סוללות נטענות (מצברים) משמשות בכל מקום כמקורות כוח ניידים ונייחים: בטיפול בחומרים ציוד, כמרכיבים של אספקת חשמל חירום וגיבוי, הם הבסיס לאוטונומיה של מגוון עצום של ניידים מכשירים. הבנת אופן פעולת הסוללה תעזור לך לטעון את הטלפון החכם כראוי ולהאריך את חיי הסוללה של המכונית שלך.
תוֹכֶן
- סקירה היסטורית
- מכשיר ועיקרון הפעולה
- תכונות של טעינה ופריקה
-
סוגי סוללות
- חומצת עופרת
- סוללות אלקליין
- התקני ליתיום נטענים
סקירה היסטורית
פיתוח התא האלקטרוכימי הראשון נזקף לזכות הפיזיקאי האיטלקי אלסנדרו וולטה. הוא ערך סדרה של ניסויים בתופעות אלקטרוכימיות במהלך שנות ה-90 ובסביבות 1800 יצר את הסוללה הראשונה, אותה כינו בני דורו "העמוד הוולטאי". המכשיר היה מורכב מדיסקיות אבץ וכסף לסירוגין המופרדות על ידי שכבות של נייר או בד ספוגים בתמיסת נתרן הידרוקסיד.
ניסויים אלה הפכו לבסיס לעבודה על החוקים הכמותיים של האלקטרוכימיה עבור מייקל פאראדיי. הוא תיאר את עיקרון הפעולה של הסוללה ועל סמך עבודתו של המדען נוצרו האלמנטים החשמליים המסחריים הראשונים.. אבולוציה נוספת נראתה כך:
-
בשנת 1836 הציג הכימאי הבריטי ג'ון דניאל מודל תאים משופר, המורכב מאלקטרודות נחושת ואבץ טבולות בחומצה הידרוכלורית. התא של דניאל הצליח לספק מתח קבוע ביעילות רבה יותר מהמכשירים של וולטה.
- 1839 התקדמות נוספת התרחשה הודות לפיזיקאי גרוב עם התא הדו-נוזל שלו, המורכב מאבץ, טבול בחומצה גופרתית מדוללת, הממוקם במיכל נקבובי. האחרון הפריד בין חומצה גופרתית מכלי המכיל חומצה חנקתית ובתוכו הונחה קתודה פלטינה. חומצה חנקתית שימשה כחומר מחמצן למניעת אובדן מתח עקב הצטברות מימן בקתודה. הכימאי הגרמני רוברט בונסן החליף את הפלטינה בפחם זול בתא הגרוב ובכך קידם קבלה רחבה של סוללות מסוג זה.
- בשנת 1859, גסטון פלאנטה המציא את תא העופרת-חומצה, המבשר של סוללת המכונית המודרנית. המכשיר של פלאנטה הצליח להפיק זרם גבוה בצורה יוצאת דופן, אך שימש רק לניסויים במעבדות במשך כמעט שני עשורים.
- 1895-1905 שנים. המצאת יסודות אלקליים מסוג ניקל-קדמיום וניקל-ברזל. זה איפשר ליצור מערכות עם מספר לא מבוטל של מחזורי טעינה-פריקה.
- מאז שנות ה-30 החל פיתוח של סוללות אלקליין כסף-אבץ וכספית-אבץ, שסיפקו צפיפות אנרגיה גבוהה ליחידת משקל ונפח.
- מאז אמצע המאה ה-20, התקדמות בטכנולוגיית הייצור והופעת חומרים חדשים הובילו ליצירת סוללות חזקות וקומפקטיות אף יותר. הבולטת ביותר הייתה הופעתן של סוללות ניקל-מתכת הידריד וליתיום בשוק.
מכשיר ועיקרון הפעולה
סוללה היא מכשיר הממיר את האנרגיה של תגובות כימיות לאנרגיה חשמלית. למרות שהמונח "סוללה" מציין מכלול של שניים או יותר תאים אלקטרוכימיים המסוגלים להמרה זו, הוא מיושם באופן נרחב על תא בודד מסוג זה.
לכל תא כזה יש קתודה (אלקטרודה חיובית) ואנודה (שלילית). אלקטרודות אלו מופרדות על ידי אלקטרוליט, המבטיח חילופי יונים ביניהן. חומרי האלקטרודה והרכב האלקטרוליטים נבחרים כדי לספק כוח אלקטרומוטיבי מספיק בין מסופי הסוללה.
מכיוון שהאלקטרודות מכילות פוטנציאל מוגבל של אנרגיה כימית, הסוללה תתרוקן במהלך הפעולה. סוג התא הוולטאי המותאם להתחדשות לאחר פריקה חלקית או מלאה נקרא סוללות נטענות. מכלול מתאי מחוברים כאלה - סוללה נטענת. פעולת הסוללה מניחה שינוי מחזורי של שני מצבים:
- טעינה – הסוללה פועלת כמקלט חשמל, בתוך התאים מומרת אנרגיה חשמלית לשינויים כימיים.
- פריקה - המכשיר מתפקד כמקור לזרם חשמלי על ידי המרת האנרגיה של תגובות כימיות לאנרגיה חשמלית.
תכונות של טעינה ופריקה
האנרגיה המשמשת לשחזור הקיבולת של הסוללה מגיעה ממטענים המחוברים לרשת החשמל. כדי לאלץ זרם לזרום בתוך התאים, מתח המקור חייב להיות גבוה מזה של הסוללה. עודף משמעותי ממתח הטעינה המחושב עלול להוביל לכשל בסוללה.
אלגוריתמי טעינה תלויים באופן ישיר באופן שבו הסוללה מסודרת ולאיזה סוג היא שייכת. לדוגמה, סוללות מסוימות ניתן למלא בבטחה ממקורות מתח קבוע. אחרים עובדים רק עם מקור זרם מוסדר, המסוגל לשנות פרמטרים בהתאם לרמת הטעינה.
טעינה לא נכונה עלולה לגרום נזק לסוללה. במקרים קיצוניים, הסוללה עלולה להתלקח או שתכולתה עלולה להתפוצץ. ישנן סוללות חכמות המצוידות במכשירי ניטור מתח. הפרמטרים העיקריים שיש לקחת בחשבון בעת שימוש בסוללות גלווניות הפיכות:
-
תוחלת חיים. אפילו עם טיפול נכון, מספר מחזורי הטעינה של הסוללה מוגבל. מערכות סוללות שונות לא תמיד מתבלות מאותן סיבות. אבל באופן כללי, חיי הסוללה מוגבלים בעיקר על ידי מספר מחזורי פריקה-טעינה מלאים, ושנית, על ידי חיי התכנון ללא התייחסות לעוצמת השימוש. - זמן טעינה. העיצוב הבסיסי של הסוללה אינו מרמז על טעינה במהירות גבוהה באופן שרירותי: התנגדות פנימית תא גלווני ימיר את זרם הטעינה העודף לחום, שעלול להזיק באופן בלתי הפיך התקן. מנקודת מבט פיזית, זמן הטעינה מוגבל על ידי קצב הדיפוזיה המרבי של החומר הפעיל דרך האלקטרוליט. במילים פשוטות, ניתן לשקול כי שחזור קיבולת מלאה בשעה אחת הוא אינדיקטור טוב.
- עומק פריקה. זה מצוין כאחוז מההספק המדורג. זה מאפיין את היכולת השימושית. רמת פריקת הפעולה המומלצת עשויה להיות שונה עבור סוגים שונים של סוללות. עקב שינויים במהלך הפעולה או ההזדקנות, מחוון העומק המרבי מאבד את ערכו המקורי.
סוגי סוללות
מבחינה מבנית, סוללות שונות בהתאם למטרה ולסוג התגובות האלקטרוכימיות המתרחשות בהן. לפי אופן השימוש בהן, ניתן לחלק את הסוללות לשתי קטגוריות עיקריות:
-
משולב ברשת. סוללות אלו משמשות כהתקן אחסון הנטען ללא הרף ממקור הכוח והאספקה הראשיים חשמל לעומס במקרים בהם המקור העיקרי נעדר או לא מספיק למילוי משימות. דוגמאות ליישומים כאלה הם מערכות רכב ותעופה, אל פסק וכוח גיבוי, התקנות היברידיות. - אוטונומי. סוללות אלו מיועדות למכשירים בהם הסוללה נפרקת באותו אופן כמו סוללה רגילה שאינה הפיכה ולאחר מכן נטענת לאחר התרוקנות. במקרים כאלה משתמשים בסוללות הפיכות מטעמי נוחות, חיסכון בעלויות (חידוש הקיבולת זול יותר מהחלפה) או להפעלת ציוד מעבר ליכולות של תאים גלווניים רגילים. סוללות לרוב מוצרי האלקטרוניקה, כלי הרכב, הציוד התעשייתי למשיכה ומטענים וכמה מכשירים נייחים נכללים בקטגוריה זו.
בנוסף ליכולת הטעינה, סוללות נטענות, בהשוואה לציפוי רגיל אלמנטים, המאופיינים בצפיפות הספק גבוהה וביצועים טובים גם ברמות נמוכות טמפרטורות. בהתאם להרכב האלקטרוליטים, חומרי האלקטרודה ותכונות העיצוב, ניתן להבחין בין שלושה סוגים נפוצים של סוללות.
חומצת עופרת
לסוללות אלה יש את ההיסטוריה הארוכה ביותר של פופולריות כספקי כוח עצמאיים. רוב הסוללות הללו עשויות מלוחות עופרת או רשתות, כאשר אחת הרשתות (אלקטרודה חיובית) מצופה בעופרת דו-חמצנית גבישית. האלקטרוליט, המורכב מחומצה גופרתית, מעורב בתגובות של עופרת ועופרת דו-חמצנית ליצירת עופרת גופרתית. תנועת היונים של האחרונים יוצרת זרם פריקה. טעינה מתרחשת על ידי שחזור מטען דו-תחמוצת העופרת בקתודה על ידי הזרם.
סוללה מסוג זה מבוקשת כבר למעלה ממאה שנים בשל התכונות הבאות:
- מגוון רחב של אפשרויות לייצור זרמים גבוהים ונמוכים כאחד;
- אמינות למאות מחזורים בנוכחות בקרת טעינה;
- עלות נמוכה יחסית (עופרת זולה יותר מבחינת קיבולת מאשר ניקל, קדמיום, ליתיום או כסף);
- חיי מדף ארוכים למכשיר נטען;
- מתח גבוה של תא בודד;
- קלות ייצור (יציקה, ריתוך, גלגול).
מצבר לרכב הוא ספק הכוח הנטען של עופרת-חומצה הידוע ביותר. הם נמצאים בשימוש נרחב ככלי מתיחה בטנדרים, מלגזות וכלי רכב אחרים. בעוד שרובם ניידים, חלקם יכולים לשקול כמה טונות.
סוללות אלקליין
בסוללה מסוג זה, אנרגיה חשמלית נוצרת על ידי תגובות כימיות בתמיסה אלקלית באמצעות חומרים שונים של אלקטרודות. המפורסם שבהם:
-
ניקל-קדמיום. מסוגל לספק זרמים גבוהים במיוחד, טעינה מאות פעמים, סובלני לשגיאות תחזוקה. אבל, בהשוואה לחומצת עופרת, הם כבדים ויש להם צפיפות אנרגיה מוגבלת. העמידות שלהם תלויה ישירות בפריקה מלאה בכל מחזור. אם לא תעשה זאת, האלמנטים מציגים את מה שנקרא אפקט הזיכרון, שמתבטא בירידה ביכולת שלהם. הם נמצאים בשימוש נרחב להתנעת מנועי מטוסים, מערכות תומכות חיים בחירום ובשילוב עם מקורות אנרגיה סולארית. - ניקל-אבץ. הכי אטרקטיביים מבחינת התפתחותם. אם תוחלת החיים שלהם תוארך משמעותית, מערכות מסוג זה עשויות להוות תחליף בר-קיימא לסוללות ניקל-קדמיום וחומצת עופרת.
- ניקל-ברזל. יכול לספק אלפי מחזורים, אבל לא להטעין ביעילות. כאשר ממלאים את המיכל, הם מייצרים באופן ניכר חום וצורכים הרבה חשמל.
- ניקל-מימן. הם הומצאו בעיקר עבור תוכנית החלל האמריקאית. מימן במערכות כאלה משמש כחומר אנודה פעיל. מחליף ניקל קדמיום בתחומים רבים בשל הספק גבוה לנפח וסובלנות לאיכות השירות. משמש בכלי רכב חשמליים.
- אבץ-מנגן. הם משמשים במערכות שאינן זקוקות להרבה חשמל. צפיפות האנרגיה הגבוהה והעלות הנמוכה של סוללות אלו מעודדות עבודה הנדסית נוספת לשיפורן.
- אבץ כסף. חלק מהיקרות ביותר. הם משמשים כאשר צפיפות הספק גבוהה, משקל קל ונפח קטן הם קריטיים: בכלי רכב מיוחדים ויחידות מכ"ם ניידות.
התקני ליתיום נטענים
אלה כוללים סוללות עם אנודת ליתיום או שימוש ביוני ליתיום בתגובה אלקטרוכימית. בזמן הצגתן, סוללות מתכת ליתיום היו מבטיחות בשל המרשימות שלהן פוטנציאל למזעור, אך הוכח כלא יציב במיוחד בגלל הסיכון לתגובות כימיות אלימות ליד האנודה. לכן, ההצלחה המסחרית העיקרית של סוללה מסוג זה התרחשה בשימוש בטכנולוגיות ליתיום-יון, שמהותן היה שיחד עם נטישת האנודה של המתכת, תפקיד האלקטרוליט קיבל מלחים מורכבים לִיתִיוּם.
בשל צפיפות האנרגיה הגבוהה והפריקה העצמית הזניחה שלה, סוג זה של סוללה פופולרי כמקור כוח לאלקטרוניקה צרכנית. החיסרון העיקרי של סוללות ליתיום הוא הסיכון של הצתה בלתי צפויה כתוצאה מהתחממות יתר. אפילו המודרניים שבהם מצוידים בבקרה אלקטרונית נוספת של תהליכי טעינה ופריקה מטעמי בטיחות. סוללות ליתיום פולימר מתקדמות יותר במעמדן. במקום אלקטרוליט נוזלי, הם משתמשים בפולימר מוצק. סוללות אלו קלות יותר מסוללות ליתיום-יון רגילות., אך בשל המחיר הגבוה, הם לא יכלו להחליף אותם לחלוטין.
ההתקדמות לא עומדת מלכת. כעת מפתחים מהנדסים וטכנולוגים דגמים של המכשיר הבסיסי של סוללות העתיד, שיחליף את סוללות הליתיום-יון.
הופעת הננו-חומרים מסוגלת לתת תנופה לסבב חדש של אבולוציה של סוללות עם כל כך מדהים מכשירים מודרניים עם תכונות כמו טעינה מיידית, גמישות, קומפקטיות במיוחד וסביבתית בִּטָחוֹן.
