Elektros akumuliatoriai gali būti naudojami labai įvairiai. Jie naudojami kaip elektros energijos šaltinis žaislai vaikamsAkumuliatoriai taip pat naudojami elektriniuose įrankiuose ir kaip elektrinių transporto priemonių varomosios jėgos šaltinis. Norint juos tinkamai naudoti, būtina žinoti jų savybes, stipriąsias ir silpnąsias puses.
Turinys
Kas yra elektros akumuliatorius ir kaip jis pagamintas?
Elektros akumuliatorius - yra atsinaujinantis elektros energijos šaltinis. Priešingai nei galvaninius elementus, kartą iškrautą bateriją galima vėl įkrauti. Iš esmės visų akumuliatorių struktūra yra vienoda - juos sudaro katodas ir anodas, esantys elektrolite.
Elektrodų medžiaga ir elektrolito sudėtis skiriasi, o tai lemia baterijų vartojimo savybes ir jų taikymą. Tarp katodo ir anodo gali būti dedamas akytasis dielektrinis separatorius - elektrolitu impregnuotas separatorius. Tačiau jis dažniausiai lemia mechanines mazgo savybes ir neturi esminės įtakos ląstelės veikimui.
Iš esmės akumuliatoriaus veikimas pagrįstas dviem energijos konversijomis:
- elektrinis į cheminį dėl įkrovos;
- cheminę energiją į elektros energiją išlydžio metu.
Abiem atvejais vyksta grįžtamosios cheminės reakcijos, kurių eigą lemia akumuliatoriuje naudojamos medžiagos. Pavyzdžiui, švino rūgštiniame elemente aktyvioji anodo dalis yra pagaminta iš švino dioksido, o katodas - iš metalinio švino. Elektrodai yra sieros rūgšties elektrolite. Išlydžio metu anode švino dioksidas redukuojamas iki švino sulfato ir vandens, o katode švinas oksiduojamas iki švino sulfato. Įkrovimo metu vyksta priešingos reakcijos. Kitų konstrukcijų akumuliatorių komponentai reaguoja skirtingai, tačiau principas panašus.
Akumuliatorių tipai ir rūšys
Įkraunamų baterijų vartojimo savybes daugiausia lemia jų gamybos technologija. Buityje ir pramonėje dažniausiai naudojami kelių tipų akumuliatoriai.
Švino rūgštiniai akumuliatoriai .
Šio tipo akumuliatoriai buvo išrasti XIX a. viduryje ir iki šiol turi savo pritaikymo nišą. Tarp jo privalumų yra šie:
- paprasta, nebrangi ir dešimtmečius tobulinta gamybos technologija;
- didelės srovės išvestis;
- ilgas tarnavimo laikas (nuo 300 iki 1000 įkrovimo ir iškrovimo ciklų);
- mažiausia savaiminio išsikrovimo srovė;
- jokio atminties poveikio.
Yra keletas trūkumų. Pirmiausia tai mažas galios tankis, dėl kurio padidėja matmenys ir svoris. Be to, pastebėta, kad prastai veikia esant žemesnei nei užšalimo temperatūrai, ypač žemesnei nei minus 20 °C. Taip pat kyla problemų dėl šalinimo - švino junginiai yra gana toksiški. Tačiau tai yra iššūkis taip pat turi būti sprendžiami kitų tipų akumuliatorių klausimai..
Nors švino rūgštinių akumuliatorių konstrukcija buvo optimizuota, net ir čia yra galimybių ją tobulinti. Pavyzdžiui, yra AGM technologija, kai tarp elektrodų dedama akyta medžiaga, impregnuota elektrolitu. Elektrocheminiai įkrovimo ir iškrovimo procesai neturi įtakos. Tai daugiausia pagerina akumuliatorių mechanines savybes (atsparumą vibracijai, galimybę dirbti beveik bet kokioje padėtyje ir t. t.) ir šiek tiek padidina eksploatavimo saugumą.
Taip pat pastebimas privalumas - geresnis veikimas neprarandant talpos ir išėjimo srovės, esant temperatūrai iki minus 30 °C. AGM akumuliatorių gamintojai teigia, kad jie pasižymi didesne paleidimo srove ir ilgaamžiškumu.
Kita švino rūgštinio akumuliatoriaus modifikacija - gelinis akumuliatorius. Elektrolitas sutirštėja iki drebučių konsistencijos. Tai apsaugo nuo elektrolito nutekėjimo eksploatuojant ir pašalina dujų susidarymo galimybę. Tačiau šiek tiek sumažėja išėjimo srovės stipris, todėl gelinius akumuliatorius sunku naudoti kaip starterinius akumuliatorius. Už skelbiamas stebuklingas tokių akumuliatorių savybes - didesnę talpą ir ilgesnį tarnavimo laiką - atsakingi rinkodaros specialistai.
Švininiai akumuliatoriai paprastai įkraunami įtampos stabilizavimo režimu. Taip padidinama akumuliatoriaus įtampa ir sumažinama įkrovimo srovė. Įkrovimo proceso pabaigą rodo srovės sumažėjimas iki iš anksto nustatytos ribos.
Nikelio-kadmio .
Jų amžius jau baigiasi ir jų naudojimo galimybės palaipsniui mažėja. Pagrindinis jų trūkumas - atminties poveikis. Jei pradedate įkrauti nevisiškai išsikrovusį Ni-Cd akumuliatorių, elementas "įsimena" šį lygį ir talpa nustatoma pagal šią vertę. Kita problema - mažas ekologiškumas. Toksiški kadmio junginiai kelia problemų šalinant tokias baterijas. Kiti trūkumai:
- didelis polinkis savaime išsikrauti;
- palyginti nedidelė energijos talpa.
Tačiau yra ir privalumų:
- mažos išlaidos;
- ilgas tarnavimo laikas (iki 1000 įkrovimo ir iškrovimo ciklų);
- gebėjimas atiduoti didelę srovę.
Be to, tokios baterijos pasižymi tuo, kad gali veikti žemoje neigiamoje temperatūroje.
Ni-Cd elementai įkraunami nuolatinės srovės režimu. Visiškai išnaudoti talpą galima laipsniškai arba nuolat mažinant įkrovimo srovę. Proceso pabaiga stebima pagal sumažėjusią ląstelės įtampą.
Nikelio metalo hidridas .
Jie skirti pakeisti nikelio-kadmio baterijas. Jie turi daug geresnių savybių ir eksploatacinių charakteristikų nei Ni-Cd akumuliatoriai. Iš dalies pašalintas atminties efektas, maždaug pusantro karto padidinta energijos talpa ir sumažintas savaiminio išsikrovimo polinkis. Tuo pat metu dabartinė produkcija išliko didelė, o sąnaudos - maždaug tokio pat lygio. Sumažėja aplinkosaugos problema - akumuliatoriai gaminami nenaudojant toksiškų junginių. Tačiau už tai buvo sumokėta gerokai trumpesniu gyvavimo ciklu (iki 5 kartų trumpesniu) ir galimybe veikti minusinėje temperatūroje iki -20 °C, palyginti su nikelio-kadmio akumuliatoriais, kurių temperatūra -40 °C.
Šie elementai įkraunami nuolatinės srovės režimu. Proceso pabaiga stebima, kai kiekvieno elemento įtampa pakyla iki 1,37 V. Impulsinės srovės režimas su neigiama emisija yra palankiausias. Taip pašalinamas atminties efektas.
Ličio jonų akumuliatoriai
Ličio jonų akumuliatoriai užkariauja pasaulį. Jie išstumia kitų tipų akumuliatorius iš sričių, kuriose padėtis atrodė nekintama. Ličio jonų elementuose praktiškai nėra atminties efekto (jis egzistuoja, bet tik teoriškai), jie atlaiko iki 600 įkrovimo ir iškrovimo ciklų, o jų talpa 2-3 kartus didesnė nei nikelio-metalo hidrido akumuliatorių.
Savaiminio išsikrovimo tendencija laikymo metu taip pat yra minimali, tačiau už visa tai tiesiogine to žodžio prasme reikia mokėti - tokios baterijos yra daug brangesnės už įprastas baterijas. Galima tikėtis, kad kainos mažės, nes gamyba vystysis, kaip paprastai ir būna, tačiau kitų būdingų tokių baterijų trūkumų - mažesnės srovės galios, negalėjimo veikti minusinėje temperatūroje - vargu ar pavyks įveikti dabartinėmis technologijomis.
Be padidėjusio gaisro pavojaus, tai šiek tiek trukdo naudoti ličio jonų akumuliatoriai. Taip pat reikia atsižvelgti į tai, kad tokios ląstelės yra degraduojančios. Net jei jie nėra įkraunami ir iškraunami, per 1,5...2 saugojimo metus jų tarnavimo laikas pats savaime sumažėja iki nulio.
Palankiausias įkrovimo režimas yra dviejų etapų. Iš pradžių su pastovia srove (švelniai didėjančia įtampa), paskui su pastovia įtampa (švelniai mažėjančia srove). Praktiškai antroji pakopa įgyvendinama kaip tolygiai mažėjanti įkrovimo srovė. Dar dažniau šis etapas susideda iš vienos pakopos - tik mažėjančios stabilizuotos srovės.
Pagrindinės akumuliatorių savybės
Pirmasis parametras, į kurį atsižvelgiama renkantis akumuliatorių, yra jo vardinė įtampa. Vieno akumuliatoriaus elemento įtampą lemia elemente vykstantys fizikiniai ir cheminiai procesai ir ji priklauso nuo akumuliatoriaus tipo. Vienas visiškai įkrautas akumuliatorius gali užtikrinti:
- švino rūgštinis elementas - 2,1 V;
- nikelio kadmio - 1,25 V;
- nikelio-metalo hidrido - 1,37 V;
- Ličio jonų - 3,7 V.
Norint gauti didesnę įtampą, elementai surenkami į baterijas. Taigi, kad automobilio akumuliatorius būtų 12 voltų (tiksliau, 12,6 voltų), reikia nuosekliai sujungti 6 švino rūgštinius akumuliatorius, o 18 voltų atsuktuvui - 5 ličio jonų akumuliatorius, kurių kiekvieno įtampa yra 3,7 volto.
Antras svarbus parametras yra talpa. Tai lemia akumuliatoriaus veikimo laiką esant apkrovai. Jis matuojamas ampervalandėmis (srovė dalijama iš laiko). Pavyzdžiui, 3 A⋅h talpos akumuliatorius bus iškrautas per 3 valandas, kai jo srovė yra 1 amperas, o 3 amperų srovė - per 1 valandą.
Svarbu! Griežtai kalbant, akumuliatoriaus talpa priklauso nuo iškrovos srovės to paties akumuliatoriaus iškrovos laiko ir iškrovos srovės, esant skirtingoms apkrovos vertėms, sandauga nebus vienoda.
Trečias svarbus parametras srovės stipris. Tai didžiausia srovė, kurią gali tiekti akumuliatorius. Tai svarbu, pvz. automobilio akumuliatorius - lemia galimybę užvesti variklio veleną šaltu oru. Be to, gebėjimas tiekti dideles sroves, sukuriančias didelį sukimo momentą, yra svarbus, pavyzdžiui, elektriniams įrankiams. Tačiau mobiliesiems įtaisams ši savybė nėra tokia svarbi.
Akumuliatorių elektrinės savybės ir veikimas priklauso nuo jų konstrukcijos ir gamybos technologijos. Tinkamas baterijos naudojimas reiškia, kad reikia išnaudoti atsinaujinančiųjų cheminių energijos šaltinių privalumus ir išlyginti trūkumus.
Susiję straipsniai:
