- Konstrukce olověné baterie
- Práce s kyselinou olověnou
- Nabíjení olověných baterií
- Vybíjení olověné baterie
- Rizikový faktor a elektrická hodnocení
- Pravidla údržby olověných baterií
Téměř každé přenosné a ruční zařízení obsahuje baterii. Baterie je paměťové zařízení, kde se ukládá energie, která poskytuje energii, kdykoli je potřeba. V tomto moderním světě elektroniky jsou k dispozici různé typy baterií, mezi nimi se běžně používá olověná baterie pro vysoké napájení. Olověné baterie mají obvykle větší rozměry s tvrdou a těžkou konstrukcí, mohou ukládat vysoké množství energie a obvykle se používají v automobilech a střídačích.
I po konkurenci s lithium-iontovými bateriemi se olověné baterie každým dnem zvyšují, protože jsou levnější a snadno ovladatelné ve srovnání s lithium-iontovými bateriemi. Podle některých průzkumů trhu se předpokládá, že indický trh s olověnými bateriemi poroste v letech 2018-24 na CAGR o více než 9%. Má tedy obrovskou tržní poptávku v oblasti automatizace, automobilového průmyslu a spotřební elektroniky. Většina elektrických vozidel je sice dodávána s lithium-iontovými bateriemi, ale stále existuje mnoho elektrických jednostopých vozidel, která k napájení vozidla používají baterie s kyselinou olovnatou.
V předchozím tutoriálu jsme se dozvěděli o lithium-iontových bateriích, zde porozumíme fungování , konstrukci a aplikacím olověných baterií. Dozvíme se také o hodnocení nabíjení / vybíjení, požadavcích a bezpečnosti olověných baterií.
Konstrukce olověné baterie
Co je olověná baterie? Pokud rozbijeme název olověná baterie, dostaneme olovo, kyselinu a baterii. Olovo je chemický prvek (symbol je Pb a atomové číslo je 82). Je to měkký a tvárný prvek. Víme, co je kyselina; když reaguje, může darovat proton nebo přijmout elektronový pár. Baterie, která se skládá z olova a bezvodé kyseliny olovnaté (někdy nesprávně nazývané jako peroxid olova), se tedy nazývá olověná baterie.
A teď, co je vnitřní konstrukce?
Olověná baterie se skládá z následujících věcí, můžeme ji vidět na následujícím obrázku:
Olověná baterie se skládá z desek, oddělovače a elektrolytu z tvrdého plastu s pouzdrem z tvrdé gumy.
V bateriích jsou destičky dvou typů, pozitivní a negativní. Pozitivní se skládá z oxidu olovnatého a negativní z houby olova. Tyto dvě desky jsou odděleny pomocí separátoru, kterým je izolační materiál. Tato celková konstrukce je uložena v pouzdře z tvrdého plastu s elektrolytem. Elektrolyt je voda a kyselina sírová.
Tvrdé plastové pouzdro je jedna buňka. Obchod s jednou buňkou obvykle 2,1 V. Z tohoto důvodu se 12V olověná baterie skládá ze 6 článků a poskytuje 6 x 2,1 V / článek = 12,6 V.
A teď, co je skladovací kapacita náboje?
Je vysoce závislý na aktivním materiálu (množství elektrolytu) a velikosti desky. Možná jste viděli, že kapacita lithiové baterie je popsána v mAh nebo v miliampérhodinách, ale v případě olověné baterie je to Amp hodina. Popíšeme to v další části.
Práce s kyselinou olověnou
Práce olověné baterie je především o chemii a je velmi zajímavé o ní vědět. Při nabíjení a vybíjení olověných baterií dochází k obrovskému chemickému procesu. Když se kyselina rozpustí, zředěné molekuly kyseliny sírové H 2 SO 4 se rozpadnou na dvě části. Vytvoří kladné ionty 2H + a záporné ionty SO 4 -. Jak jsme řekli dříve, dvě elektrody jsou spojeny jako desky, anoda a katoda. Anoda zachycuje záporné ionty a katoda přitahuje kladné ionty. Tato vazba v anodě a SO 4 - a katodě s 2H + vyměňuje elektrony a která dále reaguje s H2O nebo s vodou (zředěná kyselina sírová, kyselina sírová + voda).
Baterie má dva stavy chemické reakce, nabíjení a vybíjení.
Nabíjení olověných baterií
Jak víme, k nabíjení baterie je třeba poskytnout napětí větší než napětí svorky. K nabíjení baterie 12,6 V lze tedy použít 13 V.
Ale co se vlastně stane, když nabíjíme olověnou baterii?
Stejné chemické reakce, které jsme popsali dříve. Konkrétně, když je baterie spojena s nabíječkou, molekuly kyseliny sírové rozdělit na dva ionty, kladné ionty 2H + a záporné ionty SO 4 -. Směnné vodík elektrony s katodou a získání vodíku, tento vodíku reaguje s PbSO 4 v katodě a tvoří s kyselinou sírovou (H 2 SO 4) a olova (Pb). Na druhou stranu, SO 4 - vyměňte elektrony s anodou a staňte se radikálem SO 4. Tento SO 4 reaguje s PbSO 4 anody a vytváří peroxid olova PbO 2 a kyselinu sírovou (H 2 SO 4). Energie se ukládá zvyšováním gravitace kyseliny sírové a zvyšováním potenciálního napětí článku.
Jak je vysvětleno výše, následující chemické reakce probíhají na anodě a katodě během procesu nabíjení.
Na katodě
PbSO 4 + 2e - => Pb + SO 4 2-
Na anodě
PbSO 4 + 2H 2 O => PbO 2 + SO 4 2- + 4H - + 2e -
Kombinace výše dvou rovnic bude celkovou chemickou reakcí
2PbSO 4 + 2 H 2 O => PbO 2 + Pb + 2 H 2 SO 4
K nabíjení olověného akumulátoru lze použít různé způsoby. Každá metoda může být použita pro konkrétní olověnou baterii pro specifické aplikace. Některé aplikace používají metodu nabíjení konstantním napětím, jiné používají metodu konstantního proudu, zatímco v některých případech je užitečné i polechtání. Výrobce baterií obvykle poskytuje správnou metodu nabíjení konkrétních olověných baterií. Nabíjení konstantním proudem se při nabíjení olověnými bateriemi obvykle nepoužívá.
Nejběžnější metodou nabíjení používanou v olověných bateriích je metoda nabíjení konstantním napětím, což je efektivní proces z hlediska doby nabíjení. V cyklu plného nabití zůstává nabíjecí napětí konstantní a proud se postupně zvyšuje se zvyšováním úrovně nabití baterie.
Vybíjení olověné baterie
Vybíjení olověné baterie je opět spojeno s chemickými reakcemi. Kyselina sírová je ve zředěné formě s typickým poměrem 3: 1 s vodou a kyselinou sírovou. Jsou-li zatížení spojeny přes talíře, kyseliny sírové znovu dostane do kladných iontů 2H + a záporné ionty SO 4. Vodíkové ionty reagují s PbO 2 a aby PbO a vody H 2 O. PbO začnou reagovat s H 2 SO 4 a vytváří PbSO 4 a H 2 O.
Na druhou stranu, aby 4 - ionty vyměňovat elektrony z Pb, vytváří zbytek SO 4, který dále vytváří PbSO 4 se nechá reagovat s Pb.
Jak je vysvětleno výše, následující chemické reakce probíhají na anodě a katodě během procesu vybíjení. Tyto reakce jsou přesně opačné než nabíjecí reakce:
Na katodě
Pb + SO 4 2- => PbSO 4 + 2e -
Na anodě:
PbO 2 + SO 4 2 + 4H - + 2e - => PbSO 4 + 2 H 2 O
Kombinace výše dvou rovnic bude celkovou chemickou reakcí
PbO 2 + Pb + 2 H 2 SO 4 => 2PbSO 4 + 2 H 2 O
Díky výměně elektronů mezi anodou a katodou je ovlivněna rovnováha elektronů mezi deskami. Elektrony poté protékají zátěží a baterie se vybije.
Během tohoto vypouštění klesá gravitace zředěné kyseliny sírové. Zároveň se snižuje potenciální rozdíl buňky.
Rizikový faktor a elektrická hodnocení
Olověná baterie je škodlivá, pokud není bezpečně udržována. Protože baterie během chemického procesu generuje plynný vodík, je vysoce nebezpečná, pokud není používána ve větraném prostoru. Nepřesné nabíjení také vážně poškozuje baterii.
Jaká jsou standardní hodnocení olověných baterií?
Každá olověná baterie je vybavena datovým listem pro standardní nabíjecí proud a vybíjecí proud. Typicky 12V olověná baterie, která je použitelná pro automobilové aplikace, se může pohybovat v rozmezí od 100 Ah do 350 Ah. Toto hodnocení je definováno jako stupeň vybití s časovým obdobím 8 hodin.
Například 160Ah baterie by mohla poskytnout 20A napájecího proudu do zátěže po dobu 8 hodin rozpětí. Můžeme čerpat více proudu, ale nedoporučuje se to. Odběrem více proudu, než je maximální vybíjecí proud po dobu 8 hodin, se poškodí účinnost baterie a může se také změnit vnitřní odpor baterie, což dále zvyšuje teplotu baterie.
Na druhou stranu, během fáze nabíjení bychom měli dávat pozor na polaritu nabíječky, měla by být správně propojena s polaritou baterie. Opačná polarita je nebezpečná pro nabíjení olověného akumulátoru. Hotová nabíječka je dodávána s měřičem nabíjecího napětí a nabíjecího proudu s možností ovládání. Abychom baterii nabili, měli bychom poskytnout větší napětí než napětí baterie. Maximální nabíjecí proud by měl být stejný jako maximální napájecí proud při 8 hodinách vybíjení. Vezmeme-li stejný příklad 12V 160Ah, pak maximální napájecí proud je 20A, takže maximální bezpečný nabíjecí proud je 20A.
Neměli bychom zvyšovat ani poskytovat velký nabíjecí proud, protože to bude mít za následek teplo a zvýšenou tvorbu plynu.
Pravidla údržby olověných baterií
- Zalévání je nejvíce zanedbávanou funkcí údržby zaplavených olověných baterií. Jelikož přebíjení snižuje vodu, musíme to často kontrolovat. Méně vody vytváří oxidaci v deskách a snižuje životnost baterie. V případě potřeby přidejte destilovanou nebo ionizovanou vodu.
- Zkontrolujte ventilační otvory, musí být zdokonaleny gumovými čepičkami, často se gumové čepičky lepí s otvory příliš těsně.
- Olověné baterie po každém použití dobijte. Dlouhá doba bez dobíjení zajišťuje sulfataci desek.
- Chraňte baterii a nenabíjejte ji o více než 49 stupňů Celsia. Ve studeném prostředí je nutné baterie plně nabít, protože zcela nabité baterie jsou bezpečnější než prázdné baterie, pokud jde o zamrznutí.
- Nevybíjejte baterii hlouběji než 1,7 V na článek.
- Pro skladování olověné baterie je nutné ji zcela nabít a poté vypustit elektrolyt. Poté baterie vyschne a lze ji dlouhodobě skladovat.