Принцип работы акб: Что такое АКБ — принцип работы, термины, история изобретения

Содержание

Принцип работы аккумулятора физика

Автор Почемучка На чтение 23 мин. Просмотров 361

Работа аккумулятора при заряде

В широком смысле слова в технике под термином «Аккумулятор» понимается устройство, которое позволяет при одних условиях эксплуатации накапливать определенный вид энергии, а при других — расходовать ее для нужд человека.

Их применяют там, где необходимо собрать энергию за определенное время, а затем использовать ее для совершения больших трудоемких процессов. Например, гидравлические аккумуляторы, используемые в шлюзах, позволяют поднимать корабли на новый уровень русла реки.

Электрические аккумуляторы работают с электроэнергией по этому же принципу: вначале накапливают (аккумулируют) электричество от внешнего источника заряда, а затем отдают его подключенным потребителям для совершения работы. По своей природе они относятся к химическим источникам тока, способным совершать много раз периодические циклы разряда и заряда.

Во время работы постоянно происходят химические реакции между компонентами электродных пластин с заполняющим их веществом — электролитом.

Принципиальную схему устройства аккумулятора можно представить рисунком упрощенного вида, когда в корпус сосуда вставлены две пластины из разнородных металлов с выводами для обеспечения электрических контактов. Между пластинами залит электролит.

Работа аккумулятора при разряде

Когда к электродам подключена нагрузка, например, лампочка, то создается замкнутая электрическая цепь, через которую протекает ток разряда. Он формируется движением электронов в металлических частях и анионов с катионами в электролите.

Этот процесс условно показан на схеме с никель-кадмиевой конструкцией электродов.

Здесь в качестве материала положительного электрода используют окислы никеля с добавками графита, которые повышают электрическую проводимость. Металлом отрицательного электрода работает губчатый кадмий.

Во время разряда частицы активного кислорода из окислов никеля выделяются в электролит и направляются на отрицательные пластины, где окисляют кадмий.

Работа аккумулятора при заряде

При отключенной нагрузке на клеммы пластин подается постоянное (в определенных ситуациях пульсирующее) напряжение большей величины, чем у заряжаемого аккумулятора с той же полярностью, когда плюсовые и минусовые клеммы источника и потребителя совпадают.

Зарядное устройство всегда обладает большей мощностью, которая «подавляет» оставшуюся в аккумуляторе энергию и создает электрический ток с направлением, противоположным разряду. В результате внутренние химические процессы между электродами и электролитом изменяются. Например, на банке с никель кадмиевыми пластинами положительный электрод обогащается кислородом, а отрицательный — восстанавливается до состояния чистого кадмия.

При разряде и заряде аккумулятора происходит изменение химического состава материала пластин (электродов), а электролита не меняется.

Способы соединения аккумуляторов

Величина тока разряда, которую может выдержать одна банка, зависит от многих факторов, но в первую очередь от конструкции, примененных материалов и их габаритов. Чем значительнее площадь пластин у электродов, тем больший ток они могут выдерживать.

Этот принцип используется для параллельного подключения однотипных банок у аккумуляторов при необходимости увеличения тока на нагрузку. Но для заряда такой конструкции потребуется поднимать мощность источника. Этот способ используется редко для готовых конструкций, ведь сейчас намного проще сразу приобрести необходимый аккумулятор. Но им пользуются производители кислотных АКБ, соединяя различные пластины в единые блоки.

В зависимости от применяемых материалов, между двумя электродными пластинами распространенных в быту аккумуляторов может быть выработано напряжение 1,2/1,5 или 2,0 вольта. (На самом деле этот диапазон значительно шире.) Для многих электрических приборов его явно недостаточно. Поэтому однотипные аккумуляторы подключают последовательно, причем это часто делают в едином корпусе.

Примером подобной конструкции служит широко распространенная автомобильная разработка на основе серной кислоты и свинцовых пластин-электродов.

Обычно в народе, особенно среди водителей транспорта, принято называть аккумулятором любое устройство, независимо от количества его составных элементов — банок. Однако, это не совсем правильно. Собранная из нескольких последовательно подключенных банок конструкция является уже батареей, за которой закрепилось сокращенное название «АКБ» . Ее внутреннее устройство показано на рисунке.

Любая из банок состоит из двух блоков с набором пластин для положительного и отрицательного электродов. Блоки входят друг в друга без металлического контакта с возможностью надежной гальванической связи через электролит.

При этом контактные пластины имеют дополнительную решетку и отдалены между собой разделительной пластиной — сепаратором.

Соединение пластин в блоки увеличивает их рабочую площадь, снижает общее удельное сопротивление всей конструкции, позволяет повышать мощность подключаемой нагрузки.

С внешней стороны корпуса такая АКБ имеет элементы, показанные на рисунке ниже.

Из него видно, что прочный пластмассовый корпус закрыт герметично крышкой и сверху оборудован двумя клеммами (обычно конусной формы) для подключения к электрической схеме автомобиля. На их выводах выбита маркировка полярности: «+» и «-». Как правило, для блокировки ошибок при подключении диаметр положительной клеммы немного больше, чем у отрицательной.

У обслуживаемых аккумуляторных батарей сверху каждой банки размещена заливная горловина для контроля уровня электролита или доливки дистиллированной воды при эксплуатации. В нее вворачиваются пробка, которая предохраняет внутренние полости банки от попадания загрязнений и одновременно не дает выливаться электролиту при наклонах АКБ.

Поскольку при мощном заряде возможно бурное выделение газов из электролита (а этот процесс возможен при интенсивной езде), то в пробках делаются отверстия для предотвращения повышения давления внутри банки. Через них выходят кислород и водород, а также пары электролита. Подобные ситуации, связанные с чрезмерными токами заряда, желательно избегать.

На этом же рисунке показано соединение элементов между банками и расположение пластин-электродов.

Стартерные автомобильные АКБ (свинцово-кислотные) работают по принципу двойной сульфатации. На них во время разряда/заряда происходит электрохимический процесс, сопровождающийся изменением химического состава активной массы электродов с выделением/поглощением в электролит (серную кислоту) воды.

Этим объясняется повышение удельной плотности электролита при заряде и снижение при разряде батареи. Другими словами, величина плотности позволяет оценивать электрическое состояние АКБ. Для ее замера используют специальный прибор — автомобильный ареометр.

Входящая в состав электролита кислотных батарей дистиллированная вода при отрицательной температуре переходит в твердое состояние — лед. Поэтому, чтобы автомобильные аккумуляторы не замерзали в холодное время, необходимо применять специальные меры, предусмотренные правилами эксплуатации.

Какие существуют типы аккумуляторов

Современное производство для различных целей выпускает более трех десятков разнообразных по составу электродов и электролиту изделий. Только на основе лития работает 12 известных моделей.

В качестве металла электродов могут встретиться:

Принцип действия аккумулятора основан на образовании разности потенциалов между двумя электродами, погруженными электролит. При подключении нагрузки (электротехнических устройств) к клеммам аккумулятора в реакцию вступают электролит и активные элементы электродов. Происходит процесс перемещения электронов, который, по сути, и является электротоком.

Принцип действия аккумуляторов

Принцип действия аккумулятора основан на образовании разности потенциалов между двумя электродами, погруженными электролит. При подключении нагрузки (электротехнических устройств) к клеммам аккумулятора в реакцию вступают электролит и активные элементы электродов. Происходит процесс перемещения электронов, который, по сути, и является электротоком.

При разряде аккумулятора (подключении нагрузки) губчатый свинец анода выделяет положительные двухвалентные ионы свинца в электролит. Избыточные электроны перемещаются по внешней замкнутой электрической цепи к катоду, где происходит восстановление четырехвалентных ионов свинца до двухвалентных.

При их соединении с отрицательными ионами серного остатка электролита, образуется сульфат свинца на обоих электродах.

Ионы кислорода от диоксида свинца катода и ионы водорода из электролита соединяются, образуя молекулы воды. Поэтому плотность электролита понижается.

При заряде происходят обратные реакции. Под воздействием внешнего напряжения ионы двухвалентного свинца положительного электрода отдают по два электрона и окисляются в четырехвалентные. Эти электроны движутся к аноду и нейтрализуют ионы двухвалентного свинца, восстанавливая губчатый свинец. На катоде, путем промежуточных реакций, снова образуется двуокись свинца.

Химические реакции в одной ячейке вырабатывают напряжение 2 В, поэтому на клеммах аккумулятора из 6 ячеек и получается 12 В.

Из видео Вы сможете более подробно узнать, как работает аккумулятор:

Аккумуляторные батареи, как и любая другая техника, имеют свое оригинальное устройство, структуру. В современных аккумуляторах используются определенные материалы, внедряются системы, основанные на физических и химических свойствах конкретных веществ и металлов. Рассмотрим принцип работы аккумуляторной батареи на примере свинцово-кислотных.

История аккумуляторов

Первый аккумулятор по официальным данным изобрел в 1798 году Алессандро Вольт – итальянский ученый, разработавший первый химический источник тока.

С 1820 ряд мировых ученых (Ампер, Фарадей, Дэниэл и другие) разрабатывал новые концепции, физические и химические законы, связанные с аккумуляторами.

1899 – Вальдмар Юнгнер разрабатывает батарею, где электродами выступали пластины из кадмия и никеля.

1901 – известный ученый Томас Эдисон изобретает бюджетную по стоимости модель железно-никелевого аккумулятора.

1947 – благодаря ученому Нойману батарея стала полностью герметичной.

1970-е – разработаны первые модели популярных свинцово-кислотных аккумуляторов.

В 1990-х начинается разработка и производство новых моделей аккумуляторов на основе металлгидрида и никеля.

Первый аккумулятор, то есть гальванический элемент многоразового использования, появился, по официальным данным, в 1803 году. Его создал немецкий физик и химик Иоганн Вильгельм Риттер. Друг Эрстеда, Риттер, не будучи ученым, изучал химическое действие света, проводил эксперименты с электролизом, ему, кстати, принадлежит открытие ультрафиолетовой части электромагнитного спектра.

Электрическим аккумулятором называют химический источник тока многоразового действия. Химические процессы внутри аккумулятора, в отличие от оных в одноразовых гальванических элементах, таких как щелочные или солевые батарейки, обратимы. Циклы заряда-разряда, накопления и отдачи электрической энергии, могут многократно повторяться.

Так, сам принцип действия аккумулятора позволяет циклически использовать его для автономного электроснабжения разнообразных устройств, портативных приборов, транспортных средств, медицинского оборудования и т. д. в совершенно различных сферах.

Произнося слово «аккумулятор», имеют ввиду или сам аккумулятор или аккумуляторную ячейку. Несколько последовательно или параллельно соединенных друг с другом аккумуляторных ячеек образуют аккумуляторную батарею, как и несколько соединенных аккумуляторов.

Первый аккумулятор, то есть гальванический элемент многоразового использования, появился, по официальным данным, в 1803 году. Его создал немецкий физик и химик Иоганн Вильгельм Риттер. Друг Эрстеда, Риттер, не будучи ученым, изучал химическое действие света, проводил эксперименты с электролизом, ему, кстати, принадлежит открытие ультрафиолетовой части электромагнитного спектра.

Однажды экспериментируя с вольтовым столбом, Риттер взял пятьдесят кружков из меди, куски влажного сукна, и составил столб из пятидесяти таких кружков и влажного сукна между ними. Пропустив через конструкцию ток от вольтова столба, Риттер обнаружил, что его столб зарядился и сам стал источником электричества. Это и был первый аккумулятор.

Обратимость химической реакции в электролите и на электродах аккумулятора позволяет восстанавливать работоспособность аккумулятора — заряжать его после разряда. Ток в процессе заряда пропускается через аккумулятор в направлении, противоположном разряду.

Так например, свинцово-кислотный аккумулятор работает благодаря электрохимическим реакциям свинца и диоксида свинца в серной кислоте. Формулы ниже отражают обратимые реакции, протекающие на аноде и на катоде: слева направо — реакция при разряде, справа налево — заряд.

Рассмотрим теперь устройство аккумулятора на примере автомобильной стартерной батареи. Ее напряжение 12 вольт. Состоит батарея из шести соединенных последовательно гальванических элементов, разделенных перегородками.

Последовательное соединение в данном случае обозначает, что отрицательный вывод одной ячейки подключен к положительному выводу следующей ячейки.

Каждый элемент включает в себя пару решетчатых электродов из свинцово-сурьмянистого сплава, погруженных в электролит, представляющий собой 38% водный раствор серной кислоты. Пористый сепаратор изолирует электроды друг от друга, предотвращая замыкания между ними, но свободно пропускает через себя электролит. То есть жидкость заполняет как ячейки свинцовых пластин, так и поры сепараторов.

Одноименные пластины соединены между собой свинцовыми перемычками, как и разделенные перегородками пакеты пластин, составляющие отдельные элементы, и выводы аккумулятора — тоже изготовлены из свинца.

Выводы автомобильного аккумулятора всегда немного отличаются в размере друг от друга — плюсовая клемма больше в диаметре чем минусовая, чтобы не ошибиться при подключении.

Корпус аккумулятора изготавливается из диэлектрического материала устойчивого к агрессивным средам, к перепадам температур и к вибрациям. Сегодня корпусы стартерных АКБ делают из полипропилена.

Корпус представляет собой герметично закрытую емкость с крышкой, оснащенную отбортовками для прочного крепления. В корпусах старых аккумуляторов всегда предусматривались пробки над каждым из гальванических элементов, составляющих батарею, чтобы можно было при необходимости доливать в них дистиллированную воду. Современные необслуживаемые аккумуляторы пробок на корпусах не имеют.

Другие статьи про аккумумляторы и их использование:

1. Принцип действия

Главная > Доклад >Физика

Принцип действия и использование аккумуляторов

1. Принцип действия

2. Промышленные аккумуляторы

Итальянский ученый Луиджи Гальвани (1737–1798) открыл возможность получения электрического тока иным, чем электризация трением, способом. Однажды, когда он проводил исследование лягушек, он заметил, что при прикосновении стальным скальпелем к нерву лапка мёртвой лягушки пришла в движение. В дальнейшем Гальвани поставил несколько опытов по обнаружению причины возникновения электрического тока

Аккумулятор – прибор для накопления электрической энергии с целью её дальнейшего использования.

1. Принцип действия

Принцип действия аккумуляторов основан на явлении электролиза.

Электролиз заключается в изменение химического состава раствора при прохождении через него электрического тока, обусловленное потерей или присоединением электронов ионами. Важным свойством электролиза является его обратимость

Аналогично гальваническому элементу можно изготовить и аккумулятор. Для этого используют две свинцовые пластины, погруженные в раствор, содержащий одну часть серной кислоты и пять частей воды. Чтобы зарядить аккумулятор, его соединяют последовательно с амперметром и пропускают через цепь ток

Процесс зарядки состоит в том, что две идентичные пластины аккумулятора вследствие электролиза становятся различными; одна из них, отрицательная, по-прежнему остаётся свинцовой, а материал другой (положительной), превращается в перекись свинца

В аккумуляторе протекают следующие химические реакции (в процессе зарядки реакции идут слева направо, при разрядке – в обратном направлении):

4 + 2H 2 O PbO 2 + Pb + H 2 SO 4

2. Промышленные аккумуляторы

Положительные пластины при производстве промышленных аккумуляторов покрывают толстым слоем перекиси свинца. Отрицательные пластины изготавливаются из пористого губчатого свинца

У обычной аккумуляторной батареи, состоящей из трех последовательно соединенных аккумуляторных элементов, напряжение составляет немногим более 6 вольт. Коэффициент полезного действия аккумуляторной батареи – примерно 75%. На аккумуляторной батарее ставят число, которое показывает количество запасенной в аккумуляторе электроэнергии, выраженной в ампер-часах

Например, 120 ампер-часов означает, что при полной разрядке аккумулятор сможет давать ток в 1 ампер в течение 120 часов, или ток в 2 ампера в течение 60 часов

Необходимо постоянно поддерживать аккумулятор в заряженном состоянии. Даже если батарея не находится в эксплуатации, ее следует регулярно подзаряжать. Необходимо содержать зажимы батареи в чистоте и предохранять от возникновения коррозии. Ни следует допускать замерзания батарей

В основном аккумуляторные батареи используются для запуска двигателей автомобилей и других машин. Возможно так же и применение в качестве временных источников электроэнергии в местах, удаленных от населенных пунктов. Необходимо помнить, что аккумуляторы следует поддерживать в заряженном состоянии, применяя для этого, к примеру, солнечную энергию

В будущем аккумуляторы рассчитывают применять для питания экологически чистых электромоторов

1. Кабардин О. Физика: справочные материалы. М.: Просвещение, 1991, 164 с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: Учебное пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1999. 542 с.

3. Эллиот Л., Уилкокс У. Физика. М.: ГИФМЛ, 1963, 495 с.

Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: стартерные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.

Главная > Реферат >Химия

Министерство науки и образования Республики Казахстан

Актюбинский государственный университет им. К. Жубанова

По дисциплине: Физическая химия.

На тему: Аккумуляторы и принцип их работы.

Выполнил: студент Тихонов Тимур

1. Свинцово-кислотный аккумулятор

4. Физические характеристики

5. Эксплуатационные характеристики

7. Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах

9. Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

10. Электри́ческий аккумуля́тор

11. Принцип действия

12. Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор

14. Области применения

Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: стартерные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде. Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.

Химическая реакция (слева-направо — разряд, справа-налево — заряд):

В новых версиях свинцовые пластины (решетки) заменяют вспененным карбоном, покрытым тонкой свинцовой пленкой, а жидкий электролит может быть желирован силикагелем до пастообразного состояния. Используя меньшее количество свинца и распределив его по большой площади, батарею удалось сделать не только компактной и легкой, но и значительно более эффективной — помимо большего КПД, она заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов. [1]

Теоретическая энергоемкость: около 133 Вт·ч/кг.

Удельная энергоемкость (Вт·ч/кг): 30-60 Вт·ч/кг .

Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): около 1250 Вт·ч/дм³.

ЭДС заряженного аккумулятора = 2,11 В, рабочее напряжение = 2,1 В (6 секций в итоге дают 12,7 В).

Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 — 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя.

Рабочая температура: от минус 40 до плюс 40

КПД: порядка 80-90%

Номинальная ёмкость , показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной емкости, выраженной в а/ч).

Стартерный ток (для автомобильных). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев замеряется при -18°С (0°F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются, главным образом, допускаемым конечным напряжением.

Резервная емкость (для автомобильных). Характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25А. Обычно составляет порядка 100 минут.

Ареометр может быть использован для проверки удельного веса электролита каждой секции

Такие нехитрые операции вместе с проверкой автомобиля на утечку тока и периодической подзарядкой аккумулятора могут на несколько лет продлить срок эксплуатации батареи.

Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах

Свинцово-кислотные аккумуляторы необходимо хранить только в заряженном состоянии. При температуре ниже −20 °C заряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,275 В/секцию, 1 раз в год, в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/секцию в течение 6-12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи и накипи на поверхности аккумулятора создает проводник для тока от одного контакта к другому и приводит к саморазряду аккумулятора, после чего начинается преждевременная сульфатизация пластин и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте (то есть его надо мыть перед хранением) Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные (лечебные) циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины. [2]

Всем этим параметрам и соответствует кислотно-свинцовый аккумулятор, об устройстве которого поговорим ниже.

Обычно для автомобилей применяются кислотно-свинцовые аккумуляторы , которые имеют напряжение 12 вольт и различаются только по емкости заряда. Автомобильный аккумулятор должен обладать несколькими важными параметрами.

  1. Иметь малое внутренне падение напряжения
  2. Иметь небольшой саморазряд во время эксплуатации
  3. Иметь способность выдавать большие токи
  4. Иметь небольшие габариты и минимальное обслуживание.

Всем этим параметрам и соответствует кислотно-свинцовый аккумулятор, об устройстве которого поговорим ниже.

Элемент Даниэля-Якоби за прошедшие столетия был значительно улучшен и модернизирован. Выработка электричества стала производиться более компактными и производительными устройствами, которые к тому же теперь восстанавливают свой ресурс. Но общий принцип работы аккумулятора остался тот же и сегодня.

Общие сведения

Невозможно представить работу множества современных приборов и механизмов, без аккумулятора – компактного источника жизненной энергии для нашпигованных электроникой и автоматикой всяческих устройств.

Автомобильная стартерная аккумуляторная батарея (АКБ) – так официально называется подобное устройство в транспортных средствах. Хотя принцип работы и конструкцию аккумулятора изучают ещё в средней школе на уроках физики, но многие успевают к началу самостоятельной жизни автолюбителя изрядно забыть столь ценные знания.

Давайте немного оживим наши познания и вспомним, что за штука такая – аккумулятор, как ему удается сохранять и отдавать накопленное электричество. Основной принцип работы аккумулятора – использование эффекта возникновения разности потенциалов (напряжения) между двумя погруженными в раствор электролита металлическими пластинами. Работающий на этом эффекте элемент впервые был сделан в 1836-1838 годах. Одна из пластин в нем была медной, другая цинковой, но она быстро растворялась в электролите.

Элемент Даниэля-Якоби за прошедшие столетия был значительно улучшен и модернизирован. Выработка электричества стала производиться более компактными и производительными устройствами, которые к тому же теперь восстанавливают свой ресурс. Но общий принцип работы аккумулятора остался тот же и сегодня.

Устройство аккумуляторной батареи

Следует уточнить, что французский физик Гастон Плант в 1859 г. создал свинцово-кислотную батарею, площадь которой была всего 10 кв. м. Современный аккумулятор является копией батареи Планта, но только уменьшенной во много раз.

Все детали конструкции батареи объединены в корпусе, который можно видеть как единый элемент аккумулятора под капотом автомобиля.

Конечно, правильно было бы называть аккумулятором лишь одну, отдельно взятую ячейку. Несколько таких ячеек должны быть названы аккумуляторной батареей. Так, каждый из шести отдельных аккумуляторов («банок») в стандартной аккумуляторной батарее легкового автомобиля (12 В) вырабатывает напряжение в 2 В.

Крайне серьезные и даже жесткие требования предъявляются к корпусу батареи, который должен обладать достаточной виброустойчивостью, справляться со значительными изменениями температур, а так же выдерживать воздействие агрессивных химических реагентов. Всем этим запросам удовлетворяет современный синтетический материал – полипропилен, именно поэтому в большинстве случаев при изготовлении корпуса используется именно этот материал.

Основная глубокая емкость и закрывающая её крышка – это те части, из которых состоит корпус. Крышка может быть оснащена либо дренажной системой, которая выводит вырабатывающийся газ и стабилизирует давление внутри батареи, либо горловинами с пробками. Вид крышки зависит от типа АКБ.

Каждая из отдельных ячеек аккумуляторной батареи оснащена одним скомбинированным пакетом, который состоит из большого количества пластин с чередованием их полярности. Пластины изготовляются из свинца. Они имеют структуру решеток, состоящих из прямоугольных сот. Именно благодаря такой конструкции можно нанести на пластины активную массу – основной рабочий реагент. Так как данную массу наносят посредством намазывания на пластины, то они так и называются – пластины намазного типа.

При изготовлении автомобильных аккумуляторов применяются только намазные пластины, хотя существуют и другие типы аккумуляторов. К примеру, в некоторых аккумуляторах устанавливаются пластины с увеличенной площадью, а также пластины из панцирной сетки.

Каждая из пластин в аккумуляторе – это электрод с противоположной полярностью. Именно поэтому может произойти короткое замыкание. Для его предотвращения между каждой парой пластин вставлен, изготовленный из пористого пластика сепаратор, который не препятствует циркуляции электролита внутри ячейки. Чтобы избежать коробления, каждая положительно заряженная пластина помещается между двумя «минусовыми» пластинами. Именно поэтому отрицательных пластин в ячейке всегда на одну больше.

Дабы предотвратить всевозможные деформации и смещения, весь собранный пакет зафиксирован специальным бандажом. При помощи токосборников, плюсовые и минусовые токовыводы пластин концентрируют свою энергию на выводных борнах аккумулятора. К данным борнам подключаются клеммы автомобиля, принимающие ток.

Принцип работы

Двуокись свинца на пластине с положительным зарядом, раствор серной кислоты в воде (электролит, с плотностью 1,28 г/см3), а так же губчатый свинец на отрицательном электроде – это активные элементы, вступающие в реакцию инициирования нагрузки на клеммы аккумулятора. В результате данной реакции происходит процесс вырабатывания электротока, с последующим образованием сульфата свинца на отрицательно заряженной пластине. Так же снижается плотность электролита, так как из него выделяется вода.

К ак известно, аккумуляторы большой емкости больше и массивнее аккумуляторов малой емкости. У них больше рабочая поверхность пластин и больше пространства для диффузии электролита внутри аккумулятора. Поэтому внутреннее сопротивление аккумуляторов большой емкости меньше, чем внутреннее сопротивление аккумуляторов меньшей емкости.

П адение напряжения на свинцовом аккумуляторе не пропорционально разрядному току. При больших разрядных токах, диффузия ионов электролита происходит в свободном пространстве, а при маленьких токах разряда аккумулятора — сильно ограничивается порами активного вещества пластин аккумулятора. Поэтому внутреннее сопротивление аккумулятора при больших токах в несколько раз (для свинцового аккумулятора) меньше, чем внутреннее сопротивление того же аккумулятора при малых токах.

К ак известно, аккумуляторы большой емкости больше и массивнее аккумуляторов малой емкости. У них больше рабочая поверхность пластин и больше пространства для диффузии электролита внутри аккумулятора. Поэтому внутреннее сопротивление аккумуляторов большой емкости меньше, чем внутреннее сопротивление аккумуляторов меньшей емкости.

И змерения внутреннего сопротивления аккумуляторов на постоянном и переменном токе показывают, что внутреннее сопротивление аккумулятора сильно зависит от частоты. Ниже приводится график зависимости проводимости аккумуляторов от частоты, который взят из работы австралийских исследователей.

И з графика следует, что внутреннее сопротивление свинцового аккумулятора имеет минимум при частотах порядка сотен герц.

П ри высокой температуре скорость диффузии ионов электролита выше, чем при низкой. Эта зависимость имеет линейный характер. Она и определяет зависимость внутреннего сопротивления аккумулятора от температуры. При более высокой температуре, внутреннее сопротивление аккумулятора ниже, чем при низкой температуре.

В о время разряда аккумулятора, количество активной массы на пластинах аккумулятора уменьшается, что приводит к уменьшению активной поверхности пластин. Поэтому внутреннее сопротивление заряженного аккумулятора меньше, чем внутреннее сопротивление разряженного аккумулятора.

Отправить заявку

Аккумуляторы по новым технологиям

При всех этих конструктивных отличиях общий принцип работы и протекания электрохимических процессов внутри батарей остается прежним.

Но, к сожалению, все эти разработки крайне медленно приближаются к коммерческому уровню поскольку все они пока не вышли в массовое производство, не доказали свои практические преимущества, а пробные партии имеют несравнимо высокую цену по сравнению с традиционными, проверенными временем, выпускаемых серийно промышленных образцов аккумуляторных батарей.

  • Чем больше объем двигателя, тем более емкий аккумулятор требуется;
  • В дизельных моторах используются АКБ с большей емкостью, чем в бензиновых, того же объема;
  • Если вы эксплуатируется автомобиль в условиях сильных морозов, нельзя покупать гелиевые АКБ.

Приобретая аккумулятор для своего автомобиля, не обязательно знать все параметры и характеристики, указываемые на батарее, а только к какой категории принадлежит ваш ДВС и какой объем двигателя у вашего автомобиля. Из особенностей которые нужно учитывать при выборе АКБ можно выделить следующее:

  • Чем больше объем двигателя, тем более емкий аккумулятор требуется;
  • В дизельных моторах используются АКБ с большей емкостью, чем в бензиновых, того же объема;
  • Если вы эксплуатируется автомобиль в условиях сильных морозов, нельзя покупать гелиевые АКБ.

Конечно многие обращают внимание и на другие параметры, указанные на аккумуляторе, что не обязательно. Обычно на самой батарее или в ее названии указывают какого типа батарея (например стартерная), ее емкость, мощность, время заряда, масса залитой батареи, параметры согласно стандартов других стран.

Перед тем как покупать АКБ, изучите технический паспорт своего транспортного средства, либо ознакомьтесь с параметрами старой батареи – это поможет не ошибиться с выбором и правильно сделать выбор с учетом особенностей вашего автомобиля. Если самостоятельно выбрать аккумулятор не получается, можно обратиться за консультацией к специалисту, например, к продавцу в автомобильном магазине.

Источники

http://electricalschool.info/spravochnik/eltehustr/1521-kak-ustroen-i-rabotaet-akkumuljator.html
http://pue8.ru/elektricheskie-seti/805-kak-rabotaet-akkumulyator-i-iz-chego-on-sostoit.html
http://kwatt.com.ua/chto-takoe-akkumulyator-osnovnye-ponyatiya-printsip-raboty-i-nemnogo-istorii/
http://electrik.info/device/1297-ustroystvo-i-princip-raboty-akkumulyatora.html
http://works.doklad.ru/view/1VR7KGsSkvI.html
http://works.doklad.ru/view/CDmtTwVmOa0.html
http://autoustroistvo.ru/elektrooborudovanie/akb/
http://akkumulyatorov.net/ustrojstvo-i-princip-raboty-akkumulyatora/
http://www.at-systems.ru/quest/new-quest/battery-resistance-y.shtml
http://wybor-battery.com/stati/tendencii-razvitiya-akkumulyatornyh-batarej/
http://vtorbaza.com/spravka/iz-chego-sostoit-avtomobilnyj-akkumulyator/

Как работает аккумулятор — принцип работы АКБ простыми словами

Аккумулятор или сокращённо (АКБ), это основное и необходимое устройство в любом автомобиле. Каждый водитель знает, что серце его машины — это конечно же аккумулятор, и нет таких машин с двигателем внутреннего сгорания, где бы его не было. Как бы это устройство не менялось за 150 лет с момента его изобретения, принцип работы аккумуляторной батареи остался низменным. Однако, современность внесла серьёзные коррективы в технологические процессы их изготовления. В этой статье вы ознакомитесь с и используемыми материалами, из чего состоит аккумулятор и как он работает. Итак, как работает аккумулятор (АКБ)?

Как работает аккумулятор (АКБ)

Понятие аккумулятор и его устройство

В общем понимании этого слова в технике под термином «Аккумулятор» подразумевается устройство, позволяющие при разных условиях эксплуатации накапливать определенный вид энергии, либо же — расходовать ее для человеческих нужд.

Хотите узнать, как построить энергосберегающий дом? Смотрите секреты строительства  дома , который сам экономит

Применимы в тех ситуациях, когда необходимо собрать энергию за определенное время, после чего использовать ее для совершения больших трудоемких процессов. Так — гидравлические аккумуляторы, используемые в шлюзах, позволяют поднимать корабли на новый уровень русла реки.

Электрические аккумуляторы работают с электроэнергией по такому же принципу: когда вначале накапливают (аккумулируют) электричество от внешнего источника заряда, а после отдают его подключенным приборам для совершения дальнейшей работы. По своей природе они относятся к химическим источникам тока, способным совершать много раз периодические циклы разряда и заряда.

В процессе работы постоянно происходят химические реакции между компонентами электродных пластин с заполняющим их веществом — электролитом.

Узнайте больше о самовозобновляемой и бесплатной энергии будущего. Солнечные батареи в действии.

На рисунке ниже изображена схема устройства аккумулятора. Изображен тот вид, когда в корпус сосуда вставлены две пластины из разнородных металлов с выводами для обеспечения электрических контактов. Между пластинами залит электролит.

Устройство аккумулятора

Как работает аккумулятор (АКБ) при разряде

В момент, когда к электродам подключена нагрузка в виде лампочки, создается замкнутая электрическая цепь, через которую протекает ток разряда. Его формированию способствует движение электронов в металлических частях и анионов с катионами в электролите.

Этот процесс условно показан на схеме с никель-кадмиевой конструкцией электродов.

Заряд и разряд аккумулятора

В данном примере в качестве материала положительного электрода используют окислы никеля с добавками графита, которые повышают электрическую проводимость. Металлом отрицательного электрода работает губчатый кадмий.

Во время разряда частицы активного кислорода из окислов никеля выделяются в электролит и направляются на отрицательные пластины, где окисляют кадмий.

Общее устройство и маркировка аккумуляторных батарей

Работа аккумулятора при заряде

Беря за основу отключенную нагрузку на клеммы пластин, подаем постоянное (в определенных ситуациях пульсирующее) напряжение большей величины, чем у заряжаемого аккумулятора с той же полярностью, когда плюсовые и минусовые клеммы источника и потребителя совпадают.

Таким образом мощность зарядного устройства всегда больше, чем та, которая «подавляет» оставшуюся в аккумуляторе энергию и создает электрический ток с направлением, противоположным разряду. Это приводит к изменениям внутренних химических процессов между электродами и электролитом. К примеру на банке с никель кадмиевыми пластинами положительный электрод обогащается кислородом, а отрицательный — восстанавливается до состояния чистого кадмия.

При разряде и заряде аккумулятора происходит изменение химического состава материала пластин (электродов), а электролита не меняется.

Способы соединения аккумуляторов (как работает аккумулятор)

Параллельное соединение (как работает аккумулятор)

Величина разряда тока, зависит от многих факторов, хотя в первую очередь от конструкции, примененных материалов и их габаритов. Чем значительнее площадь пластин у электродов, тем больший ток они могут выдерживать.

Этот принцип используется для параллельного подключения однотипных банок у аккумуляторов при необходимости увеличения тока на нагрузку. Чтобы зарядить такую конструкцию потребуется поднять мощность источника. Этот способ используется редко для готовых конструкций, в настоящее время куда проще сразу приобрести необходимый аккумулятор. Но им пользуются производители кислотных АКБ, соединяя различные пластины в единые блоки.

Последовательное соединение (как работает аккумулятор)

В зависимости от применяемых материалов, между двумя электродными пластинами распространенных в быту аккумуляторов может быть выработано напряжение 1,2/1,5 или 2,0 вольта. На самом деле этот диапазон гораздо шире. И многим электрическим приборов его явно недостаточно. Поэтому однотипные аккумуляторы подключают последовательно, делают это зачастую в едином корпусе.

Примером подобной конструкции служит широко распространенная автомобильная разработка на основе серной кислоты и свинцовых пластин-электродов.

Часто среди водителей транспорта, под понятием «аккумулятор» принято понимать любое устройство, независящее от количества его составных элементов — банок. Это не является правильным. Собранная из нескольких последовательно подключенных банок конструкция считается уже батареей, за которой закрепилось сокращенное название «АКБ». Ее внутреннее устройство показано на рисунке.

Устройство кислотной аккумуляторной батареи (АКБ)

Любая банка состоит из двух блоков с набором пластин для положительного и отрицательного электродов. Блоки входят друг в друга без металлического контакта с возможностью надежной гальванической связи через электролит.

При этом контактные пластины имеют дополнительную решетку и отдалены между собой разделительной пластиной — сепаратором.

Благодаря соединению пластин в блоки увеличивается их рабочая площадь. Это снижает общее удельное сопротивление всей конструкции, позволяет повышать мощность подключаемой нагрузки.

Компоновка АКБ

С внешней стороны корпуса такая АКБ имеет элементы, показанные на рисунке ниже.

Компоновка кислотной аккумуляторной батареи (АКБ)

Из него видно, что прочный пластмассовый корпус закрыт герметично крышкой и сверху оборудован двумя клеммами. Они обычно имеют конусную форму, для подключения к электрической схеме автомобиля. На их выводах выбита маркировка полярности: «+» и «-». При этом есть одно правило: во избежании ошибок при подключении, диаметр положительной клеммы немного больше, чем у отрицательной.

У обслуживаемых аккумуляторных батарей сверху каждой банки помещена заливная горловина, чтобы контролировать уровень электролита либо доливки дистиллированной воды при эксплуатации. В нее вворачиваются пробка, предохраняющая внутренние полости банки от попадания загрязнений и одновременно не дает выливаться электролиту при наклонах АКБ.

Для того, чтобы предотвратить бурное выделение газов из электролита, который возможен при интенсивной езде, в пробках делаются отверстия для предотвращения повышения давления внутри банки. И через эти отверстия выходят кислород и водород, а также пары электролита. Такие ситуации, связанные с чрезмерными токами заряда, желательно избегать.

На том же рисунке выше показано соединение элементов между банками и расположение пластин-электродов.

Стартерные автомобильные АКБ (свинцово-кислотные) работают по принципу двойной сульфатации. На них во время разряда/заряда происходит электрохимический процесс, что сопровождается изменением химического состава активной массы электродов с выделением или поглощением в электролит (серную кислоту) воды.

Этим явлением можно объяснить повышение удельной плотности электролита при заряде, а так же снижение при разряде батареи. Иными словами, величина плотности дает возможность оценивать электрическое состояние АКБ. Для ее замера используют специальный прибор — автомобильный ареометр.

В состав электролита кислотных батарей входит дистиллированная вода. Она же при отрицательной температуре переходит в твердое состояние — лед. Поэтому, чтобы автомобильные аккумуляторы не замерзали в холодное время, необходимо применять специальные меры, предусмотренные правилами эксплуатации.

Виды аккумуляторов

Классификация АКБ по составу активного вещества

Свинцовые пластины, используемые в старых аккумуляторах перестали устраивать потребителей. Таким образом, возникала необходимость по улучшению качества работы АКБ. Сначала добавили сурьму к свинцу, что позволило заметно продлить срок эксплуатации батареи. На следующем этапе – уменьшили процентное содержания сурьмы до оптимальной концентрации. Такой подход привел к созданию малообслуживаемых аккумуляторов, характерной чертой которых является более редкий процесс долива воды.

При использовании металлического кальция для покрытия пластин появились кальциевые энергосберегающие источники. В предыдущих моделях потери воды из-за электролиза на 12 вольт нуждались в постоянном доливе, а кальций позволил повысить этот порог до 16 вольт. Так появилась возможность в производстве необслуживаемых аккумуляторов и использовать герметичный, неразборной корпус.

Виды АКБ

  • Сурьмянистые батареи. Этот вид относится к классике из-за повышенного состава сурьмы, которая ускоряет процесс электролиза.
  • АКБ со свинцом. В малосурьмянистых АКБ материалом для пластин служит свинец с небольшой примесью сурьмы. В них степень саморазряда значительно меньше, чем в сурьмянистых АКБ.
  • Калициевые источники. При производстве кальциевых источников свинцовые пластины легированы до 0,1% кальцием. Они могут иметь различные заряды, как отрицательный, так и положительный.
  • Гибридные источники энергии вытесняют кальциевые. При их производстве, две объединенные основные технологии имеют конструктивные отличия: одна, когда пластины формируются из сплава свинца и сурьмы, положительные электроды, а другая – когда пластины формируются из сплава свинца и кальция, отрицательные электроды.
  • EFB является улучшенной жидкозаполненной батареей. Свинцовые пластины в ЕФБ аккумуляторах в два раза толще, чем у обычных, вследствие чего увеличивается их ёмкость. Каждая платина закрыта в пакет из специальной ткани, который наполнен жидким сернокислотным электролитом.
  • В гелевых аккумуляторах применяется гелеобразный электролит. Суть такой технологии в том, что она позволяет снизить текучесть электролита, который содержит агрессивную серную кислоту.
  • В литиевых АКБ используется жидкий электролит, представляющий собой раствор фторсодержащих солей лития в смеси эфиров угольной кислоты.
  • AGM имеет отличительную особенность в электролите, где с помощью специальной технологии между пластинами вставляются стекловолоконные микропористые прокладки.
  • Во всех щелочных батареях применяется растворенная в воде щёлочь.

Классификация батарей по типу электролита

Электролиты бывают кислотными и щелочными.

Щелочные растворы применяются в заправке аккумуляторных батарей. Щелочные аккумуляторные жидкости этот такие жидкости, которые проявляют большую активность по отношению к металлам и кислотам. При реакциях с кислотами образуются соль и вода. Растворы щелочей подвергаются гидролизу. Химические свойства позволяют использовать этот тип электропроводящей жидкости для накопления электрической энергии в аккумуляторе.

Кислотные смеси с дистиллированной водой применяются в основном в автомобильных аккумуляторах. Составы этого типа легко можно приобрести в специализированных магазинах либо, при желании, приготовить самостоятельно на дому. На заводе процесс изготовления таких смесей осуществляется в масштабном производстве по ГОСТу. В домашней обстановке его приготовление так же возможно при соблюдении обязательных пропорций и правил техники безопасности. Для этого нужно смешать кислоту с дистиллированной водой.

Как работает аккумулятор — АКБ

Как работает аккумулятор (АКБ)

Принцип работы аккумулятора основан на электрохимической реакции окисления свинца в растворе серной кислоты и воды.

При разрядке батареи на положительной пластине происходит окисление металлического свинца, в то время, как на отрицательной пластине восстанавливается уже диоксид свинца.

При зарядке происходит обратный процесс, количество диоксида свинца на отрицательной пластине уменьшается, а на положительной пластине увеличивается количество металла.

Так же при разрядке АКБ уменьшается количество серной кислоты в электролите и увеличивается количество воды. А при зарядке происходит обратный процесс.

Материалы АКБ

Пластины

На данный момент наиболее качественные батареи потерпели небольшие изменения. И связаны эти изменения с материалом пластин. Теперь пластины делают не из чистого свинца, а из его сплава с серебром. При этом удалось снизить массу батареи на треть, а срок её службы увеличить на 20 %.

Кроме этого, изменилась сама технология их изготовления. Если первые пластины производились путём их литья, то сегодня их делают из тонкого свинцового листа, путём штамповки. Такой метод дешевле и при этом пластины получаются прочнее и тоньше.

Сепараторы

Одной из причин выхода АКБ из строя является короткое замыкание положительных и отрицательных пластин.

Когда из пластин осыпается активная зона внизу банок происходит замыкание. Чтобы этого не случилось на помощь приходят сепараторы, которые делают в виде конвертов, запаянных снизу, под пластинами. Таким образом, когда активная зона осыпается она остаётся внутри конверта и не замыкает.

Литий-ионные аккумуляторы

Эти батареи получили широкое распостранение благодаря мобильным телефонам и иным гаджетам. Сегодня же, существуют разработки и для автомобилей. Однако, невзирая на все свои достоинства, в автотехнике данный вид АКБ не прижился из-за ряда принципиальных недостатков.

Литий-ионные аккумуляторы
  1. Они резко теряют свою мощность из-за низкой температуры.
  2. Для зарядки таких батарей требуется строгое соответствие зарядному току, а это требует переделки электронной части генераторов.
  3. И самое главное, данные АКБ имеют стоимость в 15 раз дороже обычного кислотного аккумулятора.

Электролит

Как было указано выше, электролит представляет собой раствор серной кислоты и воды. Под действием низких температур, известно, что вода замерзает, однако с электролитом этого не происходит.

Но тем не менее она заметно загустевает и теряет свои свойства, из-за чего ёмкость батареи заметно снижается. Что бы избежать этого, сегодня, в электролит добавляют разнообразные присадки.

Гелевые электролиты

Их по праву можно считать вершиной эволюции кислотных батарей. Такие АКБ называются попросту, гелевыми. В этих устройствах электролит модифицирован настолько, что представляет собой нечто наподобие желе.

Такая модификация, в комплексе с другими вышеописанными инновациями дала поистине волшебные результаты. В итоге батареи стали практически вечными, невосприимчивыми к переворачиванию, практически не теряющими свои свойства зимой и при этом на много легче по массе.

Графен-полимерные аккумуляторы

Это, пожалуй, самые перспективные батареи для использования, как в автомобилях, оснащённых ДВС, так и электрической силовой установкой. В производстве этих АКБ использованы нанотехнологии.

Графен-полимерные аккумуляторы

Принцип работы этих поистине чудесных аккумуляторов заключается в следующем: их ёмкость, практически в три раза больше литий-ионных и при этом имеет меньшую стоимость, поскольку в их производстве не используется дорогостоящий литий. Кроме этого они не теряют своих свойств под действием низких температур.

Основные технические характеристики аккумуляторов

Технические характеристики аккумуляторов

Номинальная емкость аккумулятора

Номинальная емкость элемента – способность накапливать и отдавать электроэнергию постоянного тока, определяет время автономной работы ИБП. Емкость электрического аккумулятора показывает время питания подключенной к нему нагрузки.

Важно! Полностью емкость не характеризует энергию аккумулятора, то есть энергию, которая может быть накоплена в полностью заряженном аккумуляторе. Чем больше напряжение аккумулятора, тем больше накопленная в нем энергия.

Емкость всегда указывается на корпусе АКБ, а также на упаковке. Именно по этому критерию, большинство пользователей выбирают нужную модель.

Пусковой ток

Это величину, характеризующая параметр тока, который протекает в стартере автомобиля в момент пуска силового узла. Пусковой или стартерный ток возникает в тот момент, когда в замке зажигания поворачивается ключ и начинает проворачиваться стартер. Единица измерения величины – Ампер. Тот же ток холодной прокрутки является показателем поведения аккумулятора в морозную погоду и сможет запускать двигатель при минусовых показателях. Определяется мощностью тока, которую батарея может выдать в течение первых 30 секунд при температуре -18°С. При высоких показателях пускового тока увеличиваются шансы завести машину при минусовой температуре.

Полярность

Порядок расположения на крышке аккумулятора присоединительных клемм, которые являются токовыводящими соединительными элементами, называется полярностью. Имеет два полюса – положительный и отрицательный и варианты расположения – прямое и обратное.

Прямая полярность – отечественная разработка. Дла ее определения нужно повернуть аккумулятор таким образом, чтобы этикетка была перед глазами. При расположении плюсовой клеммы слева, а минусовой справа, можно утверждать, что АКБ с прямой полярностью. На иномарках устанавливаются аккумуляторные батареи обратной полярности.

Прямая и обратная полярность АКБ

Устройство корпуса

У большинства аккумуляторов корпус состоит из ударопрочного полипропилена. Он характеризуется как легкий материал, не вступающий в химическую реакцию с агрессивным электролитом АКБ. Полипропилен имеет весьма хорошую стойкость к перепадам температур, возникающих под капотом автомобиля, где нагрев может достигать до +60 ̊С, а при морозах до -30°С. Корпус большинства АКБ состоит из ручки для переноса, пробок, индикатора заряда, клемм для подключения к электросети. Вес АКБ емкостью 55Ач около 16,5 кг. Известными типами аккумуляторов, обладающих спросом являются: американский, европейский, азиатский и российский типы корпусов.

Европейский тип корпуса характерен тем, что АКБ клеммы находятся в углублении, их верхний край не выступает над плоскостью крышки. В некоторых случаях клеммы дополнительно защищаются от внешнего воздействия специальными крышечками. Азиатский тип корпуса – это коробка, на которой клеммы расположились на верхней крышке. Верхний край клемм является самой высокой точкой аккумулятора.

Российский стандарт АКБ

ОбозначениеОписание букв
ААКБ имеет общую крышку для всего корпуса
ЗКорпус батареи залит и она является полностью заряженной изначально
ЭКорпус-моноблок АКБ выполнен из эбонита
ТКорпус-моноблок АБК выполнен из термопластика
МВ корпусе использованы сепараторы типа минпласта из ПВХ
ПВ конструкции использованы полиэтиленовые сепараторы-конверты
Аккумулятор (АКБ) ALPHALINE 60 Ач

Тип крепления аккумулятора

Особое внимание при выборе АКБ следует уделять типу крепления АКБ, при котором батарея может крепиться снизу или сверху. С помощью специальной монтажной рамки, которая охватывает аккумулятор, элемент крепится вверху. Крепление аккумулятора происходит с помощью планки и двух шпилек. Чаще всего такой вид установки и фиксации аккумуляторной батареи встречается на автомобилях китайского или корейского производства.

Тип крепления на АКБ

Нижнее крепление применимо на европейских автомобилях. На нижней части корпуса АКБ находится выступ. За этот выступ аккумулятор прижимается к платформе с помощью пластины и винта.

Выступ для фиксации АКБ

Заключение

Теперь вы знаете, как работает аккумулятор. Его роль в работе приборов трудно оспорить. Данный источник энергии применяться почти во всех отраслях. Что доказывает его значимость и необходимость знаний о принципе работы АКБ. А также ее внутреннем содержимом. Аккумуляторы широко используются в автомобилях, разнообразных электроприборах, кондиционерах, мультимедийных центрах. Там, где, генераторы не всегда справляются с обеспечением их энергией. И тогда в «игру» вступает АКБ, которая кроме подпитки энергией еще и выполняет основную функцию, обеспечивая электроэнергией стартер двигателя. Водителю необходимо знать, как устроен аккумулятор. Ведь в нужное время придется устранять сбои в работе источника энергии. К тому же, важно иметь представление о назначении и видах аккумулятора, чтобы правильно использовать ресурс, подобрать батарею к условиям эксплуатации и автомобилю.

Как работает аккумулятор (АКБ)

устройство, эксплуатация, принцип работы и схема

Автономные источники электроэнергии являются одними из самых полезных изобретений человечества. Что такое телефон или радио, в которых не установлены аккумуляторные батареи? Устройство многих приспособлений, а также условия их использования не всегда предусматривают наличие постоянного сетевого электропитания, поэтому такие источники электроэнергии позволяют с комфортом осуществлять свою деятельность практически в любой точке мира. После небольшого предисловия давайте приступим к статье.

Что такое аккумуляторная батарея?

В широком смысле под этим понятием подразумевают устройство, что при одних условиях использования может накапливать какой-либо вид энергии, а при других – расходовать, чтобы удовлетворить нужды человека.

Аккумуляторы аккумулируют электричество от внешнего источника питания, а потом отдают её подключенным потребителям, чтобы они смогли делать свою работу. Так, когда устройства работают, постоянно протекают химические реакции между электролитом и электродными пластинами. Кстати, подобная конструкция размещена в банках, из которых и формируются аккумуляторные батареи. Устройство данных конструкций предусматривает создание напряжения, как правило, 1,2-2 В, что весьма мало. Поэтому для увеличения показателей источников питания и применяются разные типы соединения.

Устройство данных источников питания предусматривает подключение к плюсу и минусу. Функционируют они следующим образом: когда к электродам подключается нагрузка (в качестве примера можно рассмотреть лампочку), то возникает замкнутая электрическая цепь. По ней начинает протекать ток разряда. Формируется он благодаря движению электронов, анионов и катионов. Более детальную информацию о том, что и как протекает, можно рассказать только на конкретном примере.

Допустим, что у нас есть аккумулятор, где положительный электрод – это окись никеля, в который был добавлен графит для повышения проводимости. Для отрицательной пластины применяли губчатый кадмий. Так вот, когда идёт разряд, то частицы активного кислорода выделяются и попадают в электролит. При этом от них отделяются части, которые идут как электричество (те же электроны). Затем частицы активного кислорода направляются в сторону отрицательных пластин, где они окисляют кадмий.

Функционирование аккумулятора при заряде

Необходимо отключить нагрузку на клеммах пластин. На них же подаётся, как правило, постоянное напряжение (но может быть и пульсирующее, зависит от случая), которое больше, чем величина батареи, что заряжается. Причем полярность должна быть одинаковой. То есть минусовые и плюсовые клеммы потребителя и источника обязаны совпадать. Учтите, что зарядное устройство обязательно должно обладать большей мощностью, чем есть в аккумуляторе, чтобы подавлять остатки энергии в нем и создавать электрический ток, направление которого будет противоположным разряду. В результате меняются и химические процессы, которые протекают в аккумуляторной батарее.

Давайте рассмотрим пример из предыдущего подпункта статьи. Здесь уже положительный электрод будет обогащаться кислородом, а на отрицательном восстановится чистый кадмий. Подводя итог, можно сказать, что во время заряда и разряда меняется только химический состав электродов. Это не относится к электролиту. Но он может испаряться, что негативно будет сказываться на времени работы батареи.

Итак, мы рассмотрели принцип работы любого аккумулятора. Теперь давайте узнаем, как во время эксплуатации можно улучшить их характеристики.

Параллельное соединение

Величина тока зависит от значительного количества факторов. В первую очередь под этим понимают конструкцию, применяемые материалы и их габариты. Чем большую площадь имеют электроды, тем большие показатели тока они смогут выдержать. Этот принцип используется для параллельного соединения однотипных банок в аккумуляторах. Такое делается, если необходимо увеличить значение тока, что идёт на нагрузку. Но вместе с этим приходится и поднимать мощность источника энергии.

Последовательное соединение

Если рассматривать банки, из которых состоят аккумуляторные батареи, то необходимо сказать, что они находятся, как правило, в одном корпусе. Подобный тип соединения используется, чтобы получить большие показатели напряжения с меньшими потерями.

Увидеть применение этой конструкции можно, разобрав автомобильные батареи, которые являются свинцово-кислотными. Стоит сказать, что этот тип применяется не только в устройстве автомобильного аккумулятора, это просто самый вероятный способ разобрать, как же работает подобный тип соединения. В таком случае необходимо позаботится о том, чтобы не было металлического контакта, а существовала надежная гальваническая связь через электролит. Но это только нужно понимать в отношении данного типа. В других случаях по-другому будет реализовываться поставленная задача соединения.

Типы аккумуляторных батарей

Они разнятся из-за своего предназначения, возможностей, реализации и материала. На данный момент современным производством освоен выпуск больше трех десятков типов, которые отличаются своим составом электродов, а также применяемым электролитом. Так, например, li-ion аккумуляторы могут похвастаться семейством из 12 известных моделей. Условно можно выделить следующие типы:

  1. Свинцово-кислотные.
  2. Литиевые.
  3. Никель-кадмиевые.

Это самые популярные представители. Но для понимания возможностей предлагаем ознакомиться со списком материалов, которые могут выступать в качестве электродов:

  • железо;
  • свинец;
  • титан;
  • литий;
  • кадмий;
  • кобальт;
  • никель;
  • цинк;
  • ванадий;
  • серебро;
  • алюминий;
  • ряд других элементов, которые, впрочем, встречаются очень редко.

Использование разных материалов влияет на получаемые выходные характеристики и, следовательно, на сферу применения. Так, к примеру, li-ion аккумуляторы применяются в компьютерных и мобильных устройствах. Тогда как никель-кадмиевые используются в качестве замены стандартных гальванических элементов. Теоретически все типы аккумуляторных батарей могут работать с любой нагрузкой. Вопрос только в том, насколько оправданным является такое применение.

Основные характеристики

Мы уже рассмотрели, что такое аккумуляторные батареи, устройство этих конструкций, из чего их делают. Теперь давайте сосредоточимся на том, что влияет на их эксплуатацию. Важными для нас характеристиками являются:

  1. Плотностью называют характеристику соотношения количества энергии к объему или весу аккумулятора.
  2. Емкостью именуют значение максимального заряда аккумулятора, которое он может отдать во время процесса разряда, пока не будет достигнуто наименьшее напряжение. Данный показатель выражается в ампер-часах или кулонах. Также может указываться энергетическая емкость. Она измеряется в ватт-часах или джоулях. Задача такой емкости – сообщать о количестве энергии, что отдаётся во время разряда до достижения минимального допустимого напряжения.
  3. Температурный режим оказывает влияние на электрические свойства аккумуляторной батареи. Когда есть серьезные отклонения от рекомендованного производителем диапазона эксплуатации, то существует высокая вероятность выхода источника питания из строя. Это объясняется тем, что холод и жара влияют на интенсивность протекания химических реакций, а также на внутреннее давление.
  4. Саморазрядом именуют потери емкости, которые происходят после заряда батареи, когда отсутствует нагрузка на клеммах. Во многом этот показатель зависит от конструктивного исполнения и может увеличиваться, если нарушилась изоляция.

Вот такие характеристики аккумуляторных батарей и предоставляют для нас наибольший интерес. Конечно, если придётся делать что-то новое и эксклюзивное, ранее невиданное, то может понадобиться и что-то ещё. Но это весьма маловероятно.

Устройство электродов

В качестве примера мы возьмём свинцовые пластины. Хотя таковыми они были раньше. Современные пластины изготавливаются из свинцово-кальциевого сплава. Благодаря этому достигается низкий уровень саморазряда батареи (50% емкости теряется за 18 месяцев). Также это позволяет экономно расходовать воду (всего 1 грамм на ампер-час).

Можно встретить и гибридную конструкцию, где, кроме свинца, в положительный электрод добавляется сурьма, а в отрицательный – кальций. Правда, в таких случаях имеется повышенный расход воды. Чтобы повысить стойкость к коррозийным процессам, добавляют олово или серебро.

Электроды изготавливаются с решетчатой структурой, их покрывают слоем активной массы. Принцип работы аккумуляторной батареи в немалой степени зависит от того, какой материал используется для пластин. Мы рассматриваем свинцовые, которые просты для изучения, но ориентироваться на них всегда не рекомендуем.

Электролит

Рассматриваем все те же свинцово-кислотные батареи. В качестве электролита, в который они помещаются, чаще всего выступает серная кислота. Она обладает определённой плотностью, которая может меняться в зависимости от уровня заряда батареи. В данном случае действует принцип: чем больше, тем выше. Со временем электролит улетучивается, и емкость аккумуляторной батареи падает. На сроке службы сказываются особенности эксплуатации (соблюдение техники безопасности). В батареях электролит может быть двух типов:

  • жидким;
  • в виде пропитанного специального материала.

На данный момент наиболее распространён первый тип.

Эксплуатация аккумуляторных батарей

Использование аккумуляторов можно наблюдать практически везде. Вспомните свои мобильные телефоны или источники бесперебойного питания для компьютеров. В качестве примера можно привести и обычный фонарик (современные образцы всё чаще изготавливаются со встроенным аккумулятором и не рассчитаны на гальванические элементы). А автомобили? Системы «стоп-старт» и рекуперативного торможения работают от аккумуляторов, причем они выдвигают высокие требования к пусковому току, глубокому разряду и долговечности. Как видите, без этих источников питания сложно обойтись в современной жизни любому человеку.

Схема построения аккумуляторной батареи

Мы рассмотрели основную информацию о данных устройствах. Давайте ещё уделим внимание такому понятию, как схема аккумуляторной батареи. Ведь в рамках статьи по нему прошлись только вскользь. Аккумулятор современной схемы, согласно истории, был впервые создан французским физиком Гастоном Плантом. Площадь его творения превышала 10 квадратных метров! Современные батареи, по сути, являются просто значительно уменьшенными и немного доработанными копиями его аккумулятора. Видимым для человека элементом является только корпус. Он обеспечивает общность и целостность конструкции.

принцип работы, из чего состоит, назначение и схема акб

Автор Aluarius На чтение 10 мин. Просмотров 9.9k. Опубликовано

Принципиально устройство аккумулятора больше чем за 150 лет с момента его изобретения не изменилось, хотя современность внесла серьёзные новшества в технологические процессы их изготовления и используемые материалы, из чего состоит аккумулятор.

Автономный источник энергии

 

Что такое аккумулятор

Аккумулятор – автономный источник электричества, который накапливает, сохраняет и отдает энергию. Аккумуляторная батарея – важный элемент электрооборудования транспортного средства. Назначение акб определяется в запуске двигателя и обеспечении подачи электричества в бортовую сеть. Все электроприборы, когда выключен мотор, и не работает генератор, работают от батареи. Накопитель помогает в пробке, когда энергии генератора не хватает.

 

Устройство и принцип работы аккумулятора

Для того, чтобы разобраться, как работает аккумулятор, необходимо знать устройство акб, что внутри аккумулятора обеспечивает работу прибора. Основной принцип работы аккумулятора заключается в разности потенциалов при погружении двух пластин в электролит. В 12-ти вольтовой батарее объединены шесть аккумуляторов, каждый из которых вырабатывает 2 вольта. Все они объединены совместным корпусом, который образует единое целое конструкции.

Аккумулятор в разрезе

При работе этой конструкции, пластинки из-за действия серной кислоты выделяют сульфат свинца, в результате чего образуется электрический ток. Также выделяется вода, и поэтому концентрация электролита становится менее плотной. Во время зарядки АКБ процесс осуществляется в обратном порядке, свинец снова обретает металлическую форму, электролит становится более концентрированным. Принцип работы аккумулятора основан на методе двойной сульфатации, который позволяет полностью восстанавливать первоначальные свойства батареи. Срок службы аккумулятора зависит от качества используемых материалов, из чего состоит акб.

 

Схема строения

 

Схема строения

Виды аккумуляторов

Классификация акб по составу активного вещества

Свинцовые пластины, используемые в старых аккумуляторах перестали устраивать потребителей. Возникала необходимость по улучшению качества работы акб. Сначала добавили сурьму к свинцу, что позволило заметно продлить срок эксплуатации батареи. На следующем этапе – уменьшили процентное содержания сурьмы до оптимальной концентрации. Такой подход привел к созданию малообслуживаемых аккумуляторов, потому что в них уже намного реже требовался долив воды.

При использовании металлического кальция для покрытия пластин появились кальциевые энергосберегающие источники. В предыдущих моделях потери воды из-за электролиза на 12 вольт требовали постоянного долива, а кальций позволил повысить этот порог до 16 вольт. Так появилась возможность в производстве необслуживаемых аккумуляторов использовать герметичный, неразборной корпус.

  • Сурьмянистые батареи относятся к классике из-за повышенного состава сурьмы, которая ускоряет процесс электролиза.
  • В малосурьмянистых акб материалом для пластин служит свинец с небольшой примесью сурьмы. В них степень саморазряда значительно меньше, чем в сурьмянистых АКБ.
  • При производстве кальциевых источников свинцовые пластины легированы до 0,1% кальцием. Они могут иметь различные заряды, как отрицательный, так и положительный.
  • Гибридные источники энергии вытесняют кальциевые. Конструктивные отличия состоят в том, что при их производстве объединили две технологии: одна, когда пластины формируются из сплава свинца и сурьмы, положительные электроды, а другая – когда пластины формируются из сплава свинца и кальция, отрицательные электроды.
  • EFB является улучшенной жидкозаполненной батареей. Свинцовые пластины в ЕФБ аккумуляторах в два раза толще, чем у обычных, вследствие чего увеличивается их ёмкость. Каждая из пластин закрыта в пакет из специальной ткани, который наполнен жидким сернокислотным электролитом.
  • В гелевых аккумуляторах применяется гелеобразный электролит. Такая технология позволила снизить текучесть электролита, в котором содержится агрессивная серная кислота.
  • В литиевых акб используется жидкий электролит, представляющий собой раствор фторсодержащих солей лития в смеси эфиров угольной кислоты.
  • Отличительной особенностью AGM является то, что в электролит с помощью специальной технологии между пластинами вставляются стекловолоконные микропористые прокладки.
  • Во всех щелочных батареях применяется растворенная в воде щёлочь.

Классификация батарей по типу электролита

Электролиты бывают кислотными, щелочными. Щелочные растворы используются в заправке аккумуляторных батарей. Щелочные аккумуляторные жидкости представляют собой сильные основания, которые проявляют большую активность по отношению к металлам и кислотам. При реакциях с кислотами образуются соль и вода. Растворы щелочей подвергаются гидролизу. Химические свойства позволяют использовать этот тип электропроводящей жидкости для накопления электрической энергии в аккумуляторе.

Кислотные смеси с дистиллированной водой применяются в основном в автомобильных аккумуляторах. Такие составы можно приобрести в специализированных магазинах или же приготовить самостоятельно в домашних условиях. На заводе процесс изготовления таких смесей осуществляется в масштабном производстве по ГОСТу. В домашней обстановке также возможно довольно точно при соблюдении обязательных пропорций и правил техники безопасности смешать кислоту с дистиллированной водой.

Важно! вода при минусовых температурах превращается в лед. Всегда при морозе нужно применять меры, необходимые для предотвращения замерзания аккумулятора.

 

Основные технические характеристики аккумуляторов

Номинальная емкость аккумулятора

Номинальная емкость элемента – способность накапливать и отдавать электроэнергию постоянного тока, определяет время автономной работы ИБП. Емкость электрического аккумулятора показывает время питания подключенной к нему нагрузки.

Важно! Емкость не характеризует полностью энергию аккумулятора, т.е. энергию, которая может быть накоплена в полностью заряженном аккумуляторе. Чем больше напряжение аккумулятора, тем больше накопленная в нем энергия.

Емкость всегда указывается на корпусе АКБ, а также на упаковке, ведь именно по этому критерию большинство пользователей выбирают нужную модель.

Пусковой ток

Величину, характеризующую параметр тока, протекающего в стартере автомобиля в момент пуска силового узла, принято считать пусковым током. Пусковой ток или стартерный возникает в момент, когда в замке зажигания поворачивается ключ и начинает проворачиваться стартер. Единица измерения величины – Ампер. Он же ток холодной прокрутки является показателем, как аккумулятор поведет себя в морозную погоду и сможет запустить двигатель при минусовых показателях. Определяется мощностью тока, которую батарея может выдать в течение первых 30 секунд при температуре -18°С. При высоких показателях пускового тока увеличиваются шансы завести машину при минусовой температуре.

Полярность

Порядок расположения на крышке аккумулятора присоединительных клемм, которые являются токовыводящими соединительными элементами, называется полярностью. Полюса всего два – положительный и отрицательный, вариантов расположения – прямое и обратное.

Прямая полярность – отечественная разработка. Чтобы ее определить, нужно повернуть аккумулятор таким образом, чтобы этикетка была перед глазами. При расположении плюсовой клеммы слева, а минусовой справа, можно утверждать, что акб с прямой полярностью. На иномарках устанавливаются аккумуляторные батареи обратной полярности.

Прямая, обратная полярность

Исполнение корпуса

Корпус большинства аккумуляторов состоит из ударопрочного полипропилена, который характеризуется как материал легкий, не вступающий в химическую реакцию с агрессивным электролитом АКБ. Полипропилен довольно стоек к перепадам температур, возникающих под капотом автомобиля, нагрев может достигать до +60 ̊С, а при морозах до -30°С. Корпус большинства АКБ состоит из ручки для переноса, пробок, индикатора заряда, клемм для подключения к электросети. Вес АКБ емкостью 55Ач около 16,5 кг. Традиционно появились американский, европейский, азиатский и российский типы корпусов.

Европейские корпусы и американские имеют идентичные габариты. Например, у батарей емкостью 60 Ач общая высота от 17,5 до 19 сантиметров. У азиатских этот показатель немного выше, до 22 сантиметров за счет верхнего расположения электродов. Именно поэтому важно корректно анализировать возможности посадочного места под капотом, чтобы надежно закрепить АКБ прижимной планкой и избежать замыкания при случайном касании токоотводами металлических частей кузова.

У АКБ с европейским типом корпуса клеммы находятся в углублении, их верхний край не выступает над плоскостью крышки. Иногда клеммы дополнительно защищены от внешнего воздействия специальными крышечками. Азиатский тип корпуса – это коробка, на которой клеммы расположились на верхней крышке, верхний край клемм является самой высокой точкой аккумулятора. Какую клемму снимать с аккумулятора первой читайте здесь. 

Важно! При приобретении акб нужно знать, что европейские производители указывают габаритные размеры аккумулятора по корпусу. На азиатских корпусах могут указывать высоту батареи с учетом клемм или без них.

Российский стандарт акб

Обозначение Описание букв
А АКБ имеет общую крышку для всего корпуса
З Корпус батареи залит и она является полностью заряженной изначально
Э Корпус-моноблок АКБ выполнен из эбонита
Т Корпус-моноблок АБК выполнен из термопластика
М В корпусе использованы сепараторы типа минпласта из ПВХ
П В конструкции использованы полиэтиленовые сепараторы-конверты

 

Европейские корпусы и американские имеют идентичные габариты

Тип и размер клемм

Распространены аккумуляторы с клеммами трех разных стандартов: тип Euro – Type 1, и Asia –Type 3, «под болт» – американский стандарт. В типе Euro плюсовая клемма имеет диаметр 19,5 мм, минусовая клемма – 17,9 мм. В типе Asia клемма плюс имеет диаметр 12,7 мм, клемма минусовая – 11,1 мм. Клеммы «под болт» находятся на боковой стенке аккумулятора и сверху. Болт, соединённый с проводом, продевается в отверстие клеммы и фиксируется гайкой.

Американский стандарт

Тип крепления

При выборе акб особое внимание следует обращать на тип крепления АКБ, при котором батарея может крепиться снизу или сверху. Вверху крепится элемент с помощью специальной монтажной рамки, которая охватывает аккумулятор. Крепление аккумулятора происходит с помощью планки и двух шпилек. Чаще такой вид установки и фиксации аккумуляторной батареи встречается на автомобилях китайского или корейского производства.

Тип крепления встречается на «азиатах»

 

Нижнее крепление применимо на европейских автомобилях. На нижней части корпуса акб находится выступ, за который аккумулятор прижимается к платформе с помощью пластины и винта.

Нижнее крепление

Назначение аккумуляторных батарей

Автомобильная аккумуляторная батарея выступает как источником электрического тока, необходимого для пуска двигателя, так и резервным источником питания, в случае, если энергии, вырабатываемой генератором, оказывается мало для электроснабжения авто. Аккумуляторная батарея действует как стабилизатор напряжения, так как она выполняет роль накопителя электроэнергии, отдающего во время пуска двигателя за короткое время большой ток, и пополняемого постепенно генератором автомобиля в процессе подзарядки.

Важно! Перед проверкой системы электроснабжения и электрического пуска, необходимо убедиться в том, что аккумуляторная батарея находится в заряженном состоянии и готова к эксплуатации.

В каких сферах используется

Аккумуляторные батареи используются как дополнительный или основной источник питания. Надежность, простота в использовании позволяет применять батареи в различных областях:

  • автомобильная промышленность;
  • освещение в аварийном состоянии;
  • переносное электрооборудование;
  • медицинское оборудование;
  • игрушки;
  • сигнализация в разных сферах применения;
  • телекоммуникационное оборудование.

 

Применение батареи в игрушках

Роль акб в работе приборов не оспорима. Применение источника энергии практически во всех отраслях доказывает значимость и необходимость знаний о внутреннем содержимом батарей. С использованием в автомобилях широкого разнообразия электроприборов, кондиционеров, мультимедийных центров, генераторы не всегда справляются с обеспечением их энергией. В этом случае подпитка энергией поступает от АКБ, который кроме этого выполняет основную функцию, обеспечивает электроэнергией стартер двигателя. Водителю необходимо знать, как устроен аккумулятор, чтобы выявить сбои в работе источника энергии, назначение аккумулятора, чтобы правильно использовать ресурс, подобрать батарею к условиям эксплуатации и автомобилю. О способах и рекомендациях как проверить аккумулятор читай тут.

Аккумуляторная батарея: устройство, принцип работы, типы

Мы не представляем жизни без них. Они окружают нас повсюду. Лежат у людей в карманах, висят дома на стенах, установлены в каждом автомобиле и общественном транспорте, даже стационарные компьютеры не работают без них, не говоря уже о ноутбуках. Человечество в окружении этих элементов под названием аккумуляторы. Но несмотря на такое разнообразие источников энергии, единицы знают, как они устроены и как ими правильно пользоваться. В этой статье рассмотрены некоторые виды аккумуляторных батарей, применяемых в большинстве сферах человеческой жизни.

История

Впервые свет увидел аккумулятор в 1859 году. Изобретенный блестящим физиком и профессором имя которого Луи́ Гасто́н Планте́. Это имя широко известно в узких кругах. Человечество уже на протяжении 160 лет пользуется этим изобретением, которое серьезно облегчает жизнь каждого человека. Начиная от часов на руках и заканчивая сложными аппаратами поддерживающими жизнь в больницах.

С каждым годом электромобили сильнее заполняют улицы городов. Самый дорогой элемент такого транспорта — аккумуляторная батарея. Работали над созданием и усовершенствованием батарей ученые умы, такие как Томас Эдисон, Камилл Фор, Пейкер, и другие. Подобные исследования продолжаются по сегодняшний день.

Обзор автомобильных аккумуляторов

Сурьмянистый АКБ

Название «Сурьмянистый» происходит из того факта, что в этом источнике питания большое количество сурьмы (Sb) – это вещество, которое придает свинцу твердость. Устройство батареи основано на сплаве сурьмы со свинцом (5-15% Sb), из которого изготовляют пластины применяемые. Когда в АКБ напряжение достигает 12 В — происходит бурная активизация процесса электролиза благодаря сурьме. В процессе выделяются водород и кислород. При такой работе понижается уровень электролита из которого начинают выступать пластины электродов. Как результат — частая доливка воды в аккумулятор. Это устаревший вид батарей, который уже не применяют, кроме старой аппаратуры. Современные АКБ содержат сурьму, но в меньшем количестве.

Малосурьмянистые АКБ

Это аккумуляторы идентичные описанным выше, но содержащие меньше пяти процентов сурьмы. Это сделали для меньшего испарения вода, в результате – проблема частой доливки воды уходит. Еще было достигнуто уменьшение уровня саморазряда батареи при простоях. Данный вид батарей принято называть необслуживаемыми, но через полгода лучше проверять уровень дистиллированной воды, т.к. в ходе химической реакции она испаряется.

Важно! Клеммы аккумуляторов «плюс» и «минус» изготавливают разной толщины. Преследовалась цель не дать клиенту перепутать контакты местами и сделать «короткое замыкание» в электрике автомобиля.

Модернизация вызвала повышение уровня стабильности батареи при нестабильности в сети автомобиля.  Данный вид батареи по стабильности стоит на первом месте среди других АКБ.

Кальциевый АКБ

Устройство аккумулятора этого типа отличается тем, что сурьму заменили кальцием, что привело к еще меньшему испарению воды, которое стремится к нулю. Обозначение Са/Са на корпусе свидетельствует, что это кальциевый аккумулятор причем Са расположен в решетках как положительных так и отрицательных электродов. Если сравнить такой накопитель с сурьмянистым, то мы заметим, что саморазряд батареи с кальцием на семьдесят процентов понизился. Еще увеличилось напряжение с 12 вольт до 16.

Гелиевые АКБ

Гелиевые аккумуляторы разработали, чтобы уйти от опасности вытекания электролита, который токсичен для человека. При повреждении этого источника энергии химический состав не вытекает как в других АКБ из-за вязкой структуры электролита. Преимущества таких АКБ положение установки, их можно устанавливать под углом, но меру знать тоже нужно. Еще такие аккумуляторы лучше других выдерживают вибрацию и способны до полной разрядки выдавать большой ток. Гелиевые батареи не боятся полной разрядки и способны восстанавливаться. Такие накопители лучше ставить на исправную машину в плане стабильности бортовой электрики, такой как генератор и др.

Принцип работы свинцово-кислотного АКБ

Это распространенные источники энергии, применяемые для механических транспортных средств. В первую очередь используются для заводки автомобиля и питания всей бортовой электрики.

Как работает аккумулятор? Принцип выглядит следующим образом: в сосуд с серной кислотой помещены свинец и диоксид свинца. В спокойном состоянии процесс не протекает, но как только к электродам подключается нагрузки происходит электрохимический процесс взаимодействия серной кислоты с оксидом свинца, который окисляется до сульфата свинца. Больше 60 химический реакций протекает во время этого процесса.  Формула выглядит так:

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Литий-ионные батареи зарекомендовали себя на мировом рынке лучшие накопители для современной техники, такой как смартфоны, ноутбуки, электромобили и другие виды домашней и производственной техники. В 1991 году впервые была выпущена литий-ионная батарея.

Напряжение такого источника составляет 3.7 В, около 800 циклов разряда/заряда способна выдержать это изобретение. Саморазряд составляет 2% в месяц. Работать такие элементы способны на температуре от -20 °C до +60 °C.

Принцип действия основан на электрохимической реакции лития при внедрении в кристаллическую решетку других материалов с образованием химической связи. Еще основной особенностью таких батарей является то, что они почти на 100% без эффекта памяти. Для определения этого факта проводили множество экспериментов и определили, что эффект памяти есть, но он настолько незначительный, что принято считать его нулевым.

Формула: 

Совет! Для водителей, которые желают быстро запускать свой автомобиль на морозе. За несколько минут до запуска двигателя включите ближний свет фар или другой потребитель. При этих действиях батарея «просыпается» и приходит в рабочее состояние. Были проведены эксперименты и установлено, что этот метод работает на практике.

Отличие Li-Pol, щелочных аккумуляторов от Ni-Cd и Ni-Mh.

Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы

Данный вид аккумуляторов широко применяли несколько лет назад для различного инструмента. Такие источники в своей структуре содержат кадмий, который является тяжелым металлом и токсичен, но хорошо ведет себя на морозе и имеет не высокую стоимость.

Новые модели аккумуляторов раньше приходят в негодность, чем батареи выпущенные 20 лет назад. Но уровень технических характеристик присущий современным решениям намного выше, чем у их предшественников.

Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы

Такие батареи претерпели некоторые изменения по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми. Избавились от токсичных металлов, стали легче по весу и теперь можно не боятся причинить вред окружающей среде при ликвидации таких аккумуляторов. Еще удалось повысить энергоемкость и уменьшить эффект памяти.

Li-Pol Литий-полимерный аккумуляторы

Вид этих аккумуляторов — улучшенная модернизация литий-ионных. Электролит был заменен полимерными материалами. Такие батареи установлены в смартфонах, планшетах, ноутбуках, цифровой фототехнике и др. Особенность таких источников энергии состоит в форме изготовления, она может быть очень тонкой, что позволяет поместить батарею в любой корпус. Главное преимущество литий-полимерных элементов питания в том, что они не имеют эффекта памяти и энергоемкие.

Щелочные аккумуляторы.

Широкое применение щелочные аккумуляторы нашли в бытовой технике. Известные модели таких батарей — тип ААА и АА. Они установлены в:

  • детских игрушках
  • портативных приборах
  • карманных фонарях
  • фото, видео аппаратуре
  • аудио магнитофонах, плеерах и пр.

Щелочной электролит впервые нашел применение в химически активных источниках тока благодаря Вальдемару Джангнеру в 1899 году. С этого времени ученые разных стран вовлечены в разработку щелочных источников питания.

Принцип действия аккумуляторной батареи таков: при работе щелочного элемента происходит химическая реакция, при которой цинк окислившись выделяет гидроксид цинка, далее последний распадается на оксид цинка и воду. При этом происходит восстановление оксида марганца на катоде. Формула выглядит следующим образом:

Таблица сравнения 4-х видов АКБ
Вид аккумулятораNi-CdNi-MhЩелочные АКБLi-Pol
Работа при низких температурах+++
быстро теряет емкость
ЦенанизкаясредняясредняяВысокая
Быстрая зарядка+++
Кол-во циклов разряда-заряда1000300-5003001000-2000
Токсичность+
Эффект памяти+низкий+
Саморазрядка++

 

Обычный аккумулятор оказывается сложной и в то же время простой вещью, если разобраться с ней. Прежде чем выбрать для авто элемент питания, стоит изучить нюансы, которые в последствии могут сыграют весомую роль в вашей жизни.

https://www.youtube.com/watch?v=Ip-BMxu8tZA

Принцип работы и отличительные особенности карбоновых аккумуляторных батарей

Среди свинцово-кислотных аккумуляторных батарей большую популярность получили герметизированные или, как их еще называют «необслуживаемые». По технологии изготовления они разделяются на AGM-технологию («Absorption Glass Matt») и GEL-технологию («Gelled Electrolite»). Их популярность объясняется тем, что они не требуют обслуживания в виде периодической доливки дистиллированной воды, исключается вероятность протечки электролита, могут работать как в вертикальном, так и в горизонтальном положении, могут размещаться совместно с другим оборудованием, не требуя отдельного аккумуляторного помещения и принудительной вентиляции.

Нововведения в технологии изготовления герметизированных аккумуляторов

Но научно-технический прогресс не стоит на месте, и разработчики при усовершенствовании конструкций современных аккумуляторных батарей нашли способ улучшить технические характеристики герметизированных аккумуляторов AGM.

Известно, что процесс накопления сульфатов является слабым местом свинцово-кислотного аккумулятора. Этот процесс из-за недостаточной шероховатости отрицательной пластины, где используется чистый свинец, препятствует быстрому заряду и приводит к деградации аккумуляторной батареи.

Дело в том, что отрицательный электрод свинцово-кислотной аккумуляторной батареи состоит из губчатого свинца и при разряде на его поверхности образовывается сульфат свинца. При заряде он снова переходит в исходное положение. Процесс разложения происходит медленно, и если попытаться «ускорить» его, например, увеличением зарядного тока, то это вызовет появление избыточных электронов, провоцирующих разложение воды и возникновение газов. Начнется, так называемый процесс «выкипания». В последующем сульфат свинца может формировать кристаллы на электроде, что еще больше снижает скорость заряда.

Был предложен ряд способов для подавления процесса сульфатации в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях, и некоторые из этих способов включали использование углерода в различных формах для замедления этого процесса. Например, в патенте Великобритании №18590 раскрыт способ, предназначенный для увеличения срока службы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи путем защиты от коррозии решеток со свинцовой основой, которые формируют положительные электроды батареи. Этот способ включает обработку решеток смесью каучука, сурьмы и графита. Смесь наносится на решетки либо путем погружения решеток в смесь или нанесением смеси на решетки кистью. Однако, как и во всех способах нанесения покрытия данного типа, получаемое в результате покрытие довольно толстое. Часто эти покрытия не плотно прикрепляются к поверхностям электродов, и они имеют тенденцию растрескиваться и отшелушиваться от электродов. Более того, добавки в покрытие могут снизить проводимость электродов и подавлять процессы электронного обмена в свинцово-кислотной аккумуляторной батарее.

Для решения этих проблем впервые в Японии была разработана технология добавления углерода в состав отрицательного электрода. Это предает аккумуляторной батарее улучшенные зарядные и разрядные характеристики. Высокопроводящие углеродные частицы тесно связаны с активным материалом и создают улучшенную проводящую сеть, уменьшая внутреннее сопротивление, увеличивая плотность энергии и хорошую восстанавливаемость после разряда.

В природе углерод достаточно доступен. Углерод содержится в графитах (высококристалическая непористая форма углерода), сажах (аморфные углеродные материалы), полученные при разложении углеводородного сырья: нефти, природного газа, каменноугольной смолы, ацетилена. Даже обычный уголь содержит до 80% углерода. Поэтому в перспективе такие аккумуляторы будут дешевыми в производстве, менее токсичными и безвредными для окружающей среды и человека.

На рисунке показано совмещение свинцовой отрицательной пластины из ячейки обычного свинцово-кислотного аккумулятора с углеродным электродом.

В последующем конструкторы усовершенствовали технологию изготовления, применив добавки углерода и в состав положительных электродов, тем самым обеспечив высокую пористость, решив проблему активного разрушения материала и максимально сократив процесс сульфатации.

В тоже время надо отметить, что на положительном электроде также как и на отрицательном формируется сульфат свинца, но при этом на нем поддерживается высокая скорость заряда, в отличие от отрицательного.

Удельная емкость батарей на базе двойного углерода сравнима с литий-ионными аккумуляторами, однако в плане безопасности новые батареи значительно превосходят литиевые. Кроме того новые аккумуляторы гораздо дольше сохраняют рабочий ресурс и быстрее перезаряжаются, что и делает их отличной альтернативой сегодня.

Факторы срока службы батарей и способы его продления

Общеизвестно, что одним из определяющих факторов срока службы обычной свинцово-кислотной батареи является коррозия положительного электрода с последующим увеличением его объема. По мере того, как положительный электрод подвергается коррозии, возникающее расширение объема вызывает механические нагрузки на электрод, приводящие к его растрескиванию и разлому. Далее, на развившихся стадиях коррозии, может произойти внутреннее замыкание решетки и разрыв корпуса батареи.

Одним из способов потенциального продления срока службы в таких условиях является увеличение сопротивляемости коррозии электродов. Углеродное покрытие электродов снижает скорость коррозии электродов путем ограничения контакта между раствором электролита и металлом электрода. При этом электропроводность углерода позволяет осуществлять электронный обмен во время процессов разряда и заряда аккумуляторной батареи.

Таким образом, добавление углерода с состав электродов позволило добиться следующих результатов при эксплуатации свинцово-углеродных аккумуляторных батарей:

  • Сниженная сульфатация при частичном заряде;
  • Улучшенные разрядные характеристики;
  • Улучшенные показатели циклического использования;
  • Увеличенный срок службы в буферном режиме;
  • Увеличенный срок хранения без подзаряда;
  • Сокращение сроков ускоренного заряда;
  • Уменьшение тепловыделения при заряде.

Свинцово-углеродные аккумуляторы идут на замену обычным свинцово-кислотным аккумуляторным батареям с решающим преимуществом в возможности быстрого заряда без повреждений, работы в циклическом режиме с разрядами от 30% до 70% без риска сульфатации, а также отсутствии необходимости принудительного охлаждения.

Но есть и недостатки: быстрое падение напряжения при разряде, особенно при высоких нагрузках. Поэтому применение их как стартерных батарей не целесообразно. Также из-за электрохимических реакций наблюдается увеличение скорости выделения водорода, хотя сегодня в науке процесс выделения водорода на углероде пока не так хорошо изучен.

Наилучшие условия их работы – это равномерная отдача электроэнергии на всем этапе разряда, то есть применение на электротранспорте, инвалидных колясках, гольф-карах, складской и другой технике с использованием циклического режима работы. Но это не исключает возможность применения их в системах альтернативной энергетики, а также системах телекоммуникации и связи.

В перспективе планируется перейти на полностью углеродные электроды, что в корне изменит и название батареи. Она будет полностью углеродной. На самом деле идея полностью углеродной батареи не является новой и разрабатывается в Японии с 70-х годов прошлого века. Около 6-7 лет назад ученые университета Куйсю (Kyushu University) начали работу по нанотехнологиям и улучшению углеродного материала, что позволило значительно увеличить производственную мощность этих батарей.

«Без нее машина просто не заведется». Разбираем принцип работы и устройство аккумуляторной батареи

Принцип работы и устройство автомобильного аккумулятора. Основные функции АКБ. Из чего состоит свинцово-кислотный аккумулятор. Подробнее читайте в нашей статье.

АКБ, или аккумуляторная батарея, — важнейшая часть конструкции автомобиля. Как ни крути, без нее машина просто не заведется

Ну а если серьезно, то вместе с генератором она — источник электрического тока. И выполняет несколько функций:

— активизирует стартер;

— питает опциональные устройства, если двигатель выключен;

— вместе с генератором осуществляет потребительское питание при включенном двигателе;

— сглаживает перепады напряжения и пульсацию тока в электросети автомобиля.

Устройство автомобильного аккумулятора

На многих авто сегодня используют свинцово-кислотные АКБ. На их примере можно понять устройство аккумулятора для автомобиля.

  1. Корпус. Здесь расположены все элементы. Как правило, он изготовлен из полипропилена и включает в себя емкость, разделенную на 6 ячеек, а также крышку, оснащенную системой стравливания давления.
  2. В каждой ячейке — 16 пластин, сделанных из свинца. Их полярность чередуется. Плюсовой электрод (катод) — это 8 положительных пластин, которые объединены бареткой. Минусовой электрод (анод) — это 8 отрицательных. Каждый выводится на соответствующую клемму. Чтобы повысить коррозийную стойкость, в сплав, из которого сделаны электроды, добавляют олово или серебро.
  3. Следующий немаловажный элемент — электролит. В него погружаются пластины ячеек. Различают АКБ с жидким электролитом и с загущенным. Сегодня более распространен первый вариант.
  4. Важные дополнения конструкции — сепараторы. Они вставляются между электродами, чтобы предотвратить замыкание. Это карманы из пористого материала, которые не мешают электролиту свободно циркулировать, не взаимодействуя в химическом плане.
  5. 2 вывода — плюс и минус — обеспечивают подключение к сети автомобиля. Клеммы помещены на крышку. Положительный толще отрицательного — это предотвращает ошибки в подсоединении.
  6. Автомобильная АКБ оборудована индикатором, который показывает уровень заряда — «глазком» («зеленый» — батарея заряжена, «черный» — недостаточно заряда, «желтый» дает сигнал о низком уровне электролита).

На борту машины батарея фиксируется при помощи крепления, что предупреждает повреждение устройства.

Принцип работы аккумулятора

Если разобраться, принцип работы автомобильного аккумулятора довольно прост. При заряде происходит преобразование электрической энергии в химическую. При разряде — наоборот. Соответственно, это циклический процесс, включающий:

1) зарядку;

2) разрядку.

Во время работы двигателя АКБ подзаряжается от генератора. Сульфат свинца, взаимодействуя с H2O, преобразуется в свинец, серную кислоту и двуокись свинца. При этом повышается плотность электролита. При разрядке, которая должна происходить при оптимальном для системы напряжении, происходит обратный химический процесс.

Химические реакции в ячейке, как правило, вырабатывают 2 В. На клеммах из 6-и ячеек на выходе — 12 В.

Если нагрузка отсутствует, в АКБ процесс все равно продолжается — идет так называемая саморазрядка аккумулятора. Его интенсивность зависит от показателей температур окружающей среды и конструкционных особенностей. Срок жизни зависит от многих факторов, касающихся соблюдения правил эксплуатации. В основном, это 3-5 лет.

Подводим итоги

Аккумуляторная батарея, как любая техника, имеет свое оригинальное устройство и принцип работы. Но разобраться в этом довольно просто, особенно, если использовать информацию из нашей статьи.

Принцип работы батареи

Если мы хотим правильно понять основной принцип батареи , во-первых, у нас должна быть базовая концепция электролитов и сродства к электрону. На самом деле, когда два разнородных металла или металлических соединения погружаются в электролит, между этими металлами или металлическими соединениями возникает разность потенциалов. Следовательно, вызывая течение тока, которое на самом деле связано с разностью 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, высвобождаемая при принятии электрона нейтральным атомом, известна как сродство к электрону. Поскольку атомная структура разных материалов различна, сродство к электрону у разных материалов будет разным. Если в один и тот же раствор электролита погрузить два разных вида металлов или металлических соединений, один из них получит электроны, а другой отдаст электроны.

Какой металл (или металлическое соединение) получит электроны, а какой потеряет их, зависит от сродства к электрону этих металлов или металлических соединений. Металл с низким сродством к электрону получит электроны от отрицательных ионов раствора электролита.

Сродство к электрону в функции батареи

С другой стороны, металл с высоким сродством к электрону высвобождает электроны, и эти электроны выходят в раствор электролита и присоединяются к положительным ионам раствора.Таким образом, один из этих металлов или соединений получает электроны, а другой теряет электроны. В результате будет разница в концентрации электронов между этими двумя металлами. Эта разница в концентрации электронов вызывает разность электрических потенциалов между металлами. Эту разность электрических потенциалов или ЭДС можно использовать в качестве источника напряжения в любой электронике или электрической цепи. Это общий и основной принцип аккумулятора.

Все аккумуляторные элементы основаны только на этом основном принципе.Как мы знаем из истории аккумуляторов, Алессандро Вольта разработал первый аккумуляторный элемент, и этот элемент широко известен как простой гальванический элемент. Этот тип простой ячейки может быть создан очень легко. Возьмите одну емкость и наполните ее разбавленной серной кислотой в качестве электролита. Теперь погрузите в раствор цинковый и один медный стержень и соедините их снаружи электрической нагрузкой. 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 их концентрация вблизи цинкового электрода очень высока.В результате описанной выше реакции окисления цинковый электрод остается заряженным отрицательно и, следовательно, действует как катод. Разбавленная серная кислота и вода диссоциируют на ионы гидроксония, как показано ниже: Из-за высокой концентрации ионов Zn + + вблизи катода ионы H 3 O + отталкиваются к медному электроду и разряжаются, удаляя электроны из атомов меди. На аноде протекает следующая реакция: В результате реакции восстановления, происходящей на медном электроде, медь остается положительно заряженной и, следовательно, действует как анод.

Аккумулятор Daniell

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

Когда цепь замыкается, разбавленная серная кислота в пористом сосуде вступает в реакцию с цинком с выделением газообразного водорода. Реакция протекает следующим образом:

Образование ZnSO 4  в пористом сосуде не влияет на работу ячейки до тех пор, пока не осаждаются кристаллы ZnSO 4  .Газообразный водород проходит через пористый сосуд и реагирует с раствором CuSO 4 следующим образом: Образовавшаяся таким образом медь осаждается на медном сосуде.

Нравится:

Нравится Загрузка…

Принцип работы литий-ионного аккумулятора — E-Lyte Innovations GmbH

Литий-ионные батареи относятся к группе батарей, которые генерируют электрическую энергию путем преобразования химической энергии посредством окислительно-восстановительных реакций на активных материалах, т.е.е. отрицательный (анод) и положительный электрод (катод) в одном или нескольких электрически соединенных электрохимических элементах. Литий-ионные батареи можно разделить на первичные (неперезаряжаемые) и вторичные (перезаряжаемые) батареи, в зависимости от того, перезаряжаются ли они электрическим током.

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

Термин «разрядка» используется для обозначения процесса, при котором батарея 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 и другие важные функции:

 

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

  • включить аккумулятор для работы
  • хорошо Li + -ионно-проводящие (норма!)
  • защищают от дальнейшего разложения электролита

 

Вносит вклад в безопасность клеток – будучи инертным по отношению к другим материалам, таким как:

  • Сепаратор
  • Токосъемники
  • Проводящие добавки, связующие
  • Корпус ячейки

 

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

При разряде ионы Li + — находятся в материале положительного электрода.Таким образом, положительный электрод является источником ионов Li +, необходимых для преобразования электрической энергии в химическую. Чтобы позволить ионам Li + — мигрировать от положительного электрода к отрицательному электроду, электролит также обогащают 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).Для обеспечения нейтральности 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 электролит/поверхность отрицательного электрода и электролит/положительный электрод соответственно образуются граничные фазы, так называемые SEI и CEI. Эти межфазные фазы состоят из нерастворимых продуктов электрохимического разложения компонентов электролита и ионов Li + , происходящих из положительного электрода, и обеспечивают обратимое циклирование батареи.После образования SEI и CEI дальнейшие ионы Li + деинтеркалируют из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через него к материалу отрицательного электрода для последующего включения в последний.

Этап 3. Электродные реакции

После образования SEI и CEI дальнейшие ионы Li + деинтеркалируют из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через него в материал отрицательного электрода для последующего включения в последний.

Положительный электрод:      

Li М 2 O → Li (1- х ) М О 2 + х · е + х · Li +

Отрицательный электрод:    

C 6 + x ·e + x ·Li + → Li x C 6        9005

Общая клеточная реакция:

C 6 + LI M O 2 → LI x C 6 + LI (1- X ) MO 2

5)

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 3 + → LI M O 3131 + → LI M O 3131 + → LI M o 3131 + → LI M o 3131 + .

Отрицательный электрод = «анод» (окисление)       

Li x C → C 6 + x ·e + x ·Li +

Шаг 6 — Принцип кресла-качалки

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

Особенно первый цикл (зарядка и разрядка) связан с необратимой потерей ионов Li + в SEI и CEI, а также в материале отрицательного электрода. В результате меньшее количество ионов Li + теперь может накапливаться в отрицательном электроде в следующем цикле зарядки, что приводит к снижению емкости батареи.

В литий-ионном аккумуляторе происходят различные процессы старения, которые снижают производительность аккумулятора в течение периода использования и сильно зависят от химического состава элемента и предполагаемого использования аккумулятора. В частности, правильный выбор электролита оказывает огромное влияние на эти механизмы старения и еще раз подчеркивает важность электролитов, изготовленных по индивидуальному заказу.

Для оптимизации литий-ионных аккумуляторов в отношении удельной энергии и плотности энергии, срока службы и безопасности было предпринято много усилий для дальнейшего расширения возможностей применения ЛИА.В частности, растущие потребности в литий-ионных батареях с высокой удельной энергией и плотностью энергии, особенно для автомобильных приложений, стимулируют исследовательские усилия во всем мире. Плотность энергии и удельная энергия аккумуляторов по определению — это количество энергии, запасенной 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 положительного электрода с более высокими рабочими напряжениями (подход с высоким напряжением) и/или повышенной 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 по сравнению с Li/Li + ) и усиливают конструкцию внутренне стабильных электролиты или подходящие добавки к электролиту для создания высоковольтных литий-ионных аккумуляторов.

Введение в свинцово-кислотные батареи: конструкция, принцип работы и типы

Категория перезаряжаемых и вторичных батарей включает свинцово-кислотные батареи.Несмотря на низкое отношение энергии к объему и энергии к весу батареи, она может обеспечивать более высокие импульсные токи. Это связано с тем, что свинцово-кислотные аккумуляторы имеют высокое отношение мощности к весу.

Каталог

 

В 1801 году французский физик Николя Готеро обнаружил, что, хотя основная батарея отключена, в исследованиях по электролизу присутствует небольшой ток. В 1859 году физик по имени Гатсон изобрел свинцово-кислотную батарею , которая была первой, подзаряжаемой за счет прохождения обратного тока.Это был первый прототип батареи такого типа, к которому Фор добавил больше усовершенствований, пока Анри Тюдор не изобрел практичный тип свинцово-кислотной батареи в 1886 году. Давайте углубимся в этот тип батареи, ее работу, типы, структуру и преимущества. .

Категория перезаряжаемых и вторичных батарей включает свинцово-кислотные батареи. Несмотря на низкое отношение энергии к объему и энергии к весу батареи, она может обеспечивать более высокие импульсные токи. Это связано с тем, что свинцово-кислотные аккумуляторы имеют высокое отношение мощности к весу.

Это батареи, которые преобразуют химическую энергию в электрическую с использованием перекиси свинца и губчатого свинца. Из-за повышенных уровней напряжения в элементах и ​​низкой стоимости они обычно используются на подстанциях и в энергосистемах.

I. Конструкция свинцово-кислотной батареи

Пластины и контейнеры являются важными элементами конструкции свинцово-кислотной батареи. Каждая часть, используемая в конструкции, подробно описана в разделе ниже. Схема свинцово-кислотной батареи показана ниже:

 

Контейнер свинцово-кислотной батареи

Этот элемент банки изготовлен из эбонита, дерева со свинцовым покрытием, стекла, твердой битумной резины, керамических материалов или кованого пластика. оба они установлены на поверхности, чтобы предотвратить выброс электролита.В нижней части контейнера имеется четыре ребра, два из которых закреплены на положительной пластине, а остальные — на отрицательной.

Призма служит основанием для обеих пластин, а также защищает их от короткого замыкания. Материалы, используемые в конструкции контейнера, не должны содержать серную кислоту, не должны изгибаться или проникать, а также не должны содержать никаких примесей, которые могут повредить электролит.

Пластины свинцово-кислотной батареи

Пластины свинцово-кислотной батареи построены по-разному, но все они состоят из одинаковых типов сетки, состоящей из активных компонентов и свинца.Сетка необходима для установления проводимости тока и распределения равных величин тока по активным компонентам. Если распределение неравномерно, активная переменная будет ослаблена. В этой батарее есть два типа пластин. Пластины Plante/formed и Faure/клееные пластины являются двумя типами.

Фасонные пластины в основном используются в статических батареях, они тяжелые и дорогие. Однако даже при непрерывных циклах зарядки и разрядки они имеют длительный срок службы и маловероятно, что они потеряют свои активные компоненты.Это имеет низкое соотношение мощности к весу.

Хотя процедура вставки чаще используется для создания негативных пластин, чем позитивных, она часто используется для создания позитивных пластин. Отрицательно-активный аспект более сложен, и механизмы зарядки и разрядки немного изменены.

Активный компонент свинцово-кислотного аккумулятора

Активный компонент – это компонент, который активно участвует в процессах химических реакций, происходящих в аккумуляторе, в основном во время зарядки и разрядки.Ниже приведены активные ингредиенты:

  • Перекись свинца – Это полезный активный ингредиент.

  • Губчатый провод — отрицательная активная часть системы.

  • Кислота серная разбавленная – Это в основном используется в качестве электролита.

Сепараторы свинцово-кислотных аккумуляторов

Для изготовления этих тонких плит используются пористая резина, обработанный свинец и стекловолокно. Сепараторы используются для обеспечения активной изоляции между пластинами.С одной стороны они имеют рифленую форму, а с другой стороны плоские.

Кромки свинцово-кислотной батареи

Имеет положительные и отрицательные наконечники диаметром 17,5 мм и 16 мм соответственно.

II. Принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора

Поскольку серная кислота используется в качестве электролита в аккумуляторе, при ее растворении молекулы рассеиваются в виде SO4– (отрицательные ионы) и 2H+ (положительные ионы), которые могут свободно перемещаться. Когда эти электроды погружаются в растворы и подается постоянный ток, положительные ионы начинают двигаться в направлении отрицательной стороны батареи.Отрицательные ионы также могут проходить в том же направлении, что и положительные ионы, двигаясь к положительному краю батареи.

Каждый ион водорода и сульфата собирает один и два электрона, а также отрицательные ионы с катода и анода и вступает в реакцию с водой. В результате образуются водород и серная кислота. Продукты вышеуказанных реакций соединяются с оксидом свинца с образованием пероксида свинца. Это означает, что во время фазы зарядки часть свинцового катода остается в виде свинца, а свинцовый анод формируется в виде темно-коричневого пероксида свинца.

Если питание постоянного тока отсутствует, а между электродами закреплен вольтметр, отображается расхождение потенциалов между электродами. Поток тока от отрицательной к положительной пластине по внешней цепи происходит, когда провода соединяются между электродами, что указывает на то, что ячейка может производить электрический источник энергии.

III. Типы свинцово-кислотных аккумуляторов

Герметичный тип . Этот тип свинцово-кислотного аккумулятора представляет собой разновидность залитого типа.Насчет того, что ни у кого нет доступа к каждой ячейке батареи, внутренняя архитектура практически идентична залитой форме. Самая большая разница в этой форме заключается в том, что в ней содержится достаточное количество кислоты, чтобы обеспечить плавное протекание химических реакций во время существования батареи.

VRLA Form . Также известные как герметичные батареи, они известны как свинцово-кислотные батареи с клапанным управлением. В момент зарядки процесс контроля стоимости обеспечивает стабильное выделение газов O2 и h3.

AGM Type – это аккумулятор из матового стекла, который позволяет останавливать электролит на материале пластины. Аккумуляторы этого типа улучшают производительность процессов разрядки и зарядки. В основном они используются в автоспорте и при запуске двигателя.

Гелевый тип — это свинцово-кислотный аккумулятор мокрого типа, в котором электролит в ячейке изготовлен на основе диоксида кремния, что приводит к затвердеванию материала. По сравнению с другими формами значения напряжения перезарядки элемента малы, а также он обладает большей чувствительностью.

IV. Характеристики свинцово-кислотного аккумулятора

1.  Химическая реакция свинцово-кислотного аккумулятора

Химическая реакция в аккумуляторе происходит в основном во время процессов разрядки и перезарядки, и она описывается следующим образом:

Когда аккумулятор полностью заряжен , анод и катод — PbO2 и Pb соответственно. Поскольку они связаны с сопротивлением, батарея разряжается, а электроны заряжаются в противоположном направлении.Ионы h3 проходят в анод и сливаются вместе, образуя атом. Он реагирует с PbO2 с образованием PbSO4 белого цвета.

Подобно иону сульфата, ион сульфата движется к катоду, где он превращается в SO4. Он становится сульфатом свинца, когда реагирует со свинцовым катодом.

PbSO4 + 2H = PbO + h3O

PbO + h3SO4 = PbSO4 + 2h3O

PbO2 + h3SO4 + 2H = PbSO4 + 2h3O

Катод и аноды подключаются к отрицательному и положительному фронтам питания постоянного тока процесс.Положительные ионы h3 переходят на катод, приобретая два электрона и превращаясь в атом h3. Он образует свинец и серную кислоту после химической реакции с сульфатом свинца.

2.  Срок службы свинцово-кислотной батареи

Оптимальная рабочая температура для свинцово-кислотной батареи составляет 250 градусов Цельсия или 770 градусов по Фаренгейту. Срок службы сокращается по мере расширения температурного спектра. Согласно закону, любое повышение температуры на 80°C сокращает период полураспада батареи.Срок службы свинцово-кислотной батареи с рабочими характеристиками при рабочей температуре 250°C составляет десять лет. И его срок службы составляет всего 5 лет при температуре 330 градусов по Цельсию.

3. Применение
  • Используется в электродвигателях

  • подводные лодки

  • Ядерные подводные лодки

Рабочий принцип батареи.

В этой диссертации два электродных материала для нового поколения пост-литий-ионных аккумуляторов были исследованы с помощью спектроскопии оптической рентгеновской абсорбционной структуры ближнего края (XANES), исследующей элементы, в частности, электронные, химические и геометрические изменения, происходящие в электродные материалы при циклировании батареи.Операционные измерения были дополнены ex situ жесткой рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (HAXPES), рентгеновской дифракцией (XRD) и экспериментами XANES на разобранных образцах электродов, предварительно (разряженных) до соответствующих уровней потенциала. В первой части этой работы анод для натрий-ионных аккумуляторов (SIB) на основе наночастиц анатаза TiO2 был проанализирован на краю XANES Ti K с использованием специальной конструкции плоской круглой ячейки, которая позволяла циклически работать аккумулятору в сверхвысоком вакууме ( UHV) аналитическая камера.Непрерывный мониторинг изменений, наблюдаемых в экспериментах XANES в процессе (разряда) батареи, позволил выявить количество обратимо и необратимо введенного натрия в структуру электрода и выявить структурные изменения, происходящие на анатазном электроде из TiO2. Было обнаружено, что во время первого цикла кристаллическая структура анатаза исчезает и теряется 5-7% его кислорода, что приводит к аморфной структуре, в которой атомы Ti окружены только 5-6 соседними атомами кислорода вместо 6 атомов. в исходной структуре анатаза.Хотя они, как правило, выявляли те же самые спектральные тренды и реакции при (разряде), эксперименты ex situ показали гораздо меньшую степень натрия (более 50 %), чем результаты операндо, намекая на потерю натрия и окисление электрода во время подготовка образца электрода. Тем не менее измерения ex situ методом HAXPES позволили выявить важные свойства границы между электродом и электролитом, т.е. образование межфазного слоя твердого электролита (SEI) во время первого разряда.Этот стабильный слой толщиной около 13 нм состоит в основном из алкоксидов натрия, (алкил)карбонатов натрия, гидроксида натрия, полиэтиленоксида (ПЭО), формата натрия и оксалата натрия, связанных с разложением электролита. Могут наблюдаться дополнительные следы хлорида натрия, образующиеся из соли перхлората натрия и фторида натрия, связанные с разложением связующего поливинилидендифторида (ПВДФ). Кроме того, был обнаружен полиолефиновый слой на поверхности электрода под упомянутыми частицами SEI, а также аккумуляционный слой в приповерхностной области, связанный с легированием натрием.Стабильное образование SEI может быть связано с увеличением кулоновской эффективности анода, наблюдаемым после первого цикла, в то время как (частичная) деградация связующего может иметь решающее значение с точки зрения снижения емкости. Во второй части этой работы катод для литий-серных батарей (LSB) на основе полипиррольных нанопроволок, покрытых MoS3, был исследован с помощью рентгеновской спектроскопии Operando и ex situ. Опять же оперативные измерения имели решающее значение для исследования локальной структуры аморфного MoS3 и его границы с органическим электролитом, а также механизма катодной реакции с литием при (разрядке).Фактически было обнаружено, что при контакте с электролитом локальная структура Mo+4(S2-2)S-2 меняется на структуру Mo+6S-2 3 с разорванными дисульфидными связями и Мо в тетраэдрической молекулярной геометрии, окруженной четырьмя атомами серы. Что еще более важно, было показано, что в ходе катодной реакции не образуются полисульфиды лития. Наблюдаемая катодная реакция основана на внедрении четырех атомов Li, которые изменяют гибридизацию между орбиталями Mo 4d и S 3p, разрывая при этом дисульфидные связи в объемной структуре MoS3.Поскольку степень окисления Мо оказалась неизменной во время (разрядки) зарядки аккумулятора, предполагается, что окислительно-восстановительная реакция в основном управляется анионами. Отсутствие полисульфидов лития является отличным результатом для катода для младших разрядов, так как их растворимость в электролите приводит к так называемому «челночному эффекту», ответственному за большое падение емкости при работе батареи. Это открытие наблюдалось во время работы элемента, проверяя значение оперативных измерений для устранения неопределенностей, связанных с подготовкой образца, таких как возможное удаление полисульфидов лития во время этапа промывки электрода или разложение полисульфидов лития вне среды батареи.Кроме того, оперативная спектроскопия позволяет осуществлять непрерывный мониторинг химических реакций, происходящих на электродах, что приводит к исключению полисульфидов лития на каждом этапе процесса зарядки. В отличие от измерений ex situ, выполняемых после работы и разборки батареи, оперативные измерения позволяют напрямую отслеживать влияние электрохимических реакций без изменения среды образца. Это очень благоприятно для достоверности эксперимента, как показали результаты данной диссертации, которые позволяют по-новому взглянуть на поведение электродных материалов при натрии/литировании и появлении структурных изменений в процессе эксплуатации.Подчеркивая важность оперативных экспериментов для исследования электродов, используемых в литий-ионных батареях, результаты этой работы открывают путь к новой, основанной на знаниях разработке материалов для батарей.

Как работает батарея?

Энергия не может быть создана или уничтожена, но ее можно сохранить в различных формах. Один из способов его хранения — в виде химической энергии в батарее. При подключении к цепи батарея может производить электричество.

Батареи преобразуют химическую энергию в электрическую

Батарея имеет два вывода: положительный (катод) и отрицательный (анод).Если вы соедините две клеммы проводом, образуется цепь. Электроны будут течь по проводу, и будет производиться электрический ток. Внутри батареи происходит реакция между химическими веществами. Но реакция происходит только при наличии потока электронов. Батареи могут храниться в течение длительного времени и продолжать работать, потому что химический процесс не начнется, пока электроны не перейдут от отрицательного к положительному выводу через цепь.

В батарее происходит химическая реакция

Простой пример — лимонная батарейка

Давайте начнем с очень простой батареи, в которой используется лимон, в который вставлены два разных металлических предмета, например оцинкованный гвоздь и медная монета или проволока.Медь служит положительным электродом или катодом, а гальванизированный (оцинкованный) гвоздь — отрицательным электродом или анодом, производящим электроны. Эти два объекта работают как электроды, вызывая электрохимическую реакцию, которая создает небольшую разность потенциалов.

Поскольку атомы меди (Cu) притягивают электроны больше, чем атомы цинка (Zn), если вы поместите кусок меди и кусок цинка в контакт друг с другом, электроны перейдут от цинка к меди. Когда электроны концентрируются на меди, они будут отталкиваться друг от друга и останавливать поток электронов от цинка к меди.С другой стороны, если вы поместите полоски цинка и меди в проводящий раствор и соедините их снаружи проводом, реакции между электродами и раствором позволят электронам непрерывно течь по проводу.

ЛИМОННАЯ БАТАРЕЯ

Как работает лимонная батарейка?

Лимонная батарея состоит из лимона и двух металлических электродов из разных металлов, таких как медная монета или проволока, и оцинкованного (оцинкованного) гвоздя.

Энергия для батареи исходит не от лимона, а от химического превращения цинка (или другого металла). Цинк окисляется внутри лимона, обменивая часть своих электронов, чтобы достичь более низкого энергетического состояния, а высвобождаемая энергия обеспечивает энергию. Лимон просто обеспечивает среду, в которой это может произойти, но они не расходуются в процессе.

Если предположить, что используются цинковые и медные электроды (например, медная монета и оцинкованный гвоздь), то один лимон может генерировать приблизительно 0.9 вольт. Слева последовательная цепь лимонов показывает, что вырабатывается 3,41 вольта.

ПРИМЕЧАНИЕ:  Можно использовать картофель, яблоки, квашеную капусту или любые другие фрукты или овощи, содержащие кислоту или другой электролит, но лимоны предпочтительнее из-за их более высокой кислотности. Например, в картофеле электролитом является фосфорная кислота, а в лимонах — лимонная кислота.


В лимонной батарее происходит как окисление (потеря электронов), так и восстановление (приобретение электронов).Эта батарея похожа на оригинальные «простые гальванические элементы», изобретенные Алессандро Вольта (см. Ниже). На аноде металлический цинк окисляется и переходит в кислый раствор в виде ионов Zn2+:

Zn —> Zn2 + + 2 e-

На медном катоде ионы водорода (сольватированные протоны из кислого раствора в лимоне) восстанавливаются с образованием молекулярного водорода: 

2H++ 2e- —> h3

Что заставляет электроны двигаться?

Когда вы отпускаете мяч, который держите в руках, он падает на землю, потому что гравитационное поле Земли тянет мяч вниз.Точно так же заряженные частицы, такие как электроны, должны совершить работу, чтобы переместиться из одной точки в другую. Количество работы на единицу заряда называется разностью электрических потенциалов между двумя точками. Единица разности потенциалов называется вольт.

Разность потенциалов между катодом и анодом определяется химической реакцией. Внутри батареи электроны подталкиваются химической реакцией к положительному концу, создавая разность потенциалов.

Именно эта разность потенциалов заставляет электроны двигаться по проводу.

Разность потенциалов может быть положительной или отрицательной, подобно гравитационной энергии, движущейся вверх или вниз по склону. В батарее поток электронов направлен вниз… электроны могут течь вверх, как в случае с зарядным устройством.

Почему электроны просто не перемещаются от анода к катоду внутри батареи?

Электролит в батарее не дает одиноким электронам двигаться прямо от анода к катоду внутри батареи.Когда клеммы соединены токопроводящим проводом, электроны могут легко течь от анода к катоду.

В каком направлении движутся электроны в проводе?

Электроны заряжены отрицательно, поэтому они будут притягиваться к положительному концу батареи и отталкиваться от отрицательного конца. Когда батарея подключена к устройству, которое позволяет электронам течь через нее, они текут от отрицательного (анодного) к положительному (катодному) выводу.

Кто изобрел гальванический элемент (батарейку)?

ПЕРВАЯ БАТАРЕЯ VOLTA

Аккумулятор производства Volta считается первым гальваническим элементом. Он состоит из двух электродов: один из цинка, другой из меди. Электролит представляет собой серную кислоту или смесь солевого раствора соли и воды. Электролит существует в форме 2H+ и SO42-.Цинк, который в электрохимическом ряду выше меди и водорода, реагирует с отрицательно заряженным сульфатом SO42- . Положительно заряженные ионы водорода (протоны) захватывают электроны меди, образуя пузырьки газообразного водорода h3. Это делает цинковый стержень отрицательным электродом, а медный стержень — положительным электродом.

Теперь у нас есть две клеммы, и ток будет течь, если мы их соединим. Реакции в этой ячейке следующие: 

цинк

Zn —> Zn2+ + 2e-

серная кислота

2H+ + 2e- —> h3

Медь не вступает в реакцию, действуя как электрод для химической реакции.

Как работает современный аккумулятор (угольно-цинковый аккумулятор)?

Сухой угольно-цинковый элемент или батарея упакованы в цинковую банку, которая служит как контейнером, так и отрицательной клеммой (анодом). Положительная клемма представляет собой угольный стержень, окруженный смесью диоксида марганца и угольного порошка. В качестве электролита используется паста из хлорида цинка и хлорида аммония, растворенных в воде.Углеродный (графитовый) стержень собирает электроны, поступающие от анодной части батареи, чтобы вернуться к катодной части батареи. Углерод является единственным практичным материалом проводника, потому что любой обычный металл быстро подвергается коррозии в положительном электроде в электролите на основе соли.

Цинк окисляется в соответствии со следующим полууравнением.
Zn(s) —> Zn2+(aq) + 2 e- [e° = -1,04 вольта]

Диоксид марганца смешивают с угольным порошком для увеличения электропроводности.Реакция выглядит следующим образом: 

2MnO2(т) + 2 e- + 2Nh5Cl(водн.) —> 
Mn2O3(т) + 2Nh4(водн.) + h3O(водн.) + 2 Cl- [e° ˜ +,5 v]

, а CL сочетается с Zn2+.

В этой полуреакции марганец восстанавливается из степени окисления (+4) в (+3). Возможны и другие побочные реакции, но общую реакцию в угольно-цинковом элементе можно представить как:

Zn(т) + 2MnO2(т) + 2Nh5Cl(водн.) —> Mn2O3(т) + Zn(Nh4)2Cl2 (водн.) + h3O(ж)

Батарея имеет e.м.ф. около 1,5 В. 

 

Какие существуют типы батарей?

В разных типах батарей используются разные типы химикатов и химических реакций. Некоторые из наиболее распространенных типов батарей: 

Щелочная батарея

Используется в батареях Duracell® и Energizer® и других щелочных батареях.Электроды цинково-марганцево-оксидные. Электролит представляет собой щелочную пасту.

Свинцово-кислотный аккумулятор

Используются в автомобилях. Электроды изготовлены из свинца и оксида свинца с сильной кислотой в качестве электролита.

Литиевая батарея

Эти батарейки используются в фотоаппаратах для вспышки.Они изготавливаются из лития, йодида лития и йодида свинца. Они могут обеспечить скачки электричества для вспышки.
Литиевая батарея Эти батарейки используются в фотоаппаратах для вспышки. Они изготавливаются из лития, йодида лития и йодида свинца. Они могут обеспечить скачки электричества для вспышки.
Литий-ионный аккумулятор Эти батареи используются в портативных компьютерах, сотовых телефонах и другом портативном оборудовании с высокой нагрузкой.
Никель-кадмиевая или никель-кадмиевая батарея Электроды никель-гидроксидно-кадмиевые. Электролит – гидроксид калия.
Цинк-угольная батарея или стандартная угольная батарея – Цинк и углерод используются во всех обычных или стандартных сухих батареях AA, C и D. Электроды изготовлены из цинка и углерода, а паста из кислотных материалов между ними служит электролитом.

ССЫЛКИ И ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Potato Power: руководство для учителя
История батареи
Электрохимические реакции
Цинк-угольная батарея
Цинк-угольная батарея — Как они работают?
Как работают батареи Анимированное руководство по науке о батареях


Оценка Вопросы:

M несколько Вопросы выбора

Руководство для начинающих по работе с аккумулятором

Определение батареи

Хосе Луис Пелаес / Getty Images

Батарея, которая на самом деле представляет собой электрическую ячейку, представляет собой устройство, которое вырабатывает электричество в результате химической реакции.Строго говоря, батарея состоит из двух или более элементов, соединенных последовательно или параллельно, но этот термин обычно используется для обозначения одного элемента. Ячейка состоит из отрицательного электрода; электролит, проводящий ионы; сепаратор, он же ионный проводник; и положительный электрод. Электролит может быть водным (состоящим из воды) или неводным (не состоящим из воды), жидким, пастообразным или твердым. Когда ячейка подключена к внешней нагрузке или питаемому устройству, отрицательный электрод подает ток электронов, которые проходят через нагрузку и принимаются положительным электродом.При снятии внешней нагрузки реакция прекращается.

Первичная батарея — это батарея, которая может преобразовать свои химические вещества в электричество только один раз, после чего ее необходимо выбросить. Вторичная батарея имеет электроды, которые можно восстановить, пропуская через них электричество; также называется аккумуляторной или перезаряжаемой батареей, ее можно многократно использовать повторно.

Батареи бывают нескольких стилей; наиболее распространенными являются одноразовые щелочные батареи.

Что такое никель-кадмиевая батарея?

Первая никель-кадмиевая батарея была создана Вальдемаром Юнгнером из Швеции в 1899 году.

В этой батарее используется оксид никеля в положительном электроде (катоде), соединение кадмия в отрицательном электроде (аноде) и раствор гидроксида калия в качестве электролита. Никель-кадмиевая батарея является перезаряжаемой, поэтому она может циклически повторяться. Никель-кадмиевая батарея преобразует химическую энергию в электрическую при разрядке и преобразует электрическую энергию обратно в химическую при перезарядке. В полностью разряженной батарее NiCd катод содержит гидроксид никеля [Ni(OH)2] и гидроксид кадмия [Cd(OH)2] в аноде.Когда аккумулятор заряжается, химический состав катода изменяется, и гидроксид никеля превращается в оксигидроксид никеля [NiOOH]. На аноде гидроксид кадмия превращается в кадмий. Когда аккумулятор разряжается, процесс меняется на обратный, как показано в следующей формуле.

Cd + 2h3O + 2NiOOH —> 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2

Что такое никель-водородная батарея?

Никель-водородная батарея впервые была использована в 1977 году на борту U.Спутник навигационной техники С.ВМФ-2 (НТС-2).

Никель-водородную батарею можно считать гибридом между никель-кадмиевой батареей и топливным элементом. Кадмиевый электрод был заменен водородным электродом. Эта батарея визуально сильно отличается от никель-кадмиевой батареи, потому что ячейка представляет собой сосуд высокого давления, который должен содержать более одной тысячи фунтов на квадратный дюйм (psi) газообразного водорода. Он значительно легче никель-кадмиевого, но его труднее упаковать, как ящик для яиц.

Никель-водородные батареи иногда путают с никель-металлогидридными батареями, которые обычно используются в сотовых телефонах и ноутбуках. В никель-водородных, как и в никель-кадмиевых батареях используется один и тот же электролит, раствор гидроксида калия, который принято называть щелочью.

Стимулы для разработки никель-металлогидридных (Ni-MH) батарей исходят из насущных проблем со здоровьем и окружающей средой, связанных с поиском замены никель-кадмиевым перезаряжаемым батареям.Из-за требований безопасности рабочих переработка кадмия для аккумуляторов в США уже прекращается. Кроме того, природоохранное законодательство 1990-х и 21-го века, скорее всего, потребует сокращения использования кадмия в батареях для потребительского использования. Несмотря на это давление, после свинцово-кислотных аккумуляторов никель-кадмиевые аккумуляторы по-прежнему занимают наибольшую долю рынка перезаряжаемых аккумуляторов. Дальнейшие стимулы для исследования аккумуляторов на основе водорода исходят из общего убеждения, что водород и электричество вытеснят и в конечном итоге заменят значительную часть энергоносителей ресурсов ископаемого топлива, став основой для устойчивой энергетической системы, основанной на возобновляемых источниках.Наконец, существует значительный интерес к разработке Ni-MH аккумуляторов для электромобилей и гибридных транспортных средств.

Никель-металлогидридная батарея работает в концентрированном электролите KOH (гидроксид калия). Электродные реакции в никель-металлогидридной батарее следующие:

Катод (+): NiOOH + h3O + e-Ni(OH)2 + OH- (1)

Анод (-): (1/x) MHx + OH- (1/x) M + h3O + e- (2)

Общий: (1/x) MHx + NiOOH (1/x) M + Ni(OH)2 (3)

Электролит KOH может транспортировать только ионы OH-, и, чтобы сбалансировать перенос заряда, электроны должны циркулировать через внешнюю нагрузку.Электрод с оксигидроксидом никеля (уравнение 1) был тщательно исследован и охарактеризован, и его применение было широко продемонстрировано как для наземных, так и для аэрокосмических применений. Большая часть текущих исследований Ni/металлогидридных аккумуляторов связана с улучшением характеристик металлогидридного анода. В частности, для этого требуется разработка гидридного электрода со следующими характеристиками: (1) длительный срок службы, (2) высокая емкость, (3) высокая скорость заряда и разряда при постоянном напряжении и (4) удерживающая способность.

Что такое литиевая батарея?

Что такое литиевая батарея? НАСА

Эти системы отличаются от всех ранее упомянутых батарей тем, что в электролите не используется вода. Вместо этого они используют неводный электролит, который состоит из органических жидкостей и солей лития для обеспечения ионной проводимости. Эта система имеет гораздо более высокие напряжения на элементах, чем системы с водным электролитом. Без воды выделение водорода и кислорода исключается, и клетки могут работать с гораздо более широким потенциалом.Они также требуют более сложной сборки, поскольку она должна выполняться в почти идеально сухой атмосфере.

Ряд неперезаряжаемых батарей был впервые разработан с металлическим литием в качестве анода. Коммерческие батарейки типа «таблетка», используемые для сегодняшних батарей для часов, в основном представляют собой литий-химию. В этих системах используются различные катодные системы, достаточно безопасные для использования потребителем. Катоды изготавливаются из различных материалов, таких как монофторид углерода, оксид меди или пятиокись ванадия. Все системы с твердым катодом ограничены скоростью разряда, которую они могут поддерживать.

Для получения более высокой скорости разряда были разработаны системы с жидким катодом. В этих конструкциях электролит является реакционноспособным и реагирует на пористом катоде, который обеспечивает каталитические центры и сбор электрического тока. Несколько примеров таких систем включают литий-тионилхлорид и литий-диоксид серы. Эти батареи используются в космосе и в военных целях, а также в качестве аварийных маяков на земле. Как правило, они недоступны для населения, поскольку они менее безопасны, чем системы с твердым катодом.

Следующим шагом в технологии литий-ионных аккумуляторов считается литий-полимерный аккумулятор. В этой батарее жидкий электролит заменяется гелеобразным электролитом или настоящим твердым электролитом. Предполагается, что эти батареи будут даже легче, чем литий-ионные, но в настоящее время нет планов запуска этой технологии в космос. Он также не всегда доступен на коммерческом рынке, хотя может быть не за горами.

Оглядываясь назад, мы прошли долгий путь со времен прохудившихся батареек для фонариков шестидесятых годов, когда зародились космические полеты.Существует широкий спектр решений, доступных для удовлетворения многих требований космического полета, от 80 градусов ниже нуля до высоких температур солнечного полета. Можно справиться с массивным излучением, десятилетиями службы и нагрузками, достигающими десятков киловатт. Будет продолжена эволюция этой технологии и постоянное стремление к улучшенным батареям.

Как работает батарея — инженерное мышление

Батареи, мы используем их каждый день по всему миру, но как они работают? Об этом мы расскажем в этой статье, спонсируемой Squarespace.Перейдите на сайт sqarespace.com, чтобы начать бесплатную пробную версию, или используйте инженерное мышление, чтобы сэкономить 10 % на веб-сайтах и ​​доменах.

Аккумуляторы

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть видео на YouTube.

Что такое батарея?

Аккумулятор — это устройство, используемое для хранения энергии, когда она нам нужна. Мы используем их для питания небольших электрических устройств, таких как фонарики. Энергия хранится в виде химической энергии, и ее можно превратить в электрическую энергию, когда она нам понадобится. Мы увидим, как это работает чуть позже в статье.

Цепь батареи и лампы

Если мы посмотрим на простую цепь батареи и лампы. Чтобы зажечь лампу, нам нужно, чтобы через нее протекали электроны. Батарея будет обеспечивать толкающую силу, позволяющую электронам течь через лампу. Нам просто нужно подключить лампу к положительной и отрицательной клеммам батареи, чтобы замкнуть цепь. Батарея может выталкивать электроны только в течение определенного периода времени, это время зависит от того, сколько энергии хранится внутри батареи и сколько требуется нагрузке.

Примеры нагрузки

Когда мы говорим о нагрузке в электрической цепи, мы имеем в виду любые компоненты, для работы которых требуется электричество, это могут быть такие вещи, как резисторы, светодиоды, двигатели постоянного тока или даже целые печатные платы. Некоторые батареи можно перезаряжать, и это будет четко указано сбоку, но типичная бытовая щелочная батарея не может, поэтому ее просто утилизируют, когда в ней заканчивается энергия. Они могут быть переработаны, поэтому убедитесь, что вы утилизируете их ответственно.

Между прочим, если вы хотите узнать, как работает двигатель постоянного тока, мы уже подробно рассказывали об этом ранее — ознакомьтесь с ЗДЕСЬ.

Что внутри батареи?

Типичная щелочная батарея на 1,5 В выглядит примерно так, но цвета зависят от производителя. Когда мы смотрим на батарею, у нас обычно есть пластиковая обертка, плотно прикрепленная к внешней стороне, она изолирует батарею, но также сообщает нам важную информацию, такую ​​как емкость и напряжение, а также то, какой конец является положительным, а какой отрицательным.

Щелочная батарея

Положительный конец известен как катод и имеет расширенную поверхность, выступающую наружу.

Положительный конец

Отрицательный конец будет плоским, отрицательный конец известен как анод. Эти две клеммы электрически изолированы друг от друга.

Negative End

Под оберткой находится основной кожух, который обычно изготавливается из стали с никелированием. Это удерживает все внутренние компоненты на месте и предотвращает их взаимодействие с элементами атмосферы, такими как воздух и вода.

Under Wrapper

Внутри корпуса имеется несколько слоев различных материалов, эти материалы специально отобраны, поскольку их химические реакции создают определенные уровни напряжения и тока.Первый слой — это катод, представляющий собой смесь оксида марганца (MnO2) и графита. Этот материал находится в контакте с металлом положительной клеммы. Графит добавляется для улучшения проводимости смеси и увеличения плотности энергии.

Первый слой

Затем мы находим слой пористого материала, обычно это волокнистая бумага, которая образует барьер. Барьер предотвращает прямой контакт материалов анода и катода друг с другом, что помогает батарее дольше работать, когда она не используется.Если бы барьера не было, то произошло бы короткое замыкание батареи. Микроскопические отверстия внутри материала позволяют атомам ионов проходить сквозь него. Мы рассмотрим это более подробно позже в этой статье.

Барьер

Жидкий электролит из гидроксида калия затем распыляется на сепаратор во время производственного процесса, который пропитывает его и впитывается в материал анода. Используемый электролит является щелочным, поэтому мы называем этот тип батареи щелочной батареей.

Electrolyte Liquid Sprayed

На другой стороне барьера у нас есть анод, который представляет собой пасту, сделанную из порошка цинка (Zn), а также гелеобразователя. Желирующий агент просто удерживает цинк во взвешенном состоянии, поэтому он не скапливается в одном месте. Цинк находится в форме порошка для увеличения площади поверхности материала, что снижает внутреннее сопротивление и, таким образом, улучшает перенос электронов.

Внутри Батарея

Стальная капсула закрыта нейлоновой пластиковой крышкой. Затем в цинк вставляется латунный штифт, на который надевается стальной колпачок.Это дает нам отрицательную клемму. Обратите внимание, что положительные и отрицательные клеммы разделены пластиковой крышкой. Это гарантирует, что они электрически изолированы друг от друга, в противном случае электроны могут пройти через корпус и достичь положительной клеммы, что приведет к короткому замыканию батареи.

Положительное и отрицательное разделение

Основы электричества

Нам нужно понять некоторые основы того, как работает электричество, прежде чем мы сможем понять аккумулятор.

Во-первых, электричество — это поток электронов в цепи.Батареи могут обеспечить толкающую силу, которая перемещает электроны по цепи. Электроны хотят вернуться к своему источнику, и они немедленно пойдут по любому пути, чтобы достичь этого. Помещая такие вещи, как лампы, на пути электронов, мы можем заставить их выполнять работу за нас, например, освещать лампу.

Основы электричества

Батареи производят электричество постоянного или постоянного тока. Это означает, что электроны текут только в одном направлении от отрицательного к положительному.Осциллограф покажет постоянный ток в виде плоской линии в положительной области. Вы можете думать об электричестве постоянного тока как о реке, которая течет только в одном направлении.

DC Current

В этих анимациях мы показываем поток электронов, который идет от отрицательного к положительному, но вы, возможно, привыкли видеть обычный ток, который идет от положительного к отрицательному. Электронный поток — это то, что происходит на самом деле, но обычный ток был исходной теорией, которая до сих пор широко используется и преподается по сей день. Просто знайте о двух и о том, какой из них мы используем.

Переменный ток

Электричество, которое вы получаете от электрических розеток в своих домах, представляет собой электричество переменного или переменного тока, это отличается от электричества, обеспечиваемого аккумулятором. При переменном токе электроны непрерывно текут вперед и назад, подобно морскому приливу, который течет между приливом и отливом. Осциллограф покажет переменный ток как волну, проходящую как через положительную, так и через отрицательную области, потому что она течет вперед, это положительно, и назад, это отрицательно.

Переменный ток

Если мы посмотрим на отрезок медного провода, внутри него мы обнаружим атомы меди. В центре атома у нас есть протоны и нейтроны, протоны заряжены положительно, а нейтроны считаются нейтральными, поэтому они не имеют заряда. Вокруг них вращаются электроны, электроны заряжены отрицательно.

Медная проволока

Некоторые из этих электронов могут свободно перемещаться к другим атомам. Они будут естественным образом перемещаться между другими атомами, но в случайных направлениях, что для нас бесполезно.Нам нужно, чтобы много электронов текло в одном направлении, и мы можем сделать это, обеспечив разность напряжений от источника питания, такого как батарея.

Когда мы говорим об атомах, вы часто будете слышать термин «ион». Ион — это просто атом, который имеет неравное количество электронов или протонов. Атом имеет нейтральный заряд, когда в нем одинаковое количество протонов и электронов, потому что протоны заряжены положительно, а электроны отрицательно заряжены, поэтому они уравновешиваются. Если в атоме больше электронов, чем протонов, то это отрицательный ион.Если в атоме больше протонов, чем электронов, то это положительный ион.

Ion

Напряжение похоже на давление в баке с водой. Чтобы узнать, какое у нас давление, мы должны сравнить давление внутри трубы с давлением снаружи, и для этого мы используем манометр. Когда дело доходит до напряжения, мы используем вольтметр для измерения разницы напряжения между двумя разными точками. Если мы измерим разницу между батареями, мы получим 1,5 В, но если мы измерим тот же конец, мы получим 0 В, потому что это тот же конец, поэтому разницы нет.

Напряжение подобно давлению

Некоторые материалы позволяют электронам легко проходить через них, они известны как проводники. Примерами этого являются медь и большинство металлов. Другие материалы не пропускают электроны, они известны как изоляторы. Примерами этого являются резина и большинство пластмасс. Поэтому мы используем медные провода с резиновой изоляцией. Медь переносит электричество туда, где оно нам нужно, а резина защищает нас.

Смешивая определенные материалы вместе, мы можем вызывать химические реакции.Это когда атомы одного материала взаимодействуют с атомами другого материала и во время этого взаимодействия атомы будут связываться или распадаться, электроны также могут быть захвачены или освобождены атомами в ходе химической реакции.

Хорошо, теперь, когда мы рассмотрели основы, давайте заглянем внутрь батареи и посмотрим, как она работает.

Как работает щелочная батарея?

Помните, мы кратко говорили об атомах. Ну, все эти материалы внутри батареи состоят из множества различных атомов, плотно упакованных вместе.Они представлены цветными шариками, каждый цвет которых соответствует разному материалу и, следовательно, разному атому для нашего очень упрощенного примера. Когда мы объединим все эти материалы вместе внутри капсулы, мы получим небольшую химическую реакцию, в которой атомы начнут взаимодействовать друг с другом.

Внутри батареи

Прежде всего, атом иона гидроксида в электролите соединяется с атомом цинка в анодной части. Эта химическая реакция известна как окисление и создаст гидроксид цинка, поскольку соединение цинка и гидроксида высвобождает электроны.Эти электроны теперь могут свободно двигаться и будут собираться на латунном штифте.

В то же время атом оксида марганца соединяется с молекулой воды из электролита, а также со свободным электроном в химической реакции, известной как восстановление. Во время химической реакции оксид марганца превращается в немного другую версию оксида марганца, этой версии больше не нужен атом иона гидроксида, поэтому он выбрасывает его в электролит. Атом воды замещается атомом, выброшенным из реакции окисления.Ион гидроксида теперь свободен и может пройти через сепаратор. Но пока не будет, потому что в анодной секции для него нет места.

Скопление электронов

Итак, как вы можете видеть, у нас есть скопление электронов на отрицательном выводе. Поскольку электроны заряжены отрицательно, и теперь у нас больше электронов на отрицательной клемме, чем на положительной, это означает, что у нас есть разница в напряжении между двумя концами, и мы можем измерить эту разницу с помощью мультиметра.

Помните, что мы можем измерить только разницу в напряжении между двумя разными точками.Если мы измерим одну и ту же точку, мы получим ноль вольт, потому что разницы нет.

Электроны отталкиваются друг от друга и хотят переместиться в область с меньшим количеством электронов. В положительной области меньше электронов, поэтому они попытаются добраться до этой клеммы. Сепаратор не позволяет им течь внутрь аккумулятора и достигать положительной клеммы.

Следовательно, электронам нужен другой путь. Если мы предоставим электронам внешний путь, такой как провод, электроны будут течь по нему, чтобы добраться до положительной клеммы.Помещая такие вещи, как лампа, на пути электронов, электроны должны будут пройти через нее, и поэтому мы заставляем их выполнять работу за нас, например, освещать лампу.

Освещение лампы

Пока у нас есть замкнутая цепь между клеммами, химическая реакция будет продолжаться, и электроны текут от отрицательной клеммы. Если мы удалим провод или разомкнем цепь, то химическая реакция прекратится.

Итак, давайте вспомним происходящую химическую реакцию.Свободные электроны попадают в батарею через положительный полюс. Это объединяется с оксидом марганца и молекулой воды на катоде, который высвобождает ион гидроксида в электролит.

Ион гидроксида проходит через сепаратор и соединяется с атомом цинка, образуя гидроксид цинка, при этом высвобождаются электроны и молекула воды. Электроны хотят добраться до области с меньшим количеством электронов, положительный полюс имеет меньше электронов, поэтому они будут течь по проводу, чтобы достичь этого, и поэтому химическая реакция повторяется снова и снова непрерывно.

Однако внутри батареи содержится лишь определенное количество материала, поэтому со временем химическая реакция будет продолжаться все труднее и труднее, и в конечном итоге электроны перестанут течь. Аккумулятор больше не будет использоваться, и его необходимо утилизировать.

Соединение батарей вместе

Мы можем использовать батарею для питания некоторых компонентов, но обычно одной батареи недостаточно для питания наших устройств, для этого нам нужно комбинировать батареи.

Аккумуляторы можно подключать двумя способами.Серийно или параллельно. Ранее мы подробно рассмотрели эти типы схем, ознакомьтесь с серией ЗДЕСЬ, и параллельной ЗДЕСЬ.

Серия

Когда мы соединяем батареи последовательно, напряжение каждой батареи суммируется. Таким образом, две батареи по 1,5 В дают нам 3 В, а 3 батареи дают нам 4,5 В и т. д. Фактическое напряжение может немного отличаться в реальном мире. Напряжение увеличивается, потому что каждая батарея ускоряет входящие в нее электроны, поэтому мы получаем более высокое напряжение.

Parallel

Если мы подключим батареи параллельно, мы получим только 1,5 В, независимо от того, сколько мы подключим. Это потому, что путь сливается на подаче, но разделяется на обратном пути, поэтому электроны не будут ускоряться. Однако этот тип конфигурации сможет обеспечить больший ток, а также будет иметь большую емкость, поэтому мы сможем питать что-то дольше. Например, если батарея имеет емкость 1200 мАч и мы поместим две параллельно, у нас будет емкость 2400 мАч, но напряжение 1.5В. Если мы подключим их последовательно, у нас будет емкость 1200 мАч, но напряжение 3 В.

Серийный и параллельный

Емкость

Мы используем батареи для питания наших цепей. Но как долго батарея может питать нашу схему? Когда мы смотрим на упаковку или лист данных для батареи, мы видим значение с буквами m.A.h рядом с ним. Это рейтинг в миллиампер-часах.

Пример аккумулятора

Например, этот имеет номинал 2500 мАч. Это означает, что теоретически он может обеспечить ток 2500 миллиампер в час, или 1250 мА в течение 2 часов, или 20 мА в течение 125 часов.Однако в реальной жизни это, вероятно, не продлится так долго, потому что химическая реакция замедляется, поэтому внутреннее сопротивление батареи меняется по мере ее разрядки. Есть много других вещей, которые влияют на это, например, возраст и температура.

Не существует реального способа точно рассчитать срок службы, лучший способ — просто проверить его. Однако мы можем оценить срок службы по следующей формуле:

Срок службы батареи = Емкость (мАч) / ток цепи (мА).

Мы создали простой бесплатный калькулятор на нашем сайте, где вы можете оценить время работы батареи, а также необходимую емкость. Проверьте это ЗДЕСЬ .

Так, например, в этой схеме мы рассчитываем потребление 19 мА, а емкость аккумулятора составляет 3000 мАч. Итак, 3000/19 дает нам 157,9 часа. Это действительно лучший сценарий, и на самом деле он почти наверняка не достигнет этого.

Срок службы батареи

Как измерить с помощью мультиметра

Чтобы измерить напряжение, мы просто выбираем функцию постоянного тока на нашем мультиметре, а затем подключаем красный провод к положительной клемме, а черный провод к отрицательной.Это даст нам показания напряжения.

Номинальное значение батареи

Вы можете видеть, что эта батарея рассчитана на 1,5 В, но при тестировании мы получаем 1,593 В

. Battery Dead

Когда батарея разряжена, мы получаем более низкое напряжение, это показывает 1,07 В, поэтому она полностью разряжена.

Однако иногда мы могли получить напряжение около 1,5 В, даже если батарея разряжена.

Чтобы полностью протестировать батарею, нам нужно протестировать ее в условиях нагрузки, чтобы проверить, полезна ли она. Для этого нам понадобится резистор.

Test Battery

Итак, мы берем резистор около 100 Ом, хотя это не обязательно должно быть именно это значение, но мы подключаем резистор между нашими двумя щупами. В этом случае мы просто использовали несколько зажимов типа «крокодил», чтобы соединить резистор между щупами, вот так.

Таким образом, ток будет протекать через резистор, и мы сможем снять показания напряжения, когда это произойдет. Если батарея еще в порядке, то уровень напряжения снизится лишь незначительно.

Пример батареи

Например, эта батарея имеет номинальное напряжение 1.5 В, без нагрузки 1,593 В, с подключенным резистором 1,547 В, так что это все еще хорошо.

Пример батареи

Эта батарея также рассчитана на 1,5 В, когда мы измеряем ее без нагрузки, она показывает точно 1,5 В, но когда мы подключаем резистор, она падает до 0,863 В, поэтому мы знаем, что она разрядилась.

Разрядился аккумулятор

Но теперь, когда вы полностью заряжены, оформите заказ на сайте Squarespace.com , чтобы создать свое собственное веб-присутствие в Интернете, которое содержит множество функций, позволяющих людям запускать, делиться и продвигать свои собственные проекты.

Существуют мощные инструменты для ведения блога, позволяющие демонстрировать фотографии, видео и обновления ваших проектов.

Вы можете легко планировать встречи для занятий и сессий с членами команды и клиентами с помощью встроенного инструмента. И вы даже можете собирать платежи или пожертвования, чтобы помочь поддержать ваше дело.

Посетите сайт Squarespace.com, чтобы получить бесплатную пробную версию, а когда будете готовы к запуску, перейдите по адресу Squarespace.com/engineeringmindset , чтобы сэкономить 10% на первой покупке веб-сайта или домена.


.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.