Princíp fungovania. batérie volal chemický zdroj prúdu, ktorý je schopný v sebe akumulovať (akumulovať) elektrickú energiu a podľa potreby ju odovzdávať vonkajšiemu okruhu. Akumulácia elektrickej energie v batérii nastáva, keď cez ňu prechádza prúd
cudzí zdroj (obr. 158, a). Tento proces, tzv nabitie batérie, je sprevádzaná premenou elektrickej energie na chemickú energiu, v dôsledku čoho sa samotná batéria stáva zdrojom prúdu. Pri vybití batérie (obr. 158, b) dochádza k spätnej premene chemickej energie na elektrickú energiu. Batéria má oproti galvanickému článku veľkú výhodu. Ak je prvok vybitý, stane sa úplne nepoužiteľným; batéria resp. po vybití sa dá znovu nabiť a bude slúžiť ako zdroj elektrickej energie. Podľa typu elektrolytu sa batérie delia na kyslé a alkalické.
Na rušňoch a elektrických vlakoch sa najviac používajú alkalické batérie, ktoré majú oveľa dlhšiu životnosť ako kyselinové. Kyslé batérie TN-450 sa používajú iba na dieselových lokomotívach, majú kapacitu 450 A * h, menovité napätie 2,2 V. Batéria 32 TN-450 pozostáva z 32 batérií zapojených do série; písmeno T znamená, že batéria je nainštalovaná na lokomotíve, písmeno H - typ kladných dosiek (rozprestretie).
Zariadenie. V kyselinovej batérii sú elektródy olovené platne potiahnuté takzvanými aktívnymi hmotami, ktoré interagujú s elektrolytom počas elektrochemických reakcií počas nabíjania a vybíjania. Aktívna hmota kladnej elektródy (anódy) je peroxid olovnatý PbO 2 a aktívna hmota zápornej elektródy (katódy) je čisté (hubovité) olovo Pb. Elektrolytom je 25-34% vodný roztok kyseliny sírovej.
Akumulátorové dosky môžu mať povrchovú alebo roztiahnutú konštrukciu. Dosky povrchového typu sú odliate z olova; ich povrch, na ktorom prebiehajú elektrochemické reakcie, sa zväčšuje prítomnosťou rebier, drážok a pod. Používajú sa v stacionárnych batériách a niektorých batériách v osobných automobiloch.
V batériách dieselových lokomotív sa používajú dosky rozprestretého typu (obr. 159, a). Takéto platne majú jadro zo zliatiny olova s antimónom, v ktorom je usporiadaných množstvo článkov vyplnených pastou.
Po naplnení pastou sú bunky dosiek pokryté olovenými plátmi s veľkým počtom otvorov. Tieto pláty zabraňujú vypadávaniu aktívnej hmoty z plátov a zároveň nebránia prístupu elektrolytu k nej.
Východiskovým materiálom na výrobu pasty pre pozitívne platne je olovnatý prášok Pb a pre negatívne olovnatý prášok v prášku PbO 2, ktoré sa miesia vo vodnom roztoku kyseliny sírovej. Štruktúra aktívnych hmôt v takýchto doskách je porézna; vďaka tomu sa na elektrochemických reakciách podieľajú nielen povrchové, ale aj hlboko uložené vrstvy elektród batérie.
Na zvýšenie pórovitosti a zníženie zmršťovania aktívnej hmoty sa do pasty pridáva grafit, sadze, kremík, sklenený prášok, síran bárnatý a iné inertné materiály, tzv. expandéry. Nezúčastňujú sa elektrochemických reakcií, ale sťažujú zlepovanie častíc olova a jeho oxidov (spekanie), a tým zabraňujú zníženiu pórovitosti.
Roztieracie platne majú veľkú plochu kontaktu s elektrolytom a sú ním dobre impregnované, čo pomáha znižovať hmotnosť a veľkosť batérie a umožňuje vám prijímať vysoké prúdy počas vybíjania.
Pri výrobe batérií sa dosky podrobujú špeciálnym cyklom nabíjania a vybíjania. Tento proces sa nazýva lisovanie batérie. V dôsledku lisovania sa pasta kladných dosiek elektrochemicky premení na peroxid (dioxid) olovnatý PbO 2 a získa hnedú farbu. Pasta negatívnych platní sa pri lisovaní mení na čisté olovo Pb, ktoré má poréznu štruktúru, a preto sa nazýva hubovité; negatívne platne zošednú.
Niektoré batérie používajú kladné platne škrupinového typu. V nich je každá pozitívna platňa uzavretá v špeciálnom obale (puzdre) vyrobenom z ebonitu alebo sklolaminátu. Škrupina spoľahlivo chráni aktívnu hmotu dosky pred odlupovaním pri trasení a otrasoch; na spojenie aktívnej hmoty dosiek s elektrolytom v plášti sa vytvoria horizontálne rezy so šírkou asi 0725 mm.
Aby sa platničky neprivreli cudzími predmetmi (sonda na meranie hladiny elektrolytu, zariadenie na plnenie elektrolytu a pod.), sú platničky u niektorých batérií prekryté PVC sieťovinou.
Na zvýšenie kapacity je v každej batérii nainštalovaných niekoľko kladných a záporných dosiek; dosky s rovnakým názvom sú paralelne spojené do spoločných blokov, ku ktorým sú privarené výstupné kolíky. Bloky kladných a záporných dosiek sú zvyčajne inštalované v nádobe ebonitovej batérie (obr. 159, b) tak, že medzi každými dvoma
platne jednej polarity boli umiestnené platne inej polarity. Záporné platne sú umiestnené pozdĺž okrajov batérie, pretože kladné platne sú pri inštalácii pozdĺž okrajov náchylné na deformáciu. Dosky sú od seba oddelené separátormi vyrobenými z mikroporézneho ebonitu, PVC, sklenenej plsti alebo iného izolačného materiálu. Separátory zabraňujú možnosti skratu medzi platňami, keď sú pokrčené.
Dosky sú inštalované v nádobe batérie tak, aby medzi ich spodnou časťou a dnom nádoby zostal voľný priestor. V tomto priestore sa hromadí olovený sediment (kal), ktorý vzniká odpadávaním spotrebovanej aktívnej hmoty platní počas prevádzky.
Vybiť a nabiť. Keď je batéria vybitá (obr. 160, a), kladné ióny H 2 + a záporné ióny zvyškov kyseliny
S0 4 -, na ktoré sa rozkladajú molekuly kyseliny sírovej H 2 S0 4 elektrolytu 3, smerujú resp.
1 a záporných 2 elektród a so svojimi aktívnymi hmotami vstupujú do elektrochemických reakcií. Medzi elektródami je
potenciálový rozdiel asi 2 V, ktorý zabezpečuje prechod elektrického prúdu pri uzavretom vonkajšom okruhu. Ako výsledok
elektrochemické reakcie, ktoré vznikajú pri interakcii vodíkových iónov s peroxidom olovnatým PbO 2 pozitívny
elektróda a ióny síranového zvyšku S0 4 - s olovom Pb negatívnej elektródy vzniká síran olovnatý PbSO 4 (síran olovnatý), na ktorý sa premieňajú povrchové vrstvy aktívnej hmoty oboch elektród. Zároveň pri týchto reakciách vzniká určité množstvo vody, takže koncentrácia kyseliny sírovej klesá, teda klesá hustota elektrolytu.
Batéria sa môže teoreticky vybíjať, kým sa aktívne hmoty elektród úplne nepremenia na síran olovnatý a nevyčerpá sa elektrolyt. V praxi sa však vypúšťanie zastaví oveľa skôr. Síran olovnatý vznikajúci pri výboji je soľ biela farba, ktorý je zle rozpustný v elektrolyte a má nízku elektrickú vodivosť. Preto sa vybíjanie neuskutočňuje až do konca, ale iba do okamihu, keď asi 35% aktívnej hmoty prejde na síran olovnatý. V tomto prípade je výsledný síran olovnatý rovnomerne distribuovaný vo forme drobných kryštálov v zostávajúcej aktívnej hmote, ktorá si stále zachováva dostatočnú elektrickú vodivosť na zabezpečenie napätia medzi elektródami 1,7-1,8 V.
Vybitá batéria sa nabíja, to znamená, že je pripojená k zdroju prúdu s napätím väčším ako je napätie batérie. Pri nabíjaní (obr. 160, b) sa kladné ióny vodíka pohybujú na zápornú elektródu 2 a záporné ióny síranového zvyšku S0 4 - na kladnú elektródu 1 a vstupujú do chemickej interakcie so síranom olovnatým PbS0 4, pričom pokrývajú obe elektródy. V procese vznikajúcich elektrochemických reakcií sa síran olovnatý PbS0 4 rozpúšťa a na elektródach sa opäť tvoria aktívne hmoty: peroxid olovnatý PbO 2 na kladnej elektróde a hubovité olovo Pb na zápornej. Súčasne sa zvyšuje koncentrácia kyseliny sírovej, t.j. zvyšuje sa hustota elektrolytu.
Elektrochemické reakcie počas vybíjania a nabíjania batérie možno vyjadriť rovnicou
Pb02 + Pb + 2H2S04? 2PbS04 + 2H20
Čítaním tejto rovnice zľava doprava dostaneme proces vybíjania sprava doľava - proces nabíjania.
Menovitý vybíjací prúd je číselne rovný 0,1C NOM, maximum pri štartovaní naftového motora (režim štartéra) je približne 3C NOM, nabíjací prúd je 0,2 C NOM, kde C NOM je menovitá kapacita.
Plne nabitá batéria má d.s. asi 2,2 V. Napätie na jeho svorkách je približne rovnaké, keďže vnútorný odpor batérie je veľmi malý. Pri vybíjaní napätie batérie pomerne rýchlo klesne na 2 V a potom pomaly na 1,8-1,7 V (obr. 161), pri tomto napätí sa vybíjanie zastaví, aby nedošlo k poškodeniu batérie. Ak sa vybitá batéria nechá nejaký čas nečinná, potom sa jej napätie opäť obnoví na priemernú hodnotu 2 V. Tento jav sa nazýva „zvyšok“ batérie. Keď je takto „odpočinutá“ batéria zaťažená, napätie rýchlo klesá, tzv meranie napätia batérie bez zaťaženia neposkytuje správny úsudok o stupni vybitia.
Pri nabíjaní napätie batérie rýchlo stúpne na 2,2 V a potom pomaly stúpne na 2,3 V a nakoniec opäť celkom rýchlo stúpne na 2,6 – 2,7 V. Pri 2,4 V sa začnú vytvárať bublinky plynu, ktoré vznikajú rozkladom vody na vodík a kyslík. Pri 2,5 V obe elektródy vyžarujú silný prúd plynu a pri 2,6-2,7 V začne batéria akoby vrieť, čo je znak konca nabíjania. Po odpojení akumulátora od zdroja nabíjacieho prúdu jeho napätie rýchlo klesne na 2,2 V.
Starostlivosť o batérie. Kyslé batérie rýchlo strácajú kapacitu alebo sa dokonca stanú úplne nepoužiteľnými
nesprávna prevádzka. Dochádza v nich k samovybíjaniu, v dôsledku čoho strácajú svoju kapacitu (cca 0,5-0,7 % za deň). Aby sa kompenzovalo samovybíjanie, nefunkčné batérie sa musia pravidelne nabíjať. Pri kontaminácii elektrolytu, ako aj krytov batérií, ich svoriek a medzičlánkových spojov dochádza k zvýšenému samovybíjaniu, ktoré rýchlo vyčerpáva batériu.
Batériu je potrebné udržiavať vždy v čistote a na ochranu pred oxidáciou musia byť kontakty pokryté tenkou vrstvou technickej vazelíny. Pravidelne je potrebné kontrolovať hladinu elektrolytu a stupeň nabitia batérií. Batérie sa musia pravidelne nabíjať. Skladovanie nenabitých batérií je neprijateľné. Pri nesprávnom používaní akumulátorov (vybíjanie pod 1,8-1,7 V, systematické podbíjanie, nesprávne nabíjanie, dlhodobé skladovanie nenabitého akumulátora, znižovanie hladiny elektrolytu, nadmerná hustota elektrolytu) dochádza k poškodeniu ich platní, tzv. sulfatácia. Tento jav spočíva v prechode jemnozrnného síranu olovnatého, ktorý pri vybíjaní pokrýva platničky, na nerozpustné hrubozrnné chemické zlúčeniny, ktoré sa po nabití nemenia na peroxid olovnatý PbO 2 a olovo Pb. V tomto prípade sa batéria stane nepoužiteľná.
Fenomén polarizácie, škodlivý v galvanických článkoch, však tiež nachádza užitočné uplatnenie. V roku 1895 Plante ukázal, že napr. d.s. polarizáciu možno využiť na praktickú výrobu elektrického prúdu. Zostrojil prvok s dvoma olovenými elektródami ponorenými do roztoku kyseliny sírovej. Prvok v tejto forme ešte nemá napr. d.s., pretože obe jeho elektródy sú rovnaké. Ak však takýmto prvkom prechádzame známy čas prúdu, potom sa na jeho elektródach uvoľňujú produkty elektrolýzy, ktoré vstupujú do chemickej reakcie s elektródami. Z tohto dôvodu sa elektródy líšia chemické zloženie, a objaví sa určité e. d.s. - Presne tak, eh. d.s. polarizácia, ktorá sa rovná približne 2 V. Prvok v tomto stave je už samotným zdrojom prúdu a po uzavretí na ľubovoľný obvod v ňom môže určitý čas vytvárať elektriny. Teda pre vznik napr. d.s. v prvku Plante je potrebné cez neho prechádzať po známy čas prúd z externého zdroja. Tento proces sa nazýva nabíjanie článkov.
Planteho prvok a podobne, využívajúci fenomén polarizácie, sa nazývajú sekundárne články alebo batérie, keďže dokážu uchovávať (akumulovať) energiu. Po vybití batérie je možné ju dobiť prechodom prúdu a tento proces je možné mnohokrát opakovať.
Z energetického hľadiska je situácia nasledovná. Reakcie, ktoré prebiehajú v batérii počas jej nabíjania a ktoré pôvodne identické elektródy chemicky odlišujú, sú reakcie, ktoré je možné uskutočniť len s prílevom energie zvonku. Túto energiu dodáva generátor, pomocou ktorého sa ióny pohybujú v roztoku a uvoľňujú sa na príslušných elektródach. Naopak, pri vybití batérie v nej dochádza k reakciám, ktoré postupujú s uvoľňovaním energie. Tieto reakcie sú zdrojom napr. d.s. batérie. Pri nabíjaní batérie teda dochádza k premene elektrickej energie na latentnú chemickú energiu a pri jej vybíjaní k spätnému prechodu chemickej energie na energiu elektrického prúdu.
Zariadenie modernej olovenej batérie je znázornené na obr. 124. Pozostáva z niekoľkých pozitívnych a negatívnych platní v banke s vodným roztokom (15-20%) kyseliny sírovej. Všetky kladné platne sú prepojené, rovnako ako všetky záporné, takže v malej nádobe je možné mať veľkú plochu elektród oddelenú tenkou vrstvou elektrolytu, t.j. mať prvok s extrémne nízkym vnútorným odporom.
Ryža. 124. Olovená batéria
Záporné platne pozostávajú z čistého kovového olova, ktorého povrch je jemne porézny, aby sa zväčšila účinná plocha elektród (špongiovité olovo). Pozitívne platne majú zložitejšiu štruktúru, znázornenú na obr. 125. Pri ich výrobe sa najskôr odleje (alebo vyrazí) olovený rám vybavený mnohými článkami ako plást a do nich sa vtlačí špeciálna hmota pozostávajúca z oxidov olova a spojív.
Ryža. 125. Kladný štítok olovenej batérie
V nenabitom stave sú obe elektródy pokryté vrstvou síranu olovnatého (). Pri nabíjaní sa ióny presunú na jednu elektródu a podľa rovnice ju premenia na peroxid olova
a H+ ióny redukujú druhú elektródu na kovové olovo podľa rovnice
Zlúčenina sa stáva anódou a Pb sa stáva katódou nabitej batérie. Pri vybíjaní prúd vonkajším obvodom prechádza z na Pb a vo vnútri batérie sa ióny a pohybujú v opačných smeroch ako pri nabíjaní a reakcie na elektródach prebiehajú v opačnom smere. V úplne vybitej batérii by obe elektródy opäť pozostávali z. Batériu v prevádzkových podmienkach nedobíjajte do úplného vybitia a znova ju nabíjajte, keď napätie na elektródach klesne na cca 1,8 V. Čerstvo nabitá olovená batéria má napätie cca 2,7 V. Ale pri vybíjaní toto napätie rýchlo klesne na 2 V a potom po dlhú dobu zostáva konštantná. Po dlhom vybití začne napätie batérie opäť klesať; vybíjanie by sa malo zastaviť, keď napätie klesne na 1,85 V.
Okrem olovených batérií existujú aj ďalšie. V súčasnosti sú široko používané železo-niklové batérie („alkalické“ batérie). Ich elektródy sú železo a nikel a elektrolytom je 20% roztok žieravého alkálií (KOH alebo NaOH). V nabitom stave sú niklové platne pokryté vrstvou oxidu niklu () a slúžia ako kladný pól a kovové železo ako záporné; e. d.s. týchto batérií je 1,4-1,1 V. Nikel-železné batérie sa vyznačujú veľkou stabilitou: mechanické otrasy a neopatrnosť pri starostlivosti, ktoré môžu spôsobiť škodlivé chemické reakcie, sú pre tieto články oveľa menej nebezpečné ako pre olovené.
Rôzne batérie sa vyznačujú maximálnym množstvom elektriny, ktoré sa z nich dá získať bez nového nabíjania. Toto množstvo elektriny sa zvyčajne vyjadruje v ampérhodinách (Ah) a nazýva sa kapacita batérie. Napríklad prenosné batérie používané do áut majú zvyčajne kapacitu 40 Ah. To znamená, že môžu poskytovať prúd 1 A po dobu 40 hodín alebo prúd 2 A po dobu 20 hodín atď. V tomto prípade by samozrejme vybíjací prúd nemal prekročiť určitú maximálna pevnosť(pre olovenú batériu približne 1 ampér na štvorcový decimeter kladného povrchu platničky), inak sa platničky rýchlo znehodnotia. Čím väčšia je plocha dosiek batérie, tým viac produktov elektrolýzy môže byť na doskách zadržaných, a teda tým väčší náboj možno z batérie získať pri vybíjaní, t.j. čím väčšia je jej kapacita.
79.1. Batéria s kapacitou 20 Ah napája žiarovku, ktorá spotrebuje prúd 0,25 A. Ako dlho vydrží žiarovka horieť bez dobitia batérií?
Batérie zohrávajú dôležitú úlohu v modernej elektrotechnike. Napríklad v elektrárňach s nerovnomerným zaťažením sa okrem jednosmerných generátorov často inštalujú aj batérie (nárazové batérie). Pri nízkom zaťažení stanice sa časť energie generovanej generátormi minie na nabíjanie batérií a počas obdobia vysokého zaťaženia tieto batérie napájajú sieť paralelne s generátormi. Elektrárne využívajúce veternú energiu sú vždy vybavené batériami, ktoré sa nabíjajú v tých obdobiach, keď je vietor, a následne spotrebúvajú uloženú energiu podľa potreby a bez ohľadu na meteorologické podmienky.
Batérie sú široko používané vo všetkých ponorkách (okrem ponoriek s jadrovým pohonom). Pri hladinovej plavbe sa batérie nabíjajú z jednosmerného generátora a pri potápaní pod vodou sú všetky mechanizmy poháňané výlučne z batérií. Batérie sa úspešne používajú v elektrických nákladných automobiloch, takzvaných elektrických autách, ktoré musia pracovať na krátky čas a často zastavovať, a do ktorých je preto nerentabilné inštalovať motory. vnútorné spaľovanie nepretržite absorbujúce palivo; v automobiloch (zapaľovanie v motoroch, osvetlenie); na napájanie banských lámp a v mnohých ďalších dôležitých priemyselných strojoch a zariadeniach. Batérie sú veľmi rozšírené v laboratórnej praxi, kde sú dobrými zdrojmi jednosmerného prúdu, ako aj v rádiotechnike.
Napriek veľkým výhodám akumulátorov, ktoré v mnohých prípadoch vytlačili galvanické články, majú tieto stále množstvo dôležitých použití: ako napäťové etalóny (normálne články, § 75), na napájanie rádií, bateriek, kalkulačiek atď.
Batérie sú neoddeliteľnou súčasťou každého systému zameraného na získavanie alternatívnych foriem energie.
V súčasnosti sú najpoužívanejšie elektrochemické batérie elektrickej energie, v ktorých premena chemickej energie na elektrickú energiu pri vybití batérie prebieha chemickou reakciou. Pri nabíjaní batérie chemická reakcia tečie opačným smerom.
Okrem elektrochemických batérií možno elektrinu skladovať v kondenzátoroch a solenoidoch (tlmivkách).
V nabitom kondenzátore sa energia ukladá vo forme energie elektrické pole dielektrikum. Vzhľadom na to, že merná energia akumulovaná kondenzátorom je veľmi malá (prakticky od 10 do 400 J / kg) a doba možného skladovania energie v dôsledku jej úniku je krátka, tento typ akumulátora energie sa používa iba v prípady, kedy je potrebné dať elektrinu spotrebiteľovi na veľmi krátky čas s krátkou trvanlivosťou.
V solenoide je elektrická energia uložená vo forme energie magnetické pole. Preto sa tento typ ukladania nazýva elektromagnetický. Ale čas na vydávanie energie elektromagnetickými batériami sa zvyčajne meria nie v sekundách, ale v zlomkoch sekundy.
Na nabíjanie batérie je potrebný externý zdroj energie a počas nabíjania môže dochádzať k energetickým stratám. Po nabití môže batéria zostať v stave pripravenosti (v nabitom stave), ale aj v tomto stave môže dôjsť k strate časti energie v dôsledku svojvoľného rozptylu, úniku, samovybíjania alebo iných podobných javov. Pri prenose energie z batérie môže dôjsť aj k energetickým stratám; okrem toho je niekedy nemožné získať späť všetku nahromadenú energiu. Niektoré batérie sú navrhnuté tak, že v nich musí zostať určitá zvyšková energia.
Hlavnou charakteristikou batérie je jej elektrická kapacita. Jednotkou merania pre túto kapacitu je ampérhodina (A h) - mimosystémová jednotka merania elektrického náboja.
Na základe fyzický zmysel, 1 ampérhodina je elektrický náboj, ktorý prechádza prierezom vodiča počas jednej hodiny za prítomnosti prúdu 1 ampér. Teoreticky je nabitá batéria s deklarovanou kapacitou 1 Ah schopná poskytnúť prúd 1 ampér po dobu jednej hodiny (alebo napr. 0,1 A po dobu 10 hodín alebo 10 A po dobu 0,1 hodiny).
V praxi sa kapacita batérie vypočítava na základe 20-hodinového vybíjacieho cyklu na konečné napätie, ktoré je pre autobatérie 10,8 V. Napríklad nápis na štítku batérie „55 Ah“ znamená, že je schopná dodať prúd 2,75 ampéra po dobu 20 hodín bez toho, aby napätie na svorke kleslo pod 10,8 V.
Príliš vysoký vybíjací prúd batérie vedie k menej efektívnemu výkonu, čo nelineárne skracuje dobu jej prevádzky s takýmto prúdom a môže viesť k prehriatiu.
Výrobcovia batérií niekedy uvádzajú kapacitu v Technické špecifikácie uložená energia vo Wh. Pretože 1 W = 1 A * 1 V, ak je uložená energia 720 Wh, môžeme túto hodnotu vydeliť napätím (povedzme 12 V) a dostať kapacitu v ampérhodinách (v našom príklade 720 Wh / 12 V = 60 Ah).
V nabitom stave anóda (záporná elektróda) takejto batérie pozostáva z olova a katóda (kladná elektróda) je vyrobená z oxidu olovnatého PbO2. Obe elektródy sú vyrobené porézne, takže plocha ich kontaktu s elektrolytom je čo najväčšia. Konštrukcia elektród závisí od účelu a kapacity batérie a môže byť veľmi rôznorodá.
Chemické reakcie počas nabíjania a vybíjania batérie sú znázornené vzorcom
РbO2 + Рb + 2Н2SO4<—>2PbSO4 + H2O
Nabitie batérie si teoreticky vyžaduje špecifickú energiu 167 W/kg. Rovnaké číslo teda vyjadruje jeho teoretickú hranicu špecifickej skladovacej kapacity. Skutočná akumulačná kapacita je však oveľa menšia, takže elektrická energia približne 30 W/kg sa zvyčajne získava z batérie pri vybití. Faktory, ktoré spôsobujú pokles skladovacej kapacity, sú prehľadne znázornené na obr. 1. Účinnosť batérie (pomer energie prijatej pri vybíjaní k energii spotrebovanej pri nabíjaní) sa zvyčajne pohybuje medzi 70 % a 80 %.
Obr.1. Teoretická a skutočná merná kapacita olovenej batérie
Rôznymi špeciálnymi opatreniami (zvýšenie koncentrácie kyseliny až na 39 %, použitie plastových konštrukčných dielov a medených spojovacích dielov a pod.) sa v poslednom čase podarilo zvýšiť mernú kapacitu zásobníka na 40 Wh/kg a ešte o niečo viac.
Z vyššie uvedených údajov vyplýva, že špecifická akumulačná kapacita olovenej batérie (a ako sa ukáže neskôr aj iných typov batérií) je výrazne nižšia ako u primárnych galvanických článkov. Tento nedostatok je však zvyčajne kompenzovaný
Každý cyklus nabíjania a vybíjania je sprevádzaný niektorými nevratnými procesmi na elektródach, vrátane pomalého hromadenia neredukujúceho síranu olovnatého v hmote elektród. Z tohto dôvodu po určitom počte (zvyčajne približne 1000) cyklov batéria stráca schopnosť normálneho nabíjania. To sa môže stať aj vtedy, keď sa batéria dlhší čas nepoužíva, pretože proces elektrochemického vybíjania (pomalé samovybíjanie) prebieha v batérii aj vtedy, keď nie je pripojená k externému elektrickému obvodu. Olovená batéria stráca v dôsledku samovybíjania zvyčajne 0,5 % až 1 % svojho nabitia za deň. Na kompenzáciu tohto procesu používajú elektroinštalácie stále dobíjanie pri pomerne stabilnom napätí (v závislosti od typu batérie pri napätí 2,15 V až 2,20 V).
Iné nezvratný proces je elektrolýza vody („varenie“ batérie), ku ktorej dochádza na konci procesu nabíjania. Stratu vody je možné ľahko kompenzovať doplnením, ale uvoľnený vodík môže spolu so vzduchom viesť k vytvoreniu výbušnej zmesi v batériovom priestore alebo priestore. Aby sa predišlo riziku výbuchu, musí byť zabezpečené primerané spoľahlivé vetranie.
Za posledných 20 rokov sa objavili hermeticky uzavreté olovené batérie, v ktorých sa nepoužíva kvapalina, ale rôsolovitý elektrolyt. Takéto batérie môžu byť inštalované v ľubovoľnej polohe a navyše vzhľadom na to, že počas nabíjania nevypúšťajú vodík, môžu byť umiestnené v akýchkoľvek priestoroch.
Okrem olova sa vyrába viac ako 50 typov batérií na základe rôznych elektrochemické systémy. V elektrárňach sa často používajú alkalické (s elektrolytom vo forme roztoku hydroxidu draselného KOH) nikel-železné a nikel-kadmiové batérie, ktorých EMF je v rozmedzí od 1,35 V do 1,45 V a špecifická akumulačná kapacita je v rozmedzí od 15 Wh/kg do 45 Wh/kg. Sú menej citlivé na teplotné výkyvy životné prostredie a menej náročné na prevádzkové podmienky. Majú tiež dlhú životnosť (typicky od 1000 do 4000 cyklov nabitia-vybitia), ale ich napätie sa počas vybíjania mení na širší rozsah ako u olovených batérií a ich účinnosť je o niečo nižšia (od 50% do 70%).
V lítium-iónových batériách sa anóda skladá z karbidu lítneho Li x C 6 s obsahom uhlíka v nabitom stave a katóda je vyrobená z oxidu lítneho a kobaltu Li 1-x CoO 2. Použitým elektrolytom sú tuhé lítiové soli (LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4 alebo iné) rozpustené v kvapalnom organickom rozpúšťadle (napr. éteri). Do elektrolytu sa zvyčajne pridáva zahusťovadlo (napr. organokremičité zlúčeniny), vďaka čomu získa rôsolovitý vzhľad. Elektrochemické reakcie počas vybíjania a nabíjania spočívajú v prechode lítiových iónov z jednej elektródy na druhú a prebiehajú podľa vzorca
Li x C6 + Li 1-x CoO2<—>C6 + LiCoO2
Pokiaľ ide o vonkajší tvar, prvky lítium-iónových batérií môžu byť ploché (podobné štvoruholníkovým platniam) alebo valcové (s valcovanými elektródami). Dostupné sú aj batérie, ktoré používajú iné anódové a katódové materiály. Jednou z dôležitých oblastí vývoja je vývoj rýchlonabíjacích batérií.
Existuje mnoho ďalších typov batérií (celkovo asi 100). Napríklad v systémoch napájania lietadiel, kde by mala byť hmotnosť zariadení čo najmenšia, sa používajú strieborno-zinkové batérie so špecifickou akumulačnou kapacitou v priemere 100 W h / kg. Najvyššie EMF (6,1 V) a najvyššia špecifická skladovacia kapacita (6270 W h / kg) sú fluoro-lítiové batérie, sériová výroba ktoré však ešte neexistujú.
Primárne články sú vhodné na nepretržitú prevádzku, zatiaľ čo batérie možno použiť ako na nepretržitú prevádzku, tak na pokrytie krátkodobých a nárazových záťaží. Kondenzátory a tlmivky sa používajú hlavne na pokrytie impulzných záťaží a na vyrovnanie výkonu pri rýchlych zmenách záťaže. Na vyrovnanie výkonu dodávaného do elektrickej siete veternými a solárnymi elektrárňami je možné použiť kombinácie batérií s ultrakondenzátormi.
Rozsah niektorých pamäťových zariadení z hľadiska trvania záťaže a výstupného výkonu charakterizuje obr. 2.
S rozsiahlym zavedením bezúdržbových batérií už mnohí motoristi zabudli, čo znamená nabíjanie batérie. A keď ešte musia urobiť tento postup, na svoje prekvapenie nájdu vriacu batériu. Prečo sa to deje a ako sa tomu vyhnúť, budeme analyzovať v tomto článku.
Moderná batéria bola vynájdená v 19. storočí a počas tejto doby neprešla výraznými zmenami.
Princíp činnosti batérie je však založený na oxidácii olova vo vodnom roztoku kyseliny sírovej. Zároveň sa v momente vybitia batérie kovové olovo elektród mení na síran olovnatý.
Pri nabíjaní prebieha opačný proces. Toto sú hlavné reakcie, na základe ktorých dochádza k akumulácii a návratu elektrickej energie. Okrem nich však v batériových bankách prebieha 60 rôznych reakcií.
Všeobecné usporiadanie batérie je znázornené na obrázku vyššie. Na vysvetlenie je potrebné poznamenať, že olovené dosky sú vyrobené vo forme mriežky, ktorej články sú naplnené v kladných elektródach oxidom olovnatým (PbO2) vo forme prášku, v záporných elektródach - s olovom, aj vo forme prášku.
V medzere medzi hlavnými doskami sú ďalšie dosky z porézneho plastu, ktoré neinteragujú s kyselinou, ktoré oddeľujú elektródy a zabraňujú ich skratu.
Takže pri nabíjaní batérie prechádza síran olovnatý do kategórie čistého kovu, pričom sa spotrebúva a tvorí voda kyselina sírová. V dôsledku toho sa zvyšuje hustota elektrolytu.
Čo sa považuje za varenie batérie?
Tento proces vyplýva priamo z procesu nabíjania. Ako je opísané vyššie, síran olovnatý sa spotrebúva počas nabíjania a keď sa množstvo síranu zníži, na určitú kritickú úroveň, začne proces elektrolýzy vody.
Tento proces uvoľňuje vodík a kyslík, ktoré sú známe ako plyny. A celý proces navonok pripomína varenie.
Ako správne nabiť batériu, aby ste sa vyhli tomuto nepríjemnému procesu? Ďalej o tom podrobnejšie.
Dnes existujú dva hlavné spôsoby nabíjania batérie a opíšeme si oba.
Je potrebné pripomenúť, že na nabíjanie sa používa špeciálna nabíjačka so schopnosťou meniť nabíjací prúd.
Pri tejto metóde musíte zvoliť nabíjací prúd s napätím rovným 0,1 kapacity batérie.
To znamená, že ak máte najbežnejšiu batériu s kapacitou 60 ampérov / hodinu, nabíjací prúd by mal byť napätie 6 ampérov.
Nabitie batérie týmto spôsobom trvá približne deň. To, že je nabíjanie ukončené, spoznáte podľa začiatku varu batérie.
Nabíjanie by sa malo začať napätím 14,5 voltu, potom, čo sa batéria prestane nabíjať, bude nabitá niekde okolo 80 %. Na dosiahnutie 90 % kapacity nabíjania je potrebné zvýšiť nabíjacie napätie na 15 voltov.
Posledným krokom je uvedenie nabitia na 100%. Vykonáva sa pridaním napätia do 16,5 V.
Stojí za zmienku, že pri tejto metóde musíte nielen neustále monitorovať batériu, ale mať aj profesionálnu nabíjačku.
Ako už bolo spomenuté vyššie, varenie elektrolytu nie je celkom vriace, v obvyklom zmysle je to len slovné spojenie.
Tento výraz sa nazýva proces vývoja plynu z elektrolytu, ku ktorému dochádza pri nabíjaní batérie. V tomto procese nie je nič strašné, ale podľa toho, ako sa to stane, môžete posúdiť stav batérie.
Ak sa tento proces začal ihneď po začiatku nabíjania, je to veľmi zlý signál. S väčšou pravdepodobnosťou môžeme povedať, že batéria už má svoje zdroje.
Ak je varenie batérie počas nabíjania najčastejšie normálnym procesom a nenaznačuje nič zlé, potom je varenie na bežiacom motore určite zlé.
Takýto moment naznačuje poruchu v elektrickom vybavení automobilu.
Nižšie zvážime, v ktorých prípadoch sa batéria varí pri bežiacom motore.
Ak je vaša batéria servisovaná, tento proces je najjednoduchšie určiť vizuálne. Napríklad, ako je uvedené vo videu nižšie:
Ak máte dnes najbežnejšiu, bezúdržbovú batériu, potom proces varu možno určiť nepriamymi znakmi.
Žiaľ, je to znamenie, že v aute vypadla batéria. Stojí za zmienku, že v poslednej dobe sa to začalo diať nielen na starých batériách, ale aj na relatívne čerstvých.
Banky sa veľmi často zatvárajú z vibrácií pohonnej jednotky. Alebo kvôli banálnemu spojeniu zariadenia. Takže ak ste si kúpili novú batériu, postarajte sa o záruku.
Keď sa skončí záručná doba, vykonajte jej komplexné testovanie. Možno vám to pomôže ušetriť peniaze, ktoré miniete na nákup novej batérie.
Dobíjanie je proces nabíjania z generátora prúdmi, ktorých napätie je vyššie ako štandardné.
Zvyčajne je to spôsobené chybným alternátorom automobilu. Zvyčajne by menovité nabíjacie napätie z generátora nemalo prekročiť 14,5 voltov.
Môže to byť viac v prípadoch, keď je regulátor napätia na generátore chybný. Táto porucha je odstránená opravou generátora.
Sulfatácia je chemický proces, pri ktorej sa na povrchu platní tvorí síran olovnatý.
V starších batériách sa síran olovnatý hromadí natoľko, že nabíjací prúd klesá. V tomto prípade, ak generátor naďalej produkuje napätie 14,5 V, batéria začne vrieť.
To znamená, že ak máte veľa elektrických spotrebičov a všetky sú zapnuté, napríklad diaľkové svetlá, klimatizácia, stierače a iné, a batéria nie je prvou čerstvosťou, potom nebude zvládať záťaž a zahreje a uvarí.
V skutočnosti sú to všetky hlavné dôvody varu batérie.
Aby vaša batéria vydržala čo najdlhšie, musíte dodržiavať jednoduché a jednoduché pravidlá na zabránenie varu elektrolytu:
To je všetko, veľa šťastia na cestách a nikdy sa nepokazte.
