Come funzionano e funzionano le batterie

Nel senso più ampio del termine in tecnologia, il termine "batteria" si riferisce a un dispositivo che consente in determinate condizioni operative di accumulare un certo tipo di energia e in altre di utilizzarla per i bisogni umani.

Sono utilizzati dove è necessario raccogliere energia per un certo tempo e quindi utilizzarla per eseguire grandi processi ad alta intensità di manodopera. Ad esempio, gli accumulatori idraulici utilizzati nelle chiuse consentono alle navi di salire a un nuovo livello sul letto del fiume.

Le batterie elettriche funzionano con l'elettricità secondo lo stesso principio: prima accumulano (accumulano) elettricità da una fonte di ricarica esterna e poi la danno ai consumatori connessi per lavorare. Per loro natura appartengono a sorgenti di corrente chimica in grado di effettuare ripetutamente cicli periodici di scarica e carica.

Durante il funzionamento, si verificano costantemente reazioni chimiche tra i componenti delle piastre degli elettrodi con la loro sostanza di riempimento: l'elettrolita.

Un diagramma schematico di un dispositivo batteria può essere rappresentato da un disegno semplificato quando due piastre di metalli diversi con fili vengono inserite nel corpo della nave per fornire contatti elettrici. Un elettrolita viene versato tra le piastre.

Funzionamento a batteria scarica

Quando un carico, come una lampadina, è collegato agli elettrodi, si crea un circuito elettrico chiuso attraverso il quale scorre la corrente di scarica. È formato dal movimento di elettroni in parti metalliche e anioni con cationi nell'elettrolita.

Questo processo è convenzionalmente mostrato su un diagramma con un design dell'elettrodo di nichel-cadmio.

Come materiale dell'elettrodo positivo vengono utilizzati ossidi di nichel con additivi di grafite, che aumentano la conduttività elettrica. Il metallo dell'elettrodo negativo è cadmio spugnoso.

Durante la scarica, le particelle di ossigeno attivo degli ossidi di nichel vengono rilasciate nell'elettrolita e dirette alle piastre negative, dove il cadmio viene ossidato.

Prestazioni della batteria durante la ricarica

Quando il carico è spento, ai terminali di placca viene applicata una tensione costante (in certe situazioni, pulsante) di valore maggiore di quella di una batteria carica della stessa polarità, quando i terminali positivo e negativo della sorgente e dell'utenza coincidono .

Il caricabatterie ha sempre più potenza, che "sopprime" l'energia residua nella batteria e crea una corrente elettrica nella direzione opposta alla scarica. Di conseguenza, i processi chimici interni tra gli elettrodi e l'elettrolita cambiano. Ad esempio, su una scatola di lastre di nichel-cadmio, l'elettrodo positivo viene arricchito con ossigeno e quello negativo in uno stato di puro cadmio.

Quando la batteria viene scaricata e caricata, la composizione chimica del materiale delle piastre (elettrodi) cambia, ma l'elettrolito non cambia.

Metodi di connessione della batteria

Collegamento in parallelo

La quantità di corrente di scarica che una persona può sopportare dipende da molti fattori, ma principalmente dal design, dai materiali utilizzati e dalle loro dimensioni. Maggiore è l'area delle piastre sugli elettrodi, maggiore è la corrente che possono sopportare.

Questo principio viene utilizzato per collegare celle dello stesso tipo in parallelo nelle batterie quando è necessario aumentare la corrente al carico, ma per caricare un tale progetto sarà necessario aumentare la potenza della sorgente. Questo metodo viene utilizzato raramente per strutture già pronte, poiché ora è molto più semplice acquistare immediatamente la batteria necessaria. Ma i produttori di batterie ad acido lo usano, collegando diverse piastre in singoli blocchi.

Connessione seriale

A seconda dei materiali utilizzati, è possibile generare una tensione di 1,2/1,5 o 2,0 volt tra le due piastre degli elettrodi delle batterie comuni nella vita di tutti i giorni. (In realtà, questa gamma è molto più ampia.) Ovviamente, non è sufficiente per molti dispositivi elettrici. Pertanto, le batterie dello stesso tipo sono collegate in serie e questo viene spesso fatto in un caso.

Un esempio di tale progetto è il diffuso sviluppo automobilistico basato su acido solforico e piastre di elettrodi di piombo.

Di solito, tra le persone, soprattutto tra i conducenti di trasporto, è consuetudine chiamare qualsiasi dispositivo una batteria, indipendentemente dal numero dei suoi elementi costitutivi: le scatole. Tuttavia, questo non è del tutto corretto.La struttura, assemblata da più scatole collegate in serie, è già una batteria, per la quale è apposto il nome abbreviato «АКБ»... La sua struttura interna è mostrata in figura.

Ciascuno dei barattoli è costituito da due blocchi con una serie di piastre per gli elettrodi positivi e negativi. I blocchi si incastrano l'uno nell'altro senza contatto metallico con la possibilità di una connessione galvanica affidabile attraverso l'elettrolita.

In questo caso, le piastre di contatto hanno una griglia aggiuntiva e sono separate l'una dall'altra da una piastra di separazione.

Il collegamento delle piastre in blocchi aumenta la loro area di lavoro, riduce la resistenza totale dell'intera struttura e consente di aumentare la potenza del carico collegato.

All'esterno della scatola, tale batteria ha gli elementi mostrati nella figura sottostante.

Mostra che il robusto alloggiamento in plastica è sigillato con un coperchio e dotato di due terminali (solitamente a forma di cono) sulla parte superiore per il collegamento al circuito elettrico dell'auto. I contrassegni di polarità sono stampati sui loro terminali: «+» e «-«. Solitamente il terminale positivo ha un diametro leggermente maggiore del terminale negativo per bloccare errori di cablaggio.

Le batterie riparabili hanno un foro di riempimento sulla parte superiore di ciascun contenitore per controllare il livello dell'elettrolito o aggiungere acqua distillata durante il funzionamento. Al suo interno è avvitato un tappo che protegge le cavità interne della custodia dalla contaminazione e allo stesso tempo impedisce la fuoriuscita dell'elettrolito quando la batteria viene inclinata.

Poiché con una carica potente è possibile la gassificazione dall'elettrolito (e questo processo è possibile durante la guida intensiva), vengono praticati dei fori nei tappi per impedire l'aumento della pressione all'interno della scatola.Attraverso di essi escono ossigeno e idrogeno, nonché vapori di elettroliti. Si raccomanda di evitare tali situazioni che comportino correnti di carica eccessive.

La stessa figura mostra il collegamento degli elementi tra le batterie e la disposizione delle piastre degli elettrodi.

Le batterie di avviamento per auto (piombo acido) funzionano secondo il principio della doppia solfatazione. Durante la scarica / carica, su di essi avviene un processo elettrochimico, accompagnato da un cambiamento nella composizione chimica della massa attiva degli elettrodi con rilascio / assorbimento di acqua nell'elettrolita (acido solforico).

Questo spiega l'aumento del peso specifico dell'elettrolita durante la carica e la diminuzione quando la batteria è scarica. In altre parole, il valore di densità consente di valutare lo stato elettrico della batteria. Per misurarlo viene utilizzato un dispositivo speciale: un idrometro per auto.

L'acqua distillata, che fa parte dell'elettrolita delle batterie acide, si trasforma in uno stato solido - ghiaccio a temperature negative... Pertanto, per evitare che le batterie delle auto si congelino quando fa freddo, è necessario applicare misure speciali previste dalle regole per lo sfruttamento.

Che tipi di batterie ci sono?

La produzione moderna per vari scopi produce più di tre dozzine di prodotti con diverse composizioni di elettrodi ed elettroliti. 12 modelli noti funzionano solo con il litio.

Come metallo per elettrodi si possono trovare:

• Guida;

• ferro;

• litio;

• titanio;

• cobalto;

• cadmio;

• nichel;

• zinco;

• argento;

• vanadio;

• alluminio

• alcuni altri elementi.

Influiscono sulle caratteristiche elettriche di uscita e quindi sull'applicazione.

La capacità di resistere a carichi elevati a breve termine derivanti dalla rotazione degli alberi a gomiti dei motori a combustione interna da parte dei motorini di avviamento elettrici è caratteristica delle batterie al piombo. Sono ampiamente utilizzati nei trasporti, nei gruppi di continuità e nei sistemi di alimentazione di emergenza.

Standard celle galvaniche (batterie normali) sono solitamente sostituite da batterie al nichel-cadmio, al nichel-zinco e al nichel-metallo idruro.

Ma i design agli ioni di litio o ai polimeri di litio funzionano in modo affidabile nei dispositivi mobili e informatici, negli strumenti di costruzione e persino nei veicoli elettrici.

In base al tipo di elettrolita utilizzato, le batterie sono:

• acido

• alcalino.

Esiste una classificazione delle batterie in base allo scopo. Ad esempio, in condizioni moderne, sono apparsi dispositivi utilizzati per il trasferimento di energia, ricaricando altre fonti. La cosiddetta batteria esterna aiuta i possessori di molti dispositivi mobili in assenza di una rete elettrica alternata. È in grado di caricare ripetutamente un tablet, uno smartphone, un telefono cellulare.

Tutte queste batterie hanno lo stesso principio di funzionamento e un dispositivo simile. Ad esempio, il modello a dito agli ioni di litio mostrato nella figura seguente ripete in molti modi il design delle batterie all'acido discusse in precedenza.

Qui vediamo gli stessi elettrodi di contatto, piastre, separatore e alloggiamento. Solo loro sono realizzati tenendo conto di altre condizioni di lavoro.

Caratteristiche elettriche di base di una batteria

Il funzionamento del dispositivo è influenzato dai parametri:

• capacità;

• densita 'energia;

• autoscarica;

• regime di temperatura.

La capacità è chiamata la carica massima della batteria, che è in grado di fornire durante la scarica alla tensione più bassa. È espresso in pendenti (sistema SI) e ampere-ora (unità non di sistema).

Come tipo di capacità c'è la «capacità energetica», che determina l'energia rilasciata durante la scarica alla tensione minima consentita. Si misura in joule (SI) e wattora (unità non SI).

Densità di energia espressa come rapporto tra la quantità di energia e il peso o il volume della batteria.

L'autoscarica considera la perdita di capacità dopo la ricarica in assenza di carico sui terminali. Ciò dipende dal progetto ed è esacerbato dalle rotture dell'isolamento tra gli elettrodi per molte ragioni.

La temperatura di esercizio influisce sulle proprietà elettriche e in caso di gravi deviazioni dalla norma specificata dal produttore, può danneggiare la batteria. Il caldo e il freddo sono inaccettabili, influenzano il corso delle reazioni chimiche e la pressione dell'ambiente all'interno della scatola.