Zasilanie
Akumulatory litowo-jonowe są obecnie niezwykle popularne. Możesz je znaleźć w laptopach, smartfonach, smartwatchach, telefonach komórkowych i iPadach. Są tak powszechne, ponieważ to jedne z najbardziej obszernych magazynów energii wśród dostępnych akumulatorów. Czasem możemy usłyszeć, bądź też i przeczytać o złym działaniu akumulatorów litowo-jonowych. Dzieje się tak dlatego, że te baterie mogą się czasem zapalić - czasami samoczynnie. Nie jest to zbyt częste - tylko dwa lub trzy akumulatory na milion mają z tym problem - ale kiedy to się dzieje, jest to ekstremalnie rozdmuchiwane przez wszelkie media. W niektórych sytuacjach wskaźnik awaryjności jest na tyle wysoki, że powstaje swego rodzaju ogólnoświatowa wymiana baterii, która niejednego producenta kosztowała już miliony złotych, tudzież dolarów. Pytanie brzmi, co sprawia, że te baterie są tak popularne? Dlaczego mogą się samoczynnie zapalać? Czy jest coś, co można zrobić, aby zapobiec temu problemowi lub wydłużyć żywotność baterii? Postaramy się pokrótce na to sobie odpowiedzieć, ale wcześniej skupmy się na tym jak działa bateria.
Chociaż istnieje wiele różnych typów baterii, podstawowa koncepcja ich działania pozostaje taka sama. Kiedy urządzenie jest podłączone do baterii, zachodzi reakcja, która wytwarza energię elektryczną. Jest to znane jako reakcja elektrochemiczna . Włoski fizyk hrabia Alessandro Volta po raz pierwszy odkrył ten proces w 1799 roku, kiedy stworzył prostą baterię z metalowych płyt i nasączonego solanką kartonu lub papieru. Od tego czasu naukowcy znacznie ulepszyli oryginalny projekt Volty, aby stworzyć baterie wykonane z różnych materiałów, które są dostępne w wielu rozmiarach. Dziś baterie są wszędzie wokół nas. Zasilają nasze zegarki. Uruchamiają nasze czujniki dymu, elektryczne maszynki do golenia, wiertarki elektryczne, odtwarzacze mp3, termostaty - a lista jest długa. Jeśli wszedłeś na nasz sklep i czytasz ten tekst na swoim laptopie lub smartfonie, to prawdopodobnie korzystasz z dobrodziejstw baterii / akumulatorów - o ile nie jesteś podpięty pod gniazdko elektryczne.
Wraz z rozwojem urządzeń przenośnych w ostatnich latach znacznie wzrosło zapotrzebowanie na akumulatory. Akumulatory są używane od 1859 roku, kiedy francuski fizyk Gaston Plante wynalazł ogniwo kwasowo-ołowiowe. Z anodą ołowiową, katodą z dwutlenku ołowiu i elektrolitem z kwasu siarkowego, akumulator Plante był prekursorem współczesnej baterii samochodowej. Baterie jednorazowe lub ogniwa galwaniczne i akumulatory lub ogniwa wtórne wytwarzają prąd dokładnie w ten sam sposób - poprzez reakcję elektrochemiczną z udziałem anody, katody i elektrolitu. Jednak w akumulatorze reakcja jest odwracalna. Kiedy energia elektryczna ze źródła zewnętrznego jest doprowadzana do ogniwa wtórnego, przepływ elektronów z ujemnego do dodatniego, który występuje podczas wyładowania, jest odwrócony, a ładunek ogniwa zostaje przywrócony. Najpopularniejszymi akumulatorami dostępnymi obecnie na rynku są akumulatory litowo-jonowe (LiOn), chociaż kiedyś bardzo rozpowszechnione były również akumulatory niklowo-wodorkowe (NiMH) i niklowo-kadmowe (NiCd).
Zasilanie - akumulator, akumulatorowi nie równy
Jeśli chodzi o akumulatory, nie wszystkie akumulatory są sobie równe. Akumulatory NiCd były jednymi z pierwszych powszechnie dostępnych ogniw wtórnych, ale cierpiały na niewygodny problem znany jako efekt pamięci. Zasadniczo, gdyby te akumulatory nie były całkowicie rozładowywane za każdym razem, gdy były używane, szybko straciłyby pojemność. Akumulatory NiCd zostały w dużej mierze wycofane na rzecz akumulatorów NiMH. Te drugorzędne komórki mają większą pojemność i efekt pamięci ma na nie tylko minimalny wpływ, ale nie mają one bardzo dobrego okresu trwałości. Podobnie jak akumulatory NiMH, akumulatory LiOn mają długą żywotność, ale lepiej utrzymują ładunek, działają przy wyższych napięciach i są w znacznie mniejszej i lżejszej obudowie. Zasadniczo wszystkie wytwarzane obecnie przenośne technologie wysokiej jakości wykorzystują tę technologię. Jednak baterie LiOn nie są obecnie dostępne w standardowych rozmiarach, takich jak baterie typu AAA, AA, C lub D i są znacznie droższe niż ich starsze odpowiedniki.
W przypadku akumulatorów NiCd i NiMH ładowanie może być trudne. Należy uważać, aby ich nie przeładować, ponieważ może to doprowadzić do zmniejszenia pojemności. Aby temu zapobiec, niektóre ładowarki przełączają się na ładowanie podtrzymujące lub po prostu wyłączają się po zakończeniu ładowania. Akumulatory NiCd i NiMH również muszą być regenerowane, co oznacza, że należy je całkowicie rozładować i co jakiś czas ponownie ładować, aby zminimalizować utratę pojemności. Z drugiej strony akumulatory LiOn mają wyrafinowane ładowarki, które zapobiegają przeładowaniu i nigdy nie wymagają regeneracji. Nawet akumulatory w końcu umrą, chociaż może to wymagać setek ładowań, zanim to się stanie. Kiedy w końcu się rozładują, albo (o zgrozo) napuchną, pamiętaj, aby je oddać do recyklingu. W wielu urządzeniach korzystających z baterii - takich jak przenośne radia i latarki - nie używasz tylko jednej komórki na raz. Zwykle grupuje się je razem w układzie szeregowym, aby zwiększyć napięcie lub w układzie równoległym, aby zwiększyć prąd.
W przypadku układu równoległego mogą to być cztery równoległe połączone ze sobą baterie, które będą razem wytwarzać napięcie jednego ogniwa, ale prąd, który dostarczają, będzie czterokrotnie większy niż napięcie pojedynczego ogniwa. Prąd to szybkość, z jaką ładunek elektryczny przechodzi przez obwód i jest mierzony w amperach. Baterie są oceniane w amperogodzinach lub, w przypadku mniejszych baterii domowych, w miliamperogodzinach (mAH). Typowe ogniwo domowe o mocy znamionowej 500 miliamperów powinno być w stanie dostarczyć 500 miliamperów prądu do obciążenia przez jedną godzinę. Możesz pokroić i pokroić w kostkę wskaźnik miliamperogodzin na wiele różnych sposobów. Bateria 500 miliamperów godzin może również wytwarzać 5 miliamperów przez 100 godzin, 10 miliamperów przez 50 godzin lub teoretycznie 1000 miliamperów przez 30 minut. Ogólnie rzecz biorąc, akumulatory o wyższych wartościach amperogodzin mają większe pojemności.
Wyobraźmy sobie teraz inny scenariusz, w którym cztery akumulatory połączone szeregowo będą razem wytwarzać prąd z jednego ogniwa, ale napięcie, które dostarczają, będzie czterokrotnie wyższe niż napięcie pojedynczego ogniwa. Napięcie jest miarą energii na jednostkę ładunku i jest mierzone w woltach. W baterii napięcie określa, z jaką siłą elektrony są przepychane przez obwód, podobnie jak ciśnienie określa, z jaką siłą woda jest przepychana przez wąż. Większość baterii AAA, AA, C i D ma około 1,5 wolta. Wyobraź sobie, że opisane powyżej baterie mają napięcie znamionowe 1,5 V i 500 miliamperów godzin. Cztery baterie w układzie równoległym będą wytwarzać 1,5 wolta przy 2000 miliamperów godzin. Cztery baterie ułożone szeregowo będą wytwarzać 6 woltów przy 500 miliamperach godzin. Technologia akumulatorów rozwinęła się dramatycznie od czasów stosu Voltaic. Te zmiany są wyraźnie odzwierciedlone w naszym szybko zmieniającym się, przenośnym świecie, który jest bardziej niż kiedykolwiek zależny od przenośnego źródła zasilania, jakie zapewniają baterie. Można sobie tylko wyobrazić, co przyniesie następna generacja mniejszych, mocniejszych i trwalszych baterii.
Zasilanie - anatomia, reakcje i chemia baterii
Przyjrzyj się dowolnej baterii, a zauważysz, że ma dwa zaciski. Jeden zacisk jest oznaczony “+”, co oznacza, że jest dodatni, a drugi jest oznaczony jest “-” , co oznacza, że jest ujemny. W zwykłych bateriach do latarek, takich jak ogniwa AA, C lub D, zaciski znajdują się na końcach. Jednak w przypadku akumulatora 9 V lub samochodowego zaciski znajdują się obok siebie na górze urządzenia. Jeśli podłączysz przewód między dwoma zaciskami, elektrony będą płynąć z ujemnego do dodatniego końca tak szybko, jak to możliwe. Spowoduje to szybkie zużycie baterii i może być również niebezpieczne, szczególnie w przypadku większych baterii. Aby właściwie wykorzystać ładunek elektryczny wytwarzany przez akumulator, należy go podłączyć do obciążenia. Ładunek może przypominać żarówkę, silnik lub obwód elektroniczny - jak choćby radio.
Wewnętrzne elementy baterii są zwykle umieszczone w metalowej lub plastikowej obudowie. Wewnątrz tej obudowy znajduje się katoda, która łączy się z zaciskiem dodatnim i anoda, która łączy się z zaciskiem ujemnym. Te elementy, bardziej ogólnie znane jako elektrody, zajmują większość miejsca w baterii i są miejscem, w którym zachodzą reakcje chemiczne. Separator tworzy barierę pomiędzy katodą i anodą, zapobiegając przed dotknięciem elektrody ładunkiem elektrycznym, umożliwiając swobodny przepływ między nimi. Medium, które umożliwia przepływ ładunku elektrycznego między katodą a anodą, jest znane jako elektrolit. Wreszcie kolekcjoner przewodzi ładowanie na zewnątrz akumulatora i przez ładunek. A czy wiesz w jaki sposób katoda, anoda, elektrolit, separator i kolektor współpracują ze sobą, aby wytworzyć prąd elektryczny dla urządzeń przenośnych? Wiele dzieje się wewnątrz baterii, gdy włożysz ją do latarki, pilota lub innego urządzenia bezprzewodowego. Chociaż procesy, za pomocą których wytwarzają energię elektryczną, różnią się nieznacznie w zależności od baterii, podstawowa idea pozostaje ta sama.
Gdy obciążenie zamyka obwód między dwoma zaciskami, bateria wytwarza energię elektryczną w wyniku szeregu reakcji elektromagnetycznych między anodą, katodą i elektrolitem. Na anodzie zachodzi reakcja utleniania, w której dwa lub więcej jonów (elektrycznie naładowanych atomów lub cząsteczek) z elektrolitu łączy się z anodą, tworząc związek i uwalniając jeden lub więcej elektronów. W tym samym czasie katoda przechodzi reakcję redukcji w którym substancja katodowa, jony i wolne elektrony również łączą się, tworząc związki. Chociaż ta czynność może wydawać się skomplikowana, w rzeczywistości jest bardzo prosta: reakcja w anodzie tworzy elektrony, a reakcja w katodzie je pochłania. Produkt netto to energia elektryczna. Bateria będzie nadal wytwarzać energię elektryczną, dopóki na jednej lub obu elektrodach nie zabraknie substancji niezbędnej do zajścia reakcji. Nowoczesne baterie wykorzystują różnorodne chemikalia do napędzania swoich reakcji. Typowe chemikalia akumulatorów obejmują:
Bateria cynkowo-węglowa - chemia cynkowo-węglowa jest powszechna w wielu niedrogich bateriach suchych AAA, AA, C i D. Anoda to cynk, katoda to dwutlenek manganu, a elektrolit to chlorek amonu lub chlorek cynku.
Bateria alkaliczna - ten skład chemiczny jest również powszechny w bateriach z suchymi ogniwami AA, C i D. Katoda składa się z mieszaniny ditlenku manganu, natomiast anoda jest proszkiem cynku. Swoją nazwę zawdzięcza elektrolitowi wodorotlenkiem potasu, który jest substancją alkaliczną.
Bateria litowo-jonowa (ładowalna) - chemia litu jest często stosowana w urządzeniach o wysokiej wydajności, takich jak telefony komórkowe, aparaty cyfrowe, a nawet samochody elektryczne. W bateriach litowych stosuje się różne substancje, ale typową kombinacją jest katoda z tlenku litu i kobaltu i anoda węglowa.
Akumulator kwasowo-ołowiowy (ładowalny) - jest to chemia stosowana w typowym akumulatorze samochodowym. Elektrody są zwykle wykonane z dwutlenku ołowiu i metalicznego ołowiu, podczas gdy elektrolit jest roztworem kwasu siarkowego. Najlepszym sposobem na zrozumienie tych reakcji jest zobaczenie ich na własne oczy.
Prawdziwą przyszłością wydają się być baterie zasilane przez powietrze. Naukowcy opracowują obecnie baterię, w której elektrody byłyby litem i, co zdumiewające, tlenem z powietrza. Taki postęp pozwoliłby radykalnie zmniejszyć wagę baterii i pomógłby stworzyć od pięciu do dziesięciu razy większą energię niż tradycyjne baterie litowo-jonowe. Chociaż technologia ta wciąż ma wiele przeszkód do pokonania, pewnego dnia może zrewolucjonizować przemysł samochodów elektrycznych.
