Akumulatory elektryczne mają niezwykle szeroki zakres zastosowań. Są one wykorzystywane jako źródło energii elektrycznej w zabawki dla dzieciAkumulatory są także stosowane w elektronarzędziach oraz jako źródło napędu w pojazdach elektrycznych. Aby móc je prawidłowo stosować, należy poznać ich właściwości, mocne i słabe strony.
Spis treści
Co to jest bateria elektryczna i jak jest zbudowana?
Bateria elektryczna - jest odnawialna źródło energii elektrycznej. W przeciwieństwie do ogniw galwanicznych, po rozładowaniu można je ponownie naładować. Zasadniczo wszystkie akumulatory mają taką samą strukturę i składają się z katody i anody umieszczonych w elektrolicie.
Materiał elektrody i skład elektrolitu są różne i to właśnie one decydują o właściwościach użytkowych baterii i ich zastosowaniu. Między katodą a anodą można umieścić porowaty separator dielektryczny - separator nasączony elektrolitem. Określa ona jednak głównie właściwości mechaniczne zespołu i nie ma zasadniczego wpływu na działanie komórki.
Zasadniczo działanie akumulatora opiera się na dwóch przemianach energii:
- elektrycznego na chemiczny po naładowaniu;
- chemiczną na energię elektryczną podczas wyładowania.
Obie przemiany opierają się na odwracalnych reakcjach chemicznych, których przebieg zależy od substancji zastosowanych w akumulatorze. Na przykład w ogniwie ołowiowo-kwasowym aktywna część anody jest wykonana z dwutlenku ołowiu, a katoda z metalicznego ołowiu. Elektrody znajdują się w elektrolicie kwasu siarkowego. Podczas wyładowania na anodzie dwutlenek ołowiu jest redukowany do siarczanu ołowiu i wody, a na katodzie ołów jest utleniany do siarczanu ołowiu. Podczas ładowania zachodzą reakcje odwrotne. W innych konstrukcjach akumulatorów poszczególne elementy reagują inaczej, ale zasada działania jest podobna.
Rodzaje i typy baterii
Właściwości użytkowe akumulatorków zależą głównie od technologii ich produkcji. W gospodarstwach domowych i przemyśle najczęściej stosuje się kilka rodzajów ogniw akumulatorowych.
Kwas ołowiowy .
Ten typ baterii został wynaleziony w połowie XIX wieku i nadal ma swoją niszę zastosowań. Do jego zalet należą:
- prosta, niedroga i wypracowana przez dziesięciolecia technologia produkcji;
- wyjście wysokoprądowe;
- długa żywotność (od 300 do 1000 cykli ładowania i rozładowania);
- najniższy prąd samorozładowania;
- brak efektu pamięci.
Są też pewne wady. Przede wszystkim jest to mała gęstość mocy, co prowadzi do zwiększenia wymiarów i masy. Odnotowano również słabe działanie w temperaturach poniżej zera, zwłaszcza poniżej minus 20 °C. Występują również problemy z utylizacją - związki ołowiu są dość toksyczne. Ale to jest wyzwanie należy również uwzględnić inne typy baterii..
Chociaż konstrukcja akumulatorów kwasowo-ołowiowych została zoptymalizowana, nawet tutaj istnieją możliwości wprowadzenia ulepszeń. Przykładem może być technologia AGM, w której pomiędzy elektrodami umieszcza się porowaty materiał nasączony elektrolitem. Nie ma to wpływu na elektrochemiczne procesy ładowania i rozładowywania. Poprawia to głównie właściwości mechaniczne baterii (odporność na wibracje, możliwość pracy w niemal każdej pozycji itp.) i nieznacznie zwiększa bezpieczeństwo pracy.
Zauważalną zaletą jest również lepsze działanie bez utraty pojemności i wydajności prądowej w temperaturach do minus 30°C. Producenci akumulatorów AGM twierdzą, że zwiększają one prąd rozruchowy i żywotność.
Inną modyfikacją akumulatora kwasowo-ołowiowego jest akumulator żelowy. Elektrolit zostaje zagęszczony do postaci galarety. Zapobiega to wyciekowi elektrolitu podczas pracy i eliminuje możliwość gazowania. Jednak wydajność prądowa jest nieco mniejsza, co ogranicza zastosowanie akumulatorów żelowych jako akumulatorów rozruchowych. Za deklarowane cudowne właściwości takich baterii w zakresie zwiększonej pojemności i żywotności odpowiadają specjaliści od marketingu.
Akumulatory ołowiowe są zwykle ładowane w trybie stabilizacji napięcia. Powoduje to zwiększenie napięcia akumulatora i zmniejszenie prądu ładowania. Zakończenie procesu ładowania jest sygnalizowane spadkiem natężenia prądu do ustawionej wartości granicznej.
Niklowo-kadmowe .
Zbliża się koniec ich wieku, a zakres ich zastosowań stopniowo się zmniejsza. Ich główną wadą jest efekt pamięciowy. Jeśli rozpoczniesz ładowanie niecałkowicie rozładowanego akumulatora niklowo-kadmowego, ogniwo "zapamięta" ten poziom, a pojemność będzie określana na podstawie tej wartości. Innym problemem jest mała przyjazność dla środowiska. Toksyczne związki kadmu powodują problemy z utylizacją takich baterii. Inne wady to:
- duża skłonność do samorozładowania;
- stosunkowo niska wydajność energetyczna.
Ale są też zalety:
- niskie koszty;
- długa żywotność (do 1000 cykli ładowania i rozładowania);
- zdolność do dostarczania prądu o dużym natężeniu.
Zaletą takich akumulatorów jest również możliwość pracy w niskich ujemnych temperaturach.
Ogniwa Ni-Cd są ładowane w trybie prądu stałego. Pełne wykorzystanie pojemności można osiągnąć poprzez stopniowe lub ciągłe zmniejszanie prądu ładowania. Zakończenie procesu jest monitorowane przez obniżenie napięcia ogniwa.
Wodorek niklu .
Są one przeznaczone do zastąpienia baterii niklowo-kadmowych. Mają one o wiele lepsze właściwości i parametry niż akumulatory niklowo-kadmowe. Efekt pamięciowy został częściowo wyeliminowany, pojemność wzrosła około półtora raza, a skłonność do samorozładowania została zmniejszona. Jednocześnie bieżąca produkcja utrzymuje się na wysokim poziomie, a koszty pozostają na mniej więcej tym samym poziomie. Zmniejsza się problem ochrony środowiska - baterie są produkowane bez użycia toksycznych związków chemicznych. Wynagrodzeniem za to był jednak znacznie krótszy cykl życia (do 5 razy krótszy) oraz możliwość pracy w temperaturach ujemnych do -20°C w porównaniu z -40°C w przypadku akumulatorów niklowo-kadmowych.
Ogniwa te są ładowane w trybie prądu stałego. Koniec procesu jest obserwowany, gdy napięcie każdego ogniwa wzrośnie do 1,37 V. Najkorzystniejszy jest tryb prądu pulsującego o emisji ujemnej. W ten sposób eliminuje się efekt pamięciowy.
Akumulatory litowo-jonowe
Akumulatory litowo-jonowe opanowują świat. Wypierają one inne typy baterii z obszarów, gdzie pozycja wydawała się niezmienna. Ogniwa litowo-jonowe praktycznie nie mają efektu pamięci (jest on obecny, ale na poziomie teoretycznym), wytrzymują do 600 cykli ładowania i rozładowania, a ich pojemność jest 2-3 razy większa niż akumulatorów niklowo-wodorkowych.
Tendencja do samorozładowywania się podczas przechowywania jest również minimalna, ale za to wszystko trzeba dosłownie zapłacić - takie akumulatory są znacznie droższe od tradycyjnych. Można oczekiwać, że ceny będą spadać w miarę rozwoju produkcji, jak to zwykle ma miejsce, ale inne wady takich akumulatorów - mniejsza wydajność prądowa, brak możliwości pracy w temperaturach poniżej zera - raczej nie zostaną przezwyciężone przez istniejącą technologię.
Oprócz zwiększonego zagrożenia pożarowego, utrudnia to w pewien sposób stosowanie Akumulatory litowo-jonowe. Należy również wziąć pod uwagę, że takie komórki ulegają degradacji. Nawet jeśli nie są ładowane i rozładowywane, ich żywotność spada do zera w ciągu 1,5...2 lat przechowywania.
Najkorzystniejszy tryb ładowania przebiega w dwóch etapach. Najpierw przy stałym natężeniu prądu (przy łagodnie rosnącym napięciu), a następnie przy stałym napięciu (przy łagodnie malejącym natężeniu prądu). W praktyce drugi etap jest realizowany jako stale zmniejszający się prąd ładowania. Częściej etap ten składa się z jednego kroku - po prostu z malejącego prądu stabilizowanego.
Główne właściwości baterii
Pierwszym parametrem, na który zwraca się uwagę przy wyborze akumulatora, jest jego napięcie znamionowe. Napięcie pojedynczego ogniwa akumulatora zależy od procesów fizycznych i chemicznych zachodzących w jego wnętrzu oraz od typu akumulatora. Jeden w pełni naładowany akumulator może dostarczyć:
- ogniwo ołowiowo-kwasowe - 2,1 V;
- niklowo-kadmowe - 1,25 V;
- wodorek niklu - 1,37 V;
- Litowo-jonowy - 3,7 V.
Aby uzyskać wyższe napięcie, ogniwa są łączone w baterie. Tak więc w przypadku akumulatora samochodowego należy połączyć szeregowo 6 akumulatorów kwasowo-ołowiowych, aby uzyskać napięcie 12 V (dokładnie 12,6 V), a w przypadku 18-woltowej wkrętarki - 5 akumulatorów litowo-jonowych o napięciu 3,7 V każdy.
Drugim ważnym parametrem jest pojemność. Określa to czas pracy akumulatora pod obciążeniem. Mierzy się ją w amperogodzinach (natężenie prądu podzielone przez czas). Na przykład akumulator o pojemności 3 A⋅h rozładuje się w ciągu 3 godzin przy prądzie o natężeniu 1 ampera, natomiast przy prądzie o natężeniu 3 amperów rozładuje się w ciągu 1 godziny.
Ważne! Ściśle rzecz biorąc, pojemność akumulatora zależy od prądu rozładowania iloczyn czasu rozładowania i prądu rozładowania przy różnych wartościach obciążenia nie będzie taki sam dla tego samego akumulatora.
I trzeci ważny parametr zdolność przewodzenia prądu. Jest to maksymalne natężenie prądu, jakie może dostarczyć akumulator. Jest to ważne na przykład dla akumulator samochodowy - określa zdolność do obracania wałem silnika w niskich temperaturach. Zdolność do dostarczania dużych prądów, wytwarzających wysoki moment obrotowy, jest również ważna na przykład dla elektronarzędzi. W przypadku gadżetów mobilnych ta cecha jest jednak mniej istotna.
Właściwości elektryczne i wydajność akumulatorów zależą od ich konstrukcji i technologii produkcji. Właściwe użytkowanie baterii oznacza wykorzystanie zalet odnawialnych źródeł energii chemicznej i niwelowanie ich wad.
Powiązane artykuły:
