Акумуляторні батареї: пристрій, експлуатація, принцип роботи і схема

Автономні джерела електроенергії є одними з найбільш корисних винаходів людства. Що таке телефон або радіо, в яких не встановлені акумуляторні батареї? Пристрій багатьох пристосувань, а також умови їх використання не завжди передбачають наявність постійного мережевого електроживлення, тому такі джерела електроенергії дозволяють з комфортом здійснювати свою діяльність практично в будь-якій точці світу. Після невеликого передмови давайте приступимо до статті.

Що таке акумуляторна батарея?

У широкому значенні під цим поняттям розуміють пристрій, що при одних умовах використання може накопичувати який-небудь вид енергії, а при інших – витрачати, щоб задовольнити потреби людини.
Акумулятори акумулюють електрику від зовнішнього джерела живлення, а потім віддають її підключеним споживачам, щоб вони змогли робити свою роботу. Так, коли пристрої працюють, постійно протікають хімічні реакції між електролітом і електродними пластинами. До речі, подібна конструкція розміщена в банках, з яких і формуються акумуляторні батареї. Пристрій даних конструкцій передбачає створення напруги, як правило, 12-2 що вельми мало. Тому для збільшення показників джерел живлення і застосовуються різні типи з'єднання.

Як працюють при розряді акумуляторні батареї?

Пристрій даних джерел живлення передбачає підключення до плюса та мінуса. Функціонують вони наступним чином: коли до електродів підключається навантаження (в якості прикладу можна розглянути лампочку), то виникає замкнута електрична ланцюг. По ній починає протікати струм розряду. Формується він завдяки руху електронів, аніонів і катіонів. Більш детальну інформацію про те, що і як протікає, можна розповісти тільки на конкретному прикладі.
Припустимо, що у нас є акумулятор, де позитивний електрод – це окис нікелю, в який був доданий графіт для підвищення провідності. Для негативної пластини застосовували губчастий кадмій. Так от, коли йде розряд, то частинки активного кисню виділяються і потрапляють в електроліт. При цьому від них відокремлюються частини, які йдуть як електрика (ті ж електрони). Потім частинки активного кисню прямують у бік негативних пластин, де вони окислюють кадмій.

Функціонування при заряді акумулятора

Необхідно відключити навантаження на клемах пластин. На них же подається, як правило, постійне напруження (але може бути і пульсуюче, залежить від випадку), що більше, ніж величина акумулятора, що заряджається. Причому полярність повинна бути однаковою. Тобто мінусові і плюсові клеми споживача і джерела повинні збігатися. Врахуйте, що зарядний пристрій обов'язково має володіти більшою потужністю, ніж є в акумуляторі, щоб придушувати залишки енергії в ньому і створювати електричний струм, напрямок якого буде протилежним розряду. В результаті змінюються і хімічні процеси, які протікають в акумуляторній батареї. Давайте розглянемо приклад з попереднього підпункту статті. Тут вже позитивний електрод буде збагачуватися киснем, а на негативному відновиться чистий кадмій. Підбиваючи підсумок, можна сказати, що під час заряду і розряду змінюється тільки хімічний склад електродів. Це не відноситься до електроліту. Але він може випаровуватися, що негативно позначатиметься на часі роботи від батареї.
Отже, ми розглянули принцип роботи будь-якого акумулятора. Тепер давайте дізнаємося, як під час експлуатації можна поліпшити їх характеристики.

Паралельне з'єднання

Величина струму залежить від значної кількості факторів. У першу чергу під цим розуміють конструкцію, застосовувані матеріали і їх габарити. Чим більшу площу мають електроди, тим більші показники струму вони зможуть витримати. Цей принцип використовується для паралельного з'єднання однотипних банок в акумуляторах. Таке робиться, якщо необхідно збільшити значення струму, що йде на навантаження. Але разом з цим і доводиться піднімати потужність джерела енергії.

Послідовне з'єднання

Якщо розглядати банки, з яких складаються акумуляторні батареї, то необхідно сказати, що вони знаходяться, як правило, в одному корпусі. Подібний тип з'єднання використовується, щоб отримати більші показники напруги з меншими втратами. Побачити застосування цієї конструкції можна, розібравши автомобільні батареї, які є свинцево-кислотними. Варто сказати, що цей тип застосовується не тільки в пристрої автомобільного акумулятора, це просто найімовірніший спосіб розібрати, як же працює подібний тип з'єднання. В такому випадку необхідно подбає про те, щоб не було металевого контакту, а існувала надійна гальванічна зв'язок через електроліт. Але це лише потрібно розуміти у відношенні даного типу. В інших випадках по-іншому буде реалізовуватися поставлена задача з'єднання.

Типи акумуляторних батарей

Вони різняться з-за свого призначення, можливостей, реалізації та матеріалу. На даний момент сучасним виробництвом освоєно випуск більше трьох десятків типів, які відрізняються своїм складом електродів, а також застосовуваним електролітом. Так, наприклад, li-ion акумулятори можуть похвалитися колекцією з 12 відомих моделей. Умовно можна виділити наступні типи:

Свинцево-кислотні.

Літієві.

Нікель-кадмієві.

Це найпопулярніші представники. Але для розуміння можливостей пропонуємо ознайомитися зі списком матеріалів, які можуть виступати в якості електродів:

залізо;

свинець;

титан;

літій;

кадмій;

кобальт;

нікель;

цинк;

ванадій;

срібло;

алюміній;

ряд інших елементів, які, втім, зустрічаються дуже рідко.

Використання різних матеріалів впливає на одержувані вихідні характеристики і, отже, на сферу застосування. Так, наприклад, li-ion акумулятори застосовуються в комп'ютерних і мобільних пристроях. Тоді як нікель-кадмієві використовуються в якості заміни стандартних гальванічних елементів. Теоретично всі типи акумуляторних батарей можуть працювати з будь-яким навантаженням. Питання тільки в тому, наскільки виправданим є таке застосування.

Основні характеристики

Ми вже розглянули, що таке акумуляторні батареї, пристрій цих конструкцій, з чого їх роблять. Тепер давайте зосередимося на тому, що впливає на їх експлуатацію. Важливими для нас характеристиками є:

Щільністю називають характеристику співвідношення кількості енергії до обсягу або ваги акумулятора.

Ємністю іменують значення максимального заряду акумулятора, яке він може віддати під час процесу розряду, поки не буде досягнуто найменшу напругу. Цей показник виражається в ампер-годинах або кулони. Також може зазначатися енергетична ємність. Вона вимірюється у ват-годинах або джоулях. Завдання такої ємності – повідомляти про кількість енергії, що віддається під час розряду до досягнення мінімального допустимого напруги.

Температурний режим впливає на електричні властивості акумуляторної батареї. Коли є серйозні відхилення від рекомендованого виробником діапазону експлуатації, то існує висока ймовірність виходу джерела живлення з ладу. Це пояснюється тим, що холод і спека впливають на інтенсивність протікання хімічних реакцій, а також на внутрішній тиск.

Саморозрядом іменують втрати ємності, які відбуваються після заряду батареї, коли відсутнє навантаження на клемах. Багато в чому цей показник залежить від конструктивного виконання і може збільшуватися, якщо порушилася ізоляція.

Ось такі характеристики акумуляторних батарей і надають для нас найбільший інтерес. Звісно, якщо доведеться робити щось нове і ексклюзивне, раніше небачене, то може знадобитися і щось ще. Але це дуже малоймовірно.

Пристрій електродів

В якості прикладу ми візьмемо свинцеві пластини. Хоча такими вони були раніше. Сучасні пластини виготовляються з свинцево-кальцієвого сплаву. Завдяки цьому досягається низький рівень саморозряду батареї (50% ємності втрачається за 18 місяців). Також це дозволяє економно витрачати воду (всього 1 грам на ампер-година). Можна зустріти і гібридну конструкцію, де, крім свинцю, позитивний електрод додається сурма, а негативний – кальцій. Правда, в таких випадках є підвищений витрата води. Щоб підвищити стійкість до корозійних процесів, додають олово або срібло. Електроди виготовляються з гратчастою структурою, їх покривають шаром активної маси. Принцип роботи акумуляторної батареї в чималому ступені залежить від того, який матеріал використовується для пластин. Ми розглядаємо свинцеві, які прості для вивчення, але орієнтуватися на них завжди не рекомендуємо.

Електроліт

Розглядаємо всі ті ж свинцево-кислотні батареї. В якості електроліту, в який вони поміщуються, найчастіше виступає сірчана кислота. Вона володіє певною щільністю, яка може змінюватися в залежності від рівня заряду батареї. У даному випадку діє принцип: чим більше, тим вище. З часом електроліт випаровується, і ємність акумуляторної батареї падає. На терміні служби позначаються особливості експлуатації (дотримання техніки безпеки). В батареях електроліт може бути двох типів:

рідким;

у вигляді просоченого спеціального матеріалу.

На даний момент найбільш поширений перший тип.

Експлуатація акумуляторних батарей

Використання акумуляторів можна спостерігати практично скрізь. Згадайте свої мобільні телефони або джерела безперебійного живлення для комп'ютерів. В якості прикладу можна навести і звичайний ліхтарик (сучасні зразки все частіше виготовляються з вбудованим акумулятором і не розраховані на гальванічні елементи). А автомобілі? Системи «стоп-старт» і рекуперативного гальмування працюють від акумуляторів, причому вони висувають високі вимоги до пускового струму, глибокого розряду і довговічності. Як бачите, без цих джерел живлення складно обійтися в сучасному житті будь-якій людині.

Схема побудови акумуляторної батареї

Ми розглянули основну інформацію про даних пристроях. Давайте ще приділимо увагу такому поняттю, як схема акумуляторної батареї. Адже в рамках статті по ньому пройшлися тільки побіжно. Акумулятор сучасної схеми, згідно з історії, був вперше створений французьким фізиком Гастоном Плантом. Площа його творіння перевищувала 10 квадратних метрів! Сучасні батареї, по суті, є просто значно зменшеними і трохи доопрацьованими копіями його акумулятора. Видимим для людини елементом є лише корпус. Він забезпечує спільність і цілісність конструкції.