Принцип действия аккумулятора | Аккумуляторные батареи

Страница 3 из 26

1.4. Принцип действия аккумулятора

В настоящее время выпускаются следующие типы электрических аккумуляторов: свинцово-кислотные, щелочные железо-никелевые, кадмий-никелевые и серебряно-цинковые аккумуляторы.
Наиболее массовыми типами аккумуляторов являются свинцово-кислотные автомобильные батареи и тяговые щелочные железо-никелевые аккумуляторы. Серебряно-цинковые аккумуляторы находят ограниченное применение из-за дороговизны и дефицитности исходных материалов и сравнительно малого срока службы.
Кислотные аккумуляторы представляют собой сосуд, заполненный электролитом соответствующей плотности, т. е. раствором серной кислоты h3SO4 в дистиллированной воде, в который погружен блок пластин из чистого свинца РЬ и блок пластин из перекиси свинца РЬО2 (рис. 1.7). Вследствие постоянно происходящей диссоциации молекул кислоты в электролите заряженного аккумулятора имеются ионы водорода Н2 (катионы) и ионы кислотного остатка SO4 (анионы). Если пластины аккумулятора замкнуть на некоторое сопротивление, то через него потечет ток. Отрицательно заряженные ионы SO4 будут стремиться к пластинам из чистого свинца, заряженным положительно. Ионы водорода, имеющие положительный заряд, будут стремиться к отрицательным пластинам, содержащим двуокись свинца. Пластины из свинца принято называть отрицательными, а из двуокиси свинца –  положительными.
При разрядке кислотного аккумулятора происходят следующие химические реакции:
у отрицательной пластины
Pb + SO4 = PbS04;
у положительной пластины
РЬО2 + h3+h3SO4=PbSO4+2h3O.

Рис. 1.7. Устройство и принцип действия кислотного аккумулятора.
Из рассмотренных химических реакций видно, что при разрядке кислотных аккумуляторов на всех пластинах выделяется сернокислый свинец PbSO4 и уменьшается концентрация электролита (вследствие диссоциации кислоты и выделения воды).
Сернокислый свинец обладает двумя недостатками. Во-первых, при интенсивном образовании сернокислого свинца возможно коробление или выпучивание пластин, а также «высыпание» из пластин активной массы, так как объем сернокислого свинца больше объема исходных продуктов, из которых он образуется. Во-вторых, сернокислый свинец по истечении некоторого времени кристаллизуется в нерастворимое вещество. Часть пластины, которая оказалась покрытой кристаллизовавшимся сернокислым свинцом, не участвует в химических реакциях. Вследствие этого снижается полезная емкость аккумулятора. Такое явление носит название сульфатации кислотных аккумуляторов. Для того чтобы избежать явления сульфатации, кислотные аккумуляторы не следует хранить в незаряженном состоянии, нельзя допускать недозарядку аккумуляторов. При коротком замыкании в результате бурной химической реакции и интенсивного выделения сернокислого свинца происходит коробление пластин кислотного аккумулятора.
Зарядка аккумуляторов производится от внешнего источника электроэнергии, генератора постоянного тока или выпрямителя. При зарядке к отрицательным пластинам направляются ионы водорода, а к положительным — ионы кислотного остатка. В результате возникают следующие химические реакции:
у отрицательной пластины
PbS04 + h3 = Pb + h3S04;
у положительной пластины
PbS04 + 2 Н20 + S04 = Рb02 + 2 Н2 + 2 h3SO4.
Следовательно, при зарядке аккумуляторов происходит разложение сернокислого свинца на исходные продукты, а также восстановление концентрации электролита. Очевидно, что окончанием зарядки аккумуляторов можно считать такой момент, когда весь сернокислый свинец разложился и концентрация электролита восстановилась до нормальной. При дальнейшей зарядке потребляемая аккумулятором электрическая энергия будет расходоваться на разложение воды, имеющейся в электролите. Вода разлагается на водород и кислород. Кислород, как наиболее активный газ, производит окисление металлов, имеющихся в аккумуляторе. Водород выделяется в атмосферу. Поэтому на поверхности электролита появляются пузырьки, создающие впечатление «кипения» электролита. В смеси с воздухом водород образует взрывчатый гремучий газ, который должен быть немедленно удален из аккумуляторного помещения.
ЭДС не включенного на разрядку кислотного аккумулятора, принимается в среднем равной 2,1 В независимо от размеров аккумулятора.
Напряжение, создаваемое аккумулятором на зажимах, определяется уравнениями:
при разрядке
U = E-IPr;
при зарядке
U=E+Iзар r
где           Е – ЭДС аккумулятора;
Ip,Iзар – соответственно ток разрядки и зарядки аккумулятора;
r  – внутреннее сопротивление аккумулятора.
Кислотные аккумуляторы имеют небольшое внутреннее сопротивление, поэтому напряжение на зажимах аккумулятора незначительно снижается даже при больших токах нагрузки. В среднем сопротивление кислотного аккумулятора составляет 0,005 Ом и является величиной, зависящей от плотности электролита, а также от габаритов аккумуляторов (чем больше габариты, тем меньше сопротивление). С уменьшением плотности электролита, т. е. с увеличением степени разряда, ЭДС кислотных аккумуляторов уменьшается, а внутреннее сопротивление увеличивается. Вследствие этого напряжение аккумулятора в начале разрядки понижается незначительно, а к концу падает быстро.
В настоящее время применяются в основном две разновидности щелочных аккумуляторов: кадмиево-никелевые и железо-никелевые.
Электролитом их является раствор едкого калия КОН в дистиллированной воде (плотность электролита 1,19—1,21). В качестве активной массы положительных пластин служит гидрат окиси никеля Ni(OH)3, а активной массы отрицательных – губчатый кадмий Cd (рис. 1.8).

Рис. 1.8.  Устройство и  принцип действия  щелочного  кадмиево-никелевого   аккумулятора
При разрядке аккумулятора анионы щелочного остатка ОН стремятся к пластинам из чистого кадмия. Избыточные электроны кислотного остатка направляются во внешнюю цепь и к пластинам из гидрата окиси никеля, где они нейтрализуются катионами калия. Таким путем создается разрядный ток аккумулятора.
При разрядке щелочного аккумулятора происходят следующие химические реакции:
у отрицательной пластины
Cd + 20H = Cd(OH)2;
у положительной пластины
Ni (ОН)3 + К = Ni (OH)a + КОН.
Из данных реакций видно, что при разрядке щелочного аккумулятора кадмий переходит в гидроокись кадмия Cd(OH)2, а трехатомный гидрат окиси никеля Ni(OH)3 – в двухатомную гидроокись никеля Ni(ОН)2. Эти вещества не обладают отрицательными свойствами, поэтому щелочные аккумуляторы не требуют тщательного ухода в эксплуатации, могут быть длительно незаряженными, мало разрушаются при коротких замыканиях.
При зарядке щелочных аккумуляторов катионы калия движутся к отрицательным пластинам, а анионы щелочного остатка – к положительным. При зарядке происходят следующие химические реакции:
у отрицательной пластины
Cd(OH)2 + 2K = 2KOH+Cd;
у положительной пластины
Ni(OH)2 + OH = Ni(OH)3.
При разрядке, и при зарядке щелочных аккумуляторов плотность электролита остается постоянной, так как диссоциация едкого калия на ионы К и ОН компенсируется образованием КОН.
После переработки всех веществ, участвующих в химических реакциях, при зарядке щелочных аккумуляторов происходит разложение воды электролита и «кипение» аккумулятора.

1.2. Принцип действия систем БП

Суть процесса электропитания состоит в передаче электрической энергии устройству, системе, комплексу (электроприемнику, потребителю электроэнергии). При провалах, просадках и исчезновении напряжения в основной питающей сети, для обеспечения бесперебойной подачи  электроэнергии агрегаты, устройства, источники бесперебойного питания должны создать условия, при которых в питающей цепи электроприемника перерывов в подаче электроэнергии не произойдет. На рис. 1.1. показана общая функциональная схема взаимодействия основной питающей сети, ИБП и электроприемника.

Рис. 2. Структурная схема принципа действия ИБП

Иными словами, ИБП выполняет роль буферного (промежуточного) устройства между сетью и потребителем. В нормальном режиме, то есть при условии соответствия определенных параметров заданным, к потребителю поступает электрическая энергия из основной сети» через главный распределительный щит (ГРЩ1). Часть электрической энергии сети используется для формирования запаса энергии в устройстве хранения. В случае отклонения параметров к потребителю начинает поступать электрическая энергия из устройства хранения через ИБП.

Процесс доставки электроэнергии к потребителю контролируется и управляется специальным устройством в составе ИБП, также в составе ИБП присутствуют устройства преобразования энергии из устройства хранения, а также устройства для осуществления накопления энергии в устройстве хранения и поддержания его в готовности, диагностики и мониторинга. Время работы потребителя за счет энергии из устройств накопления определяется количеством электроэнергии, потребляемой в единицу времени (мощностью), техническим характеристиками ИБП – количеством накопленной энергии в устройстве накопления, расчетными температурными режимами и КПД устройства преобразования и т.д.

Для объекта (офиса, производства), находящегося в здании или сооружении вместе с другими объектами может быть локальный РЩ, в более широком смысле – место подключения оборудования, требующего использования системы БП

Общий принцип действия систем БП на практике реализуется различными способами. Прежде всего, могут использоваться различные принципы накопления энергии. Пример — системы БП с использованием механических накопителей и дизель- генераторных установок. В системах электропитания ЦОД большой мощности, промышленных предприятий могут применяться системы ИБП дизель-роторного типа. В них в качестве накопителя энергии используется специальный маховик, кинетическая энергия которого при просадках и перерывах в электроснабжении преобразуется в электрическую с помощью генератора, и также служит для последующего запуска ДГУ в случае необходимости.

Это решение имеет следующие преимущества: обеспечивает высокий ток короткого замыкания, составляющий 10 In (в десятки раз выше номинального), что облегчает настройку устройств защиты, имеется как правило 150%-ная перегрузочная способность (по номинальному току) в течение длительного времени (две минуты вместо одной), благодаря установке двигатель-генератор обеспечивается гальваническая изоляция цепи от предшествующего источника переменного тока, дизель-роторные системы устойчивы к нелинейным нагрузкам, которые часто встречаются в компьютерных системах наряду с импульсными источниками питания.

Несмотря очевидные преимущества, есть недостатки. Прежде всего экономические. Использование дизель-роторных установок оправдано только для объектов мощностью в сотни кВт, имеет высокую стоимость — как оборудования, так и строительно-монтажных работ.

На рис. 3. приведен внешний вид такой установки.

Рис. 3. Внешний вид дизель-роторной установки

Такие установки требуют отдельных специально оборудованных помещений, специального технического обслуживания и др.
Наиболее массовое применение имеют ИБП, устройства управления и преобразования электрической энергии которых построены на основе современной полупроводниковой техники, а устройства хранения – на основе аккумуляторных батарей различных типов. Эти устройства широко применяются в различных областях – от защиты индивидуальных ПК до систем электроснабжения крупных предприятий.

 

Развитие полупроводниковой техники и появление мощных IGBT транзисторов открыло широкие возможности для разработки и применения быстродействующих систем переключения режимов работы ИБП с устройствами хранения на основе АКБ. Эти устройства имеют наиболее массовое применение благодаря меньшим габаритам, стоимости и др.

 

В литературе топологию ИБП с накопителями энергии на основе АКБ называют «статической». Статическая топология обладает многими преимуществами благодаря совмещению технологии силовых транзисторов с методом ШИМ с ограничением по амплитуде
Их характеризует:

 

• Упрощенная общая конструкция с сокращением количества деталей и соединений, а также с количества возможных причин для сбоев.
• Способность мгновенного реагирования на колебания амплитуды и частоты в питающей сети благодаря микропроцессорному управлению на основе цифровых методов дискретизации. Амплитуда напряжения восстанавливается в требуемых пределах (± 0,5% или ± 1% в зависимости от модели) менее чем за 10 миллисекунд при пошаговом изменении нагрузки до 100%. В течение этого интервала времени такое пошаговое изменение нагрузки производит колебание напряжения нагрузки менее ± 2%.
• Высокий и стабильный КПД при полной или любой частичной нагрузке, что является главным преимуществом для резервных ИБП с низким процентом нагрузок. Статический ИБП с 50% нагрузкой имеет высокий КПД (94%), тогда как КПД роторного ИБП составляет 88-90% (обычное значение), что непосредственно влияет на эксплуатационные затраты.
• Использование резервных ИБП обеспечивает высокую готовность систем со сверхнадежной подачей питания (например, для центров обработки данных).
• Возможное встраивание в резервные архитектуры с раздельными функциями, упрощающими обслуживание благодаря изолированным внутренним частям установки.

 

В системах БП с батарейными накопителями могут использоваться также и механические, специально разработанные для совместного использования с АКБ. В них используются маховиковые накопители кинетической энергии, задачей которых является обеспечение резерва мощности при переходе на питание от ИБП в течение 10-18 с. Кинетическая энергия маховика при этом преобразуется в электрическую с помощью генератора.

 

Маховики могут заменить традиционные батареи ИБП или работать совместно с ними для высоконадежной мгновенной подачи резервной мощности. Как и обычная батарея они сопряжены с шиной постоянного тока ИБП, по которой получают от ИБП постоянный ток», который подают на инвертор ИБП в режиме разрядки.
Практическая реализация систем БП с АКБ и кинетическими накопителями в значительной степени определяется требуемыми параметрами (как техническими, так и экономическими). В значительной степени требуемыми параметрами определяется архитектура систем, методики расчета и проектирования.

 

Рассмотрим некоторые технические особенности систем БП с совместным использованием АКБ и кинетических маховиковых накопителей.
В ИБП без генераторной установки маховиковая система накопления энергии может работать параллельно с батареями. Эта технология использования маховика часто называется «усилением батареи». Ее назначение – повышение надежности ИБП при кратковременных перебоях в основной сети.

 

В подобной конфигурации маховик первым принимает на себя все нарушения электроснабжения, обеспечивая тем самым более высокую готовность ИБП и экономию заряда батарей для более длительных перебоев. Благодаря тому, что маховиковая система первой отдает свою энергию во время сбоев электропитания, то существенно увеличивает срок службы устройства, поскольку маховик позволяет избежать 98% разрядов, которым в его отсутствие подверглись бы батареи.

 

Сегодня такие системы разрабатываются и предлагаются на рынке рядом производителей. Технология усиления батареи маховиками позволяет.

 

• снизить число циклов зарядки/разрядки, и тем самым продлить срок службы АКБ;
• снизить частоту замены АКБ и действий по их утилизации;
• обеспечить более высокую готовность системы БП в критических случаях.

 

Хотя батареи ИБП и способны обеспечивать мощность в течение этого переходного периода, их надежность даже при обеспечении всех требуемых регламентов обслуживания, контроля, эксплуатации, не всегда может быть абсолютной. Маховиковые системы, по замыслу разработчиков, постоянно обеспечивают надежное накопление энергии для прогнозируемого перехода на резервный генератор, при этом предлагаемые системы компактны (сравнимы по габаритам с батарейными стойками, другими компонентами системы БП).

 

Производители подчеркивают, что маховиковая система, обеспечивающая 10 или 20 секунд поддержки, обладает преимуществами в сравнении с традиционной системой БП с АКБ и генераторной установкой. Достигаются высокая надежность и прогнозируемость накопления энергии — расчетная средняя наработка на отказ составляет 54,000 часов; — непрерывный контроль обеспечивает высокую прогнозируемость работы. Также это экологически чистая технология — отсутствие свинца, кислоты, малый углеродный след. В качестве аргументов указываются меньшее соотношение цена/качество, около 20 лет полезного срока службы и низкие эксплуатационные затраты, малые габариты и вес, способность работать при температурах до 40°C2

 

Маховики различают на низкоскоростные (менее 10000 об/мин) и высокоскоростные (30000-60000 об/мин и более). Изготавливаются из стали, углеродных волокон. Для достижения максимального КПД в них используются технологии магнитной левитации.

 

На российском рынке аккумуляторно-маховиковые накопители пока широкого распространения не получили, и ИБП с накопителями на основе АКБ (статические) пока являются наиболее массовым сегментом. Еще одно решение – использование суперконденсаторов3 в сочетании с АКБ, пока также не является массовым, хотя в перспективе при развитии технологий и снижении стоимости вполне может им стать.

 

Так что на сегодняшний день ИБП с накопителями на основе АКБ в нашей стране наиболее популярны.

 

2 Некоторые производители специально позиционируют такие системы как экономичное решение для стран с жарким климатом
3 Другое название – ионисторы. Технологии разрабатывались еще с 50-х годов прошлого века. В 80-х годах в Японии была успешно испытана батарея суперконденсаторов, позволяющая запустить двигатель автомашины при практически полностью разряженной стартерной батарее. Широкое применение все еще ограничивается высокой стоимостью и низкой надежностью

 

Несмотря на ряд различий в расчете, проектировании и эксплуатации систем БП с АКБ их объединяет ряд общих особенностей, обусловленных физическим принципами работы.

Электрические аккумуляторные батареи всех типов, независимо от принципов работы являются по сути перезаряжаемыми химическими источниками постоянного тока. Соответственно, в составе устройства, системы, агрегата, источника БП с АКБ в любом случае присутствуют устройства преобразования электрической энергии – выпрямители, инверторы и конверторы. Организация их взаимодействия с АКБ зависит от требуемых технических характеристик и схемы построения. Однако общий принцип остается неизменным – электрическая энергия основной сети (в большинстве случаев – промышленной сети переменного тока) преобразуется в электрическую энергию постоянного тока для накопления в АКБ (заряда батарей) при работе ИБП и потребителя в штатном режиме. В случае перерывов, провалов напряжения основной сети электрическая энергия постоянного тока, накопленная в АКБ, преобразуется требуемым образом и поступает к потребителю.

 

Системы БП в зависимости от технических характеристик могут быть реализованы в одном корпусе с АКБ или же быть рассчитаны на использование с внешними АКБ, использовать одну батарею или группу (группы) батарей, иметь различным образом реализованные устройства преобразования. Однако методики расчета, проектирования и построения, режимы работы всегда в значительной степени будут определяться физическими принципами работы АКБ, и характеристиками АКБ используемого типа.

 

Системы БП, в силу возлагаемых на них задач, должны иметь высокую надежность в течение всего срока службы. Надежность систем БП с АКБ определяется многими факторами. Прежде всего это качественные характеристики оборудования, проектирования и монтажа установки электропитания, однако в процессе работы надежность существенно зависит от правильной эксплуатации. В особенности эксплуатации АКБ, что подразумевает как соблюдение регламентированных технологических режимов работы, так и своевременного контроля состояния батарей и батарейных групп.

Согласно статистике аварий и отказов ИБП, до 96% являются следствием сбоев в работе батарей, и только 4% — других компонентов ИБП.

 

Этот факт обуславливает исключительную важность и ответственность всех задач, связанных с расчетом параметров, выбором, организации контроля АКБ систем БП.

Принцип действия и устройство аккумуляторных батарей автомобиля

Категория:

   Устройство автомобиля

Публикация:

   Принцип действия и устройство аккумуляторных батарей автомобиля

Читать далее:

Принцип действия и устройство аккумуляторных батарей автомобиля

Аккумуляторная батарея предназначена для питания электрической энергией всех потребителей при неработающем двигателе и при работе его с малой частотой вращения коленчатого вала, а также для пуска двигателя стартером.

На автомобилях используют стартерные свинцово-кислот-ные аккумуляторные батареи. Такие батареи способны кратковременно отдавать ток большой величины, что необходимо при пуске двигателя стартером.

Аккумуляторная батарея состоит из трех, шести или двенадцати последовательно соединенных аккумуляторов напряжением 2В каждый. Аккумуляторные батареи выпускаются на 6, 12 и 24В. Простейший свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой пластмассовый сосуд, в который опущены две свинцовые пластины и залит электролит из химически чистой (аккумуляторной) серной кислоты и дистиллированной воды. Если через такой аккумулятор пропускать постоянный электрический ток, то в нем будет протекать химическая реакция с образованием на положительной пластине двуокиси свинца, а на отрицательной — чистого губчатого свинца (Рb). Плотность электролита по мере заряда аккумулятора будет повышаться за счет выделения серной кислоты и поглощения воды. Напряжение на клеммах аккумулятора также будет повышаться. Такой процесс называется зарядом аккумулятора. При включении заряженного аккумулятора во внешнюю цепь будет происходить обратная химическая реакция с отдачей электрической энергии на питание включенных потребителей. По мере разряда пластины аккумулятора будут покрываться сернокислым свинцом, плотность электролита и напряжение аккумулятора будут уменьшаться. Такой процесс называется разрядом аккумулятора. После разряда необходимо вновь зарядить аккумулятор от источника постоянного тока. Поскольку при заряде и разряде аккумулятора изменяется плотность электролита, то по плотности электролита определяют степень раз-ряженности (заряженности) аккумулятора.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Таким образом, действие аккумулятора основано на превращении электрической энергии в химическую при заряде и, наоборот, химической энергии в электрическую — при разряде.

Основными параметрами аккумулятора являются напряжение и емкость.

Напряжение на выводных штырях исправного и полностью заряженного аккумулятора около 2 В. Допускается в процессе эксплуатации разряжать аккумуляторы до 1,7 В.

Количество электричества в ампер-часах (А-ч), полученное от аккумулятора при его разряде до допустимого напряжения, называется емкостью, которую определяют как произведение силы разрядного тока в амперах на время разряда в часах. Емкость зависит от количества и размеров пластин аккумуляторов, силы разрядного тока, плотности и температуры электролита, а также степени заряженности, технического состояния и срока службы аккумулятора (батареи).

Номинальной емкостью аккумуляторной батареи называется наименьшее количество электричества в ампер-часах, которое должна отдать новая, полностью заряженная батарея при непрерывном разряде ее током, равным 0,05 номинальной емкости до напряжения 1,7 В при температуре электролита 25 °С. Номинальная емкость в основном зависит от размеров и количества пластин в аккумуляторе.

Каждый тип стартерной аккумуляторной батареи имеет свое условное обозначение, которое наносится на межэлементном соединении (перемычке) или на баке и означает:
— первое число (3, 6 или 12)—количество последовательно соединенных аккумуляторов в батарее;
— СТ или ТСТ — назначение батареи: стартерная или стартерная для тяжелых условий эксплуатации, соответственно;
— число после букв — номинальную емкость батареи, выраженную в ампер-часах.

Остальные буквы означают:
— Э, П, Т — материал бака, соответственно: эбонит, пластмасса асфальтопековая, термопластмасса;
— М, МС, Р, PC — материал сепаратора, соответственно: мипласт, мипласт со стекловолокном, мипор, мипор со стекловолокном.

Например, условное обозначение батареи 6СТ-90ЭМС указывает, что батарея состоит из шести последовательно соединенных аккумуляторов, стартерная, номинальная емкость батареи 90 А-ч, бак эбонитовый, а сепараторы двойные — мипласт со стекловолокном.

На автомобилях ГАЗ-66 и ГАЗ-53А устанавливается аккумуляторная батарея 6СТ-75ЭМС. Батарея состоит из шести последовательно соединенных аккумуляторов, размещенных в шестикамерном эбонитовом баке. Каждый аккумулятор включает в себя пять положительных и шесть отрицательных пластин. Положительные и отрицательные пластины представляют собой свинцовые решетки, заполненные активной массой, которая и участвует в химических реакциях при зарядах и разрядах аккумулятора. После сложной технологической обработки пластин активная масса положительных пластин превращается в двуокись свинца (РЬОг) (темно-коричневого цвета), а отрицательных — в губчатый свинец (Рb) (серого цвета).

Однородные пластины аккумулятора соединяются между собой с помощью бареток 5 и образуют полублоки положительных и отрицательных пластин. Чтобы предотвратить соприкосновение разноименных пластин, между ними установлены прокладки — сепараторы. Ребристая сторона сепаратора всегда обращена к положительной пластине. При такой установке сепараторов обеспечивается лучший доступ электролита в поры активной массы положительных пластин, что повышает работоспособность аккумулятора.

Рис. 1. Аккумуляторная батарея:
1 — отрицательная пластина; 2 — сепаратор: 3 — положительная пластина; 4 — предохранительный щиток; 5 —баретка: 6 — штырь: 7 — плюсовая клемма; 8 — бак аккумуляторной батареи; 9 — уплотнительная мастика: 10 — пробка; 11 — крышка аккумулятора; 12 — межэлементное соединение; 13 — вентиляционное отверстие; 14 — минусовая клемма

Для защиты кромок сепараторов и пластин от .механических повреждений при замере плотности и уровня электролита сверху положен предохранительный щиток из кислотостойкого материала.

Сверху каждый аккумулятор закрывается крышкой II с двумя отверстиями для полюсных штырей от положительных и отрицательных пластин. В крышках также выполнены резьбовые отверстия под пробку для залива электролита и штуцеры с вентиляционными отверстиями для автоматической установки уровня электролита. На некоторых батареях 6СТ-75ЭМС штуцера может и не быть. У них вентиляционное отверстие выполнено в пробке. Стыки между крышкой и баком залиты мастикой.

На дне бака выполнены ребра, на которые опираются полублоки пластин. В пространстве между ребрами скапливается осыпающаяся со временем активная масса (шлам), что на гарантийный срок исключает за.мыкание разноименных пластин.

Аккумуляторы соединяют между собой с помощью межэлементных соединений, которые привариваются к штырям полублоков. Крайние штыри аккумуляторной батареи выполняют роль плюсовой и минусовой клемм.

Камеры аккумуляторов изолированы друг от друга. Через резьбовые отверстия крышек в аккумуляторы заливается электролит.

Плотность электролита должна соответствовать климатическому району, в котором эксплуатируется батарея.

Минусовая клемма батареи соединена с массой автомобиля через выключатель батареи, а плюсовая — с бортовой сетью. Для уменьшения падения напряжения на проводах и их нагрева батарея подсоединена к сети проводами большого сечения.

На автомобилях ЗИЛ-131 и ЗИЛ-130 используется батарея 6СТ-ЭМС. По устройству она аналогична батарее 6СТ-75ЭМС, но имеет в каждом аккумуляторе по шесть положительных и семь отрицательных пластин, что увеличивает ее емкость.

На автомобиле ЗИЛ-131 к батарее могут придаваться гидростатические пробки, которые исключают попадание воды в аккумуляторы при преодолении глубокого брода.

На автомобиле «Урал-375Д» устанавливается батарея типа 6СТЭН-140М. Ее особенностью является наличие деревянного ящика, в котором размещаются шесть эбонитовых баков. Клеммы выведены на панель ящика и защищены съемной коробкой. Емкость батареи повышена за счет увеличения количества и площади пластин.

Рекламные предложения:

Читать далее: Неисправности аккумуляторных батарей автомобиля

Категория: — Устройство автомобиля

Главная → Справочник → Статьи → Форум

Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора.

Аккумуляторные батареи



Принцип работы свинцового аккумулятора

Источником электроэнергии на автомобиле при неработающем или работающем с малой частотой вращения коленчатого вала двигателе является аккумуляторная батарея. В настоящее время на автомобилях наиболее широко применяются свинцовые аккумуляторные батареи, состоящие из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов. Применение кислотных аккумуляторов объясняется тем, что они обладают небольшим внутренним сопротивлением и способны в течение короткого промежутка времени (несколько секунд) отдавать ток силой в несколько сотен ампер, что необходимо для питания стартера при пуске двигателя.

Свинцовый аккумулятор электрической энергии был изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. В последующие годы конструкция аккумулятора, особенно – химический состав его электродов (пластин) постоянно совершенствовалась. В настоящее время свинцовые аккумуляторы и аккумуляторные батареи широко применяются в разных областях техники в качестве накопителей электроэнергии (стартерные батареи, аварийные и резервные источники энергии и т. п.).

Конструктивно аккумулятор представляет собой емкость, наполненную электролитом, в которой размещены свинцовые электроды. В качестве электролита используется раствор серной кислоты и дистиллированной воды. Электроды выполнены в виде пластин, одна из которых изготовлена из губчатого свинца Pb, а вторая – из диоксида свинца PbO₂. При взаимодействии электродов с электролитом между ними возникает разность потенциалов.

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты.

При подключении к электродам аккумулятора внешней нагрузки начинается электрохимическая реакция взаимодействия оксида свинца и серной кислоты, при этом металлический свинец окисляется до сульфата свинца.

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на положительном электроде (аноде) и окисление свинца на отрицательном электроде (катоде). При пропускании через электроды аккумулятора зарядного тока в нем протекают обратные реакции. При перезаряде аккумулятора, после исчерпания сульфата свинца начинается электролиз воды, при этом на аноде выделяется кислород, а на катоде — водород.

Электрохимические реакции (слева направо — при разряде, справа налево — при заряде):

Реакции на аноде:

PbO₂ + SO₄^2- + 4H⁺ + 2e^— ↔ PbSO₄ + 2H₂O;

Реакции на катоде:

Pb + SO₄^2- — 2e^— ↔ PbSO₄.

Физические процессы, происходящие в аккумуляторе, объясняются свойством электролитического растворения металлов, которое заключается в переходе положительно заряженных ионов металла в раствор. Легкоокисляющиеся металлы (например, свинец) обладают этим свойством в большей степени, чем инертные металлы.
При погружении свинцового электрода в раствор электролита от него начнут отделяться положительно заряженные ионы свинца и переходить в раствор, при этом сам электрод будет заряжаться отрицательно.

По мере протекания процесса растет разность потенциалов раствора и электрода, и переход положительных ионов в раствор будет замедляться.
При какой-то определенной разности потенциалов электрода и раствора наступит равновесие между силой электролитической упругости растворения свинца, с одной стороны, и силами электростатического поля и осмотического давления — с другой.
В результате переход ионов свинца в электролит прекратится.

При погружении электрода, изготовленного из двуокиси свинца, в раствор серной кислоты наблюдается такой же процесс, но результат получается иной. Двуокись свинца в ограниченном количестве переходит в раствор, где при соединении с водой ионизируется на четырехвалентные ионы свинца Рв4+ и одновалентные ионы гидроксила ОН.
Четырехвалентные ионы свинца, осаждаясь на электроде, создают положительный потенциал относительно раствора. Серная кислота образует в воде практически только на ионы НO⁺ и HSO₄.
Таким образом, при разряде аккумулятора расходуется серная кислота, образуется вода, а на обоих электродах — сульфат свинца. При заряде процессы протекают в обратном направлении.

При подключении потребителей в аккумуляторе возникает разрядный ток. При этом ионы сернокислотного остатка SO₄ соединяются со свинцом электродов и образуют на них сернокислый свинец PbSO₄, а ионы водорода соединяются с кислородом, выделяясь на положительной пластине в виде воды.
В результате электроды покрываются сернокислым свинцом, а серная кислота разбавляется водой, т. е. при разряде аккумулятора плотность электролита уменьшается. Поэтому по плотности электролита можно судить о степени заряженности аккумуляторной батареи.

При прохождении электрического (зарядного) тока через аккумуляторную батарею протекают обратные электрохимические процессы. Ионы водорода, образующиеся в результате распада воды, взаимодействуют с сернокислым свинцом электродов.
Водород, соединяясь с сернистым осадком, образует серную кислоту, а на электродах восстанавливается губчатый свинец. Выделяющийся из воды кислород, соединяется со свинцом положительной пластины, образуя перекись свинца.
В результате этих процессов содержание воды в электролите уменьшается, а содержание кислоты увеличивается, что приводит к повышению плотности электролита.



По завершению процессов восстановления свинца на электродах заряд аккумулятора прекращается. При дальнейшем прохождении электрического тока через электролит начинается процесс электролиза (разложения) воды, при этом аккумулятор «закипает», и выделяющиеся пузырьки образуют смесь водорода и кислорода. Смесь этих газов является взрывоопасной, поэтому следует избегать перезаряда до появления электролизных явлений по разложению воды.

Кроме того, длительный перезаряд приводит к потере электролитом воды (испарению), в результате чего его плотность повышается и для корректировки требуется доливка дистиллированной воды.
При доливке воды необходимо помнить, что вода, попадающая в концентрированную серную кислоту, закипает и сильно разбрызгивает кислотные капли, что при попадании на открытое тело или одежду может привести к ожогам кожи, слизистых оболочек, прожигу одежды и другим неприятным последствиям.

При постоянном напряжении источника зарядного тока по мере увеличения степени заряженности аккумулятора повышается его ЭДС и, следовательно, уменьшается сила зарядного тока. Когда напряжение на клеммах источника тока будет равно ЭДС полностью заряженного аккумулятора плюс ЭДС поляризации, зарядный ток прекратится.

Среднее значение напряжения аккумулятора – 2 В. Поскольку электрооборудование современных автомобилей рассчитано для работы при напряжении в бортовой сети 12 или 24 В, аккумуляторы соединяют в батареи (по 6 или 12 шт.).

Важным параметром аккумулятора является его емкость, т. е. количество электрической энергии, которую способен отдать аккумулятор. Емкость – это произведение силы разрядного тока на продолжительность разрядки до предельно допустимого разряженного состояния. Измеряется емкость аккумулятора в ампер-часах (А×ч). Емкость аккумулятора зависит, в первую очередь, от активной площади его электродов.
Поэтому повышения емкости можно достичь увеличением поверхности электродов, что достигается использованием нескольких параллельно соединенных между собой пластин, а также применением пористого материала для их изготовления, что позволяет использовать в качестве активной массы не только поверхность, но и внутренний объем пластин.

Емкость аккумулятора не постоянна, она зависит от силы разрядного тока, температуры электролита и состояния активной поверхности пластин. При увеличении разрядного тока и понижении температуры электролита емкость аккумулятора уменьшается, что объясняется неполным протеканием электрохимических реакций разрядки в этих условиях, вследствие сокращения времени разрядки и повышения вязкости электролита при низких температурах.

***

Устройство аккумуляторной батареи и ее маркировка



Главная страница

Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Устройство и принцип действия свинцового аккумулятора

Автомобильный аккумулятор в составе системы автомобильного электрооборудования является источникам питания электрических потребителей в случае недостаточной мощности генератора или при выключенном двигателе внутреннего сгорания.

Аккумуляторная батарея (АКБ) – это химический источник постоянного тока, в основу принципа действия которого заложен процесс преобразования энергии, выделяемой в результате химической реакции, в энергию электрическую.

Одним из достоинств автомобильного аккумулятора является возможность его многоразового использования.

Аккумулятор автомобильный

Заряд аккумуляторной батареи производится за счет пропускания в обратном направлении тока, получаемого от внешнего зарядного источника. При этом химические вещества, полученные в результате процесса разрядки аккумулятора, регенерируют активные исходные продукты.

Устройство аккумуляторной батареи

Конструктивно аккумуляторная батарея представляет собой диэлектрический короб, разделенный внутренними перегородками на несколько отсеков. Обычно бывает шесть отсеков, в каждом из которых находится аккумулятор небольшой мощности. Все аккумуляторы в шести отсеках объединяются в единую аккумуляторную батарею.

Сверху ячейки аккумуляторной батареи закрыты единой крышкой диэлектрического короба. Крышка имеет ряд отверстий, через которые электролит поступает в каждый аккумулятор, и которые служат окнами для выводов двух полюсов батареи.

Каждый из составных аккумуляторов имеет два чередующихся между собой блока положительных и отрицательных пластин. Пластины одной полярности приварены к специальным элементам крепления на перегородках, конструкция которых соединяет выводы всех аккумуляторов между собой.

Конструктивно пластины выполнены в виде решеток, изготовленных из сплава свинца, сурьмы и кальция, обладающего свойствами замедлять процесс разрядки аккумулятора за счет увеличения времени разложения электролита.

В решетку пластин впрессовано активное вещество, полученное из водного раствора серной кислоты и свинцового сурика для увеличения емкости положительных пластин и такого же раствора со свинцовым глетом для увеличения емкости пластин отрицательных.

Блоки, состоящие из соединенных между собой одноименных пластин, имеют полюсные выводы в виде штырей.

Конструктивная особенность блоков заключается в том, что положительно заряженные пластины чередуются с пластинами отрицательного заряда, располагаясь между последними. За счет такого способа расположения отрицательных пластин обычно бывает на одну больше, что защищает от разрушения или деформации положительные пластины и позволяет более эффективно использовать активные свойства их крайних экземпляров.

Короткое замыкание положительных пластин с отрицательными пластинами исключается за счет их размещения в имеющих форму конвертов специальных сепараторах, изготовленных из тонкого пористого пластика. Такие свойства пластикового материала обуславливают протекание электролита через стенки сепараторов, понижают внутреннее сопротивление, в результате чего разрядный ток достигает большой силы. Конструкция сепараторов также препятствует короткому замыканию в случае выпадения активного вещества, позволяя повысить высоту слоя электролита над пластинами за счет возможности их установки без ребер непосредственно на днище бака, а также увеличить время эксплуатации автомобиля до необходимости добавления в аккумулятор дистиллированной воды.

Выводы автомобильного аккумулятора выполнены в виде конусов стандартных размеров. Такая форма выводов обеспечивает прочный контакт с проводными клеммами даже в случае их износа. С целью исключения неправильного подсоединения выводов при установке аккумуляторных батарей в электрическую систему автомобиля положительные выводы имеют больший диаметр, чем отрицательные.

Отверстия в крышке диэлектрического короба, через которые в каждый отсек заливается электролит, закрываются пробками, имеющими вентиляционные отверстия малого диаметра для возможности выхода газообразных продуктов, образующихся в процессе работы аккумуляторной батареи.

Аккумуляторная батарея является одним из важнейших элементов электрической системы автомобиля. Надежный аккумулятор – залог качественной и долговременной эксплуатации всего автомобиля в целом.

Электрический аккумулятор — это… Что такое Электрический аккумулятор?

{б{redirect|Аккумулятор|Аккумулятор (значения)}}

Электри́ческий аккумуля́тор — химический источник тока многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование (через заряд-разряд^[1]) для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования^[2].

Принцип действия

Замена аккумулятор­ной батареи на электро­погруз­чике

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде.

Несколько аккумуляторов, объединённых в одну электрическую цепь, составляют аккумуля́торную батаре́ю.

Характеристики

Максимально возможный полезный заряд аккумулятора называется зарядной ёмкостью, или просто ёмкостью. Ёмкость аккумулятора — это заряд, отдаваемый полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ ёмкость аккумуляторов измеряют в кулонах, на практике часто используется внесистемная единица — ампер-час. 1 А⋅ч = 3600 Кл.

Реже на аккумуляторах указывается энергетическая ёмкость — энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ она измеряется в джоулях, на практике иногда используется внесистемная единица — ватт-час. 1 Вт⋅ч = 3600 Дж.

Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита. Сейчас наиболее распространены следующие аккумуляторы:

Тип	ЭДС (В)	Область применения
свинцово-кислотные (Lead Acid)	2,1	троллейбусы, трамваи, воздушные суда, автомобили, мотоциклы, электропогрузчики, штабелеры, электротягачи, аварийное электроснабжение, источники бесперебойного питания
никель-кадмиевые (NiCd)	1,2	замена стандартного гальванического элемента, строительные электроинструменты, троллейбусы, воздушные суда
никель-металл-гидридные (NiMH)	1,2	замена стандартного гальванического элемента, электромобили
литий-ионные (Li‑ion)	3,7	мобильные устройства, строительные электроинструменты, электромобили
литий-полимерные (Li‑pol)	3,7	мобильные устройства, электромобили
никель-цинковые (NiZn)	1,6	замена стандартного гальванического элемента

По мере исчерпания химической энергии напряжение и ток падают, аккумулятор перестаёт действовать. Зарядить аккумулятор (батарею аккумуляторов) можно от любого источника постоянного тока с бо́льшим напряжением при ограничении тока. Стандартным считается зарядный ток (в амперах) в 1/10 номинальной ёмкости аккумулятора (в ампер⋅часах). Многие типы аккумуляторов имеют различные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке и последующей эксплуатации, например NiMH-аккумуляторы чувствительны к перезаряду, литиевые — к переразряду, напряжению и температуре. NiCd- и NiMH-аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, заключающийся в снижении ёмкости, в случае когда зарядка осуществляется при не полностью разряженном аккумуляторе. Также эти типы аккумуляторов обладают заметным саморазрядом, то есть они постепенно теряют заряд, даже не будучи подключенными к нагрузке. Для борьбы с этим эффектом может применяться капельная подзарядка.

Типы аккумуляторов

См. также

Примечания

Ссылки

Принципы работы свинцового аккумулятора! | Статьи компании ООО «KRONVUZ» г Москва

Свинцовые аккумуляторы являются вторичными химическими источниками тока, которые могут использоваться многократно. Активные материалы, израсходованные в процессе разряда, восстанавливаются при последующем заряде. Химический источник тока представляет собой совокупность реагентов (окислителя и восстановителя) и электролита. Восстановитель (отрицательный электрод) электрохимической системы в процессе токообразующей реакции отдает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восстанавливается. Электролитом, как правило, является жидкое химическое соединение, обладающее хорошей ионной и малой электронной проводимостью. В свинцовом аккумуляторе в токообразующих процессах участвуют двуокись свинца (диоксид свинца) РЬО ₂ (окислитель) положительного электрода, губчатый свинец РЬ (восстановитель) отрицательного электрода и электролит (водный раствор серной кислоты H₂S0₄). Активные вещества электродов представляют собой относительно жесткую пористую электронопроводящую массу с диаметром пор 1,5 мкм у РЬО₂ и 5-10 мкм у губчатого свинца. Объемная пористость активных веществ в заряженном состоянии — около 50%. Часть серной кислоты в электролите диссоциирована на положительные ионы водорода Н⁺ и отрицательные ионы кислотного остатка (SO₄)^2-. Губчатый свинец при разряде аккумулятора выделяет в электролит положительные ионы двухвалентного свинца РЬ²⁺. Избыточные электроны отрицательного электрода по внешнему участку замкнутой электрической цепи перемещаются к положительному электроду, где восстанавливают четырехвалентные ионы свинца РЬ⁴⁺ до двухвалентного свинца РЬ₂+. Положительные ионы свинца РЬ²⁺ соединяются с отрицательными ионами кислотного остатка (SO₂)^2-, образуя на обоих электродах сернокислый свинец РЬSО₄ (сульфат свинца). При подключении аккумулятора к зарядному устройству электроны движутся к отрицательному электроду, нейтрализуя двухвалентные ионы свинца РЬ²⁺. На электроде выделяется губчатый свинец РЬ. Отдавая под влиянием напряжения внешнего источника тока по два электрона, двухвалентные ионы свинца РЬ²⁺ у положительного электрода окисляются в четырехвалентные ионы РЬ⁴⁺. Через промежуточные реакции ионы РЬ⁴⁺ соединяются с двумя ионами кислорода и образуют двуокись свинца РЬO₂. Химические реакции в свинцовом аккумуляторе описываются уравнением: содержание в электролите серной кислоты и плотность электролита уменьшаются при разряде и увеличиваются при заряде. По плотности электролита судят о степени разряженности свинцового аккумулятора: где ΔCp — степень разряженности аккумулятора, %;РЗ и Рр — плотность электролита соответственно полностью заряженного и полностью разряженного аккумулятора при температуре 25°С, г/см²;Р25 — измеренная плотность электролита, приведенная к температуре 25°С, г/см³. Расход кислоты у положительных электродов больше, чем у отрицательных. Если учитывать количество воды, образующейся у положительных электродов, то количество кислоты, необходимое для них в течение разряда, в 1,6 раза больше, чем для отрицательных. При разряде происходит незначительное увеличение объема электролита, а при заряде — уменьшение (около 1 см³ на 1 А·ч). На 1 А·ч электрической емкости расходуется: при разряде — свинца 3,86 г, диоксида свинца 4,44 г, серной кислоты 3,67 г, а при заряде — воды 0,672 г, сульфата свинца 11,6 г.

ЩЕЛОЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ.

Щелочными аккумуляторами называют такие аккумуляторы, в которых в качестве электролита используется щелочь, например раствор едкого натрия или едкого калия. Электроды (пластины) в щелочных аккумуляторах выполнены из никелированного железа, в которые запрессовывается активная масса. Корпус щелочных аккумуляторов выполняют из никелированного стального листа. В качестве активной массы в щелочных аккумуляторах, к примеру — в кадмиево-никелевых, для положительных пластин используется гидрат закиси никеля в смеси с графитом, а в отрицательных пластинах — кадмий и окись железа. Электролит в щелочных аккумуляторах в процессе работы не расходуется и не меняет своей плотности. Это замечательное свойство позволяет корпус аккумулятора выполнить герметичным. Такая конструкция не требует никакого дополнительного обслуживания, кроме циклических зарядов после разряда. В зависимости от типа применяемой активной массы щелочные аккумуляторы называют: железо-никелевые (окись никеля и железо), кадмиево-никелевые (окись никеля и кадмий), серебряно-цинковые (положительные электроды из чистого серебра, а отрицательные пластины из спрессованной смеси окиси цинка и цинкового порошка, электролит из едкого калия). Основные характеристики аккумуляторов. Основные характеристики у аккумуляторов такие же, как и у гальванических элементов, дополнительные — это зарядная емкость, коэффициент отдачи, срок службы и годности. Зарядная емкость аккумулятора — количество электричества, преобразованного в химическую энергию, накопленную при полном заряде аккумулятора. Коэффициент отдачи, определяется соотношением разрядной емкости к зарядной емкости. Коэффициент отдачи по энергии — отношение энергии, полученной аккумулятором, к энергии, отданной при разряде. Срок службы — наработка по времени, при которой его разрядная емкость сделается меньше определенной нормативной величины. Срок годности аккумулятора — сумма срока хранения и времени эксплуатации, в течение которого наработка аккумулятора достигает срока его службы.

---

Рекомендуем ознакомиться со следующими материалами: Принцип работы батареи

: как работает батарея?

Принцип работы батареи

Батарея работает по реакции окисления и восстановления электролита с металлами. Когда два разнородных металлических вещества, называемые электродом, помещаются в разбавленный электролит, в электродах происходят реакции окисления и восстановления, соответственно, в зависимости от сродства к электрону металла электродов. В результате реакции окисления один электрод получает отрицательный заряд, называемый катодом, а из-за реакции восстановления другой электрод получает положительный заряд, называемый анодом.

Катод образует отрицательную клемму, а анод — положительную клемму батареи. Чтобы правильно понять основной принцип батареи , во-первых, мы должны иметь некоторую базовую концепцию сродства электролитов и электронов. Фактически, когда два разнородных металла погружаются в электролит, между этими металлами возникает разность потенциалов.

Установлено, что при добавлении в воду определенных соединений они растворяются и образуют отрицательные и положительные ионы.Этот тип соединения называется электролитом. Популярными примерами электролитов являются почти все виды солей, кислот, оснований и т. Д. Энергия, выделяемая при приеме электрона нейтральным атомом, известна как сродство к электрону. Поскольку атомная структура для разных материалов различна, сродство к электрону разных материалов будет отличаться.

Если два разных типа металлов погрузить в один и тот же раствор электролита, один из них получит электроны, а другой высвободит электроны.Какой металл (или металлическое соединение) получит электроны, а какой потеряет электроны, зависит от сродства этих металлов к электрону. Металл с низким сродством к электрону будет получать электроны от отрицательных ионов раствора электролита.

С другой стороны, металл с высоким сродством к электрону высвобождает электроны, и эти электроны выходят в раствор электролита и добавляются к положительным ионам раствора. Таким образом, один из этих металлов приобретает электроны, а другой теряет электроны.В результате между этими двумя металлами будет разница в концентрации электронов.

Эта разница в концентрации электронов вызывает разность электрических потенциалов между металлами. Эта разность электрических потенциалов или ЭДС может использоваться в качестве источника напряжения в любой электронике или электрической цепи. Это общий и основной принцип батареи , и это принцип работы батареи .

Все элементы аккумуляторных батарей основаны только на этом основном принципе.Давайте обсудим по порядку. Как мы уже говорили ранее, Алессандро Вольта разработал первый элемент батареи, и этот элемент широко известен как простой гальванический элемент. Этот тип простой ячейки можно создать очень легко. Возьмите одну емкость и наполните ее разбавленной серной кислотой в качестве электролита. Теперь погружаем в раствор один цинковый и один медный стержень и подключаем их снаружи с помощью электрической нагрузки. Теперь ваш простой гальванический элемент готов. Ток начнет течь через внешнюю нагрузку.
Цинк в разбавленной серной кислоте отдает электроны, как показано ниже:

Эти ионы Zn ^{+ +} переходят в электролит, и каждый из ионов Zn ^{+ +} оставляет два электрона в стержне.В результате вышеуказанной реакции окисления цинковый электрод остается заряженным отрицательно и, следовательно, действует как катод. Следовательно, концентрация ионов Zn ^{+ +} вблизи катода в электролите увеличивается.

В соответствии со свойством электролита разбавленная серная кислота и вода уже диссоциировали на положительные ионы гидроксония и отрицательные ионы сульфата, как показано ниже:

Из-за высокой концентрации ионов Zn ^{+ +} возле катода, H ₃ O ⁺ ионы отталкиваются к медному электроду и разряжаются, поглощая электроны от атомов медного стержня.На аноде происходит следующая реакция:

В результате реакции восстановления, протекающей на медном электроде, медный стержень получает положительный заряд и, следовательно, действует как анод.

Ячейка Даниэля

Ячейка Даниэля состоит из медного сосуда, содержащего раствор сульфата меди. Сам медный сосуд действует как положительный электрод. В медный сосуд помещают пористую емкость с разбавленной серной кислотой. Амальгамированный цинковый стержень, погруженный в серную кислоту, действует как отрицательный электрод.

Разбавленная серная кислота в пористой емкости вступает в реакцию с цинком, в результате чего образуется водород. Реакция протекает следующим образом:

Образование ZnSO ₄ в пористой емкости не влияет на работу ячейки до тех пор, пока не осаждаются кристаллы ZnSO ₄ . Газообразный водород проходит через пористый резервуар и вступает в реакцию с раствором CuSO ₄ , как показано ниже:

Медь, образованная таким образом, осаждается на медном резервуаре.

История батареи

В 1936 году в середине лета при строительстве новой железнодорожной линии недалеко от города Багдад в Ираке была обнаружена древняя гробница.Возраст реликвий, найденных в гробнице, составляет около 2000 лет. Среди этих реликвий было несколько глиняных сосудов, запечатанных сверху смолой. Железный стержень, окруженный цилиндрической трубкой, сделанной из обернутого медного листа, выступал из этой запечатанной крышки.

Когда первооткрыватели наполнили эти горшки кислой жидкостью, они обнаружили разницу потенциалов между железом и медью около 2 вольт. Предположительно, в этих глиняных сосудах использовались батарейные элементы возрастом 2000 лет. Они назвали горшок Парфянская батарея .

В 1786 году итальянский анатом и физиолог Луиджи Гальвани был удивлен, увидев, что, когда он касался лап мертвой лягушки двумя разными металлами, мышцы ног сокращались.

Он не мог понять истинную причину, иначе он был бы известен как первый изобретатель элемента батареи. Он подумал, что реакция могла быть вызвана каким-то свойством тканей.

После этого Алессандро Вольта реализовал то же явление на картоне, пропитанном соленой водой, вместо лягушачьих лапок.Он зажал между ними медный и цинковый диск с куском картона, смоченным в соленой воде, и обнаружил разность потенциалов между медью и цинком.

После этого в 1800 году он разработал первый гальванический элемент (батарею), состоящий из чередующихся медных и цинковых дисков с кусками картона, пропитанными рассолом между ними. Эта система может производить измеримый ток. Мы рассматриваем вольтовую батарею Алессандро Вольта как первый «мокрый аккумуляторный элемент». Так началась история батареи .С того времени и до сегодняшнего дня аккумулятор остается предпочтительным источником электричества во многих наших повседневных применениях.

Основная проблема сваи Voltaic заключалась в том, что она не могла подавать ток в течение длительного времени. Британский изобретатель Джон Ф. Даниэлл решил эту проблему в 1836 году. Он изобрел более развитую версию аккумуляторной ячейки, которая известна как ячейка Даниэля. Джон Ф. Даниэлл погрузил один цинковый стержень в сульфат цинка в один контейнер и один медный стержень в сульфат меди (II) в другой контейнер.

П-образный соляной мостик соединяет решения этих двух контейнеров. Элемент Даниэля мог производить 1,1 В, и этот тип батареи прослужил намного дольше, чем батарея Вольта. В 1839 году сэр Уильям Роберт Гроув, первооткрыватель и ученый, сконструировал топливный элемент. Он смешал водород и кислород в растворе электролита и создал электричество и воду. Топливный элемент не обеспечивает достаточной мощности, но это полезно. Бунзен (1842) и Гроув (1839) усовершенствовали аккумулятор, в котором для подачи электричества использовались жидкие электроды.

В 1859 году Гастон Планте; впервые разработал свинцово-кислотный аккумулятор. Свинцово-кислотная батарея была первой формой перезаряжаемой вторичной батареи. Свинцово-кислотная батарея до сих пор используется во многих промышленных целях. Он по-прежнему наиболее популярен в качестве автомобильного аккумулятора. В 1866 году французский инженер Жорж Лекланш разработал аккумулятор нового типа. Это была угольно-цинковая аккумуляторная батарея с жидким электролитом, известная как ячейка Лекланша.

Измельченный диоксид марганца, смешанный с небольшим количеством атомов углерода, образует положительный электрод, а цинковый стержень — отрицательный электрод.В качестве жидкого электролита он использовал раствор хлорида аммония. Через несколько лет Жорж Лекланш сам улучшил свою конструкцию, заменив жидкий раствор хлорида аммония хлоридом аммония.

Таким образом, он изобрел первую сухую камеру. В 1901 году Томас Альва Эдисон открыл щелочной аккумулятор. Первичная батарея Томаса Эдисона имела железо в качестве анодного материала (-) и оксид никеля в качестве катодного материала (+). Приведенное выше содержание — лишь часть бесконечной истории батареи .

Поэтапное развитие в истории аккумуляторов

Разработчик / Изобретатель	Страна	Год	Изобретение
Луиджи Гальвани	Италия	1786	10 Animal Electricity		Италия	1800	Вольтаическая куча
John F. Daniell	Великобритания	1836	Daniell Cell
Sir William Robert Grove	England	1839 9010 Bunsen	German	1842	использованные жидкие электроды для подачи электроэнергии
Gaston Plante	France	1859	Свинцово-кислотная батарея
Georges Leclanche
Томас Альва Эдисон	США	1901	Щелочной аккумулятор

Типы батарей / источников питания: принципы работы и преимущества

Батареи — наиболее распространенный источник питания для основных портативных устройств и крупномасштабных промышленных приложений.Батарею можно определить как; это комбинация одной или нескольких электрохимических ячеек, которые способны преобразовывать накопленную химическую энергию в электрическую.

Работа батареи:

Аккумулятор — это устройство, состоящее из различных гальванических элементов. Каждый гальванический элемент состоит из двух полуэлементов, соединенных последовательно проводящим электролитом, содержащим анионы и катионы. Одна полуячейка включает электролит и электрод, к которому перемещаются анионы, то есть анод или отрицательный электрод; другая полуячейка включает электролит и электрод, к которому перемещаются катионы, т.е.е. 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, а 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, другими словами, чистая ЭДС представляет собой разность восстановительных потенциалов полуреакций.

Как обслуживать аккумулятор?

Чтобы поддерживать аккумулятор в хорошем состоянии, необходимо выравнивание заряда аккумулятора. Из-за старения все элементы заряжаются по-разному, некоторые элементы заряжаются очень быстро, а другие заряжаются постепенно. Выравнивание может быть выполнено путем небольшой перезарядки батареи, 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-вольтовая 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 не могут быть легко восстановлены, 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 Батарея

2) Вторичные батареи:

Вторичные батареи также называют аккумуляторными. Эти батареи можно использовать и заряжать одновременно. Обычно они собираются с активными материалами, 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 таких аккумуляторных 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-кислотный, Li и Nicd

SMF Батарея:

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 сельской местности и в районах с дефицитом электроэнергии. Эти батареи доступны от 12 В.

В современном информативном мире нельзя упускать из виду требование, чтобы аккумуляторные системы были разработаны для восстановления важных квалифицированных данных и информации и запуска 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.

Батарея SMF

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 с черно-белых мобильных телефонов на цветные с дополнительными функциями, такими как GPS, оповещения по электронной почте и т. д.Это устройства с потенциалом высокой 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-ионный аккумулятор

Никель-кадмиевый (Nicd) 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 заряжается, химический состав катода изменяется, и гидроксид никеля изменяется на NIOOH. В аноде образование ионов кадмия происходит из гидроксида кадмия. Когда аккумулятор разряжен, кадмий реагирует с NiOOH с образованием гидроксида никеля и гидроксида кадмия.

Cd + 2h3O + 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-кислотная батарея состоит из ряда пластин, погруженных в раствор серной кислоты. Пластины имеют решетки, 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 заряженная батарея может разрядить 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, имеющую удельный вес. Удельный вес — это вес кислотно-водной смеси по сравнению с равным объемом воды. Удельный вес чистой воды, свободной от ионов, составляет 1.

.

Свинцово-кислотные батареи обеспечивают лучшее соотношение мощности и энергии на киловатт-час; имеют самый продолжительный жизненный цикл и большое экологическое преимущество, поскольку они перерабатываются с чрезвычайно высокой скоростью.Никакая другая химия не может затронуть существующую инфраструктуру 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, литий-ионный фосфат 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 тока.

Li-Ion Battery Reaction

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 форму
• 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% у никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов.
• Экологичный аккумулятор без свободного металлического лития

Но наряду с достоинствами, как и у других аккумуляторов, у литий-ионных аккумуляторов есть и недостатки.

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-ионная аккумуляторная батарея может получить тепловой уход и разрыв элемента.
• 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 вольта. 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.

Фундаментальные принципы конструкции батарей

С увеличением разнообразия источников электроэнергии, в частности, в отношении пула возобновляемых источников энергии, и растущей сложностью использования электроэнергии, потребность в решениях для хранения, чтобы уравновесить несоответствие спроса и предложение неизбежно.В принципе, аккумулятор кажется простым устройством, поскольку для него требуется всего три основных компонента — два электрода и электролит — в контакте друг с другом. Однако только управление взаимодействием этих компонентов, а также их динамикой, в частности химическими реакциями, может дать высокоэффективную систему. Более того, необходимо одновременно учитывать такие специфические аспекты, как производственные затраты, вес, состав и морфология материала, критичность материала и производственные условия.Они представляют собой некоторые из бесчисленных проблем, которые делают проектирование батарей долгой и трудоемкой задачей. В этой главе дается введение в фундаментальные концепции батарей. Принципы проиллюстрированы на примерах для базовой ячейки Даниэля с последующим обзором уравнения Нернста, реакций на электрическом интерфейсе и ионного переноса. Основное внимание уделяется кристаллическим материалам. Всестороннее обсуждение кристаллохимических и кристаллофизических особенностей отражает благоприятные и неблагоприятные локальные структурные аспекты с кристаллографической точки зрения, а также соображения, касающиеся электронной структуры и связи.Краткая классификация типов батарей завершает главу.

Ссылки

[1] Саймон П., Гогоци Ю. Материалы для электрохимических конденсаторов. Nat Mater. 2008; 7: 845–54.1895600010.1038 / nmat2297 Поиск в Google Scholar

[2] Линпо И., Чен Г.З. Редокс-электродные материалы для суперконденсаторов. J Источники энергии. 2016; 326: 604–12.10.1016 / j.jpowsour.2016.04.095 Искать в Google Scholar

[3] Мейер Д.К., Лейзеганг Т., Штёкер Х., Зшорнак М. Электрохимические накопительные материалы: от кристаллографии до технологии производства.Берлин, Германия: издательство De Gruyter Oldenbourg, 2018. Искать в Google Scholar

[4] Nernst W. Die elektrolytische Zersetzung wässriger Lösungen. Eur J Inorg Chem. 1897; 30: 1547–63. Искать в Google Scholar

[5] Atkins PW, de Paula J. Physikalische Chemie, 4. vollständig überarbeitete Auflage ed. Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH Verlag, 2006. ISBN: 978-3-527-31807-0. Искать в Google Scholar

[6] Mortimer CE, Müller U. Chemie: Das Basiswissen der Chemie, 10.Auflage ed. Штутгарт, Германия: Георг Тиме Верлаг, 2007. ISBN: 978-3134843095. Искать в Google Scholar

[7] Hollemann AF, Wiberg N. Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage ed. Берлин, Германия: Вальтер де Грюйтер Верлаг, 2007. ISBN: 978-3110177701. Искать в Google Scholar

[8] Schmidt VM. Elektrochemische Verfahrenstechnik — Grundlagen, Reaktionskinetik, Prozessoptimierung. Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH Verlag, 2003. ISBN: 978-3-527-29958-4. Искать в Google Scholar

[9] Riedel E, Janiak C.Anorganische Chemie, 7. Auflage ed. Берлин, Германия: Вальтер де Грюйтер Верлаг, 2007. ISBN: 978-3110189032. Искать в Google Scholar

[10] Gupta SV. Единицы измерения: прошлое, настоящее и будущее. международная система единиц. В: Халл Р. и др., Редактор (ы). Серия Springer по материаловедению, Vol. 122. Гейдельберг, Германия: Springer Science & Business Media, 2009. ISBN: 9783642007378. Поиск в Google Scholar

[11] Kuchling H. Taschenbuch der Physik, 11. Auflage ed. Тун и Франкфурт-на-Майне, Германия: Verlag Harri Deutsch, 1988: 635.ISBN: 3-8171-1020-0. Искать в Google Scholar

[12] Bergmann L, Schaefer C, Kassing R. Lehrbuch der Experimentalphysik. Группа 6: Festkörper, 2. Auflage ed. Берлин, Германия: Вальтер де Грюйтер, 2005: 361. ISBN: 3-11-017485-5. Искать в Google Scholar

[13] Нернст В. Теоретическая химия с точки зрения правила Авогардро и термодинамики, 4-е изд. Лондон, Великобритания, Нью-Йорк, США: The MacMillan Company, 1904. Поиск в Google Scholar

[14] von Helmholtz H. Über einige Gesetze der Vertheilung elektrischer Ströme in körperlichen Leitern, mit Anwendung auf die thierisch-elektrischen Versuche.Ann Phys Chem. 1853; 89: 353–77. Искать в Google Scholar

[15] Lippmann G. Beziehungen zwischen den Capillaren und elektrischen Erscheinungen. Ann Phys. 1873; 225: 546–61.10.1002 / andp.18732250807 Поиск в Google Scholar

[16] Гуи М. Сюр за строение электрического заряда на поверхности электролита. J. Phys Theor Appl. 1910; 9: 457–68.10.1051 / jphystap: 0191000

700 Поиск в Google Scholar

[17] Chapman DL. LI. Вклад в теорию электрокапиллярности.Лондон Эдинб Дубл Фил Мэг Дж. Sci. 1913; 25: 475–81.10.1080 / 14786440408634187 Искать в Google Scholar

[18] Штерн О. Теория двойного электролитического слоя. Z Elektrochem. 1924; 30: 1014–20. Искать в Google Scholar

[19] Бикерман Дж. Структура и емкость двойного электрического слоя. Лондон Эдинб Дубл Фил Мэг Дж. Sci. 1942; 33: 384–97.10.1080 / 14786444208520813 Поиск в Google Scholar

[20] Фрейз В. Цур Теория диффузного доппельшихта. Z Elektrochem Ber Bunsenges Physik Chem.1952; 56: 822–7. Искать в Google Scholar

[21] Grahame DC. Двойной электрический слой и теория электрокапиллярности. Chem Rev.1947; 41: 441–501.10.1021 / cr60130a00218895519 Искать в Google Scholar

[22] Erdey-Gruz T, Volmer M. Zur Theorie der Wasserstoff Überspannung. Z Phys Chem. 1930; 150: 203–13. Искать в Google Scholar

[23] Erdey-Gruz T, Volmer M. Zur Frage der elektrolytischen Metallüberspannung. Z Phys Chem. 1931; 157: 165–81. Искать в Google Scholar

[24] Butler JAV.Механизм перенапряжения и его связь с комбинацией атомов водорода на металлических электродах. Trans Faraday Soc. 1932; 28: 379–82.10.1039 / tf9322800379 Поиск в Google Scholar

[25] Дойл М., Фуллер Т.Ф., Ньюман Дж. Моделирование гальваностатического заряда и разряда литиево-полимерного / вставляемого элемента. J Electrochem Soc. 1993; 140: 1526–33.10.1149 / 1.2221597 Искать в Google Scholar

[26] Frumkin A. Wasserstoffüberspannung und Struktur der Doppelschicht. Z Phys Chem. 1933; 164: 121–33.Искать в Google Scholar

[27] Ван Сестберген М. Теория Фрумкина-Батлера-Фольмера и массоперенос в электрохимических ячейках. Русс Дж Электрохим. 2012; 48: 570–9.10.1134 / S1023193512060110 Поиск в Google Scholar

[28] Латц А., Зауш Дж. Термодинамический вывод модели Батлера – Фольмера для интеркаляции в литий-ионные батареи. Electrochim Acta. 2013; 110: 358–62.10.1016 / j.electacta.2013.06.043 Поиск в Google Scholar

[29] Руби Дж., Кьельструп С. Мезоскопическая неравновесная термодинамика дает ту же термодинамическую основу для уравнений Батлера-Фольмера и Нернста.J. Phys Chem B. 2003; 107: 13471–7.10.1021 / jp030572g Поиск в Google Scholar

[30] Цзэн Й., Смит РБ, Бай П., Базант М.З. Простая формула кинетики Маркуса – Хаша – Чидси. J. Electroanalytical Chem. 2014; 735: 77–83.10.1016 / j.jelechem.2014.09.038 Поиск в Google Scholar

[31] Люк Дж., Латц А. Теория реакций на электрифицированных интерфейсах. Phys Chem Chem Phys. 2016; 18: 17799–804.10.1039 / C6CP02681h37215943 Поиск в Google Scholar

[32] Фик А. Убер Диффузия. Новости физики 170.1 (1855): 59-86. Фик А. О диффузии жидкости. Серия Фил Мэг. 1855; 4: 30–9. Искать в Google Scholar

[33] Ханциг Дж., Зшорнак М., Менер Э., Ханциг Ф., Мюнхгесанг В., Лейзеганг Т. и др. Анизотропия миграции кислородных вакансий в SrTiO ₃ . J Phy Cond Matter. 2016; 28: 225001.10.1088 / 0953-8984 / 28/22/225001 Поиск в Google Scholar

[34] Ханциг Дж., Зшорнак М., Нентвич М., Ханциг Ф., Гемминг С., Лейзеганг Т. и др. Титанат стронция: универсальный перезаряжаемый материал для хранения энергии.J Источники энергии. 2014; 267: 700–5.10.1016 / j.jpowsour.2014.05.095 Искать в Google Scholar

[35] Адамс С., Прасадо Рао Р. Материалы для литий-ионных аккумуляторов большой мощности по расчетному дизайну. Phys Status Solidi. 2011; 208: 1746–53.10.1002 / pssa.201001116 Поиск в Google Scholar

[36] Пирсон Р.Г. Жесткие и мягкие кислоты и основания, HSAB, часть 1: основные принципы. J Chem Educ. 1968; 45: 581–7.10.1021 / ed045p581 Поиск в Google Scholar

[37] Ван И, Ричардс В. Д., Онг С. П., Миара Л. Дж., Ким Дж. К., Мо И и др.Принципы проектирования твердотельных литиевых суперионных проводников. Nat Mater. 2015; 14: 1026–31.2628022510.1038 / nmat4369 Поиск в Google Scholar

[38] Meutzner F, Münchgesang W, Kabanova NA, Zschornak M, Leisegang T, Blatov VA и др. На пути к новым возможным Na-ионным проводникам: подход Вороного – Дирихле, анализ данных и соображения симметрии в тройных оксидах натрия. Chem Eur J. 2015; 21: 16601–8.10.1002 / chem.201501975 Искать в Google Scholar

[39] Huggins RA. Глава 9: Очень быстрый перенос твердых тел.В: Новик А.С., редактор (ы). Диффузия в твердых телах: последние разработки. Нью-Йорк, США: Academic Press, 1975: 445–86. ISBN: 0-12-522660-8. Искать в Google Scholar

[40] Neumann F. In: Meyer OE, editor (s). Vorlesungen über die Theorie der Elastizität der festen Körper und des Lichtäthers. Лейпциг, Германия: Б. Г. Тойбнер-Верлаг, 1885. Искать в Google Scholar

[41] van der Veen A, Bhattacharya J, Belak AA. Понимание диффузии лития в соединениях интеркаляции лития. Acc Chem Res. 2013; 46: 1216–25.10.1021 / ar200329r22584006 Поиск в Google Scholar

[42] Ронг З, Малик Р., Канепа П., Сай Гаутам Дж., Лю М., Джайн А. и др. Правила конструирования материалов для подвижности многовалентных ионов в интеркаляционных структурах. Chem Mater. 2015; 27: 6016–21.10.1021 / acs.chemmater.5b02342 Поиск в Google Scholar

[43] Яковенко А.А., Вэй З.В., Ридт М., Ли Дж. Р., Гальдер Г. Дж., Чжоу Х. Исследование гостевых молекул в металлоорганических каркасах методом порошковой рентгеновской дифракции: анализ разностной плотности оболочки. Cryst Growth Des.2014; 14: 5397–407.10.1021 / cg500525g Поиск в Google Scholar

[44] Zschornak M, Richter C, Nentwich M, Stöcker H, Gemming S, Meyer DC. Исследование ближней структуры и локальных орбиталей кристалла методами резонансной рентгеновской дифракции. Crystal Res Technol. 2014; 49: 43–5410.1002 / crat.201300430 Поиск в Google Scholar

[45] Рихтер С., Зшорнак М., Новиков Д., Менер Э., Нентвич М., Ханциг Дж., Горфман С., Мейер Д.К. Пикометрические полярные смещения атомов в титанате стронция, определенные методом резонансной дифракции рентгеновских лучей.Nat Comms. 2018; 9: 178.10.1038 / s41467-017-02599-6 Поиск в Google Scholar

[46] Венгерт С., Непер Р., Андреони В., Парринелло М. Диффузия ионов в тройном сверхпроводнике: исследование молекулярной динамики ab initio. Phys Rev Lett. 1996; 77: 5083–5.10.1103 / PhysRevLett.77.5083 Поиск в Google Scholar

[47] Shi SQ, Lu P, Liu ZY, Qi Y, Hector LG, Li H, et al. Прямой расчет транспорта ионов лития в межфазной границе твердого электролита. J Am Chem Soc. 2012; 134: 15476–87.2290923310.1021 / ja305366r Поиск в Google Scholar

[48] Сото Ф.А., Ян П., Энгельхард М.Х., Марзук А., Ван С., Сюй Г. и др.Настройка межфазной границы твердого электролита для селективного хранения литий- и на-ионов в твердом углероде. Adv Mater. 2017; 29: 1606860.10.1002 / adma.201606860 Поиск в Google Scholar

[49] Майзер Э. Батарейная упаковка — обзор технологий. AIP Conf Proc. 2014; 1597: 204–8. Искать в Google Scholar

[50] Korthauer R. Handbuch Lithium-Ionen-Batterien. Берлин / Гейдельберг, Германия: Springer-Verlag, 2013. ISBN: 978-3-642-30652-5. Ищите в Google Scholar

[51] Johnson Matthey Battery Systems (ранее Axeon © 2012).Наш гид по батареям. Руксли, Милтон Кейнс, Великобритания: Джонсон Матти, Precedent House. 2nd edition, 2018. Доступно 26 января. Искать в Google Scholar

[52] Dunn B, Kamath H, Tarascon J-M. Хранение электрической энергии для сети: набор вариантов. Наука. 2011; 334: 928–35.10.1126 / science.121274122096188 Искать в Google Scholar

[53] Крайцберг А., Эйн-Эли Ю. Выше, сильнее, лучше? обзор катодных материалов на 5 В для современных литий-ионных аккумуляторов. Adv Ene Mat.2012; 2: 922–39.10.1002 / aenm.201200068 Поиск в Google Scholar

[54] Редди Т.Д., Линден Д. Глава 19–21: Никель-кадмиевые батареи. Справочник Линдена по батареям, 4-е изд. Нью-Йорк, США: McGrawHill Verlag, 2011. ISBN: 978-0071624213. Искать в Google Scholar

[55] Page KA, Soles CL, Runt J. Полимеры для хранения и доставки энергии: полиэлектролиты для батарей и топливных элементов, Vol. 1096. Вашингтон, округ Колумбия, США: Американское химическое общество, 2012. ISBN: 9780841226319. Поиск в Google Scholar

[56] Скиллас-Казакос М., Чакрабарти М.Х., Хаджимолана С.А., Мьялли Ф.С., Салим М.Прогресс в исследованиях и разработках проточных батарей. J Electrochem Soc. 2011; 158: R55 – R79. Искать в Google Scholar

[57] Wang W, Luo Q, Li B, Wei X, Li L, Yang Z. Недавний прогресс в исследованиях и разработках проточных окислительно-восстановительных батарей. Adv Funct Mater. 2013; 23: 970–86.10.1002 / adfm.201200694 Искать в Google Scholar

[58] Понсе Де Леон К., Фриас-Феррер А., Гонсалес-Гарсия Дж., Санто Д.А., Уолш ФК. Проточные ячейки окислительно-восстановительного потенциала для преобразования энергии. J Источники энергии. 2006; 160: 716–32.10.1016 / j.jpowsour.2006.02.095 Искать в Google Scholar

[59] Ченг Ф., Чен Дж. Металло-воздушные батареи: от электрохимии восстановления кислорода до катодных катализаторов. Chem Soc Rev. 2012; 41: 2172–92.10.1039 / c1cs15228a22254234 Поиск в Google Scholar

[60] Редди Т.Д., Линден Д. Главы 16 и 17: Свинцово-кислотные батареи и свинцово-кислотные батареи с регулируемым клапаном. Справочник Линдена по батареям, 4-е изд. Нью-Йорк, Vereinigte Staaten: McGrawHill Verlag, 2011. ISBN: 978-0071624213. Искать в Google Scholar

[61] Beattie GW.Теория Нернста о концентрационной ячейке. Чарлстон, Южная Каролина, США: BiblioBazaar, 2015. ISBN: 9781343047952. Поиск в Google Scholar

[62] Hahn T (Hrsg.). Международные таблицы для кристаллографии. Bd. A: Пространственно-групповая симметрия. 5., ред. изд., отв. с корр. Дордрехт: Kluwer Academic Publishers, 2002. ISBN: 0-7923-6591-7. Искать в Google Scholar

Базовая работа от аккумулятора | PVEducation

В основе работы от батареи лежит обмен электронами между двумя химическими реакциями, реакцией окисления и реакцией восстановления.Ключевым аспектом батареи, который отличает ее от других реакций окисления / восстановления (таких как процессы ржавления и т. Д.), Является то, что реакции окисления и восстановления физически разделены. Когда реакции физически разделены, между двумя реакциями может быть вставлена ​​нагрузка. Электрохимическая разность потенциалов между двумя батареями соответствует напряжению батареи, которая приводит в действие нагрузку, а обмен электронами между двумя реакциями соответствует току, который проходит через нагрузку.Компоненты батареи, показанные на рисунке ниже, состоят из электрода и электролита как для реакции восстановления, так и для реакции окисления, средства для передачи электронов между реакцией восстановления и окисления (обычно это достигается с помощью провода, подключенного к каждый электрод) и средства обмена заряженными ионами между двумя реакциями.

Схема батареи, в которой (а) электролит реакции восстановления и окисления различается и (б) электролит одинаковый для обеих реакций.

Ключевыми компонентами, которые определяют многие из основных свойств батареи, являются материалы, используемые для электрода и электролита как для реакций окисления, так и для реакций восстановления. Электрод — это физическое место, где происходит ядро ​​окислительно-восстановительной реакции — перенос электронов. Во многих аккумуляторных системах, включая свинцово-кислотные и щелочные батареи, электрод — это не только место, где происходит перенос электронов, но также компонент химической реакции, которая либо использует, либо производит электроны.Однако в других аккумуляторных системах (таких как топливные элементы) материал электрода сам по себе инертен и является только местом переноса электронов от одного реагента к другому. Для разряженной батареи электрод, на котором происходит реакция окисления, называется анодом и по определению имеет положительное напряжение, а электрод, на котором происходит реакция восстановления, является катодом и находится под отрицательным напряжением.

Одного электрода недостаточно для протекания окислительно-восстановительной реакции, поскольку окислительно-восстановительная реакция включает взаимодействие более чем одного компонента.Остальные химические компоненты реакции содержатся в электролите. Для многих практических аккумуляторных систем электролит представляет собой водный раствор. Одна из причин наличия водного раствора заключается в том, что окисленная или восстановленная форма электрода существует в водном растворе. Кроме того, важно, чтобы химические частицы в электролите были подвижными, чтобы они могли перемещаться к участку на электроде, где происходит химическая реакция, а также чтобы частицы ионов могли перемещаться от одного электрода к другому.

Ток в батарее возникает в результате переноса электронов от одного электрода к другому. Во время разряда реакция окисления на аноде генерирует электроны, а реакция восстановления на катоде использует эти электроны, и поэтому во время разряда электроны текут от анода к катоду. Электроны, генерируемые или используемые в окислительно-восстановительной реакции, могут легко переноситься между электродами через обычное электрическое соединение, такое как провод, прикрепленный к аноду и катоду.Однако, в отличие от обычной электрической цепи, электроны — не единственный носитель заряда в цепи. Электроны перемещаются от анода к катоду, но не возвращаются от катода к аноду. Вместо этого электрическая нейтральность поддерживается движением ионов в электролите. Если в каждой окислительно-восстановительной реакции используется другой электролит, солевой мост соединяет два раствора электролита. Направление движения ионов предотвращает накопление заряда либо на аноде, либо на катоде.В большинстве практических аккумуляторных систем один и тот же электролит используется как для анода, так и для катода, и перенос ионов может происходить через сам электролит, что устраняет необходимость в солевом мостике. Однако в этом случае между анодом и катодом также вставляется разделитель. Сепаратор предотвращает физическое соприкосновение анода и катода друг с другом, поскольку они обычно находятся в очень непосредственной физической близости друг к другу, и если бы они соприкоснулись, это привело бы к короткому замыканию батареи, поскольку электроны могут передаваться напрямую, не проходя через внешнюю цепь. и загрузить.

Окислительно-восстановительные реакции, составляющие конкретную аккумуляторную систему, определяют многие фундаментальные параметры аккумуляторной системы. Другие ключевые свойства батареи, в том числе емкость батареи, характеристики зарядки / разрядки и другие практические соображения, также зависят от физической конфигурации батареи, например количества материала в батарее или геометрии электродов. На следующих страницах описывается, как характеристики батареи — поведение напряжения, эффективность батареи, неидеальность батареи (саморазряд, снижение емкости батареи и т. Д.) — зависят от протекания окислительно-восстановительных реакций и конфигурации батареи.

Принцип работы литий-ионной батареи — E-Lyte Innovations

Принцип работы литий-ионной батареи — E-Lyte Innovations

Литий-ионные батареи относятся к группе батарей, вырабатывающих электрическую энергию путем преобразования химической энергии посредством окислительно-восстановительных реакций на активных материалах, то есть на отрицательном (аноде) и положительном электроде (катоде), в одном или нескольких электрически связанных электрохимических элементах.Литий-ионные батареи можно разделить на первичные (неперезаряжаемые) и вторичные (перезаряжаемые) батареи, в зависимости от того, перезаряжаются ли они подачей электрического тока.

В обычных литий-ионных батареях Li ⁺ -ионы перемещаются между положительным электродом (обычно слоистым материалом оксида переходного металла) и отрицательным электродом на основе графита в соответствии с принципом «кресла-качалки» (см. Видео).

Термин «разряд» используется для обозначения процесса, при котором аккумулятор подает электрическую энергию на внешнюю нагрузку.Электролит в этой системе содержит дополнительные ионы Li ⁺ для обеспечения быстрого переноса ионного заряда внутри элемента.

Помимо ионной проводимости, электролит выполняет другие важные функции:

Поддержка образования эффективных межфазных фаз (например, межфазной границы твердого электролита, SEI или межфазной поверхности катодного электролита, CEI), которые:

• включить аккумулятор для работы
• хорошо Li ⁺ -ион проводящий (оцените!)
• защищают от дальнейшего разложения электролита

Способствовать безопасности клеток — быть инертным по отношению к другим материалам, таким как:

• Разделитель
• Токосъемники
• Электропроводящие добавки, связующие
• Кожух ячейки

Шаг 1 — Исходное состояние (состояние заряда (SOC) 0%)

В разряженном состоянии ионы Li ⁺ находятся в материале положительного электрода.Таким образом, положительный электрод является источником ионов Li ⁺ , необходимых для преобразования электрической энергии в химическую энергию. Чтобы позволить ионам Li ⁺ мигрировать с положительного электрода на отрицательный, электролит также обогащен ионами Li ⁺ .

Шаг 2 — Формирование SEI и CEI

В самом начале первого процесса зарядки электроны мигрируют из материала положительного электрода (окисление) через внешний проводник в материал отрицательного электрода (восстановление).Чтобы гарантировать нейтральность заряда, ионы Li ⁺ деинтеркалируют из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через электролит в материал отрицательного электрода для последующего хранения. В результате этих реакций на границах раздела между электролитом / поверхностью отрицательного электрода и электролитом / поверхностью положительного электрода соответственно образуются граничные фазы, так называемые SEI и CEI. Эти промежуточные фазы образуются из нерастворимых электрохимически индуцированных продуктов разложения компонентов электролита и ионов Li ⁺ , происходящих от положительного электрода, и обеспечивают обратимое циклическое переключение батареи.После образования SEI и CEI дополнительные ионы Li ⁺ деинтеркалируются из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через него в материал отрицательного электрода, чтобы затем встраиваться в последний.

Шаг 3 — Электродные реакции

После образования SEI и CEI, дополнительные ионы Li ⁺ деинтеркалируют из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через него в материал отрицательного электрода, чтобы затем встраиваться в последний.

Положительный электрод:

Li M O ₂ → Li _{(1- x )} M O ₂ + x · e ^— + x · Li ⁺

Отрицательный электрод:

C ₆ + x · e ^— + x · Li ⁺ → Li _x C ₆

Общая реакция клетки:

C ₆ + Li M O ₂ → Li _x C ₆ + Li _{(1- x )} MO ₂

Шаг 5 — Выписка

При разряде происходят обратные реакции.Электродные реакции:

Положительный электрод = «катод» (восстановление)

Li _{(1- x )} M O ₂ + x · e ^— + x · Li ⁺ → Li M O ₂

Отрицательный электрод = «анод» (окисление)

Li _x C ₆ → C ₆ + x · e ^— + x · Li ⁺

Шаг 6 — Принцип кресла-качалки

После разряда (SOC 0%) ионы Li ⁺ повторно сохраняются в материале положительного электрода, из которого они изначально были получены.Возвратно-поступательное движение Li ⁺ -ions напоминает движение кресла-качалки, поэтому этот принцип получил название «принцип кресла-качалки».

В частности, первый цикл (заряд и разряд) связан с необратимой потерей ионов Li ⁺ в SEI и CEI, а также в материале отрицательного электрода. В результате, меньшее количество ионов Li ⁺ теперь может храниться в отрицательном электроде в следующем цикле зарядки, что приводит к уменьшению емкости аккумулятора.

В литий-ионной батарее происходят различные процессы старения, которые снижают производительность батареи в течение периода использования и сильно зависят от химического состава элемента и предполагаемого использования батареи. Особенно правильный выбор электролита имеет огромное влияние на эти механизмы старения и еще раз подчеркивает важность индивидуальных электролитов.

Для оптимизации литий-ионных аккумуляторов в отношении удельной энергии и плотности энергии, срока службы и безопасности было приложено много усилий для дальнейшего расширения возможностей применения LIB.В частности, растущие потребности в литий-ионных батареях с высокой удельной энергией и плотностью энергии, особенно для автомобильных приложений, увеличивают исследовательские усилия во всем мире. Плотность энергии и удельная энергия батарей по определению — это количество энергии, хранящейся в данной системе на единицу объема и на единицу массы, соответственно. Произведение удельной емкости и среднего напряжения разряда дает удельную энергию, и это соотношение находит выражение в уравнении 1:

.

E = C · U (1)

Согласно уравнению 1 кажется разумным, что большая часть текущих исследований сосредоточена на новых материалах положительных электродов с более высокими рабочими напряжениями (высоковольтный подход) и / или увеличенной удельной емкостью (подход с высокой емкостью).Материалы высоковольтных катодов сильно ограничены узким окном электрохимической стабильности современных электролитов на основе карбонатов (≈1,0 — 4,4 В против Li / Li ⁺ ) и усиливают конструкцию искробезопасных электролитов. электролиты или подходящие добавки к электролиту для высоковольтных литий-ионных батарей.

Мы используем файлы cookie на нашем веб-сайте. Некоторые из них очень важны, а другие помогают нам улучшить этот веб-сайт и улучшить ваш опыт.

Принять все

Сохранить

Принимать только необходимые файлы cookie

Индивидуальные настройки конфиденциальности

Подробная информация о файлах cookie Политика конфиденциальности Отпечаток

Предпочтение конфиденциальности

Здесь вы найдете обзор всех используемых файлов cookie.Вы можете дать свое согласие на использование целых категорий или отобразить дополнительную информацию и выбрать определенные файлы cookie.

Имя	Borlabs Cookie
Провайдер	Владелец этого сайта
Назначение	Сохраняет предпочтения посетителей, выбранные в поле cookie файла cookie Borlabs.
Имя файла cookie	Borlabs-печенье
Срок действия печенья	1 год

Как работают (аккумуляторные) батареи?

Хотя аккумуляторные батареи были изобретены более ста лет назад, их применения не было так давно.Сегодня аккумуляторные батареи неразрывно связаны с нашей повседневной жизнью: портативные устройства и бытовая техника стали чрезвычайно популярными. Но как работают аккумуляторы ? А что делает зарядное устройство? В этой статье мы рассмотрим основы работы (перезаряжаемой) батареи.

Немного химии

Как и все остальное, батарея состоит из атомов. Один атом состоит из трех типов частиц:

• протонов (положительных)
• электронов (отрицательные)
• нейтронов

В идеале этот заряд выравнивается: количество отрицательных и положительных частиц одинаково.Удаление одного электрона (т.е.отрицательной частицы) приводит к тому, что атом становится положительным, и наоборот. Поскольку атомы предпочитают оставаться нейтральными, они будут искать другие атомы для обмена электронами, чтобы восстановить свой баланс. Этот обмен или «поток» электронов создает электрический ток.

Анод, электролит и катод

Процесс обмена электронами также происходит в батареях. Каждая батарея состоит из трех частей: анода, электролита и катода. Однако разные типы батарей используют разные химические вещества для создания этих деталей.

В полностью заряженной батарее анод отрицательный, а катод положительный. Почему? Анод содержит избыток (отрицательных) электронов, тогда как катод не содержит электронов. Естественно, анод хотел бы потерять часть своих электронов, передав лишние электроны на катод.

Добавляя третий элемент, сепаратор с электролитом, вы можете контролировать поток и создавать батарею. Сепаратор действует как барьер внутри ячейки между анодом и катодом. Это позволяет электрическому току течь только тогда, когда батарея подключена к устройству.

Как работают аккумуляторы

Все батареи работают следующим образом: электроны перемещаются от анода к катоду, пока на аноде не закончатся электроны. Таким образом, аккумулятор считается разряженным или «мертвым».

С первичными батареями это конец. С вторичными или перезаряжаемыми батареями зарядное устройство может обратить поток электронов в обратном направлении и, таким образом, восстановить первоначальный избыток электронов на аноде, создавая тем самым то, что мы называем заряженной батареей.

Можно ли обратить эту реакцию вспять, зависит от химикатов, используемых в батарее.Например, щелочные батареи не предназначены для обеспечения обратного потока. Это может быть потенциально опасно.

NiMH (никель-металл-гибридный) аккумулятор обеспечивает принудительный обратный поток сотни, а иногда и тысячи раз. Однако процесс со временем вызывает повреждение химикатов. Следовательно, вы не можете бесконечно заряжать и разряжать батареи: в какой-то момент химические вещества разложатся слишком сильно, чтобы по-прежнему удерживать заряд.

Дополнительная литература

Как же тогда аккумуляторные батареи работают раз за разом? Срок службы перезаряжаемой батареи зависит от производителя, типа батареи и условий, в которых она используется.Чтобы узнать больше о том, как производятся NiMH аккумуляторы, обратитесь к одной из наших предыдущих статей здесь.

Другие аккумуляторные батареи | Введение в химию

Цель обучения

• Обсудить общие характеристики аккумуляторов

---

Ключевые моменты

• Перезаряжаемые батареи накапливают энергию за счет обратимой химической реакции, которая позволяет снова сохранять заряд после разрядки батареи.
• Перезаряжаемые батареи имеют более низкую общую стоимость использования и меньшее воздействие на окружающую среду, чем одноразовые батареи, что может быть причиной того, что спрос на аккумуляторные батареи в США растет намного быстрее, чем спрос на неперезаряжаемые батареи.
• Общие типы аккумуляторных батарей: свинцово-кислотные, никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлогидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion), литий-ионные полимерные (LiPo) и перезаряжаемые щелочные батареи.

---

Условия

• плотность энергии: Количество энергии, которое может храниться в зависимости от объема батареи.
• вторичный элемент: Электрический элемент, который можно перезаряжать, поскольку он преобразует химическую энергию в электрическую с помощью обратимой химической реакции.

---

Аккумуляторы

Аккумуляторная батарея — это тип электрической батареи, состоящей из одного или нескольких электрохимических элементов. Он известен как вторичный элемент, потому что его электрохимические реакции электрически обратимы. Другими словами, после того, как накопленный заряд был истощен, химические реакции батареи могут произойти снова, в обратном порядке, чтобы сохранить новый заряд.Спрос на аккумуляторные батареи в США растет вдвое быстрее, чем спрос на неперезаряжаемые батареи, отчасти потому, что аккумуляторные батареи оказывают меньшее воздействие на окружающую среду и общую стоимость использования, чем одноразовые.

Сетевые накопители энергии используют перезаряжаемые батареи для выравнивания нагрузки. Выравнивание нагрузки включает в себя хранение электроэнергии для использования в период пиковой нагрузки. Заряжая батареи в периоды низкого потребления электроэнергии для использования в периоды высокого спроса, выравнивание нагрузки помогает устранить необходимость в дорогостоящих пиковых электростанциях и помогает снизить стоимость генераторов в течение большего количества часов работы.

Конструкция аккумуляторной батареи

Как и все батареи, аккумуляторные батареи состоят из анода, катода и электролита. Во время зарядки материал анода окисляется, образуя электроны, а катод восстанавливается, потребляя электроны.

Зарядка аккумулятора Схема зарядки аккумулятора.

Эти электроны составляют ток во внешней цепи. Электролит может служить простым буфером для внутреннего потока ионов между электродами, как в литий-ионных и никель-кадмиевых элементах, или он может быть активным участником электрохимической реакции, как в свинцово-кислотных элементах.

Типы аккумуляторных батарей

В аккумуляторных батареях обычно используется несколько различных комбинаций химикатов. Различные типы включают свинцово-кислотные, никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлогидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion), литий-ионные полимерные (LiPo) и перезаряжаемые щелочные батареи.

Свинцово-кислотные батареи

Свинцово-кислотные батареи, изобретенные в 1859 году французским физиком Гастоном Планте, являются старейшим типом аккумуляторных батарей. Их способность обеспечивать высокие импульсные токи означает, что элементы поддерживают относительно большое отношение мощности к весу.Эти особенности, наряду с их низкой стоимостью, делают их привлекательными для использования в автомобилях, требующих больших токов.

Никель-металлогидридные батареи

Никель-металлогидридная батарея, сокращенно NiMH или Ni-MH, очень похожа на никель-кадмиевый элемент (NiCd). В NiMH батареях используются положительные электроды из оксигидроксида никеля (NiOOH), как и в NiCd, но в отрицательных электродах вместо кадмия используется сплав, поглощающий водород. Аккумулятор NiMH может иметь емкость в два-три раза больше, чем аккумулятор NiCd аналогичного размера, а его плотность энергии приближается к плотности литий-ионного элемента.

Литий-ионные батареи

Литий-ионный аккумулятор — это семейство аккумуляторных батарей, в которых ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному во время разряда и обратно при зарядке. Отрицательный электрод обычного литий-ионного элемента сделан из углерода. Положительный электрод представляет собой оксид металла, а электролит представляет собой соль лития в органическом растворителе. Это один из самых популярных типов аккумуляторных батарей для портативной электроники, с одной из лучших плотностей энергии и лишь медленной потерей заряда, когда они не используются.Литий-ионные аккумуляторы дороже никель-кадмиевых аккумуляторов, но работают в более широком диапазоне температур, при этом они меньше и легче. Они хрупкие и поэтому нуждаются в схеме защиты для ограничения пикового напряжения.

Литий-ионные полимерные батареи

Литий-ионные полимерные (LiPo) батареи обычно состоят из нескольких идентичных вторичных ячеек, включенных параллельно, чтобы увеличить ток разряда. Они часто доступны в серии «упаковок» для увеличения общего доступного напряжения.Их основное отличие от литий-ионных батарей состоит в том, что их электролит из литиевой соли не содержится в органическом растворителе. Вместо этого он находится в твердом полимерном композите, таком как полиэтиленоксид или полиакрилонитрил. Преимущества LiPo по сравнению с литий-ионной конструкцией включают потенциально более низкую стоимость производства, приспособляемость к большому разнообразию форм упаковки, надежность и прочность.