كيف تعمل البطاريات وتعمل

بالمعنى الأوسع للكلمة في التكنولوجيا ، يشير مصطلح "بطارية" إلى جهاز يسمح في ظل ظروف تشغيل معينة بتجميع نوع معين من الطاقة ، وفي حالات أخرى لاستخدامه لتلبية احتياجات الإنسان.

يتم استخدامها عندما يكون ذلك ضروريًا لجمع الطاقة لفترة معينة ثم استخدامها لتنفيذ عمليات كبيرة كثيفة العمالة. على سبيل المثال ، تسمح المجمعات الهيدروليكية المستخدمة في الأقفال للسفن بالارتفاع إلى مستوى جديد في قاع النهر.

تعمل البطاريات الكهربائية بالكهرباء على نفس المبدأ: أولاً ، تقوم بتجميع (تراكم) الكهرباء من مصدر شحن خارجي ثم إعطائها للمستهلكين المتصلين للقيام بالعمل. بحكم طبيعتها ، فهي تنتمي إلى مصادر التيار الكيميائي القادرة على تنفيذ دورات دورية من التفريغ والشحن بشكل متكرر.

أثناء التشغيل ، تحدث تفاعلات كيميائية باستمرار بين مكونات لوحات القطب مع مادة الحشو - المنحل بالكهرباء.

يمكن تمثيل الرسم التخطيطي لجهاز البطارية برسم مبسط عند إدخال لوحين من معادن مختلفة بأسلاك في جسم الوعاء لتوفير اتصالات كهربائية. يسكب المنحل بالكهرباء بين الألواح.

تشغيل البطارية عند تفريغها

عندما يتم توصيل حمل ، مثل مصباح كهربائي ، بالأقطاب الكهربائية ، يتم إنشاء دائرة كهربائية مغلقة يتدفق من خلالها تيار التفريغ. يتكون من حركة الإلكترونات في الأجزاء المعدنية والأنيونات مع الكاتيونات في المنحل بالكهرباء.

تظهر هذه العملية بشكل تقليدي في رسم تخطيطي بتصميم قطب كهربائي من النيكل والكادميوم.

هنا ، يتم استخدام أكاسيد النيكل مع إضافات الجرافيت ، والتي تزيد من التوصيل الكهربائي ، كمادة للإلكترود الموجب. معدن القطب السالب هو الكادميوم الإسفنجي.

أثناء التفريغ ، يتم إطلاق جزيئات الأكسجين النشطة من أكاسيد النيكل في المنحل بالكهرباء وتوجيهها إلى الصفائح السالبة ، حيث يتأكسد الكادميوم.

أداء البطارية عند الشحن

عندما يتم إيقاف تشغيل الحمل ، يتم تطبيق جهد ثابت (في حالات معينة ، نابض) على أطراف اللوحة ذات القيمة الأكبر من البطارية المشحونة ذات القطبية نفسها ، عندما تتزامن المحطات الموجبة والسالبة للمصدر والمستهلك .

يتمتع الشاحن دائمًا بمزيد من الطاقة ، والتي "تمنع" الطاقة المتبقية في البطارية وتولد تيارًا كهربائيًا في الاتجاه المعاكس للتفريغ. نتيجة لذلك ، تتغير العمليات الكيميائية الداخلية بين الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت. على سبيل المثال ، في صندوق من ألواح النيكل والكادميوم ، يتم إثراء القطب الموجب بالأكسجين ، والسالب - إلى حالة الكادميوم النقي.

عندما يتم تفريغ البطارية وشحنها ، يتغير التركيب الكيميائي لمادة الألواح (الأقطاب الكهربائية) ، لكن الإلكتروليت لا يتغير.

طرق توصيل البطارية

اتصال موازية

يعتمد مقدار تيار التفريغ الذي يمكن للشخص تحمله على العديد من العوامل ، ولكن في المقام الأول التصميم والمواد المستخدمة وأبعادها. كلما كبرت مساحة الألواح عند الأقطاب الكهربائية ، زاد التيار الذي يمكنها تحمله.

يستخدم هذا المبدأ لتوصيل خلايا من نفس النوع بالتوازي في البطاريات عندما يكون من الضروري زيادة التيار إلى الحمل.ولكن لشحن مثل هذا التصميم ، سيكون من الضروري زيادة طاقة المصدر. نادرًا ما تُستخدم هذه الطريقة في الهياكل الجاهزة ، حيث أصبح من السهل الآن شراء البطارية الضرورية على الفور. لكن مصنعي البطاريات الحمضية يستخدمونه ، ويربطون لوحات مختلفة في كتل مفردة.

اتصال تسلسلي

اعتمادًا على المواد المستخدمة ، يمكن توليد جهد 1.2 / 1.5 أو 2.0 فولت بين لوحين قطبين للبطاريات شائعين في الحياة اليومية. (في الواقع ، هذا النطاق أوسع بكثير.) من الواضح أنه لا يكفي للعديد من الأجهزة الكهربائية. لذلك ، يتم توصيل البطاريات من نفس النوع في سلسلة ، وغالبًا ما يتم ذلك في حالة واحدة.

مثال على هذا التصميم هو التطور الواسع للسيارات الذي يعتمد على حامض الكبريتيك وألواح إلكترود الرصاص.

عادة ، بين الناس ، وخاصة بين سائقي النقل ، من المعتاد تسمية أي جهاز ببطارية ، بغض النظر عن عدد العناصر المكونة لها - الصناديق. ومع ذلك ، هذا ليس صحيحًا تمامًا.الهيكل ، الذي تم تجميعه من عدة صناديق متصلة في سلسلة ، عبارة عن بطارية بالفعل ، تم لصق اسمها المختصر "АКБ" ... يظهر هيكلها الداخلي في الشكل.

يتكون كل وعاء من كتلتين مع مجموعة من الألواح للأقطاب الموجبة والسالبة. تتلاءم الكتل مع بعضها البعض دون ملامسة المعدن مع إمكانية وجود اتصال كلفاني موثوق من خلال المنحل بالكهرباء.

في هذه الحالة ، تحتوي لوحات التلامس على شبكة إضافية ويتم فصلها عن بعضها البعض بواسطة لوحة فاصلة.

يؤدي توصيل الألواح في كتل إلى زيادة مساحة عملها ، ويقلل من المقاومة الكلية للهيكل بأكمله ويسمح لك بزيادة قوة الحمل المتصل.

في الجزء الخارجي من الصندوق ، تحتوي هذه البطارية على العناصر الموضحة في الشكل أدناه.

يُظهر أن الغلاف البلاستيكي المتين محكم الإغلاق بغطاء ومجهز بطرفين (عادة على شكل مخروطي) في الأعلى للاتصال بالدائرة الكهربائية للسيارة. يتم ختم علامات القطبية على أطرافها: «+» و «-«. عادةً ما يكون الطرف الموجب له قطر أكبر قليلاً من الطرف السالب لمنع أخطاء الأسلاك.

تحتوي البطاريات الصالحة للخدمة على فتحة حشو أعلى كل وعاء للتحكم في مستوى الإلكتروليت أو إضافة الماء المقطر أثناء التشغيل. يتم تثبيت قابس فيه ، مما يحمي التجاويف الداخلية للعلبة من التلوث وفي نفس الوقت يمنع انسكاب المنحل بالكهرباء عند إمالة البطارية.

نظرًا لأنه مع وجود شحنة قوية ، يمكن استخدام الغاز من المنحل بالكهرباء (وهذه العملية ممكنة أثناء القيادة المكثفة) ، يتم عمل ثقوب في المقابس لمنع زيادة الضغط داخل الصندوق.يخرج من خلالها الأكسجين والهيدروجين ، وكذلك أبخرة المنحل بالكهرباء. يوصى بتجنب مثل هذه المواقف التي تنطوي على تيارات شحن مفرطة.

يوضح نفس الشكل اتصال العناصر بين البنوك وترتيب لوحات القطب.

تعمل بطاريات بدء تشغيل السيارات (حمض الرصاص) على مبدأ الكبريتات المزدوجة. أثناء التفريغ / الشحن ، تحدث عملية كهروكيميائية عليها ، مصحوبة بتغيير في التركيب الكيميائي للكتلة النشطة للأقطاب الكهربائية مع إطلاق / امتصاص الماء في المنحل بالكهرباء (حمض الكبريتيك).

هذا يفسر الزيادة في الثقل النوعي للكهارل عند الشحن والنقصان عند تفريغ البطارية. بمعنى آخر ، تسمح لك قيمة الكثافة بتقييم الحالة الكهربائية للبطارية. يتم استخدام جهاز خاص لقياسه - مقياس كثافة السيارة.

الماء المقطر ، وهو جزء من إلكتروليت البطاريات الحمضية ، يتحول إلى حالة صلبة - جليد في درجات حرارة سالبة. لذلك ، من أجل منع بطاريات السيارات من التجمد في الطقس البارد ، من الضروري تطبيق تدابير خاصة منصوص عليها في القواعد للاستغلال.

ما أنواع البطاريات الموجودة؟

ينتج الإنتاج الحديث لأغراض مختلفة أكثر من ثلاثين منتجًا بتركيبات مختلفة من الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت. 12 طرازًا معروفًا يعمل على الليثيوم فقط.

يمكن العثور على ما يلي كمعدن قطب كهربائي:

• يقود؛

• حديد؛

• الليثيوم.

• التيتانيوم.

• الكوبالت.

• الكادميوم.

• النيكل.

• الزنك.

• فضة؛

• الفاناديوم.

• الألومنيوم

• بعض العناصر الأخرى.

فهي تؤثر على خصائص الخرج الكهربائي وبالتالي على التطبيق.

تعتبر القدرة على تحمل الأحمال العالية قصيرة المدى الناتجة عن دوران أعمدة الكرنك لمحركات الاحتراق الداخلي بواسطة محركات بادئ تشغيل كهربائية من سمات بطاريات الرصاص الحمضية. تستخدم على نطاق واسع في النقل ، وإمدادات الطاقة غير المنقطعة وأنظمة الطاقة في حالات الطوارئ.

معيار الخلايا الجلفانية (البطاريات العادية) عادة ما يتم استبدالها ببطاريات النيكل والكادميوم والنيكل والزنك وهيدريد معدن النيكل.

لكن تصميمات الليثيوم أيون أو الليثيوم بوليمر تعمل بشكل موثوق في الأجهزة المحمولة وأجهزة الكمبيوتر وأدوات البناء وحتى المركبات الكهربائية.

وفقًا لنوع الإلكتروليت المستخدم ، فإن البطاريات هي:

• حامِض

• قلوي.

يوجد تصنيف للبطاريات حسب الغرض. على سبيل المثال ، في الظروف الحديثة ، ظهرت أجهزة تستخدم لنقل الطاقة - إعادة شحن مصادر أخرى. تساعد ما يسمى بالبطارية الخارجية أصحاب العديد من الأجهزة المحمولة في حالة عدم وجود شبكة كهربائية بديلة. إنه قادر على شحن جهاز لوحي أو هاتف ذكي أو هاتف محمول بشكل متكرر.

كل هذه البطاريات لها نفس مبدأ التشغيل وجهاز مشابه. على سبيل المثال ، يكرر نموذج إصبع الليثيوم أيون الموضح في الشكل أدناه بعدة طرق تصميم البطاريات الحمضية التي تمت مناقشتها سابقًا.

هنا نرى نفس أقطاب التلامس ، والألواح ، والفاصل والإسكان. فقط هم مصنوعون مع مراعاة ظروف العمل الأخرى.

الخصائص الكهربائية الأساسية للبطارية

يتأثر تشغيل الجهاز بالمعلمات:

• سعة؛

• كثافة الطاقة؛

• التفريغ الذاتي؛

• نظام درجة الحرارة.

تسمى السعة بالشحنة القصوى للبطارية ، والتي يمكن أن تعطيها أثناء التفريغ لأدنى جهد. يتم التعبير عنها في المعلقات (نظام SI) وساعات الأمبير (وحدة غير نظام).

كنوع من السعة هناك "سعة الطاقة" ، والتي تحدد الطاقة المنبعثة أثناء التفريغ إلى الحد الأدنى المسموح به من الجهد. يقاس بالجول (SI) والواط / ساعة (الوحدات غير التابعة للنظام الدولي للوحدات).

كثافة الطاقة معبرًا عنها بنسبة كمية الطاقة إلى وزن أو حجم البطارية.

يأخذ التفريغ الذاتي في الاعتبار فقدان السعة بعد الشحن في حالة عدم وجود حمل على المحطات. يعتمد هذا على التصميم ويتفاقم بسبب انهيار العزل بين الأقطاب الكهربائية لأسباب عديدة.

تؤثر درجة حرارة التشغيل على الخصائص الكهربائية وفي حالة حدوث انحرافات خطيرة عن المعايير المحددة من قبل الشركة المصنعة ، يمكن أن تتلف البطارية. الحرارة والبرودة غير مقبولة ، فهي تؤثر على مسار التفاعلات الكيميائية وضغط البيئة داخل الصندوق.