Wat zijn de verschillende soorten batterijen?

in deze handleiding leren we over een van de belangrijke componenten in elektrische en elektronische systemen: een batterij. We zullen een aantal basisinformatie over een batterij te zien, neem een kijkje op verschillende soorten batterijen en ook een gids over welk type batterij geschikt is voor uw toepassing.,

Inleiding

of u nu elektrotechnisch ingenieur bent of niet, u bent in uw leven ten minste een paar verschillende soorten batterijen tegengekomen. Enkele van de gemeenschappelijke plaatsen waar u batterijen gebruikt zijn een Wandklokken, alarmen of rookmelders die kleine wegwerpbatterijen gebruiken of auto ‘ s, vrachtwagens of motorfietsen die relatief grote oplaadbare batterijen gebruiken.

batterijen zijn de laatste tien jaar een zeer belangrijke energiebron geworden., Zelfs daarvoor waren ze een integraal onderdeel van ons leven in het voeden van verschillende draagbare apparaten zoals Transistorradio ‘s, Walkman, handheld games, camera’ s enz.

maar met de ontwikkeling van geavanceerde smartphones, tablets, laptops, zonne-energie en elektrische voertuigen, is het onderzoek naar krachtige batterijen die langer kunnen meegaan en de nodige energie kunnen leveren, op zijn hoogtepunt geweest.in feite is de Nobelprijs voor de Scheikunde 2019 toegekend aan drie wetenschappers John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham en Akira Yoshino voor de ontwikkeling van lithium-ion batterijen.,

Wat is een batterij?

Een batterij is een chemisch apparaat dat elektrische energie in de vorm van chemicaliën opslaat en door middel van een elektrochemische reactie de opgeslagen chemische energie omzet in gelijkstroomelektrische energie. Alessandro Volta, een Italiaanse natuurkundige, vond de eerste batterij uit in 1800.

de elektrochemische reactie in een batterij omvat de overdracht van elektronen van het ene materiaal naar het andere (elektroden genoemd) via een elektrische stroom.,

cel en batterij

hoewel de term batterij vaak wordt gebruikt, wordt de basiselektrochemische eenheid die verantwoordelijk is voor de daadwerkelijke opslag van energie een cel genoemd. Een cel, zoals eerder vermeld, is de fundamentele elektrochemische eenheid die de bron is van elektrische energie geproduceerd door omzetting van chemische energie.

in zijn basisvorm bevat een cel meestal drie hoofdcomponenten: twee elektroden en elektrolyt en bestaat ook uit terminals, scheidingsteken en een container. Spreken van elektroden, er zijn twee soorten elektroden genaamd de Anode en de kathode.,

de anode is de negatieve elektrode (ook wel de Brandstofelektrode of de reducerende elektrode genoemd). Het verliest elektronen aan het externe circuit en in de elektrochemische reactie wordt het geoxideerd.

kathode daarentegen is de positieve elektrode (ook wel oxiderende elektrode genoemd). Het accepteert elektronen uit het eeuwige circuit en in de elektrochemische reactie wordt het verminderd. Vandaar dat de energieomzetting in een batterij te wijten is aan elektrochemische oxidatie-reductie reactie.

het derde belangrijke bestanddeel van een cel is de elektrolyt., Een elektrolyt fungeert als medium voor overdracht van lading in de vorm van ionen tussen de twee elektroden. Vandaar, de elektrolyt wordt soms aangeduid als Ionische geleider. Een belangrijk punt om hier op te merken dat de elektrolyt is niet elektrisch geleidend, maar alleen Ionische geleidbaarheid.

een batterij bestaat vaak uit een of meer” cellen ” die elektrisch zijn aangesloten in een serie of parallelle configuratie om de nodige spanning en stroomniveaus te leveren.,

verschillende typen batterijen

in principe zijn alle elektrochemische cellen en batterijen ingedeeld in twee typen:

• primaire (niet-oplaadbare)
• secundaire (oplaadbare)

hoewel er verschillende andere classificaties binnen deze twee typen batterijen zijn, zijn deze twee de basistypen. Eenvoudig gezegd, primaire batterijen zijn niet-oplaadbare batterijen dat wil zeggen ze kunnen niet elektrisch worden opgeladen, terwijl de secundaire batterijen zijn oplaadbare batterijen dat wil zeggen, ze kunnen worden opgeladen elektrisch.,

primaire batterijen

een primaire batterij is een van de eenvoudige en handige bronnen van stroom voor verschillende draagbare elektronische en elektrische apparaten zoals verlichting, camera ‘s, horloges, Speelgoed, radio’ s enz. Omdat ze niet elektrisch kunnen worden opgeladen, zijn ze van het” gebruik het en gooi het weg ” – type.

gewoonlijk zijn primaire batterijen goedkoop, licht van gewicht, klein en zeer gemakkelijk te gebruiken met relatief geen of minder onderhoud., De meerderheid van de primaire batterijen die worden gebruikt in huishoudelijke toepassingen zijn eencellig type en meestal komen in cilindrische configuratie (hoewel, het is zeer gemakkelijk om ze te produceren in verschillende vormen en maten).

Common Primary Battery Types

tot de jaren ‘ 70 waren op zinkanode gebaseerde batterijen de overheersende primaire batterijtypes. Tijdens de jaren 1940, de Tweede Wereldoorlog en na de oorlog, Zink – koolstof gebaseerde batterijen en ze hebben een gemiddelde capaciteit van 50 Wh / kg.de belangrijkste ontwikkeling van de batterijtechnologie vond plaats in de periode 1970-1990., Het is in deze tijd, de beroemde Zink / Alkalische mangaandioxide batterijen werden ontwikkeld en ze langzaam vervangen de oudere Zink – koolstof types als de belangrijkste primaire batterij.

zink – kwikoxide – en Cadmium-Kwikoxidebatterijen werden in deze periode ook gebruikt, maar vanwege de milieubezwaren met betrekking tot het gebruik van kwik werden deze batterijtypes geleidelijk afgeschaft.,

Het is in deze periode, waarin de ontwikkeling van batterijen met Lithium als actief anodemateriaal is begonnen en wordt beschouwd als een belangrijke prestatie vanwege de hoge specifieke energie en langere houdbaarheid van lithiumbatterijen in vergelijking met traditionele zinkbatterijen.

lithiumbatterijen worden vervaardigd als knoopcel en muntcel voor een specifieke reeks toepassingen (zoals horloges, geheugenback-up, enz.) terwijl grotere cilindrische type batterijen ook beschikbaar zijn.

de volgende tabel toont de verschillende soorten primaire batterijen, hun kenmerken en toepassingen.,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., De chemische status van de elektrochemische cellen kan worden “opgeladen” tot hun oorspronkelijke status door het passeren van een stroom door de cellen in de tegenovergestelde richting van hun ontlading.

in principe kunnen secundaire batterijen op twee manieren worden gebruikt:

in de eerste categorie toepassingen worden de secundaire batterijen hoofdzakelijk gebruikt als energieopslagsystemen wanneer ze elektrisch zijn aangesloten op een hoofdenergiebron en ook door deze worden opgeladen en indien nodig ook energie leveren. Voorbeelden van dergelijke toepassingen zijn hybride elektrische voertuigen (HEV), ononderbroken voedingen (UPS), enz.,

de tweede categorie toepassingen van secundaire batterijen zijn toepassingen waarbij de batterij als primaire batterij wordt gebruikt en ontladen. Zodra het volledig is ontladen (of bijna volledig ontladen), wordt de batterij opgeladen met een geschikt laadmechanisme in plaats van het weg te gooien. Voorbeelden van dergelijke toepassingen zijn alle moderne draagbare elektronica zoals mobiele telefoons, laptops, elektrische voertuigen, enz.,

energiedichtheid van secundaire batterijen is relatief lager dan die van primaire batterijen, maar hebben andere goede eigenschappen zoals hoge vermogensdichtheid, vlakke ontladingscurves, hoge ontladingssnelheid, prestaties bij lage temperaturen.

gemeenschappelijke secundaire batterijtypen

twee van de oudste batterijen zijn in feite secundaire batterijen, Lood – zuurbatterijen genoemd, die eind 1850 werden ontwikkeld en nikkel – Cadmium-batterijen, die begin 1900 werden ontwikkeld. tot voor kort zijn er slechts twee soorten secundaire batterijen.,

De eerste en de meest gebruikte oplaadbare batterijen worden loodzuurbatterijen genoemd. Ze zijn gebaseerd op het lood – looddioxide (Pb – PbO2) elektrochemische koppel. Het elektrolyt dat in dit soort batterijen wordt gebruikt, is het veel voorkomende zwavelzuur.

Het tweede type oplaadbare batterijen worden nikkel – cadmiumbatterijen genoemd. Zij zijn gebaseerd op Nikkeloxyhydroxide (nikkeloxide) als positieve elektrode en op Cadmiummetaal gebaseerde negatieve elektrode. Bij de elektrolyt wordt een alkalische oplossing van kaliumhydroxide gebruikt.,

in de afgelopen decennia zijn er twee nieuwe soorten oplaadbare batterijen ontstaan. Het zijn de nikkel – metaalhydride batterij en de Lithium – Ion batterij. Van deze twee, de lithium – ion batterij kwam als een game changer en werd commercieel superieur met zijn hoge specifieke energie en energiedichtheid cijfers (150 Wh / kg en 400 Wh / L).,

Er zijn enkele andere soorten secundaire batterijen, maar de vier belangrijkste types zijn:

• loodzuurbatterijen
• nikkel – cadmiumbatterijen
• nikkel – metaalhydridebatterijen
• Lithium – Ion – accu ‘ s

laten we nu kort kijken naar deze batterijtypes afzonderlijk.

loodaccu ’s

de loodaccu’ s zijn veruit de populairste en meest gebruikte oplaadbare batterijen. Ze zijn al meer dan een eeuw een succesvol product., Loodzuurbatterijen zijn verkrijgbaar in verschillende configuraties, zoals kleine afgedichte cellen met een capaciteit van 1 Ah tot grote cellen met een capaciteit van 12.000 Ah.

een van de belangrijkste toepassingen van lood-zuurbatterijen is in de auto-industrie, omdat zij voornamelijk worden gebruikt als SLI-batterijen (starten, Verlichting en ontsteking).

andere toepassingen van loodzuurbatterijen zijn energieopslag, noodstroom, elektrische voertuigen (zelfs hybride voertuigen), communicatiesystemen, noodverlichtingssystemen enz.,

het brede scala aan toepassingen van lood-zuurbatterijen is het gevolg van zijn brede spanningsbereiken, verschillende vormen en afmetingen, lage kosten en relatief eenvoudig onderhoud. In vergelijking met andere secundaire batterijtechnologieën, lood-zuur batterijen zijn de minst dure optie voor elke toepassing en bieden zeer goede prestaties.

Het elektrische rendement van loodaccu ‘ s ligt tussen 75 en 80%. Deze efficiëntiewaarde ze geschikt voor energieopslag (ononderbroken voedingen – UPS) en elektrische voertuigen.,

nikkel – cadmiumbatterijen

De nikkel – cadmiumbatterijen of gewoon Ni-Cd-batterijen zijn een van de oudste batterijtypes die momenteel beschikbaar zijn, samen met de lood-zuurbatterijen. Ze hebben een zeer lange levensduur en zijn zeer betrouwbaar en stevig.

een van de belangrijkste voordelen van Ni-Cd-batterijen is dat ze aan hoge ontlaadsnelheden kunnen worden blootgesteld en over een breed temperatuurbereik kunnen worden gebruikt. Ook is de houdbaarheid van Ni-Cd batterijen erg lang., De kosten van deze batterijen zijn hoger dan lood-zuur batterijen op per Watt-uur basic, maar het is minder dan andere type alkaline batterijen.

zoals eerder vermeld, gebruiken De Ni-Cd-batterijen nikkel-Oxyhydroxide (NiOOH) als kathode en Cadmium-metaal (Cd) als anode. Typische consumentenbatterijen worden geleverd met een online voltage van 1,2 V. in industriële toepassingen zijn Ni-Cd slechts de tweede na lood-zuurbatterijen vanwege hun lage temperatuurprestaties, vlakke ontladingsspanning, lange levensduur, weinig onderhoud en uitstekende betrouwbaarheid.,

helaas is er één belangrijk kenmerk van Ni-Cd-batterijen, het “geheugeneffect” genoemd, en dat is hun enige nadeel. Wanneer Ni-Cd-cellen gedeeltelijk worden ontladen en vervolgens worden opgeladen, verliezen ze geleidelijk hun capaciteit, d.w.z. cyclus voor cyclus. “Conditionering” is het proces waarbij de verloren capaciteit van de batterijen kan worden hersteld.

in dit proces worden de cellen volledig ontladen tot nul volt en vervolgens volledig opgeladen.,

nikkel-metaalhydride-accu ’s

Dit is een relatief nieuw type batterijen zijn een uitgebreide versie van nikkel – Waterstofelektrode-accu’ s, die uitsluitend werden gebruikt in lucht-en ruimtevaarttoepassingen (satellieten). De positieve elektrode is het Nikkeloxyhydroxide (NiOOH) terwijl de negatieve elektrode van de cel een metaallegering is, waar waterstof omkeerbaar wordt opgeslagen.

tijdens het laden absorbeert de metaallegering de waterstof om metaalhydride te vormen en tijdens het lossen verliest het metaalhydride waterstof.,

een belangrijk voordeel van nikkel-metaalhydride-batterijen ten opzichte van Ni-Cd-batterijen zijn hogere specifieke energie en energiedichtheid. Verzegelde nikkel – metaalhydride batterijen zijn in de handel verkrijgbaar als kleine cilindrische cellen en worden gebruikt in draagbare elektronica.

Lithium-Ion-accu ’s

De opkomst van lithium-ion-accu’ s in de afgelopen decennia is vrij fenomenaal geweest. Meer dan 50% van de consumentenmarkt gebruikt lithium-ion-batterijen. Vooral laptops, mobiele telefoons, camera ‘ s, enz. zijn de grootste toepassingen van lithium-ion batterijen.,

lithiumionbatterijen hebben een significant hoge energiedichtheid, hoge specifieke energie en een langere levensduur van de cyclus. Andere belangrijke voordelen van lithium-ion batterijen zijn een trage zelfontlading en een breed scala aan bedrijfstemperaturen.

Batterijtoepassingen

In de afgelopen decennia is het gebruik van kleine verzegelde batterijen in consumententoepassingen exponentieel geweest. Primaire of oplaadbare batterijen in kleine vorm worden gebruikt in een groot aantal apparaten. Sommige van hen worden hieronder vermeld.,

• Draagbare Elektronische Apparaten: horloges, camera’ s, mobiele telefoons, Laptops, Camcorders, rekenmachines, testapparatuur (Multimeters).
• Entertainment: Radio’ s, MP3-spelers, CD-spelers, alle infrarood-afstandsbedieningen, speelgoed, spellen, Toetsenborden.
• huishouden: Klokken, alarmen, rookmelders, flitslampen, UPS, noodverlichting, Tandenborstels, Haartrimmers en scheerapparaten, Bloeddrukmeters, gehoorapparaten, pacemakers, draagbaar elektrisch gereedschap (boormachines, schroevendraaier).

Hoe kies ik een batterij?,

het selecteren van een batterij voor uw toepassing kan worden ingesteld op slechts twee kenmerken: prestaties en kosten. Maar als we een beetje dieper graven, dan zijn de volgende factoren bepalend bij het kiezen van de juiste batterij voor uw toepassing.

• primaire of secundaire
• energie of vermogen
• houdbaarheid
• energie-efficiëntie en oplaadsnelheid
• levensduur van de batterij
• batterijtemperatuur