Πώς λειτουργούν και λειτουργούν οι μπαταρίες

Με την ευρεία έννοια της λέξης στην τεχνολογία, ο όρος "μπαταρία" αναφέρεται σε μια συσκευή που επιτρέπει υπό ορισμένες συνθήκες λειτουργίας να συσσωρεύει ένα συγκεκριμένο είδος ενέργειας και σε άλλες να τη χρησιμοποιεί για ανθρώπινες ανάγκες.

Χρησιμοποιούνται όπου είναι απαραίτητο να συλλεχθεί ενέργεια για ορισμένο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για τη διεξαγωγή μεγάλων διεργασιών έντασης εργασίας. Για παράδειγμα, οι υδραυλικοί συσσωρευτές που χρησιμοποιούνται στις κλειδαριές επιτρέπουν στα πλοία να ανεβαίνουν σε ένα νέο επίπεδο στην κοίτη του ποταμού.

Οι ηλεκτρικές μπαταρίες λειτουργούν με ηλεκτρική ενέργεια με την ίδια αρχή: πρώτα, συσσωρεύουν (συσσωρεύουν) ηλεκτρική ενέργεια από μια εξωτερική πηγή φόρτισης και στη συνέχεια τη δίνουν στους συνδεδεμένους καταναλωτές για να κάνουν εργασία. Από τη φύση τους ανήκουν σε πηγές χημικού ρεύματος ικανές να πραγματοποιούν περιοδικούς κύκλους εκφόρτισης και φόρτισης επανειλημμένα.

Κατά τη λειτουργία, λαμβάνουν χώρα συνεχώς χημικές αντιδράσεις μεταξύ των συστατικών των πλακών ηλεκτροδίων με την ουσία πλήρωσής τους - τον ηλεκτρολύτη.

Ένα σχηματικό διάγραμμα μιας συσκευής μπαταρίας μπορεί να αναπαρασταθεί με ένα απλοποιημένο σχέδιο όταν δύο πλάκες διαφορετικών μετάλλων με καλώδια εισάγονται στο σώμα του δοχείου για να παρέχουν ηλεκτρικές επαφές. Ένας ηλεκτρολύτης χύνεται μεταξύ των πλακών.

Λειτουργία μπαταρίας όταν είναι αποφορτισμένη

Όταν ένα φορτίο, όπως ένας λαμπτήρας, συνδέεται με τα ηλεκτρόδια, δημιουργείται ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα μέσω του οποίου ρέει το ρεύμα εκφόρτισης. Σχηματίζεται από την κίνηση ηλεκτρονίων σε μεταλλικά μέρη και ανιόντων με κατιόντα στον ηλεκτρολύτη.

Αυτή η διαδικασία παρουσιάζεται συμβατικά σε ένα διάγραμμα με σχέδιο ηλεκτροδίου νικελίου-καδμίου.

Εδώ, ως υλικό του θετικού ηλεκτροδίου χρησιμοποιούνται οξείδια νικελίου με πρόσθετα γραφίτη, τα οποία αυξάνουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Το μέταλλο του αρνητικού ηλεκτροδίου είναι το σπογγώδες κάδμιο.

Κατά την εκκένωση, σωματίδια ενεργού οξυγόνου από οξείδια νικελίου απελευθερώνονται στον ηλεκτρολύτη και κατευθύνονται στις αρνητικές πλάκες, όπου οξειδώνεται το κάδμιο.

Απόδοση μπαταρίας κατά τη φόρτιση

Όταν το φορτίο είναι απενεργοποιημένο, εφαρμόζεται σταθερή (σε ορισμένες περιπτώσεις, παλμική) τάση στους ακροδέκτες της πλάκας μεγαλύτερης τιμής από αυτήν μιας φορτισμένης μπαταρίας ίδιας πολικότητας, όταν οι ακροδέκτες συν και πλην της πηγής και του καταναλωτή συμπίπτουν .

Ο φορτιστής έχει πάντα περισσότερη ισχύ, η οποία «καταστέλλει» την υπολειπόμενη ενέργεια στην μπαταρία και δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα προς την αντίθετη κατεύθυνση της εκφόρτισης. Ως αποτέλεσμα, οι εσωτερικές χημικές διεργασίες μεταξύ των ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη αλλάζουν. Για παράδειγμα, σε ένα κουτί πλακών νικελίου-καδμίου, το θετικό ηλεκτρόδιο εμπλουτίζεται με οξυγόνο και το αρνητικό - σε κατάσταση καθαρού καδμίου.

Όταν η μπαταρία αποφορτιστεί και φορτιστεί, η χημική σύσταση του υλικού των πλακών (ηλεκτρόδια) αλλάζει, αλλά ο ηλεκτρολύτης δεν αλλάζει.

Μέθοδοι σύνδεσης μπαταρίας

Παράλληλη σύνδεση

Η ποσότητα του ρεύματος εκφόρτισης που μπορεί να αντέξει ένα άτομο εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, αλλά κυρίως από το σχεδιασμό, τα υλικά που χρησιμοποιούνται και τις διαστάσεις τους. Όσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή των πλακών στα ηλεκτρόδια, τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα που μπορούν να αντέξουν.

Αυτή η αρχή χρησιμοποιείται για τη σύνδεση κυψελών του ίδιου τύπου παράλληλα σε μπαταρίες όταν είναι απαραίτητο να αυξηθεί το ρεύμα στο φορτίο.Αλλά για τη φόρτιση ενός τέτοιου σχεδίου, θα χρειαστεί να αυξηθεί η ισχύς της πηγής. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται σπάνια για έτοιμες κατασκευές, καθώς τώρα είναι πολύ πιο εύκολο να αγοράσετε αμέσως την απαραίτητη μπαταρία. Αλλά οι κατασκευαστές μπαταριών οξέος το χρησιμοποιούν, συνδέοντας διαφορετικές πλάκες σε μεμονωμένα μπλοκ.

Σειριακή σύνδεση

Ανάλογα με τα υλικά που χρησιμοποιούνται, μπορεί να δημιουργηθεί τάση 1,2 / 1,5 ή 2,0 βολτ μεταξύ των δύο πλακών ηλεκτροδίων των μπαταριών που συνηθίζονται στην καθημερινή ζωή. (Στην πραγματικότητα, αυτό το εύρος είναι πολύ μεγαλύτερο.) Προφανώς, δεν επαρκεί για πολλές ηλεκτρικές συσκευές. Επομένως, μπαταρίες του ίδιου τύπου συνδέονται σε σειρά και αυτό γίνεται συχνά σε μία περίπτωση.

Ένα παράδειγμα τέτοιου σχεδιασμού είναι η ευρεία ανάπτυξη της αυτοκινητοβιομηχανίας που βασίζεται σε πλάκες θειικού οξέος και ηλεκτροδίων μολύβδου.

Συνήθως, μεταξύ των ανθρώπων, ειδικά μεταξύ των οδηγών μεταφοράς, συνηθίζεται να αποκαλούμε οποιαδήποτε συσκευή μπαταρία, ανεξάρτητα από τον αριθμό των συστατικών της στοιχείων - κουτιών. Ωστόσο, αυτό δεν είναι απολύτως σωστό.Η δομή, συναρμολογημένη από πολλά κιβώτια συνδεδεμένα σε σειρά, είναι ήδη μια μπαταρία, για την οποία έχει τοποθετηθεί η συντομογραφία «АКБ»... Η εσωτερική της δομή φαίνεται στο σχήμα.

Κάθε ένα από τα βάζα αποτελείται από δύο μπλοκ με ένα σετ πλακών για τα θετικά και αρνητικά ηλεκτρόδια. Τα μπλοκ ταιριάζουν μεταξύ τους χωρίς μεταλλική επαφή με δυνατότητα αξιόπιστης γαλβανικής σύνδεσης μέσω του ηλεκτρολύτη.

Σε αυτή την περίπτωση, οι πλάκες επαφής έχουν ένα πρόσθετο πλέγμα και χωρίζονται μεταξύ τους με διαχωριστική πλάκα.

Η σύνδεση των πλακών σε μπλοκ αυξάνει την επιφάνεια εργασίας τους, μειώνει τη συνολική αντίσταση ολόκληρης της δομής και σας επιτρέπει να αυξήσετε την ισχύ του συνδεδεμένου φορτίου.

Στο εξωτερικό του κουτιού, μια τέτοια μπαταρία έχει τα στοιχεία που φαίνονται στο παρακάτω σχήμα.

Δείχνει ότι το ανθεκτικό πλαστικό περίβλημα είναι σφραγισμένο με κάλυμμα και εξοπλισμένο με δύο ακροδέκτες (συνήθως σε σχήμα κώνου) από πάνω για σύνδεση με το ηλεκτρικό κύκλωμα του αυτοκινήτου. Οι ενδείξεις πολικότητας είναι σφραγισμένες στους ακροδέκτες τους: «+» και «-«. Συνήθως ο θετικός ακροδέκτης έχει ελαφρώς μεγαλύτερη διάμετρο από τον αρνητικό ακροδέκτη για να μπλοκάρει τα σφάλματα καλωδίωσης.

Οι μπαταρίες που μπορούν να επισκευαστούν έχουν μια οπή πλήρωσης στο πάνω μέρος κάθε βάζου για τον έλεγχο της στάθμης του ηλεκτρολύτη ή την προσθήκη απεσταγμένου νερού κατά τη λειτουργία. Σε αυτό βιδώνεται ένα βύσμα, το οποίο προστατεύει τις εσωτερικές κοιλότητες της θήκης από μόλυνση και ταυτόχρονα αποτρέπει τη διαρροή του ηλεκτρολύτη όταν η μπαταρία έχει κλίση.

Δεδομένου ότι με μια ισχυρή φόρτιση, είναι δυνατή η εκτόξευση αερίων από τον ηλεκτρολύτη (και αυτή η διαδικασία είναι δυνατή κατά την εντατική οδήγηση), γίνονται τρύπες στα βύσματα για να αποτραπεί η αύξηση της πίεσης μέσα στο κουτί.Το οξυγόνο και το υδρογόνο, καθώς και οι ατμοί των ηλεκτρολυτών, εξέρχονται από αυτά. Συνιστάται να αποφεύγετε τέτοιες καταστάσεις που περιλαμβάνουν υπερβολικά ρεύματα φόρτισης.

Το ίδιο σχήμα δείχνει τη σύνδεση των στοιχείων μεταξύ των τραπεζών και τη διάταξη των πλακών ηλεκτροδίων.

Οι μπαταρίες εκκίνησης αυτοκινήτου (οξέος μολύβδου) λειτουργούν με βάση την αρχή της διπλής θείωσης. Κατά την εκφόρτιση / φόρτιση, λαμβάνει χώρα μια ηλεκτροχημική διαδικασία σε αυτά, που συνοδεύεται από αλλαγή της χημικής σύστασης της ενεργού μάζας των ηλεκτροδίων με την απελευθέρωση / απορρόφηση νερού στον ηλεκτρολύτη (θειικό οξύ).

Αυτό εξηγεί την αύξηση του ειδικού βάρους του ηλεκτρολύτη κατά τη φόρτιση και τη μείωση όταν η μπαταρία είναι αποφορτισμένη. Με άλλα λόγια, η τιμή της πυκνότητας σάς επιτρέπει να αξιολογήσετε την ηλεκτρική κατάσταση της μπαταρίας. Για τη μέτρησή του χρησιμοποιείται μια ειδική συσκευή - ένα υδρόμετρο αυτοκινήτου.

Το απεσταγμένο νερό, το οποίο αποτελεί μέρος του ηλεκτρολύτη των μπαταριών οξέος, μετατρέπεται σε στερεή κατάσταση - πάγος σε αρνητικές θερμοκρασίες. Επομένως, για να αποφευχθεί το πάγωμα των μπαταριών αυτοκινήτων σε κρύο καιρό, είναι απαραίτητο να εφαρμόζονται ειδικά μέτρα που προβλέπονται στους κανόνες για εκμετάλλευση.

Τι τύποι μπαταριών υπάρχουν;

Η σύγχρονη παραγωγή για διάφορους σκοπούς παράγει περισσότερα από τρεις δωδεκάδες προϊόντα με διαφορετική σύνθεση ηλεκτροδίων και ηλεκτρολύτη. 12 γνωστά μοντέλα λειτουργούν μόνο με λίθιο.

Τα ακόλουθα μπορούν να βρεθούν ως μέταλλο ηλεκτροδίου:

• οδηγω;

• σίδερο;

• λίθιο;

• τιτάνιο;

• κοβάλτιο;

• κάδμιο;

• νικέλιο;

• ψευδάργυρος;

• ασήμι;

• βανάδιο;

• αλουμίνιο

• κάποια άλλα στοιχεία.

Επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά ηλεκτρικής εξόδου και συνεπώς την εφαρμογή.

Η ικανότητα αντοχής σε βραχυπρόθεσμα υψηλά φορτία που προκύπτουν από την περιστροφή των στροφαλοφόρων αξόνων των κινητήρων εσωτερικής καύσης από ηλεκτρικούς κινητήρες εκκίνησης είναι χαρακτηριστική των μπαταριών μολύβδου-οξέος. Χρησιμοποιούνται ευρέως στις μεταφορές, τα αδιάλειπτα τροφοδοτικά και τα συστήματα τροφοδοσίας έκτακτης ανάγκης.

Πρότυπο γαλβανικά κύτταρα (κανονικές μπαταρίες) συνήθως αντικαθίστανται από μπαταρίες νικελίου-καδμίου, νικελίου-ψευδαργύρου και νικελίου-υδριδίου μετάλλου.

Αλλά τα σχέδια ιόντων λιθίου ή πολυμερών λιθίου λειτουργούν αξιόπιστα σε κινητές συσκευές και υπολογιστικές συσκευές, εργαλεία κατασκευής, ακόμη και ηλεκτρικά οχήματα.

Ανάλογα με τον τύπο του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται, οι μπαταρίες είναι:

• θυμώνω

• αλκαλική.

Υπάρχει μια ταξινόμηση των μπαταριών ανάλογα με το σκοπό. Για παράδειγμα, στις σύγχρονες συνθήκες, έχουν εμφανιστεί συσκευές που χρησιμοποιούνται για μεταφορά ενέργειας - επαναφόρτιση άλλων πηγών. Η λεγόμενη εξωτερική μπαταρία βοηθά τους ιδιοκτήτες πολλών φορητών συσκευών απουσία εναλλασσόμενου ηλεκτρικού δικτύου. Είναι σε θέση να φορτίζει επανειλημμένα tablet, smartphone, κινητό τηλέφωνο.

Όλες αυτές οι μπαταρίες έχουν την ίδια αρχή λειτουργίας και παρόμοια συσκευή. Για παράδειγμα, το μοντέλο δακτύλου ιόντων λιθίου που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα επαναλαμβάνει με πολλούς τρόπους τον σχεδιασμό των μπαταριών οξέος που συζητήθηκε προηγουμένως.

Εδώ βλέπουμε τα ίδια ηλεκτρόδια επαφής, πλάκες, διαχωριστήρα και περίβλημα. Μόνο που κατασκευάζονται λαμβάνοντας υπόψη άλλες συνθήκες εργασίας.

Βασικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μιας μπαταρίας

Η λειτουργία της συσκευής επηρεάζεται από τις παραμέτρους:

• χωρητικότητα;

• ενεργειακή πυκνότητα?

• αυτοαπαλλαγή?

• καθεστώς θερμοκρασίας.

Χωρητικότητα ονομάζεται η μέγιστη φόρτιση της μπαταρίας, την οποία μπορεί να δώσει κατά την εκφόρτιση στη χαμηλότερη τάση. Εκφράζεται σε μενταγιόν (σύστημα SI) και αμπέρ ώρες (μονάδα εκτός συστήματος).

Ως τύπος χωρητικότητας υπάρχει η «ενεργειακή χωρητικότητα», η οποία καθορίζει την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την εκφόρτιση στην ελάχιστη επιτρεπόμενη τάση. Μετριέται σε τζάουλ (SI) και βατώρες (μονάδες εκτός SI).

Η ενεργειακή πυκνότητα εκφράζεται ως ο λόγος της ποσότητας ενέργειας προς το βάρος ή τον όγκο της μπαταρίας.

Η αυτοεκφόρτιση λάβετε υπόψη την απώλεια χωρητικότητας μετά τη φόρτιση εάν δεν υπάρχει φορτίο στους ακροδέκτες. Αυτό εξαρτάται από τον σχεδιασμό και επιδεινώνεται από τις βλάβες της μόνωσης μεταξύ των ηλεκτροδίων για πολλούς λόγους.

Η θερμοκρασία λειτουργίας επηρεάζει τις ηλεκτρικές ιδιότητες και σε περίπτωση σοβαρών αποκλίσεων από τον κανόνα που καθορίζει ο κατασκευαστής, μπορεί να προκαλέσει βλάβη στην μπαταρία. Η ζέστη και το κρύο είναι απαράδεκτα, επηρεάζουν την πορεία των χημικών αντιδράσεων και την πίεση του περιβάλλοντος μέσα στο κουτί.