Διαφορετικοί τύποι μπαταριών και οι εφαρμογές τους

Η μπαταρία είναι μια συλλογή από ένα ή περισσότερα κελιά που υφίστανται χημικές αντιδράσεις για να δημιουργήσουν τη ροή ηλεκτρονίων μέσα σε ένα κύκλωμα. Υπάρχει πολλή έρευνα και πρόοδος στην τεχνολογία μπαταριών, και ως εκ τούτου, πρωτοποριακές τεχνολογίες βιώνονται και χρησιμοποιούνται σε όλο τον κόσμο αυτήν τη στιγμή. Οι μπαταρίες τέθηκαν σε λειτουργία λόγω της ανάγκης αποθήκευσης της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Όσο παράγεται μια καλή ποσότητα ενέργειας, ήταν σημαντικό να αποθηκευτεί η ενέργεια, έτσι ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί όταν η παραγωγή είναι εκτός λειτουργίας ή όταν υπάρχει ανάγκη τροφοδοσίας αυτόνομων συσκευών που δεν μπορούν να διατηρηθούν συνδεδεμένες στην τροφοδοσία από το δίκτυο. Εδώ πρέπει να σημειωθεί ότι μόνο οι DC μπορούν να αποθηκευτούν στις μπαταρίες, ενώ το ρεύμα AC δεν μπορεί να αποθηκευτεί.

Οι μπαταρίες αποτελούνται συνήθως από τρία κύρια συστατικά.

1. Η άνοδος (αρνητικό ηλεκτρόδιο)
2. Η Καθορισμός (Θετικό Ηλεκτρόδιο)
3. Οι ηλεκτρολύτες

Η άνοδος είναι ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο που παράγει ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κύκλωμα στο οποίο είναι συνδεδεμένη η μπαταρία. Όταν οι μπαταρίες είναι συνδεδεμένες, ξεκινά μια συσσώρευση ηλεκτρονίων στην άνοδο που προκαλεί μια πιθανή διαφορά μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων. Τα ηλεκτρόνια φυσικά προσπαθούν στη συνέχεια να ανακατανεμηθούν, αυτό αποτρέπεται από τον ηλεκτρολύτη, οπότε όταν ένα ηλεκτρικό κύκλωμα είναι συνδεδεμένο, παρέχει μια σαφή διαδρομή για τα ηλεκτρόνια να μετακινηθούν από την άνοδο στην κάθοδο τροφοδοτώντας έτσι το κύκλωμα στο οποίο είναι συνδεδεμένο. Αλλάζοντας τη διάταξη και το υλικό που χρησιμοποιείται για την κατασκευή των Anode, Cathode και Electrolyte μπορούμε να επιτύχουμε πολλούς διαφορετικούς τύπους χημικών μπαταριών που μας επιτρέπουν να σχεδιάσουμε διαφορετικούς τύπους κυψελών μπαταρίας. Σε αυτό το άρθρο ας κατανοήσουμε τους διαφορετικούς τύπους μπαταριών και τις χρήσεις τουςοπότε ας ξεκινήσουμε.

Τύποι μπαταριών

Οι μπαταρίες μπορούν γενικά να ταξινομηθούν σε διαφορετικές κατηγορίες και τύπους, που κυμαίνονται από χημική σύνθεση, μέγεθος, συντελεστή μορφής και περιπτώσεις χρήσης, αλλά κάτω από όλα αυτά είναι δύο κύριοι τύποι μπαταριών.

1. Πρωτεύουσες μπαταρίες
2. Δευτερεύουσες μπαταρίες

Ας ρίξουμε μια βαθύτερη ματιά για να κατανοήσουμε τις μεγάλες διαφορές μεταξύ ενός κυττάρου Primacy και Secondary Cell.

1. Πρωτεύουσες μπαταρίες

Οι κύριες μπαταρίες είναι μπαταρίες που δεν μπορούν να επαναφορτιστούν όταν εξαντληθούν. Οι πρωτογενείς μπαταρίες κατασκευάζονται από ηλεκτροχημικά στοιχεία των οποίων η ηλεκτροχημική αντίδραση δεν μπορεί να αντιστραφεί.

Οι πρωτογενείς μπαταρίες υπάρχουν σε διάφορες μορφές, κυμαινόμενες έως μπαταρίες AA. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε αυτόνομες εφαρμογές όπου η φόρτιση είναι ανέφικτη ή αδύνατη. Ένα καλό παράδειγμα του οποίου είναι σε συσκευές στρατιωτικού βαθμού και σε εξοπλισμό με μπαταρία. Δεν θα ήταν πρακτικό να χρησιμοποιείς επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, καθώς η επαναφόρτιση μιας μπαταρίας θα είναι το τελευταίο πράγμα στο μυαλό των στρατιωτών. Οι πρωτογενείς μπαταρίες έχουν πάντα υψηλή ειδική ενέργεια και τα συστήματα στα οποία χρησιμοποιούνται είναι πάντα σχεδιασμένα για να καταναλώνουν χαμηλή ποσότητα ισχύος ώστε η μπαταρία να διαρκεί όσο το δυνατόν περισσότερο.

Ορισμένα άλλα παραδείγματα συσκευών που χρησιμοποιούν πρωτογενείς μπαταρίες περιλαμβάνουν: Βηματοδότες, ιχνηλάτες ζώων, ρολόγια χειρός, τηλεχειριστήρια και παιδικά παιχνίδια για να αναφέρουμε μερικά.

Ο πιο δημοφιλής τύπος πρωτογενών μπαταριών είναι οι αλκαλικές μπαταρίες. Έχουν υψηλή ειδική ενέργεια και είναι φιλικές προς το περιβάλλον, οικονομικά αποδοτικές και δεν διαρρέουν ακόμη και όταν έχουν αποφορτιστεί πλήρως. Μπορούν να αποθηκευτούν για αρκετά χρόνια, να έχουν καλό αρχείο ασφαλείας και να μεταφέρονται σε αεροσκάφος χωρίς να υπόκεινται στους κανονισμούς των Ηνωμένων Εθνών για τις Μεταφορές και άλλους κανονισμούς. Το μόνο μειονέκτημα στις αλκαλικές μπαταρίες είναι το ρεύμα χαμηλού φορτίου, το οποίο περιορίζει τη χρήση του σε συσκευές με απαιτήσεις χαμηλού ρεύματος, όπως τηλεχειριστήρια, φακούς και φορητές συσκευές ψυχαγωγίας.

2. Δευτερεύουσες μπαταρίες

Οι δευτερεύουσες μπαταρίες είναι μπαταρίες με ηλεκτροχημικά στοιχεία των οποίων οι χημικές αντιδράσεις μπορούν να αντιστραφούν εφαρμόζοντας μια συγκεκριμένη τάση στην μπαταρία προς την αντίστροφη κατεύθυνση. Αναφερόμενο επίσης ως επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, τα δευτερεύοντα κελιά σε αντίθεση με τα πρωτογενή κύτταρα μπορούν να επαναφορτιστούν μετά την εξάντληση της ενέργειας της μπαταρίας.

Συνήθως χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές υψηλής αποστράγγισης και σενάρια όπου θα είναι υπερβολικά ακριβό ή ανέφικτο να χρησιμοποιηθούν μπαταρίες μιας φόρτισης. Οι δευτερεύουσες μπαταρίες μικρής χωρητικότητας χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία φορητών ηλεκτρονικών συσκευών όπως κινητά τηλέφωνα και άλλες συσκευές και συσκευές, ενώ οι βαριές μπαταρίες χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία διαφορετικών ηλεκτρικών οχημάτων και άλλων εφαρμογών υψηλής αποστράγγισης, όπως η ισοστάθμιση φορτίου στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιμοποιούνται επίσης ως αυτόνομες πηγές ισχύος μαζί με τους μετατροπείς για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας. Παρόλο που το αρχικό κόστος απόκτησης επαναφορτιζόμενων μπαταριών είναι πάντοτε πολύ υψηλότερο από αυτό των πρωτογενών μπαταριών, αλλά είναι το πιο οικονομικά αποδοτικό μακροπρόθεσμα.

Οι δευτερεύουσες μπαταρίες μπορούν να ταξινομηθούν περαιτέρω σε πολλούς άλλους τύπους με βάση τη χημεία τους . Αυτό είναι πολύ σημαντικό επειδή η χημεία καθορίζει ορισμένα από τα χαρακτηριστικά της μπαταρίας, συμπεριλαμβανομένης της συγκεκριμένης ενέργειας, της διάρκειας ζωής, της διάρκειας ζωής και της τιμής για να αναφέρουμε μερικά.

Ακολουθούν οι διαφορετικοί τύποι επαναφορτιζόμενων μπαταριών που χρησιμοποιούνται συνήθως.

1. Ιόντων λιθίου (ιόντων λιθίου)
2. Νικέλιο κάδμιο (Ni-Cd)
3. Νικέλιο-μέταλλο υδρίδιο (Ni-MH)
4. Μολύβδου οξέος

1. Μπαταρίες νικελίου-καδμίου

Η μπαταρία νικελίου-καδμίου (μπαταρία NiCd ή μπαταρία NiCad) είναι ένας τύπος επαναφορτιζόμενης μπαταρίας που αναπτύσσεται χρησιμοποιώντας υδροξείδιο οξειδίου του νικελίου και μεταλλικό κάδμιο ως ηλεκτρόδια. Οι μπαταρίες Ni-Cd υπερέχουν στη διατήρηση της τάσης και στη διατήρηση της φόρτισης όταν δεν χρησιμοποιούνται. Ωστόσο, οι μπαταρίες NI-Cd πέφτουν εύκολα θύματα του φοβερού φαινομένου «μνήμης» όταν επαναφορτίζεται μια μερικώς φορτισμένη μπαταρία, μειώνοντας τη μελλοντική χωρητικότητα της μπαταρίας.

Σε σύγκριση με άλλους τύπους επαναφορτιζόμενων κυψελών, οι μπαταρίες Ni-Cd προσφέρουν καλό κύκλο ζωής και απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες με δίκαιη χωρητικότητα, αλλά το σημαντικότερο πλεονέκτημά τους θα είναι η ικανότητά τους να παρέχουν την πλήρη ονομαστική τους ικανότητα σε υψηλά ποσοστά εκφόρτισης. Διατίθενται σε διάφορα μεγέθη, συμπεριλαμβανομένων των μεγεθών που χρησιμοποιούνται για αλκαλικές μπαταρίες, AAA έως D. Τα Ni-Cd κύτταρα χρησιμοποιούνται μεμονωμένα ή συναρμολογούνται σε συσκευασίες δύο ή περισσότερων κυψελών. Τα μικρά πακέτα χρησιμοποιούνται σε φορητές συσκευές, ηλεκτρονικά και παιχνίδια, ενώ τα μεγαλύτερα βρίσκουν εφαρμογή σε μπαταρίες εκκίνησης αεροσκαφών, ηλεκτρικά οχήματα και τροφοδοσία αναμονής.

Μερικές από τις ιδιότητες των μπαταριών νικελίου-καδμίου παρατίθενται παρακάτω.

• Ειδική ενέργεια: 40-60W-h / kg
• Πυκνότητα ενέργειας: 50-150 Wh / L
• Ειδική ισχύς: 150W / kg
• Απόδοση φόρτισης / εκφόρτισης: 70-90%
• Ποσοστό αυτοαπαλλαγής: 10% / μήνα
• Ανθεκτικότητα κύκλου / διάρκεια ζωής: 2000 κύκλοι

2. Μπαταρίες νικελίου-μετάλλου υδριδίου

Το υδρίδιο νικελίου μετάλλου (Ni-MH) είναι ένας άλλος τύπος χημικής διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται για επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Η χημική αντίδραση στο θετικό ηλεκτρόδιο των μπαταριών είναι παρόμοια με εκείνη της κυψέλης νικελίου-καδμίου (NiCd), και με τους δύο τύπους μπαταριών να χρησιμοποιούν το ίδιο υδροξείδιο οξειδίου του νικελίου (NiOOH). Ωστόσο, τα αρνητικά ηλεκτρόδια στο νικέλιο-μέταλλο υδρίδιο χρησιμοποιούν κράμα απορρόφησης υδρογόνου αντί καδμίου που χρησιμοποιείται σε μπαταρίες NiCd

Οι μπαταρίες NiMH βρίσκουν εφαρμογή σε συσκευές υψηλής αποστράγγισης λόγω της υψηλής χωρητικότητας και της ενεργειακής τους πυκνότητας. Μια μπαταρία NiMH μπορεί να έχει δύο έως τρεις φορές τη χωρητικότητα μιας μπαταρίας NiCd του ίδιου μεγέθους και η ενεργειακή πυκνότητα μπορεί να προσεγγίσει αυτήν μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου. Σε αντίθεση με τη χημεία NiCd, οι μπαταρίες που βασίζονται στη χημεία NiMH δεν είναι ευαίσθητες στο φαινόμενο "μνήμης" που βιώνει η NiCads.

Παρακάτω είναι μερικές από τις ιδιότητες των μπαταριών που βασίζονται στη χημεία υδριδίου νικελίου-μετάλλου.

• Ειδική ενέργεια: 60-120h / kg
• Πυκνότητα ενέργειας: 140-300 Wh / L
• Ειδική ισχύς: 250-1000 W / kg
• Απόδοση φόρτισης / εκφόρτισης: 66% - 92%
• Ποσοστό αυτοεκφόρτισης: 1,3-2,9% / μήνα στους 20 ^o C
• Διάρκεια κύκλου / διάρκεια ζωής: 180 -2000

3. Μπαταρίες ιόντων λιθίου

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι ένας από τους πιο δημοφιλείς τύπους επαναφορτιζόμενων μπαταριών. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι μπαταριών λιθίου, αλλά μεταξύ όλων των μπαταριών ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται συχνότερα. Μπορείτε να βρείτε αυτές τις μπαταρίες λιθίου που χρησιμοποιούνται σε διάφορες μορφές δημοφιλή μεταξύ ηλεκτρικών οχημάτων και άλλων φορητών συσκευών. Εάν θέλετε να μάθετε περισσότερα σχετικά με τις μπαταρίες που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικά οχήματα, μπορείτε να δείτε αυτό το άρθρο σχετικά με τις ηλεκτρικές μπαταρίες οχημάτων. Βρίσκονται σε διαφορετικές φορητές συσκευές, όπως κινητά τηλέφωνα, έξυπνες συσκευές και πολλές άλλες συσκευές μπαταριών που χρησιμοποιούνται στο σπίτι. Βρίσκουν επίσης εφαρμογές στην αεροδιαστημική και στρατιωτική εφαρμογή λόγω της ελαφριάς φύσης τους.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι ένας τύπος επαναφορτιζόμενης μπαταρίας στον οποίο τα ιόντα λιθίου από το αρνητικό ηλεκτρόδιο μεταναστεύουν στο θετικό ηλεκτρόδιο κατά την εκφόρτιση και μεταναστεύουν πίσω στο αρνητικό ηλεκτρόδιο κατά τη φόρτιση της μπαταρίας. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούν μια ένωση λιθίου ως ένα υλικό ηλεκτροδίου, σε σύγκριση με το μεταλλικό λίθιο που χρησιμοποιείται σε μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου γενικά διαθέτουν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, λίγο ή καθόλου φαινόμενο μνήμης και χαμηλή αυτοεκφόρτιση σε σύγκριση με άλλους τύπους μπαταριών. Η χημεία τους παράλληλα με την απόδοση και το κόστος ποικίλλει σε διαφορετικές περιπτώσεις χρήσης, για παράδειγμα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούνται σε φορητές ηλεκτρονικές συσκευές βασίζονται συνήθως σε οξείδιο του κοβαλτίου λιθίου (LiCoO ₂) το οποίο παρέχει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και χαμηλούς κινδύνους ασφάλειας όταν καταστρέφεται ενώ το Li-ion Οι μπαταρίες με βάση το φωσφορικό σίδηρο λιθίου που προσφέρουν χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα είναι ασφαλέστερες λόγω της μειωμένης πιθανότητας εμφάνισης ατυχών συμβάντων που χρησιμοποιούνται ευρέως στην τροφοδοσία ηλεκτρικών εργαλείων και ιατρικού εξοπλισμού. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου προσφέρουν την καλύτερη σχέση απόδοσης προς βάρος με την μπαταρία θείου λιθίου που προσφέρει την υψηλότερη αναλογία.

Μερικά από τα χαρακτηριστικά των μπαταριών ιόντων λιθίου παρατίθενται παρακάτω.

• Ειδική ενέργεια: 100: 265W-h / kg
• Πυκνότητα ενέργειας: 250: 693 Wh / L
• Ειδική ισχύς: 250: 340 W / kg
• Ποσοστό φόρτισης / απαλλαγής: 80-90%
• Διάρκεια κύκλου: 400: 1200 κύκλοι
• Ονομαστική τάση κυψέλης: NMC 3.6 / 3.85V

4. Μπαταρίες μολύβδου-οξέος

Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι ένας χαμηλού κόστους αξιόπιστος ιπποδύναμος που χρησιμοποιείται σε εφαρμογές βαρέως τύπου. Συνήθως είναι πολύ μεγάλα και λόγω του βάρους τους, χρησιμοποιούνται πάντα σε μη φορητές εφαρμογές, όπως αποθήκευση ενέργειας ηλιακού πλαισίου, ανάφλεξη και φώτα οχημάτων, εφεδρική ισχύς και ισοπέδωση φορτίου στην παραγωγή / διανομή ισχύος. Το μόλυβδο-οξύ είναι ο παλαιότερος τύπος επαναφορτιζόμενης μπαταρίας και εξακολουθεί να είναι πολύ σχετικός και σημαντικός στον σημερινό κόσμο. Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος έχουν πολύ χαμηλή αναλογία ενέργειας προς όγκο και ενέργειας προς βάρος, αλλά έχουν σχετικά μεγάλη αναλογία ισχύος προς βάρος και ως εκ τούτου, μπορούν να παρέχουν τεράστια ρεύματα κύματος όταν χρειάζεται. Αυτά τα χαρακτηριστικά παράλληλα με το χαμηλό κόστος καθιστούν αυτές τις μπαταρίες ελκυστικές για χρήση σε πολλές εφαρμογές υψηλού ρεύματος, όπως η τροφοδοσία κινητήρων εκκίνησης αυτοκινήτων και για αποθήκευση σε εφεδρικά τροφοδοτικά.Μπορείτε επίσης να δείτε το άρθρο σχετικά με την μπαταρία μολύβδου οξέος που λειτουργεί εάν θέλετε να μάθετε περισσότερα σχετικά με τους διαφορετικούς τύπους μπαταριών μολύβδου-οξέος, την κατασκευή και τις εφαρμογές του.

Κάθε μία από αυτές τις μπαταρίες έχει την περιοχή της καλύτερης εφαρμογής και η παρακάτω εικόνα είναι να βοηθήσει στην επιλογή μεταξύ τους.

Επιλέγοντας τη σωστή μπαταρία για την εφαρμογή σας

Ένα από τα κύρια προβλήματα που εμποδίζουν τις τεχνολογικές περιστροφές όπως το IoT είναι η ισχύς, η διάρκεια ζωής της μπαταρίας επηρεάζει την επιτυχή ανάπτυξη συσκευών που απαιτούν μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και παρόλο που πολλές τεχνικές διαχείρισης ισχύος υιοθετούνται για να κάνουν τη μπαταρία να διαρκέσει περισσότερο, πρέπει να επιλεγεί μια συμβατή μπαταρία για να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα.

Ακολουθούν ορισμένοι παράγοντες που πρέπει να λάβετε υπόψη κατά την επιλογή του σωστού τύπου μπαταρίας για το έργο σας.

1. Πυκνότητα ενέργειας: Η ενεργειακή πυκνότητα είναι η συνολική ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί ανά μονάδα μάζας ή όγκο. Αυτό καθορίζει τη διάρκεια παραμονής της συσκευής σας πριν χρειαστεί επαναφόρτιση.

2. Πυκνότητα ισχύος: Μέγιστος ρυθμός εκφόρτισης ενέργειας ανά μονάδα μάζας ή όγκο. Χαμηλή ισχύς: φορητός υπολογιστής, i-pod. Υψηλή ισχύς: ηλεκτρικά εργαλεία.

3. Ασφάλεια: Είναι σημαντικό να λάβετε υπόψη τη θερμοκρασία στην οποία λειτουργεί η συσκευή που κατασκευάζετε. Σε υψηλές θερμοκρασίες, ορισμένα εξαρτήματα της μπαταρίας θα σπάσουν και μπορεί να υποστούν εξώθερμες αντιδράσεις. Οι υψηλές θερμοκρασίες μειώνουν γενικά την απόδοση των περισσότερων μπαταριών.

4. Ανθεκτικότητα κύκλου ζωής: Η σταθερότητα της ενεργειακής πυκνότητας και της πυκνότητας ισχύος μιας μπαταρίας με επαναλαμβανόμενο κύκλο (φόρτιση και εκφόρτιση) απαιτείται για τη μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας που απαιτείται από τις περισσότερες εφαρμογές.

5. Κόστος: Το κόστος είναι ένα σημαντικό μέρος των αποφάσεων μηχανικής που θα λάβετε. Είναι σημαντικό το κόστος της επιλογής της μπαταρίας σας να είναι ανάλογο με την απόδοσή του και να μην αυξάνει ασυνήθιστα το συνολικό κόστος του έργου.