Акумуляторні батареї: пристрій, експлуатація, принцип роботи і схема

Автономні джерела електроенергії є одними з найбільш корисних винаходів людства. Що таке телефон або радіо, в яких не встановлено акумуляторні батареї? Пристрій багатьох пристосувань, а також умови їх використання не завжди передбачають наявність постійного мережевого електроживлення, тому такі джерела електроенергії дозволяють з комфортом здійснювати свою діяльність практично в будь-якій точці світу. Після невеликого передмови давайте приступимо до статті.

Що таке акумуляторна батарея?

У широкому сенсі під цим поняттям мають на увазі пристрій, що при одних умовах використання може накопичувати будь-якої вид енергії, а при інших - витрачати, щоб задовольнити потреби людини.

Акумулятори акумулюють електрику від зовнішнього джерела живлення, а потім віддають її підключеним споживачам, щоб вони змогли робити свою роботу. Так, коли пристрої працюють, постійно протікають хімічні реакції між електролітом і електродними пластинами. До речі, подібна конструкція розміщена в банках, з яких і формуються акумуляторні батареї. Пристрій даних конструкцій передбачає створення напруги, як правило, 1,2-2 В, що дуже мало. Тому для збільшення показників джерел живлення і застосовуються різні типи з`єднання.

Як працюють при розряді акумуляторні батареї?

Пристрій даних джерел живлення передбачає підключення до плюса і мінуса. Функціонують вони в такий спосіб: коли до електродів підключається навантаження (як приклад можна розглянути лампочку), то виникає замкнуте електричне коло. По ній починає протікати струм розряду. Формується він завдяки руху електронів, аніонів та катіонів. Більш детальну інформацію про те, що і як протікає, можна розповісти тільки на конкретному прикладі.

Припустимо, що у нас є акумулятор, де позитивний електрод - це окис нікелю, в який був доданий графіт для підвищення провідності. Для негативної пластини застосовували губчастий кадмій. Так ось, коли йде розряд, то частки активного кисню виділяються і потрапляють в електроліт. При цьому від них відокремлюються частини, які йдуть як електрику (ті ж електрони). Потім частинки активного кисню прямують у бік негативних пластин, де вони окислюють кадмій.

Функціонування акумулятора при заряді

Необхідно відключити навантаження на клемах пластин. На них же подається, як правило, постійна напруга (але може бути і пульсуюче, залежить від випадку), яке більше, ніж величина батареї, що заряджається. Причому полярність повинна бути однаковою. Тобто мінусові і плюсові клеми споживача і джерела мають співпадати. Врахуйте, що зарядний пристрій обов`язково має мати більшу потужність, ніж є в акумуляторі, щоб пригнічувати залишки енергії в ньому і створювати електричний струм, напрямок якого буде протилежним розряду. В результаті змінюються і хімічні процеси, які протікають в акумуляторної батареї.

Давайте розглянемо приклад з попереднього підпункту статті. Тут вже позитивний електрод буде збагачуватися киснем, а на негативному відновиться чистий кадмій. Підводячи підсумок, можна сказати, що під час заряду і розряду змінюється тільки хімічний склад електродів. Це не відноситься до електроліту. Але він може випаровуватися, що негативно позначатиметься на часі роботи батареї.

Отже, ми розглянули принцип роботи будь-якого акумулятора. Тепер давайте дізнаємося, як під час експлуатації можна поліпшити їх характеристики.

паралельне з`єднання

Величина струму залежить від значної кількості факторів. В першу чергу під цим розуміють конструкцію, вживані матеріали і їх габарити. Чим більшу площу мають електроди, тим більші показники струму вони зможуть витримати. Цей принцип використовується для паралельного з`єднання однотипних банок в акумуляторах. Таке робиться, якщо необхідно збільшити значення струму, що йде на навантаження. Але разом з цим доводиться і піднімати потужність джерела енергії.

послідовне з`єднання

Якщо розглядати банки, з яких складаються акумуляторні батареї, то необхідно сказати, що вони знаходяться, як правило, в одному корпусі. Подібний тип з`єднання використовується, щоб отримати великі показники напруги з меншими втратами.

Побачити застосування цієї конструкції можна, розібравши автомобільні батареї, які є свинцево-кислотними. Варто сказати, що цей тип застосовується не тільки в пристрої автомобільного акумулятора, це просто найвірогідніший спосіб розібрати, як же працює подібний тип з`єднання. В такому випадку необхідно потурбуватись про те, щоб не було контакту з металом, а існувала надійна гальванічна зв`язок через електроліт. Але це тільки потрібно розуміти відносно даного типу. В інших випадках по-іншому буде реалізовуватися поставлена задача з`єднання.

Типи акумуляторних батарей

Вони різняться через свого призначення, можливостей, реалізації та матеріалу. На даний момент сучасним виробництвом освоєно випуск більше трьох десятків типів, які відрізняються своїм складом електродів, а також застосовуються електролітом. Так, наприклад, li-ion акумулятори можуть похвалитися сімейством з 12 відомих моделей. Умовно можна виділити наступні типи:

1. Свинцево-кислотні.
2. Літієві.
3. Нікель-кадмієві.

Це найпопулярніші представники. Але для розуміння можливостей пропонуємо ознайомитися зі списком матеріалів, які можуть виступати в якості електродів:

• залізо;
• свинець;
• титан;
• літій;
• кадмій;
• кобальт;
• нікель;
• цинк;
• ванадій;
• срібло;
• алюміній;
• ряд інших елементів, які, втім, зустрічаються дуже рідко.

Використання різних матеріалів впливає на одержувані вихідні характеристики і, отже, на сферу застосування. Так, наприклад, li-ion акумулятори застосовуються в комп`ютерних і мобільних пристроях. Тоді як нікель-кадмієві використовуються в якості заміни стандартних гальванічних елементів. Теоретично всі типи акумуляторних батарей можуть працювати з будь-яким навантаженням. Питання тільки в тому, наскільки виправданим є таке застосування.

Основні характеристики

Ми вже розглянули, що таке акумуляторні батареї, пристрій цих конструкцій, з чого їх роблять. Тепер давайте зосередимося на тому, що впливає на їх експлуатацію. Важливими для нас характеристиками є:

Відео: Пристрій акумуляторної батареї, як працює акумулятор - корисне.

1. Щільністю називають характеристику співвідношення кількості енергії до обсягу або ваги акумулятора.
2. Ємністю називають значення максимального заряду акумулятора, яке він може віддати під час процесу розряду, поки не буде досягнуто найменше напруження. Даний показник виражається в ампер-годинах або кулонах. Також може вказуватися енергетична ємність. Вона вимірюється в ват-годинах або джоулях. Завдання такої ємності - повідомляти про кількість енергії, що віддається під час розряду до досягнення мінімального допустимого напруги.
3. Температурний режим впливає на електричні властивості акумуляторної батареї. Коли є серйозні відхилення від рекомендованого виробником діапазону експлуатації, то існує висока ймовірність виходу джерела живлення з ладу. Це пояснюється тим, що холод і спека впливають на інтенсивність протікання хімічних реакцій, а також на внутрішній тиск.
4. Саморозрядом називають втрати ємності, які відбуваються після заряду батареї, коли відсутнє навантаження на клемах. Багато в чому цей показник залежить від конструктивного виконання і може збільшуватися, якщо порушилася ізоляція.

Ось такі характеристики акумуляторних батарей і надають для нас найбільший інтерес. Звичайно, якщо доведеться робити щось нове та ексклюзивне, раніше небачене, то може знадобитися і щось ще. Але це дуже малоймовірно.

влаштування заземлювачів

Як приклад ми візьмемо свинцеві пластини. Хоча такими вони були раніше. Сучасні пластини виготовляються з свинцево-кальцієвого сплаву. Завдяки цьому досягається низький рівень саморозряду батареї (50% ємності втрачається за 18 місяців). Також це дозволяє економно витрачати воду (всього 1 грам на ампер-годину).

Можна зустріти і гібридну конструкцію, де, крім свинцю, в позитивний електрод додається сурма, а в негативний - кальцій. Правда, в таких випадках є підвищена витрата води. Щоб підвищити стійкість до корозійних процесів, додають олово або срібло.

Електроди виготовляються з гратчастої структурою, їх покривають шаром активної маси. Принцип роботи акумуляторної батареї в чималому ступені залежить від того, який матеріал використовується для пластин. Ми розглядаємо свинцеві, які прості для вивчення, але орієнтуватися на них завжди не рекомендуємо.

електроліт

Розглядаємо всі ті ж свинцево-кислотні батареї. Як електроліт, в який вони поміщаються, найчастіше виступає сірчана кислота. Вона володіє певною щільністю, яка може змінюватися в залежності від рівня заряду батареї. В даному випадку діє принцип: чим більше, тим вище. Згодом електроліт випаровується, і ємність акумуляторної батареї падає. На терміні служби позначаються особливості експлуатації (дотримання техніки безпеки). У батареях електроліт може бути двох типів:

• рідким;
• у вигляді просоченого спеціального матеріалу.

На даний момент найбільш поширений перший тип.

Експлуатація акумуляторних батарей

Використання акумуляторів можна спостерігати практично скрізь. Згадайте свої мобільні телефони або джерела безперебійного живлення для комп`ютерів. Як приклад можна привести і звичайний ліхтарик (сучасні зразки все частіше виготовляються з вбудованим акумулятором і не розраховані на гальванічні елементи). А автомобілі? Системи «стоп-старт» і рекуперативного гальмування працюють від акумуляторів, причому вони висувають високі вимоги до пусковому току, глибокого розряду і довговічності. Як бачите, без цих джерел живлення складно обійтися в сучасному житті будь-якої людини.

Відео: Індикатор розряду акумуляторних батарей

Схема побудови акумуляторної батареї

Ми розглянули основну інформацію про дані пристроях. Давайте ще приділимо увагу такому поняттю, як схема акумуляторної батареї. Адже в рамках статті по ньому пройшлися тільки побіжно. Акумулятор сучасної схеми, згідно з історією, був вперше створений французьким фізиком Гастоном Плантом. Площа його творіння перевищувала 10 квадратних метрів! Сучасні батареї, по суті, є просто значно зменшеними і трохи доробленими копіями його акумулятора. Видимим для людини елементом є тільки корпус. Він забезпечує спільність і цілісність конструкції.