L'ambito di applicazione delle batterie elettriche è estremamente ampio. Sono utilizzati come fonti di energia elettrica in giocattoli per bambini, e negli utensili elettrici e come fonte di trazione nei veicoli elettrici. Per utilizzare correttamente le batterie, è necessario conoscerne le proprietà, i punti di forza e di debolezza.
Contenuto
Cos'è una batteria elettrica e come funziona
Batteria elettrica - è rinnovabile fonte di energia elettrica. A differenza delle celle galvaniche, una volta scaricate, può essere ricaricata. In linea di principio, tutte le batterie sono disposte allo stesso modo e sono costituite da un catodo e un anodo posti in un elettrolita.
Il materiale degli elettrodi e la composizione dell'elettrolita possono essere diversi e questo è ciò che determina le proprietà di consumo delle batterie e la loro portata.Tra il catodo e l'anodo può essere posato un separatore dielettrico poroso, un separatore impregnato di elettrolita. Ma determina, per la maggior parte, le proprietà meccaniche dell'assieme e non influisce fondamentalmente sul funzionamento dell'elemento.
In generale, il funzionamento a batteria si basa su due trasformazioni energetiche:
- da elettrico a chimico durante la ricarica;
- chimico in elettrico durante la scarica.
Entrambi i tipi di conversione si basano sul verificarsi di reazioni chimiche reversibili, il cui corso è determinato dalle sostanze utilizzate nella batteria. Quindi, in una cella al piombo, la parte attiva dell'anodo è fatta di biossido di piombo e il catodo è fatto di piombo metallico. Gli elettrodi sono in un elettrolita di acido solforico. Quando viene scaricato all'anodo, il biossido di piombo viene ridotto per formare solfato di piombo e acqua e il piombo al catodo viene ossidato a solfato di piombo. Durante la carica si verificano reazioni inverse. Nelle batterie di altri modelli, i componenti reagiscono in modo diverso, ma il principio è simile.
Tipi e tipi di batterie
Le proprietà di consumo delle batterie sono determinate principalmente dalla sua tecnologia di produzione. Nella vita di tutti i giorni e nell'industria, sono più comuni diversi tipi di celle della batteria.
Piombo acido
Questo tipo di batteria è stato inventato a metà del 19° secolo e ha ancora una sua nicchia di applicazione. I suoi vantaggi includono:
- tecnologia di produzione semplice, economica e vecchia di decenni;
- alta corrente di uscita;
- lunga durata (da 300 a 1000 cicli di carica-scarica);
- la più bassa corrente di autoscarica;
- nessun effetto memoria.
Ci sono anche degli svantaggi.Innanzitutto si tratta di una bassa intensità di energia specifica, che porta ad un aumento delle dimensioni e del peso. C'è anche scarso rendimento alle basse temperature, soprattutto al di sotto dei meno 20 °C. Ci sono anche problemi con lo smaltimento: i composti di piombo sono piuttosto tossici. Ma questo compito deve essere indirizzato per altri tipi di batterie.
Mentre le batterie al piombo sono state ottimizzate al massimo, anche qui c'è spazio per miglioramenti. Ad esempio, esiste la tecnologia AGM, secondo la quale un materiale poroso impregnato di un elettrolita viene posto tra gli elettrodi. Ciò non influisce sui processi elettrochimici di carica e scarica. In sostanza, ciò migliora le caratteristiche meccaniche delle batterie (resistenza alle vibrazioni, capacità di lavorare in quasi tutte le posizioni, ecc.) e aumenta leggermente la sicurezza di funzionamento.
Un altro vantaggio notevole è il funzionamento migliorato senza perdita di capacità e uscita di corrente a temperature fino a meno 30 °C. I produttori di batterie AGM dichiarano un aumento della corrente di avviamento e delle risorse.
Le batterie al gel sono un'altra modifica delle batterie al piombo. L'elettrolito si addensa fino a raggiungere uno stato gelatinoso. Ciò consente di escludere la fuoriuscita di elettrolita durante il funzionamento ed elimina la possibilità di formazione di gas. Ma l'uscita di corrente è leggermente ridotta e questo limita la possibilità di utilizzare batterie al gel come batterie di avviamento. Le proprietà miracolose dichiarate di tali batterie in termini di maggiore capacità e aumento delle risorse sono sulla coscienza dei marketer.
Le batterie al piombo vengono solitamente caricate in modalità di stabilizzazione della tensione. Allo stesso tempo, la tensione sulla batteria aumenta e la corrente di carica diminuisce. Il criterio per la fine del processo di ricarica è la caduta di corrente al limite impostato.
Nichel-cadmio
Il loro secolo sta volgendo al termine e la portata si sta gradualmente riducendo. Il loro principale svantaggio è un pronunciato effetto memoria. Se inizi a ricaricare una batteria Ni-Cd non completamente scarica, l'elemento "ricorda" questo livello e la capacità viene ulteriormente determinata da questo valore. Un altro problema è la bassa compatibilità ambientale. I composti tossici del cadmio creano problemi con lo smaltimento di tali batterie. Altri svantaggi includono:
- alta tendenza all'autoscarica;
- consumo energetico relativamente basso.
Ma ci sono anche dei vantaggi:
- a basso costo;
- lunga durata (fino a 1000 cicli di carica-scarica);
- capacità di fornire corrente elevata.
Inoltre, i vantaggi di tali batterie includono la capacità di lavorare a basse temperature negative.
La carica delle celle Ni-Cd viene effettuata in modalità corrente continua. È possibile utilizzare completamente la capacità ricaricando con una diminuzione graduale o graduale della corrente di carica. La fine del processo è controllata diminuendo la tensione della cella.
Idruro di nichel metallico
Progettato per sostituire le batterie al nichel-cadmio. Molte caratteristiche e proprietà di consumo sono superiori a quelle del Ni-Cd. È stato possibile eliminare parzialmente l'effetto memoria, aumentare l'intensità dell'energia di circa una volta e mezza e ridurre la tendenza all'autoscarica. Allo stesso tempo, è stata preservata un'elevata efficienza di corrente e il costo è rimasto approssimativamente allo stesso livello. Il problema ambientale è mitigato: le batterie vengono prodotte senza l'uso di composti tossici. Ma abbiamo dovuto pagare per questo con una risorsa notevolmente ridotta (fino a 5 volte) e la capacità di lavorare a temperature negative - solo fino a -20°C contro -40°C per quelle al nichel-cadmio.
Tali celle vengono caricate in modalità corrente continua. La fine del processo è controllata aumentando la tensione su ciascun elemento fino a 1,37 volt. La più favorevole è la modalità di corrente pulsata con picchi negativi. Questo elimina gli effetti dell'effetto memoria.
agli ioni di litio
Le batterie agli ioni di litio stanno conquistando il mondo. Spostano altri tipi di batterie da quelle aree in cui la situazione sembrava irremovibile. Le celle agli ioni di litio non hanno praticamente effetto memoria (è presente, ma a livello teorico), resistono fino a 600 cicli di carica-scarica, l'intensità energetica è 2-3 volte superiore al rapporto tra capacità e peso del nichel-metallo idruro batterie.
Anche la tendenza all'autoscarica durante lo stoccaggio è minima, ma devi letteralmente pagare per tutto questo: tali batterie sono molto più costose di quelle tradizionali. Ci si può aspettare riduzioni di prezzo con lo sviluppo della produzione, come di solito accade, ma è improbabile che altri svantaggi intrinseci di tali batterie - ridotta efficienza di corrente, incapacità di lavorare a temperature negative - vengano superati nell'ambito delle tecnologie esistenti.
Insieme a un aumento del rischio di incendio, questo ne ostacola in qualche modo l'uso Batterie agli ioni di litio. Va inoltre tenuto presente che tali elementi sono soggetti a degrado. Anche se non vengono caricati e scaricati, la loro stessa risorsa va a zero in 1,5 ... 2 anni di stoccaggio.
La modalità di ricarica più favorevole è in due fasi. Innanzitutto, una corrente stabile (con una tensione in graduale aumento), quindi una tensione stabile (con una corrente in graduale diminuzione). In pratica, il secondo stadio è realizzato sotto forma di una corrente di carica ridotta gradualmente. Ancora più spesso, questa fase consiste in una fase: la corrente stabilizzata diminuisce semplicemente.
Principali caratteristiche delle batterie
Il primo parametro a cui prestare attenzione quando si sceglie una batteria è il suo Tensione nominale. La tensione di una cella della batteria è determinata dai processi fisico-chimici che si verificano all'interno della cella e dipende dal tipo di batteria. Una banca completamente carica fornisce:
- elemento al piombo - 2,1 volt;
- nichel-cadmio - 1,25 volt;
- nichel metallo idruro - 1,37 volt;
- ioni di litio - 3,7 volt.
Per ottenere una tensione più alta, le celle sono assemblate in batterie. Quindi, per una batteria per auto, è necessario collegare 6 lattine di piombo in serie per ottenere 12 volt (più precisamente, 12,6 V) e per un cacciavite da 18 volt, 5 lattine agli ioni di litio da 3,7 volt ciascuna.
Il secondo parametro importante è capacità. Determina la durata della batteria sotto carico. Si misura in amperora (il prodotto di corrente e tempo). Quindi, una batteria con una capacità di 3 A⋅h scaricata con una corrente di 1 ampere verrà scaricata in 3 ore e con una corrente di 3 ampere - in 1 ora.
Importante! In senso stretto, Capacità della batteria dipende dalla corrente scarica, quindi il prodotto della corrente e del tempo di scarica a diversi valori di carico per una batteria non sarà lo stesso.
E il terzo parametro importante - alimentazione attuale. Questa è la corrente massima che la batteria può fornire. È importante, ad esempio, per batteria per autoveicoli - determina la possibilità di girare l'albero motore nella stagione fredda. Inoltre, la capacità di fornire corrente elevata, creando una coppia elevata, è importante, ad esempio, per gli utensili elettrici. E per i gadget mobili, questa caratteristica non è così importante.
Le proprietà elettriche e le qualità di consumo delle batterie dipendono dalla loro tecnologia di progettazione e produzione. L'uso corretto delle batterie significa sfruttare i vantaggi delle fonti energetiche chimiche rinnovabili e livellare gli svantaggi.
Articoli simili:
