Эксплуатация аккумуляторных батарей
Аккумуляторные батареи : правила эксплуатации аккумуляторов
Производители выпускают сотни моделей аккумуляторов, которые не требуют постоянной подзарядки и доливки электролита. Высококачественные и надежные аккумуляторные батареи обеспечивают высокую производительность, исправную работу автомобильного электрооборудования и быстрый запуск двигателя.
На рынке представлены АКБ европейских, американских, азиатских, российских производителей. Ассортимент позволяет купить аккумулятор для мотоцикла, легкого автомобиля, коммерческого транспорта или спецтехники следующих брендов: Akom, VARTA, Optima, Energizer, American, СтартБат и других торговых марок. Оборудование отличается высокой производительностью и исправной работой в течение длительного срока эксплуатации.
При выборе таких агрегатов учитывают электрическую емкость батареи, пусковую мощность, тип, габариты. Опытные менеджеры интернет-магазина всегда готовы помочь вам с выбором оборудования. В специализированных магазинах продажа аккумуляторов осуществляется с гарантией от производителя.
Но что делать, чтобы АКБ прослужила как можно дольше?
Периодически проверяйте уровень зарядного напряжения. Он не должен превышать 14.4 В. Напряжение аккумулятора на клеммах при выключенном ДВС должно быть не ниже 12.6 В. В этом случае батарея считается полностью заряженной.
Помните, чем дольше батарея остается без подзарядки, тем сложнее ее реанимировать.
Грязная поверхность приводит к быстрому саморазряду оборудования. Грязь забивает отверстия для вентиляции пробок и каналов. Окись на клемах АКБ значительно затрудняет запуск двигателя автомобиля и приводит к падению напряжения.
Батарея должна быть надежно закреплена на соответствующей площадке.
При проведении ремонтных работ отрицательную клемму отключают первой, а включают последней.
- Следите за тем, чтобы батарея была всегда заряжена. Аккумулятор должен непрерывно подзаряжаться. Заряд АКБ осуществляется в процессе движения автомобиля. Если батарея разрядилась, необходимо срочно ее подзарядить стационарным зарядным устройством. В ином случае происходит уменьшение электроемкости аккумулятора. АКБ начинает быстро разряжаться, выходит из строя и требует замены.
- Включенное электрооборудование при отключенном ДВС быстро приводит к разряду АКБ. К основным потребителям электричества в транспортном средстве относятся аудиосистемы, системы кондиционирования, стеклоочистители, сигнализационные системы, освещение и другие виды электрооборудования.
- Следите за чистотой корпуса агрегата. Периодически очищайте корпус от пыли, попавшего мусора. Не забывайте очищать клеммы от окисления.
-
Желательно не оставлять АКБ на морозе. Ежегодно проводится профилактический осмотр оборудования. В случае неисправной работы батареи незамедлительно обращайтесь в сервисный центр или на проверенное СТО, где вам предоставят гарантию на проделанную работу.
Правили эксплуатации аккумуляторных батарей
1. Меры безопасности:
1.1 Во время обслуживания аккумуляторных батарей запрещается курить и пользоваться открытым огнем.
1.2 Для заливки сухозаряженных батарей использовать специально приготовленный электролит. При попадании электролита на открытые участки кожи немедленно промойте этот участок водой, затем раствором кальцинированной соды.
1.3 При работе с металлическими инструментами не допускать коротких замыканий на батарее.
2. Хранение аккумуляторных батарей:
2.1 Аккумуляторные батареи рекомендуется хранить в сухих неотапливаемых помещениях. Допустимая температура воздуха от -30 до +40°С.
2.2 Срок хранения не залитых электролитом батарей до 36 месяцев с момента изготовления, при этом сухозаряженность аккумуляторных батарей гарантируется 12 месяцев с момента изготовления. Срок хранения залитых электролитом и заряженных аккумуляторных батарей без подзаряда до 3 месяцев с момента изготовления. После этого срока необходимо проверять плотность электролита каждый месяц. При снижении плотности электролита более чем на 0,03г/смі зарядите батареи как указано ниже.
3. Ввод в эксплуатацию и правила заряда аккумуляторных батарей:
3.1 Ввод в эксплуатацию сухозаряженных батарей.
3.1.1 Электролит для заливки сухозаряженных батарей приготавливается из аккумуляторной серной кислоты и дистиллированной воды. Плотность электролита, заливаемого в аккумуляторную батарею, а также плотность электролита в полностью заряженной батарее должно быть:
- для умеренного климата 1,28±0,01г\см3 при 25°С;
- для умеренного климата 1,23±0,01г\см3 при 25°С;
При определении реальной плотности электролита следует учесть температурную поправку и воспользоваться следующей формулой:
p=p ͭ + 0,0007(t-25)
Где р - плотность электролита приведенная к 25°С, г\см3
p ͭ - фактически измеренная плотность электролита г\см3
t - температура электролита при измерении, °С
3. 1.2 Температура заливаемого в аккумуляторную батарею должна быть от +15 до +30°С. Электролит в аккумуляторную батарею заливайте до уровня 15мм над верхней кромкой пластины.
3.1.3 Не ранее чем через 20 минут и не позднее чем через 2 часа после заливки аккумуляторной батареи замерьте плотность электролита. Если плотность электролита понизилась менее чем на 0,03г\см3 и более, то аккумуляторную батарею следует подзарядить как указано ниже.
3.2 Ввод в эксплуатацию залитых аккумуляторных батарей.
3.2.1 Готовность к эксплуатации аккумуляторных батарей, поступающих с электролитом, проверяйте по плотности электролита или путем измерения напряжения на полюсных выходах аккумуляторной батареи. Если плотность электролита ниже 1,26г\см3 Или напряжение менее 12В, батарею следует подзарядить, как указано ниже.
3.3 Заряд аккумуляторной батареи.
3.3.1 При заряде присоединяйте положительный полюс аккумуляторной батареи к положительной клемме зарядного устройства. Пробки на аккумуляторной батареи должны быть выкручены. Включите батарею на заряд, если температура электролита на ней не выше 35°С
3.3.2 Батарею заряжайте током, указанным в таблице до тех пор, пока не начнется обильное газовыделение во всех аккумуляторах, а напряжение и плотность электролита останутся постоянными в течение 2 часов. Плотность электролита после заряда должна быть
1,28±0,01г\см3 А напряжение на полюсных выводах клемм аккумулятора не менее 12,6В.
3.3.3 Во время заряда периодически контролируйте температуру электролита. В случае сели температура превысит 45°С, уменьшите зарядный ток наполовину или прервите заряд на время, необходимое для снижения температуры электролита до 30°С
Правила эксплуатации аккумуляторных батарей:, изображение №1
3.3.4 В конце заряда при необходимости откорректируйте уровень электролита дистиллированной водой.
3.3.5 Для выравнивания плотности электролита следует выдержать аккумуляторную батарею не менее 30 минут в состоянии покоя. В дальнейшем это позволит добиться стабильной эксплуатации.
4. Как продлить срок службы аккумуляторной батареи:
4.1 Срок службы аккумуляторной батареи зависит от соблюдения правил эксплуатации и методов обслуживания.
4.1.1 В период эксплуатации не реже 1 раза в месяц необходимо проверять состояние аккумуляторной батареи, проверять плотность и степень заряженности аккумуляторной батареи под нагрузкой и без.
4.1.2 Не реже одного раза в квартал производить контроль плотности и подзаряд батареи.
4.1.3 Не реже одного раза в 2 квартала проводить тренировку аккумулятора, путем его разряда и заряда.
4.1.4 Не допускать глубокого разряда аккумулятора
4.1.5 Зарядку производить в соответствии с таблицей в пункте 3.3.3 не превышая максимальный ток.
4.1.6 Заряд производить устройством со стабилизированным напряжением, это позволит заряжать аккумулятор в щадящем для пластин режиме (по мере заряда аккумулятора зарядный ток будет падать, а напряжение будет оставаться прежним, это уменьшит газовыделение и позволит аккумулятору набрать полную емкость)
5. Как проверить остаточную емкость аккумулятора без нагрузки и под нагрузкой:
5.1 Проверить степень заряженности аккумулятора можно при помощи наргузочной вилки со встроенным сопротивлением 0,12Ом+0,1 для аккумулятора напряжением 12В нагрузка составит 100А.
Порядок проверки аккумулятора на примере нагрузочной вилки ВН-1
- Подключить зажим крокодил к "-" клемме аккумулятора
- Плотно прижать щуп к "+" клемме аккумулятора
- Замерить напряжение без нагрузкаки сравнить показания по таблице ниже.
- Закрутить "барашек" для подачи нагрузки 100А не более чем на 5 секунд
- Посмотреть и запомнить минимальные показания вольтметра и сравнить с таблицей ниже.
Базовая работа от батареи | PVEducation
В основе работы батареи лежит обмен электронами между двумя химическими реакциями: реакцией окисления и реакцией восстановления. Ключевым аспектом батареи, который отличает ее от других реакций окисления/восстановления (таких как процессы ржавчины и т. д.), является то, что реакции окисления и восстановления физически разделены. Когда реакции физически разделены, между двумя реакциями может быть вставлена нагрузка. Разность электрохимических потенциалов между двумя батареями соответствует напряжению батареи, питающей нагрузку, а обмен электронами между двумя реакциями соответствует току, проходящему через нагрузку. Компоненты батареи, показанные на рисунке ниже, состоят из электрода и электролита как для реакции восстановления, так и для реакции окисления, средства для передачи электронов между реакцией восстановления и окисления (обычно это осуществляется с помощью провода, подключенного к каждый электрод) и средство для обмена заряженными ионами между двумя реакциями.
Схема батареи, в которой (а) электролит реакции восстановления и окисления различен и (б) электролит один и тот же для обеих реакций.
Ключевыми компонентами, определяющими многие основные свойства батареи, являются материалы, используемые для электрода и электролита для реакций окисления и восстановления. Электрод — это физическое место, где происходит ядро окислительно-восстановительной реакции — переноса электронов. Во многих аккумуляторных системах, включая свинцово-кислотные и щелочные батареи, электрод является не только местом, где происходит перенос электронов, но также является компонентом химической реакции, которая либо использует, либо производит электрон. Однако в других аккумуляторных системах (таких как топливные элементы) материал электрода сам по себе инертен и является лишь местом переноса электронов от одного реагента к другому. Для разряжающейся батареи электрод, на котором происходит реакция окисления, называется анодом и по определению имеет положительное напряжение, а электрод, на котором происходит реакция восстановления, является катодом и находится под отрицательным напряжением.
Одного электрода недостаточно для проведения окислительно-восстановительной реакции, поскольку окислительно-восстановительная реакция включает взаимодействие более чем одного компонента. Остальные химические компоненты реакции содержатся в электролите. Для многих практических аккумуляторных систем электролит представляет собой водный раствор. Одной из причин наличия водного раствора является то, что окисленная или восстановленная форма электрода существует в водном растворе. Кроме того, важно, чтобы химические частицы в электролите были подвижными, чтобы они могли перемещаться к месту на электроде, где происходит химическая реакция, а также чтобы ионы могли перемещаться от одного электрода к другому.
Ток в батарее возникает в результате переноса электронов с одного электрода на другой. Во время разряда реакция окисления на аноде генерирует электроны, а реакция восстановления на катоде использует эти электроны, поэтому во время разряда электроны перетекают от анода к катоду. Электроны, генерируемые или используемые в окислительно-восстановительной реакции, могут легко переноситься между электродами через обычное электрическое соединение, такое как провод, присоединенный к аноду и катоду. Однако, в отличие от обычной электрической цепи, электроны не являются единственными носителями заряда в цепи. Электроны перемещаются от анода к катоду, но не возвращаются с катода на анод. Вместо этого электрическая нейтральность поддерживается за счет движения ионов в электролите. Если для каждой окислительно-восстановительной реакции используется другой электролит, солевой мостик соединяет растворы двух электролитов. Направление движения ионов предотвращает накопление заряда как на аноде, так и на катоде. В большинстве практичных аккумуляторных систем один и тот же электролит используется как для анода, так и для катода, а перенос ионов может происходить через сам электролит, что устраняет необходимость в солевом мостике. Однако в этом случае между анодом и катодом также вставлен сепаратор.
Сепаратор предотвращает физическое соприкосновение анода и катода друг с другом, поскольку они обычно находятся в очень непосредственной физической близости друг к другу, и если бы они соприкоснулись, это привело бы к короткому замыканию батареи, поскольку электроны могут передаваться напрямую, без прохождения через внешнюю цепь. и загрузить.
Окислительно-восстановительные реакции, происходящие в конкретной аккумуляторной системе, определяют многие фундаментальные параметры аккумуляторной системы. Другие ключевые свойства батареи, в том числе емкость батареи, характеристики зарядки/разрядки и другие практические соображения, также зависят от физической конфигурации батареи, например количества материала в батарее или геометрии электродов. На следующих страницах описывается, как характеристики батареи — поведение напряжения, эффективность батареи, неидеальность батареи (саморазряд, ухудшение емкости батареи и т. д.) — зависят от работы окислительно-восстановительных реакций и конфигурации батареи.
Как работает батарея - Любопытно
Представьте себе мир без батареек. Все те портативные устройства, от которых мы так зависим, были бы такими ограниченными! Мы смогли бы донести наши ноутбуки и телефоны только до предела досягаемости их кабелей, что сделало бы это новое работающее приложение, которое вы только что загрузили на свой телефон, довольно бесполезным.
К счастью, у нас есть батарейки. Еще в 150 г. до н.э. в Месопотамии парфянская культура использовала устройство, известное как багдадская батарея, сделанное из медных и железных электродов с уксусом или лимонной кислотой. Археологи считают, что на самом деле это не были батареи, а использовались в основном для религиозных церемоний.
Изобретение батареи в том виде, в каком мы ее знаем, приписывают итальянскому ученому Алессандро Вольта, который собрал первую батарею, чтобы доказать точку зрения другого итальянского ученого, Луиджи Гальвани. В 1780 году Гальвани показал, что лапки лягушек, подвешенных на железных или латунных крючках, будут дергаться при прикосновении к ним зондом из какого-либо другого металла. Он считал, что это было вызвано электричеством из тканей лягушек, и называл это «животным электричеством».
Вольта, поначалу впечатленный открытиями Гальвани, пришел к выводу, что электрический ток исходит из двух разных типов металла (крючков, на которых висят лягушки, и другого металла зонда) и просто передается через них, а не через них. из тканей лягушек. Он экспериментировал со стопками слоев серебра и цинка, перемежаемых слоями ткани или бумаги, пропитанными соленой водой, и обнаружил, что электрический ток действительно протекал по проводу, прикрепленному к обоим концам стопки.
Батарея Алессандро Вольта: груда цинковых и серебряных листов с вкраплениями ткани или бумаги, пропитанной соленой водой.Вольта также обнаружил, что, используя различные металлы в куче, можно увеличить величину напряжения. Он описал свои открытия в письме Джозефу Бэнксу, тогдашнему президенту Лондонского королевского общества, в 1800 году. ' (мера электрического потенциала) названа в его честь.
Я сам, если не считать шуток, поражаюсь тому, как мои старые и новые открытия... чистого и простого электричества, вызываемого контактом металлов, могли вызвать такой ажиотаж.Алессандро Вольта
Так что же именно происходило с этими слоями цинка и серебра, да и с дергающимися лягушачьими лапками?
Химия батареи
Батарея представляет собой устройство, которое накапливает химическую энергию и преобразует ее в электричество. Это известно как электрохимия, а система, которая лежит в основе батареи, называется электрохимической ячейкой. Батарея может состоять из одного или нескольких (как в исходной куче Вольты) электрохимических элементов. Каждая электрохимическая ячейка состоит из двух электродов, разделенных электролитом.
Так откуда электрохимический элемент получает электричество? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно знать, что такое электричество. Проще говоря, электричество — это тип энергии, производимый потоком электронов. В электрохимической ячейке электроны образуются в результате химической реакции, которая происходит на одном электроде (подробнее об электродах ниже!), а затем перетекают на другой электрод, где они расходуются. Чтобы понять это правильно, нам нужно поближе взглянуть на компоненты клетки и на то, как они собираются вместе.
Электроды
Чтобы создать поток электронов, вам нужно куда-то, чтобы электроны текли из , и куда-то, чтобы электроны текли в . Это электроды клетки. Электроны текут от одного электрода, называемого анодом (или отрицательным электродом), к другому электроду, называемому катодом (положительный электрод). Как правило, это различные типы металлов или других химических соединений.
В батарее Вольта анодом был цинк, от которого электроны текли по проводу (при подключении) к серебру, которое было катодом батареи. Он сложил множество этих элементов вместе, чтобы сделать общую кучу и поднять напряжение.
Но откуда анод получает все эти электроны? И почему они так счастливы, что их весело отправляют на катод? Все сводится к химии, которая происходит внутри клетки.
Происходит несколько химических реакций, которые нам нужно понять. На аноде электрод вступает в реакцию с электролитом, в результате которой образуются электроны. Эти электроны накапливаются на аноде. Тем временем на катоде одновременно происходит другая химическая реакция, которая позволяет этому электроду принимать электроны.
Технический химический термин для реакции, включающей обмен электронами, представляет собой реакцию восстановления-окисления, чаще называемую окислительно-восстановительной реакцией. Всю реакцию можно разделить на две полуреакции, а в случае электрохимической ячейки одна полуреакция происходит на аноде, другая на катоде. Восстановление — это присоединение электронов, и это то, что происходит на катоде; мы говорим, что катод восстанавливается в ходе реакции. Окисление — это потеря электронов, поэтому мы говорим, что анод окисляется.
Каждая из этих реакций имеет определенный стандартный потенциал. Думайте об этой характеристике как о способности/эффективности реакции либо производить, либо поглощать электроны — ее сила в перетягивании каната электронами.
- Стандартные потенциалы для полуреакций
Ниже приведен список полуреакций, которые включают высвобождение электронов либо из чистого элемента, либо из химического соединения. Рядом с реакцией указано число (E 0 ), которое сравнивает силу электрохимического потенциала реакции с силой готовности водорода расстаться со своим электроном (если вы посмотрите вниз по списку, вы увидите, что водородная полуреакция имеет Е 0 нуля).
E 0 измеряется в вольтах.
Причина, по которой этот список настолько интересен, заключается в том, что если вы выберете две реакции из списка и объедините их для создания электрохимической ячейки, значения E 0 подскажут вам, каким образом будет протекать общая реакция: реакция с более отрицательное значение E 0 отдаст свои электроны другой реакции, и это определяет анод и катод вашей ячейки. Разница между двумя значениями E 0 говорит вам об электрохимическом потенциале вашей клетки, который в основном представляет собой напряжение ячейки.
Итак, если вы возьмете литий и фтор и сумеете соединить их, чтобы сделать элемент батареи, вы получите максимальное напряжение, теоретически достижимое для гальванического элемента. Этот список также объясняет, почему в куче Вольта цинк был анодом, а серебро катодом: полуреакция цинка имеет более низкое (более отрицательное) значение E 0 (-0,7618), чем полуреакция серебра (0,7996).
.
Стандартные потенциалы полуреакций восстановления
(по отношению к стандартному водородному электроду при 25°C)
В° (В) Li + (водный) + e − Li(s) –3,040 Be 2+ (водн.) + 2e − Be(s) –1,99 Al 3+ (водн.) + 3e − Al(s) –1,676 Zn 2+ (водный) + 2e − Zn(s) –0,7618 Ag 2 S(s) + 2e − 2Ag(s) + S 2− (водн.) –0,71 Fe 2+ (водн.) + 2e − Fe(s) –0,44 Cr 3+ (водн.) + e − Cr 2+ (водн.) –0,424 Cd 2+ (водн.) + 2e − Cd(s) –0,4030 PbSO 4 (т) + 2e − Pb(т) + SO 4 2− (водн. )
–0,356 Ni 2+ (водн.) + 2e − Ni(т) –0,257 2SO 4 2− (водн.) + 4H + (водн.) + 2e − S 2 O 6 290960067 (водн.) + 2H 2 O(л) –0,25 Sn 2+ (водн.) + 2e − Sn(s) −0,14 2H + (водн.) + 2e − H 2 (г) 0 Sn 4+ (водн.) + 2e − Sn 2+ (водн.) 0,154 Cu 2+ (водн.) + e − Cu + (водный) 0,159 AgCl(s) + e − Ag(s) + Cl − (водн.) 0,2223 Cu 2+ (водн.) + 2e − Cu(s) 0,3419 O 2 (г) + 2H 2 O(л) + 4e − 4OH − (водн. )
0,401 H 2 SO 3 (водн.) + 4H + (водн.) + 4e − S(т) + 3H 2 O(л) 0,45 I 2 (s) + 2e − 2I − (aq) 0,5355 MnO 4 2− (водн.) + 2H 2 O(ж) + 2e − MnO 2 (т) + 4OH 67 ( − 9005) 0,6 O 2 (г) + 2H + (водн.) + 2e − H 2 O 2 (водный) 0,695 H 2 SeO 3 (водн.) + 4H + + 4e − Se(s) + 3H 2 O(l) 0,74 Fe 3+ (водн.) + e − Fe 2+ (водн.) 0,771 Ag + (водн.) + e − Ag(s) 0,7996 NO 3 − (водн. ) + 3H + (водн.) + 2e − HNO 2 (водн.) + H 2 O(l)
0,94 Br 2 (водн.) + 2e − 2Br − (водн.) 1.087 MnO 2 (т) + 4H + (водн.) + 2e − Mn 2+ (водн.) + 2H 2 O(л) 1,23 О 2 (г) + 4H + (водн.) + 4e − 2H 2 O(л) 1,229 CR 2 O 7 2- (AQ) + 14H + (AQ) + 6E - 2CR 3+ (AQ) + 7H 4 2 066 3+ . 1,36 Cl 2 (г) + 2e − 2Cl − (водн.) 1,396 Ce 4+ (водн.)+e − Се 3+ (водный) 1,44 PBO 2 (S) + HSO 4 - (AQ) + 3H + (AQ) + 2E - PBSO 4 (S) + 2H 2H91414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141414141. 1,69 H 2 O 2 (водн.) + 2H + (водн.) + 2e − 2H 2 O(л) 1,763 F 2 (ж) + 2е − 2F − (водный) 2,87 Источник: UC Davis ChemWiki
Любые два проводящих материала, вступающих в реакции с разными стандартными потенциалами, могут образовать электрохимическую ячейку, потому что более сильный сможет отбирать электроны у более слабого. Но идеальным выбором для анода был бы материал, который вызывает реакцию со значительно более низким (более отрицательным) стандартным потенциалом, чем материал, который вы выбрали для своего катода. В итоге мы получаем, что электроны притягиваются к катоду от анода (и анод не пытается сильно сопротивляться), и когда у нас есть легкий путь туда — проводящий провод — мы можем использовать их энергию для обеспечения электрического тока. питание на фонарик, телефон или что-то еще.
Разница в стандартном потенциале между электродами примерно равна силе, с которой электроны перемещаются между двумя электродами. Это известно как общий электрохимический потенциал ячейки, и он определяет напряжение ячейки. Чем больше разница, тем больше электрохимический потенциал и выше напряжение.
Чтобы увеличить напряжение батареи, у нас есть два варианта. Мы могли бы выбрать разные материалы для наших электродов, которые придадут клетке больший электрохимический потенциал. Или мы можем сложить несколько ячеек вместе. Когда элементы объединены определенным образом (последовательно), это оказывает аддитивное влияние на напряжение батареи. По сути, силу, с которой электроны движутся через батарею, можно рассматривать как общую силу, когда они движутся от анода первой ячейки через все ячейки, содержащиеся в батарее, к катоду последней ячейки.
Когда ячейки объединены другим способом (параллельно), это увеличивает возможный ток батареи, который можно рассматривать как общее количество электронов, протекающих через ячейки, но не как их напряжение.
Электролит
Но электроды — это всего лишь часть батареи. Помните бумажки Вольта, смоченные в соленой воде? Соленая вода была электролитом, еще одной важной частью картины. Электролит может быть жидкостью, гелем или твердым веществом, но он должен обеспечивать движение заряженных ионов.
Электроны имеют отрицательный заряд, и, поскольку мы посылаем поток отрицательных электронов по нашей цепи, нам нужен способ сбалансировать движение этого заряда. Электролит обеспечивает среду, через которую могут протекать положительные ионы, уравновешивающие заряд.
Поскольку химическая реакция на аноде приводит к образованию электронов, для поддержания баланса нейтрального заряда на электроде также производится соответствующее количество положительно заряженных ионов. Они не идут по внешнему проводу (это только для электронов!), а выбрасываются в электролит.
В то же время катод также должен уравновешивать отрицательный заряд электронов, которые он получает, поэтому происходящая здесь реакция должна втягивать положительно заряженные ионы из электролита (в качестве альтернативы она может также высвобождать отрицательно заряженные ионы из электрода в электролит).
Таким образом, в то время как внешний провод обеспечивает путь для потока отрицательно заряженных электронов, электролит обеспечивает путь для передачи положительно заряженных ионов, чтобы сбалансировать отрицательный поток. Этот поток положительно заряженных ионов столь же важен, как и электроны, обеспечивающие электрический ток во внешней цепи, которую мы используем для питания наших устройств. Роль балансировки заряда, которую они выполняют, необходима для поддержания всей реакции.
Теперь, если бы всем ионам, выпущенным в электролит, было позволено полностью свободно перемещаться через электролит, они в конечном итоге покрыли бы поверхности электродов и засорили бы всю систему. Таким образом, у клетки обычно есть какой-то барьер, чтобы предотвратить это.
Показывать метки во время анимации Начать анимацию
При использовании батареи возникает непрерывный поток электронов (через внешнюю цепь) и положительно заряженных ионов (через электролит). Если этот непрерывный поток остановлен — если цепь разомкнута, например, когда ваш фонарик выключен — поток электронов остановится. Заряды будут накапливаться, и химические реакции, управляющие батареей, прекратятся.
По мере использования батареи и протекания реакций на обоих электродах производятся новые химические продукты. Эти продукты реакции могут создать своего рода сопротивление, которое может помешать протеканию реакции с той же эффективностью. Когда это сопротивление становится слишком большим, реакция замедляется. Электронное перетягивание каната между катодом и анодом также теряет свою силу, и поток электронов прекращается. Аккумулятор медленно садится.
Зарядка аккумулятора
Некоторые распространенные батареи предназначены только для одноразового использования (известные как первичные или одноразовые батареи). Путешествие электронов от анода к катоду является односторонним. Либо их электроды истощаются, когда они выделяют свои положительные или отрицательные ионы в электролит, либо накопление продуктов реакции на электродах препятствует продолжению реакции, и она закончилась и запылилась. Аккумулятор попадает в мусорное ведро (или, надеюсь, на переработку, но это совсем другая тема Nova).
Но. Преимущество этого потока ионов и электронов в том, что он имеет место в некоторых типах батарей с соответствующими материалами электродов, заключается в том, что он также может двигаться в обратном направлении, возвращая нашу батарею в исходную точку и давая ей совершенно новую жизнь. . Точно так же, как батареи изменили то, как мы можем использовать различные электрические устройства, перезаряжаемые батареи еще больше изменили полезность и срок службы этих устройств.
Когда мы подключаем почти разряженную батарею к внешнему источнику электроэнергии и отправляем энергию обратно в батарею, она обращает вспять химическую реакцию, которая произошла во время разряда. Это отправляет положительные ионы, выпущенные из анода в электролит, обратно к аноду, а электроны, которые принял катод, также возвращаются к аноду. Возвращение как положительных ионов, так и электронов обратно в анод запускает систему, поэтому она снова готова к работе: ваша батарея перезаряжена.
Показывать метки во время анимации Начать анимацию
Однако процесс не идеален. Замена отрицательных и положительных ионов из электролита обратно на соответствующий электрод по мере перезарядки батареи происходит не так аккуратно и красиво, как электрод изначально. Каждый цикл зарядки ухудшает состояние электродов еще немного, а это означает, что батарея со временем теряет производительность, поэтому даже перезаряжаемые батареи не могут работать вечно.
В течение нескольких циклов зарядки и разрядки форма кристаллов батареи становится менее упорядоченной. Это усугубляется, когда батарея разряжается/перезаряжается с высокой скоростью, например, если вы едете на своем электромобиле большими рывками, а не постоянно. Циклирование с высокой скоростью приводит к тому, что кристаллическая структура становится более неупорядоченной, в результате чего батарея становится менее эффективной.
Эффект памяти и саморазряд
Почти полностью обратимые реакции разрядки и перезарядки также способствуют так называемому «эффекту памяти». Когда вы перезаряжаете некоторые типы перезаряжаемых батарей, предварительно не разрядив их в достаточной степени, они «вспоминают», на каком уровне они были в предыдущих циклах разрядки, и не заряжаются должным образом.
В некоторых элементах это вызвано тем, как металл и электролит реагируют с образованием соли (и тем, как соль затем снова растворяется, а металл заменяется на электродах при перезарядке). Мы хотим, чтобы наши клетки имели красивые, однородные маленькие кристаллы соли, покрывающие идеальную металлическую поверхность, но это не то, что мы получаем в реальном мире! Способ формирования некоторых кристаллов очень сложен, и способ осаждения некоторых металлов во время перезарядки также удивительно сложен, поэтому некоторые типы батарей имеют больший эффект памяти, чем другие. Несовершенства в основном зависят от состояния заряда батареи, температуры, зарядного напряжения и зарядного тока. Со временем недостатки в одном цикле зарядки могут вызвать то же самое в следующем цикле зарядки и т. д., и наша батарея накапливает некоторые плохие воспоминания. Эффект памяти силен для некоторых типов элементов, таких как батареи на основе никеля. Другие типы, такие как литий-ионные, не страдают от этой проблемы.
Еще один аспект перезаряжаемых батарей заключается в том, что химический состав, делающий их перезаряжаемыми, также означает, что они имеют более высокую склонность к саморазряду. Это когда внутри элемента батареи происходят внутренние реакции, даже когда электроды не подключены через внешнюю цепь. Это приводит к тому, что клетка со временем теряет часть своей химической энергии. Высокая скорость саморазряда серьезно ограничивает срок службы батареи и заставляет ее умирать при хранении.
Литий-ионные аккумуляторы в наших мобильных телефонах имеют довольно хорошую скорость саморазряда, около 2–3 % в месяц, и наши свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторы также довольно разумны — они имеют тенденцию терять 4–6 %. в месяц. Аккумуляторы на основе никеля теряют около 10–15 процентов своего заряда в месяц, что не очень хорошо, если вы планируете хранить фонарь целый сезон, когда он вам не нужен! Неперезаряжаемая щелочная батарея теряет всего около 2–3 процентов своего заряда в год.
Напряжение, ток, мощность, мощность… в чем разница?
Все эти слова в основном описывают мощность батареи, верно? Ну вроде. Но все они немного разные.
Напряжение = сила, при которой реакция, приводящая в движение батарею, проталкивает электроны через ячейку. Это также известно как электрический потенциал и зависит от разности потенциалов между реакциями, происходящими на каждом из электродов, то есть от того, насколько сильно катод будет тянуть электроны (через цепь) от анода. Чем выше напряжение, тем большую работу может совершить одно и то же число электронов.
Ток = количество электронов, проходящих через любую точку цепи в данный момент времени. Чем больше сила тока, тем больше работы он может совершить при том же напряжении. Внутри ячейки вы также можете думать о токе как о количестве ионов, движущихся через электролит, умноженном на заряд этих ионов.
Мощность = напряжение x ток. Чем выше мощность, тем выше скорость, с которой батарея может работать — это соотношение показывает, насколько важны напряжение и ток для определения того, для чего подходит батарея.
Емкость = мощность батареи как функция времени, которая используется для описания периода времени, в течение которого батарея сможет питать устройство. Аккумулятор большой емкости сможет работать в течение более длительного периода, прежде чем разрядится или разрядится. У некоторых аккумуляторов есть небольшая грустная особенность: если вы попытаетесь извлечь из них слишком много слишком быстро, вовлеченные химические реакции не смогут продолжаться, и емкость уменьшится! Таким образом, мы всегда должны быть осторожны, когда говорим о емкости батареи и помнить, для чего она будет использоваться.
Другой популярный термин — «плотность энергии». Это количество энергии, которое устройство может удерживать на единицу объема, другими словами, какую отдачу вы получаете за свои деньги с точки зрения мощности и размера. С аккумулятором, как правило, чем выше плотность энергии, тем лучше, так как это означает, что аккумулятор может быть меньше и компактнее, что всегда является плюсом, когда он нужен для питания чего-то, что вы хотите держать в кармане. Для электромобилей это даже плюс — аккумулятор должен как-то влезать в машину!
Для некоторых приложений, таких как хранение электроэнергии на возобновляемой электростанции, такой как ветряная или солнечная электростанция, высокая плотность энергии не является большой проблемой, так как у них, скорее всего, будет достаточно места для хранения батарей. Основной целью такого использования было бы просто хранить как можно больше электроэнергии, как можно безопаснее и дешевле.
Видео: Как работают аккумуляторы? (TED-Ed/YouTube). Посмотреть подробности и расшифровку.
Почему так много типов?
Ряд материалов (раньше это были просто металлы) можно использовать в качестве электродов в батарее. За прошедшие годы было опробовано много-много различных комбинаций, но лишь немногие из них действительно прошли дистанцию. Но зачем вообще использовать разные комбинации металлов? Если у вас есть пара металлов, которые хорошо работают вместе в качестве электродов, зачем возиться с другими?
Различные материалы имеют разные электрохимические свойства, поэтому они дают разные результаты, когда вы кладете их вместе в элемент батареи.
