In questo tutorial, impareremo a conoscere uno dei componenti importanti nei sistemi elettrici ed elettronici: una batteria. Vedremo alcune informazioni di base su una batteria, dare un’occhiata a diversi tipi di batterie e anche una guida su quale tipo di batteria è adatto per la vostra applicazione.,
Outline
Introduzione
Se sei un ingegnere elettrico o no, si potrebbe avere incontrato atleast un paio di diversi tipi di batterie nella vostra vita. Alcuni dei luoghi comuni in cui si utilizzano le batterie sono un orologi da parete, allarmi o rilevatori di fumo che utilizza piccole batterie usa e getta o auto, camion o motocicli che utilizza relativamente grandi batterie ricaricabili.
Le batterie sono diventate una fonte di energia molto importante nell’ultimo decennio o giù di lì., Anche prima, erano parte integrante della nostra vita nell’alimentare diversi dispositivi portatili come radio a transistor, Walkman, giochi portatili, fotocamere ecc.
Ma con lo sviluppo di smart phone avanzati, tablet, laptop, energia solare e veicoli elettrici, la ricerca in potenti batterie che possono durare più a lungo e in grado di fornire l’energia necessaria è stata al suo apice.
Infatti, il Premio Nobel per la chimica 2019 è stato assegnato a tre scienziati John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino per lo sviluppo di batterie agli ioni di litio.,
Che cosa è una batteria?
Una batteria è un dispositivo chimico che immagazzina energia elettrica sotto forma di sostanze chimiche e mediante reazione elettrochimica, converte l’energia chimica immagazzinata in energia elettrica a corrente continua. Alessandro Volta, un fisico italiano, inventò la prima batteria nel 1800.
La reazione elettrochimica in una batteria comporta il trasferimento di elettroni da un materiale all’altro (chiamati elettrodi) attraverso una corrente elettrica.,
Cella e batteria
Anche se il termine batteria è spesso usato, l’unità elettrochimica di base responsabile dell’effettivo accumulo di energia è chiamata Cella. Una cella, come appena accennato, è l’unità elettrochimica fondamentale che è la fonte di energia elettrica prodotta dalla conversione di energia chimica.
Nella sua forma di base, una cella contiene tipicamente tre componenti principali: due elettrodi ed elettrolita e consiste anche di terminali, separatore e un contenitore. Parlando di elettrodi, ci sono due tipi di elettrodi chiamati Anodo e Catodo.,
L’anodo è l’elettrodo negativo (chiamato anche l’elettrodo del carburante o l’elettrodo di riduzione). Perde elettroni nel circuito esterno e nella reazione elettrochimica viene ossidato.
Catodo d’altra parte, è l’elettrodo positivo (chiamato anche l’elettrodo ossidante). Accetta elettroni dal circuito eterno e nella reazione elettrochimica, si riduce. Quindi, la conversione di energia in una batteria è dovuta alla reazione elettrochimica di riduzione dell’ossidazione.
Il terzo componente importante di una cella è l’elettrolito., Un elettrolita funge da mezzo per il trasferimento di carica sotto forma di ioni tra i due elettrodi. Quindi, l’elettrolito è a volte indicato come conduttore ionico. Un punto importante da notare qui che l’elettrolita non è elettricamente conduttivo ma ha solo conduttività ionica.
Una batteria è spesso costituita da una o più “celle” che sono collegate elettricamente in una configurazione in serie o in parallelo per fornire i livelli di tensione e corrente necessari.,
Tipi Diversi di Batterie
in sostanza, tutte le celle elettrochimiche e le batterie sono classificate in due tipi:
- Primarie (non ricaricabili)
- Secondari (ricaricabili)
Anche se ci sono diverse altre classificazioni all’interno di questi due tipi di batterie, questi due sono i tipi di base. Semplicemente parlando, le batterie primarie sono batterie non ricaricabili cioè non possono essere ricaricate elettricamente mentre le batterie secondarie sono batterie ricaricabili cioè, possono essere ricaricate elettricamente.,
Batterie primarie
Una batteria primaria è una delle fonti di alimentazione semplici e convenienti per diversi dispositivi elettronici ed elettrici portatili come luci, fotocamere, orologi, giocattoli, radio ecc. Poiché non possono essere ricaricate elettricamente, sono di tipo” usalo e una volta scaricate, scartalo”.
Di solito, batterie di base sono poco costoso, peso leggero, piccolo e molto comodo da usare con relativamente nessuna o meno manutenzione., La maggior parte delle batterie primarie utilizzate nelle applicazioni domestiche sono di tipo a cella singola e di solito sono disponibili in configurazione cilindrica (anche se è molto facile produrle in diverse forme e dimensioni).
Tipi di batterie primarie comuni
Fino al 1970, le batterie a base di anodo di zinco erano i tipi di batterie primarie predominanti. Durante il 1940, la seconda guerra mondiale e dopo la guerra, batterie a base di zinco – carbonio e hanno una capacità media di 50 Wh / kg.
Lo sviluppo più significativo nella tecnologia delle batterie ha avuto luogo durante il periodo 1970 – 1990., È durante questo periodo che sono state sviluppate le famose batterie di zinco / biossido di manganese alcalino che hanno lentamente sostituito i vecchi tipi di zinco-carbonio come batteria primaria principale.
Durante questo periodo sono state utilizzate anche batterie all’ossido di zinco – Mercurio e all’ossido di Cadmio – Mercurio, ma a causa delle preoccupazioni ambientali per quanto riguarda l’uso del mercurio, questi tipi di batterie si sono lentamente ritirati.,
È in questo periodo che è stato avviato lo sviluppo di batterie al litio come materiale anodo attivo ed è considerato un importante risultato a causa dell’elevata energia specifica e della maggiore durata delle batterie al litio rispetto alle tradizionali batterie allo zinco.
Le batterie al litio sono prodotte come celle a bottone e a bottone per una gamma specifica di applicazioni (come orologi, backup della memoria, ecc.) mentre sono disponibili anche batterie di tipo cilindrico più grandi.
La seguente tabella mostra diversi tipi di batterie primarie con le loro caratteristiche e applicazioni.,shelf life
Replacement for button and cylindrical cells
Lithium/Solid Electrolyte
Memory circuits, medical electronics
Secondary Batteries
A Secondary Battery is also called as Rechargeable Battery as they can be electrically recharged after discharge., Lo stato chimico delle celle elettrochimiche può essere “ricaricato” al loro stato originale facendo passare una corrente attraverso le celle nella direzione opposta della loro scarica.
Fondamentalmente, le batterie secondarie possono essere utilizzate in due modi:
Nella prima categoria di applicazioni, le batterie secondarie sono essenzialmente utilizzate come dispositivi di accumulo di energia dove sono collegate elettricamente a una fonte di energia principale e anche caricate da essa e forniscono anche energia quando richiesto. Esempi di tali applicazioni sono veicoli elettrici ibridi (HEV), alimentatori ininterrotti (UPS), ecc.,
La seconda categoria di applicazioni delle batterie secondarie sono quelle applicazioni in cui la batteria viene utilizzata e scaricata come batteria primaria. Una volta completamente scaricata (o quasi completamente scaricata), invece di scartarla, la batteria viene ricaricata con un meccanismo di ricarica appropriato. Esempi di tali applicazioni sono tutta l’elettronica portatile moderna come cellulari, computer portatili, veicoli elettrici,ecc.,
La densità di energia delle batterie secondarie è relativamente inferiore a quella delle batterie primarie, ma ha altre buone caratteristiche come l’alta densità di potenza, le curve di scarico piatte, l’alto tasso di scarico, le prestazioni a bassa temperatura.
Tipi di batterie secondarie comuni
Due delle batterie più antiche sono infatti batterie secondarie chiamate batterie al piombo – acido, che sono state sviluppate alla fine del 1850 e batterie al nichel – cadmio, che sono state sviluppate nei primi anni del 1900. Fino a tempi recenti, ci sono solo due tipi di batterie secondarie.,
Le prime e le batterie ricaricabili più comunemente utilizzate sono chiamate Batterie al piombo-acido. Sono basati sulla coppia elettrochimica Piombo – piombo diossido (Pb – PbO2). L’elettrolito utilizzato in questi tipi di batterie è l’acido solforico molto comune.
Il secondo tipo di batterie ricaricabili sono chiamate batterie al Nichel – cadmio. Sono basati su ossidrossido di nichel (ossido di nichel) come elettrodo positivo e elettrodo negativo a base di metallo cadmio. Venendo all’elettrolito, viene utilizzata una soluzione alcalina di idrossido di potassio.,
Negli ultimi decenni sono emersi due nuovi tipi di batterie ricaricabili. Sono la batteria al nichel-metallo idruro e la batteria agli ioni di litio. Di questi due, la batteria agli ioni di litio si è rivelata un punto di svolta ed è diventata commercialmente superiore con le sue elevate cifre specifiche di energia e densità di energia (150 Wh / kg e 400 Wh / L).,
Ci sono alcuni altri tipi di Pile Secondarie, ma i quattro principali tipi sono:
- Batterie al Piombo – Acido
- Batterie al Nichel – Cadmio
- Nichel – Metallo Idruro Batterie
- Batterie agli Ioni di Litio
vediamo ora brevemente vedere su questi tipi di batterie singolarmente.
Batterie al piombo
Le batterie al piombo sono di gran lunga le batterie ricaricabili più popolari e più utilizzate. Sono stati un prodotto di successo per più di un secolo., Le batterie al piombo-acido sono disponibili in diverse configurazioni come piccole celle sigillate con capacità di 1 Ah a celle di grandi dimensioni con capacità di 12.000 Ah.
Una delle principali applicazioni delle batterie al piombo-acido è nell’industria automobilistica in quanto vengono utilizzate principalmente come batterie SLI (avviamento, illuminazione e accensione).
Altre applicazioni di batterie al piombo-acido includono accumulo di energia, alimentazione di emergenza, veicoli elettrici (anche veicoli ibridi), sistemi di comunicazione, sistemi di illuminazione di emergenza, ecc.,
L’ampia gamma di applicazioni delle batterie al piombo-acido è il risultato delle sue ampie gamme di tensione, delle diverse forme e dimensioni, del basso costo e della manutenzione relativamente facile. Rispetto ad altre tecnologie di batterie secondarie, le batterie al piombo sono l’opzione meno costosa per qualsiasi applicazione e forniscono prestazioni molto buone.
L’efficienza elettrica delle batterie al piombo è compresa tra il 75 e l ‘ 80%. Questo valore di efficienza li adatto per lo stoccaggio di energia (alimentatori ininterrotti – UPS) e veicoli elettrici.,
Batterie al nichel – cadmio
Le batterie al nichel – cadmio o semplicemente batterie Ni-Cd sono uno dei più antichi tipi di batterie oggi disponibili insieme alle batterie al piombo-acido. Hanno una vita molto lunga e sono molto affidabili e robusti.
Uno dei principali vantaggi delle batterie Ni-Cd è che possono essere sottoposte ad alti tassi di scarica e possono essere utilizzate in un’ampia gamma di temperature. Inoltre, la durata di conservazione delle batterie Ni-Cd è molto lunga., Il costo di queste batterie è più alto che le batterie al piombo su per Watt-ora di base, ma è meno che altro tipo di batterie alcaline.
Come accennato in precedenza, le batterie Ni-Cd utilizzano ossiidrossido di nichel (NiOOH) come catodo e metallo cadmio (Cd) come anodo. Le batterie tipiche del grado del consumatore vengono con una tensione in linea di 1.2 V. Nelle applicazioni industriali, il Ni-Cd è appena secondo alle batterie al piombo-acido dovuto le loro prestazioni di bassa temperatura, tensione di scarico piana, lunga vita, manutenzione bassa ed affidabilità eccellente.,
Sfortunatamente, c’è una caratteristica principale delle batterie Ni-Cd chiamata “effetto memoria”, che è il loro unico svantaggio. Quando le celle Ni-Cd vengono scaricate parzialmente e poi ricaricate, perdono progressivamente la loro capacità, cioè ciclo per ciclo. “Condizionamento” è il processo in cui la capacità persa delle batterie può essere ripristinata.
In questo processo, le celle vengono completamente scaricate a zero volt e quindi completamente ricaricate.,
Batterie al nichel – metallo idruro
Questi sono relativamente nuovo tipo di batterie sono una versione estesa di batterie elettrodo nichel – idrogeno, che sono stati utilizzati esclusivamente in applicazioni aerospaziali (satelliti). L’elettrodo positivo è l’ossidrossido di nichel (NiOOH) mentre l’elettrodo negativo della cella è una lega metallica, dove l’idrogeno viene immagazzinato in modo reversibile.
Durante la carica, la lega metallica assorbe l’idrogeno per formare l’idruro metallico e durante lo scarico, l’idruro metallico perde idrogeno.,
Un vantaggio principale delle batterie al nichel-metallo idruro rispetto alle batterie Ni-Cd la sua maggiore energia specifica e densità di energia. Le batterie sigillate dell’idruro del Nichel-metallo sono disponibili commercialmente come piccole celle cilindriche e sono utilizzate nell’elettronica portatile.
Batterie agli ioni di litio
L’emergere di batterie agli ioni di litio negli ultimi due decenni è stato abbastanza fenomenale. Oltre il 50% del mercato consumer ha adottato l’uso di batterie agli ioni di litio. In particolare, computer portatili, telefoni cellulari, fotocamere,ecc. sono le più grandi applicazioni di batterie agli ioni di litio.,
Le batterie agli ioni di litio hanno una densità di energia significativamente elevata, un’elevata energia specifica e una maggiore durata del ciclo. Altri vantaggi principali di batterie agli ioni di litio sono lento tasso di autoscarica e un’ampia gamma di temperature di funzionamento.
Applicazioni della batteria
Negli ultimi decenni, l’utilizzo di piccole batterie sigillate nelle applicazioni consumer è stato esponenziale. Le batterie primarie o ricaricabili in fattore di forma ridotto vengono utilizzate in un numero enorme di apparecchi. Alcuni di loro sono menzionati di seguito.,
- Dispositivi elettronici portatili: orologi, macchine fotografiche, telefoni cellulari, computer portatili, videocamere, calcolatrici, apparecchiature di collaudo (multimetri).
- Intrattenimento: Radio, lettori MP3, lettori CD, tutti i telecomandi a raggi infrarossi, giocattoli, giochi, tastiere.
- Famiglia: Orologi, allarmi, rilevatori di fumo, luci flash, UPS, luci di emergenza, spazzolini da denti, capelli trimmer e rasoi, monitor di pressione sanguigna, apparecchi acustici, pacemaker, utensili elettrici portatili (trapani, cacciavite).
Come scegliere una batteria?,
La selezione di una batteria per l’applicazione può essere composta da due sole caratteristiche: prestazioni e costi. Ma se scaviamo un po ‘ più a fondo, i seguenti sono fattori determinanti nella scelta della batteria giusta per la tua applicazione.
- Primaria o secondaria
- Energia o potenza
- Periodo di validità
- Efficienza energetica e velocità di ricarica
- Durata della batteria
- Temperatura della batteria
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