Какие бывают химические источники тока

Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

Какие бывают химические источники тока

Постоянный ток существует только в замкнутой цепи и сохраняет свое направление и основные параметры неизменными во времени. Для его поддержания необходимо наличие постоянного напряжения. Это требование является неизменным для различных источников постоянного тока.

Источники постоянного электрического тока

Существует несколько основных видов источников энергии постоянного тока. Каждый из них основан на использовании разных физических принципов и используется в определенных условиях. К ним можно отнести следующие виды:

  • механические, превращающие механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию;
  • тепловые, в которых в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия;
  • химические, в которых в электрическую энергию преобразуется энергия, выделяющаяся в результате химического процесса;
  • световые, превращающие энергию солнечного света в электрическую энергию.

В основном электроэнергия вырабатывается электростанциями, от которых потребители получают не постоянный, а переменный ток, который затем преобразуется в постоянный. Но во многих сферах можно применять только тепловые, световые или химические источники постоянного электрического тока.

Тепловые источники

В этих источниках используется термоэлектрический эффект. Электрический ток в замкнутой цепи возникает благодаря разнице температур, контактирующих между собой, металлов или полупроводниковых структур. В месте контакта при нагреве возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС). Электрический ток заряженных частиц направлен от нагретого участка в сторону холодного. Его величина пропорциональна разнице температур. В месте спая образуется термопара.

Приборы, которые для создания постоянного тока используют тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных изотопных материалов, являются радиоизотопными термоэлектрическими генераторами.

Световые источники

Свойство полупроводников создавать ЭДС при попадании на них потока света используется при создании световых источников постоянного тока.

Объединение большого количества кремниевых структур позволяет создавать солнечные батареи. Небольшие электростанции, созданные на базе таких солнечных панелей, имеют на сегодняшний день КПД не более 15%.

Химические источники

Получение положительных и отрицательно заряженных частиц в химических источниках постоянного тока осуществляется за счет химических реакций. По классификации химических источников они делятся на 3 группы:

  • гальванические элементы, являющиеся первичными источниками ;
  • электрические аккумуляторные батареи (АКБ), или вторичные ХИТ;

*ХИТ — химические источники тока.

Гальванические элементы используют принцип действия, основанный на взаимодействии двух металлов через среду электролита. Вид и характеристики ХИТ зависят от выбранной пары металлов и состава электролита. Два металлических электрода источника тока по аналогии с прибором односторонней проводимости получили название анода («+») и катода («-«).

Материалом для изготовления анода могут служить свинец, цинк, кадмий и другие. Катод изготавливают из оксида свинца, графита, оксида марганца, гидрооксида никеля. По составу электролита гальванические элементы разделяются на 3 вида:

  • солевые или «сухие»;
  • щелочные;
  • литиевые.

В элементах первых двух видов графито-марганцевый стержень (катод) помещен по оси цинкового цилиндрического стаканчика (анода). Свободное пространство между ними заполнено пастой на основе хлорида аммония (солевые) или гидрооксида калия (щелочные).

В литиевых элементах цинковый анод заменен щелочным литием, что привело к значительному увеличению продолжительности работы. Материал катода в них определяет выходное напряжение батарейки (1,5-3,7) В. Первичные ХИТ являются источниками одноразового действия. Его реагенты, расходующиеся в процессе работы, не подлежат восстановлению.

Аккумуляторы представляют собой устройства, в которых производится преобразование электрической энергии внешнего источника тока в химическую энергию при заряде и ее накопление. В процессе работы (разряд) происходит обратное преобразование — химическая энергия служит источником постоянного электрического тока.

К основным видам аккумуляторов относятся:

  • свинцово-кислотные;
  • никель-кадмиевые щелочные;
  • литий-ионные.

Для создания химических процессов набор пластин помещен в раствор электролита. В АКБ, созданных по современным технологиям, раствор представляет собой не жидкость, а гелиевый состав (GEL) или сотовые сепараторы, пропитанные электролитом и помещенные между свинцовыми пластинами (AGM).

Свинцово-кислотные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы для работы в качестве источников постоянного тока для запуска двигателей автомобилей собирают из набора отдельных аккумуляторных элементов («банок»). Каждая «банка» обеспечивает на своих клеммах напряжение 2,1 В. Соединенные последовательно 6 элементов и помещенные в ударопрочный корпус, имеют на выходных клеммах аккумулятора необходимые для запуска двигателя 12 В.

В литий-ионных аккумуляторах носителями электрического тока служат ионы лития. Они образуются на катоде, изготовленному из соли лития. Анод может быть изготовлен из графита или оксидов кобальта.

Напряжение постоянного тока на выходе аккумулятора может варьироваться в пределах (3,0-4,2) В в зависимости от используемых материалов. Эти аккумуляторы имеют низкое значение тока саморазряда и допускают большое количество циклов заряд/разряд.

Благодаря этому все современные гаджеты используют аккумуляторы этого вида.

Механические источники постоянного тока

Устройствами, преобразующими механическую энергию в электрическую, являются турбо и гидро генераторы. Они вырабатывают переменный электрический ток. Для основной части бытовых приборов источником постоянного тока выступают их блоки питания.

В них производится преобразование переменного напряжения генератора в постоянное напряжение, необходимое для работы устройств.

Эту задачу выполняют выпрямители, которые должны обеспечивать необходимую мощность источника постоянного тока для их нагрузки и постоянное значение выходного напряжения, не зависящее от потребляемого тока.

Блоки питания могут быть линейными и импульсными. Линейные блоки выполняются по разным схемам, основу которых составляют:

  • однополупериодые выпрямители;
  • двухполупериодные выпрямители.

В выпрямителях используется свойство полупроводниковых диодов пропускать ток только в одном направлении. Выпрямленное таким образом напряжение еще не является постоянным.

Емкости последующих за выпрямителем конденсаторов сглаживающего фильтра при своем быстром заряде и медленном разряде поддерживают величину положительного однополярного напряжения на определенном значении.

Его величина определяется трансформатором, получающим напряжение от генератора переменного тока. Для однофазного напряжения домашней сети 220 В 50 Гц его стальной сердечник имеет значительные размеры и вес.

Схемы однополупериодных содержат всего один полупроводниковый диод, пропускающий только одну полуволну синусоидального переменного входного напряжения.

Двухполупериодные выпрямители выполняются по мостовой схеме или по схеме с общей точкой. В последнем случае вторичная обмотка сетевого трансформатора имеет вывод от своей середины. Эти выпрямители представляют собой параллельное включение двух однополупериодных выпрямителей. Они действуют на обе полуволны синусоиды переменного входного напряжения.

Мостовая схема выпрямителя является наиболее распространенной. Соединение 4-х диодов в ней напоминает «квадрат». К одной из диагоналей подключается переменное напряжение вторичной обмотки сетевого трансформатора. Нагрузка включается в другую диагональ «квадрата». Им будет входной элемент сглаживающего фильтра.

Для обеспечения постоянного значения уровня выходного напряжения, не зависящего от потребляемого нагрузкой тока и колебаний входного переменного напряжения, все современные источники питания постоянного тока имеют ступень стабилизации и регулирования.

В ней выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) значением.

При появлении различия между ними вырабатывается управляющий сигнал, который по цепи управления изменяет величину выходного напряжения. Величину значения опорного напряжения можно изменять в широких пределах, имея на выходе регулированного источника питания постоянного тока необходимое для работы напряжение.

Импульсные источники

Схемы с использованием входных трансформаторов напряжения сети получили название линейных. В импульсных источниках питания производится двойное преобразование — сначала переменное напряжение выпрямителем преобразуется в постоянное, затем вырабатывается переменное импульсное напряжение более высокой частоты, которое в выходном каскаде снова преобразуется в постоянное напряжение необходимого значения.

Генераторы импульсов вырабатывают непрерывную импульсную последовательность с частотой (15-60) кГц. Регулирование выходного напряжения осуществляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой уровень сигнала на выходе блока питания определяется шириной импульсов, вырабатываемых генератором и значением их скважности. Регулированные источники питания постоянного тока импульсного типа все чаще используются при создании аппаратуры различного назначения.

Сравнение источников

Отсутствие мощного входного трансформатора в импульсных источниках питания позволяет создавать конструкции значительно более легкие и с меньшими линейными размерами. Их эффективность значительно выше источников, выполненных по линейным схемам. Коэффициент полезного действия доходит до значения 98%. В них широкое распространение получили микросхемы, выполняющие функции контроллеров.

Каждый из типов стабилизированных источников постоянного тока находит применение в своей сфере. А она весьма многообразна. Основой являются характеристики источников постоянного тока.

Линейные источники обеспечивают низкий уровень пульсаций выходного напряжения и малое значение уровня собственного шума. Это достигается отсутствием переключений при их работе, которые создают большой уровень помех в широком частотном диапазоне.

В импульсных источниках приходится применять сложные схемные решения для борьбы с ними, что приводит к удорожанию изделий, в которых они применяются.

Заключение

В статье был дан общий обзор существующих источников постоянного тока. Изложенный материал лишь знакомит читателей с основными принципами их работы. Из него можно сделать вывод, что каждый из видов источников постоянного тока используется в своей области.

Источник: https://www.navolne.life/post/istochniki-postoyannogo-toka-vidyi-harakteristiki-sferyi-primeneniya

Химические источники тока – где применяются, и каков принцип действия

Какие бывают химические источники тока

Любая батарейка или аккумулятор дает ток за счет протекающих внутри них химических реакций

Химические источники тока (сокращенно ХИТ) – это источники электродвижущей силы (ЭДС), в которых в электрическую энергию превращается энергия протекающих внутри химических реакций. Используют их сегодня повсеместно – это и современные электромобили и портативная радиоэлектроника, и медицинское оборудование, и портативные компьютеры.

Все это делает источники тока электрохимические очень важным изобретением, которым пользуются вот уже 2-ю сотню лет. Именно про ХИТ мы подробно и поговорим в сегодняшней статье.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Как работает зануление

Классификация химических источников тока

Все ХИТ принято подразделять на три основные категории:

Как устроены гальванические батареи

  • Первичные гальванические элементы – внутри таких источников происходят химические окислительно-восстановительные реакции, энергия которых и переходит в электрическую. Данные реакции являются необратимыми, поэтому элементы невозможно перезарядить.
  • Состоят такие батареи из двух электродов, которые имеют разный электродный потенциал, металлического проводника, по которому могут перемещаться электроны, и электролита, который помогает перемещению ионов между электродами.

Интересно знать! Напомним, что именно поток электронов и приводит к возникновению электрического тока.

Вторичный химический источник тока

  • Вторичные ХИТ, они же электрические аккумуляторы – тоже являются гальваническими элементами, однако их особенность заключается в том, что возможна перезарядка.
  • В отличие от батарей, которые исчерпывают свою работоспособность при разряде, аккумуляторы могут регенерироваться, то есть повторно накапливать энергию и перезапускать цикл химических реакций.
  • Возобновление заряда происходит при пропускании через элемент электрического тока, для чего нужна внешняя цепь. Все мы ежедневно заряжаем свои телефоны и смартфоны, ноутбуки и планшеты. Аккумуляторы применяются практически везде, и это не удивительно – их ресурс намного выше, чем у любой первичной батареи в сотни раз, при том, что цена больше до 10-ти раз.
  • Прообраз первой аккумуляторной батареи был создан в далеком 1803 году немецким физиком-химиком И. Риттером. Его устройство имело в составе пятьдесят медных кружков, между которыми было проложено влажное сукно. Когда через него проходил ток от Вольтова столба, изделие само становилось источником электрического тока.

Топливный источник тока химический

  • Последним типом химических источников тока являются топливные элементы, или электрохимические генераторы. Основное отличие их от гальванических элементов это то, что вещества необходимые для электрохимической реакции подаются внутрь извне, а продукты от реакций, наоборот, удаляются.
  • Подобный подход позволяет организовать долгую непрерывную работу без фактической перезарядки.
  • Впервые применять топливные источники тока стали во второй половине 20-го века, несмотря на то, что основные принципы функционирования были открыты в далеком 1839 году. В 1965 году их впервые задействовали в космической технике – это был элемент КК «Джемини». Его изначальное расчетное время работы составляло от суток, до 2-х месяцев. Эти элементы имели достаточное преимущество перед солнечными батареями с буферными химическими батареями в плане массы и габаритов, а также удельной мощности.
  • Первая топливная батарея КК «Джемини» состояла из 3 блоков по 32 элемента, каждый из которых выдавал напряжение в 0,8В, и работала на газообразном топливе (кислород и водород).

Характеристики гальванических источников тока

Щелочные аккумуляторы и их свойства

Характеристика химических источников тока включает в себя следующие параметры:

Уравнение Нернста для электродного потенциала

  • Электродвижущая сила – этот параметр гальванического элемента зависит от состава используемого электролита и типов металлов, из которых изготовлены электроды. Описывают ЭДС термодинамические функции (уравнение Нернста), приложенные к протекающим электрохимическим процессам.

Измеряется емкость обычно в миллиамперах в час

  • Емкость элемента питания – тут все просто, имеется в виду количество энергии, которое элемент может отдать при разряде. Данный параметр напрямую зависит от массы запасенного в батарее реагентов и скорости их превращения. Емкость элемента будет снижаться, если элемент будет охлажден, либо вырастет ток разряда.
  • Энергия гальванического элемента. Этот параметр высчитывается путем перемножения емкости на выдаваемое напряжение. Энергия будет уменьшаться по мере роста разрядного тока. Обратный эффект будет достигнут при росте температуры (до определенного уровня) и увеличении используемых реагентов.

Прототип гальванической батареи

  • Сохраняемость – по сути, срок годности элемента, в течение которого он способен не менять своих основных характеристик в допустимых пределах.

Совет! Чем выше температура, тем быстрее сокращается срок хранения.

  • Плотность энергии – количество запасенной энергии в расчете на единицу массы аккумулятора или его объема.
  • Саморазряд первичного химического источника тока – очень важный параметр, указывающий на потерю емкости батареей без подключенной к ней нагрузки. То есть параметр фактически сопоставим со сроком службы элемента.
  • Саморазряд химических источников тока вторичных, по сути, то же самое, однако этот параметр меняется во времени. Особенно высоко его значение после полной подзарядки аккумулятора, но по мере разрядки он ослабевает.

Интересно знать! Для никель-кадмиевых аккумуляторов, функционирующих исправно, не допускается потеря более 10% от максимального заряда за 1 сутки. Никель-металлгидридные имеют меньший показатель, а у литий-ионных этот эффект практически отсутствует, растягиваясь на месяцы. Герметичные кислотные аккумуляторы потеряют за год всего 40% своего заряда, однако, если температура воздуха будет выше 20 градусов, процесс потечет куда быстрее, и наоборот, приближаясь к нулю – будет замедляться.

Более подробное строение элементов

Гальваническая батарейка в разрезе

Мы уже дали определение химических источников тока и назвали их основные типы. Теперь давайте рассмотрим немного глубже, как они устроены, и какие химические реакции внутри протекают.

  • Итак, начнем с первичных гальванических элементов. В их состав входят реагенты (окислители и восстановители), которые участвуют в прямом преобразовании энергии. Выработка тока прекращается после того, как реагенты полностью израсходуются.
  • В качестве примера того, как функционирует элемент, давайте опишем давно известное устройство Даниэля-Якоби. Выше представлена его схема.
  • Итак, два электрода (цинковый и медный) опущены в колбы наполненные растворами сульфатов цинка и меди, соответственно.
  • Растворы разъединены внутренней цепью (полупроницаемой перегородкой), а электроды соединяются внешней цепью (металлический проводник) через гальванометр, обозначенный на схеме как 2.
  • Когда цепь замкнута, на обоих электродах протекают процессы гидратации ионов металлов. Между самим металлом и его ионами в растворе устанавливается химическое равновесие.
  • В связи с тем, что цинк и медь имеют разную активность электродных потенциалов, электроды приобретают разный заряд по величине, то есть концентрация свободных электронов на них будет значительно отличаться.
  • Как только будет замкнута внешняя цепь, концентрация электронов придет в равновесие и они по внешнему проводнику начнут перемещаться от цинкового электрода к медному.
  • По этой причине концентрация электронов на цинковом электроде начинает уменьшаться, из-за чего происходит смещение равновесия на границе Zn|ZnSO4 в сторону катионов цинка (их образования). Другими словами цинк начинает растворяться.
  • С медным электродом происходит обратный процесс – равновесие смещается в другую сторону и начинает образовываться металлическая медь, или другими словами – медь начинает восстанавливаться.
  • Если говорить более конкретно, то на цинковом электроде происходит процесс окисления, который в электрохимии называется анодным процессом, а сам электрод – анодом. На медном электроде (катоде) – процесс восстановления, называемый еще катодным.

Классическая солевая батарейка

  • Наиболее широко распространились элементы питания, состоящие из марганца и цинка. Они не содержат раствора электролита, поэтому называются сухими.
  • Эти элементы при всем конструкционном многообразии делят всего лишь на два типа, в зависимости от рН электролита и состава: солевые и щелочные. Для солевых марганцево-цинковых элементов (МЦ) используется электрохимическая схема Лекланше (Zn|NH4Cl|MnO2) – в качестве катода выступает цинковый электрод, в качестве анода – электрод их диоксида марганца и графита, а электролитом является паста из муки или крахмала с раствором хлорида аммония.
  • В щелочных элементах питания применяется другая схема (Zn|KOH|MnO2). При этом электроды делаются из тех же материалов, а в качестве электролита применяется паста из гидроксида калия.
  • Такие элементы обладают большей емкостью, лучше переносят низкие температуры и высокие разрядные токи. Однако они намного сложнее солевых источников, почему и имеют значительно большую цену.
  • Данные элементы имеют многоцелевое назначение и применяются в быту повсеместно. Они могут выступать источниками автономного питания для любой радиоаппаратуры, фотоаппаратов, калькуляторов, различных тестовых приборов, часов, фонариков, для запитки схем Биоса материнских плат персональных компьютеров и прочего.

Процесс зарядки аккумуляторных батарей

  • Аккумуляторы, или вторичные химические источники тока – отличает эти элементы то, что благодаря воздействию внешнего тока, электрическая энергия может переходить в химическую, а при подключении внешней цепи происходит обратный процесс.
  • Одним из часто встречающихся типов таких устройств являются свинцовые аккумуляторы, которые также называют и кислотными.

Источник: https://Elektrik-a.su/teoriya/himicheskie-istochniki-toka-1132

Ближайшее будущее аккумуляторных батарей

Какие бывают химические источники тока

В последние годы все острее встает вопрос усовершенствования мобильных источников энергии — вопрос как глобальный, так и повседневный. Глобальная сторона заключается в том, что человечество, остро нуждаясь в энергии в любой её форме, выбрало в качестве свободноконвертируемой электрическую.

Причина – относительно низкие потери при обратном переводе из электрической в любую другую, а так же низкие потери при передаче от точки выработки (электростанция) до стационарной точки потребления (э/розетка). Основным источником электроэнергии на сегодняшний день является сжигание на ТЭС невозобновляемого углеводородного топлива, которого с каждым годом все меньше, а цена всё выше.

Основной вред окружающей среде наносят тем не менее не ТЭС, а двигатели внутреннего сгорания автомобилей, в виду компактности не столь эффективные и оснащенные не столь же хорошими системами очистки. Все говорит, что работай автомобили на электротяге, наш мир стал бы намного чище, а жизнь со временем даже дешевле

Но вряд ли многие из нас, не считая борцов за зеленый мир, и даже считая оных, думают об этом каждый день.

Гораздо чаще мы вспоминаем недобрым словом какой-нибудь значок на дисплее нашего ноутбука или телефона, увидев что пользоваться им осталось минут 20. И вопрошаем:”Ну когда же они сделают нормальную батарейку, а?”.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Как диэлектрик влияет на электрическое поле

Так или иначе, еще лет 15 и даже 10 назад этот вопрос не стоял столь остро. Но лучшее враг хорошего, и с повышением мобильности городского жителя, т.е. переходу от стационарного компьютера к ноутбуку, от простого мобильного телефона к смартфону запросы к мобильным источникам энергии резко возросли С миниатюризацией бытовой электроники её разработчики должны выдерживать общее направление уменьшая и источник питания, жертвуя, таким образом, сроком автономной работы

Из этих двух проблем, двух актуальных запросов рождаются два требования, которые идут друг рядом с другом, но различать которые многим и даже больше, почти всем массовым источникам информации не удаётся

  • Гибридным и элеткромобилям нужны лёгкие аккумуляторы
  • Портативной электронике — компактные

К сожалению, высокие технологии — такая вещь, где прорыв не всегда осуществляется по заказу. И так: ”низы не могут, верхи не хотят”. ждать ли революцию в аккумуляторных технологиях? На этот вопрос и постарается пролить свет эта статья главным побуждением же является желание развеять огромное недоразумение, которое создано с одной стороны журналистами-сенсационниками, с другой, возможно, учеными, чей крест — всегда преувеличивать свои и без того немалые достижения. Вот лишь несколько примеров новостей, одну из которых я услышал даже в новостях одного из центральных каналов.

New Li-Ion Batteries Will Run Ten Times Longer and Charge Ten Times Quicker

Now your laptop/mobile battery could last ten times longer
«Найден заменитель редких металлов для производства батареек Ее можно будет использовать в смартфонах и других приборах, срок автономного использования которых увеличится»
«Amprius: More Energy in Batteries, Nanowire anodes could let lithium-ion batteries run twice as long»
Nanowire battery lasts 10 times longer все они большинству из вас знакомы посвящены многообещающим батарейкам, которые будут в разы более ёмкими.

Состояние рынка

Если 20 век можно назвать веком электричества, то последние 20 лет — это время мобильной электроники и именно развитию чиповой технологии батареи обязаны своими последними достижениями. Рост рынка портативной электроники на протяжении 20 лет служил источником роста рынка перезаряжаемых батарей.

В 1983 году Motorola выпустила первый коммерческий мобильный телефон и с начала 90-х он уже стал повседневным явлением, также на начало 90х приходится рождение энергоэкономного ноутбука на Intel386 SL. Справедливо так же и обратное: новые химические источники тока открыли новую эру мобильной электроники. Так бурное развитие электроники совпадает коммерческим внедрением новых типов аккумуляторов: 1989 – NiMH, 1990 – Li-Ion.

В настоящий момент рост рынка замедляется, и на смену этому двигателю приходит новый – перспективнейший рынок гибридных автомобилей.
На сегодняшний день, безусловно, самыми передовыми являются Литий ионные источники тока (Li-Ion).Потенциал данной технологии еще не раскрыт полностью и все кратко- и среднесрочные перспективы связанны именно с ними. Обратите внимание(рис.

справа), что разброс показателей для различных конструкций Li-ion значительно шире, чем для предшествующих батарей, дело в том, что Li-ion – это принципиально новая схема работы батареи, представители которой могут весьма различааться компоновкой На сегодняшний день электронный рынок, по видимому, не имеет серьёзных перспектив роста, поскольку своим пределом имеет все платежеспособное население.

А с появлением смартфонов на каждого представителя приходится по 1-2 мультимедийного устройства или аккумулятора. Рисунок слева показывает, что к 2010 году число абонентов сот. сетей уже достигло 5,5 млрд

портативная электроника (~10-12 млрд.$/г) рынок электромобилей (потенциально ~60-100 млрд $/г.)
На настоящий момент мобильная электроника нуждается в более компактных источниках тока, и для них критической характеристикой является удельная объемная ёмкость [Ah/l] и энергия [Wh/l] Для конкурентоспособности гибридных и электромобилей с классическими необходимо значительное облегчение батарей: увеличение их емкости [Ah/g], мощности[W/g], энергии на грамм аккумулятора [Wh/g]. Так же существенное увеличение долговечности и надежности, при снижении стоимости [Wh/$]

«Литий-ионная технология, будет доминировать

на рынке в этом столетии.»

Такао Ивасаки — президент Kureha Corp. (Матреиалы и компоненты для Li-ion батарей)

*по некоторым оценкам к 2020 году рынок может вырасти до 5-8 трил. йен (около 65-100 млрд.$)

В данный прогноз закладывается изобретение и внедрение новых типов литий-ионных батарей, поэтому с финансовой стороны все разработки в этой области пользуются щедрой поддержкой. В громких заявлениях в последнее время не было недостатка, мы же попробуем разобраться чего можно ожидать в ближайшие годы

Почитать

1.Очень детальное исследование рынка: LiB materials industry. Takato Watabe, Masashi Mori 26 January 2011. Deutsche Bank Group.

Конструкция аккумулятора

Итак, ближайшие десятилетие — это время литий-ионных батарей, поэтому мы не уделим должного внимания батареям будущего LiS и Li-air. Поскольку сама конструкция батареи не претерпевает революционных изменений, мы можем оценить перспективы новых разработок, оттолкнувшись от уже имеющихся промышленных образцов.

Для прогноза характеристик на грамм и литр батареи, вспомним, что она состоит из двух электродов, и разделителя, а также токоснимателей, стального корпуса. Чтобы учитывать все компоненты, воспользуемся моделью цилиндрической батареи типа 18650 и 14430.

Именно эти цилиндрические элементы являются начинкой аккумуляторов наших ноутбуков.

Методика оценки. Определение конструктивных параметров батареи

Рассмотрим 2 типа стандартных цилиндрических батарей: 14430 и 18650. Принципиально они состоят из рабочей части – скрученного из электродов и сепаратора ролика в электролите, и корпуса – стального контейнера, а так же крышек, клемм, предохранителей.

Для установления характеристик батареи в идеале нужно знать геометрию и массу всех входящих в неё компонентов, но поскольку этих данных в открытых источниках найти не удалось, то будем удовлетворять любопытство другими средствами: Для установления веса и объема рабочей и вспомогательной частей батареи введем модель: батарея состоит из 3-х частей: Стальной вертикальной стенки (0.3-0.

5 мм) цилиндрическая рабочая часть, а так же нижние и верхние вспомогательные части (фиолетовый цвет) могут быть приняты цилиндрами, фиксированной высоты, радиусом батареи и неизвестной плотности.

Принципиально батарея состоит из 3-х частей: рабочей(активной) части – скрученного из электродов и сепаратора ролика в электролите, и корпуса – стального контейнера, а так же крышек, клем, предохранителей. Для установления веса и объема рабочей и вспомогательной частей батареи введем модель:
Активная часть — цилиндр (оранжевый), и корпус (can) — cтальная вертикальная стенка (wall) — трубка толщиной b=0.3-0.5 мм,. Нижние и верхние вспомогательные части (фиолетовый (add)) могут быть приняты цилиндрами(вообще одним цилиндром), и радиусом, равным внутреннему радиусу трубы стенок батареи, некой фиксированной высоты и неизвестной плотности.

Для определения с характеристиками сравним батарейки двух типов, но с одинаковой начинкой.

Диаметр D[mm] Высота H[mm] Вес M[g] Емкость C[Ah] NoName14430 NoName18650
14 43 17 0.65
18 65 46 2.2

А теперь выжмем из этого максимум информации: очевидно что

V=πr2H
Mact+Mcan=M и Vact+Vcan=V

в свою очередь согласно модели

Mcan=Mwall+Madd и Vcan=Vwall+Vadd

характеристики стенки вычисляются напрямую

Vwall=п(r-b)r H

Mwall=ρsteel Vwall
Vadd=п(r-b)2 x
Vadd=п(r-b)2 y,
где х, у — просто параметры, обозначающие соответственно высоту и произведение высоты и условной плотности фиолетовой цилиндрической части. Теперь воспользуемся тем, что емкость при одной и той же начинке пропорциональна её количеству пользуясь приведенными выше формулами и данным, легко составить и решить следующую систему уравнений

, поскольку матрицы подчеркнутые зеленым уже известны.

Вычисление объема и массы электродов

Емкость электродов равна между собой и равна общей ёмкости батареи. пользуясь этим и зная примерно удельные емкости электродов в обычных батарейках, можно найти объем, отведенный под электроды в любой батарейке
Вычисление удельных ёмкостей электродов. Электрод состоит из активного вещества смешанного с проводящим веществом и держателем, высушенные и имеющие некоторую пористость.

Эта смесь крепится токоснимателю — металической фольге(алюминиевой для катода и медной для анода). Объемные пропорции коллекторов к обычным электродам восстановлены по данным [].

Далее легко установить объем занятый электролитом Уточнение параметров модели производится путем уменьшения ошибки по массе этих двух батареек и еще одной, современной Sony NexelIon 14430 химия и характеристики которой известны

Диаметр D[mm] Высота H[mm] Вес M[g] Емкость C[Ah] NexelIon14430
14 43 20 0.91

Прогноз

Теперь, используя модель и зная массовые доли (wt%), плотность паковки, гравиметрическую ёмкость активного вещества, vol% объемную долю и плотность токоснимателя, легко восстановить полную консистенцию батареи, объёмные и гравиметрические ёмкости электродов. И сделать оценку характеристик будущего изделия.

Иными словами мы можем оценить недостающие параметры существующих батарей и представить какими характеристиками будут обладать их аналоги с новыми электродами.

Дабы не утомлять излишней скрупулёзностью приведем результаты
Как видно из диаграммы прогноза ёмкости батареи с анодами LiNi1-x-yCoxMnyO2 (для ноутбуков и телефонов) видно, что в ближайшие 10-12 лет аккумуляторы могут стать ~30-50% компактней, главным образом за счет увеличения ёмкости анодов. Вопрос о большем росте упирается в изобретение более ёмких катодов, которых не видно.

Пока единственная отрада — это покупать дополнительные аккумуляторы для ноутбуков, которые просто состоят из большего числа тех же цилиндрических элементов. В отношении смартфонов я, чесно говоря недоумеваю, почему производители телефонов игнорируют производство аккумуляторов увеличенной ёмкости, таких, какие они же производят для ноутбуков. В принципе я пользовался двумя стронними аккумуляторами Mugen Power и Seido и остался очень доволен обоими.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Чему равно напряжение между двумя фазами

Для автопрома грядет действительно новый век:

Новые дешевые катоды должны снизить общую стоимость такой батареи ~50%, по сравнению с аналогичными для портативных устройств. Переход к наноструктурному инженерингу позволяет добиться значительного увеличения долговечности при работе на мощности в 10 или даже 100 раз превышающей современную. Отметим, что требованием к перспективным аккумуляторам для автомобилей является 10-15 кратное увеличение срока их службы, и оно все еще остается невыполненным (~5000 циклов)

Источник: https://habr.com/post/137276/

Основные характеристики химических источников тока (ХИТ)

Для описания химических источников тока следует определить значимые электрические и эксплуатационные характеристики, которые необходимо рассматривать при сравнении.

Электрические характеристики

Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) — это напряжение на выводах источника без нагрузки. Значение НРЦ определяется электрохимической

системой источника тока. Некоторое влияние на НРЦ оказывают концентрация электролита, температура окружающей среды, степень разряженности источника тока.

Номинальное напряжение (Uном) — условная величина напряжения источника тока в средней части его характеристики при разряде в номинальном (стандартном) режиме, который устанавливается нормативно-технической документацией на источник тока. Следует заметить, что у первичных источников тока номинальное напряжение чаще характеризует начальную его величину. Напряжение в

средней части разрядной характеристики обычно ниже (зависит от ее наклона и величины нагрузки).

Номинальная емкость (С ном) — емкость (количество электричества), отдаваемая источником тока во внешнюю цепь при номинальном токе разряда при 20 °С. Измеряется в ампер-часах (Ач).

Для аккумуляторов регламентируются также ток заряда, после которого в разряде определяется С ном , и продолжительность паузы между

зарядом и разрядом при таких испытаниях.

Номинальный (стандартный) ток заряда и разряда — ток, регламентируемый документацией на источник тока. Записывается в долях от номинальной емкости (например, ток 0,1 С означает ток, равный по величине десятой доле номинальной емкости).

Для практики важной характеристикой является напряжение источника тока под нагрузкой — рабочее напряжение ХИТ.

Оно меньше НРЦ, так как потенциалы электродов при протекании тока заметно отличаются от потенциалов при разомкнутой цепи и, кроме того, имеет место

падение напряжения на омическом сопротивлении ХИТ.

В общем виде

U = НРЦ — IR =НРЦ —  I (Rом + Rпол) 

где I — ток разряда; R — полное сопротивление ХИТ; Rом — омическое сопротивление, определяемое сопротивлением металлических токопроводящих деталей электродов, их активных масс и сопротивлением электролита в порах электродов и сепаратора; Rпол — поляризационное сопротивление электродов. 

Поведение источника тока под нагрузкой и его энергетические возможности обычно описывают разрядной характеристикой — изменением напряжения источника тока во времени при разряде постоянным током (для элементов чаще на постоянную нагрузку).

Форма разрядной кривой зависит как от электрохимической природы источника тока, его конструкционных особенностей и технологии изготовления, так и от режимов и условий разряда. Для стабильной работы аппаратуры с автономным питанием наилучшим является химический источник тока со стабильным напряжением на протяжении большей части разрядной кривой.

Наиболее полно информация об эксплуатационных возможностях источника тока представляется в виде семейства разрядных кривых при токах во всем допустимом диапазоне и при разной температуре. При разряде большими токами емкость, отдаваемая источником тока, может быть значительно меньше той, что можно получить при разряде

стандартным током 0,2 С.

Последующий доразряд малым током позволяет получить еще некоторое количество энергии, хотя суммарная емкость все же остается меньше номинальной.

Энергетические возможности ХИТ могут быть описаны и семейством кривых, отражающих зависимость разрядной емкости от тока разряда и температуры. Для перезаряжаемых источников тока существенными являются также и зарядные характеристики.

Обычно дается семейство кривых, отражающих изменение зарядного напряжения при нескольких токовых режимах и температурных условиях, которое позволяет понять все ограничения процесса и возможности его контроля.

Эффективность зарядно-разрядного цикла при разных режимах эксплуатации оценивается коэффициентом отдачи по емкости

где Сраз — отдаваемая емкость, Сзар — зарядная. Коэффициент Кс < 1.

Для сравнительной оценки энергетических возможностей ХИТ разных электрохимических систем, типов и конструкций обычно используют величины достигнутой удельной энергии, весовой (в Втч/кг) и объемной (в Втч/дм3). Понятно, что чем выше рабочее напряжение источника тока, тем большие удельные энергетические характеристики можно обеспечить.

Эти характеристики определяются как теоретически достижимым коэффициентом использования активных масс источника тока, так и его конструкцией и технологией изготовления. Поэтому величины удельной энергии ХИТ одной и той же электрохимической природы, но разных производителей могут различаться.

Вообще же малогабаритные источники тока обычно обладают более низкими удельными характеристиками по сравнению с ХИТ большей емкости и габаритов, что связано с увеличением доли конструкционных материалов, не принимающих

непосредственного участия в токообразующем процессе.

Источник: http://monitor.uxp.ru/stati/10-khimicheskie-elementy

Химический источник тока

Хими́ческий исто́чник то́ка (аббр. ХИТ) — источник ЭДС, в котором энергия протекающих в нём химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

История создания[ | ]

Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был «элемент Вольта» — сосуд с серной кислотой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, с проволочными токовыводами. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа «вольтовым столбом».

Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Даниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты.

Эта конструкция стала называться .

В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор, поместив скрученную в рулон тонкую свинцовую пластину в серную кислоту. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.

В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO2 в качестве деполяризатора с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.

В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Хьюберт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».

Самый старый, поныне работающий гальванический элемент — серебряно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 году. Подключенный к двум таким последовательно соединенным батареям звонок работает и по сей день в Оксфорда[1].

Принцип действия[ | ]

Основу химических источников тока составляют два электрода (отрицательно заряженный анод, содержащий восстановитель, и положительно заряженный катод, содержащий окислитель), контактирующие с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции.

Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно-разделённых процессов: на отрицательном аноде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи к положительному катоду, создавая разрядный ток, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

Таким образом, поток отрицательно заряженных электронов по внешней цепи идет от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода (отрицательного полюса химического источника тока) к положительному.

Это соответствует протеканию электрического тока в направлении от положительного полюса к отрицательному, так как направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

В современных химических источниках тока используются:

Классификация[ | ]

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:

  • гальванические элементы (первичные ХИТ), которые из-за необратимости протекающих в них реакций невозможно перезарядить;
  • электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ) — перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить;
  • топливные элементы (электрохимические генераторы) — устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно, пока обеспечивается подача реагентов.

Следует заметить, что деление элементов на гальванические и аккумуляторы до некоторой степени условное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочные батарейки, поддаются подзарядке, но эффективность этого процесса крайне низка.

По типу используемого электролита химические источники тока делятся на кислотные (например свинцово-кислотный аккумулятор, свинцово-плавиковый элемент), щелочные (например ртутно-цинковый элемент, ртутно-кадмиевый элемент, никель-цинковый аккумулятор, никель-кадмиевый аккумулятор) и солевые (например, марганцево-магниевый элемент, цинк-хлорный аккумулятор).

Гальванические элементы[ | ]

Основная статья: Гальванический элемент

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

Источник: https://encyclopaedia.bid/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8%D0%BF%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D1%8F/%D0%A5%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B8_%D1%82%D0%BE%D0%BA%D0%B0

Химический источник тока: принцип действия, классификация — Искра Газ

Постоянный ток существует только в замкнутой цепи и сохраняет свое направление и основные параметры неизменными во времени. Для его поддержания необходимо наличие постоянного напряжения. Это требование является неизменным для различных источников постоянного тока.

Регулирование источника

Для обеспечения постоянного значения уровня выходного напряжения, не зависящего от потребляемого нагрузкой тока и колебаний входного переменного напряжения, все современные источники питания постоянного тока имеют ступень стабилизации и регулирования.

В ней выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) значением.

При появлении различия между ними вырабатывается управляющий сигнал, который по цепи управления изменяет величину выходного напряжения. Величину значения опорного напряжения можно изменять в широких пределах, имея на выходе регулированного источника питания постоянного тока необходимое для работы напряжение.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Электрогенератор
Что такое фаза ноль и земля

Закрыть