Was sind die Verschiedenen Arten von Batterien?

In diesem Tutorial lernen wir eine der wichtigsten Komponenten in elektrischen und elektronischen Systemen kennen: Eine Batterie. Wir werden einige grundlegende Informationen über eine Batterie sehen, einen Blick auf verschiedene Arten von Batterien werfen und auch eine Anleitung, welcher Batterietyp für Ihre Anwendung geeignet ist.,

Introduction

Ob Sie ein Elektroingenieur sind oder nicht, Sie könnten über atleast ein paar verschiedene Arten von Batterien in Ihrem Leben kommen. Einige der häufigsten Orte, an denen Sie Batterien verwenden, sind Wanduhren, Alarme oder Rauchmelder, die kleine Einwegbatterien oder Autos, Lastwagen oder Motorräder verwenden, die relativ große wiederaufladbare Batterien verwenden.

Batterien sind in den letzten zehn Jahren zu einer sehr wichtigen Energiequelle geworden., Schon vorher waren sie ein wesentlicher Bestandteil unseres Lebens bei der Stromversorgung mehrerer tragbarer Geräte wie Transistorradios, Walkman, Handheld-Spiele, Kameras usw.

Aber mit der Entwicklung in fortgeschrittenen Smartphones, Tablets, Laptops, Solarenergie und Elektrofahrzeugen hat die Forschung an leistungsstarken Batterien, die länger halten und die notwendige Energie liefern können, ihren Höhepunkt erreicht.

Tatsächlich wurde der Nobelpreis für Chemie 2019 an die drei Wissenschaftler John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien vergeben.,

Was ist eine Batterie?

Eine Batterie ist ein chemisches Gerät, das elektrische Energie in Form von Chemikalien speichert und mittels elektrochemischer Reaktion die gespeicherte chemische Energie in elektrische Gleichstromenergie umwandelt. Alessandro Volta, ein italienischer Physiker, erfand 1800 die erste Batterie.

Die elektrochemische Reaktion in einer Batterie beinhaltet die Übertragung von Elektronen von einem Material auf ein anderes (Elektroden genannt) durch einen elektrischen Strom.,

Zelle und Batterie

Obwohl der Begriff Batterie häufig verwendet wird, wird die grundlegende elektrochemische Einheit, die für die tatsächliche Energiespeicherung verantwortlich ist, als Zelle bezeichnet. Eine Zelle ist, wie gerade erwähnt, die grundlegende elektrochemische Einheit, die die Quelle elektrischer Energie ist, die durch Umwandlung chemischer Energie erzeugt wird.

In seiner Grundform enthält eine Zelle typischerweise drei Hauptkomponenten: zwei Elektroden und Elektrolyt und besteht auch aus Anschlüssen, Separator und einem Behälter. Apropos Elektroden, Es gibt zwei Arten von Elektroden, die Anode und Kathode genannt werden.,

Die Anode ist die negative Elektrode (auch Brennstoffelektrode oder reduzierende Elektrode genannt). Es verliert Elektronen an den externen Stromkreis und in der elektrochemischen Reaktion wird es oxidiert.

Kathode andererseits ist die positive Elektrode (auch Oxidationselektrode genannt). Es akzeptiert Elektronen aus dem Stromkreis und in der elektrochemischen Reaktion wird es reduziert. Daher ist die Energieumwandlung in einer Batterie auf eine elektrochemische Oxidations-Reduktions-Reaktion zurückzuführen.

Die Dritte wichtige Komponente einer Zelle ist der Elektrolyt., Ein Elektrolyt wirkt als Medium für die Übertragung von Ladung in Form von Ionen zwischen den beiden Elektroden. Daher wird der Elektrolyt manchmal als Ionenleiter bezeichnet. Ein wichtiger Punkt hier zu beachten, dass der Elektrolyt nicht elektrisch leitfähig ist, sondern nur Ionenleitfähigkeit.

Eine Batterie besteht häufig aus einer oder mehreren „Zellen“, die entweder in einer Reihe oder parallel geschaltet sind, um die erforderlichen Spannungs-und Strompegel bereitzustellen.,

Verschiedene Batterietypen

Grundsätzlich werden alle elektrochemischen Zellen und Batterien in zwei Typen eingeteilt:

• Primär (nicht wiederaufladbar)
• Sekundär (wiederaufladbar)

Obwohl es innerhalb dieser beiden Batterietypen mehrere andere Klassifikationen gibt, sind diese beiden die Grundtypen. Einfach gesagt, Primärbatterien sind nicht wiederaufladbare Batterien, dh sie können nicht elektrisch aufgeladen werden, während die Sekundärbatterien wiederaufladbare Batterien sind, dh sie können elektrisch aufgeladen werden.,

Primärbatterien

Eine Primärbatterie ist eine der einfachen und bequemen Stromquellen für mehrere tragbare elektronische und elektrische Geräte wie Lichter, Kameras, Uhren, Spielzeug, Radios usw. Da sie nicht elektrisch aufgeladen werden können, sind sie vom Typ „Verwenden Sie es und entsorgen Sie es beim Entladen“.

In der Regel sind Primärbatterien preiswert, geringes Gewicht, klein und sehr bequem mit relativ nicht oder weniger Wartung zu verwenden., Die Mehrheit der Primärbatterien, die in häuslichen Anwendungen verwendet werden, sind Einzelzellentyp und kommen in der Regel in zylindrischer Konfiguration (obwohl es sehr einfach ist, sie in verschiedenen Formen und Größen zu produzieren).

Gängige Primärbatterietypen

Bis in die 1970er Jahre waren Zink-Anoden-basierte Batterien die vorherrschenden Primärbatterietypen. Während der 1940er Jahre, dem Zweiten Weltkrieg und nach dem Krieg, Zink-Kohlenstoff-basierte Batterien und sie haben eine durchschnittliche Kapazität von 50 Wh / kg.

Die bedeutendste Entwicklung in der Batterietechnologie fand in den Jahren 1970-1990 statt., Während dieser Zeit wurden die berühmten Zink / Alkali – Mangandioxid-Batterien entwickelt und sie ersetzten langsam die älteren Zink-Kohlenstoff-Typen als Hauptprimärbatterie.

Zink – Quecksilberoxid – und Cadmium-Quecksilberoxid-Batterien wurden in diesem Zeitraum ebenfalls verwendet, aber aufgrund der Umweltbedenken in Bezug auf die Verwendung von Quecksilber wurden diese Batterietypen langsam auslaufen.,

In dieser Zeit wurde mit der Entwicklung von Batterien mit Lithium als aktivem Anodenmaterial begonnen und gilt aufgrund der hohen spezifischen Energie und der längeren Haltbarkeit von Lithiumbatterien gegenüber herkömmlichen Zinkbatterien als große Leistung.

Lithiumbatterien werden als Knopf-und Münzzelle für einen bestimmten Anwendungsbereich (wie Uhren, Speichersicherung usw.) hergestellt.) während größere zylindrische Batterien ebenfalls erhältlich sind.

Die folgende Tabelle zeigt verschiedene Arten von Primärbatterien zusammen mit ihren Eigenschaften und Anwendungen.,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., Der chemische Status der elektrochemischen Zellen kann in ihren ursprünglichen Zustand „aufgeladen“ werden, indem ein Strom durch die Zellen in die entgegengesetzte Richtung ihrer Entladung geleitet wird.

Grundsätzlich können Sekundärbatterien auf zwei Arten verwendet werden:

In der ersten Anwendungskategorie werden die Sekundärbatterien im Wesentlichen als Energiespeicher verwendet, wo sie elektrisch mit einer Hauptenergiequelle verbunden und auch von dieser geladen werden und bei Bedarf Energie liefern. Beispiele für solche Anwendungen sind hybride Elektrofahrzeuge (HEV), unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) usw.,

Die zweite Kategorie von Anwendungen von Sekundärbatterien sind Anwendungen, bei denen die Batterie als Primärbatterie verwendet und entladen wird. Sobald es vollständig entladen (oder fast vollständig entladen) ist, wird der Akku mit einem geeigneten Lademechanismus aufgeladen, anstatt ihn zu verwerfen. Beispiele für solche Anwendungen sind alle modernen tragbaren Elektronik wie Handys, Laptops, Elektrofahrzeuge, etc.,

Energiedichte der Sekundärbatterie sind relativ niedriger als die der Primärbatterien, haben aber andere gute Eigenschaften wie hohe Leistungsdichte, flache Entladungskurven, hohe Entladungsrate, niedrige Temperaturleistung.

Allgemeine Sekundärbatterietypen

Zwei der ältesten Batterien sind in der Tat Sekundärbatterien, die Blei – Säure-Batterien genannt werden, die Ende der 1850er Jahre entwickelt wurden, und Nickel – Cadmium-Batterien, die Anfang der 1900er Jahre entwickelt wurden. Bis vor kurzem gibt es nur zwei Arten von Sekundärbatterien.,

Die ersten und am häufigsten verwendeten Akkus werden Blei – Säure-Batterien genannt. Sie basieren auf dem elektrochemischen Paar Blei – Bleidioxid (Pb – PbO2). Der Elektrolyt, der in diesen Batterietypen verwendet wird, ist die sehr häufige Schwefelsäure.

Der zweite Typ der Akkus werden Nickel – Cadmium-Batterien genannt. Sie basieren auf Nickeloxyhydroxid (Nickeloxid) als positive Elektrode und Cadmiummetall basierte negative Elektrode. Zum Elektrolyten wird eine alkalische Lösung von Kaliumhydroxid verwendet.,

In den letzten Jahrzehnten sind zwei neue Arten von wiederaufladbaren Batterien entstanden. Sie sind die Nickel-Metallhydrid-Batterie und die Lithium – Ionen-Batterie. Von diesen beiden erwies sich der Lithium – Ionen-Akku als Spielverderber und wurde mit seinen hohen spezifischen Energie-und Energiedichtewerten (150 Wh / kg und 400 Wh / l) kommerziell überlegen.,

Es gibt einige andere Arten von Sekundärbatterien, aber die vier Haupttypen sind:

• Blei-Säure-Batterien
• Nickel-Cadmium-Batterien
• Nickel-Metallhydrid-Batterien
• Lithium-Ionen-Batterien

Lassen Sie uns nun kurz über diese Batterietypen einzeln sehen.

Blei-Säure-Batterien

Die Blei-Säure-Batterien sind bei weitem die beliebtesten und am häufigsten verwendeten Akkus. Sie sind seit mehr als einem Jahrhundert ein erfolgreiches Produkt., Blei-Säure-Batterien sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, z. B. kleine versiegelte Zellen mit einer Kapazität von 1 Ah bis große Zellen mit einer Kapazität von 12,000 Ah.

Eine der Hauptanwendungen von Blei-Säure-Batterien sind in der Automobilindustrie, da sie hauptsächlich als SLI-Batterien (Start, Beleuchtung und Zündung) verwendet werden.

Andere Anwendungen von Bleibatterien umfassen Energiespeicher, Notstrom, Elektrofahrzeuge (auch Hybridfahrzeuge), Kommunikationssysteme, Notbeleuchtungssysteme usw.,

Die breite palette von anwendungen von blei-säure batterien sind ein ergebnis von seine breite spannung bereichen, verschiedene formen und größen, niedrigen kosten und relativ einfache wartung. Im Vergleich zu anderen Sekundärbatterietechnologien sind Bleibatterien die kostengünstigste Option für jede Anwendung und bieten eine sehr gute Leistung.

Der elektrische Wirkungsgrad von Bleibatterien liegt zwischen 75 und 80%. Dieser Wirkungsgrad macht sie geeignet für Energiespeicher (unterbrechungsfreie Stromversorgungen – UPS) und Elektrofahrzeuge.,

Nickel-Cadmium-Batterien

Die Nickel-Cadmium-Batterien oder einfach Ni-Cd-Batterien sind zusammen mit den Blei-Säure-Batterien einer der ältesten heute verfügbaren Batterietypen. Sie haben eine sehr lange Lebensdauer und sind sehr zuverlässig und robust.

Einer der Hauptvorteile von Ni-Cd-Batterien besteht darin, dass sie hohen Entladungsraten ausgesetzt und über einen weiten Temperaturbereich betrieben werden können. Auch die Haltbarkeit von Ni-Cd-Batterien ist sehr lang., Die Kosten für diese Batterien sind höher, dass Blei-Säure-Batterien auf pro Wattstunde, aber es ist weniger, dass andere Art von Alkali-Batterien.

Wie bereits erwähnt, verwenden die Ni-Cd-Batterien Nickel-Oxyhydroxid (NiOOH) als Kathode und Cadmiummetall (Cd) als Anode. Typische verbraucher batterien kommen mit einer on-line spannung von 1,2 V. In industriellen anwendungen, Ni-Cd sind nur zweite zu blei-säure batterien aufgrund ihrer niedrigen temperatur leistungen, flache entladung spannung, lange lebensdauer, niedrigen wartung und hervorragende zuverlässigkeit.,

Leider gibt es ein Hauptmerkmal von Ni-Cd-Batterien, den „Memory-Effekt“, der ihr einziger Nachteil ist. Wenn Ni-Cd-Zellen teilweise entladen und dann wieder aufgeladen werden, verlieren sie schrittweise ihre Kapazität, dh Zyklus für Zyklus. „Konditionierung“ ist der Prozess, bei dem die verlorene Kapazität der Batterien wiederhergestellt werden kann.

In diesem Prozess werden die Zellen vollständig auf Null Volt entladen und dann vollständig aufgeladen.,

Nickel-Metallhydrid-Batterien

Dies sind relativ neue Batterietypen sind eine erweiterte Version von Nickel-Wasserstoff-Elektrodenbatterien, die ausschließlich in der Luft-und Raumfahrt (Satelliten) eingesetzt wurden. Die positive Elektrode ist das Nickeloxyhydroxid (NiOOH), während die negative Elektrode der Zelle eine Metalllegierung ist, in der Wasserstoff reversibel gespeichert wird.

Während der Ladung absorbiert die Metalllegierung den Wasserstoff, um Metallhydrid zu bilden, und während der Entladung verliert das Metallhydrid Wasserstoff.,

Ein Hauptvorteil von Nickel-Metallhydrid-Batterien gegenüber Ni-Cd-Batterien ist die höhere spezifische Energie-und Energiedichte. Versiegelte Nickel-Metallhydrid-Batterien sind im Handel als kleine zylindrische Zellen erhältlich und werden in der tragbaren Elektronik verwendet.

Lithium-Ionen-Batterien

Die Entstehung von Lithium-Ionen-Batterien in den letzten Jahrzehnten war ziemlich phänomenal. Mehr als 50% des Verbrauchermarktes haben die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien übernommen. Insbesondere Laptops, Mobiltelefone, Kameras usw. sind die größten Anwendungen von lithium-Ionen-Batterien.,

Lithium-ionen batterien haben deutlich hohe energiedichte, hohe spezifische energie und längere lebensdauer. Weitere Hauptvorteile von Lithium-Ionen-Batterien sind langsame Selbstentladungsrate und breite Palette von Betriebstemperaturen.

Batterieanwendungen

In den letzten Jahrzehnten war der Einsatz kleiner versiegelter Batterien in Verbraucheranwendungen exponentiell. Primäre oder wiederaufladbare Batterien in kleinem Formfaktor werden in einer großen Anzahl von Geräten verwendet. Einige von Ihnen sind unten erwähnt.,

• Tragbare elektronische Geräte: Uhren, Kameras, Handys, Laptops, Camcorder, Taschenrechner, prüfgeräte (Multimeter).
• Unterhaltung: Radios, MP3 spieler, CD Spieler, alle infrarot fernbedienungen, spielzeug, spiele, tastaturen.
• Haushalt: Uhren, Alarme, Rauchmelder, Flash lichter, UPS, Notfall lichter, zahn pinsel, haar trimmer und rasierer, Blutdruck Monitore, Hörgeräte, herzschrittmacher, tragbare power tools (bohrer, schraube fahrer).

Wie zu Wählen eine Batterie?,

Die Auswahl einer Batterie für Ihre Anwendung kann auf nur zwei Merkmale reduziert werden: Leistung und Kosten. Wenn wir jedoch etwas tiefer graben, sind die folgenden Faktoren ausschlaggebend für die Auswahl der richtigen Batterie für Ihre Anwendung.

• Primäre oder Sekundäre
• Energie oder Power
• Haltbarkeit
• Energie Effizienz und Aufladen Rate
• Batterie Lebensdauer
• Batterie Temperatur