Bateriile electrice au o gamă extrem de largă de aplicații. Ele sunt folosite ca sursă de energie electrică în jucării pentru copiiBateriile sunt, de asemenea, utilizate în uneltele electrice și ca sursă de propulsie pentru vehiculele electrice. Pentru a le utiliza corect, este necesar să le cunoaștem proprietățile, punctele forte și punctele slabe.
Cuprins
Ce este o baterie electrică și cum este construită?
Bateria electrică - este o sursă regenerabilă sursă de energie electrică. Spre deosebire de celulele galvanice, odată descărcată, aceasta poate fi încărcată din nou. În principiu, toate bateriile au aceeași structură și constau dintr-un catod și un anod plasate într-un electrolit.
Materialul electrodului și compoziția electrolitului variază, iar acest lucru determină proprietățile de consum ale bateriilor și aplicațiile acestora. Între catod și anod poate fi plasat un separator dielectric poros - un separator impregnat cu electrolit. Dar aceasta determină în principal proprietățile mecanice ale ansamblului și nu afectează în mod fundamental funcționarea celulei.
Practic, funcționarea bateriei se bazează pe două conversii de energie:
- electric la chimic la încărcare;
- chimică în energie electrică la descărcare.
Ambele conversii se bazează pe reacții chimice reversibile, al căror curs este determinat de substanțele utilizate în baterie. De exemplu, în celula plumb-acid, partea activă a anodului este realizată din dioxid de plumb, iar catodul este realizat din plumb metalic. Electrozii se află într-un electrolit de acid sulfuric. În timpul descărcării la anod, dioxidul de plumb este redus la sulfat de plumb și apă, iar plumbul la catod este oxidat la sulfat de plumb. În timpul încărcării, au loc reacții opuse. În alte modele de baterii, componentele reacționează diferit, dar principiul este similar.
Tipuri și tipuri de baterii
Proprietățile de consum ale bateriilor reîncărcabile sunt determinate, în principal, de tehnologia de producție a acestora. Mai multe tipuri de celule de baterii sunt cele mai comune în gospodărie și în industrie.
Plumb-acid .
Acest tip de baterii a fost inventat la mijlocul secolului al XIX-lea și are încă o nișă de aplicare. Printre avantajele sale se numără:
- o tehnologie de producție simplă, ieftină și elaborată pe parcursul a zeci de ani;
- ieșire de curent ridicat;
- durată de viață lungă (de la 300 la 1000 de cicluri de încărcare-descărcare);
- cel mai mic curent de autodescărcare;
- niciun efect de memorie.
Există unele dezavantaje. În primul rând, este vorba de o densitate de putere scăzută, ceea ce duce la creșterea dimensiunilor și a greutății. De asemenea, s-a observat o performanță slabă la temperaturi sub zero grade Celsius, în special sub minus 20 °C. Există, de asemenea, probleme legate de eliminare - compușii de plumb sunt destul de toxici. Dar aceasta este o provocare pentru alte tipuri de baterii trebuie să fie, de asemenea, abordată..
Deși designul bateriilor plumb-acid a fost optimizat, chiar și aici există posibilități de îmbunătățire. De exemplu, există tehnologia AGM, în care un material poros impregnat cu electrolit este plasat între electrozi. Procesele electrochimice de încărcare și descărcare nu sunt afectate. Acest lucru îmbunătățește în principal caracteristicile mecanice ale bateriilor (rezistența la vibrații, capacitatea de a lucra în aproape orice poziție etc.) și crește ușor siguranța operațională.
De asemenea, un avantaj notabil este funcționarea îmbunătățită fără pierderi de capacitate și de curent la temperaturi de până la minus 30°C. Producătorii de baterii AGM susțin că au crescut curentul de pornire și durata de viață.
O altă modificare a bateriei plumb-acid este bateria cu gel. Electrolitul este îngroșat până la o stare gelatinoasă. Acest lucru previne scurgerile de electrolit în timpul funcționării și elimină posibilitatea de gazare. Cu toate acestea, ieșirea de curent este oarecum redusă, ceea ce limitează utilizarea bateriilor cu gel ca baterii de pornire. Proprietățile miraculoase declarate ale acestor baterii în ceea ce privește creșterea capacității și a duratei de viață sunt responsabilitatea specialiștilor în marketing.
Bateriile plumb-acid sunt de obicei încărcate în modul de stabilizare a tensiunii. Acest lucru mărește tensiunea bateriei și scade curentul de încărcare. Sfârșitul procesului de încărcare este indicat de scăderea curentului până la o limită prestabilită.
Nichel-cadmiu .
Acestea se apropie de sfârșitul vârstei lor de viață, iar domeniul lor de utilizare se reduce treptat. Principalul lor dezavantaj este efectul de memorie. Dacă începeți să încărcați o baterie Ni-Cd incomplet descărcată, celula "ține minte" acest nivel, iar capacitatea este determinată de această valoare. O altă problemă este reprezentată de un grad scăzut de protecție a mediului. Compușii toxici de cadmiu cauzează probleme la eliminarea acestor baterii. Alte dezavantaje includ:
- tendință ridicată de autodescărcare;
- capacitate energetică relativ scăzută.
Dar există și avantaje:
- costuri reduse;
- durată de viață lungă (până la 1000 de cicluri de încărcare-descărcare);
- capacitatea de a furniza un curent ridicat.
De asemenea, printre meritele acestor baterii se numără și capacitatea de a funcționa la temperaturi scăzute sub zero.
Celulele Ni-Cd sunt încărcate în modul de curent constant. Utilizarea completă a capacității poate fi obținută printr-o scădere treptată sau continuă a curentului de încărcare. Sfârșitul procesului este monitorizat printr-o reducere a tensiunii celulei.
Hidrură metalică de nichel .
Acestea sunt concepute pentru a înlocui bateriile cu nichel-cadmiu. Acestea au caracteristici și performanțe mult mai bune decât bateriile Ni-Cd. Efectul de memorie a fost parțial eliminat, capacitatea energetică a crescut de aproximativ o dată și jumătate, iar tendința de autodescărcare a fost redusă. În același timp, producția curentă a rămas ridicată, iar costul a rămas aproximativ la același nivel. Problema de mediu este atenuată - bateriile sunt produse fără utilizarea de compuși toxici. Cu toate acestea, acest lucru a fost compensat de un ciclu de viață considerabil mai mic (de până la 5 ori mai scurt) și de capacitatea de a funcționa la temperaturi negative de până la -20°C față de -40°C pentru bateriile cu nichel-cadmiu.
Aceste celule sunt încărcate în modul DC. Sfârșitul procesului este monitorizat pe măsură ce tensiunea fiecărei celule crește până la 1,37 volți. Modul cu curent pulsat cu emisii negative este cel mai favorabil. În acest fel, efectul de memorie este eliminat.
Baterii litiu-ion
Bateriile litiu-ion cuceresc lumea. Acestea deplasează alte tipuri de baterii din zone în care poziția părea imuabilă. Celulele Li-ion nu au practic niciun efect de memorie (acesta este prezent, dar la nivel teoretic), rezistă până la 600 de cicluri de încărcare-descărcare și au o capacitate de 2-3 ori mai mare decât cea a bateriilor cu hidrură de nichel-metal.
Tendința de autodescărcare în timpul depozitării este, de asemenea, minimă, dar trebuie să plătiți pentru toate acestea - astfel de baterii sunt mult mai scumpe decât bateriile tradiționale. Este de așteptat ca prețurile să scadă pe măsură ce se dezvoltă producția, așa cum se întâmplă de obicei, dar este puțin probabil ca alte dezavantaje inerente ale acestor baterii - putere de curent mai mică, incapacitatea de a funcționa la temperaturi sub zero grade - să fie depășite de tehnologia existentă.
Pe lângă un risc crescut de incendiu, acest lucru împiedică oarecum utilizarea de Baterii Li-ion. De asemenea, trebuie să se țină seama de faptul că aceste celule sunt supuse degradării. Chiar dacă nu sunt încărcate și descărcate, speranța lor de viață scade la zero în 1,5...2 ani de depozitare.
Cel mai favorabil mod de încărcare este în două etape. Mai întâi cu un curent constant (cu o tensiune ușor crescătoare), apoi cu o tensiune constantă (cu un curent ușor descrescător). În practică, cea de-a doua etapă este implementată ca un curent de încărcare în scădere constantă. De cele mai multe ori, această etapă constă într-o singură etapă - doar un curent stabilizat în scădere.
Principalele caracteristici ale bateriilor
Primul parametru care este căutat atunci când se alege o baterie este tensiune nominală. Tensiunea unei singure celule de baterie este determinată de procesele fizice și chimice care au loc în interiorul celulei și depinde de tipul de baterie. O baterie complet încărcată poate furniza:
- celulă plumb-acid - 2,1 volți;
- nichel-cadmiu - 1,25 volți;
- hidrură de nichel-metal - 1,37 volți;
- Litiu-ion - 3,7 volți.
Pentru a obține tensiuni mai mari, celulele sunt asamblate în baterii. Astfel, pentru o baterie de mașină, trebuie conectate în serie 6 baterii plumb-acid pentru a produce 12 volți (mai exact 12,6 volți), iar pentru o șurubelniță de 18 volți, 5 baterii litiu-ion de 3,7 volți fiecare.
Al doilea parametru important este capacitate. Aceasta determină durata de funcționare a bateriei sub sarcină. Se măsoară în amperi-oră (curent împărțit la timp). De exemplu, o baterie cu o capacitate de 3 A⋅h va fi descărcată în 3 ore cu un curent de 1 amper, iar cu un curent de 3 amperi în 1 oră.
Important! Strict vorbind, capacitatea unei baterii depinde de curentul de descărcare produsul dintre timpul de descărcare a curentului și curentul de descărcare la diferite sarcini nu este același pentru aceeași baterie.
Și al treilea parametru important capacitatea de transport a curentului. Acesta este curentul maxim pe care îl poate furniza o baterie. Acest lucru este important, de exemplu, pentru baterie auto - determină capacitatea de a porni arborele motorului pe vreme rece. De asemenea, capacitatea de a furniza curenți mari, creând un cuplu mare, este importantă pentru uneltele electrice, de exemplu. În cazul gadgeturilor mobile, însă, această caracteristică este mai puțin importantă.
Proprietățile electrice și performanța bateriilor depind de designul și tehnologia de producție a acestora. Utilizarea corectă a bateriei presupune folosirea avantajelor surselor de energie chimică regenerabilă și echilibrarea dezavantajelor.
Articole conexe:
