Principiul bateriei
Acumulatorul (din acumulare - acumulare latină) este un dispozitiv de stocare a energiei pentru utilizarea sa ulterioară. Acumulatorul electric (denumit în continuare "acumulator") acumulează energie datorită unui proces chimic reversibil - convertește energia electrică în energie chimică atunci când se încarcă și apoi o dă consumatorului după cum este necesar. O baterie reîncărcabilă este un set de baterii conectate în serie și poate fi suplimentar furnizată cu elemente logice încorporate, senzori de temperatură și siguranțe care permit monitorizarea procesului de încărcare.
Principiile de bază ale surselor chimice de energie electrică au fost descoperite în secolul al 18-lea și toate bateriile moderne sunt realizate pe baza lor și design de atunci nu sa schimbat prea mult - au fost doar noi materiale și tehnologii care vor reduce dimensiunea și de a crește capacitatea bateriei.
Dacă electrolitul (soluții de acizi, baze sau săruri ale acestora, precum și săruri topite, în care există ioni liberi - fragmente cu o sarcină pozitivă sau negativă) scufundați doi electrozi din materiale diferite (cu potențial chimic diferit), atunci ei vor începe depunerea de ioni încărcați . În același timp, ionii pozitivi (cationi) se vor instala pe anod - un electrod cu un potențial chimic negativ (de exemplu, o tijă de grafit), și va deveni un pol pozitiv al bateriei. În consecință, ionii negativi (anioni) se vor instala pe al doilea catod electrod (de exemplu, o bancă de zinc) și va deveni un pol negativ. Acest proces electrochimic redox numit „placat“ (după Luigi Galvani - om de știință italian care a descoperit apariția unei eventuale diferențe, atunci când intră în contact cu un electrolit de metal). Pe această lucrare principiu baterii electrochimice bazate - (elemente „al doilea tip“ - acumulatori) atât de unică folosință (elemente elemente „ordinul întâi“ Leklanshe) sau reîncărcabile, iar celula de combustibil, în care electrolitul este alimentat continuu în reacție.
transbordare
Reîncărcarea bateriilor este posibilă datorită reversibilității proceselor chimice în transmiterea curentului electric. În acest caz, are loc procesul de refacere a materialului electrodului și saturația electrolitului (revenirea ionilor depuși pe electrozi în soluție). Deoarece procesele chimice de oxidare-reducere sunt relativ lente și însoțite de căldură (baterii atunci când încărcarea și descărcarea rapidă încălzit, acid se poate fierbe și litiu - chiar exploda), procesul de încărcare este suficient de lung (8-16 ore). Bineînțeles, și pentru a da energie imediat, bateriile nu sunt capabile. În acest sens, ele diferă de condensatori, care nu sunt celule galvanice - se acumulează doar taxa pe suprafața plăcilor, este mult mai mică decât electrolitul poate stoca aceeași cantitate, dar poate da toată taxa aproape instantaneu.
Bateriile nichel-cadmiu sunt nichel cadmiu anod și catod, tensiunea de funcționare de 1,2 V. In ciuda celulelor Ni-Cd (aproximativ 0.5-1 Ah pentru celule de dimensiune AA - „baterii Penlight“) de mică capacitate, ei au propriile lor avantaje. Acestea au o rezistență internă scăzută, prin urmare pot furniza un curent suficient de puternic la ieșire fără a scădea tensiunea până la descărcarea completă, furnizând un număr mare de cicluri de încărcare / descărcare (500-1000). Dar utilizarea cadmiului în procesul de electroliză determină evoluția hidrogenului, ceea ce poate duce la o explozie. Pentru a preveni distrugerea carcasei bateriei, se fac găuri de ventilație, prin care iese excesul de hidrogen. Din acest motiv, aceste elemente nu pot fi sigilate, iar carcasele bateriilor trebuie făcute cu găuri. În plus, cadmiul este o substanță toxică și trebuie reciclat după eliminare. Bateriile cu nichel-cadmiu se auto-descarcă în limita a 10% în prima zi după încărcare și aproximativ 10% în fiecare lună. Auto-descărcarea este o consecință a unei reacții chimice care are loc în baterie chiar și în absența unei sarcini.
Efectul de "memorie" al bateriilor
Problema principală a bateriilor Ni-Cd - un efect de nivel „memorie“ de încărcare, în cazul în care un element nu este complet descărcat, cristalele sunt formate anod de cadmiu, reducând capacitatea utilă a bateriei. Când același nivel "incomplet" este atins la următoarea descărcare de gestiune, tensiunea va scădea exact ca și cum bateria ar fi fost complet descărcată. Pentru a restabili capacitatea inițială, este necesar să se efectueze "oscilații", ciclurile "încărcare completă - descărcare completă". Mai mult decât atât, din moment ce dispozitivele electronice atunci când tensiunea scade pur și simplu deconectat, atunci „profundă“ a descărcării electrice necesită un consumator, nu este deconectat atunci când tensiunea scade (de exemplu, un bec sau reostat).
Motivul pentru "memoria" bateriilor Ni-Cd este materialul catodic. Pentru un catod, materialul ideal este hidrogenul, dar la temperatura camerei și presiunea atmosferică este în stare gazoasă. Dar există metale care permit să se lege în structura lor hidrogenul atomic într-un volum de 1000 de ori mai mare decât al lor. Acestea sunt zinc, nichel și litiu, ale căror compuși cu hidrogen sunt numiți hidruri. În consecință, bateriile Ni-MH au un anod nichel și un catod de hidrură de nichel. Aceste baterii au aproape nici o memorie, sunt prietenoase cu mediul (din cauza lipsei de metale toxice), au o capacitate mai mare (1,5-2 ori mai mare decât Ni-Cd), poate rezista, de asemenea, un curent mare. Dar bateriile Ni-MH au dezavantaje semnificative în comparație cu Ni-Cd. Ni-MH sunt mai predispuse la auto-descărcare: atunci când se încarcă până la 1,4 V tensiune scade la 1,2 V, în primele ore și uneori minute, apoi este menținută constantă până la descărcarea completă. În acest caz, bateria pierde 3-5% din încărcare pe zi (80-100% pe lună), respectiv, în timpul depozitării, acestea trebuie să fie reîncărcate lunar. În plus, bateriile Ni-MH devin foarte calde la încărcare, deci au nevoie de încărcătoare speciale cu control al temperaturii.
Lupta pentru capacitate
Pe lângă îmbunătățirea capacității bateriei prin utilizarea noilor substanțe pot crește capacitatea specifică datorită utilizării mai eficientă a spațiului: baterie cu elemente de formă dreptunghiulară sau plate poate mări capacitatea cu 20% în comparație cu bateriile de elemente cilindrice. În astfel de elemente "non-standard", în loc de un electrolit lichid, este utilizat un polimer (de exemplu, un material compozit cum ar fi poliacrilonitrit) care conține o sare de litiu. În consecință, astfel de elemente nu necesită o carcasă protectoare etanșă ermetic sigilată, reducând astfel masa lor și crescând sarcina specifică.
Dar bateriile litiu-ion nu au epuizat încă capacitatea rezervorului. Specialiștii de la Sandia National Laboratories au reușit să crească capacitatea bateriilor de 10 ori datorită utilizării anodului de siliciu-carbon. Dar ei se confruntau cu problema reducerii capacitatii la fiecare incarcatura ulterioara, asociata cu distrugerea anodului sub influenta unui curent mare. Încetinirea anodului și reducerea capacității au fost încetinite prin utilizarea materialelor compozite care sunt mai rezistente la curentul înalt. În timp ce astfel de baterii se află în stadiul de dezvoltare și se așteaptă lansarea lor în masă în cazul în care va fi posibilă încetinirea declinului capacității la un nivel acceptabil.
Parametrii electrici ai bateriilor sunt tensiunea, capacitatea, curentul de încărcare / descărcare, rezistența internă.
Capacitatea unei baterii este încărcarea sa maximă sau timpul în care o baterie complet încărcată poate da continuu un curent dat:
C = q [Cn] = I * t [A * c]. unde q - sarcina, I - puterea curentului, t - timpul.
Pentru confort, timpul nu este indicat în câteva secunde (cum este cazul în sistemul C), dar în ore:
C = I * t [A * h]. care este de 3600q [Cl].
Acest lucru înseamnă că, în loc de a marca 5400 A * s, vom vedea, de obicei, o denumire mai convenabil și familiar de 1,5 Ah.
Caracteristica tipului bateriei este capacitatea specifică - greutatea unitară a elementului [W * h / kg]. Pentru elementele Ni-Cd această valoare este de 40-80, pentru Ni-MH-60-80, pentru Li-Ion - 90-110, pentru Li-polimer - 130-150 W * h / kg.
Un alt parametru de funcționare important al bateriei este curentul maxim. Dacă curentul de descărcare este doar o limitare a capacității de operare, curentul de încărcare este o limitare, depășind care va dezactiva bateria. În dispozitivele electronice, acest curent este de obicei semnificativ mai mic decât cel maxim pentru a crește durata de viață a bateriei. Unele dispozitive nu au un controler de încărcare și bateriile sunt în mod constant în modul de încărcare a bateriei descărcate. De-a lungul timpului, acest curent nu este suficient pentru a obține o încărcare completă - există o depunere a produselor de reacție pe electrozii și un curent mai mare este necesar pentru procesul de recuperare. Adesea pentru a "reînvia" bateriile neîncărcate a fost obținută printr-o alimentare de scurtă durată cu un curent de 2 ori mai mare la o tensiune de ordinul a 1,5 V, după care încărcarea a fost efectuată cu parametri nominali.
Curentul de descărcare de gestiune este de obicei limitat de producător și este în limitele a 0,2-0,5 din capacitatea celulei. Curentul de încărcare este determinat de regula:
I (încărcare) = k * C (baht) [A]. unde C (bat) este capacitatea bateriei [A * h], k este coeficientul în funcție de tipul bateriei.
Algoritm pentru restaurarea bateriilor Ni-MH
După cum sa menționat mai sus, pierderea capacității bateriei se datorează depunerii produselor de reacție pe electrozi. Pentru a restabili bateria, trebuie să returnați aceste produse în starea inițială.
Pentru aceasta, trebuie să aveți următoarele:
- sursa de alimentare cu reglare netedă a tensiunii, indicatoare de curent și de tensiune (puteți utiliza și un voltmetru separat și ampermetru);
- pregătite pentru încărcarea celulelor bateriilor;
- încărcătură - reostat sau bec, a cărui rezistență trebuie aleasă pe baza formulei:
R = U / I [Ohm]. unde U este tensiunea nominală a bateriei. I este curentul necesar [A], care este luat din calculul I = 0,4 C (baht).
De asemenea, este recomandabil să aveți un senzor termic sau un releu termic pentru a opri curentul în caz de supraîncălzire în timp.
Înainte de încărcare, descărcați bateria la o tensiune de ordinul a 1 V - conectăm voltmetrul și sarcina paralelă cu elementul. Monitorizați periodic tensiunea (nu trebuie să scadă sub 0,9 V - pot începe procesele ireversibile). Periodic controlam temperatura - nu trebuie să crească peste 50 de grade Celsius. În caz contrar, este necesar să opriți sarcina până când elementul sa răcit la temperatura camerei. După descărcare, este necesar să așteptați timpul pentru a normaliza procesele din interiorul elementului (15-20 minute). În acest timp elementul „regenerat“, creșterea tensiunii, și poate fi dorazryadit la o tensiune de 0,9 V. În plus, după o așteptare timp de 10-15 minute, puteți începe încărcarea.
Pentru a încărca, atașați ampermetru în serie la elementul de încărcare, alimentarea cu energie electrică și voltmetrul - în paralel, cu o singură atingere la polul liber al bateriei, celălalt - la terminalul liber al ampermetru. Un senzor termic sau senzor, termostat, este de dorit să fixați bateria folosind pastă termică pentru măsurători mai precise. Am setat regulatorul de tensiune al sursei de alimentare la tensiunea minimă (reostatul - la rezistența maximă). Apoi - ridicați treptat tensiunea astfel încât curentul de pe ampermetru să atingă valoarea:
I (încărcare) = 0.1C (baht)
De exemplu, pentru o baterie cu o capacitate de 1500 mAh, curentul maxim va fi de 150 mA. Curentul va scădea treptat, și în consecință, este necesară creșterea tensiunii. În primul rând - la fiecare 3-5 minute pentru prima oră, apoi pentru fiecare oră. De îndată ce tensiunea atinge 1,3 nominal (1,4-1,5 volți), trebuie să lăsați acumulatorul la încărcare ca atare - atunci nu puteți crește tensiunea. Când curentul scade la o valoare apropiată de zero (după 4-6 ore), trebuie să opriți încărcarea, să așteptați 15-20 de minute pentru a normaliza procesele și puneți încărcarea timp de 8 ore. De-a lungul încărcării trebuie avut grijă ca temperatura să nu crească peste 50 de grade Celsius. Dacă temperatura depășește această valoare, este necesar să coborâți curentul de încărcare (de 1,5-2 ori) până când bateria se răcește până la 30 de grade. Apoi este posibil să ridicați treptat curentul la valoarea nominală. Pentru a restabili capacitatea inițială, este nevoie de 3-4 astfel de cicluri.
2. Așteptarea regenerării (10-15 minute);
3. reînchidere la descărcare completă;
4. Încărcarea la încărcare completă (dezactivarea indicatorului de încărcare, mesajul "încărcarea este completă");
5. Deconectați încărcarea (2-5 minute);
6. reînscrierea pentru încărcare timp de 8 ore.
Este necesar să se efectueze aproximativ trei astfel de cicluri și se recomandă efectuarea acestor operațiuni imediat după cumpărarea unui aparat nou sau a unei baterii noi și la fiecare 3-6 luni de funcționare.
Sfaturi trucuri
1. Pentru a dezasambla acumulatorul lipit, puteți folosi o șurubelniță cu mâner din plastic și un cuțit rotund. Manevrați caz baterie șurubelniță obstukivaem de-a lungul cusătura, apoi se introduce în cuțitul fantă, și prin crearea unei forțe mici de înclinare sale, să continue bateria obstukivat. Cazul va începe să se diferențieze, iar cuțitul va trebui mutat mai departe, până când bateria este complet dezasamblată. Desigur, nu toate bateriile sunt ușor de înțeles, există riscul de a deteriora corpul subțire, dar cu destul de formare puteți analiza practic orice organism stratificat rapid și fără a deteriora, iar apoi lipici-le înapoi.
2. Pentru a restabili bateria, este posibil să trebuiască să înlocuiți elementele. Necesitatea de a cumpăra obiecte, nu numai de același tip (Ni-Cd sau Ni-MH) și dimensiunea, dar, de preferință să nu depășească capacitatea nominală a elementelor „native“ - în caz contrar, curentul de încărcare poate fi mai mare sau va funcționa corect controlerul de circuit logic de încărcare, care va duce la afișarea eronată a încărcării acumulatorului și oprirea temporară a încărcătorului.
3. Depozitarea bateriilor. Bateriile trebuie să fie stocate complet CHARGED! În timpul depozitării, este necesar să verificați periodic tensiunea (la fiecare 1-2 luni). Nu trebuie să scadă sub 1 V. Dacă tensiunea scade, este necesară încărcarea din nou a bateriilor. Singurele baterii care pot fi descărcate sunt Ni-Cd.
Auto-descărcarea bateriilor se datorează aceleiași reacții chimice ale electrozilor și ale electrolitului care apar în timpul funcționării (descărcare sub sarcină), dar fără sarcină, aceste procese se desfășoară mult mai lent. Mai mult, cu o scădere a temperaturii, aceste procese încetinesc, în consecință, pentru a reduce descărcarea de sine, bateriile trebuie depozitate într-un loc răcoros și uscat. Un frigider este destul de potrivit pentru aceste scopuri. Dar nu puteți pune bateriile în congelator - condensul începe să se condenseze, provocând coroziune și scurgerea curentă. Iar din cauza căderii puternice a temperaturii, electrolitul se poate descompune. Temperatura optimă de depozitare este de 1-5 grade Celsius.
De ce să zdrobiți bateriile "moarte"
Dacă vă micsorezi cazul unei baterii moarte, cavitățile dintre electrozii și electrolitul care au apărut în timpul reacției vor fi eliminate. Electrolitul în sine va fi distribuit mai uniform. Viteza de reacție va crește și curentul va fi restabilit. Astfel, bateria va dura ceva timp. Principalul lucru nu este să exagerăm și să nu închidem electrozii :).
Informații utile pentru proprietarii de mașini. În timpul iernii, în timpul unui ger greu, procesele din baterie sunt încetinite, astfel încât puterea actuală chiar și atunci când bateria complet încărcată, nu este suficient să se rotească demarorul. Desigur, este de asemenea asociat cu o îngroșare a uleiului, astfel încât, în scopul de a facilita pornirea motorului, de obicei imediat după oprirea motorului se adaugă un pic de combustibil la carter și să facă 5-10 rotații ale demarorului arborelui cotit (fără a porni motorul) și pornirea motorului cu ambreiajul apăsat. Dar pentru a crește curentul bateriei poate fi datorată încălzirii, care poate fi făcută prin acționarea lămpilor de întâlnire timp de 10-15 minute. Sub acțiunea puterii consumatorului bateria este încălzită, crește viteza de reacție chimica, cresterea curentului (care poate fi văzut pentru a îmbunătăți luminescenta gama de luminozitate). Acest curent este suficient pentru a porni motorul. Și mai mult: este mai bine să "rotiți continuu starterul" mai mult decât să încercați să porniți motorul cu incluziuni scurte. Fiecare comutator este însoțită de o creștere bruscă a curentului, care scade pe măsură promovarea demarorul, iar cea mai mică dintre aceste incluziuni, cu atât mai mult va dura o baterie de pornire, și mai mare probabilitatea unui start-up de succes.