Как работают батареи: Принцип работы аккумуляторной батареи

Принцип работы батарейки

Принцип работы батарейки. Как работает батарейка

Весь принцип работы батарейки сводится к химической реакции. 

Батарейки в зависимости от “начинки” разделяются на несколько видов.

Солевые конструкции намного дешевле щелочных. Их выпуском занимаются такие фирмы, как «Дюрасел», «Сони», «Тошиба». Они являются потомками марганцево-цинковых конструкций. Их рекомендуют использовать в устройствах с низким уровнем потребления напряжения, таких как часы, электронные весы, пульты управления. Существенным недостатком этих элементов является короткое время работы заряда.При длительном использовании элементы подобного типа начинают течь. При отрицательных температурах солевые конструкции не работают.

Щелочные устройства появились относительно недавно, в 60-х гг. прошлого века. Первыми их начала выпускать фирма «Дюрасел». Данный тип батарей более надежен и имеет большую мощность. При длительном хранении они не теряют свой заряд. На таких элементах всегда присутствует надпись “alkaline”. Их устанавливают в детских игрушках, радио, ночниках, иными словами, в приборах, потребляющих большое количество энергии.

Ртутные не получили широкого распространения. в силу ряда причин. От их применения пришлось отказаться из-за вещества, за счет которого осуществляется их работа. Ртуть может нанести вред здоровью человека.

Наименее популярны серебряные элементы. В состав их электродов входит серебро. За счет этого увеличивается срок службы, повышается энергетическая плотность и постоянное номинальное напряжение.

Большим минусом является их высокая стоимость. Существенным плюсом – высокая емкость. Они одинаково хорошо работают и при высоких, и при низких температурах. Срок функционирования – достаточно велик по сравнению с другими типами элементов.

Литиевые конструкции объединили в себе все лучшие свойства остальных типов батарей. Их можно эксплуатировать практически в любых условиях, имеется возможность их дальнейшей подзарядки. Они являются самыми надежными элементами. Их рекомендуется использовать в приборах с большим энергопотреблением.

Формы батареек

1. Дисковые.

2. Цилиндрические.

3. Квадратные.

Дисковые батарейки

Они являются наиболее востребованными. Существует 2 способа их маркировки: американская (менее распространена) и европейская (более привычна). Маркировка помогает точно подобрать необходимый для прибора элемент питания. Дисковые конструкции производят для совсем маленьких по размеру устройств. Показатель напряжения у этого типа – до 3V.

Цилиндрические батарейки

Самые маленькие изделия имеют маркировку – А23. Их называют мини-мизинчиковыми. Следующие, по списку – пальчиковые, их маркировка – АА. Потом следуют мизинчиковые – ААА. Редко для устройства могут понадобиться маленькие мизинчиковые – АААА. Следующие 2 вида практически не используются: средняя – С и большая – D. У цилиндрических устройств показатель напряжения доходит до 6V.

Квадратные батарейки

Самое большое напряжение выдают батарейки, имеющие квадратную форму, – до 9V. Но и этот тип почти не востребован.

На любом элементе питания обязательно указывается вид применяемого электролита.

Размер каждого типа элемента питания может отличаться на 1-2 мм в зависимости от производителя. Причина таких отличий кроется в толщине оболочки, которая используется для защиты от падения и неблагоприятных воздействий окружающей среды. Чаще всего на ней указывается название фирмы-производителя и маркировка.

Брендовые конструкции отличаются высоким качеством и имеют гарантию. На некоторых видах элементов питания есть особая маркировка – «rechargeable». Данная надпись означает, что элемент питания можно зарядить с помощью специального устройства. Дисковые батарейки Дисковые батарейки  Среди многообразия батареек, выбрать нужную достаточно сложно. В первую очередь необходимо ориентироваться на прибор, для которого приобретаются элементы питания. Для мощных устройств нет смысла брать щелочные батареи, т.к. их заряд быстро закончится. В этом случае лучшее решение – литиевые. Их срок службы оправдывает высокую стоимость. Кроме того, часто производители приборов в инструкции указывают, какой тип батареек подходит для их техники.

Что происходит с точки зрения химии?

К примеру, в стеклянную емкость нальем раствор серной кислоты и поместим туда стержень, выполненный из цинка. На поверхности данного стержня имеются положительно заряженные ионы. А вокруг этого цинкового объекта, в растворе, скапливаются отрицательные ионы вещества. У раствора имеются силы притяжения, которые с легкостью отрывают ионы цинка. В результате жидкость получает положительный заряд, а цинковая пластина или стержень отрицательный.

Из физики известно, что разность потенциалов равна напряжению. Отсюда и возникает электрический ток. Когда происходит контакт кислотного раствора и металла, на границе образуется электрическое поле. В момент его появления химическая энергия превращается в электрическую.  Таков принцип работы батареи.

Через некоторое время ресурс батареи будет истощен. Все зависит от того, где и как используется источник питания. Например, если от него работает фонарик, то при умеренном использовании 2-х батарей на 1,5 вольта каждая, хватит на 1 месяц. Но если вставить эти же самые батарейки в электрическую машинку, она будет работать несколько часов. В результате всего этого можно сделать вывод что чем больше нагрузка, тем быстрее разрядиться батарейка.

Как работает аккумуляторная батарейка, её отличие от обычной

Реакция, протекающая в АКБ, относится к разряду обратимых. Именно возможность протекания обратимой реакции в аккумуляторе позволяет заряжать его.

В АКБ, подключенной к сети, реакция протекает в обратном направлении, и ток идёт от «плюса» к «минусу», а не наоборот. Как результат – продукт реакции образует исходные вещества, а хозяин АКБ получает доступную «восстановленную» энергию в портативном формате.

История обыкновенной батарейки

Слово «батарея», происходящее от французского слова «batterie», давно вошло в русский язык.

Название происходит от артиллерийской батареи, как исторически первого типа батарей. Впоследствии название стало употребляться для обозначения соединения однотипных предметов вообще.

Официальное рождение батареи относят к 1800 г., когда итальянский физик Алессандро Вольта, основываясь на опытах итальянского врача и анатома Луиджи Гальвани, сделал устройство, получившее впоследствии название «вольтов столб». Сложив стопку высотой полметра из пластинок цинка, меди и войлока, смоченного раствором серной кислоты, Вольта, приложив руки к концам стопки, получил весьма чувствительный удар током. Так началась электрическая эра.

Изобретение Алессандро Вольта произвело фурор в обществе, Вольта осыпали почестями и наградами, его именем назвали единицу электрического напряжения. Свою долю славы получил и Луиджи Гальвани. В его честь электрохимический элемент, изобретенный Вольта, называется гальваническим.

Гальванические элементы делятся на два типа – первичные и вторичные.

Все батарейки являются первичными гальваническими элементами.

Вторичные гальванические элементы – элементы, в которых электрическая энергия от внешнего источника тока превращается в химическую энергию и накапливается, а затем, при необходимости, химическая энергия снова превращается в электрическую. Эти вторичные элементы называются аккумуляторами.

Одним из первых гальванических элементов, которым можно было пользоваться вне лабораторий, был изобретен Жоржем Лекланше в 1866 году.

Конструкция имени Лекланше проста — цинковый анод, катод из диоксида марганца с углем, размещенные в электролите из хлорида аммония, т.е. соли аммония.

В течении некоторого времени элемент Лекланше претерпел изменения: цинковый анод стал делаться в виде цинкового стаканчика, в стаканчике размещен катод из смеси диоксида марганца и графита, в центре катода находится угольный стержень, являющийся токосъемником, катод окружен электролитом из хлорида аммония с добавкой хлорида цинка, только не в жидком виде, как у Лекланше, а в загущенном, в виде геля, из-за добавления крахмала и муки. Это необходимо для того, чтобы электролит не мог вытечь или высохнуть при хранении и эксплуатации элемента.

Элементы с загущенным электролитом получили название «сухие батареи».

Одним из всплесков было появление щелочных батарей. Впервые щелочные батарейки выпустила компания Eveready (ныне Energizer) в 1959г. Принцип ее работы практически идентичен принципу работы солевой батареи – анод из цинка, катод из диоксида марганца, единственное отличие в составе электролита – он не из соли аммония, как в солевой, а из раствора щёлочи, обычно гидроксида калия. У щелочной батареи анод в виде пасты из цинкового порошка в смеси с электролитом находится внутри катода из смеси диоксида марганца с графитом.

Анод и катод разделены тонким сепаратором, пропитанным электролитом, и все это располагается в стальном корпусе. Получается, что если у солевого элемента корпус (-), а центральный токоотвод (+), то у щелочного элемента все наоборот, корпус (+), а центральный токоотвод (-).

Такая конструкция, разумеется, сделана не просто так. В солевых элементах при химической реакции расходуются все реагенты, составляющие этот элемент — анод, катод, электролит. А в щелочном элементе при химической реакции расходуется только анод и катод, электролит не расходуется. Поэтому электролита там совсем мало, и освободившееся место электролита заполнено увеличенным количеством анода и катода, что значительно увеличивает электроемкость щелочного элемента.

Форм-фактор распространенных гальванических элементов

Преимущества и недостатки солевых и щелочных элементов

У солевых сейчас осталось только одно преимущество — цена. Технология производства проста, стоимость реагентов и материалов низка, поэтому себестоимость очень маленькая. Но на этом преимущества заканчиваются.

Недостатки:

1. маленькая ёмкость

В среднем ёмкость солевого элемента в 3-5 меньше, чем у щелочного. К тому же это при малой и средней нагрузке, при высокой нагрузке (мощные фонари, фотоаппараты и видеокамеры) разница в ёмкости еще больше увеличивается и достигает 10. Например, солевая батарейка питает маломощный прибор 10 дней, а щелочная 10*3=30 дней.

2. маленький срок хранения

У солевого элемента – 2 года, у щелочного – 7-10 лет. Срок хранения солевой батареи можно увеличить, если держать ее в холодильнике. При низкой температуре химические реакции замедляются. Для щелочных элементов температура хранения некритична

3. узкий температурный диапазон эксплуатации

Солевые батареи вообще не могут работать при отрицательных температурах, а щелочная при -20 °С отдает такую же емкость, как солевая в режиме беспрерывного разряда при комнатной температуре.

В последние несколько лет в продаже появились новый тип элементов — литиевый. Принцип действия похож на принцип солевого и щелочного элемента, но анод изготовлен из лития или его соединения. Из химии известно, что литий имеет наивысший отрицательный потенциал по отношению к остальным металлам. А значит, он имеет наибольшее номинальное напряжение при минимальных размерах.

Другие параметры тоже превосходные – очень большое время хранения (до 15 лет), исключительно малые токи саморазряда и высокая степень герметичности, хранение и работа в широком диапазоне отрицательных и положительных температур.

Советы от опытных пользователей

Не надо стремиться покупать элементы известных фирм, которые на слуху благодаря навязчивой рекламе. Да, высокотехнологичная батарейка может оказаться самой долгоиграющей, но ее цена взлетает в небеса.

На одном сайте был проведен большой тест батареек различных фирм, там посчитали комплексный параметр цена/емкость, и в результате тестов лидером отказалась безымянная батарейка, продающаяся в гипермаркете Ашан, ее ватт мощности оказался самым дешевым, оставив далеко позади именитые фирмы.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Устройство батарейки

Батарейки используют уже давно, чтобы электронные устройства продолжали функционировать и без подключения к розетке. Эти изделия называют источниками электричества для автономного питания устройств. Первые батарейки именовались гальваническими элементами.

Что такое батарейка

В батарейках электричество возникает благодаря взаимодействию разных химических веществ. И принцип работы этих изделий легко можно отыскать в учебниках по физике. Все элементы собраны из одних и тех же частей.

Устройство батарейки

Устройство батарейки простое. Различия между разными типами батарей минимальны. В основе каждой конструкции имеются:

1. Полюс положительный — анод.
2. Полюс отрицательный — катод.
3. Электролит.

Принцип работы батарейки

Как работает батарейка

Положительно заряженные частицы двигаются к отрицательным. Средой, где происходит данное движение, является электролит. Заряженные частицы образуются в процессе взаимодействия разных веществ. Весь принцип работы батарейки сводится к химической реакции.

Для прибора необходима нагрузка в виде лампочки или диода, в противном случае при контакте «плюса» и «минуса» может произойти короткое замыкание.

При работе элемента аноды окисляются и разрушаются. Со временем изделие теряет заряд и требует замены. Попытки восстановить его ни к чему хорошему не приведут, т.к. изменения, происходящие в батарее, необратимы.

Если попытаться зарядить конструкцию, то это приведет к взрыву или течи. Но ученым путем проб и ошибок удалось создать восполняемую батарею — аккумулятор.

Какие бывают батарейки

Батарейки в зависимости от «начинки» разделяются на несколько видов. Солевые конструкции намного дешевле щелочных. Их выпуском занимаются такие фирмы, как «Дюрасел», «Сони», «Тошиба». Они являются потомками марганцево-цинковых конструкций. Их рекомендуют использовать в устройствах с низким уровнем потребления напряжения, таких как часы, электронные весы, пульты управления.

Наиболее известные производители батареек «Дюрасел», «Сони» и «Тошиба»

Существенным недостатком этих элементов является короткое время работы заряда. Они быстро расходуют свой ресурс. При длительном использовании элементы подобного типа начинают течь. При отрицательных температурах солевые конструкции не работают.

Щелочные устройства появились относительно недавно, в 60-х гг. прошлого века. Первыми их начала выпускать фирма «Дюрасел». Данный тип батарей более надежен и имеет большую мощность.

При длительном хранении в отличие от солевых батарей они не теряют свой заряд. На таких элементах всегда присутствует надпись «alkaline». Но и у них есть недостатки. Такие элементы более массивны. Их устанавливают в детских игрушках, радио, ночниках, иными словами, в приборах, потребляющих большое количество энергии. Еще один недостаток — высокая стоимость.

Третий вид ртутных изделий менее популярен, т.к. не получил широкого распространения в силу ряда причин. В первую очередь от их применения пришлось отказаться из-за вещества, за счет которого осуществляется их работа. Ртуть может нанести вред здоровью человека.

У этих элементов есть 1 существенное преимущество перед другими видами. Существует возможность их повторной зарядки, но даже это не повлияло на их востребованность. Плюсами этих элементов являются стабильная работа при низких температурах и длительные сроки хранения без утраты заряда.

Домашнее зарядное устройство для батареек

Наименее популярны серебряные элементы. В состав их электродов входит серебро. За счет этого увеличивается срок службы, повышается энергетическая плотность и постоянное номинальное напряжение. Большим минусом является их высокая стоимость. Существенным плюсом — высокая емкость, которая во много раз превосходит подобный показатель у солевых и щелочных элементов питания.

Они одинаково хорошо работают и при высоких, и при низких температурах. Срок функционирования — достаточно велик по сравнению с другими типами элементов.

Литиевые конструкции были разработаны последними. Они объединили в себе самые лучшие свойства остальных типов батарей. Их можно эксплуатировать практически в любых условиях, имеется возможность их дальнейшей подзарядки.

Они являются самыми надежными элементами. Их рекомендуется использовать в приборах с большим энергопотреблением.

Различия устройства разных типов батареек

Элементы питания различаются не только по типу веществ, участвующих в образовании заряда. Разделяются батарейки на группы по своей форме и размерам.

По форме все элементы распределяются на 3 группы:

1. Дисковые.
2. Цилиндрические.
3. Квадратные.

Дисковые батарейки являются наиболее востребованными.

Существуют 2 способа их маркировки: американская (менее распространена) и европейская (более привычна). Маркировка помогает точно подобрать необходимый для прибора элемент питания.

Цилиндрические батарейки

Цилиндрические батарейки

Самые маленькие изделия имеют маркировку — А23. Их называют мини-мизинчиковыми. Следующие, по списку — пальчиковые, их маркировка — АА. Потом следуют мизинчиковые — ААА. Редко для устройства могут понадобиться маленькие мизинчиковые — АААА.

Следующие 2 вида практически не используются: средняя — С и большая — D.

У цилиндрических устройств показатель напряжения доходит до 6V.

Квадратные батарейки

Квадратные батарейки

Самое большое напряжение выдают батарейки, имеющие квадратную форму, — до 9V. Но и этот тип почти не востребован.

На любом элементе питания обязательно указывается вид применяемого электролита. Размер каждого типа элемента питания может отличаться на 1-2 мм в зависимости от производителя.

Причина таких отличий кроется в толщине оболочки, которая используется для защиты от падения и неблагоприятных воздействий окружающей среды. Чаще всего на ней указывается название фирмы-производителя и маркировка.

Брендовые конструкции отличаются высоким качеством и имеют гарантию. На некоторых видах элементов питания есть особая маркировка — «rechargeable». Данная надпись означает, что элемент питания можно зарядить с помощью специального устройства.

Дисковые батарейки

Дисковые батарейки

Дисковые конструкции производят для совсем маленьких по размеру устройств. У них, как и у цилиндрических батареек, имеется своя система маркировки. Показатель напряжения у этого типа — до 3V.

Среди многообразия батареек, выбрать нужную достаточно сложно. В первую очередь необходимо ориентироваться на прибор, для которого приобретаются элементы питания.

Для мощных устройств нет смысла брать щелочные батареи, т.к. их заряд быстро закончится. В этом случае лучшее решение — литиевые. Их срок службы оправдывает высокую стоимость.

Кроме того, часто производители приборов в инструкции указывают, какой тип батареек подходит для их техники.

Создана первая в мире «вечная» батарейка. Она стоит дешевле литиевых аккумуляторов. Видео

26.08.2020, Ср, 09:39, Мск
, Текст: Эльяс Касми

В США созданы первые прототипы бета-гальванической батареи, способной работать 28 тыс. лет. В ее основе лежит сердечник из переработанных ядерных отходов, но для человека она безопасна за счет покрытия из специальных синтетических алмазов. В России тоже есть подобные батареи, но они работают не дольше 20 лет.

Бесконечный источник энергии

Американские ученые из компании Nano Diamond Battery разработали «вечный» источник питания, способный работать тысячи и даже десятки тысяч лет. Они создали так называемую «бета-гальваническую батарею» (betavoltaic) и, по их заверениям, даже успешно испытали их в лабораторных условиях. В отечественном институте НИТУ «МИСиС» бета-гальванические элементы питания называют бетавольтаическими.

Как сообщил ресурсу New Atlas исполнительный директор Nano Diamond Battery Нима Голшарифи (Nima Golsharifi), одна такая батарейка может работать до 28 тыс. лет. Такой элемент питания может использоваться, по мнению разработчиков, в самых разных видах техники, начиная от носимых устройств и мобильных гаджетов и заканчивая средствами передвижения – поездами, электромобилями и даже самолетами.

Как работают такие батареи

В основе работы бета-гальванических батарей лежит принцип преобразования альфа- и бета-излучений радиоактивного вещества в обычный электрический ток, питающий всю современную технику. Как заверил Нима Голшарифи, созданным компанией источникам энергии можно придавать практически любую форму, другими словами, их можно выпускать в виде привычных многим батареек различных форматов – АА, 18650, CR2032 и др.

Батарейка Nano Diamond Battery может работать тысячелетиями

Конструкция бета-гальванической батареи состоит в первую очередь из радиоактивного сердечника, который выступает в качестве источника изотопов. Нима Голшарифи подчеркнул, что сердечник изготавливается из небольшого количества переработанных ядерных отходов.

Для того чтобы сделать батареи безвредными для людей и окружающей среды, специалисты Nano Diamond Battery покрыли «фонящий» сердечник специальными нерадиоактивными синтетическими алмазами, выращенными в лабораторных условиях. Это очень дешевые в производстве аналоги обычных алмазов.

Изотопы радиоактивного элемента в процессе так называемого «неупругого рассеяния» взаимодействуют с алмазным покрытием, и в итоге энергия бета-излучения преобразуется в электрический ток.

Для чего нужна «вечная» батарея

Столь значительный период работы батарей разработчики объяснили тем, что используемое в качестве сердечника вещество может оставаться радиоактивным сотни и тысячи лет. Они отметили также, что такие батареи могут вырабатывать чрезмерно большое количество энергии, которую они предлагают хранить в дополнительной «буферной» емкости. В качестве такой емкости могут служить суперконденсаторы, а в России, как сообщал CNews, как раз научились изготавливать их из бесполезного сорного растения – борщевика.

Лабораторные испытания

Прототипы бета-гальванических батарей, разработанные в Nano Diamond Battery, были протестированы в двух лабораториях – Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и Ливерморской национальной лаборатории им Э. Лоуренса. Результаты испытаний показали, что творение ученых компании обходили другие элементы питания на основе синтетических алмазов – если те демонстрировали 15-процентный прирост эффективности в сравнении с традиционными батареями, включая литий-ионные, то в случае разработки Nano Diamond Battery этот показатель был 40-процентным.

Форму батарее Nano Diamond Battery можно придать любую

В то же время разработчики пока не могут точно сказать, когда элементы питания, основанные на разработанной ими технологии, начнут использоваться повсеместно. Первые версии таких элементов питания, пригодные для повседневного использования, могут появиться в течение двух лет.

По их заявлению, использование таких батарей, к примеру, электромобилях намного более эффективно в сравнении с литиевыми. При тех же габаритах они смогут нести в себе большее количество энергии, а использование дешевого искусственного алмаза вместо дорогого лития позволит снизить итоговую стоимость электрокаров.

Тем временем в России

Отечественные специалисты тоже смотрят в сторону атомных портативных элементов питания. К примеру, сотрудники НИТУ «МИСиС» в августе 2020 г. продемонстрировали собственный прототип такой батареи, конструкция которой основана на запатентованной микроканальной 3D-структуре никелевого бета-гальванического элемента. Срок службы такой батарейки – 20 лет.

Особенность трехмерной структуры батарейки заключается в том, что радиоактивный элемент наносится с двух сторон так называемого планарного p-n перехода, что позволяет упростить технологию изготовления элемента, а также контролировать обратный ток, который «крадет» мощность батареи. Особая микроканальная структура обеспечивает увеличение эффективной площади преобразования бета-излучения в 14 раз, что в результате дает общее увеличение тока.

Отечественный вариант бета-гальванической батареи

За счет оригинальной 3D-структуры бета-гальванического элемента размеры батареи, по словам разработчиков, уменьшились втрое, удельная мощность повысилась в 10 раз, а себестоимость снизилась на 50%.

«Выходные электрические параметры предложенной конструкции составили: ток короткого замыкания IКЗ — 230 нА/см² (в обычной планарной — 24 нА), итоговая мощность — 31 нВт/см², (в планарной — 3 нВт). Конструкция позволяет на порядок повысить эффективность преобразования энергии, выделяющейся при распаде β-источника, в электроэнергию, что в перспективе снизит себестоимость источника примерно на 50% за счет рационального расходования дорогостоящего радиоизотопа, — отметил один из разработчиков Сергей Леготин, доцент кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников НИТУ «МИСиС».

Батарейка может быть применена в нескольких функциональных режимах: в качестве аварийного источника питания и датчика температуры в устройствах, используемых при экстремальных температурах и в труднодоступных (или совсем не доступных) местах: в космосе,

Cолнечная батарея, как работает и производится

Содержание:

Ежесекундно огромное количество солнечной энергии поступает на поверхность нашей планеты,  давая жизнь всему живому. Достойной задачей для пытливых умов является решение, которое заставило бы ее служить нуждам людей. И это уже пытаются воплотить в жизнь те, кто изобрел конструкцию солнечной батареи, способной преобразовывать солнечный свет в электрическую энергию.

Понять, как работает солнечная батарея, легче на примере конструкции, в основе которой лежит монокристаллический кремний.

Как устроена солнечная батарея

Два слоя кремния с разными физическими свойствами образуют тонкую пластину. Внутренний слой – монокристаллический чистый кремний с р-типом проводимости, который покрыт снаружи слоем кремния «загрязненного». Это может быть, к примеру, примесь фосфора. Он обладает проводимостью n-типа. Тыльная сторона пластины покрыта сплошным металлическим слоем.

В каркасе фотоэлементы закреплены таким образом, чтобы можно было заменить, вышедший из строя. Вся конструкция покрыта закаленным стеклом или пластиком, которые ее защищают от  негативного воздействия внешних факторов.

Принцип работы солнечной батареи

В результате перетечки зарядов на границе p- и n- слоев, в n-слое образуется зона нескомпенсированного положительного заряда, а в p-слое – отрицательного заряда, т.е. известный всем из школьного курса физики p-n-переход. Разность потенциалов, возникающая на переходе контактная разность потенциалов (потенциальный барьер) препятствует прохождению электронов с p-слоя, но беспрепятственно пропускает неосновные носители в направлении противоположном, что позволяет получить фото-ЭДС при попадании на ФЭП солнечного света.  

При облучении солнечным светом, поглощенные фотоны начинают генерировать неравновесные электронно-дырочные пары. Генерируемые же вблизи перехода электроны, из p-слоя переходят в n-область.

Аналогичным образом попадают в p-слой избыточные дырки и слоя n (рисунок а). Получается, что в p-слое накапливается  положительный заряд,  а в n- слое – отрицательный, вызывая напряжение во внешней цепи (рисунок б). У источника тока есть два полюса: положительный — p-слой и отрицательный — n-слой.

Это основной принцип работы солнечный элементов. Электроны, таким образом, будто бегают по кругу, т.е. выходят из p-слоя и возвращаются в n-слой, проходя нагрузку (аккумулятор).

Фотоэлектрический отток в однопереходном элементе обеспечивают лишь те электроны, которые обладают энергией выше, чем ширина некой запрещенной зоны. Те же, которые обладают меньшей энергией, в этом процессе не участвуют. Это ограничение снять позволяют структуры многослойные, состоящие из более чем один СЭ, у которых ширина запрещенной зоны различная. Их называют каскадными, многопереходными или тандемными. Фотоэлектрическое преобразование у них выше за счет того, что работают такие СЭ с более широким солнечным спектром. В них фотоэлементы располагаются по мере уменьшения ширины запрещенной зоны. Солнечные лучи вначале попадают на фотоэлемент с самой широкой зоной, при этом происходит поглощение фотонов с наибольшей энергией.

Затем, фотоны, пропущенные верхним слоем, попадают на следующий элемент и т.д. В области каскадных элементов основным направлением исследования является использование в качестве одного компонента или нескольких арсенида галлия. У таких элементов  эффективность преобразования составляет 35%. Элементы соединяют в батарею, поскольку  изготовить отдельный элемент большого размера (следовательно, и мощности) не позволяют технические возможности.

Солнечные элементы способны работать длительное время. Они себя зарекомендовали как стабильный и надежный источник энергии, пройдя испытания в космосе, где главной опасностью для них является метеорная пыль и радиация, которые приводят к эрозии кремниевых элементов. Но, поскольку, на Земле эти факторы не оказывают на них столь негативного действия, можно предположить, что срок службы элементов будет еще более продолжительным.

Солнечные батареи уже находятся на службе человека, являясь источником питания для  различных устройств, начиная от мобильных телефонов и заканчивая электромобилями.

И это уже вторая попытка человека обуздать безграничную солнечную энергию, заставив работать ее себе во благо. Первой попыткой было создание солнечных коллекторов, электричество в которых вырабатывалось за счет нагрева сконцентрированными лучами солнца воды до температуры кипения.

Термальная солнечная электростанция в Испании (город Севилья)

Преимущество солнечных батарей в  том, что они непосредственно производят электричество, теряя энергии намного меньше, чем солнечные многоступенчатые коллекторы, в которых процесс ее получения связан с концентраций лучей Солнца, нагревом воды, выделением пара, вращающего паровую турбину и только после этого выработке генератором электричества. Основные параметры солнечных батарей – в первую очередь, мощность. Затем важно, каким запасом энергии они обладают.

Зависит этот параметр от емкости аккумуляторов и их числа. Третьим параметром является пиковая мощность потребления, означающая количество одновременно возможных подключений приборов. Еще одним важным параметров является номинальное напряжение, от которого зависит выбор дополнительного оборудования: инвертора, солнечной панели, контроллера, аккумулятора.

Виды солнечных батарей

Все солнечные панели кажутся на первый взгляд одинаковыми – покрытые стеклом темные элементы с металлическими полосками, проводящими ток, помещенными в алюминиевую раму.

Но, солнечные батареи классифицируют по мощности вырабатываемого ею электричества, зависит которая от  конструкции и площади панели (они могут быть миниатюрными пластинками с мощностью до десяти ватт и широкими «листами» на двести и более ватт).

Кроме этого, различаются они  по типу образующих их фотоэлементов: фотохимические, аморфные, органические, а также созданные на основе кремниевых полупроводников, у которых коэффициент фотоэлектрического преобразования в несколько раз больший. Следовательно, больше и мощность (особенно во время солнечной погоды). Конкурентом последних может быть солнечная батарея на основе арсенида галлия. То есть, на рынке сегодня встретить можно пять типов солнечных батарей.

Они отличаются материалами, используемыми для их изготовления:

1. Панели из поликристаллических фотоэлектрических элементов, с характерным синим цветом солнечной панели, кристаллической структурой и КПД, равным 12-14%.

Поликристаллическая панель

2. Панели из монокристаллических элементов – более дорогие, но и более эффективные (КПД – до 16%).

Монокристаллическая панель

3. Панели солнечные из аморфного кремния, у которых КПД самый низкий – 6-8%, но вырабатывают они наиболее дешевую энергию.

Панель из аморфного кремния

4. Панели из теллурида кадмия, создаваемые по пленочным технологиям (КПД – 11%).

Панель, в основе которой лежит теллурид кадмия

5. Наконец, солнечные панели на основе полупроводника CIGS, состоящего из селена, индия, меди, галлия. Технологии их получения тоже пленочные, но КПД доходит до пятнадцати процентов.

Панель солнечная на основе CIGS

Кроме этого, панели солнечные могут быть гибкими и портативными.

Гибкие солнечные батареи

Очень удобными являются гибкие панели, которые легко сворачиваются в рулон, словно обычная бумага. Хотя стоимость их выше, чем твердотельных аналогов, они на рынке заняли свою нишу. В основном  они пользуются спросом у туристов и путешественников, которым в условиях отсутствия электрификации необходимо заряжать мобильные гаджеты. Главным производителем гибких батарей, работающих от солнечной энергии, является компания Sun Charger, которая, к слову, недавно обновила свой модельный ряд моделями 34 Вт и 9Вт. 

 T_3Fq3YnxMk 

Первая модель подходит для питания планшетов, сотовых телефонов, видеокамер, цифровых фотоаппаратов, GPS, гелевых аккумуляторов 6 и 12 вольт, т. е. она может в условиях похода обеспечить потребности нескольких человек.

SunCharger SC-9/14  — батарея в сложенном виде

Она же — в раскрытом виде

Особенности батареи: компактная складывающая конструкция, работающая в диапазоне температур от -50 до +70 градусов, вес которой всего 420 граммов, снабжена антибликовым покрытием, встроенным светодиодом, люверсами для крепления. Выходной разъем круглый (5.5 мм / 2.1 мм.).

Характеристики электрические: рабочее выходное напряжение 13,5 В (стандартное 12В), без нагрузки – 19В; рабочий выходной ток – 0,65 А; габариты в сложенном и развернутом виде — 20.5х15х3 см и 50х41.5х0.4 см; мощность выходная – 8,6 Вт.

Выходной разъём SunCharger SC-9/14

Вторая модель  SunCharger SC-34/18 на сегодняшний день является в линейке гибких  солнечных батарей самой мощной. Разработана она специально для универсальных накопителей (ноутбуков), имеющих на входе зарядки, как правило, 17-19 вольт. Максимальная мощность – 18В. К накопителям она подключается напрямую, что обеспечивает идеальное согласование. Понятно, что для менее «прожорливых» накопителей она также подходит, в том числе для двенадцати вольтовых свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях.

Солнечная батарея выдает 18 В в точке своей максимальной мощности и напрямую подключается к этим накопителям. Таким образом, она «идеально» с ними согласована.

Естественно, эта батарея подходит и для зарядки менее прожорливых потребителей. Как известно, мощности мало не бывает. А также спокойно заряжает 12 В свинцовые аккумуляторы, в том числе, и автомобильные (через несколько часов зарядки уже можно завести машину). Толщина ее 4 см (т.е. стала чуть больше), но получилась батарея даже немного компактнее, чем обычные батареи на 12 В.

Солнечная гибкая батарея (модель SunCharger SC-34/18)

Достигнуто это за счет более тонкой ткани, используемой в ее производстве и ламинированных фотоэлементов большей площади.

Эта же  батарея в раскрытом виде

Помимо особенностей, характерных для предыдущей модели, здесь имеются на выходе помимо круглого разъема, еще «мама» и «папа».

Электрические характеристики: мощность выходная, как понятно из маркировки, 34 Вт; рабочий выходной ток – 1.9 А; габариты  40х18х4 см (в сложенном виде) и 40х18х4 см (в раскрытом). Напряжение на выходе – 18 В и 26 В (без нагрузки). Вес, конечно, намного больше – 1,7 кг.

Портативная солнечная батарея – специально для туристов

У каждого в наше время есть электронные гаджеты. Не суть, что у кого-то их меньше, а кого-то больше. Все их необходимо заряжать, а для этого нужны зарядные устройства. Но, особенно остро этот  вопрос касается тех, кто попадает в места, где отсутствует электропитание. Единственным выходов являются солнечные батареи. Но, цены на них остаются высокими, а выбор — небольшим. Оптимальным вариантом, как принято считать, является продукция компании Goal Zero (хотя есть и российская продукция, и китайская – как всегда вызывающая сомнении).

Но, оказалось, что не все то плохо, что сделано в Китае или Корее. Особенно порадовала солнечная батарея компания YOLK из Чикаго, которая начала производство компактной солнечной батареи Solar Paper – самой тонкой и легкой. Ее вес всего 120 граммов. Но есть и другие преимущества – модульная конструкция, позволяющая наращивать мощность. Солнечная батарея похожа на  пластиковую коробку, по размерам напоминающую Ipad, только тоньше в два раза. На ее лицевой стороне размещена солнечная панель. Есть на корпусе выход для ноутбука и порты USB и для подключения других солнечных панелей, а также фонарик. Внутри этой чудо коробки – аккумуляторы и плата управления. Зарядить девайс  можно от розетки, причем, одновременно это могут быть телефон и два ноутбука. Конечно, заряжается устройство и от солнца. Как только на него попадает свет, загорается индикатор. В походных условиях солнечная панель просто незаменима: с успехом заряжает все нужные устройства – телефоны быстрее,  ноутбуки.

Портативные солнечные батареи отличаются компактными размерами: они выпускаются даже в виде брелков, прикрепить которые можно к чему угодно. Разрабатывались они для того, чтобы можно было их взять на рыбалку, в поход и пр. Обязательно у них имеется фонарик, чтобы ночью можно было осветить дорогу, палатку и т.д., крепления, позволяющие легко их разместить на рюкзаках, байдарках, палатках. Очень важно, чтобы в таком устройстве был встроенный аккумулятор, позволяющий заряжать девайсы и в ночное время.

Эффективность солнечных батарей

Ученые работают над тем, чтобы увеличить коэффициент полезного действия, но пока лидируют по этому показателю солнечные панели из монокристаллических элементов. Состоящие из нескольких слоев  — монокристаллические панели, устроены так, что один из слоев поглощает энергию зеленого цвета, другой – красного, третий – синего. Но, стоимость таких панелей очень высокая.

Производство солнечных батарей

Солнечная батарея состоит, как известно, из нескольких обязательных частей. Основой основ у нее, подобно двигателю у машины или сердцу у человека, является солнечная панель – прозрачный прямоугольный короб с темными квадратиками тонко нарезанного кремния внутри. Кремний, используемый в производстве, а точнее его оксид (соединение с кислородом) – основной элемент производства солнечных батарей. 

Технологии, лежащие в основе производства солнечных батарей, все время совершенствуются и состоят из нескольких этапов.

• На первом этапе подготавливают сырье: очищают кварцевый песок, прокаливая его с коксом. В результате он освобождается от кислорода, превращаясь в куски чистого кремния, напоминающие чем-то уголь. Затем, из него выращивают кристаллы – основу солнечных панелей, упорядочив структуру кремния. Для этого чистый кремний опускают в тигель, нагревают до высокой температуры, добавляя в расплавленную лаву затравку. Можно сравнить ее с образцом будущего кристалла, вокруг которого, слой за слоем нарастает кремний упорядоченной структуры. После нескольких часов роста получается кристалл монокремния (или поликристаллический кремний, процесс получения которого более затратный, что сказывается на цене солнечных батарей из него), напоминающий большую сосульку. Затем заготовку  цилиндрическую превращают в параллелепипед. После этого заготовку режут на пластины толщиной 100-200 микрон (толщина трех человеческих волос), тестируют их, сортируют и направляют на следующую стадию обработки.
• На втором этапе пластина паяют в секции, их кот

Одноразовые и заряжаемые батареи: как они работают

Подробности

апреля 03, 2017

Просмотров: 5012

Многие современные гаджеты сейчас используют литий-ионные батареи, но есть много других устройств, которые не подходят для такого типа питания. У некоторых все еще есть отсеки, которые вы должны открывать и вставлять батареи, которые вы купили сами.

Допустим, вам нужна батарейка ААА. Вы возьмите одноразовую или ту которую сможете подзаряжать? Почему Вы не можете заряжать их все? Какая разница? Оказывается, это вопрос науки и стоимости.

Как работают батареи

Батареи имеют положительную и отрицательную клеммы. Положительная подключается к катоду, а отрицательная к аноду. Катод и анод как известно, это электроды. Они занимают большую часть батареи, и именно здесь происходят химические реакции.

Эти электрохимические реакции, производят электричество, которое питает ваше устройство. Разделитель предотвращает от прикосновения катода и анода.

Батареи работают через комбинацию окисления и восстановления. Анод окисляется, то есть он теряет электроны. В то же время катод поглощает электроны в процессе, называемом редукцией. Это происходит только тогда, когда нагрузка завершает цепь между двумя клеммами. Эта нагрузка — ваше устройство.

Почему не все батареи являются аккумуляторами?

Одноразовые батарейки — все щелочные, что означает, что катод изготовлен из оксида марганца и анодом является цинковый порошок. Электролитом является гидроксид калия (т. е. щелочная часть). В конце концов, производящая энергию реакция разъедает анод, предотвращая дальнейшие реакции. В этом случае батарея «умирает».

Аккумуляторные батареи бывают различных форм. В ноутбуках и смартфонах применяются литий-ионные батареи. Они используют оксид лития-кобальта в качестве катода и углерод в качестве анода. В отличие от одноразовых батарей, вы можете получить обратно электроны от катода к аноду за счет внедрения электричества (т. е. подключении батареи к внешнему источнику питания).

Но это не те аккумуляторы, которые можно использовать вместо одноразовых.

Вместо этого, вы можете использовать никель-кадмиевые аккумуляторы. Никель является катодом, а кадмий анодом. Процесс перезарядки не идеален, поэтому эти аккумуляторы теряют суммарный заряд емкости после сотни циклов перезарядки. К счастью, некоторые новые модели могут выдержать сильный заряд через тысячи циклов.

Сегодня существуют никель-металл-гидридные аккумуляторы (NiMH), которые имеют значительно более медленную скорость разряда, чем никель-кадмиевые батареи. Даже после года на полке, они все равно сохранят большую часть своего заряда. Они также имеют 2x-3x суммарную емкость заряда.

Почему не использовать всегда аккумуляторные батареи? Это сводится к вопросу стоимости. Материалы, используемые в одноразовых батареях, стоят дешевле, поэтому они так хорошо работают в устройствах, где требуется лишь небольшое количество энергии (например, фонарики и светодиодные свечи), и остаются экономически эффективным. Литий-ионные аккумуляторы являются более дорогими в производстве, но они производят много энергии. Никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные батареи где-то посередине.

Какой тип следует использовать?

Это зависит от ваших потребностей, вашего бюджета, и ваших ценностей.

Одноразовые батареи значительно дешевле, чем перезаряжаемые. Допустим, вам нужны несколько батареек для фонариков, цифровой камеры, игровых контроллеров, рации, детектора дыма и термостата. Приобретая столько перезаряжаемых батарей одновременно, вы можете потратить кучу денег. А приобрести кучу дешевых одноразовых батареек обойдется вам куда дешевле.

С другой стороны, эти более дешевые расходные материалы не будут работать так долго как аккумуляторы. И независимо от того, какой бренд вы покупаете, время всегда наступит, когда вам нужно будет покупать новые батарейки. Все устройства потребляют различное количество энергии, поэтому некоторые из батареек прослужат год, в то время как другие сгорят до того, как закончится неделя, — но все они рано или поздно умирают.

Для тех устройств, которые потребляют электроэнергию несколько быстрее, например, цифровых камер или игровых контроллеров, вы должны отдавать предпочтение перезаряжаемым батарейкам. Таким образом, вы можете продолжать использовать те же батарейки на протяжении многих лет, а не покупать одноразовые несколько раз в год.

Если вас заботит окружающая среда и вы хотите потреблять меньше мировых ресурсов, вам следует использовать аккумуляторные батарейки. Таким образом, вы можете использовать десять батарей в течение нескольких лет, а не сотни одноразовых. Это изменение уменьшает количество полезных ископаемых, которые необходимо добывать, чтобы производить больше батарей, и это снижает количество батареек, которые в конечном итоге оказываются на свалке.

Имеют ли торговые марки различие?

Большинство производителей батареек использует аналогичные технологии, но их батареи имеют разные мощности. Это означает, что некоторые нужно заряжать чаще, чем другие. Некоторые будут использоваться больше циклов, а значит, вам не придется менять их так часто.

Какие аккумуляторы вы используете?

Аккумуляторные батареи прошли долгий путь. За последние несколько десятилетий, аккумуляторные батареи стали стоить меньше, а работать дольше. Это означает, что даже если вы использовали одноразовые батарейки в прошлом, теперь может быть хорошее время, чтобы пересмотреть вопрос.

Читайте также

Можно ли постоянно держать на зарядке ноутбук и возможные последствия

Изобретение литий-ионных аккумуляторов облегчило жизнь активных пользователей мобильной техники. Без АКБ работа портативных электронных устройств была бы невозможна. При этом каждый пользователь задается вопросом, можно ли постоянно держать на зарядке ноутбук? Учитывая то, что однозначного ответа не найти, а мнения экспертов по этому поводу разделились, детально рассмотрим каждую версию.

СОДЕРЖАНИЕ СТАТЬИ:

Как работают современные LI-ion батареи

Наука не стоит на месте. Сейчас в современных портативных устройствах используются литий-ионные аккумуляторы нового поколения. Первая успешная батарея была выпущена компанией Sony в 1991 г. Но и после этого в результате химического взаимодействия лития с электролитом были известны случаи, когда аккумуляторы мобильных устройств взрывались у пользователей в руках. В результате исследований ученые выяснили, что активен только литий, его оксид, наоборот, довольно стабилен. Поэтому инженеры заменили химический элемент на его ионную форму.

В процессе разрядки литий-ионного аккумулятора происходит движение от отрицательных электродов (анод) к положительным электродам (катод) через электролит и сепаратор. Когда АКБ заряжается, движение происходит в противоположном направлении. К достоинствам LI-ion батареи относят полное отсутствие эффекта памяти, когда подзаряжать АКБ можно по мере необходимости.

Литий-ионные батареи постоянно совершенствуются. Относительно недавно им на смену пришли литий-полимерные батареи, в которых в качестве электролита используется полимерный материал. Главное их достоинство – возможность производства любых типоразмеров.

За зарядом батареи следит специальный контроллер

Контроллер аккумулятора – плата, помещенная внутрь батареи. Литий-ионные накопители не смогут полноценно работать без этого устройства.

Функции и задачи, которые выполняет контроллер:

• оптимизирует работу аккумулятора – увеличивает продолжительность эксплуатации слабых звеньев батареи;
• защищает электросиловую цепь от короткого замыкания и ограничивает ток;
• отслеживает температуру, защищая аккумулятор от перегрева или переохлаждения;
• защищает батарею от глубокой разрядки. Существует пороговое значение – 2,9-3 В. Более низкие показатели приводят к малоприятным последствиям и потере емкости;
• не дает АКБ перезарядиться. Когда напряжение литий-ионного аккумулятора достигает максимального значения – 4,15-4,2 В – питание отключается. В противном случае накопитель может взорваться или вздуться;
• контролирует процесс зарядки. При показателях от 0 до 10 % включает режим предварительной зарядки, затем до отметки в 70-85 % емкости аккумулятора заполняются переменным током. Далее, до максимального значения, батарея находится в режиме дозарядки.

Все функции, которые способен выполнять контроллер, закладываются производителем в процессе изготовления. Перепрошить или перенастроить ОС не получится. Чтобы удешевить продукцию, некоторые «деятели» урезают принцип работы устройства.

А что, если батарея старого поколения

Аккумуляторы старого образца – никель-металлогидридные. Они пришли на смену никель-кадмиевым. Кадмиевый анод ученые поменяли на сплав, абсорбирующий водород. Для их изготовления не применяются тяжелые металлы, поэтому такие батареи экологически безопасные. Это все достоинства АКБ.

К недостаткам никель-металлогидридных аккумуляторов относят:

• быстрый саморазряд АКБ;
• присутствует частичный эффект памяти – периодически приходится аккумулятор полностью заряжать/разряжать;
• мощностная емкость ограничена – увеличение допустимых нагрузок приводит к уменьшению срока службы эксплуатации;
• срок хранения батареи не превышает 3 лет, процесс старения можно замедлить, если держать АКБ в прохладном месте.

Никель-металлогидридные аккумуляторы плохо переносят увеличение температуры выше +25-30 ˚С.

Как продлить срок эксплуатации батареи

Количество циклов зарядки батареи лимитировано в пределах 200-300 (редко 500). На какие факторы следует обратить внимание, чтобы сохранить высокую емкость аккумулятора ноутбука и добиться минимального износа накопителя:

1. Противопоказано эксплуатировать ноутбук в чрезвычайных условиях (температура выше +40 ˚С, ниже 0 ˚С, повышенная влажность).
2. Не стоит слишком часто разряжать аккумулятор до 0 %. Рекомендуется подключать ноутбук к сети при показателе не ниже 5 %.
3. Чтобы сохранить ресурс накопителя, производители категорически не советуют постоянно держать аккумулятор заряженным до максимальной отметки. Достаточно будет 40-60 %.
4. Следите за температурным режимом работы устройства. Перегрев АКБ и корпуса приводит к снижению рабочих характеристик. Когда ноутбук отключается от перегрева, необходимо позаботиться о замене термопасты и чистке системы охлаждения.
5. Не рекомендуется на батарее играть в игры. Это приводит к быстрой разрядке накопителя.
6. Не нужно из ноутбука вынимать аккумулятор. Производители советуют извлекать его, только если длительное время не планируете работать на мобильном устройстве. В таком случае нужно зарядить накопитель до отметки в 100 % и вынуть из ноутбука. Остаточный заряд батареи следует время от времени проверять, чтобы он не опустился ниже 10 %.

Несоблюдение правил приводит к тому, что заменой АКБ придется заниматься каждые 1,5-2 года.

А если вообще вынуть батарею

Некоторые «мудрецы» советуют вынуть аккумулятор из ноутбука, якобы это продлит срок службы накопителя. Различные АКБ имеют ресурс от 300 до 500 циклов зарядки/разрядки. При этом не стоит забывать, что литий-ионные батареи имеют свойство выходить из строя от возраста. Поэтому, когда придет время, аккумулятор, так или иначе, придется менять.

Пользователи, которые прислушиваются к рекомендациям подобного рода, и вынимают батарею из ноутбука, лишь наживают себе лишние проблемы. Пока АКБ находится в гаджете, она исполняет роль источника бесперебойного питания. То есть, когда внезапно отключат электричество, устройство будет питаться от аккумулятора. У юзера будет время завершить начатое, сохранить наработанные данные и выключить лэптоп. Без батареи портативное устройство моментально отключится, все набранные файлы будут утеряны, а система понесет серьезные убытки, вплоть до потери работоспособности.

Выводы: последствия постоянного подключения ноутбука к электросети

Мнения пользователей по этому поводу разделились:

• лучше вынуть АКБ из устройства, помещать ее на место лишь в случае необходимости. Другими словами, рекомендуется использовать ноутбук в качестве стационарного компьютера;
• если держать лэптоп постоянно на зарядке, он перегреется, аккумулятор выйдет из строя раньше времени;
• постоянное подключение к сети никак не влияет на ресурс батареи, не вредит портативному устройству.

Данные рекомендации больше подходят для мобильных устройств старого образца. На лэптопах нового поколения подобные эксперименты лучше не проводить.

Старая техника

Подводим итоги относительно постоянного подключения к сети аккумулятора старого образца:

• в никель-металлогидридных аккумуляторах эффект памяти, хоть и ниже, чем у предшественников, но он есть. Поэтому подключать их к сети необходимо лишь после полной разрядки;
• при частом снижении заряда до 0 % наблюдается необратимая потеря мощности отрицательного электрода;
• батарея теряет зарядную способность, если ее оставить на электропитании на всю ночь.

После 200-300 циклов зарядки/разрядки рабочие емкости батареи значительно снижаются.

Современные модели

В современной мобильной технике установлены литий-ионные аккумуляторы, которые характеризуются низким уровнем саморазрядки, высокой пожаробезопасностью и энергоемкостью, большим сроком службы. Эти батареи сами отключаются от сети, когда набирают необходимое количество энергии, возобновляют зарядку они тоже самостоятельно, когда уровень снизится ниже минимальной отметки. Литий-ионные аккумуляторы наиболее приспособлены для интенсивной эксплуатации ноутбука.

Советы, которые дают производители портативной техники своим пользователям, разнятся. Некоторые советуют работать лишь на аккумуляторе, другие – подключив лэптоп к сети. Единственно верное решение – чередовать эти 2 способа и следить, чтобы ноутбук не перегревался.

Как работают батарейки?

Как работают батарейки?

Как работают батарейки?

Электричество, как вы, наверное, уже знаете, это поток электронов.
через проводящий путь, как провод. Этот путь называется цепью .

Батареи

состоят из трех частей: анода (-), катода (+),
и электролит . Катод и анод (положительный и отрицательный
стороны на обоих концах традиционной батареи) подключены к электрическому
цепь.

Химические реакции в батарее вызывают накопление электронов
на аноде. Это приводит к электрической разнице между анодом и
катод. Вы можете думать об этой разнице как о нестабильном накоплении
электроны. Электроны хотят перестроиться, чтобы избавиться от этой разницы.
Но они делают это определенным образом. Электроны отталкиваются друг от друга и пытаются уйти
в место с меньшим количеством электронов.

В батарее единственное место, куда нужно идти, — это катод.Но
электролит не дает электронам идти прямо от анода к катоду
внутри батареи. Когда цепь замкнута (провод соединяет катод
и анод) электроны смогут попасть на катод. На картинке
выше электроны проходят по проводу, зажигая лампочку вдоль
путь. Это один из способов описания того, как электрический потенциал вызывает появление электронов.
протекать через контур.

Однако эти электрохимические процессы изменяют химические вещества.
в аноде и катоде, чтобы они перестали подавать электроны.Итак, есть ограниченное
количество энергии, доступной в батарее.

Когда вы перезаряжаете батарею, вы меняете направление
потока электронов с помощью другого источника энергии, например солнечных батарей. В
электрохимические процессы происходят в обратном порядке, и анод и катод восстанавливаются
в исходное состояние и снова может обеспечить полную мощность.

Что есть
батареи?
Что
это энергия?

Что такое схема?
Что такое электрон?
Что такое поток электронов?
Что такое DS1
срок службы батареи?
Что
значит электрически заряженный?
Как
атомы заряжены?

Где
энергия приходит и уходит?

Power in your pocket: Как работает аккумулятор | EAGLE

Трудно представить себе мир без батареек.Попрощайтесь со смартфоном, который таскаете в кармане. Или ноутбук, который вы берете с собой куда угодно. О, а та машина, которую ты водишь? Боюсь, вам нужно научиться заводить его вручную, когда батарейки здесь уже нет. Эти маленькие химические супергерои играют огромную и жизненно важную роль в нашей современной жизни, но многие из нас принимают их как должное. Мы просто предполагаем, что они подключаются и обеспечивают питание для более важных целей, но как именно все это работает? К счастью, вы дизайнер электроники, поэтому вам нужно знать немного больше.Возможно, вы просто размещаете держатель батареи на своей печатной плате, но это помогает узнать, что делает эта батарея и почему.

Что такое аккумулятор?

Это может показаться риторическим вопросом, но что такое батарея? Конечно, мы знаем, что он обеспечивает питание, когда мы подключаем его к цепи, но в этом металлическом контейнере могут быть маленькие инженерные гномы, работающие за кулисами! Вы можете думать о батареях как о небольших капсулах с химическим потенциалом. Если оставить его в покое, химическое вещество внутри батареи ничего не делает, но когда вы подключаете его к цепи, эти химические вещества оживают, превращая химическую энергию в электрическую для питания всех ваших самых любимых электронных устройств.

Этот процесс преобразования химической энергии в электрическую может происходить в течение нескольких дней, месяцев или лет, в зависимости от того, какой тип батареи вы выберете и сколько химикатов в ней. Например, вы можете заменять батарею в часах только раз в пять лет, а батареи AA в контроллере Xbox, возможно, придется менять каждый месяц. Чтобы понять, как устроена батарея изнутри, полезно начать с общей анатомии и строения этих маленьких химических супергероев.

Внешняя структура

Начиная с внешней стороны, любая батарея, независимо от формы и размера, всегда будет иметь две клеммы, одну положительную (+) и одну отрицательную (-). В обычных сухих батареях типа AA или AAA эти две клеммы находятся на каждом конце устройства. Но на чем-то более крупном, например, автомобильном аккумуляторе, положительная и отрицательная клеммы находятся на верхней части устройства.

Обычная батарея на 9 В с положительной и отрицательной клеммами на одной стороне.(Источник изображения)

Независимо от того, где расположены клеммы аккумулятора, результат всегда один и тот же. Вы соединяете две клеммы вместе в цепь, чтобы выполнить определенную задачу, которая называется нагрузка . Нагрузкой может быть что угодно, от питания смартфона до вращения мотора.

Внутренняя работа

Внутри батареи происходит передача энергии. Здесь вы всегда найдете три основных компонента, независимо от того, на какую батарею вы смотрите:

• Электроды .Сначала вы найдете пару электродов. Одним из них является анод , , положительно заряженный электрод, который подключается к отрицательной клемме батареи. Другой — это катод , , отрицательно заряженный электрод, который подключается к положительному выводу.
• Разделитель . Эти два электрода всегда следует держать отдельно друг от друга, иначе при включении в цепь произойдет короткое замыкание батареи. Здесь пригодится сепаратор ; он не позволяет электронам течь прямо от анода к катоду.
• Электролит . Наконец, все батареи имеют своего рода химическую пасту или жидкую начинку с ионизированным элементом. У этих ионов много дополнительных электронов. Электролит — это, в конечном счете, то, что позволяет электрическому заряду течь между катодом и анодом. Без электролита в батарее не произошло бы никакого волшебства.

Здесь вы можете увидеть внутреннюю структуру типичной сухой аккумуляторной батареи. (Источник изображения)

Как работает аккумулятор?

Мы уже знаем, что батарея преобразует химическую энергию в электрическую для питания наших электронных устройств.Но как именно работает этот преобразующий процесс? Опять же, независимо от того, с какой батареей вы работаете, первичная электрохимическая реакция , , всегда одинакова.

Во-первых, вы должны подключить батарею к цепи, которая имеет нагрузку, или к той работе, которую должна выполнять батарея. После соединения двух клемм батареи между анодом, катодом и электролитом начинает происходить множество электрохимических реакций.

Первое, что происходит, это то, что анод подвергается процессу, называемому реакцией окисления .Это причудливый способ сказать, что на аноде накапливается куча избыточных электронов из-за смеси ионов в электролитной пасте. Если что-то и нужно знать об электронах, так это то, что они ненавидят находиться рядом друг с другом, когда их слишком много, и поэтому они будут искать новое место, чтобы называть их своим домом. Они могут просто пройти прямо к катоду, но их путь блокирует разделитель, поэтому им придется пройти долгий путь по цепи.

Пока на аноде происходит реакция окисления, на другой стороне батареи происходит реакция восстановления на катоде посредством обмена ионами и свободными электронами.Здесь катод сокращает количество электронов, создавая свободное пространство для электронов на аноде.

В реакциях окисления и восстановления электроны перемещаются от анода к катоду, чтобы найти баланс. (Источник изображения)

Итак, теперь у вас есть две противоположные переменные. У вас слишком много электронов на аноде и недостаточно электронов на катоде. Что происходит? Когда вы подключаете эту батарею к цепи, избыточные электроны на аноде будут проходить по цепи, питая все ваши компоненты, пока они, наконец, не достигнут катода.Этот процесс происходит снова и снова, все благодаря электрохимическому процессу, который приводит в движение электролит. В конце концов, электролитная паста закончится, и когда это произойдет, химическая реакция прекратится, и ваша батарея разрядится.

Чтобы любая батарея могла преобразовывать химическую энергию в электрическую, анод и катод должны быть сделаны из двух проводящих металлов. Почему это? Один металл в батарее должен быть готов накапливать избыточные электроны, а другой — для их уменьшения.Если бы вы использовали два металла одного и того же типа, они оба выполняли бы одно и то же действие, и электрохимический процесс никогда не сработал бы.

Используя два разных металла, такие как цинк в аноде и диоксид марганца в катоде, вы можете гарантировать, что существует сила, толкающая и притягивающая электроны от одного вывода к другому. Весь этот процесс называется электроотрицательностью .

Вы можете увидеть, как все это объединяется, на практическом примере, таком как фонарик:

• Когда вы вставляете батарею в фонарик, вы замыкаете цепь, и химическая энергия внутри батареи начинает преобразовываться в электрическую.
• Внутри батареи избыточные электроны накапливаются на аноде в результате окисления, а электроны на катоде восстанавливаются.
• Электронам теперь нужно куда-то идти, поэтому они выбирают путь наименьшего сопротивления через вашу цепь, чтобы запитать фонарик, от анода до катода.

Батареи будут вести себя одинаково в любом устройстве. Всегда будет разница в электрическом заряде между положительным и отрицательным полюсами, что заставляет электроны течь и генерировать электричество.Без этой разницы в заряде электроны уже были бы в покое и балансе, так зачем им заставлять цепь работать?

Когда используется более одной батареи

Ваш простой фонарик может работать от одной батареи, но большинству устройств требуется более одного химического супергероя, чтобы получить электрическую энергию. От смартфонов до электромобилей вы обычно найдете батареи, расположенные одним из двух способов: Parallel или Serial . Вот разница между ними:

Параллельный

При параллельном подключении нескольких батарей вы получаете одинаковое общее напряжение, но увеличиваете ток.Этот повышенный уровень тока измеряется в ампер-часах или миллиампер-часах. Например, аккумуляторная батарея, измеренная на 500 миллиампер-часов, может производить 500 миллиампер тока на нагрузку в течение часа.

Батареи включенные параллельно увеличение тока. (Источник изображения)

Серийный

При последовательном подключении нескольких батарей вы получаете одинаковый общий ток, но теперь ваше напряжение будет выше. Например, автомобильный аккумулятор состоит из шести отдельных аккумуляторных ячеек, каждая из которых на 2 вольта.В сумме этот автомобильный аккумулятор работает от 12 вольт.

Батареи последовательно увеличивают свое напряжение. (Источник изображения)

Типы аккумуляторов

В мире аккумуляторов есть множество разновидностей на выбор, в зависимости от ваших конкретных потребностей. Вместо того, чтобы просто вываливать вам гигантский список, имеет смысл разделить батареи на две основные категории: Primary и Secondary .

Первичные батареи

Первичные батареи или первичные элементы — это типичные одноразовые батареи, которые работают один раз, пока не разрядятся, а затем выбрасываются.Эти батареи предлагают мгновенный источник энергии в вашем кармане и включают:

Цинк-углерод

Этот первичный элемент представляет собой одноразовую батарею для повседневного использования, которая, вероятно, хранится у вас дома. Этот недорогой аккумулятор питает повседневные электронные устройства, от фонарика до пульта дистанционного управления. В угольно-цинковой батарее положительный электрод сделан из углерода, окруженного порошкообразным углеродом и оксидом марганца. Отрицательный электрод изготовлен из сплава цинка, а электролит состоит из пасты хлорида аммония.

Типичная угольно-цинковая батарея различных размеров. (Источник изображения)

Щелочной

Трудно отличить щелочную батарею от угольно-цинковой, но щелочные батареи могут накапливать и производить больше энергии и часто могут оставаться заряженными годами. В щелочной батарее вы найдете положительный электрод из оксида марганца, отрицательный электрод из цинка и электролит, состоящий из щелочного раствора гидроксида калия.

Щелочные батарейки выглядят как цинковые, но обладают большей мощностью. (Источник изображения)

Литий

Обычно эти литиевые батарейки размером с пуговицу используются в часах и слуховых аппаратах, но они содержат такой же набор химических веществ, как и щелочные батарейки. Верхняя сторона литиевого элемента, отрицательный электрод, сделана из цинка или лития. Нижняя сторона, или положительный электрод, сделана из оксида марганца, оксида серебра или оксида меди.

Эти литиевые батареи могут питать часы годами. (Источник изображения)

Вторичные батареи

В отличие от первичных батарей, которые могут вырабатывать электроэнергию только до тех пор, пока не иссякнет ее химическая энергия, аккумуляторные вторичные батареи могут обратить вспять процесс их старения. Эти батареи направляют всю реакцию электрохимического процесса в обратном направлении, стреляя электронами от катода к аноду, пока элемент батареи не будет полностью восстановлен. Типы вторичных батарей:

Свинцово-кислотный

Это аккумулятор, который вы найдете в вашем автомобиле, и он состоит из шести отдельных аккумуляторных ячеек, каждая из которых вырабатывает 2 вольта, что дает вам 12-вольтовый аккумулятор, подключенный параллельно.Каждый элемент свинцово-кислотной батареи имеет положительный электрод из диоксида свинца, отрицательный электрод из металлического свинца и электролит из серной кислоты.

Свинцово-кислотные аккумуляторы делают всю тяжелую работу по питанию вашего автомобиля. (Источник изображения)

Никель-кадмиевый

Nicad, или Ni-Cd, представлял собой традиционную технологию перезаряжаемых аккумуляторов, которая использовалась до 1990-х годов и часто использовалась как альтернатива утилизации 1,5-вольтовых батарей. Хотя эти аккумуляторные батареи дешевы и их можно перезаряжать сотни раз, они также имеют небольшую проблему с памятью.Как так? Если вы не разрядите аккумулятор Nicad полностью перед его повторной зарядкой, то со временем заряд будет уменьшаться.

Аккумуляторы Nicad склонны к потере памяти. (Источник изображения)

Никель-металлогидрид

Никель-металл-гидридные батареи

работают так же, как и батареи Nicad, но менее подвержены проблемам с памятью. Эта батарея в значительной степени заняла место Nicad после 1990-х годов, главным образом потому, что она менее токсична, чем батарея Nicad, и не требует полной разрядки перед зарядкой.

Вся мощь аккумулятора Nicad без забот о потере памяти. (Источник изображения)

Литий-ионный

Большинство основных электронных устройств в наши дни используют литий-ионные батареи, в том числе ваши смартфоны, ноутбуки, планшеты и т. Д. Литий имеет массу преимуществ по сравнению с NiMH и NiMH батареями, в том числе более экологичен, работает при более высоких напряжениях и дважды хранится. столько же энергии. Кроме того, вы можете заряжать и разряжать литий-ионный аккумулятор без каких-либо проблем с памятью.

Вы когда-нибудь разбирали свой мобильный телефон? Это литиевая батарея, которую вы найдете внутри. (Источник изображения)

Кто изобрел батарею?

Большинство приписывают изобретение Алессандро Вольта в 1791 году, но слышали ли вы когда-нибудь о Багдадской батарее?

Еще в 1938 году археолог Вильгельм Кениг обнаружил несколько странно выглядящих глиняных горшков во время раскопок в Багдаде, Ирак. Горшки датируются примерно 200 г. до н. Э. и содержал железный стержень, окруженный медью.При тестировании внутри были обнаружены следы кислой жидкости, и, если что-то нужно знать об аккумуляторах, у нас есть два разных металла, смешанных с химическим электролитом. Это первая древняя батарея? Были произведены современные копии, и эти багдадские батареи действительно производят электрический заряд.

Багдадская батарея была первой древней батареей? (Источник изображения)

Но что касается 1792 года, багдадских батарей просто не существовало, и поэтому наша история начинается с итальянского врача Луиджи Гальвани, экспериментирующего с ногой мертвой лягушки.Вставив два разных металла в лапу лягушки, он смог произвести то, что он назвал «животным электричеством», когда лапа лягушки подпрыгнула. Однако в то время Гальвани не знал, что лягушка не испускает какое-то первичное электричество. Скорее, он должен был благодарить строительные блоки современной батареи.

Чтобы доказать это, итальянский физик Алессандро Вольта поставил эксперимент, в котором он наложил слои цинка и серебра друг на друга, которые были разделены картоном, пропитанным рассолом.Эта гальваническая батарея, которая сейчас считается первой современной батареей, способна производить постоянный ток.

Гальваническая батарея по замыслу Алессандро Вольта.

Что здесь общего между экспериментами Гальвани и Вольта? Оба использовали основные принципы батарей, используя два разных металла и электролит. Гальвани использовал два разных металлических скальпеля, а лапа лягушки действовала как своего рода химический электролит. В гальванической батарее Вольта рассол действовал как электролит между двумя разными проводящими металлами, цинком и серебром.

После его новаторского эксперимента, Алессандро Вольта приписывают изобретение первой батареи, а остальное хорошо… история. Сегодня мы усовершенствовали этот базовый набор принципов для питания всех наших электронных устройств.

Батареи и конструкция печатной платы

Начинающим конструкторам электроники батареи часто кажутся второстепенными. В конце концов, может быть, вам просто нужно 5 В для стабильного питания постоянного тока. Но что произойдет, если вы работаете с источником батареи 9 В, а одна из ваших микросхем может выдержать только 1?8В? Вот тогда соображения относительно батарей и конструкции питания немного усложняют ситуацию.

Хотя мы не будем вдаваться в подробности проектирования источников питания в этом блоге, он поможет понять основы того, на что обращать внимание как в схеме, так и в топологии печатной платы при работе с батареями. На схеме, планируете ли вы использовать стандартные щелочные батареи или литий-ионные, вы увидите следующие символы:

Типичный символ одноклеточной и двухклеточной батарейки, который вы найдете на схеме.

На этом условном обозначении более длинная линия представляет положительный вывод, а более короткая линия — отрицательный вывод. Вы также можете увидеть батареи с более чем двумя линиями, что указывает на то, что в батарее более одной ячейки.

Вам также необходимо знать, как физический держатель батареи будет выглядеть на вашей печатной плате. Многие начинающие разработчики электроники совершают ошибку, думая, что они кладут настоящую батарею на свою плату, в то время как вы просто устанавливаете держатель для батареек.Если вы когда-нибудь вскрывали электронное устройство, чтобы проверить его внутреннее устройство, возможно, вы видели одно из них:

Типичные держатели батарей, которые можно найти на печатной плате или корпусе. (Источник изображения)

Существует также держатель литиевой батареи таблеточного типа, как показано на изображении ниже, который имеет уникальный физический размер.

Вот держатель литиевой батареи гораздо меньшего размера с его размерами. (Источник изображения)

Хорошо и легко разместить держатель для одноразовой батареи и забыть о нем, но что произойдет, если вы захотите добавить в свою конструкцию автоматическое зарядное устройство? Здесь все немного сложнее.Взгляните на схему ниже, это принципиальная схема автоматического зарядного устройства, и в ней много чего происходит, в том числе:

Схема автоматизированного зарядного устройства может включать в себя множество соединенных деталей. (Источник изображения)

• У нас есть основной источник переменного тока 230 В, который попадает в трансформатор, понижающий напряжение до 15 В.
• Далее необходимо использовать два диода, D1 и D2, для преобразования колеблющегося переменного напряжения в постоянное.
• Эта мощность постоянного тока затем проходит через регулятор напряжения LM3177, который обеспечивает стабильное и стабильное выходное напряжение постоянного тока независимо от того, как изменяется входное напряжение переменного тока.
• Когда аккумулятор полностью заряжен, загорится КРАСНЫЙ светодиод, а стабилитрон D6 начнет проводить. Это направит ток через транзистор BD139 на землю, поэтому полностью заряженный аккумулятор не повредится.

Питание в кармане

Кто бы мог подумать, что эти маленькие химические супергерои могут иметь так много применений, разделяя так много принципов! В наши дни действительно невозможно представить мир без батареек.Эти электростанции отвязали нашу жизнь от шнуров, позволяя нам быть мобильными с нашими электронными устройствами, куда бы мы ни пошли. Независимо от того, какую батарею вы используете, основа всегда одна и та же. У вас есть набор электродов в виде анода и катода, а также электролит, обеспечивающий химическую реакцию. Находясь в движении, химическая энергия превращается в электрическую энергию в виде избыточных электронов, которые перемещаются от анода к катоду, питая вашу цепь.Наши батареи могут становиться более совершенными и дольше удерживать заряд, но в конце концов все они работают одинаково. Помни это.

Знаете ли вы, что Autodesk EAGLE поставляется с множеством бесплатных библиотек батарей, так что вам не нужно тратить время на их создание с нуля? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня, чтобы попробовать их!

Основы работы всех батарей, Дэвид Р. Карпентер

• Домой
• Мои книги
• Обзор ▾
  • Рекомендации
  • Choice Awards
  • Жанры
  • Подарки
  • Новые выпуски
  • Списки
  • Изучить
  • Новости и интервью

  7

• Новости и интервью

Биография

Арт.

• Художественная литература
• Графические романы
• Историческая фантастика2
• История
• Музыка Ужасы
• Тайна
• Научная литература
• Поэзия

• Психология
• Романтика
• Наука
• Научная фантастика
• Самопомощь
• Спорт
• Триллер
• Путешествия
• Молодые люди
• Другие жанры 100
• Сообщество ▾
  • Группы
  • Обсуждения
  • Цитаты
  • Спросите автора

• Войти
• Присоединиться

Зарегистрироваться

4 Просмотреть профиль

4

46

Дом 9046 900