كيف تعمل البطارية الكهربائية ومبدأ عملها وأنواعها والغرض منها وخصائصها الرئيسية

نطاق تطبيق البطاريات الكهربائية واسع للغاية. يتم استخدامها كمصادر للكهرباء في لعب الأطفالوفي الأدوات الكهربائية وكمصدر للجر في المركبات الكهربائية. لاستخدام البطاريات بشكل صحيح ، يجب أن تعرف خصائصها ونقاط قوتها وضعفها.

ما هي البطارية الكهربائية وكيف تعمل

بطارية كهربائية - قابلة للتجديد مصدر للطاقة الكهربائية. على عكس الخلايا الجلفانية ، بعد تفريغها ، يمكن شحنها مرة أخرى. من حيث المبدأ ، يتم ترتيب جميع البطاريات بنفس الطريقة وتتكون من كاثود ومصعد موجب في إلكتروليت.

يمكن أن تختلف مادة الأقطاب الكهربائية وتركيب الإلكتروليت ، وهذا ما يحدد خصائص المستهلك للبطاريات ونطاقها.بين الكاثود والأنود ، يمكن وضع فاصل عازل مسامي - فاصل مشرب بالكهرباء. لكنها تحدد ، في الغالب ، الخصائص الميكانيكية للتجميع ولا تؤثر بشكل أساسي على تشغيل العنصر.

بشكل عام ، يعتمد تشغيل البطارية على تحوليين للطاقة:

• كهربائي إلى كيميائي عند الشحن ؛
• مادة كيميائية في الكهرباء أثناء التفريغ.

يعتمد كلا النوعين من التحويل على حدوث تفاعلات كيميائية عكوسة ، يتم تحديد مسارها بواسطة المواد المستخدمة في البطارية. لذلك ، في خلية حمض الرصاص ، يتكون الجزء النشط من الأنود من ثاني أكسيد الرصاص ، والكاثود مصنوع من الرصاص المعدني. الأقطاب الكهربائية موجودة في إلكتروليت لحمض الكبريتيك. عند تصريفه عند الأنود ، يتم تقليل ثاني أكسيد الرصاص لتكوين كبريتات الرصاص والماء ، ويتأكسد الرصاص عند الكاثود ليشكل كبريتات الرصاص. تحدث التفاعلات العكسية أثناء الشحن. في البطاريات ذات التصميمات الأخرى ، تتفاعل المكونات بشكل مختلف ، لكن المبدأ مشابه.

أنواع البطاريات وأنواعها

يتم تحديد خصائص المستهلك للبطاريات بشكل أساسي من خلال تكنولوجيا الإنتاج الخاصة بها. في الحياة اليومية والصناعة ، هناك عدة أنواع من خلايا البطاريات أكثر شيوعًا.

حمض الرصاص

تم اختراع هذا النوع من البطاريات في منتصف القرن التاسع عشر ، ولا يزال له مكانة خاصة به من التطبيقات. تشمل مزاياها:

• تكنولوجيا إنتاج بسيطة وغير مكلفة وعقود من الزمن ؛
• ارتفاع الناتج الحالي
• عمر خدمة طويل (من 300 إلى 1000 دورة شحن وتفريغ) ؛
• أدنى تيار تفريغ ذاتي ؛
• لا يوجد تأثير الذاكرة.

هناك أيضا عيوب.بادئ ذي بدء ، هذه كثافة طاقة نوعية منخفضة ، مما يؤدي إلى زيادة في الأبعاد والوزن. هناك أيضًا أداء ضعيف في درجات الحرارة المنخفضة ، خاصة أقل من 20 درجة مئوية تحت الصفر. توجد أيضًا مشكلات في التخلص - مركبات الرصاص شديدة السمية. لكن هذه المهمة يجب معالجتها لأنواع البطاريات الأخرى.

بينما تم تحسين بطاريات الرصاص الحمضية إلى أقصى حد لها ، إلا أنه يوجد مجال للتحسين. على سبيل المثال ، هناك تقنية AGM ، والتي بموجبها يتم وضع مادة مسامية مشربة بالكهرباء بين الأقطاب الكهربائية. هذا لا يؤثر على العمليات الكهروكيميائية للشحن والتفريغ. بشكل أساسي ، يعمل هذا على تحسين الخصائص الميكانيكية للبطاريات (مقاومة الاهتزاز ، والقدرة على العمل في أي وضع تقريبًا ، وما إلى ذلك) ويزيد إلى حد ما من سلامة التشغيل.

ومن المزايا البارزة أيضًا تحسين التشغيل دون فقد السعة والإخراج الحالي عند درجات حرارة تقل عن 30 درجة مئوية تحت الصفر. يدعي مصنعو بطاريات AGM زيادة في بدء التشغيل الحالي والموارد.

بطاريات الهلام هي تعديل آخر لبطاريات الرصاص الحمضية. يثخن المنحل بالكهرباء إلى حالة هلامية. هذا يحقق استبعاد تسرب المنحل بالكهرباء أثناء التشغيل ويزيل إمكانية تكوين الغازات. لكن الناتج الحالي انخفض إلى حد ما ، وهذا يحد من إمكانية استخدام بطاريات الهلام كبطاريات بداية. إن الخصائص المعجزة المعلنة لهذه البطاريات من حيث السعة المتزايدة والموارد المتزايدة هي على ضمير المسوقين.

عادة ما يتم شحن بطاريات الرصاص الحمضية في وضع استقرار الجهد. في الوقت نفسه ، يزداد الجهد على البطارية ويقل تيار الشحن. معيار نهاية عملية الشحن هو الانخفاض الحالي إلى الحد المعين.

النيكل والكادميوم

قرنهم يقترب من نهايته ، والنطاق يتقلص تدريجياً. عيبهم الرئيسي هو تأثير الذاكرة الواضح. إذا بدأت في إعادة شحن بطارية Ni-Cd فارغة تمامًا ، فإن العنصر "يتذكر" هذا المستوى ، ويتم تحديد السعة بشكل أكبر من هذه القيمة. مشكلة أخرى هي انخفاض الصداقة البيئية. تخلق مركبات الكادميوم السامة مشاكل في التخلص من هذه البطاريات. تشمل العيوب الأخرى ما يلي:

• ميل كبير إلى التفريغ الذاتي ؛
• استهلاك منخفض للطاقة نسبيًا.

ولكن هناك أيضًا إيجابيات:

• منخفض الكلفة؛
• عمر خدمة طويل (حتى 1000 دورة شحن وتفريغ) ؛
• القدرة على توصيل تيار عالي.

أيضًا ، تشمل مزايا هذه البطاريات القدرة على العمل في درجات حرارة سلبية منخفضة.

يتم شحن خلايا Ni-Cd في الوضع الحالي المباشر. يمكنك استخدام السعة بالكامل عن طريق إعادة الشحن بتقليل سلس أو تدريجي في تيار الشحن. يتم التحكم في نهاية العملية عن طريق خفض جهد الخلية.

النيكل هيدريد المعادن

مصمم ليحل محل بطاريات النيكل والكادميوم. العديد من الخصائص والخصائص الاستهلاكية أعلى من تلك الخاصة بـ Ni-Cd. كان من الممكن التخلص جزئيًا من تأثير الذاكرة وزيادة كثافة الطاقة بحوالي مرة ونصف وتقليل الميل إلى التفريغ الذاتي. في الوقت نفسه ، تم الحفاظ على الكفاءة الحالية العالية وظلت التكلفة عند نفس المستوى تقريبًا. تم التخفيف من حدة المشكلة البيئية - يتم إنتاج البطاريات دون استخدام مركبات سامة. لكن كان علينا أن ندفع ثمن ذلك من خلال موارد مخفضة بشكل كبير (تصل إلى 5 مرات) والقدرة على العمل في درجات حرارة سالبة - فقط حتى -20 درجة مئوية مقابل -40 درجة مئوية للنيكل والكادميوم.

يتم شحن هذه الخلايا في الوضع الحالي المباشر. يتم التحكم في نهاية العملية عن طريق زيادة الجهد على كل عنصر حتى 1.37 فولت. الأكثر ملاءمة هو الوضع الحالي النبضي مع اندفاعات سلبية. هذا يزيل آثار تأثير الذاكرة.

ليثيوم أيون

بطاريات الليثيوم أيون تسيطر على العالم. يقومون بإزاحة أنواع أخرى من البطاريات من تلك المناطق التي بدا الموقف فيها لا يتزعزع. خلايا Li-ion ليس لها أي تأثير على الذاكرة عمليًا (فهي موجودة ، ولكن على المستوى النظري) ، وتتحمل ما يصل إلى 600 دورة شحن وتفريغ ، وكثافة الطاقة أعلى بمقدار 2-3 مرات من نسبة السعة والوزن لهيدريد معدن النيكل البطاريات.

الميل إلى التفريغ الذاتي أثناء التخزين ضئيل أيضًا ، لكن عليك حرفيًا أن تدفع مقابل كل هذا - هذه البطاريات أغلى بكثير من البطاريات التقليدية. يمكن للمرء أن يتوقع تخفيضات في الأسعار مع تطور الإنتاج ، كما هو الحال عادة ، ولكن من غير المرجح التغلب على العيوب المتأصلة الأخرى لهذه البطاريات - انخفاض الكفاءة الحالية ، وعدم القدرة على العمل في درجات حرارة سلبية - في إطار التقنيات الحالية.

إلى جانب زيادة مخاطر الحريق ، فإن هذا يعيق الاستخدام إلى حد ما بطاريات ليثيوم أيون. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أيضًا أن هذه العناصر عرضة للتدهور. حتى لو لم يتم شحنها وتفريغها ، فإن مواردها نفسها تذهب إلى الصفر في 1.5 ... 2 سنوات من التخزين.

وضع الشحن الأكثر ملاءمة هو على مرحلتين. أولاً ، تيار مستقر (بجهد متزايد بسلاسة) ، ثم جهد ثابت (بتيار متناقص بسلاسة). في الممارسة العملية ، يتم تنفيذ المرحلة الثانية في شكل تيار شحن مخفض تدريجياً. في كثير من الأحيان ، تتكون هذه المرحلة من مرحلة واحدة - ينخفض ​​التيار المستقر ببساطة.

الخصائص الرئيسية للبطاريات

المعلمة الأولى التي يتم الانتباه إليها عند اختيار البطارية هي الفولطية. يتم تحديد الجهد لخلية بطارية واحدة من خلال العمليات الفيزيائية والكيميائية التي تحدث داخل الخلية ، ويعتمد على نوع البطارية. يعطي بنك واحد مشحون بالكامل:

• عنصر حمض الرصاص - 2.1 فولت ؛
• نيكل - كادميوم - 1.25 فولت ؛
• هيدريد معدن النيكل - 1.37 فولت ؛
• ليثيوم أيون - 3.7 فولت.

للحصول على جهد أعلى ، يتم تجميع الخلايا في بطاريات. لذلك ، بالنسبة لبطارية السيارة ، تحتاج إلى توصيل 6 علب حمض الرصاص في سلسلة للحصول على 12 فولت (بشكل أكثر دقة ، 12.6 فولت) ، ولمفك براغي 18 فولت - 5 علب ليثيوم أيون بقوة 3.7 فولت لكل منها.

المعلمة الثانية المهمة هي الاهلية. يحدد عمر البطارية تحت الحمل. يقاس بالساعات الأمبير (ناتج التيار والوقت). لذلك ، بطارية بسعة 3 أمبير في الساعة عند تفريغها بتيار 1 أمبير سيتم تفريغها في 3 ساعات ، وبتيار 3 أمبير - في ساعة واحدة.

مهم! بالمعنى الدقيق للكلمة، قدرة البطارية يعتمد على التيار التفريغ ، وبالتالي فإن ناتج التيار ووقت التفريغ عند قيم حمل مختلفة لبطارية واحدة لن يكون هو نفسه.

والمعلمة الثالثة المهمة - العرض الحالي. هذا هو الحد الأقصى للتيار الذي يمكن للبطارية توصيله. من المهم ، على سبيل المثال ، ل بطارية السيارة - يحدد إمكانية دوران عمود المحرك في موسم البرد. أيضًا ، القدرة على توصيل تيار عالٍ ، وإنشاء عزم دوران مرتفع ، أمر مهم ، على سبيل المثال ، للأدوات الكهربائية. وبالنسبة للأجهزة المحمولة ، فإن هذه الخاصية ليست مهمة جدًا.

تعتمد الخصائص الكهربائية والصفات الاستهلاكية للبطاريات على تصميمها وتكنولوجيا الإنتاج. يعني الاستخدام الصحيح للبطاريات استخدام مزايا مصادر الطاقة الكيميائية المتجددة وتسوية العيوب.

مقالات مماثلة: