Jak baterie funguje: zařízení, princip činnosti, konstrukce

Nabíjecí baterie (akumulátory) se používají všude jako mobilní i stacionární zdroje energie: při manipulaci s materiálem zařízení, jako prvky nouzového a záložního napájení, jsou základem autonomie široké škály přenosných zařízení. Pochopení toho, jak baterie funguje, vám pomůže správně nabít smartphone a prodlouží životnost baterie vašeho auta.

Historický přehled

O vývoj prvního elektrochemického článku se zasloužil italský fyzik Alessandro Volta. Během 90. let 18. století provedl řadu experimentů s elektrochemickými jevy a kolem roku 1800 vytvořil první baterii, kterou jeho současníci nazývali „voltaický pilíř“. Zařízení sestávalo ze střídavě zinkových a stříbrných kotoučů oddělených vrstvami papíru nebo látky namočenými v roztoku hydroxidu sodného.

Tyto experimenty se staly základem pro práci na kvantitativních zákonech elektrochemie pro Michaela Faradaye. Popsal princip fungování baterie a na základě práce vědce vznikly první komerční elektrické prvky.

. Další vývoj vypadal takto:

• V roce 1836 představil britský chemik John Daniel vylepšený model článku, sestávající z měděných a zinkových elektrod ponořených do kyseliny chlorovodíkové. Danielův článek dokázal poskytovat konstantní napětí nesrovnatelně efektivněji než přístroje Volta.
• 1839 K dalšímu pokroku došlo díky fyzikovi Groveovi s jeho dvoukapalným článkem, tvořeným zinkem, ponořeným do zředěné kyseliny sírové, umístěným v porézní nádobě. Ten oddělil kyselinu sírovou z nádoby obsahující kyselinu dusičnou s platinovou katodou. Kyselina dusičná sloužila jako oxidační činidlo, aby se zabránilo ztrátě napětí v důsledku hromadění vodíku na katodě. Německý chemik Robert Bunsen nahradil platinu levným uhlím v článku Grove's a tím podpořil široké přijetí tohoto typu baterií.
• V roce 1859 Gaston Plante vynalezl olověný článek, předchůdce moderních autobaterií. Planteho zařízení bylo schopno produkovat neobvykle vysoký proud, ale téměř dvě desetiletí bylo používáno pouze pro experimenty v laboratořích.
• 1895-1905 let. Vynález alkalických prvků typu nikl-kadmium a nikl-železo. To umožnilo vytvořit systémy s významným počtem cyklů nabíjení-vybíjení.
• Od 30. let 20. století začal vývoj stříbrno-zinkových a rtuť-zinkových alkalických baterií, které poskytovaly vysokou hustotu energie na jednotku hmotnosti a objemu.
• Od poloviny 20. století vedly pokroky ve výrobní technologii a vznik nových materiálů k vytvoření ještě výkonnějších a kompaktnějších baterií. Nejpozoruhodnější byl nástup nikl-metal hydridových a lithiových baterií na trh.

Zařízení a princip činnosti

Baterie je zařízení, které přeměňuje energii chemických reakcí na elektrickou energii. Ačkoli termín "baterie" označuje sestavu dvou nebo více elektrochemických článků schopných této konverze, je široce používán pro jediný článek tohoto typu.

Každý takový článek má katodu (kladnou elektrodu) a anodu (negativní). Tyto elektrody jsou odděleny elektrolytem, ​​který mezi nimi zajišťuje výměnu iontů. Materiály elektrod a složení elektrolytu se volí tak, aby poskytovaly dostatečnou elektromotorickou sílu mezi vývody baterie.

Protože elektrody obsahují omezený potenciál chemické energie, baterie se během provozu vybije. Typ voltaického článku, který je uzpůsoben k doplnění po částečném nebo úplném vybití, se nazývá dobíjecí baterie. Sestava z takto propojených článků - dobíjecí baterie. Provoz baterie předpokládá cyklickou změnu dvou stavů:

• Nabíjení - baterie funguje jako přijímač elektřiny, uvnitř článků se elektrická energie přeměňuje na chemické změny.
• Výboj - zařízení funguje jako zdroj elektrického proudu přeměnou energie chemických reakcí na elektrickou energii.

Vlastnosti nabíjení a vybíjení

Energie použitá k obnovení kapacity baterie pochází z nabíječek připojených k elektrické síti. Aby proud proudil uvnitř článků, musí být napětí zdroje vyšší než napětí baterie. Výrazné překročení vypočteného nabíjecího napětí může vést k selhání baterie.

Algoritmy nabíjení přímo závisí na tom, jak je baterie uspořádána a ke kterému typu patří. Některé baterie lze například bezpečně doplňovat ze zdrojů konstantního napětí. Jiné pracují pouze s regulovaným zdrojem proudu, schopným měnit parametry v závislosti na úrovni nabití.

Nesprávné nabíjení může baterii poškodit. V extrémních případech může dojít k vznícení baterie nebo k explozi jejího obsahu. Existují chytré baterie vybavené zařízeními pro sledování napětí. Hlavní parametry, které je třeba vzít v úvahu při použití reverzibilních galvanických baterií:

• Délka života. I při správném zacházení je počet nabíjecích cyklů baterie omezen. Různé systémy baterií se ne vždy opotřebují ze stejných důvodů. Ale obecně platí, že životnost baterie je omezena především počtem cyklů úplného vybití-nabití a za druhé konstrukční životností bez ohledu na intenzitu používání.
• Doba nabíjení. Základní konstrukce baterie neznamená nabíjení libovolně vysokou rychlostí: vnitřní odpor galvanický článek přemění přebytečný nabíjecí proud na teplo, které může nenávratně poškodit přístroj. Z fyzikálního hlediska je doba nabíjení omezena maximální rychlostí difúze aktivního materiálu elektrolytem. Zjednodušeně lze říci, že obnovení plné kapacity za jednu hodinu je dobrým ukazatelem.
• Hloubka výboje. Udává se v procentech jmenovitého výkonu. Charakterizuje užitečnou kapacitu. Doporučená provozní úroveň vybití se může u různých typů baterií lišit. Vlivem změn během provozu nebo stárnutí ztrácí ukazatel maximální hloubky svou původní hodnotu.

Typy baterií

Strukturálně se baterie liší v závislosti na účelu a na typu elektrochemických reakcí, které v nich probíhají. Podle způsobu použití lze baterie rozdělit do dvou hlavních kategorií:

1. Integrováno do sítě. Tyto baterie se používají jako úložné zařízení, které se neustále nabíjí z hlavního zdroje energie a zdrojů elektřiny do zátěže v případech, kdy hlavní zdroj chybí nebo je nedostatečný k naplnění úkoly. Příklady takových aplikací jsou automobilové a letecké systémy, nepřerušitelné a záložní napájení, hybridní instalace.
2. Autonomní. Tyto baterie jsou určeny pro zařízení, ve kterých se baterie vybíjí stejným způsobem jako běžná nereverzibilní baterie a po vybití se dobíjí. V takových případech se reverzibilní baterie používají pro pohodlí, úsporu nákladů (doplnění kapacity je levnější než výměna) nebo pro napájení zařízení nad rámec možností běžných galvanických článků. Do této kategorie spadají baterie pro většinu spotřební elektroniky, vozidel, trakčních a nákladních průmyslových zařízení a některých stacionárních zařízení.

Kromě schopnosti dobíjet, dobíjecí baterie, ve srovnání s konvenčním galvanickým pokovováním prvky, vyznačující se vysokou hustotou výkonu a dobrým výkonem i při nízkých teploty. V závislosti na složení elektrolytu, materiálech elektrod a konstrukčních prvcích lze rozlišit tři běžné typy baterií.

Kyselina olova

Tyto baterie mají nejdelší historii popularity jako samostatné napájecí zdroje. Většina těchto baterií je vyrobena z olověných desek nebo mřížek, kde jedna z mřížek (kladná elektroda) je potažena krystalickým oxidem olovnatým. Elektrolyt sestávající z kyseliny sírové se podílí na reakcích olova a oxidu olovnatého za vzniku síranu olovnatého. Pohyb iontů druhé jmenované tvoří výbojový proud. Nabíjení probíhá obnovením náboje oxidu olovnatého na katodě proudem.

Tento typ baterie je žádaný již více než sto let díky následujícím vlastnostem:

• široká škála možností pro výrobu vysokých i nízkých proudů;
• spolehlivost na stovky cyklů za přítomnosti kontroly nabíjení;
• relativně nízké náklady (olovo je z hlediska kapacity levnější než nikl, kadmium, lithium nebo stříbro);
• dlouhá životnost dobíjecího zařízení;
• vysoké napětí jednoho článku;
• jednoduchost výroby (odlévání, svařování, válcování).

Autobaterie je nejznámější olověný dobíjecí zdroj. Jsou široce používány jako hnací vozidla v dodávkách, vysokozdvižných vozíkech a dalších vozidlech. Zatímco většina z nich je přenosná, některé mohou vážit několik tun.

Alkalické baterie

V tomto typu baterie je elektrická energie generována chemickými reakcemi v alkalickém roztoku za použití různých materiálů elektrod. Nejznámější z nich:

• Nikl-kadmium. Schopný dodávat výjimečně vysoké proudy, dobíjet stovkykrát, tolerantní k chybám údržby. Ale ve srovnání s olověnými kyselinami jsou těžké a mají omezenou hustotu energie. Jejich životnost je přímo závislá na úplném vybití v každém cyklu. Pokud to neuděláte, prvky vykazují tzv. paměťový efekt, který se projevuje snížením jejich kapacity. Jsou široce používány pro startování leteckých motorů, nouzové systémy podpory života a v kombinaci se solárními zdroji energie.
• Nikl-zinek. Nejatraktivnější z hlediska jejich vývoje. Pokud se jejich životnost výrazně prodlouží, systémy tohoto druhu by mohly být životaschopnou náhradou nikl-kadmiových a olověných baterií.
• Nikl-železo. Může poskytnout tisíce cyklů, ale nedobíjí efektivně. Při doplňování nádrže znatelně vytvářejí teplo a spotřebovávají hodně elektřiny.
• Nikl-vodík. Byly vynalezeny především pro americký vesmírný program. Vodík v takových systémech slouží jako aktivní anodový materiál. Nahrazuje nikl kadmium v ​​mnoha oblastech díky vysokému výkonu na objem a toleranci kvality služeb. Používá se v elektrických vozidlech.
• Zinek-mangan. Používají se v systémech, které nepotřebují mnoho elektřiny. Vysoká hustota energie a nízká cena těchto baterií povzbuzuje další inženýrské práce na jejich zlepšení.
• Stříbrný zinek. Některé z nejdražších. Používají se tam, kde je kritická vysoká hustota výkonu, nízká hmotnost a malý objem: ve speciálních vozidlech a přenosných radarových jednotkách.

Lithiová dobíjecí zařízení

Patří mezi ně baterie s lithiovou anodou nebo využití lithiových iontů při elektrochemické reakci. V době svého představení byly lithiové kovové baterie slibné díky své působivosti potenciál pro miniaturizaci, ale ukázalo se, že je extrémně nestabilní kvůli riziku prudkých chemických reakcí na anodě. Proto se hlavní komerční úspěch tohoto typu baterií odehrál s využitím lithium-iontových technologií, jejichž podstata bylo, že spolu s opuštěním kovové anody roli elektrolytu převzaly komplexní soli lithium.

Díky vysoké hustotě energie a zanedbatelnému samovybíjení je tento typ baterie oblíbený jako zdroj energie pro spotřební elektroniku. Hlavní nevýhodou lithiových baterií je riziko neočekávaného vznícení z přehřátí. I ty nejmodernější z nich jsou z bezpečnostních důvodů vybaveny doplňkovým elektronickým řízením procesů nabíjení a vybíjení. Lithium-polymerové baterie jsou ve své třídě pokročilejší. Místo kapalného elektrolytu používají pevný polymer. Tyto baterie jsou lehčí než běžné lithium-iontové baterie., ale kvůli vysoké ceně je nedokázali úplně nahradit.

Pokrok se nezastaví. Nyní inženýři a technologové vyvíjejí modely základního zařízení baterií budoucnosti, které nahradí lithium-iontové baterie.

Vznik nanomateriálů je schopen dát impuls novému kolu evoluce baterií s tak úžasnými moderní zařízení s vlastnostmi, jako je okamžité nabíjení, elasticita, ultrakompaktnost a ekologické vlastnosti bezpečnostní.