Акумулятор

5/5 - (2 votes)

Акумулятор – це джерело струму в якому електроди не витрачаються. Найпростіший акумулятор складається з двох свинцевих пластин, які розміщені в розчині сірчаної кислоти.

Акумулятор електричний
Види акумуляторів

Акумулятор електричний

Акумулятор електричний (від лат. accumulare — «нагромаджувати») — хімічне джерело електричного струму багаторазової дії, основна специфіка його роботи полягає в зворотності внутрішніх хімічних процесів, що забезпечує його багаторазове використання (через заряд-розряд) для накопичення електричної енергії та автономного електроживлення різноманітних електротехнічних пристроїв та систем.

В первинних гальванічних елементах при роботі змінюється склад електродів та розчину, вони поступово витрачаються і через деякий час їх потрібно заміняти новими.

Строго кажучи, акумулятором називається один елемент акумуляторної батареї, але зазвичай «акумулятором» називають акумуляторну батарею (скільки б в ній не було елементів).

Щоб акумулятор став джерелом струму його потрібно заряджати. Для зарядки через акумулятор пропускають струм від будь-якого джерела. Коли акумулятор зарядиться його можна використовувати як самостійне джерело струму.

Полюси акумуляторів позначені знаками + та – . При зарядці позитивний полюс з’єднують з позитивним полюсом джерела струму, негативний – з негативним полюсом.

Електрохімічні процеси які відбуваються в акумуляторах, залежить від матеріалів. Важливий електричний параметр – це напруга, яка може змінюватись в межах від 1 до 3.4 Вольта.

Ємність також основний з параметрів, ємність це запас енергії якою може живитись підключений електроприлад з певної силою струму протягом певного часу, вимірюється в Ампер-годинах. При підвищенні температури ємність зростає, при пониженні падає.

Ще один головний параметр це кількість циклів заряду-розряду, що напряму пов’язано з терміном служби акумулятора.

Види акумуляторів

Серед акумуляторів розрізняють три основні види:

свинцево-кислотні

нікель-кадмієві (нікель-залізні, метал-гідридні)

літієві

Як це видно з їх назви виготовлені вони з цих активних елементів.

Свинцево-кислотні акумулятори

Прості та доступні акумулятори тому що при їх виготовленні використовують не дорогі матеріали в якості електродів свинець і розчин сірчаної кислоти. Зазвичай вони використовуються в автомобілях. Загалом у пасажирських і комерційних автомобілях використовуються батареї напругою 12 вольт постійного струму, в той час як у вантажівках та автобусах , як правило, — 24 вольти.

Свинцево-кислотну батарею було винайдено в 1859 році французьким фізиком Гастоном Планте.

Свинцево-кислотний акумулятор є найстарішими типом акумулятора.

В основі свинцево-кислотоного акумулятора:

Діоксид свинцю в якості активного матеріалу позитивного електрода,
Свинець пористої структури з великою площею поверхні в якості негативного електрода.
Розчин сірчистої кислоти

Принцип роботи заснований на електрохімічній реакції свинцю та діоксиду свинцю в водяному розчині сірчаної кислоти. При підключенні до електроду зовнішнього навантаження, починається електрохімічна реакція взаємодії оксиду свинця і сірчаної кислоти.

Розряд акумулятора

PbO₂ + Pb + 2H₂SO4 → 2PbSO₄ + 2H₂O

Іони переміщаються від одного електрода до іншого, утворюючи електричний струм. У ході цього процесу сірчана кислота приєднується до активної маси пластини у вигляді сульфату свинцю. У відповідь на це концентрація води в електроліті підвищується, отже, його щільність знижується. Коли розчин складатиметься лише з води, реакція зупиниться, а акумулятор перестане виробляти струм.

Заряд акумулятора

2PbSO₄ + 2H₂O → PbO2 + Pb + 2H₂SO₄

Щоб акумулятор знову отримав заряд, на електроди необхідно подати напругу. Так іони почнуть рух у зворотному напрямку, через що кристалічні грати сульфату свинцю почнуть руйнуватися, а концентрація сірчаної кислоти збільшуватися.

Нікель-кадмієві акумулятори

Анодом є металічний кадмій Cd (у вигляді порошку), електролітом — гідроксид калію KOH з додаванням гідроксиду літію LiOH (для утворення нікелатів літію і збільшення ємності на 21-25 %), катод — гідрат оксиду нікелю NiOOH з графітовим порошком (близько 5-8 %)

У складі присутній кадмій — важкий метал підвищеної токсичності.

Нікель-залізні акумулятори

Використовуючи замість кадмію залізо. Акумулятори не містять токсичний кадмій, дешевше коштують, мають довгий термін служби і високу міцність, але через виділення водню на початку заряду виробляються тільки в негерметичному варіанті.

Нікель-металогідридні акумулятори

Акумулятор, який має воднево-металогідридний анод і нікелевий катод, отримав абревіатуру «Ni-MH» (від назви струмопровідних, що накопичують речовин). Працюють подібні АКБ на лужному електроліті і забезпечують відмінний цикл «заряд-розряд» — до 2 000 тисяч для однієї повноцінної батареї.

Позитивний електрод — анод, здійснює окисну реакцію з абсорбцією водню; Негативний електрод — катод, реалізує відновну реакцію з диабсорбцією водню.

Літієві акумулятори

При подачі на електроди напруги іони літію мігрують з літійового катода в вугільний анод, окислюючи його, а при підключенні навантаження – в зворотному напрямку. При розряді відновлення негативного електрода відбувається в повному обсязі, продукти окислення накопичуються, і акумулятор поступово втрачає ємність.

Літієві акумулятори складаються в основному з чотирьох основних компонентів: катода, анода, електроліту і сепаратора.

Кожен компонент літієвого акумулятора важливий, оскільки він не може працювати, якщо один з компонентів відсутній.

Існує кілька видів літієвих акумуляторів, кожен з яких має свої особливості та використовується для різних застосувань. Літій-іонні акумулятори (Li-ion) – це найбільш поширений вид літієвих акумуляторів

Катод

Катод визначає ємність і напругу літій-іонної батареї. Літій-іонний акумулятор виробляє електрику за рахунок хімічних реакцій літію. Оскільки літій нестабільний в формі елемента, для катода використовують комбінацію літію та кисню, оксид літію.

В катоді літій-іонної батареї, оксид літію використовується в якості активного матеріалу. Катод відіграє важливу роль у визначенні характеристик батареї, оскільки ємність і напруга батареї визначаються типом активного матеріалу, використовуваного для катода. Чим більше літію, тим більше ємність; і чим більше різниця потенціалів між катодом і анодом, тим вище напруга.

Анод

Анод посилає електрони по дроту. Коли акумулятор заряджається, іони зберігаються на аноді, а не на катоді. У цей момент, коли провід з’єднує катод з анодом (стан розряду), іони літію природним чином повертаються до катода через електроліт, і електрони (e-), відокремлені від іонів літію, рухаються по дроту, генеруючи електрику.

Для анода використовується графіт, який має стабільну структуру. Завдяки оптимальним якостям графіту, таким як структурна стабільність, низька електрохімічна реактивність, умови для зберігання великої кількості іонів літію і ціна, матеріал вважається придатним для використання в якості анода.

Електроліт

Електроліт допускає рух тільки іонів. Електроліт – це компонент, який грає важливу роль. Він служить середовищем, яка дозволяє переміщати тільки іони літію між катодом і анодом. В якості електроліту в основному використовуються матеріали з високою іонною провідністю, так що іони літію легко переміщуються вперед і назад. Електроліт складається з солей, розчинників і добавок. Солі – це прохід для іонів літію, розчинники – це органічні рідини, які використовуються для розчинення солей, і добавки що додаються в невеликих кількостях для певних цілей. Швидкість руху іонів літію залежить від типу електроліту.

Сепаратор

Сепаратор, абсолютний бар’єр між катодом і анодом. У той час як катод і анод визначають основні характеристики батареї, електроліт і сепаратор визначають безпеку батареї. Сепаратор діє як фізичний бар’єр, що розділяє катод і анод. Він запобігає прямий потік електронів і дозволяє акуратно пропускати тільки іони через внутрішній мікроскопічний отвір. Отже, він повинен відповідати всім фізичним і електрохімічним умовам. Сьогоднішні промислові сепаратори представляють собою синтетичні смоли, такі як поліетилен (PE) і поліпропілен (PP).