Elektrické batérie majú mimoriadne široké spektrum použitia. Používajú sa ako zdroj elektrickej energie v hračky pre detiBatérie sa používajú aj v elektrickom náradí a ako zdroj pohonu v elektrických vozidlách. Na ich správne použitie je potrebné poznať ich vlastnosti, silné a slabé stránky.
Obsah
Čo je elektrická batéria a ako je skonštruovaná?
Elektrická batéria - je obnoviteľný zdroj elektrickej energie. Na rozdiel od galvanických článkov sa po vybití môže opäť nabiť. V zásade majú všetky batérie rovnakú štruktúru a pozostávajú z katódy a anódy umiestnených v elektrolyte.
Materiál elektród a zloženie elektrolytu sa líšia, čo určuje spotrebiteľské vlastnosti batérií a ich použitie. Medzi katódu a anódu možno umiestniť porézny dielektrický separátor - separátor napustený elektrolytom. Väčšinou však určuje mechanické vlastnosti zostavy a nemá zásadný vplyv na fungovanie bunky.
Fungovanie batérie je v podstate založené na dvoch premenách energie:
- elektrický na chemický pri nabíjaní;
- chemickú na elektrickú energiu pri výboji.
Obe konverzie sú založené na vratných chemických reakciách, ktorých priebeh je určený látkami použitými v batérii. Napríklad v olovenom článku je aktívna časť anódy vyrobená z oxidu olovnatého a katóda z kovového olova. Elektródy sú v elektrolyte kyseliny sírovej. Počas vybíjania na anóde sa oxid olovnatý redukuje na síran olovnatý a vodu a olovo na katóde sa oxiduje na síran olovnatý. Počas nabíjania prebiehajú opačné reakcie. V iných konštrukciách batérií reagujú komponenty inak, ale princíp je podobný.
Typy a druhy batérií
Spotrebiteľské vlastnosti nabíjateľných batérií sú dané najmä technológiou ich výroby. V domácnostiach a v priemysle sa najčastejšie používa niekoľko typov batériových článkov.
Olovené batérie .
Tento typ batérií bol vynájdený v polovici 19. storočia a stále má svoje uplatnenie. Medzi jeho výhody patria:
- jednoduchá, lacná a výrobná technológia, na ktorej sa pracovalo celé desaťročia;
- vysoký výstupný prúd;
- dlhá životnosť (od 300 do 1000 cyklov nabíjania a vybíjania);
- najnižší prúd samovybíjania;
- žiadny pamäťový efekt.
Existujú určité nevýhody. Predovšetkým je to nízka hustota výkonu, ktorá vedie k nárastu rozmerov a hmotnosti. Zistila sa aj slabá výkonnosť pri teplotách pod bodom mrazu, najmä pod mínus 20 °C. Problémy sú aj s likvidáciou - zlúčeniny olova sú pomerne toxické. Je to však výzva pre iné typy batérií..
Hoci konštrukcia olovených akumulátorov bola optimalizovaná, aj tu existujú možnosti na zlepšenie. Existuje napríklad technológia AGM, pri ktorej je medzi elektródami umiestnený porézny materiál napustený elektrolytom. Elektrochemické procesy nabíjania a vybíjania nie sú ovplyvnené. Tým sa zlepšujú najmä mechanické vlastnosti batérií (odolnosť voči vibráciám, schopnosť pracovať takmer v akejkoľvek polohe atď.) a mierne sa zvyšuje bezpečnosť prevádzky.
Výraznou výhodou je aj lepšia prevádzka bez straty kapacity a výstupného prúdu pri teplotách do mínus 30 °C. Výrobcovia batérií AGM tvrdia, že majú zvýšený štartovací prúd a životnosť.
Ďalšou modifikáciou oloveného akumulátora je gélový akumulátor. Elektrolyt sa zahustí na želé. Tým sa zabráni úniku elektrolytu počas prevádzky a vylúči sa možnosť splyňovania. Výstupný prúd je však o niečo nižší, čo obmedzuje použitie gélových batérií ako štartovacích batérií. Deklarované zázračné vlastnosti týchto batérií, pokiaľ ide o zvýšenú kapacitu a životnosť, majú na svedomí marketingoví špecialisti.
Olovené akumulátory sa zvyčajne nabíjajú v režime stabilizácie napätia. Tým sa zvýši napätie batérie a zníži nabíjací prúd. Koniec nabíjania je signalizovaný poklesom prúdu na vopred nastavenú hranicu.
Nikel-kadmium .
Ich vek sa blíži ku koncu a rozsah ich použitia sa postupne znižuje. Ich hlavnou nevýhodou je pamäťový efekt. Ak začnete nabíjať neúplne vybitú Ni-Cd batériu, článok si túto úroveň "zapamätá" a kapacita sa potom určí podľa tejto hodnoty. Ďalším problémom je nízka šetrnosť k životnému prostrediu. Toxické zlúčeniny kadmia spôsobujú problémy pri likvidácii takýchto batérií. Medzi ďalšie nevýhody patria:
- vysoká tendencia k samovybíjaniu;
- relatívne nízka energetická kapacita.
Existujú však aj výhody:
- nízke náklady;
- dlhá životnosť (až 1000 cyklov nabíjania a vybíjania);
- schopnosť vydať vysoký prúd.
Medzi prednosti takýchto batérií patrí aj schopnosť pracovať pri nízkych záporných teplotách.
Ni-Cd články sa nabíjajú v režime konštantného prúdu. Plné využitie kapacity možno dosiahnuť postupným alebo plynulým znižovaním nabíjacieho prúdu. Koniec procesu sa monitoruje znížením napätia článku.
Hydrid niklu a kovu .
Sú určené na nahradenie nikel-kadmiových batérií. Majú oveľa lepšie vlastnosti a výkonnostné charakteristiky ako Ni-Cd batérie. Pamäťový efekt bol čiastočne odstránený, energetická kapacita sa zvýšila približne jedenapolkrát a znížila sa tendencia k samovybíjaniu. Súčasne zostala súčasná produkcia vysoká a náklady zostali na približne rovnakej úrovni. Problém životného prostredia je zmiernený - batérie sa vyrábajú bez použitia toxických zlúčenín. Za to sa však platí výrazne nižšou životnosťou (až päťkrát kratšou) a schopnosťou pracovať pri mínusových teplotách do -20 °C oproti -40 °C v prípade nikel-kadmiových batérií.
Tieto články sa nabíjajú v režime DC. Koniec procesu sa sleduje, keď napätie každého článku stúpne na 1,37 V. Pulzný prúd so zápornými emisiami je najvýhodnejším režimom nabíjania. Týmto spôsobom sa eliminuje pamäťový efekt.
Lítium-iónové batérie
Lítium-iónové batérie ovládajú svet. Vytláčajú iné typy batérií z oblastí, kde sa ich pozícia zdala byť nemenná. Li-ion články prakticky nemajú pamäťový efekt (je prítomný, ale na teoretickej úrovni), vydržia až 600 cyklov nabíjania a vybíjania a majú 2-3-krát väčšiu kapacitu ako nikel-metalhydridové batérie.
Tendencia k samovybíjaniu počas skladovania je tiež minimálna, ale za to všetko musíte doslova zaplatiť - takéto batérie sú oveľa drahšie ako klasické batérie. Dá sa očakávať, že s rozvojom výroby budú ceny klesať, ako to zvyčajne býva, ale ostatné prirodzené nevýhody takýchto batérií - nižší prúdový výkon, neschopnosť pracovať pri teplotách pod bodom mrazu - sa pravdepodobne nepodarí prekonať pomocou existujúcej technológie.
Spolu so zvýšeným nebezpečenstvom požiaru to do určitej miery bráni používaniu Li-ion batérie. Je tiež potrebné vziať do úvahy, že takéto bunky podliehajú degradácii. Aj keď sa nenabíjajú a nevybíjajú, ich životnosť sama o sebe klesne na nulu za 1,5... 2 roky skladovania.
Najvýhodnejší režim nabíjania je dvojfázový. Najskôr so stabilným prúdom (s mierne rastúcim napätím), potom so stabilným napätím (s mierne klesajúcim prúdom). V praxi sa druhý stupeň realizuje ako postupne klesajúci nabíjací prúd. Ešte častejšie sa táto fáza skladá z jediného kroku - len z klesajúceho stabilizovaného prúdu.
Hlavné charakteristiky batérií
Prvým parametrom, ktorý sa pri výbere batérie sleduje, je jej menovité napätie. Napätie jedného článku batérie je dané fyzikálnymi a chemickými procesmi prebiehajúcimi vo vnútri článku a závisí od typu batérie. Jedna plne nabitá batéria môže poskytnúť:
- olovený článok - 2,1 V;
- nikel-kadmium - 1,25 V;
- nikel-metal hydrid - 1,37 V;
- Lítium-iónová - 3,7 V.
Na dosiahnutie vyššieho napätia sa články spájajú do batérií. Takže v prípade autobatérie je potrebné sériovo zapojiť 6 olovených batérií, aby sa vytvorilo 12 V (presne 12,6 V), a v prípade 18 V skrutkovača 5 lítium-iónových batérií s napätím 3,7 V.
Druhým dôležitým parametrom je kapacita. Tým sa určuje prevádzkový čas batérie pri zaťažení. Meria sa v ampérhodinách (prúd delený časom). Napríklad batéria s kapacitou 3 A⋅h sa vybije za 3 hodiny prúdom 1 ampér a prúdom 3 ampéry za 1 hodinu.
Dôležité! Presne povedané, kapacita batérie závisí od vybíjacieho prúdu súčin času vybíjania a prúdu pri rôznych hodnotách zaťaženia nebude pre tú istú batériu rovnaký.
A tretí dôležitý parameter prúdová zaťažiteľnosť. Ide o maximálny prúd, ktorý môže batéria dodať. To je dôležité napríklad pre autobatérie - určuje schopnosť vytočiť hriadeľ motora v chladnom počasí. Schopnosť dodávať vysoké prúdy a vytvárať vysoký krútiaci moment je dôležitá napríklad pre elektrické náradie. Pre mobilné gadgety je však táto vlastnosť menej dôležitá.
Elektrické vlastnosti a výkon batérií závisia od ich konštrukcie a technológie výroby. Správne používanie batérie znamená využitie výhod obnoviteľných chemických zdrojov energie a vyrovnanie nevýhod.
Súvisiace články:
