- Що називають акумулятором
- Розряд елементу живлення
- Цикл заряду батареї
- Типи з'єднання акумуляторів
- паралельне з'єднання
- послідовний спосіб
- Типи джерел струму
- Основні характеристики
- пристрій електродів
- проводить речовина
- Області застосування АКБ
Наша сеть партнеров Banwar
Незалежні елементи живлення зараз стали одними з найбільш затребуваних пристроїв, винайдених людьми. Конструкція більшості гаджетів і їх призначення часто передбачає відсутність безперервного доступу до електромережі, тому і стали необхідними такі пристрої, як акумулятори. Вони дають можливість користуватися потрібними приладами в будь-яких необхідних умов.
Що називають акумулятором
Акумулятором в найзагальнішому значенні цього поняття називається технічне пристосування, яке використовується для накопичення будь-якого виду енергії з метою її подальшої рівномірної віддачі протягом досить тривалого періоду часу (на відміну від конденсатора, який віддає накопичений заряд моментально). Конденсатор зберігає безпосередньо електричний заряд, на відміну від акумулятора, який при зарядці перетворює електричну енергію в енергію хімічної реакції, а коли буде працювати під навантаженням, перетворить накопичену хімічну енергію в електричну.
Принцип роботи акумуляторної батареї полягає в тому, що постійно відбувається хімічна реакція між рідиною-електролітом і металевими пластинами-електродами. Поодинокі акумулятори дуже слабкі і не можуть давати струм, достатній для роботи більшості пристроїв. Тому найчастіше вони об'єднуються в акумуляторні батареї, в яких використовується послідовне або паралельне з'єднання окремих елементів живлення.
Розряд елементу живлення
Конструкція подібних джерел живлення передбачає наявність двох клем: плюса і мінуса. Їх робота відбувається таким чином: при відсутності навантаження електричний ланцюг розімкнути, а при підключенні до полюсів будь-якого пристрою ланцюг замикається і починається розрядка АКБ. Струм розряду, що протікає по батареї в таких умовах, виникає за рахунок переміщення між електродами іонів: аніонів та катіонів.
Більш детально процес розрядки батареї найзручніше буде розглянути на конкретному прикладі. Катод (позитивний електрод в джерелі струму) складається з гідрату закису нікелю, в який для поліпшення провідності додається графітовий порошок.
Для виготовлення анода (негативного електрода) в батареях такого типу застосовуються залізні сітки з губчастим кадмієм. Електролітом в такому пристрої буде суміш гідроксидів калію і літію. Оксид-гідроксид нікелю в такому лужному джерелі живлення вступає в хімічну взаємодію з атомами кадмію і молекулами води. В результаті такої реакції утворюються гідроксиди кадмію і літію, а також виділяється електроенергія.
Цикл заряду батареї
Для початку зарядки від клем акумулятора необхідно відключити навантаження. На вільні клеми батареї подається постійний струм зі значенням напруги більшим, ніж вихідна напруга заряджається пристрою.
При здійсненні зарядки слід строго дотримуватись полярності, тобто повинні збігатися позитивні і негативні контакти батареї і зарядного пристрою. Важливо враховувати, що пристрій для зарядки необхідно вибирати з більшою потужністю, ніж сам акумулятор, для того, щоб долати опір залишилася в ньому енергії і виробляти електричний струм з напрямком, протилежним току розряду. В результаті оборотні хімічні реакції, що протікають в АКБ, поміняють свій напрямок.
Для розгляду прикладу можна взяти також нікель-кадмієві батареї. У реакцію вступають гідроксиди кадмію і нікелю, що утворилися при циклі розряду. Продуктами цієї реакції будуть оксид-гідроксид нікелю, вода і відновлений кадмій.
З усього вищесказаного випливає, що під час робочого циклу змінюється тільки хімічний склад електродів. Електроліт лише створює необхідну для протікання реакцій середу. З плином часу він може випаровуватися, що не найкращим чином позначиться на тривалості роботи батареї. Розглянутий принцип роботи вірний для будь-якого типу акумуляторів, буде змінюватися тільки хімічний склад електродів і електроліту.
Типи з'єднання акумуляторів
Окремі акумулюють елементи дозволяють отримувати малі напругу і силу струму. Наприклад, найчастіше значення напруги буде перебувати в межах 1-2 вольта. Для роботи більшості пристроїв таких значень явно недостатньо. Щоб підвищити отримується напруга або силу струму, потрібно влаштувати з'єднання акумуляторів в батарею. Потрібно докладніше зупинитися на описі цих способів.
паралельне з'єднання
Для з'єднання акумулюють елементів в батарею або декількох АКБ потрібно з'єднувати їх позитивні клеми з позитивними, а негативні з негативними. До навантаженні приєднуються з'єднані висновки всіх елементів. При такому способі з'єднання напруга в ланцюзі буде таким же, як у кожної батареї окремо (якщо використовувати батареї з однаковою напругою). А ємність стане дорівнює сумі ємностей всіх вхідних в батарею елементів. Відповідно, зросте і сила струму, яку такий пристрій буде здатне давати за певний період до повної розрядки.
послідовний спосіб
При використанні послідовного способу з'єднання АКБ слід пов'язувати різнополярні контакти. Позитивну клему одного пристрою з'єднують з негативною клемою іншого, а електрична схема підключається до вільних контактів першої і останньої батарей. Підсумкове вихідна напруга при застосуванні такого виду з'єднання буде дорівнювати сумі вихідних напруг всіх задіяних джерел електричного струму.
Наприклад, щоб отримати АКБ з вихідним напругою дванадцять вольт, слід з'єднати послідовно чотири джерела з напругою три вольта або десяток акумуляторів з вихідною напругою 1,2 вольта. Загальна ємність зібраних за допомогою послідовного з'єднання АКБ буде дорівнює ємності кожного акумулятора окремо, тобто не зміниться.
Типи джерел струму
АКБ розрізняються за своїм призначенням, характеристиками, тому як влаштований акумулятор і матеріалів, використовуваних при їх виготовленні. На сьогоднішній день в світі виробляється більше трьох десятків типів різних акумуляторів, основна відмінність між якими полягає в хімічному складі електродів, а також використовуваним видом електроліту. Так, наприклад, в групу літій-іонних акумуляторів входить дванадцять різних моделей. Найбільш популярними з усіх вироблених є такі типи:
- свинцево-кислотні;
- літієві;
- нікель-кадмієві.
На них припадає значна частина ринку елементів живлення. Для кращого уявлення про те, з яких матеріалів можуть виготовлятися сучасні акумулятори варто привести їх повний список:
Застосування при виробництві різних матеріалів значно впливає на підсумкові експлуатаційні показники і, як наслідок, на область можливого використання. Наприклад, літій-іонні АКБ часто встановлюються в мобільні комп'ютери і інші гаджети.
У той час як нікель-кадмієві акумулятори в основному використовуються як альтернатива простим одноразовим батареям. В теорії акумуляторні батареї будь-якого типу можуть поєднуватися з будь-яким пристроєм. Справа лише в доцільності і собівартості виробництва.
Основні характеристики
Вище були розглянуті матеріали, що застосовуються при виготовленні перезаряджаються елементів живлення, основні принципи їх роботи і способи з'єднання. Тепер можна перейти до їх експлуатаційними якостями. Найважливішими експлуатаційними характеристиками є:
-
щільність енергії АКБ . Цей показник дорівнює відношенню загальної кількості електроенергії, яку акумулятор здатний віддати, до його масі або об'єму. - Ємністю називають максимальний віддається акумулятором заряд у протягом циклу розрядки, до досягнення мінімального значення напруги на клемах. У метричній системі така величина виражається в кулонах (Кл), але в повсякденному житті набагато частіше застосовується позасистемна одиниця ампер-годину (Ah) або, для слабких елементів живлення міліампер-година. Також в деяких випадках може використовуватися показник, званий енергетичної ємністю. Він виражається в джоулях (система СІ) або в ват-годинах. Ємність показує прилад якої потужності і протягом якого часу може харчуватися від конкретної АКБ.
- Температурний режим - діапазон значень температури навколишнього середовища, в якому виробник рекомендує використання цього акумулятора. При значному відхиленні від рекомендованого виробником діапазону експлуатаційних температур, сильно зростає ймовірність того, що джерело живлення прийде в непридатність. Це можна пояснити впливом знижених і підвищених температур на швидкість течії хімічних реакцій, а також на зміну тиску всередині батареї.
- Саморозрядом АКБ називають втрату заряду, що відбувається в зарядженій батареї, за умови відсутності навантаження, підключеної до контактів. Величина цього показника визначається, в основному, конструкцією батареї. Вона може з часом зростати через порушення ізоляції межу електродами з цілого ряду причин.
Всі ці параметри акумуляторних батарей надають найбільший інтерес для кінцевого користувача.
пристрій електродів
Як приклад можна використовувати свинцево-кислотну батарею. Кожна осередок такого акумулятора містить пару електродів і розділові пластини, які виготовляються з пористого матеріалу, який не вступає в хімічну взаємодію з кислотою. Такі пластини покликані перешкоджати короткого замикання занурених в електроліт електродів, і називаються сепараторами.
Електроди в таких акумуляторах виконуються у вигляді плоских свинцевих решіток. В осередку таких грат запресовується порошкоподібна двоокис свинцю (в пластинах-анодах) і металевий свинець в порошкової формі (в пластинах-катодах). Застосування порошків обумовлено прагненням збільшити площу поверхні розділу на кордоні електроліт - електрод, що значно підвищує ємність такого джерела струму.
Є експериментальні зразки акумуляторів, в яких свинцеві решітки замішані електродами, що складаються з сплетених ниток вуглеволокна, які покриваються найтоншим свинцевим напиленням. Така технологія дозволяє використовувати значно менше свинцю за рахунок розподілу його по великій площі, що робить акумуляторну батарею не тільки миниатюрнее і легше, але і підвищує її ефективність. ККД вище, ніж у традиційних, а час зарядки сильно знижений.
проводить речовина
Пластини електродів і сепараторів опущені в електроліт, в якості якого в свинцево-кислотних акумуляторах використовується сірчана кислота, розведена дистильованою водою. Така вода застосовується для приготування розчину тому, що вона не впливає на кислотність середовища. Провідність одержуваного таким чином розчину залежить лише від концентрації сірчаної кислоти і кімнатних умовах буде максимальною при значенні щільності рідини-електроліту в 1,23 грама на кубічний сантиметр.
Провідність електроліту обернено пропорційна внутрішньому опору джерела живлення , І, відповідно, підвищення провідності знижує втрати енергії і збільшує ККД. Варто відзначити, що в областях холодного клімату часто використовують підвищені до 1,29-1,31 грама на кубічний сантиметр концентрації сірчаної кислоти. Це робиться для запобігання замерзання електроліту. Адже утворюється лід може пошкодити корпус акумулятора.
У батареях, які встановлюються в побутові джерела безперебійного живлення, системи сигналізації та інші побутові прилади, рідкий електроліт іноді згущується до стану пасти розчином силікату натрію. Але принцип роботи АКБ залишається тим же.
Області застосування АКБ
Акумуляторні батареї отримали широке розповсюдження у всіх видах технічних пристроїв. Без них не обходиться жодне портативний електронний пристрій: від наручних годинників до ноутбуків. Навіть в простих електричних ліхтарях виробники воліють використовувати вбудовані АКБ замість змінних елементів живлення.
Не стали винятком і автомобілі. В машинах звичних конструкцій автомобільний акумулятор використовується для запуску двигуна і безперебійного живлення бортової електрики та електроніки. У набирають все більшої популярності гібридних і електромобілях акумулятори грають ще важливішу роль. Причому в цьому випадку вимоги, що пред'являються до пристрою АКБ автомобіля, ще вище.
Вкрай важливі такі параметри: струм запуску, глибина розряду і максимальну кількість циклів перезарядки, яке здатний витримати акумулятор. Можна сміливо стверджувати, що сучасний спосіб життя був би неможливий без акумуляторних батарей.