Het toepassingsgebied van elektrische batterijen is extreem breed. Ze worden gebruikt als bronnen van elektriciteit in kinderspeelgoed, en in elektrisch gereedschap, en als tractiebron in elektrische voertuigen. Om batterijen correct te gebruiken, moet u hun eigenschappen, hun sterke en zwakke punten kennen.
Inhoud
Wat is een elektrische batterij en hoe werkt het?
elektrische batterij - het is hernieuwbaar bron van elektrische energie. In tegenstelling tot galvanische cellen kan deze na ontladen weer worden opgeladen. Alle batterijen zijn in principe op dezelfde manier gerangschikt en bestaan uit een kathode en een anode die in een elektrolyt zijn geplaatst.
Het materiaal van de elektroden en de samenstelling van de elektrolyt kunnen verschillen, en dit is wat de consumenteneigenschappen van batterijen en hun omvang bepaalt.Tussen de kathode en de anode kan een poreuze diëlektrische separator worden gelegd - een separator geïmpregneerd met elektrolyt. Maar het bepaalt grotendeels de mechanische eigenschappen van het samenstel en heeft geen fundamentele invloed op de werking van het element.
Over het algemeen is batterijwerking gebaseerd op twee energietransformaties:
- elektrisch naar chemisch tijdens het opladen;
- chemische in elektrische tijdens ontlading.
Beide typen conversie zijn gebaseerd op het optreden van omkeerbare chemische reacties, waarvan het verloop wordt bepaald door de stoffen die in de batterij worden gebruikt. Dus in een loodzuurcel is het actieve deel van de anode gemaakt van looddioxide en is de kathode gemaakt van metallisch lood. De elektroden bevinden zich in een elektrolyt van zwavelzuur. Bij ontlading bij de anode wordt looddioxide gereduceerd tot loodsulfaat en water, en lood aan de kathode wordt geoxideerd tot loodsulfaat. Tijdens het opladen treden omgekeerde reacties op. In batterijen van andere ontwerpen reageren de componenten anders, maar het principe is vergelijkbaar.
Soorten en soorten batterijen
De consumenteneigenschappen van batterijen worden voornamelijk bepaald door de productietechnologie. In het dagelijks leven en de industrie komen verschillende soorten batterijcellen het meest voor.
Lood zuur
Dit type batterij is uitgevonden in het midden van de 19e eeuw en heeft nog steeds zijn eigen toepassingsgebied. De voordelen zijn onder meer:
- eenvoudige, goedkope en decennia-oude productietechnologie;
- hoge stroomuitgang;
- lange levensduur (van 300 tot 1000 laad-ontlaadcycli);
- de laagste zelfontladingsstroom;
- geen geheugeneffect.
Er zijn ook nadelen.Allereerst is dit een lage specifieke energie-intensiteit, wat leidt tot een toename in afmetingen en gewicht. Er zijn ook slechte prestaties bij lage temperaturen, vooral onder min 20 °C. Er zijn ook problemen met de verwijdering - loodverbindingen zijn behoorlijk giftig. Maar deze taak moet worden geadresseerd voor andere soorten batterijen.
Hoewel loodzuuraccu's optimaal zijn geoptimaliseerd, is er ook hier ruimte voor verbetering. Zo is er de AGM-technologie, waarbij tussen de elektroden een poreus materiaal wordt geïmpregneerd met een elektrolyt. Dit heeft geen invloed op de elektrochemische processen van laden en ontladen. Kortom, dit verbetert de mechanische eigenschappen van de batterijen (weerstand tegen trillingen, het vermogen om in bijna elke positie te werken, enz.) En verhoogt enigszins de veiligheid van de bediening.
Een opmerkelijk voordeel is ook de verbeterde werking zonder verlies van capaciteit en stroomuitgang bij temperaturen tot min 30 °C. Fabrikanten van AGM-batterijen claimen een toename van startstroom en hulpbronnen.
Gelbatterijen zijn een andere modificatie van loodzuurbatterijen. De elektrolyt verdikt tot een gelei-toestand. Hierdoor wordt lekkage van elektrolyt tijdens bedrijf uitgesloten en wordt de mogelijkheid van vorming van gassen geëlimineerd. Maar de stroomoutput is iets verminderd, en dit beperkt de mogelijkheid om gelbatterijen als startbatterijen te gebruiken. De verklaarde wonderbaarlijke eigenschappen van dergelijke batterijen in termen van verhoogde capaciteit en toegenomen hulpbronnen zijn op het geweten van marketeers.
Loodzuuraccu's worden meestal opgeladen in de spanningsstabilisatiemodus. Tegelijkertijd neemt de spanning op de accu toe en neemt de laadstroom af. Het criterium voor het einde van het laadproces is de stroomdaling tot de ingestelde limiet.
Nikkel-cadmium
Hun eeuw loopt ten einde en het bereik wordt geleidelijk kleiner. Hun belangrijkste nadeel is een uitgesproken geheugeneffect. Als je een onvolledig ontladen Ni-Cd-accu gaat opladen, dan “onthoudt” het element dit niveau en wordt uit deze waarde verder de capaciteit bepaald. Een ander probleem is de lage milieuvriendelijkheid. Giftige cadmiumverbindingen veroorzaken problemen bij de verwijdering van dergelijke batterijen. Andere nadelen zijn:
- hoge neiging tot zelfontlading;
- relatief laag stroomverbruik.
Maar er zijn ook pluspunten:
- goedkoop;
- lange levensduur (tot 1000 laad-ontlaadcycli);
- vermogen om hoge stroom te leveren.
De voordelen van dergelijke batterijen omvatten ook het vermogen om bij lage negatieve temperaturen te werken.
Het opladen van Ni-Cd-cellen gebeurt in gelijkstroommodus. U kunt de capaciteit volledig benutten door op te laden met een geleidelijke of stapsgewijze afname van de laadstroom. Het einde van het proces wordt gecontroleerd door de celspanning te verlagen.
Nikkelmetaalhydride
Ontworpen om nikkel-cadmium-batterijen te vervangen. Veel kenmerken en consumenteneigenschappen zijn hoger dan die van Ni-Cd. Het was mogelijk om gedeeltelijk van het geheugeneffect af te komen, de energie-intensiteit met ongeveer anderhalf keer te verhogen en de neiging tot zelfontlading te verminderen. Tegelijkertijd bleef het hoge stroomrendement behouden en bleven de kosten ongeveer op hetzelfde niveau. Het milieuprobleem wordt verminderd - batterijen worden geproduceerd zonder het gebruik van giftige stoffen. Maar we moesten hiervoor betalen met een aanzienlijk verminderde hulpbron (tot 5 keer) en de mogelijkheid om bij negatieve temperaturen te werken - alleen tot -20 ° C versus -40 ° C voor nikkel-cadmium.
Dergelijke cellen worden opgeladen in gelijkstroommodus. Het einde van het proces wordt geregeld door de spanning op elk element te verhogen tot 1,37 volt. De meest gunstige is de gepulseerde stroommodus met negatieve pieken. Dit elimineert de effecten van het geheugeneffect.
Li-ion
Lithium-ionbatterijen nemen de wereld over. Ze verdringen andere soorten batterijen uit die gebieden waar de situatie onwrikbaar leek. Li-ion-cellen hebben praktisch geen geheugeneffect (het is aanwezig, maar op een theoretisch niveau), zijn bestand tegen 600 laad-ontlaadcycli, de energie-intensiteit is 2-3 keer hoger dan de verhouding tussen capaciteit en gewicht van nikkel-metaalhydride batterijen.
De neiging tot zelfontlading tijdens opslag is ook minimaal, maar voor dit alles moet je letterlijk betalen - dergelijke batterijen zijn veel duurder dan traditionele. Men kan prijsverlagingen verwachten met de ontwikkeling van de productie, zoals gewoonlijk het geval is, maar andere inherente nadelen van dergelijke batterijen - verminderde stroomefficiëntie, het onvermogen om bij negatieve temperaturen te werken - zullen waarschijnlijk niet worden overwonnen binnen het kader van bestaande technologieën.
Samen met een verhoogd brandgevaar belemmert dit enigszins het gebruik Li-ion batterijen. Er moet ook rekening mee worden gehouden dat dergelijke elementen onderhevig zijn aan degradatie. Zelfs als ze niet worden opgeladen en ontladen, gaat hun bron zelf naar nul in 1,5 ... 2 jaar opslag.
De meest gunstige laadmodus is in twee fasen. Eerst een stabiele stroom (met een geleidelijk stijgende spanning), dan een stabiele spanning (met een geleidelijk dalende stroom). In de praktijk wordt de tweede trap uitgevoerd in de vorm van een stapsgewijs gereduceerde laadstroom. Nog vaker bestaat deze fase uit één fase - de gestabiliseerde stroom neemt eenvoudig af.
Belangrijkste kenmerken van batterijen:
De eerste parameter waar aandacht aan wordt besteed bij het kiezen van een batterij is de Nominale spanning. De spanning van één batterijcel wordt bepaald door de fysisch-chemische processen die in de cel plaatsvinden en is afhankelijk van het type batterij. Een volledig opgeladen bank geeft uit:
- loodzuurelement - 2,1 volt;
- nikkel-cadmium - 1,25 volt;
- nikkelmetaalhydride - 1,37 volt;
- lithium-ion - 3,7 volt.
Om een hogere spanning te krijgen, worden de cellen samengevoegd tot batterijen. Dus voor een auto-accu moet je 6 loodzuurblikken in serie aansluiten om 12 volt te krijgen (meer precies, 12,6 V), en voor een 18 volt schroevendraaier - 5 lithium-ion blikjes van elk 3,7 volt.
De tweede belangrijke parameter is capaciteit. Bepaalt de levensduur van de batterij onder belasting. Het wordt gemeten in ampère-uren (het product van stroom en tijd). Dus een batterij met een capaciteit van 3 A⋅h wanneer ontladen met een stroomsterkte van 1 ampère, wordt ontladen in 3 uur, en met een stroomsterkte van 3 ampère - in 1 uur.
Belangrijk! Strikt gesproken, Batterij capaciteit hangt af van de stroom ontlading, dus het product van stroom en ontlaadtijd bij verschillende belastingswaarden voor één batterij zal niet hetzelfde zijn.
En de derde belangrijke parameter - Huidige voorraad. Dit is de maximale stroom die de batterij kan leveren. Het is bijvoorbeeld van belang voor auto batterij - bepaalt de mogelijkheid om de motoras in het koude seizoen te draaien. Ook de mogelijkheid om hoge stroom te leveren, waardoor een hoog koppel ontstaat, is belangrijk, bijvoorbeeld voor elektrisch gereedschap. En voor mobiele gadgets is deze eigenschap niet zo belangrijk.
De elektrische eigenschappen en consumentenkwaliteiten van batterijen zijn afhankelijk van hun ontwerp en productietechnologie. Het juiste gebruik van batterijen betekent het benutten van de voordelen van hernieuwbare chemische energiebronnen en het wegwerken van de nadelen.
Vergelijkbare artikelen:
