Rôzne typy batérií a ich použitie

Batéria je súbor jedného alebo viacerých článkov, ktoré prechádzajú chemickými reakciami a vytvárajú tok elektrónov v obvode. V oblasti batériových technológií prebieha veľa výskumu a pokroku, a preto sú v súčasnosti na celom svete zaužívané a využívané prelomové technológie. Batérie vstúpili do hry z dôvodu potreby ukladania generovanej elektrickej energie. Nakoľko sa generovalo dobré množstvo energie, bolo dôležité energiu uskladniť, aby sa mohla použiť, keď je generácia vypnutá alebo keď je potrebné napájať samostatné zariadenia, ktoré nemôžu byť uviazané na napájanie z elektrickej siete. Tu je potrebné poznamenať, že do batérií je možné uložiť iba jednosmerný prúd, striedavý prúd nie je možné uložiť.

Články batérie sa zvyčajne skladajú z troch hlavných komponentov;

Anóda (negatívna elektróda)
Katóda (pozitívna elektróda)
Elektrolyty

Anóda je záporná elektróda, ktorá produkuje elektróny k vonkajšiemu obvodu, ku ktorému je pripojená batéria. Po pripojení batérií sa na anóde iniciuje vytváranie elektrónov, ktoré spôsobujú potenciálny rozdiel medzi týmito dvoma elektródami. Elektróny sa potom prirodzene pokúsia redistribuovať samy, čomu elektrolyt znemožňuje, takže keď je pripojený elektrický obvod, poskytuje elektrónom jasnú cestu na ich pohyb z anódy na katódu, čím napája obvod, ku ktorému je pripojený. Zmenou usporiadania a materiálu použitého na výrobu anódy, katódy a elektrolytu môžeme dosiahnuť mnoho rôznych typov chemických metód batérií, ktoré nám umožňujú navrhovať rôzne typy batériových článkov. V tomto článku si vysvetlíme rôzne typy batérií a ich použitie, tak poďme na to.

Typy batérií

Batérie možno všeobecne rozdeliť do rôznych kategórií a typov, od chemického zloženia, veľkosti, tvaru a použitia, ale vo všetkých týchto prípadoch ide o dva hlavné typy batérií;

Primárne batérie
Sekundárne batérie

Pozrime sa podrobnejšie, aby sme pochopili hlavné rozdiely medzi bunkou Primacy a Secondary Cell.

1. Primárne batérie

Primárne batérie sú batérie, ktoré nie je možné po vybití nabiť. Primárne batérie sú vyrobené z elektrochemických článkov, ktorých elektrochemická reakcia sa nedá zvrátiť.

Primárne batérie existujú v rôznych formách , od mincových článkov po AA batérie. Bežne sa používajú v samostatných aplikáciách, kde je nabíjanie nepraktické alebo nemožné. Dobrým príkladom sú vojenské prístroje a zariadenia napájané z batérií. Bude nepraktické používať nabíjateľné batérie, pretože nabíjanie batérie bude pre vojakov to posledné, na čo myslia. Primárne batérie majú vždy vysokú špecifickú energiu a systémy, v ktorých sa používajú, sú vždy skonštruované tak, aby spotrebovali malé množstvo energie, aby batéria vydržala čo najdlhšie.

Medzi ďalšie príklady zariadení, ktoré používajú primárne batérie, patrí; Výrobcovia stimulov, sledovače zvierat, náramkové hodinky, diaľkové ovládače a detské hračky.

Najobľúbenejším typom primárnych batérií sú alkalické batérie. Majú vysokú špecifickú energiu a sú šetrné k životnému prostrediu, hospodárne a nedochádza k úniku ani pri úplnom vybití. Môžu byť skladované niekoľko rokov, majú dobrú bezpečnosť a môžu byť prepravované v lietadle bez toho, aby podliehali dopravným predpisom OSN a iným predpisom. Jedinou nevýhodou alkalických batérií je prúd s nízkym zaťažením, ktorý obmedzuje jeho použitie na zariadenia s nízkym prúdovým nárokom, ako sú diaľkové ovládače, baterky a prenosné zábavné zariadenia.

2. Sekundárne batérie

Sekundárne batérie sú batérie s elektrochemickými článkami, ktorých chemické reakcie je možné obrátiť pôsobením určitého napätia na batériu v opačnom smere. Sekundárne články, ktoré sa na rozdiel od primárnych článkov tiež označujú ako nabíjateľné, je možné ich dobiť po vyčerpaní energie z batérie.

Spravidla sa používajú v aplikáciách s vysokým odberom a iných scenároch, kde bude použitie batérií na jedno nabitie buď príliš drahé alebo nepraktické. Sekundárne batérie s malou kapacitou sa používajú na napájanie prenosných elektronických zariadení, ako sú mobilné telefóny, a ďalších pomôcok a zariadení, zatiaľ čo vysokovýkonné batérie sa používajú na napájanie rôznych elektrických vozidiel a iných aplikácií s vysokým odberom, ako napríklad vyrovnávanie zaťaženia pri výrobe elektriny. Používajú sa tiež ako samostatné zdroje energie spolu s invertormi na dodávku elektriny. Počiatočné náklady na obstaranie nabíjateľných batérií sú síce vždy oveľa vyššie ako náklady na primárne batérie, ale sú z dlhodobého hľadiska najefektívnejšie z hľadiska nákladov.

Sekundárne batérie je možné ďalej klasifikovať do niekoľkých ďalších typov na základe ich chémie . To je veľmi dôležité, pretože chémia určuje niektoré z atribútov batérie vrátane jej špecifickej energie, životnosti cyklu, trvanlivosti a ceny.

Nasledujú rôzne typy nabíjateľných batérií, ktoré sa bežne používajú.

Lítium-ión (Li-ion)
Nikel kadmium (Ni-Cd)
Hydrid nikel-kov (Ni-MH)
Kyselina olovnatá

1. Nikel-kadmiové batérie

Nikelkadmiová batéria (NiCd batéria alebo NiCad batéria) je typ nabíjateľnej batérie, ktorá je vyvinutá s použitím oxidu nikelnatého a kovového kadmia ako elektród. Batérie Ni-Cd vynikajú udržiavaním napätia a udržiavaním náboja, keď sa nepoužívajú. Batérie NI-Cd sa však ľahko stanú obeťou obávaného efektu „pamäte“, keď sa čiastočne nabitá batéria nabije, čo zníži budúcu kapacitu batérie.

V porovnaní s inými typmi nabíjateľných článkov ponúkajú Ni-Cd batérie dobrý životný cyklus a výkon pri nízkych teplotách so spravodlivou kapacitou, ale ich najvýznamnejšou výhodou bude schopnosť dodať celú svoju menovitú kapacitu pri vysokých rýchlostiach vybíjania. Sú dostupné v rôznych veľkostiach vrátane veľkostí použitých pre alkalické batérie, AAA až D. Ni-Cd články sa používajú jednotlivo alebo sú zostavené v baleniach po dvoch alebo viacerých článkoch. Malé balenia sa používajú v prenosných zariadeniach, elektronike a hračkách, zatiaľ čo tie väčšie nájdu uplatnenie v štartovacích batériách lietadiel, elektrických vozidlách a pohotovostnom zdroji napájania.

Niektoré vlastnosti nikel-kadmiových batérií sú uvedené nižšie.

Špecifická energia: 40-60 W-h / kg
Hustota energie: 50 - 150 Wh / L
Špecifický výkon: 150 W / kg
Účinnosť nabíjania / vybíjania: 70-90%
Miera samovybíjania: 10% / mesiac
Životnosť / životnosť cyklu: 2 000 cyklov

2. Nikel-metal hydridové batérie

Hydrid kovu nikel (Ni-MH) je ďalším typom chemickej konfigurácie používanej pre nabíjateľné batérie. Chemická reakcia na kladnej elektróde batérií je podobná ako v prípade nikel-kadmiového článku (NiCd), pričom obidva typy batérií používajú rovnaký hydroxid nikelnatý (NiOOH). Negatívne elektródy v nikel-metal-hydride však používajú namiesto kadmia zliatinu absorbujúcu vodík, ktorá sa používa v batériách NiCd.

Batérie NiMH nachádzajú uplatnenie v zariadeniach s vysokým odberom kvôli svojej vysokej kapacite a hustote energie. Batéria NiMH môže mať dvojnásobnú až trojnásobnú kapacitu batérie NiCd rovnakej veľkosti a jej hustota energie sa môže blížiť hodnote lítium-iónovej batérie. Na rozdiel od chémie NiCd nie sú batérie založené na chémii NiMH citlivé na „pamäťový“ efekt, ktorý majú NiCads.

Ďalej uvádzame niektoré z vlastností batérií založených na chémii nikel-metal hydrid;

Špecifická energia: 60 - 120 h / kg
Hustota energie: 140-300 Wh / L
Špecifický výkon: 250 - 1 000 W / kg
Účinnosť nabíjania / vybíjania: 66% - 92%
Miera samovybíjania: 1,3 - 2,9% / mesiac pri 20 ^° C
Životnosť / životnosť cyklu: 180-2000

3. Lítium-iónové batérie

Lítium-iónové batérie sú jedným z najpopulárnejších typov nabíjateľných batérií. Existuje veľa rôznych typov lítiových batérií, ale spomedzi všetkých lítium-iónových batérií sa používajú najčastejšie. Tieto lítiové batérie nájdete v rôznych formách populárne medzi elektrickými vozidlami a inými prenosnými prístrojmi. Ak vás zaujíma viac informácií o batériách používaných v elektrických vozidlách, môžete si prečítať tento článok o batériách elektrických vozidiel. Vyskytujú sa v rôznych prenosných zariadeniach vrátane mobilných telefónov, inteligentných zariadení a niekoľkých ďalších batérií používaných v domácnosti. Vďaka ľahkej povahe nachádzajú tiež aplikácie v leteckom a vojenskom priemysle.

Lítium-iónové batérie sú typom nabíjateľných batérií, pri ktorých lítiové ióny z negatívnej elektródy migrujú počas vybíjania na pozitívnu elektródu a pri nabíjaní batérie migrujú späť na negatívnu elektródu. Lítium-iónové batérie používajú ako jeden elektródový materiál interkalovanú lítiovú zlúčeninu v porovnaní s kovovým lítiom používaným v lítiových batériách, ktoré nie sú nabíjateľné.

Lítium-iónové batérie majú v porovnaní s inými typmi batérií všeobecne vysokú hustotu energie, malý alebo žiadny pamäťový efekt a nízke samovybíjanie. Ich chémia spolu s výkonom a nákladmi sa líšia v rôznych prípadoch použitia, napríklad lítium-iónové batérie používané v ručných elektronických zariadeniach sú zvyčajne založené na lítium-kobaltnatom (LiCoO ₂), ktorý poskytuje vysokú hustotu energie a nízke bezpečnostné riziká pri poškodení, zatiaľ čo lítium-ión batérie na báze fosforečnanu lítneho a železa, ktoré ponúkajú nižšiu hustotu energie, sú bezpečnejšie z dôvodu zníženej pravdepodobnosti nešťastných udalostí, ktoré sa často používajú pri napájaní elektrického náradia a lekárskeho vybavenia. Lítium-iónové batérie ponúkajú najlepší pomer výkonu a hmotnosti, zatiaľ čo lítium-sírne batérie majú najvyšší pomer.

Niektoré atribúty lítium-iónových batérií sú uvedené nižšie;

Špecifická energia: 100: 265 W-h / kg
Hustota energie: 250: 693 Wh / L
Špecifický výkon: 250: 340 W / kg
Percento nabíjania / vybíjania: 80-90%
Trvanlivosť cyklu: 400: 1 200 cyklov
Menovité napätie článku: NMC 3,6 / 3,85V

4. Olovené batérie

Olovené batérie sú lacným spoľahlivým elektrickým koňom používaným v náročných aplikáciách. Zvyčajne sú veľmi veľké a kvôli svojej hmotnosti sa vždy používajú v neprenosných aplikáciách, ako sú skladovanie energie na solárnych paneloch, zapaľovanie vozidla a svetlá, záložný výkon a vyrovnávanie zaťaženia pri výrobe / distribúcii energie. Olovnatá kyselina je najstarší typ nabíjateľných batérií a v dnešnom svete je stále veľmi dôležitá a dôležitá. Olovené batérie majú veľmi nízky pomer energie k objemu a pomeru energie k hmotnosti, majú však relatívne vysoký pomer výkonu k hmotnosti a v dôsledku toho môžu v prípade potreby dodávať obrovské nárazové prúdy. Vďaka týmto atribútom sú tieto batérie okrem nízkych nákladov atraktívne aj pre použitie v niekoľkých silnoprúdových aplikáciách, ako sú napájanie štartovacích motorov automobilov, a pre uskladnenie v záložných zdrojoch napájania.Môžete sa tiež pozrieť na článok o fungovaní olovených batérií, ak sa chcete dozvedieť viac o rôznych druhoch olovených batérií, ich konštrukcii a aplikáciách.

Každá z týchto batérií má najvhodnejšiu oblasť a obrázok uvedený nižšie má pomôcť pri výbere medzi nimi.

Výber správnej batérie pre vašu aplikáciu

Jedným z hlavných problémov brániacich technologickým revolúciám, ako je IoT, je napájanie, výdrž batérie ovplyvňuje úspešné nasadenie zariadení, ktoré si vyžadujú dlhú výdrž batérie, a aj keď sa používa niekoľko techník správy napájania, vďaka ktorým batéria vydrží dlhšie, je stále potrebné zvoliť kompatibilnú batériu dosiahnuť požadovaný výsledok.

Ďalej uvádzame niekoľko faktorov, ktoré je potrebné zohľadniť pri výbere správneho typu batérie pre váš projekt.

1. Hustota energie: Hustota energie je celkové množstvo energie, ktoré je možné uložiť na jednotku hmotnosti alebo objemu. To určuje, ako dlho zostane vaše zariadenie zapnuté, kým nebude potrebné nabiť ho.

2. Hustota výkonu: Maximálna rýchlosť vypúšťania energie na jednotku hmotnosti alebo objemu. Nízka spotreba: notebook, i-pod. Vysoký výkon: elektrické náradie.

3. Bezpečnosť: Je dôležité vziať do úvahy teplotu, pri ktorej bude pracovať zariadenie, ktoré budujete. Pri vysokých teplotách sa niektoré komponenty batérie rozpadnú a môžu podliehať exotermickým reakciám. Vysoké teploty spravidla znižujú výkon väčšiny batérií.

4. Životnosť životného cyklu: Stabilita hustoty energie a hustota energie batérie s opakovaným cyklovaním (nabíjanie a vybíjanie) je potrebná pre dlhú životnosť batérie požadovanú väčšinou aplikácií.

5. Náklady: Náklady sú dôležitou súčasťou všetkých technických rozhodnutí, ktoré budete robiť. Je dôležité, aby náklady na výber batérie boli porovnateľné s jej výkonom a nezvyšovali abnormálne celkové náklady na projekt.