v tomto tutoriálu se dozvíme o jedné z důležitých součástí elektrických a elektronických systémů: baterii. Uvidíme některé základní informace o baterii, podíváme se na různé typy baterií a také průvodce, jaký typ baterie je vhodný pro vaši aplikaci.,

Outline

Úvod

Ať už jste elektroinženýr, nebo ne, možná jste narazili alespoň několik různých typů baterií ve vašem životě. Některá běžná místa, kde používáte baterie, jsou nástěnné hodiny, alarmy nebo detektory kouře, které používají malé jednorázové baterie nebo automobily, nákladní automobily nebo motorové cykly, které používají relativně velké dobíjecí baterie.baterie

se v posledním desetiletí staly velmi důležitým zdrojem energie., Ještě předtím byly nedílnou součástí našeho života při napájení několika přenosných zařízení, jako jsou tranzistorová rádia, Walkman, ruční hry, kamery atd.

ale s vývojem pokročilých chytrých telefonů, tabletů, notebooků, solární energie a elektrických vozidel byl výzkum výkonných baterií, které mohou trvat déle a mohou dodávat potřebnou energii, na svém vrcholu.

ve skutečnosti, 2019 Nobelova Cena za Chemii udělena třem vědcům John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham a Akira Yoshino pro vývoj lithium-iontových baterií.,

co je baterie?

Baterie je chemická zařízení, které ukládají elektrickou energii v podobě chemických látek a pomocí elektrochemické reakce, přeměňuje uloženou chemickou energii na stejnosměrný proud elektrické energie. Alessandro Volta, italský fyzik, vynalezl první baterii v roce 1800.

elektrochemická reakce v baterii zahrnuje přenos elektronů z jednoho materiálu do druhého (nazývané elektrody) elektrickým proudem.,

článek a baterie

přestože se často používá termín baterie, základní elektrochemická jednotka zodpovědná za skutečné skladování energie se nazývá buňka. Buňka, jak již bylo zmíněno, je základní elektrochemická jednotka, která je zdrojem elektrické energie produkované přeměnou chemické energie.

ve své základní formě buňka obvykle obsahuje tři hlavní složky: dvě elektrody a elektrolyt a také se skládá ze svorek, separátoru a kontejneru. Když už mluvíme o elektrodách, existují dva typy elektrod nazývané anoda a katoda.,

anoda je záporná elektroda (nazývaná také palivová elektroda nebo redukční elektroda). Ztrácí elektrony na vnější obvod a v elektrochemické reakci se oxiduje.

katoda na druhé straně je kladná elektroda (také nazývaná oxidační elektroda). Přijímá elektrony z věčného obvodu a v elektrochemické reakci se snižuje. Proto je přeměna energie v baterii způsobena elektrochemickou oxidačně-redukční reakcí.

třetí důležitou složkou buňky je elektrolyt., Elektrolyt působí jako médium pro přenos náboje ve formě iontů mezi oběma elektrodami. Proto je elektrolyt někdy označován jako iontový vodič. Důležitým bodem je třeba poznamenat, že elektrolyt není elektricky vodivý, ale má pouze iontovou vodivost.

baterie se často skládá z jednoho nebo více „buněk“, které jsou elektricky připojeny v sérii nebo paralelní konfiguraci poskytnout potřebné napětí a současné úrovně.,

Různé Typy Baterií

v Podstatě všechny elektrochemické články a baterie jsou rozděleny do dvou typů:

  • Primární (nenabíjecí)
  • Sekundární (dobíjecí)

I když existuje několik dalších klasifikací v rámci těchto dvou typů baterií, tyto dvě jsou základní typy. Jednoduše řečeno, primární baterie jsou dobíjecí baterie, tj. nelze je dobíjet elektricky, zatímco sekundární baterie jsou dobíjecí baterie, tj.,

Primární Baterie

Primární Baterie je jedním z jednoduché a pohodlné zdrojů energie pro několik přenosných elektronických a elektrických zařízení, jako jsou světla, kamery, hodinky, hračky, rádia atd. Protože je nelze dobíjet elektricky, jsou typu „použít a při vybití je zlikvidovat“.

obvykle jsou primární baterie levné, lehké, malé a velmi pohodlné při použití s relativně žádnou nebo menší údržbou., Většina primárních baterií, které jsou používány v domácí aplikace jsou jeden typ buněk a obvykle přicházejí ve válcové konfiguraci (i když, to je velmi snadné je vyrobit v různých tvarech a velikostech).

běžné typy primárních baterií

až do 70.let byly převládajícími typy primárních baterií zinkové anody. Během 1940, Druhá světová válka a po válce, baterie na bázi zinku a uhlíku a mají průměrnou kapacitu 50 Wh / kg.

nejvýznamnější vývoj v bateriové technologii proběhl v období 1970 – 1990., Během této doby byly vyvinuty slavné zinkové / alkalické baterie oxidu manganičitého a pomalu nahrazovaly starší typy zinku a uhlíku jako hlavní primární baterii.

Zinek – Oxid Rtuťnatý a Kademnatý – Oxid Rtuťnatý baterie byly také použity během tohoto období, ale z důvodu obavy o životní prostředí s ohledem na využití Rtuti, tyto typy baterií pomalu, postupně.,

během tohoto období, kde se vývoj baterií s Lithiem jako aktivní anoda materiál byl zahájen a je považován za velký úspěch vzhledem k vysoké specifické energie a delší životnost Lithiových baterií oproti tradičním Zinkové baterie.

lithiové baterie jsou vyráběny jako knoflíkové a mincovní články pro určitý rozsah aplikací (jako jsou hodinky, zálohování paměti atd.) zatímco větší válcové typ baterie jsou také k dispozici.

následující tabulka zobrazuje různé typy primárních baterií spolu s jejich charakteristikami a aplikacemi.,shelf life

Replacement for button and cylindrical cells

Lithium/Solid Electrolyte

Low power, extremely long shelf life

Memory circuits, medical electronics

Secondary Batteries

A Secondary Battery is also called as Rechargeable Battery as they can be electrically recharged after discharge., Chemický stav elektrochemických článků lze „dobít“ do původního stavu průchodem proudu buňkami v opačném směru jejich výboje.

v Podstatě, sekundární baterie mohou být použity dva způsoby:

V první kategorii aplikací, sekundární baterie jsou v podstatě použity jako zařízení pro ukládání energie, kde jsou elektricky připojeny na hlavní zdroj energie a také účtovány a také dodává energii, když je požadováno. Příklady takových aplikací jsou hybridní elektrická vozidla (HEV), nepřerušené zdroje napájení (UPS) atd.,

druhou kategorií aplikací sekundárních baterií jsou aplikace, kde je baterie používána a vybíjena jako primární baterie. Jakmile je zcela vybitá (nebo téměř úplně vybitá), namísto vyřazení je baterie dobíjena vhodným nabíjecím mechanismem. Příklady takových aplikací jsou všechny moderní přenosné elektroniky, jako jsou mobilní telefony, notebooky, elektromobily, atd.,

hustota energie sekundární baterie je relativně nižší než u primárních baterií, ale má jiné dobré vlastnosti, jako je vysoká hustota výkonu, křivky plochého výboje, vysoká rychlost vybíjení, nízký teplotní výkon.

Společné Sekundární Typy Baterií

Dva z nejstarších baterie jsou ve skutečnosti sekundární baterie tzv. Olověné Baterie, které byly vyvinuty v roce 1850 a Nikl – Kadmiové Baterie, které byly vyvinuty v brzy 1900. Až do nedávné doby, tam jsou jen dva typy sekundárních baterií.,

první a nejčastěji používané dobíjecí baterie se nazývají olověné baterie. Jsou založeny na elektrochemickém páru oxidu olovnatého (Pb – PbO2). Elektrolyt používaný v těchto typech baterií je velmi běžná kyselina sírová.

druhý typ dobíjecích baterií se nazývá nikl-kadmiové baterie. Jsou založeny na niklu Oxyhydroxidu (oxid niklu)jako kladná elektroda a záporná elektroda na bázi kadmia. Při vstupu do elektrolytu se používá alkalický roztok hydroxidu draselného.,

v posledních desetiletích se objevily dva nové typy dobíjecích baterií. Jedná se o nikl – Metal Hydridovou baterii a Lithium – iontovou baterii. Z těchto dvou lithium – ion baterie přišly na to být hra měnič a stal se komerčně superior s jeho vysoká měrná energie a hustota energie čísla (150 Wh / kg a 400 Wh / L).,

Tam jsou některé jiné typy Sekundární Baterie, ale čtyři hlavní typy jsou:

  • Olověné Akumulátory
  • Nikl – Kadmiových Baterií
  • Nikl – Metal Hydridové Baterie
  • Lithium – Ion Baterie

Dovolte nám nyní krátce podívat, o tyto typy baterií individuálně.

olověné baterie

olověné baterie jsou zdaleka nejoblíbenějšími a nejpoužívanějšími dobíjecími bateriemi. Jsou úspěšným produktem již více než století., Olověné baterie jsou k dispozici v několika různých konfiguracích, jako jsou malé uzavřené články o kapacitě 1 Ah až velké články o kapacitě 12 000 Ah.

jedna z hlavních aplikací olověných baterií je v automobilovém průmyslu, protože se používají především jako baterie SLI (startování, osvětlení a zapalování).

Další aplikace olověných baterií patří skladování energie, nouzové napájení, elektrická vozidla (i hybridní vozidla), komunikační systémy, systémy nouzového osvětlení, atd.,

široká škála aplikací olověných baterií je výsledkem širokého rozsahu napětí, různých tvarů a velikostí, nízkých nákladů a relativně snadné údržby. Ve srovnání s jinými technologiemi sekundárních baterií jsou olověné baterie nejlevnější volbou pro jakoukoli aplikaci a poskytují velmi dobrý výkon.

elektrická účinnost olověných baterií je mezi 75 až 80%. Tato hodnota účinnosti je vhodná pro skladování energie (nepřerušené zdroje napájení – UPS) a elektromobily.,

Nikl – Kadmiové Akumulátory

Nikl – Kadmiových Baterií nebo jednoduše Ni-Cd Baterie jsou jedním z nejstarších typů baterií jsou dnes k dispozici, spolu s olověnými akumulátory. Mají velmi dlouhou životnost a jsou velmi spolehlivé a robustní.

Jednou z hlavních výhod Ni-Cd Baterií je, že mohou být vystaveny vysokým vypouštění sazby a mohou být provozovány v širokém rozsahu teplot. Také trvanlivost Ni-Cd baterií je velmi dlouhá., Náklady na tyto baterie je vyšší, že olověné baterie na jedné Watt-hodinové základní, ale to je méně, že jiný typ alkalických baterií.

Jak již bylo zmíněno, Ni-Cd baterie používají nikl Oxyhydroxid (NiOOH) jako katodu a kadmiový kov (Cd) jako anodu. Typické spotřebitelské baterie přijít s on-line napětí 1,2 V. V průmyslových aplikacích, Ni-Cd jsou jen druhá olověných akumulátorů vzhledem k jejich nízké teplotě výkony, tv s plochou vybíjecí napětí, dlouhá životnost, nízké nároky na údržbu a vynikající spolehlivost.,

bohužel existuje jedna hlavní charakteristika Ni-Cd baterií nazývaná „paměťový efekt“, což je jejich jediná nevýhoda. Když jsou Ni-Cd články částečně vybité a poté dobíjeny, ztrácejí svou kapacitu postupně, tj. „Klimatizace“ je proces, kdy lze obnovit ztracenou kapacitu baterií.

v tomto procesu jsou buňky zcela vybity na nulové volty a poté plně nabity.,

Nikl – Metal-Hydridové Akumulátory

jedná se o relativně nový typ baterií, které jsou rozšířená verze Nikl – Vodíkové Elektrody Baterie, které byly výhradně používány v leteckých aplikacích (satelity). Kladná elektroda je nikl-Oxyhydroxid (NiOOH), zatímco záporná elektroda buňky je kovová slitina, kde je vodík skladován reverzibilně.

během nabíjení kovová slitina absorbuje vodík za vzniku hydridu kovu a při vypouštění ztrácí hydrid kovu vodík.,

jednou z hlavních výhod nikl-metal hydridových baterií oproti Ni-Cd batterie je vyšší měrná energie a hustota energie. Uzavřené nikl-metal hydridové baterie jsou komerčně dostupné jako malé válcové články a používají se v přenosné elektronice.

Lithium-iontové baterie

vznik lithium-iontových baterií v posledních několika desetiletích byl docela fenomenální. Více než 50% spotřebitelského trhu přijalo použití lithium-iontových baterií. Zejména notebooky,mobilní telefony, fotoaparáty atd. jsou největší aplikace lithium-iontových baterií.,

Lithium-iontové baterie mají výrazně vysokou hustotu energie, vysokou specifickou energii a delší životnost cyklu. Dalšími hlavními výhodami lithium-iontových baterií jsou pomalá rychlost samovybíjení a široký rozsah provozních teplot.

aplikace baterií

v posledních několika desetiletích bylo použití malých uzavřených baterií ve spotřebitelských aplikacích exponenciální. Primární nebo dobíjecí baterie v malém tvarovém faktoru se používají v obrovském množství spotřebičů. Některé z nich jsou uvedeny níže.,

  • přenosná elektronická zařízení: hodinky, kamery, mobilní telefony, notebooky, videokamery, kalkulačky, testovací zařízení (multimetry).
  • Zábava: rádia, MP3 přehrávače, CD přehrávače, všechny infračervené dálkové ovladače, hračky, hry, klávesnice.
  • Domácnost: Hodiny, Alarmy, Detektory Kouře, Záblesk světla, UPS, Nouzové osvětlení, kartáčky na zuby, vlasy zastřihovač a holicí strojky, Monitory Krevního Tlaku, sluchadla, kardiostimulátory, přenosné elektrické nářadí (vrtačky, šroubovák).

jak vybrat baterii?,

výběr baterie pro vaši aplikaci lze vytočit pouze na dvě vlastnosti: výkon a náklady. Ale pokud budeme kopat trochu hlouběji,pak jsou rozhodující faktory při výběru správné baterie pro vaši aplikaci.

  • Primární nebo Sekundární
  • Energie
  • Životnost
  • Energetické Účinnosti a Nabíjení Rychlost
  • Baterie
  • Teplota Baterie