Як влаштовані та працюють акумулятори

У широкому значенні слова в техніці під терміном «Акумулятор» розуміється пристрій, який дозволяє за одних умов експлуатації накопичувати певний вид енергії, а за інших — витрачати її потреб людини.

Їх застосовують там, де необхідно зібрати енергію за певний час, а потім використовувати її для здійснення великих трудомістких процесів.

Електричні акумулятори працюють з електроенергією за цим же принципом: спочатку накопичують (акумулюють) електрику від зовнішнього джерела заряду, а потім віддають його підключеним споживачам для роботи. .

Під час роботи постійно відбуваються хімічні реакції між компонентами електродних пластин з речовиною, що їх заповнює, — електролітом.

Принципову схему пристрою акумулятора можна представити малюнком спрощеного виду, коли корпус судини вставлені дві пластини з різнорідних металів з висновками для забезпечення електричних контактів.

Робота акумулятора під час розряду

Коли до електродів підключено навантаження, наприклад, лампочка, то створюється замкнутий електричний ланцюг, через який протікає струм розряду.

Цей процес умовно показаний на схемі з нікель-кадмієвою конструкцією електродів.

Тут як матеріал позитивного електрода використовують оксиди нікелю з добавками графіту, які підвищують електричну провідність. Металом негативного електрода працює губчастий кадмій.

Під час розряду частинки активного кисню з оксидів нікелю виділяються в електроліт і скеровуються на негативні пластини, де окислюють кадмій.

Робота акумулятора при заряді

При відключеному навантаженні на клеми пластин подається постійна (у певних ситуаціях пульсуюча) напруга більшої величини, ніж у акумулятора, що заряджається, з тією ж полярністю, коли плюсові і мінусові клеми джерела і споживача збігаються.

Зарядний пристрій завжди має більшу потужність, яка «пригнічує» енергію, що залишилася в акумуляторі і створює електричний струм з напрямком, протилежним розряду. В результаті внутрішні хімічні процеси між електродами та електролітом змінюються. Наприклад, на банку з нікель кадмієвими пластинами позитивний електрод збагачується киснем, а негативний відновлюється до стану чистого кадмію.

При розряді та заряді акумулятора відбувається зміна хімічного складу матеріалу пластин (електродів), а електроліту не змінюється.

Способи з'єднання акумуляторів

Величина струму розряду, яку може витримати одна банка, залежить від багатьох факторів, але насамперед від конструкції, застосованих матеріалів та їх габаритів. Чим більша площа пластин у електродів, тим більший струм вони можуть витримувати.

Цей принцип використовується для паралельного підключення однотипних банок акумуляторів при необхідності збільшення струму на навантаження. Але для заряду такої конструкції потрібно піднімати потужність джерела.Цей спосіб використовується рідко для готових конструкцій, адже зараз набагато простіше одразу придбати необхідний акумулятор.

Залежно від застосовуваних матеріалів, між двома електродними пластинами поширених у побуті акумуляторів може бути вироблена напруга 1,2/1,5 або 2,0 вольта (насправді цей діапазон значно ширший). однотипні акумулятори послідовно підключають, причому це часто роблять в єдиному корпусі.

Прикладом подібної конструкції є широко поширена автомобільна розробка на основі сірчаної кислоти та свинцевих пластин-електродів.

Зазвичай у народі, особливо серед водіїв транспорту, прийнято називати акумулятором будь-який пристрій, незалежно від кількості його складових елементів – банок. Однак, це не зовсім правильно. . Її внутрішній пристрій показано на малюнку.

Будь-яка з банок складається з двох блоків з набором пластин для позитивного та негативного електродів.

При цьому контактні пластини мають додаткові грати та віддалені між собою розділювальною пластиною - сепаратором.

З'єднання пластин в блоки збільшує їх робочу площу, знижує загальний питомий опір всієї конструкції, дозволяє підвищувати потужність навантаження, що підключається.

З зовнішнього боку корпусу така АКБ має елементи, що показані на малюнку нижче.

З нього видно, що міцний пластмасовий корпус герметично закритий кришкою і зверху обладнаний двома клемами (зазвичай конусної форми) для підключення до електричної схеми автомобіля. На їх висновках вибито маркування полярності: «+» та «-». Як правило, для блокування помилок при підключенні діаметр позитивної клеми трохи більше ніж у негативної.

У акумуляторних батареях, що обслуговуються, зверху кожної банки розміщена заливна горловина для контролю рівня електроліту або доливки дистильованої води при експлуатації. У неї ввертаються пробка, яка оберігає внутрішні порожнини банки від забруднень і водночас не дає виливатися електроліту при нахилах АКБ.

Оскільки при потужному заряді можливе бурхливе виділення газів з електроліту (а цей процес можливий за інтенсивної їзди), то в пробках робляться отвори для запобігання підвищенню тиску всередині банки. Через них виходять кисень та водень, а також пари електроліту. Подібні ситуації, пов'язані із надмірними струмами заряду, бажано уникати.

На цьому ж малюнку показано з'єднання елементів між банками та розташування пластин-електродів.

Стартерні автомобільні АКБ (свинцево-кислотні) працюють за принципом подвійної сульфатації. Там під час розряду/заряду відбувається електрохімічний процес, що супроводжується зміною хімічного складу активної маси електродів з виділенням/поглинанням в електроліт (сірчану кислоту) води.

Цим пояснюється підвищення питомої густини електроліту при заряді та зниження при розряді батареї. Іншими словами, величина густини дозволяє оцінювати електричний стан АКБ.Для її виміру використовують спеціальний прилад автомобільний ареометр.

Дистильована вода, що входить до складу електроліту кислотних батарей, при негативній температурі переходить у твердий стан — лід. Тому, щоб автомобільні акумулятори не замерзали в холодну пору, необхідно застосовувати спеціальні заходи, передбачені правилами експлуатації.

Які існують типи акумуляторів

Сучасне виробництво для різних цілей випускає більше трьох десятків різноманітних за складом електродів та електроліту виробів. Лише на основі літію працює 12 відомих моделей.

Як метал електродів можуть зустрітися:

• свинець;
• залізо;
• літій;
• титан;
• кобальт;
• кадмій;
• нікель;
• цинк;
• срібло;
• ванадій;
• алюміній
• деякі інші елементи.

Вони впливають на електричні вихідні характеристики, отже, на область застосування.

Здатність витримувати короткочасно великі навантаження, що виникають при розкручуванні колінчастих валів двигунів внутрішнього згоряння електродвигунами-стартерами, характерна для свинцево-кислотних АКБ. Вони широко використовуються у транспорті, джерелах безперебійного живлення та системах аварійного електропостачання.

Стандартні гальванічні елементи (прості батарейки) зазвичай замінюють нікель кадмієвими, нікель-цинковими та нікель-металгідридними акумуляторами.

А ось літій-іонні або літій-полімерні конструкції надійно працюють у мобільних та комп'ютерних пристроях, будівельному інструменті та навіть електромобілях.

По виду електроліту акумулятори бувають:

Існує класифікація акумуляторів за призначенням. Наприклад, у сучасних умовах з'явилися пристрої, що використовуються для передачі енергії - підзаряду інших джерел.Так званий зовнішній акумулятор рятує власників багатьох мобільних пристроїв в умовах відсутності змінної електричної мережі.

Всі ці акумулятори мають однотипний принцип роботи і такий пристрій.

Тут ми бачимо ті ж електроди-контакти, пластини, сепаратор та корпус. Тільки виконані вони з урахуванням інших умов роботи.

Основні електричні характеристики акумулятора

На експлуатацію пристрою впливають параметри:

• ємність;
• щільність енергії;
• саморозряд;
• температурний режим

Місткістю називають максимальний заряд у акумулятора, який він здатний віддати під час розряду до найменшої напруги.

Як різновид ємності існує «енергетична ємність», що визначає енергію, що віддається при розряді до мінімально допустимої напруги.

Щільність енергії виражається співвідношенням кількості енергії до ваги чи обсягу акумулятора.

Саморозрядом вважають втрати ємності після заряду за відсутності навантаження на клемах. Він залежить від конструкції та посилюється при порушеннях ізоляції між електродами з численних причин.

Температурний режим експлуатації впливає на електричні властивості і при серйозних відхиленнях від зазначеної виробником норми може вивести акумулятор з ладу.

Телеграм канал для тих, хто щодня хоче дізнаватися нове та цікаве: Школа для електрика

Процес заряду акумуляторів різних типів

Заряд і розряд акумулятора є основними процесами, що йдуть під час експлуатації. Під час заряджання акумуляторна батарея заповнює втрачену ємність і після закінчення процесу знову може експлуатуватися. У цьому матеріалі йтиметься про заряд акумуляторів основних типів: свинцево-кислотних, лужних і літієвих. Будуть розглянуті процеси, що відбуваються при зарядці та режими.

Заряд акумуляторів різних типів

Свинцево-кислотні АКБ

Найпоширенішою сферою застосування свинцево-кислотних акумуляторів є стартерні батареї в транспортних засобах. Вони використовуються для запуску двигуна, а також підтримки генератора при сильному навантаженні на бортову мережу автомобіля. У штатному режимі роботи свинцево-кислотні АКБ не мають глибокого розряду. Заряд батареї після пуску здійснюється струмом, що виробляється генератором. Крім того, рекомендується періодично виконувати заряджання стартерного акумулятора від зарядного пристрою. Які реакції при цьому відбуваються?

Процеси, що відбуваються

В електрохімічній реакції всередині свинцево-кислотного акумулятора беруть участь матеріали позитивного та негативного електрода, а також електроліт. Активна маса позитивного електрода є діоксидом свинцю (PbO₂). У разі негативного електрода – це порошок свинцю (Pb). При заряді свинцево-кислотної акумуляторної батареї на електродах протікають наступні реакції.

Загальний процес у електрохімічній системі описується рівнянням.

У процесі заряду з електроліту витрачається вода та поступово збільшується його щільність.Щільність електроліту повністю зарядженого акумулятора становить близько 1,27 гр/см 3 . Нижче наведено таблицю ступеня зарядженості АКБ.

Сульфат свинцю розчиняється до певного значення, а потім починається електроліз води. Він є розкладанням води на водень і кисень. Внаслідок цього спостерігається газовиділення, яке часто називають кипінням електроліту при перезаряді.

Основною проблемою в процесі заряду свинцево-кислотного акумулятора є неповне розчинення сульфату свинцю (PbSO₄). Ця речовина забиває пори активної маси, у результаті знижується площа взаємодії електроліту з матеріалом електрода. Через це відбувається поступова втрата ємності.

У міру експлуатації акумуляторної батареї сульфату свинцю на пластинах після заряду залишається все більше. Процес має назву сульфатації. Він є причиною виходу з ладу більшості свинцево-кислотних акумуляторів на транспортних засобах.

Режими заряду

Якщо не рахувати прискореної зарядки, тобто дві основні схеми заряду свинцево-кислотних акумуляторних батарей. При постійній напрузі та постійному струмі. Сьогодні у продажу можна знайти багато зарядних пристроїв (ЗП), які мають можливість використання цих режимів, а також їх комбінацій.

Найбільш поширеною є схема заряду при постійній напрузі. Сенс тут у тому, що на термінали акумулятора подається постійна напруга. Заряд забезпечується завдяки вирівнюванню напруги на висновках ЗУ. Повнота заряду у разі залежить від напруги, поданого лише висновки АКБ. Тобто якщо заряджати акумуляторну батарею однаковий час напругою 14,4, 15 і 16 вольт, то найповніший заряд досягається при 16 Ст.

У зарядних пристроях подібний режим найчастіше має на увазі подачу напруги близько 16 вольт на струмовивід, а струм зменшується в процесі зарядки. Спочатку величина струму не повинна перевищувати 10% номінальної ємності акумулятора. У міру зростання внутрішнього опору АКБ струм знижується до значень, порівнянних із струмом саморозряду. Зарядний пристрій фіксує це та вимикає процес. До переваг цього варіанта слід віднести повну автоматизацію. Поставили акумулятор на заряд та забули.

Іншою поширеною схемою є заряд постійним струмом. Цей процес включає декілька етапів, на кожному з яких підтримується постійна сила струму.

Така схема зарядки вимагає постійного контролю та коригування струму, що подається. Етапи поділяються за рівнем напруги на виводах акумулятора.

Зазвичай процес виглядає так.

• У першому етапі сила струму встановлюється у вигляді 10% від номінальної ємності АКБ. Після цього проводиться зарядка до постійної напруги 14,4 вольт.
• Другий етап починається із напруги 14,4 вольта. Це значення є тим рівнем, на якому починається розкладання води з електроліту на кисень та водень. У акумуляторів, що випускаються за технологією Ca-Ca, це значення напруги вище.Щоб мінімізувати виділення газів, сила струму знижується вдвічі. Тобто, якщо на першому етапі вона була 5 ампер, то тут потрібно зменшити до 2,5 А.
• Третій етап стартує з напруги 15 вольт. Сила струму зменшується двічі проти другим етапом. Далі через певні проміжки часу (1-2 години) перевіряється напруга на терміналах. Як тільки воно перестає змінюватися, так можна вважати процес кінченим. На останньому етапі триватиме активне виділення газів. З цієї причини акумуляторна батарея повинна знаходитися в приміщенні, що добре провітрюється, а поруч не повинно бути іскор і відкритого полум'я.

Варіанти постійним струмом незручний тим, що вимагає контролю людини протягом усього процесу. Тому він використовується в тих випадках, коли акумулятор зазнав глибокого розряду. При цьому на початковій стадії (до того, як напруга АКБ не досягне 12 вольт) струм подається імпульсами. Тобто кілька секунд він подається на висновки акумулятора, а потім відключається. Докладніше про різні режими заряду свинцево-кислотних акумуляторів можна прочитати у цьому матеріалі.

Вище згадано метод прискореної зарядки акумуляторної батареї. Подібний режим є у багатьох зарядних пристроях. Він відрізняється лише тим, що на акумулятор подається збільшений до 30% (порівняно зі штатним значенням 0,1 * С) струм. Це використовується в тих випадках, коли акумулятор потрібно швидко віддати заряд, необхідний для запуску двигуна. Збільшена сила струму при зарядці негативно позначається на стані електродів та активної маси. Тому без потреби цей режим краще не використовувати.

Лужні акумуляторні батареї

Лужні акумулятори використовуються як тягові.Їх можна зустріти у різній складській техніці, залізничному транспорті, електроінструменті та інших сферах застосування, де вони працюють у режимі циклування.

Процеси, що відбуваються

Найбільш поширеними електрохімічними системами лужних акумуляторів є нікель-кадмієві та нікель-металогідридні. Розглянемо процес заряду з їхньої прикладі. Обидва типи батарей мають позитивний електрод з активною масою гідроксиду нікелю (NiOOH). У ній є графіт і окис барію. Окис барію продовжує термін служби АКБ, а графіт збільшує електропровідність активної маси.

Активна маса на негативному електроді в нікель-кадмієвих акумуляторах є сумішшю порошків кадмію (Cd) і заліза (Fe). У нікель-металогідридних акумуляторів активна маса на мінусовому електроді є сумішшю порошків заліза та його оксидів. До неї додають сірчанокислий нікель (NiSO4) та сірчисте залізо (FeS).

Електролітом найчастіше є 20% водний розчин їдкого калію (КОН). Для збільшення терміну служби в ньому є невелика кількість моногідрату літію (LiOH).

Нижче наведено реакції, що відбуваються в лужному акумуляторі при заряді.

2Ni(OH)₂ + 2KOH + Fe(OH)₂ -> 2Ni(OOH) + 2KOH + Fe

2Ni(OH)₂ + 2KOH + Cd(OH)₂ -> 2Ni(OOH) + 2KOH + Cd

У процесі розряду активна маса на позитивному електроді окислюється і 2Ni(OH)₂ перетворюється на гідроксид нікелю. Одночасно з цим в активній масі негативного електрода відбувається відновлення, у результаті якого утворюється залізо та кадмій.

Режими заряду

Якщо розглядати заряд стандартного акумуляторного елемента Ni-Cd, то струм, що рекомендується, становить 10-20% від номінальної ємності. Під час заряджання може досягати 16 годин.Допустимий діапазон температур для заряджання лужних акумуляторів становить від 0 до 50 за Цельсієм. Найефективніше процес заряду відбувається у діапазоні температур від 10 до 40 градусів Цельсія.

Насправді конструкція лужних акумуляторів дозволяє заряджати їх струмом щонайменше 30% від номінальної ємності. Процес заряду у разі займає кілька годин. При заряді лужних акумуляторів є важливий момент. Особливо це актуально для нікель-кадмієвих батарей. Вони мають таку проблему, як ефект пам'яті. Тому перед зарядом ці АКБ потрібно розрядити. Подібним функціоналом мають багато зарядних пристроїв, призначених для роботи з лужними акумуляторами.

Тому процес заряджання лужного акумулятора найчастіше починається з його розряду. При цьому не повинно допускатись зниження напруги на висновках елемента нижче 1 вольта. Після розряду запускається процес заряду.

Різних схем заряду для лужних батарей значно більше, ніж свинцево-кислотних. Деякі з них наведені нижче.

Існують також різні механізми визначення закінчення заряду лужного елемента. У деяких випадках може використовуватися відразу кілька способів фіксації закінчення процесу. Докладніше про процес заряду лужних батарей можна дізнатися з цього матеріалу.

У процесі заряду напруга на виводах лужного акумулятора поступово збільшується до 1,6-1,75 вольта. На завершальному етапі напруга може підніматися до 1,8 вольта. У випадку з герметичними лужними АКБ буває так, що закінчення заряду визначається переданими ампер-годинами. Щоб зарядити батарею, цілком іноді витрачається кількість енергії, що відповідає 150 відсоткам від номінальної ємності. Напруга повністю зарядженого лужного акумулятора в розімкнутому ланцюзі становить 1,45 вольта.
Повернутись до змісту

Літієві

Процес заряду буде розглянуто на прикладі літій-іонних акумуляторних батарей. Останнім часом вони набули широкого поширення як джерела живлення для побутової техніки, споживчої електроніки, електроінструменту, електромобілів, електровелосипедів, скутерів тощо. У порівнянні з вищеописаними свинцево-кислотними та лужними АКБ літій-іонні моделі мають більш високу енергоємність.

Процеси, що відбуваються

У літієвій електрохімічній системі зараз використовуються різні хімічні сполуки та періодично розробляються нові. Ми розглянемо реакції, що відбуваються при заряді у більшості поширених комерційних Li-Ion батареях.

Негативний електрод виконується з матеріалу, що містить вуглець. Завдяки його природі та складу електроліту відбувається процес інтеркаляції іонів літію у вуглець. Вуглецева матриця має шарувату структуру, яка може бути впорядкованою або частково впорядкованою. Це вже залежить від конкретного вуглецевмісного матеріалу.

Матеріали, які використовуються для виробництва позитивного електрода, можуть відрізнятися для різних різновидів літієвих батарей. Найчастіше для цього використовуються літовані оксиди кобальту або нікелю. Використовуються також літій - марганцеві шпинелі.

Пошуки нових матеріалів для позитивного електрода ведуться постійно та періодично випускаються нові моделі з удосконаленими характеристиками.

При заряді літій-іонного акумулятора на електродах протікають наступні реакції.

C + xLi + + xe - -> CLi_x

В процесі інтеркаляції іони літію з електроліту впроваджуються між шарами вуглецю. У цьому обсяг вуглецевої матриці змінюється незначно. Цими якостями був обумовлений вибір вуглецю як матеріал анода. Крім матеріалу, що містить вуглець, в негативному електроді можуть бути такі добавки, як олово, срібло та їх сплави. У деяких моделях зустрічаються композитні матеріали.

Режими заряду

Процес заряду літій-іонних акумуляторів комбінований і проходить у два етапи. На першій стадії ведеться заряджання струмом, величина якого становить від 20 до 100% від номінальної ємності батареї. Цей етап триває доти, доки напруга АКБ досягне 4,1 вольта. Після цього починається другий етап, під час якого заряд ведеться при постійній напрузі. За часом вся зарядка триває близько 3 годин (при максимально допустимому струмі), з яких перший етап відводиться одну годину. Докладніше про процес заряджання літієвих акумуляторів можна прочитати в цій статті.

Закінчення заряду фіксується в той момент, коли напруга досягла максимального (4,1-4,2), а струм зменшився до 3% від своєї величини на початку процесу. У деяких випадках можливий третій етап, який є зберігання. Цей етап є періодичною підзарядкою для компенсації ємності, втраченої в результаті саморозряду.

Якщо збільшувати струм заряду вище 0,2-1 * С, це не призводить до зменшення часу процесу. І тут просто скорочується перший і збільшується другий етап.

Бувають зарядні пристрої, які забезпечують лише перший етап заряджання.При такому варіанті ступінь заряду батареї становить близько 70-80%.
Повернутись до змісту

Опитування

Якщо стаття виявилася корисною для вас, поширіть посилання на неї в соціальних мережах. Це допоможе розвитку сайту. Виправлення та доповнення до матеріалу, а також вашу думку про заряд свинцево-кислотних, лужних, літієвих акумуляторів, залишайте в коментарях нижче. Голосуйте в опитуванні та оцінюйте статтю.
Повернутись до змісту