Аккумулятор состав: Конструкция аккумуляторной батареи

Устройство аккумуляторов

Аккумуляторы, а в быту мы их называем «батареи», используются сейчас повсеместно в виду появления все большего числа различной электроники (например, смартфоны, ноутбуки, планшеты, фотокамеры и др.). Вообще, аккумуляторы в электротехнике в широком смысле понимаются как специальные приборы, которые способны как накапливать заряд, так и расходовать его в зависимости от ситуации. С момента появления данные устройства существенно модернизировались и теперь облегчают жизнь человека в различных сферах. Но несмотря на большую распространенность аккумуляторов мало кто из потребителей полноценно знаком со спецификой их функционирования и, соответственно, с правилами их использования. 

Главное предназначение любого типа аккумулятора – это накапливание электроэнергии для последующего ее использования в совершении каких-либо масштабных работ.

Помимо выше указанных аккумуляторов, используемых в современной цифровой технике, существуют более серьезные устройства.

Одним из таких является гидравлический аккумулятор, который применяется, как правило, в шлюзах. Такие аккумуляторы способны поднимать судна на более высокие уровни русла рек.

Электрический аккумулятор функционирует по аналогичному принципу, что и гидравлическое устройство. То есть, первоначально электричество аккумулируется в устройстве от внешнего источника. После оно передается потребителям и используется для совершения тех или иных работ. Данные аккумуляторы являются химическими и отличаются возможностью неоднократного заряда/разряда.

В процессе заряда в аккумуляторе в непрерывном режиме совершаются те или иные химические реакции между электродными пластинами и тем химическим веществом, что заполняет пространство между ними. Последнее вещество именуется электролитом.
  
Примитивным образом схему устройства аккумулятора можно изобразить так: внутри корпуса размещается пара металлических пластин, оснащенных специальными выводами для контактов, а промежуток между ними заполняется электролитом.

 

Функционирование аккумулятора в процессе разряда и заряда

Разряд

Через замкнутую электрическую цепь протекает ток разряда. Например, при подключении к электродам нагрузки. Данный ток сформирован двигающимися в металлических элементах электронами, а также анионами и катионами, что находятся в электролите.

Данный процесс схематично отображен на рисунке с никель-кадмиевыми электродами. Материалом положительного электрода является окись никеля с добавлением графита, за счет чего возрастает электропроводимость. Основа отрицательно заряженного электрода – губчатый кадмий. При разряде из окиси никеля выделяются микрочастицы активного кислорода в электролит, после чего передаются на отрицательно заряженные пластины. Здесь происходит окисление кадмия.

Заряд

Во время отсутствия нагрузки на клеммы пластин из однородного металла происходит подача постоянного (реже пульсирующего) напряжения. Показатель данного напряжения несколько превышает то, которое присуще заряжаемому аккумулятору.

Все зарядные устройства имеют гораздо большую мощность, способную подавить энергию, неизрасходованную аккумулятором. В следствие чего возникает электрический ток, направление которого противоположно направлению разряда. При этом химические процессы претерпевают изменения. 

Важно отметить, что процессы разряда и заряда изменяют химический состав электродов. Электролит же при этом не испытывает никаких изменений.

Каким образом могут соединяться аккумуляторы?

Аккумуляторы могут соединяться между собой двумя способами: параллельным соединением и последовательным.

Параллельный способ

То, какой показатель тока разряда может выдержать корпус аккумулятора, напрямую зависит от различных факторов. Например, очень важным моментом являются конструктивные особенности, используемые материалы, а также размеры. Таким образом, чем больше площадь имеющихся пластин, тем выше способность выдержать большие токи.

На данном принципе основано параллельное подключение аккумуляторов одного типа с существующей необходимостью увеличения показателя тока нагрузки. В данной ситуации необходимо будет увеличить мощность источника питания.

Данный метод крайне редко применяется в готовых конструкциях, поскольку сегодня гораздо удобнее купить полноценный аккумулятор. В основном параллельный способ применим в производстве кислотных автомобильных аккумуляторах для соединения пластин в единый блок.

Последовательный способ

В популярных в бытовом применении аккумуляторах напряжение между пластинами достигает 1,5 В или 2 В (на данный показатель также влияет используемый материал). Большая часть используемого электрооборудования требует более высокого напряжения. Для этого аккумуляторы одного типа соединяют последовательным образом, помещая их под единый корпус. Самый яркий пример – автомобильный аккумулятор, в основе которого серная кислота и электродные пластины из свинца.

Отметим важный и интересный факт: сегодня автолюбители привыкли называть аккумулятором любой источник питания, что не совсем верно. Например, правильное наименование напрямую зависит от числа составных элементов. Так, если несколько так называемых «банок» соединены единой схемой, то это уже батарея, а сокращенно АКБ – автомобильная аккумуляторная батарея.

Каждая «банка» имеет в своем составе два блока с пластинами, часть которых предназначена для отрицательных электродов, а часть – для положительных. Данные блоки не имеют металлического контакта между собой, а имеют крепкую гальваническую связь посредством электролита.

Между контактными пластинами установлен сепаратор – разделитель в виде дополнительной решетки с целью увеличения расстояния. Таким образом, соединенные в блоки пластины увеличивают показатель мощности подаваемых нагрузок.

Корпус данных АКБ изготовлен из прочной пластмассы и плотно закрывается крышкой. Сверху имеются две клеммы, используемые в подключении к электросхеме автомобиля. Обязательно каждая клемма маркирована знаками полярности, а именно знаки «+» и «-«. также во избежание ошибочного подключения положительная клемма имеет больший диаметр, чем отрицательная.

Над каждой банкой также располагается специальная горловина, которая предназначена для отслеживания уровня электролита, а также для доливания воды при возникновении таковой необходимости вовремя эксплуатации. Горловина закрывается пробкой, дабы избежать попадания внутрь банки посторонних частиц и предотвратить выливание электролита при движении аккумуляторной батареи.

Пробки имеют отверстия, которые служат отводами возникающих при быстрой езде газов в электролите. Тем самым предотвращается возникновение давления внутри банок. То есть, через отверстия пробок выходят кислород и водород, а также образующиеся электролитом пары. Безусловно, лучше избегать ситуации, которые возникают из-за высоких токов заряда.

Свинцово-кислотные АКБ основаны на принципе двойной сульфатации. В таких устройства при заряде или разряде происходят электрохимические процессы, которые изменяют химический состав основной доли активных электродов, при этом либо выделяя в серную кислоту воду, либо поглощая ее из электролита.

Именно данные нюансы объясняют рост показателя плотности электролита во время заряда, а также его снижение во время разряда. Таким образом, степень плотности является показателем оценки состояния батареи. С целью измерения используется специально предназначенный для этого прибор – ареометр.

Как было сказано выше, в состав электролита кислотных АКБ входит вода. Известно, что при низких температурах она замерзает. Следовательно, для предотвращения замерзания АКБ с наступлением холодов необходимо следовать всем правилам эксплуатации. 

Сегодня производители выпускают свыше 30 аккумуляторов. Различаются изделия между собой составом электродов и самого электролита. Например, в основу 12 популярных типов входит литий.

Электроды могут изготавливаться из свинца, железа, лития, титана, кобальта, кадмия, никеля, цинка, ванадия, серебра, алюминия и др. От того, какие вещества использованы в электродах, зависят свойства и характеристики аккумулятора и, соответственно, сфера использования.

Например, свинцово-кислотные АКБ используются в ИБП, автотранспорте, системах электроснабжения за счет высокой способности выдерживать колоссальные кратковременные нагрузки.

Гальванические стандартные батареи сегодня вытесняются никель-кадмиевыми, никель-цинковыми, никель-металлгидридными аккумуляторами.

В мобильных устройствах и другой цифровой технике, а также в электроинструментах, используются литий-ионные и литий-полимерные типы аккумуляторов.

Аккумуляторы различаются между собой также типом используемого электролита. Таким образом, устройства бывают щелочными и кислотными.

Также классифицируются устройства и по назначению. Например, сегодня особенно популярными внешние аккумуляторы, которые спасают владельцев современных смартфонов в ситуации отсутствия возможности подзарядки от электросети.

Важные характеристики аккумулятора – это емкость, плотность энергии, самозаряд и температура эксплуатации.

Торговая сеть «Планета Электрика» имеет в своем ассортименте аккумуляторы.  

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — Принцип работы

В настоящее время литий-ионный аккумулятор используется абсолютно во всей домашней и портативной электронике.

li-on аккумуляторы в гаджетах и устройствах

Можно без преувеличения сказать: без портативных источников питания, мир современной техники был бы намного беднее. Все разнообразие карманных электронных гаджетов, приборов, смартфонов, гироскутеров, электромобилей наконец, стало возможным благодаря литий-ионным аккумуляторам.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Давайте рассмотрим литий-ионный аккумулятор. Как видите, он состоит из нескольких слоев с различным химическим составом.

состав литий-ионного аккумулятора

В основе работы литий-ионного аккумулятора лежит, так называемый, электрохимический потенциал. Суть его в том, что металлы стремятся «отдавать» свои электроны. Как видно на рисунке ниже, наибольшая способность к отдаче электронов – у лития, а наименьшая – у фтора. Если такой атом отдает свой электрон, то он становится положительным ионом.

электрохимический ряд элементов

 

Первая в истории электрическая батарейка, созданная более 200 лет назад Алессандро Вольтой, работала как раз на принципе электрохимического потенциала. Вольта взял два металла с разными электрохимическими потенциалами (цинк и серебро) и получил электрический ток. В честь его открытия такую «батарейку» назвали Вольтовым столбом.

Вольтов столб

 

В 1991 г. Sony выпустила первый коммерчески успешный литий-ионный аккумулятор.

первый литий-ионный аккумулятор

В литий-ионных элементах используется металл с наибольшей способностью отдавать электроны – литий. У лития всего один электрон на внешней орбите, и он постоянно стремится его «потерять».

атом лития

Из-за этого литий считается чрезвычайно химически активным металлом. Он реагирует даже с водой и воздухом. Но активен только чистый литий, а вот его оксид, напротив, очень стабилен.

оксид лития

Это свойство лития как раз используется при создании литий-ионных аккумуляторов.

Допустим, мы каким-то образом отделили атом лития от оксида. Этот атом будет крайне нестабилен и сразу превратится в положительный ион, потеряв электрон.

положительный ион

Однако в составе оксида литий гораздо более стабилен, чем одинокий атом лития. Если мы сможем каким-то образом обеспечить движение по двум отдельным путям для электрона и для положительного иона лития, то ион самостоятельно достигнет оксида и встанет там на свое место. При этом мы получим электрический ток благодаря движению электрона.

Итак, можно получить электрический ток из оксида лития, если сначала отделить атомы лития от оксида и затем направить потерянные ими электроны по внешней цепи. Рассмотрим, как эти две задачи решаются в литий-ионных элементах.

Строение литий-ионного аккумулятора

Помимо оксида лития, элементы содержат также электролит и графит. В графите связь между слоями гораздо слабее, чем между атомами внутри слоев, поэтому графит имеет слоистую структуру. (Переходи и смотри подробно про строение атома)

строение литий-ионного аккумулятора

Электролит, помещенный между оксидом лития и графитом, служит барьером, пропускающим сквозь себя только ионы лития. Электроны же не могут проникать сквозь электролит и отскакивают от него, как теннисный мячик об стенку. В качестве электролита используется органическая соль лития, которая наносится на слой разделителя (о разделителе ниже в статье).

электролит пропускает ионы и не пропускает электроны

Процесс заряда и разряда литий-ионного аккумулятора

Итак, у нас есть разряженный аккумулятор

литий-ионный аккумулятор разряженный

Давайте же его зарядим. Для этого нам нужен какой-либо источник питания. Что произойдет в этот момент на самом литий-ионном аккумуляторе? Положительный полюс начнет притягивать электроны, «вытаскивая» их из оксида лития.

процесс зарядки литий-ионного аккумулятора

Поскольку электроны не могут проникать через электролит, то они движутся по внешней цепи через источник питания.

и в конце концов достигают графита

где очень удобно располагаются в слоях графита.

В этот же самый момент положительные ионы лития притягиваются отрицательным полюсом, проходя сквозь электролит и также попадают в графит, размещаясь между его слоями.

Когда все ионы лития достигнут графита и будут «захвачены» его слоями, батарея будет полностью заряжена.

Такое состояние батареи неустойчивое. Это можно представить как шар, который находится на самой верхушке холма и в любой момент может скатиться.

Вот мы и достигли первой цели: электроны и ионы лития отделены от оксида. Теперь надо как-то сделать так, чтобы электроны и ионы двигались разными путями. Как только мы подключим какую-либо нагрузку к нашему заряженному литий-ионному аккумулятору, то начнется обратный процесс. В этом случае ионы лития через электролит пожелают вернуться в свое изначальное состояние.

Поэтому они начнут двигаться обратно сквозь электролит, а электроны побегут через внешнюю цепь, то есть через нагрузку.

генерация электрического тока в литий-ионном аккумуляторе

Так как электрический ток — это не что иное, как упорядоченное движение заряженных частиц, то в цепи лампочки накаливания возникнет электрический ток, который заставит эту самую лампочку светиться.

Как только все электроны «убегут» из графита, то батарея полностью разрядится. Чтобы ее снова зарядить, достаточно поставить аккумулятор «на зарядку».

разряженный литий-ионный аккумулятор

При этом графит сам по себе не участвует в химических реакциях – он лишь служит «складом» для ионов и электронов лития.

Слой разделителя в литий-ионном аккумуляторе

Если внутренняя температура элемента по какой-то причине начнет расти, жидкий электролит высохнет, и произойдет короткое замыкание между анодом и катодом. В результате элемент может загореться или даже взорваться.

Чтобы этого не произошло, между электродами помещается дополнительный изолирующий слой, называемый разделителем. Разделитель проницаем для ионов лития благодаря наличию микропор. Электроны он не пропускает.

разделитель в литий-ионном аккумуляторе

Из чего делают литий-ионный аккумулятор

В реальных литий-ионных аккумуляторах графит и оксид лития наносятся в виде покрытия на медную и алюминиевую фольгу. Ниже на рисунке мы видим, что на тонком листе меди у нас располагается графит, а на тонком листе алюминия — оксид лития.

Минус аккумулятора снимается с медной фольги, а плюс — с алюминиевой.

ну а между ними располагается еще разделитель, пропитанный электролитом

Для того, чтобы уменьшить объем, все эти три слоя сворачивают в «рулончик».

цилиндрический аккумулятор строение

образуя при этом всем нам знакомую литий-ионную цилиндрическую батарейку

Литий-ионные аккумуляторы в автомобиле Tesla

Вообразите мир, в котором все машины оснащены электродвигателями, а не двигателями внутреннего сгорания. Электромоторы превосходят ДВС практически по всем техническим показателям, да к тому же намного дешевле и надежнее. У ДВС есть существенный недостаток: он выдает достаточный крутящий момент лишь в узком диапазоне скоростей. В общем, электродвигатель – однозначно лучший выбор для автомобиля. Об этом мы писали еще в статье про автомобиль Тесла.

Сравнение электромобилей и автомобилей с ДВС

Но есть одно «узкое место», из-за которого электрическая революция в автопроме постоянно откладывается — это источники питания. Долгое время громоздкие, тяжелые, недолговечные и ненадежные аккумуляторы электромобилей никак не могли составить конкуренцию полному баку бензина. Но все изменилось, когда на рынок вышел производитель электромобилей Тесла.

Именно литий-ионные аккумуляторы использует компания Тесла для своих электрокаров.

Стандартный элемент выдает напряжение 3,7 – 4,2 В. Множество таких элементов, соединенных последовательно и параллельно, образуют модуль.

батарейный модуль Тесла

Литий-ионные элементы при работе выделяют много тепла. При этом высокая температура снижает срок службы и эффективность самих элементов. Для контроля температуры, а также их уровня заряда, защиты от перезаряда и общего состояния элементов питания, служит специальная система управления батареями (Battery management system, сокращенно BMS). В батареях Tesla используется спиртовая система охлаждения. BMS регулирует скорость движения спирта в системе, поддерживая оптимальную температуру батарей.

радиатор для аккумуляторов Тесла

Еще одна важнейшая функция BMS – защита от перезаряда. Допустим, есть три элемента с разной емкостью. Во время зарядки элемент с большей емкостью зарядится сильнее двух остальных. Чтобы этого не допустить, BMS использует так называемое выравнивание заряда элементов (cell balancing). При этом все элементы заряжаются и разряжаются равномерно и защищены от чрезмерного или недостаточного заряда.

равномерный заряд аккумуляторов , благодаря технологии BMS

И в этом преимущество Tesla над технологией аккумуляторов Nissan. У Nissan Leaf серьезная проблема с охлаждением аккумулятора из-за большого размера элементов и отсутствия системы активного охлаждения.

батарея Nissan Leaf и Tesla

У конструкции с множеством маленьких цилиндрических элементов есть и еще одно преимущество: при большом расходе энергии нагрузка распределяется равномерно между всеми элементами. Если бы вместо множества маленьких элементов был один огромный элемент, из-за постоянных нагрузок он очень быстро бы пришел в негодность. Tesla сделала ставку на маленькие цилиндрические элементы, технология производства которых уже хорошо отработана. Более подробно про батарейный модуль Тесла читайте в этой статье.

Защитный SEI-слой

Во время первой зарядки внутри литий-ионного элемента происходит одно замечательное явление, спасающее элемент от скорой «смерти». Неожиданной проблемой оказались электроны, находящиеся в слое графита. При контакте с электролитом они начинают разрушать его. Но одно случайное открытие позволило не допустить контакт электронов с электролитом. При первой зарядке элемента, как мы уже говорили, ионы лития движутся сквозь электролит. В процессе этого движения молекулы растворенного в электролите вещества покрывают ионы. Достигнув графитового слоя, ионы лития вместе с молекулами раствора электролита реагируют с графитом, образуя так называемая промежуточную фаза твердого электролита (solid electrolyte interphase, или SEI-слой). Этот слой предотвращает контакт электронов с электролитом, предохраняя электролит от разрушения.

защитный SEI-слой

Вот так проблема случайным образом решилась сама собой. Хотя эффект SEI был открыт случайно, в последующие два десятилетия ученые целенаправленно улучшали процесс, подбирая наиболее эффективную толщину и химический состав.

Заключение

Сегодня уже удивительно, что еще два десятка лет назад в электронных гаджетах не применялись литий-ионные аккумуляторы. Индустрия литий-ионных аккумуляторов развивается с фантастической скоростью: ожидается, что в ближайшие несколько лет их рынок достигнет 90 млрд. долларов. Современные литий-ионные батареи способны выдержать примерно 3000 циклов зарядки-разрядки – это уже приличный показатель, но еще есть, куда расти. Лучшие умы во всем мире трудятся над тем, чтобы повысить их долговечность до 10 000 циклов. В этом случае аккумулятор электромобиля не придется заменять целых 25 лет. Миллионы долларов вкладываются в исследования, которые позволят заменить графит на кремний в качестве «хранилища» в литий-ионных элементах. Если это удастся сделать, их емкость возрастет более чем в пять раз! В настоящее время мир переходит уже на литий-полимерные аккумуляторы, которые показали себя чуточку лучше, чем литий-ионные.

Материал подготовлен по статье

ОШИБКА — 404 — НЕ НАЙДЕНА

• Главная
• ДОБРАТЬСЯ К ЧОППА

Наши серверные гномы не смогли найти страницу, которую вы ищете.

Похоже, вы неправильно набрали URL-адрес в адресной строке или перешли по старой закладке.

Возможно, некоторые из них могут вас заинтересовать?

Комплект для разработки Particle Boron LTE IoT

Нет в наличии КОМПЛЕКТ-15072

Избранное Любимый 1

Список желаний

МИКРОЭ ЛП WiFi Click

Нет в наличии WRL-19151

19,95 $

Избранное Любимый 0

Список желаний

МИКРОЭ ЦАП 10 Щелчок

Нет в наличии DEV-19189

10,95 $

Избранное Любимый 0

Список желаний

Комплект клавиатуры и мыши CHERRY DW 9100 Slim

Осталось всего 10! Экраноплан-19562

128,95 $

Избранное Любимый 0

Список желаний

Освети свой мир!

19 ноября 2019 г.

Краткое введение во все тонкости светодиодов.

Избранное Любимый 1

Мощные модульные процессоры питания

23 октября 2020 г.

На этой неделе произошло два крупных релиза: SparkFun MicroMod и вычислительный модуль Raspberry Pi 4. Давайте посмотрим!

Избранное Любимый 1

Руководство по подключению джойстика для большого пальца

20 февраля 2019 г.

Если вы стреляете в инопланетян, управляете роботом или пишете свою классическую аркадную игру для Arduino, аналоговый джойстик для большого пальца станет для вас очень полезным дополнением к вашим проектам!

Избранное Любимый 4

• Электроника SparkFun®
• 6333 Dry Creek Parkway, Niwot, Colorado 80503
• Настольный сайт

• Ваш счет
• Авторизоваться
• регистр

ОШИБКА — 404 — НЕ НАЙДЕНА

• Главная
• Четыре-но-четыре

Наши серверные гномы не смогли найти страницу, которую вы ищете.

Похоже, вы неправильно набрали URL-адрес в адресной строке или перешли по старой закладке.

Возможно, некоторые из них могут вас заинтересовать?

GPS-приемник — LS20031 5 Гц (66 каналов)

Осталось всего 12! GPS-08975

74,95 $

2

Избранное Любимый 13

Список желаний

P-канальный МОП-транзистор 60 В 27 А

В наличии COM-10349

Избранное Любимый 20

Список желаний

Комплект персонального компьютера Raspberry Pi 400

Нет в наличии КОМПЛЕКТ-17377

100,00 $

31

Избранное Любимый 31

Список желаний

Плата NUCLEO-WL55JC2 STM32WL Nucleo-64

Остался только 1! DEV-17678

46,95 $

Избранное Любимый 0

Список желаний

История двух значков

10 марта 2020 г.