Аккумулятор физика: устройство, разновидности, назначение, принцип работы — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

Принцип работы аккумулятора физика

Содержание

Работа аккумулятора при заряде

В широком смысле слова в технике под термином «Аккумулятор» понимается устройство, которое позволяет при одних условиях эксплуатации накапливать определенный вид энергии, а при других — расходовать ее для нужд человека.

Их применяют там, где необходимо собрать энергию за определенное время, а затем использовать ее для совершения больших трудоемких процессов. Например, гидравлические аккумуляторы, используемые в шлюзах, позволяют поднимать корабли на новый уровень русла реки.

Электрические аккумуляторы работают с электроэнергией по этому же принципу: вначале накапливают (аккумулируют) электричество от внешнего источника заряда, а затем отдают его подключенным потребителям для совершения работы. По своей природе они относятся к химическим источникам тока, способным совершать много раз периодические циклы разряда и заряда.

Во время работы постоянно происходят химические реакции между компонентами электродных пластин с заполняющим их веществом — электролитом.

Принципиальную схему устройства аккумулятора можно представить рисунком упрощенного вида, когда в корпус сосуда вставлены две пластины из разнородных металлов с выводами для обеспечения электрических контактов. Между пластинами залит электролит.

Работа аккумулятора при разряде

Когда к электродам подключена нагрузка, например, лампочка, то создается замкнутая электрическая цепь, через которую протекает ток разряда. Он формируется движением электронов в металлических частях и анионов с катионами в электролите.

Этот процесс условно показан на схеме с никель-кадмиевой конструкцией электродов.

Здесь в качестве материала положительного электрода используют окислы никеля с добавками графита, которые повышают электрическую проводимость. Металлом отрицательного электрода работает губчатый кадмий.

Во время разряда частицы активного кислорода из окислов никеля выделяются в электролит и направляются на отрицательные пластины, где окисляют кадмий.

Работа аккумулятора при заряде

При отключенной нагрузке на клеммы пластин подается постоянное (в определенных ситуациях пульсирующее) напряжение большей величины, чем у заряжаемого аккумулятора с той же полярностью, когда плюсовые и минусовые клеммы источника и потребителя совпадают.

Зарядное устройство всегда обладает большей мощностью, которая «подавляет» оставшуюся в аккумуляторе энергию и создает электрический ток с направлением, противоположным разряду. В результате внутренние химические процессы между электродами и электролитом изменяются. Например, на банке с никель кадмиевыми пластинами положительный электрод обогащается кислородом, а отрицательный — восстанавливается до состояния чистого кадмия.

При разряде и заряде аккумулятора происходит изменение химического состава материала пластин (электродов), а электролита не меняется.

Способы соединения аккумуляторов

Величина тока разряда, которую может выдержать одна банка, зависит от многих факторов, но в первую очередь от конструкции, примененных материалов и их габаритов. Чем значительнее площадь пластин у электродов, тем больший ток они могут выдерживать.

Этот принцип используется для параллельного подключения однотипных банок у аккумуляторов при необходимости увеличения тока на нагрузку. Но для заряда такой конструкции потребуется поднимать мощность источника. Этот способ используется редко для готовых конструкций, ведь сейчас намного проще сразу приобрести необходимый аккумулятор. Но им пользуются производители кислотных АКБ, соединяя различные пластины в единые блоки.

В зависимости от применяемых материалов, между двумя электродными пластинами распространенных в быту аккумуляторов может быть выработано напряжение 1,2/1,5 или 2,0 вольта. (На самом деле этот диапазон значительно шире.) Для многих электрических приборов его явно недостаточно. Поэтому однотипные аккумуляторы подключают последовательно, причем это часто делают в едином корпусе.

Примером подобной конструкции служит широко распространенная автомобильная разработка на основе серной кислоты и свинцовых пластин-электродов.

Обычно в народе, особенно среди водителей транспорта, принято называть аккумулятором любое устройство, независимо от количества его составных элементов — банок. Однако, это не совсем правильно. Собранная из нескольких последовательно подключенных банок конструкция является уже батареей, за которой закрепилось сокращенное название «АКБ» . Ее внутреннее устройство показано на рисунке.

Любая из банок состоит из двух блоков с набором пластин для положительного и отрицательного электродов. Блоки входят друг в друга без металлического контакта с возможностью надежной гальванической связи через электролит.

При этом контактные пластины имеют дополнительную решетку и отдалены между собой разделительной пластиной — сепаратором.

Соединение пластин в блоки увеличивает их рабочую площадь, снижает общее удельное сопротивление всей конструкции, позволяет повышать мощность подключаемой нагрузки.

С внешней стороны корпуса такая АКБ имеет элементы, показанные на рисунке ниже.

Из него видно, что прочный пластмассовый корпус закрыт герметично крышкой и сверху оборудован двумя клеммами (обычно конусной формы) для подключения к электрической схеме автомобиля. На их выводах выбита маркировка полярности: «+» и «-». Как правило, для блокировки ошибок при подключении диаметр положительной клеммы немного больше, чем у отрицательной.

У обслуживаемых аккумуляторных батарей сверху каждой банки размещена заливная горловина для контроля уровня электролита или доливки дистиллированной воды при эксплуатации. В нее вворачиваются пробка, которая предохраняет внутренние полости банки от попадания загрязнений и одновременно не дает выливаться электролиту при наклонах АКБ.

Поскольку при мощном заряде возможно бурное выделение газов из электролита (а этот процесс возможен при интенсивной езде), то в пробках делаются отверстия для предотвращения повышения давления внутри банки. Через них выходят кислород и водород, а также пары электролита. Подобные ситуации, связанные с чрезмерными токами заряда, желательно избегать.

На этом же рисунке показано соединение элементов между банками и расположение пластин-электродов.

Стартерные автомобильные АКБ (свинцово-кислотные) работают по принципу двойной сульфатации. На них во время разряда/заряда происходит электрохимический процесс, сопровождающийся изменением химического состава активной массы электродов с выделением/поглощением в электролит (серную кислоту) воды.

Этим объясняется повышение удельной плотности электролита при заряде и снижение при разряде батареи. Другими словами, величина плотности позволяет оценивать электрическое состояние АКБ. Для ее замера используют специальный прибор — автомобильный ареометр.

Входящая в состав электролита кислотных батарей дистиллированная вода при отрицательной температуре переходит в твердое состояние — лед. Поэтому, чтобы автомобильные аккумуляторы не замерзали в холодное время, необходимо применять специальные меры, предусмотренные правилами эксплуатации.

Какие существуют типы аккумуляторов

Современное производство для различных целей выпускает более трех десятков разнообразных по составу электродов и электролиту изделий. Только на основе лития работает 12 известных моделей.

В качестве металла электродов могут встретиться:

Принцип действия аккумулятора основан на образовании разности потенциалов между двумя электродами, погруженными электролит. При подключении нагрузки (электротехнических устройств) к клеммам аккумулятора в реакцию вступают электролит и активные элементы электродов. Происходит процесс перемещения электронов, который, по сути, и является электротоком.

Принцип действия аккумуляторов

Принцип действия аккумулятора основан на образовании разности потенциалов между двумя электродами, погруженными электролит. При подключении нагрузки (электротехнических устройств) к клеммам аккумулятора в реакцию вступают электролит и активные элементы электродов. Происходит процесс перемещения электронов, который, по сути, и является электротоком.

При разряде аккумулятора (подключении нагрузки) губчатый свинец анода выделяет положительные двухвалентные ионы свинца в электролит. Избыточные электроны перемещаются по внешней замкнутой электрической цепи к катоду, где происходит восстановление четырехвалентных ионов свинца до двухвалентных.

При их соединении с отрицательными ионами серного остатка электролита, образуется сульфат свинца на обоих электродах.

Ионы кислорода от диоксида свинца катода и ионы водорода из электролита соединяются, образуя молекулы воды. Поэтому плотность электролита понижается.

При заряде происходят обратные реакции. Под воздействием внешнего напряжения ионы двухвалентного свинца положительного электрода отдают по два электрона и окисляются в четырехвалентные. Эти электроны движутся к аноду и нейтрализуют ионы двухвалентного свинца, восстанавливая губчатый свинец. На катоде, путем промежуточных реакций, снова образуется двуокись свинца.

Химические реакции в одной ячейке вырабатывают напряжение 2 В, поэтому на клеммах аккумулятора из 6 ячеек и получается 12 В.

Из видео Вы сможете более подробно узнать, как работает аккумулятор:

Аккумуляторные батареи, как и любая другая техника, имеют свое оригинальное устройство, структуру. В современных аккумуляторах используются определенные материалы, внедряются системы, основанные на физических и химических свойствах конкретных веществ и металлов. Рассмотрим принцип работы аккумуляторной батареи на примере свинцово-кислотных.

История аккумуляторов

Первый аккумулятор по официальным данным изобрел в 1798 году Алессандро Вольт – итальянский ученый, разработавший первый химический источник тока.

С 1820 ряд мировых ученых (Ампер, Фарадей, Дэниэл и другие) разрабатывал новые концепции, физические и химические законы, связанные с аккумуляторами.

1899 – Вальдмар Юнгнер разрабатывает батарею, где электродами выступали пластины из кадмия и никеля.

1901 – известный ученый Томас Эдисон изобретает бюджетную по стоимости модель железно-никелевого аккумулятора.

1947 – благодаря ученому Нойману батарея стала полностью герметичной.

1970-е – разработаны первые модели популярных свинцово-кислотных аккумуляторов.

В 1990-х начинается разработка и производство новых моделей аккумуляторов на основе металлгидрида и никеля.

Первый аккумулятор, то есть гальванический элемент многоразового использования, появился, по официальным данным, в 1803 году. Его создал немецкий физик и химик Иоганн Вильгельм Риттер. Друг Эрстеда, Риттер, не будучи ученым, изучал химическое действие света, проводил эксперименты с электролизом, ему, кстати, принадлежит открытие ультрафиолетовой части электромагнитного спектра.

Электрическим аккумулятором называют химический источник тока многоразового действия. Химические процессы внутри аккумулятора, в отличие от оных в одноразовых гальванических элементах, таких как щелочные или солевые батарейки, обратимы. Циклы заряда-разряда, накопления и отдачи электрической энергии, могут многократно повторяться.

Так, сам принцип действия аккумулятора позволяет циклически использовать его для автономного электроснабжения разнообразных устройств, портативных приборов, транспортных средств, медицинского оборудования и т. д. в совершенно различных сферах.

Произнося слово «аккумулятор», имеют ввиду или сам аккумулятор или аккумуляторную ячейку. Несколько последовательно или параллельно соединенных друг с другом аккумуляторных ячеек образуют аккумуляторную батарею, как и несколько соединенных аккумуляторов.

Первый аккумулятор, то есть гальванический элемент многоразового использования, появился, по официальным данным, в 1803 году. Его создал немецкий физик и химик Иоганн Вильгельм Риттер. Друг Эрстеда, Риттер, не будучи ученым, изучал химическое действие света, проводил эксперименты с электролизом, ему, кстати, принадлежит открытие ультрафиолетовой части электромагнитного спектра.

Однажды экспериментируя с вольтовым столбом, Риттер взял пятьдесят кружков из меди, куски влажного сукна, и составил столб из пятидесяти таких кружков и влажного сукна между ними. Пропустив через конструкцию ток от вольтова столба, Риттер обнаружил, что его столб зарядился и сам стал источником электричества. Это и был первый аккумулятор.

Обратимость химической реакции в электролите и на электродах аккумулятора позволяет восстанавливать работоспособность аккумулятора — заряжать его после разряда. Ток в процессе заряда пропускается через аккумулятор в направлении, противоположном разряду.

Так например, свинцово-кислотный аккумулятор работает благодаря электрохимическим реакциям свинца и диоксида свинца в серной кислоте. Формулы ниже отражают обратимые реакции, протекающие на аноде и на катоде: слева направо — реакция при разряде, справа налево — заряд.

Рассмотрим теперь устройство аккумулятора на примере автомобильной стартерной батареи. Ее напряжение 12 вольт. Состоит батарея из шести соединенных последовательно гальванических элементов, разделенных перегородками.

Последовательное соединение в данном случае обозначает, что отрицательный вывод одной ячейки подключен к положительному выводу следующей ячейки.

Каждый элемент включает в себя пару решетчатых электродов из свинцово-сурьмянистого сплава, погруженных в электролит, представляющий собой 38% водный раствор серной кислоты. Пористый сепаратор изолирует электроды друг от друга, предотвращая замыкания между ними, но свободно пропускает через себя электролит. То есть жидкость заполняет как ячейки свинцовых пластин, так и поры сепараторов.

Одноименные пластины соединены между собой свинцовыми перемычками, как и разделенные перегородками пакеты пластин, составляющие отдельные элементы, и выводы аккумулятора — тоже изготовлены из свинца.

Выводы автомобильного аккумулятора всегда немного отличаются в размере друг от друга — плюсовая клемма больше в диаметре чем минусовая, чтобы не ошибиться при подключении.

Корпус аккумулятора изготавливается из диэлектрического материала устойчивого к агрессивным средам, к перепадам температур и к вибрациям. Сегодня корпусы стартерных АКБ делают из полипропилена.

Корпус представляет собой герметично закрытую емкость с крышкой, оснащенную отбортовками для прочного крепления. В корпусах старых аккумуляторов всегда предусматривались пробки над каждым из гальванических элементов, составляющих батарею, чтобы можно было при необходимости доливать в них дистиллированную воду. Современные необслуживаемые аккумуляторы пробок на корпусах не имеют.

Другие статьи про аккумумляторы и их использование:

1. Принцип действия

Главная > Доклад >Физика

Принцип действия и использование аккумуляторов

1. Принцип действия

2. Промышленные аккумуляторы

Итальянский ученый Луиджи Гальвани (1737–1798) открыл возможность получения электрического тока иным, чем электризация трением, способом. Однажды, когда он проводил исследование лягушек, он заметил, что при прикосновении стальным скальпелем к нерву лапка мёртвой лягушки пришла в движение. В дальнейшем Гальвани поставил несколько опытов по обнаружению причины возникновения электрического тока

Аккумулятор – прибор для накопления электрической энергии с целью её дальнейшего использования.

1. Принцип действия

Принцип действия аккумуляторов основан на явлении электролиза.

Электролиз заключается в изменение химического состава раствора при прохождении через него электрического тока, обусловленное потерей или присоединением электронов ионами. Важным свойством электролиза является его обратимость

Аналогично гальваническому элементу можно изготовить и аккумулятор. Для этого используют две свинцовые пластины, погруженные в раствор, содержащий одну часть серной кислоты и пять частей воды. Чтобы зарядить аккумулятор, его соединяют последовательно с амперметром и пропускают через цепь ток

Процесс зарядки состоит в том, что две идентичные пластины аккумулятора вследствие электролиза становятся различными; одна из них, отрицательная, по-прежнему остаётся свинцовой, а материал другой (положительной), превращается в перекись свинца

В аккумуляторе протекают следующие химические реакции (в процессе зарядки реакции идут слева направо, при разрядке – в обратном направлении):

4 + 2H 2 O PbO 2 + Pb + H 2 SO 4

2. Промышленные аккумуляторы

Положительные пластины при производстве промышленных аккумуляторов покрывают толстым слоем перекиси свинца. Отрицательные пластины изготавливаются из пористого губчатого свинца

У обычной аккумуляторной батареи, состоящей из трех последовательно соединенных аккумуляторных элементов, напряжение составляет немногим более 6 вольт. Коэффициент полезного действия аккумуляторной батареи – примерно 75%. На аккумуляторной батарее ставят число, которое показывает количество запасенной в аккумуляторе электроэнергии, выраженной в ампер-часах

Например, 120 ампер-часов означает, что при полной разрядке аккумулятор сможет давать ток в 1 ампер в течение 120 часов, или ток в 2 ампера в течение 60 часов

Необходимо постоянно поддерживать аккумулятор в заряженном состоянии. Даже если батарея не находится в эксплуатации, ее следует регулярно подзаряжать. Необходимо содержать зажимы батареи в чистоте и предохранять от возникновения коррозии. Ни следует допускать замерзания батарей

В основном аккумуляторные батареи используются для запуска двигателей автомобилей и других машин. Возможно так же и применение в качестве временных источников электроэнергии в местах, удаленных от населенных пунктов. Необходимо помнить, что аккумуляторы следует поддерживать в заряженном состоянии, применяя для этого, к примеру, солнечную энергию

В будущем аккумуляторы рассчитывают применять для питания экологически чистых электромоторов

1. Кабардин О. Физика: справочные материалы. М.: Просвещение, 1991, 164 с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: Учебное пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1999. 542 с.

3. Эллиот Л., Уилкокс У. Физика. М.: ГИФМЛ, 1963, 495 с.

Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: стартерные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.

Главная > Реферат >Химия

Министерство науки и образования Республики Казахстан

Актюбинский государственный университет им. К. Жубанова

По дисциплине: Физическая химия.

На тему: Аккумуляторы и принцип их работы.

Выполнил: студент Тихонов Тимур

1. Свинцово-кислотный аккумулятор

4. Физические характеристики

5. Эксплуатационные характеристики

7. Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах

9. Износ свинцово-кислотных аккумуляторов

10. Электри́ческий аккумуля́тор

11. Принцип действия

12. Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор

14. Области применения

Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: стартерные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде. Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.

Химическая реакция (слева-направо — разряд, справа-налево — заряд):

В новых версиях свинцовые пластины (решетки) заменяют вспененным карбоном, покрытым тонкой свинцовой пленкой, а жидкий электролит может быть желирован силикагелем до пастообразного состояния. Используя меньшее количество свинца и распределив его по большой площади, батарею удалось сделать не только компактной и легкой, но и значительно более эффективной — помимо большего КПД, она заряжается значительно быстрее традиционных аккумуляторов. [1]

Теоретическая энергоемкость: около 133 Вт·ч/кг.

Удельная энергоемкость (Вт·ч/кг): 30-60 Вт·ч/кг .

Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): около 1250 Вт·ч/дм³.

ЭДС заряженного аккумулятора = 2,11 В, рабочее напряжение = 2,1 В (6 секций в итоге дают 12,7 В).

Напряжение полностью разряженного аккумулятора = 1,75 — 1,8 В (из расчета на 1 секцию). Ниже разряжать их нельзя.

Рабочая температура: от минус 40 до плюс 40

КПД: порядка 80-90%

Номинальная ёмкость , показывает количество электричества, которое может отдать данный аккумулятор. Обычно указывается в ампер-часах, и измеряется при разряде малым током (1/20 номинальной емкости, выраженной в а/ч).

Стартерный ток (для автомобильных). Характеризует способности отдавать сильные токи при низких температурах. В большинстве случаев замеряется при -18°С (0°F) в течение 30 секунд. Различные методики замера отличаются, главным образом, допускаемым конечным напряжением.

Резервная емкость (для автомобильных). Характеризует время, в течение которого аккумулятор может отдавать ток 25А. Обычно составляет порядка 100 минут.

Ареометр может быть использован для проверки удельного веса электролита каждой секции

Такие нехитрые операции вместе с проверкой автомобиля на утечку тока и периодической подзарядкой аккумулятора могут на несколько лет продлить срок эксплуатации батареи.

Свинцово-кислотный аккумулятор при низких температурах

Свинцово-кислотные аккумуляторы необходимо хранить только в заряженном состоянии. При температуре ниже −20 °C заряд аккумуляторов должен проводиться постоянным напряжением 2,275 В/секцию, 1 раз в год, в течение 48 часов. При комнатной температуре — 1 раз в 8 месяцев постоянным напряжением 2,35 В/секцию в течение 6-12 часов. Хранение аккумуляторов при температуре выше 30 °C не рекомендуется.

Слой грязи и накипи на поверхности аккумулятора создает проводник для тока от одного контакта к другому и приводит к саморазряду аккумулятора, после чего начинается преждевременная сульфатизация пластин и поэтому поверхность аккумулятора необходимо поддерживать в чистоте (то есть его надо мыть перед хранением) Хранение свинцово-кислотных аккумуляторов в разряженном состоянии приводит к быстрой потере их работоспособности.

При длительном хранении аккумуляторов и разряде их большими токами (в стартерном режиме), или при уменьшении ёмкости аккумуляторов, нужно проводить контрольно-тренировочные (лечебные) циклы, то есть разряд-заряд токами номинальной величины.

[2]

Всем этим параметрам и соответствует кислотно-свинцовый аккумулятор, об устройстве которого поговорим ниже.

Обычно для автомобилей применяются кислотно-свинцовые аккумуляторы , которые имеют напряжение 12 вольт и различаются только по емкости заряда. Автомобильный аккумулятор должен обладать несколькими важными параметрами.

Иметь малое внутренне падение напряжения
Иметь небольшой саморазряд во время эксплуатации
Иметь способность выдавать большие токи
Иметь небольшие габариты и минимальное обслуживание.

Всем этим параметрам и соответствует кислотно-свинцовый аккумулятор, об устройстве которого поговорим ниже.

Элемент Даниэля-Якоби за прошедшие столетия был значительно улучшен и модернизирован. Выработка электричества стала производиться более компактными и производительными устройствами, которые к тому же теперь восстанавливают свой ресурс. Но общий принцип работы аккумулятора остался тот же и сегодня.

Общие сведения

Невозможно представить работу множества современных приборов и механизмов, без аккумулятора – компактного источника жизненной энергии для нашпигованных электроникой и автоматикой всяческих устройств.

Автомобильная стартерная аккумуляторная батарея (АКБ) – так официально называется подобное устройство в транспортных средствах. Хотя принцип работы и конструкцию аккумулятора изучают ещё в средней школе на уроках физики, но многие успевают к началу самостоятельной жизни автолюбителя изрядно забыть столь ценные знания.

Давайте немного оживим наши познания и вспомним, что за штука такая – аккумулятор, как ему удается сохранять и отдавать накопленное электричество. Основной принцип работы аккумулятора – использование эффекта возникновения разности потенциалов (напряжения) между двумя погруженными в раствор электролита металлическими пластинами. Работающий на этом эффекте элемент впервые был сделан в 1836-1838 годах. Одна из пластин в нем была медной, другая цинковой, но она быстро растворялась в электролите.

Элемент Даниэля-Якоби за прошедшие столетия был значительно улучшен и модернизирован. Выработка электричества стала производиться более компактными и производительными устройствами, которые к тому же теперь восстанавливают свой ресурс. Но общий принцип работы аккумулятора остался тот же и сегодня.

Устройство аккумуляторной батареи

Следует уточнить, что французский физик Гастон Плант в 1859 г. создал свинцово-кислотную батарею, площадь которой была всего 10 кв. м. Современный аккумулятор является копией батареи Планта, но только уменьшенной во много раз.

Все детали конструкции батареи объединены в корпусе, который можно видеть как единый элемент аккумулятора под капотом автомобиля.

Конечно, правильно было бы называть аккумулятором лишь одну, отдельно взятую ячейку. Несколько таких ячеек должны быть названы аккумуляторной батареей. Так, каждый из шести отдельных аккумуляторов («банок») в стандартной аккумуляторной батарее легкового автомобиля (12 В) вырабатывает напряжение в 2 В.

Крайне серьезные и даже жесткие требования предъявляются к корпусу батареи, который должен обладать достаточной виброустойчивостью, справляться со значительными изменениями температур, а так же выдерживать воздействие агрессивных химических реагентов. Всем этим запросам удовлетворяет современный синтетический материал – полипропилен, именно поэтому в большинстве случаев при изготовлении корпуса используется именно этот материал.

Основная глубокая емкость и закрывающая её крышка – это те части, из которых состоит корпус. Крышка может быть оснащена либо дренажной системой, которая выводит вырабатывающийся газ и стабилизирует давление внутри батареи, либо горловинами с пробками. Вид крышки зависит от типа АКБ.

Каждая из отдельных ячеек аккумуляторной батареи оснащена одним скомбинированным пакетом, который состоит из большого количества пластин с чередованием их полярности. Пластины изготовляются из свинца. Они имеют структуру решеток, состоящих из прямоугольных сот. Именно благодаря такой конструкции можно нанести на пластины активную массу – основной рабочий реагент. Так как данную массу наносят посредством намазывания на пластины, то они так и называются – пластины намазного типа.

При изготовлении автомобильных аккумуляторов применяются только намазные пластины, хотя существуют и другие типы аккумуляторов. К примеру, в некоторых аккумуляторах устанавливаются пластины с увеличенной площадью, а также пластины из панцирной сетки.

Каждая из пластин в аккумуляторе – это электрод с противоположной полярностью. Именно поэтому может произойти короткое замыкание. Для его предотвращения между каждой парой пластин вставлен, изготовленный из пористого пластика сепаратор, который не препятствует циркуляции электролита внутри ячейки. Чтобы избежать коробления, каждая положительно заряженная пластина помещается между двумя «минусовыми» пластинами. Именно поэтому отрицательных пластин в ячейке всегда на одну больше.

Дабы предотвратить всевозможные деформации и смещения, весь собранный пакет зафиксирован специальным бандажом. При помощи токосборников, плюсовые и минусовые токовыводы пластин концентрируют свою энергию на выводных борнах аккумулятора. К данным борнам подключаются клеммы автомобиля, принимающие ток.

Принцип работы

Двуокись свинца на пластине с положительным зарядом, раствор серной кислоты в воде (электролит, с плотностью 1,28 г/см3), а так же губчатый свинец на отрицательном электроде – это активные элементы, вступающие в реакцию инициирования нагрузки на клеммы аккумулятора. В результате данной реакции происходит процесс вырабатывания электротока, с последующим образованием сульфата свинца на отрицательно заряженной пластине. Так же снижается плотность электролита, так как из него выделяется вода.

К ак известно, аккумуляторы большой емкости больше и массивнее аккумуляторов малой емкости. У них больше рабочая поверхность пластин и больше пространства для диффузии электролита внутри аккумулятора. Поэтому внутреннее сопротивление аккумуляторов большой емкости меньше, чем внутреннее сопротивление аккумуляторов меньшей емкости.

П адение напряжения на свинцовом аккумуляторе не пропорционально разрядному току. При больших разрядных токах, диффузия ионов электролита происходит в свободном пространстве, а при маленьких токах разряда аккумулятора — сильно ограничивается порами активного вещества пластин аккумулятора. Поэтому внутреннее сопротивление аккумулятора при больших токах в несколько раз (для свинцового аккумулятора) меньше, чем внутреннее сопротивление того же аккумулятора при малых токах.

К ак известно, аккумуляторы большой емкости больше и массивнее аккумуляторов малой емкости. У них больше рабочая поверхность пластин и больше пространства для диффузии электролита внутри аккумулятора. Поэтому внутреннее сопротивление аккумуляторов большой емкости меньше, чем внутреннее сопротивление аккумуляторов меньшей емкости.

И змерения внутреннего сопротивления аккумуляторов на постоянном и переменном токе показывают, что внутреннее сопротивление аккумулятора сильно зависит от частоты. Ниже приводится график зависимости проводимости аккумуляторов от частоты, который взят из работы австралийских исследователей.

И з графика следует, что внутреннее сопротивление свинцового аккумулятора имеет минимум при частотах порядка сотен герц.

П ри высокой температуре скорость диффузии ионов электролита выше, чем при низкой. Эта зависимость имеет линейный характер. Она и определяет зависимость внутреннего сопротивления аккумулятора от температуры. При более высокой температуре, внутреннее сопротивление аккумулятора ниже, чем при низкой температуре.

В о время разряда аккумулятора, количество активной массы на пластинах аккумулятора уменьшается, что приводит к уменьшению активной поверхности пластин. Поэтому внутреннее сопротивление заряженного аккумулятора меньше, чем внутреннее сопротивление разряженного аккумулятора.

Отправить заявку

Аккумуляторы по новым технологиям

При всех этих конструктивных отличиях общий принцип работы и протекания электрохимических процессов внутри батарей остается прежним.

Но, к сожалению, все эти разработки крайне медленно приближаются к коммерческому уровню поскольку все они пока не вышли в массовое производство, не доказали свои практические преимущества, а пробные партии имеют несравнимо высокую цену по сравнению с традиционными, проверенными временем, выпускаемых серийно промышленных образцов аккумуляторных батарей.

Чем больше объем двигателя, тем более емкий аккумулятор требуется;

В дизельных моторах используются АКБ с большей емкостью, чем в бензиновых, того же объема;

Если вы эксплуатируется автомобиль в условиях сильных морозов, нельзя покупать гелиевые АКБ.

Приобретая аккумулятор для своего автомобиля, не обязательно знать все параметры и характеристики, указываемые на батарее, а только к какой категории принадлежит ваш ДВС и какой объем двигателя у вашего автомобиля. Из особенностей которые нужно учитывать при выборе АКБ можно выделить следующее:

Чем больше объем двигателя, тем более емкий аккумулятор требуется;
В дизельных моторах используются АКБ с большей емкостью, чем в бензиновых, того же объема;
Если вы эксплуатируется автомобиль в условиях сильных морозов, нельзя покупать гелиевые АКБ.

Конечно многие обращают внимание и на другие параметры, указанные на аккумуляторе, что не обязательно. Обычно на самой батарее или в ее названии указывают какого типа батарея (например стартерная), ее емкость, мощность, время заряда, масса залитой батареи, параметры согласно стандартов других стран.

Перед тем как покупать АКБ, изучите технический паспорт своего транспортного средства, либо ознакомьтесь с параметрами старой батареи – это поможет не ошибиться с выбором и правильно сделать выбор с учетом особенностей вашего автомобиля. Если самостоятельно выбрать аккумулятор не получается, можно обратиться за консультацией к специалисту, например, к продавцу в автомобильном магазине.

Источники

http://electricalschool.info/spravochnik/eltehustr/1521-kak-ustroen-i-rabotaet-akkumuljator.html
http://pue8.ru/elektricheskie-seti/805-kak-rabotaet-akkumulyator-i-iz-chego-on-sostoit.html
http://kwatt.com.ua/chto-takoe-akkumulyator-osnovnye-ponyatiya-printsip-raboty-i-nemnogo-istorii/
http://electrik. info/device/1297-ustroystvo-i-princip-raboty-akkumulyatora.html
http://works.doklad.ru/view/1VR7KGsSkvI.html
http://works.doklad.ru/view/CDmtTwVmOa0.html
http://autoustroistvo.ru/elektrooborudovanie/akb/
http://akkumulyatorov.net/ustrojstvo-i-princip-raboty-akkumulyatora/
http://www.at-systems.ru/quest/new-quest/battery-resistance-y.shtml
http://wybor-battery.com/stati/tendencii-razvitiya-akkumulyatornyh-batarej/
http://vtorbaza.com/spravka/iz-chego-sostoit-avtomobilnyj-akkumulyator/

Применение аккумулятора — доклад сообщение по физике 8 класс

Энциклопедия
Физика
Применение аккумулятора

Аккумулятор – накопитель энергии, который может впитывать энергию в себя, и при необходимости отдавать другим приборам. Правда, часть питания просто улетучиваться, но эту проблему никак не исправишь, так устроен источник. Благодаря ему энергия стала мобильной, транспортабельной.

Самый первый опыт был произведен в XIX веке, ученых звали В. Петров и И. Риттер. Они попробовали создать накопитель и дали другим идею на то чтобы закончить их работу. В 1900 году, известный на весь мир, Эдисон изобрел самый первый аккумулятор шеллачного типа, который получил большое применение в жизни людей.

Источник энергии применяется для автомобилей и прочей электронной технике. Одни из самых популярных являются свинцовые пластины. Они повышают энергоподачу и при этом служат довольно долго, если сравнивать с другими. Также существуют аккумуляторы: пневматические, с кислотным электролитом, гидравлические. Все они широко используются людьми в машинах и различных видах техники.

В промышленности чаще всего ставят тепловые аккумуляторы. Их особенность заключается в том, что они выравнивают силовую и тепловую нагрузку на прибор. Именно с помощью их ездят современные электромашины, троллейбусы, железнодорожный транспорт.

Также они играют важную роль в старте машины, строительной техники, самолетов. У них есть необходимое питание, чтобы начать движение. Они, можно сказать «оживляют» транспорт.

В быту накопители используются даже чаще. Почти все приборы, что нас окружают, имеют источник. Источники встроены в устройства: ноутбуки, нетбуки, смартфоны, мобильные телефоны. При этом они не занимают много места и дают достаточно энергии на несколько дней пользования.

Во всех зданиях они играют неотъемлемую роль в аварийном освещении. Если по какой-то причине выключиться свет, то аккумулятор может дать его на некоторое время. Тем самым дать работникам устранить неполадку.

Аккумуляторы играю важную роль в жизни человека. Они окружают нас повсюду: на улице, на роботе, дома. Люди настолько привыкли к ним, что уже не смогут отказаться. Ученые разрабатывают новые модели, лучше предыдущих вариантов. Они увеличивают емкость энергии, которая может поместиться внутрь, уменьшают размер, что придает больше мобильности.

Вариант 2

В настоящее время человечество использует различные приборы и машины для того, чтобы облегчить свою жизнь. Встретить подобную технику можно везде. Автомобили, стиральные машины, телевизоры и даже Интернет – все это можно отнести к данным приспособлениям, без которых жизнь уже не представляется. Аккумуляторы также являются частью нашего быта. Но из чего они состоят? И где применяются?

Краткое описание и строение аккумуляторов.

Аккумулятор – это источник электрической энергии, используемый много раз. Как правило, его используют для питания электротехники. Данное создание появилось в 1803 году. Все благодаря немцу Иоганну Риттеру. Его прототип представлял собой 50 кружков, сделанных из меди и расположенных в столб. Между этими кружками находилось намоченное сукно. После каждого пропускания тока это сооружение вело себя как источник электрической энергии. Современные аккумуляторы работают на основе химии. Суть в том, что направление тока при заряде противоположно пути при разряде. Работу явления можно показать на формулах двух реакций:

1) Pb + SO₄^2- — 2e^— = PbSO₄ – анод случайного прибора.

2) PbO₂ + SO₄^2- + 4H⁺ +2e^— = PbSO₄ + 2H₂O – катод случайного прибора.

У аккумуляторов разные характеристики. Например, разные способы заряда. К сведению, их 4 вида: медленный и постоянный, быстрый, ускоренный и реверсивный. Еще стоит учитывать емкость самих аккумуляторов, плотность электроэнергии, температуру и, собственно, типы аккумуляторов. Их очень много, точно не сосчитать. Известны около 35 типов аккумуляторов, и все они различные.

Применение аккумуляторов и самые известные типы.

Как правило, людьми используются вот эти типы: свинцово – кислотные, никель – кадмиевые, никель – металл – гидридные, литий – ионные, литий – полимерные и никель – цинковые. Использование такое же распространение, как и сами аккумуляторы. Самое широкое применение аккумуляторов – это транспорты. Но это не все. Еще аккумуляторы используют как аварийный источник энергии и замену гальванического элемента. Естественно, нельзя было не упомянуть мобильные телефоны, причем, используют аккумуляторы и в смартфонах, и в старых кнопочных телефонах. Также аккумуляторы используют для работы некоторых строительных инструментов, работающие на электричестве. Последнее, где используют аккумуляторы – это медицина.

Другие сочинения:

← Магнитное поле Земли↑ ФизикаИстория изобретения паровых машин →

Применение аккумулятора

Несколько интересных сочинений

Презентация по физике Применение аккумуляторов доклад, проект

Главная
Разное
Образование
Спорт
Естествознание
Природоведение
Религиоведение
Французский язык
Черчение
Английский язык
Астрономия
Алгебра
Биология
География
Геометрия
Детские презентации
Информатика
История
Литература
Математика
Музыка
МХК
Немецкий язык
ОБЖ
Обществознание
Окружающий мир
Педагогика
Русский язык
Технология
Физика
Философия
Химия
Шаблоны, фоны, картинки для презентаций
Экология
Экономика

Презентация на тему Презентация по физике Применение аккумуляторов, предмет презентации: Физика. Этот материал в формате pptx (PowerPoint) содержит 12 слайдов, для просмотра воспользуйтесь проигрывателем. Презентацию на заданную тему можно скачать внизу страницы, поделившись ссылкой в социальных сетях! Презентации взяты из открытого доступа или загружены их авторами, администрация сайта не отвечает за достоверность информации в них, все права принадлежат авторам презентаций и могут быть удалены по их требованию.

Слайд 1Текст слайда:

ПРИМЕНЕНИЕ АККУМУЛЯТОРОВ

Подготовил: обучающийся 8 класса МКОУ «Солдатская СОШ»
Потапенко Владислав

Слайд 2Текст слайда:

Электрический аккумулятор — химический источник тока, источник ЭДС многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование (через заряд-разряд) для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования, а также для обеспечения резервных источников энергии в медицине, производстве, транспорте и в других сферах.

Слайд 3Текст слайда:

Первый прообраз аккумулятора был создан в 1803 году Иоганном Вильгельмом Риттером. Его аккумуляторная батарея представляла собой столб из пятидесяти медных кружочков, между которыми было проложено влажное сукно. После пропускания через данное устройство тока от вольтова столба, оно само стало вести себя как источник электричества

Слайд 4Текст слайда:

Принцип действия аккумулятора
основан на обратимости
химической реакции.
Работоспособность аккумулятора
может быть восстановлена
путём заряда, то есть
пропусканием электрического
тока в направлении, обратном
направлению тока при разряде.
Несколько аккумуляторов,
объединённых в одну электрическую
цепь, составляют
аккумуляторную батарею.

Слайд 5Текст слайда:

Аккумуляторная батарея является альтернативным источником энергии, рассчитанная на поддержание постоянного тока в сети в течении определенного времени, поэтому емкость аккумулятора измеряется в А. часах. Сегодня, сложно найти область, где не применяется аккумулятор. В повседневной жизни, аккумулятор встречается в сотовых телефонах, под капотом машины, но аккумуляторы используют гораздо шире. В электронике — это источники энергии для блоков бесперебойного питания, в системах охраны — аккумулятор используется как альтернатива сети.

Слайд 6Текст слайда:

Внешний аккумулятор

Слайд 7Текст слайда:

Внешний аккумулятор (аккумуляторная батарея) — устройство для многократной подзарядки мобильного устройства (телефона, смартфона, планшетного компьютера) при отсутствии источника переменного тока (электросети).
Современные внешние аккумуляторы в большинстве случаев оснащаются универсальным разъемом — USB. Он позволяет подключать не только телефоны, смартфоны, планшеты и навигаторы. Спектр подключаемых устройств значительно шире. В том числе и благодаря изобретательным китайцам, придумавшим тысячи устройств, питающихся от USB.

Слайд 8Текст слайда:

Автомобильный аккумулятор

Слайд 9Текст слайда:

Автомобильный аккумулятор (точнее — автомобильная аккумуляторная батарея [сокр. автомобильная АКБ] ) — тип электрического аккумулятора, применяемый на автомобильном или мототранспорте. Используется в качестве вспомогательного источника электроэнергии в бортовой сети при неработающем двигателе и для запуска двигателя. На электротранспорте является не вспомогательным источником энергии, а основным.

Слайд 10Текст слайда:

Батарейки

Слайд 11Текст слайда:

Батарея (фр. batterie) — группа соединённых параллельно или последовательно электрических двухполюсников. Обычно под этим термином подразумевается соединение электрохимических источников электроэнергии/электрического тока (гальванических элементов, аккумуляторных элементов, топливных элементов).
Батареи применяют: в пультах ДУ, настенных и наручных часах, фототехнике, радио, детских музыкальных и светящихся игрушках, электробритвах, аудиоплейерах, фонариках, электронных записных книжках, слуховых аппаратах, тонометрах и т.п.

Слайд 12Текст слайда:

Кроме того, аккумулятор широко используют на транспорте, железнодорожные вагоны, троллейбусы, машины — гибриды, электрокары, троллейбусы и даже огромные «Белазы» — используют специальные аккумуляторы для движения. И это не привычные аккумуляторные батареи, которые стоят в наших автомобилях и требуют дополнительного сервиса по зарядке и контроль уровня электролита и его плотности. Аккумуляторы использующиеся на транспорте — это тяговые аккумуляторные батареи, разработанные специально для работы силовых агрегатов и двигателей.

Скачать презентацию

Что такое shareslide.ru?

Это сайт презентаций, где можно хранить и обмениваться своими презентациями, докладами, проектами, шаблонами в формате PowerPoint с другими пользователями. Мы помогаем школьникам, студентам, учителям, преподавателям хранить и обмениваться учебными материалами.

Для правообладателей

Обратная связь

Email: Нажмите что бы посмотреть

батарей

Аккумуляторы используют химическую реакцию для выполнения работы при зарядке и создания напряжения между их выходными клеммами. Основной элемент называется электрохимической ячейкой и использует реакцию окисления/восстановления. Электрохимический элемент, производящий внешний ток, называется гальваническим элементом. Напряжения, генерируемые такими ячейками, исторически назывались ЭДС (электродвижущая сила).

Углеродно-цинковые батареи	Свинцово-кислотные батареи
Щелочные элементы

Индекс

Цепи постоянного тока

Как работают батареи

Гиперфизика***** Электричество и магнетизм

R 909 1 0114 9002

Почтенный углеродно-цинковый элемент или элемент Лекланша был изобретен в 1866 году и был наиболее распространенным небольшим аккумулятором на протяжении большей части 20-го века, пока его не вытеснили щелочные элементы.

Окисление на цинковом электроде (аноде) является прямым и аналогичным окислению в других элементах, таких как элемент Даниэля. В других реакциях участвуют MnO ₂, который содержится рядом с углеродным центральным стержнем, и NH ₄ Cl и ZnCl ₂, которые составляют основную часть пасты между катодом и анодом.

Химические реакции в этой ячейке могут быть аппроксимированы числом

Zn(s) -> Zn ²⁺ (водн.) + 2e ^—

2NH ₄ ⁺ (AQ) + 2MNO ₂ (S) + 2E ^— -> MN ₂ O ₃ (S) + H ₂ O ₃ (S) + H ₂ O ₃ (S) + H ₂7 O ₃ (S) + H ₂7 O ₃ (S) + H ₂ O _{+ 2NH ₃ (водн.)}

Катод

Некоторая сложность этой реакции связана с тем, что при восстановлении иона аммония образуются два газообразных продукта

2NH ₄ ⁺ (водн. ) + 2e ^— -> 2NH ₃ (г) + H ₂ (г)

, который должен быть абсорбирован, чтобы предотвратить повышение давления газа. Это достигается двумя дальнейшими реакциями в пастообразном электролите. Хлорид цинка реагирует с аммиаком с образованием твердого хлорида цинка-аммония, а диоксид марганца реагирует с водородом с образованием твердого триоксида димарганца плюс вода (Хьюитт).

ZnCl ₂ (водн.) + 2NH ₃ (г) -> Zn(NH ₃ ) ₂ Cl ₂ (тв)

2MnO ₂ (т) + H ₂ (ж) -> Mn ₂ O ₃ (т) + H ₂ O(л)

Напряжение этой ячейки изначально составляет около 1,5 вольт, но уменьшается по мере того, как энергия отбирается от ячейки. Он также имеет короткий срок хранения и быстро портится в холодную погоду. Окисление цинковой стенки со временем приводит к вытеканию содержимого, поэтому такие батареи нельзя оставлять в электроприборах на длительное время. Хотя эти батареи имеют долгую историю полезности, их применение сокращается, поскольку некоторые из их проблем решаются в щелочных батареях.

Батареи

Index

Цепи постоянного тока

Ссылки
Floyd
Основы электрических цепей, приложение. B

Ebbing
Ch 19

Hewitt
Phys. науч. Гл. 20

Гиперфизика***** Электричество и магнетизм

R Ступица

Вернуться

Щелочные элементы

решают некоторые проблемы с угольно-цинковыми батареями за счет использования гидроксида калия вместо хлорида аммония в электролите. Гидроксид калия является основным или щелочным материалом, отсюда и «щелочные» батареи. Полуреакции

Zn(s) + 2OH ^— (водн. ) -> Zn(OH) ₂ (s) + 2e ^—

2MNO ₂ (S) + H ₂ O (L) + 2E ^— -> MN ₂ O ₃ (S) + 2OH ^— (AQ)

^— (AQ)

9007

Эти элементы имеют гораздо более длительный срок хранения и лучше работают в условиях слива и в холодную погоду. Они избегают использования ионов аммония, вызывающих коррозию цинка, и не производят никаких газообразных продуктов.

Пример внутреннего сопротивления

Батареи

Index

Цепи постоянного тока

Ссылки
Floyd
Основы электрических цепей, приложение. B

Ebbing
Ch 19

Hewitt
Phys. науч. Гл. 20

Гиперфизика***** Электричество и магнетизм

R Ступица

Вернуться

Как работает батарея

Как работает батарея
Джон Денкер

* Содержание

1 Качественный обзор
- 1.1 Сверхупрощенная модель
- 1.2 Модная модель
- 1.3 Макроскопические поля и потоки
- 1.4 Некоторая перспектива
2 Внутренние механизмы
- 2.1 Рабочие функции
- Аккумулятор 2,2 А
- 2.3 Батарея под нагрузкой
- 2.4 Полуклеточные реакции
- 2.5 Преобразование энергии
3 Обсуждение
- 3.1 Электрохимическое соединение
- 3.2 Падение напряжения; Закон Кирхгофа
- 3.3 Химический потенциал и кинетическая энергия
- 3. 4 Извлечение и извлечение батареи
- 3.5 Свинцово-кислотные аккумуляторы
4 Почему нет простой шарико-стержневой модели
5 Номер по каталогу

1 Качественный обзор

На любой батарее одна клемма помечена положительной (+), а другая помечен как отрицательный (-). Этикетки основаны на напряжении, так что положительный вывод находится под более высоким напряжением, чем отрицательный Терминал. Напряжение определяется как энергия на единицу заряда, как обсуждалось в ссылке 1.

Когда аккумулятор разряжается, положительный ток выходит из положительный терминал. Если смотреть снаружи батареи, это имеет смысл; положительный заряд может уменьшить свою потенциальную энергию на удаляясь от области более высокого напряжения.

Однако… если подумать о внутренностях, должно быть что-то хитрое происходит. Положительный заряд должен передаваться через батарею, внутрь, к плюсовой клемме. Положительный заряд должен быть транспортировал в гору к положительной клемме.

Это возможно , потому что … подождите … химия случается .

1.1 Сверхупрощенная модель

Каждая химическая реакция должна быть сбалансирована по отношению к каждому виды вовлеченных атомов … а также сбалансированы по заряду. В батарее происходит реакция, которая не может протекать, если не заряд передается. Тем самым заряд не может быть переносится, если реакция не идет. Они связаны. реакция обеспечивает энергию, необходимую для перемещения заряда в гору.

Рисунок 1 – полезная метафора того, что происходит на. Во время разряда химические вещества переходят в более низкое энергетическое состояние. В при этом они перетаскивают некоторый заряд в более высокое энергетическое состояние. В этом метафора, красная веревка представляет физику, которая связывает заряд с другие химические процессы.

Рис. 1. Простая модель: батарея разряжается

Внешняя цепь управляет скоростью прохождения заряда в система. Если внешняя цепь закорочена, реакция переходит к завершению, очень быстро.

Следует подчеркнуть, что когда вы получаете энергию от батареи, энергия не появляется чудесным образом из ниоткуда. Энергия приходит от химических реакций внутри батареи. Во время разряда, реакция протекает, потребляя реагенты, образуя продукты и освобождающая энергия.

Для аккумуляторной батареи, когда она заряжается, заряд внутри батареи движется вниз, волоча химические вещества в гору к высокоэнергетическое состояние. Это противоположно направлению, указанному черные стрелки на рисунке 1.

Помните, что направление «вверх» на рис. 1 представляет энергию в самом расплывчатом, абстрактном смысле. Он включает в себя все форм энергии, а не только электростатической потенциальной энергии. Это актуально по причинам, описанным в разделе 1.2.

1.2 Модель Fancier

Если вас устраивает модель, представленная в разделе 1.1, не стесняйтесь пропустить этот раздел.

Однако, если вам нужна модель, отражающая происходящее в несколько подробнее, взгляните на рисунок 3.

Рис. 2. Модель Fancier: батарея разряжается

В правой части диаграммы у нас есть газ, дающий поршень. Вся энергия газа состоит из кинетической энергии. Как газ расширяется, он переходит в состояние с меньшей кинетической энергией.

Поршень соединен с тросом (показан красным), который проходит через шкив. Газ может расширяться только в том случае, если наковальня поднимется. Это увеличивает гравитационную потенциальную энергию.

Это аналог электрохимии в следующем смысле: энергия электронов в атоме содержит вклады кинетическая энергия плюс вклад электростатического потенциала. В атоме они неразделимы, так как оба являются свойствами атома. электронное облако. На рисунке 3 мы разделяем их, поэтому кинетическая энергия представлена молекулами газа (черные кружки) а потенциальная энергия представлена наковальней.

На рис. 3 показана более полная модель. Когда батарея разряжается, происходят множественные химические реакции. Немного электроны переходят в состояния с более низкой кинетической энергией, представленные наковальня. Это способствует ускорению реакции. Тем временем другие электроны переходят в состояния с более высокой потенциальной энергией, как показано синим пятном на левой стороне качелей шататься

Рис. 3. Разряжающийся аккумулятор: другие реагенты

Аналогичные слова относятся к кинетической энергии. Левая сторона диаграмма представляет объект с меньшей массой (синее пятно), а также меньшая кинетическая энергия (меньший поршень, с меньшим количеством синих кругов).

Замечание по касательной: Потенциальная энергия наковальни равна линейная функция высоты над землей, но это нелинейная функция того, сколько веревки выплачивается, потому что есть вопросы механического преимущества. Также давление за поршнем равно нелинейная функция положения. Аналогичные нелинейности существуют в атоме и важны, потому что позволяют системе чтобы найти равновесие. (Если бы все было полностью линейно, система будет демонстрировать безудержное поведение «победитель получает все». То есть, если бы наковальня начала опускаться, она ушла бы навсегда.)

Как всегда, КЭ и ФЭ связаны законами квантовой механики. KE зависит от кривизны волновой функции, а PE зависит от того, где находится волновая функция относительно атомного ядра.

Правильная работа батареи зависит от очень многих деталей, включая следующее. (Вы можете пропустить эти детали, если хотите.)

В химической реакции есть не только продукты, но и реагенты. Даже когда некоторые электроны переходят в состояния с более высоким PE, несколько другие электроны переходят в состояния с меньшим PE. На рисунке 3 это представлено небольшой синей массой на «изнаночная» сторона качелей. Кроме того, даже если некоторые электроны переходят в состояния с более низким КЭ, несколько других электронов переходят в состояния более высокого PE. Это представлено синими частицами на «неправильная» сторона поршня.
Чтобы сделать аккумулятор успешным, необходимо организовать электроны, которые перемещаются к более высокому PE, осаждаются в электрод, чтобы мы могли сделать с ними что-нибудь полезное. Это совершенно нетривиальный. (Напротив, в этот мир, где электроны перестраиваются внутри молекулы, без создания какого-либо полезного внешнего напряжения. Энергия реакции проявляется как тепло, а не как электрическая работа.)
В связи с этим: правильная работа полностью зависит от Дело в том, что электролит не проводит электроны. Если электроны были растворимы в электролите, аккумулятор мгновенно закорачивался. себя вне.

1.3 Макроскопические поля и потоки

Несмотря на то, что батарея может выглядеть просто, ее внутреннее устройство сложный. Объяснить все сразу невозможно, поэтому будет использовать процесс последовательного уточнения, постепенно используя лучшие приближения.

Начнем с рассмотрения батареи в состоянии покоя. Под этим мы подразумеваем, что клеммы разомкнуты, как показано на рис. 4. Поскольку ток снаружи аккумулятор, в идеале внутри аккумулятора ток не течет либо. В частности, сохранение заряда (также известное как непрерывность текущий) говорит нам, что должен быть ноль нетто ток. (Как мы будем см., нулевой чистый ток — это не то же самое, что нулевой ток.)

Выбираем аккумулятор, который в состоянии покоя выдает 1,5 вольта, с клеммами 1,5 см друг от друга, в геометрии, показанной на рисунке 5. Это означает, что между терминалы. Если ток в электролите отсутствует в течение батареи, там тоже не будет E поля. Мы можем объяснить, что следующим образом: Электролит (по определению) насыщен ионами. Всякий раз, когда есть электрическое поле, ионы дрейфуют. Они хранят дрейфуют, пока не наткнутся на поверхность, которая их остановит. Этот процесс продолжается до тех пор, пока накопленные ионы на поверхности не создадут поле который отменяет любое поле, с которого мы начали, что приводит к нулевой чистой поле в массе. Под «массой» мы подразумеваем везде, кроме границы. (Обстановка у границ бардак, что мы не собираемся беспокоиться о прямо сейчас.)

Следует подчеркнуть, что цифра 5 представляет собой количество идеализаций и упускает несколько важных деталей. Например, проницательный читатель заметит, что поле в на рисунке 5 показано огромное количество curl … что не согласуется с уравнениями Максвелла при постоянном токе. К сказать то же самое по-другому, не очевидно, как нарисовать контуры электрического потенциала на такой диаграмме. Ответ в том, что на границах есть чрезвычайно сильные поля, например где электролит касается электродов. Огромный ряд контурных линий сгруппированы вблизи границ. Мы не собираюсь беспокоиться об этом в данный момент. Давайте сосредоточимся на что творится в массе, далеко за границами.


Рисунок 4. Ток :: Идеальная батарея в состоянии покоя		Рисунок 5: Поле E :: Идеальная батарея в состоянии покоя

Теперь мы переключаем внимание на ситуацию, когда батарея находится разряжается через тонкий высокоомный провод, подключенный через клеммы, как показано на рис. 6. Мы выберите нагрузку, при которой напряжение на клеммах будет примерно на 10% меньше чем напряжение холостого хода. На схеме положительный условный ток течет справа налево по проводу сопротивления. В микроскопическом уровне, мы знаем, что ток переносится электронами, которые текут слева направо.

Если мы заглянем внутрь диэлектрика, мы обнаружим, что ток течет переносятся ионами. Сохранение заряда (он же непрерывность тока) говорит нам, что в среднем должны течь положительные ионы слева направо и/или поток отрицательных ионов справа налево (или некоторые из каждый).

В первом приближении электрическое поле батареи под нагрузкой связано с электрическим полем в состоянии покоя удивительно простым образом. Начиная с полей, показанных на рисунке 5, добавьте небольшое равномерное поле слева направо везде; это создает поля показано на рисунке 7. В объемном электролите небольшое дополнительное поле добавляется к предыдущему нулю, чтобы создать сеть поле слева направо. Снаружи, между клеммами, доп. поле противопоставляется предыдущему полю, создавая немного меньший размер поле справа налево. Мы можем объяснить это, сказав, что первому приближении напряжение на пограничном слое остается прежним. То есть сложная электрохимия на границе между электролит и электрод остаются прежними.

Направление поля в электролите правдоподобно, поскольку поле на рисунке 7 соответствует направление дрейфа ионов показано на рисунке 6. Электрическая сила на положительных ионах направлена слева направо, и они дрейф слева направо; электрическая сила, действующая на отрицательные ионы, справа налево, и они дрейфуют справа налево.


Рисунок 6: Ток :: Идеальная батарея во время разрядки		Рисунок 7: Поле E :: Идеальная батарея во время разрядки

1.4 Некоторые перспективы

Прежде чем мы продолжим, напомним, как делается наука: Галилей отмечал в первый день современной науки: «Мы зависим от законы физики для описания того, что происходит. Они могут или не могут объяснить как это происходит. Фундаментальные законы редко, если вообще когда-либо, объясняют, почему бывает.

В этом разделе мы дали приблизительное описание полей и токов, не пытаясь дать микроскопическое объяснение того, как возникают эти поля и токи. Например, основываясь на макроскопических наблюдениях плюс закон сохранения заряда, мы знаем что ионы должны (в среднем!) течь в направлении, изображенном на рисунок 6. Это несколько полезно, даже хотя это мало что говорит нам о микроскопических механизмах.

Иногда, глядя на диаграмму, люди предполагают, что все то, что показано, важно, а все, что не показано, неважно. Ну, это определенно не безопасное предположение в рисунок 7. Некоторые электрические поля показаны, а некоторые нет … и поля, которые не показаны, на самом деле довольно важно.

Мы представили правдоподобный пример того, что может произойти внутри батареи. Однако следует подчеркнуть, что примером является не доказательство… и правдоподобие тоже не доказательство. В действительности, некоторые батареи работают примерно так, как описано здесь, но некоторые из них не. В качестве контрпримера, в свинцово-кислотной аккумуляторной батарее во время разряда часть ионов бисульфата движется в направлении показано на рис. 6, но некоторые из них отсутствуют. Некоторые из них движутся вверх, против электрического поля. Это не нарушают закон сохранения заряда, потому что для каждого иона, который перемещает неправильном направлении, большее число ионов движется в правильном направлении. Таким образом, цифра 6 верна «в среднем», но не обязательно поправьте в деталях.

Это подводит нас к другому фундаментальному принципу физики: сила не движения. Хотя в некоторых ситуациях движение всегда будет быть в том же направлении силы, это не общее правило. Есть много способов, как это может пойти не так. Например, если вы открываете флакон с духами и поставьте его на пол, молекулы духов со временем распространяется по всему помещению, от пола до потолка, даже хотя молекулы намного тяжелее воздуха. В общем там представляет собой соревнование между дрейфом (в направлении силы) и диффузия (в направлении градиента концентрации).

В начальной школе вас, вероятно, учили важности стабильность, которую они объяснили с точки зрения энергии. Это необходимо по научным стандартам нового поколения. Единственная проблема, это не правда. Молекулы духов явно не оседают в низкоэнергетическое состояние. Даже не близко. Как и молекулы воздуха, в этом отношении. Не верьте всему, что вы читали в начальной школе научные книги. В действительности распределение молекул регулируется больше по энтропии, чем по энергии. Иногда минимальная энергия служит прокси для максимальной энтропии… но иногда это не так.

Пример ≠ доказательство.
Правдоподобие ≠ доказательство.
Описание черного ящика ≠ микроскопическое объяснение.
Идеализированная батарея ≠ настоящая батарея.
Правильно в среднем ≠ правильно в деталях.
Не показано ≠ не важно.
Сила ≠ движение.
Дрейф ≠ диффузия.
Энтропия ≠ энергия.

2 Внутренние механизмы

2.1 Рабочие функции

Идея рабочей функции является центральной для любого понимания электрохимия, в том числе контактная электрификация (она же статическая электричество), а также аккумуляторы, топливные элементы, гальваника и т. д. так далее. Пожалуйста, убедитесь, что вы знакомы с идеями в ссылку 2, прежде чем продолжить работу с этим документом.

Батарея 2,2 А

Рассмотрите расположение металлических кусков, показанное на рис. рисунок 8. Это было представлено и объяснено в ссылка 2.

Рисунок 8: Электроды, соединенные парами, все еще находятся в равновесии

Мы можем превратить эти изолированные куски металла в батарею, поставив электролит в промежутках между никелем и железом. Давайте использовать гидроксид калия в качестве электролита. Держим железный электрод из обсуждения выше. Вместо того, чтобы использовать простой никель электрод, мы используем никель, покрытый оксигидроксидом никеля, NiOOH, потому что это дает нам хорошую перезаряжаемую ячейку.

Хороший электролит имеет несколько интересных свойств; для одной вещи в нем много ионных пар. Когда мы помещаем ионную пару в электрическом поле, например, в промежутке Ni-Fe, положительный ион будет иметь тенденцию дрейфовать в одну сторону, а отрицательный ион будет дрейфовать в другую сторону. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока электрохимическое поле внутри зазора становится константой, не зависящей от позиции, которая является условием равновесия. может быть какая-то электрика потенциальный градиент; Я не думаю, что есть много, но есть может быть некоторые. И может быть некоторый градиент концентрации; опять же, я не думаю, что их много, но они могут быть. В в любом случае, если учесть градиент концентрации и электрического градиента вместе, в равновесии нет чистое движение ионов. В простейшем случае нет электричества. поля (следовательно, нет дрейфа) и градиента концентрации (следовательно, нет суммарного диффузия). В более общем случае дрейф из-за градиент электрического потенциала уравновешивается диффузией по градиент концентрации. Два градиента направлены в противоположные стороны. направлении, и когда мы добавляем два эффекта (электрический и концентрации) мы находим, что электрохимический потенциал имеет нулевой градиент.

Все, что относится к интерьеру зазоров, оптом электролит. На концах каждого зазора, как правило, накопление ионов. Это создает сложный дипольный слой (он же двухслойный) есть. Прочность дипольного слоя зависит от свойства электролита, а также свойства соседний металл, как обсуждалось в разделе 2.4. Сила дипольный слой определяет, как потенциал внутри зазор связан с потенциалом внутри соседнего металла. Подробнее о важности дипольных слоев см. в ссылке 3.

Результат показан на рисунке 9.

Рисунок 9: Электрохимический потенциал; трехэлементная батарея; разомкнутая цепь

В предыдущем случае, когда у нас было электронное равновесие, как показано на рисунок 8, разность потенциалов из-за разница в работе выхода нивелировалась полем в промежутках; в настоящее время, с электролитом в зазорах, зазоры свободны от полей, за исключением пограничные слои. Обратите внимание, что потенциал в промежутке на A ‘линии с потенциалом в промежутке в точке A, как и должно быть, поскольку A и A′ представляют собой одну и ту же точку (поскольку у нас есть периодические граничные условия), а щель при A≡A′ является одной из бесполевых области, заполненные электролитом.

Эта ситуация не везде представляет электронное равновесие; в ионы в промежутках создают свободную от поля область внутри каждого разрыв, что не является условием равновесия.

Разрежем алюминиевый провод между ячейкой C и ячейкой A’ и вставим вольтметр там, в месте с пометкой «внешняя цепь» рисунок 9.

Каждая ячейка похожа на ступеньку лестницы. Электрон в крайнем левом Электрод Fe имеет меньшую энергию, чем электрон в соседнем электроде Fe. электрод, который, в свою очередь, имеет меньшую энергию, чем электрон в крайний правый электрод Fe. Вы получаете значительное напряжение указано на вольтметре.

Мы можем определить знак напряжения из рисунка 9. Электроны более несчастливы слева от внешней цепи чем они находятся справа от него. Итак, кто-то за пределами Батарея, рассматривая батарею как черный ящик с двумя клеммами, увидит электроны, пытающиеся уйти через терминал Fe, текут через внешние схемы (включая вольтметр) и оттуда войти в Ni Терминал. Поэтому клемма Fe соответствующим образом помечена знаком «-». Терминал. Естественно, клемма Ni соответствующим образом помечена знаком «+». Терминал.

Вот одна из важнейших частей волшебства: провести провод между кусок железа и кусок никеля сильно отличается от сложения какого-то реактивный ионный электролит между ними. Если вы читаете схему из слева направо вы получаете

Fe-Al-Ni-электролит-Fe-Al-Ni-электролит

, что , а не палиндром. Есть определенное направление к структура, и это определяет, какой конец батареи является положительным и что отрицательно. Если вы заменили электролит на алюминиевый провода, вы получите палиндром, который никак не может произвести полезное напряжение.

Рабочие функции — это часть истории, но не вся история. Работа выхода измеряет энергию, необходимую для отрыва электрона от металл в вакуум. Это не совсем то, что происходит в батарея; происходят химические реакции, изменяющие энергетический бюджет. Это обсуждается в разделе 2.3 и особенно раздел 2.4.

2.

3 Батарея под нагрузкой

На рис. 9 батарея разомкнута, поэтому отсутствует ток любой вид течет куда угодно. Но если мы подключим электрическую нагрузку к клеммы аккумулятора, разница напряжений на клеммы немного провисают, как показано на рис. 10.

Рисунок 10: Электрохимический потенциал; батарея под нагрузкой

В этом случае заполненные электролитом промежутки больше не являются свободными от поля. Электролит проводит ток, но это не ток электроны, а поток дрейфующих ионов. (Также может быть некоторая утечка электронов, но это неважная неприятность эффект.) Ионные пары разлетаются под действием поля. Положительные ионы дрейфуют влево, а отрицательные ионы дрейфуют вправо. Положительные ионы нейтрализуется электронами, которые выходят из никелевого электрода; в отрицательные ионы нейтрализуются, отдавая электрон Fe электрод. Результатом является устойчивый поток отрицательного электрического тока. слева направо, или, говоря по-другому, непрерывный поток условный положительный ток справа налево.

Важно, что электроны (а не ионы) могут двигаться через алюминиевая проволока, в то время как, напротив, ионы (и , а не свободных электронов) может двигаться через электролит.

Рассмотрим ячейку (B). Электрон не будет естественным образом течь слева направо изнутри Ni-электрода слева от точки (B) внутрь Fe электрод справа от этой точки. Электрон, который волшебным образом появившийся в промежутке, будет течь правильно, слева направо, но если принять во внимание рабочие функции, то Энергетически невыгодно, чтобы электрон перепрыгивал из Ni в разрыв. Когда аккумулятор работает, мы не спрашиваем никаких электроны текут так. Общий отрицательный заряд да, электроны нет.

Но вы можете спросить, не одно и то же? Ну, не вполне, потому что электрон, который выходит из Ni-электрода в нейтрализовать положительный ион электролита получает помощь от энергии химическая реакция, происходящая на электроде. Физика выглядит так:

Энергетически выгодно, чтобы реакция шла до завершения.
Реакция не может завершиться без получения электрон.
Следовательно, реакция будет тянуть электрон через (или через) барьер трудовой функции.

Реакция на железном электроде не отменяет прирост энергии, потому что это другая реакция. Различные химические виды вовлеченный. Мы говорим, что есть две полуклеточных реакции . В В этом случае имеет место полуклеточная реакция между положительными ионами и Ni-электрод и другая реакция полуэлемента между отрицательные ионы и электрод Fe.

Итак, мы видим, что энергия батареи поступает из химического реакции, происходящие на поверхности электродов. Это не сюрприз.

На каждую единицу заряда, протекающую через ячейку, приходится одна единица химического реакция происходит на каждой пластине, на границе пластина/электролит. (Мы предполагаем, что электролит изначально был на 100% ионизирован. По традиции не учитываем ионообразующие реакции.) Без этих реакций ячейка просто заряжалась бы как конденсатор, и батарея не будет эффективна для поддержания его номинальное напряжение под нагрузкой. Напряжение остается прежним (более или менее), пока не закончатся химикаты. (Вот как единица заряда изначально был определен: количество химического осаждения в такой камере.)

2.4 Полуклеточные реакции

В разделе 2.3 упоминается, что энергия химического реакция «помогла» электрону преодолеть работу выхода. мы не ожидать, что реакция полуклетки будет иметь именно ту энергию, соответствовать определенной трудовой функции, поэтому потенциал в разрыв на рисунке 9. имеет нетривиальное отношение к потенциала в соседнем металле. Посмотрим, как это отношение возникает.

Начните с изображения на рисунке 9, где нет поля в пробелы. Затем позвольте току течь через батарею. Разрыв будет заряжаться как конденсатор. Там разработает поле в проломе, примерно так, как показано на рисунке 10. Поле заставит ионы дрейф. Положительные ионы будут собираться возле никелевого электрода. Уже, ни один из них не вступал в реакцию с электродом, потому что они не смог получить необходимый электрон. Дрифт получит избавиться от поля в большей части разрыва, но будет колоссальный поле прямо возле электрода, где собираются все ионы. ( среднее поле в зазоре не будет затронуто дрейфом; это будет просто напряжение «конденсатора», деленное на расстояние зазора.)

Вскоре сосредоточенное поле вблизи пластины станет таким сильно, что химическая реакция плюс это поле обеспечит достаточно энергии, чтобы тянуть электрон вверх и над (или через) работу функциональный барьер. Происходит одна единица химической реакции.

Во время разряда реакция, происходящая на никелевом электрод это:

1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111ЕС ΔE = 47 кДж/моль

NIOOH	+	H ₂ O	+	E ^—	→	NI (OH) ₂	+
(S)						(S)		(AQ)		φ _¢ =0,49 В

(1)

Эта реакция энергетически выгодна, как написано. Чистая энергия на электрон освобождается в результате этой реакции, называется полуэлементом потенциал, потенциал, φ _¢ . Обычно такие потенциалы измеряется в вольтах. Если у вас возникнет соблазн сократить единицы измерения, будьте осторожны. что V для вольта противоречит V для ванадия. Это может быть проблемой при вводе уравнений реакции в компьютер, что может быть неоправданно буквальное отношение к таким вещам.

Мы признаем уравнение 1 реакцией восстановления, поскольку оно имеет свободные электроны в реагентной части уравнения. Так как это реакцией восстановления, потенциал полуклетки также называют реакцией редукционный потенциал , φ _{красный} = φ _¢ .

Знак потенциала полуячейки таков, что φ _¢ это энергия на электрон , которая должна быть добавлена к стороне продукта уравнения, чтобы сбалансировать уравнение.
Если вы когда-нибудь забудете этот факт, посмотрите на таблицу редукции потенциалов (ссылка 4) и найти запись для сокращения Na ⁺. Вы знаете, что обратная реакция невероятно жестока, так что вы знаете реакцию, как написано – реакция восстановления – это энергетически невыгодно. Эта реакция имеет отрицательное восстановление потенциал. Это должно быть достаточным напоминанием о том, как интерпретировать знак восстановительного потенциала.

Тем временем, в рамках того же процесса разрядки, другая полуячейка на другом электроде идет реакция:

9 11111114 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004 9004

2OH ^—

→

Fe (OH) ₂

2E ^—

. (s)

(aq)

(s)

6 ¢

= 0,88 В

(2)

Эта реакция энергетически выгодна, как написано.

Мы признаем уравнение 2 реакцией окисления, потому что оно имеет свободные электроны на стороне произведения уравнения. Так как это реакция окисления, потенциал полуклетки отрицательный восстановительного потенциала: φ _{красный} = −φ _¢ .

Большая таблица полуклеточных реакций и связанного с ними восстановления потенциалы можно найти в ссылке 4.

Обратите внимание, что это принято говорить о восстановительных потенциалах (а не о «окислительных потенциалы»). Вы можете определить «потенциал окисления», если хотелось бы, но обычно это не стоит хлопот. Для окисления реакции, как правило, проще просто использовать отрицательную редукцию потенциал.

Суммарная реакция в клетке состоит из двух копий уравнение 1 плюс одна копия уравнения 2, в общей сложности:

9004 11119 1111111111111111111 | (3б)

2NiOOH

2H ₂ O

→

2Ni(OH) ₂

Fe(OH) ₂

ΔE=264 кДж/моль

(3а)

(S)

| φ | = 1,37 Вольт

Вы никогда не должны слишком торопиться, чтобы написать полную ячейку уравнение реакции. Он значительно менее информативен, чем два уравнения полуклеточных реакций отдельно. Хотя мы показываем величину потенциала в уравнении 3b, мы не можем определите знак или величину этой величины, глядя на химия только в уравнении 3a.

Напротив, если мы заглянем за кулисы, обратившись к двум полуэлементных реакций, находим:

Два электрона должны передаваться, чтобы реакция работала, поэтому напряжение на полная ячейка будет 1,37 вольта, так или иначе.
Знак φ, который появляется в уравнении 3b, безнадежно неоднозначен, потому что это окислительно-восстановительный реакции, включающие как окисление, так и восстановление. Тем не менее полярность клетки можно вывести из того факта, что во время разряд, химия высвобождает электроны на электроде Fe, и высвобождает положительный заряд на никелевом электроде. Поэтому в целом сохранения заряда, положительный условный ток должен течь в внешняя цепь от Ni-электрода к Fe-электроду.

2.5 Преобразование энергии

Вольт определяется как один джоуль на кол. Заряд электрона равен 1,60218×10 ⁻¹⁹ кулона. Таким образом, заряд одного моля электронов равен 96485,3 кол. Таким образом, вольт равен 96,4853 кДж на моль.

Обратите внимание на контраст между условностями «энергия» и «напряжение». условное обозначение:

По нескольким очень веским причинам ΔE, появляющийся в уравнение 3 представляет собой энергию на моль реакции, т. е. на моль «→» … не на моль электронов. Это обычным и практичным, потому что это согласуется с тем, как мы измерять реагенты и продукты.

По определению напряжение соответствует к энергии на электрон. Один вольт равен одному эВ на электрон, или эквивалентно одному джоулю на кулон или 96 485,5 джоуля на моль электроны. Это обычно и практично, потому что вольтметры легко доступны, и это то, что они измеряют.

Поскольку уравнение 2 и уравнение 3 включают два молей электронов на моль «→», там является важным фактором 2, участвующим в преобразовании между ΔE и φ. Остерегаться.

3 Обсуждение

3.1 Электрохимическое соединение

Многие люди изучают «химию» на одном занятии и узнают о «электричество» в другом классе. Это печально, в меру что связь между двумя предметами неясна объяснил.

Что еще хуже, так это то, что многие учебники по химии вводят электрохимию по схеме «степень окисления», то есть, выражаясь вежливо – излишне сложно, неясно и ненадежно. я ни разу не видел применения схемы «степень окисления» которые не могли бы быть более удобно обработаны другими методами, как мы теперь обсудим.

В качестве основы: Процесс уравновешивания химических реакций, – то есть тема стехиометрии – не может считаться ни чем иным, как меньше, чем применение некоторых законов сохранения. Если ты учитывая 92 различных химических элемента, существует 92 различных законам сохранения, так как в химических реакциях каждый элемент отдельно законсервированные. ¹

Если вы понимаете стехиометрию, вы можете понять реакции окисления-восстановления без дополнительных концептуальных усилий. Вам просто нужно добавить 93-й закон сохранения, а именно сохранение обвинение. Затем, чтобы написать сбалансированное электрохимическое уравнение, вы просто необходимо сбалансировать его по отношению к атомам и по отношению к обвинение.

Рассмотрим сравнение:

Рассмотрим неэлектрохимическую реакцию, такую как простая реакция углерода с кислородом с образованием углекислого газа. Это не имеет смысл говорить об этой реакции разве что с точки зрения уравновешенного уравнение реакции: C + O ₂ → CO ₂ . Вы должны учитывать для всех атомов.

То же самое относится и к электрохимическим уравнениям, то есть окислительно-восстановительные реакции. Вы должны учитывать все атомы и составляют весь заряд.

Даже если учесть побочные реакции, такие как возможность реакции углерода с кислородом с образованием монооксида углерода, это не имеет смысл говорить о побочной реакции разве что с точки зрения сбалансированное уравнение реакции, C + 0,5 O ₂ → СО.

В каждом и каждую реакцию, включая побочные реакции, вы должны учитывать все атомы и составляют весь заряд.

Для получения подробной информации (включая примеры) о том, как сбалансировать уравнения реакций в отношении заряда атомов и см. ссылку 5. Попутное замечание: идея о том, что реакции должны быть уравновешены по отношению к атомам и по отношению к заряду полезно во многих контексты, не ограничиваясь батареями. Например, он позволяет вам понять, почему с царской водкой можно делать то, что нельзя азотной или соляной кислотой отдельно.

Заряд является частью стехиометрии.

Пока мы по теме: Реакции должны быть сбалансированы по отношению к энергия, а не только атомы и заряд. Эта трехсторонняя связь химия, заряд и энергия — вот что делает батареи возможными. Это потому, что, в конечном счете, энергия батареи — это энергия химические реакции.

Когда батарея разомкнута, химические реакции готовы двигаться в энергетически выгодном направлении, но они не могут продолжать, потому что у них нет возможности сбалансировать «зарядовая» часть стехиометрии.
Когда вы позволяете току течь через батарею, тогда могут протекать химические реакции.

3.2 Падение напряжения; Закон Кирхгофа

В аккумуляторе под нагрузкой, т.е. когда он работает как батареи, электрическое поле практически во всем электролите отделение находится в направлении «вперед», т. е. в направлении, заставляет любые мобильные заряды дрейфовать в направлении общего тока течь в контуре. Это видно на рисунке 10.

По закону Кирхгофа мы знаем, что полное падение напряжения на цепь нулевая. Все падения обратного напряжения происходят в пределах очень тонкие дипольные слои. Здесь же все самое интересное происходит химия. Существуют чрезвычайно сильные электрические поля. в этих регионах и высокие градиенты концентрации химических веществ. Анализировать детали того, что происходит в этих регионах, непросто.

3.3 Химический потенциал и кинетическая энергия

Согласно современному микроскопическому пониманию металлов, соответствующие электроны (то есть те, которые придают металлу его металлическую свойства) все обладают огромным количеством кинетической энергии. Они есть масштабирование вокруг, как сумасшедший. Если чистый ток не течет, это потому, что одинаковое число движутся во всех направлениях, поэтому электрон волновая функция представляет собой стоячую волну. Если ток течет, то из-за небольшого увеличения числа при приближении вправо и незначительное уменьшение числа при увеличении влево, без существенного изменение кинетической энергии.

Количество такой кинетической энергии зависит от шага решетки в металла и от числа электронов, как обсуждалось в ссылка 2. Это большой вклад в электрохимический потенциал.

Вам может быть интересно, что это: кинетическое или потенциальное? Если это называется потенциалом, как он может быть кинетическим? Ответ заключается в том, что определяющим свойством потенциала является то, что его значение зависит от на позиции, независимо от того, как вы туда попали. Соответствующие электроны в металле действительно обладают этим свойством: они должны иметь огромное кинетической энергии, иначе они не могли бы существовать внутри металла. Этот энергия не зависит от того, как туда попали электроны, поэтому она не неправильно называть это потенциалом. Он действует как потенциал. Фактически, люди называли это потенциалом более ста лет, задолго до того, как кто-либо смог объяснить это микроскопически, с точки зрения кинетическая энергия и принцип запрета.

Полный электрохимический потенциал включает вклады. В В дополнение к только что рассмотренному «химическому» вкладу старый добрый электростатический потенциал. Если вы поместите чистый заряд на кусок металла, вы меняете его потенциал, согласно обычным представлениям о емкость.

3.4 Заглатывание и извлечение батареи

Рассмотрим следующий контраст:

Случай A: у нас есть две параллельные пластины, каждая из которых несет заряд Q/2.

Мы могли бы сказать, что имеется заряд Q «на» паре тарелки.

Случай C: Предположим, мы рассматриваем две пластины как конденсатор с зарядом +Q на одной пластине и заряд -Q на другой. Мы могли бы сказать, что есть заряд Q «на» конденсаторе.

Случай Б. Существует бесчисленное множество промежуточных сценариев.

Это проблема, потому что слово «заряд» используется в двух несовместимые способы. Это прямой путь к катастрофе, особенно когда включает в себя нечто столь же фундаментальное, как заряд.

Настоятельно рекомендую сохранить слово «заряд» для случая A и использование слова «ущелье» для случая C. Промежуточный уровень сценарии включают некоторую комбинацию заряда и ущелья. Видеть см. 6 для получения подробной информации.

Используя эту терминологию, мы можем с абсолютной ясностью заявить, что заряд никогда не создается и не уничтожается.

Напротив, ущелье легко создать или разрушить, создав пар одинаковых и противоположных зарядов, путем ионизации некоторых ранее нейтральное хим. Никакого заряда не было создано, даже временно.

Мы можем говорить о протекании заряда через ячеек. Наоборот, мы не должны думать о том, что заряд вытекает из клеток, как вода. выливание из ведра. При нормальной работе, если электрон вылетает один терминал, электрон течет в другом терминале в то же самое мгновенный. Когда это происходит, клетка накапливает ущелье, но не накапливать заряд.

3.5 Свинцово-кислотные аккумуляторы

В этом документе мы обсудили несколько примеров аккумуляторов. химия, не включая свинцово-кислотные аккумуляторы. Они явно очень важно на практике. Однако их нелегко понять. См. ссылку 7.

4 Почему нет простой модели шарика и стержня

В физике есть некоторые вещи, которые вполне можно объяснить с помощью рассматривая атомы как классические частицы. Закон идеального газа PV = NRT часто приводится в качестве примера. Но есть и другие вещи, которые кажутся так же элементарно, но не может быть объяснено с точки зрения 19-го века физика. Примером может служить «парадокс» Гиббса. Имеет смысл, если вы знать, как квантовая механика имеет дело с идентичными частицами, и это сильно парадоксально иначе.

Точно так же есть некоторые разделы химии, которые можно описать просто отлично, используя шарико-стержневые модели атомов и связей, которые защелкиваются вместе, чтобы сделать молекулы. Но есть и другие вещи, которые нельзя понял так. Для начала, если вы настаиваете на строгом Анализ 19-го века, атомы нестабильны. Электрон будет двигаться по спирали к ядру, и атом сожмется в ничто. Если вы настаиваете на чисто классическом анализе, не будет ни атомов, ни молекулы, без металлов, без рабочих функций, без батареек и без людей вокруг, чтобы пожаловаться на это.

Вам нужна квантовая механика, если вы хотите, чтобы атомы вообще существовали. Вам нужно больше квантовой механики, если вы хотите получить различные химические элементы не ведут себя все равно. Без принципа исключения, гелий будет вести себя точно так же, как тяжелый изотоп водорода. А также литий будет таким же, только еще тяжелее. И кислород был бы то же самое, только еще тяжелее.

Если вы хотите понять, откуда берутся рабочие функции и/или где напряжения батареи, вам придется принять тот факт, что электроны прилипают к одним атомам сильнее, чем к другим. Вы можете принять это как наблюдаемый факт без объяснения, или вы можете искать объяснение с точки зрения квантовой механики.

Мы живем в мире, где правят законы квантовой механики. Получить привык к этому. Иногда используется шаростержневая модель, обеспечивающая сносное приближение к реальной (квантовой) физике; иногда там нет.

5 Номера по каталогу

Джон Денкер, «Основные понятия о напряжении»
www.av8n.com/physics/voltage-intro.htm

Джон Денкер, «Рабочие функции»
www.av8n.com/physics/workfun.htm

«Контактная электрификация»
www.av8n.com/physics/workfun.htm

Уэйн М. Саслоу,
«Гальванические элементы для физиков: два поверхностных насоса и внутреннее сопротивление»
Am. Дж. Физ. 67, 574 (1999).
http://scitation.aip.org/content/aapt/journal/ajp/67/7/10.1119/1.19327
http://www.elp.uji.es/masterNNM/docencia/refs/1999%20AmJPhys%20Saslow .pdf

«Стандартные потенциалы сокращения» www.av8n.com/physics/redpot.htm

Джон Денкер,
«Балансировка уравнений реакции относительно заряда
и атомов»./balance-charge-atom.htm

Джон Денкер,
«Ущелье против заряда»
www.av8n.com/physics/gorge-vs-charge.htm

Джон Денкер,
«Реакции полуэлементов свинцово-кислотных аккумуляторов»
www.av8n.com/physics/lead-acid.htm

1: Это верно по определению; это то что отличает химию от ядерной физики и других процессов, которые могут трансмутировать или фракционировать элементы.

Физика батареи 101 | Батарея питания

Физика батареи может сбивать с толку, даже эксперты иногда ошибаются. Ниже приведена информация, которая поможет вам прочитать таблицы данных и понять разницу между вариантами аккумуляторов.

Напряжение – это разница электрических потенциалов между двумя точками. Если бы вы сравнили электричество с потоком воды, напряжение было бы давлением воды в шланге. Даже небольшое количество воды оказывает большое влияние, если давление достаточно высокое, например, мойка высокого давления. Напряжение, которое считается безопасным для человека в большинстве ситуаций, составляет 50В и ниже. При работе на более высоком уровне напряжения необходимо соблюдать меры безопасности. Проверьте раздел «безопасность». Обычно аккумуляторные элементы имеют выходное напряжение в диапазоне от 2,5 до 4,2 В. Для блоков батарей с более высоким напряжением вам необходимо соединить батареи последовательно: 10 батарей по 3,6 В последовательно обеспечат 36 В. Одним из недостатков аккумуляторов является то, что их напряжение уменьшается, когда они держат меньше заряда. Полностью заряженный литий-ионный элемент имеет напряжение 4,2 В, тогда как в почти пустом состоянии он может составлять 2,5 В. Поэтому его обычно оценивают в 3,6 В как среднее напряжение между полным и пустым аккумулятором. Обратите внимание, что конечное напряжение заряда значительно выше при расчете напряжения системы и выборе компонентов. Например, аккумуляторная батарея с номинальным напряжением 360 В может достигать 420 В в конце заряда.

Ток — это скорость прохождения электрического заряда через точку, также известная как сила тока. Когда вы сравниваете электричество с потоком воды, это будет объемный расход воды. Даже на низкой скорости огромное количество воды может оказать большое влияние, например волны на море. Хотя большой ток при низком напряжении напрямую не считается опасным, последствия могут быть огромными. Например, скачки тока могут вызвать сильное накопление тепла, что может привести к ожогам. Проверьте раздел «безопасность». Существует большое разнообразие размеров аккумуляторных ячеек. Ячейки ноутбука 18650 могут выдавать пару ампер, в то время как большие призматические ячейки могут выдавать сотни ампер. Если вы поместите батареи параллельно, вы можете увеличить силу тока (А) в вашем аккумуляторе.

Батарея представляет собой гальванический элемент с двумя внешними клеммами, питающий электрические устройства. Отрицательная клемма является источником электронов, которые будут течь через электрическое устройство к положительной клемме. Пока электроны текут для питания показанной лампы, внутри батареи происходят химические процессы. Ионы берутся с отрицательного электрода (анода). После этого ионы протекают через электролит и добавляются к положительному электроду (катоду). Поток электронов остановится, когда весь материал анода и катода преобразуется: батарея разряжена. При зарядке, если предположить, что батарея оснащена химическими веществами, которые позволяют заряжать, этот процесс происходит в обратном порядке. Батареи уже использовались в конце 1800-х годов для электромобилей. Например, у Томаса Эдисона был такой. В начале 1938%(!) автомобилей в США были электрическими! Эдисон: «Электричество — это вещь. Здесь нет жужжащих и скрежещущих шестерен с их многочисленными рычагами, которые можно сбить с толку, нет опасного и зловонного бензина и нет шума».

Емкость — это количество тока, которое батарея может отдать в течение определенного периода времени, обычно одного часа. Для больших батарей это часто указывается в Ач (ампер-час), для меньших элементов большую часть времени в мАч (миллиампер-час). Например, батарея с номиналом «2500 мАч» может выдавать 2,5 А в течение одного часа. Это соотношение может быть изменено, это означает, что он также может подавать 1,25 А в течение 2 часов или 5 А в течение 30 минут. Доступны аккумуляторы с низкой и высокой емкостью, от 1500 мАч 18650 до 300 Ач (300 000 мАч) или даже больше. Большую часть времени эта емкость достигается только при очень низком токе, часто всего 20% от их номинального значения. Итак, в приведенном примере батарея может отдавать 0,5А в течение 5 часов. Если вы используете более высокий ток, выделение тепла в батарее будет составлять некоторые потери, и номинальная емкость не будет достигнута. Чем меньше этот дефицит, тем больше подходит батарея для приложений с высоким потреблением энергии. Иногда поставщики аккумуляторов сообщают вам только емкость аккумулятора. Если вы знаете напряжение, вы можете вычислить количество энергии, которое имеет батарея. Если напряжение неизвестно, например, в сборках аккумуляторных батарей, вам неизвестна основная переменная, по которой вы можете судить о количестве энергии, удерживаемой аккумуляторной батареей.

C rate — это скорость, с которой батарея может заряжаться и/или разряжаться, и она тесно связана с емкостью батареи. Однако «C» — это не сокращение от «вместимость»! Этот «C» полезен для сравнения токовой (раз)зарядной способности аккумуляторов разного размера. Емкость батареи обычно оценивается в 1C: полностью заряженная батарея емкостью 2500 мАч должна обеспечивать 2,5 А в течение 1 часа. Вы можете использовать этот C-rate для определения силы тока заряда (разряда) в зависимости от времени. Например, аккумулятор емкостью 2500 мАч, рассчитанный на скорость разряда 3C, может быть разряжен при токе 7,5A. Если ток в 3 раза выше, продолжительность в 3 раза меньше. Таким образом, теоретически батарея может быть разряжена током 7,5А за 20 минут (потери на сток и падение напряжения, скорее всего, сократят это время на пару минут).

Электрическая мощность, как и механическая, представляет собой количество работы. Это произведение напряжения и тока. Например, если ваш аккумуляторный блок может выдавать 500 А при напряжении 400 В, он может выдавать 500 А x 400 В = 20 000 Вт или 20 кВт. Это то, что вам нужно знать, чтобы увидеть, может ли ваш аккумулятор обеспечить необходимое количество энергии. Некоторые поставщики аккумуляторов предоставляют только абсолютный максимум, который может обеспечить их упаковка. В большинстве случаев это можно использовать только в течение нескольких секунд, а иногда они даже дают рейтинги, которые выходят за рамки спецификации дизайна ячеек, которые они используют. Итак, проверьте мелкий шрифт и задайте вопросы: вам всегда нужно проверять, может ли аккумулятор обеспечить номинальную мощность в течение необходимого вам времени.

Существуют различные определения энергии, используемые в разных областях. Здесь мы ограничимся следующим: энергия – это количество мощности (Вт или кВт), отдаваемой за 1 час. Если оно не указано поставщиком, его можно легко рассчитать, умножив емкость аккумулятора на напряжение. Например, блок на 500 Ач при номинальном напряжении 400 В — это блок на 20 кВтч. Обязательно используйте номинальное напряжение, а не максимальное. Это очень важная информация, так как она определяет размер вашего аккумулятора, его цену и то, что вы можете с ним делать. Если ранее упомянутый аккумуляторный блок мощностью 20 кВт обеспечивает эту мощность только в течение 5 минут, он содержит намного меньше энергии, чем аккумуляторный блок, который может обеспечивать мощность 20 кВт в течение 5 часов. Часто количество энергии, которое может удерживать аккумуляторная батарея, называется «размером батареи» или «емкостью батареи». Строго говоря, это неправильно, поскольку ни одна из этих единиц не используется для получения энергии. В частности, «емкость батареи» является сложной задачей, поскольку емкость действительно является важной частью информации, но только в сочетании с напряжением она полезна для определения способности аккумулятора накапливать энергию.

Особенно в мобильных приложениях часто важно, чтобы аккумулятор был как можно легче и компактнее, но при этом удерживал как можно больше энергии. Больше энергии означает, что вы можете использовать заданную мощность в течение более длительного времени, что в автомобиле означает больший запас хода. При сравнении различных элементов и батарей можно рассчитать количество энергии по отношению к их весу (гравиметрический) и размеру (объемный). Например, пакет Nissan Leaf 24 кВтч весит 294 кг и имеет объем 494 литра. Гравиметрическая плотность энергии составляет 24 000 Втч / 294 кг = 81 Втч/кг Объемная плотность энергии составляет 24 000 Втч / 494 л = 48 Втч/л. Это довольно мало. Например, наш «диапазон» на 72 Вольта имеет следующие характеристики: Гравиметрическая плотность энергии составляет 190 Вт·ч/кг Объемная плотность энергии составляет 316 Вт·ч/л. наши батареи, у нас будет 494 л x 316 Втч/л = 156 104 Втч или 156 кВтч энергии. Это будет то же самое, что и 6 батарейных блоков Nissan. Обратите внимание, что мы сравниваем аккумуляторы, а не голые элементы! Вам также необходимо будет рассмотреть механический корпус и внутренние подсистемы. Голые клетки имеют лучшие показатели, но ведь их же нельзя просто кинуть в багажник, не так ли?

Удельная мощность — это количество энергии, которое вы можете получить от данного размера или веса. Это важный параметр, особенно в высокопроизводительных приложениях с ограниченным доступным пространством, таких как мотоциклы или картинги. Тот же пакет Nissan Leaf может выдавать мощность 110 кВт, весит 294 кг и имеет объем 494 литра. Гравиметрическая плотность мощности составляет 110 000 / 294 кг = 374 Вт/кг. Объемная плотность мощности составляет 110 000 / 494 л = 222 Вт/л. Это также довольно мало. Например, наш «гоночный» аккумулятор на 72 В имеет следующие характеристики: Гравиметрическая плотность мощности = 1850 Вт/кг Гравиметрическая плотность мощности = 2830 Вт/л Опять же, мы можем посчитать по-другому: если у нас будет объем 494 литра наших аккумуляторов, у нас будет 494 л x 2830 Вт/л = 1.398.020 Вт или 1398 кВт или 1,4 МВт мощности, в отличие от 110 кВт у Nissan Leaf! Это более чем в 12 раз лучше. Если вы хотите построить мегаваттный спортивный автомобиль, поговорите с нами! Кроме того, следует помнить, что мы сравниваем аккумуляторы, а не голые элементы!

Так же, как и в жизни, нельзя получить и то, и другое. Если вы выберете максимальную мощность, вы потеряете часть дальности, а когда вы увеличите дальность, вам придется обходиться меньшей мощностью. Если вы хотите и того, и другого, вам придется пойти на компромисс. Это самый важный выбор, который вам нужно сделать, когда дело доходит до выбора батареи. Причина этого довольно проста: если вы хотите высосать много энергии из данной ячейки, металлические полюса в этой ячейке нагреются. Существует только такой большой ток, который может быть обработан с данным размером. Эту проблему можно решить, увеличив размер этих полюсов. Дополнительное пространство, которое потребуется для этих полюсов, не может быть использовано для реальных химикатов батареи, что приводит к потере емкости хранения энергии.

Обратный путь аналогичен: если вам не нужно много энергии, вы можете оптимизировать батарею для максимальной энергии, но вы не можете слишком сильно ее разряжать. Если вы попытаетесь сделать это в любом случае, вы слишком сильно нагрузите батарею, что приведет к большому падению напряжения и выделению большого количества тепла. В лучшем случае ваши батареи быстро изнашиваются, в худшем случае вы идете к расплавлению батареи. Поскольку выделение тепла экспоненциально увеличивается с силой тока, это быстро выходит из-под контроля.

Всегда оставайтесь в пределах рекомендованных значений силы тока и остерегайтесь поставщиков батарей, которые заявляют, что могут обеспечить как максимальную мощность, так и максимальную энергию, это физически невозможно. Думайте об этом как о том, чтобы позволить тяжелоатлету пробежать марафон, а бегуну заняться тяжелой атлетикой. Они оба будут плохо разбираться в специализации друг друга, и бегун получит травму, пытаясь поднять слишком много, как ранец для стрельбы будет поврежден при попытке извлечь слишком много энергии. Поиск кого-то, кто мог бы делать и то и другое, возможен, как спортсмен-десятиборец. Однако он никогда не пробежит марафон так же быстро, как бегун, и не сможет заниматься тяжелой атлетикой на уровне специалиста. Наш рюкзак «производительность» сравним со спортсменом-десятиборцем. На графике вы можете увидеть, как наши решения связаны с мощностью и энергией.

Существует множество типов аккумуляторов. Мы ограничимся литиевыми батареями, поскольку они сейчас и в обозримом будущем являются единственным выбором, когда речь идет о приложениях, требующих надлежащей плотности энергии.

Это индикатор того, насколько «заряжена» батарея, 100% будут заполнены, а 0% разряжены. Существуют различные способы его измерения, два наиболее распространенных — метод напряжения и метод интегрирования тока.

Метод напряжения: поскольку разряженная батарея имеет более низкое напряжение, чем полная батарея, кажется логичным определить SOC на основе напряжения. Однако напряжение не снижается линейно. При 100% напряжение быстро падает, затем остается довольно постоянным и снова быстро падает при приближении к 0%. Это означает, что между 80% и 20% SOC трудно определить, тем более что напряжение меняется под нагрузкой. В более дешевых системах управления батареями (BMS) вы можете видеть, что SOC ведет себя непредсказуемо из-за этого эффекта.

Метод интегрирования тока: ток (сила тока) может быть измерен в большинстве систем. Поскольку емкость батареи известна, и известно изменение тока во времени, вы можете довольно точно «отсчитывать» до нуля. Однако при изменении нагрузки в системе емкость батареи также немного меняется. Таким образом, когда батарея разряжается быстрее, чем предусмотрено системой, батарея может разрядиться до того, как SOC укажет на это, что приведет к неожиданному преждевременному отключению системы управления батареями. Другим недостатком является то, что эта система со временем будет дрейфовать, поэтому вам нужно часто сбрасывать ее. Чаще всего SOC сбрасывается на 100%, когда зарядное устройство заканчивает зарядку.

Фильтрация Калмана: чтобы преодолеть неточность обеих заявленных систем, можно использовать алгоритм для объединения данных и получения более точной аппроксимации SOC. Эти алгоритмы широко используются в системах обработки сигналов. Наша сложная система управления батареями использует это.

Это в основном инверсия SOC, 100% пусто, а 0% заполнено. Это нелогичный способ показать состояние заряда, но он в основном используется в отношении срока службы. Чем глубже разряжена батарея, тем короче будет срок службы батареи. Традиционная свинцово-кислотная батарея в бензиновом автомобиле не должна разряжаться ниже 50%, иначе это значительно сократит срок ее службы. Большинство современных элементов на основе лития рассчитаны на 100% DOD, что не влияет на номинальный срок службы. Однако, избегая последних 20% заряда ваших батарей, вы значительно увеличите срок службы по сравнению с номинальным значением.

Зарядное устройство — это устройство, которое пропускает электрический ток в батарею, повышая ее уровень заряда. Это может показаться проще, чем есть на самом деле, потому что литиевые батареи на самом деле очень чувствительны к температуре, напряжению и току. Предполагая, что температура и напряжение находятся в пределах нормального рабочего диапазона, принцип зарядки состоит из двух этапов:

Этап 1: Постоянный ток: зарядное устройство подает на аккумуляторы заданный ток. Величина тока зависит от приложения и того, что могут выдержать батареи. Безопасным числом для нормальной зарядки будет 0,5C. Эта зарядка будет продолжаться, пока напряжение аккумуляторной батареи будет медленно увеличиваться. В какой-то момент достигается максимальное напряжение батареи, которое для литий-ионных элементов обычно составляет 4,2 В на элемент. Когда мы будем продолжать заряжать таким образом, напряжение будет продолжать расти, и батарея будет повреждена. Эти 4,2 В обычно являются точкой, при которой батареи достигают 80% своего SOC. Теперь вступает в действие второй этап зарядки.
Этап 2: Постоянное напряжение: Когда достигается максимальное напряжение на элемент, зарядный ток будет снижен, чтобы удерживать батареи на этом максимальном напряжении. Ток будет продолжать падать почти до нуля, пока батареи не будут полностью заряжены. Из-за падающего тока на зарядку последних 20% аккумулятора уходит почти 50% времени. По этой же причине многие производители электромобилей указывают время зарядки до 80%. При быстрой зарядке в дороге нет особого смысла заряжать и последние 20%, в большинстве случаев достаточно зарядить до 80% и продолжить путешествие.

Оба эти этапа называются зарядкой CCCV, что является единственным способом правильной зарядки литиевой батареи. Любые другие «волшебства» не нужны или даже опасны: эффект памяти, как в NiMH батареях, не существует для литий-ионных, а подзарядка — отличный способ сократить срок службы батареи. Кондиционирование батареи не требуется: при доставке литиевые батареи имеют максимальную емкость. Если зарядное устройство не предназначено специально для литиевых батарей и явно не работает по принципу CCCV, даже не рассматривайте его.

Мы можем предоставить вам зарядные устройства, которые идеально подходят для наших аккумуляторов и системы управления батареями: полностью программируемые для любой возможной ситуации. Примечания: Поддержание батареи при максимальном напряжении сокращает срок ее службы. Не рекомендуется постоянно подзаряжать литиевую батарею и держать ее на максимальном напряжении. Подробнее об этом можно узнать в разделе «Срок службы» аккумулятора. Зарядка как можно быстрее на первом этапе CV на самом деле не сокращает время до полной зарядки аккумулятора. Это только уменьшит время зарядки до 70%, а время зарядки от 70% до полной увеличится. Поэтому быстрая зарядка важна только тогда, когда вы хотите быстро продолжить поездку и принять более короткий диапазон. В большинстве случаев это практический путь. Если вы планируете поездку с помощью зарядных устройств, лучше всего заряжать их, когда автомобиль почти пуст: такие зарядки самые быстрые, и вы скоро снова в пути.

Для гонок вам нужно, чтобы аккумуляторы при максимальном заряде использовали свой максимальный запас энергии. Даже с быстрой зарядкой вам все равно потребуется 1,5 часа или больше, если вы хотите получить последние несколько процентов: было бы напрасно таскать вес и не использовать всю энергию, которую он может удерживать. Время, в течение которого эти батареи находятся на максимальном и минимальном напряжении, в любом случае низкое, при условии, что они полностью заряжены в последний момент и сразу же заряжены до емкости после гонки.

Длительное воздействие высоких температур вредно для аккумуляторов. Они могут возникать во время быстрой зарядки, поэтому необходимы меры по охлаждению батарей во время быстрой зарядки. Наши батареи имеют жидкостное охлаждение и могут легко отводить тепло из упаковки. Таким образом, их можно безопасно заряжать максимальным током, указанным для элементов. Если аккумуляторная батарея нагружена до предела и находится на грани перегрева, лучше всего отложить зарядку до тех пор, пока она не остынет. Наша BMS может управлять этим процессом, чтобы обеспечить максимальный срок службы вашего аккумуляторного блока. Литиевые батареи довольно хорошо переносят низкие температуры. То есть до тех пор, пока они не используются. Зарядка ниже нуля градусов Цельсия не допускается. Это включает в себя рекуперативное торможение, поскольку оно, по сути, заряжает аккумуляторы вашей трансмиссией! BMS должна быть настроена на запрет зарядки при низкой температуре. Наша BMS имеет эту функцию, а также способна предварительно нагревать аккумуляторную батарею с жидкостным охлаждением перед зарядкой, поскольку эту систему охлаждения также можно использовать в качестве системы обогрева аккумуляторной батареи зимой. Часто BMS управляет зарядным устройством через соединение с шиной CAN: она учитывает состояние батареи, SOC и температуру и определяет правильную настройку, которую, в свою очередь, выполняет зарядное устройство. Наше зарядное устройство и BMS представляют собой идеальную комбинацию и поставляются с индивидуальными настройками для оптимальной работы в вашем приложении.

Зарядка должна начинаться при низком токе, и для достижения полного уровня тока требуется несколько минут. Это снижает нагрузку на аккумулятор, продлевая срок его службы. Литиевые аккумуляторы не страдают от эффекта памяти, как старые NiMH аккумуляторы. Вы можете зарядить их в любом SOC, и они не должны быть полностью заряжены. Вы можете зарядить их до полного заряда или всего за 10 минут, чтобы добраться до места назначения, без проблем. Производители некоторых зарядных устройств заявляют, что они могут восстанавливать аккумуляторы, которые BMS не может заряжать. Это невозможно: литиевые батареи не регенерируются. Потеря емкости необратима. Они имеют в виду, что они могут заряжать батареи, которые разряжены ниже их нормального напряжения. Они дают заряд аккумулятору, поэтому аккумуляторы возвращаются к своему нормальному рабочему напряжению, и в этот момент системы безопасности BMS дают «все чисто» для начала нормальной зарядки. Тем не менее, батареи, напряжение которых было ниже минимального в течение длительного времени, в лучшем случае будут повреждены, а в худшем случае возникнет опасность возгорания.

Обязательно регулярно заряжайте аккумулятор, даже когда он не используется, и никогда не оставляйте его ниже минимального напряжения. Это может произойти со временем, поскольку литиевые батареи медленно разряжаются, даже если они вообще не используются. Если аккумуляторы не используются в течение длительного времени, старайтесь хранить их при температуре немного ниже комнатной и при SOC около 50 %. Никогда не храните их полностью заряженными или полностью разряженными в течение длительного времени. При соединении ячеек для формирования высоковольтной аккумуляторной батареи обязательно, чтобы каждая ячейка в этом последовательном соединении оставалась в пределах надлежащего диапазона напряжения. Таким образом, каждая из этих ячеек должна иметь чип BMS для ее мониторинга. Если бы это не контролировалось, и одна ячейка была бы на более высоком напряжении, эта ячейка превышала бы безопасное напряжение во время зарядки, в то время как общее количество ячеек все еще казалось бы в порядке. То же самое справедливо и для элемента с более низким напряжением, напряжение которого упадет ниже его рабочего напряжения. Если ячейки не используются в пределах их рабочего диапазона, они будут повреждены и быстро потеряют емкость. Вы должны думать о батареях, соединенных последовательно, как о звеньях цепи: прочность цепи определяется самым слабым звеном. То же самое верно и для аккумуляторных элементов: емкость самого слабого элемента определяет емкость всей батареи. По этой причине мы контролируем каждую отдельную ячейку, и BMS сообщит зарядному устройству о прекращении зарядки, если хотя бы одна ячейка окажется выше допустимого напряжения, и предупредит или даже прекратит разрядку, если хотя бы одна ячейка окажется ниже допустимого напряжения.

Итак, что делать, если клетки разбалансированы? Чип BMS способен отводить мощность от ячейки с более высоким SOC, тем самым уравновешивая ее с другими. Наша BMS автоматически корректируется во время процесса зарядки, и вам вообще не нужно ничего делать. Когда аккумуляторная батарея правильно собрана из качественных элементов одинаковой емкости, это не проблема. Балансировка займет совсем немного времени, а вместимость вашего рюкзака останется в порядке. Однако, когда батарейный блок подвергается неправильному использованию или стареет, дисбаланс становится больше. Это займет больше времени, чтобы сбалансироваться, и пакет в целом потеряет емкость.

Это общепринятый способ правильной зарядки литиевой батареи, как описано в разделе «Зарядка батареи».

Процесс доведения каждой ячейки аккумуляторной батареи до одинакового уровня напряжения. Дополнительную информацию см. в разделах «Зарядка» и «BMS».

Электромагнитные помехи — это помехи в электрических цепях, вызванные электромагнитной индукцией. Основным источником этого в электромобиле являются контроллер и двигатель, поскольку эти компоненты отправляют и получают мощные высокочастотные импульсы. Старайтесь, чтобы провода между двигателем и контроллером были как можно короче, используйте экранированный кабель и держите все чувствительные цепи как можно дальше от этих частей.

Принцип работы аккумулятора физика

Принцип действия аккумуляторов

История аккумуляторов

Главная > Доклад >Физика

Главная > Реферат >Химия

Аккумуляторы по новым технологиям

Применение аккумулятора — доклад сообщение по физике 8 класс

Вариант 2

Применение аккумулятора

Несколько интересных сочинений

Презентация по физике Применение аккумуляторов доклад, проект

Что такое shareslide.ru?

Обратная связь

батарей

Как работает батарея

* Содержание

1 Качественный обзор

1.1 Сверхупрощенная модель

1.2 Модель Fancier

1.3 Макроскопические поля и потоки

1.4 Некоторые перспективы

2 Внутренние механизмы

2.1 Рабочие функции

Батарея 2,2 А

2.

2.4 Полуклеточные реакции

2.5 Преобразование энергии

3 Обсуждение

3.1 Электрохимическое соединение

3.2 Падение напряжения; Закон Кирхгофа

3.3 Химический потенциал и кинетическая энергия

3.4 Заглатывание и извлечение батареи

3.5 Свинцово-кислотные аккумуляторы

4 Почему нет простой модели шарика и стержня

5 Номера по каталогу

Физика батареи 101 | Батарея питания

Похожие записи

Coocox: CooCox. Текущее состояние дел. / CoIDE / Pluslab

Приборы для измерения давления жидкости: Манометр — из чего состоит? Виды и типы

Регулируемая индуктивность: Регулируемая катушка индуктивности на кольцевом сердечнике

Добавить комментарий Отменить ответ