Elektrická baterie je opakovaně použitelný sekundární zdroj chemického proudu , který lze po vybití znovu nabít [1] . Pro nabití baterie prochází při vybíjení elektrický proud v opačném směru, než je směr proudu [2] .
Slouží k cyklickému ukládání energie (nabíjení-vybíjení) a autonomnímu napájení různých elektrických přístrojů a zařízení, dále k zajištění záložních zdrojů energie v lékařství, výrobě, dopravě a dalších oblastech.
Nejrozšířenější jsou olověné a alkalické (železo-niklové a kadmium-niklové) baterie, dále se používají zinko-stříbrné, zinko-vzduchové a manganové [3] .
Termín "baterie" se používá k označení jediného prvku: například baterie, bateriového bloku, bateriového článku. Ale v hovorové řeči na úrovni domácnosti jej lze také použít na několik jednotlivých prvků zapojených do série (pro zvýšení napětí) nebo paralelně (pro zvýšení síly proudu a kapacity) mezi sebou, to znamená, že jde o baterii . Pro paralelní připojení se doporučuje použít baterie stejné kapacity a stejného modelu. Je však možné použít různé modely a dokonce i různé kapacity, ale v tomto případě budou nabíjecí proudy rozloženy nerovnoměrně, což může vést ke snížení životnosti baterie. Zapojením baterií do série se získá baterie o stejné kapacitě, jako je kapacita jedné z baterií obsažených v baterii, za předpokladu, že jsou kapacity stejné. V tomto případě se napětí baterie bude rovnat součtu napětí každé z baterií, které tvoří baterii.
První prototyp baterie, kterou bylo možné na rozdíl od Alessandra Volty mnohokrát dobíjet, vytvořil v roce 1803 Johann Wilhelm Ritter . Jeho baterií byl sloup z padesáti měděných kruhů, mezi nimiž byla položena vlhká látka. Po průchodu proudu tímto zařízením z voltaického sloupce se samo začalo chovat jako zdroj elektřiny [4] .
Princip činnosti baterie je založen na vratnosti chemické reakce. Primární prvek využívá spontánní chemickou reakci. Sekundární článek během procesu nabíjení funguje jako elektrolytický článek ( elektrolyzér ). V elektrolytickém článku elektrická energie způsobí požadovanou chemickou reakci. [5]
Výkon baterie lze obnovit nabíjením, to znamená průchodem elektrického proudu v opačném směru, než je směr proudu při vybíjení. Dvě nebo více baterií lze galvanicky propojit a vytvořit baterii pro zvýšení napětí, proudu, výkonu nebo spolehlivosti [ 6] .
Olověná bateriePrincip činnosti olověných baterií je založen na elektrochemických reakcích olova a oxidu olovnatého v roztoku kyseliny sírové.
Chemická reakce (zleva doprava - vybíjení, zprava doleva - nabíjení):
Alkalická baterie je baterie, která dostala svůj název podle použitého elektrolytu.
Ve většině případů se jedná o vodný roztok KOH (louh draselný) nebo NaOH (louh sodný).Tento typ baterií má oproti jiným typům několik výhod, ale má i nevýhody.
Nejběžnější typy alkalických baterií jsou nikl-kadmium a nikl-metal hydrid (také nazývané nikl-železo).
Lithium-iontová baterieLithium-iontová baterie se skládá z elektrod (katodový materiál na hliníkové fólii a anodový materiál na měděné fólii) oddělených porézními separátory impregnovanými elektrolytem. Nosičem náboje v lithium-iontové baterii je kladně nabitý iont lithia, který je zaveden ( interkalován ) do krystalové mřížky jiných materiálů (například v grafitu, oxidech a solích kovů) za vzniku chemické vazby (např. příklad: v grafitu s tvorbou LiC 6 , oxidů ( LiMO 2 ) a solí kovů (LiMRON).
Hliník-iontová baterieHliník-iontová baterie se skládá z kovové hliníkové anody, katody z grafitové pěny a kapalného iontového nehořlavého elektrolytu. Baterie pracuje na principu elektrochemické depozice: hliník se rozpustí na anodě, poté v kapalném elektrolytovém médiu interkalují chloraluminátové anionty do grafitu. Počet možných dobití baterie je více než 7,5 tisíce cyklů bez ztráty výkonu [7] [8] .
Porovnání baterií1 Vnitřní odpor baterií se liší v miliampérhodinách (mAh), zapojení a počtu článků. Ochranný obvod lithium-iontové baterie přidává asi 100 mΩ.
2 Velikost článku 18650. Velikost a konstrukce článku určují vnitřní odpor.
3 Životní cyklus baterií, které procházejí pravidelnou údržbou.
4 Životní cyklus závisí na velikosti výboje. Menší výtlak zvyšuje životnost.
5 Nejvyšší rychlost samovybíjení je ihned po nabití. NiCd baterie ztratí 10 % svého nabití během prvních 24 hodin, poté se rychlost ztráty nabití sníží na 10 % každých 30 dní. Vysoké teploty zvyšují samovybíjení.
6 Bezpečnostní obvod obvykle spotřebuje 3 % akumulované energie za měsíc.
7 Běžněji se používá tradiční napětí 1,25, 1,2 V.
8 Nízký vnitřní odpor snižuje úbytek napětí při zátěži a Li-Ion baterie jsou často označeny více než 3,6 V/článek. Prvky označené 3,7V a 3,8V jsou plně kompatibilní s 3,6V.
9 Schopný odolat velkému pulzu zátěžového proudu, ale potřebuje čas na zotavení.
10 Nenabíjejte pravidelně lithium-iontové baterie při teplotách pod bodem mrazu.
11 Údržba, jako je vyvážení nebo dobíjení, aby se zabránilo sulfataci.
12 U většiny typů lithium-iontových systémů dojde k přerušení, pokud je napětí nižší než 2,20 V a vyšší než 4,30 V, jiná napětí platí pro lithium ferofosfátové baterie. [9]
Kapacita baterie se nejčastěji bere jako množství elektřiny rovné 1 C, při síle proudu 1 A po dobu 1 s (při přepočtu času na hodiny dostaneme 1 A * h = 3600 C). Jsou však akceptovány, nikoli měřeny. Existuje běžná mylná představa, že kapacita baterie se měří v A * h, to není úplně pravda, protože v 1 A * s \u003d 1 C nebo 1 A * h \u003d 3600 C je množství elektřiny nebo elektrického náboje měřeno; podle vzorce Q \u003d I * t, kde Q je množství elektřiny nebo elektrického náboje, I je síla proudu, t je doba toku elektrického proudu. Například označení „12 V při 55 Ah“ znamená, že baterie produkuje množství elektřiny 198 kC (kilocoulomb) v jakémkoliv obvodu při vybíjecím proudu 55 A za 1 hodinu (3600 s) až do prahu napětí 10,8 V. Z výpočtu vyplývá, že při vybíjecím proudu 255 A se baterie vybije za 12,9 minuty. Jak vidíte, 55 A * h není kapacita (elektrická kapacita se měří ve Faradech, 1 F \u003d 1 C / V). Na baterii je tedy napsáno množství elektřiny Q, kterou vyrobí při určitém vybíjecím proudu a určité době pro její průchod.
Hustota energie - množství energie na jednotku objemu nebo jednotku hmotnosti baterie (viz čl. Energetická hustota ).
Samovybíjení je ztráta nabití baterie po jejím úplném nabití bez zátěže. Samovybíjení se u různých typů baterií projevuje různě, ale vždy je maximální v prvních hodinách po nabití a poté se zpomaluje.
U Ni-Cd baterií se během prvních 24 hodin po nabití považuje za přijatelné ne více než 10 % samovybíjení. U Ni-MH je samovybíjení o něco menší. V Li-ion je extrémně malý a výrazně se projevuje až během pár měsíců po nabití.
V uzavřených olověných bateriích je samovybíjení asi 40 % za 1 rok skladování při 20 °C, 15 % při 5 °C. Pokud jsou skladovací teploty vyšší, zvyšuje se samovybíjení: baterie při 40 °C ztratí 40 % své kapacity za pouhých 4–5 měsíců.
Udržujte baterie mimo dosah ohně a vody, nadměrného tepla a chladu, náhlých změn teploty.
Baterie by se neměly používat při teplotách nad +50 °C a pod -25 °C. Při provozu baterie v „studené zimě“ se doporučuje ji vyjmout a uložit v teplé místnosti. Porušení teplotního režimu může vést ke snížení životnosti nebo ztrátě výkonu.
Typ baterie je určen použitými materiály. Rozlišují se následující:
Elektrické a výkonové charakteristiky baterie závisí na materiálu elektrod a složení elektrolytu. Nejčastěji používané baterie jsou:
Typ | EMF (V) | Oblast použití |
---|---|---|
olověná kyselina
Pb |
2.1 | trolejbusy , tramvaje , letadla , automobily , motocykly , elektrické vysokozdvižné vozíky , zakladače , elektrické tahače , nouzové napájení , zdroje nepřerušitelného napájení |
nikl-kadmium
Ni-Cd |
1.2 | výměna standardního galvanického článku , stavební elektrické nářadí , trolejbusy , letadla |
nikl metalhydrid
Ni-MH |
1.2 | výměna standardního galvanického článku , elektromobily |
lithium-iontová
Li-ion |
3.7 | mobilní zařízení, stavební elektrické nářadí, elektrická vozidla |
lithiový polymer
Li-pol |
3.7 | mobilní zařízení, elektrická vozidla |
nikl-zinek
Ni-Zn |
1.6 | výměna standardního galvanického článku |
Externí baterie (nabíjecí baterie) ( anglicky powerbanka ) je zařízení pro vícenásobné dobíjení mobilního zařízení ( telefonu , smartphonu, tabletu) při absenci zdroje střídavého proudu (sítě).
Důvodem vzhledu těchto zařízení bylo, že při aktivním používání moderních smartphonů a tabletů stačí nabití jejich baterií na relativně krátkou dobu - půl dne nebo den. Pro jejich nabíjení v terénu byly vyvinuty přenosné baterie [11] [12] . Typická hmotnost takových zařízení je 200-800 gramů, kapacita je od několika tisíc mAh do 10-20 Ah [13] . S jejich pomocí nabijete telefon 2-5x. Nejčastěji poskytují USB port pro připojení. Některé z nich mají konektory nebo adaptéry pro oblíbené konektory mobilních telefonů. Externí baterie s velkou kapacitou mohou mít adaptéry pro nabíjení notebooků. Někdy mají externí baterie indikátor nabití nebo vestavěnou LED svítilnu .
Ve většině případů je možnost systematického používání baterií pouze v přenosných radiokomunikačních zařízeních.[ co? ] a další digitální technologie, kde se používají lithium-iontové baterie a systém řízení nabíjení-vybíjení je zabudován do zařízení.
V rozpočtovém segmentu se používají „jednoduché“ nikl-metal hydridové a nikl-kadmiové baterie jako rozpočtová náhrada za alkalické baterie ( baterie ). Nikl-kadmiové baterie se používají
jako zdroj proudu pro levné akumulátorové elektrické nářadí .
Také v elektrických vozidlech . [čtrnáct]
S vyčerpáním chemické energie klesá napětí a proud a baterie přestává fungovat. Baterii (baterii baterií) můžete nabíjet z libovolného stejnosměrného zdroje s vyšším napětím při omezení proudu. Nejběžnější je nabíjecí proud (v ampérech ), úměrný 1/10 podmíněné jmenovité kapacity baterie (v ampérhodinách ).
Mnoho typů baterií má různá omezení, se kterými je nutné počítat při nabíjení a následném používání, například NiMH baterie jsou citlivé na přebíjení a nízké teploty, lithium-iontové baterie jsou citlivé na přebití, vysoké napětí, nízké nebo vysoké teploty. Baterie NiCd a NiMH mají tzv. paměťový efekt , který spočívá v poklesu kapacity při nabíjení neúplně vybité baterie. Tyto typy baterií mají také znatelné samovybíjení, to znamená, že postupně ztrácejí náboj, aniž by byly připojeny k zátěži. K potlačení tohoto efektu lze použít udržovací nabíjení .
K nabíjení baterií se používá několik metod; zpravidla způsob nabíjení závisí na typu baterie [15] .
Pomalé stejnosměrné nabíjeníNabíjejte stejnosměrným proudem úměrným 0,1-0,2 podmíněné jmenovité kapacity Q po dobu asi 15-7 hodin.
Nejdelší a nejbezpečnější způsob nabíjení. Vhodné pro většinu typů baterií.
rychlé nabíjeníNabíjejte stejnosměrným proudem úměrným 1/3 Q po dobu asi 3-5 hodin.
První smartphony podporující tuto technologii byly vydány v roce 2013. Poté výrobci zvýšili napětí zdroje, aby dosáhli znatelných výsledků - rychlost se zvýšila o 30-40% ve srovnání se standardním (pomalým) nabíjením.
Zrychlené nebo "delta-V" nabíjeníNabíjení s počátečním nabíjecím proudem úměrným jmenovité kapacitě baterie, při kterém se neustále měří napětí baterie a nabíjení končí po úplném nabití baterie. Doba nabíjení je přibližně hodinu a půl. Baterie se může přehřát a dokonce ji zničit.
Technologie od OPPO - SuperVOOC - vám umožní nabít váš smartphone téměř o 30 % za pouhých pět minut. [16]
reverse chargeProvádí se střídáním dlouhých nabíjecích impulsů s krátkými vybíjecími impulsy. Reverzní metoda je nejužitečnější pro nabíjení NiCd a NiMH akumulátorů, které se vyznačují tkz. „paměťový efekt“.
Slovníky a encyklopedie |
|
---|---|
V bibliografických katalozích |
|