Wie eine elektrische Batterie funktioniert, ihr Funktionsprinzip, Typen, Zweck und Hauptmerkmale

Der Anwendungsbereich von Elektrobatterien ist extrem breit. Sie dienen als Stromquelle in Kinderspielzeugund in Elektrowerkzeugen sowie als Traktionsquelle in Elektrofahrzeugen. Um Batterien richtig zu verwenden, müssen Sie ihre Eigenschaften, ihre Stärken und Schwächen kennen.

Was ist eine elektrische Batterie und wie funktioniert sie?

Elektrische Batterie - es ist erneuerbar Quelle elektrischer Energie. Im Gegensatz zu galvanischen Zellen kann es nach dem Entladen wieder aufgeladen werden. Alle Batterien sind im Prinzip gleich aufgebaut und bestehen aus einer Kathode und einer Anode, die in einen Elektrolyten eingelegt sind.

Das Material der Elektroden und die Zusammensetzung des Elektrolyten können unterschiedlich sein, was die Verbrauchereigenschaften von Batterien und deren Anwendungsbereich bestimmt.Zwischen Kathode und Anode kann ein poröser dielektrischer Separator gelegt werden - ein mit Elektrolyt imprägnierter Separator. Aber es bestimmt zum größten Teil die mechanischen Eigenschaften der Baugruppe und beeinflusst den Betrieb des Elements nicht grundlegend.

Generell basiert der Batteriebetrieb auf zwei Energieumwandlungen:

• elektrisch zu chemisch beim Laden;
• Chemikalie in elektrische während der Entladung.

Beide Umwandlungsarten beruhen auf dem Ablauf reversibler chemischer Reaktionen, deren Verlauf von den in der Batterie verwendeten Stoffen bestimmt wird. In einer Blei-Säure-Zelle besteht der aktive Teil der Anode aus Bleidioxid und die Kathode aus metallischem Blei. Die Elektroden befinden sich in einem Elektrolyten aus Schwefelsäure. Bei der Entladung an der Anode wird Bleidioxid zu Bleisulfat und Wasser reduziert und Blei an der Kathode zu Bleisulfat oxidiert. Beim Laden treten Rückreaktionen auf. Bei Batterien anderer Bauart verhalten sich die Komponenten anders, das Prinzip ist aber ähnlich.

Arten und Arten von Batterien

Verbrauchereigenschaften von Batterien werden hauptsächlich durch ihre Produktionstechnologie bestimmt. Im Alltag und in der Industrie sind mehrere Arten von Batteriezellen am weitesten verbreitet.

Bleisäure

Dieser Batterietyp wurde Mitte des 19. Jahrhunderts erfunden und hat immer noch seine eigene Anwendungsnische. Zu seinen Vorteilen gehören:

• einfache, kostengünstige und jahrzehntealte Produktionstechnik;
• hohe Stromabgabe;
• lange Lebensdauer (von 300 bis 1000 Lade-Entlade-Zyklen);
• der niedrigste Selbstentladungsstrom;
• kein Memory-Effekt.

Es gibt auch Nachteile.Dies ist zunächst einmal eine geringe spezifische Energieintensität, die zu einer Zunahme der Abmessungen und des Gewichts führt. Auch bei niedrigen Temperaturen, insbesondere unter minus 20 °C, ist die Leistung schlecht. Auch bei der Entsorgung gibt es Probleme – Bleiverbindungen sind ziemlich giftig. Aber diese Aufgabe muss für andere Batterietypen angesprochen werden.

Während Blei-Säure-Batterien auf ihr Optimum optimiert wurden, gibt es auch hier noch Raum für Verbesserungen. Beispielsweise gibt es die AGM-Technologie, bei der ein mit einem Elektrolyten imprägniertes poröses Material zwischen die Elektroden gebracht wird. Die elektrochemischen Prozesse des Ladens und Entladens werden dadurch nicht beeinflusst. Grundsätzlich verbessert dies die mechanischen Eigenschaften der Batterien (Vibrationsfestigkeit, Arbeitsfähigkeit in fast jeder Position usw.) und erhöht etwas die Betriebssicherheit.

Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil ist ein verbesserter Betrieb ohne Kapazitätsverlust und Stromabgabe bei Temperaturen bis zu minus 30 °C. Hersteller von AGM-Batterien beanspruchen eine Erhöhung des Anlaufstroms und der Ressourcen.

Gel-Batterien sind eine weitere Modifikation von Blei-Säure-Batterien. Der Elektrolyt verdickt sich zu einem Geleezustand. Dadurch wird ein Austreten von Elektrolyt während des Betriebs ausgeschlossen und die Möglichkeit einer Gasbildung ausgeschlossen. Allerdings ist die Stromabgabe etwas reduziert, was die Einsatzmöglichkeiten von Gel-Batterien als Starterbatterien einschränkt. Die erklärten wundersamen Eigenschaften solcher Batterien in Bezug auf erhöhte Kapazität und erhöhte Ressourcen sind auf dem Gewissen der Vermarkter.

Bleibatterien werden normalerweise im Spannungsstabilisierungsmodus geladen. Gleichzeitig steigt die Spannung an der Batterie und der Ladestrom sinkt. Kriterium für das Ende des Ladevorgangs ist der Stromabfall auf die eingestellte Grenze.

Nickel-Cadmium

Ihr Jahrhundert geht zu Ende, und der Umfang schrumpft allmählich. Ihr Hauptnachteil ist ein ausgeprägter Memory-Effekt. Wenn Sie beginnen, einen unvollständig entladenen Ni-Cd-Akku wieder aufzuladen, „merkt“ sich das Element diesen Füllstand, und die Kapazität wird aus diesem Wert weiter bestimmt. Ein weiteres Problem ist die geringe Umweltfreundlichkeit. Giftige Cadmiumverbindungen bereiten Probleme bei der Entsorgung solcher Batterien. Weitere Nachteile sind:

• hohe Neigung zur Selbstentladung;
• relativ geringer Stromverbrauch.

Aber es gibt auch Pluspunkte:

• kostengünstig;
• lange Lebensdauer (bis zu 1000 Lade-Entlade-Zyklen);
• Fähigkeit, hohen Strom zu liefern.

Zu den Vorteilen solcher Batterien gehört auch die Fähigkeit, bei niedrigen negativen Temperaturen zu arbeiten.

Das Laden von Ni-Cd-Zellen erfolgt im Gleichstrommodus. Sie können die Kapazität vollständig nutzen, indem Sie mit einer sanften oder schrittweisen Verringerung des Ladestroms nachladen. Das Ende des Vorgangs wird durch das Absenken der Zellspannung gesteuert.

Nickelmetallhydrid

Entwickelt, um Nickel-Cadmium-Batterien zu ersetzen. Viele Eigenschaften und Gebrauchseigenschaften sind besser als die von Ni-Cd. Der Memory-Effekt konnte teilweise beseitigt, die Energieintensität um etwa das Eineinhalbfache erhöht und die Neigung zur Selbstentladung reduziert werden. Gleichzeitig blieb die hohe Stromausbeute erhalten und die Kosten blieben ungefähr auf dem gleichen Niveau. Das Umweltproblem wird gemildert - Batterien werden ohne Verwendung von toxischen Verbindungen hergestellt. Aber wir mussten dafür mit einer deutlich reduzierten Ressource (bis zu 5-mal) und der Fähigkeit bezahlen, bei negativen Temperaturen zu arbeiten - nur bis zu -20 ° C gegenüber -40 ° C für Nickel-Cadmium-Produkte.

Solche Zellen werden im Gleichstrommodus geladen. Das Ende des Vorgangs wird durch Erhöhen der Spannung an jedem Element auf bis zu 1,37 Volt gesteuert. Am günstigsten ist der Pulsstrombetrieb mit negativen Überspannungen. Dadurch werden die Auswirkungen des Memory-Effekts eliminiert.

Li-Ion

Lithium-Ionen-Batterien erobern die Welt. Sie verdrängen andere Batterietypen aus den Bereichen, in denen die Situation unerschütterlich schien. Li-Ionen-Zellen haben praktisch keinen Memory-Effekt (er ist vorhanden, aber auf theoretischem Niveau), halten bis zu 600 Lade-Entlade-Zyklen stand, die Energieintensität ist 2-3 mal höher als das Verhältnis von Kapazität und Gewicht von Nickel-Metallhydrid Batterien.

Die Neigung zur Selbstentladung während der Lagerung ist ebenfalls minimal, aber das alles müssen Sie buchstäblich bezahlen - solche Batterien sind viel teurer als herkömmliche. Mit der Entwicklung der Produktion ist wie üblich mit Preissenkungen zu rechnen, aber andere inhärente Nachteile solcher Batterien - verringerte Stromausbeute, die Unfähigkeit, bei negativen Temperaturen zu arbeiten - werden im Rahmen bestehender Technologien wahrscheinlich nicht überwunden.

Zusammen mit einer erhöhten Brandgefahr behindert dies den Einsatz etwas Li-Ionen-Akkus. Es sollte auch berücksichtigt werden, dass solche Elemente einem Abbau unterliegen. Selbst wenn sie nicht geladen und entladen werden, geht ihre Ressource selbst in 1,5 ... 2 Jahren Lagerung auf Null.

Der günstigste Lademodus ist zweistufig. Zuerst ein stabiler Strom (mit einer gleichmäßig ansteigenden Spannung), dann eine stabile Spannung (mit einem gleichmäßig abnehmenden Strom). In der Praxis wird die zweite Stufe in Form eines stufenweise reduzierten Ladestroms realisiert. Noch häufiger besteht diese Stufe aus einer Stufe - der stabilisierte Strom nimmt einfach ab.

Hauptmerkmale von Batterien

Der erste Parameter, auf den bei der Auswahl einer Batterie geachtet wird, ist ihre Nennspannung. Die Spannung einer Batteriezelle wird durch die physikalisch-chemischen Prozesse innerhalb der Zelle bestimmt und ist vom Batterietyp abhängig. Eine voll aufgeladene Bank gibt aus:

• Blei-Säure-Element - 2,1 Volt;
• Nickel-Cadmium - 1,25 Volt;
• Nickelmetallhydrid - 1,37 Volt;
• Lithium-Ionen - 3,7 Volt.

Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden die Zellen zu Batterien zusammengesetzt. Für eine Autobatterie müssen Sie also 6 Blei-Säure-Dosen in Reihe schalten, um 12 Volt (genauer 12,6 V) zu erhalten, und für einen 18-Volt-Schraubendreher 5 Lithium-Ionen-Dosen mit jeweils 3,7 Volt.

Der zweite wichtige Parameter ist Kapazität. Ermittelt die Akkulaufzeit unter Last. Sie wird in Amperestunden gemessen (das Produkt aus Strom und Zeit). Eine Batterie mit einer Kapazität von 3 Ah bei Entladung mit einem Strom von 1 Ampere wird also in 3 Stunden und mit einem Strom von 3 Ampere in 1 Stunde entladen.

Wichtig! Genau genommen, Batteriekapazität hängt vom Strom ab Entladung, sodass das Produkt aus Strom und Entladezeit bei unterschiedlichen Ladewerten für eine Batterie nicht gleich ist.

Und der dritte wichtige Parameter - Stromzufuhr. Dies ist der maximale Strom, den die Batterie liefern kann. Wichtig ist beispielsweise z Autobatterie - bestimmt die Möglichkeit, die Motorwelle in der kalten Jahreszeit zu drehen. Auch die Fähigkeit, hohen Strom zu liefern und ein hohes Drehmoment zu erzeugen, ist beispielsweise für Elektrowerkzeuge wichtig. Und für mobile Geräte ist diese Eigenschaft nicht so wichtig.

Die elektrischen Eigenschaften und Verbraucherqualitäten von Batterien hängen von ihrer Konstruktion und Produktionstechnologie ab. Der richtige Einsatz von Batterien bedeutet, die Vorteile erneuerbarer chemischer Energiequellen zu nutzen und die Nachteile auszugleichen.

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