Różne rodzaje baterii i ich zastosowania

Bateria to zbiór co najmniej jednego ogniwa, które podlega reakcjom chemicznym w celu wytworzenia przepływu elektronów w obwodzie. Istnieje wiele badań i postępów w technologii akumulatorów, w wyniku czego przełomowe technologie są obecnie wykorzystywane na całym świecie. Akumulatory weszły do gry ze względu na konieczność magazynowania wytworzonej energii elektrycznej. Chociaż generowano dużą ilość energii, ważne było, aby ją przechowywać, aby można ją było wykorzystać, gdy produkcja jest wyłączona lub gdy istnieje potrzeba zasilania samodzielnych urządzeń, które nie mogą być podłączone do zasilania z sieci. W tym miejscu należy zauważyć, że w akumulatorach można przechowywać tylko prąd stały, prąd zmienny nie może być przechowywany.

Ogniwa baterii składają się zwykle z trzech głównych elementów;

Anoda (elektroda ujemna)
Katoda (elektroda dodatnia)
Elektrolity

Anoda jest elektrodą ujemną, która wytwarza elektrony do obwodu zewnętrznego, do którego podłączona jest bateria. Po podłączeniu baterii na anodzie inicjowane jest gromadzenie się elektronów, co powoduje różnicę potencjałów między dwiema elektrodami. Następnie elektrony w naturalny sposób próbują się redystrybuować, czemu zapobiega elektrolit, więc po podłączeniu obwodu elektrycznego zapewnia on czystą ścieżkę dla elektronów przemieszczających się od anody do katody, zasilając tym samym obwód, do którego jest podłączony. Zmieniając układ i materiał użyty do budowy anody, katody i elektrolitu, możemy osiągnąć wiele różnych typów chemii baterii, co pozwala nam projektować różne typy ogniw baterii. W tym artykule omówimy różne typy baterii i ich zastosowania, więc zacznijmy.

Rodzaje baterii

Baterie generalnie można podzielić na różne kategorie i typy, począwszy od składu chemicznego, rozmiaru, współczynnika kształtu i przypadków użycia, ale wszystkie z nich obejmują dwa główne typy baterii;

Baterie podstawowe
Baterie wtórne

Przyjrzyjmy się głębiej, aby zrozumieć główne różnice między komórką Primacy i Secondary Cell.

1. Baterie podstawowe

Baterie pierwotne to baterie, których nie można naładować po wyczerpaniu. Baterie pierwotne są zbudowane z ogniw elektrochemicznych, których reakcji elektrochemicznej nie można cofnąć.

Baterie pierwotne występują w różnych formach , od baterii pastylkowych po baterie AA. Są powszechnie używane w samodzielnych aplikacjach, w których ładowanie jest niepraktyczne lub niemożliwe. Dobrym przykładem są urządzenia klasy wojskowej i sprzęt zasilany bateryjnie. Używanie akumulatorów będzie niepraktyczne, ponieważ ładowanie baterii będzie ostatnią rzeczą, o której żołnierze będą myśleć. Baterie pierwotne zawsze mają wysoką energię właściwą, a systemy, w których są używane, są zawsze zaprojektowane tak, aby zużywały niewielką ilość energii, aby zapewnić jak najdłuższą żywotność baterii.

Inne przykłady urządzeń wykorzystujących baterie podstawowe obejmują; Rozruszniki tempa, urządzenia do śledzenia zwierząt, zegarki naręczne, piloty i zabawki dla dzieci, aby wymienić tylko kilka.

Najpopularniejszym rodzajem baterii pierwotnych są baterie alkaliczne. Mają wysoką energię właściwą i są przyjazne dla środowiska, opłacalne i nie przeciekają nawet po całkowitym rozładowaniu. Mogą być przechowywane przez kilka lat, mają dobrą historię bezpieczeństwa i mogą być przewożone na pokładzie samolotu bez podlegania transportowi ONZ i innym przepisom. Jedynym minusem baterii alkalicznych jest niski prąd obciążenia, który ogranicza ich zastosowanie do urządzeń o niskim poborze prądu, takich jak piloty, latarki i przenośne urządzenia rozrywkowe.

2. Baterie wtórne

Baterie wtórne to baterie z ogniwami elektrochemicznymi, których reakcje chemiczne można odwrócić, przykładając do baterii określone napięcie w odwrotnym kierunku. Nazywane również akumulatorami, ogniwa wtórne, w przeciwieństwie do ogniw pierwotnych, mogą być ładowane po zużyciu energii w baterii.

Są one zwykle używane w zastosowaniach wymagających dużego poboru mocy i innych scenariuszach, w których użycie akumulatorów z pojedynczym ładowaniem będzie zbyt drogie lub niewykonalne. Akumulatory wtórne o małej pojemności są używane do zasilania przenośnych urządzeń elektronicznych, takich jak telefony komórkowe oraz inne gadżety i urządzenia, podczas gdy akumulatory o dużej wytrzymałości są używane do zasilania różnorodnych pojazdów elektrycznych i innych zastosowań wymagających dużego zużycia energii, takich jak wyrównywanie obciążenia przy wytwarzaniu energii elektrycznej. Są również używane jako samodzielne źródła zasilania wraz z falownikami do dostarczania energii elektrycznej. Chociaż początkowy koszt nabycia akumulatorów jest zawsze o wiele wyższy niż w przypadku akumulatorów pierwotnych, są one najbardziej opłacalne w perspektywie długoterminowej.

Baterie wtórne można dalej podzielić na kilka innych typów na podstawie ich składu chemicznego . Jest to bardzo ważne, ponieważ chemia określa niektóre cechy baterii, w tym jej energię właściwą, cykl życia, trwałość i cenę, aby wymienić tylko kilka.

Poniżej przedstawiono różne typy powszechnie używanych akumulatorów.

Litowo-jonowy (Li-ion)
Nikiel Kadm (Ni-Cd)
Niklowo-wodorkowe (Ni-MH)
Kwas ołowiu

1. Baterie niklowo-kadmowe

Akumulator niklowo-kadmowy (akumulator niklowo-kadmowy lub akumulator niklowo-kadmowy) to typ akumulatora, który został opracowany przy użyciu wodorotlenku niklu i metalicznego kadmu jako elektrod. Akumulatory Ni-Cd wyróżniają się w utrzymywaniu napięcia i utrzymywaniu ładunku, gdy nie są używane. Jednak akumulatory NI-Cd łatwo stają się ofiarą przerażającego efektu „pamięci”, gdy częściowo naładowany akumulator jest ładowany, co obniża przyszłą pojemność akumulatora.

W porównaniu z innymi typami akumulatorów, akumulatory Ni-Cd oferują dobrą żywotność i wydajność w niskich temperaturach przy dobrej pojemności, ale ich najważniejszą zaletą będzie zdolność do zapewnienia pełnej pojemności znamionowej przy wysokich szybkościach rozładowania. Są dostępne w różnych rozmiarach, w tym w rozmiarach stosowanych do baterii alkalicznych, od AAA do D. Ogniwa Ni-Cd są używane pojedynczo lub w zestawach po dwa lub więcej ogniw. Małe paczki znajdują zastosowanie w urządzeniach przenośnych, elektronice i zabawkach, większe w akumulatorach rozruchowych samolotów, pojazdach elektrycznych i zasilaczach rezerwowych.

Poniżej wymieniono niektóre właściwości akumulatorów niklowo-kadmowych.

Energia właściwa: 40-60 W-h / kg
Gęstość energii: 50-150 Wh / l
Moc właściwa: 150 W / kg
Wydajność ładowania / rozładowania: 70-90%
Wskaźnik samorozładowania: 10% / miesiąc
Trwałość / żywotność cyklu: 2000 cykli

2. Baterie niklowo-wodorkowe

Wodorek niklowo-metaliczny (Ni-MH) to inny rodzaj konfiguracji chemicznej używanej w akumulatorach. Reakcja chemiczna na dodatniej elektrodzie akumulatorów jest podobna do reakcji ogniwa niklowo-kadmowego (NiCd), przy czym oba typy akumulatorów wykorzystują ten sam wodorotlenek niklu (NiOOH). Jednak elektrody ujemne w niklowo-wodorkach wykorzystują stop pochłaniający wodór zamiast kadmu, który jest stosowany w akumulatorach NiCd

Akumulatory NiMH znajdują zastosowanie w urządzeniach o wysokim poborze mocy ze względu na ich dużą pojemność i gęstość energii. Akumulator NiMH może mieć dwa do trzech razy większą pojemność niż akumulator NiCd o tym samym rozmiarze, a jego gęstość energii może być zbliżona do gęstości akumulatora litowo-jonowego. W przeciwieństwie do chemii NiCd, baterie oparte na składzie NiMH nie są podatne na efekt „pamięci”, którego doświadczają NiCad.

Poniżej przedstawiono niektóre właściwości akumulatorów opartych na składzie niklowo-wodorkowym;

Energia właściwa: 60-120h / kg
Gęstość energii: 140-300 Wh / l
Moc właściwa: 250-1000 W / kg
Wydajność ładowania / rozładowania: 66% - 92%
Współczynnik samorozładowania: 1,3-2,9% / miesiąc w 20 ^o C
Cykl Trwałość / żywotność: 180-2000

3. Baterie litowo-jonowe

Akumulatory litowo-jonowe to jedne z najpopularniejszych typów akumulatorów. Istnieje wiele różnych typów baterii litowych, ale spośród wszystkich baterii litowo-jonowych są one najczęściej używane. Te baterie litowe można znaleźć w różnych formach popularnie wśród pojazdów elektrycznych i innych przenośnych gadżetów. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na temat akumulatorów stosowanych w pojazdach elektrycznych, zapoznaj się z tym artykułem na temat akumulatorów do pojazdów elektrycznych. Występują w różnych urządzeniach przenośnych, w tym telefonach komórkowych, urządzeniach inteligentnych i kilku innych urządzeniach akumulatorowych używanych w domu. Ze względu na swoją lekkość znajdują również zastosowania w lotnictwie i wojsku.

Baterie litowo-jonowe to rodzaj akumulatorów, w których jony litu z elektrody ujemnej migrują do elektrody dodatniej podczas rozładowania i migrują z powrotem do elektrody ujemnej podczas ładowania baterii. Baterie litowo-jonowe wykorzystują interkalowany związek litu jako jeden materiał elektrody, w porównaniu z metalicznym litem używanym w jednorazowych bateriach litowych.

Akumulatory litowo-jonowe generalnie charakteryzują się wysoką gęstością energii, niewielkim efektem pamięci lub brakiem efektu oraz niskim poziomem samorozładowania w porównaniu z innymi typami akumulatorów. Ich skład chemiczny, wydajność i koszt różnią się w zależności od różnych przypadków użycia, na przykład akumulatory litowo-jonowe stosowane w przenośnych urządzeniach elektronicznych są zwykle oparte na tlenku kobaltu litu (LiCoO ₂), który zapewnia wysoką gęstość energii i niskie ryzyko uszkodzenia w przypadku uszkodzenia Baterie oparte na fosforanie litowo-żelazowym, które oferują niższą gęstość energii, są bezpieczniejsze ze względu na mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia nieszczęśliwych zdarzeń, są szeroko stosowane w zasilaniu elektronarzędzi i sprzętu medycznego. Akumulatory litowo-jonowe zapewniają najlepszy stosunek wydajności do masy, a akumulator litowo-siarkowy zapewnia najwyższy stosunek.

Poniżej wymieniono niektóre cechy akumulatorów litowo-jonowych;

Energia właściwa: 100: 265 W-h / kg
Gęstość energii: 250: 693 Wh / l
Moc właściwa: 250: 340 W / kg
Procent ładowania / rozładowania: 80-90%
Trwałość cyklu: 400: 1200 cykli
Nominalne napięcie ogniwa: NMC 3,6 / 3,85 V.

4. Akumulatory kwasowo-ołowiowe

Akumulatory kwasowo-ołowiowe to niedrogi, niezawodny koń pociągowy do zastosowań wymagających dużej mocy. Zwykle są bardzo duże, a ze względu na swoją wagę są zawsze używane w zastosowaniach nieprzenośnych, takich jak magazynowanie energii w panelach słonecznych, zapłon i światła pojazdów, zasilanie awaryjne i wyrównanie obciążenia w wytwarzaniu / dystrybucji energii. Kwas ołowiowy jest najstarszym typem akumulatorów i nadal jest bardzo ważny i ważny w dzisiejszym świecie. Akumulatory kwasowo-ołowiowe mają bardzo niski stosunek energii do objętości i energii do masy, ale mają stosunkowo duży stosunek mocy do masy, w wyniku czego mogą w razie potrzeby dostarczać ogromne prądy udarowe. Te cechy, wraz z niskim kosztem, czynią te akumulatory atrakcyjnymi do użytku w wielu zastosowaniach wysokoprądowych, takich jak zasilanie rozruszników samochodowych i przechowywanie w zasilaczach rezerwowych.Możesz również zapoznać się z artykułem na temat działania akumulatorów kwasowo-ołowiowych, jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o różnych typach akumulatorów kwasowo-ołowiowych, ich budowie i zastosowaniach.

Każda z tych baterii ma swój obszar najlepszego dopasowania, a poniższy obraz ma pomóc w wyborze między nimi.

Dobór odpowiedniej baterii do aplikacji

Jednym z głównych problemów utrudniających rewolucje technologiczne, takie jak IoT, jest moc, żywotność baterii wpływa na pomyślne wdrażanie urządzeń, które wymagają długiego czasu pracy na baterii i chociaż stosuje się kilka technik zarządzania energią, aby wydłużyć żywotność baterii, nadal należy wybrać kompatybilną baterię aby osiągnąć pożądany rezultat.

Poniżej przedstawiono kilka czynników, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze odpowiedniego typu baterii do swojego projektu.

1. Gęstość energii: Gęstość energii to całkowita ilość energii, która może być zmagazynowana na jednostkę masy lub objętości. Określa, jak długo urządzenie pozostaje włączone, zanim będzie wymagało ładowania.

2. Gęstość mocy: maksymalna szybkość rozładowania energii na jednostkę masy lub objętości. Mała moc: laptop, i-pod. Duża moc: elektronarzędzia.

3. Bezpieczeństwo: Ważne jest, aby wziąć pod uwagę temperaturę, w której będzie działać budowane urządzenie. W wysokich temperaturach niektóre elementy baterii ulegną rozpadowi i mogą podlegać reakcjom egzotermicznym. Wysokie temperatury ogólnie zmniejszają wydajność większości akumulatorów.

4. Trwałość w cyklu życia: Stabilność gęstości energii i gęstości mocy baterii przy powtarzających się cyklach (ładowanie i rozładowywanie) jest potrzebna dla długiej żywotności baterii wymaganej w większości zastosowań.

5. Koszt: Koszt jest ważną częścią wszelkich decyzji inżynieryjnych, które będziesz podejmować. Ważne jest, aby koszt wybranego akumulatora był współmierny do jego wydajności i nie zwiększał nadmiernie całkowitego kosztu projektu.