Domeniul de aplicare al bateriilor electrice este extrem de larg. Sunt folosite ca surse de energie electrică în jucării pentru copii, și în sculele electrice și ca sursă de tracțiune în vehiculele electrice. Pentru a utiliza corect bateriile, trebuie să le cunoașteți proprietățile, punctele forte și punctele slabe.
Conţinut
Ce este o baterie electrică și cum funcționează
Baterie electrică - este regenerabil sursa de energie electrica. Spre deosebire de celulele galvanice, după ce au fost descărcate, acesta poate fi încărcat din nou. În principiu, toate bateriile sunt dispuse în același mod și constau dintr-un catod și un anod plasate într-un electrolit.
Materialul electrozilor și compoziția electrolitului pot fi diferite, iar acesta este ceea ce determină proprietățile de consum ale bateriilor și domeniul lor.Între catod și anod se poate așeza un separator dielectric poros - un separator impregnat cu electrolit. Dar determină, în cea mai mare parte, proprietățile mecanice ale ansamblului și nu afectează în mod fundamental funcționarea elementului.
În general, funcționarea bateriei se bazează pe două transformări energetice:
- electric până la chimic la încărcare;
- chimic în electric în timpul descărcării.
Ambele tipuri de conversie se bazează pe apariția reacțiilor chimice reversibile, al căror curs este determinat de substanțele utilizate în baterie. Deci, într-o celulă de plumb-acid, partea activă a anodului este făcută din dioxid de plumb, iar catodul din plumb metalic. Electrozii sunt într-un electrolit de acid sulfuric. Când este descărcat la anod, dioxidul de plumb este redus pentru a forma sulfat de plumb și apă, iar plumbul de la catod este oxidat la sulfat de plumb. În timpul încărcării apar reacții inverse. În bateriile de alte modele, componentele reacţionează diferit, dar principiul este similar.
Tipuri și tipuri de baterii
Proprietățile de consum ale bateriilor sunt determinate în principal de tehnologia de producție. În viața de zi cu zi și în industrie, mai multe tipuri de celule de baterie sunt cele mai comune.
Acid de plumb
Acest tip de baterie a fost inventat la mijlocul secolului al XIX-lea și are încă propria sa nișă de aplicare. Avantajele sale includ:
- tehnologie de producție simplă, ieftină și veche de zeci de ani;
- ieșire de curent ridicat;
- durată lungă de viață (de la 300 la 1000 de cicluri de încărcare-descărcare);
- cel mai mic curent de autodescărcare;
- fara efect de memorie.
Există și dezavantaje.În primul rând, aceasta este o intensitate energetică specifică scăzută, ceea ce duce la o creștere a dimensiunilor și a greutății. Există, de asemenea, performanțe slabe la temperaturi scăzute, în special sub minus 20 °C. Există și probleme cu eliminarea - compușii de plumb sunt destul de toxici. Dar această sarcină trebuie abordat pentru alte tipuri de baterii.
În timp ce bateriile plumb-acid au fost optimizate la maxim, chiar și aici există loc de îmbunătățire. De exemplu, există tehnologia AGM, conform căreia un material poros impregnat cu un electrolit este plasat între electrozi. Acest lucru nu afectează procesele electrochimice de încărcare și descărcare. Practic, acest lucru îmbunătățește caracteristicile mecanice ale bateriilor (rezistența la vibrații, capacitatea de a lucra aproape în orice poziție etc.) și crește oarecum siguranța de funcționare.
De asemenea, un avantaj notabil este funcționarea îmbunătățită fără pierderi de capacitate și de ieșire de curent la temperaturi de până la minus 30 °C. Producătorii de baterii AGM susțin o creștere a curentului de pornire și a resurselor.
Bateriile cu gel sunt o altă modificare a bateriilor cu plumb-acid. Electrolitul se îngroașă până la o stare de gelatină. Acest lucru realizează excluderea scurgerilor de electrolit în timpul funcționării și elimină posibilitatea formării de gaze. Dar curentul de ieșire este oarecum redus, iar acest lucru limitează posibilitatea de a folosi baterii cu gel ca baterii de pornire. Proprietățile miraculoase declarate ale unor astfel de baterii în ceea ce privește capacitatea sporită și resursele sporite sunt în conștiința marketerilor.
Bateriile cu plumb sunt de obicei încărcate în modul de stabilizare a tensiunii. În același timp, tensiunea bateriei crește și curentul de încărcare scade. Criteriul pentru încheierea procesului de încărcare este scăderea curentului până la limita stabilită.
Nichel-cadmiu
Secolul lor se apropie de sfârșit, iar domeniul de aplicare se micșorează treptat. Principalul lor dezavantaj este un efect de memorie pronunțat. Dacă începeți să reîncărcați o baterie Ni-Cd incomplet descărcată, atunci elementul „își amintește” acest nivel, iar capacitatea este determinată în continuare de această valoare. O altă problemă este respectarea scăzută a mediului. Compușii toxici de cadmiu creează probleme cu eliminarea unor astfel de baterii. Alte dezavantaje includ:
- tendință mare de autodescărcare;
- consum relativ redus de energie.
Dar există și plusuri:
- cost scăzut;
- durată lungă de viață (până la 1000 de cicluri încărcare-descărcare);
- capacitatea de a furniza un curent ridicat.
De asemenea, avantajele unor astfel de baterii includ capacitatea de a funcționa la temperaturi negative scăzute.
Încărcarea celulelor Ni-Cd se realizează în modul de curent continuu. Puteți utiliza pe deplin capacitatea prin reîncărcare cu o scădere lină sau treptă a curentului de încărcare. Sfârșitul procesului este controlat prin scăderea tensiunii celulei.
Hidrură metalică de nichel
Proiectat pentru a înlocui bateriile cu nichel-cadmiu. Multe caracteristici și proprietăți de consum sunt mai mari decât cele ale Ni-Cd. A fost posibil să scăpați parțial de efectul de memorie, să creșteți intensitatea energiei de aproximativ o dată și jumătate și să reduceți tendința de autodescărcare. În același timp, s-a păstrat eficiența ridicată a curentului, iar costul a rămas aproximativ la același nivel. Problema de mediu este atenuată - bateriile sunt produse fără utilizarea de compuși toxici. Dar a trebuit să plătim pentru asta cu o resursă semnificativ redusă (de până la 5 ori) și cu capacitatea de a lucra la temperaturi negative - doar până la -20 ° C față de -40 ° C pentru cele cu nichel-cadmiu.
Astfel de celule sunt încărcate în modul de curent continuu. Sfârșitul procesului este controlat prin creșterea tensiunii pe fiecare element până la 1,37 volți. Cel mai favorabil este modul de curent pulsat cu supratensiuni negative. Acest lucru elimină efectele efectului de memorie.
Li-ion
Bateriile litiu-ion cuceresc lumea. Ei înlocuiesc alte tipuri de baterii din acele zone în care situația părea de neclintit. Celulele Li-ion nu au practic niciun efect de memorie (este prezent, dar la nivel teoretic), rezistă până la 600 de cicluri de încărcare-descărcare, intensitatea energiei este de 2-3 ori mai mare decât raportul dintre capacitate și greutatea hidrură de nichel-metal baterii.
Tendința de a se autodescărca în timpul depozitării este, de asemenea, minimă, dar trebuie să plătești literalmente pentru toate acestea - astfel de baterii sunt mult mai scumpe decât cele tradiționale. Ne putem aștepta la reduceri de preț odată cu dezvoltarea producției, așa cum este de obicei cazul, dar alte dezavantaje inerente ale unor astfel de baterii - eficiența curentă redusă, incapacitatea de a lucra la temperaturi negative - este puțin probabil să fie depășite în cadrul tehnologiilor existente.
Împreună cu un risc crescut de incendiu, acest lucru împiedică oarecum utilizarea baterii Li-ion. De asemenea, trebuie avut în vedere faptul că astfel de elemente sunt supuse degradării. Chiar dacă nu sunt încărcate și descărcate, resursa lor în sine ajunge la zero în 1,5 ... 2 ani de stocare.
Cel mai favorabil mod de încărcare este în două etape. Mai întâi, un curent stabil (cu o tensiune în creștere lină), apoi o tensiune stabilă (cu un curent care descrește ușor). În practică, a doua etapă este implementată sub forma unui curent de încărcare redus treptat. Chiar mai des, această etapă constă dintr-o singură etapă - curentul stabilizat pur și simplu scade.
Principalele caracteristici ale bateriilor
Primul parametru căruia i se acordă atenție atunci când alegeți o baterie este acesta Tensiune nominală. Tensiunea unei celule a bateriei este determinată de procesele fizico-chimice care au loc în interiorul celulei și depinde de tipul bateriei. O bancă complet încărcată oferă:
- element plumb-acid - 2,1 volți;
- nichel-cadmiu - 1,25 volți;
- hidrură metalică de nichel - 1,37 volți;
- litiu-ion - 3,7 volți.
Pentru a obține o tensiune mai mare, celulele sunt asamblate în baterii. Deci, pentru o baterie de mașină, trebuie să conectați 6 cutii de plumb-acid în serie pentru a obține 12 volți (mai precis, 12,6 V), iar pentru o șurubelniță de 18 volți - 5 cutii de litiu-ion de 3,7 volți fiecare.
Al doilea parametru important este capacitate. Determină durata de viață a bateriei sub sarcină. Se măsoară în amperi-ore (produsul dintre curent și timp). Deci, o baterie cu o capacitate de 3 A⋅h când este descărcată cu un curent de 1 amper se va descărca în 3 ore, iar cu un curent de 3 amperi - în 1 oră.
Important! Strict vorbind, Capacitatea bateriei depinde de curent descărcare, astfel încât produsul dintre curent și timpul de descărcare la diferite valori de încărcare pentru o baterie nu va fi același.
Și al treilea parametru important - alimentarea curentă. Acesta este curentul maxim pe care îl poate furniza bateria. Este important, de exemplu, pentru baterie auto - determină posibilitatea de rotire a arborelui motorului în sezonul rece. De asemenea, capacitatea de a furniza un curent ridicat, creând un cuplu mare, este importantă, de exemplu, pentru uneltele electrice. Și pentru gadgeturile mobile, această caracteristică nu este atât de importantă.
Proprietățile electrice și calitățile de consum ale bateriilor depind de proiectarea și tehnologia lor de producție. Utilizarea corectă a bateriilor înseamnă folosirea avantajelor surselor de energie chimică regenerabilă și nivelarea dezavantajelor.
Articole similare:
