Področje uporabe električnih baterij je izjemno široko. Kot vir električne energije se uporabljajo kot v otroške igračeBaterije se uporabljajo v električnih orodjih in kot vir vleke v električnih avtomobilih. Za pravilno uporabo baterij je potrebno poznati njihove lastnosti, prednosti in slabosti.
Vsebina
Kaj je električna baterija in kako je zgrajena?
Električna baterija - je obnovljiv vir vir električne energije. V nasprotju z galvanskimi členi se lahko po izpraznitvi ponovno napolni. Načeloma so vsi akumulatorji zgrajeni na enak način in so sestavljeni iz katode in anode, ki sta nameščeni v elektrolitu.
Material elektrod in sestava elektrolita sta različna, kar določa potrošniške lastnosti baterij in njihovo področje uporabe. Med katodo in anodo lahko namestimo porozni dielektrični separator, z elektrolitom impregniran separator. A večinoma določa mehanske lastnosti sklopa in načeloma ne vpliva na delovanje celice.
Na splošno delovanje baterije temelji na dveh pretvorbah energije:
- električni v kemični ob polnjenju;
- kemični v električni pri praznjenju.
Obe vrsti pretvorbe temeljita na poteku reverzibilnih kemičnih reakcij, katerih potek določajo snovi, uporabljene v bateriji. V svinčeno-kislinski celici je na primer aktivni del anode iz svinčevega dioksida, katoda pa iz kovinskega svinca. Elektrode so v elektrolitu žveplove kisline. Med razelektritvijo na anodi se svinčev dioksid reducira s tvorbo svinčevega sulfata in vode, svinec na katodi pa oksidira v svinčev sulfat. Med polnjenjem pride do obratnih reakcij. Pri drugih izvedbah baterij komponente reagirajo drugače, vendar je princip podoben.
Vrste in tipi baterij
Potrošniške lastnosti baterij določa predvsem proizvodna tehnologija. V gospodinjstvu in industriji je najpogostejših več vrst baterijskih celic.
Svinčeno kislina.
Ta vrsta baterij je bila izumljena sredi XIX stoletja in še vedno ima svojo nišo uporabe. Njegove prednosti vključujejo:
- preprosta, poceni in preverjena z desetletji proizvodne tehnologije;
- visok tokovni izhod;
- dolga življenjska doba (od 300 do 1000 ciklov polnjenja in praznjenja);
- najnižji tok samopraznjenja;
- brez spominskega učinka.
Obstajajo tudi slabosti. Prvič, to je nizka specifična moč, kar vodi do povečanja velikosti in teže. Ugotovljeno je bilo tudi slabo delovanje pri negativnih temperaturah, zlasti pod minus 20 °C. Težave so tudi z odlaganjem – svinčeve spojine so precej strupene. Toda ta problem za druge vrste baterij je treba rešiti tudi..
Kljub dejstvu, da je naprava kislinsko-svinčevih baterij dosežena do optimalnega, tudi tukaj obstajajo možnosti za izboljšave. Na primer, obstaja tehnologija AGM, po kateri je med elektrodama nameščen porozen material, impregniran z elektrolitom.To ne vpliva na procese elektrokemičnega polnjenja in praznjenja. Izboljšuje predvsem mehanske lastnosti baterij (odpornost na tresljaje, sposobnost dela v skoraj vseh položajih itd.) in nekoliko povečuje varnost delovanja.
Opazna prednost je tudi izboljšano delovanje brez izgube zmogljivosti in izhodnega toka pri temperaturah do minus 30 ° C. Proizvajalci AGM-akumulatorjev zahtevajo povečan zagonski tok in življenjsko dobo.
Druga modifikacija kislinsko-svinčevih baterij so gel baterije. Elektrolit se zgosti do stanja želeja. S tem preprečimo uhajanje elektrolita med delovanjem in odpravimo možnost nastajanja plinov. Vendar je izhodni tok nekoliko zmanjšan, kar omejuje uporabo gelnih baterij kot zagonskih baterij. Razglašene čudežne lastnosti takšnih baterij v smislu povečane zmogljivosti in življenjske dobe so na vesti tržnikov.
Svinčeno-akumulatorske baterije se običajno polnijo v načinu stabilizacije napetosti. To poveča napetost baterije in zmanjša polnilni tok. Kriterij za konec procesa polnjenja je padec toka na nastavljeno mejo.
Nikelj-kadmij
Približujejo se koncu svoje starosti in njihov obseg uporabe se postopoma zmanjšuje. Njihova glavna pomanjkljivost je izrazit spominski učinek. Če začnete polniti nepopolno izpraznjeno Ni-Cd baterijo, si celica ta nivo »zapomni« in s to vrednostjo se nadalje določa kapaciteta. Druga težava je nizka prijaznost do okolja. Strupene kadmijeve spojine povzročajo težave pri odlaganju takšnih baterij. Druge slabosti vključujejo:
- visoka nagnjenost k samopraznjenju;
- relativno nizka moč.
Vendar obstajajo tudi prednosti:
- poceni;
- dolga življenjska doba (do 1000 ciklov polnjenja in praznjenja);
- sposobnost dajanja visokega toka.
Tudi zasluge teh baterij vključujejo sposobnost delovanja pri nizkih negativnih temperaturah.
Ni-Cd celice se polnijo v načinu konstantnega toka. Polno izrabo zmogljivosti lahko dosežete s ponovnim polnjenjem z gladkim ali postopnim zmanjševanjem polnilnega toka. Konec procesa se spremlja z zmanjšanjem napetosti celice.
Nikelj-kovinski hidrid
Namenjeni so zamenjavi nikelj-kadmijevih baterij. Imajo veliko lastnosti in lastnosti delovanja Ni-Cd baterij. Uspelo se nam je delno znebiti spominskega učinka, povečati zmogljivost za približno enkrat in pol in zmanjšati nagnjenost k samopraznjenju. Hkrati je trenutna proizvodnja ostala visoka, stroški pa približno na enaki ravni. Okoljski problem je omilil – baterije so proizvedene brez uporabe strupenih spojin. A to je bilo treba plačati s krat krajšo življenjsko dobo (do 5-krat) in zmožnostjo delovanja pri negativnih temperaturah – le do –20 °C proti –40 °C pri nikelj-kadmijevih baterijah.
Takšne celice se polnijo v načinu konstantnega toka. Konec procesa spremljamo s povečanjem napetosti na vsaki celici na 1,37 volta. Najbolj ugoden je način impulznega toka z negativnimi emisijami. S tem odpravimo učinke spominskega učinka.
Litij-ionski
Litij-ionske baterije prevzemajo svet. Z območij, kjer se je položaj zdel neomajen, izpodrivajo druge vrste baterij. Li-ionske celice skoraj nimajo spominskega učinka (prisoten je, vendar na teoretični ravni), prenesejo do 600 ciklov polnjenja in praznjenja, energetska kapaciteta je 2-3 krat večja od razmerja med kapaciteto in težo niklja. kovinsko hidridne baterije.
Nagnjenost k samopraznjenju med skladiščenjem je prav tako minimalna, vendar morate vse to plačati v dobesednem smislu - takšne baterije so veliko dražje od tradicionalnih baterij.Pričakujemo lahko, da bodo cene padale z razvojem proizvodnje, kot se običajno zgodi, vendar je malo verjetno, da bodo obstoječe tehnologije odpravile druge inherentne pomanjkljivosti takšnih baterij - zmanjšan izhodni tok, nezmožnost delovanja pri negativnih temperaturah.
Skupaj s povečano nevarnostjo požara to nekoliko omejuje uporabo Li-ionske baterije. Prav tako je treba upoštevati, da so takšne celice podvržene razgradnji. Tudi če niso napolnjeni in izpraznjeni, se njihova življenjska doba izniči v 1,5 ... 2 letih skladiščenja.
Najugodnejši način polnjenja je dvostopenjski. Najprej s stabilnim tokom (z gladko naraščajočo napetostjo), nato s stabilno napetostjo (z gladko padajočim tokom). V praksi se druga stopnja izvaja v obliki postopnega zmanjševanja polnilnega toka. Še bolj pogosto je ta stopnja sestavljena iz enega samega koraka - samo zmanjšanja stabiliziranega toka.
Osnovne lastnosti baterij
Prvi parameter, na katerega smo pozorni pri izbiri baterije, je njena nazivna napetost. Napetost ene baterijske celice je odvisna od fizikalnih in kemijskih procesov, ki potekajo v celici, in je odvisna od vrste baterije. Ena popolnoma napolnjena pločevinka zagotavlja:
- svinčeno-kislinska celica - 2,1 volta;
- Nikelj-kadmij - 1,25 volta;
- Nikelj-metal hidrid, 1,37 volta;
- Litij-ionska baterija: 3,7 V.
Za višjo napetost se celice sestavijo v baterije. Torej, za avtomobilsko baterijo morate zaporedno povezati 6 svinčenih baterij, da dobite 12 voltov (natančneje 12,6 voltov), za 18-voltni izvijač pa 5 litij-ionskih baterij 3,7 voltov.
Drugi pomemben parameter je zmogljivost. To določa čas delovanja baterije pod obremenitvijo. Meri se v amper urah (zmnožek toka na čas).Na primer, baterija s kapaciteto 3 A⋅h se izprazni v 3 urah, če jo izpraznimo s tokom 1 ampera, in v 1 uri, če jo izpraznimo s tokom 3 amperov.
Pomembno! Strogo rečeno, zmogljivost baterije odvisno od toka Zato produkt toka in časa praznjenja pri različnih vrednostih obremenitve za isto baterijo ne bo enak.
In tretji pomemben parameter tokovna nosilnost. To je največji tok, ki ga lahko zagotovi baterija. To je pomembno na primer za avtomobilski akumulator - določa sposobnost vrtenja gredi motorja v hladnem vremenu. Poleg tega je zmožnost zagotavljanja velikega toka, ki ustvarja visok navor, pomembna na primer za električna orodja. Toda za mobilne pripomočke ta lastnost ni tako pomembna.
Električne lastnosti in potrošniške lastnosti baterij so odvisne od njihove zasnove in proizvodne tehnologije. Pravilna uporaba baterije pomeni izkoriščanje prednosti obnovljivih kemičnih virov energije in izravnavo slabosti.
Povezani članki:
