Användningsområdet för elektriska batterier är extremt brett. De används som elkällor i barnleksaker, och i elverktyg, och som en källa till dragkraft i elfordon. För att använda batterier korrekt måste du känna till deras egenskaper, deras styrkor och svagheter.
Innehåll
Vad är ett elektriskt batteri och hur fungerar det
Elektriskt batteri – den är förnybar källa till elektrisk energi. Till skillnad från galvaniska celler kan den laddas igen efter att ha laddats ur. I princip är alla batterier anordnade på samma sätt och består av en katod och en anod placerade i en elektrolyt.
Elektrodernas material och elektrolytens sammansättning kan vara olika, och det är detta som bestämmer batteriernas konsumentegenskaper och deras omfattning.Mellan katoden och anoden kan en porös dielektrisk separator läggas - en separator impregnerad med elektrolyt. Men det bestämmer, för det mesta, de mekaniska egenskaperna hos enheten och påverkar inte i grunden elementets funktion.
Generellt sett är batteridrift baserad på två energiomvandlingar:
- elektrisk till kemisk vid laddning;
- kemikalier till elektriska under urladdning.
Båda typerna av omvandling är baserade på förekomsten av reversibla kemiska reaktioner, vars förlopp bestäms av de ämnen som används i batteriet. Så i en blysyracell är den aktiva delen av anoden gjord av blydioxid och katoden är gjord av metalliskt bly. Elektroderna är i en elektrolyt av svavelsyra. När den urladdas vid anoden reduceras blydioxid för att bilda blysulfat och vatten, och bly vid katoden oxideras till blysulfat. Omvända reaktioner uppstår under laddning. I batterier av andra konstruktioner reagerar komponenterna olika, men principen är likartad.
Typer och typer av batterier
Konsumentegenskaper hos batterier bestäms främst av dess produktionsteknik. I vardagen och industrin är flera typer av battericeller vanligast.
Bly-syra
Denna typ av batteri uppfanns i mitten av 1800-talet och har fortfarande sin egen användningsnisch. Dess fördelar inkluderar:
- enkel, billig och årtionden gammal produktionsteknik;
- hög strömutgång;
- lång livslängd (från 300 till 1000 laddnings-urladdningscykler);
- den lägsta självurladdningsströmmen;
- ingen minneseffekt.
Det finns också nackdelar.Först och främst är detta en låg specifik energiintensitet, vilket leder till en ökning av dimensioner och vikt. Det är också dålig prestanda vid låga temperaturer, särskilt under minus 20 °C. Det finns också problem med bortskaffande - blyföreningar är ganska giftiga. Men denna uppgift måste åtgärdas för andra typer av batterier.
Medan blybatterier har optimerats till sitt optimala, finns det även här utrymme för förbättringar. Till exempel finns AGM-teknik, enligt vilken ett poröst material impregnerat med en elektrolyt placeras mellan elektroderna. Detta påverkar inte de elektrokemiska processerna för laddning och urladdning. I grund och botten förbättrar detta batteriernas mekaniska egenskaper (motstånd mot vibrationer, förmågan att arbeta i nästan vilken position som helst, etc.) och ökar driftsäkerheten något.
En anmärkningsvärd fördel är också förbättrad drift utan förlust av kapacitans och strömutgång vid temperaturer ner till minus 30 °C. Tillverkare av AGM-batterier hävdar en ökning av startström och resurs.
Gelbatterier är en annan modifiering av blybatterier. Elektrolyten tjocknar till ett gelétillstånd. Detta uppnår uteslutande av läckage av elektrolyt under drift och eliminerar möjligheten för bildning av gaser. Men strömeffekten är något reducerad och det begränsar möjligheten att använda gelbatterier som startbatterier. De deklarerade mirakulösa egenskaperna hos sådana batterier i form av ökad kapacitet och ökade resurser ligger på marknadsförarnas samvete.
Blybatterier laddas vanligtvis i spänningsstabiliseringsläge. Samtidigt ökar spänningen på batteriet och laddningsströmmen minskar. Kriteriet för slutet av laddningsprocessen är strömfallet till den inställda gränsen.
Nickel-kadmium
Deras århundrade går mot sitt slut, och omfattningen krymper gradvis. Deras största nackdel är en uttalad minneseffekt. Om du börjar ladda ett ofullständigt urladdat Ni-Cd-batteri, "minns" elementet denna nivå, och kapaciteten bestäms vidare från detta värde. Ett annat problem är låg miljövänlighet. Giftiga kadmiumföreningar skapar problem vid kassering av sådana batterier. Andra nackdelar inkluderar:
- hög tendens till självurladdning;
- relativt låg strömförbrukning.
Men det finns också plus:
- låg kostnad;
- lång livslängd (upp till 1000 laddnings-urladdningscykler);
- förmåga att leverera hög ström.
Fördelarna med sådana batterier inkluderar också förmågan att arbeta vid låga negativa temperaturer.
Laddning av Ni-Cd-celler utförs i likströmsläge. Du kan utnyttja kapaciteten fullt ut genom att ladda om med en jämn eller stegvis minskning av laddströmmen. Slutet av processen styrs genom att sänka cellspänningen.
Nickelmetallhydrid
Designad för att ersätta nickel-kadmium-batterier. Många egenskaper och konsumentegenskaper är högre än Ni-Cd. Det gick att delvis bli av med minneseffekten, öka energiintensiteten med cirka en och en halv gånger och minska benägenheten till självurladdning. Samtidigt bibehölls hög strömverkningsgrad och kostnaden låg ungefär på samma nivå. Miljöproblemet mildras – batterier tillverkas utan användning av giftiga föreningar. Men vi var tvungna att betala för detta med en avsevärt reducerad resurs (upp till 5 gånger) och förmågan att arbeta vid negativa temperaturer - bara upp till -20 ° C mot -40 ° C för nickel-kadmium.
Sådana celler laddas i likströmsläge. Slutet av processen styrs genom att öka spänningen på varje element upp till 1,37 volt. Det mest fördelaktiga är pulsströmsläget med negativa överspänningar. Detta eliminerar effekterna av minneseffekten.
Li-jon
Litiumjonbatterier tar över världen. De förskjuter andra typer av batterier från de områden där situationen verkade orubblig. Li-jonceller har praktiskt taget ingen minneseffekt (den är närvarande, men på en teoretisk nivå), klarar upp till 600 laddnings-urladdningscykler, energiintensiteten är 2-3 gånger högre än förhållandet mellan kapacitet och vikt av nickel-metallhydrid batterier.
Tendensen till självurladdning under lagring är också minimal, men du måste bokstavligen betala för allt detta - sådana batterier är mycket dyrare än traditionella. Man kan förvänta sig prissänkningar med utvecklingen av produktionen, vilket vanligtvis är fallet, men andra inneboende nackdelar med sådana batterier - minskad strömeffektivitet, oförmågan att arbeta vid negativa temperaturer - kommer sannolikt inte att övervinnas inom ramen för befintlig teknik.
Tillsammans med en ökad brandrisk försvårar detta användningen något Li-ion batterier. Man bör också komma ihåg att sådana element är föremål för nedbrytning. Även om de inte laddas och urladdas, går själva deras resurs till noll på 1,5 ... 2 års lagring.
Det mest fördelaktiga laddningsläget är i två steg. Först en stabil ström (med en jämnt ökande spänning), sedan en stabil spänning (med en jämnt avtagande ström). I praktiken implementeras det andra steget i form av en stegvis reducerad laddningsström. Ännu oftare består detta steg av ett steg - den stabiliserade strömmen minskar helt enkelt.
Huvudegenskaper för batterier
Den första parametern som man uppmärksammar när man väljer ett batteri är dess Märkspänning. Spänningen för en battericell bestäms av de fysikalisk-kemiska processer som sker inuti cellen och beror på typen av batteri. En fulladdad bank ger ut:
- blysyraelement - 2,1 volt;
- nickel-kadmium - 1,25 volt;
- nickelmetallhydrid - 1,37 volt;
- litiumjon - 3,7 volt.
För att få en högre spänning sätts cellerna ihop till batterier. Så för ett bilbatteri måste du ansluta 6 blysyraburkar i serie för att få 12 volt (mer exakt, 12,6 V), och för en 18-volts skruvmejsel - 5 litiumjonburkar på 3,7 volt vardera.
Den andra viktiga parametern är kapacitet. Bestämmer batteriets livslängd under belastning. Den mäts i amperetimmar (produkten av ström och tid). Så ett batteri med en kapacitet på 3 A⋅h när det laddas ur med en ström på 1 ampere kommer att laddas ur på 3 timmar och med en ström på 3 ampere - på 1 timme.
Viktig! Strängt talat, Batterikapacitet beror på strömmen urladdning, så produkten av ström och urladdningstid vid olika belastningsvärden för ett batteri kommer inte att vara densamma.
Och den tredje viktiga parametern - strömförsörjning. Detta är den maximala ström som batteriet kan leverera. Det är viktigt till exempel för bilbatteri - bestämmer möjligheten att vrida motoraxeln under den kalla årstiden. Dessutom är förmågan att leverera hög ström, vilket skapar ett högt vridmoment, viktig, till exempel för elverktyg. Och för mobila prylar är denna egenskap inte så viktig.
Batteriernas elektriska egenskaper och konsumentkvaliteter beror på deras design och produktionsteknik. Korrekt användning av batterier innebär att man använder fördelarna med förnybara kemiska kraftkällor och utjämnar nackdelarna.
Liknande artiklar:
