Kako baterije rade i rade

U najširem smislu riječi u tehnologiji, pojam "baterija" odnosi se na uređaj koji omogućuje pod određenim uvjetima rada akumulirati određenu vrstu energije, au drugim koristiti za ljudske potrebe.

Koriste se tamo gdje je potrebno prikupiti energiju za određeno vrijeme i koristiti je za izvođenje velikih radno intenzivnih procesa. Na primjer, hidraulički akumulatori koji se koriste u prevodnicama omogućuju brodovima da se popnu na novu razinu na riječnom koritu.

Električne baterije rade s električnom energijom na istom principu: prvo akumuliraju (akumuliraju) električnu energiju iz vanjskog izvora punjenja, a zatim je daju priključenim potrošačima da rade. Po svojoj prirodi pripadaju kemijskim izvorima struje koji su sposobni ponavljati periodične cikluse pražnjenja i punjenja.

Tijekom rada neprestano se odvijaju kemijske reakcije između komponenti elektrodnih ploča s njihovim punilom - elektrolitom.

Shematski dijagram baterijskog uređaja može se prikazati pojednostavljenim crtežom kada su dvije ploče od različitih metala sa žicama umetnute u tijelo posude kako bi se osigurali električni kontakti. Između ploča se ulijeva elektrolit.

Rad baterije kada je ispražnjena

Kada se opterećenje, poput žarulje, spoji na elektrode, stvara se zatvoreni električni krug kroz koji teče struja pražnjenja. Nastaje kretanjem elektrona u metalnim dijelovima i aniona s kationima u elektrolitu.

Ovaj je proces konvencionalno prikazan na dijagramu s dizajnom nikal-kadmijeve elektrode.

Ovdje se kao materijal pozitivne elektrode koriste oksidi nikla s dodacima grafita, koji povećavaju električnu vodljivost. Metal negativne elektrode je spužvasti kadmij.

Tijekom pražnjenja čestice aktivnog kisika iz oksida nikla otpuštaju se u elektrolit i usmjeravaju na negativne ploče, gdje dolazi do oksidacije kadmija.

Učinkovitost baterije tijekom punjenja

Kada je opterećenje isključeno, konstantan (u određenim situacijama, pulsirajući) napon se primjenjuje na stezaljke ploče veće vrijednosti od one napunjene baterije istog polariteta, kada se plus i minus stezaljke izvora i potrošača podudaraju .

Punjač uvijek ima veću snagu, što "potiskuje" zaostalu energiju u bateriji i stvara električnu struju u suprotnom smjeru od pražnjenja. Zbog toga se mijenjaju unutarnji kemijski procesi između elektroda i elektrolita. Na primjer, na kutiji nikal-kadmijevih ploča, pozitivna elektroda obogaćena je kisikom, a negativna - do stanja čistog kadmija.

Prilikom pražnjenja i punjenja akumulatora mijenja se kemijski sastav materijala ploča (elektroda), ali se ne mijenja elektrolit.

Metode spajanja baterije

Paralelna veza

Količina struje pražnjenja koju čovjek može podnijeti ovisi o mnogim čimbenicima, ali prvenstveno o dizajnu, korištenim materijalima i njihovim dimenzijama. Što je veća površina ploča na elektrodama, to je veća struja koju mogu izdržati.

Ovo se načelo koristi za paralelno povezivanje ćelija istog tipa u baterijama kada je potrebno povećati struju do opterećenja.Ali za punjenje takvog dizajna bit će potrebno povećati snagu izvora. Ova metoda se rijetko koristi za gotove strukture, jer je sada mnogo lakše odmah kupiti potrebnu bateriju. Ali proizvođači kiselinskih baterija ga koriste, povezujući različite ploče u pojedinačne blokove.

Serijska veza

Ovisno o korištenim materijalima, napon od 1,2 / 1,5 ili 2,0 volta može se generirati između dviju elektrodnih ploča baterija koje su uobičajene u svakodnevnom životu. (Zapravo, ovaj raspon je mnogo širi.) Očito, nije dovoljan za mnoge električne uređaje. Stoga se baterije iste vrste spajaju u seriju, a to se često radi u jednom kućištu.

Primjer takvog dizajna je raširen razvoj automobila koji se temelji na sumpornoj kiselini i olovnim elektrodnim pločama.

Obično je među ljudima, posebno među vozačima prijevoza, uobičajeno nazvati bilo koji uređaj baterijom, bez obzira na broj njegovih sastavnih elemenata - kutija. Međutim, to nije sasvim točno.Struktura, sastavljena od nekoliko kutija povezanih u seriju, već je baterija, za koju je pričvršćen skraćeni naziv «AKB» ... Njegova unutarnja struktura prikazana je na slici.

Svaka se staklenka sastoji od dva bloka sa setom ploča za pozitivne i negativne elektrode. Blokovi se uklapaju jedan u drugi bez kontakta metala uz mogućnost pouzdane galvanske veze preko elektrolita.

U tom slučaju kontaktne ploče imaju dodatnu rešetku i međusobno su odvojene razdjelnom pločom.

Spajanje ploča u blokove povećava njihovu radnu površinu, smanjuje ukupni otpor cijele konstrukcije i omogućuje vam povećanje snage priključenog opterećenja.

Na vanjskoj strani kutije takva baterija ima elemente prikazane na donjoj slici.

Prikazuje da je čvrsto plastično kućište zapečaćeno poklopcem i opremljeno s dva terminala (obično u obliku stošca) na vrhu za spajanje na električni krug automobila. Na njihovim stezaljkama utisnute su oznake polariteta: «+» i «-». Obično pozitivni terminal ima nešto veći promjer od negativnog terminala kako bi se spriječile pogreške u ožičenju.

Baterije koje se mogu servisirati imaju otvor za punjenje na vrhu svake posude za kontrolu razine elektrolita ili dodavanje destilirane vode tijekom rada. U njega je uvrnut čep koji štiti unutarnje šupljine kućišta od onečišćenja i istovremeno sprječava prolijevanje elektrolita kada je baterija nagnuta.

Budući da je kod snažnog punjenja moguće stvaranje plina iz elektrolita (a taj je proces moguć tijekom intenzivne vožnje), u utikačima se izrađuju rupe kako bi se spriječilo povećanje tlaka unutar kutije.Kroz njih izlaze kisik i vodik te pare elektrolita. Preporuča se izbjegavati takve situacije koje uključuju prekomjerne struje punjenja.

Ista slika prikazuje spoj elemenata između banaka i raspored elektrodnih ploča.

Automobilski startni akumulatori (olovni) rade na principu dvostrukog sulfatiranja. Tijekom pražnjenja / punjenja na njima se odvija elektrokemijski proces, praćen promjenom kemijskog sastava aktivne mase elektroda s oslobađanjem / apsorpcijom vode u elektrolitu (sumporna kiselina).

To objašnjava povećanje specifične težine elektrolita tijekom punjenja i smanjenje kada se baterija isprazni. Drugim riječima, vrijednost gustoće omogućuje procjenu električnog stanja baterije. Za mjerenje se koristi poseban uređaj - hidrometar za automobile.

Destilirana voda, koja je dio elektrolita kiselinskih akumulatora, na negativnim temperaturama prelazi u kruto stanje - led, stoga je za sprječavanje smrzavanja akumulatora u hladnim uvjetima potrebno primijeniti posebne mjere predviđene pravilnikom za eksploataciju.

Koje vrste baterija postoje?

Suvremena proizvodnja za razne namjene proizvodi više od tri desetke proizvoda s različitim sastavom elektroda i elektrolita. 12 poznatih modela radi samo na litiju.

Sljedeće se može naći kao elektrodni metal:

• voditi;

• željezo;

• litij;

• titanij;

• kobalt;

• kadmij;

• nikal;

• cinkov;

• srebro;

• vanadij;

• aluminij

• neke druge predmete.

Oni utječu na karakteristike električnog izlaza, a time i na primjenu.

Sposobnost podnošenja kratkotrajnih visokih opterećenja koja proizlaze iz rotacije radilica motora s unutarnjim izgaranjem elektropokretačima karakteristična je za olovne baterije. Naširoko se koriste u transportu, besprekidnim izvorima napajanja i sustavima napajanja u hitnim slučajevima.

Standard galvanske ćelije (obične baterije) obično se zamjenjuju nikal-kadmijevim, nikal-cink i nikal-metal-hidridnim baterijama.

Ali litij-ionski ili litij-polimerni dizajni pouzdano rade u mobilnim i računalnim uređajima, građevinskim alatima, pa čak i električnim vozilima.

Prema vrsti elektrolita koji se koristi baterije su:

• kiselo

• alkalni.

Postoji klasifikacija baterija prema namjeni. Na primjer, u suvremenim uvjetima pojavili su se uređaji koji se koriste za prijenos energije - punjenje drugih izvora. Takozvana vanjska baterija pomaže vlasnicima mnogih mobilnih uređaja u nedostatku izmjenične električne mreže. Može više puta puniti tablet, pametni telefon, mobilni telefon.

Sve ove baterije imaju isti princip rada i sličan uređaj. Na primjer, litij-ionski prstasti model prikazan na donjoj slici na mnogo načina ponavlja dizajn kiselinskih baterija o kojima smo ranije govorili.

Ovdje vidimo iste kontaktne elektrode, ploče, separator i kućište. Samo oni su napravljeni uzimajući u obzir druge radne uvjete.

Osnovne električne karakteristike baterije

Na rad uređaja utječu parametri:

• kapacitet;

• gustoća energije;

• samopražnjenje;

• temperaturni režim.

Kapacitet se naziva maksimalno punjenje baterije, koje je u stanju dati tijekom pražnjenja do najnižeg napona. Izražava se u pendantima (SI sustav) i amper-satima (izvansustavna jedinica).

Kao vrsta kapaciteta postoji «energetski kapacitet» koji određuje energiju koja se oslobađa tijekom pražnjenja do minimalno dopuštenog napona. Mjeri se u džulima (SI) i vat-satima (jedinice koje nisu SI).

Gustoća energije izražena kao omjer količine energije i težine ili volumena baterije.

Samopražnjenje smatra gubitak kapaciteta nakon punjenja u nedostatku opterećenja na stezaljkama. To ovisi o dizajnu i pogoršava se kvarom izolacije između elektroda iz mnogo razloga.

Radna temperatura utječe na električna svojstva i u slučaju ozbiljnih odstupanja od norme koju je odredio proizvođač, može oštetiti bateriju. Toplina i hladnoća su neprihvatljivi, utječu na tijek kemijskih reakcija i pritisak okoline unutar kutije.