- Az elemek típusai
- 1. Elsődleges elemek
- 2. Másodlagos elemek
- 1. Nikkel-kadmium elemek
- 2. Nikkel-fém-hidrid elemek
- 3. Lítium-ion akkumulátorok
- 4. Ólom-savas elemek
- Az alkalmazáshoz megfelelő akkumulátor kiválasztása
Az akkumulátor egy vagy több cella összessége, amelyek kémiai reakciók alatt mennek keresztül, hogy létrehozzák az elektron áramlását egy áramkörön belül. Nagyon sok kutatás és fejlesztés folyik az akkumulátortechnika terén, és ennek eredményeként áttörést jelentő technológiákat tapasztalnak és alkalmaznak az egész világon. Az elemek az előállított elektromos energia tárolásának szükségessége miatt kerültek játékba. Amíg jó mennyiségű energia termelődött, fontos volt tárolni az energiát, hogy azt fel lehessen használni, ha a termelés nem működik, vagy amikor olyan önálló eszközökre van szükség, amelyek nem tarthatók az elektromos hálózatról. Itt kell megjegyezni, hogy az akkumulátorokban csak egyenáramot lehet tárolni, a váltakozó áramot nem lehet tárolni.
Az elemcellák általában három fő alkatrészből állnak;
- Az anód (negatív elektróda)
- A katód (pozitív elektróda)
- Az elektrolitok
Az anód negatív elektróda, amely elektronokat termel a külső áramkörhöz, amelyhez az akkumulátor csatlakozik. Az akkumulátorok csatlakoztatásakor az anódnál elektronfelhalmozódás indul, ami potenciálkülönbséget okoz a két elektróda között. Az elektronok természetesen megpróbálják újraelosztani önmagukat, ezt az elektrolit megakadályozza, így amikor egy elektromos áramkört csatlakoztatnak, akkor ez egy világos utat biztosít az elektronok számára az anódról a katódra való elmozduláshoz, ezáltal áramellátva azt az áramkört, amelyhez kapcsolódik. Az anód, katód és elektrolit felépítéséhez használt elrendezés és anyag megváltoztatásával sokféle típusú elemkémia érhető el, amely lehetővé teszi számunkra, hogy különböző típusú elemcellákat tervezzünk. Ebben a cikkben megismerhetjük a különböző típusú elemeket és azok felhasználását, tehát kezdjük.
Az elemek típusai
Az elemek általában különböző kategóriákba és típusokba sorolhatók, a kémiai összetételtől, a mérettől, az alaki tényezőtől és a felhasználási esettől kezdve, de mindezek alatt két fő elemtípus található;
- Elsődleges elemek
- Másodlagos elemek
Vessünk egy mélyebb pillantást annak megértésére, hogy milyen fő különbségek vannak egy elsődleges és egy másodlagos sejt között.
1. Elsődleges elemek
Az elsődleges akkumulátorok olyan elemek, amelyeket lemerülésük után nem lehet újratölteni. Az elsődleges akkumulátorok elektrokémiai cellákból készülnek, amelyek elektrokémiai reakciója nem fordítható meg.
Az elsődleges elemek különböző formákban léteznek, az érmeelemektől az AA elemekig. Általában önálló alkalmazásokban használják, ahol a töltés nem praktikus vagy lehetetlen. Jó példa erre a katonai szintű eszközök és az akkumulátoros berendezések. Nem praktikus az újratölthető elemek használata, mivel az akkumulátorok feltöltése az utolsó dolog a katonák fejében. Az elsődleges akkumulátorok mindig magas fajlagos energiával rendelkeznek, és azokat a rendszereket, amelyekben használják, mindig alacsony energiafogyasztásra tervezték, hogy az akkumulátorok a lehető leghosszabb ideig működhessenek.
Néhány további példa az elsődleges elemeket használó eszközökre; Pace készítők, állatkövetők, karórák, távirányítók és gyermekjátékok, hogy néhányat említsünk.
Az elsődleges elemek legnépszerűbb típusai az alkáli elemek. Magas fajlagos energiájuk van, környezetbarátak, költséghatékonyak és nem is szivárognak teljesen lemerülve. Több évig tárolhatók, jó biztonsági nyilvántartással rendelkeznek és repülőgépen szállíthatók anélkül, hogy az ENSZ szállítási és egyéb előírások alá tartoznának. Az alkáli elemek egyetlen hátránya az alacsony terhelésű áram, amely használatát olyan készülékekre korlátozza, amelyek alacsony áramigényűek, például távirányítók, elemlámpák és hordozható szórakoztató eszközök.
2. Másodlagos elemek
A másodlagos akkumulátorok olyan elektrokémiai cellákkal rendelkező elemek, amelyek kémiai reakciói megfordíthatók, ha bizonyos feszültséget fordítanak az akkumulátorra fordított irányban. Az újratölthető akkumulátoroknak is nevezett szekunder cellák az elsődleges cellákkal ellentétben újratölthetők, miután az akkumulátoron lévő energia elfogyott.
Jellemzően nagy igénybevételű alkalmazásokban és más esetekben használják, ahol túl drága vagy kivitelezhetetlen az egyszeres töltésű akkumulátorok használata. A kis kapacitású másodlagos akkumulátorokat hordozható elektronikus eszközök, például mobiltelefonok, valamint egyéb készülékek és készülékek áramellátására használják, míg a nagy teherbírású akkumulátorokat különféle elektromos járművek és más nagy fogyasztású alkalmazások, például a villamosenergia-termelés terhelés-kiegyenlítéséhez. Az áramellátáshoz önálló áramforrásként is használják az inverterek mellett. Bár az újratölthető elemek beszerzésének kezdeti költségei mindig sokkal magasabbak, mint az elsődleges elemeké, de hosszú távon ezek a legköltséghatékonyabbak.
A másodlagos akkumulátorok kémia alapján további további típusokba sorolhatók . Ez nagyon fontos, mert a kémia meghatározza az akkumulátor egyes tulajdonságait, beleértve az energiafogyasztást, a ciklus élettartamát, az eltarthatóságot és az árat, hogy néhányat említsünk.
Az alábbiakban felsoroljuk a gyakran használt újratölthető elemek típusait.
- Lítium-ion (Li-ion)
- Nikkel kadmium (Ni-Cd)
- Nikkel-fém-hidrid (Ni-MH)
- Ólom-sav
1. Nikkel-kadmium elemek
A nikkel-kadmium akkumulátor (NiCd vagy NiCad akkumulátor) egyfajta újratölthető akkumulátor, amelyet nikkel-oxid-hidroxid és fémes kadmium elektródokként fejlesztenek ki. A Ni-Cd akkumulátorok kiválóan képesek fenntartani a feszültséget és tartani a töltést, ha nem használják. Az NI-Cd akkumulátorok azonban könnyen a rettegett „memória” effektus áldozatává válnak, amikor egy részben feltöltött akkumulátort újratöltenek, ami csökkenti az akkumulátor jövőbeni kapacitását.
Más típusú újratölthető cellákkal összehasonlítva a Ni-Cd akkumulátorok jó életciklust és teljesítményt nyújtanak alacsony hőmérsékleten, megfelelő kapacitással, de a legfontosabb előnyük az lesz, hogy képesek teljes névleges kapacitásukat magas kisütési sebesség mellett teljesíteni. Különböző méretben kaphatók, beleértve az alkáli elemekhez használt méreteket is, az AAA-tól D-ig. A Ni-Cd cellákat külön-külön használják, vagy két vagy több cellás csomagolásban összeszerelve. A kis csomagokat hordozható eszközökben, elektronikában és játékokban használják, míg a nagyobbakat repülőgépek indító akkumulátoraiban, elektromos járművekben és készenléti áramellátásban találják meg.
Az alábbiakban felsoroljuk a nikkel-kadmium akkumulátorok néhány tulajdonságát.
- Fajlagos energia: 40-60W-h / kg
- Energiasűrűség: 50-150 Wh / L
- Fajlagos teljesítmény: 150W / kg
- Töltés / kisütés hatékonysága: 70-90%
- Önkisülési arány: 10% / hó
- A ciklus tartóssága / élettartama: 2000 ciklus
2. Nikkel-fém-hidrid elemek
A nikkelfém-hidrid (Ni-MH) egy másik típusú kémiai konfiguráció, amelyet újratölthető akkumulátorokhoz használnak. Az akkumulátorok pozitív elektródájánál a kémiai reakció hasonló a nikkel-kadmium cellához (NiCd), mindkét elemtípus ugyanazt a nikkel-oxid-hidroxidot (NiOOH) használja. A nikkel-fémhidrid negatív elektródái azonban a NiCd akkumulátorokban használt kadmium helyett hidrogénelnyelő ötvözetet használnak.
A NiMH akkumulátorok nagy kapacitásuk és energiasűrűségük miatt alkalmazhatók nagy fogyasztású készülékekben. A NiMH akkumulátor kapacitása kétszer-háromszorosa lehet az azonos méretű NiCd akkumulátor kapacitásának, energia-sűrűsége pedig megközelítheti a lítium-ion akkumulátorét. A NiCd kémiaival ellentétben a NiMH kémiai alapú elemek nem érzékenyek a „memória” hatásra, amelyet a NiCads tapasztal.
Az alábbiakban bemutatjuk az elemek nikkel-fém-hidrid kémiai tulajdonságain alapuló tulajdonságait;
- Fajlagos energia: 60-120h / kg
- Energiasűrűség: 140-300 Wh / L
- Fajlagos teljesítmény: 250-1000 W / kg
- Töltés / kisütés hatékonysága: 66% - 92%
- Önkisülési arány: 1,3-2,9% / hó 20 o C-on
- A ciklus tartóssága / élettartama: 180 -2000
3. Lítium-ion akkumulátorok
A lítium-ion akkumulátorok az egyik legnépszerűbb újratölthető elem. Sok különböző típusú lítium akkumulátor létezik, de az összes lítium-ion elemet használják a leggyakrabban. Megtalálható, hogy ezeket a lítium akkumulátorokat különböző formákban használják, népszerű módon az elektromos járművek és más hordozható eszközök között. Ha kíváncsi többet tudni az elektromos járművekben használt akkumulátorokról, olvassa el ezt a cikket az elektromos jármű akkumulátorairól. Különböző hordozható készülékekben találhatók, beleértve a mobiltelefonokat, okoseszközöket és számos más otthon használt akkumulátort. Könnyűségük miatt alkalmazást találnak a repülőgépiparban és katonai alkalmazásokban is.
A lítium-ion akkumulátorok egyfajta újratölthető akkumulátorok, amelyekben a negatív elektródból származó lítiumionok a kisülés során a pozitív elektródára vándorolnak, és az akkumulátor töltése közben visszavándorolnak a negatív elektródára. A Li-ion akkumulátorok interkalált lítiumvegyületet használnak egy elektróda anyagként, összehasonlítva a nem újratölthető lítiumelemekben használt fémlítiummal.
A lítium-ion akkumulátorok általában nagy energiasűrűségűek, alig vagy egyáltalán nem tárolják a memóriát, és alacsony az önkisülésük a többi elemtípushoz képest. Kémiai tulajdonságaik, valamint a teljesítményük és a költségeik a különböző felhasználási esetekben eltérőek, például a kézi elektronikus eszközökben használt lítium-ion akkumulátorok általában lítium-kobalt-oxidon (LiCoO 2) alapulnak, amely nagy energiasűrűséget és alacsony biztonsági kockázatot jelent, ha megsérül, miközben a Li-ion Az alacsonyabb energiasűrűségű lítium-vas-foszfát alapú akkumulátorok biztonságosabbak, mivel a szerencsétlen események valószínűsége csökken, széles körben használják elektromos szerszámok és orvosi berendezések áramellátásában. A lítium-ion akkumulátorok a legjobb teljesítmény / tömeg arányt kínálják, a legmagasabb arányú lítium-kén akkumulátorok.
Az alábbiakban felsoroljuk a lítium-ion akkumulátorok néhány tulajdonságát;
- Fajlagos energia: 100: 265W-h / kg
- Energiasűrűség: 250: 693 Wh / L
- Fajlagos teljesítmény: 250: 340 W / kg
- Töltési / kisütési százalék: 80-90%
- Ciklus tartóssága: 400: 1200 ciklus
- Névleges cellafeszültség: NMC 3,6 / 3,85 V
4. Ólom-savas elemek
Az ólom-savas akkumulátorok olcsó, megbízható motoros ló, amelyet nehéz igénybevételű alkalmazásokban használnak. Rendszerint nagyon nagyok, és súlyuk miatt mindig nem hordozható alkalmazásokban használják őket, mint például a napelemes energiatárolásban, a jármű gyújtásában és a lámpákban, a tartalék energiában és a terhelés szintezésében az energiatermelés / elosztás során. Az ólom-sav a legrégebbi típusú újratölthető akkumulátor, és még mindig nagyon fontos és fontos a mai világban. Az ólom-sav akkumulátorok energia-térfogata és energia-súly aránya nagyon alacsony, de viszonylag nagy teljesítmény-tömeg arányuk van, és ennek eredményeként szükség esetén hatalmas túlfeszültség-áramokat tudnak szolgáltatni. Ezek az attribútumok alacsony költségük mellett vonzóvá teszik ezeket az akkumulátorokat számos nagy áramú alkalmazásban, például az autóindító motorok meghajtásában és a tartalék tápegységekben történő tárolásra.Megtekintheti az ólom-savas akkumulátorok működéséről szóló cikket is, ha többet szeretne megtudni a különböző típusú ólom-savas akkumulátorokról, azok felépítéséről és alkalmazásáról.
Ezen elemek mindegyikének a legjobban illeszkedő területe van, és az alábbi kép segít megválasztani őket.
Az alkalmazáshoz megfelelő akkumulátor kiválasztása
Az IoT-hez hasonló technológiai forradalmakat gátló egyik fő probléma az energiaellátás, az akkumulátor élettartama befolyásolja a hosszú akkumulátor-élettartamot igénylő eszközök sikeres telepítését, és annak ellenére, hogy az akkumulátor hosszabb élettartama érdekében számos energiagazdálkodási technikát alkalmaznak, mégis kompatibilis akkumulátort kell választani a kívánt eredmény elérése érdekében.
Az alábbiakban néhány szempontot kell figyelembe venni, amikor kiválasztja a megfelelő típusú akkumulátort a projektjéhez.
1. Energiasűrűség: Az energia-sűrűség az összes tárolható energiamennyiség egységnyi tömegre vagy térfogatra. Ez meghatározza, hogy a készülék mennyi ideig marad bekapcsolva, mielőtt újratölteni kellene.
2. Teljesítménysűrűség: Az energia kisülésének maximális sebessége tömeg / térfogat egységenként. Alacsony teljesítmény: laptop, i-pod. Nagy teljesítmény: elektromos szerszámok.
3. Biztonság: Fontos figyelembe venni az épített eszköz hőmérsékletét. Magas hőmérsékleten az akkumulátor egyes alkatrészei meghibásodnak, és exoterm reakciókat válthatnak ki. A magas hőmérséklet általában csökkenti a legtöbb elem teljesítményét.
4. Az életciklus tartóssága: Az akkumulátorok energiasűrűségének és teljesítménysűrűségének stabilitása ismételt ciklusokkal (töltés és kisütés) szükséges az akkumulátorok legtöbb élettartama szempontjából.
5. Költség: A költség fontos része minden mérnöki döntésnek, amelyet meghoz. Fontos, hogy az akkumulátor megválasztásának költségei arányosak legyenek a teljesítményével, és ne növeljék rendellenesen a projekt teljes költségét.