Baterie są najpowszechniejszym źródłem zasilania dla podstawowych urządzeń ręcznych do zastosowań przemysłowych na dużą skalę. Akumulator można zdefiniować jako połączenie jednego lub więcej ogniw elektrochemicznych, które są zdolne do przekształcania zmagazynowanej energii chemicznej w energię elektryczną.
Działanie baterii:
Bateria to urządzenie, które składa się z różnych ogniw galwanicznych. Każde ogniwo galwaniczne składa się z dwóch półogniw połączonych szeregowo przewodzącym elektrolitem zawierającym aniony i jony katalityczne. Jedno półogniwo zawiera elektrolit i elektrodę, do której przemieszczają się aniony, tj. Anodę lub elektrodę ujemną, a drugą półogniwo zawiera elektrolit oraz elektrodę, do której przemieszczają się jony katody, czyli katodę lub elektrodę dodatnią.
W reakcji redoks, która zasila akumulator, następuje redukcja do kationów na katodzie, podczas gdy utlenianie do anionów na anodzie. Elektrody nie stykają się ze sobą, ale są połączone elektrycznie przez elektrolit. Przeważnie półogniwa mają różne elektrolity. Biorąc wszystko pod uwagę, każde półogniwo jest zamknięte w pojemniku, a separator, który jest porowaty dla jonów, ale nie większość elektrolitów, zapobiega mieszaniu.
Działanie baterii
Każde półogniwo ma siłę elektromotoryczną (Emf), określoną przez jego zdolność do kierowania prądu elektrycznego z wnętrza ogniwa na zewnątrz. Emf netto komórki jest różnicą między emfem jej półogniw. W ten sposób, jeśli elektrody mają emf, a innymi słowy, emf netto jest różnicą między potencjałami redukcyjnymi reakcji półreakcji.
Jak dbać o baterię?
Aby utrzymać akumulator w dobrym stanie, konieczne jest wyrównanie akumulatora. Ze względu na starzenie się wszystkie ogniwa nie ładują się podobnie, a niektóre komórki przyjmują ładowanie bardzo szybko, podczas gdy inne ładują się stopniowo. Wyrównywanie można przeprowadzić poprzez nieznaczne nadmierne ładowanie akumulatora, aby słabsze ogniwa mogły się również całkowicie naładować. Napięcie na zaciskach całkowicie naładowanego akumulatora wynosi 12 V, akumulator samochodowy ma na zaciskach 13,8 V, a 12 V akumulator rurowy - 14,8 V. Akumulator samochodowy należy solidnie zamocować w pojeździe, aby uniknąć wstrząsów. Jeśli to możliwe, akumulator falownika należy umieścić na drewnianej desce.
2 rodzaje baterii
1) Baterie podstawowe:
Jak nazwa wskazuje, te baterie są przeznaczone do jednorazowego użytku. Po zużyciu tych baterii nie można ich ponownie naładować, ponieważ urządzenia nie są łatwo odwracalne, a materiały aktywne mogą nie powrócić do swojej pierwotnej postaci. Producenci baterii odradzają ładowanie podstawowych ogniw.
Niektóre przykłady jednorazowych baterii to zwykłe baterie AA, AAA, których używamy w zegarach ściennych, pilocie do telewizora itp. Inną nazwą tych baterii są baterie jednorazowe.
Rodzaje baterii
2) Baterie wtórne:
Baterie wtórne są również nazywane akumulatorami. Akumulatory te mogą być używane i ładowane jednocześnie. Są one zwykle montowane z materiałów aktywnych z aktywnym w stanie rozładowanym. Akumulatory są ładowane przy użyciu prądu elektrycznego, który odwraca reakcje chemiczne zachodzące podczas rozładowania. Ładowarki to urządzenia dostarczające wymagany prąd.
Niektóre przykłady takich akumulatorów to baterie używane w telefonach komórkowych, odtwarzaczach MP3 itp. Urządzenia takie jak aparaty słuchowe i zegarki na rękę wykorzystują miniaturowe ogniwa, a w miejscach takich jak centrale telefoniczne lub centra danych używane są większe baterie.
Baterie wtórne
Typy baterii wtórnych (ładowalnych):
SMF, kwas ołowiowy, Li i Nicd
Bateria SMF:
SMF to plik szczelna bateria bezobsługowa, zaprojektowana, aby zapewnić niezawodną, stałą i niską konserwację mocy w zastosowaniach UPS. Akumulatory te mogą podlegać zastosowaniom w głębokim cyklu i minimalnej konserwacji na obszarach wiejskich i obszarach deficytowych. Te baterie są dostępne od 12 V.
W dzisiejszym świecie informacyjnym nie można przeoczyć wymagań, aby systemy akumulatorów były zaprojektowane do odzyskiwania kluczowych kwalifikowanych danych i informacji oraz do uruchamiania podstawowych instrumentów przez określony czas. Baterie są niezbędne do zapewnienia natychmiastowej mocy. Zawodne i gorsze baterie mogą spowodować utratę danych i przestoje sprzętu, co może kosztować firmy znaczne straty finansowe. Następnie segmenty UPS wymagają zastosowania niezawodnego i sprawdzonego systemu baterii.
Bateria SMF
Bateria litowa (Li):
Wszyscy używamy go w urządzeniach przenośnych, takich jak telefon komórkowy, laptop czy elektronarzędzie. Bateria litowa była jednym z największych osiągnięć w dziedzinie zasilania przenośnego w ostatniej dekadzie. Dzięki zastosowaniu baterii litowych byliśmy w stanie przejść z czarno-białych telefonów komórkowych na kolorowe telefony komórkowe z dodatkowymi funkcjami, takimi jak GPS, powiadomienia e-mail itp. urządzenia z potencjałem gęstości energii dla wyższych mocy. Oraz akumulatory o stosunkowo niskim samorozładowaniu. Również specjalne ogniwa mogą zapewnić bardzo wysoki prąd do zastosowań takich jak elektronarzędzia.
Bateria litowa
Bateria niklowo-kadmowa (Nicd):
Zaletą akumulatorów niklowo-kadmowych jest wielokrotne ładowanie i stosunkowo stały potencjał podczas rozładowywania oraz większa wytrzymałość elektryczna i fizyczna. Ta bateria wykorzystuje tlenek niklu jako katodę, związek kadmu dla anody i roztwór wodorotlenku potasu jako elektrolit.
Podczas ładowania akumulatora skład chemiczny katody jest przekształcany, a wodorotlenek niklu zmienia się w NIOOH. W anodzie jony kadmu powstają z wodorotlenku kadmu. Kiedy bateria jest rozładowana, kadm reaguje z NiOOH, tworząc z powrotem wodorotlenek niklu i wodorotlenek kadmu.
Cd + 2H2O + 2NiOOH -> 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2
Bateria kwasowo-ołowiowa:
Akumulatory kwasowo-ołowiowe są szeroko stosowane w samochodach, falownikach, systemach zasilania rezerwowego itp. W przeciwieństwie do akumulatorów rurowych i bezobsługowych akumulatory kwasowo-ołowiowe wymagają odpowiedniej pielęgnacji i konserwacji, aby przedłużyć ich żywotność. Akumulator kwasowo-ołowiowy składa się z szeregu płytek zanurzonych w roztworze kwasu siarkowego. Płytki posiadają kratki, na których mocowany jest materiał aktywny. Płyty są podzielone na płyty dodatnie i ujemne. Płytki dodatnie zawierają czysty ołów jako materiał aktywny, podczas gdy tlenek ołowiu jest przymocowany do płyt ujemnych.
Bateria kwasowo-ołowiowa
Całkowicie naładowany akumulator może rozładować swój prąd po podłączeniu do obciążenia. Podczas procesu wyładowania kwas siarkowy łączy się z substancjami aktywnymi na płytach dodatnich i ujemnych, co prowadzi do powstania siarczanu ołowiu. Woda jest najważniejszym krokiem w utrzymaniu baterii kwasowo-ołowiowej. Częstotliwość wody zależy od użytkowania, sposobu ładowania i temperatury pracy. W trakcie procesu atomy wodoru z kwasu siarkowego reagują z tlenem, tworząc wodę.
Powoduje to uwolnienie elektronów z płyt dodatnich, które zostaną zaakceptowane przez płyty ujemne. Prowadzi to do powstania potencjału elektrycznego w akumulatorze. Elektrolit w akumulatorze kwasowo-ołowiowym to mieszanina kwasu siarkowego i wody o określonej gęstości. Ciężar właściwy to ciężar mieszaniny kwas-woda w stosunku do równej objętości wody. Ciężar właściwy czystej wody wolnej od jonów wynosi 1.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe zapewniają najlepszą wartość mocy i energii na kilowatogodzinę, mają najdłuższy cykl życia i dużą zaletę dla środowiska, ponieważ są poddawane recyklingowi w niezwykle wysokim tempie. Żadna inna chemia nie może naruszyć istniejącej infrastruktury zbierania, transportu i recyklingu akumulatorów kwasowo-ołowiowych.
W tym artykule omówiono baterię litowo-jonową z jej zaletami i wadami.
Działanie baterii litowo - jonowej
Baterie litowo-jonowe są obecnie popularne w większości przenośnych urządzeń elektronicznych, takich jak telefony komórkowe, laptopy, aparaty cyfrowe itp. Ze względu na ich długotrwałą wydajność energetyczną. Są to najpopularniejsze akumulatory o takich zaletach, jak najlepsza gęstość energii, znikoma utrata ładunku i brak efektu pamięci. Akumulator litowo-jonowy wykorzystuje jony litu jako nośniki ładunku, które przemieszczają się od elektrody ujemnej do elektrody dodatniej podczas rozładowywania iz powrotem podczas ładowania. Podczas ładowania zewnętrzny prąd z ładowarki powoduje przepięcie niż w akumulatorze. Zmusza to prąd do przejścia w odwrotnym kierunku od elektrody dodatniej do ujemnej, gdzie jony litu zostają osadzone w porowatym materiale elektrody w procesie zwanym interkalacją. Li-Iony przechodzą przez niewodny elektrolit i membranę separatora. Materiał elektrody to interkalowany związek litu.
Elektroda ujemna baterii litowo-jonowej jest wykonana z węgla, a elektroda dodatnia to tlenek metalu. Najczęściej stosowanym materiałem w elektrodzie ujemnej jest grafit, podczas gdy w elektrodzie dodatniej może być tlenek kobaltu litu, fosforan jonów litu lub tlenek manganu litu. Jako elektrolit stosuje się sól litową w rozpuszczalniku organicznym. Elektrolit jest zwykle mieszaniną węglanów organicznych, takich jak węglan etylenu lub węglan dietylu, zawierająca jony litu. Elektrolit wykorzystuje sole anionowe, takie jak heksafluorofosforan litu, monohydrat heksafluoroarsenianu litu, perchloran litu, heksafluoroboran litu itp. Napięcie, pojemność i żywotność akumulatora są różne w zależności od użytej soli. Czysty lit reaguje energicznie z wodą, tworząc wodorotlenek litu i jony wodoru. Zatem zastosowanym elektrolitem jest niewodny rozpuszczalnik organiczny. Elektrochemiczna rola ładunku elektrod między anodą a katodą zależy od kierunku przepływu prądu.
Reakcja na akumulator litowo-jonowy
W akumulatorze Li-Ion obie elektrody mogą przyjmować i uwalniać jony litu. Podczas procesu interkalacji jony litu przemieszczają się do elektrody. Podczas procesu odwrotnego zwanego de interkalacją jony litu cofają się. Podczas rozładowywania dodatnie jony litu zostaną wyodrębnione z elektrod ujemnych i wprowadzone do elektrody dodatniej. Podczas procesu ładowania następuje odwrotny ruch jonów litu.
Zalety baterii litowo - jonowej:
Baterie litowo-jonowe przewyższają akumulatory NiCd i inne baterie dodatkowe. Niektóre z zalet są
- Niewielka waga w porównaniu z innymi bateriami o podobnej wielkości
- Dostępne w różnych kształtach, w tym płaskich
- Wysokie napięcie w obwodzie otwartym, które zwiększa przenoszenie mocy przy niskim prądzie
- Brak efektu pamięci.
- Bardzo niski współczynnik samorozładowania wynoszący 5-10% miesięcznie. Samorozładowanie wynosi około 30% w akumulatorach NiCd i NiMh.
- Ekologiczna bateria bez wolnego litu
Ale oprócz zalet, podobnie jak inne akumulatory, akumulator Li-Ion ma również pewne wady.
Wady baterii litowo-jonowej:
- Osady wewnątrz elektrolitu z czasem spowodują zahamowanie przepływu ładunku. Zwiększa to wewnętrzną rezystancję baterii, a zdolność ogniwa do dostarczania prądu stopniowo maleje.
- Wysokie ładowanie i wysoka temperatura mogą prowadzić do utraty pojemności
- W przypadku przegrzania akumulator litowo-jonowy może ulec ucieczce termicznej i pęknięciu ogniwa.
- Głębokie rozładowanie może spowodować zwarcie akumulatora Li-Ion. Aby temu zapobiec, niektóre marki mają wewnętrzne obwody wyłączające, które wyłączają akumulator, gdy jego napięcie przekroczy bezpieczny poziom od 3 do 4,2 V. W takim przypadku, gdy bateria nie jest używana przez długi czas, obwody wewnętrzne będą zużywać energię i rozładowywać baterię poniżej jej napięcia wyłączenia. Dlatego do ładowania takich akumulatorów zwykłe ładowarki nie są przydatne.
