Le champ d'application des batteries électriques est extrêmement large. Ils sont utilisés comme sources d'électricité dans les jouets d'enfants, et dans les outils électriques, et comme source de traction dans les véhicules électriques. Pour utiliser correctement les piles, vous devez connaître leurs propriétés, leurs forces et leurs faiblesses.
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Qu'est-ce qu'une batterie électrique et comment ça marche
Pile électrique - c'est renouvelable source d'énergie électrique. Contrairement aux cellules galvaniques, après avoir été déchargée, elle peut être rechargée. En principe, toutes les batteries sont disposées de la même manière et se composent d'une cathode et d'une anode placées dans un électrolyte.
Le matériau des électrodes et la composition de l'électrolyte peuvent être différents, et c'est ce qui détermine les propriétés de consommation des batteries et leur portée.Entre la cathode et l'anode, un séparateur diélectrique poreux peut être posé - un séparateur imprégné d'électrolyte. Mais il détermine, pour l'essentiel, les propriétés mécaniques de l'ensemble et n'affecte pas fondamentalement le fonctionnement de l'élément.
En général, le fonctionnement sur batterie repose sur deux transformations énergétiques :
- électrique à chimique lors de la charge ;
- chimique en électrique pendant la décharge.
Les deux types de conversion sont basés sur l'apparition de réactions chimiques réversibles, dont le déroulement est déterminé par les substances utilisées dans la batterie. Ainsi, dans une cellule plomb-acide, la partie active de l'anode est en dioxyde de plomb et la cathode est en plomb métallique. Les électrodes sont dans un électrolyte d'acide sulfurique. Lorsqu'il est déchargé à l'anode, le dioxyde de plomb est réduit pour former du sulfate de plomb et de l'eau, et le plomb à la cathode est oxydé en sulfate de plomb. Des réactions inverses se produisent pendant la charge. Dans les batteries d'autres conceptions, les composants réagissent différemment, mais le principe est similaire.
Types et types de piles
Les propriétés de consommation des batteries sont principalement déterminées par sa technologie de production. Dans la vie quotidienne et dans l'industrie, plusieurs types de cellules de batterie sont les plus courants.
Plomb-acide
Ce type de batterie a été inventé au milieu du 19ème siècle et a toujours son propre créneau d'application. Ses avantages incluent :
- une technologie de production simple, peu coûteuse et vieille de plusieurs décennies ;
- sortie de courant élevée ;
- longue durée de vie (de 300 à 1000 cycles de charge-décharge) ;
- le courant d'autodécharge le plus faible ;
- pas d'effet mémoire.
Il y a aussi des inconvénients.Il s'agit tout d'abord d'une faible intensité énergétique spécifique, entraînant une augmentation des dimensions et du poids. Les performances sont également médiocres à basse température, en particulier en dessous de moins 20 °C. Il y a aussi des problèmes d'élimination - les composés du plomb sont assez toxiques. Mais cette tâche doit être adressé pour les autres types de batteries.
Bien que les batteries au plomb aient été optimisées à leur maximum, même ici, il y a place à l'amélioration. Par exemple, il existe la technologie AGM, selon laquelle un matériau poreux imprégné d'un électrolyte est placé entre les électrodes. Cela n'affecte pas les processus électrochimiques de charge et de décharge. Fondamentalement, cela améliore les caractéristiques mécaniques des batteries (résistance aux vibrations, possibilité de travailler dans presque toutes les positions, etc.) et augmente quelque peu la sécurité de fonctionnement.
Un autre avantage notable est un fonctionnement amélioré sans perte de capacité et de courant de sortie à des températures allant jusqu'à moins 30 °C. Les fabricants de batteries AGM revendiquent une augmentation du courant de démarrage et de la ressource.
Les batteries au gel sont une autre modification des batteries au plomb. L'électrolyte s'épaissit à l'état de gelée. Cela permet d'exclure les fuites d'électrolyte pendant le fonctionnement et élimine la possibilité de formation de gaz. Mais la sortie de courant est quelque peu réduite, ce qui limite la possibilité d'utiliser des batteries au gel comme batteries de démarrage. Les propriétés miraculeuses déclarées de telles batteries en termes de capacité accrue et de ressources accrues sont sur la conscience des commerçants.
Les batteries au plomb sont généralement chargées en mode de stabilisation de tension. Dans le même temps, la tension sur la batterie augmente et le courant de charge diminue. Le critère pour la fin du processus de charge est la chute de courant jusqu'à la limite définie.
Nickel-cadmium
Leur siècle touche à sa fin, et l'envergure se rétrécit peu à peu. Leur principal inconvénient est un effet mémoire prononcé. Si vous commencez à recharger une batterie Ni-Cd incomplètement déchargée, l'élément «se souvient» de ce niveau et la capacité est ensuite déterminée à partir de cette valeur. Un autre problème est le faible respect de l'environnement. Les composés de cadmium toxiques créent des problèmes lors de l'élimination de ces batteries. D'autres inconvénients incluent:
- forte tendance à l'auto-décharge;
- consommation d'énergie relativement faible.
Mais il y a aussi des avantages :
- faible coût;
- longue durée de vie (jusqu'à 1000 cycles de charge-décharge);
- capacité à fournir un courant élevé.
De plus, les avantages de telles batteries incluent la capacité de fonctionner à de basses températures négatives.
La charge des éléments Ni-Cd s'effectue en mode courant continu. Vous pouvez utiliser pleinement la capacité en rechargeant avec une diminution progressive ou progressive du courant de charge. La fin du processus est contrôlée en diminuant la tension de la cellule.
Nickel-hydrure métallique
Conçu pour remplacer les piles au nickel-cadmium. De nombreuses caractéristiques et propriétés de consommation sont supérieures à celles du Ni-Cd. Il a été possible de se débarrasser partiellement de l'effet mémoire, d'augmenter l'intensité énergétique d'environ une fois et demie et de réduire la tendance à l'autodécharge. Dans le même temps, une efficacité de courant élevée a été préservée et le coût est resté approximativement au même niveau. Le problème environnemental est atténué - les batteries sont produites sans l'utilisation de composés toxiques. Mais nous avons dû payer cela avec une ressource considérablement réduite (jusqu'à 5 fois) et la possibilité de travailler à des températures négatives - seulement jusqu'à -20 ° C contre -40 ° C pour celles au nickel-cadmium.
De telles cellules sont chargées en mode courant continu. La fin du processus est contrôlée en augmentant la tension sur chaque élément jusqu'à 1,37 volts. Le plus favorable est le mode courant pulsé avec des surtensions négatives. Cela élimine les effets de l'effet mémoire.
Li-ion
Les batteries lithium-ion envahissent le monde. Ils déplacent d'autres types de batteries des zones où la situation semblait inébranlable. Les cellules Li-ion n'ont pratiquement pas d'effet mémoire (il est présent, mais à un niveau théorique), supportent jusqu'à 600 cycles de charge-décharge, l'intensité énergétique est 2 à 3 fois supérieure au rapport capacité/poids du nickel-hydrure métallique piles.
La tendance à l'auto-décharge pendant le stockage est également minime, mais vous devez littéralement payer pour tout cela - ces batteries sont beaucoup plus chères que les batteries traditionnelles. On peut s'attendre à des réductions de prix avec le développement de la production, comme c'est généralement le cas, mais il est peu probable que d'autres inconvénients inhérents à ces batteries - efficacité réduite du courant, incapacité à fonctionner à des températures négatives - soient surmontés dans le cadre des technologies existantes.
En plus d'un risque d'incendie accru, cela entrave quelque peu l'utilisation Batteries Li-ion. Il convient également de garder à l'esprit que de tels éléments sont sujets à dégradation. Même s'ils ne sont pas chargés et déchargés, leur ressource elle-même va à zéro en 1,5 ... 2 ans de stockage.
Le mode de charge le plus favorable est en deux étapes. Tout d'abord, un courant stable (avec une tension en augmentation régulière), puis une tension stable (avec un courant en décroissance régulière). En pratique, la deuxième étape est mise en oeuvre sous la forme d'un courant de charge réduit par paliers. Encore plus souvent, cette étape consiste en une étape - le courant stabilisé diminue simplement.
Principales caractéristiques des batteries
Le premier paramètre auquel on prête attention lors du choix d'une batterie est son Tension nominale. La tension d'une cellule de batterie est déterminée par les processus physico-chimiques se produisant à l'intérieur de la cellule et dépend du type de batterie. Une banque entièrement chargée donne :
- élément plomb-acide - 2,1 volts;
- nickel-cadmium - 1,25 volts;
- hydrure métallique de nickel - 1,37 volts;
- lithium-ion - 3,7 volts.
Pour obtenir une tension plus élevée, les cellules sont assemblées en batteries. Ainsi, pour une batterie de voiture, vous devez connecter 6 bidons au plomb en série pour obtenir 12 volts (plus précisément, 12,6 V), et pour un tournevis 18 volts - 5 bidons lithium-ion de 3,7 volts chacun.
Le deuxième paramètre important est capacité. Détermine la durée de vie de la batterie sous charge. Elle est mesurée en ampères-heures (le produit du courant et du temps). Ainsi, une batterie d'une capacité de 3 A⋅h lorsqu'elle est déchargée avec un courant de 1 ampère sera déchargée en 3 heures, et avec un courant de 3 ampères - en 1 heure.
Important! À proprement parler, Capacité de la batterie dépend du courant décharge, de sorte que le produit du courant et du temps de décharge à différentes valeurs de charge pour une batterie ne sera pas le même.
Et le troisième paramètre important - offre actuelle. C'est le courant maximum que la batterie peut délivrer. Il est important, par exemple, pour batterie automobile - détermine la possibilité de faire tourner l'arbre du moteur pendant la saison froide. De plus, la capacité à fournir un courant élevé, créant un couple élevé, est importante, par exemple, pour les outils électriques. Et pour les gadgets mobiles, cette caractéristique n'est pas si importante.
Les propriétés électriques et les qualités de consommation des batteries dépendent de leur conception et de leur technologie de production. L'utilisation correcte des batteries signifie utiliser les avantages des sources d'énergie chimiques renouvelables et niveler les inconvénients.
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