Батареи являются наиболее распространенным источником питания для базовых портативных устройств и крупномасштабных промышленных приложений. Батарею можно определить как комбинацию одного или нескольких электрохимических элементов, способных преобразовывать накопленную химическую энергию в электрическую.
Работа батареи:
Аккумулятор - это устройство, которое состоит из различных гальванических элементов. Каждый гальванический элемент состоит из двух полуэлементов, соединенных последовательно проводящим электролитом, содержащим анионы и катионы. Одна полуячейка включает в себя электролит и электрод, к которому перемещаются анионы, т.е. анод или отрицательный электрод, другая полуячейка включает электролит и электрод, к которому перемещаются катионы, то есть катод или положительный электрод.
В окислительно-восстановительной реакции, которая приводит в действие аккумулятор, происходит восстановление катионов на катоде, а окисление происходит до анионов на аноде. Электроды не касаются друг друга, но электрически связаны электролитом. В основном полуэлементы имеют разные электролиты. Учитывая все обстоятельства, каждая полуячейка заключена в контейнер, а сепаратор, пористый для ионов, но не большая часть электролитов, предотвращает смешивание.
Работа батареи
Каждая половина ячейки имеет электродвижущую силу (ЭДС), определяемую ее способностью передавать электрический ток изнутри во внешнюю часть ячейки. Чистая ЭДС ячейки - это разница между ЭДС ее полуячеек. Таким образом, если электроды имеют ЭДС, иными словами, чистая ЭДС представляет собой разность восстановительных потенциалов полуреакций.
Как сохранить аккумулятор?
Чтобы поддерживать аккумулятор в хорошем состоянии, необходимо выравнивание заряда аккумулятора. Из-за старения все элементы заряжаются по-разному, и некоторые элементы заряжаются очень быстро, а другие заряжаются постепенно. Выравнивание может быть выполнено путем небольшой перезарядки аккумулятора, чтобы позволить более слабым элементам также полностью зарядиться. Напряжение на клеммах полностью заряженной батареи составляет 12 В, автомобильная батарея показывает 13,8 В на клеммах, а 12-вольтная трубчатая батарея - 14,8 В. Автомобильный аккумулятор должен быть надежно закреплен в автомобиле, чтобы избежать тряски. Батарею инвертора следует по возможности поставить на деревянную доску.
2 типа батарей
1) Первичные батареи:
Как видно из названия, эти батареи предназначены для одноразового использования. После того, как эти батареи используются, их нельзя перезарядить, так как устройства нельзя легко восстановить, и активные материалы могут не вернуться к своей первоначальной форме. Производители батарей не рекомендуют перезаряжать первичные элементы.
Некоторыми примерами одноразовых батареек являются обычные батарейки AA, AAA, которые мы используем в настенных часах, пультах дистанционного управления от телевизора и т. Д. Другое название этих батарей - одноразовые батарейки.
Типы Батареи
2) Вторичные батареи:
Вторичные батареи также называются аккумуляторными. Эти батареи можно использовать и заряжать одновременно. Обычно они собираются из активных материалов, причем активный элемент находится в разряженном состоянии. Перезаряжаемые батареи заряжаются с помощью электрического тока, который обращает вспять химические реакции, происходящие во время разряда. Зарядные устройства - это устройства, обеспечивающие необходимый ток.
Некоторыми примерами этих перезаряжаемых батарей являются батареи, используемые в мобильных телефонах, MP3-плеерах и т. Д. В таких устройствах, как слуховые аппараты и наручные часы, используются миниатюрные элементы, а в таких местах, как телефонные станции или компьютерные центры обработки данных, используются более крупные батареи.
Вторичные батареи
Типы вторичных (аккумуляторных) батарей:
SMF, свинцово-кислотные, Li и Nicd
Батарея SMF:
SMF - это Герметичная необслуживаемая батарея, разработанная для обеспечения надежного, стабильного и не требующего обслуживания питания для ИБП. Эти батареи могут подвергаться глубокому разряду и минимальному техническому обслуживанию в сельских районах и районах с дефицитом электроэнергии. Эти батареи доступны от 12 В.
В современном информативном мире нельзя упускать из виду требование к аккумуляторным системам, предназначенным для восстановления важных квалифицированных данных и информации и выполнения основных контрольно-измерительных приборов в течение желаемой продолжительности. Батареи необходимы для мгновенной подачи энергии. Ненадежные и некачественные батареи могут привести к потере данных и отключению оборудования, что может стоить компаниям значительных финансовых потерь. Следовательно, сегменты ИБП требуют использования надежной и проверенной аккумуляторной системы.
SMF аккумулятор
Литиевая (Li) батарея:
Все мы используем его в портативных устройствах, таких как сотовый телефон, портативный компьютер или электроинструмент. Литиевая батарея была одним из величайших достижений портативной энергетики за последнее десятилетие. Благодаря использованию литиевых батарей мы смогли перейти от черно-белого мобильного телефона к цветному мобильному телефону с дополнительными функциями, такими как GPS, оповещения по электронной почте и т. Д. устройства с потенциалом плотности энергии для более высоких мощностей. И относительно невысокий саморазряд аккумуляторов. Также специальные элементы могут обеспечивать очень высокий ток для таких приложений, как электроинструменты.
Литий аккумулятор
Никель-кадмиевый аккумулятор:
Никель-кадмиевые батареи имеют то преимущество, что их можно перезаряжать много раз, они обладают относительно постоянным потенциалом во время разряда и имеют большую электрическую и физическую стойкость. В этой батарее используется оксид никеля для катода, соединение кадмия для анода и раствор гидроксида калия в качестве электролита.
Когда аккумулятор заряжен, химический состав катода изменяется, и гидроксид никеля превращается в NIOOH. В аноде образование ионов кадмия происходит из гидроксида кадмия. Когда аккумулятор разряжен, кадмий реагирует с NiOOH, образуя обратно гидроксид никеля и гидроксид кадмия.
Cd + 2H2O + 2NiOOH -> 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2
Свинцово-кислотная батарея:
Свинцово-кислотные батареи широко используются в автомобилях, инверторах, системах резервного питания и т. Д. В отличие от трубчатых и необслуживаемых батарей, свинцово-кислотные батареи требуют надлежащего ухода и обслуживания для продления срока их службы. Свинцово-кислотный аккумулятор состоит из ряда пластин, погруженных в раствор серной кислоты. Пластины имеют сетки, на которые крепится активный материал. Пластины делятся на положительные и отрицательные. Положительные пластины содержат чистый свинец в качестве активного материала, в то время как оксид свинца прикреплен к отрицательным пластинам.
Свинцово-кислотная батарея
Полностью заряженный аккумулятор может разрядить свой ток при подключении к нагрузке. В процессе разряда серная кислота соединяется с активными материалами на положительной и отрицательной пластинах, что приводит к образованию сульфата свинца. Вода - самый важный шаг в обслуживании свинцово-кислотной батареи. Периодичность подачи воды зависит от использования, способа зарядки и рабочей температуры. Во время процесса атомы водорода серной кислоты реагируют с кислородом с образованием воды.
Это приводит к высвобождению электронов из положительных пластин, которые будут приняты отрицательными пластинами. Это приводит к образованию электрического потенциала на батарее. Электролит в свинцово-кислотной батарее представляет собой смесь серной кислоты и воды с определенным удельным весом. Удельный вес - это вес кислотно-водной смеси по сравнению с равным объемом воды. Удельный вес чистой воды без ионов равен 1.
Свинцово-кислотные батареи обеспечивают наилучшее соотношение цены и качества на киловатт-час, имеют самый продолжительный жизненный цикл и большое экологическое преимущество, поскольку они перерабатываются с чрезвычайно высокой скоростью. Никакая другая химия не может коснуться существующей инфраструктуры для сбора, транспортировки и переработки свинцово-кислотных аккумуляторов.
Наряду с этой статьей обсуждается литий-ионный аккумулятор, его достоинства и недостатки.
Работа литий-ионной батареи
Литий-ионные батареи сейчас популярны в большинстве портативных электронных устройств, таких как мобильные телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты и т. Д., Благодаря их длительной энергоэффективности. Это самые популярные аккумуляторные батареи с такими преимуществами, как лучшая плотность энергии, незначительные потери заряда и отсутствие эффекта памяти. Литий-ионный аккумулятор использует ионы лития в качестве носителей заряда, которые перемещаются от отрицательного электрода к положительному во время разряда и обратно при зарядке. Во время зарядки внешний ток от зарядного устройства вызывает перенапряжение, чем в аккумуляторе. Это заставляет ток проходить в обратном направлении от положительного электрода к отрицательному, где ионы лития внедряются в пористый электродный материал в результате процесса, называемого интеркаляцией. Ионы лития проходят через неводный электролит и разделительную диафрагму. Материал электрода - интеркалированное соединение лития.
Отрицательный электрод литий-ионной батареи состоит из углерода, а положительный электрод - из оксида металла. Чаще всего для отрицательного электрода используется графит, а для положительного электрода - оксид лития-кобальта, ион-фосфат лития или оксид лития-марганца. Литиевая соль в органическом растворителе используется в качестве электролита. Электролит обычно представляет собой смесь органических карбонатов, таких как этиленкарбонат или диэтилкарбонат, содержащих ионы лития. В электролите используются анионные соли, такие как гексафторфосфат лития, моногидрат гексафторарсената лития, перхлорат лития, гексафторборат лития и т. Д. В зависимости от используемой соли напряжение, емкость и срок службы батареи различаются. Чистый литий бурно реагирует с водой с образованием гидроксида лития и ионов водорода. Таким образом, в качестве электролита используется неводный органический растворитель. Электрохимическая роль заряда электродов между анодом и катодом зависит от направления протекания тока.
Реакция литий-ионной батареи
В литий-ионной батарее оба электрода могут принимать и выделять ионы лития. Во время процесса интеркаляции ионы лития перемещаются в электрод. Во время обратного процесса, называемого деинтеркаляцией, ионы лития возвращаются. Во время разряда положительные ионы лития извлекаются из отрицательных электродов и вставляются в положительный электрод. В процессе зарядки происходит обратное движение ионов лития.
Преимущества литий-ионной батареи:
Литий-ионные батареи превосходят никель-кадмиевые батареи и другие вторичные батареи. Некоторые из преимуществ:
- Легкий вес по сравнению с другими батареями аналогичного размера
- Доступен в различной форме, включая плоскую.
- Высокое напряжение холостого хода, увеличивающее передачу мощности при низком токе
- Отсутствие эффекта памяти.
- Очень низкая скорость саморазряда 5-10% в месяц. Саморазряд составляет около 30% в NiCd и NiMh батареях.
- Экологичный аккумулятор без свободного металлического лития
Но наряду с достоинствами, как и у других аккумуляторов, литий-ионный аккумулятор также страдает некоторыми недостатками.
Недостатки литий-ионного аккумулятора:
- Отложения внутри электролита со временем будут препятствовать прохождению заряда. Это увеличивает внутреннее сопротивление батареи, и способность элемента передавать ток постепенно уменьшается.
- Высокая зарядка и высокая температура могут привести к потере емкости
- При перегреве литий-ионный аккумулятор может терять температуру и разрушать элементы.
- Глубокая разрядка может привести к короткому замыканию литий-ионного аккумулятора. Поэтому, чтобы предотвратить это, некоторые производители имеют внутреннюю схему отключения, которая отключает аккумулятор, когда его напряжение превышает безопасный уровень от 3 до 4,2 вольт. В этом случае, когда аккумулятор не используется в течение длительного времени, внутренняя схема будет потреблять энергию и разряжать аккумулятор ниже напряжения отключения. Так что для зарядки таких аккумуляторов обычные зарядные устройства не пригодятся.
