Электрическая батарея

редактировать

Источник накопленной электроэнергии, состоящий из одного или нескольких химических элементов
Батарея
Batteries.jpg Различные элементы и батареи (вверху слева, чтобы внизу справа): два AA, один D, один портативный радиолюбитель аккумулятор, два 9-вольт (PP3), два AAA, один C, один аккумулятор для видеокамеры, один беспроводной телефон аккумулятор
ТипИсточник питания
Принцип работыЭлектрохимические реакции, Электродвижущая сила
Первое производство1800-е годы
Электронный символ
Символ батареи2.svg . Символ для батарей в принципиальная схема. Он возник как образовательный рисунок батареи самого раннего типа: гальваническая батарея.

A батарея - это устройство, состоящее из одного или нескольких электрохимических элементов с внешними соединениями для питания электрических устройств таких как как фонарики, мобильные телефоны и электромобили. Когда батарея подает электрическую энергию, ее положительный вывод является катодом, его отрицательный вывод является анодом. Отрицательный вывод представляет собой электронов, которые проходят внешнюю электрическую цепь к положительному выводу. Когда батарея подключена к внешней электрической нагрузке, реакция окислительно-восстановительного потенциала преобразует высокоэнергетические реагенты в более низкой энергии, и разница свободная энергия передается во внешнюю цепь в виде электроэнергии. Исторически термин «батарея» конкретно относился к устройству, состоящему из нескольких ячеек, однако использование расширилось, чтобы устройство, состоящее из одной ячейки.

Первичный (одноразовый или «одноразовый ») батареи используются один раз и выбрасываются, поскольку материалы электрода необратимо изменяются во время разряда; Типичным примером щелочная батарея, используемая для фонарей и множества портативных электронных устройств. Вторичные (перезаряжаемые) батареи можно многократно разряжать и заряжать с помощью приложенного электрического тока; первоначальный состав электродов можно восстановить обратным током. Используемые батареи, используемые в транспортных средствах, и литий-ионные батареи, используемые для портативной электроники, такие как ноутбуки и мобильные телефоны.

Батареи бывают разные форм и размеров: от миниатюрных элементов, используемых для питания слуховых аппаратов и наручных часов, до небольших тонких элементов, используемых в смартфонах, и до больших свинцово-кислотные аккумуляторы или литий-ионные аккумуляторы в транспортных средствах, в самом крайнем случае - огромные аккумуляторные батареи размером с комнаты, обеспечивающие резервное или аварийное питание для телефонных станций и компьютеров центров обработки.

Батареи имеют гораздо более низкую удельную энергию (энергия на единицу массы), обычные топлива, такие как бензин. В автомобилех это несколько компенсируется более высокой эффективностью электродвигателей в преобразовании химической энергии в механическую работу по с двигателем внутреннего сгорания.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Принцип работы
  • 3 и типы батарей
    • 3.1 Первичный
    • 3.2 Вторичный
    • 3.3 Типы элементов
      • 3.3.1 Влажный элемент
      • 3.3.2 Сухой элемент
      • 3.3.3 Расплавленная соль
      • 3.3.4 Резерв
    • 3.4 Характеристики элемента
  • 4 Емкость и разряд
    • 4,1 C rate
    • 4.2 Быстрая зарядка, большая и легкие батареи
  • 5 Срок службы
    • 5.1 Саморазряд
    • 5.2 Коррозия
    • 5.3 Изменения физических компонентов
    • 5.4 Скорость заряда / разряда
    • 5.5 Перезаряд
    • 5.6 Эффект
    • 5.7 Условия окружающей среды среды
    • 5.8 Хранение
  • 6 Размеры батарей
  • 7 Опасности
    • 7.1 Взрыв
    • 7.2 Утечка
    • 7.3 Токсичные материалы
    • 7.4 Проглатывание
  • 8 Химия
    • 8.1 Первичные батареи и их характеристики
    • 8.2 Вторичные (аккумуляторные) батареи и их характеристики
  • 9 Твердотельные батареи
  • 10 Самодельные элементы
  • 11 См. также
  • 12 Ссылки
  • 13 Дополнительная литература
  • 14 Внешние ссылки

История

A гальваническая свая, первая батарея итальянский физик Алессандро Вольта демонет свою грудускому французу императору Наполеон Бонапарт

Использование терминала «батарея» для описания группы устройств устройств относится к Бенджамину Франклину, который в 1748 году описал несколько лейденских сосудов по аналогии с батареей пушек (Бенджамин Франклин позаимствовал термин «батарея» у военной батареи, который относится к оружию, функционирующему вместе).

Итальянский физик Алессандро Вольта построил и описал первую электрохимическую батарею, вольтовую батарею, в 1800 году. Это была стопка медных и цинковых пластин, разделенных рассолом. -пропитанные бумажные диски, которые могут обеспечивать постоянный ток в течение значительного времени. Вольта не понимал, что возникло напряжение из-за химическое влияние. Он думал, что его элементы неисчерпаемым источником энергии, что связано с этими эффектами коррозии электродов, просто неприятностью, а не неизбежным следствием их работы, как показал Майкл Фарадей в 1834 году.

Хотя первые батареи имели большую ценность для экспериментальных целей, на практике их колебались, и они не могли обеспечивать большой ток в течение длительного периода. Ячейка Даниэля, изобретенная в 1836 году британским химиком Джоном Фредериком Дэниеллом, был первым практическим испытателем электричества, отраслевым стандартом и получившей широкое распространение в качестве источника питания для электрические телеграфных сетей. Он состоял из медного горшка, наполненного сульфата меди, в который был погружен неглазурованный глиняный сосуд, наполненный серной кислотой, и цинковый электрод.

В этих влажных элементах использовались жидкие электролиты, которые склонны к утечке и разливу. Многие использовали стеклянные банки для хранения своих компонентов, что делало их хрупкими и опасными. Эти характеристики сделали влажные камеры непригодными для портативных приборов. Ближе к концу девятнадцатого века изобретение батарейки с сухими элементами, в которых жидкий электролит заменен пастой, сделало портативные электрические устройства практичными.

Принцип работы

Гальваника ячейки в демонстрационных целях. В этом примере две полуэлементы связаны солевым мостиком, который позволяет переносить ионы.

Батареи преобразуют химическую энергию в электрическую энергию. Во многих случаях высвобождаемая электрическая энергия представляет собой разницу в энергиях когезии или связи, оксидов или молекул, подвергшихся электрохимической реакции. Например, энергия может храниться в Zn или Li, которые являются высокоэнергетическими металлами, поскольку они не стабилизируются связью d-электронов, в отличие от переходных металлов. Батареи сконструированы таким образом, что энергетически выгодная окислительно-восстановительная реакция может происходить только в том случае, если электроны происходят через внешнюю часть цепи.

Батарея из некоторого количества гальванических элементов. Ячейка из двух полуэлементов, соединенных последовательными проводящими электролитом, содержащим катионы металлов. Одна полуячейка включает электролит и отрицательный электрод, электрод, к которому перемещаются анионы (отрицательно заряженные ионы); другая полуячейка включает электролит и положительный электрод, к которым перемещаются катионы (положительно заряженные ионы ). Катионы восстанавливаются (добавляются электроны) на катоде, а атомы металлов окисляются (удаляются электроны) на аноде. Некоторые ячейки используют разные электролиты для каждой полуячейки; затем используется сепаратор для предотвращения смешивания электролитов, позволяя ионяам течь между полуячейками, замыкая электрическую цепь.

Каждая полуячейка имеет электродвижущую силу (ЭДС, измеряемую в вольтах) относительно стандарта . Чистая ЭДС ячейки - это разница между ЭДС ее полуячеек. Таким образом, если электроды имеют ЭДС E 1 {\ displaystyle {\ mathcal {E}} _ {1}}\ mathcal {E} _1 и E 2 {\ displaystyle {\ mathcal {E}} _ {2}}\ mathcal {E} _2 , тогда чистая ЭДС равна E 2 - E 1 {\ displaystyle {\ mathcal {E}} _ {2} - {\ mathcal {E}} _ {1}}\ mathcal {E} _ {2} - \ mathcal {E} _ {1} ; словами чистая ЭДС - это разность между другими возможностями восстановления полуреакций.

Электрическая движущая сила или Δ V bat {\ displaystyle \ displaystyle {\ Delta V_ {bat}}}\ displaystyle {\ Delta V_ {bat}} на клеммах ячейки называется напряжением на клеммах (разностью) и измеряется в вольтах. Напряжение на клеммах элемента, которое не заряжается и не разряжается, называется напряжением холостого хода и равно ЭДС элемента. Из-за внутреннего сопротивления напряжение на клеммах разряженного элемента меньше по величине, чем напряжение холостого хода, а напряжение на клеммах заряжаемого элемента как напряжение холостого хода. Идеальная ячейка имеет незначительное внутреннее сопротивление, поэтому она будет поддерживать постоянное напряжение на клеммах E {\ displaystyle {\ mathcal {E}}}{\ mathcal {E}} до тех пор, пока не разрядится, а затем упадет до нуля. Если бы такой элемент поддерживал 1,5 вольта и производил заряд в один кулон, то при полном разряде он бы выполнил 1,5 джоулей работы. В реальных элементах внутреннее сопротивление увеличивается при разряде, а напряжение холостого хода также уменьшается при разряде. Если напряжение и сопротивление сопротивление в зависимости от времени, полученные графики обычно отличаются собой кривую; форма кривой меняется в зависимости от химического состава и используемого внутреннего устройства.

Напряжение, развивающееся на выводх элемента, зависит от активации энергии в результате его электродов и электролита. Щелочные и цинк-углеродные элементы имеют разный химический состав, но примерно одинаковую ЭДС 1,5 В; аналогично элементы NiCd и NiMH разный химический состав, но примерно одинаковую ЭДС 1,2 вольт. Высокие изменения электрохимического потенциала в реакциях соединений лития дают ЭДС литиевых элементов 3 вольта или более.

Категории и типы батарей

Сверху вниз: 4,5- вольт 3R12 аккумулятор, элемент D, элемент C, элемент AA, элемент AAA, элемент AAAA, батарея A23, 9-вольтовая батарея PP3 и пара кнопочных элементов (CR2032 и LR44)

Батареи подразделяются на первичные и вторичные:

  • Первичные батареи предназначены для использования до полного истощения энергии, а затем выбрасываются. Их химические реакции, как правило, необратимы, поэтому их нельзя перезарядить. Когда запас реагентов в батарее исчерпан, батарея перестает вырабатывать ток и становится бесполезной.
  • Вторичные батареи можно заряжать; то есть их химические реакции можно обратить вспять, приложив электрический ток к ячейке. При этом регенерируют исходные химические реагенты, так что их можно использовать, перезаряжать и использовать снова несколько раз.

Некоторые первичные батарейки, используемые, например, для телеграфных цепей, были восстановлены для работы путем замены электродов. Вторичные батареи нельзя перезаряжать бесконечно из-за рассеивания активных материалов, потери электролита и внутренней коррозии.

Первичная

Первичные батареи или первичные элементы могут потребовать ток сразу после сборки. Всего они используются в портативных устройствах с низким потреблением тока, используются только с перерывами или используются далеко от альтернативных источников питания, например, в цепях сигнализации и связи, где другая электроэнергия доступна только периодически. Одноразовые первичные элементы не могут быть надежно перезаряжены, поскольку химические реакции не являются легко обратимыми, и активные материалы не могут вернуться к своей первоначальной форме. Производители батарейки не рекомендуют пытаться перезарядить первичные элементы. Как правило, у них более высокая удельная энергия, чем у аккумуляторных батарей, но одноразовые батареи плохо себя чувствуют в приложениях с высоким энергопотреблением нагрузками менее 75 Ом ( 75 Ом). Распространенным типом одноразовых батарей угольно-цинковые батареи и щелочные батареи.

Вторичные

Вторичные батареи, также известные как вторичные элементы или перезаряжаемые батареи, необходимо зарядить передние батареи. использование; они обычно собираются с активными материалами в разряженном состоянии. Перезаряжаемые батареи заряжаются (повторно) с помощью электрического тока, который меняет химические реакции, происходящие во время разрядки. Устройства для соответствующего тока называются зарядными устройствами.

Самой старой модели аккумуляторных батарей является свинцово-кислотная батарея, которая широко используется в автомобилестроении и водном транспорте. Эта технология содержит жидкий электролит в негерметичном контейнере, поэтому аккумулятор должен храниться в вертикальном положении и хорошо вентилируется, чтобы обеспечить безопасное рассеивание газа водорода, который он выделяет во время перезарядки. Свинцово-кислотная батарея относительно тяжелая для того количества электроэнергии, которая может поставлять. Низкая стоимость производства и уровни импульсного тока делают его обычным, когда его емкость (более 10 Ач) важнее веса и проблем с обращением. Распространенным применением является современный автомобильный аккумулятор, который, как правило, может обеспечивать пиковый ток 450 ампер.

Герметичный свинцово-кислотный аккумулятор с клапанной регулировкой (аккумулятор VRLA) популярен в автомобильной качестве промышленности в замены свинцово-кислотных влажных элементов. В батарее VRLA используется иммобилизованный электролит серной кислоты, что снижает вероятность утечки и продлевает срок хранения . Аккумуляторы VRLA удерживают электролит. Есть два типа:

Другие портативные перезаряжаемые батареи включают несколько типов герметичных "сухих" элементов, которые используются в таких приложениях, как мобильные телефоны и портативные компьютеры. Ячейки этого типа (в порядке увеличения удельной мощности и стоимости) включает никель-кадмиевые (NiCd), никель-цинковые (NiZn), никель- металлогидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-ion) элементы. Литий-ионные аккумуляторы занимают занимаемую позицию государства рынка сухих аккумуляторов. NiMH заменил NiCd в большинстве приложений из-за его более высокой емкости, но NiCd по-прежнему используется в электроинструментах, двусторонних радиоприемниках и медицинском оборудовании.

. 2000-х годов включают разработку батарей со встроенной электроникой, таких как USBCELL, который позволяет заряжать батарею AA через разъем USB, батареи типа nanoball, которые обеспечивают скорость разряда примерно В 100 раз больше, чем у нынешних аккумуляторов, и интеллектуальный аккумулятор комплектуется с мониторами состояния заряда и схемами защиты аккумулятора, предотвращающими повреждение при чрезмерной разрядке. Низкий саморазряд (LSD) позволяет заряжать вторичные элементы перед отправкой.

Типы элементов

Было произведено много типов электрохимических элементов с различными химическими процессами и конструкциями, включая гальванические элементы, электролитические ячейки, топливные элементы, проточные ячейки и гальванические батареи.

мокрые элементы

Аккумуляторы с влажными элементами жидкий содержат электролит. Другие названия - затопленная ячейка, поскольку жидкость покрывает все внутренние части, поскольку газы, образующиеся во время работы, могут выходить в воздух. Влажные клетки были предшественниками сухих клеток и обычно используются в качестве инструмента обучения электрохимии. Они могут быть созданы с использованием обычных лабораторных функций, таких как мензурки, для демонстрации того, как работают электрохимические ячейки. Конкретный тип влажной ячейки, известный как концентрационная ячейка, важен для понимания коррозии. Влажные элементы могут быть первичными элементами (неперезаряженными) или вторичными элементами (перезаряжаемыми). Первоначально все практические первичные батареи, такие как элемент Daniell, были сконструированы в виде влажных элементов в стеклянной банке с открытым верхом. Другими первичными влажными ячейками являются ячейка Лекланша, ячейка Гроув, ячейка Бунзена, ячейка хромовой кислоты, ячейка Кларка <467.>и ячейка Вестона. Химический состав клеток Лекланша был адаптирован к первым сухим клеткам. Влажные элементы все еще используются в автомобильных аккумуляторах и в промышленности для резервного питания для распределительных устройств, телекоммуникаций или больших источников бесперебойного питания, но во многих местах батареи с вместо них были использованы гелевые ячейки. В этих приложениях обычно используются свинцово-кислотные или никель-кадмиевые элементы.

Сухая ячейка

Штриховой рисунок сухой ячейки:. 1. латунный колпачок, 2. пластиковое уплотнение, 3. пространство для расширения, 4. пористый картон, 5. цинковая банка, 6. угольный стержень, 7. химическая смесь

В сухом элементе используется пастообразный электролит с достаточным количеством влаги, чтобы пропустить ток течь. В отличие от влажного элемента, сухой элемент может работать в любой ориентации, не проливаясь, поскольку он не содержит свободной жидкости, что делает его пригодным для портативного оборудования. Для сравнения: первые влажные камеры обычно представляли собой хрупкие стеклянные контейнеры со свинцовыми стержнями, свисающими с открытого верха, и требовали осторожного обращения, чтобы избежать утечки. Свинцово-кислотные батареи не обеспечивали безопасность и портативность сухих элементов до разработки гелевых аккумуляторов.

. Обычными сухими элементами являются угольно-цинковые батареи, иногда называемые сухими элемент Лекланше, с номинальным напряжением 1,5 вольт, такое же, как в щелочной батарее (поскольку в обоих используется один и тот же цинк - диоксид марганца комбинация). Стандартный сухой элемент содержит анод из цинка из , обычно в виде цилиндрической ванны, с катодом из углерода в виде центрального стержня. Электролитом является хлорид аммония в виде пасты рядом с цинковым анодом. Оставшееся пространство между электролитом и угольным катодом занято второй пастой, состоящей из хлорида аммония и диоксида марганца, последний действует как деполяризатор. В некоторых конструкциях хлорид аммония заменен на хлорид цинка.

Расплавленная соль

Аккумуляторы на расплаве соли В качестве электролита используются первичные или вторичные батареи, в качестве которых используется расплав соли. Они работают при высоких температурах и должны быть хорошо изолированы.

Резервная

A резервная батарея может храниться в разобранном виде (неактивированной и не запитанной) в течение длительного периода (возможно, лет). Когда нужна батарея, ее собирают (например, добавляя электролит); после сборки аккумулятор заряжен и готов к работе. Например, батарея для электронного артиллерийского взрывателя взрывателя может быть активирована от выстрела из орудия. Ускорение разрушает капсулу с электролитом, активирует аккумулятор и питает цепь который взрывателя. Резервные батареи обычно рассчитаны на короткий срок службы (секунды или минуты) после длительного хранения (годы). Активируемая вода для океанографических инструментов или военных приложений активируется при погружении в воду.

Характеристики элемента

Характеристики батареи могут изменяться в течение цикла нагрузки, в течение цикла зарядки и в течение срока службы из-за многих факторов, включая внутреннюю химию, ток сток и температура. При низких температурах батарея не может обеспечить такую ​​большую мощность. Таким образом, в холодном климате некоторые автовладельцы устанавливают подогреватели аккумулятора, которые меняют небольшие электрические грелки, которые сохраняют тепло автомобильного аккумулятора.

Емкость и разряд

Устройство для проверки напряжения батареи

Емкость батареи - это количество электрического заряда, которое может доставить при номинальном напряжении. Чем больше электродного материала в ячейке, тем больше ее емкость. Маленькая ячейка имеет меньшую емкость, чем большая ячейка с тем же химическим составом, хотя они демонстрируют такое же напряжение холостого хода. Емкость измеряется в таких единицах, как ампер-час (А · ч). Номинальная батарея обычно выражается как произведение 20 часов, умноженное на ток, которое новая батарея может стабильно обеспечивать в течение 20 часов при 20 ° C (68 ° F), оставаясь при этом выше напряжения на клеммах элемента на. Например, аккумулятор на 100 А · ч может выдавать 5 А в течение 20 часов при комнатной температуре. Доля накопленного заряда, который может доставить аккумулятор, зависит от множества факторов, включая химический состав аккумулятора, скорость, с которой происходит заряд (ток), требуетсяое напряжение на клеммах, период хранения, температура окружающей среды и другие факторы.

Чем выше скорость разряда, тем меньше емкость. Взаимосвязь между током, временем разряда и емкостью свинцово-кислотной батареи аппроксимируется (в типичном диапазоне значений тока) по закону Пейкерта :

t = QPI k {\ displaystyle t = {\ frac {Q_ {P}} {I ^ {k}}}}t = \ frac {Q_P} {I ^ k}

где

QP {\ displaystyle Q_ {P}}Q_P - емкость при разряде со скоростью 1 ампер.
I {\ displaystyle I}I - ток, потребляемый батареей (A ).
t {\ displaystyle t}t - количество времени (в часах), которое может выдержать батарею.
k {\ displaystyle k}k - это константа около 1,3.

Батареи, которые хранятся в течение длительного периода или которые разряжены при небольших частях емкости, теряют емкость из-за наличия обычно необратимой стороны Это явление, которое потребляет носители заряда без выработки тока. Это явление известно как внутренний саморазряд. Кроме того, при перезарядке батарейки возникают дополнительные побочные реакции, уменьшающие емкость для разрядов, по сути, все емкость теряется, и аккумулятор перестает вырабатывать энергию.

Внутренние потери энергии и ограничения скорости прохождения через электролит приводят к изменению эффективности батареи. ккумулятора, чем при более высокой скорости. Установка с различными номиналами A · h не влияет на работу устройства (хотя может повлиять на интервал работы), рассчитанные на определенное напряжение, если не превышены допустимые нагрузки. Нагрузки с высоким энергопотреблением, такие как цифровые, могут снизить общую емкость, как это происходит с щелочными батареями. Например, батарея рассчитанная на 2 А · ч на 10 или 20 часов разряда, не будет выдерживать ток 1 А в течение полных двух часов, как предполагает заявленная емкость.

C rate

C-rate - это мера скорости, при которой батарея заряжается или разряжается. Он определяет как ток через батарею, деленный на теоретическое потребление тока, при котором батарея будет обеспечивать свою номинальную емкость за один час. В нем есть единицы. h.

C-rate используется в качестве номинала для батарейки, чтобы указать максимальный ток, который может безопасно обеспечить в цепи. Стандарты для аккумуляторных батарей обычно оценивают емкость в течение 4 часов, 8 часов или более длительного времени разряда. Типы, предназначенные для специальных целей, например, в компьютерных источниках бесперебойного питания, могут быть рассчитаны производителями на периоды разряда менее одного часа. Из-за потерь внутреннего сопротивления и химических элементов внутри элементов редко обеспечивается номинальная емкость, указанная на паспортной табличке, всего за один час.

Быстро заряжаемые, большие и легкие батареи

По состоянию на 2012 год литий-железо-фосфатный (LiFePO. 4) аккумулятор был самой быстрой зарядкой / разрядкой, полностью разряжается за 10–20 секунд.

По состоянию на 2017 год самая большая в мире батарея была построена в Южной Австралии компанией Tesla. Он может хранить 129 МВтч. Батарея в провинции Хэбэй, Китай, которая может хранить 36 МВт-ч электроэнергии, была построена в 2013 году и обошлась в 500 миллионов долларов. Еще одна большая батарея, состоящая из Ni - Cd элементов, находилась в Фэрбенксе, Аляска. Он занимал 2 000 квадратных метров (22 000 футов футов) - больше футбольного поля - и весил 1300 тонн. Он был изготовлен ABB для обеспечения резервного питания в случае отключения электроэнергии. Батарея может обеспечивать мощность 40 МВт в течение семи минут. Натрий-серные батареи использовались для хранения энергии ветра. Аккумуляторная система мощностью 4,4 МВтч, которая может обеспечить мощность 11 МВт в течение 25 минут, стабилизирует мощность ветряной электростанции Аувахи на Гавайях.

Литий-серные батареи использовались в самом продолжительном и высоком полете на солнечной энергии. 313>Срок службы

Срок службы батареи (и его синоним срок службы батареи) имеет два значения для аккумуляторных батарей и только одно для не заряжаемых. Для аккумуляторов это может означать либо время, в течение которого устройство может работать от полностью заряженной батареи, либо количество циклов заряда / разряда, прежде чем элементы перестанут работать удовлетворительно. Для неперезаряжаемых аккумуляторов эти жизни равны, поскольку по определению элементов хватает только на один цикл. (Термин «срок годности» используется для описания того, как долго батарея будет работать свои характеристики между производством и использованием.) Доступная емкость всех батарей падает с понижением температуры. В отличие от большинства современных аккумуляторов, Zamboni pile, изобретенная в 1812 году, предлагает очень долгий срок службы без ремонта или перезарядки, хотя она обеспечивает ток только в диапазоне наноампер. Oxford Electric Bell почти непрерывно звонит с 1840 года на своей первоначальной паре батарей, которые, как считается, были батареями Замбони.

Саморазрядные батареи обычно теряют 8 до 20 процентов их первоначального заряда в год при хранении при комнатной температуре (20–30 ° C). Известно, что скорость «саморазряда» связана с «побочными» химическими реакциями, не производящими токами, которые происходят внутри даже при отсутствии нагрузки. Скорость побочных повышается для батарей, хранящихся при более низких температурах, хотя некоторые из них могут быть повреждены при замерзании.

Старые аккумуляторные батареи саморазряжаются быстрее, чем одноразовые щелочные батареи, особенно батареи на основе никеля; Свежезаряженный никель-кадмиевый (NiCd) аккумулятор теряет 10% своего заряда в течение первых 24 часов, а разряжается примерно на 10% в месяц. Однако более новые никель-металлогидридные (NiMH) батареи с низким саморазрядом и современные литиевые батареи демонстрируют более низкую скорость саморазряда (но все же выше, чем у первичных батарей).

Коррозия

Внутренние части могут корродировать и выходить из строя, или активные материалы могут медленно превращаться в неактивные формы.

Изменения физических компонентов

Активный материал на пластинах батареи изменяет химический состав при каждом цикле зарядки и разрядки; активный материал может быть потерян из-за физических изменений объема, что еще больше ограничивает количество раз, когда аккумулятор может быть перезаряжен. Большинство никелевых батарей при покупке частично разряжены, и перед использованием их необходимо зарядить. Новые никель-металлгидридные аккумуляторы готовы к использованию при покупке и разряжаются всего на 15% за год.

Некоторое ухудшение состояния происходит в каждом цикле заряда-разряда. Деградация обычно происходит из-за перемещения электролита от электродов из-за активного материала от электродов. NiMH аккумуляторы малой емкости (1700–2000 мА · ч) можно заряжать около 1000 раз, тогда как никель-металлгидридные аккумуляторы большой емкости (более 2500 мА · ч) сохранить около 500 циклов. Никель-кадмиевые батареи обычно рассчитаны на 1000, чем их внутреннее сопротивление, постоянно превысит допустимые значения.

Скорость зарядки / разрядки

Быстрая зарядка службы увеличивает количество замен компонентов, сокращая срок аккумулятора.

Перезарядка

Если зарядное устройство не может определить, когда аккумулятор полностью заряжен тогда вероятна перезарядка, что приведет к его повреждению.

Эффект памяти

NiCd-элементы, если они используются в показательной манере, уменьшении объема памяти, называемое «эффектом ». Эффекта можно избежать с помощью простых приемов. NiMH элементы, хотя и схожи по химическому составу, меньше страдают от эффекта памяти.

Аналоговая [литий-ионная] батарея для видеокамеры

Условия окружающей среды

Автомобильные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи должны выдерживать напряжение из-за вибрации, ударов и температурного диапазона. Из-за этих нагрузок и сульфатирования свинцовых пластин немногие автомобильные шины дольше регулярного использования. Автомобильные пусковые (SLI : пуск, освещение, зажигание) батареи имеют множество тонких пластин для максимального увеличения тока. Как правило, чем толще пластины, тем дольше их срок службы. Как правило, перед подзарядкой они слегка разряжаются.

Свинцово-кислотные батареи «глубокого разряда», такие как те, которые используются в электрических тележках для гольфа, имеют гораздо более толстые пластины для увеличения срока службы. Основное преимущество свинцово-кислотных аккумуляторов - это низкая стоимость; его основные недостатки - большие размеры и вес при заданной емкости и напряжении. Нагрузка на повреждение и повреждение при их перезарядке. Свинцово-кислотные системы глубокого цикла используют сигнальную лампу низкого заряда или выключатель низкого заряда, чтобы предотвратить повреждения, которые сократят срок батареи.

Хранение

Срок службы батарейки можно продлить, храня батарейки при низкой температуре, например, в холодильнике или морозильнике, что замедляет побочные реакции. Такое хранение может продлить срок службы щелочных батарей примерно на 5%; аккумуляторные батареи могут удерживать свой заряд намного дольше, в зависимости от типа. Для достижения напряжения батареи необходимо вернуть к комнатной температуре; разрядка щелочной батареи при токе 250 мА при 0 ° C вдвое эффективнее, чем при 20 ° C. Производители щелочных батарей, такие как Duracell, не рекомендуют холодильные батареи.

Размеры батарей

Первичные батареи, доступные потребителям, изменяются от крошечных кнопочных элементов. для электрических часов - до ячейки № 6, используемой для сигнальных цепей или других длительных приложений. Вторичные емкости изготавливаются очень больших размеров; очень большие батареи могут питать подводную лодку или стабилизировать электрическую сеть и помогать выравнивать пиковые нагрузки.

Опасности

Взрыв

Батарея после взрыва

Взрыв батареи, обычно вызванный неправильным использованием или неисправностью, например, попытка перезарядить основную (неперезаряжаемую) батарею или короткое замыкание.

аккумулятор перезаряжается с чрезмерной скоростью, взрывоопасная газовая смесь водорода и кислорода может быстрее образовываться, чем она может выйти изнутри. (например, через встроенное вентиляционное отверстие), что приведет к повышению давления и возможному разрыву корпуса батареи. В крайних случаях химические вещества аккумуляторной батареи могут сильно брызнуть из корпуса и вызвать травму. Избыточная зарядка, то есть попытка зарядить аккумулятор сверх его электрической емкости, также может привести к взрыву аккумулятора, помимо утечки или необратимого повреждения. Это также может вызвать повреждение зарядного устройства или устройства, в котором позже будет использоваться перезаряженная батарея.

Автомобильные аккумуляторы, скорее всего, взорвутся, когда короткое замыкание генерирует очень большие токи. Такие батареи производят водород, который очень взрывоопасен, когда они перезаряжены (из-за электролиза воды в электролите). При нормальном использовании величина перезарядки обычно очень мала и генерирует мало водорода, который быстро рассеивается. Однако при «пуске от внешнего источника» автомобиль большой ток может вызвать быстрое выделение больших объемов водорода, который может взорваться от ближайшей искры, например при отсоединении соединительного кабеля .

Утилизация аккумулятора путем сжигания может вызвать взрыв из-за скопления пара внутри герметичного корпуса.

Отзывы об устройствах, которые используются литий-ионные батареи, более распространенными в последние годы. Это происходит в ответ на сообщения о несчастных случаях и сбоях, иногда при возгорании или взрыве. Экспертное описание проблемы указывает на то, что этот тип «жидкие электролиты для переноса прежнего лития между анодом и катодом». Если аккумуляторная батарея заряжается слишком быстро, это может вызвать короткое замыкание, что приведет к взрывам и пожарам ».

Утечка

Щелочная батарея, поврежденная утечкой

Многие химические вещества в батареях являются едкими, ядовитыми или и тем, и другими. В случае утечки, спонтанной или аварийной, выделяющиеся химические вещества могут быть опасными. Например, в одноразовых батареях цинковая банка часто используется как в качестве реагента, так и в контейнере для других реагентов. Если этот тип батареи чрезмерно разряжен, реагенты могут просочиться через картон и пластик, которые образуют контейнер. Утечка активного химического вещества может повредить или вывести из строя оборудование, питаемое от батарейки. По этой причине многие производители мобильных устройств извлекать батареи из устройств, которые не используются в серийном производстве, штатные телефоны, стандартные устройства в коротком периоде времени.

Токсичные материалы

Во многих типах батарей используются токсичные материалы, такие как свинец, ртуть и кадмий в качестве электрода или электролита. Когда батарея подходит к концу, ее необходимо утилизировать, чтобы предотвратить нанесение вреда окружающей среде. Батареи являются одной из форм электронных отходов (электронных отходов). Услуги по переработке электронных отходов восстанавливают токсичные вещества, которые могут быть использованы для новых батарей. Из почти трех миллиардов батарей, ежегодно покупаемых в Штатах, около 179 000 тонн попадают на свалки по всей стране. В своих Штатах Закон об управлении ртутьсодержащими батареями 1996 года запретил продажу ртутьсодержащих батарей, ввел единые требования к маркировке аккумуляторных батарей и требовал, аккумуляторные батареи были легко извлекаемыми. Калифорния и Нью-Йорк запрещают утилизацию аккумуляторных батарей вместе с твердыми отходами, а вместе с Мэном требуют утилизации сотовых телефонов. В индустрии аккумуляторных батарейных систем общенациональные программы утилизации в США и Канаде с пунктами сдачи-сдачи у местных розничных продавцов.

Директива ЕС по батареям содержит аналогичные требования, включая требования об усилении переработчика и содействия исследованиям в области улучшенных методов утилизации батарей. В соответствии с этой директивой все батареи, продаваемые на территории ЕС, должны быть помечены «символом сбора» (перечеркнутый мусорный бак на колесах). Он должен покрывать не менее 3% поверхности призматических батарей и 1,5% поверхности цилиндрических батарей. Вся упаковка должна иметь аналогичную маркировку.

Проглатывание

Батареи могут быть опасными или смертельными при проглатывании. Маленькие кнопочные элементы могут проглотить, особенно маленькие дети. Находясь в пищеварительном тракте, электрический разряд батареи может привести к повреждению тканей; такие повреждения иногда бывают серьезными и могут привести к смерти. Проглоченные дисковые батареи обычно не вызывают проблем, если они не застревают в желудочно-кишечном тракте. Чаще всего дисковые батареи застревают в пищеводе, что приводит к клиническим последствиям. Батареи, успешно прошедшие через пищевод, вряд ли попадут в другие места. Вероятность того, что дисковая батарея застрянет в пищеводе, зависит от возраста пациента и размера батареи. Дисковые батареи размером 16 мм застряли в пищеводе 2 детей младше 1 года. У детей постарше нет проблем с батареями меньше 21–23 мм. Некроз разжижения может произойти из-за того, что гидроксид натрия генерируется током, вырабатываемым батареей (обычно на аноде). Перфорация произошла через 6 часов после приема внутрь.

Химия

Многие свойства клеток, такие как плотность, плотность энергии, воспламеняемость, доступные конструкции, диапазон рабочих температур и срок хранения, являются продиктовано химией батареи.

Первичные батареи и их характеристики

ХимияАнод (-)Катод (+)Макс. напряжение, теоретическое (В)Номинальное напряжение, практическое (В)Удельная энергия (кДж / кг)РазработкаСрок годности при 25 ° C, емкость 80% (мес.)
Цинк– углерод ZnMnO 21,61,2130Недорого.18
Цинк-хлорид 1,5Также известен как «сверхмощный», недорогой.
Щелочной. (диоксид цинка-марганца)ZnMnO 21,51,15400-590Умеренная плотность энергии.. Подходит для применений с высоким и низким уровнем энергии.30
Оксигидроксид никеля. (цинк-диоксид марганца / оксигидроксид никеля)1,7Умеренная плотность энергии.. Подходит для использования с высоким потреблением энергии.
Литий. (оксид лития-меди). Li-CuOLiCuO1,7Больше не создается.. Заменены батареями из оксида серебра (IEC типа «SR»).
Литий. (дисульфид лития и железа). LiFeS 2LiFeS 21,81,51070Дорого.. Используется в «дополнительных» или «дополнительных» батареях.337
Литиевые. (литий-диоксид марганца). LiMnO 2LiMnO 23,0830–1010Дорого.. Используется только в устройствах с высоким уровнем потребления или для длинных полок. срок службы из-за очень низкой скорости саморазряда.. Сам по себе «литий» обычно относится к этому типу химии.
Литий. (фторид лития-углерода). Li– (CF) nLi(CF)n3,63,0120
Литий. (оксид лития-хрома). Li-CrO 2LiCrO 23,83,0108
Литий

(литий-кремний )

Li22Si5
Оксид ртути ZnHgO1,341,2Высокий- сток и постоянное напряжение.. Запрещено в большинстве стран из-за того, что он все это касается.36
Цинк – воздух ZnO21.61.11590Используется в основном в слуховых аппаратах.
Zamboni свая ZnAg или Au0,8Очень долгий срок службы. Очень низкий (наноампер, нА) ток>2000
Оксид серебра (серебро-цинк)ZnAg2O1,851,5470Очень дорого.. Используется только в коммерческих целях в «кнопочных» элементах.30
Магний MgMnO22.01.540

.

Вторичные (перезаряжаемые) батареи и их характеристики

ХимияЭлемент. напряжениеУдельное. энергия. (кДж / кг)энергия. плотность. (кДж / литр)Комментарии
NiCd 1,2140Никель-кадмиевая химия.. Недорого.. Высокое / низкое потребление энергии, умеренная плотность энергии.. Может выдерживать очень высокие скорости разряда практически без потерь.. Умеренная скорость саморазряда.. Опасность для окружающей среды из-за кадмия - использование в Европе практически запрещено.
Свинец - кислота 2.1140Умеренно дорого.. Умеренная плотность энергии.. Умеренная скорость саморазряда.. Более высокая скорость разряда приводит к потере емкости.. Опасность для окружающей среды из-за свинца.. Обычное применение - Автомобильные аккумуляторы
NiMH 1.2360Никель-металлогидридная химия.. Недорого.. Работает лучше, чем щелочные батареи в устройствах с более высоким разрядом.. Традиционная химия высокая плотность энергии, но также высокая скорость саморазряда.. Более новая химия имеет низкую скорость саморазряда, но также на ~ 25% более низкую плотность энергии.. Используется в некоторых автомобилях.
NiZn 1.6360Никель-цинковая химия.. В среднем недорого.. Подходит для устройства с высоким сливом.. Низкая скорость саморазряда.. Напряжение более близким к щелочным первичным элементам, чем к другим вторичным элементам.. Нет токсичных компонентов.. Впервые на рынке (2009 г.). Пока не установил послужной список.. Доступность ограниченного размера.
AgZn 1,86. 1,5460Серебро-цинковая химия.. Меньший объем, чем эквивалентный литий-ионный.. Чрезвычайно дорого из-за серебра.. Очень высокая плотность энергии.. Способен очень большой слив.. Многие годы считались устаревшими из-за высоких цен на серебро.. Элемент окисляется, если не используется.. Реакции до конца не изучены.. Напряжение на клеммах очень стабильно, но внезапно падает до 1,5 В при заряде 70–80% из-за присутствия как серебра, так и оксида серебра в положительной пластине - одна из них потребляется первой).. Используется вместо основной батареи (лунный багги).. Разрабатывается снова как замена Li-ion.
LiFePO 4 3.3. 3.0360790Литий-железо-фосфатная химия.
Литий-ионный 3,6460Различные химические составы лития.. Очень дорого.. Очень высокая плотность энергии.. Обычно не доступен для батарей "обычных" размеров.. Литий-полимерный аккумулятор часто используется в портативных компьютерах, цифровых камерах, видеокамерах и мобильных телефонах.. Низкая скорость саморазряда... Напряжение на клеммах во время разряда изменяется от 4,2 до 3,0 вольт.. Неустойчивый: вероятность нарушения при коротком замыкании, перегреве или производстве без соблюдения строгих стандартов качества.

Твердотельные батареи

28 февраля 2017 года Техасский университет в Остине выпустил пресс-релиз о новом типе твердотельных батарей, созданный командой, разработанной изобретателем литий-ионных аккумуляторов Джоном Гуденафом, «который может привести к созданию более безопасных, быстро заряжаемых и долговечных перезаряжаемых аккумуляторов для портативных мобильных устройств, электромобилей и стационарных аккумуляторов энергии». Более подробная информация о новой технологии была опубликована в рецензируемом научном журнале Энергетика и экология.

В независимом обзоре технологий обсуждается риск возгорания и взрыва литий-ионных батарей при определенных условиях, поскольку они используют жидкие электролиты.. Недавно разработанная батарея должна быть более безопасной, поскольку в ней используются стеклянные электролиты, которые устраняют короткие замыкания. Говорят, что твердотельный аккумулятор имеет «в три раза плотность энергии», увеличивает срок его службы, например, в электромобилях. В этой технологии используются менее дорогие и экологически чистые материалы, такие как натрий, извенный из морской воды. У них также гораздо более долгая жизнь; «Клетки, действующие на более 1200 циклов с низким сопротивлением клеток». По словам Криса Робинсона из LUX Research, в ближайшем будущем исследовании и прототипы не приведут к созданию коммерчески жизнеспособного продукта, если вообще когда-либо. «Это не произвольно внедрения электромобилей в следующие 15 лет, если оно вообще повлияет. Ключевые препятствия, с которыми сталкиваются многие твердотельные электролиты, отсутствие масштабируемого и экономичного производственного процесса », - сказал он The American Энергетические новости в электронном письме.

Самодельные элементы

Практически любой жидкий или влажный объект, который имеет достаточно, чтобы быть электропроводным, может служить электролитом для элемента. В качестве новинки или научной демонстрации можно вставить два электрода из разных металлов в лимон, картофель и т. Д. И вырабатывать небольшое количество электричества. «Часы с двумя картофелинами» также широко доступны в магазинах хобби и игрушек; Каждые из них состоят из пары ячеек, каждая из которых состоит из картофеля (лимона и т. д.) с двумя вставленными в него электродами, соединенными последовательно, чтобы сформировать батарею с достаточным напряжением для питания цифровых часов. Самодельные клетки такого типа не имеют практического применения.

Гальваническую кучу можно сделать из двух монет (таких как никель и пенни ) и куска бумажного полотенца, смоченного соленой водой. Такая куча генерирует очень низкое напряжение, но когда многие из них складываются в серию , они могут заменить обычные батареи на короткое время.

Sony разработала биологическую батарею, который вырабатывает электричество из сахара аналогам, наблюдаемым в живых организмх. Батарея вырабатывает электричество за счет использования ферментов, расщепляющих углеводы.

Свинцово-кислотные элементы можно легко изготовить в домашних условиях, но для «формирования» пластин требуется утомительный цикл заряда / разряда. Это процесс, при котором сульфат свинца образуется на пластинах и во время зарядки преобразуется в диоксид свинца (положительная пластина) и чистый свинец (отрицательная пластина). Повторение этого процесса приводит к получению микроскопически шероховатой поверхности, увеличению площади поверхности и увеличению тока, который может подавать клетка.

Клетки Даниэля легко изготовить в домашних условиях. Алюминиево-воздушные батареи изготавливаться из алюминия высокой чистоты. Батареи из алюминиевой фольги производят некоторое количество электроэнергии, но неэффективны, отчасти потому, что образует значительное количество (горючего) водорода газа.

См. Также

  • icon Портал энергии
  • icon Портал возобновляемой энергии
  • icon Портал электроники

Ссылки

Дополнительная литература

  • Динграндо, Лорел; и другие. (2007). Химия: материя и изменение. Нью-Йорк: Гленко / Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-877237-5.гл. 21 (стр. 662–695) посвящена электрохимии.
  • Финк, Дональд Г. ; Х. Уэйн Бити (1978). Стандартный справочник для инженеров-электриков, одиннадцатое издание. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-020974-9.
  • Найт, Рэндалл Д. (2004). Физика для и инженеров: стратегический подход. Сан-Франциско: образование Пирсона. ISBN 978-0-8053-8960-9.Гл. 28–31 (стр. 879–995) содержат информацию об электрическом потенциале.
  • Линден, Дэвид; Томас Б. Редди (2001). Справочник батарейки. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-135978-8.
  • Саслоу, Уэйн М. (2002). Электричество, магнетизм и свет. Торонто: Thomson Learning. ISBN 978-0-12-619455-5.гл. 8–9 (стр. 336–418) содержат дополнительную информацию о батареях.

Внешние ссылки

На Викискладе есть носители, относящиеся к Батареи.
Последняя правка сделана 2021-05-18 11:19:53
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте