Was sind die Autobatterien. Welche Batterie ist besser für ein Auto

Ein Akkumulator ist eine chemische Stromquelle, die aus einer Kombination (Batterie) mehrerer separater Batterien besteht. Wenn Sie mehrere Elemente anstelle eines verwenden, können Sie je nach Anschlussmethode - seriell oder parallel - eine höhere Spannung oder einen höheren Strom erzielen.

Es gibt verschiedene Arten von Batterien mit unterschiedlichen Elektroden- und Elektrolytmaterialien. Viele haben gehört und wissen zum Beispiel, dass es alle Arten von Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid-, Lithium-Ionen-, Blei-Säure-Batterien gibt.

Bei der ganzen Vielfalt in Autos wird nur Blei als Starter verwendet. Dies liegt an der Tatsache, dass Batterien dieses Typs im Vergleich zu anderen den maximalen Energieverbrauch und die Fähigkeit haben, in kurzer Zeit einen großen Strom zu liefern. Gleichzeitig muss man sich damit abfinden, dass sowohl Säure als auch Blei sehr schädliche Stoffe sind. Alle Blei-Säure-Batterien sind aus strapazierfähigem, säurebeständigem Kunststoff gefertigt, um maximale Sicherheit bei Transport und Betrieb zu gewährleisten.

Derzeit wird Blei als Material für Elektroden nicht in reiner Form, sondern mit verschiedenen Zusätzen verwendet, je nachdem, welche Batterietypen in mehrere Typen unterteilt werden.

Abhängig von den Additiven für das Elektrodenmaterial werden Autobatterien unterteilt in:

• Traditionell ("Antimon")
• Niedriges Antimon
• Kalzium
• Hybrid
• Gel, AGM
  Und zusätzlich:
• Alkalisch
• Li-Ion

Traditionell ("Antimon")

Die Batterien dieses Typs enthalten ≥5% Antimon in den Bleiplatten. Oft werden sie auch als klassisch, traditionell bezeichnet. Doch ein solcher Name ist heute nicht mehr relevant, da Batterien mit einem geringeren Antimongehalt bereits zum Klassiker geworden sind.

Antimon wird zugesetzt, um die Festigkeit der Platten zu erhöhen. Aber durch dieses Additiv wird der Elektrolyseprozess beschleunigt, der bereits bei 12 Volt beginnt. Die emittierten Gase (Sauerstoff und Wasserstoff) lassen das Wasser sieden. Dadurch, dass Wasser in großen Mengen nach außen entweicht, ändert sich die Konzentration des Elektrolyten und die Elektrodenoberkanten werden freigelegt. Um das „verkochte“ Wasser auszugleichen, wird destilliertes Wasser in die Batterie gegossen.

Batterien mit einem hohen Antimongehalt machen sie wartungsfreundlich. Dies liegt daran, dass die Dichte des Elektrolyten regelmäßig überprüft und mindestens einmal im Monat mit Wasser gefüllt werden muss.

Jetzt werden Batterien dieses Typs nicht mehr in Autos eingebaut, weil der Fortschritt ist längst nicht mehr wegzudenken. "Antimon"-Batterien können in stationären Installationen installiert werden, wo die Schlichtheit der Stromversorgung wichtiger ist und bei deren Wartung keine besonderen Probleme bestehen. Alle Autobatterien werden mit wenig oder keinem Antimon hergestellt.

Niedriges Antimon

Um die Intensität des "Abkochens" von Wasser in Batterien zu reduzieren, wurden Platten mit einer reduzierten Menge an Antimon (weniger als 5%) verwendet. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, den Elektrolytstand häufig zu überprüfen. Auch die Selbstentladung der Batterie während der Lagerung hat abgenommen.

Solche Batterien werden meistens als wartungsarm oder völlig wartungsfrei bezeichnet, was bedeutet, dass diese Batterien nicht überwacht und gewartet werden müssen. Zwar ist der Begriff „wartungsfrei“ eher Marketing als Real, da der Wasserverlust aus dem Elektrolyten nicht vollständig beseitigt werden konnte. Wasser "kocht" noch ein wenig, wenn auch in viel geringeren Mengen als bei herkömmlichen gewarteten Batterien. Ein großer Vorteil einer antimonarmen Batterie ist ihre Anspruchslosigkeit gegenüber der Qualität der elektrischen Ausstattung des Autos. Auch bei Spannungseinbrüchen im Bordnetz ändern sich die Eigenschaften dieser Batterie nicht so irreversibel wie dies bei moderneren Batterien, beispielsweise Calcium- oder Gelbatterien, der Fall ist.

Antimonarme Batterien sind eher für russische Pkw geeignet, da heimische Autos sich noch nicht damit rühmen können, die Stabilität der Bordnetzspannung zu gewährleisten. Darüber hinaus zeichnen sich antimonarme Batterien durch ihre geringen Kosten im Vergleich zu anderen aus.

Kalzium

Eine andere Lösung, um die Intensität des "Abkochens" von Wasser in der Batterie zu reduzieren, bestand darin, ein anderes Material anstelle von Antimon in den Elektrodengittern zu verwenden. Calcium erwies sich als am besten geeignet. Batterien dieses Typs werden oft mit "Ca / Ca" gekennzeichnet, was bedeutet, dass die Platten beider Pole Kalzium enthalten. Außerdem wird manchmal in kleinen Mengen Silber der Zusammensetzung der Platten zugesetzt, was den Innenwiderstand der Batterie verringert. Dies wirkt sich positiv auf den Energieverbrauch und die Effizienz der Batterie aus.

Durch die Verwendung von Calcium konnte die Intensität der Gasentwicklung und des Wasserverlusts im Vergleich zu antimonarmen Batterien deutlich reduziert werden. Tatsächlich war der Wasserverlust über die Lebensdauer der Batterie so gering, dass die Dichte des Elektrolyten und der Wasserstand in den Kanistern nicht überprüft werden mussten. Somit haben Calcium-Akkus das Recht, als wartungsfrei bezeichnet zu werden.

Neben der geringen Wasserverdampfungsrate weisen Calciumbatterien auch eine um fast 70 % reduzierte Selbstentladung im Vergleich zu antimonarmen Batterien auf. Dadurch behalten Calciumbatterien ihre Leistungseigenschaften über einen längeren Zeitraum.

Weil die Verwendung von Kalzium anstelle von Antimon ermöglichte es, die Spannung zu Beginn der Wasserelektrolyse von den vorherigen 12 auf 16 Volt zu erhöhen, und die Überladung war nicht so schrecklich.

Calcium-Akkus haben jedoch nicht nur Vor-, sondern auch Nachteile.

Einer der Hauptnachteile von Batterien dieses Typs ist die Willkür in Bezug auf Tiefentladung. Es reicht aus, 3-4 Mal zu stark zu entladen, da der Energieverbrauch irreversibel sinkt, d.h. die Strommenge, die die Batterie aufnehmen kann, nimmt stark ab. In solchen Fällen wird die Batterie meist einfach ausgetauscht.

Calciumbatterien reagieren empfindlich auf die Spannung des Bordnetzes des Fahrzeugs und vertragen plötzliche Änderungen äußerst schlecht. Stellen Sie vor dem Kauf einer Batterie dieses Typs sicher, dass die Spannung des Fahrzeugs stabil ist.

Ein weiterer Nachteil ist der höhere Preis von Calciumbatterien. Das ist aber kein Nachteil mehr, sondern ein Zwangspreis für Qualität.

Am häufigsten werden Kalziumspeicherbatterien in ausländischen Autos der mittleren Preisklasse und darüber installiert, d.h. für diejenigen Autos, bei denen die Qualität und Stabilität der elektrischen Ausrüstung gewährleistet ist. Beim Kauf einer Batterie dieses Typs sollte beachtet werden, dass eine Batterie im Betrieb anspruchsvoller ist als eine antimonarme, aber bei richtiger Pflege erhalten Sie eine hochwertige und zuverlässige Stromquelle für Ihr Auto.

Hybrid

Wird oft als "Ca +" bezeichnet. Bei Hybridbatterien werden die Elektrodenplatten mit verschiedenen Technologien hergestellt: positiv - wenig Antimon, negativ - Kalzium. So können Sie die positiven Eigenschaften beider Akkutypen kombinieren. Der Wasserverbrauch von Hybridbatterien ist halb so groß wie der von Antimon-Batterien, aber immer noch mehr als der von Calcium-Batterien. Aber höhere Beständigkeit gegen Tiefentladungen und Überladungen.

Die Eigenschaften von Hybridbatterien liegen zwischen niedrigem Antimon und Kalzium.

Gel, AGM

Im Laufe der mehr als eineinhalbhundert Jahre Batteriegeschichte mussten Ingenieure viele Probleme und Aufgaben lösen. Eines der wichtigsten Probleme war das Ablösen des Wirkstoffs von der Oberfläche der Elektrodenplatten. Dieses Problem wurde vorübergehend gelöst, indem der Bleioxidzusammensetzung verschiedene Zusätze hinzugefügt wurden - Antimon, Kalzium usw. Eine weitere sehr wichtige Aufgabe war die Gewährleistung der Sicherheit des Batteriebetriebs, da Elektrolyt - eine wässrige Schwefelsäurelösung - könnte leicht auslaufen, wenn das Batteriegehäuse beschädigt ist. Unnötig zu erwähnen, wie ätzend die Chemikalie Schwefelsäure ist. Es war notwendig, einen Weg zu finden, um das Auslaufen von Elektrolyt bei Beschädigung des Batteriegehäuses zu verhindern und zu minimieren.

Dieses Problem wurde gelöst, indem der Elektrolyt von einem flüssigen in einen gelförmigen Zustand überführt wurde. Weil das Gel ist viel dichter und weniger flüssig als die Flüssigkeit, dies löste beide Probleme auf einmal - der Wirkstoff zerbröckelte nicht (die dichte Umgebung hat ihn behoben) und der Elektrolyt lief nicht aus (das Gel hat eine geringe Fließfähigkeit).

Sowohl bei Gel- als auch bei AGM-Batterien befindet sich der Elektrolyt in einem gelartigen Zustand. Der Unterschied besteht darin, dass sich bei AGM-Batterien zusätzlich zwischen den Elektrodenplatten ein spezielles poröses Material befindet, das den Elektrolyten zusätzlich festhält und die Elektroden vor dem Ablösen schützt. Die Abkürzung „AGM“ selbst steht für Absorbent Glass Mat (absorbierendes Glasmaterial). Weil Gel- und AGM-Batterien haben fast die gleichen Eigenschaften, im Folgenden meinen wir unter Gel auch AGM-Batterien. Bei Abweichungen werden diese gesondert ausgewiesen.

Da sich das Gel in den Akkus eigentlich in einem fixierten Zustand befindet, haben diese Akkus keine Angst vor dem Verkanten. Hersteller schreiben sogar, dass der Betrieb des Akkus in jeder Lage zulässig ist. Obwohl dies nur eine Marketingaussage ist, da Halten Sie Gelbatterien trotzdem nicht verkehrt herum.

Die ausgezeichnete Vibrationsfestigkeit ist nicht die einzige positive Eigenschaft von Gelbatterien. Diese Batterietypen haben eine geringe Selbstentladungsrate, so dass sie ohne einen kritischen Ladungsabfall lange gelagert werden können. Aufgeladen lagern.

Gelbatterien können bis zur vollständigen Entladung den gleichen hohen Strom liefern. Gleichzeitig haben sie keine Angst vor einer Tiefentladung und stellen ihre Nennkapazität nach dem Aufladen vollständig wieder her.

Wenn Gel-Batterien beim Entladen weniger launisch sind als klassische, dann ist die Situation beim Laden der Batterien ganz anders. Beschleunigtes Laden ist nicht akzeptabel – das Laden von Gelbatterien sollte mit einem viel geringeren Strom erfolgen. Dafür werden sogar spezielle Ladegeräte verwendet, die nur zum Laden von Gel-Batterien geeignet sind. Zwar gibt es universelle Ladegeräte auf dem Markt, die laut Herstellerzusicherung alle Arten von Akkus laden können. Wie sehr dies der Realität entspricht - Sie müssen genau hinschauen, auf den Ruf und die Herstellergarantie achten.

Leider funktionieren Gelbatterien bei sehr niedrigen Temperaturen nicht so gut wie klassische Batterien. Dies liegt daran, dass das Gel mit abnehmender Temperatur weniger leitfähig wird. Gel-Batterien können unter günstigen Betriebsbedingungen bis zu 10 Jahre halten.

Aufgrund ihrer absoluten Dichtheit, relativen Vibrationsfestigkeit und ihrer eigentlichen (und nicht nur vermarkteten) wartungsfreien Gel-Batterien werden überall dort eingesetzt, wo der Einsatz klassischer Batterien gefährlich oder unrentabel ist: in Innenräumen (z.B. in unterbrechungsfreien Stromversorgungen), im Motor Fahrzeuge (Motorrad, im Gegensatz zu Autos, Fahrten, die regelmäßig von der vertikalen Ebene abweichen), im See- und Flusstransport (diese Batterien haben keine Angst vor dem Rollen von Schiffen). Natürlich werden Gelbatterien auch in Autos verwendet. Am häufigsten - in prestigeträchtigen ausländischen Autos, was auf den recht hohen Preis dieser Batterien zurückzuführen ist (Zahlung für Qualität und Zuverlässigkeit).

Alkalisch

Wie Sie wissen, kann in Batterien nicht nur Säure, sondern auch Alkali als Elektrolyt verwendet werden. Es gibt viele Arten von Alkalibatterien, aber wir werden nur diejenigen betrachten, die in Autos Anwendung gefunden haben.

Es gibt zwei Arten von Alkali-Autobatterien: Nickel-Cadmium und Nickel-Eisen. Bei einer Nickel-Cadmium-Batterie sind die positiven Platten mit Nickelhydroxid NiO (OH) (auch bekannt als Nickel-III-Oxidhydrat oder Nickelmetahydroxid) beschichtet, die negativen Platten sind mit einer Mischung aus Cadmium und Eisen beschichtet. Bei einer Nickel-Eisen-Batterie sind die positiven Platten mit der gleichen Zusammensetzung wie bei einer Nickel-Cadmium-Batterie beschichtet - Nickelhydroxid. Der einzige Unterschied ist die negative Elektrode – in der Nickel-Eisen-Batterie besteht sie aus reinem Eisen. Der Elektrolyt in beiden Batterietypen ist eine Lösung von ätzendem Kalium KOH.

Platten-Elektroden in Alkalibatterien sind in "Umschlägen" der dünnsten perforierten Metallplatte verpackt. Der Wirkstoff wird in die gleichen Hüllen gepresst. Dadurch wird die Vibrationsfestigkeit der Batterien stark verbessert.

Alkaline-Batterien haben ein interessantes Merkmal: Bei Nickel-Cadmium-Batterien gibt es eine positivere als negative Platten, und sie befinden sich an den Rändern, die mit dem Gehäuse verbunden sind. Bei Nickel-Eisen-Batterien ist das Gegenteil der Fall - es gibt mehr negative als positive Platten.

Ein weiteres Merkmal von Alkalibatterien ist, dass sie bei chemischen Reaktionen keinen Elektrolyt verbrauchen. Aus diesem Grund ist es weniger erforderlich als bei sauren, wo der Elektrolyt wegen seines "Verkochens" mit einer Reserve gefüllt werden muss.

Alkalibatterien haben gegenüber Säurebatterien eine Reihe von Vorteilen:

• Gute Überentladungstoleranz. In diesem Fall kann die Batterie in entladenem Zustand gelagert werden, ohne ihre Eigenschaften zu verlieren, was bei Säurebatterien nicht gesagt werden kann.
• Alkaline-Batterien vertragen eine Überladung relativ leicht. Gleichzeitig gibt es die Meinung, dass es besser ist, sie aufzuladen als zu wenig aufzuladen.
• Alkaline-Batterien funktionieren in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen viel besser. Dadurch ist es möglich, die Motoren im Winter nahezu zuverlässig zu starten.
• Die Selbstentladung von Alkalibatterien ist geringer als die von klassischen Säurebatterien.
• Bei Alkalibatterien werden keine schädlichen Dämpfe abgegeben, was bei Säurebatterien nicht der Fall ist.
• Alkaline-Batterien können mehr Energie pro Masseneinheit speichern. Dadurch ist es möglich, über einen längeren Zeitraum (während des Traktionsbetriebs) elektrischen Strom zu liefern.

Allerdings haben Alkalibatterien gegenüber Säurebatterien auch Nachteile:

• Alkalische Batterien erzeugen weniger Spannung als Säurebatterien, was bedeutet, dass Sie mehr "Dosen" kombinieren müssen, um die gewünschte Spannung zu erreichen. Aus diesem Grund werden bei gleicher Spannung die Abmessungen einer Alkalibatterie größer.
• Alkalibatterien sind viel teurer als Säurebatterien.

Alkaline-Batterien werden heute häufiger als Antriebsbatterien als Starterbatterien verwendet. Aufgrund ihrer Größe werden die meisten hergestellten Alkaline-Starterbatterien für LKWs hergestellt.

Die Aussichten auf einen flächendeckenden Einsatz von Alkalibatterien in Pkw sind noch düster.

Li-Ion

Als zusätzliche Stromquelle gelten Lithium-Ionen-Akkumulatoren (und ihre Untertypen) als die vielversprechendsten.

In chemischen Elementen dieser Art sind Lithiumionen die Träger des elektrischen Stroms. Leider ist es nicht möglich, die Materialien der Elektroden eindeutig zu beschreiben, da Die Technologie ändert sich ständig und verbessert sich. Wir können nur sagen, dass zunächst metallisches Lithium als negative Elektroden verwendet wurde, aber solche Batterien erwiesen sich als explosiv. Später wurde Graphit verwendet. Als Material für positive Elektroden wurden bisher Lithiumoxide mit Zusatz von Kobalt oder Mangan verwendet. Inzwischen werden sie jedoch zunehmend durch Lithium-Ferro-Phosphat ersetzt, denn Das neue Material erwies sich als weniger giftig, billiger und umweltfreundlicher (es kann sicher entsorgt werden).

Die wichtigsten Vorteile von Lithium-Ionen-Akkus sind:

• Hohe spezifische Kapazität (Kapazität pro Masseneinheit).
• Die Ausgangsspannung ist höher als bei "normalen" - eine Batterie kann etwa 4 Volt liefern. Denken Sie daran, dass die Spannung eines klassischen Batterieelements 2 Volt beträgt.
• Geringe Selbstentladung.

Alle verfügbaren Vorteile überwiegen jedoch die Nachteile, aufgrund derer Lithium-Ionen-Batterien heute nicht in großem Umfang als Ersatz für klassische Blei-Säure-Batterien eingesetzt werden können.

Einige Nachteile von Lithium-Ionen-Akkus:

• Empfindlichkeit gegenüber Lufttemperatur. Bei negativen Temperaturen nimmt die Fähigkeit zur Energieabgabe sehr stark ab. Und dies ist eines der Hauptprobleme, um dessen Lösung Entwickler kämpfen.
• Die Zahl der Lade-Entladungen ist noch zu gering (im Durchschnitt etwa 500).
• Lithium-Ionen-Akkus altern. Während der Lagerung nimmt die Kapazität allmählich ab. Innerhalb von 2 Jahren - ca. 20% der Kapazität. Bitte nicht mit Selbstentladung oder Memory-Effekt verwechseln. Aber es ist gut, dass noch daran gearbeitet wird, dieses Problem zu lösen.
• Lithium-Ionen-Akkus sind extrem empfindlich gegenüber Tiefentladungen.
• Unzureichende Leistung für den Einsatz als Starterbatterie. Der von der Lithium-Ionen-Zelle erzeugte Strom reicht aus, um elektronische Geräte zu versorgen, aber nicht, um den Motor zu starten.

Wenn es den Ingenieuren gelingt, diese Mängel zu beheben, werden Lithium-Ionen-Batterien ein hervorragender Ersatz für die klassische Säurebatterie sein.

Es wird kontinuierlich daran gearbeitet, bestehende Typen von wiederaufladbaren Batterien zu verbessern. Forschungszentren suchen nach Möglichkeiten, die Energieintensität von Stromversorgungen zu erhöhen, wodurch die Größe der Batterien reduziert wird. Für die nördlichen Regionen wird die Erfindung einer frostbeständigen Batterie sehr nützlich sein (und dann würde es bei starkem Frost kein Problem mit einem Ausfall der Motoranlage geben).

Es ist sehr wichtig, in Richtung Umweltfreundlichkeit zu arbeiten, denn aktuelle Technologien zur Herstellung von Akkumulatoren können nicht auf den Einsatz giftiger und lediglich gefährlicher Stoffe (mindestens Blei oder Schwefelsäure) verzichten.

Traditionelle Blei-Säure-Batterien haben kaum noch eine Zukunft. AGM-Batterien sind eine Zwischenstufe in der Evolution. Die Batterie der Zukunft wird keine Flüssigkeit in ihrer Zusammensetzung haben (damit bei Beschädigung nichts ausläuft), sie wird eine beliebige Form haben (damit alle möglichen Hohlräume im Auto genutzt werden können) sowie viele andere Parameter Das wird es Autobesitzern ermöglichen, die Fahrt zu genießen und nicht nervös zu sein, dass die Batterie im ungünstigsten Moment ausfallen kann.

Ein Akku ist eine Konstantstromquelle zum Speichern und Speichern von Energie. Die überwiegende Mehrheit der Akkutypen basiert auf der zyklischen Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, wodurch Sie den Akku wiederholt laden und entladen können.

Im Jahr 1800 machte Alessandro Volta eine erstaunliche Entdeckung, als er zwei Metallplatten - Kupfer und Zink - in ein mit Säure gefülltes Gefäß tauchte und dann bewies, dass ein elektrischer Strom durch den Draht fließt, der sie verbindet. Mehr als 200 Jahre später werden basierend auf Voltas Entdeckung immer noch moderne Akkumulatoren produziert.

Arten von wiederaufladbaren Batterien

Nicht mehr als 140 Jahre sind seit der Erfindung der ersten Batterie vergangen, und aus der modernen Welt sind Backup-Stromversorgungen auf Basis von Batterien kaum mehr wegzudenken. Batterien werden überall verwendet, von den harmlosesten Haushaltsgeräten: Bedienfelder, tragbare Radios, Taschenlampen, Laptops, Telefone bis hin zu Sicherheitssystemen für Finanzinstitute, Notstromversorgungen für Rechenzentren, die Raumfahrtindustrie, Atomkraft, Kommunikation usw. usw. .

Die Entwicklungsländer brauchen elektrische Energie genauso wie der Mensch Sauerstoff zum Leben braucht. Daher arbeiten Designer und Ingenieure täglich daran, die bestehenden Batterietypen zu optimieren und regelmäßig neue Typen und Unterarten zu entwickeln.

Die wichtigsten Batterietypen sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1. Klassifizierung von Akkumulatoren.

Aus den Daten in Tabelle 1 können wir schließen, dass es viele Arten von Batterien gibt, die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden, die für den Einsatz unter verschiedenen Bedingungen und mit unterschiedlichen Intensitäten optimiert sind. Mit neuen Technologien und Komponenten für die Produktion gelingt es Wissenschaftlern, die gewünschten Eigenschaften für einen bestimmten Anwendungsbereich zu erreichen, beispielsweise wurden Nickel-Wasserstoff-Batterien für Weltraumsatelliten, Raumstationen und andere Weltraumausrüstung entwickelt. Natürlich sind in der Tabelle nicht alle Typen aufgeführt, sondern nur die wichtigsten, die sich verbreitet haben.

Moderne Backup- und autonome Stromversorgungssysteme für den Industrie- und Haushaltsbereich basieren auf Sorten von Blei-Säure-, Nickel-Cadmium- (Eisen-Nickel-Typ wird seltener verwendet) und Lithium-Ionen-Batterien, da diese chemischen Stromquellen sicher sind und haben akzeptable technische Eigenschaften und Kosten.

Blei-Säure-Batterien

Dieser Typ ist aufgrund seiner vielseitigen Funktionen und seiner geringen Kosten in der modernen Welt am gefragtesten. Aufgrund der Vielzahl von Varianten werden Blei-Säure-Batterien in den Bereichen Notstromsysteme, autonome Stromversorgungssysteme, Solarkraftwerke, USV, verschiedene Transportmittel, Kommunikation, Sicherheitssysteme, verschiedene Arten von tragbaren Geräten, Spielzeug verwendet , etc.

Das Funktionsprinzip von Blei-Säure-Batterien

Die Grundlage des Betriebs chemischer Stromversorgungen basiert auf der Wechselwirkung von Metallen und Flüssigkeiten - einer reversiblen Reaktion, die auftritt, wenn die Kontakte der positiven und negativen Platten geschlossen werden. Blei-Säure-Batterien bestehen, wie der Name schon sagt, aus Blei und Säure, wobei die positiv geladenen Platten Blei und die negativ geladenen Platten Bleioxid sind. Wenn Sie eine Glühbirne an zwei Platten anschließen, schließt sich der Stromkreis und es entsteht ein elektrischer Strom (Elektronenbewegung) und eine chemische Reaktion im Inneren des Elements. Insbesondere die Batterieplatten korrodieren, das Blei ist mit Bleisulfat beschichtet. So bilden sich beim Entladen der Batterie auf allen Platten Bleisulfatablagerungen. Wenn die Batterie vollständig entladen ist, sind ihre Platten mit dem gleichen Metall - Bleisulfat - bedeckt und haben im Verhältnis zur Flüssigkeit fast die gleiche Ladung, dementsprechend ist die Batteriespannung sehr niedrig.

Wenn Sie das Ladegerät an die entsprechenden Pole der Batterie anschließen und einschalten, fließt der Strom in der Säure in die entgegengesetzte Richtung. Der Strom löst eine chemische Reaktion aus, Säuremoleküle werden gespalten und durch diese Reaktion wird Bleisulfat aus den positiven und negativen Plastilinen der Batterie entfernt. In der letzten Phase des Ladevorgangs haben die Platten ihr ursprüngliches Aussehen: Blei und Bleioxid, wodurch sie wieder anders aufgeladen werden können, dh die Batterie wird vollständig aufgeladen.

In der Praxis sieht jedoch alles etwas anders aus und die Elektrodenplatten werden nicht vollständig gereinigt, daher haben die Batterien eine gewisse Ressource, bei deren Erreichen die Kapazität auf 80-70% der ursprünglichen Kapazität sinkt.

Abbildung №3. Elektrochemisches Diagramm einer Blei-Säure-Batterie (VRLA).

Arten von Blei-Säure-Batterien

Blei – Säure versorgt mit 6, 12V Batterien. Klassische Starterbatterien für Verbrennungsmotoren und mehr. Sie benötigen regelmäßige Wartung und Belüftung. unterliegen einer hohen Selbstentladung.

Ventilreguliertes Blei – Säure (VRLA), wartungsfrei - 2, 4, 6 und 12V Batterien. Preiswerte Batterien im geschlossenen Gehäuse, die in Wohngebieten eingesetzt werden können, benötigen keine zusätzliche Belüftung und Wartung. Empfohlen für die Verwendung im Puffermodus.

Absorbierende Glasmatte Ventilreguliertes Blei – Säure (AGM VRLA), wartungsfrei - 4, 6 und 12V Batterien. Moderne Blei-Säure-Batterien mit absorbiertem Elektrolyt (nicht flüssig) und Fiberglas-Separatoren halten die Bleiplatten viel besser und verhindern ein Zusammenfallen. Diese Lösung verkürzt die Ladezeit von AGM-Batterien erheblich, da der Ladestrom 20-25, seltener 30% der Nennkapazität erreichen kann.

AGM VRLA-Batterien haben viele Modifikationen mit optimierten Eigenschaften für zyklische und Pufferbetrieb: Deep - für häufige Tiefentladungen, Front-Terminal - für eine bequeme Platzierung in Telekommunikations-Racks, Standard - für allgemeine Zwecke, High Rate - bieten die beste Entladecharakteristik bis bis 30% und geeignet für leistungsstarke unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Modular - ermöglicht den Aufbau leistungsstarker Batterieschränke usw.



Abbildung 4.

GEL Ventilgesteuertes Blei – Säure (GEL VRLA), wartungsfrei - 2, 4, 6 und 12V Batterien. Eine der neuesten Modifikationen des Typs Blei-Säure-Batterie. Die Technologie basiert auf der Verwendung eines gelartigen Elektrolyten, der einen maximalen Kontakt mit den negativen und positiven Platten der Elemente gewährleistet und eine gleichmäßige Konsistenz im gesamten Volumen beibehält. Dieser Batterietyp erfordert ein "richtiges" Ladegerät, das den erforderlichen Strom und die erforderliche Spannung liefert, nur in diesem Fall können Sie alle Vorteile gegenüber dem AGM VRLA-Typ nutzen.

GEL VRLA Chemiestromversorgungen wie AGM haben viele Untertypen, die für bestimmte Betriebsbedingungen am besten geeignet sind. Die gebräuchlichsten sind die Solar-Serie - verwendet für Solarenergieanlagen, Marine - für See- und Flusstransport, Deep Cycle - für häufige Tiefentladungen, Front-Terminal - montiert in Spezialkoffern für Telekommunikationssysteme, GOLF - auch für Golfcarts B. für Scheuersaugmaschinen, Micro - kleine Batterien für den häufigen Einsatz in mobilen Anwendungen, Modular - eine spezielle Lösung zum Aufbau leistungsstarker Batteriebänke zur Energiespeicherung etc.



Abbildung №5.

OPzV, wartungsfrei - 2V Batterien. Spezielle Blei-Säure-Zellen vom Typ OPZV werden mit röhrenförmigen Anodenplatten und einem schwefelsauren Gelelektrolyten hergestellt. Anode und Kathode der Zellen enthalten ein zusätzliches Metall - Kalzium, wodurch die Korrosionsbeständigkeit der Elektroden erhöht und die Lebensdauer erhöht wird. Negative Platten werden gespreizt, diese Technologie bietet einen besseren Kontakt mit dem Elektrolyten.

OPzV-Batterien sind tiefentladungsbeständig und haben eine lange Lebensdauer von bis zu 22 Jahren. Für die Herstellung solcher Batterien werden in der Regel nur die besten Materialien verwendet, um eine hohe Effizienz im zyklischen Betrieb zu gewährleisten.

Der Einsatz von OPzV-Batterien ist in Telekommunikationsanlagen, Notbeleuchtungsanlagen, unterbrechungsfreien Stromversorgungen, Navigationssystemen, Energiespeichern in Haushalten und Industrie sowie in der Solarstromerzeugung gefragt.


Abbildung 6. Der Aufbau der OPzV-Batterie EverExceed.

OPzS, wartungsarm - 2, 6, 12V Batterien. OPzS stationäre geflutete Blei-Säure-Batterien werden mit röhrenförmigen Anodenplatten mit Antimonzusatz hergestellt. Die Kathode enthält auch eine geringe Menge Antimon und ist vom Spreizgittertyp. Anode und Kathode sind durch mikroporöse Separatoren getrennt, die Kurzschlüsse verhindern. Das Batteriegehäuse besteht aus einem speziellen schlagfesten transparenten Kunststoff, der gegen chemische Angriffe und Feuer beständig ist, und die belüfteten Ventile sind feuerfest und bieten Schutz gegen mögliches Eindringen von Flammen und Funken.

Durch die transparenten Wände können Sie den Elektrolytstand bequem anhand der Minimum- und Maximum-Markierungen überwachen. Der spezielle Aufbau der Ventile ermöglicht das Nachfüllen von destilliertem Wasser und das Messen der Dichte des Elektrolyten, ohne sie auszubauen. Je nach Belastung wird alle ein bis zwei Jahre Wasser nachgefüllt.

OPzS-Batterien haben die höchste Leistung aller anderen Blei-Säure-Batterien. Die Lebensdauer kann 20 - 25 Jahre erreichen und eine Ressource von bis zu 1800 tiefen 80% Entladezyklen bereitstellen.

Der Einsatz solcher Batterien ist in Anlagen mit mittleren und tiefentladenen Anforderungen inkl. wo mittlere Einschaltströme beobachtet werden.



Abbildung №7.

Eigenschaften von Blei-Säure-Batterien

Die Analyse der in Tabelle 2 gezeigten Daten lässt den Schluss zu, dass Blei-Säure-Batterien eine große Auswahl an Modellen haben, die für verschiedene Betriebsarten und Betriebsbedingungen geeignet sind.

Tabelle 2. Vergleichende Eigenschaften der Typen von Blei-Säure-Batterien.

Für die Analyse haben wir gemittelte Daten von mehr als 10 Batterieherstellern verwendet, deren Produkte seit langem auf dem ukrainischen Markt präsentiert werden und in vielen Bereichen erfolgreich eingesetzt werden (EverExceed, BB Battery, CSB, Leoch, Ventura, Challenger, C&D Technologien, Victron Energy, SunLight, Troian und andere).

Lithium-Ionen (Lithium) Batterien

Die Geschichte des Ursprungsübergangs reicht bis ins Jahr 1912 zurück, als Gilbert Newton Lewis an der Berechnung der Aktivitäten von Ionen starker Elektrolyte arbeitete und die Elektrodenpotentiale einer Reihe von Elementen, darunter Lithium, erforschte. Seit 1973 wurde die Arbeit wieder aufgenommen und als Ergebnis erschienen die ersten Lithium-basierten Batterien, die nur einen Entladezyklus ermöglichten. Versuche, eine Lithiumbatterie herzustellen, wurden durch die Aktivität der Eigenschaften von Lithium behindert, die bei falschen Entlade- oder Lademodi eine heftige Reaktion mit der Freisetzung hoher Temperaturen und sogar Flammen verursachten. Sony brachte die ersten Mobiltelefone mit solchen Akkus auf den Markt, musste die Produkte jedoch nach mehreren unangenehmen Vorfällen zurückrufen. Die Entwicklung hörte nicht auf und 1992 erschienen die ersten "sicheren" Batterien auf Basis von Lithium-Ionen.

Lithium-Ionen-Batterien haben eine hohe Energiedichte und bieten daher bei kompakter Größe und geringem Gewicht die 2- bis 4-fache Kapazität im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien. Ein großer Vorteil von Lithium-Ionen-Akkus ist zweifellos die hohe Geschwindigkeit der vollständigen Aufladung innerhalb von 1-2 Stunden.

Li-Ionen-Batterien werden häufig in der modernen Elektronik, in der Automobilindustrie, in Energiespeichersystemen und in der Solarstromerzeugung eingesetzt. Sie sind in High-Tech-Multimedia- und Kommunikationsgeräten gefragt: Telefone, Tablet-Computer, Laptops, Radiosender usw. Lithium-Ionen-Netzteile sind aus der modernen Welt nicht mehr wegzudenken.

Wie Lithium (Lithium-Ionen) Batterien funktionieren

Das Funktionsprinzip besteht darin, Lithiumionen zu verwenden, die durch Moleküle zusätzlicher Metalle gebunden werden. Üblicherweise werden neben Lithium auch Lithium-Kobalt-Oxid und Graphit verwendet. Beim Entladen einer Lithium-Ionen-Batterie werden beim Laden Ionen von der negativen Elektrode (Kathode) auf die positive (Anode) und umgekehrt übertragen. Der Batteriekreis setzt das Vorhandensein eines Separators zwischen den beiden Teilen der Zelle voraus, dies ist notwendig, um eine spontane Bewegung von Lithium-Ionen zu verhindern. Wenn der Batteriekreislauf geschlossen ist und der Lade- oder Entladevorgang stattfindet, überwinden die Ionen den Separator und streben zur entgegengesetzt geladenen Elektrode.

Abbildung №8. Elektrochemisches Diagramm einer Lithium-Ionen-Batterie.

Aufgrund ihrer hohen Effizienz haben sich Lithium-Ionen-Batterien rasant entwickelt und viele Unterarten, zum Beispiel Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien (LiFePO4). Unten sehen Sie eine grafische Darstellung der Funktionsweise dieses Untertyps.

Abbildung №9. Elektrochemisches Diagramm des Entlade- und Entladevorgangs einer LiFePO4-Batterie.

Lithium-Ionen-Akkutypen

Moderne Lithium-Ionen-Batterien haben viele Untertypen, der Hauptunterschied besteht in der Zusammensetzung der Kathode (negativ geladene Elektrode). Außerdem kann die Zusammensetzung der Anode geändert werden, um Graphit vollständig zu ersetzen oder Graphit unter Zugabe anderer Materialien zu verwenden.

Die verschiedenen Typen von Lithium-Ionen-Batterien werden durch ihren chemischen Abbau identifiziert. Für einen normalen Benutzer kann dies etwas schwierig sein, daher wird jeder Typ so detailliert wie möglich beschrieben, einschließlich seines vollständigen Namens, seiner chemischen Definition, seiner Abkürzung und seiner Kurzbezeichnung. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird ein abgekürzter Titel verwendet.

Lithium-Kobalt-Oxid (LiCoO2)- Verfügt über eine hohe spezifische Energie, was die Lithium-Kobalt-Batterie in kompakten High-Tech-Geräten gefragt macht. Die Batteriekathode besteht aus Kobaltoxid, während die Anode aus Graphit besteht. Die Kathode hat eine Schichtstruktur und während der Entladung wandern Lithiumionen von der Anode zur Kathode. Die Nachteile dieses Typs sind relativ kurze Lebensdauer, geringe thermische Stabilität und begrenzte Zellleistung.

Lithium-Kobalt-Akkus können nicht mit einem Strom entladen oder geladen werden, der die Nennkapazität überschreitet, daher kann ein 2,4 Ah-Akku mit 2,4 A betrieben werden. Wenn zum Laden ein hoher Strom angelegt wird, führt dies zu einer Überhitzung. Der optimale Ladestrom beträgt 0,8C, in diesem Fall 1,92A. Jede Lithium-Kobalt-Batterie ist mit einer Schutzschaltung ausgestattet, die die Lade- und Entladerate begrenzt und den Strom auf 1C begrenzt.

Die Grafik (Abb. 10) zeigt die Haupteigenschaften von Lithium-Kobalt-Batterien in Bezug auf spezifische Energie oder Leistung, spezifische Leistung oder Fähigkeit, hohe Ströme bereitzustellen, Sicherheit oder Zündchancen bei hoher Last, Betriebsumgebungstemperatur, Lebensdauer und Zyklus Leben, Kosten ...



Abbildung №10.

Lithium-Mangan-Oxid (LiMn2O4, LMO)- Die ersten Informationen über die Verwendung von Lithium bei Manganspinellen wurden 1983 in wissenschaftlichen Berichten veröffentlicht. Moli Energy brachte 1996 die ersten Chargen von Batterien auf Basis von Lithium-Mangan-Oxid als Kathodenmaterial auf den Markt. Diese Architektur bildet dreidimensionale Spinellstrukturen, die den Ionenfluss zur Elektrode verbessern, wodurch der Innenwiderstand verringert und mögliche Ladeströme erhöht werden. Der Vorteil von Spinell liegt auch in der thermischen Stabilität und der erhöhten Sicherheit, jedoch sind die Zyklen- und Lebensdauer begrenzt.

Niedriger Widerstand ermöglicht das schnelle Laden und Entladen einer Lithium-Mangan-Batterie mit einem hohen Strom bis zu 30 A und kurzzeitig bis zu 50 A. Geeignet für leistungsstarke Elektrowerkzeuge, medizinische Geräte sowie Hybrid- und Elektrofahrzeuge.

Das Potenzial von Lithium-Mangan-Batterien ist etwa 30 % geringer als das von Lithium-Kobalt-Batterien, aber diese Technologie hat etwa 50 % bessere Eigenschaften als Batterien auf Basis chemischer Nickelkomponenten.

Die Designflexibilität ermöglicht es Ingenieuren, die Batterieeigenschaften zu optimieren und eine lange Batterielebensdauer, hohe Kapazität (Energiedichte) und maximale Strombelastbarkeit (Leistungsdichte) zu erreichen. Bei einer langen Lebensdauer hat beispielsweise die Größe einer 18650-Zelle eine Kapazität von 1,1 Ah, während für hohe Kapazität optimierte Zellen eine Kapazität von 1,5 Ah haben, aber gleichzeitig eine kürzere Lebensdauer haben.

Die Grafik (Abb. 12) spiegelt nicht die beeindruckendsten Eigenschaften von Lithium-Mangan-Batterien wider, aber moderne Entwicklungen haben die Leistung erheblich verbessert und diesen Typ wettbewerbsfähig und weit verbreitet gemacht.



Abbildung 11.

Moderne Batterien des Lithium-Mangan-Typs können mit dem Zusatz anderer Elemente hergestellt werden - Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC), diese Technologie verlängert die Lebensdauer erheblich und erhöht die spezifischen Energieindikatoren. Diese Verbindung bringt die besten Eigenschaften aus jedem System, das sogenannte LMO (NMC) wird bei den meisten Elektrofahrzeugen wie Nissan, Chevrolet, BMW usw.

Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (LiNiMnCoO2 oder NMC)- Führende Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien haben sich auf Nickel-Mangan-Kobalt-Kombinationskathodenmaterialien (NMC) konzentriert. Ähnlich wie beim Lithium-Mangan-Typ können diese Batterien angepasst werden, um eine hohe Energiedichte oder eine hohe Leistungsdichte zu erreichen, jedoch nicht gleichzeitig. Beispielsweise hat eine NMC 18650-Zelle bei mittlerer Last eine Kapazität von 2,8 Ah und kann einen maximalen Strom von 4-5 A liefern; Die für die erhöhten Leistungsparameter optimierte NMC-Zelle hat nur 2Wh, kann aber einen Dauerentladestrom von bis zu 20A liefern. Die Besonderheit von NMC liegt in der Kombination von Nickel und Mangan, als Beispiel Kochsalz, in dem die Hauptbestandteile Natrium und Chlorid sind, die getrennt giftige Substanzen sind.

Nickel ist bekannt für seine hohe spezifische Energie, aber geringe Stabilität. Mangan hat den Vorteil, dass es eine Spinellstruktur bildet und einen geringen Innenwiderstand bietet, während es dennoch eine niedrige spezifische Energie hat. Durch die Kombination dieser beiden Metalle ist es möglich, die optimale Leistung der NMC-Batterie für unterschiedliche Betriebsbedingungen zu erzielen.

NMC-Akkus eignen sich hervorragend für Elektrowerkzeuge, E-Bikes und andere Antriebsstränge. Kombination von Kathodenmaterialien: Ein Drittel von Nickel, Mangan und Kobalt bieten einzigartige Eigenschaften und senken aufgrund des geringeren Kobaltgehalts auch die Kosten des Produkts. Andere Subtypen wie NCM, CMN, CNM, MNC und MCN haben ausgezeichnete Dreifachmetallverhältnisse von 1 / 3-1 / 3-1 / 3. Normalerweise wird das genaue Verhältnis vom Hersteller geheim gehalten.



Abbildung 12.

Lithiumeisenphosphat (LiFePO4)- 1996 wandten die Universität von Texas (und andere Mitwirkende) Phosphat als Kathodenmaterial für Lithiumbatterien an. Lithiumphosphat bietet eine gute elektrochemische Leistung bei geringem Widerstand. Möglich wird dies mit Nano-Phosphat-Kathodenmaterial. Die Hauptvorteile sind ein hoher Stromfluss und eine lange Lebensdauer, außerdem eine gute thermische Stabilität und erhöhte Sicherheit.

Lithium-Eisenphosphat-Batterien sind toleranter gegenüber vollständiger Entladung und weniger anfällig für Alterung als andere Lithium-Ionen-Systeme. LFPs sind auch widerstandsfähiger gegen Überladung, aber wie bei anderen Lithium-Ionen-Akkus kann eine Überladung Schäden verursachen. LiFePO4 bietet eine sehr stabile Entladespannung von 3,2 V, wodurch nur 4 Zellen verwendet werden können, um eine 12-V-Standardbatterie zu erstellen, was wiederum einen effizienten Austausch von Blei-Säure-Batterien ermöglicht. Lithium-Eisenphosphat-Batterien enthalten kein Kobalt, was die Kosten des Produkts erheblich senkt und es umweltfreundlicher macht. Liefert hohen Strom beim Entladen und kann auch mit Nennstrom in nur einer Stunde auf volle Kapazität geladen werden. Der Betrieb bei niedrigen Umgebungstemperaturen verringert die Leistung und Temperaturen über 35 ° C verkürzen die Lebensdauer geringfügig, aber die Leistung ist viel besser als bei Bleisäure-, Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Batterien. Lithiumphosphat hat eine höhere Selbstentladungsrate als andere Lithium-Ionen-Batterien, was einen Ausgleich von Batterieschränken erforderlich machen kann.



Abbildung 13.

Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (LiNiCoAlO2)- Lithium-Nickel-Kobalt-Oxid-Aluminium (NCA)-Batterien wurden 1999 eingeführt. Dieser Typ bietet eine hohe spezifische Energie und ausreichende spezifische Leistung sowie eine lange Lebensdauer. Es bestehen jedoch Zündgefahren, wodurch Aluminium zugesetzt wurde, das bei hohen Entlade- und Ladeströmen für eine höhere Stabilität der in der Batterie ablaufenden elektrochemischen Prozesse sorgt.



Abbildung 14.

Lithiumtitanat (Li4Ti5O12)- Batterien mit Lithium-Titanat-Anoden sind seit den 1980er Jahren bekannt. Die Kathode besteht aus Graphit und ähnelt der Architektur einer typischen Lithium-Metall-Batterie. Lithiumtitanat hat eine Zellspannung von 2,4V, kann schnell aufgeladen werden und liefert einen hohen Entladestrom von 10C, was dem 10-fachen der Nennkapazität des Akkus entspricht.

Lithium-Titanat-Batterien haben im Vergleich zu anderen Arten von Lithium-Ionen-Batterien eine längere Lebensdauer. Sie sind sehr sicher und können bei niedrigen Temperaturen (bis zu –30 °C) ohne signifikante Leistungseinbußen betrieben werden.

Der Nachteil liegt in den recht hohen Kosten sowie in einem kleinen Indikator für die spezifische Energie in der Größenordnung von 60-80Wh / kg, der mit Nickel-Cadmium-Akkus durchaus vergleichbar ist. Anwendungen: Stromversorgungseinheiten und unterbrechungsfreie Stromversorgungen.



Abbildung 15.

Lithium-Polymer-Akkus (Li-Pol, Li-Polymer, LiPo, LIP, Li-Poly)- Lithium-Polymer-Akkus unterscheiden sich von Lithium-Ionen-Akkus dadurch, dass sie einen speziellen Polymerelektrolyten verwenden. Die seit den 2000er Jahren entstandene Begeisterung für diese Art von Batterie hält bis heute an. Es wurde nicht ohne Grund begründet, da es mit Hilfe spezieller Polymere möglich war, eine Batterie ohne flüssigen oder gelartigen Elektrolyten herzustellen, die es ermöglicht, Batterien in fast jeder Form herzustellen. Das Hauptproblem besteht jedoch darin, dass der Festpolymerelektrolyt bei Raumtemperatur eine schlechte Leitfähigkeit aufweist und beim Erhitzen auf 60 ° C die besten Eigenschaften abbaut. Alle Versuche von Wissenschaftlern, eine Lösung für dieses Problem zu finden, waren vergeblich.

Moderne Lithium-Polymer-Batterien verwenden eine kleine Menge Gel-Elektrolyt für eine bessere Leitfähigkeit bei normalen Temperaturen. Und das Funktionsprinzip basiert auf einem der oben beschriebenen Typen. Am gebräuchlichsten ist der Lithium-Kobalt-Typ mit Polymer-Gel-Elektrolyt, der in den meisten Fällen verwendet wird.

Der Hauptunterschied zwischen Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Polymer-Batterien besteht darin, dass der mikroporöse Polymerelektrolyt durch einen herkömmlichen Separator-Separator ersetzt wird. Lithium-Polymer hat eine etwas höhere spezifische Energie und ermöglicht die Herstellung dünner Elemente, aber die Kosten sind 10-30% höher als bei Lithium-Ionen. Es gibt auch einen wesentlichen Unterschied in der Struktur des Falles. Wird für Lithium-Polymer eine dünne Folie verwendet, die es ermöglicht, Batterien so dünn zu gestalten, dass sie wie Kreditkarten aussehen, dann werden Lithium-Ionen-Batterien in einem starren Metallgehäuse gesammelt, um die Elektroden fest zu fixieren.

Abbildung 17. Das Aussehen eines Li-Polymer-Akkus für ein Mobiltelefon.

Spezifikationen des Lithium-Ionen-Akkus

Die maximale Zellkapazität ist in der Tabelle nicht enthalten, da die Lithium-Ionen-Batterietechnologie keine Produktion von Hochleistungs-Einzelzellen zulässt. Wenn eine hohe Kapazität oder Gleichstrom benötigt wird, werden die Batterien mit Jumpern parallel und in Reihe geschaltet. Der Zustand muss vom Batterieüberwachungssystem überwacht werden. Moderne Batterieschränke für USV und Solarkraftwerke auf Basis von Lithiumzellen erreichen eine Spannung von 500-700V DC bei einer Kapazität von ca. 400A/h, sowie eine Kapazität von 2000 - 3000Ah bei einer Spannung von 48 oder 96V.

Nickel-Cadmium-Batterien

Erfinder ist der schwedische Wissenschaftler Waldemar Jungner, der die Technologie zur Herstellung von Nickel vom Cadmiumtyp 1899 patentieren ließ. 1990 kam es mit Edison zu einem Patentstreit, den Jungner verlor, weil er nicht über solche Mittel wie sein Gegner verfügte. Das von Waldemar gegründete Unternehmen "Ackumulator Aktiebolaget Jungner" stand kurz vor dem Konkurs, wurde jedoch nach der Umfirmierung in "Svenska Accumulator Aktiebolaget Jungner" weiterentwickelt. Aktuell heißt das vom Entwickler gegründete Unternehmen „SAFT AB“ und produziert einige der zuverlässigsten Nickel-Cadmium-Batterien der Welt.

Nickel-Cadmium-Batterien sind sehr langlebig und zuverlässig. Es gibt gewartete und nicht gewartete Modelle mit einer Kapazität von 5 bis 1500 Ah. Sie werden in der Regel als trockengeladene Dosen ohne Elektrolyt mit einer Nennspannung von 1,2 V geliefert. Trotz der Konstruktionsähnlichkeit mit Blei-Säure haben Nickel-Cadmium-Batterien eine Reihe von wesentlichen Vorteilen in Form eines stabilen Betriebs bei Temperaturen ab –40 °C, der Fähigkeit, hohen Einschaltströmen standzuhalten, und werden auch von Modellen für schnelles optimiert entladen. Ni-Cd-Akkus sind beständig gegen Tiefentladung, Überladung und erfordern kein sofortiges Aufladen wie beim Blei-Säure-Typ. Konstruktiv sind sie aus schlagfestem Kunststoff gefertigt und vertragen mechanische Beschädigungen gut, haben keine Angst vor Vibrationen usw.

Das Funktionsprinzip von Nickel-Cadmium-Batterien

Alkalische Batterien, deren Elektroden aus Nickeloxidhydrat mit Zusätzen von Graphit, Bariumoxid und Cadmiumpulver bestehen. Der Elektrolyt ist in der Regel eine Lösung mit 20 % Kaliumgehalt und Zusatz von Lithiummonohydrat. Die Platten sind durch isolierende Separatoren getrennt, um Kurzschlüsse zu vermeiden, eine negativ geladene Platte befindet sich zwischen zwei positiv geladenen.

Während des Entladevorgangs der Nickel-Cadmium-Batterie tritt eine Wechselwirkung zwischen der Anode mit Nickeloxidhydrat und Elektrolytionen auf, wodurch Nickeloxidhydrat gebildet wird. Gleichzeitig bildet die Cadmiumkathode Cadmiumoxidhydrat, wodurch eine Potentialdifferenz von bis zu 1,45 V erzeugt wird, die Spannung im Inneren der Batterie und im externen geschlossenen Stromkreis bereitstellt.

Der Ladevorgang von Nickel-Cadmium-Batterien wird von der Oxidation der aktiven Masse der Anoden und dem Übergang von Nickeloxidhydrat zu Nickeloxidhydrat begleitet. Gleichzeitig wird die Kathode zu Cadmium reduziert.

Der Vorteil des Funktionsprinzips einer Nickel-Cadmium-Batterie besteht darin, dass sich alle Bestandteile, die während der Entlade- und Ladezyklen gebildet werden, im Elektrolyten nahezu nicht lösen und auch keine Nebenreaktionen eingehen.

Abbildung №16. Der Aufbau des Ni-Cd-Akkus.

Nickel-Cadmium-Batterietypen

Ni-Cd-Batterien werden heute am häufigsten in der Industrie verwendet, wo eine Vielzahl von Leistungsanwendungen erforderlich ist. Mehrere Hersteller bieten verschiedene Untertypen von Nickel-Cadmium-Batterien an, die in bestimmten Modi die beste Leistung bieten:

Entladezeit 1,5 - 5 Stunden oder mehr - gewartete Batterien;

Entladezeit 1,5 - 5 Stunden oder mehr - wartungsfreie Batterien;

Entladezeit 30 - 150 Minuten - gewartete Batterien;

Entladezeit 20 - 45 Minuten - gewartete Batterien;

Entladezeit 3 ​​- 25 Minuten - gewartete Batterien.

Eigenschaften von Nickel-Cadmium-Batterien

Hohe technische Eigenschaften machen diesen Batterietyp sehr attraktiv für die Lösung industrieller Probleme, wenn eine hochzuverlässige Notstromquelle mit langer Lebensdauer benötigt wird.

Nickel-Eisen-Batterien

Sie wurden erstmals 1899 von Waldemar Jungner entwickelt, als er versuchte, ein billigeres Analogon von Cadmium in Nickel-Cadmium-Batterien zu finden. Nach langen Versuchen verzichtete Jungner auf die Verwendung von Eisen, da die Ladung zu langsam erfolgte. Einige Jahre später entwickelte Thomas Edison eine Nickel-Eisen-Batterie, die die Fahrzeuge Baker Electric und Detroit Electric mit Strom versorgte.

Aufgrund der geringen Produktionskosten wurden Nickel-Eisen-Batterien im Elektroverkehr als Traktionsbatterien nachgefragt und werden auch zur Elektrifizierung von Pkw, zur Stromversorgung von Regelkreisen verwendet. Nickel-Eisen-Batterien werden in den letzten Jahren wieder verstärkt diskutiert, da sie keine giftigen Elemente wie Blei, Cadmium, Kobalt usw. enthalten. Derzeit werben einige Hersteller für erneuerbare Energiesysteme.

Das Funktionsprinzip von Nickel-Eisen-Batterien

Elektrizität wird mit Nickeloxidhydroxid als positiven Platten, Eisen als negativen Platten und flüssigem Elektrolyt in Form von Ätzkalium gespeichert. Nickelstabile Röhren oder "Taschen" enthalten Wirkstoff

Der Nickel-Eisen-Typ ist sehr zuverlässig. verträgt Tiefentladungen, häufiges Aufladen und kann sich auch in einem unterladenen Zustand befinden, was für Blei-Säure-Batterien sehr schädlich ist.

Eigenschaften von Nickel-Eisen-Batterien

Verwendete Materialien

Recherche der Boston Consulting Group

Technische Dokumentation TM Bosch, Panasonic, EverExceed, Victron Energy, Varta, Leclanché, Envia, Kokam, Samsung, Valence und andere.

Guten Tag an alle Neulinge. Heute konzentrieren wir uns auf Spannungsspeicher. Als chemische Stromquellen werden Akkumulatoren bezeichnet, bei denen durch reversible chemische Reaktionen innere Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Aufgrund der Reversibilität dieser Reaktion können Batterien geladen und entladen werden. Batterien sind zum Speichern von elektrischem Strom ausgelegt und werden in vielen Bereichen verwendet. Ohne sie ist unser Leben schwer vorstellbar, sie umgeben uns überall. sind für den wiederholten Gebrauch ausgelegt und haben eine ausreichend lange Lebensdauer. Die einfachste Batterie besteht aus zwei Elektroden aus unterschiedlichen Metallen, die in eine Elektrolytlösung (Säure) aufgenommen werden. Eine der Elektroden wird als Kathode und die andere als Anode bezeichnet.

In der Praxis werden am häufigsten Blei- und Lithiumbatterien verwendet. Eine Bleibatterie besteht aus zwei Bleiplatten, die in Schwefelsäure aufgenommen werden. Die Batterie hat unterschiedliche Spannungen, zum Beispiel ergibt ein Block (Bank) einer Bleibatterie eine Spannung von 2 Volt, ein Block einer Lithium-Ionen-Batterie - 3,7 Volt, - 1,2 Volt. Der Schöpfer der ersten Batterie gilt als Alessandro Volta (aus seinem Namen wurde der Wert des Spannungswertes gebildet - Volt). Die Volta-Säule hatte ein einfaches Design - Kupfer- und Zinkkreise und dazwischen ein Wattstück, das in eine Lösung aus Wasser und Natriumchlorid getaucht wurde. Heutzutage gibt es eine Vielzahl von Arten von Stromspeichern, eine vollständige Liste davon finden Sie am Ende des Artikels.

Batterien haben unterschiedliche Kapazitäten und Spannungen, je nach Verbrauch des Gerätes, für das sie bestimmt sind. Die Batteriespannung wird in Volt, der Strom in Ampere und die Leistung in Watt gemessen. Wenn Sie beispielsweise wissen, dass der Batteriestrom 10 Ampere / Stunde beträgt und die Spannung 6 Volt beträgt und Sie ihre Leistung kennen müssen, erhalten wir nach dem Ohmschen Gesetz 6 Volt * 10 Ampere = 60 Watt. Wenn Sie also zwei Parameter kennen, können Sie den dritten leicht herausfinden. Irgendwann ist die Batterie entladen. Wenn die chemische Energie aufgebraucht ist, fallen Spannung und Strom der Batterie ab, die Batterie funktioniert nicht mehr. Die Batterie kann von jeder DC- oder Pulsstromquelle geladen werden. Der Ladestrom wird als Standard in 1/10 der Nennkapazität des Akkus (in Ampere / Stunden) betrachtet.

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• Das Blei Akkumulatoren. In diesen Batterien ist das Reagenz Bleidioxid und Blei selbst, und der Elektrolyt ist eine Schwefelsäurelösung. Sie werden auch Bleisäure genannt. Sie sind in vier Gruppen unterteilt: stationär, Starter, tragbar (abgedichtet) und Traktion. Am weitesten verbreitet sind Starterbatterien, mit denen Verbrennungsmotoren gestartet und Geräte in einem Auto mit Energie versorgt werden. Ihr Nachteil sind niedrige spezifische Energiewerte, kein sehr guter Ladungserhalt und Wasserstoffentwicklung.
• Nickel-Cadmium Akkumulatoren. Hier sind die Reagenzien Nickelhydroxid bzw. Cadmium und der Elektrolyt ist eine Kaliumhydroxidlösung, in dieser Hinsicht werden sie auch als Alkalibatterien bezeichnet. Sie werden in lamellar, lamellar und versiegelt unterteilt. Lamellen-Nickel-Cadmium-Akkus sind recht günstig, zeichnen sich durch eine flache Entladekurve, eine lange Lebensdauer und Langlebigkeit aus. Sie werden zum Antrieb von Minen-Elektrolokomotiven, Aufzügen, Kommunikationseinrichtungen, elektronischen Geräten, stationären Geräten, zum Starten von Dieselmotoren und Flugmotoren verwendet.
• Versiegelt Batterien zeichnen sich durch eine horizontale Entladekurve, eine hohe Entladerate und die Fähigkeit zum Betrieb bei niedrigen Temperaturen aus, sind jedoch teurer und haben einen Memory-Effekt. Sie werden verwendet, um tragbare Geräte, Haushaltsgeräte und Kinderspielzeug mit Strom zu versorgen. Der große Nachteil dieser Batterien ist die Toxizität des verwendeten Cadmiums.
• Nickel-Eisen Akkumulatoren. Wir haben das obige Problem gelöst, indem wir Eisen anstelle von Cadmium verwendet haben. Batterien enthalten kein giftiges Cadmium, sind billiger, haben eine lange Lebensdauer und eine hohe Festigkeit, werden aber aufgrund der Freisetzung von Wasserstoff zu Beginn des Ladevorgangs nur in einer undichten Version hergestellt. Sie zeichnen sich durch hohe Selbstentladung, geringe Energieeffizienz aus und sind bei Temperaturen unter -10 Grad praktisch funktionsunfähig. Sie werden hauptsächlich als Bahnstromquellen in Elektrolokomotiven und Industrieaufzügen eingesetzt.
• Nickel-Metallhydrid Akkumulatoren. Das Aktivmaterial der Elektrode ist hier eine intermetallische Verbindung, die Wasserstoff adsorbiert, d.h. tatsächlich handelt es sich um eine Wasserstoffelektrode in reduzierter Form in einem absorbierten Zustand. Der Akku hat die gleiche Entladekurve wie Nickel-Cadmium-Akkus, aber die Energie und spezifische Kapazität sind 1,5-2 mal höher und enthalten kein giftiges Cadmium! Hergestellt in einer abgedichteten Ausführung in verschiedenen Formen (Zylinder, Prisma, Scheibe). Wird verwendet, um Geräte und tragbare Geräte mit Strom zu versorgen.
• Nickel-Zink Akkumulatoren. Dies sind Alkalibatterien mit einer Zinkelektrode. Ihre spezifische Energie ist 2-mal höher als die von Nickel-Cadmium. Sie zeichnen sich durch eine horizontale Entladungskurve, eine hohe Leistungsdichte und einen eher niedrigen Preis aus, ihre Ressource ist jedoch eher gering, weshalb sie nicht in den Masseneinsatz gekommen sind. Wird für tragbare Geräte verwendet.
• Silber-Zink und Silber-Cadmium Akkumulatoren. Silberoxid, Zink und Cadmium sind die aktiven Materialien in ihnen und Alkalien sind der Elektrolyt. Sie zeichnen sich durch hohe Energien und Leistungen, geringe Selbstentladung aus, sind aber dadurch teuer. Silber-Zink hat eine kleine Ressource, sie werden in Form eines Prismas oder einer Scheibe hergestellt, sie werden verwendet, um tragbare Geräte sowie militärische Ausrüstung anzutreiben.
• Nickel-Wasserstoff Akkumulatoren. In solchen Batterien fungiert eine poröse Gasdiffusionselektrode mit einem Platinkatalysator als negative Elektrode. Sie zeichnen sich durch hohe spezifische Energie und hohe Ressourcen aus, werden jedoch schnell entladen und sind teuer. Anwendung in der Raumfahrtindustrie gefunden.
• Li-Ion Akkumulatoren. Die Anode ist ein kohlenstoffhaltiges Material, in das Lithiumionen eingebettet sind. Kobalt, in das auch Lithiumionen eingebettet sind, ist meist die positive Elektrode. Der Elektrolyt ist ein Lithiumsalz in einem nichtwässrigen Lösungsmittel. Sie zeichnen sich durch hohe spezifische Energie, Ressourcen und Fähigkeit aus, bei niedrigen Temperaturen zu arbeiten. Daher hat ihre Produktion in letzter Zeit dramatisch zugenommen. Wird in Mobiltelefonen, Laptops und anderen Geräten verwendet
• Lithium-Polymer Akkumulatoren. Hier wird die negative Elektrode durch ein kohlenstoffhaltiges Material mit eingebetteten Lithiumionen repräsentiert, und die positive Elektrode wird durch Kobalt- oder Manganoxide repräsentiert. Der Elektrolyt ist eine Lösung eines Lithiumsalzes in einem nichtwässrigen Lösungsmittel, eingeschlossen in eine kleine Polymermatrix. Im Vergleich zur oben beschriebenen Batterie weist sie eine noch höhere spezifische Energie und Ressource auf und ist sicherer. Es wird in der Stromversorgung von tragbaren elektronischen Geräten verwendet.
• Wiederaufladbar Mangan-Zink-Energiequellen. Dies sind solche Stromquellen mit alkalischem Elektrolyt, die sich elektrisch aufladen können. Hohe spezifische Energie, geringe Selbstentladung, geringe Kosten. Hermetisch dichtes Design, aber sehr kleine Ressource, nur 20-50 Zyklen.

Akkumulatoren oder Akkus sind Geräte, die aus mehreren Batterien bestehen. Es kann Energie speichern, speichern und verbrauchen. Aufgrund der Reversibilität der im Inneren der Batterie ablaufenden chemischen Prozesse können solche Geräte viele Male geladen und entladen werden.

Der Anwendungsbereich von Batterien ist sehr breit. Sie kommen in Autos und verschiedenen Haushaltsgeräten zum Einsatz, zum Beispiel in Fernbedienungen und Laptops. Aber auch als Backup-Stromversorgung im medizinischen Bereich, in der Fertigung, in der Raumfahrtindustrie, in Rechenzentren.

Typen und Typen von Batterien

Heute werden etwa 30 Batterietypen hergestellt. Diese große Zahl ist auf die Möglichkeit zurückzuführen, verschiedene chemische Elemente als Elektroden und Elektrolyte zu verwenden. Vom Material der Elektrode und der Zusammensetzung des Elektrolyten hängen alle Eigenschaften der Batterie ab.

Wir werden nicht alle Typen auflisten, sondern nur eine kleine Tabelle geben, die die gängigsten beschreibt:

Gerät

1 - Negative Elektrode
2 - Trennschicht
3 - Positive Elektroden
4 - Negativer Kontakt
5 - das Sicherheitsventil
6 - Positive Elektroden
7 - Positiver Kontakt

Wiederaufladbare Batterien bestehen aus mehreren Batteriebänken, die entweder parallel oder in Reihe geschaltet sind. Eine Reihenschaltung dient zur Erhöhung der Spannung und eine Parallelschaltung zur Erhöhung des Stroms.

Jede einzelne Batterie einer Aktienbank besteht aus zwei Elektroden und einem Elektrolyten, die in einem Gehäuse aus einem speziellen Material untergebracht sind.

Eine negativ geladene Elektrode ist eine Anode, eine positiv geladene eine Kathode. Die Anode enthält ein Reduktionsmittel und die Kathode enthält ein Oxidationsmittel. Im Batteriefach befindet sich eine Trennplatte, die ein Schließen der Elektroden verhindert.

Elektrolyt- eine wässrige Lösung, in die beide Elektroden eingetaucht sind.

Wenn die Batterie entladen wird, beginnt das Anodenreduktionsmittel zu oxidieren und Elektronen werden freigesetzt. Die Elektronen treten dann in den Elektrolyten ein und wandern von dort zur Kathode, wobei ein Entladestrom erzeugt wird. Wenn Elektronen in die Kathode gelangen, reduzieren sie ihr Oxidationsmittel. In einfachen Worten kann man den Vorgang so beschreiben: Elektronen gehen von einer negativen Elektrode zu einer positiven und erzeugen einen Entladestrom.

Beim Laden des Akkus ändern die Elektroden ihre chemische Zusammensetzung und es tritt die gegenteilige Reaktion auf. Die Elektronen wandern dabei von der positiven Anode zur negativen Kathode.

Eigenschaften verschiedener Batterietypen

Blei-Säure-Batterien

Entworfen von Gaston Plante im 19. Jahrhundert. Diese wiederaufladbaren Batterien sind heute aufgrund ihrer geringen Kosten und Vielseitigkeit am relevantesten. Ihr Anwendungsbereich ist aufgrund der Vielzahl von Sorten dieser Art umfangreich. Als negativ geladene Elektroden wird hier Bleioxid verwendet. Die positiven Elektroden bestehen aus Blei. Der Elektrolyt ist Schwefelsäure.

Blei-Säure-Batterien gibt es in folgenden Varianten:

• LA- Batterien mit einer Spannung von 6 oder 12 Volt. Traditionelles Gerät zum Starten von Automotoren. Erfordert ständige Wartung und Belüftung.
• VRLA- Spannung von 2, 4, 6 oder 12 Volt. Ventil geregelte Bleibatterie. Wie der Name schon sagt, ist diese Batterie mit einem Entlastungsventil ausgestattet. Seine Rolle besteht darin, die Gasentwicklung und den Wasserverbrauch zu minimieren. Diese Batterien können in Wohngebieten installiert werden.
• Hauptversammlung VRLA- wie der Vorgängertyp ist er mit einem Ventil ausgestattet, hat aber ganz andere Eigenschaften. In Batterien mit AGM-Technologie fungiert Glasfaser als Separator. Seine Mikroporen sind mit flüssigem Elektrolyt gesättigt. Diese Batterien sind wartungsfrei und vibrationsfest.
• GEL VRLA- ein Untertyp von Blei-Säure-Batterien mit Gel-Elektrolyt. Dadurch wird ihre Lade- / Entladeressource erhöht. Wartungsfrei.
• OPzV- versiegelte Batterien zur Verwendung im Bereich der Telekommunikation und für die Notbeleuchtung. Der Elektrolyt wird, wie im vorherigen Fall, geliert. Die Elektroden enthalten Kalzium, wodurch die Lebensdauer dieses Batterietyps 20 Jahre beträgt.
• OPzS- Die Kathode solcher Batterien hat eine röhrenförmige Struktur. Dies erhöht die Zyklenlebensdauer dieses Batterietyps erheblich. Es dient auch für etwa 20 Jahre. Es wird in Form einer Batterie mit einer Spannung von 2 bis 125 V hergestellt.

Lithium-Ionen-Batterien

Es wurde erstmals 1991 von Sony veröffentlicht und wird seitdem aktiv in Haushaltsgeräten und elektronischen Geräten eingesetzt. Fast alle Mobiltelefone, Laptops, Kameras und Camcorder sind mit diesem Akkutyp ausgestattet. Die Rolle der Kathode übernimmt hier eine Lithium-Ferro-Phosphat-Platte. Die negative Anode ist Kohlekoks. Das positive Lithium-Ion trägt in diesen Batterien Ladung. Es kann in das Kristallgitter anderer Materialien eindringen und mit diesen eine chemische Bindung eingehen. Die Vorteile dieses Typs sind hoher Energieverbrauch, geringe Selbstentladung und Wartungsfreiheit.

Lithium-Ionen-Batterien sowie ihre Gegenstücke aus Blei haben eine große Anzahl von Untertypen. Dabei unterscheiden sich die Subtypen in der Zusammensetzung von Kathode und Anode. Lithium-Ionen-Akkus haben einen Spannungsbereich von 2,4 V bis 3,7 V.

Einer der bekanntesten Untertypen sind Lithium-Polymer-Akkus. Sie erschienen vor relativ kurzer Zeit und gewannen schnell an Popularität. Dies liegt daran, dass Lithium-Polymer-Batterien einen festen Polymerelektrolyten verwenden. Auf diese Weise können Sie Batterien beliebiger Form erstellen. Gleichzeitig sind die Kosten für diese Batterien nur 15 % höher als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien.