Jakie są akumulatory samochodowe. Która bateria jest lepsza do samochodu

Bateria akumulatorów to chemiczne źródło prądu elektrycznego, polegające na połączeniu (baterii) kilku oddzielnych baterii. Zastosowanie kilku elementów zamiast jednego pozwala na uzyskanie wyższego napięcia lub wyższego prądu, w zależności od sposobu połączenia - szeregowego lub równoległego.

Istnieje kilka typów baterii z różnymi materiałami elektrod i elektrolitów. Wielu słyszało i wie na przykład, że istnieją wszelkiego rodzaju akumulatory niklowo-kadmowe, niklowo-wodorkowe, litowo-jonowe, ołowiowo-kwasowe.

Ze wszystkich odmian samochodów tylko ołów jest używany jako rozrusznik. Wynika to z faktu, że akumulatory tego typu charakteryzują się maksymalnym, w porównaniu z innymi, zużyciem energii oraz możliwością dostarczenia dużego prądu w krótkim czasie. Jednocześnie trzeba pogodzić się z tym, że zarówno kwas, jak i ołów to substancje bardzo szkodliwe. Wszystkie obudowy akumulatorów kwasowo-ołowiowych są wykonane z wytrzymałego, kwasoodpornego tworzywa, aby zapewnić maksymalne bezpieczeństwo podczas transportu i eksploatacji.

Obecnie ołów jest używany jako materiał na elektrody, nie w czystej postaci, ale z różnymi dodatkami, w zależności od tego, które baterie są podzielone na kilka typów.

W zależności od dodatków do materiału elektrody akumulatory samochodowe dzielimy na:

• Tradycyjny („antymon”)
• Niski antymon
• Wapń
• Hybrydowy
• Żel, AGM
  A dodatkowo:
• Alkaliczny
• Litowo-jonowy

Tradycyjny („antymon”)

Baterie tego typu zawierają ≥5% antymonu w płytach ołowianych. Często nazywane są również klasycznymi, tradycyjnymi. Ale ta nazwa nie jest już aktualna, ponieważ baterie o niższej zawartości antymonu stały się już klasyczne.

Dodaje się antymon w celu zwiększenia wytrzymałości płytek. Ale dzięki temu dodatkowi proces elektrolizy jest przyspieszony, który zaczyna się już przy 12 woltach. Wydzielane gazy (tlen i wodór) powodują, że woda wydaje się wrzeć. Ze względu na to, że woda ucieka w dużych ilościach na zewnątrz, zmienia się stężenie elektrolitu i odsłonięte zostają górne krawędzie elektrod. Aby zrekompensować „przegotowaną” wodę, do baterii wlewa się wodę destylowaną.

Baterie o dużej zawartości antymonu ułatwiają ich konserwację. Wynika to z faktu, że konieczne jest dość często, przynajmniej raz w miesiącu, sprawdzanie gęstości elektrolitu i napełnianie wodą.

Teraz baterie tego typu nie są już instalowane w samochodach, ponieważ postęp już dawno zaszedł. Baterie „antymonowe” mogą być instalowane w instalacjach stacjonarnych, gdzie bezpretensjonalność źródeł zasilania jest ważniejsza i nie ma szczególnych problemów z ich konserwacją. Wszystkie akumulatory samochodowe są produkowane z niewielką ilością lub bez antymonu.

Niski antymon

Aby zmniejszyć intensywność „wygotowania” wody w bateriach zastosowano płytki o obniżonej zawartości antymonu (poniżej 5%). Eliminuje to potrzebę częstego sprawdzania poziomu elektrolitu. Zmniejszył się również poziom samorozładowania akumulatora podczas przechowywania.

Takie akumulatory są najczęściej nazywane niskokonserwacyjnymi lub całkowicie bezobsługowymi, co oznacza, że \u200b\u200bte akumulatory nie wymagają monitorowania i konserwacji. Chociaż określenie „bezobsługowy” jest bardziej marketingowe niż rzeczywiste, ponieważ nie było możliwe całkowite pozbycie się utraty wody z elektrolitu. Woda nadal trochę „gotuje się”, choć w znacznie mniejszych ilościach niż w przypadku konwencjonalnych akumulatorów serwisowanych. Ogromną zaletą akumulatora o niskiej zawartości antymonu jest jego niewymagająca jakość wyposażenia elektrycznego samochodu. Nawet przy spadkach napięcia w sieci pokładowej charakterystyka tego akumulatora nie zmienia się tak nieodwracalnie, jak to ma miejsce w przypadku bardziej nowoczesnych akumulatorów, na przykład akumulatorów wapniowych lub żelowych.

Akumulatory o niskiej zawartości antymonu są bardziej odpowiednie dla samochodów osobowych produkcji rosyjskiej, ponieważ samochody krajowe nie mogą jeszcze pochwalić się zapewnieniem stabilności napięcia sieci pokładowej. Ponadto baterie o niskiej zawartości antymonu wyróżniają się minimalnym kosztem w porównaniu z innymi.

Wapń

Innym rozwiązaniem mającym na celu zmniejszenie intensywności „wygotowania” wody w baterii było zastosowanie innego materiału zamiast antymonu w siatkach elektrod. Stwierdzono, że najbardziej odpowiedni jest wapń. Baterie tego typu są często oznaczone jako „Ca / Ca”, co oznacza, że \u200b\u200bpłytki obu biegunów zawierają wapń. Czasami do składu płyt dodaje się również srebro w małych ilościach, co zmniejsza wewnętrzną rezystancję baterii. Ma to pozytywny wpływ na zużycie energii i wydajność baterii.

Zastosowanie wapnia pozwoliło znacznie zmniejszyć intensywność wydzielania się gazu i utraty wody w porównaniu z akumulatorami o niskiej zawartości antymonu. W rzeczywistości utrata wody przez cały okres eksploatacji akumulatora była tak niska, że \u200b\u200bnie było potrzeby sprawdzania gęstości elektrolitu i poziomu wody w puszkach. W związku z tym akumulatory wapnia mają prawo nazywać się bezobsługowymi.

Oprócz niskiego współczynnika „wygotowania” wody, akumulatory wapniowe mają również zmniejszony poziom samorozładowania o prawie 70% w porównaniu z akumulatorami o niskiej zawartości antymonu. Dzięki temu akumulatory wapniowe zachowują swoje właściwości eksploatacyjne przez dłuższy czas.

Dlatego zastosowanie wapnia zamiast antymonu umożliwiło zwiększenie napięcia początku elektrolizy wody z poprzednich 12 do 16 woltów, a przeładowanie nie było takie złe.

Jednak akumulatory wapniowe mają nie tylko zalety, ale także wady.

Jedną z głównych wad akumulatorów tego typu jest kapryśność w stosunku do nadmiernego rozładowania. Wystarczy 3-4-krotne nadmierne rozładowanie, gdyż poziom zużycia energii zostaje nieodwracalnie obniżony, tj. ilość prądu, który akumulator jest w stanie zgromadzić, gwałtownie spada W takich przypadkach bateria jest zwykle po prostu wymieniana.

Akumulatory wapniowe są wrażliwe na napięcie w sieci pokładowej pojazdu, bardzo słabo znosząc nagłe zmiany. Przed zakupem akumulatora tego typu należy upewnić się, że napięcie pojazdu jest stabilne.

Kolejną wadą jest wyższa cena baterii wapniowych. Ale to już nie wada, ale wymuszona cena za jakość.

Najczęściej akumulatory wapniowe są instalowane w samochodach zagranicznych ze średniego przedziału cenowego i powyżej, tj. dla tych samochodów, w których gwarantowana jest jakość i stabilność wyposażenia elektrycznego. Kupując akumulator tego typu należy pamiętać, że akumulator jest bardziej wymagający w eksploatacji niż akumulator o niskiej zawartości antymonu, ale przy należytej staranności otrzymujesz wysokiej jakości i niezawodne źródło zasilania dla swojego samochodu.

Hybrydowy

Często określane jako „Ca +”. W bateriach hybrydowych płytki elektrod są wykonane przy użyciu różnych technologii: dodatnia - niski antymon, ujemna - wapń. Pozwala to połączyć pozytywne cechy obu typów baterii. Zużycie wody w bateriach hybrydowych jest o połowę mniejsze niż w przypadku baterii o niskiej zawartości antymonu, ale nadal jest większe niż w przypadku baterii wapniowych. Ale wyższa odporność na nadmierne rozładowania i przeładowania.

Charakterystyka baterii hybrydowych zawiera się pomiędzy niskim antymonem a wapniem.

Żel, AGM

W ciągu ponad stu pięćdziesięciu lat historii akumulatorów inżynierowie musieli rozwiązać wiele problemów i zadań. Jednym z najważniejszych problemów było zrzucanie substancji czynnej z powierzchni płytek elektrod. Ten problem został tymczasowo rozwiązany poprzez dodanie różnych dodatków do kompozycji tlenku ołowiu - antymonu, wapnia itp. Kolejnym bardzo ważnym zadaniem było zapewnienie bezpiecznej pracy akumulatorów, ponieważ elektrolit - wodny roztwór kwasu siarkowego - mógłby łatwo wyciekać, jeśli obudowa akumulatora została uszkodzona. Nie trzeba dodawać, jak żrącą substancją chemiczną jest kwas siarkowy. Należało znaleźć sposób, aby temu zapobiec, zminimalizować możliwość wycieku elektrolitu w przypadku uszkodzenia obudowy baterii.

Problem ten rozwiązano, przekształcając elektrolit ze stanu ciekłego w żel. Dlatego żel jest dużo gęstszy i mniej płynny niż ciecz, co rozwiązało oba problemy naraz - substancja czynna nie kruszyła się (wiązało się z gęstym otoczeniem), a elektrolit nie wyciekał (żel ma małą płynność).

Zarówno w akumulatorach żelowych, jak i AGM elektrolit jest w stanie żelowym. Różnica polega na tym, że w akumulatorach AGM dodatkowo między płytkami elektrod znajduje się specjalny porowaty materiał, który dodatkowo zatrzymuje elektrolit i chroni elektrody przed wysypaniem. Sam skrót „AGM” oznacza Absorbent Glass Mat (chłonny materiał szklany). Dlatego Akumulatory żelowe i AGM mają prawie takie same właściwości, dalej pod nazwą żelową mamy na myśli akumulatory AGM. W przypadku jakichkolwiek różnic zostanie to zaznaczone osobno.

Dzięki temu, że żel w akumulatorach jest faktycznie w stanie stałym, akumulatory te nie boją się przechyłu. Producenci piszą nawet, że akumulator można używać w dowolnej pozycji. Chociaż jest to tylko oświadczenie marketingowe, ponieważ nadal nie powinieneś trzymać baterii żelowych do góry nogami.

Doskonała odporność na wibracje to nie jedyna pozytywna cecha akumulatorów żelowych. Akumulatory tego typu charakteryzują się niskim współczynnikiem samorozładowania, dzięki czemu można je przechowywać przez długi czas bez krytycznego spadku naładowania. Przechowywać w stanie naładowanym.

Akumulatory żelowe mogą dostarczać ten sam wysoki prąd aż do całkowitego rozładowania. Jednocześnie nie boją się nadmiernego rozładowania, całkowicie przywracając swoją nominalną pojemność po naładowaniu.

Jeśli podczas rozładowywania akumulatory żelowe są mniej kapryśne niż klasyczne, to sytuacja z ładowaniem akumulatorów jest zupełnie inna. Przyspieszone ładowanie jest niedopuszczalne - proces ładowania akumulatorów żelowych powinien odbywać się przy znacznie mniejszym prądzie. W tym celu stosuje się nawet specjalne ładowarki, odpowiednie do ładowania tylko akumulatorów żelowych. Chociaż na rynku są też uniwersalne ładowarki, które według zapewnień producentów są w stanie ładować wszystkie typy akumulatorów. Na ile to odpowiada rzeczywistości - trzeba uważnie przyjrzeć się, zwracając uwagę na reputację i gwarancję producenta.

Niestety akumulatory żelowe nie radzą sobie dobrze w bardzo niskich temperaturach niż akumulatory klasyczne. Dzieje się tak, ponieważ żel staje się mniej przewodzący wraz ze spadkiem temperatury. W sprzyjających warunkach eksploatacji akumulatory żelowe mogą wytrzymać nawet 10 lat.

Ze względu na ich absolutną szczelność, względną odporność na wibracje oraz faktyczne (i nie tylko marketingowe) bezobsługowe akumulatory żelowe są szeroko stosowane tam, gdzie używanie klasycznych akumulatorów jest niebezpieczne lub nieopłacalne: w pomieszczeniach (np. samochód, przejażdżki, okresowo odchylające się od płaszczyzny pionowej), w transporcie morskim i rzecznym (te baterie nie boją się kołysania charakterystycznego dla statków). Oczywiście akumulatory żelowe są również używane w samochodach. Najczęściej - w prestiżowych samochodach zagranicznych, ze względu na dość wysoką cenę tych akumulatorów (opłata za jakość i niezawodność).

Alkaliczny

Jak wiadomo, jako elektrolit w akumulatorach można stosować nie tylko kwas, ale także zasady. Istnieje wiele odmian baterii alkalicznych, ale rozważymy tylko te, które znalazły zastosowanie w samochodach.

Alkaliczne akumulatory samochodowe są dwojakiego rodzaju: niklowo-kadmowe i niklowo-żelazne. W akumulatorze niklowo-kadmowym płyty dodatnie są pokryte wodorotlenkiem niklu NiO (OH) (znanym również jako wodorotlenek niklu III lub metawodorotlenek niklu), a płyty ujemne są pokryte mieszaniną kadmu i żelaza. W akumulatorze niklowo-żelaznym, dodatnie płytki są pokryte tym samym składem, co w akumulatorze niklowo-kadmowym - wodorotlenkiem niklu. Jedyną różnicą jest elektroda ujemna - w akumulatorze niklowo-żelaznym jest wykonana z czystego żelaza. Elektrolitem w obu typach akumulatorów jest żrący roztwór potasu KOH.

Płytki-elektrody w bateriach alkalicznych pakowane są w „koperty” z najcieńszej perforowanej blachy metalowej. Substancja czynna jest wciskana w te same koperty. To znacznie poprawia odporność baterii na wibracje.

Baterie alkaliczne mają ciekawą cechę: w bateriach niklowo-kadmowych jest o jedną płytkę dodatnią więcej niż ujemną i są one umieszczone wzdłuż krawędzi, łącząc się z obudową. W akumulatorach niklowo-żelazowych jest odwrotnie - płyt ujemnych jest więcej niż dodatnich.

Inną cechą baterii alkalicznych jest to, że elektrolit nie jest zużywany podczas reakcji chemicznych. Z tego powodu wymagana jest mniejsza niż w kwaśnych, gdzie konieczne jest uzupełnienie elektrolitu z rezerwą na skutek „wygotowania”.

Baterie alkaliczne mają wiele zalet w porównaniu z kwasowymi:

• Dobra tolerancja na nadmierne rozładowanie. W takim przypadku akumulator można przechowywać w stanie rozładowanym bez utraty jego właściwości, czego nie można powiedzieć o akumulatorach kwasowych.
• Baterie alkaliczne stosunkowo łatwo znoszą przeładowanie. Jednocześnie uważa się, że lepiej je doładować niż niedoładować.
• Baterie alkaliczne działają znacznie lepiej w środowiskach o niskiej temperaturze. Dzięki temu możliwe jest prawie niezawodne uruchamianie silników zimą.
• Samorozładowanie baterii alkalicznych jest niższe niż klasycznych baterii kwasowych.
• Z baterii alkalicznych nie wydzielają się żadne szkodliwe opary, czego nie można powiedzieć o bateriach kwasowych.
• Baterie alkaliczne mogą magazynować więcej energii na jednostkę masy. Dzięki temu możliwe jest dłuższe dostarczanie prądu elektrycznego (w trybie trakcyjnym).

Jednak baterie alkaliczne mają również wady w porównaniu z kwasowymi:

• Baterie alkaliczne wytwarzają mniejsze napięcie niż kwasowe, co oznacza, że \u200b\u200btrzeba połączyć więcej „puszek”, aby uzyskać żądane napięcie. Z tego powodu przy tym samym napięciu wymiary baterii alkalicznej będą większe.
• Baterie alkaliczne są znacznie droższe niż kwasowe.

Baterie alkaliczne są obecnie częściej używane jako baterie trakcyjne niż baterie rozruchowe. Ze względu na rozmiar większość dostępnych alkalicznych akumulatorów rozruchowych jest przeznaczona do samochodów ciężarowych.

Perspektywa powszechnego stosowania baterii alkalicznych w samochodach osobowych jest wciąż niewyraźna.

Litowo-jonowy

Akumulatory litowo-jonowe (i ich podtypy) są uważane za najbardziej obiecujące jako dodatkowe źródło prądu elektrycznego.

W tego typu pierwiastkach chemicznych nośnikami prądu elektrycznego są jony litu. Niestety nie można jednoznacznie opisać materiałów elektrod, ponieważ technologia ciągle się zmienia, ulepsza. Można tylko powiedzieć, że początkowo metalowy lit był używany jako elektrody ujemne, ale takie baterie okazały się wybuchowe. Później używano grafitu. Tlenki litu z dodatkiem kobaltu lub manganu były wcześniej używane jako materiał na elektrody dodatnie. Jednak obecnie są one coraz częściej zastępowane żelazofosforanem litu. nowy materiał okazał się mniej toksyczny, tańszy i bardziej przyjazny dla środowiska (można go bezpiecznie utylizować).

Najważniejsze zalety akumulatorów litowo-jonowych to:

• Wysoka pojemność właściwa (pojemność na jednostkę masy).
• Napięcie wyjściowe jest wyższe niż w przypadku „konwencjonalnych” - jedna bateria jest w stanie dostarczyć około 4 woltów. Przypomnijmy, że napięcie klasycznego elementu baterii wynosi 2 wolty.
• Niskie samorozładowanie.

Jednak wszystkie dostępne zalety przeważają nad wadami, przez co niemożliwe jest stosowanie akumulatorów litowo-jonowych w dużych ilościach jako zamiennik klasycznych akumulatorów kwasowo-ołowiowych.

Niektóre wady akumulatorów litowo-jonowych:

• Wrażliwość na temperaturę powietrza. W ujemnych temperaturach zdolność do przekazywania energii bardzo gwałtownie spada. Jest to jeden z głównych problemów, które programiści z trudem rozwiązują.
• Liczba wyładowań ładunkowych jest wciąż zbyt mała (średnio około 500).
• Akumulatory litowo-jonowe starzeją się. Podczas przechowywania następuje stopniowy spadek pojemności. W ciągu 2 lat - około 20% pojemności. Proszę nie mylić z samorozładowaniem lub efektem pamięci. Ale dobrze, że nadal trwają prace nad rozwiązaniem tego problemu.
• Akumulatory litowo-jonowe są niezwykle wrażliwe na głębokie rozładowania.
• Niewystarczająca moc do użycia jako akumulator rozruchowy. Prąd generowany przez ogniwo litowo-jonowe jest wystarczający do zasilania urządzeń elektronicznych, ale nie wystarczający do uruchomienia silnika.

Gdy inżynierom uda się rozwiązać te niedociągnięcia, akumulatory litowo-jonowe będą doskonałym zamiennikiem klasycznego akumulatora kwasowego.

Trwają ciągłe prace nad ulepszeniem istniejących typów akumulatorów. Ośrodki badawcze poszukują sposobów na zwiększenie energochłonności zasilaczy, co zmniejszy rozmiar baterii. W regionach północnych bardzo przydatny będzie wynalazek mrozoodpornej baterii (a wtedy nie byłoby problemu z awarią elektrowni podczas silnych mrozów).

Bardzo ważne jest, aby pracować w kierunku zapewnienia przyjazności dla środowiska, ponieważ Obecne technologie produkcji akumulatorów nie mogą obejść się bez stosowania trujących i po prostu niebezpiecznych substancji (na przykład ołowiu lub kwasu siarkowego).

Tradycyjne akumulatory kwasowo-ołowiowe nie mają przyszłości. Akumulatory AGM to pośredni etap ewolucji. Akumulator przyszłości nie będzie miał w swoim składzie płynu (dzięki czemu nic nie wyleje się po uszkodzeniu), będzie miał dowolny kształt (tak aby można było wykorzystać wszystkie możliwe puste przestrzenie w samochodzie), a także wiele innych parametrów, które pozwolą właścicielom auta cieszyć się jazdą, a nie denerwować się fakt, że bateria może ulec awarii w najbardziej nieodpowiednim momencie.

Akumulator to źródło prądu stałego przeznaczone do magazynowania i magazynowania energii. Zdecydowana większość typów akumulatorów opiera się na cyklicznej konwersji energii chemicznej na energię elektryczną, co pozwala na wielokrotne ładowanie i rozładowywanie akumulatora.

W 1800 roku Alessandro Volta dokonał zaskakującego odkrycia, kiedy zanurzył dwie metalowe płytki - miedź i cynk - w słoiku wypełnionym kwasem, po czym udowodnił, że prąd elektryczny przepływa przez łączący je drut. Ponad 200 lat później nowoczesne akumulatory są nadal produkowane w oparciu o odkrycie Volty.

Rodzaje akumulatorów

Od wynalezienia pierwszej baterii minęło nie więcej niż 140 lat, a dziś trudno sobie wyobrazić współczesny świat bez zapasowych zasilaczy opartych na bateriach. Baterie są używane we wszystkim, od najbardziej nieszkodliwych urządzeń gospodarstwa domowego: panele sterowania, przenośne radia, latarki, laptopy, telefony, po systemy bezpieczeństwa dla instytucji finansowych, zapasowe zasilacze centrów danych, przemysł kosmiczny, energetyka jądrowa, komunikacja itp. itp.

Kraje rozwijające się potrzebują energii elektrycznej tak samo, jak człowiek potrzebuje do życia tlenu. Dlatego projektanci i inżynierowie codziennie pracują nad optymalizacją istniejących typów akumulatorów i okresowo opracowują nowe typy i podgatunki.

Główne typy akumulatorów przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Klasyfikacja akumulatorów.

Na podstawie danych podanych w Tabeli 1 możemy stwierdzić, że istnieje wiele typów akumulatorów różniących się charakterystyką, zoptymalizowanych do użytku w różnych warunkach io różnej intensywności. Stosując nowe technologie i komponenty do produkcji, naukowcom udaje się osiągnąć niezbędne właściwości dla określonej dziedziny zastosowań, na przykład opracowano akumulatory niklowo-wodorowe dla satelitów kosmicznych, stacji kosmicznych i innego sprzętu kosmicznego. Oczywiście nie wszystkie typy są pokazane w tabeli, ale tylko te główne, które są szeroko rozpowszechnione.

Nowoczesne systemy zasilania awaryjnego i autonomicznego dla segmentu przemysłowego i domowego oparte są na odmianach akumulatorów kwasowo-ołowiowych, niklowo-kadmowych (rzadziej stosowany jest typ żelazowo-niklowy) oraz litowo-jonowych, gdyż te chemiczne źródła zasilania są bezpieczne i mają akceptowalne parametry techniczne i koszt.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe

Ten typ jest najbardziej poszukiwany we współczesnym świecie ze względu na jego uniwersalne cechy i niski koszt. Ze względu na dużą liczbę odmian, akumulatory kwasowo-ołowiowe znajdują zastosowanie w dziedzinie systemów zasilania awaryjnego, autonomicznych systemów zasilania, elektrowni słonecznych, UPS, różnego rodzaju transportu, komunikacji, systemów bezpieczeństwa, różnego rodzaju urządzeń przenośnych, zabawek itp.

Zasada działania akumulatorów kwasowo-ołowiowych

Podstawą działania zasilaczy chemicznych jest wzajemne oddziaływanie metali i cieczy - odwracalna reakcja, która występuje, gdy styki dodatniej i ujemnej płyty są zamknięte. Akumulatory kwasowo-ołowiowe, jak sama nazwa wskazuje, składają się z ołowiu i kwasu, przy czym dodatnio naładowane płyty to ołów, a ujemnie naładowane płyty to tlenek ołowiu. Jeśli podłączysz żarówkę do dwóch płytek, obwód zamknie się i nastąpi prąd elektryczny (ruch elektronów), a wewnątrz elementu zachodzi reakcja chemiczna. W szczególności skorodowane są płyty akumulatora, a ołów jest pokryty siarczanem ołowiu. Tak więc podczas rozładowywania akumulatora na wszystkich płytach będą się tworzyć osady siarczanu ołowiu. Gdy akumulator jest całkowicie rozładowany, jego płytki są pokryte tym samym metalem - siarczanem ołowiu i mają prawie taki sam ładunek w stosunku do cieczy, odpowiednio napięcie akumulatora będzie bardzo niskie.

Jeżeli ładowarka jest podłączona do odpowiednich zacisków i włączona, prąd będzie płynął w kwasie w przeciwnym kierunku. Prąd wywoła reakcję chemiczną, cząsteczki kwasu rozszczepią się iw wyniku tej reakcji siarczan ołowiu zostanie usunięty z dodatniej i ujemnej plasteliny akumulatora. Na końcowym etapie procesu ładowania płytki będą miały swój pierwotny wygląd: ołów i tlenek ołowiu, co pozwoli im na ponowne uzyskanie innego naładowania, czyli w pełni naładowany akumulator.

Jednak w praktyce wszystko wygląda trochę inaczej i płytki elektrod nie są do końca wyczyszczone, dlatego baterie mają pewien zasób, po osiągnięciu którego pojemność spada do 80-70% oryginału.

Rysunek nr 3. Schemat elektrochemiczny akumulatora kwasowo-ołowiowego (VRLA).

Typy akumulatorów kwasowo-ołowiowych

Ołów - kwasobsługiwany przez 6 akumulatorów 12V. Klasyczne akumulatory rozruchowe do silników spalinowych i nie tylko. Potrzebują regularnej konserwacji i wentylacji. Z zastrzeżeniem wysokiego samorozładowania.

Ołów regulowany zaworem - kwas (VRLA)bezobsługowe - akumulatory 2, 4, 6 i 12V. Niedrogie akumulatory w szczelnej obudowie, które mogą być używane w obszarach mieszkalnych, nie wymagają dodatkowej wentylacji i konserwacji. Zalecane do użytku w trybie bufora.

Absorpcyjna mata szklana regulowana zaworem ołowiu - kwas (AGM VRLA)bezobsługowe - akumulatory 4, 6 i 12V. Nowoczesne akumulatory kwasowo-ołowiowe z zaabsorbowanym elektrolitem (nie cieczą) i separatorami z włókna szklanego znacznie lepiej utrzymują płyty ołowiowe bez ich rozpadu. Takie rozwiązanie znacznie skróciło czas ładowania akumulatorów AGM, gdyż prąd ładowania może sięgać 20-25, rzadziej 30% pojemności nominalnej.

Akumulatory AGM VRLA posiadają wiele modyfikacji o zoptymalizowanej charakterystyce dla cyklicznych i buforowych trybów pracy: Głębokie - do częstych głębokich rozładowań, czołowe - dla dogodnej lokalizacji w szafach telekomunikacyjnych, Standard - do ogólnego zastosowania, High Rate - zapewniają lepsze charakterystyki rozładowania do 30% oraz nadaje się do potężnych zasilaczy bezprzerwowych, Modułowy - umożliwia tworzenie wydajnych szaf bateryjnych itp.



Rysunek №4.

Ołów regulowany zaworem żelowym - kwas (GEL VRLA)bezobsługowe - akumulatory 2, 4, 6 i 12V. Jedna z najnowszych modyfikacji typu akumulatora kwasowo-ołowiowego. Technologia oparta jest na zastosowaniu elektrolitu żelowego, który zapewnia maksymalny kontakt z płytami ujemnymi i dodatnimi elementów oraz zachowuje jednolitą konsystencję w całej objętości. Akumulator tego typu wymaga „odpowiedniej” ładowarki, która zapewni wymagany poziom prądu i napięcia, tylko w tym przypadku można uzyskać wszystkie zalety w stosunku do typu AGM VRLA.

Zasilacze chemiczne GEL VRLA, takie jak AGM, mają wiele podtypów, które najlepiej nadają się do określonych warunków pracy. Najpopularniejsze to seria Solar - stosowana do systemów energii słonecznej, Marine - do transportu morskiego i rzecznego, Deep Cycle - do częstych głębokich zrzutów, front-terminal - montowana w specjalnych skrzyniach do systemów telekomunikacyjnych, GOLF - do wózków golfowych, a także do szorowarki, Micro - małe baterie do częstego użytku w aplikacjach mobilnych, Modułowe - specjalne rozwiązanie do tworzenia potężnych baterii akumulatorów do magazynowania energii itp.



Rysunek nr 5.

OPzVbezobsługowe - akumulatory 2V. Specjalne ogniwa kwasowo-ołowiowe typu OPZV produkowane są z rurowych płyt anodowych i elektrolitu żelowego z kwasem siarkowym. Anoda i katoda ogniw zawierają dodatkowy metal - wapń, dzięki czemu zwiększa się odporność elektrod na korozję i wydłuża się żywotność. Płyty ujemne są posmarowane masłem, technologia ta zapewnia lepszy kontakt z elektrolitem.

Akumulatory OPzV są odporne na głębokie wyładowania i mają długą żywotność do 22 lat. Z reguły do \u200b\u200bprodukcji takich akumulatorów używa się tylko najlepszych materiałów, aby zapewnić wysoką wydajność w trybie cyklicznym.

Stosowanie akumulatorów OPzV jest pożądane w instalacjach telekomunikacyjnych, systemach oświetlenia awaryjnego, zasilaczach bezprzerwowych, systemach nawigacji, domowych i przemysłowych systemach magazynowania energii oraz wytwarzaniu energii słonecznej.


Ryc.6. Struktura baterii OPzV EverExceed.

OPzStani w utrzymaniu - akumulatory 2, 6, 12V. Stacjonarne zalewane akumulatory kwasowo-ołowiowe OPzS są produkowane z rurowymi płytami anodowymi z dodatkiem antymonu. Katoda zawiera również niewielką ilość antymonu i jest typu kratki rozpraszającej. Anoda i katoda są oddzielone mikroporowatymi separatorami, które zapobiegają zwarciom. Obudowa baterii wykonana jest ze specjalnego, odpornego na wstrząsy przezroczystego tworzywa sztucznego, odpornego na atak chemiczny i ogień, a wentylowane zawory są ognioodporne i zapewniają ochronę przed ewentualnym wnikaniem płomieni i iskier.

Przezroczyste ścianki pozwalają wygodnie kontrolować poziom elektrolitu za pomocą oznaczeń minimalnych i maksymalnych wartości. Specjalna konstrukcja zaworów umożliwia bez ich demontażu dolewanie wody destylowanej i pomiar gęstości elektrolitu. W zależności od obciążenia woda jest uzupełniana co rok do dwóch lat.

Akumulatory OPzS mają najwyższą wydajność spośród wszystkich innych akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Żywotność może sięgać 20 - 25 lat i zapewnia zasoby do 1800 głębokich 80% cykli rozładowania.

Stosowanie takich akumulatorów jest konieczne w systemach o średnim i głębokim rozładowaniu, m.in. gdzie obserwuje się średnie prądy rozruchowe.



Rysunek nr 7.

Charakterystyka akumulatorów kwasowo-ołowiowych

Analizując dane przedstawione w tabeli 2, możemy dojść do wniosku, że akumulatory kwasowo-ołowiowe posiadają szeroki wybór modeli, które są odpowiednie dla różnych trybów pracy i warunków pracy.

Tabela 2. Charakterystyka porównawcza typów akumulatorów kwasowo-ołowiowych.

Do analizy wykorzystaliśmy uśrednione dane od ponad 10 producentów akumulatorów, których produkty od dłuższego czasu są obecne na rynku ukraińskim i są z powodzeniem stosowane w wielu obszarach (EverExceed, BB Battery, CSB, Leoch, Ventura, Challenger, C&D Techologies, Victron Energy, SunLight , Troian i inni).

Baterie litowo-jonowe (litowe)

Historia przejścia pochodzenia sięga 1912 roku, kiedy Gilbert Newton Lewis pracował nad obliczaniem aktywności jonów silnych elektrolitów i prowadził badania potencjałów elektrod wielu pierwiastków, w tym litu. Od 1973 r. Wznowiono prace, w wyniku których pojawiły się pierwsze baterie litowe, które zapewniały tylko jeden cykl rozładowania. Próby stworzenia baterii litowej były utrudnione przez działanie właściwości litu, które przy niewłaściwym rozładowaniu lub ładowaniu powodowało gwałtowną reakcję z wydzielaniem wysokich temperatur, a nawet płomienia. Sony wypuściło pierwsze telefony komórkowe z podobnymi bateriami, ale zostało zmuszone do wycofania produktów z powrotem po kilku nieprzyjemnych incydentach. Rozwój nie zatrzymał się iw 1992 roku pojawiły się pierwsze „bezpieczne” baterie na bazie jonów litu.

Akumulatory litowo-jonowe mają dużą gęstość energii, dzięki czemu przy niewielkich rozmiarach i niewielkiej wadze zapewniają 2-4 razy większą pojemność niż akumulatory kwasowo-ołowiowe. Niewątpliwie ogromną zaletą akumulatorów litowo-jonowych jest duża prędkość pełnego naładowania 100% w ciągu 1-2 godzin.

Akumulatory litowo-jonowe są szeroko stosowane w nowoczesnej technologii elektronicznej, przemyśle motoryzacyjnym, systemach magazynowania energii, wytwarzaniu energii słonecznej. Są bardzo poszukiwane w zaawansowanych technologicznie urządzeniach multimedialnych i komunikacyjnych: telefonach, tabletach, laptopach, radiostacjach itp. Trudno sobie wyobrazić współczesny świat bez zasilaczy litowo-jonowych.

Jak działają baterie litowe (litowo-jonowe)

Zasada działania polega na wykorzystaniu jonów litu, które są związane cząsteczkami dodatkowych metali. Zwykle oprócz litu stosuje się tlenek kobaltu litu i grafit. Kiedy bateria litowo-jonowa jest rozładowywana, jony podczas ładowania przemieszczają się z elektrody ujemnej (katody) na dodatnią (anodę) i odwrotnie. Obwód baterii zakłada obecność separatora między dwiema częściami ogniwa, jest to konieczne, aby zapobiec spontanicznemu ruchowi jonów litu. Gdy obwód akumulatora jest zamknięty i następuje proces ładowania lub rozładowywania, jony pokonują separator i dążą do przeciwnie naładowanej elektrody.

Rysunek №8. Schemat elektrochemiczny baterii litowo-jonowej.

Ze względu na wysoką wydajność akumulatory litowo-jonowe rozwinęły się szybko i wiele podgatunków, na przykład akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4). Poniżej znajduje się graficzny schemat działania tego podtypu.

Rysunek nr 9. Schemat elektrochemiczny procesu rozładowania i rozładowania baterii LiFePO4.

Typy akumulatorów litowo-jonowych

Nowoczesne akumulatory litowo-jonowe mają wiele podtypów, z których główna różnica polega na składzie katody (elektroda naładowana ujemnie). Można również zmienić skład anody, aby całkowicie zastąpić grafit lub użyć grafitu z dodatkiem innych materiałów.

Różne typy akumulatorów litowo-jonowych można rozpoznać po ich chemicznej degradacji. Dla zwykłego użytkownika może to być dość trudne, dlatego każdy typ zostanie opisany tak szczegółowo, jak to możliwe, w tym jego pełna nazwa, definicja chemiczna, skrót i krótkie oznaczenie. Dla ułatwienia opisu zostanie użyty skrócony tytuł.

Tlenek kobaltu litu (LiCoO2) - Ma wysoką energię właściwą, dzięki czemu bateria litowo-kobaltowa jest popularna w kompaktowych urządzeniach high-tech. Katoda baterii jest wykonana z tlenku kobaltu, a anoda z grafitu. Katoda ma strukturę warstwową, a podczas wyładowania jony litu przemieszczają się z anody do katody. Wady tego typu to stosunkowo krótka żywotność, niska stabilność termiczna i ograniczona moc ogniw.

Akumulatory litowo-kobaltowe nie mogą być rozładowywane ani ładowane prądem przekraczającym pojemność znamionową, więc akumulator 2,4Ah może pracować z prądem 2,4A. Jeśli do ładowania zostanie zastosowany duży prąd, spowoduje to przegrzanie. Optymalny prąd ładowania to 0,8C, w tym przypadku 1,92A. Każda bateria litowo-kobaltowa jest wyposażona w obwód ochronny, który ogranicza szybkość ładowania i rozładowania oraz ogranicza prąd do 1C.

Wykres (rys. 10) przedstawia główne właściwości akumulatorów litowo-kobaltowych pod względem energii lub mocy właściwej, mocy właściwej lub zdolności do zapewnienia wysokiego prądu, bezpieczeństwa lub szansy zapłonu pod dużym obciążeniem, temperatury otoczenia, żywotności i żywotności, kosztów ...



Rysunek nr 10.

Tlenek litowo-manganowy (LiMn2O4, LMO) - Pierwsze informacje o zastosowaniu litu ze spinelami manganu zostały opublikowane w raportach naukowych w 1983 roku. Moli Energy w 1996 roku wypuściło pierwsze partie baterii opartych na tlenku litowo-manganowym jako materiale katodowym. Ta architektura tworzy trójwymiarowe struktury spinelowe, które poprawiają przepływ jonów do elektrody, zmniejszając w ten sposób opór wewnętrzny i zwiększając możliwe prądy ładowania. Zaletą spinelu jest również stabilność termiczna i zwiększone bezpieczeństwo, ale żywotność cykliczna i żywotność są ograniczone.

Niska rezystancja zapewnia możliwość szybkiego ładowania i rozładowywania baterii litowo-manganowej dużym prądem do 30A i krótkotrwałym do 50A. Nadaje się do elektronarzędzi, sprzętu medycznego oraz pojazdów hybrydowych i elektrycznych.

Potencjał akumulatorów litowo-manganowych jest o około 30% niższy niż akumulatorów litowo-kobaltowych, ale technologia ta ma o około 50% lepsze właściwości niż akumulatory na bazie niklowych składników chemicznych.

Elastyczność projektowania pozwala inżynierom zoptymalizować właściwości baterii i osiągnąć długą żywotność baterii, wysoką pojemność (gęstość energii), maksymalny prąd (gęstość mocy). Na przykład przy długiej żywotności rozmiar ogniwa 18650 ma pojemność 1,1 Ah, podczas gdy ogniwa zoptymalizowane pod kątem większej pojemności mają pojemność 1,5 Ah, ale mają również krótszą żywotność.

Wykres (ryc. 12) nie odzwierciedla najbardziej imponujących właściwości baterii litowo-manganowych, ale nowoczesne rozwiązania znacznie poprawiły wydajność i sprawiły, że ten typ jest konkurencyjny i szeroko stosowany.



Rycina 11.

Nowoczesne akumulatory typu litowo-manganowego mogą być produkowane z dodatkiem innych pierwiastków - tlenku litowo-niklowo-manganowo-kobaltowego (NMC), technologia ta znacznie wydłuża żywotność i podnosi specyficzne wskaźniki energetyczne. Związek ten zapewnia najlepsze właściwości z każdego systemu, tak zwane LMO (NMC) stosowane są w większości pojazdów elektrycznych, takich jak Nissan, Chevrolet, BMW itp.

Tlenek kobaltu litowo-niklowo-manganowy (LiNiMnCoO2 lub NMC) - Wiodący producenci akumulatorów litowo-jonowych skupili się na materiałach katodowych niklowo-manganowo-kobaltowych (NMC). Podobnie jak baterie litowo-manganowe, te akumulatory można dostosować do uzyskiwania dużej gęstości energii lub dużej gęstości mocy, ale nie jednocześnie. Na przykład ogniwo NMC 18650 przy umiarkowanym obciążeniu ma pojemność 2,8 Ah i może zapewnić maksymalny prąd 4-5 A; Ogniwo NMC, zoptymalizowane pod kątem zwiększonych parametrów mocy, ma tylko 2 Wh, ale może zapewnić ciągły prąd rozładowania do 20A. Specyfika NMC polega na połączeniu niklu i manganu, na przykład soli kuchennej, w której głównymi składnikami są sód i chlorek, które są oddzielnie substancjami toksycznymi.

Nikiel jest znany ze swojej wysokiej energii właściwej, ale niskiej stabilności. Mangan ma tę zaletę, że tworzy strukturę spinelu i zapewnia niski opór wewnętrzny, a jednocześnie ma niską energię właściwą. Łącząc te dwa metale, można uzyskać optymalną wydajność akumulatora NMC dla różnych warunków pracy.

Akumulatory NMC są idealne do elektronarzędzi, rowerów elektrycznych i innych układów napędowych. Połączenie materiałów katodowych: jedna trzecia niklu, manganu i kobaltu zapewnia wyjątkowe właściwości, a także obniża koszt produktu ze względu na zmniejszenie zawartości kobaltu. Inne podtypy, takie jak NCM, CMN, CNM, MNC i MCN, mają doskonałe proporcje potrójnego metalu od 1 / 3-1 / 3-1 / 3. Zwykle producent utrzymuje w tajemnicy dokładny stosunek.



Rysunek 12.

Fosforan litowo-żelazowy (LiFePO4) - w 1996 roku na Uniwersytecie w Teksasie (i innych współpracowników) fosforan był używany jako materiał katodowy do baterii litowych. Fosforan litu zapewnia dobre parametry elektrochemiczne przy niskiej rezystancji. Jest to możliwe dzięki nanofosforanowemu materiałowi katodowemu. Główne zalety to duży przepływ prądu i długa żywotność, a także dobra stabilność termiczna i zwiększone bezpieczeństwo.

Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe są bardziej tolerancyjne na pełne rozładowanie i mniej podatne na starzenie niż inne systemy litowo-jonowe. LFP są również bardziej odporne na przeładowanie, ale podobnie jak w przypadku innych akumulatorów litowo-jonowych, przeładowanie może spowodować uszkodzenia. LiFePO4 zapewnia bardzo stabilne napięcie rozładowania 3,2V, co pozwala na użycie tylko 4 ogniw do stworzenia standardowego akumulatora 12V, co z kolei pozwala na sprawną wymianę akumulatorów ołowiowych. Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe nie zawierają kobaltu, co znacznie obniża koszt produktu i czyni go bardziej przyjaznym dla środowiska. Zapewnia wysoki prąd podczas rozładowywania i może być również ładowany prądem znamionowym w ciągu zaledwie jednej godziny do pełnej pojemności. Praca w niskich temperaturach otoczenia obniży wydajność, a temperatury powyżej 35 ° C nieznacznie skracają żywotność, ale wydajność jest znacznie lepsza niż w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych, niklowo-kadmowych lub NiMH. Fosforan litu ma wyższy współczynnik samorozładowania niż inne akumulatory litowo-jonowe, co może wymagać wyważenia szaf akumulatorów.



Rysunek 13.

Tlenek glinu litowo-niklowo-kobaltowy (LiNiCoAlO2) - Akumulatory litowo-niklowo-kobaltowo-aluminiowe (NCA) zostały wprowadzone na rynek w 1999 roku. Ten typ zapewnia wysoką energię właściwą i wystarczającą moc właściwą, a także długą żywotność. Istnieje jednak ryzyko zapłonu, w wyniku którego dodano aluminium, co zapewnia większą stabilność procesów elektrochemicznych zachodzących w akumulatorze przy dużych prądach rozładowania i ładowania.



Rysunek 14.

Tytanian litu (Li4Ti5O12) - Baterie z anodami tytanianu litu są znane od lat 80. Katoda jest zbudowana z grafitu i przypomina architekturą typową baterię litowo-metalową. Tytanian litu ma napięcie ogniwa 2,4 V, można go szybko ładować i zapewnia wysoki prąd rozładowania 10 ° C, który jest 10 razy większy od pojemności znamionowej akumulatora.

Akumulatory litowo-tytanowe mają zwiększoną żywotność w porównaniu do innych typów akumulatorów litowo-jonowych. Są bardzo bezpieczne i mogą pracować w niskich temperaturach (do –30ºC) bez znaczącego pogorszenia wydajności.

Wadą jest dość wysoki koszt, a także mały wskaźnik energii właściwej, około 60-80Wh / kg, który jest dość porównywalny z akumulatorami niklowo-kadmowymi. Zastosowania: zasilacze elektryczne i zasilacze bezprzerwowe.



Rysunek 15.

Akumulatory litowo-polimerowe (Li-pol, Li-polimer, LiPo, LIP, Li-poly) - akumulatory litowo-polimerowe różnią się od akumulatorów litowo-jonowych tym, że wykorzystują specjalny elektrolit polimerowy. Podekscytowanie związane z tego typu bateriami, które pojawiło się od 2000 roku, trwa do dziś. Powstała nie bez powodu, ponieważ przy pomocy specjalnych polimerów udało się stworzyć baterię bez elektrolitu płynnego lub żelopodobnego, co daje możliwość tworzenia baterii o niemal dowolnym kształcie. Ale głównym problemem jest to, że stały elektrolit polimerowy zapewnia słabą przewodność w temperaturze pokojowej, a najlepsze właściwości są demontowane po podgrzaniu do 60 ° C. Wszelkie próby naukowców zmierzające do rozwiązania tego problemu były daremne.

Nowoczesne akumulatory litowo-polimerowe wykorzystują niewielką ilość elektrolitu żelowego dla lepszej przewodności w normalnych temperaturach. Zasada działania opiera się na jednym z opisanych powyżej typów. Najpopularniejszy jest litowo-kobaltowy z elektrolitem z żelu polimerowego, który jest używany w większości zastosowań.

Główną różnicą między akumulatorami litowo-jonowymi a akumulatorami litowo-polimerowymi jest to, że mikroporowaty elektrolit polimerowy jest zastępowany tradycyjnym separatorem. Litowo-polimerowy ma nieco wyższą energię właściwą i umożliwia tworzenie cienkich elementów, ale koszt jest o 10-30% wyższy niż litowo-jonowy. Istnieje również znacząca różnica w konstrukcji obudowy. Jeśli do litowo-polimeru używana jest cienka folia, która umożliwia tworzenie akumulatorów tak cienkich, że wyglądają jak karty kredytowe, to akumulatory litowo-jonowe są gromadzone w sztywnej metalowej obudowie, aby mocno przymocować elektrody.

Rycina 17. Wygląd baterii litowo-polimerowej do telefonu komórkowego.

Specyfikacje baterii litowo-jonowej

W tabeli nie uwzględniono maksymalnej pojemności ogniw, ponieważ technologia akumulatorów litowo-jonowych nie pozwala na produkcję mocnych pojedynczych ogniw. Gdy potrzebna jest duża pojemność lub prąd stały, akumulatory łączy się równolegle i szeregowo za pomocą zworek. Stan musi być monitorowany przez system monitorowania akumulatora. Nowoczesne szafy bateryjne do UPS i elektrowni słonecznych oparte na ogniwach litowych mogą osiągać napięcie 500-700V DC przy wydajności około 400A / h, a także pojemność 2000-3000Ah przy napięciu 48 lub 96V.

Baterie niklowo-kadmowe

Wynalazcą jest szwedzki naukowiec Waldemar Jungner, który opatentował technologię produkcji niklu kadmowego w 1899 roku. W 1990 roku doszło do sporu patentowego z Edisonem, który Jungner przegrał, ponieważ nie posiadał takich funduszy jak jego przeciwnik. Założona przez Waldemara firma „Ackumulator Aktiebolaget Jungner” była na skraju bankructwa, jednak zmieniając nazwę na „Svenska Ackumulator Aktiebolaget Jungner”, firma kontynuowała swój rozwój. Obecnie firma założona przez dewelopera nosi nazwę „SAFT AB” i produkuje jedne z najbardziej niezawodnych baterii niklowo-kadmowych na świecie.

Akumulatory niklowo-kadmowe są bardzo trwałym i niezawodnym typem. Istnieją modele serwisowane i nieobsługiwane o pojemności od 5 do 1500Ah. Zazwyczaj są dostarczane w sucho ładowanych puszkach bez elektrolitu o nominalnym napięciu 1,2V. Pomimo podobieństwa konstrukcji do akumulatorów kwasowo-ołowiowych, akumulatory niklowo-kadmowe mają szereg istotnych zalet w postaci stabilnej pracy w temperaturach od –40 ° C, zdolności do wytrzymywania wysokich prądów rozruchowych, a także są optymalizowane przez modele pod kątem szybkiego rozładowania. Akumulatory Ni-Cd są odporne na głębokie rozładowanie, przeładowanie i nie wymagają natychmiastowego ładowania jak kwasowo-ołowiowe. Konstrukcyjnie są wykonane z odpornego na uderzenia tworzywa sztucznego i dobrze znoszą uszkodzenia mechaniczne, nie boją się wibracji itp.

Zasada działania akumulatorów niklowo-kadmowych

Baterie alkaliczne, których elektrody składają się z hydratu tlenku niklu z dodatkami grafitu, tlenku baru i proszku kadmu. Jako elektrolit z reguły działa roztwór o 20% zawartości potasu i dodatku monohydratu litu. Płyty są oddzielone separatorami izolującymi, aby uniknąć zwarć, jedna ujemnie naładowana płyta jest umieszczona między dwoma dodatnio naładowanymi.

W procesie rozładowywania akumulatora niklowo-kadmowego zachodzi interakcja między anodą z hydratem tlenku niklu a jonami elektrolitu, tworząc hydrat tlenku niklu. Jednocześnie katoda kadmu tworzy hydrat tlenku kadmu, tworząc w ten sposób różnicę potencjałów do 1,45 V, zapewniając napięcie wewnątrz akumulatora oraz w zewnętrznym obwodzie zamkniętym.

Procesowi ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych towarzyszy utlenianie masy czynnej anod i przejście hydratu tlenku niklu w hydrat tlenku niklu. Jednocześnie katoda jest redukowana do kadmu.

Zaletą zasady działania akumulatora niklowo-kadmowego jest to, że wszystkie składniki, które powstają podczas cykli rozładowania i ładowania prawie nie rozpuszczają się w elektrolicie, a także nie wchodzą w żadne reakcje uboczne.

Rysunek nr 16. Struktura baterii Ni-Cd.

Rodzaje akumulatorów niklowo-kadmowych

Akumulatory niklowo-kadmowe są obecnie najczęściej używane w przemyśle, w którym wymagana jest szeroka gama zastosowań związanych z zasilaniem. Kilku producentów oferuje kilka podtypów akumulatorów niklowo-kadmowych, które zapewniają najlepszą wydajność w określonych trybach:

czas rozładowania 1,5 - 5 godzin lub więcej - akumulatory serwisowane;

czas rozładowania 1,5 - 5 godzin lub więcej - akumulatory bezobsługowe;

czas rozładowania 30 - 150 minut - akumulatory serwisowane;

czas rozładowania 20 - 45 minut - akumulatory serwisowane;

czas rozładowania 3 - 25 minut - akumulatory serwisowane.

Charakterystyka baterii niklowo-kadmowych

Wysokie parametry techniczne sprawiają, że ten typ baterii jest bardzo atrakcyjny do rozwiązywania problemów przemysłowych, gdy wymagane jest wysoce niezawodne rezerwowe źródło zasilania o długiej żywotności.

Baterie niklowo-żelazne

Po raz pierwszy stworzył je Waldemar Jungner w 1899 roku, kiedy próbował znaleźć tańszy analog kadmu w bateriach niklowo-kadmowych. Po długich próbach Jungner zrezygnował z używania żelaza, ponieważ ładunek był prowadzony zbyt wolno. Kilka lat później Thomas Edison stworzył akumulator niklowo-żelazny do zasilania pojazdów Baker Electric i Detroit Electric.

Niski koszt produkcji sprawił, że akumulatory niklowo-żelazne stały się poszukiwane w transporcie elektrycznym jako akumulatory trakcyjne, są również wykorzystywane do elektryfikacji samochodów osobowych, zasilania obwodów sterujących. W ostatnich latach mówi się o bateriach niklowo-żelazowych z nową energią, ponieważ nie zawierają one toksycznych pierwiastków, takich jak ołów, kadm, kobalt itp. Obecnie niektórzy producenci promują je w systemach energii odnawialnej.

Zasada działania akumulatorów niklowo-żelazowych

Energia elektryczna jest przechowywana przy użyciu wodorotlenku niklu jako płyt dodatnich, żelaza jako płyt ujemnych i ciekłego elektrolitu w postaci żrącego potasu. Rurki lub „kieszonki” stabilne na nikiel zawierają substancję czynną

Typ niklowo-żelazowy jest bardzo niezawodny. jest odporny na głębokie rozładowania, częste ładowanie, a także może znajdować się w stanie niedoładowania, co jest bardzo szkodliwe dla akumulatorów ołowiowych.

Charakterystyka baterii niklowo-żelazowych

Użyte materiały

Badania przeprowadzone przez Boston Consulting Group

Dokumentacja techniczna TM Bosch, Panasonic, EverExceed, Victron Energy, Varta, Leclanché, Envia, Kokam, Samsung, Valence i inne.

Dzień dobry wszystkim początkującym. Dzisiaj porozmawiamy o akumulatorach napięcia. Akumulatory nazywane są chemicznymi źródłami prądu, w których w wyniku odwracalnych reakcji chemicznych energia wewnętrzna zamieniana jest na energię elektryczną. To właśnie z powodu odwracalności tej reakcji akumulatory mogą być ładowane i rozładowywane. Baterie są przeznaczone do przechowywania prądu elektrycznego i są szeroko stosowane w wielu różnych dziedzinach. Trudno wyobrazić sobie nasze życie bez nich, otaczają nas wszędzie. są przeznaczone do wielokrotnego użytku i mają wystarczająco długą żywotność. Najprostsza bateria to dwie elektrody wykonane z różnych metali i zaabsorbowane w roztworze elektrolitu (kwasu). Jedna z elektrod nazywana jest katodą, a druga anodą.

W praktyce najczęściej stosuje się baterie ołowiowe i litowe. Akumulator ołowiowy składa się z dwóch płyt ołowiowych, które są absorbowane przez kwas siarkowy. Akumulator ma różne napięcia, na przykład jeden blok (bank) akumulatora ołowiowego daje napięcie 2 V, jeden blok akumulatora litowo-jonowego - 3,7 V, - 1,2 V. Za twórcę pierwszej baterii uważa się Alessandro Voltę (od jego imienia powstała wartość napięcia - woltów). Słup galwaniczny miał prostą konstrukcję - kręgi miedziane i cynkowe, a pomiędzy nimi kawałek wata zanurzony w roztworze wody i chlorku sodu. Obecnie istnieje ogromna liczba odmian akumulatorów prądowych, ich pełna lista znajduje się na końcu artykułu.

Baterie są wykonane o różnych pojemnościach i napięciach, w zależności od zużycia urządzenia, do którego są przeznaczone. Napięcie akumulatora jest mierzone w woltach, prąd w amperach, a moc w watach. Na przykład, jeśli wiesz, że prąd akumulatora wynosi 10 amperów / godzinę, a napięcie wynosi 6 woltów, i musisz znać jego moc, to zgodnie z prawem Ohma otrzymujemy 6 woltów * 10 amperów \u003d 60 watów. Tak więc, znając dwa parametry, możesz łatwo znaleźć trzeci. Przychodzi czas, kiedy bateria jest rozładowana. W miarę wyczerpywania się energii chemicznej spada napięcie i prąd akumulatora, akumulator przestaje działać. Akumulator można ładować z dowolnego źródła prądu stałego lub impulsowego. Prąd ładowania równy 1/10 nominalnej pojemności akumulatora (w amperach / godz.) Jest uważany za standard.

Omów artykuł RODZAJE BATERII

• Prowadzić akumulatory. W tych akumulatorach odczynnikiem jest dwutlenek ołowiu i sam ołów, a elektrolit to roztwór kwasu siarkowego. Nazywa się je również kwasem ołowiowym. Dzielą się na cztery grupy: stacjonarne, rozrusznikowe, przenośne (uszczelnione) i trakcyjne. Najbardziej rozpowszechnione są akumulatory rozruchowe, służą do uruchamiania silników spalinowych i dostarczania energii do urządzeń w samochodzie. Ich wadą są niskie wartości energii właściwej, niezbyt dobre zatrzymywanie ładunku i wydzielanie wodoru.
• Nikiel-kadm akumulatory. W tym przypadku odczynnikami są odpowiednio wodorotlenek niklu i kadm, a elektrolitem jest roztwór wodorotlenku potasu, pod tym względem nazywane są również bateriami alkalicznymi. Są podzielone na lamelarne, lamelarne i uszczelnione. Akumulatory lamelowe niklowo-kadmowe są dość tanie, charakteryzują się płaską krzywą rozładowania, dużą żywotnością i trwałością. Służą do napędzania kopalnianych lokomotyw elektrycznych, wind, urządzeń komunikacyjnych, urządzeń elektronicznych, urządzeń stacjonarnych, do uruchamiania silników wysokoprężnych i lotniczych.
• Zapieczętowany akumulatory charakteryzują się poziomą krzywą rozładowania, dużą szybkością rozładowywania i możliwością pracy w niskich temperaturach, ale są droższe i posiadają efekt pamięci. Służą do zasilania sprzętu przenośnego, sprzętu AGD, zabawek dziecięcych. Dużą wadą tych baterii jest toksyczność zastosowanego kadmu.
• Nikiel-żelazo akumulatory. Uniknęliśmy powyższego problemu, stosując żelazo zamiast kadmu. Baterie nie zawierają toksycznego kadmu, są tańsze, mają długą żywotność i dużą wytrzymałość, ale ze względu na wydzielanie się wodoru na początku ładowania są produkowane tylko w wersji nieszczelnej. Charakteryzują się wysokim samorozładowaniem, niską energooszczędnością, praktycznie nie działają w temperaturach poniżej -10 stopni. Stosowane są głównie jako trakcyjne źródła zasilania w lokomotywach elektrycznych i windach przemysłowych.
• Wodorek niklu akumulatory. Tutaj aktywnym materiałem elektrody jest związek międzymetaliczny, który pochłania wodór, tj. w rzeczywistości jest to elektroda wodorowa w postaci zredukowanej w stanie zaabsorbowanym. Akumulator ma taką samą krzywą rozładowania jak akumulatory niklowo-kadmowe, ale energia i pojemność właściwa są 1,5-2 razy wyższe, a ponadto nie zawierają toksycznego kadmu! Wykonane w szczelnej konstrukcji o różnych kształtach (cylinder, pryzmat, dysk). Służy do zasilania sprzętu i urządzeń przenośnych.
• Nikiel-cynk akumulatory. Są to baterie alkaliczne z elektrodą cynkową. Ich energia właściwa jest 2 razy większa niż w przypadku niklu-kadmu. Charakteryzują się poziomą krzywą rozładowania, dużą gęstością mocy i dość niską ceną, ale ich zasób jest raczej niewielki, dlatego nie weszły do \u200b\u200bużytku masowego. Używany do sprzętu przenośnego.
• Srebro-cynk i srebro-kadm akumulatory. W nich tlenek srebra, cynk i kadm są materiałami aktywnymi, a zasady są elektrolitem. Charakteryzują się dużymi energiami i mocami, niskim samorozładowaniem, ale dzięki temu są drogie. Srebro-cynk mają niewielki zasób, są produkowane w postaci pryzmatu lub dysku, służą do zasilania urządzeń przenośnych, a także sprzętu wojskowego.
• Nikiel-wodór akumulatory. W takich bateriach porowata gazowa elektroda dyfuzyjna z katalizatorem platynowym działa jako elektroda ujemna. Charakteryzują się dużą energią właściwą, dużym zasobem, ale szybko się rozładowują i są drogie. Znalazło zastosowanie w przemyśle kosmicznym.
• Litowo-jonowy akumulatory. Anoda jest materiałem węglowym, w którym osadzone są jony litu. Elektrodą dodatnią jest najczęściej kobalt, w którym osadzone są również jony litu. Elektrolit to sól litu w niewodnym rozpuszczalniku. Charakteryzują się dużą energią właściwą, zasobem i zdolnością do pracy w niskich temperaturach. Dlatego ich produkcja ostatnio dramatycznie wzrosła. Używany w telefonach komórkowych, laptopach i innych urządzeniach
• Lit-polimerowy akumulatory. Tutaj elektroda ujemna jest reprezentowana przez materiał węglowy z osadzonymi jonami litu, a elektroda dodatnia jest reprezentowana przez tlenki kobaltu lub manganu. Elektrolit to roztwór soli litu w niewodnym rozpuszczalniku, zamknięty w małej matrycy polimerowej. W porównaniu z opisanym powyżej akumulatorem ma jeszcze wyższą energię właściwą i zasoby oraz jest bezpieczniejszy. Znajduje zastosowanie w zasilaniu elektronicznych urządzeń przenośnych.
• Akumulator manganowo-cynkowe źródła zasilania. Są to takie źródła energii z elektrolitem alkalicznym, które są zdolne do ładowania elektrycznego. Wysoka energia właściwa, niskie samorozładowanie, niski koszt. Konstrukcja hermetyczna, ale bardzo mały zasób, tylko 20-50 cykli.

Akumulatory lub akumulatory to sprzęt składający się z kilku baterii. Może magazynować, przechowywać i zużywać energię. Ze względu na odwracalność procesów chemicznych zachodzących wewnątrz baterii, takie urządzenia mogą być wielokrotnie ładowane i rozładowywane.

Zakres zastosowania baterii jest bardzo szeroki. Stosowane są w samochodach i różnych urządzeniach gospodarstwa domowego, takich jak piloty i laptopy. Ale także jako zapasowe źródło zasilania w medycynie, produkcji, przemyśle kosmicznym, centrach danych.

Rodzaje i typy baterii

Obecnie produkuje się około 30 typów baterii. Tak duża liczba wynika z możliwości wykorzystania różnych pierwiastków chemicznych jako elektrod i elektrolitów. Wszystkie cechy akumulatora zależą od materiału elektrody i składu elektrolitu.

Nie wymienimy wszystkich typów, a jedynie małą tabelkę opisującą najpopularniejsze:

Urządzenie

1 - Elektroda ujemna
2 - Warstwa oddzielająca
3 - Elektrody dodatnie
4 - Negatywny kontakt
5 - zawór bezpieczeństwa
6 - Elektrody dodatnie
7 - Pozytywny kontakt

Akumulatory składają się z kilku banków baterii połączonych równolegle lub szeregowo. Połączenie szeregowe służy do zwiększenia napięcia, a połączenie równoległe do zwiększenia prądu.

Każda pojedyncza bateria w baterii składa się z dwóch elektrod i elektrolitu, umieszczonych w obudowie ze specjalnego materiału.

Elektroda z ładunkiem ujemnym jest anodą, z ładunkiem dodatnim jest katodą. Anoda zawiera środek redukujący, katoda - utleniacz. Wewnątrz obudowy baterii znajduje się płytka rozdzielająca, która zapobiega zamykaniu się elektrod.

Elektrolit - wodny roztwór, w którym zanurzone są obie elektrody.

Kiedy bateria jest rozładowana, reduktor anodowy zaczyna się utleniać i uwalniane są elektrony. Następnie elektrony wchodzą do elektrolitu, a stamtąd przemieszczają się do katody, wytwarzając prąd rozładowania. Dostając się do katody, elektrony redukują jej utleniacz. W prostych słowach można opisać ten proces następująco: elektrony przechodzą od elektrody ujemnej do dodatniej i wytwarzają prąd rozładowania.

Podczas ładowania akumulatora elektrody zmieniają skład chemiczny i zachodzi odwrotna reakcja. Tutaj elektrony przemieszczają się z dodatniej anody do ujemnej katody.

Cechy różnych typów baterii

Akumulatory kwasowo-ołowiowe

Zaprojektowany przez Gastona Plante w XIX wieku. Te akumulatory są dziś najbardziej aktualne ze względu na ich niski koszt i wszechstronność. Zakres ich stosowania jest szeroki ze względu na dużą liczbę tego typu odmian. Tlenek ołowiu jest tu używany jako ujemnie naładowane elektrody. Elektrody dodatnie są wykonane z ołowiu. Elektrolitem jest kwas siarkowy.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe występują w następujących odmianach:

• LA - akumulatory o napięciu 6 lub 12 woltów. Tradycyjne urządzenie do uruchamiania silników samochodowych. Wymagają stałej konserwacji i wentylacji.
• VRLA - napięcie 2, 4, 6 lub 12 woltów. Akumulator kwasowo-ołowiowy regulowany zaworem. Jak sama nazwa wskazuje, ta bateria jest wyposażona w zawór odciążający. Jego rolą jest zminimalizowanie wydzielania się gazu i zużycia wody. Baterie te mogą być instalowane w obszarach mieszkalnych.
• AGM VRLA - podobnie jak poprzedni typ wyposażony jest w zawór, ale ma zupełnie inne właściwości. W akumulatorach wykonanych w technologii AGM włókno szklane działa jako separator. Jego mikropory są nasycone ciekłym elektrolitem. Akumulatory te są bezobsługowe i odporne na wibracje.
• GEL VRLA - podgatunek akumulatorów kwasowo-ołowiowych z elektrolitem żelowym. Dzięki temu zwiększa się ich zasób ładowania / rozładowania. Bezobsługowe.
• OPzV - szczelne baterie stosowane w telekomunikacji i do oświetlenia awaryjnego. Elektrolit to żel, tak jak w poprzednim przypadku. Elektrody zawierają wapń, dzięki czemu żywotność tego typu baterii wynosi 20 lat.
• OPzS - katoda takich akumulatorów ma strukturę rurową. To znacznie wydłuża żywotność tego typu baterii. Służy również przez około 20 lat. Produkowany jest w postaci baterii o napięciu od 2 do 125 V.

Baterie litowo-jonowe

Został wydany po raz pierwszy przez Sony w 1991 roku i od tego czasu jest aktywnie wykorzystywany w sprzęcie AGD i urządzeniach elektronicznych. Prawie wszystkie telefony komórkowe, laptopy, aparaty i kamery są wyposażone w ten typ baterii. Rolę katody pełni tutaj płytka z żelazofosforanu litu. Anodą ujemną jest koks węglowy. Dodatni jon litu niesie ładunek w takich akumulatorach. Może przenikać do sieci krystalicznej innych substancji i tworzyć z nimi wiązanie chemiczne. Zalety tego typu to wysokie zużycie energii, niskie samorozładowanie i brak konieczności konserwacji.

Akumulatory litowo-jonowe, podobnie jak ich ołowiane odpowiedniki, mają dużą liczbę podtypów. W tym przypadku podtypy różnią się składem katody i anody. Akumulatory litowo-jonowe mają napięcie od 2,4 V do 3,7 V.

Jednym z najbardziej znanych podtypów są akumulatory litowo-polimerowe. Pojawiły się stosunkowo niedawno i szybko zyskały popularność. Jest to spowodowane zastosowaniem stałego elektrolitu polimerowego w bateriach litowo-polimerowych. Pozwala to na tworzenie baterii o dowolnym kształcie. Ponadto koszt tych akumulatorów jest tylko o 15% wyższy niż w przypadku konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych.