Принцип работы аккумуляторной батареи: Автомобильный аккумулятор

Содержание

Аккумуляторная батарея: устройство, принцип работы, типы

Мы не представляем жизни без них. Они окружают нас повсюду. Лежат у людей в карманах, висят дома на стенах, установлены в каждом автомобиле и общественном транспорте, даже стационарные компьютеры не работают без них, не говоря уже о ноутбуках. Человечество в окружении этих элементов под названием аккумуляторы. Но несмотря на такое разнообразие источников энергии, единицы знают, как они устроены и как ими правильно пользоваться. В этой статье рассмотрены некоторые виды аккумуляторных батарей, применяемых в большинстве сферах человеческой жизни.

Содержание

История
Обзор автомобильных аккумуляторов
Сурьмянистый АКБ
Малосурьмянистые АКБ
Кальциевый АКБ
Гелиевые АКБ
Принцип работы свинцово-кислотного АКБ
Принцип работы литий-ионного аккумулятора
Отличие Li-Pol, щелочных аккумуляторов от Ni-Cd и Ni-Mh.
Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы
Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы
Li-Pol Литий-полимерный аккумуляторы
Щелочные аккумуляторы.

История

Впервые свет увидел аккумулятор в 1859 году. Изобретенный блестящим физиком и профессором имя которого Луи́ Гасто́н Планте́. Это имя широко известно в узких кругах. Человечество уже на протяжении 160 лет пользуется этим изобретением, которое серьезно облегчает жизнь каждого человека. Начиная от часов на руках и заканчивая сложными аппаратами поддерживающими жизнь в больницах.

С каждым годом электромобили сильнее заполняют улицы городов. Самый дорогой элемент такого транспорта — аккумуляторная батарея. Работали над созданием и усовершенствованием батарей ученые умы, такие как Томас Эдисон, Камилл Фор, Пейкер, и другие. Подобные исследования продолжаются по сегодняшний день.

Обзор автомобильных аккумуляторов

Сурьмянистый АКБ

Название «Сурьмянистый» происходит из того факта, что в этом источнике питания большое количество сурьмы (Sb) – это вещество, которое придает свинцу твердость. Устройство батареи основано на сплаве сурьмы со свинцом (5-15% Sb), из которого изготовляют пластины применяемые. Когда в АКБ напряжение достигает 12 В — происходит бурная активизация процесса электролиза благодаря сурьме. В процессе выделяются водород и кислород. При такой работе понижается уровень электролита из которого начинают выступать пластины электродов. Как результат — частая доливка воды в аккумулятор. Это устаревший вид батарей, который уже не применяют, кроме старой аппаратуры. Современные АКБ содержат сурьму, но в меньшем количестве.

Малосурьмянистые АКБ

Это аккумуляторы идентичные описанным выше, но содержащие меньше пяти процентов сурьмы. Это сделали для меньшего испарения вода, в результате – проблема частой доливки воды уходит. Еще было достигнуто уменьшение уровня саморазряда батареи при простоях. Данный вид батарей принято называть необслуживаемыми, но через полгода лучше проверять уровень дистиллированной воды, т.к. в ходе химической реакции она испаряется.

Важно! Клеммы аккумуляторов «плюс» и «минус» изготавливают разной толщины. Преследовалась цель не дать клиенту перепутать контакты местами и сделать «короткое замыкание» в электрике автомобиля.

Модернизация вызвала повышение уровня стабильности батареи при нестабильности в сети автомобиля. Данный вид батареи по стабильности стоит на первом месте среди других АКБ.

Кальциевый АКБ

Устройство аккумулятора этого типа отличается тем, что сурьму заменили кальцием, что привело к еще меньшему испарению воды, которое стремится к нулю. Обозначение Са/Са на корпусе свидетельствует, что это кальциевый аккумулятор причем Са расположен в решетках как положительных так и отрицательных электродов. Если сравнить такой накопитель с сурьмянистым, то мы заметим, что саморазряд батареи с кальцием на семьдесят процентов понизился. Еще увеличилось напряжение с 12 вольт до 16.

Гелиевые АКБ

Гелиевые аккумуляторы разработали, чтобы уйти от опасности вытекания электролита, который токсичен для человека. При повреждении этого источника энергии химический состав не вытекает как в других АКБ из-за вязкой структуры электролита. Преимущества таких АКБ положение установки, их можно устанавливать под углом, но меру знать тоже нужно. Еще такие аккумуляторы лучше других выдерживают вибрацию и способны до полной разрядки выдавать большой ток. Гелиевые батареи не боятся полной разрядки и способны восстанавливаться. Такие накопители лучше ставить на исправную машину в плане стабильности бортовой электрики, такой как генератор и др.

Принцип работы свинцово-кислотного АКБ

Это распространенные источники энергии, применяемые для механических транспортных средств. В первую очередь используются для заводки автомобиля и питания всей бортовой электрики.

Как работает аккумулятор? Принцип выглядит следующим образом: в сосуд с серной кислотой помещены свинец и диоксид свинца. В спокойном состоянии процесс не протекает, но как только к электродам подключается нагрузки происходит электрохимический процесс взаимодействия серной кислоты с оксидом свинца, который окисляется до сульфата свинца. Больше 60 химический реакций протекает во время этого процесса. Формула выглядит так:

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Литий-ионные батареи зарекомендовали себя на мировом рынке лучшие накопители для современной техники, такой как смартфоны, ноутбуки, электромобили и другие виды домашней и производственной техники. В 1991 году впервые была выпущена литий-ионная батарея.

Напряжение такого источника составляет 3.7 В, около 800 циклов разряда/заряда способна выдержать это изобретение. Саморазряд составляет 2% в месяц. Работать такие элементы способны на температуре от -20 °C до +60 °C.

Принцип действия основан на электрохимической реакции лития при внедрении в кристаллическую решетку других материалов с образованием химической связи. Еще основной особенностью таких батарей является то, что они почти на 100% без эффекта памяти. Для определения этого факта проводили множество экспериментов и определили, что эффект памяти есть, но он настолько незначительный, что принято считать его нулевым.

Формула:

Совет! Для водителей, которые желают быстро запускать свой автомобиль на морозе. За несколько минут до запуска двигателя включите ближний свет фар или другой потребитель. При этих действиях батарея «просыпается» и приходит в рабочее состояние. Были проведены эксперименты и установлено, что этот метод работает на практике.

Отличие Li-Pol, щелочных аккумуляторов от Ni-Cd и Ni-Mh.

Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы

Данный вид аккумуляторов широко применяли несколько лет назад для различного инструмента. Такие источники в своей структуре содержат кадмий, который является тяжелым металлом и токсичен, но хорошо ведет себя на морозе и имеет не высокую стоимость.

Новые модели аккумуляторов раньше приходят в негодность, чем батареи выпущенные 20 лет назад. Но уровень технических характеристик присущий современным решениям намного выше, чем у их предшественников.

Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы

Такие батареи претерпели некоторые изменения по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми. Избавились от токсичных металлов, стали легче по весу и теперь можно не боятся причинить вред окружающей среде при ликвидации таких аккумуляторов. Еще удалось повысить энергоемкость и уменьшить эффект памяти.

Li-Pol Литий-полимерный аккумуляторы

Вид этих аккумуляторов — улучшенная модернизация литий-ионных. Электролит был заменен полимерными материалами. Такие батареи установлены в смартфонах, планшетах, ноутбуках, цифровой фототехнике и др. Особенность таких источников энергии состоит в форме изготовления, она может быть очень тонкой, что позволяет поместить батарею в любой корпус. Главное преимущество литий-полимерных элементов питания в том, что они не имеют эффекта памяти и энергоемкие.

Щелочные аккумуляторы.

Широкое применение щелочные аккумуляторы нашли в бытовой технике. Известные модели таких батарей — тип ААА и АА. Они установлены в:

детских игрушках
портативных приборах
карманных фонарях
фото, видео аппаратуре
аудио магнитофонах, плеерах и пр.

Щелочной электролит впервые нашел применение в химически активных источниках тока благодаря Вальдемару Джангнеру в 1899 году. С этого времени ученые разных стран вовлечены в разработку щелочных источников питания.

Принцип действия аккумуляторной батареи таков: при работе щелочного элемента происходит химическая реакция, при которой цинк окислившись выделяет гидроксид цинка, далее последний распадается на оксид цинка и воду. При этом происходит восстановление оксида марганца на катоде. Формула выглядит следующим образом:

Таблица сравнения 4-х видов АКБ
Вид аккумулятора	Ni-Cd	Ni-Mh	Щелочные АКБ	Li-Pol
Работа при низких температурах	+	+	+	— быстро теряет емкость
Цена	низкая	средняя	средняя	Высокая
Быстрая зарядка	+	+	—	+
Кол-во циклов разряда-заряда	1000	300-500	300	1000-2000
Токсичность	+	—	—	—
Эффект памяти	+	низкий	+	—
Саморазрядка	+	+	—	—

Обычный аккумулятор оказывается сложной и в то же время простой вещью, если разобраться с ней. Прежде чем выбрать для авто элемент питания, стоит изучить нюансы, которые в последствии могут сыграют весомую роль в вашей жизни.

https://www.youtube.com/watch?v=Ip-BMxu8tZA

устройство, эксплуатация, принцип работы и схема

Автономные источники электроэнергии являются одними из самых полезных изобретений человечества. Что такое телефон или радио, в которых не установлены аккумуляторные батареи? Устройство многих приспособлений, а также условия их использования не всегда предусматривают наличие постоянного сетевого электропитания, поэтому такие источники электроэнергии позволяют с комфортом осуществлять свою деятельность практически в любой точке мира. После небольшого предисловия давайте приступим к статье.

Что такое аккумуляторная батарея?

В широком смысле под этим понятием подразумевают устройство, что при одних условиях использования может накапливать какой-либо вид энергии, а при других – расходовать, чтобы удовлетворить нужды человека.

Аккумуляторы аккумулируют электричество от внешнего источника питания, а потом отдают её подключенным потребителям, чтобы они смогли делать свою работу. Так, когда устройства работают, постоянно протекают химические реакции между электролитом и электродными пластинами. Кстати, подобная конструкция размещена в банках, из которых и формируются аккумуляторные батареи. Устройство данных конструкций предусматривает создание напряжения, как правило, 1,2-2 В, что весьма мало. Поэтому для увеличения показателей источников питания и применяются разные типы соединения.

Устройство данных источников питания предусматривает подключение к плюсу и минусу. Функционируют они следующим образом: когда к электродам подключается нагрузка (в качестве примера можно рассмотреть лампочку), то возникает замкнутая электрическая цепь. По ней начинает протекать ток разряда. Формируется он благодаря движению электронов, анионов и катионов. Более детальную информацию о том, что и как протекает, можно рассказать только на конкретном примере.

Допустим, что у нас есть аккумулятор, где положительный электрод – это окись никеля, в который был добавлен графит для повышения проводимости. Для отрицательной пластины применяли губчатый кадмий. Так вот, когда идёт разряд, то частицы активного кислорода выделяются и попадают в электролит. При этом от них отделяются части, которые идут как электричество (те же электроны). Затем частицы активного кислорода направляются в сторону отрицательных пластин, где они окисляют кадмий.

Функционирование аккумулятора при заряде

Необходимо отключить нагрузку на клеммах пластин. На них же подаётся, как правило, постоянное напряжение (но может быть и пульсирующее, зависит от случая), которое больше, чем величина батареи, что заряжается. Причем полярность должна быть одинаковой. То есть минусовые и плюсовые клеммы потребителя и источника обязаны совпадать. Учтите, что зарядное устройство обязательно должно обладать большей мощностью, чем есть в аккумуляторе, чтобы подавлять остатки энергии в нем и создавать электрический ток, направление которого будет противоположным разряду. В результате меняются и химические процессы, которые протекают в аккумуляторной батарее.

Давайте рассмотрим пример из предыдущего подпункта статьи. Здесь уже положительный электрод будет обогащаться кислородом, а на отрицательном восстановится чистый кадмий. Подводя итог, можно сказать, что во время заряда и разряда меняется только химический состав электродов. Это не относится к электролиту. Но он может испаряться, что негативно будет сказываться на времени работы батареи.

Итак, мы рассмотрели принцип работы любого аккумулятора. Теперь давайте узнаем, как во время эксплуатации можно улучшить их характеристики.

Параллельное соединение

Величина тока зависит от значительного количества факторов. В первую очередь под этим понимают конструкцию, применяемые материалы и их габариты. Чем большую площадь имеют электроды, тем большие показатели тока они смогут выдержать. Этот принцип используется для параллельного соединения однотипных банок в аккумуляторах. Такое делается, если необходимо увеличить значение тока, что идёт на нагрузку. Но вместе с этим приходится и поднимать мощность источника энергии.

Последовательное соединение

Если рассматривать банки, из которых состоят аккумуляторные батареи, то необходимо сказать, что они находятся, как правило, в одном корпусе. Подобный тип соединения используется, чтобы получить большие показатели напряжения с меньшими потерями.

Увидеть применение этой конструкции можно, разобрав автомобильные батареи, которые являются свинцово-кислотными. Стоит сказать, что этот тип применяется не только в устройстве автомобильного аккумулятора, это просто самый вероятный способ разобрать, как же работает подобный тип соединения. В таком случае необходимо позаботится о том, чтобы не было металлического контакта, а существовала надежная гальваническая связь через электролит. Но это только нужно понимать в отношении данного типа. В других случаях по-другому будет реализовываться поставленная задача соединения.

Типы аккумуляторных батарей

Они разнятся из-за своего предназначения, возможностей, реализации и материала. На данный момент современным производством освоен выпуск больше трех десятков типов, которые отличаются своим составом электродов, а также применяемым электролитом. Так, например, li-ion аккумуляторы могут похвастаться семейством из 12 известных моделей. Условно можно выделить следующие типы:

Свинцово-кислотные.
Литиевые.
Никель-кадмиевые.

Это самые популярные представители. Но для понимания возможностей предлагаем ознакомиться со списком материалов, которые могут выступать в качестве электродов:

железо;
свинец;
титан;
литий;
кадмий;
кобальт;
никель;
цинк;
ванадий;
серебро;
алюминий;
ряд других элементов, которые, впрочем, встречаются очень редко.

Использование разных материалов влияет на получаемые выходные характеристики и, следовательно, на сферу применения. Так, к примеру, li-ion аккумуляторы применяются в компьютерных и мобильных устройствах. Тогда как никель-кадмиевые используются в качестве замены стандартных гальванических элементов. Теоретически все типы аккумуляторных батарей могут работать с любой нагрузкой. Вопрос только в том, насколько оправданным является такое применение.

Основные характеристики

Мы уже рассмотрели, что такое аккумуляторные батареи, устройство этих конструкций, из чего их делают. Теперь давайте сосредоточимся на том, что влияет на их эксплуатацию. Важными для нас характеристиками являются:

Плотностью называют характеристику соотношения количества энергии к объему или весу аккумулятора.
Емкостью именуют значение максимального заряда аккумулятора, которое он может отдать во время процесса разряда, пока не будет достигнуто наименьшее напряжение. Данный показатель выражается в ампер-часах или кулонах. Также может указываться энергетическая емкость. Она измеряется в ватт-часах или джоулях. Задача такой емкости – сообщать о количестве энергии, что отдаётся во время разряда до достижения минимального допустимого напряжения.
Температурный режим оказывает влияние на электрические свойства аккумуляторной батареи. Когда есть серьезные отклонения от рекомендованного производителем диапазона эксплуатации, то существует высокая вероятность выхода источника питания из строя. Это объясняется тем, что холод и жара влияют на интенсивность протекания химических реакций, а также на внутреннее давление.
Саморазрядом именуют потери емкости, которые происходят после заряда батареи, когда отсутствует нагрузка на клеммах. Во многом этот показатель зависит от конструктивного исполнения и может увеличиваться, если нарушилась изоляция.

Вот такие характеристики аккумуляторных батарей и предоставляют для нас наибольший интерес. Конечно, если придётся делать что-то новое и эксклюзивное, ранее невиданное, то может понадобиться и что-то ещё. Но это весьма маловероятно.

Устройство электродов

В качестве примера мы возьмём свинцовые пластины. Хотя таковыми они были раньше. Современные пластины изготавливаются из свинцово-кальциевого сплава. Благодаря этому достигается низкий уровень саморазряда батареи (50% емкости теряется за 18 месяцев). Также это позволяет экономно расходовать воду (всего 1 грамм на ампер-час).

Можно встретить и гибридную конструкцию, где, кроме свинца, в положительный электрод добавляется сурьма, а в отрицательный – кальций. Правда, в таких случаях имеется повышенный расход воды. Чтобы повысить стойкость к коррозийным процессам, добавляют олово или серебро.

Электроды изготавливаются с решетчатой структурой, их покрывают слоем активной массы. Принцип работы аккумуляторной батареи в немалой степени зависит от того, какой материал используется для пластин. Мы рассматриваем свинцовые, которые просты для изучения, но ориентироваться на них всегда не рекомендуем.

Электролит

Рассматриваем все те же свинцово-кислотные батареи. В качестве электролита, в который они помещаются, чаще всего выступает серная кислота. Она обладает определённой плотностью, которая может меняться в зависимости от уровня заряда батареи. В данном случае действует принцип: чем больше, тем выше. Со временем электролит улетучивается, и емкость аккумуляторной батареи падает. На сроке службы сказываются особенности эксплуатации (соблюдение техники безопасности). В батареях электролит может быть двух типов:

жидким;
в виде пропитанного специального материала.

На данный момент наиболее распространён первый тип.

Эксплуатация аккумуляторных батарей

Использование аккумуляторов можно наблюдать практически везде. Вспомните свои мобильные телефоны или источники бесперебойного питания для компьютеров. В качестве примера можно привести и обычный фонарик (современные образцы всё чаще изготавливаются со встроенным аккумулятором и не рассчитаны на гальванические элементы). А автомобили? Системы «стоп-старт» и рекуперативного торможения работают от аккумуляторов, причем они выдвигают высокие требования к пусковому току, глубокому разряду и долговечности. Как видите, без этих источников питания сложно обойтись в современной жизни любому человеку.

Схема построения аккумуляторной батареи

Мы рассмотрели основную информацию о данных устройствах. Давайте ещё уделим внимание такому понятию, как схема аккумуляторной батареи. Ведь в рамках статьи по нему прошлись только вскользь. Аккумулятор современной схемы, согласно истории, был впервые создан французским физиком Гастоном Плантом. Площадь его творения превышала 10 квадратных метров! Современные батареи, по сути, являются просто значительно уменьшенными и немного доработанными копиями его аккумулятора. Видимым для человека элементом является только корпус. Он обеспечивает общность и целостность конструкции.

SCIRP Открытый доступ

Издательство научных исследований

Журналы от A до Z

Журналы по темам

Биомедицинские и биологические науки.
Бизнес и экономика
Химия и материаловедение.
Информатика. и общ.
Науки о Земле и окружающей среде.
Машиностроение
Медицина и здравоохранение
Физика и математика
Социальные науки. и гуманитарные науки

Журналы по тематике

Биомедицина и науки о жизни
Бизнес и экономика
Химия и материаловедение
Информатика и связь
Науки о Земле и окружающей среде
Машиностроение
Медицина и здравоохранение
Физика и математика
Социальные и гуманитарные науки

Публикация у нас

Представление статьи
Информация для авторов
Ресурсы для экспертной оценки
Открытые специальные выпуски
Заявление об открытом доступе
Часто задаваемые вопросы

Публикуйте у нас

Представление статьи
Информация для авторов
Ресурсы для экспертной оценки
Открытые специальные выпуски

Заявление об открытом доступе
Часто задаваемые вопросы

Подпишитесь на SCIRP

Свяжитесь с нами

	клиент@scirp. org
	+86 18163351462 (WhatsApp)
	1655362766

	Публикация бумаги WeChat

Недавно опубликованные статьи

Подпишитесь на SCIRP

Свяжитесь с нами

	клиент@scirp. org
	+86 18163351462 (WhatsApp)
	1655362766

	Публикация бумаги WeChat

Бесплатные информационные бюллетени SCIRP

верхний

Знаете ли вы принцип работы и устройство литий-полимерных аккумуляторов?

Литий-полимерный аккумулятор — это наиболее распространенная аккумуляторная технология, которую мы используем каждый день. Но знаете ли вы принцип работы и конструкцию литий-полимерных аккумуляторов?

Принцип работы и конструкция литий-полимерных аккумуляторов идентичны литий-ионным аккумуляторам. Эти батареи работают по принципу деинтеркаляции и интеркаляции ионов лития из материалов положительного электрода в материалы отрицательного электрода. Давайте сначала рассмотрим процесс производства литий-полимерных аккумуляторов.

Элементы типа «сэндвич» (рис. 2) состоят из графитового электрода (отрицательный), электрода из оксида лития (положительный) и разделительного слоя. Оксид металла лития основан на соединениях оксида марганца, никеля или кобальта или их смеси.

В некоторых элементах с более низким уровнем напряжения в качестве альтернативы используется фосфат железа в виде литий-железо-фосфатных элементов. Состав влияет на свойства аккумулятора и зависит от производителя и класса качества.

Основные критерии, отличающие литий-полимерные батареи от других типов элементов:

oLi-ion элементы имеют фиксированный корпус из нержавеющей стали или алюминия. Корпус обычно имеет цилиндрическую форму («круглые ячейки»). Однако встречаются и прямоугольные формы.

Недостатки: относительно высокая стоимость инструмента для изготовления корпуса; ограниченные размеры.

Преимущества: прочный, механически прочный корпус, что делает батарею трудноповреждаемой. Процесс лазерной сварки запечатывает ячейки.

Литий-полимерные элементы, также известные как мягкие или мешочные элементы, имеют тонкий и несколько «мягкий» корпус, похожий на мешочек, изготовленный из алюминиевой фольги глубокой вытяжки. В основном призматический корпус может быть изготовлен проще и дешевле, чем жесткие корпуса литий-ионных элементов. Другие компоненты в тонкослойной фольге (< 100 мкм) также могут производиться серийно по относительно низкой цене.

Ячейки легкие, тонкие и могут быть самых разных форм и размеров. Могут быть достигнуты как большие форматы, так и высота менее 1 мм. Однако клетки требуют осторожного механического обращения.

Пленка корпуса покрыта с обеих сторон пластиком. Внутри: полиолефины, устойчивые к клеточным компонентам. Снаружи: полиамид, устойчивый к внешней среде. Этот водостойкий ламинат сваривается и окружает ячейку, состоящую из катода, анода и сепаратора.

Критическим моментом было выполнение дефлектора в районе террасы. Дополнительная фольга, приваренная к дефлектору, повышает герметичность в этом месте сварки «корпуса».

o Набор электродов: В литий-полимерных батареях набор электродов состоит из вещества на основе углерода (графит+присадки), наклеенного на металлическую подложку. Катод состоит из трехмерных литированных оксидов кобальта или смешанных оксидов никеля/марганца/кобальта (NMC), также наклеенных на металлическую подложку. Дефлекторы присутствуют на обоих электродах. Они наматываются на сердечник вместе с сепаратором, обычно трехслойным полиолефином. Сердечник обычно состоит из плоского штыря для создания прямоугольной обмотки. Обмотка находится на дне фольги пакета, которая частично сложена и уложена поверх обмотки.

Уплотнение создается путем сваривания фольги.

o Дизайн: Преимуществом является почти безграничный диапазон размеров и форматов благодаря отсутствию жесткого стального корпуса и компактной конструкции. В частности, возможность проектирования очень плоских элементов отличает технологию литий-полимерных аккумуляторов. Такие батареи могут быть тоньше 1 мм.

Это обеспечивает значительную свободу проектирования конечного продукта. Индивидуальные размеры могут быть реализованы даже для небольших партий, при этом пространство, зарезервированное для батареи, может быть использовано в полной мере.

o Плотность энергии: Плотность энергии этих клеток выше, чем у других типов. Относительно их общего веса литий-полимерные элементы имеют немного более высокую плотность энергии, чем литий-ионные элементы. Как и литий-ионные аккумуляторы, их можно легко подключить параллельно, чтобы увеличить емкость.

o Саморазряд: Еще одним преимуществом LiPo аккумуляторов является их относительно низкая скорость саморазряда.

Принцип работы аккумуляторной батареи: Автомобильный аккумулятор — устройство, работа, параметры