Įvairių tipų baterijos ir jų pritaikymas

Baterija yra vienos ar daugiau elementų, vykstančių cheminėmis reakcijomis, metu sukuriant elektronų srautą grandinėje, rinkinys. Akumuliatorių technologijų srityje atliekama daugybė tyrimų ir pažangos, todėl visame pasaulyje šiuo metu patiriamos ir naudojamos proveržio technologijos. Baterijos pradėjo veikti dėl poreikio kaupti pagamintą elektros energiją. Kiek buvo generuojamas geras energijos kiekis, buvo svarbu kaupti energiją, kad ją būtų galima naudoti, kai gamyba nutrūksta arba kai reikia maitinti atskirus įtaisus, kurių negalima laikyti pririštais prie elektros tinklo. Čia reikia pažymėti, kad baterijose galima laikyti tik nuolatinę srovę, negalima išsaugoti kintamosios srovės.

Baterijos elementai paprastai susideda iš trijų pagrindinių komponentų;

Anodas (neigiamas elektrodas)
Katodas (teigiamas elektrodas)
Elektrolitai

Anodas yra neigiamas elektrodas, gaminantis elektronus į išorinę grandinę, prie kurios prijungta baterija. Prijungus baterijas, anode prasideda elektronų kaupimasis, dėl kurio atsiranda potencialų skirtumas tarp dviejų elektrodų. Tada natūraliai elektronai bando persiskirstyti, tam užkirsti kelią elektrolitas, todėl prijungus elektros grandinę, tai suteikia aiškų kelią elektronams judėti iš anodo į katodą, tokiu būdu maitinant grandinę, prie kurios jis prijungtas. Pakeitę anodo, katodo ir elektrolito statybai naudojamą išdėstymą ir medžiagą, galime pasiekti daugybę skirtingų tipų baterijų chemikalų, leidžiančių kurti skirtingų tipų akumuliatorių elementus. Šiame straipsnyje galite suprasti skirtingas baterijų rūšis ir jų naudojimą, todėl pradėkime.

Baterijų tipai

Baterijas paprastai galima suskirstyti į skirtingas kategorijas ir tipus, pradedant chemine sudėtis, dydžiu, formos faktoriumi ir naudojimo atvejais, tačiau visi šie elementai yra du pagrindiniai baterijų tipai;

Pirminės baterijos
Antrinės baterijos

Pažvelkime giliau, kad suprastume pagrindinius skirtumus tarp pirminės ląstelės ir antrinės ląstelės.

1. Pirminės baterijos

Pirminės baterijos yra baterijos, kurių išsikrovus jų įkrauti negalima. Pirminės baterijos yra pagamintos iš elektrocheminių elementų, kurių elektrocheminės reakcijos negalima pakeisti.

Pirminės baterijos yra įvairių formų, pradedant monetų elementais ir baigiant AA baterijomis. Jie dažniausiai naudojami atskirose programose, kur įkrovimas yra nepraktiškas arba neįmanomas. Geras pavyzdys yra karinio lygio prietaisai ir baterijomis varoma įranga. Naudoti daugkartines baterijas bus nepraktiška, nes baterijų įkrovimas bus paskutinis dalykas karių galvoje. Pirminės baterijos visada pasižymi didele savitąja energija, o sistemos, kuriose jos naudojamos, visada sukurtos taip, kad sunaudotų mažai energijos, kad baterija veiktų kuo ilgiau.

Kiti kiti prietaisų, naudojančių pirmines baterijas, pavyzdžiai: Tempo gamintojai, gyvūnų sekimo aparatai, rankiniai laikrodžiai, nuotolinio valdymo pultai ir vaikų žaislai, paminėdami keletą.

Populiariausias pirminių baterijų tipas yra šarminės baterijos. Jie pasižymi didele savitąja energija ir yra ekologiški, ekonomiški ir neteka net visiškai iškrauti. Jie gali būti laikomi kelerius metus, turi gerą saugumą ir gali būti gabenami orlaiviu netaikant JT transporto ir kitų taisyklių. Vienintelis šarminių baterijų trūkumas yra mažos apkrovos srovė, kuri apriboja jo naudojimą tik tiems prietaisams, kuriems reikalingi maži srovės reikalavimai, pavyzdžiui, nuotolinio valdymo pultai, žibintuvėliai ir nešiojamieji pramogų prietaisai.

2. Antrinės baterijos

Antrinės baterijos yra akumuliatoriai su elektrocheminiais elementais, kurių chemines reakcijas galima pakeisti, naudojant baterijai tam tikrą įtampą atvirkštine kryptimi. Antriniai elementai, dar vadinami įkraunamomis baterijomis, skirtingai nei pirminiai elementai, gali būti įkraunami išeikvojus akumuliatoriaus energiją.

Paprastai jie naudojami didelio nutekėjimo programoms ir kitiems atvejams, kai naudoti per vieną akumuliatorių bus per brangu arba neįmanoma. Mažos talpos antrinės baterijos naudojamos nešiojamiesiems elektroniniams prietaisams, tokiems kaip mobilieji telefonai, ir kitoms programėlėms bei prietaisams maitinti, o sunkiosios baterijos naudojamos įvairiems elektromobiliams ir kitoms didelio nuotėkio programoms, tokioms kaip elektros energijos apkrovos išlyginimas. Jie taip pat naudojami kaip atskiri energijos šaltiniai kartu su keitikliais elektros energijai tiekti. Nors pradinės įkraunamų baterijų įsigijimo išlaidos visada yra daug didesnės nei pirminių baterijų, tačiau ilgainiui jos yra ekonomiškiausios.

Antrinės baterijos gali būti toliau klasifikuojamos į keletą kitų tipų pagal jų chemiją . Tai labai svarbu, nes chemija lemia kai kuriuos akumuliatoriaus požymius, įskaitant jo specifinę energiją, ciklo trukmę, galiojimo laiką ir kainą.

Toliau pateikiami įvairių tipų dažniausiai naudojami įkraunami akumuliatoriai.

Ličio jonai (ličio jonai)
Nikelio kadmis (Ni-Cd)
Nikelio-metalo hidridas (Ni-MH)
Švino rūgštis

1. Nikelio-kadmio baterijos

Nikelio – kadmio baterija („NiCd“ arba „NiCad“ baterija) yra pakartotinai įkraunama baterija, kuriama kaip elektrodai naudojant nikelio oksido hidroksidą ir metalinį kadmį. „Ni-Cd“ baterijos puikiai veikia išlaikydamos įtampą ir išlaikydamos įkrovą, kai jos nenaudojamos. Tačiau NI-Cd baterijos lengvai tampa bauginamo „atminties“ efekto auka, kai įkraunama iš dalies įkrauta baterija, sumažindama būsimą akumuliatoriaus talpą.

Palyginti su kitų tipų įkraunamomis baterijomis, „Ni-Cd“ baterijos pasižymi geru gyvavimo ciklu ir našumu esant žemai temperatūrai, kai jų talpa yra pakankama, tačiau svarbiausias jų pranašumas bus jų gebėjimas pasiekti visą nominalią galią esant dideliems iškrovos koeficientams. Jų yra įvairių dydžių, įskaitant šarminių baterijų dydžius, AAA – D. Ni-Cd elementai naudojami atskirai arba surenkami dviejų ar daugiau elementų pakuotėse. Maži paketai naudojami nešiojamiesiems prietaisams, elektronikai ir žaislams, o didesni - naudoti orlaivių užvedimo akumuliatoriuose, elektrinėse transporto priemonėse ir budėjimo režimu.

Kai kurios nikelio-kadmio baterijų savybės išvardytos toliau.

Savitoji energija: 40-60W-h / kg
Energijos tankis: 50-150 Wh / L
Savitoji galia: 150W / kg
Įkrovimo / iškrovimo efektyvumas: 70–90%
Savaiminio išsikrovimo norma: 10% / mėn
Ciklo patvarumas / gyvenimo trukmė: 2000 ciklų

2. Nikelio-metalo hidrido baterijos

Nikelio metalo hidridas (Ni-MH) yra dar viena cheminės konfigūracijos rūšis, naudojama įkraunamoms baterijoms. Cheminė reakcija prie teigiamo baterijų elektrodo yra panaši į nikelio-kadmio elemento (NiCd) reakciją, kai abu akumuliatoriai naudoja tą patį nikelio oksido hidroksidą (NiOOH). Tačiau neigiamuose nikelio ir metalo hidrido elektroduose vietoj kadmio, kuris naudojamas NiCd baterijose, naudojamas vandenilį absorbuojantis lydinys.

„NiMH“ baterijos gali būti naudojamos didelio drenažo įtaisuose dėl didelio jų talpos ir energijos tankio. „NiMH“ akumuliatorius gali būti du ar tris kartus didesnis už to paties dydžio „NiCd“ akumuliatoriaus talpą, o jo energijos tankis gali priartėti prie ličio jonų akumuliatoriaus. Skirtingai nuo NiCd chemijos, NiMH chemijos pagrindu pagamintos baterijos nėra jautrios „atminties“ efektui, kurį patiria „ NiCads“.

Žemiau pateikiamos kai kurios baterijų savybės, pagrįstos nikelio ir metalo hidrido chemija;

Specifinė energija: 60-120h / kg
Energijos tankis: 140-300 Wh / L
Savitoji galia: 250–1000 W / kg
Įkrovimo / iškrovimo efektyvumas: 66% - 92%
Savaiminio išsikrovimo greitis: 1,3–2,9% / mėn. Esant 20 ^o C temperatūrai
Ciklo patvarumas / gyvenimo trukmė: 180–2000

3. Ličio jonų baterijos

Ličio jonų baterijos yra viena iš populiariausių įkraunamų baterijų rūšių. Yra daug įvairių ličio baterijų rūšių, tačiau tarp visų ličio jonų baterijų yra dažniausiai naudojamos. Galite pastebėti, kad šios ličio baterijos naudojamos skirtingomis formomis, populiariai tarp elektrinių transporto priemonių ir kitų nešiojamų prietaisų. Jei norite sužinoti daugiau apie elektrinėse transporto priemonėse naudojamas baterijas, galite perskaityti šį straipsnį apie elektrinių transporto priemonių baterijas. Jų yra įvairiuose nešiojamuosiuose prietaisuose, įskaitant mobiliuosius telefonus, išmaniuosius įrenginius ir keletą kitų namuose naudojamų baterijų prietaisų. Dėl lengvo pobūdžio jie taip pat naudojasi aviacijos ir karinėse srityse.

Ličio jonų akumuliatoriai yra tam tikra įkraunamų baterijų rūšis, kai ličio jonai iš neigiamo elektrodo iškrovos metu migruoja į teigiamą elektrodą, o kraunant bateriją - atgal į neigiamą elektrodą. Ličio jonų baterijose naudojamas interkaluotas ličio junginys kaip viena elektrodo medžiaga, palyginti su metaliniu ličiu, naudojamu ne įkraunamose ličio baterijose.

Ličio jonų baterijoms paprastai būdingas didelis energijos tankis, mažai arba visai nėra atminties efekto ir mažas savaiminis išsikrovimas, palyginti su kitų tipų baterijomis. Jų chemija, našumas ir kaina įvairiais atvejais skiriasi, pavyzdžiui, rankiniuose elektroniniuose prietaisuose naudojamos ličio jonų baterijos paprastai yra pagrįstos ličio kobalto oksidu (LiCoO ₂), kuris sugadintas, tuo tarpu ličio jonų akumuliatorius užtikrina didelį energijos tankį ir mažą pavojų saugumui. Ličio geležies fosfato pagrindu pagamintos baterijos, pasižyminčios mažesniu energijos tankiu, yra saugesnės dėl mažesnės nelaimingų įvykių tikimybės, plačiai naudojamos elektriniams įrankiams ir medicinos įrangai maitinti. Ličio jonų baterijos pasižymi geriausiu našumo ir svorio santykiu, o ličio sieros baterijos pasižymi didžiausiu santykiu.

Kai kurie ličio jonų akumuliatorių atributai yra išvardyti žemiau;

Savitoji energija: 100: 265W-h / kg
Energijos tankis: 250: 693 Wh / L
Savitoji galia: 250: 340 W / kg
Įkrovimo / iškrovimo procentas: 80-90%
Ciklo patvarumas: 400: 1200 ciklų
Nominali elemento įtampa: NMC 3,6 / 3,85 V

4. Rūgštinės švino baterijos

Švino rūgšties akumuliatoriai yra nebrangus patikimas elektrinis darbinis arklys, naudojamas sunkiųjų darbų. Paprastai jie yra labai dideli ir dėl savo svorio jie visada naudojami nešiojamosiose programose, tokiose kaip saulės baterijų baterijos, transporto priemonių uždegimas ir žibintai, atsarginė galia ir apkrovos išlyginimas elektros energijos gamyboje / paskirstyme. Švino rūgštis yra seniausia įkraunamų baterijų rūšis, vis dar labai aktuali ir svarbi šių dienų pasaulyje. Švino rūgšties akumuliatorių energijos ir tūrio santykis yra labai mažas, tačiau energijos ir svorio santykis yra santykinai didelis, todėl prireikus gali tiekti didžiules įtampos sroves. Šie atributai kartu su nebrangia padaro šias baterijas patrauklias naudoti keliose didelės srovės programose, tokiose kaip automobilių starterių varikliai ir atsarginiai maitinimo šaltiniai.Taip pat galite perskaityti straipsnį apie švino rūgšties akumuliatorių veikimą, jei norite sužinoti daugiau apie įvairius švino rūgštinių baterijų tipus, jų konstrukciją ir taikymą.

Kiekvienos iš šių baterijų sritis yra tinkamiausia, o žemiau pateiktas paveikslėlis padės pasirinkti iš jų.

Tinkamos baterijos pasirinkimas jūsų programai

Viena iš pagrindinių problemų, trukdančių tokiems technologijos apsisukimams, kaip daiktų internetas, yra maitinimas. Akumuliatoriaus tarnavimo laikas turi įtakos sėkmingam įrenginių, kuriems reikalingas ilgas akumuliatoriaus veikimo laikas, diegimui. Nors akumuliatoriaus veikimo trukmė yra ilgesnė, tačiau vis tiek reikia pasirinkti suderinamą akumuliatorių norimam rezultatui pasiekti.

Toliau pateikiami keli veiksniai, į kuriuos reikia atsižvelgti renkantis tinkamo tipo akumuliatorių savo projektui.

1. Energijos tankis: energijos tankis yra bendras energijos kiekis, kurį galima sukaupti masės ar tūrio vienetui. Tai nustato, kiek laiko jūsų įrenginys išlieka įjungtas, kol jį reikia įkrauti.

2. Galios tankis: didžiausias energijos išsiskyrimo greitis masės ar tūrio vienetui. Maža galia: nešiojamas kompiuteris, „i-pod“. Didelė galia: elektriniai įrankiai.

3. Sauga: svarbu atsižvelgti į temperatūrą, kurioje dirbs jūsų statomas prietaisas. Esant aukštai temperatūrai, tam tikri akumuliatoriaus komponentai sugenda ir gali patirti egzotermines reakcijas. Aukšta temperatūra paprastai sumažina daugelio baterijų veikimą.

4. Gyvenimo ciklo ilgaamžiškumas: Akumuliatoriaus energijos tankio ir galios tankio stabilumas kartojant ciklą (įkraunant ir iškraunant) reikalingas ilgam akumuliatoriaus tarnavimo laikui, kurio reikalauja dauguma programų.

5. Kaina: kaina yra svarbi bet kokių inžinerinių sprendimų, kuriuos priimsite, dalis. Svarbu, kad jūsų pasirinkto akumuliatoriaus kaina būtų proporcinga jo našumui ir neįprastai nepadidintų bendros projekto kainos.