Různé typy baterií a jejich aplikace

Baterie je soubor jednoho nebo více článků, které procházejí chemickými reakcemi a vytvářejí tok elektronů v obvodu. V bateriové technologii probíhá spousta výzkumu a pokroku a výsledkem je, že průlomové technologie jsou v současné době používány a používány po celém světě. Baterie vstoupily do hry kvůli potřebě uchovávat generovanou elektrickou energii. I když se generovalo dobré množství energie, bylo důležité energii ukládat, aby ji bylo možné použít, když je výroba dole nebo když je potřeba napájet samostatná zařízení, která nemohou být udržována uvázaná na napájení ze sítě. Zde je třeba poznamenat, že do baterií lze ukládat pouze DC, nelze ukládat střídavý proud.

Články baterie se obvykle skládají ze tří hlavních komponent;

Anoda (negativní elektroda)
Katoda (pozitivní elektroda)
Elektrolyty

Anoda je záporná elektroda, která produkuje elektrony k vnějšímu obvodu, ke kterému je připojena baterie. Když jsou baterie připojeny, je na anodě iniciováno hromadění elektronů, které způsobují potenciální rozdíl mezi oběma elektrodami. Elektrony se přirozeně pokusí samy redistribuovat, což elektrolytu zabrání, takže když je připojen elektrický obvod, poskytuje to elektronům jasnou cestu k pohybu z anody na katodu, čímž napájí obvod, ke kterému je připojen. Změnou uspořádání a materiálu použitého k výrobě anody, katody a elektrolytu můžeme dosáhnout mnoha různých typů chemie baterií, které nám umožňují navrhovat různé typy článků baterií. V tomto článku si vysvětlíme různé typy baterií a jejich použití, tak pojďme začít.

Druhy baterií

Baterie lze obecně rozdělit do různých kategorií a typů, od chemického složení, velikosti, tvarového faktoru a případů použití, ale ve všech z nich jsou dva hlavní typy baterií;

Primární baterie
Sekundární baterie

Podívejme se hlouběji na porozumění hlavních rozdílů mezi buňkou Primacy a sekundární buňkou.

1. Primární baterie

Primární baterie jsou baterie, které nelze po vybití nabít. Primární baterie jsou vyrobeny z elektrochemických článků, jejichž elektrochemickou reakci nelze zvrátit.

Primární baterie existují v různých formách , od knoflíkových článků po AA baterie. Obvykle se používají v samostatných aplikacích, kde je nabíjení nepraktické nebo nemožné. Dobrým příkladem jsou vojenská zařízení a zařízení napájená z baterií. Bude nepraktické používat dobíjecí baterie, protože nabíjení baterie bude pro vojáky tou poslední věcí. Primární baterie mají vždy vysokou specifickou energii a systémy, ve kterých se používají, jsou vždy navrženy tak, aby spotřebovávaly nízké množství energie, aby baterie vydržela co nejdéle.

Mezi další příklady zařízení využívajících primární baterie patří; Tvůrci tempa, sledovače zvířat, náramkové hodinky, dálkové ovladače a dětské hračky.

Nejoblíbenějším typem primárních baterií jsou alkalické baterie. Mají vysokou specifickou energii a jsou šetrné k životnímu prostředí, nákladově efektivní a nedochází k úniku ani při úplném vybití. Mohou být skladovány několik let, mají dobrou bezpečnost a mohou být přepravovány v letadle, aniž by podléhaly přepravním předpisům OSN a dalším předpisům. Jedinou nevýhodou alkalických baterií je proud s nízkou zátěží, který omezuje jeho použití na zařízení s nízkými požadavky na proud, jako jsou dálková ovládání, baterky a přenosná zábavní zařízení.

2. Sekundární baterie

Sekundární baterie jsou baterie s elektrochemickými články, jejichž chemické reakce lze zvrátit působením určitého napětí na baterii v opačném směru. Sekundární články, na rozdíl od primárních článků, se také označují jako dobíjecí baterie, a to po nabití energie z baterie.

Obvykle se používají v aplikacích s vysokým odběrem a v jiných scénářích, kde bude použití baterií na jedno nabití buď příliš drahé nebo nepraktické. Sekundární baterie s malou kapacitou se používají k napájení přenosných elektronických zařízení, jako jsou mobilní telefony, a dalších gadgetů a zařízení, zatímco baterie pro vysoké zatížení se používají k napájení různých elektrických vozidel a dalších aplikací s vysokým odběrem, jako je vyrovnávání zátěže při výrobě elektřiny. Používají se také jako samostatné zdroje energie vedle střídačů k napájení elektřiny. Počáteční náklady na pořízení dobíjecích baterií jsou sice vždy mnohem vyšší než u primárních baterií, ale z dlouhodobého hlediska jsou nákladově nejefektivnější.

Sekundární baterie lze dále klasifikovat do několika dalších typů na základě jejich chemie . To je velmi důležité, protože chemie určuje některé atributy baterie, včetně její specifické energie, životnosti, trvanlivosti a ceny.

Níže jsou uvedeny různé typy dobíjecích baterií, které se běžně používají.

Lithium-iontový (Li-ion)
Nikl kadmium (Ni-Cd)
Nikl-metal hydrid (Ni-MH)
Kyselina olovnatá

1. Nikl-kadmiové baterie

Nikl-kadmiová baterie (NiCd baterie nebo NiCad baterie) je typ dobíjecí baterie, která je vyvinuta za použití hydroxidu nikelnatého a kovového kadmia jako elektrod. Ni-Cd baterie vynikají při udržování napětí a udržování nabití, když se nepoužívají. Baterie NI-Cd se však při dobíjení částečně nabité baterie snadno stanou obětí obávaného „paměťového“ efektu, což snižuje budoucí kapacitu baterie.

Ve srovnání s jinými typy dobíjecích článků nabízejí Ni-Cd baterie dobrý životní cyklus a výkon při nízkých teplotách se spravedlivou kapacitou, ale jejich nejvýznamnější výhodou bude schopnost dodávat plnou jmenovitou kapacitu při vysokých rychlostech vybíjení. Jsou k dispozici v různých velikostech, včetně velikostí použitých pro alkalické baterie, AAA až D. Ni-Cd články se používají jednotlivě nebo jsou sestaveny v balení dvou nebo více článků. Malé sady se používají v přenosných zařízeních, elektronice a hračkách, zatímco ty větší nacházejí uplatnění v počátečních bateriích letadel, elektrických vozidlech a záložním zdroji napájení.

Některé vlastnosti nikl-kadmiových baterií jsou uvedeny níže.

Specifická energie: 40-60 W-h / kg
Hustota energie: 50-150 Wh / L
Specifický výkon: 150 W / kg
Účinnost nabíjení / vybíjení: 70-90%
Míra samovybíjení: 10% / měsíc
Životnost / životnost cyklu: 2 000 cyklů

2. Nikl-metal hydridové baterie

Hydrid kovu niklu (Ni-MH) je dalším typem chemické konfigurace používané pro dobíjecí baterie. Chemická reakce na kladné elektrodě baterií je podobná jako u nikl-kadmiového článku (NiCd), přičemž oba typy baterií používají stejný hydroxid nikelnatý (NiOOH). Negativní elektrody v nikl-hydridu kovu však místo slitiny kadmia používají slitinu absorbující vodík, která se používá v NiCd bateriích

Baterie NiMH nacházejí uplatnění v zařízeních s vysokým odběrem kvůli své vysoké kapacitě a hustotě energie. Baterie NiMH může mít dvakrát až třikrát větší kapacitu než NiCd baterie stejné velikosti a její hustota energie se může blížit lithium-iontové baterii. Na rozdíl od chemie NiCd nejsou baterie založené na chemii NiMH citlivé na „paměťový“ efekt, který NiCad zažívá.

Níže jsou uvedeny některé z vlastností baterií založených na chemii nikl-metal hydridů;

Specifická energie: 60–120 h / kg
Hustota energie: 140-300 Wh / L
Specifický výkon: 250-1000 W / kg
Účinnost nabíjení / vybíjení: 66% - 92%
Rychlost samovybíjení: 1,3 - 2,9% / měsíc při 20 ^° C
Životnost / životnost cyklu: 180-2000

3. Lithium-iontové baterie

Lithium-iontové baterie jsou jedním z nejpopulárnějších typů dobíjecích baterií. Existuje mnoho různých typů lithiových baterií, ale ze všech jsou nejčastěji používány lithium-iontové baterie. Tyto lithiové baterie najdete v různých formách populárně mezi elektrickými vozidly a jinými přenosnými gadgety. Pokud vás zajímá více informací o bateriích používaných v elektrických vozidlech, můžete si přečíst tento článek o bateriích pro elektrická vozidla. Vyskytují se v různých přenosných zařízeních, včetně mobilních telefonů, inteligentních zařízení a několika dalších domácích bateriových zařízení. Díky své lehké povaze také nacházejí použití v leteckém a vojenském průmyslu.

Lithium-iontové baterie jsou typem dobíjecí baterie, ve které lithiové ionty ze záporné elektrody migrují během vybíjení na kladnou elektrodu a při nabíjení baterie migrují zpět na zápornou elektrodu. Li-ion baterie používají jako jeden elektrodový materiál interkalovanou lithiovou sloučeninu ve srovnání s kovovým lithiem používaným v nenabíjecích lithiových bateriích.

Lithium-iontové baterie mají obecně vysokou hustotu energie, malý nebo žádný paměťový efekt a nízké samovybíjení ve srovnání s jinými typy baterií. Jejich chemie spolu s výkonem a náklady se liší v různých případech použití, například lithium-iontové baterie používané v ručních elektronických zařízeních jsou obvykle založeny na oxidu kobaltu lithia (LiCoO ₂), který poskytuje vysokou hustotu energie a nízká bezpečnostní rizika při poškození, zatímco Li-ion baterie na bázi fosforečnanu lithného, které nabízejí nižší hustotu energie, jsou bezpečnější kvůli snížené pravděpodobnosti, že dojde k nešťastným událostem, jsou široce používány při napájení elektrického nářadí a lékařského vybavení. Lithium-iontové baterie nabízejí nejlepší poměr výkonu a hmotnosti, zatímco lithium-sirné baterie nabízejí nejvyšší poměr.

Některé z atributů lithium-iontových baterií jsou uvedeny níže;

Specifická energie: 100: 265 W-h / kg
Hustota energie: 250: 693 Wh / L
Specifický výkon: 250: 340 W / kg
Procento nabití / vybití: 80-90%
Trvanlivost cyklu: 400: 1200 cyklů
Jmenovité napětí článku: NMC 3,6 / 3,85V

4. Olověné baterie

Olověné baterie jsou levným spolehlivým výkonným tahounem používaným v těžkých aplikacích. Obvykle jsou velmi velké a vzhledem ke své hmotnosti se vždy používají v nepřenosných aplikacích, jako je skladování energie solárních panelů, zapalování vozidel a světla, záložní napájení a vyrovnávání zátěže při výrobě / distribuci energie. Olověná kyselina je nejstarší typ dobíjecí baterie a v dnešním světě je stále velmi důležitá a důležitá. Olověné baterie mají velmi nízké poměry energie k objemu a energie k hmotnosti, ale mají relativně velký poměr výkonu k hmotnosti a v důsledku toho mohou v případě potřeby dodávat obrovské nárazové proudy. Tyto atributy spolu s nízkou cenou činí tyto baterie atraktivní pro použití v několika silnoproudých aplikacích, jako je napájení startovacích motorů automobilů a pro skladování v záložních zdrojích napájení.Můžete se také podívat na článek o fungování olověných baterií, pokud se chcete dozvědět více o různých typech olověných baterií, jejich konstrukci a aplikacích.

Každá z těchto baterií má svou nejlépe vyhovující oblast a obrázek níže má pomoci při výběru mezi nimi.

Výběr správné baterie pro vaši aplikaci

Jedním z hlavních problémů, které brání technologickým revolucím, jako je IoT, je napájení, výdrž baterie ovlivňuje úspěšné nasazení zařízení, která vyžadují dlouhou výdrž baterie, a přestože je přijato několik technik správy napájení, aby baterie vydržela déle, musí být stále vybrána kompatibilní baterie k dosažení požadovaného výsledku.

Níže uvádíme několik faktorů, které je třeba vzít v úvahu při výběru správného typu baterie pro váš projekt.

1. Hustota energie: Hustota energie je celkové množství energie, které lze uložit na jednotku hmotnosti nebo objemu. To určuje, jak dlouho zůstane vaše zařízení zapnuté, než bude třeba jej nabít.

2. Hustota výkonu: Maximální rychlost výboje energie na jednotku hmotnosti nebo objemu. Nízká spotřeba: notebook, i-pod. Vysoký výkon: elektrické nářadí.

3. Bezpečnost: Je důležité vzít v úvahu teplotu, při které bude zařízení, které budujete, fungovat. Při vysokých teplotách se některé součásti baterie rozpadnou a mohou podléhat exotermickým reakcím. Vysoké teploty obecně snižují výkon většiny baterií.

4. Životnost životního cyklu: Stabilita hustoty energie a hustoty energie baterie s opakovaným cyklováním (nabíjení a vybíjení) je nutná pro dlouhou životnost baterie požadovanou většinou aplikací.

5. Náklady: Náklady jsou důležitou součástí veškerých technických rozhodnutí, která budete dělat. Je důležité, aby náklady na výběr baterie byly přiměřené jejímu výkonu a nezvyšovaly abnormálně celkové náklady na projekt.