วิธีการทำงานของแบตเตอรี่ไฟฟ้า หลักการทำงาน ชนิด วัตถุประสงค์ และลักษณะสำคัญ

ขอบเขตของการใช้แบตเตอรี่ไฟฟ้านั้นกว้างมาก ใช้เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าใน ของเล่นเด็กและในเครื่องมือไฟฟ้าและเป็นแหล่งของแรงฉุดลากในรถยนต์ไฟฟ้า ในการใช้แบตเตอรี่อย่างถูกต้อง คุณจำเป็นต้องรู้คุณสมบัติ จุดแข็ง และจุดอ่อนของแบตเตอรี่

แบตเตอรี่ไฟฟ้าคืออะไรและทำงานอย่างไร

แบตเตอรี่ไฟฟ้า - สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ แหล่งพลังงานไฟฟ้า. แตกต่างจากเซลล์กัลวานิกหลังจากปล่อยประจุออกมาได้อีกครั้ง โดยหลักการแล้ว แบตเตอรี่ทั้งหมดถูกจัดเรียงในลักษณะเดียวกันและประกอบด้วยแคโทดและแอโนดที่วางอยู่ในอิเล็กโทรไลต์

วัสดุของอิเล็กโทรดและองค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์อาจแตกต่างกัน และนี่คือสิ่งที่กำหนดคุณสมบัติของผู้บริโภคของแบตเตอรี่และขอบเขตของแบตเตอรี่ระหว่างแคโทดและแอโนดสามารถวางตัวแยกอิเล็กทริกที่มีรูพรุนได้ - ตัวคั่นที่ชุบด้วยอิเล็กโทรไลต์ แต่โดยส่วนใหญ่แล้วจะกำหนดคุณสมบัติทางกลของชุดประกอบและไม่ส่งผลต่อการทำงานขององค์ประกอบโดยพื้นฐาน

โดยทั่วไป การทำงานของแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับการแปลงพลังงานสองแบบ:

• ไฟฟ้ากับสารเคมีเมื่อชาร์จ
• สารเคมีเป็นไฟฟ้าระหว่างการคายประจุ

การแปลงทั้งสองประเภทขึ้นอยู่กับการเกิดปฏิกิริยาเคมีแบบย้อนกลับได้ ซึ่งกำหนดโดยสารที่ใช้ในแบตเตอรี่ ดังนั้น ในเซลล์ตะกั่ว-กรด ส่วนแอคทีฟของแอโนดทำจากตะกั่วไดออกไซด์ และแคโทดทำจากตะกั่วโลหะ อิเล็กโทรดอยู่ในอิเล็กโทรไลต์ของกรดซัลฟิวริก เมื่อปล่อยประจุที่ขั้วบวก ตะกั่วไดออกไซด์จะลดลงจนเกิดเป็นตะกั่วซัลเฟตและน้ำ และตะกั่วที่ขั้วลบจะถูกออกซิไดซ์เป็นตะกั่วซัลเฟต ปฏิกิริยาย้อนกลับเกิดขึ้นระหว่างการชาร์จ ในแบตเตอรี่ที่มีการออกแบบอื่นๆ ส่วนประกอบมีปฏิกิริยาต่างกัน แต่หลักการก็คล้ายคลึงกัน

ประเภทและประเภทของแบตเตอรี่

คุณสมบัติผู้บริโภคของแบตเตอรี่ถูกกำหนดโดยเทคโนโลยีการผลิตเป็นหลัก ในชีวิตประจำวันและในอุตสาหกรรม เซลล์แบตเตอรี่หลายประเภทมักพบเห็นได้ทั่วไป

กรดตะกั่ว

แบตเตอรี่ประเภทนี้ถูกประดิษฐ์ขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 และยังคงมีการใช้งานเฉพาะของตัวเอง ข้อดีของมันรวมถึง:

• เทคโนโลยีการผลิตที่เรียบง่าย ราคาไม่แพง และมีอายุหลายสิบปี
• กระแสไฟสูง;
• อายุการใช้งานยาวนาน (ตั้งแต่ 300 ถึง 1,000 รอบการคายประจุ)
• กระแสการปลดปล่อยตัวเองต่ำสุด
• ไม่มีผลหน่วยความจำ

นอกจากนี้ยังมีข้อเสียประการแรก นี่คือความเข้มของพลังงานจำเพาะต่ำ ส่งผลให้มีขนาดและน้ำหนักเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ยังมีประสิทธิภาพต่ำที่อุณหภูมิต่ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งต่ำกว่าลบ 20 °C นอกจากนี้ยังมีปัญหาเกี่ยวกับการกำจัด - สารประกอบตะกั่วค่อนข้างเป็นพิษ แต่งานนี้ ต้องระบุสำหรับแบตเตอรี่ประเภทอื่น.

ในขณะที่แบตเตอรี่ตะกั่วกรดได้รับการปรับให้เหมาะสมที่สุดแล้ว แม้แต่ที่นี่ก็ยังมีพื้นที่สำหรับการปรับปรุง ตัวอย่างเช่น มีเทคโนโลยี AGM ตามวัสดุที่มีรูพรุนที่ชุบด้วยอิเล็กโทรไลต์ระหว่างอิเล็กโทรด สิ่งนี้ไม่ส่งผลกระทบต่อกระบวนการไฟฟ้าเคมีของประจุและการคายประจุ โดยพื้นฐานแล้ว สิ่งนี้จะปรับปรุงลักษณะทางกลของแบตเตอรี่ (การต้านทานการสั่นสะเทือน ความสามารถในการทำงานในเกือบทุกตำแหน่ง ฯลฯ) และเพิ่มความปลอดภัยในการใช้งานบ้าง

ข้อดีที่โดดเด่นอีกอย่างคือการทำงานที่ได้รับการปรับปรุงโดยไม่สูญเสียความจุและกระแสไฟขาออกที่อุณหภูมิลดลงถึงลบ 30 °C ผู้ผลิตแบตเตอรี่ AGM อ้างว่ากระแสไฟเริ่มต้นและทรัพยากรเพิ่มขึ้น

แบตเตอรี่เจลเป็นการดัดแปลงอีกอย่างหนึ่งของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด อิเล็กโทรไลต์จะข้นขึ้นจนกลายเป็นเจลลี่ ซึ่งทำให้เกิดการยกเว้นการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ระหว่างการทำงาน และขจัดความเป็นไปได้ในการก่อตัวของก๊าซ แต่เอาต์พุตปัจจุบันลดลงบ้าง และนี่เป็นการจำกัดความเป็นไปได้ของการใช้แบตเตอรี่เจลเป็นแบตเตอรี่สตาร์ท คุณสมบัติมหัศจรรย์ที่ประกาศของแบตเตอรี่ดังกล่าวในแง่ของความจุที่เพิ่มขึ้นและทรัพยากรที่เพิ่มขึ้นนั้นอยู่ในจิตสำนึกของนักการตลาด

แบตเตอรี่ตะกั่วกรดมักจะถูกชาร์จในโหมดรักษาเสถียรภาพของแรงดันไฟฟ้า ในเวลาเดียวกัน แรงดันไฟของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นและกระแสไฟชาร์จจะลดลง เกณฑ์สำหรับการสิ้นสุดของกระบวนการชาร์จคือการดรอปปัจจุบันถึงขีดจำกัดที่ตั้งไว้

นิกเกิลแคดเมียม

ศตวรรษของพวกเขากำลังจะสิ้นสุดลง และขอบเขตก็ค่อยๆ ลดลง ข้อเสียเปรียบหลักของพวกเขาคือเอฟเฟกต์หน่วยความจำที่เด่นชัด หากคุณเริ่มชาร์จแบตเตอรี่ Ni-Cd ที่คายประจุจนหมด องค์ประกอบจะ "จดจำ" ระดับนี้ และความจุจะถูกกำหนดเพิ่มเติมจากค่านี้ ปัญหาอีกประการหนึ่งคือความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมต่ำ สารประกอบแคดเมียมที่เป็นพิษทำให้เกิดปัญหากับการกำจัดแบตเตอรี่ดังกล่าว ข้อเสียอื่น ๆ ได้แก่ :

• มีแนวโน้มที่จะปลดปล่อยตัวเองสูง
• ใช้พลังงานค่อนข้างต่ำ

แต่ก็ยังมีข้อดี:

• ราคาถูก;
• อายุการใช้งานยาวนาน (สูงสุด 1,000 รอบการคายประจุ)
• ความสามารถในการส่งกระแสไฟสูง

ข้อดีของแบตเตอรี่ดังกล่าวรวมถึงความสามารถในการทำงานที่อุณหภูมิติดลบต่ำ

การชาร์จเซลล์ Ni-Cd ดำเนินการในโหมดกระแสตรง คุณสามารถใช้ความจุอย่างเต็มที่โดยการชาร์จใหม่โดยลดกระแสไฟชาร์จอย่างราบรื่นหรือเป็นขั้นตอน การสิ้นสุดของกระบวนการถูกควบคุมโดยการลดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์

นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์

ออกแบบมาเพื่อเปลี่ยนแบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียม หลายลักษณะและคุณสมบัติของผู้บริโภคสูงกว่า Ni-Cd เป็นไปได้ที่จะกำจัดเอฟเฟกต์หน่วยความจำบางส่วน เพิ่มความเข้มของพลังงานประมาณหนึ่งเท่าครึ่ง และลดแนวโน้มที่จะปลดปล่อยตัวเองออกมา ในขณะเดียวกันก็รักษาประสิทธิภาพกระแสไฟที่สูงไว้ได้และต้นทุนยังคงอยู่ในระดับที่ใกล้เคียงกัน ปัญหาสิ่งแวดล้อมลดลง - ผลิตแบตเตอรี่โดยไม่ต้องใช้สารประกอบที่เป็นพิษ แต่เราต้องจ่ายสำหรับสิ่งนี้ด้วยทรัพยากรที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ (มากถึง 5 เท่า) และความสามารถในการทำงานที่อุณหภูมิติดลบ - สูงถึง -20 ° C เท่านั้น เทียบกับ -40 ° C สำหรับนิกเกิลแคดเมียม

เซลล์ดังกล่าวจะถูกชาร์จในโหมดกระแสตรง การสิ้นสุดของกระบวนการถูกควบคุมโดยการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าในแต่ละองค์ประกอบสูงสุด 1.37 โวลต์ โหมดที่ดีที่สุดคือโหมดกระแสพัลซิ่งที่มีไฟกระชากเชิงลบ สิ่งนี้จะกำจัดเอฟเฟกต์ของเอฟเฟกต์หน่วยความจำ

ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกำลังครองโลก พวกเขาเปลี่ยนแบตเตอรี่ประเภทอื่นออกจากพื้นที่ซึ่งสถานการณ์ดูไม่สั่นคลอน เซลล์ Li-ion แทบไม่มีเอฟเฟกต์หน่วยความจำ (มีอยู่ แต่ในระดับทฤษฎี) ทนทานต่อรอบการคายประจุสูงสุด 600 รอบ ความเข้มของพลังงานสูงกว่าอัตราส่วนความจุและน้ำหนักของนิกเกิล-เมทัล ไฮไดรด์ 2-3 เท่า แบตเตอรี่

แนวโน้มที่จะคายประจุเองระหว่างการจัดเก็บก็มีน้อยเช่นกัน แต่คุณต้องจ่ายสำหรับสิ่งนี้อย่างแท้จริง - แบตเตอรี่ดังกล่าวมีราคาแพงกว่าแบตเตอรี่แบบเดิมมาก เราสามารถคาดหวังการลดราคาด้วยการพัฒนาการผลิตตามปกติ แต่ข้อเสียโดยธรรมชาติอื่น ๆ ของแบตเตอรี่ดังกล่าว - ประสิทธิภาพในปัจจุบันที่ลดลง การไม่สามารถทำงานที่อุณหภูมิติดลบ - ไม่น่าจะเอาชนะได้ภายในกรอบของเทคโนโลยีที่มีอยู่

นอกจากจะเพิ่มอันตรายจากไฟไหม้แล้ว ยังขัดขวางการใช้งานอีกด้วย แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน. นอกจากนี้ ควรระลึกไว้เสมอว่าองค์ประกอบดังกล่าวอาจมีการเสื่อมสภาพ แม้ว่าจะไม่ถูกเรียกเก็บเงินและปล่อยทิ้ง แต่ทรัพยากรของพวกมันเองกลายเป็นศูนย์ใน 1.5 ... 2 ปีของการจัดเก็บ

โหมดการชาร์จที่เหมาะสมที่สุดคือในสองขั้นตอน ขั้นแรกให้กระแสคงที่ (ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นอย่างราบรื่น) จากนั้นเป็นแรงดันไฟฟ้าที่เสถียร (ด้วยกระแสที่ลดลงอย่างราบรื่น) ในทางปฏิบัติ ขั้นตอนที่สองจะดำเนินการในรูปแบบของกระแสไฟชาร์จที่ลดลงตามขั้นตอน บ่อยขึ้น ขั้นตอนนี้ประกอบด้วยขั้นตอนเดียว - กระแสเสถียรจะลดลง

ลักษณะสำคัญของแบตเตอรี่

พารามิเตอร์แรกที่ให้ความสนใจเมื่อเลือกแบตเตอรี่คือ แรงดันไฟฟ้า. แรงดันไฟฟ้าของเซลล์แบตเตอรี่หนึ่งเซลล์ถูกกำหนดโดยกระบวนการทางเคมีกายภาพที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ และขึ้นอยู่กับชนิดของแบตเตอรี่ ธนาคารที่เรียกเก็บเงินเต็มจำนวนหนึ่งให้:

• ธาตุตะกั่วกรด - 2.1 โวลต์;
• นิกเกิลแคดเมียม - 1.25 โวลต์;
• นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ - 1.37 โวลต์;
• ลิเธียมไอออน - 3.7 โวลต์

เพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น เซลล์จะถูกประกอบเป็นแบตเตอรี่ ดังนั้น สำหรับแบตเตอรี่รถยนต์ คุณต้องเชื่อมต่อกระป๋องกรดตะกั่ว 6 อันเป็นชุดเพื่อให้ได้ 12 โวลต์ (แม่นยำกว่าคือ 12.6 V) และสำหรับไขควง 18 โวลต์ - ลิเธียมไอออน 5 กระป๋อง 3.7 โวลต์

พารามิเตอร์ที่สำคัญที่สองคือ ความจุ. กำหนดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ภายใต้ภาระ มีหน่วยวัดเป็นแอมแปร์-ชั่วโมง (ผลคูณของกระแสและเวลา) ดังนั้น แบตเตอรี่ที่มีความจุ 3 A⋅h เมื่อคายประจุด้วยกระแสไฟ 1 แอมแปร์ จะถูกคายประจุใน 3 ชั่วโมง และด้วยกระแสไฟ 3 แอมแปร์ - ใน 1 ชั่วโมง

สำคัญ! พูดอย่างเคร่งครัด, ความจุของแบตเตอรี่ ขึ้นอยู่กับปัจจุบัน การคายประจุ ดังนั้นผลคูณของเวลาปัจจุบันและคายประจุที่ค่าโหลดต่างกันสำหรับแบตเตอรี่หนึ่งก้อนจะไม่เท่ากัน

และพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สาม - อุปทานในปัจจุบัน. นี่คือกระแสไฟสูงสุดที่แบตเตอรี่สามารถจ่ายได้ เป็นสิ่งสำคัญ ตัวอย่างเช่น สำหรับ แบตเตอรี่รถยนต์ - กำหนดความเป็นไปได้ของการหมุนเพลามอเตอร์ในฤดูหนาว นอกจากนี้ ความสามารถในการส่งกระแสไฟสูง สร้างแรงบิดสูง เป็นสิ่งสำคัญ ตัวอย่างเช่น สำหรับเครื่องมือไฟฟ้า และสำหรับอุปกรณ์พกพา ลักษณะนี้ไม่สำคัญนัก

คุณสมบัติทางไฟฟ้าและคุณภาพของผู้บริโภคของแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับการออกแบบและเทคโนโลยีการผลิต การใช้แบตเตอรี่อย่างถูกต้องหมายถึงการใช้ข้อดีของแหล่งพลังงานเคมีหมุนเวียนและการปรับระดับข้อเสีย

บทความที่คล้ายกัน: