סוללות - סוגים ועבודה

סוללות הן מקור החשמל הנפוץ ביותר עבור מכשירי כף יד בסיסיים ליישומים תעשייתיים בקנה מידה גדול. ניתן להגדיר סוללה מכיוון שהיא שילוב של אחד או יותר תאים אלקטרוכימיים המסוגלים להמיר אנרגיה כימית מאוחסנת לאנרגיה חשמלית.

עבודה של סוללה:

סוללה היא מכשיר, שמורכב מתאים וולטאיים שונים. כל תא וולטאי מורכב משני תאי חצי המחוברים בסדרה באמצעות אלקטרוליט מוליך המחזיק אניונים ויוני חתול. חצי תא אחד כולל אלקטרוליט ואת האלקטרודה אליה עוברים האניונים, כלומר האנודה או האלקטרודה השלילית החצי התא השני כולל אלקטרוליט ואת האלקטרודה שאליה יונים חתולים נעים, כלומר הקתודה או האלקטרודה החיובית.

בתגובת החמצון המניע את הסוללה, הפחתה מתרחשת לקטיונים בקתודה, ואילו חמצון מתרחש לאניונים באנודה. האלקטרודות אינן נוגעות זו בזו אלא מחוברות חשמלית באמצעות האלקטרוליט. בעיקר לחצי התאים יש אלקטרוליטים שונים. כל הדברים הנחשבים כל חצי תא סגורים במיכל ובמפריד הנקבובי ליונים אך לא חלק הארי של האלקטרוליטים מונע ערבוב.

עבודה של סוללה

לכל חצי תא יש כוח אלקטרומוטיבי (Emf) הנקבע על פי יכולתו להניע זרם חשמלי מהפנים לחוץ החיצוני של התא. EMF נטו של התא הוא ההבדל בין EMF של חצי תאיו. באופן זה, אם לאלקטרודות יש EMF ובמילים אחרות, EMF נטו הוא ההבדל בין פוטנציאל ההפחתה של חצי התגובות.

כיצד לתחזק את הסוללה?

כדי לשמור על מצב הסוללה יש צורך בהשוואת סוללה. בגלל ההזדקנות, כל התאים אינם נטענים באופן דומה וחלק מהתאים מקבלים טעינה מהירה במיוחד בעוד שאחרים נטענים בהדרגה. ניתן לבצע השוואה על ידי טעינה מעט של סוללה כדי לאפשר לתאים החלשים גם להיטען לחלוטין. מתח המסוף של סוללה טעונה לחלוטין הוא 12 וולט, סוללת רכב מראה 13.8 וולט במסופים שלה ואילו סוללת צינורות 12 וולט תציג 14.8 וולט. יש לקבוע היטב מצבר לרכב ברכב כדי למנוע רעידות. יש להניח את סוללת המהפך על קרש עץ במידת האפשר.

2 סוגי סוללות

1) סוללות ראשוניות:

כפי שהשם מציין סוללות אלו מיועדות לשימוש יחיד. לאחר השימוש בסוללות אלו לא ניתן להטעין אותם מכיוון שההתקנים אינם הפיכים בקלות וחומרים פעילים עשויים שלא לחזור לצורתם המקורית. יצרני סוללות ממליצים נגד טעינה של תאים ראשוניים.

חלק מהדוגמאות לסוללות החד פעמיות הן סוללות AA, AAA רגילות בהן אנו משתמשים בשעוני קיר, בשלט טלוויזיה וכו '. שם אחר לסוללות אלה הוא סוללות חד פעמיות.

סוגי סוללה

2) סוללות משניות:

סוללות משניות נקראות גם כסוללות נטענות. ניתן להשתמש בסוללות אלו ונטענות בו זמנית. הם מורכבים בדרך כלל עם חומרים פעילים עם פעיל במצב פרוק. סוללות נטענות נטענות על ידי הפעלת זרם חשמלי, אשר הופך את התגובות הכימיות המתרחשות במהלך הפריקה. מטענים הם מכשירים המספקים את הזרם הנדרש.

כמה דוגמאות לסוללות נטענות אלה הן הסוללות המשמשות בטלפונים ניידים, נגני MP3 וכו '. התקנים כגון מכשירי שמיעה ושעוני יד משתמשים בתאים מיניאטוריים ובמקומות כמו מרכזיות טלפון או מרכז נתונים של מחשבים משתמשים בסוללות גדולות יותר.

סוללות משניות

סוגי סוללות משניות (נטענות):

SMF, חומצה עופרת, לי וניקד

סוללת SMF:

SMF הוא א סוללה נטולת תחזוקה אטומה, המיועדת להציע כוח תחזוקה אמין, עקבי ונמוך ליישומי UPS. סוללות אלה יכולות להיות כפופות ליישומי מחזור עמוק ולמינימום תחזוקה באזורים כפריים ומחסור בחשמל. סוללות אלה זמינות מ 12 וולט.

בעולם האינפורמטיבי של ימינו, אי אפשר להתעלם מהדרישה שמערכות סוללות מיועדות לשחזר נתונים ומידע מוסמכים מכריעים ולהפעיל מכשור בסיסי למשך הזמן הרצוי. סוללות נדרשות בכדי לספק כוח מיידי. סוללות לא אמינות ונחותות יכולות לגרום לאובדן כיבוי נתונים וציוד שעלולים לעלות לחברות הפסדים כספיים ניכרים. לאחר מכן, מקטעי UPS קוראים לשימוש במערכת סוללות אמינה ומוכחת.

סוללת SMF

סוללת ליתיום (Li):

כולנו משתמשים בו במכשירים ניידים כמו טלפון סלולרי, מחשב נייד או כלי חשמל. סוללת הליתיום הייתה אחד ההישגים הגדולים ביותר בכוח הנייד בעשור האחרון עם שימוש בסוללות ליתיום הצלחנו לעבור מניידים בשחור-לבן למכשירי צבע עם תכונות נוספות כמו GPS, התראות דוא'ל וכו 'אלה הם הגבוהים התקנים פוטנציאליים לצפיפות אנרגיה עבור יכולות גבוהות יותר. וסוללות פריקה עצמית נמוכות יחסית. כמו כן, תאים מיוחדים יכולים לספק זרם גבוה מאוד ליישומים כגון כלי חשמל.

סוללת Li

סוללת ניקל קדמיום (Nicd):

לסוללות הניקל קדמיום היתרון בכך שהן נטענות פעמים רבות ובעלות פוטנציאל קבוע יחסית במהלך הפריקה ובעלות יכולת עמידה חשמלית ופיזית יותר. סוללה זו משתמשת בתחמוצת ניקל לקתודה, תרכובת קדמיום לתמיסת אנודה ואשלגן הידרוקסיד כאלקטרוליט שלה.

כאשר הסוללה נטענת, ההרכב הכימי של הקתודה הופך והנידר הידרוקסיד משתנה ל- NIOOH. באנודה, נוצרים יוני קדמיום מקדמיום הידרוקסיד. כאשר הסוללה מתרוקנת, הקדמיום מגיב עם NiOOH ויוצר גב ניקל הידרוקסיד וקדמיום הידרוקסיד.

Cd + 2H2O + 2NiOOH -> 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2

עופרת חומצה עופרת:

נעשה שימוש נרחב בסוללות חומצות עופרת ברכבים, ממירים, מערכות חשמל לגיבוי וכו 'בניגוד לסוללות צינורות ונטולות תחזוקה, סוללות עופרת דורשות טיפול ותחזוקה נאותים בכדי להאריך את חייהן. הסוללה של חומצה עופרת מורכבת מסדרת פלטות השמורות טבולות בתמיסת חומצה גופרתית. בלוחות יש רשתות שעליהן מחובר החומר הפעיל. הלוחות מחולקים לפלטות חיוביות ושליליות. הלוחות החיוביים מחזיקים עופרת טהורה כחומר הפעיל ואילו תחמוצת עופרת מחוברת על הלוחות השליליים.

סוללת חומצה עופרת

סוללה טעונה לחלוטין יכולה לפרוק את הזרם שלה כשהיא מחוברת לעומס. בתהליך הפריקה, החומצה הגופרתית משתלבת עם החומרים הפעילים על הלוחות החיוביים והשליליים וכתוצאה מכך נוצרת גופרת עופרת. מים הם השלב החשוב ביותר בשמירה על סוללת עופרת חומצה. תדירות המים תלויה בשימוש, בשיטת הטעינה ובטמפרטורת ההפעלה. במהלך התהליך אטומי המימן מחומצה הגופרית מגיבים עם חמצן ליצירת מים.

התוצאה היא שחרור אלקטרונים מהלוחות החיוביים אשר יתקבלו על ידי הלוחות השליליים. זה מוביל להיווצרות פוטנציאל חשמלי על פני הסוללה. האלקטרוליט בסוללת החומצה העופרת הוא תערובת של חומצה גופרתית ומים בעלי כוח משקל ספציפי. כוח המשיכה הספציפי הוא משקל תערובת המים החומצית לעומת נפח שווה של מים. משקלם הסגולי של מים חופשיים של יונים טהורים הוא 1.

הסוללות העופריות מספקות את התמורה הטובה ביותר לכוח ולאנרגיה לקילוואט-שעה עם מחזור החיים הארוך ביותר ויתרון סביבתי גדול בכך שהן ממוחזרות בקצב גבוה במיוחד. שום כימיה אחרת אינה יכולה לגעת בתשתית הקיימת לאיסוף, הובלה ומיחזור של סוללות עופרת.

לצד מאמר זה, סוללת ליתיום יון נדונה עם יתרונותיה וחסרונותיה.

עבודה של סוללת ליתיום - יון

סוללות ליתיום-יון פופולריות כיום ברוב המכשירים הניידים האלקטרוניים כמו טלפון סלולרי, מחשב נייד, מצלמה דיגיטלית וכו 'בשל יעילות ההספק המתמשכת לאורך זמן. אלה הסוללות הנטענות הפופולריות ביותר עם יתרונות כמו צפיפות האנרגיה הטובה ביותר, אובדן טעינה זניח וללא השפעת זיכרון. סוללת Li-Ion משתמשת ביוני ליתיום כמובילי הטעינה שעוברים מהאלקטרודה השלילית לאלקטרודה החיובית בזמן הפריקה ובחזרה בעת טעינה. במהלך הטעינה, הזרם החיצוני מהמטען מפעיל מתח יתר מזה שבמצבר. זה מכריח את הזרם לעבור בכיוון ההפוך מהאלקטרודה החיובית לאלקטרודה בה יוני הליתיום מוטבעים בחומר האלקטרודה הנקבובי באמצעות תהליך הנקרא Intercalation. הליונים עוברים דרך האלקטרוליט הלא מימי ובסרעפת מפרידה. חומר האלקטרודה הוא תרכובת ליתיום מחוברת.

האלקטרודה השלילית של סוללת ה- Li-Ion מורכבת מפחמן והאלקטרודה החיובית היא תחמוצת מתכת. החומר הנפוץ ביותר באלקטרודה השלילית הוא גרפיט בעוד שבאלקטרודה החיובית עשוי להיות תחמוצת קובלט ליתיום, פוספט ליתיום יון או תחמוצת מנגן ליתיום. מלח ליתיום בממיס אורגני משמש כאלקטרוליט. האלקטרוליט הוא בדרך כלל תערובת של פחמתי אורגניים כמו אתילן פחמתי או דיאתיל פחמתי המכילים יוני ליתיום. האלקטרוליט משתמש במלחי אניון כמו ליתיום הקסה פלואור פוספט, ליתיום הקסה פלואורו ארסנאט מונוהידראט, ליתיום לכל כלור, ליתיום הקסה פלואורו בוראט וכו '. תלוי במלח המשמש, המתח, הקיבולת וחיי הסוללה משתנים. ליתיום טהור מגיב במים בעוצמה ליצירת יוני ליתיום הידרוקסיד ומימן. אז האלקטרוליט המשמש הוא ממס אורגני לא מימי. התפקיד האלקטרוכימי של טעינת האלקטרודות בין האנודה לקתודה תלוי בכיוון זרימת הזרם.

תגובת סוללת לי יון

בסוללת ה- Li-Ion שתי האלקטרודות יכולות לקבל ולשחרר יוני ליתיום. בתהליך ה intercalation, יוני הליתיום עוברים לאלקטרודה. במהלך התהליך ההפוך הנקרא דה-אינטראקלציה, יוני הליתיום נעים אחורה. במהלך הפריקה יוני הליתיום החיוביים יופקו מהאלקטרודות השליליות ויוחדרו לאלקטרודה החיובית. בתהליך הטעינה מתרחשת תנועה הפוכה של יוני ליתיום.

יתרונות ליתיום - סוללת יון:

סוללות ליתיום יון עולות על סוללות NiCd וסוללות משניות אחרות. חלק מהיתרונות הם

• משקל קל בהשוואה לסוללות אחרות בגודל דומה
• זמין בצורה שונה כולל צורה שטוחה
• מתח מעגל פתוח גבוה המגביר את העברת הכוח בזרם נמוך
• חוסר אפקט זיכרון.
• שיעור פריקה עצמית נמוך מאוד של 5-10% לחודש. פריקה עצמית היא בסביבות 30% בסוללות NiCd ו- NiMh.
• סוללה ידידותית לסביבה ללא מתכת ליתיום בחינם

אך לצד היתרונות, כמו סוללות אחרות, גם סוללת Li-Ion סובלת מכמה חסרונות.

חסרונות של סוללת ליתיום:

• המשקעים בתוך האלקטרוליט לאורך זמן יעכבו את זרימת המטען. זה מגביר את ההתנגדות הפנימית של הסוללה ויכולתו של התא לספק זרם פוחתת בהדרגה.
• טעינה גבוהה וטמפרטורה גבוהה עלולים להוביל לאובדן קיבולת
• כאשר מתחממת יתר על המידה, סוללת Li-Ion עלולה לסבול מבריחה תרמית וקרע בתאים.
• פריקה עמוקה עשויה לקצר את סוללת ה- Li-Ion. אז כדי למנוע זאת, בחלק מהיצרנים יש מעגלי כיבוי פנימיים המכבים את הסוללה כאשר המתח שלה נמצא מעל לרמה הבטוחה של 3 עד 4.2 וולט. במקרה זה, כאשר הסוללה אינה פועלת במשך זמן רב, המעגל הפנימי ייצרך חשמל וירוקן את הסוללה מתחת למתח הכיבוי שלה. אז לטעון מצברים כאלה מטענים רגילים אינם שימושיים.