Аккумулятор принцип работы: устройство, принцип работы, характеристики автомобильного аккумулятора

Содержание

§42. Кислотные аккумуляторы | Электротехника

Принцип действия. Аккумулятором называется химический источник тока, который способен накапливать (аккумулировать) в себе электрическую энергию и по мере необходимости отдавать ее во внешнюю цепь. Накапливание в аккумуляторе электрической энергии происходит при пропускании по нему тока от

Рис. 158. Заряд (а) и разряд (б) аккумулятора

постороннего источника (рис. 158,а). Этот процесс, называемый зарядом аккумулятора, сопровождается превращением электрической энергии в химическую, в результате чего аккумулятор сам становится источником тока. При разряде аккумулятора (рис. 158, б) происходит обратное превращение химической энергии в электрическую. Аккумулятор обладает большим преимуществом по сравнению с гальваническим элементом. Если элемент разрядился, то он приходит в полную негодность; аккумулятор же. после разряда может быть вновь заряжен и будет служить источником электрической энергии. В зависимости от рода электролита аккумуляторы разделяют на кислотные и щелочные.

На локомотивах и электропоездах наибольшее распространение получили щелочные аккумуляторы, которые имеют значительно больший срок службы, чем кислотные. Кислотные аккумуляторы ТН-450 применяют только на тепловозах, они имеют емкость 450 А*ч, номинальное напряжение — 2,2 В. Аккумуляторная батарея 32 ТН-450 состоит из 32 последовательно соединенных аккумуляторов; буква Т означает, что батарея установлена на тепловозе, буква Н — тип положительных пластин (намазные).

Устройство. В кислотном аккумуляторе электродами являются свинцовые пластины, покрытые так называемыми активными массами, которые взаимодействуют с электролитом при электрохимических реакциях в процессе заряда и разряда. Активной массой положительного электрода (анода) служит перекись свинца PbO2, а активной массой отрицательного электрода (катода) — чистый (губчатый) свинец Pb. Электролитом является 25—34 %-ный водный раствор серной кислоты.

Пластины аккумулятора могут иметь конструкцию поверхностного или намазного типа. Пластины поверхностного типа отливают из свинца; поверхность их, на которой происходят электрохимические реакции, увеличена благодаря наличию ребер, борозд и т. п. Их применяют в стационарных аккумуляторных батареях и некоторых батареях пассажирских вагонов.

В аккумуляторных батареях тепловозов применяют пластины намазного типа (рис. 159, а). Такие пластины имеют остов из сплава свинца с сурьмой, в котором устроен ряд ячеек, заполняемых пастой.

Ячейки пластин после заполнения пастой закрывают свинцовыми листами с большим количеством отверстий. Эти листы предотвращают возможность выпадания из пластин активной массы и не препятствуют в то же время доступу к ней электролита.

Исходным материалом для изготовления пасты для положительных пластин служит порошок свинца Pb, а для отрицательных— порошок , перекиси свинца PbO2, которые замешиваются на водном растворе серной кислоты. Строение активных масс в таких пластинах пористое; благодаря этому в электрохимических реакциях участвуют не только поверхностные, но и глубоколежащие слои электродов аккумулятора.

Для повышения пористости и уменьшения усадки активной массы в пасту добавляют графит, сажу, кремний, стеклянный порошок, сернокислый барий и другие инертные материалы, называемые расширителями. Они не принимают участия в электрохимических реакциях, но затрудняют слипание (спекание) частиц свинца и его окислов и предотвращают этим уменьшение пористости.

Намазные пластины имеют большую поверхность соприкосновения с электролитом и хорошо им пропитываются, что способствует уменьшению массы и размеров аккумулятора и позволяет получать при разряде большие токи.

Рис. 159. Устройство пластин (а) и общий вид (б) кислотного аккумулятора: 1 — блок намазных отрицательных пластин; 2 — выводные штыри; 3 — блок панцирных положительных пластин; 4 — панцирь; 5 — активная масса; 6 — отверстие с пробкой для заливки электролита; 7 — крышка; 8 — эбонитовый сосуд; 9 — пространство для осаждения шлама

При изготовлении аккумуляторов пластины подвергают специальным зарядно-разрядным циклам. Этот процесс носит название формовки аккумулятора. В результате формовки паста положительных пластин электрохимическим путем превращается в перекись (двуокись) свинца PbO2 и приобретает коричневый цвет. Паста отрицательных пластин при формовке переходит в чистый свинец Pb, имеющий пористую структуру и называемый поэтому губчатым; отрицательные пластины приобретают серый цвет.

В некоторых аккумуляторах применены положительные пластины панцирного типа. В них каждая положительная пластина заключена в специальный панцирь (чехол) из эбонита или стеклоткани. Панцирь надежно удерживает активную массу пластины от осыпания при тряске и толчках; для сообщения же активной массы пластин с электролитом в панцире делают горизонтальные прорези шириной около 0725 мм.

Для предотвращения замыкания пластин посторонними предметами (щупом для измерения уровня электролита, устройством для заливки электролита и др.) пластины в некоторых аккумуляторах покрывают полихлорвиниловой сеткой.

Для увеличения емкости в каждый аккумулятор устанавливают несколько положительных и отрицательных пластин; одноименные пластины соединяют параллельно в общие блоки, к которым приваривают выводные штыри. Блоки положительных и отрицательных пластин обычно устанавливают в эбонитовом аккумуляторном сосуде (рис. 159,б) так, чтобы между каждыми двумя

Рис. 160. Прохождение через электролит положительных и отрицательных ионов при разряде (а) и заряде (б) кислотного аккумулятора

пластинами одной полярности располагались пластины другой полярности. По краям аккумулятора ставят отрицательные пластины, так как положительные пластины при установке по краям склонны к короблению. Пластины отделяют одну от другой сепараторами, выполненными из микропористого эбонита, полихлорвинила, стекловойлока или другого изоляционного материала. Сепараторы предотвращают возможность короткого замыкания между пластинами при их короблении.

Пластины устанавливают в аккумуляторном сосуде так, чтобы между их нижней частью и дном сосуда имелось некоторое свободное пространство. В этом пространстве скапливается свинцовый осадок (шлам), образующийся вследствие отпадания отработавшей активной массы пластин в процессе эксплуатации.

Разряд и заряд. При разряде аккумулятора (рис. 160, а) положительные ионы H2+ и отрицательные ионы кислотного остатка
S04-, на которые распадаются молекулы серной кислоты H2S04 электролита 3, направляются соответственно к положительному
1 и отрицательному 2 электродам и вступают в электрохимические реакции с их активными массами. Между электродами возникает
разность потенциалов около 2 В, обеспечивающая прохождение электрического тока при замыкании внешней цепи. В результате

электрохимических реакций, возникающих при взаимодействии ионов водорода с перекисью свинца PbO2 положительного
электрода и ионов сернокислого остатка S04— со свинцом Pb отрицательного электрода, образуется сернокислый свинец PbS04 (сульфат свинца), в который превращаются поверхностные слои активной массы обоих электродов. Одновременно при этих реакциях образуется некоторое количество воды, поэтому концентрация серной кислоты понижается, т. е. плотность электролита уменьшается.

Аккумулятор может разряжаться теоретически до полного превращения активных масс электродов в сернокислый свинец и истощения электролита. Однако практически разряд прекращают гораздо раньше. Образующийся при разряде сернокислый свинец представляет собой соль белого цвета, плохо растворяющуюся в электролите и обладающую низкой электропроводностью. Поэтому разряд ведут не до конца, а только до того момента, когда в сернокислый свинец перейдет около 35 % активной массы. В этом случае образовавшийся сернокислый свинец равномерно распределяется в виде мельчайших кристалликов в оставшейся активной массе, которая сохраняет еще достаточную электропроводность, чтобы обеспечить напряжение между электродами 1,7—1,8 В.

Разряженный аккумулятор подвергают заряду, т. е. присоединяют к источнику тока с напряжением, большим напряжения аккумулятора. При заряде (рис. 160,б) положительные ионы водорода перемещаются к отрицательному электроду 2, а отрицательные ионы сернокислого остатка S04— — положительному электроду 1 и вступают в химическое взаимодействие с сульфатом свинца PbS04, покрывающим оба электрода. В процессе возникающих электрохимических реакций сульфат свинца PbS04 растворяется и на электродах вновь образуются активные массы: перекись свинца PbO2 на положительном электроде и губчатый свинец Pb — на отрицательном. Концентрация серной кислоты при этом возрастает, т. е. плотность электролита увеличивается.

Электрохимические реакции при разряде и заряде аккумулятора могут быть выражены уравнением

PbO2 + Pb + 2H2SO4 ? 2PbSO4 + 2H2O

Читая это уравнение слева направо, получаем процесс разряда, справа налево — процесс заряда.

Номинальный разрядный ток численно равен 0,1СНОМ, максимальный при запуске дизеля (стартерный режим) — примерно 3СНОМ, зарядный ток — 0,2 СНОМ, где СНОМ — номинальная емкость.

Полностью заряженный аккумулятор имеет э. д. с. около 2,2 В. Таково же приблизительно и напряжение на его зажимах, так как внутреннее сопротивление аккумулятора весьма мало. При разряде напряжение аккумулятора довольно быстро падает до 2 В, а затем медленно понижается до 1,8—1,7 В (рис. 161), при этом напряжении разряд прекращают во избежание повреждения аккумулятора. Если разряженный аккумулятор оставить на некоторое время в бездействии, то напряжение его снова восстанавливается до среднего значения 2 В. Это явление носит название «отдыха» аккумулятора. При нагрузке подобного «отдохнувшего» аккумулятора напряжение быстро понижается, поэтому

измерение напряжения аккумулятора без нагрузки не дает правильного суждения о степени разряда.

При заряде напряжение аккумулятора быстро поднимается до 2,2 В, а затем медленно повышается до 2,3 В и, наконец, снова довольно быстро возрастает до 2,6—2,7 В. При 2,4 В начинают выделяться пузырьки газа, образующегося в результате разложения воды на водород и кислород. При 2,5 В оба электрода выделяют сильную струю газа, а при 2,6—2,7 В аккумулятор начинает как бы кипеть, что служит признаком окончания заряда. При отключении аккумулятора от источника зарядного тока напряжение его быстро снижается до 2,2 В.

Уход за аккумуляторами. Кислотные аккумуляторы быстро теряют емкость или даже приходят в полную негодность при

Рис. 161. Кривые напряжения кислотного аккумулятора при заряде и разряде

неправильной эксплуатации. В них происходит саморазряд, в результате которого они теряют свою емкость (примерно 0,5— 0,7 % в сутки). Для компенсации саморазряда неработающие аккумуляторные батареи необходимо периодически подзаряжать. При загрязнении электролита, а также крышек аккумуляторов, их выводов и междуэлементных соединений происходит повышенный саморазряд, быстро истощающий батарею.

Батарея аккумулятора должна быть всегда чистой, а выводы для предохранения от окисления покрыты тонким слоем технического вазелина. Периодически нужно проверять уровень электролита и степень заряженности аккумуляторов. Аккумуляторы должны периодически заряжаться. Хранение незаряженных аккумуляторов недопустимо. При неправильной эксплуатации аккумуляторов (разряде ниже 1,8—1,7 В, систематическом недозаряде, неправильном проведении заряда, длительном хранении незаряженного аккумулятора, понижении уровня электролита, чрезмерной плотности электролита) происходит повреждение их пластин, называемое сульфатацией. Это явление заключается в переходе мелкокристаллического сульфата свинца, покрывающего пластины при разряде, в нерастворимые крупнокристаллические химические соединения, которые при заряде не переходят в перекись свинца РbO2 и свинец РЬ. При этом аккумулятор становится непригодным для эксплуатации.

Российские ученые выяснили принцип работы анода натрий-ионных аккумуляторов

Ученые из Сколтеха и МГУ определили процессы, лежащие в основе работы анодного материала для нового перспективного класса химических источников тока – натрий-ионных аккумуляторов (НИА). Полученные данные, в совокупности с разработанным этой же группой способом получения анодов, позволят приблизить коммерциализацию НИА в России и мире. Исследование опубликовано в журнале Electrochimica Acta.

 

Иллюстрация: Сколтех

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) – наиболее востребованный на сегодняшний день химический источник тока. Их сфера применения крайне обширна – от мобильных телефонов (несколько ватт-часов) до буферных систем электростанций (миллионы ватт-часов). Потребность в ЛИА и средний размер накопителей постоянно растет, но этот тренд сталкивается с определенными проблемами – дороговизна литиевых солей, ограниченность его мировых запасов, неоднородность распределения литий-содержащих полезных ископаемых по странам. Для преодоления этих трудностей ученые всего мира, в том числе и в России, создают альтернативную технологию – натрий-ионные аккумуляторы (НИА), которая сможет потеснить не только ЛИА, но и все еще  активно используемые свинец-кислотные аккумуляторы.

Натрий – шестой по распространенности в земной коре элемент, его соли стоят примерно на два порядка ниже солей лития. По своим химическим свойствам он близок к литию, но имеющиеся различия обуславливают необходимость разработки новых подходов для создания НИА. Основные компоненты аккумулятора – катод, анод и электролит. Существует целый ряд составов и структур, перспективных для катодных материалов; то же касается и электролита. Основная на сегодняшний день проблема НИА – анод. Если в ЛИА успешно применяют графит, то для НИА он не подходит – из-за несоответствия размеров углеродных шестиугольников и катиона натрия интеркаляции не происходит. Фактически есть только один материал, способный применяться на практике – так называемый «твердый углерод», или hard carbon. Он представляет собой разупорядоченное формирование из изогнутых графитоподобных слоев и способен запасать количество натрия, сопоставимое с графитом в литиевой системе. А вот как именно это происходит – до сих пор доподлинно неизвестно.

«Существует целый ряд гипотез о возможных механизмах внедрения натрия в hard carbon, – говорит руководитель работы, старший научный сотрудник Центра энергетических наук и технологий Сколтеха и МГУ Олег Дрожжин, – мы в своей работе доказали правомерность одной из них, дополнительно слегка ее расширив. Мы обнаружили, что основной заряд «твердый углерод» набирает по интеркаляционному механизму, и это отличная новость. Интеркаляция – это то, что нужно аккумулятору, а поверхностные процессы, связанный с «псевдоемкостью» – это удел суперконденсаторов, то есть очень узкой ниши химических источников тока. Забавно, что наш японский коллега, у которого проходила стажировку главный исполнитель этой работы – аспирантка МГУ Зоя Бобылева – придерживался поначалу совсем другой теории. Он является чуть ли не главным специалистом в мире по НИА и «твердому углероду», и убедить его в нашей правоте было непросто. Но мы это сделали»

В прошлом году Нобелевскую премию по химии получили трое ученых, чьи работы заложили основу для ЛИА. Одна из этих премий получена благодаря «твердому углероду» – именно после открытия этого анода технология ЛИА обрела свою жизнь. Впоследствии «твердый углерод» в ЛИА был заменен на графит. Теперь, спустя три десятилетия, «твердый углерод» снова сможет оказаться родоначальником новой технологии.

«Эта работа примечательна не только выяснением механизма работы «твердого углерода» в натрий-ионной системе, – комментирует профессор Сколтеха и заведующий кафедрой электрохимии на Химическом факультете МГУ Евгений Антипов, – но и тем, что мы научились делать «твердый углерод» с емкостью более 300 мАч/г – то есть он уже не уступает графиту в ЛИА. Понятно, что кропотливая работа по разработке и оптимизации методики обычно остается «за кадром», о ней редко пишут в такого рода статьях, поэтому нам важно показать результат: мы научились делать хорошие анодные материалы для НИА и мы понимаем, как они работают».

Работа была выполнена при участии ученых из Токийского университета науки и Университета г. Страсбург и при финансовой поддержке Российского научного фонда.

Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81

*protected email* *protected email*

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — Принцип работы

В настоящее время литий-ионный аккумулятор используется абсолютно во всей домашней и портативной электронике.

li-on аккумуляторы в гаджетах и устройствах

Можно без преувеличения сказать: без портативных источников питания, мир современной техники был бы намного беднее. Все разнообразие карманных электронных гаджетов, приборов, смартфонов, гироскутеров, электромобилей наконец, стало возможным благодаря литий-ионным аккумуляторам.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Давайте рассмотрим литий-ионный аккумулятор. Как видите, он состоит из нескольких слоев с различным химическим составом.

состав литий-ионного аккумулятора

В основе работы литий-ионного аккумулятора лежит, так называемый, электрохимический потенциал. Суть его в том, что металлы стремятся «отдавать» свои электроны. Как видно на рисунке ниже, наибольшая способность к отдаче электронов – у лития, а наименьшая – у фтора. Если такой атом отдает свой электрон, то он становится положительным ионом.

электрохимический ряд элементов

 

Первая в истории электрическая батарейка, созданная более 200 лет назад Алессандро Вольтой, работала как раз на принципе электрохимического потенциала. Вольта взял два металла с разными электрохимическими потенциалами (цинк и серебро) и получил электрический ток. В честь его открытия такую «батарейку» назвали Вольтовым столбом.

Вольтов столб

 

В 1991 г. Sony выпустила первый коммерчески успешный литий-ионный аккумулятор.

первый литий-ионный аккумулятор

В литий-ионных элементах используется металл с наибольшей способностью отдавать электроны – литий. У лития всего один электрон на внешней орбите, и он постоянно стремится его «потерять».

атом лития

Из-за этого литий считается чрезвычайно химически активным металлом. Он реагирует даже с водой и воздухом. Но активен только чистый литий, а вот его оксид, напротив, очень стабилен.

оксид лития

Это свойство лития как раз используется при создании литий-ионных аккумуляторов.

Допустим, мы каким-то образом отделили атом лития от оксида. Этот атом будет крайне нестабилен и сразу превратится в положительный ион, потеряв электрон.

положительный ион

Однако в составе оксида литий гораздо более стабилен, чем одинокий атом лития. Если мы сможем каким-то образом обеспечить движение по двум отдельным путям для электрона и для положительного иона лития, то ион самостоятельно достигнет оксида и встанет там на свое место. При этом мы получим электрический ток благодаря движению электрона.

Итак, можно получить электрический ток из оксида лития, если сначала отделить атомы лития от оксида и затем направить потерянные ими электроны по внешней цепи. Рассмотрим, как эти две задачи решаются в литий-ионных элементах.

Строение литий-ионного аккумулятора

Помимо оксида лития, элементы содержат также электролит и графит. В графите связь между слоями гораздо слабее, чем между атомами внутри слоев, поэтому графит имеет слоистую структуру. (Переходи и смотри подробно про строение атома)

строение литий-ионного аккумулятора

Электролит, помещенный между оксидом лития и графитом, служит барьером, пропускающим сквозь себя только ионы лития. Электроны же не могут проникать сквозь электролит и отскакивают от него, как теннисный мячик об стенку. В качестве электролита используется органическая соль лития, которая наносится на слой разделителя (о разделителе ниже в статье).

электролит пропускает ионы и не пропускает электроны

Процесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора

Итак, у нас есть разряженный аккумулятор

литий-ионный аккумулятор разряженный

Давайте же его зарядим. Для этого нам нужен какой-либо источник питания. Что произойдет в этот момент на самом литий-ионном аккумуляторе? Положительный полюс начнет притягивать электроны, «вытаскивая» их из оксида лития.

процесс зарядки литий-ионного аккумулятора

Поскольку электроны не могут проникать через электролит, то они движутся по внешней цепи через источник питания.

и в конце концов достигают графита

где очень удобно располагаются в слоях графита.

В этот же самый момент положительные ионы лития притягиваются отрицательным полюсом, проходя сквозь электролит и также попадают в графит, размещаясь между его слоями.

Когда все ионы лития достигнут графита и будут «захвачены» его слоями, батарея будет полностью заряжена.

Такое состояние батареи неустойчивое. Это можно представить как шар, который находится на самой верхушке холма и в любой момент может скатиться.

Вот мы и достигли первой цели: электроны и ионы лития отделены от оксида. Теперь надо как-то сделать так, чтобы электроны и ионы двигались разными путями. Как только мы подключим какую-либо нагрузку к нашему заряженному литий-ионному аккумулятору, то начнется обратный процесс. В этом случае ионы лития через электролит пожелают вернуться в свое изначальное состояние.

Поэтому они начнут двигаться обратно сквозь электролит, а электроны побегут через внешнюю цепь, то есть через нагрузку.

генерация электрического тока в литий-ионном аккумуляторе

Так как электрический ток — это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то в цепи лампочки накаливания возникнет электрический ток, который заставит эту самую лампочку светиться.

Как только все электроны «убегут» из графита, то батарея полностью разрядится. Чтобы ее снова зарядить, достаточно поставить аккумулятор «на зарядку».

разряженный литий-ионный аккумулятор

При этом графит сам по себе не участвует в химических реакциях – он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития.

Слой разделителя в литий-ионном аккумуляторе

Если внутренняя температура элемента по какой-то причине начнет расти, жидкий электролит высохнет, и произойдет короткое замыкание между анодом и катодом. В результате элемент может загореться или даже взорваться.

Чтобы этого не произошло, между электродами помещается дополнительный изолирующий слой, называемый разделителем. Разделитель проницаем для ионов лития благодаря наличию микропор. Электроны он не пропускает.

разделитель в литий-ионном аккумуляторе

Из чего делают литий-ионный аккумулятор

В реальных литий-ионных аккумуляторах графит и оксид лития наносятся в виде покрытия на медную и алюминиевую фольгу. Ниже на рисунке мы видим, что на тонком листе меди у нас располагается графит, а на тонком листе алюминия — оксид лития.

Минус аккумулятора снимается с медной фольги, а плюс — с алюминиевой.

ну а между ними располагается еще разделитель, пропитанный электролитом

Для того, чтобы уменьшить объем, все эти три слоя сворачивают в «рулончик».

цилиндрический аккумулятор строение

образуя при этом всем нам знакомую литий-ионную цилиндрическую батарейку

Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla

Вообразите мир, в котором все машины оснащены электродвигателями, а не двигателями внутреннего сгорания. Электромоторы превосходят ДВС практически по всем техническим показателям, да к тому же намного дешевле и надежнее. У ДВС есть существенный недостаток: он выдает достаточный крутящий момент лишь в узком диапазоне скоростей. В общем, электродвигатель – однозначно лучший выбор для автомобиля. Об этом мы писали еще в статье про автомобиль Тесла.

Сравнение электромобилей и автомобилей с ДВС

Но есть одно «узкое место», из-за которого электрическая революция в автопроме постоянно откладывается — это источники питания. Долгое время громоздкие, тяжелые, недолговечные и ненадежные аккумуляторы электромобилей никак не могли составить конкуренцию полному баку бензина. Но все изменилось, когда на рынок вышел производитель электромобилей Тесла.

Именно литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электрокаров.

Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Множество таких элементов, соединенных последовательно и параллельно, образуют модуль.

батарейный модуль Тесла

Литий-ионные элементы при работе выделяют много тепла. При этом высокая температура снижает срок службы и эффективность самих элементов. Для контроля температуры, а также их уровня заряда, защиты от перезаряда и общего состояния элементов питания, служит специальная система управления батареями (Battery management system, сокращенно BMS). В батареях Tesla используется спиртовая система охлаждения. BMS регулирует скорость движения спирта в системе, поддерживая оптимальную температуру батарей.

радиатор для аккумуляторов Тесла

Еще одна важнейшая функция BMS – защита от перезаряда. Допустим, есть три элемента с разной емкостью. Во время зарядки элемент с большей емкостью зарядится сильнее двух остальных. Чтобы этого не допустить, BMS использует так называемое выравнивание заряда элементов (cell balancing). При этом все элементы заряжаются и разряжаются равномерно и защищены от чрезмерного или недостаточного заряда.

равномерный заряд аккумуляторов , благодаря технологии BMS

И в этом преимущество Tesla над технологией аккумуляторов Nissan. У Nissan Leaf серьезная проблема с охлаждением аккумулятора из-за большого размера элементов и отсутствия системы активного охлаждения.

батарея Nissan Leaf и Tesla

У конструкции с множеством маленьких цилиндрических элементов есть и еще одно преимущество: при большом расходе энергии нагрузка распределяется равномерно между всеми элементами. Если бы вместо множества маленьких элементов был один огромный элемент, из-за постоянных нагрузок он очень быстро бы пришел в негодность. Tesla сделала ставку на маленькие цилиндрические элементы, технология производства которых уже хорошо отработана. Более подробно про батарейный модуль Тесла читайте в этой статье.

Защитный SEI-слой

Во время первой зарядки внутри литий-ионного элемента происходит одно замечательное явление, спасающее элемент от скорой «смерти». Неожиданной проблемой оказались электроны, находящиеся в слое графита. При контакте с электролитом они начинают разрушать его. Но одно случайное открытие позволило не допустить контакт электронов с электролитом. При первой зарядке элемента, как мы уже говорили, ионы лития движутся сквозь электролит. В процессе этого движения молекулы растворенного в электролите вещества покрывают ионы. Достигнув графитового слоя, ионы лития вместе с молекулами раствора электролита реагируют с графитом, образуя так называемая промежуточную фаза твердого электролита (solid electrolyte interphase, или SEI-слой). Этот слой предотвращает контакт электронов с электролитом, предохраняя электролит от разрушения.

защитный SEI-слой

Вот так проблема случайным образом решилась сама собой. Хотя эффект SEI был открыт случайно, в последующие два десятилетия ученые целенаправленно улучшали процесс, подбирая наиболее эффективную толщину и химический состав.

Заключение

Сегодня уже удивительно, что еще два десятка лет назад в электронных гаджетах не применялись литий-ионные аккумуляторы. Индустрия литий-ионных аккумуляторов развивается с фантастической скоростью: ожидается, что в ближайшие несколько лет их рынок достигнет 90 млрд. долларов. Современные литий-ионные батареи способны выдержать примерно 3000 циклов зарядки-разрядки – это уже приличный показатель, но еще есть, куда расти. Лучшие умы во всем мире трудятся над тем, чтобы повысить их долговечность до 10 000 циклов. В этом случае аккумулятор электромобиля не придется заменять целых 25 лет. Миллионы долларов вкладываются в исследования, которые позволят заменить графит на кремний в качестве «хранилища» в литий-ионных элементах. Если это удастся сделать, их емкость возрастет более чем в пять раз! В настоящее время мир переходит уже на литий-полимерные аккумуляторы, которые показали себя чуточку лучше, чем литий-ионные.

Материал подготовлен по статье

Бак аккумулятор горячей воды: принцип работы — Бак аккумулятор тепла | аккумулирующая буферная ёмкость

Современные реалии диктуют свои условия, в том числе это относится и к отопительным системам. Стоимость энергоносителей растет, следовательно, все домовладельцы постоянно хотят усовершенствовать свое тепловое оборудование. Одним из таких способов является установка теплоаккумулятора.

Что такое бак теплоаккумулятор?

В сущности это резервуар для накапливания нагретой воды. Благодаря данному агрегату потребители смогут существенно уменьшить траты на отопление дома. Конструкция совершенно не сложная, поэтому многие умельцы делают его собственноручно. Принцип работы бака аккумулятора базируется на эксплуатировании высокой теплоёмкости воды. К примеру, один литр воды, охладев на один градус, сможет согреть метр кубический воздуха на четыре градуса.

Для чего предназначена буферная емкость?
  • ГВС дома.
  • Снабжение постоянного температурного режима в доме.
  • Увеличение КПД и продуктивности работы отопительного оборудования при минимальных денежных тратах на обогрев всего дома.
  • При нужде создается общий контур, когда существует не один котёл.
  • Накопление тепловой энергии, в избытке вырабатываемую котлом.

Главный минус – любой бак аккумулятор для горячей воды имеет ограничение по объему, и, соответственно, чем больше теплоаккумулятор, тем больше свободного места надо для его размещения.

Чаще всего аккумулятор воды при котельной монтируется в системах отопления и c горячим водоснабжением c котлом на твердом тепливе. Принцип работы теплоаккумулятора таков, что он обеспечивает оптимальное эксплуатирование продуктов горения, используемых в котле. В паре с электрокотлами бак-аккумулятор используется для накапливания тепла при выборе экономного режима работы.

Также аккумулятор косвенного нагрева может принимать участие в работе гелиосистем, ветрогенераторах, ГВС, для разогрева, которых используют комбинированное топливо.

Как и было описано выше, конструкция буферной емкости необычайно проста, но в зависимости от обстоятельств использования, различают следующие компоненты:

  • теплообменник в нижней части аккумулирующего бака;
  • встроенный бак для воды системы горячего водоснабжения;
  • вмонтированный теплообменник для системы ГВС;
  • Электрод из магниевого сплава;
  • Электрический нагреватель;
  • Прибор, который дает возможность получать постоянный поток горячей воды с неизменными показателями температуры.

Количество патрубков разнится, поскольку к единственному агрегату может быть пристыковано больше одного источника и потребителя тепла.

Как работает бак аккумулятор горячей воды?

Принцип работы теплового аккумулятора базируется на эксплуатации высокой теплоёмкости воды. Длительность производительности системы отопления на аккумулированном тепле обусловлено мощностью системы и объёмом емкости. Следовательно, покупая изделие необходимо определить, который из факторов наиболее важен: снабдить теплом систему требуемой мощности в ходе установленного периода либо гарантировать накапливание тепла от генератора определённой емкости на протяжении определённого времени.

Еще фактором, определяющий пользу тепловых аккумуляторов, является принцип работы аккумулирующего бака, когда он становится звеном, которое объединяет источников тепла. К примеру, когда цена гелиоколлекторов еще более уменьшится, а действенность повысится – можно без значительных изменений переделать отопительную систему в доме так, чтобы максимально отапливать помещения за счет общедоступной энергии светила, однако без солнечной энергии использовать твердотопливный котел.

При выборе бак-аккумулятора горячей воды принцип работы необходимо учитывать, чтобы понимать потребность в установке. Потребитель обязан принимать во внимание следующие пункты, чтобы деньги не были потрачены зря:

  1. Если существует ночной тариф, когда цена на топливо меньше.
  2. В случае если надо обеспечение дома большим объемом горячей воды.
  3. Если применяется разное топливо с различными коэффициентами тепловыделения. Тогда бак поможет защитить систему от перепадов температур.

Покупая готовое изделие либо изготавливая его самостоятельно, принимайте в расчет все характеристики агрегата. От них зависит прочность, безотказность и время эксплуатирования.

Установку емкости делают, исходя из чертежа, плана и руководства по сборке. Но примите к сведению:

Условия сборки агрегата
  • Наличие термометров и запорной арматуры на всех трубопроводах.
  • Все подключение следует делать на фланцевых соединениях.
  • Компонентам агрегата не полагается чувствовать статической нагрузки от трубопроводов.
  • Поблизости от теплоаккумулятора необходимо смонтировать дренажный кран.
  • Не забывайте про сетчатые фильтры.
  • При условии, что модель емкости не предусматривает вверху изделия штуцер для выхода воздуха — тогда разместите его на выходящем патрубке из верхней части агрегата.
  • Необходимо смонтировать вблизи аккумулирующей емкости прибор для измерения давления газа и жидкостей в замкнутом пространстве и защитный клапан.
Условия установки
  • Строение бака не изменяйте.
  • Проследите, чтобы к ревизионному фланцу имелся подступ в любой момент.
  • Плоскость для монтажа бака должна выдержать массу изделия с водой.
  • Помещение необходимо отапливать.
  • Поверхность аккумулирующего бака непременно должна быть теплоизолированная.

Следовательно, верно сделав все расчеты и понимая бак аккумулятор горячей воды принципы работы, можно без особых усилий добиться сильного снижения расхода топлива для обеспечения дома теплом.

Руководство для начинающих по работе с аккумулятором

Определение батареи

Хосе Луис Пелаес / Getty Images

Батарея, которая на самом деле представляет собой электрическую ячейку, представляет собой устройство, которое вырабатывает электричество в результате химической реакции. Строго говоря, батарея состоит из двух или более элементов, соединенных последовательно или параллельно, но этот термин обычно используется для обозначения одного элемента. Ячейка состоит из отрицательного электрода; электролит, проводящий ионы; сепаратор, он же ионный проводник; и положительный электрод.Электролит может быть водным (состоящим из воды) или неводным (не состоящим из воды), жидким, пастообразным или твердым. Когда ячейка подключена к внешней нагрузке или питаемому устройству, отрицательный электрод подает ток электронов, которые проходят через нагрузку и принимаются положительным электродом. При снятии внешней нагрузки реакция прекращается.

Первичная батарея — это батарея, которая может преобразовать свои химические вещества в электричество только один раз, после чего ее необходимо выбросить.Вторичная батарея имеет электроды, которые можно восстановить, пропуская через них электричество; также называется аккумуляторной или перезаряжаемой батареей, ее можно многократно использовать повторно.

Батареи бывают нескольких стилей; наиболее распространенными являются одноразовые щелочные батареи.

Что такое никель-кадмиевая батарея?

Первая никель-кадмиевая батарея была создана Вальдемаром Юнгнером из Швеции в 1899 году.

В этой батарее используется оксид никеля в положительном электроде (катоде), соединение кадмия в отрицательном электроде (аноде) и раствор гидроксида калия в качестве электролита.Никель-кадмиевая батарея является перезаряжаемой, поэтому она может циклически повторяться. Никель-кадмиевая батарея преобразует химическую энергию в электрическую при разрядке и преобразует электрическую энергию обратно в химическую при перезарядке. В полностью разряженной батарее NiCd катод содержит гидроксид никеля [Ni(OH)2] и гидроксид кадмия [Cd(OH)2] в аноде. Когда аккумулятор заряжается, химический состав катода изменяется, и гидроксид никеля превращается в оксигидроксид никеля [NiOOH].На аноде гидроксид кадмия превращается в кадмий. Когда аккумулятор разряжается, процесс меняется на обратный, как показано в следующей формуле.

Cd + 2h3O + 2NiOOH —> 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2

Что такое никель-водородная батарея?

Никель-водородная батарея была впервые использована в 1977 году на борту навигационного спутника ВМС США-2 (NTS-2).

Никель-водородную батарею можно считать гибридом между никель-кадмиевой батареей и топливным элементом.Кадмиевый электрод был заменен водородным электродом. Эта батарея визуально сильно отличается от никель-кадмиевой батареи, потому что ячейка представляет собой сосуд высокого давления, который должен содержать более одной тысячи фунтов на квадратный дюйм (psi) газообразного водорода. Он значительно легче никель-кадмиевого, но его труднее упаковать, как ящик для яиц.

Никель-водородные батареи иногда путают с никель-металлогидридными батареями, которые обычно используются в сотовых телефонах и ноутбуках.В никель-водородных, как и в никель-кадмиевых батареях используется один и тот же электролит, раствор гидроксида калия, который принято называть щелочью.

Стимулы для разработки никель-металлогидридных (Ni-MH) батарей исходят из насущных проблем со здоровьем и окружающей средой, связанных с поиском замены никель-кадмиевым перезаряжаемым батареям. Из-за требований безопасности рабочих переработка кадмия для аккумуляторов в США уже прекращается. Кроме того, природоохранное законодательство 1990-х и 21-го века, скорее всего, потребует сокращения использования кадмия в батареях для потребительского использования.Несмотря на это давление, после свинцово-кислотных аккумуляторов никель-кадмиевые аккумуляторы по-прежнему занимают наибольшую долю рынка перезаряжаемых аккумуляторов. Дальнейшие стимулы для исследования аккумуляторов на основе водорода исходят из общего убеждения, что водород и электричество вытеснят и в конечном итоге заменят значительную часть энергоносителей ресурсов ископаемого топлива, став основой для устойчивой энергетической системы, основанной на возобновляемых источниках. Наконец, существует значительный интерес к разработке Ni-MH аккумуляторов для электромобилей и гибридных транспортных средств.

Никель-металлогидридная батарея работает в концентрированном электролите KOH (гидроксид калия). Электродные реакции в никель-металлогидридной батарее следующие:

Катод (+): NiOOH + h3O + e-Ni(OH)2 + OH- (1)

Анод (-): (1/x) MHx + OH- (1/x) M + h3O + e- (2)

Общий: (1/x) MHx + NiOOH (1/x) M + Ni(OH)2 (3)

Электролит KOH может транспортировать только ионы OH-, и, чтобы сбалансировать перенос заряда, электроны должны циркулировать через внешнюю нагрузку.Электрод с оксигидроксидом никеля (уравнение 1) был тщательно исследован и охарактеризован, и его применение было широко продемонстрировано как для наземных, так и для аэрокосмических применений. Большая часть текущих исследований Ni/металлогидридных аккумуляторов связана с улучшением характеристик металлогидридного анода. В частности, для этого требуется разработка гидридного электрода со следующими характеристиками: (1) длительный срок службы, (2) высокая емкость, (3) высокая скорость заряда и разряда при постоянном напряжении и (4) удерживающая способность.

Что такое литиевая батарея?

Что такое литиевая батарея? НАСА

Эти системы отличаются от всех ранее упомянутых батарей тем, что в электролите не используется вода. Вместо этого они используют неводный электролит, который состоит из органических жидкостей и солей лития для обеспечения ионной проводимости. Эта система имеет гораздо более высокие напряжения на элементах, чем системы с водным электролитом. Без воды выделение водорода и кислорода исключается, и клетки могут работать с гораздо более широким потенциалом.Они также требуют более сложной сборки, поскольку она должна выполняться в почти идеально сухой атмосфере.

Ряд неперезаряжаемых батарей был впервые разработан с металлическим литием в качестве анода. Коммерческие батарейки типа «таблетка», используемые для сегодняшних батарей для часов, в основном представляют собой литий-химию. В этих системах используются различные катодные системы, достаточно безопасные для использования потребителем. Катоды изготавливаются из различных материалов, таких как монофторид углерода, оксид меди или пятиокись ванадия. Все системы с твердым катодом ограничены скоростью разряда, которую они могут поддерживать.

Для получения более высокой скорости разряда были разработаны системы с жидким катодом. В этих конструкциях электролит является реакционноспособным и реагирует на пористом катоде, который обеспечивает каталитические центры и сбор электрического тока. Несколько примеров таких систем включают литий-тионилхлорид и литий-диоксид серы. Эти батареи используются в космосе и в военных целях, а также в качестве аварийных маяков на земле. Как правило, они недоступны для населения, поскольку они менее безопасны, чем системы с твердым катодом.

Следующим шагом в технологии литий-ионных аккумуляторов считается литий-полимерный аккумулятор. В этой батарее жидкий электролит заменяется гелеобразным электролитом или настоящим твердым электролитом. Предполагается, что эти батареи будут даже легче, чем литий-ионные, но в настоящее время нет планов запуска этой технологии в космос. Он также не всегда доступен на коммерческом рынке, хотя может быть не за горами.

Оглядываясь назад, мы прошли долгий путь со времен прохудившихся батареек для фонариков шестидесятых годов, когда зародились космические полеты.Существует широкий спектр решений, доступных для удовлетворения многих требований космического полета, от 80 градусов ниже нуля до высоких температур солнечного полета. Можно справиться с массивным излучением, десятилетиями службы и нагрузками, достигающими десятков киловатт. Будет продолжена эволюция этой технологии и постоянное стремление к улучшенным батареям.

Знаете ли вы принцип работы ионно-литиевой батареи?

Lifepo4 на самом деле является своего рода материалом положительного электрода литий-ионного аккумулятора, поэтому люди назвали его lifepo4 в соответствии с материалом положительного электрода.Полное название — литий-железо-фосфатный литий-ионный аккумулятор. Это имя слишком длинное, его называют lifepo4. Некоторые люди также называют его литий-железным (LiFe) аккумулятором.

Ⅰ. Принципы работы lifepo4

Lifepo4 относится к ионно-литиевой батарее, в которой в качестве материала положительного электрода используется фосфат лития-железа. Катодные материалы литий-ионных аккумуляторов в основном включают оксид лития-кобальта, манганат лития, никелат лития, тройные материалы, фосфат лития-железа и так далее.Среди них оксид лития-кобальта является катодным материалом, используемым в большинстве литий-ионных аккумуляторов.

Ⅱ. Преимущества lifepo4

1. Улучшение функции безопасности

Связь P-O в кристалле фосфата лития-железа стабильна и трудно разлагается. Даже при высокой температуре или перезарядке он не разрушается и не выделяет тепло, как оксид лития-кобальта, и не образует сильного окисляющего вещества, поэтому он обладает исключительной безопасностью.

2. Увеличение срока службы

Lifepo4 относится к литий-ионным батареям, в которых в качестве материала положительного электрода используется литий-железо-фосфат.Долговечность Срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов составляет около 300 раз, максимальный — 500 раз, а срок службы литий-железо-фосфатных аккумуляторов достигает более 2000 раз. Стандартная зарядка (5-часовая скорость) может достигать 2000 раз.

3. Хорошая высокотемпературная функция

Пиковое значение электрического нагрева литий-железо-фосфата может достигать 350 ℃-500 ℃, в то время как манганата лития и кобальтата лития только около 200 ℃. Рабочая температура широкая (-20 ℃ ~ -75 ℃), с высокой термостойкостью, пик электрического нагрева lifepo4 может достигать 350 ℃-500 ℃, в то время как манганат лития и кобальтат лития составляют всего около 200 ℃.

4. Большая емкость

Если аккумулятор часто эксплуатируется в состоянии переполнения и не разряжается, емкость быстро упадет ниже значения дополнительной емкости. Это явление называется эффектом памяти. Как и в никель-металлогидридных и никель-кадмиевых батареях, память есть, а вот в литий-железо-фосфатных батареях этого явления нет. Независимо от того, в каком состоянии находится батарея, ее можно заряжать и использовать, как только она будет заряжена.

5.Light

Объем lifepo4 с такими же техническими характеристиками и емкостью составляет 2/3 объема свинцово-кислотного аккумулятора, а его вес составляет 1/3 веса свинцово-кислотного аккумулятора.

6. Охрана окружающей среды

Считается, что литий-железо-фосфатные батареи не содержат тяжелых и редких металлов (для никель-водородных батарей требуются редкие металлы), нетоксичны (сертифицированы SGS), не загрязняют окружающую среду. Это абсолютный зеленый сертификат батареи.

Литий-железо-фосфатные батареи также имеют свои недостатки, такие как плохая работа при низких температурах, низкая плотность материала положительного электрода.И объем lifepo4 равной емкости больше, чем у литий-ионных батарей, таких как литий-кобальтовый оксид, поэтому у микробатарей нет преимущества.

Литий-железо-фосфатные батареи используются в силовых батареях так же, как и другие батареи. Все они сталкиваются с общими проблемами с аккумулятором.

Принцип работы солнечных батарей

Идея энергонезависимого дома весьма заманчива для любого домовладельца. Он имеет множество преимуществ, главное из которых — отсутствие влияния колебаний тарифов на коммунальные услуги.Кроме того, вы будете продвигать кампанию «зеленой энергии», которая в настоящее время рекомендуется как способ сохранения окружающей среды. К счастью, это достижимая мечта, учитывая стремительное развитие технологий хранения энергии. Все, что вам нужно, это набор солнечных панелей или источник солнечной энергии, а также резервный аккумулятор для удовлетворения ваших потребностей.

Солнечные батареи являются неотъемлемой частью этой установки, поскольку они обеспечивают непрерывную подачу электроэнергии в случае сбоя в электросети. В этой статье кажущаяся сложной работа этих устройств хранения данных будет разбита на несколько простых для понимания шагов.Обсуждение будет вращаться вокруг батареи, которая уже соединена с солнечной системой, а не с автономным хранилищем солнечной батареи.

Питание солнечной энергией

Когда солнечные лучи попадают на панели, видимый свет преобразуется в электрическую энергию. Электрический ток поступает в аккумулятор и сохраняется в виде постоянного тока. Стоит отметить, что существует два типа солнечных батарей: со связью по переменному току и со связью по постоянному току. Последний имеет встроенный инвертор, который может преобразовывать электрический ток в постоянный или переменный.Таким образом, солнечное электричество постоянного тока будет поступать от панелей к внешнему преобразователю мощности, который преобразует его в энергию переменного тока, которая может либо использоваться вашими бытовыми приборами, либо храниться в батарее переменного тока. В этом случае встроенный инвертор будет преобразовывать переменное электричество обратно в постоянное для хранения.

Что касается системы со связью по постоянному току, батарея не имеет встроенного инвертора. Таким образом, электричество постоянного тока от солнечных панелей поступает в аккумулятор через контроллер заряда. В отличие от установки переменного тока, инвертор мощности в этой системе подключен только к домашней проводке.Таким образом, электричество от солнечных панелей или вашей аккумуляторной батареи преобразуется из постоянного тока в переменный перед тем, как поступить в вашу бытовую технику. Что определяет, сколько энергии хранится в аккумуляторе? Читай дальше, чтобы узнать больше.

Процесс зарядки

Поскольку энергия поступает от солнечных батарей, установка электричества в вашем доме будет иметь приоритет. Таким образом, электричество напрямую питает ваши приборы, такие как холодильники, телевизоры и осветительные приборы. Часто этой энергии от солнечных батарей может быть больше, чем вам нужно.Например, в жаркий полдень вырабатывается много энергии, но ваш дом почти не использует ее. В таком сценарии происходит чистое измерение, при котором дополнительная энергия возвращается в сеть. Тем не менее, вы можете использовать это переполнение, чтобы зарядить свои батареи.

Количество электроэнергии, хранящейся в аккумуляторе, зависит от того, насколько быстро он заряжается. Если, например, ваш дом потребляет не слишком много энергии, то процесс зарядки будет быстрым. Также, если вы подключены к огромным панелям, то в ваш дом будет поступать много электроэнергии, а значит, батареи будут заряжаться гораздо быстрее.Как только ваша батарея будет полностью заряжена, контроллер заряда предотвратит ее перезарядку.

Если вы активно ищете чистую, бесплатную энергию, но не имеете достаточно денег, чтобы инвестировать в солнечные панели, вам определенно следует подумать о покупке солнечного генератора. Солнечные генераторы используют солнечные батареи, улавливая солнечную энергию. Солнечная энергия хранится в тесте. Солнечный генератор состоит из четырех компонентов, включая солнечные панели, контроллер, инвертор и солнечную батарею.

Солнечные генераторы не требуют топлива для работы — все, что вам нужно сделать, это настроить солнечную панель, и вы получите чистую, возобновляемую энергию.Поскольку солнечные генераторы не выделяют загрязняющих веществ, вы можете защитить здоровье своей семьи и защитить окружающую среду. Солнечные генераторы предпочтительнее традиционных генераторов, потому что они тихие, не требуют особого обслуживания и экономичны.

Зачем вам солнечная батарея?

Домовладельцы могут использовать солнечный калькулятор Plico Energy или любой аналогичный онлайн-инструмент, чтобы определить, сколько солнечной энергии им нужно. Но даже если у вас есть приблизительное представление о том, сколько солнечной энергии вам нужно для выполнения повседневных задач, все равно важно купить солнечную батарею.Вот несколько причин, по которым вам стоит инвестировать в солнечную батарею:

1. Чтобы защитить вас от перебоев в подаче электроэнергии

Если вы подключены к сети, всегда будет несколько моментов, когда система передачи дает сбой или отключается на техническое обслуживание. Как только это произойдет, система изолирует ваш дом от сети и активирует резервный источник. В этом случае батарея будет работать как резервный генератор.

Наличие резервного питания от солнечных батарей может предотвратить неудобства, связанные с отключениями электроэнергии.Следовательно, вы можете продолжать использовать свою технику для работы по дому, развлечений, учебы или работы дома. Прежде всего, если у вас есть больной член семьи, нуждающийся в медицинском оборудовании, таком как кислородный баллон или респиратор, у вас не возникнет проблем с поиском генератора или резервного источника питания.

2. Повременные тарифные планы

В рамках этих планов с вас будет взиматься плата в зависимости от количества потребляемой электроэнергии, а также времени, в течение которого вы ее используете. TOU заявляет, что мощность, получаемая из сети ночью, более ценна, чем дополнительная энергия, вырабатываемая в течение дня.Таким образом, сохраняя дополнительную энергию и используя ее ночью, вы снизите общую стоимость электроэнергии в вашем доме.

Правительства всего мира признают преимущества солнечных батарей. Настолько, что они предлагают домовладельцам скидки, чтобы помочь с первоначальными затратами на покупку солнечной батареи. Эти скидки на солнечные батареи становятся все более и более популярными и являются признаком огромных преимуществ, которые батареи предоставляют домовладельцам и всему миру. Скидки на солнечные батареи помогают продвигать внедрение систем солнечной энергии во многих странах.

Заключительные замечания

С переходом мира на «зеленую энергию» солнечные панели постепенно заменяют традиционные источники электроэнергии. Солнечные батареи играют решающую роль в обеспечении надежного электроснабжения вашего дома. Аккумуляторы переменного тока имеют встроенный инвертор, который преобразует электрический ток в постоянный или переменный, в зависимости от направления.

С другой стороны, батарея с парой постоянного тока не имеет этой функции. Однако обе батареи хранят электроэнергию в постоянном токе независимо от настройки.Скорость, с которой электричество накапливается в батареях, зависит от размера панелей и количества, используемого вашей бытовой техникой.

Разъяснение принципа работы аккумуляторного электрода большой емкости

Разработка систем хранения электроэнергии с высокой плотностью энергии и низкой стоимостью чрезвычайно важна для обеспечения электроэнергией общества в будущем. Как одно из доминирующих устройств хранения энергии, литий-ионные батареи широко применяются в портативных электронных устройствах и электромобилях.Однако возможности обычных электродных материалов для литий-ионных аккумуляторов приближаются к своим теоретическим пределам; поэтому крайне важно разработать новые высокоэнергетические электродные материалы.

Двумерные дихалькогениды переходных металлов (ДПМ) в последнее время вызывают большой научный интерес в области электрохимического накопления энергии благодаря своей уникальной слоистой структуре и регулируемым электронным и химическим свойствам. В качестве типичного TMD слоистый дисульфид молибдена (MoS 2 ) считается многообещающим электродом для высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторов.Однако, несмотря на десятилетия усилий и недавний интенсивный интерес, механизм реакции литирования/делитирования MoS 2 все еще остается спорным, в основном из-за отсутствия подходящих методов обнаружения.

В ALS Beamlines 5.3.1 и 10.3.2 исследователи изучили механизм реакции электродов MoS 2 в элементах литий-ионных аккумуляторов в реальных условиях эксплуатации с помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS). Результаты показывают, что во время первого разряда в электроде последовательно происходят реакции интеркаляции и конверсии лития.Однако реакция превращения необратима, и образовавшийся Li 2 S окисляется до серы в процессе последующей загрузки, что проясняет предыдущие дебаты об обратимости реакции превращения MoS 2 . Работа обогащает наше фундаментальное понимание механизма электрохимической реакции электрода MoS 2 , что является решающим шагом на пути к рациональной конструкции электродов TMD с превосходными циклическими характеристиками.

Предлагаемый механизм электрохимической реакции электрода MoS 2 , полученный на основе спектров XAS in situ, operando .Реакция интеркаляции MoS 2  (верхний ряд) является в высокой степени обратимой и сопровождается преобразованием кристаллической структуры между тригонально-призматической фазой (2H) и искаженной октаэдрической фазой (1T). Реакция превращения необратима, и продукт разряда Li 2 S окисляется до серы в следующей загрузке (нижний ряд).

Л. Чжан, Д. Сунь, Дж. Канг, Дж. Фэн, Х.А. Бехтел, Л.-В. Ван, Э.Дж. Кэрнс и Дж.-Х. Го, «Механизм электрохимической реакции электрода MoS 2 в литий-ионной ячейке, обнаруженный с помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии in situ и Operando», Nano Lett. 18 , 1466 (2018), doi:10.1021/acs.nanolett.7b05246.

Подробный принцип работы литий-полимерного аккумулятора — Знания

Литий-полимерные аккумуляторы»> Литий-полимерные аккумуляторы обычно относятся к литий-полимерным аккумуляторам, также известным как литий-полимерные аккумуляторы, это химическая природа аккумулятора. По сравнению с предыдущим аккумулятором, он обладает характеристиками высокой энергии, миниатюризации и легкого веса

Литий-полимерная батарея представляет собой аккумуляторную систему, в которой используются полимерные материалы по крайней мере в одном или нескольких из трех элементов.В системах литий-полимерных аккумуляторов большая часть полимеров используется в катоде и электролите. Материал катода представляет собой проводящий полимер или неорганическое соединение, используемое в литий-ионных батареях>> литий-ионных батареях, катод часто представляет собой литий-металл или литий-углеродный промежуточный слой, а электролит представляет собой твердый или коллоидный полимерный электролит или органический электролит. Литий-полимер более надежен и стабилен, так как в нем нет лишнего электролита

IMG_0298 Копия PNG.png

Принцип работы литий-полимерных аккумуляторов

IMG_0624 抄PNG.png

Компоненты элементов литий-ионных аккумуляторов следующие.

(1) положительный электрод — активным материалом, как правило, является манганат лития или кобальтат лития, материалы из манганата лития, никеля и кобальта, в электрических велосипедах обычно используется манганат лития, никеля, кобальта (широко известный как тройной) или тройной + небольшое количество манганата лития, чистый манганат лития и фосфат лития-железа постепенно исчезают из-за большого размера, плохой производительности или высокой стоимости.Токопроводящая электродная жидкость с использованием электролитической алюминиевой фольги толщиной 10 — 20 микрон.

(2) диафрагма — полимерная пленка специальной формы, пленка имеет микропористую структуру, позволяющую свободно проходить ионам лития, в то время как электроны пройти не могут.

(3) Отрицательный электрод — активным материалом является графит или углерод со структурой, похожей на графит, а в токопроводящем коллекторе используется электролитическая медная фольга толщиной 7-15 микрон.

(4) органический электролит — растворенный растворитель карбоната гексафторфосфата лития, полимерный гелевый электролит.

(5) корпус батареи — разделен на стальной корпус (квадратный тип используется редко), алюминиевый корпус, корпус из никелированного железа (использование цилиндрической батареи), алюминиевая пластиковая пленка (мягкая упаковка) и т. д., а также крышка аккумулятора, но также положительный и отрицательный выводы батареи.

Во-вторых, принцип работы литиевых батарей

Следующие из процесса зарядки литиевой батареи, процесса разрядки и пластины защиты батареи три основных части, чтобы представить его принцип работы:.

1, процесс зарядки литиевой батареи

Принцип работы литиевой батареи

Положительный электрод батареи генерируется ионами лития, генерируемые ионы лития от положительного электрода «прыгают» в электролит, через электролит «ползут» через небольшое изогнутое отверстие в диафрагме, движение к отрицательному электроду, и давно через внешнюю цепь к отрицательному электроду электронов, объединенных вместе. Реакция на положительном электроде: LiCoO2==Зарядка==Li1-xCoO2+Xli++Xe(электрон) ●Реакция на отрицательном электроде: 6C+XLi++Xe=====LixC6В процессе зарядки , Li+ выходит из положительного электрода LiCoO2, попадает в электролит, перемещается к отрицательному электроду под действием внешнего электрического поля, приложенного к зарядному устройству, и, в свою очередь, входит в отрицательный электрод, состоящий из графита или кокса С.2. Процесс разрядки литий-ионной батареи

При разрядке электроны и Li+ действуют одновременно, в одном направлении, но разными путями. Li+ «переплывает» от отрицательного электрода к положительному, «проползая» через изогнутые отверстия в диафрагме и «подплывая» к положительному электроду, где соединяется с давно перебежавшими электронами. То, что мы обычно называем емкостью батареи, относится к разрядной емкости.

Существует два типа литий-ионных аккумуляторов: жидкие литий-ионные аккумуляторы (LIB) и литий-полимерные аккумуляторы (PLIB).Среди них жидкая литий-ионная батарея относится к вторичной батарее с залитым компаундом Li+ в качестве положительного и отрицательного электродов. Положительный электрод представляет собой LiCoO2, LiNiO2 или LiMn2O4, а отрицательный электрод представляет собой литий-углеродный промежуточный слой LixC6, а типичная аккумуляторная система имеет вид:

(-)C|LiPF6-EC+DEC|LiCoO2(+)

Анодная реакция :LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe-

Отрицательная реакция:6C+xLi++xe-=LixC6

Общая реакция элемента:LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6

такой же, как у жидкого лития, основное отличие состоит в том, что электролит отличается от электролита жидкого лития.Основная конструкция батареи состоит из трех элементов: положительного электрода, отрицательного электрода и электролита. Литий-полимерная батарея — это батарея, в которой в качестве основной аккумуляторной системы используется по крайней мере одна или несколько из этих трех основных структур. В разработанной литий-полимерной аккумуляторной системе полимерные материалы в основном используются в аноде и электролите.

Катодные материалы включают проводящие полимеры или неорганические соединения, используемые в обычных литий-ионных батареях, а электролиты могут быть твердыми или коллоидными полимерными электролитами или органическими электролитами.

3. Защитная пластина аккумулятора

Как следует из названия, плата защиты аккумулятора в основном предназначена для перезаряжаемых аккумуляторов (обычно относится к литиевым батареям), чтобы играть защитную роль платы с интегральной схемой. Литиевые батареи (перезаряжаемые) нуждаются в защите, потому что сама литиевая батарея определяется материалом, она не может быть перезаряжена, переразряжена, перегружена по току, короткого замыкания и сверхвысокой температуры зарядки и разрядки, поэтому литиевые батареи всегда будут иметь защитную плату и токовый предохранитель.На следующем рисунке показана схема защиты платы аккумулятора. PTC: термистор с положительным температурным коэффициентом; NTC: термистор с отрицательным температурным коэффициентом, когда температура окружающей среды повышается, его значение сопротивления уменьшается, использование электрооборудования или зарядного оборудования может вовремя реагировать, чтобы контролировать внутреннее прерывание и прекращать зарядку и разрядку; U1 — микросхема защиты цепи, U2 — два перевернутых МОП-транзистора. Нормальное состояние аккумуляторной платы U1 CO и DO — выходное высокое напряжение, два полевых МОП-транзистора открыты, аккумулятор можно заряжать и разряжать свободно.

Упрощенная схема защиты от перезарядки

Защита от перезарядки: когда U1 обнаруживает, что напряжение батареи достигает порога защиты от перезарядки, вывод CO выдает низкий уровень, переключатель MOSFET 2 переключается из положения «включено» в состояние «выключено», цепь зарядки отключается, и зарядное устройство больше не может заряжать аккумулятор, что обеспечивает защиту от перезарядки.

Защита от переразряда: В процессе разрядки аккумулятора, когда U1 обнаруживает, что напряжение аккумулятора ниже порога защиты от переразряда, контакт DO переключается с высокого уровня на низкий уровень, а переключатель MOS 1 выключается, так что аккумулятор нельзя разряжать повторно; напряжение батареи не может быть снова снижено в состоянии защиты от переразряда, поэтому требуется, чтобы схема защиты была с чрезвычайно низким током, а схема управления — с низким энергопотреблением.Защита от перегрузки по току: в нормальных условиях батарея разряжается до нагрузки, ток проходит через два последовательно соединенных МОП-ламповых переключателя, а вывод VM определяет падение напряжения на двух МОП-лампах как U. Если нагрузка вызывает U быть ненормальным по какой-либо причине, ток цепи увеличивается, и когда U больше определенного значения, контакт DO переключается с высокого на низкое напряжение, и МОП-переключатель 1 выключается, таким образом, ток разрядной цепи становится равным нулю и достигается превышение тока. функция защиты.

Наши повседневные аккумуляторы для мобильных телефонов и ноутбуков на самом деле представляют собой литий-ионные аккумуляторы, литиевые аккумуляторы делятся на литиевые аккумуляторы и литий-ионные аккумуляторы, но мы обычно известны как литиевые аккумуляторы. Настоящая литиевая батарея редко используется в бытовых электронных изделиях из-за высокого риска опасности. Сегодняшнее подробное объяснение принципа работы и структуры литиевых батарей, чтобы мы могли понять весь спектр литиевых батарей.

Если у вас есть какие-либо потребности в батареях, пожалуйста, свяжитесь с нами по адресу [email protected]

Принцип работы схемы защиты литий-ионного аккумулятора

1. Нормальное состояние
В нормальных условиях контакты CO и do N1 выдают высокое напряжение, и оба МОП-транзистора находятся во включенном состоянии. Литий-ионный аккумулятор может свободно заряжаться и разряжаться. Поскольку импеданс MOSFET очень мал, обычно менее 30 мОм, его сопротивление мало влияет на работу схемы. В этом состоянии ток потребления схемы защиты составляет мкА, обычно менее 7 мкА.

2. Защита от перезарядки
Режим зарядки литий-ионного аккумулятора — постоянный ток/постоянное напряжение. На начальном этапе зарядки применяется заряд постоянным током. В процессе зарядки напряжение будет повышаться до 4,2 В (для некоторых аккумуляторов требуется постоянное значение напряжения 4,1 В в зависимости от различных материалов катода) и будет меняться на зарядку постоянным напряжением до тех пор, пока ток не станет все меньше и меньше.

В процессе зарядки аккумулятора, если цепь зарядного устройства вышла из-под контроля, напряжение аккумулятора будет продолжать заряжаться постоянным током после того, как напряжение аккумулятора превысит 4.2В. В это время напряжение батареи будет продолжать расти. Когда напряжение батареи превышает 4,3 В, химическая побочная реакция батареи будет усиливаться, что приведет к повреждению батареи или проблемам с безопасностью.

В батарее с защитной схемой, когда управляющая ИС обнаруживает, что напряжение батареи достигает 4,28 В, контактный контакт батареи меняет напряжение с высокого на нулевое, что отключает V2, тем самым отключая цепь зарядки, так что зарядное устройство больше не может заряжать литий-ионный аккумулятор, играя в цель защиты от перезарядки.В это время, благодаря наличию VD2, аккумулятор может разрядить внешнюю нагрузку через диод. Существует время задержки между управляющей ИС, которая обнаруживает, что напряжение батареи превышает 4,28 В, и посылает сигнал V2. Время задержки определяется C3 и обычно устанавливается примерно на 1 секунду, чтобы предотвратить ошибочную оценку, вызванную помехами.

3. Защита от переразряда
В процессе разрядки внешней нагрузки напряжение литий-ионной батареи будет постепенно уменьшаться в процессе разрядки.Когда напряжение аккумулятора падает до 2,5 В, его емкость полностью разряжена. В это время, если аккумулятор продолжает разряжать нагрузку, это приведет к необратимому повреждению аккумулятора.

В процессе разрядки батареи, когда управляющая ИС определяет, что напряжение батареи ниже 2,3 В (значение определяется управляющей ИС, разные ИС имеют разные значения), ее контакт do изменит свое напряжение с высокого на нулевое. напряжение, переводя V1 из состояния «включено» в положение «выключено», тем самым отключая цепь разряда, чтобы батарея больше не могла разряжать нагрузку и играть роль защиты от переразряда.В это время, благодаря наличию в корпусе VD1 диода, зарядное устройство может заряжать аккумулятор через диод.

Поскольку напряжение батареи не может быть снижено в состоянии защиты от переразряда, ток, потребляемый схемой защиты, должен быть очень мал. В это время управляющая ИС перейдет в состояние низкого энергопотребления, а энергопотребление всей схемы защиты будет меньше 0,1 мкА. Также существует временная задержка между управляющей ИС, обнаруживающей напряжение литий-ионной батареи ниже 2.3V и посылая сигнал V1. Время задержки определяется параметром C3, который обычно устанавливается равным примерно 100 мс, чтобы предотвратить ошибочную оценку, вызванную помехами.

4. Защита от перегрузки по току
Из-за химических характеристик литий-ионного аккумулятора производитель литий-ионного аккумулятора установил, что максимальный разрядный ток не должен превышать 2C (C = емкость аккумулятора в час). Когда ток разряда батареи превышает 2c, это приведет к необратимому повреждению или проблемам с безопасностью батареи.

Во время нормального разряда батареи на нагрузку, когда ток разряда проходит через два последовательно соединенных МОП-транзистора, на обоих концах МОП-транзистора появляется напряжение из-за импеданса включения МОП-транзистора. Значение напряжения u = I * RDS * 2, RDS — сопротивление проводимости одиночного полевого МОП-транзистора. V-вывод на управляющей ИС используется для определения значения напряжения. Если по какой-то причине нагрузка ненормальная и ток контура увеличивается, когда ток контура достаточно велик, чтобы сделать u > 0.1 В (значение определяется управляющей ИС, разные ИС имеют разные значения), его вывод переключается с высокого напряжения на нулевое напряжение, заставляя V1 переключаться с включенного на выключенное, тем самым отключая разрядную цепь и замыкая цепь. ток равен нулю, что используется для защиты от перегрузки по току.

Также существует временная задержка между возникновением перегрузки по току, обнаруженной управляющей ИС, и отправкой сигнала выключения V1. Продолжительность времени задержки определяется C3, обычно около 13 мс, для предотвращения неправильной оценки, вызванной помехами.

5. Защита от короткого замыкания
В процессе разрядки нагрузки литий-ионного аккумулятора, если ток контура достаточно велик, чтобы сделать u > 0,9 В (значение определяется управляющей ИС, а разные ИС имеют разные значения), управляющая ИС рассудит, что нагрузка замыкается накоротко, и его вывод быстро переключается с высокого напряжения на нулевое напряжение, заставляя V1 включаться и выключаться, чтобы отключить разрядную цепь и сыграть в целях защиты от короткого замыкания.Время задержки защиты от короткого замыкания очень короткое, обычно менее 7 микросекунд. Его принцип работы аналогичен принципу защиты от перегрузки по току, но метод оценки отличается, и время задержки защиты также отличается.

Принцип работы и способ зарядки полимерно-литиевой батареи

Полимерно-литиевая батарея представляет собой химическую батарею с высокой энергией, миниатюризацией и снижением веса. Методы зарядки литиевых аккумуляторов — это тема, на которую обращают внимание многие люди, потому что методы зарядки литиевых аккумуляторов различны для разных литиевых аккумуляторов.

Как работают полимерно-литиевые батареи

Литий-ионные батареи подразделяются на жидкие литий-ионные батареи и полимерные литий-ионные батареи или пластиковые литий-ионные батареи в зависимости от материалов электролита, используемых в ионно-литиевых батареях. Положительные и отрицательные материалы, используемые в полимерной литий-ионной батарее, такие же, как и жидкие ионы лития. Материал положительного электрода делится на кобальтат лития, манганат лития, тройной материал и литий-железо-фосфатный материал, а отрицательный электрод представляет собой графит.Принцип работы батареи также в основном последователен.

Полимерно-литиевая батарея использует сплав рутения в качестве положительного электрода и использует полимерный проводящий материал, полиацетилен, полианилин или полипарафенилен в качестве отрицательного электрода и органический растворитель в качестве электролита. Удельная энергия литий-полианилиновой батареи может достигать 350 Вт.ч/кг, но удельная мощность составляет всего 50-60 Вт/кг, температура использования -40-70 градусов, а срок службы около 330 раз.

Электролит литий-полимерного аккумулятора представляет собой гибкий твердый полимер, а металлическая рутениевая фольга запечатана в аккумуляторе и может нормально работать при высокой температуре 180 °C.

Поскольку полимер заменяет жидкий электролит твердым электролитом, полимерная литий-ионная батарея имеет преимущества, заключающиеся в том, что она тоньше, имеет произвольную площадь и произвольную форму по сравнению с жидкой литий-ионной батареей, так что батарея может быть изготовлена ​​из алюминия. -пластиковая композитная пленка.Следовательно, можно повысить удельную емкость всей батареи; полимерная литий-ионная батарея также может использовать полимер в качестве материала положительного электрода, а ее массовая удельная энергия будет увеличена более чем на 20% по сравнению с текущей жидкой литий-ионной батареей. Полимерно-литиевая батарея отличается компактностью, тонкостью и легкостью. Поэтому доля рынка полимерных аккумуляторов будет постепенно увеличиваться.


Способ зарядки полимерно-литиевой батареи

Полимерные литиевые батареи обычно относятся к полимерным литий-ионным батареям, которые разработаны на основе жидких литий-ионных батарей.Многие электронные цифровые продукты теперь используют полимерные литиевые батареи. Заряд и разряд полимерно-литиевой батареи и жидкостной литиевой батареи фактически одинаковы. Существует два основных метода: зарядка постоянным напряжением и зарядка постоянным током.

При зарядке постоянным током емкость батареи со временем увеличивается, внутреннее сопротивление батареи также увеличивается, и зарядка становится медленной. В это время мы не должны думать, что зарядка будет завершена, но также и после периода медленной зарядки.Производитель типичной полимерной литий-ионной батареи заряжает ее постоянным током при зарядке батареи и заряжает током постоянного напряжения. Ток, напряжение и мощность сотового телефона со временем меняются, что гарантирует полную зарядку аккумулятора телефона.


Правильный метод зарядки полимерно-литиевой батареи

1. При зарядке полимерно-литиевой батареи зарядное устройство лучше всего выбирать оригинальное специальное зарядное устройство, в противном случае оно повлияет на полимерно-литиевую батарею или повредит ее.

2. Для зарядки полимерно-литиевой батареи лучше всего использовать метод медленной зарядки, старайтесь избегать быстрой зарядки, повторная зарядка и разрядка также повлияют на срок службы полимерно-литиевой батареи.

3. Если мобильный телефон не используется более 7 дней, полимерно-литиевая батарея должна быть полностью использована перед использованием.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.