Аккумуляторные батареи, виды, принцип работы

Что такое аккумуляторная батарея?

Батареи - распространенный источник энергии в наше время. Мы используем аккумуляторы для запуска автомобилей, для питания наших ноутбуков, чтобы мы могли часами разговаривать по мобильным телефонам и даже для того, чтобы разгонять некоторые из наших электромобилей на много миль на одной зарядке. Они могут варьироваться от размеров меньше, чем ластик для карандашей, до огромных размеров. Самая большая батарея в мире способна обеспечить энергией весь город Фэрбенкс, Аляска, город с населением около 12 000 человек, в течение семи минут в чрезвычайной ситуации.

Полезные статьи:

Аварийное освещение, принцип работы

Что такое источник питания?

Все статьи

История изобретения батарей

Батареи существуют дольше, чем вы думаете. Некоторые из первых примитивных типов можно проследить вплоть до парфян около 250 г. до н.э., когда они жили в районе современного Багдада. Парфяне сделали глиняный сосуд, наполнили его уксусом, а затем поместили в него медный цилиндр с торчащим из верха железным прутом. Этот ранний тип батарей использовался для гальваники серебра.

В 1938 году археолог Вильгельм Кениг обнаружил несколько необычных глиняных горшков во время раскопок в Худжут-Рабу, недалеко от современного Багдада, Ирак. Сосуды длиной около 5 дюймов (12,7 см) содержали железный стержень, заключенный в медь и датированный примерно 200 г. до н.э. Испытания показали, что сосуды когда-то были наполнены кислым веществом, таким как уксус или вино, что привело Кенига к выводу, что эти суда были древними батареями. После этого открытия ученые создали копии горшков, которые действительно способны производить электрический заряд. Эти «багдадские батареи» могли использоваться для религиозных ритуалов, в медицинских целях или даже для гальваники.

В 1799 году итальянский физик Алессандро Вольта создал первую батарею, сложив чередующиеся слои цинка, пропитанного рассолом картона или ткани и серебра. Это устройство, называемое гальванической батареей, было не первым устройством, вырабатывающим электричество, но оно было первым, излучающим устойчивый, продолжительный ток. Однако у изобретения Вольты были свои недостатки. Высота, на которой можно было укладывать слои, была ограничена, потому что вес стопки выдавливал рассол из картона или ткани. Металлические диски также имели тенденцию к быстрой коррозии, сокращая срок службы батареи. Несмотря на эти недостатки, единица электродвижущей силы в системе СИ теперь называется вольт в честь достижения Вольта.

Следующий прорыв в технологии аккумуляторов произошел в 1836 году, когда английский химик Джон Фредерик Дэниелл изобрел ячейку Даниэля.. В этой ранней батарее медная пластина была помещена на дно стеклянного сосуда, и раствор сульфата меди был вылит на пластину, чтобы заполнить сосуд наполовину. Затем цинковую пластину подвешивали в банке и добавляли раствор сульфата цинка. Поскольку сульфат меди более плотный, чем сульфат цинка, раствор цинка всплывал в верхнюю часть раствора меди и окружал цинковую пластину. Провод, подключенный к цинковой пластине, представлял собой отрицательную клемму, а провод, ведущий от медной пластины, был положительной клеммой. Очевидно, такая конструкция не могла бы хорошо работать в фонарике, но для стационарных применений она работала просто отлично. Фактически, ячейка Даниэля была обычным способом питания дверных звонков и телефонов до того, как выработка электроэнергии была усовершенствована.

Из чего состоит батарея

Взгляните на любую батарею, и вы заметите, что у нее две клеммы. Один вывод отмечен (+) или положительным, а другой (-) или отрицательным. В обычных батарейках для фонарей, таких как элемент AA, C или D, клеммы расположены на концах. Однако у 9-вольтового аккумулятора или автомобильного аккумулятора клеммы расположены рядом друг с другом на верхней части устройства. Если вы подключите провод между двумя клеммами, электроны будут течь от отрицательного конца к положительному так быстро, как только могут. Это приведет к быстрому износу аккумулятора, а также может быть опасным, особенно для больших аккумуляторов. Чтобы правильно использовать электрический заряд, производимый батареей, вы должны подключить ее к нагрузке. Нагрузка может быть чем-то вроде лампочки, двигатель или электронная схема, например, радио.

Внутренние элементы батареи обычно размещены в металлическом или пластиковом корпусе. Внутри этого корпуса находятся катод, который подключается к положительной клемме, и анод, который подключается к отрицательной клемме. Эти компоненты, более известные как электроды, занимают большую часть пространства в батарее и являются местом, где происходят химические реакции. Сепаратор создает барьер между катодом и анодом, предотвращая электроды от прикосновения, позволяя электрический заряд свободно протекать между ними. Среда, которая позволяет электрическому заряду течь между катодом и анодом, известна как электролит. Наконец, коллекционер проводит заряд к внешней стороне батареи и через нагрузку.

Виды батарей и химия

Многое происходит внутри батареи, когда вы вставляете ее в фонарик, пульт дистанционного управления или другое беспроводное устройство. Хотя процессы, с помощью которых они производят электричество, немного отличаются от батареи к батарее, основная идея остается той же.

Когда нагрузка замыкает цепь между двумя выводами, батарея вырабатывает электричество в результате серии электромагнитных реакций между анодом, катодом и электролитом. Анод подвергается реакции окисления, в которой два или более иона (электрически заряженные атомы или молекулы) из электролита объединяются с анодом, образуя соединение и высвобождая один или несколько электронов. При этом на катоде идет реакция восстановления, в котором катодное вещество, ионы и свободные электроны также объединяются с образованием соединений. Хотя это действие может показаться сложным, на самом деле это очень просто: реакция на аноде создает электроны, а реакция на катоде их поглощает. Чистый продукт - электричество. Батарея будет продолжать вырабатывать электричество до тех пор, пока на одном или обоих электродах не закончится вещество, необходимое для протекания реакций.

Химический состав аккумуляторов

• Цинк-углеродная батарея : химия цинк-углерод распространена во многих недорогих сухих батареях AAA, AA, C и D. Анод - цинк, катод - диоксид марганца, а электролит - хлорид аммония или хлорид цинка.

• Щелочная батарея : эта химия также характерна для сухих батарей типа AA, C и D. Катод состоит из смеси диоксида марганца, а анод - из цинкового порошка. Он получил свое название от электролита гидроксида калия, который является щелочным веществом.
• Литий-ионный аккумулятор (перезаряжаемый) : химический состав лития часто используется в высокопроизводительных устройствах, таких как сотовые телефоны, цифровые камеры и даже электромобили. В литиевых батареях используются различные вещества, но наиболее распространенной комбинацией является катод из оксида лития-кобальта и угольный анод.
• Свинцово-кислотный аккумулятор (перезаряжаемый) : это химический состав, используемый в типичном автомобильном аккумуляторе. Электроды обычно изготавливаются из диоксида свинца и металлического свинца, а электролит - это раствор серной кислоты.

Аккумуляторы, разновидности

С появлением портативных устройств, таких как ноутбуки, сотовые телефоны, МР3-плееры и беспроводные электроинструменты, потребность в аккумуляторных батареях в последние годы существенно выросла. Перезаряжаемые батареи существуют с 1859 года, когда французский физик Гастон Планте изобрел свинцово-кислотный элемент. Аккумулятор Plante со свинцовым анодом, катодом из диоксида свинца и сернокислотным электролитом стал предшественником современных автомобильных аккумуляторов.

Неперезаряжаемые батареи, или первичные элементы, и аккумуляторные батареи, или вторичные элементы вырабатывают ток точно так же: через электрохимическую реакцию с участием анода, катода и электролита. Однако в перезаряжаемой батарее реакция обратима. Когда электрическая энергия от внешнего источника подается на вторичный элемент, поток электронов с отрицательного на положительный, возникающий во время разряда, меняется на противоположный, и заряд элемента восстанавливается. Самыми распространенными перезаряжаемыми батареями на рынке сегодня являются литий-ионные ( LiOn), хотя когда-то были очень распространены никель-металлогидридные (NiMH) и никель-кадмиевые (NiCd) батареи.

Что касается аккумуляторных батарей, не все батареи одинаковы. Никель-кадмиевые батареи были одними из первых широко доступных вторичных элементов, но они страдали от неудобной проблемы, известной как эффект памяти.. По сути, если бы эти батареи не разряжались полностью каждый раз при использовании, они быстро теряли бы емкость. Использование никель-кадмиевых аккумуляторов было прекращено в пользу никель-металлгидридных аккумуляторов. Эти вторичные элементы обладают большей емкостью и лишь минимально подвержены эффекту памяти, но у них не очень хороший срок хранения. Как и никель-металлгидридные батареи, литий-ионные батареи имеют долгий срок службы, но они лучше удерживают заряд, работают при более высоких напряжениях и имеют гораздо меньший размер и меньший вес. Практически вся высококачественная портативная техника, производимая в наши дни, использует ее преимущества. Однако литий-ионные батареи в настоящее время недоступны в стандартных размерах, таких как AAA, AA, C или D, и они значительно дороже своих старых аналогов.

С NiCd и NiMH батареями зарядка может быть сложной. Вы должны быть осторожны, чтобы не перезарядить их, так как это может привести к снижению емкости. Чтобы этого не произошло, некоторые зарядные устройства переключаются на непрерывную подзарядку или просто отключаются после завершения зарядки. Никель-кадмиевые и никель-металлогидридные батареи также необходимо восстанавливать, а это означает, что вы должны время от времени полностью разряжать и перезаряжать их, чтобы свести к минимуму потерю емкости. LiOn батареи, с другой стороны, имеют сложные зарядные устройства, которые предотвращают перезарядку и не нуждаются в ремонте.

Мощность батарей и их расположение

Расположение батареи определяет напряжение и ток. Ознакомьтесь с последовательным расположением батарей, параллельным расположением и значением максимального тока.

Во многих устройствах, использующих батареи, таких как портативные радиоприемники и фонарики, вы не используете только одну ячейку за раз. Обычно вы сгруппировать их вместе в серийном устройстве для повышения напряжения или в параллельном расположении для увеличения тока. На схеме показаны эти две схемы.

На верхней диаграмме показано параллельное расположение. Четыре батареи, включенные параллельно, вместе будут производить напряжение одного элемента, но подаваемый ими ток будет в четыре раза больше, чем у одного элемента. Ток - это скорость, с которой электрический заряд проходит через цепь, и измеряется в амперах. Батареи измеряются в ампер-часах или, в случае небольших бытовых батарей, в миллиампер-часах (мАч). Типичный бытовой элемент, рассчитанный на 500 миллиампер-часов, должен обеспечивать ток 500 миллиампер на нагрузку в течение одного часа. Вы можете сократить количество миллиампер-часов разными способами. Батарея на 500 миллиампер-час может также производить 5 миллиампер в течение 100 часов, 10 миллиампер в течение 50 часов или, теоретически, 1000 миллиампер в течение 30 минут. Вообще говоря, батареи с более высокими значениями ампер-часов имеют большую емкость.

На нижней диаграмме изображено последовательное расположение. Четыре батареи, соединенные последовательно, вместе будут производить ток одной ячейки, но напряжение, которое они подают, будет в четыре раза больше, чем у одной ячейки. Напряжение - это мера энергии на единицу заряда, которая измеряется в вольтах. В батарее напряжение определяет, насколько сильно электроны проталкиваются через цепь, так же как давление определяет, насколько сильно вода проталкивается через шланг. Большинство батареек AAA, AA, C и D имеют напряжение около 1,5 В.

Представьте, что батареи, показанные на диаграмме, рассчитаны на 1,5 вольта и 500 миллиампер-часов. Четыре батареи, подключенные параллельно, будут вырабатывать 1,5 вольта при 2000 миллиампер-часах. Четыре батареи, расположенные в ряд, будут вырабатывать 6 вольт при 500 миллиампер-часах.

Технология аккумуляторов значительно продвинулась со времен гальванической батареи. Эти разработки четко отражаются в нашем быстро меняющемся портативном мире, который больше, чем когда-либо, зависит от портативного источника питания, предоставляемого батареями. Можно только представить, что принесет следующее поколение меньших, более мощных и долговечных батарей.

Как сделать батарею своими руками?

Если вы хотите узнать больше об электрохимических реакциях, протекающих в батареях, вы можете построить их самостоятельно, используя простые бытовые материалы. Прежде чем начать, вам следует купить недорогой вольт-омметр. Убедитесь, что измеритель может считывать низкие напряжения (в диапазоне одного вольта) и низкие токи (в диапазоне от пяти до 10 миллиампер). Имея это оборудование под рукой, вы сможете точно увидеть, насколько хорошо работает ваша батарея.

Вы можете создать свою собственную гальваническую батарею, используя фольгу, промокательную бумагу, яблочный уксус и соль. Нарежьте фольгу и промокательную бумагу на кружочки, затем смочите промокательную бумагу в смеси из яблочного уксуса и соли.

Малярный скотч, прикрепите медную проволоку к одному из дисков из фольги. Теперь сложите материалы в следующем порядке: фольга, бумага, четверть, фольга, бумага, четверть и так далее, пока вы не повторите узор 10 раз. Как только последняя монета окажется в стопке, прикрепите к ней проволоку с помощью липкой ленты. Наконец, прикрепите свободные концы двух проводов к светодиоду, который должен загореться. В этом эксперименте медь в четверти - это катод, фольга - анод, раствор соли яблочного уксуса - электролит, а промокательная бумага - разделитель.

Самодельный аккумулятор также можно сделать из медной проволоки, скрепки и лимона. Сначала отрежьте короткий кусок медной проволоки и распрямите скрепку. Используйте наждачную бумагу, чтобы разгладить неровности на концах любого куска металла. Затем аккуратно сожмите лимон, катая его по столу, но будьте осторожны, чтобы не повредить кожицу. Вставьте медную проволоку и скрепку в лимон так, чтобы они находились как можно ближе друг к другу, но не касались друг друга. Наконец, подключите вольт-омметр к концам скрепки и медного провода и посмотрите, какое напряжение и ток вырабатывает ваша батарея.