Rozsah použitia elektrických batérií je extrémne široký. Používajú sa ako zdroje elektrickej energie v detské hračkya v elektrickom náradí a ako zdroj trakcie v elektrických vozidlách. Pre správne používanie batérií potrebujete poznať ich vlastnosti, ich silné a slabé stránky.
Obsah
Čo je elektrická batéria a ako funguje
Elektrická batéria - je obnoviteľný zdroj elektrickej energie. Na rozdiel od galvanických článkov sa dá po vybití opäť nabíjať. V zásade sú všetky batérie usporiadané rovnakým spôsobom a pozostávajú z katódy a anódy umiestnenej v elektrolyte.
Materiál elektród a zloženie elektrolytu môžu byť rôzne, a to určuje spotrebiteľské vlastnosti batérií a ich rozsah.Medzi katódu a anódu môže byť položený porézny dielektrický separátor - separátor impregnovaný elektrolytom. Ale určuje z väčšej časti mechanické vlastnosti zostavy a zásadne neovplyvňuje činnosť prvku.
Vo všeobecnosti je prevádzka batérie založená na dvoch transformáciách energie:
- elektrické na chemické pri nabíjaní;
- chemikáliu na elektrickú počas vybíjania.
Oba typy premeny sú založené na výskyte reverzibilných chemických reakcií, ktorých priebeh je určený látkami použitými v batérii. Takže v olovo-kyselinovom článku je aktívna časť anódy vyrobená z oxidu olovnatého a katóda je vyrobená z kovového olova. Elektródy sú v elektrolyte kyseliny sírovej. Pri vypúšťaní na anóde sa oxid olovnatý redukuje za vzniku síranu olovnatého a vody a olovo na katóde sa oxiduje na síran olovnatý. Počas nabíjania dochádza k spätným reakciám. V batériách iných konštrukcií komponenty reagujú odlišne, ale princíp je podobný.
Typy a typy batérií
Spotrebiteľské vlastnosti batérií určuje najmä technológia ich výroby. V každodennom živote a priemysle sa najčastejšie vyskytuje niekoľko typov batériových článkov.
Kyselina olova
Tento typ batérie bol vynájdený v polovici 19. storočia a stále má svoje vlastné uplatnenie. Medzi jeho výhody patrí:
- jednoduchá, lacná a desaťročia stará výrobná technológia;
- vysoký prúdový výstup;
- dlhá životnosť (od 300 do 1000 cyklov nabitia a vybitia);
- najnižší samovybíjací prúd;
- žiadny pamäťový efekt.
Existujú aj nevýhody.V prvom rade ide o nízku mernú energetickú náročnosť, vedúcu k nárastu rozmerov a hmotnosti. Slabý výkon je aj pri nízkych teplotách, najmä pod mínus 20 °C. Problémy sú aj s likvidáciou – zlúčeniny olova sú dosť toxické. Ale táto úloha treba riešiť pre iné typy batérií.
Aj keď boli olovené akumulátory optimalizované na maximum, aj tu je priestor na zlepšenie. Existuje napríklad technológia AGM, podľa ktorej je medzi elektródy umiestnený pórovitý materiál impregnovaný elektrolytom. Toto neovplyvňuje elektrochemické procesy nabíjania a vybíjania. V zásade to zlepšuje mechanické vlastnosti batérií (odolnosť voči vibráciám, schopnosť pracovať takmer v akejkoľvek polohe atď.) a trochu zvyšuje bezpečnosť prevádzky.
Nezanedbateľnou výhodou je tiež zlepšená prevádzka bez straty kapacity a prúdového výkonu pri teplotách až do mínus 30 °C. Výrobcovia batérií AGM uvádzajú zvýšenie štartovacieho prúdu a zdrojov.
Gélové batérie sú ďalšou modifikáciou olovených batérií. Elektrolyt zhustne do rôsolovitého stavu. Tým sa dosiahne vylúčenie úniku elektrolytu počas prevádzky a eliminuje sa možnosť tvorby plynov. Ale prúdový výkon je trochu znížený, čo obmedzuje možnosť použitia gélových batérií ako štartovacích batérií. Deklarované zázračné vlastnosti takýchto batérií z hľadiska zvýšenej kapacity a zvýšených zdrojov sú na svedomí obchodníkov.
Olovené batérie sa zvyčajne nabíjajú v režime stabilizácie napätia. Súčasne sa zvyšuje napätie na batérii a klesá nabíjací prúd. Kritériom pre ukončenie procesu nabíjania je pokles prúdu na nastavenú hranicu.
Nikel-kadmium
Ich storočie sa blíži ku koncu a rozsah sa postupne zmenšuje. Ich hlavnou nevýhodou je výrazný pamäťový efekt. Ak začnete dobíjať neúplne vybitú Ni-Cd batériu, prvok si túto úroveň „zapamätá“ a z tejto hodnoty sa ďalej určuje kapacita. Ďalším problémom je nízka šetrnosť k životnému prostrediu. Toxické zlúčeniny kadmia spôsobujú problémy s likvidáciou takýchto batérií. Medzi ďalšie nevýhody patrí:
- vysoká tendencia k samovybíjaniu;
- relatívne nízka spotreba energie.
Ale sú tu aj plusy:
- nízke náklady;
- dlhá životnosť (až 1000 cyklov nabitia a vybitia);
- schopnosť dodávať vysoký prúd.
Medzi výhody takýchto batérií patrí aj schopnosť pracovať pri nízkych negatívnych teplotách.
Nabíjanie Ni-Cd článkov prebieha v režime jednosmerného prúdu. Plne využijete kapacitu nabíjaním s plynulým alebo stupňovitým znižovaním nabíjacieho prúdu. Koniec procesu je riadený znížením napätia článku.
Nikel-metal hydrid
Určené ako náhrada nikel-kadmiových batérií. Mnohé charakteristiky a spotrebiteľské vlastnosti sú vyššie ako vlastnosti Ni-Cd. Podarilo sa čiastočne zbaviť pamäťového efektu, zvýšiť energetickú náročnosť asi jedenapolkrát a znížiť sklon k samovybíjaniu. Zároveň bola zachovaná vysoká prúdová účinnosť a náklady zostali približne na rovnakej úrovni. Ekologický problém je zmiernený – batérie sa vyrábajú bez použitia toxických zlúčenín. Museli sme však za to zaplatiť výrazne zníženým zdrojom (až 5-krát) a schopnosťou pracovať pri negatívnych teplotách - iba do -20 ° C oproti -40 ° C pre nikel-kadmiové.
Takéto články sa nabíjajú v režime jednosmerného prúdu. Koniec procesu je riadený zvýšením napätia na každom prvku až na 1,37 voltu. Najpriaznivejší je režim pulzného prúdu s negatívnymi rázmi. Tým sa eliminujú účinky pamäťového efektu.
Li-ion
Lítium-iónové batérie ovládajú svet. Vytláčajú iné typy batérií z tých oblastí, kde sa situácia zdala neotrasiteľná. Li-ion články nemajú prakticky žiadny pamäťový efekt (je prítomný, ale na teoretickej úrovni), vydržia až 600 cyklov nabitia-vybitia, energetická náročnosť je 2-3x vyššia ako pomer kapacity a hmotnosti nikel-metalhydridu batérie.
Sklon k samovybíjaniu pri skladovaní je tiež minimálny, no za toto všetko musíte doslova zaplatiť – takéto batérie sú oveľa drahšie ako tradičné. S rozvojom výroby sa dá očakávať znižovanie cien, ako to býva zvykom, ale iné podstatné nevýhody takýchto batérií - znížená prúdová účinnosť, neschopnosť pracovať pri záporných teplotách - sa v rámci existujúcich technológií pravdepodobne nepodarí prekonať.
Spolu so zvýšeným nebezpečenstvom požiaru to trochu bráni použitiu Li-ion batérie. Malo by sa tiež pamätať na to, že takéto prvky podliehajú degradácii. Aj keď nie sú nabité a vybité, ich zdroj sám klesne na nulu za 1,5 ... 2 roky skladovania.
Najvýhodnejší režim nabíjania je dvojstupňový. Najprv stabilný prúd (s plynule rastúcim napätím), potom stabilné napätie (s plynulo klesajúcim prúdom). V praxi sa druhý stupeň realizuje vo forme postupne znižovaného nabíjacieho prúdu. Ešte častejšie sa tento stupeň skladá z jedného stupňa - stabilizovaný prúd jednoducho klesá.
Hlavné vlastnosti batérií
Prvý parameter, ktorému sa pri výbere batérie venuje pozornosť, je jej Menovité napätie. Napätie jedného článku batérie je určené fyzikálno-chemickými procesmi prebiehajúcimi vo vnútri článku a závisí od typu batérie. Jedna plne nabitá banka dáva:
- olovený prvok - 2,1 voltov;
- nikel-kadmium - 1,25 voltov;
- hydrid niklu - 1,37 voltov;
- lítium-iónové - 3,7 voltov.
Na získanie vyššieho napätia sú články zostavené do batérií. Takže pre autobatériu musíte zapojiť 6 olovených plechoviek do série, aby ste získali 12 voltov (presnejšie 12,6 V), a pre 18-voltový skrutkovač - 5 lítium-iónových plechoviek po 3,7 voltov.
Druhým dôležitým parametrom je kapacita. Určuje výdrž batérie pri zaťažení. Meria sa v ampérhodinách (súčin prúdu a času). Batéria s kapacitou 3 A⋅h sa teda pri vybití prúdom 1 ampér vybije za 3 hodiny a pri prúde 3 ampéry za 1 hodinu.
Dôležité! Presne povedané, Kapacita batérie závisí od prúdu vybitie, takže súčin prúdu a doby vybitia pri rôznych hodnotách zaťaženia pre jednu batériu nebude rovnaký.
A tretí dôležitý parameter - prívod prúdu. Toto je maximálny prúd, ktorý môže batéria dodať. Dôležitý je napr automobilová batéria - určuje možnosť otáčania hriadeľa motora v chladnom období. Tiež schopnosť dodávať vysoký prúd vytvárajúci vysoký krútiaci moment je dôležitá napríklad pre elektrické náradie. A pre mobilné gadgety táto charakteristika nie je taká dôležitá.
Elektrické vlastnosti a spotrebiteľské vlastnosti batérií závisia od ich konštrukcie a technológie výroby. Správne používanie batérií znamená využívanie výhod obnoviteľných chemických zdrojov energie a vyrovnávanie nevýhod.
Podobné články:
