Ako fungujú a fungujú batérie

V širšom zmysle slova v technike sa pod pojmom "batéria" rozumie zariadenie, ktoré umožňuje za určitých prevádzkových podmienok akumulovať určitý druh energie a v iných zase využívať pre potreby človeka.

Používajú sa tam, kde je potrebné zbierať energiu po určitú dobu a následne ju využiť na realizáciu veľkých pracovne náročných procesov. Napríklad hydraulické akumulátory používané v plavebných komorách umožňujú lodiam vystúpiť na novú úroveň v koryte rieky.

Elektrické batérie pracujú s elektrinou na rovnakom princípe: najprv akumulujú (akumulujú) elektrinu z externého zdroja nabíjania a potom ju dávajú pripojeným spotrebiteľom, aby pracovali. Svojím charakterom patria k chemickým zdrojom prúdu, ktoré sú schopné opakovane vykonávať periodické cykly vybíjania a nabíjania.

Počas prevádzky neustále prebiehajú chemické reakcie medzi komponentmi elektródových dosiek s ich náplňou - elektrolytom.

Schematický diagram batériového zariadenia môže byť znázornený zjednodušeným nákresom, keď sa do tela nádoby vložia dve platne z rôznych kovov s drôtmi na zabezpečenie elektrických kontaktov. Medzi platne sa naleje elektrolyt.

Prevádzka na batérie pri vybití

Keď sa k elektródam pripojí záťaž, napríklad žiarovka, vytvorí sa uzavretý elektrický obvod, ktorým preteká výbojový prúd. Vzniká pohybom elektrónov v kovových častiach a aniónov s katiónmi v elektrolyte.

Tento proces je bežne znázornený na diagrame s dizajnom niklovo-kadmiovej elektródy.

Tu sa ako materiál kladnej elektródy používajú oxidy niklu s prísadami grafitu, ktoré zvyšujú elektrickú vodivosť. Kovom zápornej elektródy je hubovité kadmium.

Pri výboji sa častice aktívneho kyslíka z oxidov niklu uvoľňujú do elektrolytu a smerujú na záporné platne, kde dochádza k oxidácii kadmia.

Výkon batérie pri nabíjaní

Keď je záťaž vypnutá, konštantné (v určitých situáciách pulzujúce) napätie je aplikované na svorky platne s vyššou hodnotou, ako je hodnota nabitej batérie rovnakej polarity, keď sa kladné a záporné svorky zdroja a spotrebiča zhodujú. .

Nabíjačka má vždy väčší výkon, ktorý „potláča“ zvyškovú energiu v batérii a vytvára elektrický prúd v opačnom smere vybíjania. V dôsledku toho sa menia vnútorné chemické procesy medzi elektródami a elektrolytom. Napríklad na krabici s niklovo-kadmiovými platňami je pozitívna elektróda obohatená kyslíkom a negatívna - do stavu čistého kadmia.

Pri vybití a nabití batérie sa mení chemické zloženie materiálu dosiek (elektród), ale elektrolyt sa nemení.

Spôsoby pripojenia batérie

Paralelné pripojenie

Množstvo výbojového prúdu, ktoré človek znesie, závisí od mnohých faktorov, predovšetkým však od konštrukcie, použitých materiálov a ich rozmerov. Čím väčšia je plocha dosiek na elektródach, tým väčší prúd môžu vydržať.

Tento princíp sa používa na zapojenie článkov rovnakého typu paralelne v batériách, keď je potrebné zvýšiť prúd do záťaže.Ale na nabíjanie takejto konštrukcie bude potrebné zvýšiť výkon zdroja. Táto metóda sa zriedka používa pre hotové konštrukcie, pretože teraz je oveľa jednoduchšie okamžite kúpiť potrebnú batériu. Výrobcovia kyselinových batérií to však používajú a spájajú rôzne dosky do jednotlivých blokov.

Sériové pripojenie

V závislosti od použitých materiálov môže byť medzi dvoma elektródovými platňami batérií bežnými v každodennom živote generované napätie 1,2 / 1,5 alebo 2,0 voltov. (V skutočnosti je tento rozsah oveľa širší.) Je zrejmé, že pre mnohé elektrické zariadenia to nestačí. Preto sú batérie rovnakého typu zapojené do série a často sa to robí v jednom prípade.

Príkladom takejto konštrukcie je rozšírený automobilový vývoj založený na kyseline sírovej a olovených elektródových platniach.

Zvyčajne medzi ľuďmi, najmä medzi vodičmi dopravy, je obvyklé nazývať akékoľvek zariadenie batériou, bez ohľadu na počet jeho základných prvkov - škatúľ. Nie je to však úplne správne.Konštrukcia, zostavená z niekoľkých škatúľ zapojených do série, je už batériou, pre ktorú je nalepený skrátený názov «АКБ»... Jej vnútorná štruktúra je znázornená na obrázku.

Každá z nádob pozostáva z dvoch blokov so sadou dosiek pre kladné a záporné elektródy. Bloky do seba zapadajú bez kovového kontaktu s možnosťou spoľahlivého galvanického spojenia cez elektrolyt.

V tomto prípade majú kontaktné dosky prídavnú mriežku a sú od seba oddelené oddeľovacou doskou.

Spojenie dosiek do blokov zväčšuje ich pracovnú plochu, znižuje celkový odpor celej konštrukcie a umožňuje zvýšiť výkon pripojenej záťaže.

Na vonkajšej strane krabice má takáto batéria prvky znázornené na obrázku nižšie.

Ukazuje, že robustný plastový kryt je utesnený krytom a na vrchu je vybavený dvoma svorkami (zvyčajne v tvare kužeľa) na pripojenie k elektrickému obvodu vozidla. Na ich svorkách sú vyrazené značky polarity: «+» a «-«. Zvyčajne má kladná svorka o niečo väčší priemer ako záporná svorka, aby sa blokovali chyby zapojenia.

Opraviteľné batérie majú v hornej časti každej nádoby plniaci otvor na kontrolu hladiny elektrolytu alebo pridávanie destilovanej vody počas prevádzky. Je do nej naskrutkovaná zátka, ktorá chráni vnútorné dutiny puzdra pred znečistením a zároveň zabraňuje vyliatiu elektrolytu pri naklonení batérie.

Pretože pri silnom nabití je možné plynovanie z elektrolytu (a tento proces je možný pri intenzívnej jazde), sú v zástrčkách vytvorené otvory, aby sa zabránilo zvýšeniu tlaku vo vnútri skrinky.Cez ne vystupuje kyslík a vodík, ako aj výpary elektrolytov. Odporúča sa vyhnúť sa takýmto situáciám s nadmerným nabíjacím prúdom.

Rovnaký obrázok ukazuje spojenie prvkov medzi bankami a usporiadanie elektródových dosiek.

Štartovacie autobatérie (olovnaté) fungujú na princípe dvojitej sulfatácie. Počas vybíjania / nabíjania na nich prebieha elektrochemický proces sprevádzaný zmenou chemického zloženia aktívnej hmoty elektród s uvoľňovaním / absorpciou vody v elektrolyte (kyselina sírová).

To vysvetľuje zvýšenie špecifickej hmotnosti elektrolytu pri nabíjaní a zníženie pri vybití batérie. Inými slovami, hodnota hustoty vám umožňuje posúdiť elektrický stav batérie. Na jej meranie sa používa špeciálne zariadenie – automobilový hustomer.

Destilovaná voda, ktorá je súčasťou elektrolytu kyselinových batérií, sa pri negatívnych teplotách mení na pevné skupenstvo - ľad. Preto, aby sa zabránilo zamrznutiu autobatérií v chladnom počasí, je potrebné uplatniť osobitné opatrenia stanovené v pravidlách na vykorisťovanie.

Aké typy batérií existujú?

Moderná výroba na rôzne účely produkuje viac ako tri desiatky produktov s rôznym zložením elektród a elektrolytu. 12 známych modelov beží iba na lítiu.

Ako elektródový kov možno nájsť:

• viesť;

• železo;

• lítium;

• titán;

• kobalt;

• kadmium;

• nikel;

• zinok;

• striebro;

• vanád;

• hliník

• niektoré ďalšie položky.

Ovplyvňujú elektrické výstupné charakteristiky a tým aj aplikáciu.

Pre olovené akumulátory je charakteristická schopnosť krátkodobo odolávať vysokému zaťaženiu vyplývajúcemu z otáčania kľukových hriadeľov spaľovacích motorov elektrickými štartérmi. Sú široko používané v doprave, neprerušiteľných zdrojoch energie a núdzových energetických systémoch.

Štandardné galvanické články (bežné batérie) sa zvyčajne nahrádzajú nikel-kadmiovými, nikel-zinkovými a nikel-metal hydridovými batériami.

Lítium-iónové alebo lítium-polymérové ​​konštrukcie však spoľahlivo fungujú v mobilných a výpočtových zariadeniach, stavebných nástrojoch a dokonca aj v elektrických vozidlách.

Podľa typu použitého elektrolytu sú batérie:

• kyslý

• zásadité.

Existuje klasifikácia batérií podľa účelu. Napríklad v moderných podmienkach sa objavili zariadenia, ktoré sa používajú na prenos energie - dobíjanie iných zdrojov. Takzvaná externá batéria pomáha majiteľom mnohých mobilných zariadení pri absencii striedavej elektrickej siete. Je schopný opakovane nabíjať tablet, smartfón, mobilný telefón.

Všetky tieto batérie majú rovnaký princíp činnosti a podobné zariadenie. Napríklad lítium-iónový prstový model zobrazený na obrázku nižšie v mnohých ohľadoch opakuje dizajn kyselinových batérií, o ktorých sme hovorili vyššie.

Tu vidíme rovnaké kontaktné elektródy, dosky, separátor a puzdro. Iba sú vyrobené s prihliadnutím na iné pracovné podmienky.

Základné elektrické vlastnosti batérie

Prevádzku zariadenia ovplyvňujú parametre:

• kapacita;

• hustota energie;

• samovybíjanie;

• teplotný režim.

Kapacita sa nazýva maximálne nabitie batérie, ktoré je schopná dať pri vybíjaní na najnižšie napätie. Vyjadruje sa v príveskoch (systém SI) a ampérhodinách (nesystémová jednotka).

Ako typ kapacity existuje «energetická kapacita», ktorá určuje energiu uvoľnenú počas vybíjania na minimálne prípustné napätie. Meria sa v jouloch (SI) a watthodinách (nie jednotky SI).

Hustota energie vyjadrená ako pomer množstva energie k hmotnosti alebo objemu batérie.

Samovybíjanie zvážte stratu kapacity po nabití pri absencii záťaže na svorkách. Závisí to od konštrukcie a z mnohých dôvodov sa to zhoršuje prerušením izolácie medzi elektródami.

Prevádzková teplota ovplyvňuje elektrické vlastnosti a v prípade závažných odchýlok od normy udávanej výrobcom môže dôjsť k poškodeniu batérie. Teplo a chlad sú neprípustné, ovplyvňujú priebeh chemických reakcií a tlak prostredia vo vnútri boxu.