalt de werkingsduur van de batterij onder belasting. Het wordt gemeten in ampère-uren (stroom gedeeld door tijd). Bijvoorbeeld, een batterij met een capaciteit van 3 A⋅h zal in 3 uur ontladen worden met een stroom van 1 ampère, en met een stroom van 3 ampère in 1 uur.
Belangrijk! Strikt genomen, de capaciteit van een batterij hangt af van de ontlaadstroom het product van de ontlaadtijd en de ontlaadstroom bij verschillende belastingen is niet hetzelfde voor dezelfde batterij.
En de derde belangrijke parameter stroomvoerend vermogen. Dit is de maximale stroom die een batterij kan leveren. Dit is belangrijk, bijvoorbeeld voor autoaccu - bepaalt het vermogen om de motoras bij koud weer aan te zwengelen. Ook het vermogen om hoge stromen te leveren, waardoor een hoog koppel ontstaat, is belangrijk voor bijvoorbeeld elektrisch gereedschap. Voor mobiele gadgets is dit kenmerk echter minder belangrijk.
De elektrische eigenschappen en prestaties van batterijen hangen af van hun ontwerp en productietechnologie. Een juist gebruik van de batterij impliceert het gebruik van de voordelen van hernieuwbare chemische energiebronnen en het nivelleren van de nadelen.
Verwante artikelen:
