Funktionsweise der Batterie: Gerät, Funktionsprinzip, Bauformen

Akkus (Akkus) werden überall als mobile und stationäre Energiequelle eingesetzt: im Materialumschlag als Elemente der Not- und Notstromversorgung sind die Basis für die Autonomie einer Vielzahl von tragbaren Geräte. Wenn Sie wissen, wie die Batterie funktioniert, können Sie Ihr Smartphone richtig aufladen und die Lebensdauer der Batterie Ihres Autos verlängern.

Historischer Überblick

Die Entwicklung der ersten elektrochemischen Zelle wird dem italienischen Physiker Alessandro Volta zugeschrieben. In den 1790er Jahren führte er eine Reihe von Experimenten mit elektrochemischen Phänomenen durch und schuf um 1800 die erste Batterie, die seine Zeitgenossen "Voltaische Säule" nannten. Das Gerät bestand aus abwechselnden Zink- und Silberscheiben, die durch in Natronlauge getränkte Papier- oder Stoffschichten getrennt waren.

Diese Experimente wurden für Michael Faraday zur Grundlage der Arbeit an den quantitativen Gesetzen der Elektrochemie. Er beschrieb das Funktionsprinzip der Batterie und basierend auf der Arbeit des Wissenschaftlers wurden die ersten kommerziellen elektrischen Elemente geschaffen.

. Die weitere Entwicklung sah so aus:

• 1836 stellte der britische Chemiker John Daniel ein verbessertes Zellmodell vor, das aus in Salzsäure getauchten Kupfer- und Zinkelektroden bestand. Daniels Zelle war in der Lage, konstante Spannung unvergleichlich effizienter bereitzustellen als Voltas Geräte.
• 1839 Weitere Fortschritte gab es dank des Physikers Grove mit seiner Zwei-Flüssigkeits-Zelle, bestehend aus Zink, eingetaucht in verdünnte Schwefelsäure, in einem porösen Behälter. Letzterer trennte Schwefelsäure aus einem Gefäß mit Salpetersäure, in das eine Platinkathode eingesetzt war. Salpetersäure diente als Oxidationsmittel, um Spannungsverluste durch Wasserstoffaufbau an der Kathode zu verhindern. Der deutsche Chemiker Robert Bunsen ersetzte in der Grove-Zelle Platin durch billige Kohle und förderte damit die breite Akzeptanz dieses Batterietyps.
• 1859 erfand Gaston Plante die Blei-Säure-Zelle, den Vorläufer der modernen Autobatterie. Plantes Gerät konnte einen ungewöhnlich hohen Strom erzeugen, wurde aber fast zwei Jahrzehnte lang nur für Experimente im Labor verwendet.
• 1895-1905 Jahre. Erfindung der alkalischen Elemente vom Typ Nickel-Cadmium und Nickel-Eisen. Dies ermöglichte es, Systeme mit einer signifikanten Anzahl von Lade-Entlade-Zyklen zu erstellen.
• Seit den 1930er Jahren begann die Entwicklung von Silber-Zink- und Quecksilber-Zink-Alkalibatterien, die eine hohe Energiedichte pro Gewichts- und Volumeneinheit lieferten.
• Seit Mitte des 20. Jahrhunderts haben Fortschritte in der Fertigungstechnologie und das Aufkommen neuer Materialien zu noch leistungsfähigeren und kompakteren Batterien geführt. Am bemerkenswertesten war das Aufkommen von Nickel-Metallhydrid- und Lithiumbatterien auf dem Markt.

Gerät und Funktionsprinzip

Eine Batterie ist ein Gerät, das die Energie chemischer Reaktionen in elektrische Energie umwandelt. Obwohl der Begriff "Batterie" eine Anordnung von zwei oder mehr elektrochemischen Zellen bezeichnet, die zu dieser Umwandlung in der Lage sind, wird er allgemein auf eine einzelne Zelle dieses Typs angewendet.

Jede dieser Zellen hat eine Kathode (positive Elektrode) und eine Anode (negativ). Diese Elektroden sind durch einen Elektrolyten getrennt, der den Ionenaustausch zwischen ihnen gewährleistet. Elektrodenmaterialien und Elektrolytzusammensetzung werden ausgewählt, um eine ausreichende elektromotorische Kraft zwischen den Batterieanschlüssen bereitzustellen.

Da die Elektroden ein begrenztes Potential an chemischer Energie enthalten, wird die Batterie während des Betriebs entladen. Der Typ von Voltaic-Zellen, der nach einer teilweisen oder vollständigen Entladung wieder aufgefüllt werden kann, wird als wiederaufladbare Batterien bezeichnet. Eine Baugruppe aus solchen miteinander verbundenen Zellen - eine wiederaufladbare Batterie. Der Betrieb der Batterie nimmt einen zyklischen Wechsel von zwei Zuständen an:

• Aufladen - Die Batterie fungiert als Empfänger von Elektrizität, in den Zellen wird elektrische Energie in chemische Veränderungen umgewandelt.
• Entladung - Das Gerät fungiert als elektrische Stromquelle, indem es die Energie chemischer Reaktionen in elektrische Energie umwandelt.

Funktionen zum Laden und Entladen

Die Energie zur Wiederherstellung der Kapazität der Batterie stammt von Ladegeräten, die an das Stromnetz angeschlossen sind. Um einen Stromfluss innerhalb der Zellen zu erzwingen, muss die Quellenspannung höher sein als die der Batterie. Eine deutliche Überschreitung der berechneten Ladespannung kann zum Ausfall der Batterie führen.

Die Ladealgorithmen hängen direkt davon ab, wie die Batterie angeordnet ist und zu welchem ​​Typ sie gehört. Einige Batterien können beispielsweise sicher aus Konstantspannungsquellen aufgefüllt werden. Andere arbeiten nur mit einer geregelten Stromquelle, die Parameter je nach Ladezustand ändern kann.

Unsachgemäßes Aufladen kann den Akku beschädigen. Im Extremfall kann der Akku Feuer fangen oder sein Inhalt explodieren. Es gibt intelligente Batterien, die mit Spannungsüberwachungsgeräten ausgestattet sind. Die wichtigsten Parameter, die bei der Verwendung von reversiblen galvanischen Batterien zu berücksichtigen sind:

• Lebenserwartung. Auch bei sachgemäßer Handhabung ist die Anzahl der Ladezyklen des Akkus begrenzt. Unterschiedliche Batteriesysteme verschleißen nicht immer aus den gleichen Gründen. Generell wird die Akkulaufzeit aber in erster Linie durch die Anzahl der Vollentlade-Ladezyklen und zweitens durch die Design-Life ohne Bezug auf die Nutzungsintensität begrenzt.
• Aufladezeit. Der Grundaufbau des Akkus bedeutet nicht, dass er mit beliebig hoher Geschwindigkeit geladen wird: Innenwiderstand eine galvanische Zelle wandelt den überschüssigen Ladestrom in Wärme um, die irreversibel beschädigt werden kann Gerät. Physikalisch ist die Ladezeit durch die maximale Diffusionsrate des Aktivmaterials durch den Elektrolyten begrenzt. Vereinfacht kann man davon ausgehen, dass die Wiederherstellung der vollen Kapazität in einer Stunde ein guter Indikator ist.
• Entladetiefe. Sie wird in Prozent der Nennleistung angegeben. Es charakterisiert die Nutzkapazität. Die empfohlene Betriebsentladestufe kann für verschiedene Batterietypen unterschiedlich sein. Aufgrund von Änderungen während des Betriebs oder Alterung verliert die maximale Tiefenanzeige ihren ursprünglichen Wert.

Batterietypen

Batterien unterscheiden sich strukturell je nach Verwendungszweck und Art der in ihnen ablaufenden elektrochemischen Reaktionen. Batterien lassen sich nach ihrer Verwendung in zwei Hauptkategorien einteilen:

1. Integriert in das Netzwerk. Diese Batterien werden als Speichergerät verwendet, das ständig von der Hauptstromquelle geladen wird und versorgt Strom an die Last, wenn die Hauptquelle fehlt oder nicht ausreicht Aufgaben. Beispiele für solche Anwendungen sind Automobil- und Luftfahrtsysteme, unterbrechungsfreie und Notstromversorgung, Hybridinstallationen.
2. Autonom. Diese Batterien sind für Geräte gedacht, bei denen die Batterie wie eine herkömmliche nicht reversible Batterie entladen und nach der Entleerung wieder aufgeladen wird. In solchen Fällen werden reversible Batterien aus Gründen der Bequemlichkeit, Kosteneinsparung (das Auffüllen der Kapazität ist billiger als der Austausch) oder zur Stromversorgung von Geräten verwendet, die über die Fähigkeiten herkömmlicher galvanischer Zellen hinausgehen. In diese Kategorie fallen Batterien für die meisten Unterhaltungselektronik, Fahrzeuge, Traktions- und Frachtindustrieausrüstungen und einige stationäre Geräte.

Neben der Möglichkeit zum Aufladen, Akkus im Vergleich zur herkömmlichen Galvanik Elemente, gekennzeichnet durch hohe Leistungsdichte und gute Leistung auch bei niedrigen Temperaturen. Je nach Elektrolytzusammensetzung, Elektrodenmaterialien und Konstruktionsmerkmalen lassen sich drei gängige Batterietypen unterscheiden.

Bleisäure

Diese Batterien sind als eigenständige Stromversorgungen am längsten beliebt. Die meisten dieser Batterien bestehen aus Bleiplatten oder Gittern, wobei eines der Gitter (positive Elektrode) mit kristallinem Bleidioxid beschichtet ist. Der aus Schwefelsäure bestehende Elektrolyt ist an den Reaktionen von Blei und Bleidioxid zu Bleisulfat beteiligt. Die Bewegung von Ionen der letzteren bildet einen Entladungsstrom. Die Aufladung erfolgt durch Wiederherstellung der Bleidioxidladung an der Kathode durch den Strom.

Dieser Batterietyp ist aufgrund der folgenden Eigenschaften seit über hundert Jahren gefragt:

• eine breite Palette von Möglichkeiten sowohl für die Erzeugung von hohen als auch niedrigen Strömen;
• Zuverlässigkeit für Hunderte von Zyklen bei Vorhandensein einer Ladekontrolle;
• relativ niedrige Kosten (Blei ist in Bezug auf die Kapazität billiger als Nickel, Cadmium, Lithium oder Silber);
• lange Haltbarkeit für ein wiederaufladbares Gerät;
• hohe Spannung einer einzelnen Zelle;
• einfache Herstellung (Gießen, Schweißen, Walzen).

Eine Autobatterie ist die bekannteste wiederaufladbare Blei-Säure-Stromversorgung. Sie werden häufig als Zugfahrzeuge in Lieferwagen, Gabelstaplern und anderen Fahrzeugen verwendet. Während die meisten tragbar sind, können einige mehrere Tonnen wiegen.

Alkali-Batterien

Bei diesem Batterietyp wird elektrische Energie durch chemische Reaktionen in einer alkalischen Lösung unter Verwendung verschiedener Elektrodenmaterialien erzeugt. Die bekanntesten von ihnen:

• Nickel-Cadmium. Liefert außergewöhnlich hohe Ströme, lädt hunderte Male auf und ist tolerant gegenüber Wartungsfehlern. Im Vergleich zu Bleisäure sind sie jedoch schwer und haben eine begrenzte Energiedichte. Ihre Haltbarkeit hängt direkt von der vollständigen Entladung in jedem Zyklus ab. Tut man dies nicht, zeigen die Elemente den sogenannten Memory-Effekt, der sich in einer Abnahme ihrer Kapazität äußert. Sie werden häufig zum Anlassen von Flugzeugtriebwerken, Notfall-Lebenserhaltungssystemen und in Kombination mit Solarenergiequellen verwendet.
• Nickel-Zink. Die attraktivsten in ihrer Entwicklung. Bei deutlich verlängerter Lebensdauer könnten solche Systeme ein sinnvoller Ersatz für Nickel-Cadmium- und Blei-Säure-Batterien sein.
• Nickel-Eisen. Kann Tausende von Zyklen bieten, aber nicht effektiv aufladen. Beim Auffüllen des Tanks erzeugen sie spürbar Wärme und verbrauchen viel Strom.
• Nickel-Wasserstoff. Sie wurden in erster Linie für das US-Weltraumprogramm erfunden. Wasserstoff dient in solchen Systemen als aktives Anodenmaterial. Ersetzt Nickel-Cadmium in vielen Bereichen durch hohe Leistung pro Volumen und Toleranz für die Servicequalität. Wird in Elektrofahrzeugen verwendet.
• Zink-Mangan. Sie werden in Systemen eingesetzt, die nicht viel Strom benötigen. Die hohe Energiedichte und die geringen Kosten dieser Batterien ermutigen zu weiterer Entwicklungsarbeit, um sie zu verbessern.
• Silber Zink. Einige der teuersten. Sie kommen dort zum Einsatz, wo es auf hohe Leistungsdichte, geringes Gewicht und geringes Volumen ankommt: in Spezialfahrzeugen und tragbaren Radargeräten.

Wiederaufladbare Lithium-Geräte

Dazu gehören Batterien mit einer Lithium-Anode oder die Verwendung von Lithium-Ionen in einer elektrochemischen Reaktion. Zum Zeitpunkt ihrer Einführung waren Lithium-Metall-Batterien aufgrund ihrer beeindruckenden Miniaturisierungspotenzial, erwies sich jedoch aufgrund der Gefahr heftiger chemischer Reaktionen als äußerst instabil an der Anode. Daher wurde der wichtigste kommerzielle Erfolg dieses Batterietyps durch den Einsatz von Lithium-Ionen-Technologien erzielt, deren Essenz war, dass zusammen mit dem Verzicht auf die Metallanode die Rolle des Elektrolyten von komplexen Salzen übernommen wurde Lithium.

Aufgrund seiner hohen Energiedichte und vernachlässigbaren Selbstentladung ist dieser Batterietyp als Stromquelle für die Unterhaltungselektronik beliebt. Der Hauptnachteil von Lithiumbatterien ist die Gefahr einer unerwarteten Entzündung durch Überhitzung. Auch die modernsten sind aus Sicherheitsgründen mit einer zusätzlichen elektronischen Steuerung der Lade- und Entladevorgänge ausgestattet. Lithium-Polymer-Batterien sind in ihrer Klasse fortschrittlicher. Anstelle eines flüssigen Elektrolyten verwenden sie ein festes Polymer. Diese Akkus sind leichter als herkömmliche Lithium-Ionen-Akkus., aber aufgrund des hohen Preises konnten sie diese nicht vollständig ersetzen.

Der Fortschritt steht nicht still. Jetzt entwickeln Ingenieure und Technologen Modelle des Grundgeräts der Batterien der Zukunft, die die Lithium-Ionen-Batterien ersetzen werden.

Das Aufkommen von Nanomaterialien kann einer neuen Evolutionsrunde von Batterien mit so erstaunlichen moderne Geräte mit Eigenschaften wie sofortiges Aufladen, Elastizität, ultrakompakt und umweltfreundlich Sicherheit.