jakie są różne rodzaje akumulatorów?

wprowadzenie

niezależnie od tego, czy jesteś inżynierem elektrykiem, czy nie, możesz natknąć się przynajmniej na kilka różnych typów baterii w swoim życiu. Niektóre z typowych miejsc, w których używasz baterii, to Zegary ścienne, Alarmy lub czujniki dymu, które wykorzystują małe jednorazowe baterie lub samochody, ciężarówki lub Motocykle, które wykorzystują stosunkowo duże akumulatory.

baterie stały się bardzo ważnym źródłem energii w ostatniej dekadzie., Jeszcze wcześniej były one integralną częścią naszego życia w zasilaniu kilku urządzeń przenośnych, takich jak radia tranzystorowe, Walkman, gry Przenośne, Kamery itp.

jednak wraz z rozwojem zaawansowanych smartfonów, tabletów, laptopów, energii słonecznej i pojazdów elektrycznych, badania nad potężnymi bateriami, które mogą trwać dłużej i dostarczać niezbędną energię, osiągnęły szczyt.

w 2019 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii przyznano trzem naukowcom Johnowi B. Goodenoughowi, M. Stanleyowi Whittinghamowi i Akirze Yoshino za rozwój baterii litowo-jonowych.,

Co To jest bateria?

akumulator jest urządzeniem chemicznym, które przechowuje energię elektryczną w postaci substancji chemicznych i za pomocą reakcji elektrochemicznej przekształca zmagazynowaną energię chemiczną w energię elektryczną prądu stałego. Alessandro Volta, włoski fizyk, wynalazł pierwszą baterię w 1800 roku.

reakcja elektrochemiczna w akumulatorze polega na przenoszeniu elektronów z jednego materiału do drugiego (zwanych elektrodami) za pomocą prądu elektrycznego.,

ogniwo i bateria

mimo że często używa się terminu bateria, podstawową jednostką elektrochemiczną odpowiedzialną za rzeczywiste magazynowanie energii nazywa się ogniwo. Komórka, jak już wspomniano, jest podstawową jednostką elektrochemiczną, która jest źródłem energii elektrycznej wytwarzanej przez konwersję energii chemicznej.

w swojej podstawowej formie komórka zazwyczaj zawiera trzy główne składniki: dwie elektrody i elektrolit, a także składa się z zacisków, separatora i pojemnika. Mówiąc o elektrodach, istnieją dwa rodzaje elektrod zwane anodą i katodą.,

anodą jest elektroda ujemna (zwana również elektrodą paliwową lub elektrodą redukującą). Traci elektrony na obwodzie zewnętrznym i w reakcji elektrochemicznej ulega utlenieniu.

katoda jest natomiast elektrodą dodatnią (zwaną również elektrodą utleniającą). Przyjmuje elektrony z wiecznego obwodu i w reakcji elektrochemicznej ulega redukcji. Stąd Konwersja energii w akumulatorze jest spowodowana elektrochemiczną reakcją utleniania-redukcji.

trzecim ważnym składnikiem komórki jest elektrolit., Elektrolit działa jako medium do przenoszenia ładunku w postaci jonów między dwiema elektrodami. Stąd elektrolit jest czasami nazywany przewodnikiem jonowym. Ważnym punktem należy tutaj zauważyć, że elektrolit nie jest przewodzący elektrycznie, ale po prostu ma przewodność jonową.

bateria często składa się z jednego lub więcej „ogniw”, które są połączone elektrycznie w konfiguracji szeregowej lub równoległej, aby zapewnić niezbędne poziomy napięcia i prądu.,

różne typy baterii

zasadniczo wszystkie ogniwa i baterie elektrochemiczne są podzielone na dwa typy:

• podstawowe (nie do ładowania)
• wtórne (do ładowania)

mimo że istnieje kilka innych klasyfikacji w obrębie tych dwóch typów baterii, te dwa są podstawowymi typami. Mówiąc najprościej, Baterie Pierwotne są akumulatorami nie do ładowania, tzn. nie mogą być ładowane elektrycznie, podczas gdy baterie wtórne są akumulatorami, tzn. mogą być ładowane elektrycznie.,

baterie podstawowe

Bateria Podstawowa jest jednym z prostych i wygodnych źródeł zasilania dla kilku przenośnych urządzeń elektronicznych i elektrycznych, takich jak światła, kamery, zegarki, zabawki, radia itp. Ponieważ nie mogą być ładowane elektrycznie, są typu „użyj go, a po rozładowaniu wyrzuć go”.

zazwyczaj baterie podstawowe są tanie, lekkie, małe i bardzo wygodne w użyciu przy stosunkowo braku lub mniejszej konserwacji., Większość baterii podstawowych, które są używane w zastosowaniach domowych, jest typu pojedynczego ogniwa i zwykle są w konfiguracji cylindrycznej (chociaż bardzo łatwo jest je wyprodukować w różnych kształtach i rozmiarach).

typowe podstawowe typy baterii

aż do lat 70-tych, baterie cynkowe oparte na anodzie były głównymi typami baterii podstawowych. W latach 40 – tych, podczas ii Wojny Światowej i po wojnie, Baterie cynkowo-węglowe i mają średnią wydajność 50 Wh / kg.

największy rozwój technologii akumulatorowej miał miejsce w latach 1970-1990., W tym czasie opracowano słynne Baterie cynkowo-alkaliczne dwutlenku manganu i powoli zastąpiły starsze typy cynkowo-węglowe jako główną baterię podstawową.

baterie cynkowo – rtęciowe i Kadmowo – rtęciowe były również używane w tym okresie, ale ze względu na obawy dotyczące ochrony środowiska związane z użytkowaniem Rtęci, te typy baterii powoli wycofywały się.,

To właśnie w tym okresie rozpoczęto rozwój baterii z litem jako aktywnym materiałem anodowym i jest uważany za duże osiągnięcie ze względu na wysoką energię właściwą i dłuższy okres trwałości baterii litowych w porównaniu z tradycyjnymi bateriami cynkowymi.

baterie litowe są produkowane jako ogniwa guzikowe i monetowe do określonego zakresu zastosowań (takich jak zegarki, kopia zapasowa pamięci itp.), natomiast większe cylindryczne baterie są również dostępne.

poniższa tabela przedstawia różne typy baterii podstawowych wraz z ich charakterystyką i zastosowaniami.,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., Stan chemiczny ogniw elektrochemicznych można „naładować” do ich pierwotnego stanu, przepuszczając prąd przez ogniwa w przeciwnym kierunku do ich rozładowania.

zasadniczo baterie wtórne mogą być używane na dwa sposoby:

w pierwszej kategorii zastosowań baterie wtórne są zasadniczo używane jako urządzenia magazynujące energię, gdzie są elektrycznie podłączone do głównego źródła energii, a także ładowane przez nie, a także dostarczające energię, gdy jest to wymagane. Przykładami takich zastosowań są pojazdy hybrydowe z napędem elektrycznym (HEV), Zasilacze awaryjne (UPS) itp.,

drugą kategorią zastosowań baterii wtórnych są te aplikacje, w których bateria jest używana i rozładowywana jako bateria podstawowa. Po całkowitym rozładowaniu (lub prawie całkowitym rozładowaniu), zamiast go wyrzucać, akumulator jest ładowany za pomocą odpowiedniego mechanizmu ładowania. Przykładami takich zastosowań są wszystkie nowoczesne przenośne urządzenia elektroniczne, takie jak telefony komórkowe, laptopy, pojazdy elektryczne itp.,

Gęstość Energii wtórnej baterii jest stosunkowo niższa niż w przypadku baterii pierwotnych, ale ma inne dobre cechy, takie jak wysoka gęstość mocy, płaskie krzywe rozładowania, wysoka szybkość rozładowania, niska temperatura.

typowe typy baterii wtórnych

dwie z najstarszych baterii to w rzeczywistości baterie wtórne zwane bateriami ołowiowo-kwasowymi, które zostały opracowane pod koniec 1850 roku i baterie niklowo-kadmowe, które zostały opracowane na początku 1900 roku. do niedawna istnieją tylko dwa rodzaje baterii wtórnych.,

pierwsze i najczęściej używane akumulatory to akumulatory ołowiowo – kwasowe. Są one oparte na parze elektrochemicznej ołów – dwutlenek ołowiu (Pb-PbO2). Elektrolit stosowany w tego typu bateriach jest bardzo powszechnym kwasem siarkowym.

drugi typ akumulatorów nazywa się akumulatorami niklowo – kadmowymi. Są one oparte na tlenku niklu (tlenku niklu) jako elektroda dodatnia i elektroda ujemna na bazie kadmu. Wchodząc do elektrolitu, stosuje się alkaliczny roztwór wodorotlenku potasu.,

w ostatnich dziesięcioleciach pojawiły się dwa nowe typy akumulatorów. Są to akumulator niklowo – wodorkowy i akumulator litowo-jonowy. Akumulator litowo-jonowy okazał się przełomowy i stał się komercyjnie lepszy dzięki wysokiej gęstości energii właściwej i energii (150 Wh / kg i 400 Wh / L).,

istnieją inne rodzaje baterii wtórnych, ale cztery główne typy to:

• Baterie ołowiowo – kwasowe
• baterie niklowo – kadmowe
• baterie niklowo – wodorkowe
• baterie litowo – jonowe

zobaczmy teraz krótko o tych typach baterii indywidualnie.

akumulatory kwasowo – ołowiowe

akumulatory kwasowo-ołowiowe są zdecydowanie Najpopularniejszymi i najczęściej używanymi akumulatorami. Od ponad wieku cieszą się powodzeniem., Akumulatory kwasowo-ołowiowe są dostępne w kilku różnych konfiguracjach, takich jak małe ogniwa zamknięte o pojemności 1 Ah do dużych ogniw o pojemności 12 000 Ah.

jednym z głównych zastosowań akumulatorów kwasowo-ołowiowych jest przemysł motoryzacyjny, ponieważ są one używane głównie jako akumulatory SLI (rozruch, oświetlenie i zapłon).

Inne zastosowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych obejmują magazynowanie energii, zasilanie awaryjne, pojazdy elektryczne (nawet pojazdy hybrydowe), systemy łączności, systemy oświetlenia awaryjnego itp.,

szeroki zakres zastosowań akumulatorów ołowiowo-kwasowych wynika z ich szerokiego zakresu napięć, różnych kształtów i rozmiarów, niskich kosztów i stosunkowo łatwej konserwacji. W porównaniu do innych technologii wtórnych baterii, akumulatory ołowiowo-kwasowe są najtańszą opcją dla każdego zastosowania i zapewniają bardzo dobrą wydajność.

sprawność elektryczna akumulatorów ołowiowo-kwasowych wynosi od 75 do 80%. Ta wydajność wartość je nadaje się do magazynowania energii (nieprzerwane zasilacze – UPS) i pojazdów elektrycznych.,

Akumulatory niklowo – kadmowe

Akumulatory niklowo – kadmowe lub po prostu akumulatory Ni-Cd są jednym z najstarszych dostępnych obecnie typów akumulatorów wraz z akumulatorami ołowiowo-kwasowymi. Mają bardzo długą żywotność i są bardzo niezawodne i wytrzymałe.

jedną z głównych zalet akumulatorów Ni-Cd jest to, że mogą być poddawane wysokim poziomom rozładowania i mogą być obsługiwane w szerokim zakresie temperatur. Ponadto okres trwałości baterii Ni-Cd jest bardzo długi., Koszt tych baterii jest wyższy niż akumulatory kwasowo-ołowiowe na Watogodzinę podstawową, ale jest mniej niż inne rodzaje baterii alkalicznych.

jak wspomniano wcześniej, baterie Ni-Cd używają tlenku niklu (NiOOH) jako katody i metalu Kadmowego (Cd) jako anody. Typowe akumulatory klasy konsumenckiej mają napięcie on-line 1,2 V. w zastosowaniach przemysłowych Ni-Cd są tuż obok akumulatorów kwasowo-ołowiowych ze względu na ich niskie temperatury, płaskie napięcie rozładowania, długą żywotność, niskie koszty konserwacji i doskonałą niezawodność.,

Niestety, istnieje jedna główna cecha baterii Ni-Cd zwana „efektem pamięci”, która jest ich jedyną wadą. Gdy ogniwa Ni-Cd są częściowo rozładowywane, a następnie ładowane, tracą one swoją pojemność stopniowo, tj. cykl po cyklu. „Kondycjonowanie” to proces, w którym można przywrócić utraconą pojemność baterii.

w tym procesie ogniwa są całkowicie rozładowane do zera woltów, a następnie w pełni naładowane.,

Akumulatory niklowo – wodorkowe

są to stosunkowo nowe typy akumulatorów są rozbudowaną wersją akumulatorów elektrod niklowo – wodorowych, które były wykorzystywane wyłącznie w zastosowaniach lotniczych (satelitach). Elektrodą dodatnią jest Tlenohydroksy niklu (NiOOH), podczas gdy elektrodą ujemną ogniwa jest stop metalu, w którym wodór jest przechowywany odwracalnie.

podczas ładowania stop metalu pochłania Wodór, tworząc wodorek metalu, a podczas rozładowania wodorek metalu traci Wodór.,

jedną z głównych zalet akumulatorów niklowo-wodorkowych nad baterią Ni-Cd jest wyższa energia właściwa i gęstość energii. Szczelne akumulatory niklowo – wodorkowe są dostępne w handlu jako małe cylindryczne ogniwa i są stosowane w przenośnej elektronice.

akumulatory litowo – jonowe

pojawienie się akumulatorów litowo-jonowych w ciągu ostatnich kilku dekad było dość fenomenalne. Ponad 50% rynku konsumenckiego przyjęło stosowanie baterii litowo-jonowych. W szczególności laptopy, telefony komórkowe, aparaty fotograficzne itp. są największe zastosowania akumulatorów litowo-jonowych.,

akumulatory litowo-jonowe mają znacznie wysoką gęstość energii, wysoką energię właściwą i dłuższą żywotność cyklu. Inne główne zalety akumulatorów litowo-jonowych to powolne samorozładowanie i szeroki zakres temperatur roboczych.

zastosowania baterii

w ciągu ostatnich kilku dekad stosowanie małych szczelnych baterii w zastosowaniach konsumenckich było wykładnicze. W ogromnej liczbie urządzeń stosowane są akumulatory pierwotne lub akumulatorowe w niewielkich rozmiarach. Niektóre z nich są wymienione poniżej.,

• przenośne urządzenia elektroniczne: zegarki, Aparaty fotograficzne, telefony komórkowe, laptopy, kamery, kalkulatory, sprzęt testujący (Multimetry).
• Rozrywka: Radia, Odtwarzacze MP3, odtwarzacze CD, wszystkie piloty na podczerwień, Zabawki, Gry, klawiatury.
• gospodarstwo domowe: Zegary, Alarmy, czujniki dymu, Lampy błyskowe, UPS, Światła Awaryjne, szczoteczki do zębów, trymery i golarki do włosów, ciśnieniomierze, Aparaty Słuchowe, stymulatory serca, przenośne Elektronarzędzia (wiertarki, wkrętarki).

Jak wybrać akumulator?,

wybór akumulatora do Twojej aplikacji można ograniczyć do tylko dwóch cech: wydajności i kosztów. Ale jeśli kopiemy trochę głębiej, to następujące czynniki decydujące o wyborze odpowiedniej baterii do Twojej aplikacji.

• pierwotny lub wtórny
• Energia lub moc
• okres trwałości
• Efektywność energetyczna i szybkość ładowania
• Żywotność Baterii
• Temperatura akumulatora