O escopo de aplicação das baterias elétricas é extremamente amplo. Eles são usados como fontes de eletricidade em Brinquedos infantis, e em ferramentas elétricas, e como fonte de tração em veículos elétricos. Para usar corretamente as baterias, você precisa conhecer suas propriedades, seus pontos fortes e fracos.
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O que é uma bateria elétrica e como ela funciona
Bateria elétrica - é renovável fonte de energia elétrica. Ao contrário das células galvânicas, após serem descarregadas, podem ser carregadas novamente. Em princípio, todas as baterias são dispostas da mesma maneira e consistem em um cátodo e um ânodo colocados em um eletrólito.
O material dos eletrodos e a composição do eletrólito podem ser diferentes, e é isso que determina as propriedades de consumo das baterias e seu escopo.Entre o cátodo e o ânodo, pode ser colocado um separador dielétrico poroso - um separador impregnado com eletrólito. Mas determina, em grande parte, as propriedades mecânicas do conjunto e não afeta fundamentalmente a operação do elemento.
Em geral, a operação da bateria é baseada em duas transformações de energia:
- elétrica para química durante o carregamento;
- química em elétrica durante a descarga.
Ambos os tipos de conversão são baseados na ocorrência de reações químicas reversíveis, cujo curso é determinado pelas substâncias usadas na bateria. Assim, em uma célula de chumbo-ácido, a parte ativa do ânodo é feita de dióxido de chumbo e o cátodo é feito de chumbo metálico. Os eletrodos estão em um eletrólito de ácido sulfúrico. Quando descarregado no ânodo, o dióxido de chumbo é reduzido para formar sulfato de chumbo e água, e o chumbo no cátodo é oxidado a sulfato de chumbo. As reações inversas ocorrem durante o carregamento. Em baterias de outros designs, os componentes reagem de forma diferente, mas o princípio é semelhante.
Tipos e tipos de baterias
As propriedades das baterias para o consumidor são determinadas principalmente pela sua tecnologia de produção. Na vida cotidiana e na indústria, vários tipos de células de bateria são mais comuns.
Chumbo ácido
Esse tipo de bateria foi inventado em meados do século 19 e ainda tem seu próprio nicho de aplicação. Suas vantagens incluem:
- tecnologia de produção simples, barata e com décadas de existência;
- saída de alta corrente;
- longa vida útil (de 300 a 1000 ciclos de carga e descarga);
- a corrente de auto-descarga mais baixa;
- nenhum efeito de memória.
Há também desvantagens.Em primeiro lugar, esta é uma baixa intensidade de energia específica, levando a um aumento de dimensões e peso. Há também um desempenho ruim em baixas temperaturas, especialmente abaixo de -20 °C. Há também problemas com o descarte - os compostos de chumbo são bastante tóxicos. Mas esta tarefa deve ser endereçado para outros tipos de baterias.
Embora as baterias de chumbo-ácido tenham sido otimizadas ao máximo, mesmo aqui há espaço para melhorias. Por exemplo, existe a tecnologia AGM, segundo a qual um material poroso impregnado com um eletrólito é colocado entre os eletrodos. Isso não afeta os processos eletroquímicos de carga e descarga. Basicamente, isso melhora as características mecânicas das baterias (resistência à vibração, capacidade de trabalhar em quase qualquer posição, etc.) e aumenta um pouco a segurança da operação.
Além disso, uma vantagem notável é a operação aprimorada sem perda de capacitância e saída de corrente em temperaturas abaixo de 30 °C. Os fabricantes de baterias AGM alegam um aumento na corrente e nos recursos de partida.
As baterias de gel são outra modificação das baterias de chumbo-ácido. O eletrólito engrossa para um estado gelatinoso. Isso permite a exclusão de vazamento de eletrólito durante a operação e elimina a possibilidade de formação de gases. Mas a saída de corrente é um pouco reduzida, e isso limita a possibilidade de usar baterias de gel como baterias de partida. As propriedades milagrosas declaradas de tais baterias em termos de aumento de capacidade e aumento de recursos estão na consciência dos profissionais de marketing.
As baterias de chumbo-ácido são geralmente carregadas no modo de estabilização de tensão. Ao mesmo tempo, a tensão na bateria aumenta e a corrente de carga diminui. O critério para o final do processo de carregamento é a queda da corrente até o limite definido.
Níquel-cádmio
Seu século está chegando ao fim, e o escopo está diminuindo gradualmente. Sua principal desvantagem é um efeito de memória pronunciado. Se você começar a recarregar uma bateria de Ni-Cd incompletamente descarregada, o elemento “lembra” desse nível e a capacidade é determinada a partir desse valor. Outro problema é a baixa compatibilidade ambiental. Os compostos tóxicos de cádmio criam problemas com o descarte dessas baterias. Outras desvantagens incluem:
- alta tendência à auto-descarga;
- consumo de energia relativamente baixo.
Mas também há vantagens:
- baixo custo;
- longa vida útil (até 1000 ciclos de carga e descarga);
- capacidade de fornecer alta corrente.
Além disso, as vantagens de tais baterias incluem a capacidade de trabalhar em baixas temperaturas negativas.
O carregamento das células Ni-Cd é realizado no modo de corrente contínua. Você pode usar totalmente a capacidade recarregando com uma diminuição suave ou gradual na corrente de carga. O final do processo é controlado pela diminuição da tensão da célula.
hidreto de níquel
Projetado para substituir baterias de níquel-cádmio. Muitas características e propriedades de consumo são superiores às do Ni-Cd. Foi possível livrar-se parcialmente do efeito memória, aumentar a intensidade energética em cerca de uma vez e meia e reduzir a tendência à autodescarga. Ao mesmo tempo, a alta eficiência de corrente foi preservada e o custo permaneceu aproximadamente no mesmo nível. O problema ambiental é mitigado - as baterias são produzidas sem o uso de compostos tóxicos. Mas tivemos que pagar por isso com um recurso significativamente reduzido (até 5 vezes) e a capacidade de trabalhar em temperaturas negativas - apenas até -20 ° C versus -40 ° C para os de níquel-cádmio.
Tais células são carregadas no modo de corrente contínua. O final do processo é controlado aumentando a tensão em cada elemento até 1,37 volts. O mais favorável é o modo de corrente pulsada com surtos negativos. Isso elimina os efeitos do efeito memória.
Li-íon
As baterias de íons de lítio estão dominando o mundo. Eles deslocam outros tipos de baterias daquelas áreas onde a situação parecia inabalável. As células de íon de lítio praticamente não têm efeito de memória (está presente, mas em um nível teórico), suportam até 600 ciclos de carga e descarga, a intensidade de energia é 2-3 vezes maior que a proporção de capacidade e peso do hidreto de níquel-metal baterias.
A tendência de autodescarga durante o armazenamento também é mínima, mas você literalmente precisa pagar por tudo isso - essas baterias são muito mais caras que as tradicionais. Pode-se esperar reduções de preços com o desenvolvimento da produção, como geralmente é o caso, mas outras desvantagens inerentes a essas baterias - eficiência de corrente reduzida, incapacidade de trabalhar em temperaturas negativas - dificilmente serão superadas no âmbito das tecnologias existentes.
Juntamente com um aumento do risco de incêndio, isso dificulta um pouco o uso baterias de íon de lítio. Deve-se também ter em mente que tais elementos estão sujeitos a degradação. Mesmo que não sejam carregados e descarregados, seu próprio recurso vai a zero em 1,5... 2 anos de armazenamento.
O modo de carregamento mais favorável é em duas etapas. Primeiro, uma corrente estável (com uma tensão que aumenta suavemente), depois uma tensão estável (com uma corrente que diminui suavemente). Na prática, o segundo estágio é implementado na forma de uma corrente de carga reduzida gradualmente. Ainda mais frequentemente, este estágio consiste em um estágio - a corrente estabilizada simplesmente diminui.
Principais características das baterias
O primeiro parâmetro que é levado em consideração na hora de escolher uma bateria é o seu Tensão nominal. A voltagem de uma célula de bateria é determinada pelos processos físico-químicos que ocorrem dentro da célula e depende do tipo de bateria. Um banco totalmente carregado distribui:
- elemento de chumbo-ácido - 2,1 volts;
- níquel-cádmio - 1,25 volts;
- hidreto metálico de níquel - 1,37 volts;
- íon de lítio - 3,7 volts.
Para obter uma tensão mais alta, as células são montadas em baterias. Portanto, para uma bateria de carro, você precisa conectar 6 latas de chumbo-ácido em série para obter 12 volts (mais precisamente, 12,6 V) e para uma chave de fenda de 18 volts - 5 latas de íons de lítio de 3,7 volts cada.
O segundo parâmetro importante é capacidade. Determina a vida útil da bateria sob carga. É medido em amperes-hora (o produto da corrente e do tempo). Assim, uma bateria com capacidade de 3 A⋅h quando descarregada com uma corrente de 1 ampere será descarregada em 3 horas e com uma corrente de 3 amperes - em 1 hora.
Importante! A rigor, Capacidade de carga depende da corrente descarga, portanto, o produto da corrente e do tempo de descarga em diferentes valores de carga para uma bateria não será o mesmo.
E o terceiro parâmetro importante - fornecimento atual. Esta é a corrente máxima que a bateria pode fornecer. É importante, por exemplo, para bateria automotiva - determina a possibilidade de girar o eixo do motor na estação fria. Além disso, a capacidade de fornecer alta corrente, criando um alto torque, é importante, por exemplo, para ferramentas elétricas. E para gadgets móveis, essa característica não é tão importante.
As propriedades elétricas e as qualidades de consumo das baterias dependem de seu design e tecnologia de produção. O uso correto das baterias significa aproveitar as vantagens das fontes de energia química renovável e nivelar as desvantagens.
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