Το πεδίο εφαρμογής των ηλεκτρικών μπαταριών είναι εξαιρετικά ευρύ. Χρησιμοποιούνται ως πηγές ηλεκτρικής ενέργειας σε παιδικά παιχνίδια, και σε ηλεκτρικά εργαλεία, και ως πηγή έλξης σε ηλεκτρικά οχήματα. Για να χρησιμοποιήσετε σωστά τις μπαταρίες, πρέπει να γνωρίζετε τις ιδιότητές τους, τα δυνατά και τα αδύνατα σημεία τους.
Περιεχόμενο
Τι είναι μια ηλεκτρική μπαταρία και πώς λειτουργεί
Ηλεκτρική μπαταρία - είναι ανανεώσιμο πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. Σε αντίθεση με τα γαλβανικά στοιχεία, μετά την εκφόρτιση, μπορεί να φορτιστεί ξανά. Κατ 'αρχήν, όλες οι μπαταρίες είναι διατεταγμένες με τον ίδιο τρόπο και αποτελούνται από μια κάθοδο και μια άνοδο που τοποθετούνται σε έναν ηλεκτρολύτη.
Το υλικό των ηλεκτροδίων και η σύνθεση του ηλεκτρολύτη μπορεί να είναι διαφορετικά, και αυτό είναι που καθορίζει τις καταναλωτικές ιδιότητες των μπαταριών και το εύρος τους.Μεταξύ της καθόδου και της ανόδου, μπορεί να τοποθετηθεί ένας πορώδης διηλεκτρικός διαχωριστής - ένας διαχωριστής εμποτισμένος με ηλεκτρολύτη. Αλλά καθορίζει, ως επί το πλείστον, τις μηχανικές ιδιότητες του συγκροτήματος και δεν επηρεάζει θεμελιωδώς τη λειτουργία του στοιχείου.
Γενικά, η λειτουργία της μπαταρίας βασίζεται σε δύο μετασχηματισμούς ενέργειας:
- ηλεκτρικό σε χημικό κατά τη φόρτιση.
- χημική σε ηλεκτρική κατά την εκφόρτιση.
Και οι δύο τύποι μετατροπής βασίζονται στην εμφάνιση αναστρέψιμων χημικών αντιδράσεων, η πορεία των οποίων καθορίζεται από τις ουσίες που χρησιμοποιούνται στη μπαταρία. Έτσι, σε ένα στοιχείο μολύβδου-οξέος, το ενεργό μέρος της ανόδου είναι κατασκευασμένο από διοξείδιο του μολύβδου και η κάθοδος από μεταλλικό μόλυβδο. Τα ηλεκτρόδια βρίσκονται σε έναν ηλεκτρολύτη θειικού οξέος. Όταν εκκενώνεται στην άνοδο, το διοξείδιο του μολύβδου ανάγεται για να σχηματίσει θειικό μόλυβδο και νερό, και ο μόλυβδος στην κάθοδο οξειδώνεται σε θειικό μόλυβδο. Κατά τη φόρτιση συμβαίνουν αντίστροφες αντιδράσεις. Σε μπαταρίες άλλων σχεδίων, τα εξαρτήματα αντιδρούν διαφορετικά, αλλά η αρχή είναι παρόμοια.
Τύποι και τύποι μπαταριών
Οι καταναλωτικές ιδιότητες των μπαταριών καθορίζονται κυρίως από την τεχνολογία παραγωγής τους. Στην καθημερινή ζωή και τη βιομηχανία, αρκετοί τύποι κυψελών μπαταρίας είναι πιο συνηθισμένοι.
Μολύβδου οξέος
Αυτός ο τύπος μπαταρίας εφευρέθηκε στα μέσα του 19ου αιώνα και εξακολουθεί να έχει τη δική του θέση εφαρμογής. Τα πλεονεκτήματά του περιλαμβάνουν:
- απλή, φθηνή τεχνολογία παραγωγής δεκαετιών.
- υψηλή απόδοση ρεύματος?
- μεγάλη διάρκεια ζωής (από 300 έως 1000 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης).
- το χαμηλότερο ρεύμα αυτοεκφόρτισης.
- χωρίς εφέ μνήμης.
Υπάρχουν και μειονεκτήματα.Πρώτα απ 'όλα, πρόκειται για χαμηλή ειδική ενεργειακή ένταση, που οδηγεί σε αύξηση των διαστάσεων και του βάρους. Υπάρχει επίσης κακή απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες, ειδικά κάτω από μείον 20 °C. Υπάρχουν επίσης προβλήματα με την απόρριψη - οι ενώσεις μολύβδου είναι αρκετά τοξικές. Αλλά αυτό το καθήκον πρέπει να αντιμετωπιστεί για άλλους τύπους μπαταριών.
Ενώ οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος έχουν βελτιστοποιηθεί στο μέγιστο δυνατό βαθμό, ακόμη και εδώ υπάρχουν περιθώρια βελτίωσης. Για παράδειγμα, υπάρχει η τεχνολογία AGM, σύμφωνα με την οποία ένα πορώδες υλικό εμποτισμένο με ηλεκτρολύτη τοποθετείται ανάμεσα στα ηλεκτρόδια. Αυτό δεν επηρεάζει τις ηλεκτροχημικές διαδικασίες φόρτισης και εκφόρτισης. Βασικά, αυτό βελτιώνει τα μηχανικά χαρακτηριστικά των μπαταριών (αντοχή σε κραδασμούς, ικανότητα εργασίας σχεδόν σε οποιαδήποτε θέση κ.λπ.) και αυξάνει κάπως την ασφάλεια λειτουργίας.
Επίσης ένα αξιοσημείωτο πλεονέκτημα είναι η βελτιωμένη λειτουργία χωρίς απώλεια χωρητικότητας και ρεύματος εξόδου σε θερμοκρασίες έως μείον 30 °C. Οι κατασκευαστές μπαταριών AGM ισχυρίζονται αύξηση του ρεύματος εκκίνησης και των πόρων.
Οι μπαταρίες gel είναι μια άλλη τροποποίηση των μπαταριών μολύβδου-οξέος. Ο ηλεκτρολύτης πυκνώνει σε κατάσταση ζελέ. Αυτό επιτυγχάνει τον αποκλεισμό της διαρροής ηλεκτρολύτη κατά τη λειτουργία και εξαλείφει την πιθανότητα σχηματισμού αερίων. Αλλά η ισχύς ρεύματος είναι κάπως μειωμένη και αυτό περιορίζει τη δυνατότητα χρήσης μπαταριών gel ως μπαταρίες εκκίνησης. Οι δηλωμένες θαυματουργές ιδιότητες τέτοιων μπαταριών από την άποψη της αυξημένης χωρητικότητας και των αυξημένων πόρων είναι στη συνείδηση των εμπόρων.
Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος φορτίζονται συνήθως σε λειτουργία σταθεροποίησης τάσης. Ταυτόχρονα, η τάση στην μπαταρία αυξάνεται και το ρεύμα φόρτισης μειώνεται. Το κριτήριο για το τέλος της διαδικασίας φόρτισης είναι η πτώση ρεύματος στο καθορισμένο όριο.
Νικέλιο-κάδμιο
Ο αιώνας τους πλησιάζει στο τέλος του και η εμβέλεια σταδιακά συρρικνώνεται. Το κύριο μειονέκτημά τους είναι ένα έντονο φαινόμενο μνήμης. Εάν ξεκινήσετε να επαναφορτίζετε μια ατελώς αποφορτισμένη μπαταρία Ni-Cd, τότε το στοιχείο "θυμάται" αυτό το επίπεδο και η χωρητικότητα καθορίζεται περαιτέρω από αυτήν την τιμή. Ένα άλλο πρόβλημα είναι η χαμηλή φιλικότητα προς το περιβάλλον. Οι τοξικές ενώσεις καδμίου δημιουργούν προβλήματα με την απόρριψη τέτοιων μπαταριών. Άλλα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν:
- υψηλή τάση για αυτο-απαλλαγή.
- σχετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.
Υπάρχουν όμως και θετικά:
- χαμηλό κόστος;
- μεγάλη διάρκεια ζωής (έως 1000 κύκλοι φόρτισης-εκφόρτισης).
- ικανότητα παροχής υψηλού ρεύματος.
Επίσης, τα πλεονεκτήματα τέτοιων μπαταριών περιλαμβάνουν την ικανότητα εργασίας σε χαμηλές αρνητικές θερμοκρασίες.
Η φόρτιση των στοιχείων Ni-Cd πραγματοποιείται σε λειτουργία συνεχούς ρεύματος. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε πλήρως τη χωρητικότητα επαναφορτίζοντας με ομαλή ή σταδιακή μείωση του ρεύματος φόρτισης. Το τέλος της διαδικασίας ελέγχεται με τη μείωση της τάσης του στοιχείου.
Υδρίδιο μετάλλου νικελίου
Σχεδιασμένο για να αντικαθιστά τις μπαταρίες νικελίου-καδμίου. Πολλά χαρακτηριστικά και ιδιότητες καταναλωτή είναι υψηλότερα από εκείνα του Ni-Cd. Ήταν δυνατό να απαλλαγούμε εν μέρει από το φαινόμενο της μνήμης, να αυξήσουμε την ενεργειακή ένταση κατά περίπου μιάμιση φορά και να μειώσουμε την τάση για αυτοεκφόρτιση. Ταυτόχρονα, διατηρήθηκε η υψηλή απόδοση ρεύματος και το κόστος παρέμεινε περίπου στα ίδια επίπεδα. Το περιβαλλοντικό πρόβλημα μετριάζεται - οι μπαταρίες παράγονται χωρίς τη χρήση τοξικών ενώσεων. Αλλά έπρεπε να πληρώσουμε για αυτό με σημαντικά μειωμένο πόρο (έως και 5 φορές) και την ικανότητα εργασίας σε αρνητικές θερμοκρασίες - μόνο έως -20 ° C έναντι -40 ° C για νικέλιο-κάδμιο.
Τέτοια κελιά φορτίζονται σε λειτουργία συνεχούς ρεύματος. Το τέλος της διαδικασίας ελέγχεται αυξάνοντας την τάση σε κάθε στοιχείο έως και 1,37 βολτ. Η πιο ευνοϊκή είναι η λειτουργία παλμικού ρεύματος με αρνητικές υπερτάσεις. Αυτό εξαλείφει τα αποτελέσματα του εφέ μνήμης.
Li-ion
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου καταλαμβάνουν τον κόσμο. Εκτοπίζουν άλλους τύπους μπαταριών από εκείνες τις περιοχές όπου η κατάσταση φαινόταν ακλόνητη. Τα κύτταρα ιόντων λιθίου πρακτικά δεν έχουν αποτέλεσμα μνήμης (υπάρχει, αλλά σε θεωρητικό επίπεδο), αντέχουν έως και 600 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης, η ενεργειακή ένταση είναι 2-3 φορές υψηλότερη από την αναλογία χωρητικότητας και βάρους του υδριδίου νικελίου-μετάλλου μπαταρίες.
Η τάση αυτοεκφόρτισης κατά την αποθήκευση είναι επίσης ελάχιστη, αλλά κυριολεκτικά πρέπει να πληρώσετε για όλα αυτά - τέτοιες μπαταρίες είναι πολύ πιο ακριβές από τις παραδοσιακές. Μπορεί κανείς να περιμένει μειώσεις τιμών με την ανάπτυξη της παραγωγής, όπως συμβαίνει συνήθως, αλλά άλλα εγγενή μειονεκτήματα τέτοιων μπαταριών - μειωμένη απόδοση ρεύματος, αδυναμία εργασίας σε αρνητικές θερμοκρασίες - είναι απίθανο να ξεπεραστούν στο πλαίσιο των υφιστάμενων τεχνολογιών.
Μαζί με τον αυξημένο κίνδυνο πυρκαγιάς, αυτό εμποδίζει κάπως τη χρήση Μπαταρίες Li-ion. Θα πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη ότι τέτοια στοιχεία υπόκεινται σε υποβάθμιση. Ακόμα κι αν δεν φορτιστούν και αποφορτιστούν, ο ίδιος ο πόρος τους μηδενίζεται σε 1,5 ... 2 χρόνια αποθήκευσης.
Η πιο ευνοϊκή λειτουργία φόρτισης είναι σε δύο στάδια. Πρώτα, ένα σταθερό ρεύμα (με μια ομαλά αυξανόμενη τάση), στη συνέχεια μια σταθερή τάση (με ένα ομαλά φθίνον ρεύμα). Στην πράξη, το δεύτερο στάδιο υλοποιείται με τη μορφή ενός σταδιακά μειωμένου ρεύματος φόρτισης. Ακόμη πιο συχνά, αυτό το στάδιο αποτελείται από ένα στάδιο - το σταθεροποιημένο ρεύμα απλώς μειώνεται.
Κύρια χαρακτηριστικά των μπαταριών
Η πρώτη παράμετρος που δίνεται προσοχή κατά την επιλογή μπαταρίας είναι αυτή Μετρημένη ηλεκτρική τάση. Η τάση ενός στοιχείου μπαταρίας καθορίζεται από τις φυσικοχημικές διεργασίες που συμβαίνουν μέσα στο στοιχείο και εξαρτάται από τον τύπο της μπαταρίας. Μια πλήρως χρεωμένη τράπεζα δίνει:
- στοιχείο μολύβδου-οξέος - 2,1 βολτ.
- νικέλιο-κάδμιο - 1,25 βολτ.
- υδρίδιο μετάλλου νικελίου - 1,37 βολτ.
- ιόντων λιθίου - 3,7 βολτ.
Για να ληφθεί υψηλότερη τάση, οι κυψέλες συναρμολογούνται σε μπαταρίες. Έτσι, για μια μπαταρία αυτοκινήτου, πρέπει να συνδέσετε 6 δοχεία μολύβδου-οξέος σε σειρά για να λάβετε 12 βολτ (ακριβέστερα, 12,6 V) και για ένα κατσαβίδι 18 βολτ - 5 δοχεία ιόντων λιθίου των 3,7 βολτ το καθένα.
Η δεύτερη σημαντική παράμετρος είναι χωρητικότητα. Καθορίζει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας υπό φορτίο. Μετριέται σε αμπέρ-ώρες (το γινόμενο ρεύματος και χρόνου). Έτσι, μια μπαταρία χωρητικότητας 3 A⋅h όταν εκφορτιστεί με ρεύμα 1 αμπέρ θα εκφορτιστεί σε 3 ώρες και με ρεύμα 3 αμπέρ - σε 1 ώρα.
Σπουδαίος! Ακριβολογώντας, Χωρητικότητα μπαταρίας εξαρτάται από το ρεύμα αποφόρτιση, επομένως το γινόμενο του ρεύματος και του χρόνου εκφόρτισης σε διαφορετικές τιμές φορτίου για μία μπαταρία δεν θα είναι το ίδιο.
Και η τρίτη σημαντική παράμετρος - τρέχουσα παροχή. Αυτό είναι το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να δώσει η μπαταρία. Είναι σημαντικό, για παράδειγμα, για μπαταρία αυτοκινήτου - καθορίζει τη δυνατότητα περιστροφής του άξονα του κινητήρα την κρύα εποχή. Επίσης, η δυνατότητα παροχής υψηλού ρεύματος, δημιουργώντας υψηλή ροπή, είναι σημαντική, για παράδειγμα, για ηλεκτρικά εργαλεία. Και για τα gadget για κινητά, αυτό το χαρακτηριστικό δεν είναι τόσο σημαντικό.
Οι ηλεκτρικές ιδιότητες και οι καταναλωτικές ιδιότητες των μπαταριών εξαρτώνται από τον σχεδιασμό και την τεχνολογία παραγωγής τους. Η σωστή χρήση των μπαταριών σημαίνει χρήση των πλεονεκτημάτων των ανανεώσιμων πηγών χημικής ενέργειας και εξομάλυνση των μειονεκτημάτων.
Παρόμοια άρθρα:
