Как устроены и работают аккумуляторы

Содержание

Типы источников тока

АКБ различаются по своему предназначению, характеристикам, тому как устроен аккумулятор и материалам, используемым при их изготовлении. На сегодняшний день в мире производится более трёх десятков типов различных аккумуляторов, основное различие между которыми заключается в химическом составе электродов, а также используемым видом электролита. Так, к примеру, в группу литий-ионных аккумуляторов входит двенадцать различных моделей. Наиболее популярными из всех производимых являются следующие типы:

свинцово-кислотные;
литиевые;
никель-кадмиевые.

Рекомендуем: Выбор аккумуляторной батареи для ноутбука Packard Bell

На них приходится значительная часть рынка элементов питания. Для лучшего представления о том, из каких материалов могут изготавливаться современные аккумуляторы стоит привести их полный список:

железо;
свинец;
титан;
литий;
кадмий;
кобальт;
никель;
цинк;
ванадий;
серебро;
алюминий;
целый ряд прочих металлов, которые, правда, используются крайне редко.

Применение при производстве различных материалов оказывает значительное влияние на итоговые эксплуатационные показатели и, как следствие, на область возможного использования. Например, литий-ионные АКБ часто устанавливаются в мобильные компьютеры и другие гаджеты.

Как работает зарядное устройство аккумуляторов мобильных устройств

Сейчас все дорогие электронные устройства снабжаются собственными приборами питания и зарядки.

Для восстановления рабочих характеристик аккумуляторов, используемых индивидуально, выпускаются отдельные зарядные устройства. К ним прилагаются инструкции и таблицы с указанием рекомендованной продолжительности технологического цикла.

Такие модели обычно выдают стабилизированное напряжение на клеммы аккумулятора, у которого при зарядке постепенно меняется электрическое сопротивление, влияющее на величину протекающего тока. Поэтому подобные рекомендации носят усредненный характер.

Формы токов, создаваемые зарядными устройствами

Для зарядки аккумуляторов могут использоваться не только постоянные токи, но и многих других видов, которые решают специфические задачи.

Чтобы обеспечить их протекание создают различные электронные схемы, которые выдают на клеммы аккумулятора напряжение соответствующего вида.

Схема создания постоянных токов

За счет трансформатора понижается напряжение. Его гармоника выпрямляется диодным мостом и пульсации сглаживаются конденсатором высокой емкости.

На выход в аккумулятор поступают токи постоянной величины.

Схема создания пульсирующих токов

Удалив из предыдущей цепочки конденсатор получаем пульсации напряжения на клеммах аккумулятора, которые формируют токи аналогичной формы.

Сервисные зарядные устройства

За счет усложнения внутренней электрической схемы создаются различные дополнительные функции для зарядных устройств.

Химические процессы на положительном и отрицательном электроде

Современные модели литий ионных АКБ содержат электрод из материала, в состав которого входит углерод. Природа этого материала и компоненты электролита влияют на процессы интеркаляции ионов лития в углерод. Матрица анода является слоистой. Она может быть, как частично, так и полностью упорядоченной

Во время протекания интеркаляции ионы от лития как бы раздвигают пласты углерода и встраиваются между ними. При внедрении и изъятии ионов объем матрицы не меняется. Положительный электрод выполняется из оксида никеля или кобальта. Также используются шпинели из лития и марганца.

Во время заряда происходят реакции, которые описываются следующими уравнениями:

на положительном электроде;

на отрицательном электроде.

Принцип действия разряда описывается обратными уравнениями.

Основные характеристики

Выше были рассмотрены материалы, применяющиеся при изготовлении перезаряжаемых элементов питания, основные принципы их работы и способы соединения. Теперь можно перейти к их эксплуатационным качествам. Важнейшими эксплуатационными характеристиками являются:

Плотность энергии АКБ. Этот показатель равен отношению полного количества электроэнергии, которую аккумулятор способен отдать, к его массе или объёму.
Ёмкостью называют максимальный отдаваемый аккумулятором заряд во течение цикла разрядки, до достижения минимального значения напряжения на клеммах. В метрической системе такая величина выражается в кулонах (Кл), но в повседневной жизни гораздо чаще применяется внесистемная единица ампер-час (Ah) или, для слабых элементов питания миллиампер-час. Также в некоторых случаях может использоваться показатель, называемый энергетической ёмкостью. Он выражается в джоулях (система СИ) или в ватт-часах. Ёмкость показывает прибор какой мощности и в течение какого времени может питаться от конкретной АКБ.
Температурный режим — диапазон значений температуры окружающей среды, в котором производитель рекомендует использование этого аккумулятора. При значительном отклонении от рекомендуемого изготовителем диапазона эксплуатационных температур, сильно возрастает вероятность того, что источник питания придёт в негодность. Это можно объяснить влиянием пониженных и повышенных температур на скорость течения химических реакций, а также на изменение давления внутри батареи.
Саморазрядом АКБ называют потерю заряда, происходящую в заряженной батарее, при условии отсутствия нагрузки, подключённой к контактам. Величина этого показателя определяется, в основном, конструкцией батареи. Она может со временем возрастать из-за нарушения изоляции межу электродами по целому ряду причин.

Емкость свинцового АКБ

Это один из основных параметров АКБ. Определяет электроэнергию, которою возможно получить от максимально заряженной батареи, разряжая ее до напряжения, определенного изготовителем.

Показатели емкости выражаются произведением количества тока (в амперах) на временной интервал в часах. Номинально, автомобильная АКБ емкостью 60 Ah должна в течение часа разряжаться током в 60A при напряжении 12v.

Можно предположить, что при изменении силы тока длительность функционирования изменится пропорционально. То есть при токе в 120A время работы составит порядка 30 мин. Что не соответствует действительности, так как сила тока при разряде напрямую влияет на емкость свинцово кислотных аккумуляторов. Например, при стартерных нагрузках в 255A емкость уменьшается более чем в два раза и для батареи в 60 Ah составит всего 25Ah. Что касается малых токов (2,75A), здесь будет наблюдаться незначительный прирост (примерно +5 Ah).

Помимо силы разрядного тока, емкость свинцово кислотных АКБ зависит от следующих факторов:

Плотность электролита (процентное содержание серной кислоты). Более плотный электролит увеличивает емкость положительных электродов, но несколько снижает у отрицательных (особенно при низких температурах). К тому же ресурс положительных пластин сокращается из-за более интенсивных коррозионных процессов на их поверхности. Плотность электролита должна соответствовать совокупности требований, для которых создавалась конкретная батарея. Например, для автомобильных АКБ, работающих в условиях умеренного климата, оптимальной считается плотность 1,26–1,28 г/см3.
Пористость рабочей поверхности пластин. Повышенная пористость позволяет увеличить фактическую площадь электрода, участвующую в электрохимической реакции и, как следствие – повысить емкость. Однако у этого показателя тоже есть свои ограничения (46% — 60%), так как чрезмерная пористость ускоряет деструкцию покрытия, что приводит к преждевременному выходу батареи из строя.
Толщина пластин электрода. Более толстые электроды положительно влияют на емкость только при низких разрядных токах. При стартерных нагрузках внутренние элементы активной массы пластин не успевают среагировать с электролитом. Это в значительной степени уменьшает разницу между батареями с различной толщиной электрода и одинаковой активной площадью.

Правила эксплуатации

Герметичные аккумуляторные батареи следует поддерживать в чистоте, следить, чтобы они были заряжены. При этом они могут длительно хранится полуразряженными или разряженными. В сравнении с аккумуляторами с другой химией, щелочные лучше переносят отрицательные температуры, и такая характеристика как емкость не меняется.

Зарядка и разрядка

Чтобы правильно зарядить щелочной аккумулятор, нужен постоянный ток. У автомобилистов для таких ситуаций имеется автоматическое ЗУ. Есть три режима зарядки:

Характеристики АКБ при зарядке постоянным током.

стандартный – 7 часов;
ускоренный – 3 часа;
усиленный – 12 часов.

Последний используют только для новых батарей, заряжаемых впервые, или если аккумулятор работает нерегулярно, перезалили электролит, произошел полный разряд.

На малых токах элемент питания заряжается плохо, поэтому параметр не понижают ниже 40 – 50%. Работая с полностью разряженной батареей, следят, чтобы она не перегревалась. «Бурление» электролита начинается при +35°. При превышении критической отметки в +45° ЗУ отключают, и продолжают зарядку после стабилизации температуры.

АКБ на 12 В с щелочным электролитом нельзя заряжать на улице при минусовой температуре. На крайний случай изделие утепляют брезентом, которым обматывают корпус.

При последовательном подсоединении нескольких элементов их размещают на определенной дистанции. Если они будут слишком близко, корпуса начнут вздуваться. В качестве разделителя годятся виниловые пластины или обычная резина.

Как разряжать аккумулятор:

если разряжается 5 часов и дольше, предел напряжения – 1 В;
3 часа – 0.8 В;
1 час – 0.5 В.

Напряжение отслеживают тестировочным прибором.

Хранение и утилизация

Сухие щелочные аккумуляторы хранят с завинченными пробками не дольше двух месяцев. Если АКБ работала сроком до 1 года, снижают ее напряжение до 1 В и сливают электролит. Далее очищают корпус от грязи, солевых отложений, проверяют, насколько туго закручены пробки, чтобы не циркулировал воздух. Те же манипуляции проводят при перевозке.

Условия хранения:

следить за закруткой пробок и состоянием уплотнительных колец из резины;
счищать соль с наружной части корпуса;
если корпус металлический, с него удаляют ржавчину, затем покрывают краской или лаком.

Корпуса из стали обычно покрывают черным лаком на основе битума.

На сроки хранения влияет температура в помещении. В «поле» опустошенные никель-кадмиевые модели хранятся полгода, в помещении – до 5 лет. Никель-железные хранят только в закрытых помещениях, не дольше 3.5 лет. Кроме того, складское место должно быть защищено от снега, дождя, солнца.

Что до утилизации, есть предприятия с технологичными линиями, на которых непригодные аккумуляторы разбирают на отдельные компоненты. «Вторсырье» используют в металлургической промышленности, в том числе и для изготовления новых АКБ. Отслуживший свое источник питания сдают в специализированные фирмы или пункты приема. И при сдаче можно получить небольшой бонус.

Объявление о приеме щелочных аккумуляторов.

Щелочные аккумуляторные батареи – устойчивые и надежные элементы питания, которыми обычно комплектуют тяговую технику и габаритные автотранспортные средства.

Принцип работы свинцово-кислотного АКБ

Это распространенные источники энергии, применяемые для механических транспортных средств. В первую очередь используются для заводки автомобиля и питания всей бортовой электрики.

Как работает аккумулятор? Принцип выглядит следующим образом: в сосуд с серной кислотой помещены свинец и диоксид свинца. В спокойном состоянии процесс не протекает, но как только к электродам подключается нагрузки происходит электрохимический процесс взаимодействия серной кислоты с оксидом свинца, который окисляется до сульфата свинца. Больше 60 химический реакций протекает во время этого процесса. Формула выглядит так:

Особенности зарядки и разрядки

Энергия, используемая для восстановления ёмкости АКБ, поступает из зарядных устройств, подключённых к электрической сети. Чтобы заставить ток протекать внутри элементов, напряжение источника должно быть выше, чем у батареи. Значительное превышение расчётного зарядного напряжения может привести к выходу АКБ из строя.

Алгоритмы зарядки напрямую зависят от того, как устроен аккумулятор и к какому типу он относится. Например, некоторые батареи могут безопасно пополнять свою ёмкость от источников постоянного напряжения. Другие работают только с регулируемым источником тока, способными менять параметры в зависимости от уровня заряда.

Неверно организованный процесс заряда может повредить батарею. В крайних случаях возможно возгорание АКБ или взрыв её содержимого. Существуют интеллектуальные аккумуляторы, оснащённые устройствами контроля напряжения. Основными параметрами, которые следует учитывать при эксплуатации обращаемых гальванических батарей:

Продолжительность жизни. Даже при правильном обращении количество циклов зарядки у АКБ ограничено. Различные системы АКБ изнашиваются не всегда по одинаковым причинам. Но в целом срок жизни аккумуляторов ограничен в первую очередь количеством циклов полного разряда-заряда, а во вторую — проектным сроком службы без привязки к интенсивности использования.
Время заряда. Принципиальное устройство АКБ не предполагает зарядку при сколь угодно высокой скорости: внутреннее сопротивление гальванического элемента приведёт к преобразованию избытка зарядного тока в тепло, что может необратимо повредить устройство. С физической точки зрения, время заряда ограничено максимальной скоростью диффузии активного материала через электролит. Упрощённо можно считать, что восстановление полной ёмкости за один час — хороший показатель.
Глубина разряда. Указывается в процентах от номинальной мощности. Характеризует полезную ёмкость. Для разных типов аккумуляторов рекомендуемый уровень эксплуатационного разряда может отличаться. Из-за изменений в процессе работы или старения показатель максимальной глубины теряет первоначальное значение.

Делаем аккумулятор

А теперь решим вопрос, как сделать аккумуляторную батарею своими руками в домашних условиях. Точнее, пока не батарею, а единичный аккумулятор. Начнём с самой интересной по принципу работы конструкции — газового аккумулятора. Чтобы собрать такой источник тока, нам понадобятся:

два угольных стержня;
активированный уголь;
непрозрачная ёмкость;
хлопковая ткань;
иголка с ниткой;
поваренная соль.

Угольные стержни можно добыть из солевых батареек, причём подойдут и отслужившие свой срок. Активированный уголь продаётся в аптеках в таблетках. В качестве непрозрачной ёмкости подойдёт пластиковый стаканчик, окрашенный или оклеенный непрозрачной бумагой.

В отличие от гальванических элементов, оба электрода в газовых аккумуляторах выполнены из одинаковых материалов и имеют одинаковую конструкцию. Но перейдём к делу. Начнём с добычи электродов. Лучше брать солевые батарейки типоразмера D — там стержни больше. Достать из них графит будет нетрудно. Развальцовываем верхний бортик верхней части батарейки, поддеваем металлическую крышку шилом и снимаем её. Под крышкой пластиковая прокладка. Шилом снимаем и её.

Видим графитовый стержень, воткнутый в чёрную плотную массу. Расковыриваем шилом массу и вынимаем стержень.

Теперь берём два добытых графитовых стержня, тем или иным способом прикрепляем к их концам провода — это будут токовыводы. Шьём из Х/Б ткани два мешочка такого размера, чтобы в них вошло примерно по 80–100 граммов порошкообразного активированного угля.

Настал черёд угля. Продаётся он в виде таблеток, нам он нужен в порошке. Долго и упорно толчём таблетки в ступке, пока не получится очень мелкая пыль. Насыпаем её в мешочки, вставляем угольные стержни, подтрамбовываем, если нужно, подсыпаем. Зашиваем наши мешочки как можно тщательнее и плотно обматываем нитками. Чем лучше обмотаем, тем лучшим будет контакт угля с графитовым стержнем.

Устанавливаем электроды в стаканчик и разделяем их каким-либо сепаратором. На фото ниже в качестве сепаратора использована обычная щепка, но лучше сделать что-то более ионопроницаемое. К примеру, толстый ватин.

Электроды на месте, электролит готов

Заливаем электролит (100 г соли на 1 л воды), но не доверху — контакты должны остаться сухими. Аккумулятор готов, но его ещё нужно зарядить. Поскольку электроды у нас одинаковые, произвольно выбираем, какой будет плюсовым, какой минусовым. Можно приступать к зарядке. Для этого понадобится источник постоянного тока с напряжением 4,5–5 В. Подойдёт, к примеру, зарядное устройство от любого пятивольтового гаджета. Подключаем его к клеммам и начинаем зарядку.

В процессе зарядки начинается электролиз электролита (натрия хлорид + вода). В результате электролиза на одном из электродов накапливается водород, на другом — хлор. Запасается он в порах активированного угля в чистом виде и ни с чем не взаимодействует. Как только «контейнеры» будут заполнены, начнётся бурное выделение газов (аккумулятор «закипит», поскольку водороду и хлору негде больше накапливаться). Напряжение к тому времени на клеммах аккумулятора станет равным 2,2–2,4 В.

При таких габаритах наша перезаряжаемая батарейка будет иметь ёмкость примерно 1 А·ч, а ток короткого замыкания составит примерно 300 мА. По мере разряда напряжение будет снижаться, пока не упадёт до нуля — устройство не боится полного разряда. А при желании его можно даже переполюсовать, зарядив наоборот. Пока мы будем разряжать аккумулятор, газы будут покидать электроды, восстанавливая соль и воду. В чём недостатки газовых аккумуляторов? Основной — большой саморазряд. Даже если нагрузка полностью отключена, электроды будут терять газ, и буквально через пару дней источник снова придётся заряжать.

Теперь о свинцовых аккумуляторах. Хороших показателей от аккумулятора такого типа (как и от щелочного), конечно, добиться можно. Но процесс изготовления свинцовой батареи большой ёмкости настолько затратный и трудоёмкий, что заниматься изготовлением источника тока этого типа не имеет смысла. Поэтому мы не станем возиться с изготовлением свинцового аккумулятора, а просто посмотрим занимательное видео. И если будет желание, каждый сможет повторить этот эксперимент самостоятельно.

Самодельный свинцово-медный аккумулятор

Вроде всё просто, но, как видим, результаты неутешительные. А самому лить пластины, наносить на них оксид и диоксид свинца, как было замечено выше, смысла нет.

Щелочные аккумуляторы и их использование

Аккумуляторы такого типа могут иметь различное наполнение:

никель + железо;никель + кадмий.

В основе таких устройств имеется прямоугольный корпус, сделанный из качественной стали.Внешняя часть батареи для заряда имеет небольшой слой никеля.

Внутри устройства есть отрицательные и положительные пластины, причем положительных пластин на одну единицу больше. Все пластины сделаны из стальных ламелей и по внешнему виду одинаковые. На них нанесен небольшой слой никеля.

Внутри пластин имеется в небольшом объеме активная масса. Все пластины соединены между собой с помощью ребер. В щелочную АКБ электролит может заливаться только через специальное отверстие, имеющее клапан с целью выпуска излишков газов.

Если брать во внимание никель-кадмиевые батареи, то они практически ничем не отличаются от никель-железных автономных источников. Главным отличием считается наличие у них сепараторов, которые находятся между пластинами

Если все части аккумулятора работоспособны, то он будет использоваться достаточно долго. Данные устройства преобразовывают электрическую энергию в химическую. Если на клеммы такого устройства поступает ток, то в результате такого действия может произойти обратный процесс.

Конструкция автомобильного аккумулятора

С точки зрения конструкции АКБ автомобиля представляет собой набор элементов, электрически соединенных друг с другом и закрытых в отдельных ячейках внутри корпуса. Крайние ячейки имеют так называемые «полюсные наконечники». Это выводы в форме усеченных конусов, которые чаще всего имеют одинаковую высоту, но различный диаметр. Впрочем, их размеры не всегда соответствуют заданным параметрам, это необязательное требование для автомобильных АКБ.

Один из выводов аккумулятора имеет положительный знак (+), а другой отрицательный (-). Они используются для подключения аккумулятора к электрической цепи авто. Подключение к машине происходит с помощью проводов, имеющих с одной стороны специальную клемму (зажим). Их нужно просто надеть и зажать на полюсных выводах АКБ.

В конструкции аккумулятора можно выделить несколько основных элементов, из которых он состоит:

Корпус АКБ;
Ячейка;
Сепаратор;
Решетка;
Положительная и отрицательная пластина;
Электролит.

Ниже постараемся кратко описать каждый из них.

Корпус аккумуляторной батареи – это блок, используемый для установки и герметичного размещения в нем пластин. Изготавливают его из кислотостойкого материала, чаще всего полипропилена или эбонита.

Ячейка – это набор соединенных между собой положительных или отрицательных пластин, разделенных сепараторами. Плюсовые и минусовые пластины сгруппированы в отдельные ячейки. Каждое из них вырабатывает напряжение 2,13 вольт.

Наиболее распространенные АКБ, которые используются в машинах, характеризуются напряжением порядка 12 В. Для того, чтобы аккумулятор соответствовал этому требованию, необходимо последовательно подключить определенное количество этих ячеек. Так, например, 3 параллельно соединенных друг с другом элемента будут давать напряжение 6 вольт. При подключении 6 таких ячеек мы получим приблизительное напряжение аккумулятора в 12 В.

Сепаратор – это элемент, предотвращающий контакт между минусовыми и положительными пластинами. В противном случае может произойти короткое замыкание. Поверхность сепаратора пористая, сделано это для того, чтобы поток тока протекал с наименьшим сопротивлением.

Решетка – как для положительных, так и отрицательных пластинок выполняет одну и ту же роль, а именно структурного каркаса и проводника электрического тока. Чтобы максимально использовать доступную энергию и в то же время уменьшить общую массу АКБ, в современные батареи устанавливают очень тонкие решетки.

Положительные / отрицательные пластины. Плюсовая пластина после зарядки становится коричневой, тогда как минусовая – серой. Эти элементы, погруженные в раствор, вызывают химическую реакцию, результатом которой является электричество.

Электролит. В большинстве автомобилей используются свинцово-кислотные аккумуляторы. В качестве электролита в таких АКБ применяют раствор серной кислоты. Положительные и отрицательные свинцовые элементы погружаются в серный раствор, называемый электролитом. Он осуществляет активацию активного материала пластины и проводит между ними ток.

Нами была рассмотрена упрощенная конструкция автомобильной батареи. В зависимости от производителя могут встречаться некоторые незначительные различия в устройстве, но обычно именно они определяют качество, долговечность и условия эксплуатации аккумулятора. Разобравшись с вопросом, что такое АКБ в машине и из чего состоит, стоит рассказать о том, как правильно батарея должна устанавливаться и обслуживаться.

Подробнее об устройстве АКБ, принципе работы, маркировках автомобильных аккумуляторов и как подобрать батарею для автомобиля можете узнать, просмотрев следующее видео:

История развития АКБ

Когда-то для запуска двигателя, необходимо было с усилиями крутить стартерный рычаг. Это очень изнурительное занятие. У современных автомобилей данную проблему решает автоаккумулятор. Отметим, что принцип работы автомобильного аккумулятора был описан больше 1,5 веков назад и на сегодняшний день он не изменился.

АКБ в системе автомобиля

Аккумуляторы «свинцового» типа имеют высочайшую надёжность, отличное качество в паре с доступной стоимостью, а также подлежат утилизации. Благодаря этому они востребованы, а процесс их развития активно движется вперед.

В последнее время возрастающей популярностью начинают пользоваться транспортные средства, имеющие электрический гибридный привод, а также электромобили. Доступны и постоянно модернизируются АКБ закрытого исполнения. Данные аккумуляторы не предполагают специального обслуживания, поскольку вещество, заливаемое внутрь (дистиллированная вода) почти не подлежит разложению. Предпринимались попытки заменить АКБ пневматическим оборудованием, обеспечивающим запуск силового агрегата, и особыми накопителями конденсаторного типа. Но все они не привели к желаемому результату.

Отличие Li-Pol, щелочных аккумуляторов от Ni-Cd и Ni-Mh.

http-equiv=»Content-Type» content=»text/html;charset=UTF-8″>d=»ni-cd-nikel-kadmievye-akkumulyatory»>
Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы

Данный вид аккумуляторов широко применяли несколько лет назад для различного инструмента. Такие источники в своей структуре содержат кадмий, который является тяжелым металлом и токсичен, но хорошо ведет себя на морозе и имеет не высокую стоимость.

Новые модели аккумуляторов раньше приходят в негодность, чем батареи выпущенные 20 лет назад. Но уровень технических характеристик присущий современным решениям намного выше, чем у их предшественников.

Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы

Такие батареи претерпели некоторые изменения по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми. Избавились от токсичных металлов, стали легче по весу и теперь можно не боятся причинить вред окружающей среде при ликвидации таких аккумуляторов. Еще удалось повысить энергоемкость и уменьшить эффект памяти.

Li-Pol Литий-полимерный аккумуляторы

Вид этих аккумуляторов — улучшенная модернизация литий-ионных. Электролит был заменен полимерными материалами. Такие батареи установлены в смартфонах, планшетах, ноутбуках, цифровой фототехнике и др. Особенность таких источников энергии состоит в форме изготовления, она может быть очень тонкой, что позволяет поместить батарею в любой корпус. Главное преимущество литий-полимерных элементов питания в том, что они не имеют эффекта памяти и энергоемкие.

Щелочные аккумуляторы.

Широкое применение щелочные аккумуляторы нашли в бытовой технике. Известные модели таких батарей — тип ААА и АА. Они установлены в:

детских игрушках
портативных приборах
карманных фонарях
фото, видео аппаратуре
аудио магнитофонах, плеерах и пр.

Щелочной электролит впервые нашел применение в химически активных источниках тока благодаря Вальдемару Джангнеру в 1899 году. С этого времени ученые разных стран вовлечены в разработку щелочных источников питания.

Принцип действия аккумуляторной батареи таков: при работе щелочного элемента происходит химическая реакция, при которой цинк окислившись выделяет гидроксид цинка, далее последний распадается на оксид цинка и воду. При этом происходит восстановление оксида марганца на катоде. Формула выглядит следующим образом:

Таблица сравнения 4-х видов АКБ
Вид аккумулятора	Ni-Cd	Ni-Mh	Щелочные АКБ	Li-Pol
Работа при низких температурах	+	+	+	— быстро теряет емкость
Цена	низкая	средняя	средняя	Высокая
Быстрая зарядка	+	+	—	+
Кол-во циклов разряда-заряда	1000	300-500	300	1000-2000
Токсичность	+	—	—	—
Эффект памяти	+	низкий	+	—
Саморазрядка	+	+	—	—

Обычный аккумулятор оказывается сложной и в то же время простой вещью, если разобраться с ней. Прежде чем выбрать для авто элемент питания, стоит изучить нюансы, которые в последствии могут сыграют весомую роль в вашей жизни.

https://www.youtube.com/watch?v=Ip-BMxu8tZA

Принцип работы батарейки

Принцип работы батареи довольно прост для понимания. Схема образования электричества выглядит следующим образом:

Цинковый стакан элемента питания в результате химической реакции приобретает отрицательный заряд.
Графитовый стержень становится положительно заряженным.

Отрицательные ионы, которые поступают на соответствующий вывод, потекут к положительному полюсу при подключении какой-либо нагрузки, например, лампочки или моторчика.

В общем, устройство батарейки представляет собой очень простую схему, которую, при желании, можно повторить самостоятельно в домашних условиях, используя при этом вполне доступные химикаты и металлические изделия.

Цикл заряда батареи

Для начала зарядки от клемм аккумулятора необходимо отключить нагрузку. На свободные клеммы батареи подаётся постоянный ток со значением напряжения большим, чем выходное напряжение заряжаемого устройства. При осуществлении зарядки следует строго соблюдать полярность, то есть должны совпадать положительные и отрицательные контакты батареи и зарядного устройства

Важно учитывать, что устройство для зарядки необходимо выбирать с большей мощностью, чем сам аккумулятор, для того, чтобы преодолевать сопротивление оставшейся в нём энергии и производить электрический ток с направлением, противоположным току разряда. В результате обратимые химические реакции, протекающие в АКБ, поменяют своё направление

Рекомендуем: Способы измерения емкости аккумулятора: какой объем у АКБ

Для рассмотрения примера можно взять также никель-кадмиевую батарею. В реакцию вступают гидроксиды кадмия и никеля, образовавшиеся при цикле разряда. Продуктами этой реакции будут оксид-гидроксид никеля, вода и восстановленный кадмий.

Из всего вышесказанного следует, что во время рабочего цикла меняется только химический состав электродов. Электролит лишь создаёт требуемую для протекания реакций среду. С течением времени он может испаряться, что не самым лучшим образом скажется на продолжительности работы батареи. Рассмотренный принцип работы верен для любого типа аккумуляторов, будет изменяться только химический состав электродов и электролита.

История

Впервые свет увидел аккумулятор в 1859 году. Изобретенный блестящим физиком и профессором имя которого Луи́ Гасто́н Планте́. Это имя широко известно в узких кругах. Человечество уже на протяжении 160 лет пользуется этим изобретением, которое серьезно облегчает жизнь каждого человека. Начиная от часов на руках и заканчивая сложными аппаратами поддерживающими жизнь в больницах.

С каждым годом электромобили сильнее заполняют улицы городов. Самый дорогой элемент такого транспорта — аккумуляторная батарея. Работали над созданием и усовершенствованием батарей ученые умы, такие как Томас Эдисон, Камилл Фор, Пейкер, и другие. Подобные исследования продолжаются по сегодняшний день.

Устройство АКБ автомобиля

Внешне аккумулятор автомобиля выглядит как монолитный источник питания, но на самом деле он состоит из шести отдельных аккумуляторов, соединённых друг с другом по последовательной схеме с помощью свинцовых перемычек. Каждый такой аккумулятор расположен в отдельном отсеке (банке) и имеет номинал 2,1-2,2 В. Поскольку подключение последовательное, разница потенциалов между первой положительной пластиной первой банки и последней отрицательной пластины шестого отсека является арифметической суммой напряжений в каждом аккумуляторе, что даёт 12,6-13,2 вольта.

Рассмотрим более детально, как устроен автомобильный аккумулятор. Он включает следующие основные компоненты:

корпус (изготавливается из пластика);
крышку;
свинцовые пластины (положительные и отрицательные).
перемычки, соединяющие банки между собой;
два вывода для подключения к бортовой сети;
электролит – раствор серной кислоты;
заливные пробки (обслуживаемые батареи).

Корпус, крышка

На первый взгляд может показаться, что корпус у аккумуляторной батареи цельный. На самом деле крышка съёмная, хотя и она, и корпус изготавливаются из пластика, нечувствительного к воздействию кислоты. Внутрь корпуса устанавливаются банки, закрываемые сверху крышкой, которая после этого герметизируется.

Пластины

Внутреннее устройство аккумуляторной батареи для автомобиля включает шесть небольших аккумуляторов, каждый из которых состоит из набора положительных и отрицательных пластин.

Минусовая пластина изготавливается из свинца губчатой структуры (катод), плюсовая сверху покрыта слоем диоксида свинца (анод). Уменьшения саморазряда добиваются за счёт ввода в свинец присадки. Для классических необслуживаемых батарей это сурьма (её доля не превышает 5%), в современных АКБ используют кальций, которые существенно уменьшает процессы сульфатации пластин, обеспечивая увеличение ёмкости батареи на величины порядка 50-70%. В гелиевых батареях и устройствах типа AGM используется чистый свинец, позволяющий увеличить значение пускового тока до 1300 ампер.

Электролит

Именно электролит, являющийся раствором серной кислоты в дистиллированной (очищенной от примесей) воде, обеспечивает электрохимические реакции, приводящие к появлению тока. Жидкость считается довольно концентрированной (35% кислоты) и потому небезопасной. Доли воды и кислоты во время работы батареи изменяются, в результате первоначальная плотность электролита варьируется в широких пределах, от 1,22 до 1,32 г/см3. Чем выше плотность, тем больше в электролите серной кислоты и тем устойчивее АКБ к пониженным температурам.

Сепаратор

В автомобильных жидкостных батареях аккумуляторы разделяются посредством сепаратора – пластины из электрически нейтрального, стойкого к кислоте пластика, эбонита или ревертекса. В необслуживаемых моделях батарей в качестве диэлектрика, разделяющего положительные и отрицательные пластины, используется микроволокно, которое, помимо основной функции, удерживает молекулы электролита, не позволяя ему испаряться. Каждая пластина обёрнута таким микроволокном, словно конвертом, что позволяет максимально плотно поместить пластины по отношению друг к другу.

Клеммы и пробки

Клеммы – это свинцовые выводы, соединённые внутри с крайними пластинами, а снаружи к ним подключаются провода в составе бортовой церии автомобиля. Обслуживаемые АКБ оснащаются пробками, закрывающими отверстия в крышке, через которые возможна заливка готового электролита или дистиллированной воды.

Заключение

Возможно, в скором времени будут изобретены источники питания, лишенные всех негативных качеств свинцово кислотных аккумуляторов. Но на данный момент это лучшие в своем роде устройства – они доступны, сравнительно долговечны и достаточно неплохо справляются с поставленными задачами. Соблюдение правил эксплуатации позволит избежать лишних мероприятий по восстановлению и продлить срок службы.

https://www.youtube.com/watch?v=0jbnDTRtywEVideo can’t be loaded because JavaScript is disabled: Как работает свинцово-кислотный аккумулятор (https://www.youtube.com/watch?v=0jbnDTRtywE)