Jak działa bateria: urządzenie, zasada działania, projekty

Akumulatory (akumulatory) stosowane są wszędzie jako mobilne i stacjonarne źródła zasilania: w przeładunku materiałów urządzenia, jako elementy zasilania awaryjnego i rezerwowego, stanowią podstawę autonomii ogromnej różnorodności urządzeń przenośnych urządzenia. Zrozumienie, jak działa bateria, pomoże Ci prawidłowo naładować smartfon i wydłużyć żywotność akumulatora Twojego samochodu.

Przegląd Historyczny

Opracowanie pierwszego ogniwa elektrochemicznego przypisuje się włoskiemu fizykowi Alessandro Volta. Przeprowadził szereg eksperymentów ze zjawiskami elektrochemicznymi w latach 90. XVIII wieku i około 1800 r. stworzył pierwszą baterię, którą współcześni nazywali „słupem woltaicznym”. Urządzenie składało się z naprzemiennych krążków cynkowych i srebrnych oddzielonych warstwami papieru lub tkaniny nasączonych roztworem wodorotlenku sodu.

Eksperymenty te stały się podstawą do pracy nad ilościowymi prawami elektrochemii dla Michaela Faradaya. Opisał zasadę działania baterii i na podstawie pracy naukowca powstały pierwsze komercyjne elementy elektryczne.. Dalsza ewolucja wyglądała tak:

• W 1836 roku brytyjski chemik John Daniel wprowadził ulepszony model ogniwa, składający się z elektrod miedzianych i cynkowych zanurzonych w kwasie solnym. Ogniwo Daniela było w stanie zapewnić stałe napięcie nieporównywalnie wydajniej niż urządzenia Volty.
• 1839 rok. Dalszy postęp nastąpił dzięki fizykowi Grove'owi ze swoją dwucieczową komórką, składającą się z cynku, zanurzoną w rozcieńczonym kwasie siarkowym, umieszczoną w porowatym pojemniku. Ten ostatni oddzielał kwas siarkowy z naczynia zawierającego kwas azotowy z umieszczoną w nim katodą platynową. Kwas azotowy służył jako środek utleniający zapobiegający utracie napięcia spowodowanej gromadzeniem się wodoru na katodzie. Niemiecki chemik Robert Bunsen zastąpił platynę tanim węglem w ogniwie Grove i tym samym promował powszechną akceptację tego typu baterii.
• W 1859 Gaston Plante wynalazł ogniwo kwasowo-ołowiowe, prekursor nowoczesnego akumulatora samochodowego. Urządzenie Plante'a było w stanie wytworzyć niezwykle wysoki prąd, ale było używane tylko do eksperymentów w laboratoriach przez prawie dwie dekady.
• 1895-1905 lat. Wynalezienie pierwiastków alkalicznych typu nikiel-kadm i nikiel-żelazo. Umożliwiło to stworzenie systemów o znacznej liczbie cykli ładowania-rozładowania.
• Od lat 30. XX wieku rozpoczął się rozwój baterii alkalicznych srebrno-cynkowych i rtęciowo-cynkowych, które zapewniały wysoką gęstość energii na jednostkę masy i objętości.
• Od połowy XX wieku postęp w technologii produkcji i pojawienie się nowych materiałów doprowadziły do ​​stworzenia jeszcze mocniejszych i kompaktowych akumulatorów. Najbardziej godne uwagi jest pojawienie się na rynku akumulatorów niklowo-metalowo-wodorkowych i litowych.

Urządzenie i zasada działania

Bateria to urządzenie, które zamienia energię reakcji chemicznych na energię elektryczną. Chociaż termin „bateria” oznacza zespół dwóch lub więcej ogniw elektrochemicznych zdolnych do takiej konwersji, jest szeroko stosowany do pojedynczego ogniwa tego typu.

Każde takie ogniwo ma katodę (elektrodę dodatnią) i anodę (ujemną). Elektrody te są oddzielone elektrolitem, który umożliwia wymianę jonów między nimi. Materiały elektrodowe i skład elektrolitu są dobrane tak, aby zapewnić wystarczającą siłę elektromotoryczną między zaciskami akumulatora.

Ponieważ elektrody zawierają ograniczony potencjał energii chemicznej, bateria ulegnie rozładowaniu podczas pracy. Rodzaje ogniw galwanicznych, które są przystosowane do uzupełniania po częściowym lub całkowitym rozładowaniu, nazywane są akumulatorami. Zespół z takich połączonych ze sobą ogniw - akumulator. Praca baterii zakłada cykliczną zmianę dwóch stanów:

• Ładowanie - bateria pracuje jako odbiornik energii elektrycznej, wewnątrz ogniw energia elektryczna zamieniana jest na przemiany chemiczne.
• Wyładowanie - urządzenie pełni funkcję źródła prądu elektrycznego, zamieniając energię reakcji chemicznych na energię elektryczną.

Funkcje ładowania i rozładowywania

Energia wykorzystywana do przywracania pojemności baterii pochodzi z ładowarek podłączonych do sieci. Aby wymusić przepływ prądu wewnątrz ogniw, napięcie źródła musi być wyższe niż napięcie akumulatora. Znaczne przekroczenie obliczonego napięcia ładowania może prowadzić do awarii akumulatora.

Algorytmy ładowania bezpośrednio zależą od tego, w jaki sposób bateria jest ułożona i do jakiego typu należy. Na przykład niektóre baterie można bezpiecznie uzupełniać ze źródeł stałego napięcia. Inne pracują tylko z regulowanym źródłem prądu, zdolnym do zmiany parametrów w zależności od poziomu naładowania.

Niewłaściwe ładowanie może uszkodzić akumulator. W skrajnych przypadkach bateria może się zapalić lub jej zawartość może eksplodować. Istnieją inteligentne akumulatory wyposażone w urządzenia monitorujące napięcie. Główne parametry, które należy wziąć pod uwagę podczas korzystania z odwracalnych baterii galwanicznych:

• Długość życia. Nawet przy prawidłowej obsłudze liczba cykli ładowania akumulatora jest ograniczona. Różne systemy akumulatorów nie zawsze zużywają się z tych samych powodów. Ogólnie jednak żywotność baterii jest ograniczona przede wszystkim liczbą cykli pełnego rozładowania-ładowania, a po drugie, żywotnością projektowaną bez odniesienia do intensywności użytkowania.
• Czas ładowania. Podstawowa konstrukcja baterii nie zakłada ładowania z dowolnie dużą prędkością: rezystancja wewnętrzna ogniwo galwaniczne zamieni nadmiar prądu ładowania na ciepło, które może nieodwracalnie uszkodzić urządzenie. Z fizycznego punktu widzenia czas ładowania jest ograniczony maksymalną szybkością dyfuzji materiału aktywnego przez elektrolit. W uproszczeniu można uznać, że przywrócenie pełnej wydajności w ciągu godziny jest dobrym wskaźnikiem.
• Głębokość rozładowania. Jest wskazywany jako procent mocy znamionowej. Charakteryzuje użyteczną pojemność. Zalecany roboczy poziom rozładowania może się różnić dla różnych typów akumulatorów. Z powodu zmian podczas pracy lub starzenia, wskaźnik maksymalnej głębokości traci swoją pierwotną wartość.

Typy baterii

Strukturalnie baterie różnią się w zależności od przeznaczenia i rodzaju zachodzących w nich reakcji elektrochemicznych. Ze względu na sposób użytkowania baterie można podzielić na dwie główne kategorie:

1. Zintegrowany z siecią. Baterie te są używane jako urządzenie magazynujące, które jest stale ładowane z głównego źródła zasilania i materiałów eksploatacyjnych energia elektryczna do obciążenia w przypadkach, gdy główne źródło jest nieobecne lub niewystarczające do spełnienia zadania. Przykładami takich zastosowań są systemy motoryzacyjne i lotnicze, zasilanie awaryjne i awaryjne, instalacje hybrydowe.
2. Autonomiczny. Baterie te są przeznaczone do urządzeń, w których bateria jest rozładowywana w taki sam sposób jak konwencjonalna bateria nieodwracalna, a następnie doładowywana po rozładowaniu. W takich przypadkach akumulatory odwracalne są wykorzystywane dla wygody, oszczędności kosztów (uzupełnienie pojemności jest tańsze niż wymiana) lub do zasilania urządzeń przekraczających możliwości konwencjonalnych ogniw galwanicznych. Do tej kategorii należą baterie do większości elektroniki użytkowej, pojazdów, urządzeń trakcyjnych i przemysłowych ładunków oraz niektórych urządzeń stacjonarnych.

Oprócz możliwości ładowania akumulatorów, w porównaniu z konwencjonalną galwanizacją elementy, charakteryzujące się dużą gęstością mocy i dobrą wydajnością nawet przy niskich temperatury. W zależności od składu elektrolitu, materiałów elektrod i cech konstrukcyjnych można wyróżnić trzy popularne typy akumulatorów.

Kwas ołowiowy

Baterie te mają najdłuższą historię popularności jako samodzielne zasilacze. Większość tych akumulatorów wykonana jest z płyt lub siatek ołowiowych, przy czym jedna z siatek (elektroda dodatnia) jest pokryta krystalicznym dwutlenkiem ołowiu. Elektrolit składający się z kwasu siarkowego bierze udział w reakcjach ołowiu i dwutlenku ołowiu, tworząc siarczan ołowiu. Ruch jonów tych ostatnich tworzy prąd rozładowania. Ładowanie następuje poprzez przywrócenie ładunku dwutlenku ołowiu na katodzie przez prąd.

Ten typ baterii jest poszukiwany od ponad stu lat ze względu na następujące cechy:

• szeroki wachlarz możliwości zarówno do produkcji wysokich jak i niskich prądów;
• niezawodność przez setki cykli w obecności kontroli ładowania;
• stosunkowo niski koszt (ołów jest tańszy pojemnościowo niż nikiel, kadm, lit czy srebro);
• długi okres trwałości dla urządzenia wielokrotnego ładowania;
• wysokie napięcie pojedynczego ogniwa;
• łatwość wykonania (odlewanie, spawanie, walcowanie).

Akumulator samochodowy to najbardziej znany akumulator kwasowo-ołowiowy. Są szeroko stosowane jako pojazdy trakcyjne w samochodach dostawczych, wózkach widłowych i innych pojazdach. Chociaż większość z nich jest przenośna, niektóre mogą ważyć kilka ton.

Baterie alkaliczne

W tego typu akumulatorach energia elektryczna jest wytwarzana w wyniku reakcji chemicznych w roztworze alkalicznym z wykorzystaniem różnych materiałów elektrodowych. Najsłynniejszy z nich:

• Nikiel-kadm. Potrafi dostarczać wyjątkowo wysokie prądy, ładować setki razy, jest odporny na błędy konserwacyjne. Ale w porównaniu z kwasem ołowiowym są ciężkie i mają ograniczoną gęstość energii. Ich trwałość jest bezpośrednio zależna od całkowitego rozładowania w każdym cyklu. Jeśli tego nie zrobisz, elementy wykazują tzw. efekt pamięci, który wyraża się zmniejszeniem ich pojemności. Są szeroko stosowane do uruchamiania silników lotniczych, systemów podtrzymywania życia w sytuacjach awaryjnych oraz w połączeniu ze źródłami energii słonecznej.
• Nikiel-cynk. Najbardziej atrakcyjne pod względem rozwoju. Jeśli ich żywotność znacznie się wydłuży, systemy tego rodzaju mogą być realnym zamiennikiem akumulatorów niklowo-kadmowych i kwasowo-ołowiowych.
• Nikiel-żelazo. Może zapewnić tysiące cykli, ale nie ładuje się skutecznie. Podczas uzupełniania zbiornika zauważalnie wytwarzają ciepło i zużywają dużo energii elektrycznej.
• Nikiel-wodór. Zostały wynalezione głównie dla amerykańskiego programu kosmicznego. Wodór w takich układach służy jako aktywny materiał anodowy. Zastępuje kadm niklowy w wielu obszarach ze względu na wysoką moc na objętość i tolerancję dla jakości usług. Stosowany w pojazdach elektrycznych.
• Cynkowo-manganowy. Stosowane są w systemach, które nie wymagają dużej ilości energii elektrycznej. Wysoka gęstość energii i niski koszt tych baterii zachęcają do dalszych prac inżynieryjnych w celu ich ulepszenia.
• Cynk srebrny. Niektóre z najdroższych. Stosowane są tam, gdzie kluczowe znaczenie ma wysoka gęstość mocy, niewielka waga i mała objętość: w pojazdach specjalnych i przenośnych jednostkach radarowych.

Urządzenia do wielokrotnego ładowania litowego

Należą do nich baterie z anodą litową czy wykorzystanie jonów litu w reakcji elektrochemicznej. W momencie ich wprowadzenia baterie litowo-metalowe były obiecujące ze względu na ich imponujące potencjał miniaturyzacji, ale okazał się wyjątkowo niestabilny ze względu na ryzyko gwałtownych reakcji chemicznych na anodzie. Dlatego główny sukces komercyjny tego typu baterii nastąpił z wykorzystaniem technologii litowo-jonowych, których istotą jest było to, że wraz z rezygnacją z anody metalowej rolę elektrolitu przejęły sole kompleksowe lit.

Ze względu na wysoką gęstość energii i znikome samorozładowanie, ten typ baterii jest popularny jako źródło zasilania elektroniki użytkowej. Główną wadą baterii litowych jest ryzyko nieoczekiwanego zapłonu w wyniku przegrzania. Nawet najnowocześniejsze z nich ze względów bezpieczeństwa wyposażone są w dodatkową elektroniczną kontrolę procesów ładowania i rozładowywania. Baterie litowo-polimerowe są bardziej zaawansowane w swojej klasie. Zamiast ciekłego elektrolitu używają stałego polimeru. Baterie te są lżejsze niż konwencjonalne baterie litowo-jonowe., ale ze względu na wysoką cenę nie mogły ich całkowicie zastąpić.

Postęp nie stoi w miejscu. Teraz inżynierowie i technolodzy opracowują modele podstawowego urządzenia akumulatorów przyszłości, które zastąpi akumulatory litowo-jonowe.

Pojawienie się nanomateriałów jest w stanie nadać impet nowej rundzie ewolucji baterii o tak niesamowitych nowoczesne urządzenia o właściwościach takich jak błyskawiczne ładowanie, elastyczność, ultrakompaktowość i ekologiczność bezpieczeństwo.