Kuinka akut toimivat ja toimivat

Tekniikan sanan laajimmassa merkityksessä termi "akku" viittaa laitteeseen, joka sallii tietyissä käyttöolosuhteissa kerätä tietyntyyppistä energiaa ja toisissa käyttää sitä ihmisten tarpeisiin.

Niitä käytetään silloin, kun on tarpeen kerätä energiaa tietyn ajan ja käyttää sitä sitten suurten työvaltaisten prosessien suorittamiseen. Esimerkiksi sulkuissa käytettävät hydrauliakut mahdollistavat laivojen nousemisen uudelle tasolle joenuomalla.

Sähköakut toimivat sähkön kanssa samalla periaatteella: ensin ne keräävät (keräävät) sähköä ulkoisesta latauslähteestä ja antavat sen sitten kytkettyjen kuluttajien tehtäväksi. Luonteeltaan ne kuuluvat kemiallisiin virtalähteisiin, jotka pystyvät suorittamaan säännöllisiä purkaus- ja latausjaksoja toistuvasti.

Käytön aikana elektrodilevyjen komponenttien välillä tapahtuu jatkuvasti kemiallisia reaktioita niiden täyteaineen - elektrolyytin - kanssa.

Kaavakuva akkulaitteesta voidaan esittää yksinkertaistetulla piirroksella, kun kaksi eri metallista olevaa levyä johdoilla työnnetään aluksen runkoon sähköisten kontaktien aikaansaamiseksi. Levyjen väliin kaadetaan elektrolyyttiä.

Akun toiminta, kun se on tyhjä

Kun kuorma, kuten hehkulamppu, kytketään elektrodeihin, syntyy suljettu sähköpiiri, jonka läpi purkausvirta kulkee. Se muodostuu elektronien liikkeestä metalliosissa ja anioneista elektrolyytissä olevien kationien kanssa.

Tämä prosessi on perinteisesti esitetty kaaviossa, jossa on nikkeli-kadmium-elektrodi.

Tässä positiivisen elektrodin materiaalina käytetään nikkelioksideja, joissa on grafiittilisäaineita, jotka lisäävät sähkönjohtavuutta. Negatiivisen elektrodin metalli on sienimäinen kadmium.

Purkauksen aikana nikkelioksidien aktiiviset happihiukkaset vapautuvat elektrolyyttiin ja ohjataan negatiivisille levyille, joissa kadmium hapettuu.

Akun suorituskyky latauksen aikana

Kun kuorma on katkaistu, levyn napoihin syötetään vakio (tietyissä tilanteissa sykkivä) jännite, joka on suurempi kuin ladatun akun, jolla on sama napaisuus, kun lähteen ja kuluttajan plus- ja miinusnavat osuvat yhteen. .

Laturissa on aina enemmän tehoa, mikä "vaimentaa" akun jäännösenergian ja synnyttää sähkövirran purkaussuuntaan vastakkaiseen suuntaan. Tämän seurauksena sisäiset kemialliset prosessit elektrodien ja elektrolyytin välillä muuttuvat. Esimerkiksi nikkeli-kadmiumlevyjen laatikossa positiivinen elektrodi on rikastettu hapella ja negatiivinen - puhtaan kadmiumin tilaan.

Kun akku tyhjenee ja latautuu, levyjen (elektrodien) materiaalin kemiallinen koostumus muuttuu, mutta elektrolyytti ei muutu.

Akun kytkentätavat

Rinnakkaisliitäntä

Ihmisen kestämän purkausvirran määrä riippuu monista tekijöistä, mutta ennen kaikkea suunnittelusta, käytetyistä materiaaleista ja niiden mitoista. Mitä suurempi levyjen pinta-ala elektrodien kohdalla, sitä suurempaa virtaa ne kestävät.

Tätä periaatetta käytetään kytkemään samantyyppiset kennot rinnan akkuihin, kun on tarpeen lisätä virtaa kuormaan. Mutta tällaisen rakenteen lataamiseksi on tarpeen lisätä lähteen tehoa. Tätä menetelmää käytetään harvoin valmiissa rakenteissa, koska nyt on paljon helpompaa ostaa tarvittava akku välittömästi. Mutta happoakkujen valmistajat käyttävät sitä yhdistämällä eri levyt yksittäisiksi lohkoiksi.

Sarjaliitäntä

Käytetyistä materiaaleista riippuen jokapäiväisessä elämässä yleisten akkujen kahden elektrodilevyn väliin voidaan muodostaa 1,2 / 1,5 tai 2,0 voltin jännite. (Itse asiassa tämä alue on paljon laajempi.) Ilmeisesti se ei riitä moniin sähkölaitteisiin. Siksi samantyyppiset akut kytketään sarjaan, ja tämä tehdään usein yhdessä tapauksessa.

Esimerkki tällaisesta suunnittelusta on rikkihappo- ja lyijyelektrodilevyihin perustuva laajalle levinnyt autoalan kehitys.

Yleensä ihmisten keskuudessa, erityisesti kuljettajien keskuudessa, on tapana kutsua mitä tahansa laitetta akuksi riippumatta sen rakenneosien - laatikoiden - lukumäärästä. Tämä ei kuitenkaan pidä täysin paikkaansa.Useista sarjaan kytketyistä laatikoista koottu rakenne on jo akku, johon on kiinnitetty lyhennetty nimi «АКБ»... Sen sisäinen rakenne on esitetty kuvassa.

Jokainen purkki koostuu kahdesta lohkosta, joissa on levysarja positiivisia ja negatiivisia elektrodeja varten. Lohkot sopivat toisiinsa ilman metallikosketusta mahdollistaen luotettavan galvaanisen yhteyden elektrolyytin kautta.

Tässä tapauksessa kosketinlevyissä on lisäristikko ja ne erotetaan toisistaan ​​erotuslevyllä.

Levyjen yhdistäminen lohkoihin lisää niiden työskentelyaluetta, vähentää koko rakenteen kokonaisvastusta ja mahdollistaa kytketyn kuorman tehon lisäämisen.

Laatikon ulkopuolella tällaisessa akussa on alla olevan kuvan mukaiset elementit.

Se osoittaa, että tukeva muovikotelo on sinetöity kannella ja varustettu kahdella (yleensä kartion muotoisella) liittimellä ylhäällä liittämistä varten auton sähköpiiriin. Napaisuusmerkinnät on leimattu niiden liittimiin: «+» ja «-«. Yleensä positiivisen navan halkaisija on hieman suurempi kuin negatiivinen kytkentävirheiden estämiseksi.

Huollettavissa akuissa on täyttöaukko jokaisen purkin päällä elektrolyyttitason säätämiseksi tai tislatun veden lisäämiseksi käytön aikana. Siihen on ruuvattu tulppa, joka suojaa kotelon sisäisiä onteloita lialta ja samalla estää elektrolyytin läikkymisen akkua kallistettaessa.

Koska voimakkaalla latauksella kaasutus elektrolyytistä on mahdollista (ja tämä prosessi on mahdollista intensiivisen ajon aikana), tulppaan tehdään reikiä estämään laatikon sisällä olevan paineen nousu.Happi ja vety sekä elektrolyyttihöyryt poistuvat niiden läpi. On suositeltavaa välttää sellaisia ​​tilanteita, joihin liittyy liiallisia latausvirtoja.

Samassa kuvassa on esitetty elementtien kytkentä rippien välillä ja elektrodilevyjen järjestely.

Auton käynnistysakkut (lyijyhappo) toimivat kaksoissulfaation periaatteella. Purkauksen / latauksen aikana niissä tapahtuu sähkökemiallinen prosessi, johon liittyy muutos elektrodien aktiivisen massan kemiallisessa koostumuksessa, jolloin elektrolyytissä (rikkihappo) vapautuu / imeytyy vettä.

Tämä selittää elektrolyytin ominaispainon lisääntymisen latauksen aikana ja pienenemisen, kun akku tyhjenee. Toisin sanoen tiheysarvon avulla voit arvioida akun sähköistä tilaa. Sen mittaamiseen käytetään erityistä laitetta - auton hydrometriä.

Tislattu vesi, joka on osa happoakkujen elektrolyyttiä, muuttuu negatiivisessa lämpötilassa kiinteäksi - jääksi, joten autojen akkujen jäätymisen estämiseksi kylmällä säällä on tarpeen soveltaa säännöissä säädettyjä erityistoimenpiteitä hyväksikäyttöä varten.

Minkä tyyppisiä paristoja on olemassa?

Nykyaikainen tuotanto eri tarkoituksiin tuottaa yli kolme tusinaa tuotetta, joissa on erilainen elektrodi- ja elektrolyyttikoostumus. 12 tunnettua mallia toimivat vain litiumilla.

Seuraavat voidaan löytää elektrodimetallina:

• johtaa;

• rauta;

• litium;

• titaani;

• koboltti;

• kadmium;

• nikkeli;

• sinkki;

• hopea;

• vanadiini;

• alumiini

• joitain muita kohteita.

Ne vaikuttavat sähkön lähtöominaisuuksiin ja siten sovellukseen.

Kyky kestää lyhytaikaisia ​​suuria kuormituksia, jotka johtuvat polttomoottoreiden kampiakselien pyörittämisestä sähköisillä käynnistysmoottoreilla, on ominaista lyijyakuille. Niitä käytetään laajalti kuljetuksissa, keskeytymättömissä virtalähteissä ja hätävirtajärjestelmissä.

Vakio galvaaniset kennot (tavalliset akut) korvataan yleensä nikkeli-kadmium-, nikkeli-sinkki- ja nikkeli-metallihydridiakuilla.

Mutta litiumioni- tai litiumpolymeerimallit toimivat luotettavasti mobiili- ja tietokonelaitteissa, rakennustyökaluissa ja jopa sähköajoneuvoissa.

Käytetyn elektrolyytin tyypin mukaan akut ovat:

• hapan

• emäksinen.

Akut luokitellaan käyttötarkoituksen mukaan. Esimerkiksi nykyaikaisissa olosuhteissa on ilmestynyt laitteita, joita käytetään energian siirtoon - muiden lähteiden lataamiseen. Ns. ulkoinen akku auttaa monien mobiililaitteiden omistajia vaihtosähköverkon puuttuessa. Se pystyy lataamaan toistuvasti tabletin, älypuhelimen, matkapuhelimen.

Kaikilla näillä akuilla on sama toimintaperiaate ja samanlainen laite. Esimerkiksi alla olevassa kuvassa näkyvä litiumionisormimalli toistaa monella tapaa aiemmin käsiteltyä happoakkujen mallia.

Tässä näemme samat kontaktielektrodit, levyt, erottimen ja kotelon. Vain ne on tehty ottaen huomioon muut työolosuhteet.

Akun sähköiset perusominaisuudet

Laitteen toimintaan vaikuttavat parametrit:

• kapasiteetti;

• energiatiheys;

• itsepurkaus;

• lämpötilajärjestelmä.

Kapasiteettia kutsutaan akun maksimilataukseksi, jonka se pystyy purkamaan alimpaan jännitteeseen. Se ilmaistaan ​​riipuksina (SI-järjestelmä) ja ampeeritunteina (ei-järjestelmäyksikkö).

Eräänä kapasiteetin tyyppinä on "energiakapasiteetti", joka määrittää purkauksen aikana vapautuvan energian pienimpään sallittuun jännitteeseen. Se mitataan jouleina (SI) ja wattitunteina (ei-SI-yksiköt).

Energiatiheys ilmaistaan ​​energian määrän ja akun painon tai tilavuuden suhteena.

Itsepurkautumisessa otetaan huomioon kapasiteetin menetys latauksen jälkeen, jos liittimissä ei ole kuormitusta. Tämä riippuu rakenteesta, ja sitä pahentavat elektrodien väliset eristysvauriot monista syistä.

Käyttölämpötila vaikuttaa sähköisiin ominaisuuksiin ja vakavat poikkeamat valmistajan ilmoittamasta normista voivat vaurioittaa akkua. Lämpöä ja kylmää ei voida hyväksyä, ne vaikuttavat kemiallisten reaktioiden kulumiseen ja ympäristön paineeseen laatikon sisällä.