Строение аккумулятора: Устройство аккумуляторной батареи | Интернет-магазин аккумуляторов в Петербурге АКБ Энерго

Принцип работы и устройство аккумулятора

контакт-центр с 8:00 до 22:00

БлогПринцип работы и устройство аккумулятора

Стандартный автомобильный аккумулятор состоит из шести 2-вольтовых элементов, что дает на выходе 12 вольт. Каждый элемент состоит из свинцовых решетчатых пластин, покрытых активным веществом и погруженных в электролит. Отрицательные пластины покрыты мелкопористым свинцом, а положительные двуокисью свинца.

Когда к АКБ подключают нагрузку, активное вещество вступает в химическую реакцию с сернокислотным электролитом, вырабатывая электрический ток. На пластинах при этом осаждается сульфат свинца, и электролит, соответственно, истощается. 

При зарядке эта реакция проходит в обратном направлении, и способность аккумулятора давать ток восстанавливается. 

То есть принцип работы аккумуляторных батарей основывается на химических реакциях между свинцом и диоксидом свинца в сернокислотной среде, в результате которых вырабатывается электричество.

Показатели АКБ:

1. Емкость, выраженная в ампер-часах. Она характеризует способность АКБ давать определенный ток в течение некоторого времени. Например, ёмкость 40 ампер-час означает, что аккумулятор может давать ток в 1 ампер в течение 40 часов (или в 2 ампера в течение 20 часов и т.д.).
2. Характеристики стартовых токов, что наиболее востребовано у европейских марок автомобилей и позволяет завести машину при любых погодных условиях (высокие показатели тока холодной прокрутки).
3. Резервная емкость. Этот параметр показывает интервал времени (в минутах), в течение которого аккумулятор способен давать ток 25 А (т.е. в течение какого времени он сможет подменять собой вышедший из строя генератор).
4. Габаритные размеры, полярность. Для определения полярности на выводных клеммах аккумулятора проставляют знаки «+» и «-». При установке аккумуляторной батареи на автомобиль отрицательную клемму присоединяют к «массе», а положительную — в цепь.

                                                                                                                      

Свинцово-кислотный аккумулятор, кроме видимой части, а это корпус аккумулятора, крышка, клеммы, индикатор заряда, имеет сложную внутреннюю конструкцию. Внутри аккумулятора находятся электроды (положительные и отрицательные), представляющие собой свинцовые решётки, и разделенные изоляторами (сепараторами), которые погружены в электролит.

Сепараторы предохраняют пластины (решётки) от соприкосновения друг с другом. Если будет соприкосновение разноименных пластин, произойдет короткое замыкание и аккумулятор не будет действовать. Сепараторы, не допуская короткого замыкания, в тоже время должны пропускать ток через электролит. Материалом для сепараторов служит, как правило, микропористая пластмасса.

Электроды погружены в химическое вещество электролит, состоящий из разбавленной дистиллированной водой серной кислоты (h3SO4). При разряжении аккумулятора активно расходуется серная кислота, в результате чего образуется вода. С образованием воды, общая плотность электролита снижается.

                                                                                                                                 

При зарядке аккумуляторной батареи, все происходит в обратном порядке. Вода «используется» на создание серной кислоты, соответственно общая плотность электролита повышается. Срок службы автомобильного аккумулятора и его характеристики напрямую зависят от качества серной кислоты и воды, входящих в состав электролита.

Электроды или решетки, изготавливаются из свинцовых сплавов. Эти сплавы содержат в себе такие компоненты, как сурьма, кальций, олово, наделяющие сплав определенными свойствами, и защищающие свинец от коррозии. Состав сплава свинца, а также форма решетки электрода, значительно влияют на характеристику батареи, например, мощность кислотно-свинцового аккумулятора или пусковой ток аккумулятора. Решетка заполнена активной пастой, которую изготавливают из свинцово-оксидного порошка. Состав свинцово-оксидного порошка и свойства пасты влияют на свойства аккумулятора

Корпус аккумулятора обычно изготавливают из ударопрочного, термостойкого пропилена.

Ждем Вас за покупками!

Сайт использует файлы Cookie (куки-файлы)

Продолжая использовать сайт Вы соглашаетесь на сбор данных о Вашем посещении сайта.

Устройство аккумулятора

Базовый принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора (АКБ), определяемый термином «двойная сульфатация», был разработан (изобретен) более полутора веков назад в районе 1860 года и с тех пор никаких принципиальных новшеств не претерпел. Появилось достаточное количество специализированных моделей, но устройство аккумулятора выпущенного вчера в Японии или производимого сегодня в России или в Германии, такое же, как и устройство самой первой батареи собранной «на коленке» во Франции, с неизбежными улучшениями и оптимизацией.

Содержание

1. Назначение
2. Правила подзарядки
3. Устройство кислотного АКБ и принцип его работы
4. Работа кислотного аккумулятора
5. Как устроена щелочная батарея и принцип ее работы
6. Достоинства щелочной АКБ
7. Заключение

Назначение

АКБ в обычном автомобиле предназначен для работы стартера при запуске двигателя и для устойчивого снабжения заданного вольтажа электроэнергией, многочисленного электрооборудования. При этом роль автомобильного аккумулятора, как «энергетического буфера», при недостаточном поступлении энергии от генератора не менее важна. Типичный пример подобного режима – при работе двигателя на холостых оборотах во время стояния в пробке. В такие моменты весь электропакет и дополнительное сервис-оборудование запитаны только от аккумулятора. Критически важна роль кислотного аккумулятора при аварийных форс-мажорах: поломка генератора, регулятора напряжения, выпрямителя тока, при обрыве ремня генератора.

Правила подзарядки

Подзарядка свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора в штатном режиме производится от генератора. При интенсивной работе батареи требуется ее дополнительная подзарядка в стационарных условиях через специальное зарядное устройство. Особенно это актуально в зимнее время, когда возможность холодной батареи принимать заряд резко снижается, а потребление энергии на раскрутку мотора на морозе возрастает. Поэтому зарядку автомобильного АКБ необходимо проводить в тепле после его согревания естественным образом.

Важно! Ускорение согревания батареи горячей водой или феном недопустимо, так как реально разрушение пластин вследствие резкого перепада температур. При опадении наполнителя на дно банок, резко возрастает возможность саморазряда за счет замыкания пластин.
Для так называемых «кальциевых» аккумуляторов, недопущение полного или значительного разряда критически важно, потому что ресурс этого типа батарей ограничен 4-5 циклами полной разрядки, после чего аккумулятор приходит в негодность.

В современных гибридных автомобилях и в электромобилях аккумуляторная батарея имеет повышенные размеры и емкость, обеспечивая движение. Их так и называют – тяговые. В «чистых» электромобилях только аккумуляторы являются поставщиком энергии для движения и работы всего электрооборудования, отчего имеют значительные размеры и в разы большую емкость, чем батарея в «классическом» автомобиле с карбюраторным двигателем. Например: танковые, тепловозные, на подводных лодках и так далее. Хотя принцип кислотного аккумулятора во всех случаях одинаков за исключением размеров.

Устройство кислотного АКБ и принцип его работы

Устройство кислотной АКБ (свинцово-кислотного) различного назначения, от разных производителей отличается не принципиально и в тезисной форме выглядит следующим образом:

1. пластиковый контейнер-корпус из инертного, устойчивого к агрессивной среде материала;
2. в общем корпусе располагается несколько модулей-банок (как правило шесть), которые являются полноценными источниками тока и соединяются между собой тем или иным способом в зависимости от основных задач;
3. в каждой банке располагаются плотные пакеты, состоящие последовательно из разделенных диэлектрическими сепараторами отрицательно и положительно заряженных пластин (свинцовый катод и анод из диоксида свинца соответственно). Каждая пара пластин является источником тока, их параллельное соединение кратно увеличивает выдаваемое на напряжение;
4. пакеты залиты раствором химически чистой серной кислоты, разбавленной до определенной плотности дистиллированной водой.

Работа кислотного аккумулятора

В процессе работы кислотного аккумулятора на катодных пластинах образуется сульфат свинца и выделяется энергия в виде электрического тока. За счет выделяемой в процессе электрохимической реакции воды плотность кислотного электролита падает, он становится менее концентрированным. При подаче напряжения на клеммы в процессе зарядки происходит обратный процесс с восстановлением свинца до металлической формы и повышается концентрация электролита.

Как устроена щелочная батарея и принцип ее работы

Устройство щелочной батареи аналогично таковому у кислотного. Но положительно и отрицательно заряженные пластины имеют другой элементный состав, а в качестве электролита используется раствор едкого кали определенной плотности. Есть и другие отличия — в самом корпусе контейнера, выводе клемм и в наличии мелкосетчатой «рубашки» вокруг каждой отдельной пластины.

Отрицательные катоды традиционного щелочного аккумулятора выполнены из губчатого кадмия с примесью губчатого железа, положительные – из гидроокиси трехвалентного никеля с добавлением чешуйчатого графита, добавка которого, обеспечивает лучшую электропроводность катода. Пары пластин параллельно соединяются между собой в банках, которые тоже соединены параллельно. В процессе зарядки щелочного аккумулятора двухвалентный никель в гидрате закиси меняет валентность до значения «8» и превращается в гидрат окиси; соединения кадмия и железа восстанавливаются до металлов. При разрядке процессы противоположны.

Достоинства щелочной АКБ

К достоинствам щелочного типа относятся:

• внутреннее устройство обеспечивает повышенную устойчивость к механическим нагрузкам, в том числе к тряске и ударам;
• разрядные токи могут быть значительно выше, чем у кислотного аналога;
• в принципе отсутствует испарение/выделение вредных веществ с газами;
• легче и меньше при равных емкостях;
• имеют очень высокий ресурс и служат в 7-8 раз дольше;
• для них не является критичными перезаряд или недозаряд;
• эксплуатация их проста.

По достижении максимального возможного заряда и при продолжении подключения к зарядному устройству никаких отрицательных электрохимических процессов с элементами не происходит. Просто начинается электролиз воды на водород и кислород с ростом концентрации едкого кали и падением уровня электролита, что безопасно и легко компенсируется добавлением дистиллированной воды.

Очевидно, что имеются показатели, по которым этот тип аккумуляторов хуже кислотного:

• использование дорогостоящих материалов повышает стоимость на единицу емкости до четырех раз;
• более низкое – 1,25 В против 2 и выше В — напряжение на элементах.

Заключение

Правильная эксплуатация любого типа АКБ обеспечивает его долгую и надежную работу, что не только позволяет экономить финансы, но и гарантирует большую безопасность и комфорт при езде на автомобиле.

Структурные батареи | Исследовательские группы

Рис. 1. Архитектура многослойной структурной батареи.

Структурные батареи представляют собой гибридные и многофункциональные композитные материалы, способные нести нагрузку и накапливать электроэнергию так же, как ионно-литиевые батареи. В таком устройстве углеродные волокна используются в качестве основного несущего материала из-за их превосходных свойств прочности и жесткости, а также в качестве активного отрицательного электрода, обеспечивающего функцию накопления энергии. Структурные батареи могут быть изготовлены с использованием традиционной многослойной архитектуры батареи, аналогичной архитектуре ламината из полимерного композита, армированного волокнами, в котором положительный электрод также армирован углеродными волокнами, покрытыми фосфатом лития-железа.

Рис. 2. Структурная батарея конструкции самолета.

Исследование включает несколько исследовательских направлений, включающих изучение электродных материалов (одно из углеродных волокон), матричных материалов, которые обеспечивают жесткость композита, сохраняя при этом ионную проводимость (электролиты структурных аккумуляторов), разработку устройств, сборку, масштабирование, демонстрацию, мультифизику. моделирование, дизайн и приложения. Возможными новаторскими приложениями для таких инновационных концепций материалов являются корпуса мобильных телефонов, ноутбуков или конструктивные элементы автомобилей и самолетов, которые одновременно несут нагрузку и накапливают электроэнергию, что позволяет существенно снизить вес.

Дополнительная информация

• Композитные материалы для конструкционных батарей: обзор, LE Asp, et al. Функциональные композиты и конструкции , Том: 1, Номер: 4, Артикул: 042001 (2019)
• Структурные батареи: обзор, F Danzi et al. Молекулы , 26, 2203, (2021)
• Композитный слоистый материал для многоячеистых батарей, J Xu, et al. Экомат . e12180 (2022)
• Структурная батарея и ее многофункциональные характеристики, LE Asp и др. Передовые исследования в области энергетики и устойчивого развития, Том: 2, Выпуск: 3, Статья: 202000093 (2021)
• Структура анализа характеристик конструкционных композитных материалов для батарей в электромобилях, D Carlstedt, LE Asp, Composites Part B: Engineering
  , Volume: 186, Article: 107822 (2020)
• Электрохимико-механическое связанное вычислительное моделирование структурных батарей, D Carlstedt, et al. Многофункциональные материалы, Том: 3, Номер: 4, Артикул: 045002 (2021)
• Влияние литирования на модули упругости углеродных волокон, S Duan, et al. Углерод, Том: 185, страницы 234-241 (2021)
• Метод трафаретной печати для изготовления токосъемников для структурных батарей, W Johannisson, et al. Многофункциональные материалы , Том: 4, Номер: 3, Артикул: 035002 (2021)
• Перспективная оценка жизненного цикла структурной батареи, M Zackrisson, et al. Устойчивое развитие , Том: 11, Выпуск: 20 (2019)
• Модель структурной батареи и ее потенциал для экономии массы на уровне системы ,  W Johannisson, et al. Многофункциональные материалы
  , Том: 2, Номер: 3, Артикул: 035002 (2019)

Простая структура батареи — Panasonic Energy Co., Ltd.

Это одноразовый тип, в котором энергия постепенно заканчивается по мере использования. Это самый популярный тип, о котором большинство людей думают в первую очередь, когда мы говорим об аккумуляторах.

Итак, как внутри батареи вырабатывается электричество? Давайте рассмотрим простой эксперимент.

1. Электроны, генерируемые на цинковой пластине

Электроны, генерируемые на цинковой пластине. Атомы цинка, из которых состоит цинковая пластина, оставляют часть запасных электронов, создавая железо цинка, которое разрушается в растворе электролита. Медная пластина практически не ломается.

2. Массоперенос электронов с цинковой пластины

Количество электронов на цинковой пластине увеличивается по мере того, как цинк разрушается. Затем эти электроны переходят на положительную медную пластину посредством проводимости.

3. Ионы водорода принимают электроны

Серная кислота, из которой состоит раствор электролита, содержит ионы водорода. Однако, когда ионы цинка появляются в том же растворе электролита, водород слабее образует ионы, чем цинк, поэтому ионы водорода связываются с электронами, движущимися к медной пластине, и возвращаются в состояние газообразного водорода.

Марганцевая батарея

Номинальное напряжение
1,5 В

В этой конструкции отрицательный (-) полюс также служит контейнером. Это означает, что в контейнере могут открыться отверстия, и жидкость может вылиться из-за чрезмерного выброса, если его случайно оставить на слишком долгое время. Поэтому нам нужно быть осторожными. Эти батареи имеют долгую историю, они дешевы и популярны. Когда они отключены, они могут восстановить часть своей энергии, поэтому они идеально подходят для вещей, которые мы используем время от времени, таких как фонарики, или вещей, которые мы используем многократно, но каждый раз только на короткие промежутки времени.

Щелочная батарея

Номинальное напряжение
1,5 В

В этой конструкции внешний контейнер никак не связан с химической реакцией, поэтому риск утечки минимален. Эти щелочные батареи имеют большую емкость и меньшее снижение напряжения, чем марганцевые батареи, поэтому они подходят для устройств, которым требуется мощный ток, таких как яркий свет, и устройств, которые мы используем в течение длительного времени, таких как портативные стереосистемы.

Основная литиевая батарея

Номинальное напряжение
3,0 В

Аккумуляторы этого типа отличаются высокой производительностью, высоким напряжением и надежностью, а также максимальным количеством энергии на единицу объема, которое может быть в десять раз больше, чем у сухих марганцевых аккумуляторов. Его электролит не содержит воды, что позволяет использовать его при низкой температуре. Эта батарея выпускается в различных формах и отлично подходит для различных приложений, например, типа монеты для цифровых часов, типа упаковки для фотоаппаратов и типа штифта для рыболовных поплавков.

Щелочная батарейка-таблетка

Номинальное напряжение
1,5 В

Это высокоэффективная и недорогая батарея, используемая в электронных игрушках, калькуляторах, фотоаппаратах и ​​т. д.
1,55 В

Этот тип имеет большую емкость и стабильное напряжение. Его долгая жизнь стоит высокой цены. Многие батареи таблеточного типа, например те, которые используются для часов, относятся к этому типу. Некоторые из этих батарей имеют толщину 2 мм или меньше и идеально подходят для высокоточного оборудования.

Воздушно-цинковая батарея

Номинальное напряжение
1,4 В

Они используются в таких устройствах, как слуховые аппараты, вместо ртутных батарей. Их нельзя использовать в герметичных устройствах, куда воздух не может попасть внутрь. Выработка электроэнергии начинается, когда пломба снимается.

Эти батареи очень удобны, так как их можно заряжать и снова использовать после того, как их энергия изначально исчерпана. Они используются во многих небольших устройствах, таких как мобильные телефоны, и в настоящее время применяются в самых разных областях.

Ni-Cd аккумулятор

Номинальное напряжение
1,2 В

В этой конструкции газ, образующийся в результате химической реакции во время зарядки, может поглощаться внутри. Все перезаряжаемые батареи построены таким образом. Однако, когда они не используются, они естественным образом разряжаются, а мощность заканчивается через 3-6 месяцев, поэтому мы должны полностью зарядить их перед использованием.

Никель-металлогидридная батарея

Номинальное напряжение
1,2 В

Как и никель-кадмиевые аккумуляторы, их можно перезаряжать и использовать снова. Структура аналогична никель-кадмиевым батареям, но они имеют более высокую емкость и могут непрерывно использоваться на 50-100% дольше. Это делает их идеальными для устройств, которые мы использовали в течение длительного времени, таких как цифровые камеры.

Литий-ионный аккумулятор

Номинальное напряжение
3,7 В

Это новый тип аккумуляторов, появившийся в 1990-х годах и заменивший металлический литий ионами лития. Литий-ионные аккумуляторы легче, чем никель-кадмиевые или никель-металлгидридные, и их можно использовать в течение более длительного времени. Их скорость саморазряда также ниже, и они не страдают от эффекта памяти.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи

Эти аккумуляторные батареи имеют самую долгую историю. Они используются в автомобилях и мотоциклах, в то время как «герметичный» вариант с регулируемой стоимостью используется в качестве резервного или аварийного источника питания для таких вещей, как больницы, фабрики, здания и компьютеры.

Как мы получаем электричество из солнечного света? Давайте посмотрим на примере этого «солнечного элемента» (или «фотоэлемента»). Солнечные элементы — это батареи, которые превращают световую энергию солнца в электрическую энергию. Будь то в горах или на море, их можно легко использовать для выработки электроэнергии везде, где есть солнечный свет, не вызывая загрязнения или помех. Принцип солнечных элементов заключается в объединении полупроводника P-типа с отрицательными электрическими свойствами. Когда солнечный свет попадает на точку контакта полупроводника P-типа, положительные и отрицательные свойства накапливаются на обоих концах батареи, генерируя напряжение и электрическую энергию.

Что такое топливный элемент? Давайте посмотрим на эту простую схему.