Diferite tipuri de baterii și aplicațiile acestora

O baterie este o colecție de una sau mai multe celule care intră sub reacții chimice pentru a crea fluxul de electroni într-un circuit. Există multe cercetări și progrese în ceea ce privește tehnologia bateriilor și, ca rezultat, tehnologiile avansate sunt experimentate și utilizate în întreaga lume în prezent. Bateriile au intrat în joc din cauza necesității de a stoca energia electrică generată. Oricât de multă energie a fost generată, a fost important să se stocheze energia astfel încât să poată fi utilizată atunci când generarea este defectă sau când este nevoie să alimenteze dispozitive independente care nu pot fi ținute legate de sursa de alimentare de la rețea. Aici trebuie remarcat faptul că numai bateriile DC pot fi stocate, iar curentul alternativ nu poate fi stocat.

Celulele bateriei sunt formate de obicei din trei componente principale;

Anodul (electrod negativ)
Catodul (electrod pozitiv)
Electroliții

Anodul este un electrod negativ care produce electroni în circuitul extern la care este conectată bateria. Când bateriile sunt conectate, se inițiază o acumulare de electroni la anod, ceea ce determină o diferență de potențial între cei doi electrozi. Electronii încearcă în mod natural să se redistribuie singuri, acest lucru fiind prevenit de electrolit, astfel încât atunci când este conectat un circuit electric, acesta oferă o cale liberă pentru ca electronii să se deplaseze de la anod la catod alimentând astfel circuitul la care este conectat. Prin schimbarea aranjamentului și a materialului utilizat pentru construirea anodului, catodului și electrolitului, putem realiza multe tipuri diferite de chimie a bateriilor, permițându-ne să proiectăm diferite tipuri de celule ale bateriei. În acest articol vă permite să înțelegeți diferitele tipuri de baterii și utilizările acestora, deci sa începem.

Tipuri de baterii

Bateriile pot fi în general clasificate în diferite categorii și tipuri, variind de la compoziția chimică, dimensiunea, factorul de formă și cazurile de utilizare, dar în toate acestea sunt două tipuri majore de baterii;

Baterii primare
Baterii secundare

Să aruncăm o privire mai profundă pentru a înțelege diferențele majore dintre o celulă Primacy și o celulă secundară.

1. Baterii primare

Bateriile primare sunt baterii care nu pot fi reîncărcate după epuizare. Bateriile primare sunt fabricate din celule electrochimice a căror reacție electrochimică nu poate fi inversată.

Bateriile primare există sub diferite forme, de la celule monede până la baterii AA. Acestea sunt utilizate în mod obișnuit în aplicații independente în care încărcarea este imposibilă sau imposibilă. Un bun exemplu este cel al dispozitivelor militare și al echipamentelor alimentate cu baterii. Nu va fi practic să folosiți baterii reîncărcabile, deoarece reîncărcarea unei baterii va fi ultimul lucru în mintea soldaților. Bateriile primare au întotdeauna o energie specifică ridicată, iar sistemele în care sunt utilizate sunt întotdeauna proiectate să consume o cantitate redusă de energie pentru a permite bateriei să dureze cât mai mult posibil.

Alte exemple de dispozitive care utilizează baterii primare includ; Producători de ritm, urme de urmărire a animalelor, ceasuri de mână, telecomenzi și jucării pentru copii, pentru a menționa câteva.

Cel mai popular tip de baterii primare sunt bateriile alcaline. Au o energie specifică ridicată și sunt ecologice, rentabile și nu se scurg chiar și atunci când sunt descărcate complet. Ele pot fi depozitate timp de câțiva ani, au un istoric bun de siguranță și pot fi transportate pe o aeronavă fără a fi supuse reglementărilor ONU privind transportul și alte reglementări. Singurul dezavantaj al bateriilor alcaline este curentul de sarcină redus, care limitează utilizarea acestuia la dispozitive cu cerințe de curent redus, cum ar fi telecomenzi, lanterne și dispozitive portabile de divertisment.

2. Baterii secundare

Bateriile secundare sunt baterii cu celule electrochimice ale căror reacții chimice pot fi inversate aplicând o anumită tensiune bateriei în direcția inversată. Denumite și baterii reîncărcabile, celulele secundare, spre deosebire de celulele primare, pot fi reîncărcate după ce energia bateriei a fost consumată.

Acestea sunt de obicei utilizate în aplicații cu scurgere ridicată și în alte scenarii în care va fi fie prea scump, fie impracticabil să se utilizeze baterii cu o singură încărcare. Bateriile secundare de capacitate mică sunt utilizate pentru alimentarea dispozitivelor electronice portabile, cum ar fi telefoanele mobile și alte dispozitive și dispozitive, în timp ce bateriile pentru sarcini grele sunt utilizate la alimentarea vehiculelor electrice diverse și a altor aplicații cu scurgere ridicată, cum ar fi nivelarea sarcinii în generarea de electricitate. Ele sunt, de asemenea, utilizate ca surse de alimentare independente alături de invertoare pentru a furniza energie electrică. Deși costul inițial al achiziționării bateriilor reîncărcabile este întotdeauna mult mai mare decât cel al bateriilor primare, dar acestea sunt cele mai rentabile pe termen lung.

Bateriile secundare pot fi clasificate în mai multe alte tipuri pe baza chimiei lor . Acest lucru este foarte important, deoarece chimia determină unele dintre atributele bateriei, inclusiv energia specifică, durata de viață, durata de valabilitate și prețul pentru a menționa câteva.

Următoarele sunt diferitele tipuri de baterii reîncărcabile care sunt utilizate în mod obișnuit.

Litiu-ion (Li-ion)
Nichel cadmiu (Ni-Cd)
Hidrură de nichel-metal (Ni-MH)
Plumb-acid

1. Baterii nichel-cadmiu

Bateria nichel-cadmiu (baterie NiCd sau baterie NiCad) este un tip de baterie reîncărcabilă dezvoltată folosind hidroxid de oxid de nichel și cadmiu metalic ca electrozi. Bateriile Ni-Cd excelează pentru menținerea tensiunii și menținerea încărcării atunci când nu sunt utilizate. Cu toate acestea, bateriile NI-Cd sunt ușor victime ale temutului efect de „memorie” atunci când se reîncarcă o baterie parțial încărcată, scăzând capacitatea viitoare a bateriei.

În comparație cu alte tipuri de celule reîncărcabile, bateriile Ni-Cd oferă un ciclu de viață și performanțe bune la temperaturi scăzute, cu o capacitate echitabilă, dar cel mai important avantaj al acestora va fi capacitatea lor de a furniza capacitatea nominală completă la rate de descărcare ridicate. Sunt disponibile în diferite dimensiuni, inclusiv dimensiunile utilizate pentru bateriile alcaline, AAA la D. Celulele Ni-Cd sunt utilizate individual sau asamblate în pachete de două sau mai multe celule. Pachetele mici sunt utilizate în dispozitive portabile, electronice și jucării, în timp ce cele mai mari își găsesc aplicația în bateriile de pornire a avioanelor, vehiculelor electrice și sursa de alimentare de rezervă.

Unele dintre proprietățile bateriilor nichel-cadmiu sunt enumerate mai jos.

Energie specifică: 40-60W-h / kg
Densitatea energiei: 50-150 Wh / L
Putere specifică: 150W / kg
Eficiență de încărcare / descărcare: 70-90%
Rata de auto-descărcare: 10% / lună
Durabilitate / viață a ciclului: 2000 de cicluri

2. Baterii cu hidrură de nichel-metal

Hidrura metalică de nichel (Ni-MH) este un alt tip de configurație chimică utilizată pentru bateriile reîncărcabile. Reacția chimică la electrodul pozitiv al bateriilor este similară cu cea a celulei de nichel-cadmiu (NiCd), ambele tipuri de baterii utilizând același hidroxid de nichel oxid (NiOOH). Cu toate acestea, electrozii negativi din hidrura de nichel-metal utilizează un aliaj absorbant de hidrogen în loc de cadmiu care este utilizat în bateriile NiCd

Bateriile NiMH își găsesc aplicarea în dispozitive cu scurgere ridicată datorită capacității și densității lor ridicate de energie. O baterie NiMH poate avea de două până la trei ori capacitatea unei baterii NiCd de aceeași dimensiune, iar densitatea sa de energie se poate apropia de cea a unei baterii litiu-ion. Spre deosebire de chimia NiCd, bateriile bazate pe chimia NiMH nu sunt susceptibile la efectul de „memorie” pe care îl experimentează NiCads.

Mai jos sunt câteva dintre proprietățile bateriilor bazate pe chimia nichelului-hidrurii metalice;

Energie specifică: 60-120h / kg
Densitate energetică: 140-300 Wh / L
Putere specifică: 250-1000 W / kg
Eficiență de încărcare / descărcare: 66% - 92%
Rata de auto-descărcare: 1,3-2,9% / lună la 20 ^o C
Durabilitate / viață a ciclului: 180-2000

3. Baterii litiu-ion

Bateriile litiu-ion sunt unul dintre cele mai populare tipuri de baterii reîncărcabile. Există multe tipuri diferite de baterii litiu, dar dintre toate bateriile litiu-ion sunt cele mai utilizate. Puteți găsi aceste baterii cu litiu folosite în diferite forme în mod popular în rândul vehiculelor electrice și al altor dispozitive portabile. Dacă sunteți curioși să aflați mai multe despre bateriile utilizate în vehiculele electrice, puteți consulta acest articol despre Bateriile vehiculelor electrice. Acestea se găsesc în diferite aparate portabile, inclusiv telefoane mobile, dispozitive inteligente și alte câteva aparate cu baterii folosite acasă. De asemenea, găsesc aplicații în aplicații aerospațiale și militare datorită naturii lor ușoare.

Bateriile litiu-ion sunt un tip de baterie reîncărcabilă în care ionii de litiu din electrodul negativ migrează către electrodul pozitiv în timpul descărcării și migrează înapoi la electrodul negativ atunci când bateria este încărcată. Bateriile Li-ion utilizează un compus intercalat de litiu ca material unic, comparativ cu litiul metalic utilizat în bateriile cu litiu care nu se reîncarcă.

Bateriile litiu-ion posedă, în general, densitate mare de energie, efect de memorie redus sau deloc și auto-descărcare redusă, comparativ cu alte tipuri de baterii. Chimia lor, alături de performanță și cost, variază în funcție de cazurile de utilizare, de exemplu, bateriile Li-ion utilizate în dispozitivele electronice portabile se bazează de obicei pe oxid de litiu-cobalt (LiCoO ₂), care oferă o densitate ridicată a energiei și riscuri scăzute de siguranță atunci când sunt deteriorate în timp ce Li-ion bateriile pe bază de fosfat de fier de litiu, care oferă o densitate mai mică a energiei, sunt mai sigure datorită probabilității reduse de evenimente nefericite, sunt utilizate pe scară largă la alimentarea sculelor electrice și a echipamentelor medicale. Bateriile litiu-ion oferă cel mai bun raport performanță / greutate, iar bateria litiu sulf oferă cel mai mare raport.

Unele dintre atributele bateriilor litiu-ion sunt enumerate mai jos;

Energie specifică: 100: 265W-h / kg
Densitate energetică: 250: 693 Wh / L
Putere specifică: 250: 340 W / kg
Procent de încărcare / descărcare: 80-90%
Durabilitatea ciclului: 400: 1200 cicluri
Tensiunea nominală a celulei: NMC 3,6 / 3,85V

4. Baterii cu plumb-acid

Bateriile plumb-acid sunt un cal de lucru fiabil și cu costuri reduse, utilizate în aplicații grele. Sunt de obicei foarte mari și, din cauza greutății lor, sunt întotdeauna utilizate în aplicații neportabile, cum ar fi stocarea energiei panourilor solare, aprinderea vehiculelor și luminile, puterea de rezervă și nivelarea sarcinii în generarea / distribuția de energie. Plumb-acidul este cel mai vechi tip de baterie reîncărcabilă și încă foarte relevant și important în lumea de astăzi. Bateriile plumb-acid au un raport energetic / volum foarte scăzut și raporturi energie / greutate, dar au un raport relativ mare de putere la greutate și, prin urmare, pot furniza curenți de supratensiune uriași atunci când este necesar. Aceste atribute, alături de costul redus, fac aceste baterii atractive pentru utilizarea în mai multe aplicații cu curent ridicat, cum ar fi alimentarea motoarelor de pornire pentru automobile și pentru stocarea în surse de alimentare de rezervă.De asemenea, puteți consulta articolul despre funcționarea bateriei cu plumb acid dacă doriți să aflați mai multe despre diferitele tipuri de baterii plumb-acid, construcția și aplicațiile sale.

Fiecare dintre aceste baterii are zona sa de potrivire optimă, iar imaginea de mai jos este pentru a ajuta la alegerea dintre ele.

Selectarea bateriei potrivite pentru aplicația dvs.

Una dintre principalele probleme care împiedică revoluțiile tehnologice, cum ar fi IoT, este alimentarea, durata de viață a bateriei afectează desfășurarea cu succes a dispozitivelor care necesită o durată lungă de viață a bateriei și chiar dacă sunt adoptate mai multe tehnici de gestionare a energiei pentru a face bateria să dureze mai mult, o baterie compatibilă trebuie totuși selectată pentru a atinge rezultatul dorit.

Mai jos sunt câțiva factori de luat în considerare atunci când selectați tipul potrivit de baterie pentru proiectul dvs.

1. Densitatea energiei: Densitatea energiei este cantitatea totală de energie care poate fi stocată pe unitate de masă sau volum. Aceasta determină cât timp rămâne dispozitivul pornit înainte de a avea nevoie de o reîncărcare.

2. Densitate de putere: Rata maximă de descărcare de energie pe unitate de masă sau volum. Putere redusă: laptop, i-pod. Putere mare: scule electrice.

3. Siguranță: este important să luați în considerare temperatura la care va funcționa dispozitivul pe care îl construiți. La temperaturi ridicate, anumite componente ale bateriei se vor defecta și pot suferi reacții exoterme. Temperaturile ridicate reduc în general performanța majorității bateriilor.

4. Durabilitatea ciclului de viață: Stabilitatea densității energiei și a densității puterii unei baterii cu cicluri repetate (încărcare și descărcare) este necesară pentru o durată lungă de viață a bateriei cerută de majoritatea aplicațiilor.

5. Cost: Costul este o parte importantă a oricăror decizii inginerești pe care le veți lua. Este important ca costul alegerii bateriei dvs. să fie proporțional cu performanțele sale și să nu mărească anormal costul general al proiectului.