Bude drát generovat více tepla? Proč? (odpor mědi 0,017 Ohm x mm2/m, železa 0,10 Ohm x mm2/m, niklu 0,40 Ohm x mm2/m.)
2. Nichromová spirála o délce 5 m a průřezu 0,5 mm2 je připojena k napěťové síti 110 V. Zjistěte aktuální výkon ve spirále. (Odpor nichromu 1,1 Ohm x mm2/m.)
3. Elektrický sporák 800 W je zapnutý po dobu 5 hodin. Určete spotřebu energie (ve watthodinách a kilowatthodinách).
4. K jaké přeměně energie dochází při provozu generátoru elektrického proudu?
1. Na jakém způsobu přenosu tepla je založen ohřev pevných látek?A. Tepelná vodivost.B. Konvekce B. Záření. Jaký typ přenosu tepladoprovázená přenosem hmoty A. Tepelná vodivost B. Záření B. Konvekce 3. Která z následujících látek má nejvyšší tepelnou vodivost?A. Srst. B. Strom. B. Ocel 4. Která z následujících látek má nejnižší tepelnou vodivost A. Piliny. B. Olovo. B. Měď.5. Vyjmenujte možný způsob přenosu tepla mezi tělesy oddělenými bezvzduchovým prostorem A. Tepelná vodivost B. Konvekce B. Vyzařování 6. Kovová rukojeť a dřevěná dvířka budou při teplotě...A.vyšší než tělesná teplota. pod tělesnou teplotou B. rovná se tělesná teplota 7. Co se stane s teplotou tělesa, přijme-li tolik energie, kolik vyzáří B. Tělo se ochladí.B. Tělesná teplota se nemění.8. Jakým způsobem dochází k přenosu tepla v kapalinách A. Tepelná vodivost B. Konvekce B. Záření.9. Která z následujících látek má nejméně A. Vzduch. B. Litina. B. Hliník10. Měrná tepelná kapacita vody je 4200 (J/kg*0С). To znamená, že...A.k ohřevu vody o hmotnosti 4200 kg o 1 °C je potřeba množství tepla rovné 1 J.B. k ohřevu vody o hmotnosti 1 kg na 4200 °C je potřeba množství tepla rovné 1 J.B. K ohřevu vody o hmotnosti 1 kg na 1 °C je potřeba 11. Měrné spalné teplo paliva ukazuje, kolik coA. spalování paliva je B. úplné spálení paliva.B. s úplným spalováním paliva o hmotnosti 1 kg.12. K odpařování dochází...A.při jakékoli teplotě.B. při teplotě varu B. při určité teplotě pro každou kapalinu.13. Za přítomnosti větru dochází k odpařování...A.rychleji.B. pomalejší.B. stejnou rychlostí jako při jeho nepřítomnosti.14. Může být účinnost tepelného motoru 100%, pokud se tření mezi pohyblivými částmi tohoto stroje sníží na nulu?A. Ano. B. č.15. Ze kterého pólu magnetu vycházejí siločáry magnetického pole?A. Ze severu. B. Z jihu. B. Z obou pólů.16. Těleso nabité záporným nábojem je přivedeno ke kouli nenabitého elektroskopu, aniž by se ho dotklo. Jaký náboj získají listy elektroskopu A. Negativní. B. Pozitivní. B. Žádné.17. Může atom vodíku nebo jakékoli jiné látky změnit svůj náboj o 1,5 násobek náboje elektronu?A. Ano. B. č.18. Jaký obraz vzniká na lidské sítnici?A. Zvětšený, skutečný, převrácený.B. Zmenšený, skutečný, převrácený.V. Zvětšený, imaginární, přímý.G. Zmenšený, imaginární, přímý.19. Co měří ampérmetr?A) Elektrický odpor vodičůB) Napětí na pólech zdroje proudu nebo na některém úseku obvoduC) Intenzita proudu v obvoduD) Výkon elektrického proudu20. Difúze je: A) Proces zvyšování teploty B) Jev, při kterém dochází ke vzájemnému pronikání molekul jedné látky mezi molekulami druhé C) Jev, při kterém těleso přechází z pevného skupenství do kapalného skupenství D) Proces zvýšení hustoty tělesa 21. Vzorec účinnosti:A) ŋ= Аn* 100%АɜB) ŋ= Аɜ * 100%АnВ) ŋ= Аn * Аɜ100%D) ŋ= Аn * Аɜ * 100%22. Co říká Archimédův zákon?A) Vztlaková síla působící na těleso ponořené v kapalině se rovná hmotnosti kapaliny vytlačené tímto tělesemB) Vztlaková síla působící na těleso ponořené v kapalině je rovna rychlosti ponoření tohoto tělesa do kapalinyC) Vztlaková síla působící na těleso ponořené v kapalině je rovna hustotě tohoto tělesa D) Vztlaková síla působící na těleso ponořené v kapalině je rovna hmotnosti tohoto tělesa23. Co deyA) krok24. VnitřníA) pouze B) pouze C) pouze D) z témat25. Které z následujících látek jsou vodiče a) pryž; b) měď, c) plast; d) sklo.26. Těleso je zelektrizováno teprve tehdy, když...... náboj.a) nabývá; b) prohrává; c) zisky nebo ztráty.27. Které z následujících látek jsou dielektrika? b) měď; c) roztok kyseliny sírové; d) ocel.28. Pravděpodobně nabitá tělesa ........ a opačně nabitá - ......a) ...odpuzují, ...přitahují, b) ...přitahují, ...odpuzují.29. Elektrický proud se nazývá...A. Pohyb elektronů po vodiči.B. Uspořádaný pohyb elektronů po vodiči.V. Uspořádaný pohyb protonů podél vodiče.G. Uspořádaný pohyb nabitých částic.D. Pohyb elektrických nábojů po vodiči.30. K jaké přeměně energie dochází při provozu elektrického mlýnku na kávu Přeměna elektrické energie...A. Na chemické oddělení. B. K mechanickému. B. Do světlé místnosti. G. Vnitřní
K jaké přeměně energie dochází při provozu elektrického proudu, když svítí reklamní neonová lampa? Elektrická energie se přeměňuje na...A. Chemické
B. Mechanické
V. Světovája
G. Vnitřní
mezi záření, vytvořené chladič centrální topení, A záření hořící svíčka?
3) k jakým přeměnám energie dochází, když svítí baterka?
4) V jakém hmotném prostředí se světlo šíří největší rychlostí?
5) Proč nejsou stíny ani s jedním světelným zdrojem nikdy úplně tmavé?
6) Proč je v místnosti světlo, i když do jeho oken nedopadá přímé sluneční světlo?
7) proč jsou v mlze a prašném vzduchu vidět paprsky světla z automobilových světlometů?
8) Proč nevidíme obličej šermířského sportovce, který se dívá přes jemné pletivo, ale šermíř vidí dobře všechny předměty skrz pletivo?
10) Proč je sklo na výrobu zrcadla broušeno a leštěno se zvláštní péčí?
11) úhel dopadu paprsku = 60. Jaký je úhel odrazu paprsku?
12) Úhel dopadu paprsku je 25. Jaký je úhel mezi dopadajícím a odraženým paprskem?
13) Úhel mezi dopadajícím a odraženým paprskem je 50. Pod jakým úhlem dopadá světlo k zrcadlu?
Kluci, prosím pomozte)
Účel startovacích baterií
Teoretické základy přeměny chemické energie na elektrickou energii
Slabá baterie
Nabíjení baterie
Spotřeba hlavních proudotvorných činidel
Elektromotorická síla
Vnitřní odpor
Nabíjecí a vybíjecí napětí
Kapacita baterie
Energie a napájení z baterie
Samovybíjení baterie
Účel startovacích baterií
Hlavní funkcí baterie je spolehlivé startování motoru. Další funkcí je energetický buffer při běžícím motoru. Spolu s tradičními typy spotřebitelů se skutečně objevilo mnoho doplňkových servisních zařízení, která zlepšují pohodlí řidiče a bezpečnost provozu. Baterie kompenzuje energetický deficit při jízdě v městském cyklu častými a dlouhými zastávkami, kdy generátor nemůže vždy poskytnout výkon potřebný k plnému napájení všech zapnutých spotřebičů. Třetí provozní funkcí je napájení při vypnutém motoru. Dlouhodobé používání elektrických spotřebičů při zaparkování s vypnutým motorem (nebo motorem běžícím na volnoběh) však vede k hlubokému vybití baterie a prudkému poklesu její startovací charakteristiky.
Baterie je určena i pro nouzové napájení. Pokud dojde k poruše generátoru, usměrňovače, regulátoru napětí nebo prasknutí řemenu generátoru, musí zajistit provoz všech spotřebičů nezbytných pro bezpečný přesun do nejbližší servisní stanice.
Startovací baterie tedy musí splňovat následující základní požadavky:
Zajistěte vybíjecí proud nezbytný pro provoz startéru, to znamená, že má nízký vnitřní odpor pro minimální ztráty vnitřního napětí uvnitř baterie;
Proveďte požadovaný počet pokusů o nastartování motoru s nastavenou dobou trvání, to znamená, že máte potřebnou rezervu energie vybíjení startéru;
Mít dostatečně vysoký výkon a energii s minimálními možnými rozměry a hmotností;
Mít rezervu energie pro napájení spotřebitelů, když motor neběží nebo je v nouzi (rezervní kapacita);
Udržujte napětí potřebné pro provoz spouštěče, když teplota klesne do specifikovaných limitů (proud při studeném startování);
Udržujte provozuschopnost po dlouhou dobu při zvýšených (až 70 "C) okolních teplotách;
Přijměte nabití pro obnovení kapacity používané ke spuštění motoru a napájení ostatních spotřebičů z generátoru za chodu motoru (přijetí nabíjení);
Nevyžaduje speciální školení uživatele nebo údržbu během provozu;
Mají vysokou mechanickou pevnost odpovídající provozním podmínkám;
Zachovat stanovené výkonové charakteristiky po dlouhou dobu během provozu (životnost);
Mají bezvýznamné samovybíjení;
Mít nízké náklady.
Teoretické základy přeměny chemické energie na elektrickou energii
Chemický zdroj proudu je zařízení, ve kterém dochází vlivem prostorově oddělených redoxních chemických reakcí k přeměně jejich volné energie na energii elektrickou. Podle povahy jejich práce se tyto zdroje dělí do dvou skupin:
Primární zdroje chemického proudu nebo galvanické články;
Sekundární zdroje nebo elektrické baterie.
Primární zdroje umožňují pouze jednorázové použití, protože látky vzniklé při jejich vypouštění nelze přeměnit na původní aktivní látky. Zcela vybitý galvanický článek je zpravidla pro další práci nevhodný - je nevratným zdrojem energie.
Sekundární chemické zdroje proudu jsou vratné zdroje energie - po libovolně hlubokém vybití lze jejich funkčnost zcela obnovit nabíjením. K tomu stačí propustit sekundárním zdrojem elektrický proud v opačném směru, než kterým protékal při výboji. Během procesu nabíjení se látky vzniklé při vybíjení změní na původní aktivní materiály. Takto se volná energie chemického zdroje proudu opakovaně přeměňuje na elektrickou energii (vybití baterie) a zpětná přeměna elektrické energie na volnou energii chemického zdroje proudu (nabití baterie).
Průchod proudu elektrochemickými systémy je spojen s chemickými reakcemi (transformacemi), ke kterým dochází. Existuje tedy vztah mezi množstvím látky, která vstoupila do elektrochemické reakce a prošla přeměnami, a množstvím vynaložené nebo uvolněné elektřiny, kterou stanovil Michael Faraday.
Podle prvního Faradayova zákona je hmotnost látky, která vstupuje do elektrodové reakce nebo je výsledkem jejího výskytu, úměrná množství elektřiny procházející systémem.
Podle druhého Faradayova zákona při stejném množství elektřiny procházející systémem jsou hmotnosti zreagovaných látek vzájemně příbuzné jako jejich chemické ekvivalenty.
V praxi podléhá elektrochemickým změnám menší množství látky než podle Faradayových zákonů - při průchodu proudu dochází kromě hlavních elektrochemických reakcí také k paralelním nebo sekundárním (vedlejším) reakcím, které mění hmotnost produktů. Aby se zohlednil vliv takových reakcí, byl zaveden koncept proudové účinnosti.
Proudový výstup je ta část množství elektřiny procházející systémem, která odpovídá za hlavní uvažovanou elektrochemickou reakci.
Slabá baterie
Aktivní látky nabité olověné baterie, které se účastní procesu generování proudu, jsou:
Kladná elektroda obsahuje oxid olovnatý (tmavě hnědý);
Na záporné elektrodě je houbovité olovo (šedé);
Elektrolyt je vodný roztok kyseliny sírové.
Některé molekuly kyseliny ve vodném roztoku jsou vždy disociovány na kladně nabité vodíkové ionty a záporně nabité síranové ionty.
Olovo, které je aktivní hmotou záporné elektrody, se částečně rozpouští v elektrolytu a oxiduje v roztoku za vzniku kladných iontů. Přebytečné elektrony uvolněné v tomto případě udělí elektrodě záporný náboj a začnou se pohybovat po uzavřené části vnějšího obvodu ke kladné elektrodě.
Kladně nabité ionty olova reagují se záporně nabitými síranovými ionty za vzniku síranu olovnatého, který je málo rozpustný, a proto se ukládá na povrchu záporné elektrody. Během procesu vybíjení baterie se aktivní hmota záporné elektrody přemění z houbovitého olova na síran olovnatý se změnou barvy z šedé na světle šedou.
Oxid olovnatý kladné elektrody se rozpouští v elektrolytu v mnohem menším množství než olovo záporné elektrody. Při interakci s vodou disociuje (rozpadá se v roztoku na nabité částice - ionty), tvoří čtyřmocné ionty olova a hydroxylové ionty.
Ionty udělují elektrodě kladný potenciál a přidáním elektronů, které prošly vnějším obvodem ze záporné elektrody, se redukují na dvojmocné ionty olova.
Ionty interagují s ionty za vzniku síranu olovnatého, který se z výše uvedeného důvodu také ukládá na povrchu kladné elektrody, jako tomu bylo na záporu. Jak výboj postupuje, aktivní hmota kladné elektrody se přeměňuje z oxidu olovnatého na síran olovnatý a mění svou barvu z tmavě hnědé na světle hnědou.
Jak se baterie vybíjí, aktivní materiály v kladných i záporných elektrodách se přeměňují na síran olovnatý. V tomto případě se kyselina sírová spotřebovává na síran olovnatý a z uvolněných iontů vzniká voda, což vede ke snížení hustoty elektrolytu při vybíjení.
Nabíjení baterie
Elektrolyt obou elektrod obsahuje malé množství síranu olovnatého a vodních iontů. Vlivem napětí zdroje stejnosměrného proudu, do jehož obvodu je zapojena nabíjená baterie, dochází ve vnějším obvodu ke směrovému pohybu elektronů k zápornému pólu baterie.
Dvojmocné ionty olova na záporné elektrodě jsou neutralizovány (redukovány) příchozími dvěma elektrony, čímž se aktivní hmota záporné elektrody přemění na kovové houbovité olovo. Zbývající volné ionty tvoří kyselinu sírovou
Na kladné elektrodě pod vlivem nabíjecího proudu předávají dvojmocné ionty olova dva elektrony, které oxidují na čtyřmocné. Ten, který se spojí prostřednictvím mezireakcí se dvěma ionty kyslíku, tvoří oxid olovnatý, který se uvolňuje na elektrodě. Ionty a, stejně jako ionty záporné elektrody, tvoří kyselinu sírovou, v důsledku čehož se během nabíjení zvyšuje hustota elektrolytu.
Po dokončení procesů přeměny látek v aktivních hmotách kladných a záporných elektrod se hustota elektrolytu přestane měnit, což je znamením konce nabíjení baterie. Při dalším pokračování náboje dochází k tzv. sekundárnímu procesu - elektrolytickému rozkladu vody na kyslík a vodík. Emitované z elektrolytu ve formě plynových bublinek vytvářejí efekt intenzivního varu, který také slouží jako známka konce nabíjecího procesu.
Spotřeba hlavních proudotvorných činidel
Pro získání kapacity jedné ampérhodiny při vybité baterii je nutné, aby se reakce zúčastnily následující:
4,463 g oxidu olovnatého
3,886 g houbovitého olova
3,660 g kyseliny sírové
Celková teoretická spotřeba materiálů na výrobu 1 Ah (měrná spotřeba materiálů) elektřiny bude 11,989 g/Ah a teoretická měrná kapacita bude 83,41 Ah/kg.
Při jmenovitém napětí baterie 2 V je teoretická měrná spotřeba materiálu na jednotku energie 5,995 g/Wh a měrná energie baterie 166,82 Wh/kg.
V praxi je však nemožné dosáhnout plného využití aktivních materiálů účastnících se procesu generování proudu. Přibližně polovina povrchu aktivní hmoty je pro elektrolyt nepřístupná, protože slouží jako základ pro konstrukci objemné porézní kostry, která zajišťuje mechanickou pevnost materiálu. Skutečný koeficient využití aktivních hmot kladné elektrody je tedy 45-55 % a záporné elektrody 50-65 %. Kromě toho se jako elektrolyt používá 35-38% roztok kyseliny sírové. Proto je hodnota skutečné měrné spotřeby materiálů mnohem vyšší a skutečné hodnoty měrné kapacity a měrné energie jsou mnohem nižší než teoretické.
Elektromotorická síla
Elektromotorická síla (EMF) baterie E je rozdíl v jejích elektrodových potenciálech, měřený, když je vnější obvod otevřený.
EMF baterie sestávající z n baterií zapojených do série.
Je nutné rozlišovat mezi rovnovážným EMF baterie a nerovnovážným EMF baterie během doby od otevření obvodu do ustavení rovnovážného stavu (období procesu přechodu).
EMF se měří vysokoodporovým voltmetrem (vnitřní odpor minimálně 300 Ohm/V). K tomu je ke svorkám baterie nebo baterie připojen voltmetr. V tomto případě by akumulátorem (baterií) neměl protékat nabíjecí ani vybíjecí proud.
Rovnovážná EMF olověné baterie, stejně jako jakéhokoli chemického zdroje proudu, závisí na chemických a fyzikálních vlastnostech látek, které se účastní procesu generování proudu, a je zcela nezávislá na velikosti a tvaru elektrod, stejně jako na množství aktivních hmot a elektrolytu. Zároveň se u olověného akumulátoru elektrolyt přímo podílí na proudotvorném procesu na elektrodách akumulátoru a mění svou hustotu v závislosti na stupni nabití akumulátorů. Proto je rovnovážný EMF, který je zase funkcí hustoty
Změna emf baterie jako funkce teploty je velmi malá a lze ji během provozu zanedbat.
Vnitřní odpor
Odpor, který baterie poskytuje proudu, který v ní protéká (nabíjení nebo vybíjení), se obvykle nazývá vnitřní odpor baterie.
Odpor aktivních materiálů kladných a záporných elektrod a také odpor elektrolytu se mění v závislosti na stavu nabití baterie. Navíc odpor elektrolytu velmi výrazně závisí na teplotě.
Ohmický odpor tedy závisí také na stavu nabití baterie a teplotě elektrolytu.
Polarizační odpor závisí na síle vybíjecího (nabíjecího) proudu a teplotě a nepodléhá Ohmově zákonu.
Vnitřní odpor jedné baterie a dokonce i baterie sestávající z několika baterií zapojených do série je nevýznamný a při nabití činí pouze několik tisícin ohmu. Během procesu vybíjení se však výrazně mění.
Elektrická vodivost aktivních hmot klesá pro kladnou elektrodu přibližně 20krát a pro zápornou elektrodu 10krát. Elektrická vodivost elektrolytu se také mění v závislosti na jeho hustotě. Když se hustota elektrolytu zvýší z 1,00 na 1,70 g/cm3, jeho elektrická vodivost se nejprve zvýší na maximální hodnotu a poté se opět sníží.
Jak se baterie vybíjí, hustota elektrolytu klesá z 1,28 g/cm3 na 1,09 g/cm3, což vede k téměř 2,5násobnému snížení její elektrické vodivosti. V důsledku toho se s vybíjením zvyšuje ohmický odpor baterie. Ve vybitém stavu dosahuje odpor hodnoty více než 2x vyšší, než je jeho hodnota v nabitém stavu.
Kromě stavu nabití má na odolnost baterií významný vliv teplota. S klesající teplotou měrný odpor elektrolytu roste a při teplotě -40 °C je přibližně 8krát větší než při +30 °C. Odpor separátorů také prudce roste s klesající teplotou a ve stejném teplotním rozsahu se zvyšuje téměř 4krát. To je určující faktor pro zvýšení vnitřního odporu baterií při nízkých teplotách.
Nabíjecí a vybíjecí napětí
Rozdíl potenciálů na pólových svorkách akumulátoru (baterie) při nabíjení nebo vybíjení za přítomnosti proudu ve vnějším obvodu se obvykle nazývá napětí akumulátoru (baterie). Přítomnost vnitřního odporu baterie vede k tomu, že její napětí při vybíjení je vždy menší než EMF a při nabíjení je vždy větší než EMF.
Při nabíjení baterie musí být napětí na jejích svorkách větší než její emf o velikost vnitřních ztrát.
Na začátku nabíjení dojde k napěťovému skoku o velikosti ohmických ztrát uvnitř baterie a následně k prudkému nárůstu napětí vlivem polarizačního potenciálu, způsobenému především rychlým nárůstem hustoty elektrolytu v pórech baterie. aktivní hmotu. Dále dochází k pomalému nárůstu napětí, hlavně kvůli zvýšení emf baterie v důsledku zvýšení hustoty elektrolytu.
Poté, co se hlavní množství síranu olovnatého přemění na PbO2 a Pb, energetický výdej stále více způsobuje rozklad vody (elektrolýza). To vede k rychlému nárůstu nabíjecího napětí, což způsobuje urychlení procesu rozkladu vody. Výsledné vodíkové a kyslíkové ionty neinteragují s aktivními materiály. Rekombinují se na neutrální molekuly a uvolňují se z elektrolytu ve formě plynových bublin (na kladné elektrodě se uvolňuje kyslík, na záporné elektrodě vodík), čímž dochází k „vaření“ elektrolytu.
Pokud budete pokračovat v procesu nabíjení, můžete vidět, že nárůst hustoty elektrolytu a nabíjecího napětí se prakticky zastaví, protože téměř všechen síran olovnatý již zreagoval a veškerá energie dodávaná do baterie se nyní spotřebovává pouze na výskyt vedlejšího procesu - elektrolytického rozkladu vody. To vysvětluje stálost nabíjecího napětí, které slouží jako jeden ze znaků konce nabíjecího procesu.
Po zastavení nabíjení, tedy vypnutí externího zdroje, prudce poklesne napětí na svorkách baterie na hodnotu jejího nerovnovážného EMF nebo na hodnotu ohmických vnitřních ztrát. Poté dochází k postupnému poklesu EMF (v důsledku poklesu hustoty elektrolytu v pórech aktivní hmoty), který pokračuje až do úplného vyrovnání koncentrace elektrolytu v objemu baterie a pórů aktivní hmoty. , což odpovídá ustavení rovnováhy EMF.
Když je baterie vybitá, napětí na jejích svorkách je menší než emf o velikost vnitřního poklesu napětí.
Na začátku vybíjení prudce poklesne napětí baterie o velikost ohmických ztrát a polarizaci způsobenou poklesem koncentrace elektrolytu v pórech aktivní hmoty, tedy koncentrační polarizací. Dále se během procesu vybíjení v ustáleném stavu (stacionární) snižuje hustota elektrolytu v objemu baterie, což způsobuje postupné snižování vybíjecího napětí. Zároveň se mění poměr obsahu síranu olovnatého v aktivní hmotě, což způsobuje i nárůst ohmických ztrát. V tomto případě částice síranu olovnatého (které mají přibližně trojnásobný objem ve srovnání s částicemi olova a jeho oxidu, ze kterých byly vytvořeny) uzavřou póry aktivní hmoty, čímž zabrání průchodu elektrolytu do hlubin elektrody.
To způsobuje zvýšení koncentrační polarizace, což vede k rychlejšímu poklesu vybíjecího napětí.
Když se vybíjení zastaví, napětí na svorkách baterie rychle vzroste o velikost ohmických ztrát a dosáhne hodnoty nerovnovážného EMF. Další změna EMF v důsledku vyrovnání koncentrace elektrolytu v pórech aktivních hmot a v objemu baterie vede k postupnému ustavení rovnovážné hodnoty EMF.
Napětí baterie při vybíjení je dáno především teplotou elektrolytu a silou vybíjecího proudu. Jak je uvedeno výše, odpor olověného akumulátoru (baterie) je nepatrný a v nabitém stavu je pouze několik miliohmů. Avšak při vybíjecích proudech startéru, které jsou 4-7krát vyšší než jmenovitá kapacita, má vnitřní pokles napětí významný vliv na vybíjecí napětí. Nárůst ohmických ztrát s klesající teplotou je spojen se zvýšením odporu elektrolytu. Navíc prudce roste viskozita elektrolytu, což komplikuje proces jeho difúze do pórů aktivní hmoty a zvyšuje koncentrační polarizaci (tzn. zvyšuje ztrátu napětí uvnitř baterie snížením koncentrace elektrolytu v póry elektrod).
Při proudu větším než 60 A je závislost vybíjecího napětí na síle proudu při všech teplotách téměř lineární.
Průměrná hodnota napětí baterie během nabíjení a vybíjení je určena jako aritmetický průměr hodnot napětí měřených ve stejných časových intervalech.
Kapacita baterie
Kapacita baterie je množství elektřiny přijaté z baterie, když je vybitá na určené konečné napětí. V praktických výpočtech se kapacita baterie obvykle vyjadřuje v ampérhodinách (Ah). Vybíjecí kapacitu lze vypočítat vynásobením vybíjecího proudu dobou vybíjení.
Kapacita vybíjení, pro kterou je baterie navržena a udávaná výrobcem, se nazývá jmenovitá kapacita.
Kromě toho je důležitým ukazatelem také kapacita baterie při nabíjení.
Vybíjecí kapacita závisí na řadě konstrukčních a technologických parametrů baterie a také na jejích provozních podmínkách. Nejvýznamnějšími konstrukčními parametry jsou množství aktivní hmoty a elektrolytu, tloušťka a geometrické rozměry elektrod baterie. Hlavními technologickými parametry ovlivňujícími kapacitu baterie jsou složení aktivních materiálů a jejich poréznost. Významný vliv na vybíjecí kapacitu mají také provozní parametry - teplota elektrolytu a vybíjecí proud. Obecným ukazatelem charakterizujícím účinnost baterie je míra využití aktivních materiálů.
K získání kapacity 1 Ah, jak je uvedeno výše, je teoreticky zapotřebí 4,463 g oxidu olovnatého, 3,886 g houbovitého olova a 3,66 g kyseliny sírové. Teoretická měrná spotřeba aktivních hmot elektrod je 8,32 g/Ah. V reálných bateriích se měrná spotřeba aktivních materiálů při 20hodinovém režimu vybíjení a teplotě elektrolytu 25 °C pohybuje v rozmezí 15,0 až 18,5 g/Ah, což odpovídá míře využití aktivních hmot 45-55 %. V důsledku toho praktická spotřeba aktivní hmoty překračuje teoretické hodnoty 2krát nebo vícekrát.
Míru využití aktivní hmoty, a tedy i hodnotu výbojové kapacity, ovlivňují následující hlavní faktory.
Pórovitost aktivní hmoty. S rostoucí pórovitostí se zlepšují podmínky pro difúzi elektrolytu do hloubky aktivní hmoty elektrody a zvyšuje se skutečný povrch, na kterém probíhá proudotvorná reakce. S rostoucí pórovitostí se zvyšuje kapacita výboje. Velikost pórovitosti závisí na velikosti částic olovnatého prášku a receptuře na přípravu aktivních hmot a také na použitých přísadách. Navíc zvýšení poréznosti vede ke snížení trvanlivosti v důsledku zrychlení procesu destrukce vysoce porézních aktivních hmot. Proto je hodnota pórovitosti volena výrobci s ohledem nejen na vysoké kapacitní charakteristiky, ale také zajišťující potřebnou životnost baterie v provozu. V současné době se za optimální považuje pórovitost v rozmezí 46-60 % v závislosti na účelu baterie.
Tloušťka elektrody. S klesající tloušťkou se zmenšuje nerovnoměrné zatížení vnější a vnitřní vrstvy aktivní hmoty elektrody, což napomáhá ke zvýšení výbojové kapacity. U silnějších elektrod se vnitřní vrstvy aktivní hmoty využívají velmi málo, zvláště při vybíjení velkými proudy. S rostoucím vybíjecím proudem se proto rozdíly v kapacitě baterií s elektrodami různých tlouštěk prudce zmenšují.
Pórovitost a racionalita materiálového provedení separátoru. S rostoucí pórovitostí separátoru a výškou jeho žeber se zvyšuje zásoba elektrolytu v mezielektrodové mezeře a zlepšují se podmínky pro jeho difúzi.
Hustota elektrolytu. Ovlivňuje kapacitu baterie a její životnost. S rostoucí hustotou elektrolytu se zvyšuje kapacita kladných elektrod a kapacita záporných elektrod, zejména při záporných teplotách, klesá v důsledku zrychlení pasivace povrchu elektrody. Zvýšená hustota také negativně ovlivňuje životnost baterie v důsledku urychlení korozních procesů na kladné elektrodě. Proto je optimální hustota elektrolytu stanovena na základě souhrnu požadavků a podmínek, ve kterých je baterie provozována. Například pro startovací baterie pracující v mírném klimatu je doporučená hustota pracovního elektrolytu 1,26-1,28 g/cm3 a pro oblasti s horkým (tropickým) klimatem 1,22-1,24 g/cm3.
Síla vybíjecího proudu, kterou je třeba baterii nepřetržitě vybíjet po danou dobu (charakterizuje režim vybíjení). Režimy vybíjení se konvenčně dělí na dlouhé a krátké. V dlouhodobých režimech dochází k vybíjení při nízkých proudech po dobu několika hodin. Například 5-, 10- a 20hodinové výboje. Při krátkých nebo startovacích vybitích je proud několikanásobně větší než jmenovitá kapacita baterie a vybíjení trvá několik minut nebo sekund. S rostoucím vybíjecím proudem se zvyšuje rychlost vybíjení povrchových vrstev aktivní hmoty ve větší míře než u hlubokých. V důsledku toho dochází k růstu síranu olovnatého u ústí pórů rychleji než v hloubce a pór je ucpán síranem dříve, než jeho vnitřní povrch stihne zareagovat. V důsledku zastavení difúze elektrolytu do póru se reakce v něm zastaví. Čím vyšší je tedy vybíjecí proud, tím nižší je kapacita baterie, a tedy nižší faktor využití aktivní hmoty.
Pro posouzení startovacích vlastností baterií je jejich kapacita charakterizována také počtem přerušovaných vybití startéru (např. trvajících 10-15 s s přestávkami mezi nimi 60 s). Kapacita, kterou baterie dodává při přerušovaném vybíjení, převyšuje kapacitu při trvalém vybíjení stejným proudem, zejména v režimu vybíjení startéru.
V současné době se v mezinárodní praxi posuzování kapacitních charakteristik startovacích baterií používá pojem „rezervní“ kapacita. Charakterizuje dobu vybíjení baterie (v minutách) při vybíjecím proudu 25 A bez ohledu na jmenovitou kapacitu baterie. Dle uvážení výrobce je povoleno nastavit hodnotu jmenovité kapacity při 20hodinovém režimu vybíjení v ampérhodinách nebo rezervní kapacitou v minutách.
Teplota elektrolytu. S jeho poklesem klesá vybíjecí kapacita baterií. Důvodem je zvýšení viskozity elektrolytu a jeho elektrického odporu, což zpomaluje rychlost difúze elektrolytu do pórů aktivní hmoty. Kromě toho se s klesající teplotou zrychlují procesy pasivace záporné elektrody.
Teplotní koeficient kapacity a ukazuje procentuální změnu kapacity při změně teploty o 1 °C.
Při testování se porovnává vybíjecí kapacita získaná v režimu dlouhodobého vybíjení s hodnotou jmenovité kapacity stanovenou při teplotě elektrolytu +25 °C.
Při stanovení kapacity v režimu dlouhodobého vybíjení by v souladu s požadavky norem měla být teplota elektrolytu v rozmezí od +18 °C do +27 °C.
Parametry startovacího výboje se posuzují podle doby trvání výboje v minutách a napětí na začátku výboje. Tyto parametry se zjišťují v prvním cyklu při +25 °C (test pro suché nabité baterie) a v dalších cyklech při teplotách -18 °C nebo -30 °C.
Stupeň nabití. Se zvyšujícím se stupněm nabití, za jinak stejných okolností, se kapacita zvyšuje a dosahuje maximální hodnoty, když jsou baterie plně nabité. Je to způsobeno tím, že při neúplném nabití nedosahuje množství aktivních materiálů na obou elektrodách ani hustota elektrolytu svých maximálních hodnot.
Energie a napájení z baterie
Energie baterie W je vyjádřena ve watthodinách a je určena součinem její vybíjecí (nabíjecí) kapacity a průměrného vybíjecího (nabíjecího) napětí.
Jelikož se kapacita baterie a její vybíjecí napětí mění se změnami teploty a režimu vybíjení, při poklesu teploty a zvýšení vybíjecího proudu klesá energie baterie ještě výrazněji než její kapacita.
Při porovnávání chemických zdrojů proudu, které se liší kapacitou, konstrukcí a dokonce i elektrochemickým systémem, a také při určování směrů jejich zlepšení, se používá ukazatel měrné energie - energie na jednotku hmotnosti baterie nebo jejího objemu. U moderních bezúdržbových olověných startovacích baterií je měrná energie při 20hodinovém režimu vybíjení 40-47 W h/kg.
Množství energie dodané baterií za jednotku času se nazývá její výkon. Lze jej definovat jako součin vybíjecího proudu a průměrného vybíjecího napětí.
Samovybíjení baterie
Samovybíjení je snížení kapacity baterie při otevřeném vnějším obvodu, tedy při nečinnosti. Tento jev je způsoben redoxními procesy, ke kterým dochází spontánně na negativní i pozitivní elektrodě.
Záporná elektroda je zvláště náchylná k samovybíjení v důsledku samovolného rozpouštění olova (záporná aktivní hmota) v roztoku kyseliny sírové.
Samovybíjení záporné elektrody je doprovázeno uvolňováním plynného vodíku. Rychlost samovolného rozpouštění olova se výrazně zvyšuje se zvyšující se koncentrací elektrolytu. Zvýšení hustoty elektrolytu z 1,27 na 1,32 g/cm3 vede ke zvýšení rychlosti samovybíjení záporné elektrody o 40 %.
Přítomnost příměsí různých kovů na povrchu záporné elektrody má velmi významný vliv (katalytický) na zvýšení rychlosti samorozpouštění olova (v důsledku snížení přepětí vývoje vodíku). Téměř všechny kovy, které se nacházejí jako nečistoty v bateriových surovinách, elektrolytech a separátorech, nebo přidávané jako speciální přísady, přispívají ke zvýšenému samovybíjení. Dostávají se na povrch záporné elektrody a usnadňují podmínky pro uvolňování vodíku.
Některé z nečistot (soli kovů s proměnnou mocností) působí jako nosiče náboje z jedné elektrody do druhé. V tomto případě jsou kovové ionty redukovány na záporné elektrodě a oxidovány na kladné elektrodě (tento mechanismus samovybíjení je připisován železným iontům).
Samovybíjení pozitivního aktivního materiálu je způsobeno probíhající reakcí.
2PbO2 + 2H2SO4 -> PbSCU + 2H2O + O2T.
Rychlost této reakce se také zvyšuje se zvyšující se koncentrací elektrolytu.
Protože reakce probíhá s uvolňováním kyslíku, její rychlost je do značné míry určena přepětím kyslíku. Proto přísady, které snižují potenciál pro vývoj kyslíku (například antimon, kobalt, stříbro), zvýší rychlost samorozpouštěcí reakce oxidu olovnatého. Rychlost samovybíjení kladného aktivního materiálu je několikanásobně nižší než rychlost samovybíjení záporného aktivního materiálu.
Dalším důvodem samovybíjení kladné elektrody je potenciálový rozdíl mezi materiálem proudového vodiče a aktivní hmotou této elektrody. Galvanický mikročlánek vznikající v důsledku tohoto rozdílu potenciálů přeměňuje při průchodu proudu olovo spádového vodiče a oxid olovnatý kladné aktivní hmoty na síran olovnatý.
Samovybíjení může také nastat, když je vnější strana baterie znečištěná nebo naplněná elektrolytem, vodou nebo jinými kapalinami, které vytvářejí možnost vybití přes elektricky vodivou vrstvu umístěnou mezi pólovými vývody baterie nebo jejími propojkami. Tento typ samovybíjení se neliší od klasického vybíjení velmi nízkými proudy při uzavřeném vnějším obvodu a lze jej snadno eliminovat. K tomu je třeba udržovat povrch baterií čistý.
Samovybíjení baterií do značné míry závisí na teplotě elektrolytu. S klesající teplotou klesá samovybíjení. Při teplotách pod 0 °C se u nových baterií prakticky zastaví. Proto se doporučuje skladovat baterie v nabitém stavu při nízkých teplotách (do -30 °C).
Během provozu samovybíjení nezůstává konstantní a ke konci své životnosti se prudce zvyšuje.
Snížení samovybíjení je možné zvýšením přepětí emisí kyslíku a vodíku na elektrodách baterie.
K tomu je nutné za prvé používat pro výrobu baterií co nejčistší materiály, snížit kvantitativní obsah legujících prvků ve slitinách baterií, používat pouze
čistá kyselina sírová a destilovaná (nebo se jí čistotou jinými metodami čištění blízká) voda pro přípravu všech elektrolytů jak při výrobě, tak během provozu. Například snížením obsahu antimonu ve slitině proudových vodičů z 5 % na 2 % a použitím destilované vody pro všechny procesní elektrolyty se průměrné denní samovybíjení sníží 4krát. Nahrazení antimonu vápníkem umožňuje dále snížit rychlost samovybíjení.
Ke snížení samovybíjení může přispět i přídavek organických látek – inhibitorů samovybíjení.
Použití společného krytu a skrytých spojů mezi prvky výrazně snižuje rychlost samovybíjení ze svodových proudů, protože pravděpodobnost galvanické vazby mezi široce rozmístěnými pólovými svorkami je výrazně snížena.
Někdy samovybíjení označuje rychlou ztrátu kapacity v důsledku zkratu uvnitř baterie. Tento jev se vysvětluje přímým výbojem přes vodivé můstky vytvořené mezi protilehlými elektrodami.
Použití obálkových separátorů v bezúdržbových bateriích
eliminuje možnost zkratů mezi protilehlými elektrodami během provozu. Tato možnost však zůstává kvůli možným poruchám zařízení při sériové výrobě. Obvykle je taková závada zjištěna v prvních měsících provozu a baterie musí být v rámci záruky vyměněna.
Typicky je stupeň samovybíjení vyjádřen jako procento ztráty kapacity za určité časové období.
Současné standardy samovybíjení charakterizuje také vybíjecí napětí startéru při -18 °C po testování: nečinnost 21 dní při teplotě +40 °C.
NA kategorie:
Elektrické vybavení automobilů
-
Chemické procesy v baterii
V nabité baterii se aktivní hmota kladných desek skládá z tmavě hnědého peroxidu olova Pb02 a aktivní hmota záporných desek je tvořena šedou houbou olova Pb. Hustota elektrolytu se přitom v závislosti na roční době a oblasti provozu pohybuje od 1,25 do 1,31 g/cm3.
Při vybití baterie se aktivní hmota negativních desek přemění z houbovitého olova Pb na síran olovnatý PbS04 se změnou barvy z šedé na světle šedou.
Aktivní hmota kladných desek baterie je přeměněna z peroxidu olovnatého PbO2 na síran olovnatý PbS04 se změnou barvy z tmavě hnědé na hnědou.
-
Síran olovnatý PbS04 se běžně nazývá síran olovnatý.
V praxi se při přijatelném vybití baterie neúčastní chemických reakcí více než 40 - 50 % aktivní hmoty desek, protože elektrolyt v potřebném množství se kvůli své nedostatečné pórovitosti nedostane do hlubokých vrstev aktivní hmoty. . Usazování krystalů PbS04 na povrchu stěn pórů zužuje a dokonce ucpává póry aktivní hmoty, což ztěžuje průnik elektrolytu do jejích vnitřních hlubších vrstev. Vzhledem k tomu se část chemické energie uložené ve formě PbO2 a Pb ve vnitřních vrstvách aktivní hmoty nedostane do kontaktu s elektrolytem, což sníží kapacitu každého článku baterie.
Protože během vybíjecího procesu kyselina sírová přechází na síran olovnatý PbS04 za současného uvolňování vody H20, hustota elektrolytu se odpovídajícím způsobem snižuje z 1,25 - 1,31 na 1,09 - 1,15 g/cm3.
Hustota elektrolytu se tedy při 100% vybití sníží o 0,16 g/cm3, proto po dobu vybíjení baterie pokles hustoty elektrolytu o 0,01 g/cm3 odpovídá poklesu kapacity baterie o 6 %.
Změna hustoty elektrolytu je jedním z hlavních ukazatelů stupně vybití baterie.
Pro nabíjení baterie je baterie připojena paralelně ke zdroji stejnosměrného proudu (generátor, usměrňovač), jehož napětí musí přesáhnout nap. d.s. dobíjecí baterie.
Při nabíjení se aktivní hmota negativních desek postupně mění ze síranu olovnatého PbS04 na houbovité olovo Pb (šedá) a aktivní hmota kladných desek se mění z PbS04 na peroxid olovnatý PbO2 (tmavě hnědý). V tomto případě se v důsledku tvorby H2S04 při současném poklesu H20 zvyšuje hustota elektrolytu z 1,09 - 1,15 na 1,25 - 1,31 g/cm3.
Typy baterií pro elektrickou energii
Baterie jsou nedílnou součástí každého systému zaměřeného na výrobu alternativních druhů energie.
Dosud nejrozšířenější jsou elektrochemické baterie elektrické energie, u kterých k přeměně chemické energie na energii elektrickou při vybití baterie dochází chemickou reakcí. Při nabíjení baterie probíhá chemická reakce v opačném směru.
Kromě elektrochemických baterií lze elektřinu ukládat do kondenzátorů a solenoidů (tlumivek).
V nabitém kondenzátoru se energie ukládá ve formě energie dielektrického elektrického pole. Vzhledem k tomu, že měrná energie akumulovaná kondenzátorem je velmi malá (prakticky od 10 do 400 J/kg) a doba možného skladování energie v důsledku jejího úniku je krátká, je tento typ akumulátoru energie používán pouze v případech kde je potřeba předat elektřinu spotřebiteli na velmi krátkou dobu s krátkou dobou trvanlivosti.
V solenoidu se elektrická energie akumuluje ve formě energie magnetického pole. Proto se tento typ paměťového zařízení nazývá elektromagnetický. Ale doba výdeje energie elektromagnetických baterií se obvykle neměří ani v sekundách, ale ve zlomcích sekundy.
Nabíjení baterie vyžaduje externí zdroj energie a během procesu nabíjení může docházet ke ztrátám energie. Po nabití může baterie zůstat v připraveném stavu (v nabitém stavu), ale i v tomto stavu může dojít ke ztrátě určité energie v důsledku náhodného rozptylu, úniku, samovybíjení nebo jiných podobných jevů. Při uvolnění energie z baterie může také dojít ke ztrátám energie; Někdy je navíc nemožné získat zpět všechnu nahromaděnou energii. Některé baterie jsou navrženy tak, aby uchovaly část zbytkové energie.
Vlastnosti baterie
Hlavní charakteristikou baterie je její elektrická kapacita. Jednotkou měření této kapacity je ampérhodina (Ah), nesystémová jednotka měření elektrického náboje.
Podle fyzikálního významu je 1 ampérhodina elektrický náboj, který prochází průřezem vodiče po dobu jedné hodiny, když je v něm proud 1 ampér. Teoreticky je nabitá baterie s udávanou kapacitou 1 Ah schopna poskytnout proud 1 ampér po dobu jedné hodiny (nebo např. 0,1 A po dobu 10 hodin, nebo 10 A po dobu 0,1 hodiny).
V praxi se kapacita baterie vypočítává na základě 20hodinového vybíjecího cyklu na konečné napětí, které je u autobaterií 10,8 V. Například nápis na štítku baterie „55 Ah“ znamená, že je schopna dodat proud 2,75 ampér po dobu 20 hodin a napětí na svorkách neklesne pod 10,8 V.
Příliš velký vybíjecí proud baterie má za následek méně efektivní dodávku energie, což nelineárně snižuje provozní dobu baterie při tomto proudu a může vést k přehřátí.
Výrobci baterií někdy uvádějí v technických specifikacích uloženou energii ve Wh jako kapacitu. Protože 1 W = 1 A * 1 V, pak pokud je uložená energie 720 Wh, můžeme tuto hodnotu vydělit hodnotou napětí (řekněme 12 V) a získat kapacitu v ampérhodinách (v našem příkladu 720 Wh / 12 V = 60 Ah).
Olověné baterie
V nabitém stavu se anoda (záporná elektroda) takové baterie skládá z olova a katoda (kladná elektroda) se skládá z oxidu olovnatého PbO2. Obě elektrody jsou vyrobeny porézní tak, aby plocha jejich kontaktu s elektrolytem byla co největší. Konstrukce elektrod závisí na účelu a kapacitě baterie a může být velmi různorodá.
Chemické reakce během nabíjení a vybíjení baterie jsou znázorněny vzorcem
РbO2 + Рb + 2Н2SO4<—>2РbSO4 + Н2О
K nabití baterie je teoreticky potřeba měrná energie 167 W/kg. Stejné číslo tedy vyjadřuje jeho teoretickou hranici měrné skladovací kapacity. Skutečná skladovací kapacita je však mnohem menší, takže při vybití baterie obvykle produkuje elektrickou energii přibližně 30 W/kg. Faktory způsobující pokles skladovací kapacity jsou přehledně uvedeny na Obr. 1. Účinnost baterie (poměr energie přijaté při vybíjení k energii spotřebované při nabíjení) se obvykle pohybuje v rozmezí 70 % až 80 %.
Obr. 1. Teoretická a skutečná měrná skladovací kapacita olověného akumulátoru
Různými speciálními opatřeními (zvýšení koncentrace kyselin na 39 %, použití plastových konstrukčních dílů a měděných spojovacích dílů atd.) se v poslední době podařilo zvýšit měrnou skladovací kapacitu na 40 Wh/kg a ještě o něco více.
Z výše uvedených údajů vyplývá, že měrná akumulační kapacita olověného akumulátoru (a také, jak bude ukázáno později, i jiných typů akumulátorů) je výrazně nižší než u primárních galvanických článků. Tato nevýhoda je však většinou kompenzována
- možnost vícenásobného nabíjení a v důsledku toho přibližně desetinásobné snížení nákladů na elektřinu získanou z baterie,
- možnost skládat baterie s velmi vysokou energetickou náročností (v případě potřeby např. až 100 MWh).
Každý cyklus nabíjení-vybíjení je doprovázen některými nevratnými procesy na elektrodách, včetně pomalého hromadění neredukovatelného síranu olovnatého ve hmotě elektrod. Z tohoto důvodu po určitém počtu (obvykle přibližně 1000) cyklů baterie ztrácí schopnost normálního nabíjení. To se také může stát, pokud se baterie delší dobu nepoužívá, protože proces elektrochemického vybíjení (pomalé samovybíjení) probíhá v baterii, i když není připojena k vnějšímu elektrickému obvodu. Olověná baterie obvykle ztrácí 0,5 % až 1 % svého nabití za den v důsledku samovybíjení. Pro kompenzaci tohoto procesu používají elektroinstalace stálé dobíjení při celkem stabilním napětí (podle typu baterie při napětí od 2,15 V do 2,20 V).
Dalším nevratným procesem je elektrolýza vody („vaření“ baterie), ke které dochází na konci procesu nabíjení. Ztrátu vody lze snadno kompenzovat doplňováním, ale uvolněný vodík spolu se vzduchem může vést k vytvoření výbušné směsi v prostoru pro baterie nebo prostoru. Musí být zajištěno dostatečné a dostatečné větrání, aby se zabránilo riziku výbuchu.
Jiné typy baterií
V posledních 20 letech se objevily hermeticky uzavřené olověné baterie, které využívají spíše rosolovitý elektrolyt než tekutý. Takové baterie mohou být instalovány v libovolné poloze a navíc vzhledem k tomu, že během nabíjení nevypouštějí vodík, mohou být umístěny v jakékoli místnosti.
Kromě olověných baterií se vyrábí více než 50 typů baterií, založených na různých elektrochemických systémech. V elektrárnách se poměrně často používají alkalické (s elektrolytem ve formě roztoku hydroxidu draselného KOH) nikl-železné a nikl-kadmiové baterie, jejichž emf je v rozmezí od 1,35 V do 1,45 V a spec. skladovací kapacita je v rozmezí od 15 W h/kg do 45 W h/kg. Jsou méně citlivé na výkyvy okolní teploty a méně náročné na provozní podmínky. Mají také dlouhou životnost (obvykle od 1000 do 4000 cyklů nabití-vybití), ale jejich napětí se při vybíjení mění v širším rozsahu než u olověných baterií a jejich účinnost je o něco nižší (od 50 % do 70 %).
V lithium-iontových bateriích se anoda skládá z karbidu lithia Li x C 6 obsahujícího uhlík v nabitém stavu a katoda je vyrobena z lithia a oxidu kobaltu Li 1-x CoO 2. Jako elektrolyt se používají pevné lithné soli (LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4 nebo jiné) rozpuštěné v kapalném organickém rozpouštědle (například etheru). Do elektrolytu se obvykle přidává zahušťovadlo (například organokřemičité sloučeniny), které mu dodává rosolovitý vzhled. Elektrochemické reakce při vybíjení a nabíjení spočívají v přechodu iontů lithia z jedné elektrody na druhou a probíhají podle vzorce
Li x C6 + Li 1-x CoO2<—>C6 + LiCoO2
Vnější tvar článků lithium-iontových baterií může být plochý (podobně jako čtyřúhelníkové desky) nebo válcový (s válcovanými elektrodami). Vyrábějí se také baterie, které využívají jiné materiály anody a katody. Jednou z důležitých oblastí vývoje je vývoj rychlonabíjecích baterií.
Existuje mnoho dalších typů baterií (celkem asi 100). Například v systémech napájení letadel, kde by hmotnost zařízení měla být co nejmenší, se používají stříbrno-zinkové baterie s měrnou akumulační kapacitou v průměru 100 Wh/kg. Nejvyšší EMF (6,1 V) a nejvyšší měrnou akumulační kapacitu (6270 Wh/kg) mají lithium-fluorové baterie, které však zatím nejsou v sériové výrobě.
Primární galvanické články se dobře hodí pro dlouhodobý provoz a baterie lze použít jak pro dlouhodobý provoz, tak pro pokrytí krátkodobé a přerušované zátěže. Kondenzátory a tlumivky se používají především k pokrytí pulzní zátěže a k vyrovnání výkonu při rychlých změnách zátěže. Pro vyrovnání výkonu dodávaného do elektrické sítě větrnými a solárními elektrárnami lze použít kombinace baterií s ultrakondenzátory.
Rozsah použití některých akumulačních zařízení z hlediska doby trvání zátěže a výstupního výkonu je charakterizován na Obr. 2.
Baterie se jinak nazývají sekundární prvky nebo sekundární zdroje elektrické energie. Od galvanických článků se liší tím, že nemohou uvolnit energii ihned po výrobě, musí se nejprve nabít.
Při nabíjení baterie dochází k elektrolýze (rozkladu molekul elektrolytu na kladné a záporné ionty, nazývané kationty a anionty), doprovázené přeměnou elektrické energie na energii chemickou. V důsledku tohoto procesu se na svorkách baterie vytvoří emf. Po nabití může akumulátor sloužit jako zdroj proudu. Během procesu vybíjení baterie se uložená chemická energie přeměňuje na elektrickou energii. Baterie tedy při nabíjení ukládá (akumuluje) elektrickou energii a při vybíjení ji uvolňuje.
Kyselinové baterie
Kyselinové baterie jsou široce používány jak pro napájení rádiových a telefonních zařízení, tak pro napájení elektrických zařízení vozidel.
Článek kyselé baterie se skládá z nádoby naplněné elektrolytem, ve které jsou od sebe oddělené kladné a záporné elektrody (ve formě desek). Jednotlivé články, zvané banky, se spojují do dobíjecích baterií, kterým se zkráceně říká baterie. Struktura kyselinové baterie je znázorněna na obr. 28. Tělo kyselinové baterie je vyrobeno z elektricky izolujícího a kyselinovzdorného materiálu (sklo, tvrdá pryž a speciální druhy plastů).
Kladné desky kyselých baterií jsou vyrobeny z červeného olova (oxid olovnatý s mírně vyšším obsahem kyslíku) zalisovaného do olověné mřížky. Negativní destičky jsou vyrobeny z olova litharge (oxid olovnatý) zalisovaný do olověné mřížky.
Aby se zabránilo zkratům, jsou desky od sebe odděleny porézním izolačním těsněním - separátorem. K výrobě separátorů se používá dřevo (olše, borovice, cedr), tvrdá pryž s mikroskopickými póry (tzv. mipor), mikroporézní plast (miplast) atd.
Elektrolyt je roztok kyseliny sírové v destilované vodě. Hustota elektrolytu by se měla lišit v závislosti na okolní teplotě během provozu na baterie.
Hustota elektrolytu se měří hustoměrem, což je malá trubička, která se rozšiřuje směrem dolů. Spodní část hustoměru má přesně definovanou hmotnost a horní část má stupnici, jejíž dílky udávají hustotu. Když je hustoměr spuštěn do elektrolytu, je ponořen na dílek, který odpovídá hustotě elektrolytu.
Nové tovární baterie se prodávají nenabité a doba jejich provozu závisí na správném prvním nabití. Nová baterie by měla být naplněna elektrolytem o hustotě 1,12 při teplotě +20 °C a ponechána pět až šest hodin, aby byla aktivní hmota desek nasycena elektrolytem. Plnění se provádí přes nálevku do speciálního plnicího otvoru. Hladina elektrolytu by měla být 10-15 mm nad horním okrajem desek.
K přípravě elektrolytu se používá průmyslová kyselina sírová o hustotě 1,83-1,84, která se ředí destilovanou vodou. Koncentrovaná kyselina sírová je velmi jedovatá a je třeba s ní zacházet velmi opatrně. Elektrolyt se připravuje v následujícím pořadí. Potřebné množství destilované vody se nalije do skleněné nádoby a poté se do vody vlévá tenkým proudem a po malých dávkách z láhve za míchání roztoku skleněnou tyčinkou kyselina sírová.
Je přísně zakázáno nalévat vodu do kyseliny sírové, protože to způsobí rychlý var a rozstřikování kyseliny na všechny strany. Kapky kyseliny na rukou a obličeji mohou způsobit vážné popáleniny.
Baterie se nabíjí stejnosměrným proudem ze stejnosměrné sítě nebo speciálního usměrňovače.
Usměrňovač musí být vybaven reostatem nebo autotransformátorem, který umožňuje měnit velikost nabíjecího proudu. Baterie je připojena k nabíjecímu obvodu následovně: kladný pól baterie (+) je připojen ke kladnému pólu usměrňovače (síťový) a záporný pól (-) k zápornému pólu usměrňovače (síťový). . Schéma nabíjení baterie je na obr. 29.
V nabíjecím obvodu je zahrnut ampérmetr pro sledování aktuální hodnoty.
Baterie se nabíjejí proudem, jehož hodnotu udává výrobce v technickém listu (u stacionárních baterií je nabíjecí proud roven jedné patnáctině kapacity baterie).
První nabití obvykle vydrží nepřetržitě 36 hodin. Poté si dejte 3 hodiny pauzu a pokračujte v nabíjení stejným proudem dalších 12 hodin. Ke konci nabíjení dochází k „vaření“ elektrolytu (velké uvolňování plynových bublin - vodíku a kyslíku) a hladina elektrolytu se může výrazně zvýšit. Přebytečný elektrolyt odsajte gumovou baňkou.
Když napětí na svorkách jedné nádoby stoupne na 2,3-2,5 V, měli byste změřit hustotu elektrolytu a upravit ji na 1,285.
Po dokončení nabíjení by se měla nová baterie vybíjet proudem rovným jedné dvacetině kapacity baterie, dokud napětí na každé bance nebude rovné 1,8 e. Poté se baterie nabíjí 10-12 hodin a poté může být uvést do provozu. Napětí na každé straně čerstvě nabité baterie je 2,6-2,86 V. Napětí na bance by mělo být měřeno speciálním voltmetrem vybaveným zátěžovým odporem, nazývaným bateriová sonda. Aby se zabránilo explozi detonačního plynu vznikajícího při nabíjení v důsledku elektrolýzy vody, lze sondu použít nejdříve dvě až tři hodiny po nabití.
Napětí baterie lze měřit běžným stejnosměrným voltmetrem, když je baterie zatížena proudem rovným Vio její kapacitě.
V závislosti na účelu existuje několik typů kyselých (olověných) baterií. K napájení stacionárních zařízení se používají stacionární baterie, jejichž pouzdro bývá vyrobeno ze skla nebo dřeva potaženého vrstvou olova.
