Elektriska batterier har ett mycket brett användningsområde. De används som en källa till elektricitet i leksaker för barnBatterierna används också i elverktyg och som drivmedel i elbilar. För att kunna använda dem på rätt sätt är det nödvändigt att känna till deras egenskaper, styrkor och svagheter.
Innehåll
Vad är ett elektriskt batteri och hur är det konstruerat?
Det elektriska batteriet - är en förnybar energikälla. källa till elektrisk energi. I motsats till galvaniska celler kan den laddas igen när den väl har laddats ur. I princip har alla batterier samma uppbyggnad och består av en katod och en anod i en elektrolyt.
Elektrodematerialet och elektrolytens sammansättning varierar, och det är detta som avgör batteriernas konsumentegenskaper och deras användningsområden. En porös dielektrisk separator - en separator impregnerad med elektrolyt - kan placeras mellan katoden och anoden. Men den bestämmer främst de mekaniska egenskaperna hos sammansättningen och påverkar inte cellens funktion i grunden.
Batteriets funktion bygger i princip på två energiomvandlingar:
- elektrisk till kemisk laddning;
- kemisk till elektrisk energi vid urladdning.
Båda omvandlingarna bygger på reversibla kemiska reaktioner vars förlopp bestäms av de ämnen som används i batteriet. I en bly-syracell är den aktiva delen av anoden till exempel gjord av blydioxid och katoden av metalliskt bly. Elektroderna ligger i en elektrolyt av svavelsyra. Vid urladdning vid anoden reduceras blydioxid till blysulfat och vatten, och vid katoden oxideras blyet till blysulfat. Under laddning sker de motsatta reaktionerna. I andra batteridragningar reagerar komponenterna på olika sätt, men principen är likartad.
Typer och typer av batterier
Konsumentegenskaperna hos uppladdningsbara batterier bestäms huvudsakligen av produktionstekniken. Flera olika typer av battericeller är de vanligaste i hushåll och industri.
Bly-syra .
Denna typ av batterier uppfanns i mitten av 1800-talet och har fortfarande sina användningsområden. Några av fördelarna är:
- enkel, billig och produktionsteknik som utarbetats under årtionden;
- hög strömutgång;
- lång livslängd (från 300 till 1000 laddnings- och urladdningscykler);
- den lägsta självurladdningsströmmen;
- ingen minneseffekt.
Det finns vissa nackdelar. Först och främst är det den låga effekttätheten, vilket leder till att dimensionerna och vikten ökar. Man har också noterat dålig prestanda vid temperaturer under fryspunkten, särskilt under minus 20 °C. Det finns också problem med bortskaffandet - blyföreningar är ganska giftiga. Men detta är en utmaning för andra batterityper måste också hanteras..
Även om utformningen av blybatterier har optimerats finns det möjligheter till förbättringar även här. Det finns till exempel AGM-teknik där ett poröst material som är impregnerat med elektrolyt placeras mellan elektroderna. De elektrokemiska laddnings- och urladdningsprocesserna påverkas inte. Detta förbättrar främst batteriernas mekaniska egenskaper (motståndskraft mot vibrationer, förmåga att arbeta i nästan alla lägen osv.) och ökar något driftsäkerheten.
En annan märkbar fördel är den förbättrade driften utan förlust av kapacitet och strömutgång vid temperaturer ner till minus 30 °C. Tillverkare av AGM-batterier hävdar att de har ökat startströmmen och livslängden.
En annan modifiering av blybatteriet är gelbatteriet. Elektrolyten förtjockas till ett geléliknande tillstånd. Detta förhindrar elektrolytläckage under drift och eliminerar risken för gasning. Strömutgången är dock något reducerad, vilket begränsar användningen av gelbatterier som startbatterier. Det är marknadsföringsspecialisterna som ansvarar för de mirakulösa egenskaperna hos sådana batterier när det gäller ökad kapacitet och livslängd.
Blyackumulatorbatterier laddas vanligtvis i spänningsstabiliseringsläge. Detta ökar batterispänningen och minskar laddningsströmmen. Slutet på laddningsprocessen indikeras av att strömmen sjunker till en förinställd gräns.
Nickel-kadmium .
De börjar bli uttjänta och deras användningsområde minskar gradvis. Deras största nackdel är deras minneseffekt. Om du börjar ladda ett Ni-Cd-batteri som inte är helt urladdat "minns" cellen denna nivå och kapaciteten bestäms då av detta värde. Ett annat problem är den låga miljövänligheten. Giftiga kadmiumföreningar orsakar problem vid bortskaffande av sådana batterier. Andra nackdelar är bland annat:
- hög tendens till självurladdning;
- relativt låg energikapacitet.
Men det finns också fördelar:
- låg kostnad;
- lång livslängd (upp till 1000 laddnings- och urladdningscykler);
- förmågan att ge hög ström.
Sådana batterier har också fördelar som att de kan fungera vid låga negativa temperaturer.
Ni-Cd-celler laddas med konstant ström. Fullt utnyttjande av kapaciteten kan uppnås genom en stegvis eller kontinuerlig minskning av laddningsströmmen. Slutet av processen övervakas genom en minskning av cellspänningen.
Nickelmetallhydrid .
De är avsedda att ersätta nickel-kadmiumbatterier. De har många bättre egenskaper och prestanda än Ni-Cd-batterier. Minneseffekten försvann delvis, effektkapaciteten ökade med ungefär en och en halv gång och tendensen till självurladdning minskade. Samtidigt har den nuvarande produktionen förblivit hög och kostnaderna har legat på ungefär samma nivå. Miljöproblemet är lindrat - batterierna tillverkas utan användning av giftiga föreningar. Detta kompenserades dock av en betydligt kortare livscykel (upp till fem gånger kortare) och förmågan att fungera vid minusgrader på ned till -20 °C jämfört med -40 °C för nickel-kadmiumbatterier.
Dessa celler laddas i likströmsläge. Slutet av processen övervakas när spänningen i varje cell stiger till 1,37 volt. Pulserande ström med negativa utsläpp är det mest fördelaktiga laddningsläget. På detta sätt elimineras minneseffekten.
Litiumjonbatterier
Litiumjonbatterier håller på att ta över världen. De tränger undan andra typer av batterier från områden där läget verkade oföränderligt. Li-ion-celler har praktiskt taget ingen minneseffekt (den finns, men på en teoretisk nivå), klarar upp till 600 laddnings- och urladdningscykler, energikapaciteten är 2-3 gånger högre än kapaciteten i förhållande till viktförhållandet för nickelmetallhydridbatterier.
Tendensen till självurladdning under lagring är också minimal, men du måste bokstavligen betala för allt detta - sådana batterier är mycket dyrare än traditionella batterier. Priserna kan förväntas sjunka i takt med att produktionen utvecklas, vilket brukar vara fallet, men andra inneboende nackdelar med sådana batterier - lägre strömstyrka, oförmåga att fungera vid minusgrader - kommer troligen inte att kunna övervinnas med befintlig teknik.
Förutom en ökad brandrisk hindrar detta i viss mån användningen av Li-ion-batterier. Man måste också ta hänsyn till att sådana celler är utsatta för nedbrytning. Även om de inte laddas eller laddas ur, sjunker deras förväntade livslängd till noll efter 1,5...2 års lagring.
Det mest fördelaktiga laddningsläget är i två steg. Först med jämn ström (med svagt ökande spänning), sedan med jämn spänning (med svagt minskande ström). I praktiken genomförs det andra steget som en stadigt minskande laddningsström. Oftast består detta steg av ett enda steg - bara en minskande stabiliserad ström.
De viktigaste egenskaperna hos batterier
Den första parametern som man tittar på när man väljer ett batteri är dess Nominell spänning. Spänningen i en enskild battericell bestäms av de fysikaliska och kemiska processer som pågår i cellen och beror på batteritypen. Ett fulladdat batteri kan leverera:
- bly-syracell - 2,1 volt;
- nickel-kadmium - 1,25 volt;
- Nickelmetallhydrid - 1,37 volt;
- Litiumjon - 3,7 volt.
För att få högre spänningar monteras cellerna ihop till batterier. För ett bilbatteri måste sex blybatterier kopplas i serie för att producera 12 volt (12,6 volt för att vara exakt), och för en 18-volts skruvmejsel fem litiumjonbatterier på 3,7 volt vardera.
Den andra viktiga parametern är kapacitet. Detta bestämmer batteriets drifttid under belastning. Den mäts i amperetimmar (ström dividerad med tid). Ett batteri med en kapacitet på 3 A⋅h laddas t.ex. ur på 3 timmar med en ström på 1 ampere och på 1 timme med en ström på 3 ampere.
Viktigt! Strängt taget, kapaciteten hos ett batteri beror på urladdningsströmmen. produkten av den nuvarande urladdningstiden och urladdningsströmmen vid olika belastningsvärden kommer inte att vara densamma för samma batteri.
Och den tredje viktiga parametern strömförande kapacitet.. Detta är den maximala ström som ett batteri kan leverera. Detta är viktigt till exempel för bilbatteri - bestämmer förmågan att veva motoraxeln i kallt väder. Förmågan att leverera höga strömmar och skapa ett högt vridmoment är också viktig för till exempel elverktyg. För mobila prylar är denna egenskap dock mindre viktig.
Batteriernas elektriska egenskaper och prestanda beror på deras utformning och produktionsteknik. En korrekt användning av batteriet innebär att man utnyttjar fördelarna med förnybara kemiska energikällor och utjämnar nackdelarna.
Relaterade artiklar:
