Οι μπαταρίες είναι η πιο κοινή πηγή ισχύος για βασικές φορητές συσκευές σε βιομηχανικές εφαρμογές μεγάλης κλίμακας. Μια μπαταρία μπορεί να οριστεί καθώς είναι ένας συνδυασμός ενός ή περισσοτέρων ηλεκτροχημικών στοιχείων που είναι ικανά να μετατρέψουν την αποθηκευμένη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια.
Λειτουργία μπαταρίας:
Η μπαταρία είναι μια συσκευή, η οποία αποτελείται από διάφορα βολταϊκά στοιχεία. Κάθε ηλιακό στοιχείο αποτελείται από δύο μισά στοιχεία που συνδέονται σε σειρά από έναν αγώγιμο ηλεκτρολύτη που κρατά ανιόντα και ιόντα γάτας. Ένα μισό στοιχείο περιλαμβάνει ηλεκτρολύτη και το ηλεκτρόδιο στο οποίο κινούνται τα ανιόντα, δηλ. Την άνοδο ή το αρνητικό ηλεκτρόδιο, το άλλο μισό στοιχείο περιλαμβάνει ηλεκτρολύτη και το ηλεκτρόδιο στο οποίο κινούνται τα ιόντα γάτας, δηλαδή την κάθοδο ή το θετικό ηλεκτρόδιο.
Στην αντίδραση οξειδοαναγωγής που τροφοδοτεί την μπαταρία, η μείωση γίνεται στα κατιόντα στην κάθοδο, ενώ η οξείδωση συμβαίνει στα ανιόντα στην άνοδο. Τα ηλεκτρόδια δεν αγγίζουν το ένα το άλλο αλλά συνδέονται ηλεκτρικά από τον ηλεκτρολύτη. Κυρίως τα μισά κύτταρα έχουν διαφορετικούς ηλεκτρολύτες. Όλα τα πράγματα που λαμβάνονται υπόψη κάθε μισό κύτταρο περικλείονται σε ένα δοχείο και ένας διαχωριστής που είναι πορώδης στα ιόντα αλλά όχι το μεγαλύτερο μέρος των ηλεκτρολυτών εμποδίζει την ανάμιξη.
Λειτουργία μπαταρίας
Κάθε μισή κυψέλη έχει μια ηλεκτροκινητική δύναμη (Emf), που καθορίζεται από την ικανότητά της να οδηγεί ηλεκτρικό ρεύμα από το εσωτερικό προς το εξωτερικό του στοιχείου. Το καθαρό emf του κελιού είναι η διαφορά μεταξύ του emf των ημικυττάρων του. Με αυτόν τον τρόπο, εάν τα ηλεκτρόδια έχουν emf και με άλλα λόγια, το net emf είναι η διαφορά μεταξύ των δυνατοτήτων μείωσης των μισών αντιδράσεων.
Πώς να διατηρήσετε την μπαταρία;
Για να διατηρηθεί η μπαταρία σε καλή κατάσταση, είναι απαραίτητη η εξίσωση της μπαταρίας. Λόγω της γήρανσης, όλα τα κύτταρα δεν φορτίζονται παρόμοια και ορισμένα κύτταρα δέχονται φόρτιση πολύ γρήγορα, ενώ άλλα φορτίζονται σταδιακά. Η εξίσωση μπορεί να γίνει με οριακή φόρτιση της μπαταρίας για να επιτρέψει στα ασθενέστερα κελιά να φορτίζουν επίσης πλήρως. Η τάση του τερματικού μιας πλήρως φορτισμένης μπαταρίας είναι 12V, η μπαταρία του αυτοκινήτου δείχνει 13,8V στους ακροδέκτες της, ενώ μια σωληνωτή μπαταρία 12 volt θα δείχνει 14,8V. Η μπαταρία του αυτοκινήτου πρέπει να είναι σταθερά στερεωμένη στο όχημα για να αποφευχθεί το κούνημα. Η μπαταρία του μετατροπέα πρέπει να τοποθετηθεί σε ξύλινη σανίδα, εάν είναι δυνατόν.
2 τύποι μπαταριών
1) Κύριες μπαταρίες:
Όπως υποδηλώνει το όνομα, αυτές οι μπαταρίες προορίζονται για μία χρήση. Μόλις χρησιμοποιηθούν αυτές οι μπαταρίες, δεν μπορούν να επαναφορτιστούν καθώς οι συσκευές δεν είναι εύκολα αναστρέψιμες και τα ενεργά υλικά ενδέχεται να μην επιστρέψουν στην αρχική τους μορφή. Οι κατασκευαστές μπαταριών συνιστούν να μην επαναφορτίζεται τα κύρια κύτταρα.
Μερικά από τα παραδείγματα για τις μπαταρίες μιας χρήσης είναι οι κανονικές μπαταρίες AA, AAA που χρησιμοποιούμε σε ρολόγια τοίχου, τηλεχειριστήριο κ.λπ. Άλλο όνομα για αυτές τις μπαταρίες είναι μπαταρίες μιας χρήσης.
Τύποι μπαταρίας
2) Δευτερεύουσες μπαταρίες:
Οι δευτερεύουσες μπαταρίες καλούνται επίσης ως επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Αυτές οι μπαταρίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν και να επαναφορτίζονται ταυτόχρονα. Συνήθως συναρμολογούνται με ενεργά υλικά με ενεργό κατάσταση εκκένωσης. Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες επαναφορτίζονται εφαρμόζοντας ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο αντιστρέφει τις χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν κατά την εκφόρτιση. Οι φορτιστές είναι συσκευές που παρέχουν το απαιτούμενο ρεύμα.
Μερικά παραδείγματα για αυτές τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες είναι οι μπαταρίες που χρησιμοποιούνται σε κινητά τηλέφωνα, συσκευές αναπαραγωγής MP3 κ.λπ. Συσκευές όπως ακουστικά βαρηκοΐας και ρολόγια χειρός χρησιμοποιούν μικροσκοπικά κελιά και σε μέρη όπως ανταλλαγές τηλεφώνου ή κέντρο δεδομένων υπολογιστή, χρησιμοποιούνται μεγαλύτερες μπαταρίες.
Δευτερεύουσες μπαταρίες
Τύποι δευτερευουσών (επαναφορτιζόμενων) μπαταριών:
SMF, Lead Acid, Li και Nicd
Μπαταρία SMF:
Το SMF είναι ένα σφραγισμένη μπαταρία χωρίς συντήρηση, σχεδιασμένη να προσφέρει αξιόπιστη, συνεπή και χαμηλή ισχύ συντήρησης για εφαρμογές UPS. Αυτές οι μπαταρίες μπορεί να υπόκεινται σε εφαρμογές βαθιού κύκλου και ελάχιστη συντήρηση σε αγροτικές περιοχές και περιοχές έλλειψης ισχύος. Αυτές οι μπαταρίες διατίθενται από 12V.
Στον σημερινό ενημερωτικό κόσμο, δεν μπορούμε να παραβλέψουμε την απαίτηση για συστήματα μπαταριών που έχουν σχεδιαστεί για την ανάκτηση κρίσιμων εξειδικευμένων δεδομένων και πληροφοριών και την εκτέλεση βασικών οργάνων για επιθυμητές χρονικές περιόδους. Απαιτούνται μπαταρίες για παροχή άμεσης ισχύος. Οι αναξιόπιστες και κατώτερες μπαταρίες μπορούν να οδηγήσουν σε απώλεια δεδομένων και τερματισμού του εξοπλισμού που μπορούν να κοστίσουν στις εταιρείες σημαντικές οικονομικές απώλειες. Στη συνέχεια, τα τμήματα UPS απαιτούν τη χρήση ενός αξιόπιστου και αποδεδειγμένου συστήματος μπαταριών.
Μπαταρία SMF
Μπαταρία λιθίου (Li):
Όλοι το χρησιμοποιούμε σε φορητές συσκευές, όπως κινητό τηλέφωνο, φορητό υπολογιστή ή ηλεκτρικό εργαλείο. Η μπαταρία λιθίου υπήρξε ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα στη φορητή ισχύ κατά την τελευταία δεκαετία με τη χρήση μπαταριών λιθίου που καταφέραμε να αλλάξουμε από ασπρόμαυρο κινητό σε έγχρωμα κινητά τηλέφωνα με πρόσθετα χαρακτηριστικά όπως GPS, ειδοποιήσεις μέσω email κ.λπ. Αυτά είναι τα υψηλά δυναμικές συσκευές ενεργειακής πυκνότητας για υψηλότερη χωρητικότητα. Και σχετικά χαμηλές μπαταρίες αυτοεκφόρτισης. Επίσης, τα ειδικά κελιά μπορούν να παρέχουν πολύ υψηλό ρεύμα σε εφαρμογές όπως ηλεκτρικά εργαλεία.
Li μπαταρία
Μπαταρία νικελίου καδμίου (Nicd):
Οι μπαταρίες νικελίου καδμίου έχουν το πλεονέκτημα ότι επαναφορτίζονται πολλές φορές και έχουν σχετικά σταθερό δυναμικό κατά την εκφόρτιση και έχουν περισσότερη ηλεκτρική και φυσική αντοχή. Αυτή η μπαταρία χρησιμοποιεί οξείδιο νικελίου για κάθοδο, μια ένωση καδμίου για την άνοδο και το διάλυμα υδροξειδίου του καλίου ως ηλεκτρολύτη της.
Όταν φορτιστεί η μπαταρία, η χημική σύνθεση της καθόδου μεταμορφώνεται και το υδροξείδιο του νικελίου αλλάζει σε NIOOH. Στην άνοδο, ο σχηματισμός ιόντων καδμίου λαμβάνει χώρα από το υδροξείδιο του καδμίου. Όταν η μπαταρία αποφορτίζεται, το κάδμιο αντιδρά με το NiOOH για να σχηματίσει πίσω υδροξείδιο του νικελίου και υδροξείδιο του καδμίου.
Cd + 2H2O + 2NiOOH -> 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2
Μπαταρία μολύβδου οξέος:
Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος χρησιμοποιούνται ευρέως σε αυτοκίνητα, μετατροπείς, εφεδρικά συστήματα ισχύος κ.λπ. Σε αντίθεση με τις σωληνοειδείς μπαταρίες και τις μπαταρίες χωρίς συντήρηση, οι μπαταρίες μολύβδου οξέος απαιτούν κατάλληλη φροντίδα και συντήρηση για να παρατείνει τη διάρκεια ζωής του. Η μπαταρία μολύβδου οξέος αποτελείται από μια σειρά πλακών που είναι βυθισμένες σε διάλυμα θειικού οξέος. Οι πλάκες έχουν πλέγματα στα οποία συνδέεται το ενεργό υλικό. Οι πλάκες χωρίζονται σε θετικές και αρνητικές πλάκες. Οι θετικές πλάκες κρατούν καθαρό μόλυβδο ως δραστικό υλικό ενώ το οξείδιο του μολύβδου συνδέεται στις αρνητικές πλάκες.
Μπαταρία μολύβδου οξέος
Μια πλήρως φορτισμένη μπαταρία μπορεί να εκφορτίσει το ρεύμα της όταν είναι συνδεδεμένη σε φορτίο. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εκκένωσης, το θειικό οξύ συνδυάζεται με τα δραστικά υλικά στις θετικές και αρνητικές πλάκες με αποτέλεσμα το σχηματισμό θειικού μολύβδου. Το νερό είναι το πιο σημαντικό βήμα για τη διατήρηση της μπαταρίας μολύβδου οξέος. Η συχνότητα του νερού εξαρτάται από τη χρήση, τη μέθοδο φόρτισης και τη θερμοκρασία λειτουργίας. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, τα άτομα υδρογόνου από το θειικό οξύ αντιδρούν με οξυγόνο για να σχηματίσουν νερό.
Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση ηλεκτρονίων από τις θετικές πλάκες που θα γίνουν αποδεκτές από τις αρνητικές πλάκες. Αυτό οδηγεί στο σχηματισμό ηλεκτρικού δυναμικού κατά μήκος της μπαταρίας. Ο ηλεκτρολύτης στη μπαταρία μολύβδου οξέος είναι ένα μείγμα θειικού οξέος και νερού που έχει συγκεκριμένο βάρος. Ειδικό βάρος είναι το βάρος του μίγματος οξέος-νερού σε σύγκριση με τον ίδιο όγκο νερού. Το ειδικό βάρος του καθαρού νερού χωρίς ιόντα είναι 1.
Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος παρέχουν την καλύτερη τιμή για ενέργεια και ενέργεια ανά κιλοβατώρα έχουν τον μεγαλύτερο κύκλο ζωής και ένα μεγάλο περιβαλλοντικό πλεονέκτημα στο ότι ανακυκλώνονται με εξαιρετικά υψηλό ρυθμό. Καμία άλλη χημεία δεν μπορεί να αγγίξει την υποδομή που υπάρχει για τη συλλογή, μεταφορά και ανακύκλωση μπαταριών μολύβδου-οξέος.
Μαζί με αυτό το άρθρο, η μπαταρία ιόντων λιθίου συζητείται με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της.
Λειτουργία μπαταρίας ιόντων λιθίου
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι πλέον δημοφιλείς στην πλειονότητα των ηλεκτρονικών φορητών συσκευών όπως κινητό τηλέφωνο, φορητός υπολογιστής, ψηφιακή φωτογραφική μηχανή, κ.λπ. λόγω της μακροχρόνιας απόδοσης ισχύος. Αυτές είναι οι πιο δημοφιλείς επαναφορτιζόμενες μπαταρίες με πλεονεκτήματα όπως η καλύτερη ενεργειακή πυκνότητα, αμελητέα απώλεια φόρτισης και χωρίς φαινόμενο μνήμης. Η μπαταρία ιόντων λιθίου χρησιμοποιεί ιόντα λιθίου ως φορείς φόρτισης που μετακινούνται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο στο θετικό ηλεκτρόδιο κατά την εκφόρτιση και πίσω κατά τη φόρτιση. Κατά τη φόρτιση, το εξωτερικό ρεύμα από το φορτιστή εφαρμόζει υπερβολική τάση από αυτή της μπαταρίας. Αυτό αναγκάζει το ρεύμα να περάσει στην αντίστροφη κατεύθυνση από το θετικό στο αρνητικό ηλεκτρόδιο όπου τα ιόντα λιθίου ενσωματώνονται στο πορώδες υλικό ηλεκτροδίου μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται Intercalation. Τα Li-Ions περνούν μέσα από τον μη υδατικό ηλεκτρολύτη και ένα διάφραγμα διαχωρισμού. Το υλικό ηλεκτροδίου είναι ένωση λιθίου με παρεμβολές.
Το αρνητικό ηλεκτρόδιο της μπαταρίας ιόντων λιθίου αποτελείται από άνθρακα και το θετικό ηλεκτρόδιο είναι ένα μεταλλικό οξείδιο. Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο υλικό στο αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι ο γραφίτης ενώ αυτό στο θετικό ηλεκτρόδιο μπορεί να είναι οξείδιο λιθίου κοβαλτίου, φωσφορικό ιόντα λιθίου ή οξείδιο μαγγανίου λιθίου. Το άλας λιθίου σε οργανικό διαλύτη χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης. Ο ηλεκτρολύτης είναι συνήθως ένα μείγμα οργανικών ανθρακικών όπως το ανθρακικό αιθυλένιο ή το ανθρακικό διαιθύλιο που περιέχει ιόντα λιθίου. Ο ηλεκτρολύτης χρησιμοποιεί άλατα ανιόντων όπως λιθίου-φθοροφωσφορικό άλας λιθίου, λιθίου εξάρο φθορο αρσενικό μονοένυδρο, λίθιο ανά χλωρικό άλας, λίθιο εξάρο φθοροβορικό κλπ. Ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο άλας, η τάση, η χωρητικότητα και η διάρκεια ζωής της μπαταρίας ποικίλλει. Το καθαρό λίθιο αντιδρά έντονα με νερό σχηματίζοντας ιόντα υδροξειδίου και υδρογόνου λιθίου. Έτσι, ο ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιείται είναι μη υδατικός οργανικός διαλύτης. Ο ηλεκτροχημικός ρόλος των φορτίων ηλεκτροδίων μεταξύ ανόδου και καθόδου εξαρτάται από την κατεύθυνση της ροής ρεύματος.
Αντίδραση μπαταρίας ιόντων λιθίου
Στην μπαταρία ιόντων λιθίου, και τα δύο ηλεκτρόδια μπορούν να δεχτούν και να απελευθερώσουν ιόντα λιθίου. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παρεμβολής, τα ιόντα λιθίου μετακινούνται στο ηλεκτρόδιο. Κατά τη διάρκεια της αντίστροφης διαδικασίας που ονομάζεται de intercalation, τα ιόντα λιθίου μετακινούνται πίσω. Κατά την εκφόρτιση, τα θετικά ιόντα λιθίου θα εξαχθούν από τα αρνητικά ηλεκτρόδια και θα εισαχθούν στο θετικό ηλεκτρόδιο. Κατά τη διαδικασία φόρτισης, πραγματοποιείται η αντίστροφη κίνηση των ιόντων λιθίου.
Πλεονεκτήματα λιθίου - μπαταρίας ιόντων:
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου ξεπερνούν τις μπαταρίες NiCd και άλλες δευτερεύουσες μπαταρίες. Μερικά από τα πλεονεκτήματα είναι
- Ελαφρύ σε σύγκριση με άλλες μπαταρίες παρόμοιου μεγέθους
- Διατίθεται σε διαφορετικό σχήμα, συμπεριλαμβανομένου του επίπεδου σχήματος
- Υψηλή τάση ανοικτού κυκλώματος που αυξάνει τη μεταφορά ισχύος με χαμηλό ρεύμα
- Έλλειψη φαινομένου μνήμης.
- Πολύ χαμηλό ποσοστό αυτοεκφόρτισης 5-10% ανά μήνα. Η αυτοεκφόρτιση είναι περίπου 30% στις μπαταρίες NiCd και NiMh.
- Φιλική προς το περιβάλλον μπαταρία χωρίς δωρεάν μέταλλο λιθίου
Αλλά μαζί με τα πλεονεκτήματα, όπως και άλλες μπαταρίες, η μπαταρία Li-Ion πάσχει επίσης από ορισμένα μειονεκτήματα.
Μειονεκτήματα της μπαταρίας ιόντων λιθίου:
- Οι εναποθέσεις μέσα στον ηλεκτρολύτη με την πάροδο του χρόνου θα αναστέλλουν τη ροή του φορτίου. Αυτό αυξάνει την εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας και η χωρητικότητα της κυψέλης για παροχή ρεύματος μειώνεται σταδιακά.
- Η υψηλή φόρτιση και η υψηλή θερμοκρασία μπορεί να οδηγήσουν σε απώλεια χωρητικότητας
- Όταν υπερθερμαίνεται, η μπαταρία Li-Ion ενδέχεται να υποστεί θερμική απομάκρυνση και ρήξη κυττάρων.
- Η βαθιά εκφόρτιση μπορεί να βραχυκυκλώσει την μπαταρία Li-Ion. Έτσι, για να αποφευχθεί αυτό, ορισμένα κατασκευαστικά στοιχεία διαθέτουν εσωτερικά κυκλώματα απενεργοποίησης που κλείνουν την μπαταρία όταν η τάση της είναι πάνω από το επίπεδο ασφαλείας 3 έως 4,2 βολτ. Σε αυτήν την περίπτωση, όταν η μπαταρία δεν χρησιμοποιείται για μεγάλο χρονικό διάστημα, το εσωτερικό κύκλωμα καταναλώνει ενέργεια και αποστραγγίζει την μπαταρία κάτω από την τάση απενεργοποίησης. Έτσι, για τη φόρτιση αυτών των μπαταριών, οι κανονικοί φορτιστές δεν είναι χρήσιμοι.
