Kuidas aku töötab: seade, tööpõhimõte, kujundused

Laetavaid patareisid (akusid) kasutatakse kõikjal mobiilsete ja statsionaarsete toiteallikatena: materjalikäitluses seadmed avarii- ja varutoiteallikana on paljude erinevate kaasaskantavate seadmete autonoomia aluseks seadmeid. Aku tööpõhimõtete mõistmine aitab teil nutitelefoni korralikult laadida ja pikendab auto aku eluiga.

Ajalooline ülevaade

Esimese elektrokeemilise elemendi väljatöötamise eest vastutab Itaalia füüsik Alessandro Volta. Ta viis 1790. aastatel läbi rea katseid elektrokeemiliste nähtustega ja umbes 1800. aastal lõi esimese patarei, mida tema kaasaegsed nimetasid "voltaic sambaks". Seade koosnes vahelduvatest tsink- ja hõbeketastest, mis olid eraldatud naatriumhüdroksiidi lahusesse kastetud paberi- või riidekihtidega.

Need katsed said Michael Faraday elektrokeemia kvantitatiivsete seaduste alase töö aluseks. Ta kirjeldas aku tööpõhimõtet ja teadlase töö põhjal loodi esimesed kaubanduslikud elektrielemendid.

. Edasine areng nägi välja selline:

• 1836. aastal tutvustas Briti keemik John Daniel täiustatud rakumudelit, mis koosnes vesinikkloriidhappesse sukeldatud vase- ja tsingielektroodidest. Danieli rakk suutis pidevat pinget pakkuda võrreldamatult tõhusamalt kui Volta seadmed.
• 1839 Edasised edusammud toimusid tänu füüsik Grove'ile oma poorses anumas paikneva lahjendatud väävelhappesse sukeldatud tsingist koosneva kahe vedeliku rakuga. Viimane eraldas lämmastikhapet sisaldavast anumast väävelhappe, millesse oli asetatud plaatinakatoodi. Lämmastikhape toimis oksüdeeriva ainena, et vältida katoodil vesiniku kogunemisest tingitud pingekadu. Saksa keemik Robert Bunsen asendas Grove'i kambris plaatina odava kivisöega ja soodustas sellega seda tüüpi akude laialdast aktsepteerimist.
• 1859. aastal leiutas Gaston Plante plii-happeelemendi, mis on kaasaegse autoaku eelkäija. Plante seade suutis toota ebatavaliselt suurt voolu, kuid seda kasutati laborites katseteks vaid ligi kaks aastakümmet.
• 1895-1905 aastat. Nikkel-kaadmiumi ja nikkel-raua tüüpi leeliseliste elementide leiutamine. See võimaldas luua süsteeme märkimisväärse arvu laadimis-tühjenemistsüklitega.
• Alates 1930. aastatest hakati välja töötama hõbe-tsink- ja elavhõbe-tsink-leelispatareisid, mis andsid suure energiatiheduse kaalu- ja mahuühiku kohta.
• Alates 20. sajandi keskpaigast on tootmistehnoloogia areng ja uute materjalide ilmumine viinud veelgi võimsamate ja kompaktsemate akude loomiseni. Märkimisväärseim on olnud nikkel-metallhüdriid- ja liitiumakude ilmumine turule.

Seade ja tööpõhimõte

Aku on seade, mis muudab keemiliste reaktsioonide energia elektrienergiaks. Kuigi termin "patarei" tähistab kahe või enama elektrokeemilise elemendi koostu, mis on võimeline seda muundama, kasutatakse seda laialdaselt ühe seda tüüpi elemendi kohta.

Igal sellisel elemendil on katood (positiivne elektrood) ja anood (negatiivne). Need elektroodid on eraldatud elektrolüüdiga, mis tagab nendevahelise ioonivahetuse. Elektroodide materjalid ja elektrolüüdi koostis on valitud nii, et aku klemmide vahel oleks piisav elektromotoorjõud.

Kuna elektroodid sisaldavad piiratud keemilise energia potentsiaali, saab aku töötamise ajal tühjaks. Voltaelementi, mis on kohandatud pärast osalist või täielikku tühjenemist täiendamiseks, nimetatakse laetavateks akudeks. Sellistest omavahel ühendatud elementidest koosnev koost - laetav aku. Aku töö eeldab kahe oleku tsüklilist muutumist:

• Laadimine - aku töötab elektri vastuvõtjana, elementide sees muundatakse elektrienergia keemilisteks muutusteks.
• Tühjenemine – seade toimib elektrivoolu allikana, muundades keemiliste reaktsioonide energia elektrienergiaks.

Laadimise ja tühjendamise omadused

Aku mahutavuse taastamiseks kuluv energia tuleb vooluvõrku ühendatud laadijatest. Voolu sundimiseks elementide sees voolama peab allika pinge olema kõrgem kui aku pinge. Arvutatud laadimispinge märkimisväärne ületamine võib põhjustada aku rikke.

Laadimisalgoritmid sõltuvad otseselt sellest, kuidas aku on paigutatud ja mis tüüpi see kuulub. Näiteks saab mõnda akut ohutult täiendada pideva pinge allikatest. Teised töötavad ainult reguleeritud vooluallikaga, mis on võimelised muutma parameetreid sõltuvalt laadimistasemest.

Ebaõige laadimine võib akut kahjustada. Äärmuslikel juhtudel võib aku süttida või selle sisu plahvatada. Seal on pingejälgimisseadmetega varustatud nutikad akud. Peamised parameetrid, mida pööratavate galvaaniliste patareide kasutamisel arvesse võtta:

• Oodatav eluiga. Isegi õige käsitsemise korral on aku laadimistsüklite arv piiratud. Erinevad akusüsteemid ei kulu alati samadel põhjustel. Kuid üldiselt piirab aku eluiga eeskätt täielike tühjenemise-laadimistsüklite arv ja teiseks projekteeritud kasutusiga, sõltumata kasutusintensiivsusest.
• Laadimisaeg. Aku põhikonstruktsioon ei tähenda laadimist meelevaldselt suurel kiirusel: sisemine takistus galvaaniline element muudab liigse laadimisvoolu soojuseks, mis võib pöördumatult kahjustada seade. Füüsikalisest vaatenurgast on laadimisaeg piiratud aktiivse materjali maksimaalse difusioonikiirusega läbi elektrolüüdi. Lihtsamalt öeldes võib lugeda, et täisvõimsuse taastamine ühe tunniga on hea näitaja.
• Väljalaske sügavus. Seda näidatakse protsendina nimivõimsusest. See iseloomustab kasulikku võimsust. Soovitatav töötühjenemistase võib eri tüüpi akude puhul erineda. Töötamise või vananemise ajal toimunud muutuste tõttu kaotab maksimaalse sügavuse indikaator oma esialgse väärtuse.

Akude tüübid

Struktuurselt erinevad akud sõltuvalt otstarbest ja neis toimuvate elektrokeemiliste reaktsioonide tüübist. Vastavalt nende kasutusviisile võib akud jagada kahte põhikategooriasse:

1. Integreeritud võrku. Neid akusid kasutatakse salvestusseadmena, mida laetakse pidevalt peamisest toiteallikast ja toiteallikatest elektrienergia koormusele juhtudel, kui põhiallikas puudub või ei ole selle täitmiseks piisav ülesandeid. Sellised rakendused on näiteks auto- ja lennundussüsteemid, katkematu ja varutoide, hübriidpaigaldised.
2. Autonoomne. Need akud on mõeldud seadmetele, mille aku tühjeneb samamoodi nagu tavalist mittepööratavat akut ja seejärel laaditakse uuesti, kui see on tühjenenud. Sellistel juhtudel kasutatakse pöördpatareisid mugavuse, kulude kokkuhoiu eesmärgil (võimsuse täiendamine on odavam kui asendamine) või seadmete toiteks, mis ületavad tavapäraste galvaaniliste elementide võimeid. Sellesse kategooriasse kuuluvad enamiku olmeelektroonika, sõidukite, veojõu- ja kaubatööstusseadmete ning mõnede statsionaarsete seadmete akud.

Lisaks laadimisvõimalusele, akud, võrreldes tavapärase galvaniseerimisega elemendid, mida iseloomustab suur võimsustihedus ja hea jõudlus isegi madalal temperatuurid. Sõltuvalt elektrolüüdi koostisest, elektroodide materjalidest ja disainiomadustest võib eristada kolme levinumat tüüpi patareisid.

Pliihape

Nendel akudel on eraldiseisvate toiteallikatena pikim populaarsuse ajalugu. Enamik neist akudest on valmistatud pliiplaatidest või -võredest, kus üks võre (positiivne elektrood) on kaetud kristallilise pliidoksiidiga. Väävelhappest koosnev elektrolüüt osaleb plii ja pliidoksiidi reaktsioonides, moodustades pliisulfaadi. Viimaste ioonide liikumine moodustab tühjendusvoolu. Laadimine toimub pliidoksiidi laengu taastamisega katoodil vooluga.

Seda tüüpi akusid on nõutud juba üle saja aasta järgmiste omaduste tõttu:

• lai valik võimalusi nii kõrgete kui ka madalate voolude tootmiseks;
• töökindlus sadade tsüklite jaoks laadimiskontrolli juuresolekul;
• suhteliselt madal hind (plii on võimsuse poolest odavam kui nikkel, kaadmium, liitium või hõbe);
• laetava seadme pikk säilivusaeg;
• ühe elemendi kõrgepinge;
• valmistamise lihtsus (valu, keevitamine, valtsimine).

Autoaku on kõige tuntum plii-happelaetav toiteallikas. Neid kasutatakse laialdaselt veoautodena kaubikutes, kahveltõstukites ja muudes sõidukites. Kuigi enamik on kaasaskantavad, võivad mõned kaaluda mitu tonni.

Leelispatareid

Seda tüüpi akudes toodetakse elektrienergiat keemiliste reaktsioonide käigus leelislahuses, kasutades erinevaid elektroodmaterjale. Tuntuimad neist:

• Nikkel-kaadmium. Võimeline andma erakordselt suuri voolusid, laadima sadu kordi, talub hooldusvigu. Kuid võrreldes pliihappega on need rasked ja neil on piiratud energiatihedus. Nende vastupidavus sõltub otseselt iga tsükli täielikust tühjenemisest. Kui te seda ei tee, avaldavad elemendid nn mäluefekti, mis väljendub nende võimsuse vähenemises. Neid kasutatakse laialdaselt lennukimootorite käivitamiseks, päästesüsteemide päästmiseks hädaolukorras ja koos päikeseenergia allikatega.
• Nikkel-tsink. Oma arengu poolest kõige atraktiivsemad. Kui nende eluiga oluliselt pikendatakse, võivad seda tüüpi süsteemid nikkel-kaadmium- ja pliiakudele elujõuliselt asendada.
• Nikkel-raud. Võib pakkuda tuhandeid tsükleid, kuid ei laadi tõhusalt. Paaki täiendades toodavad need märgatavalt soojust ja kulutavad palju elektrit.
• Nikkel-vesinik. Need leiutati peamiselt USA kosmoseprogrammi jaoks. Vesinik toimib sellistes süsteemides aktiivse anoodimaterjalina. Asendab paljudes piirkondades nikkelkaadmiumi tänu suurele mahule ja teeninduskvaliteedile. Kasutatakse elektrisõidukites.
• Tsink-mangaan. Neid kasutatakse süsteemides, mis ei vaja palju elektrit. Nende patareide suur energiatihedus ja madal hind julgustavad nende täiustamiseks edasist inseneritööd.
• Hõbedane tsink. Mõned kõige kallimad. Neid kasutatakse seal, kus suur võimsustihedus, kerge kaal ja väike maht on kriitilise tähtsusega: spetsiaalsetes sõidukites ja kaasaskantavates radariseadmetes.

Liitiumiga laetavad seadmed

Nende hulka kuuluvad liitiumanoodiga akud või liitiumioonide kasutamine elektrokeemilises reaktsioonis. Nende kasutuselevõtu ajal olid liitiumakud oma muljetavaldavate omaduste tõttu paljulubavad miniaturiseerimise potentsiaal, kuid osutus ägedate keemiliste reaktsioonide ohu tõttu äärmiselt ebastabiilseks anoodi juures. Seetõttu sai seda tüüpi akude peamine äriline edu liitiumioontehnoloogiate kasutamine, mille põhiolemus oli see, et koos metalli anoodist loobumisega võtsid elektrolüüdi rolli komplekssoolad liitium.

Seda tüüpi akud on oma suure energiatiheduse ja tühise isetühjenemise tõttu populaarne olmeelektroonika toiteallikana. Liitiumakude peamiseks puuduseks on ülekuumenemisest tulenev ootamatu süttimise oht. Ka kõige kaasaegsemad neist on ohutuse huvides varustatud täiendava elektroonilise laadimis- ja tühjendusprotsesside juhtimisega. Liitiumpolümeerakud on oma klassis arenenumad. Vedela elektrolüüdi asemel kasutavad nad tahket polümeeri. Need akud on kergemad kui tavalised liitiumioonakud., kuid kõrge hinna tõttu ei saanud nad neid täielikult asendada.

Edusammud ei seisa paigal. Nüüd töötavad insenerid ja tehnoloogid välja tulevikuakude põhiseadme mudeleid, mis asendavad liitiumioonakud.

Nanomaterjalide ilmumine võib anda tõuke nii hämmastavate akude uuele arenguvoorule. kaasaegsed seadmed, millel on sellised omadused nagu kiirlaadimine, elastsus, ülikompaktsus ja keskkonnasõbralikkus turvalisus.