Jak jsou baterie konstruovány a jak fungují

V širokém slova smyslu v technice se pod pojmem „baterie“ rozumí zařízení, které umožňuje za určitých provozních podmínek akumulovat určitý druh energie a za jiných ji vydávat pro lidské potřeby.

Používají se tam, kde je potřeba sbírat energii po určitou dobu a následně ji využít k provádění velkých, pracně náročných procesů. Například hydraulické akumulátory používané v plavebních komorách umožňují zvedání lodí na novou úroveň v korytě řeky.

Elektrické baterie pracují s elektřinou na stejném principu: nejprve akumulují (ukládají) elektřinu z externího nabíjecího zdroje a poté ji dávají připojeným spotřebitelům k výkonu práce. Svou povahou jsou to chemické zdroje proudu schopné provádět mnohokrát periodické vybíjecí a nabíjecí cykly.

Během provozu neustále probíhají chemické reakce mezi součástmi elektrodových desek a látkou, která je vyplňuje – elektrolytem.

Základní schéma bateriového zařízení lze znázornit zjednodušeným nákresem, kde jsou do těla nádoby vloženy dvě destičky z různých kovů s vývody pro elektrické kontakty. Elektrolyt se nalévá mezi desky.

Výkon baterie při vybití

Když se k elektrodám připojí zátěž, např. žárovka, vznikne uzavřený elektrický obvod, kterým protéká výbojový proud. Vzniká pohybem elektronů v kovových částech a aniontů s kationty v elektrolytu.

Tento proces je schematicky znázorněn na diagramu s konstrukcí nikl-kadmiové elektrody.

Zde se jako materiál kladné elektrody používají oxidy niklu s přísadami grafitu, které zvyšují elektrickou vodivost. Kovem záporné elektrody je houbovité kadmium.

Při výboji se částice aktivního kyslíku z oxidů niklu uvolňují do elektrolytu a jsou směrovány na negativní desky, kde oxidují kadmium.

Provoz na baterie během nabíjení

Když je zátěž odpojena, je na svorky desek přiváděno konstantní (v určitých situacích pulzující) napětí vyšší velikosti, než je napětí nabíjené baterie se stejnou polaritou, když se kladné a záporné svorky zdroje a spotřebiče shodují.

Nabíječka má vždy větší výkon, který „potlačuje“ zbývající energii v baterii a vytváří elektrický proud ve směru opačném k vybíjení. V důsledku toho se mění vnitřní chemické procesy mezi elektrodami a elektrolytem. Například v nádobě s nikl-kadmiovými deskami je kladná elektroda obohacena kyslíkem a záporná je redukována do stavu čistého kadmia.

Při vybíjení a nabíjení baterie se mění chemické složení materiálu desek (elektrod), ale nemění se elektrolyt.

Způsoby připojení baterií

Velikost vybíjecího proudu, kterou člověk snese, závisí na mnoha faktorech, především však na konstrukci, použitých materiálech a jejich rozměrech. Čím větší je plocha elektrodových desek, tím větší proud mohou odolat.

Tento princip se používá pro paralelní zapojení stejných bateriových článků, kdy je potřeba zvýšit proud do zátěže. K nabití takového provedení ale bude nutné zvýšit výkon zdroje. Tato metoda se zřídka používá pro hotové konstrukce, protože nyní je mnohem snazší okamžitě zakoupit potřebnou baterii. Používají ho však výrobci kyselých baterií, spojujících různé desky do jednotlivých bloků.

V závislosti na použitých materiálech může být mezi dvěma elektrodovými deskami běžných domácích baterií generováno napětí 1,2/1,5 nebo 2,0 V. (Ve skutečnosti je tento rozsah mnohem širší.) Pro mnoho elektrospotřebičů je jednoznačně nedostatečný. Proto jsou identické baterie zapojeny do série, a to se často děje v jediném krytu.

Příkladem takové konstrukce je široce používaný automobilový vývoj založený na kyselině sírové a elektrodách z olověných desek.

Mezi lidmi, zejména mezi řidiči dopravy, je obvykle obvyklé nazývat jakékoli zařízení baterií, bez ohledu na počet jeho základních prvků – plechovek. To však není úplně správné. Konstrukce sestavená z několika sériově zapojených plechovek je již baterií, která má zkrácený název „AKB“. Jeho vnitřní struktura je znázorněna na obrázku.

Každá z plechovek se skládá ze dvou bloků se sadou destiček pro kladné a záporné elektrody. Bloky do sebe zapadají bez kovového kontaktu, s možností spolehlivého galvanického spojení přes elektrolyt.

Kontaktní desky mají v tomto případě přídavnou mřížku a jsou od sebe odděleny dělicí deskou – separátorem.

Spojení desek do bloků zvětšuje jejich pracovní plochu, snižuje celkový měrný odpor celé konstrukce a umožňuje zvýšení výkonu připojované zátěže.

Na vnější straně pouzdra má taková baterie prvky znázorněné na obrázku níže.

Ukazuje, že odolné plastové pouzdro je pevně utěsněno víkem a je opatřeno dvěma svorkami (obvykle kuželovými) nahoře pro připojení k elektrickému obvodu vozidla. Jejich svorky jsou označeny polaritou: „+“ a „-“. Pro blokování chyb při připojování je zpravidla průměr kladné svorky o něco větší než průměr záporné svorky.

Servisované baterie mají na horní straně každé plechovky plnicí hrdlo pro kontrolu hladiny elektrolytu nebo doplňování destilované vody během provozu. Je do něj našroubována zátka, která chrání vnitřní dutiny dózy před znečištěním a zároveň zabraňuje vylití elektrolytu při naklonění baterie.

Protože silný náboj může způsobit prudké uvolnění plynů z elektrolytu (a tento proces je možný při intenzivní jízdě), jsou v zátkách vytvořeny otvory, které zabraňují zvýšení tlaku uvnitř plechovky. Uniká jimi kyslík a vodík a také páry elektrolytů. Takovým situacím s nadměrnými nabíjecími proudy je vhodné se vyhnout.

Na stejném obrázku je znázorněno spojení prvků mezi plechovkami a uspořádání elektrodových desek.

Startovací autobaterie (olověné) fungují na principu dvojité sulfatace. Při vybíjení/nabíjení dochází k elektrochemickému procesu doprovázenému změnou chemického složení aktivní hmoty elektrod s uvolňováním/absorpcí vody do elektrolytu (kyseliny sírové).

To vysvětluje nárůst měrné hustoty elektrolytu při nabíjení a její pokles při vybíjení baterie. Jinými slovy, hodnota hustoty nám umožňuje vyhodnotit elektrický stav baterie. K jeho měření se používá speciální zařízení – automobilový hustoměr.

Destilovaná voda, která je součástí elektrolytu kyselých baterií, se při záporných teplotách mění v pevné skupenství – led. Proto, aby autobaterie nezamrzly v chladném počasí, je nutné přijmout zvláštní opatření stanovená v provozním řádu.

Jaké typy baterií existují?

Moderní výroba produkuje více než tři desítky výrobků s různým složením elektrod a elektrolytů pro různé účely. Je známo 12 modelů, které pracují pouze na lithiu.

Jako elektrody lze použít následující kovy:

• Vést;
• železo;
• lithium;
• titan;
• kobalt;
• kadmium;
• nikl;
• zinek;
• stříbro;
• vanad;
• hliník
• některé další prvky.

Ovlivňují elektrické výstupní charakteristiky a tím i oblast použití.

Pro olověné akumulátory je typická schopnost odolávat krátkodobému vysokému zatížení, ke kterému dochází při roztočení klikových hřídelí spalovacích motorů elektromotory. Jsou široce používány v dopravě, nepřerušitelných napájecích zdrojích a systémech nouzového napájení.

Standardní galvanické články (jednoduché baterie) bývají nahrazovány nikl-kadmiovými, nikl-zinkovými a nikl-metal hydridovými bateriemi.

Ale lithium-iontové nebo lithium-polymerové konstrukce fungují spolehlivě v mobilních a počítačových zařízeních, stavebních nástrojích a dokonce i v elektrických vozidlech.

V závislosti na typu použitého elektrolytu jsou baterie klasifikovány jako:

Existuje klasifikace baterií podle jejich zamýšleného účelu. Například v moderních podmínkách se objevila zařízení, která slouží k přenosu energie – dobíjení jiných zdrojů. Takzvaná externí baterie pomáhá majitelům mnoha mobilních zařízení při absenci střídavého napájení. Je schopen opakovaně nabíjet tablet, smartphone nebo mobilní telefon.

Všechny tyto baterie mají stejný princip činnosti a podobnou konstrukci. Například model lithium-iontového prstu zobrazený na obrázku níže do značné míry opakuje konstrukci kyselinových baterií, o kterých jsme hovořili dříve.

Zde vidíme stejné kontakty elektrod, desky, separátor a pouzdro. Jsou vyrobeny pouze s ohledem na jiné pracovní podmínky.

Základní elektrické vlastnosti baterie

Provoz zařízení je ovlivněn následujícími parametry:

• kapacity;
• hustota energie;
• samovybíjení;
• teplotní režim.

Kapacita je maximální nabití, které může baterie dodat během vybíjení na nejnižší napětí. Vyjadřuje se v coulombech (systém SI) a ampérhodinách (jednotka mimo SI).

Jako druh kapacity existuje „energetická kapacita“, která určuje energii uvolněnou při vybíjení na minimální povolené napětí. Měří se v joulech (jednotky SI) a watthodinách (jednotky jiné než SI).

Hustota energie je vyjádřena jako poměr množství energie k hmotnosti nebo objemu baterie.

Samovybíjení je považováno za ztrátu kapacity po nabití při absenci zátěže na svorkách. Závisí na konstrukci a zvyšuje se, když je izolace mezi elektrodami z mnoha důvodů poškozena.

Provozní teplota ovlivňuje elektrické vlastnosti a při výrazných odchylkách od normy stanovené výrobcem může dojít k selhání baterie. Teplo a chlad jsou nepřijatelné, ovlivňují průběh chemických reakcí a tlak prostředí uvnitř zavařovací sklenice.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Zjednodušte si výpočty elektrických obvodů, parametrů zařízení a dalších elektrotechnických úkolů s touto praktickou aplikací: Online kalkulačka elektrotechniky

Rozvíjejte své profesní dovednosti s katalogem specializovaných kurzů pro technické profesionály – vyberte si vhodný formát a témata.

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!

Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí:

Ne všichni majitelé vozidel chápou, jak funguje autobaterie. Většina z nich však ví, že bez kvalitní a nabité baterie není možné nastartovat motor auta, zejména při teplotách pod bodem mrazu. Baterie produkuje počáteční elektrický proud, díky kterému startér otáčí klikovou hřídelí pohonné jednotky. Po nastartování motoru začne generátor generovat potřebnou energii.

Účel autobaterie

Nepřerušovaný provoz autobaterie je předpokladem pro efektivní provoz vozidla. Každý majitel automobilu musí sledovat stav zdroje energie, včas jej nabíjet a v případě potřeby vyměňovat.

V moderních automobilech plní baterie následující funkce:

• zajišťuje, že motor vozidla nastartuje za různých provozních podmínek, včetně zimního období, kdy je vozidlo zaparkováno na ulici;
• baterie zajišťuje fungování elektrických zařízení a vybavení instalovaných v interiéru vozidla;
• přítomnost vysoce kvalitní baterie zajišťuje provoz autoalarmu a poskytuje ochranu před vloupáním a krádeží;
• Během pohybu baterie akumuluje energii, kterou v případě potřeby dodává spotřebitelům.

Existuje několik typů autobaterií, které se liší designem, materiály, velikostmi a technickými vlastnostmi. Princip fungování a účel všech výkonových prvků jsou shodné.

Struktura a princip fungování autobaterie

Tradiční olověná baterie má plastové pouzdro se 6 bateriemi uvnitř. Každý článek produkuje výstupní napětí 2 volty, celkem tedy 12 voltů. Uvnitř každého článku jsou olověné desky ošetřené chemicky aktivní látkou. Na záporné a kladné desky je naneseno jemně pórovité olovo a oxid olovnatý.

Princip fungování autobaterie spočívá v aktivaci a výskytu chemické reakce při zatížení baterie. Elektrolyt a aktivní látka vzájemně interagují, což vede ke vzniku elektrického proudu. Vedlejším účinkem chemické reakce je srážení síranu olovnatého a postupné vyčerpávání elektrolytu. Z tohoto důvodu vede dlouhodobý odběr energie z baterie k jejímu vyčerpání.

Pokud běží motor automobilu a vozidlo se pohybuje, chemická reakce probíhá v opačném směru. Schopnost baterie produkovat proud se obnoví. Při delším pohybu automobilu baterie získá plnou kapacitu a funguje bez poruch.

Co je uvnitř autobaterie

Pokud konstrukce a princip fungování autobaterie nezpůsobují pro mnoho majitelů automobilů žádné zvláštní otázky, pak existuje pochopení potřeby pravidelné údržby a dobíjení baterie. Každá baterie, bez ohledu na výrobce a model, je poměrně složité zařízení, které zahrnuje následující prvky:

• Na těle výrobku jsou svorky, záporná a kladná. K nim jsou připojeny napájecí vodiče z elektrického systému automobilu;
• kyselý roztok, který plní baterii, se skládá ze směsi destilované vody a kyseliny sírové;
• Pro připojení svorek k vnitřním prvkům generujícím proud jsou k dispozici speciální lité pásky;
• záporná deska je vyrobena ve formě kovové mřížky potažené aktivní látkou;
• Kladná deska je kovová síťovina potažená oxidem olovnatým;
• Pomocí separátoru jsou kladné a záporné desky od sebe odděleny a nedotýkají se;
• kryt baterie a tělo jsou vyrobeny z odolného plastu, odolného vůči mechanickému a chemickému namáhání;
• Desky baterie vyrobené ze střídavých kladných a záporných prvků vyplňují celou kapacitu baterie.

Taková konstrukce a složení jsou typické pro různé typy akumulátorů. Existují servisované a neservisované modely. Výrobky druhého typu neznamenají možnost doplňování elektrolytu a nevyžadují údržbu po celou dobu životnosti.

Konstrukční vlastnosti moderních baterií

Dlouhý a bezproblémový provoz autobaterie je možný s použitím vysoce kvalitních baterií a včasnou údržbou zařízení. Moderní modely baterií mají díky konstrukčním prvkům dlouhou životnost. V závislosti na typu, značce a modelu baterie mohou výrobci použít následující technická řešení:

• Díky radiálnímu provedení mřížky a výrobě desek vytlačováním buněk z pevného plechu je možné zachovat chemickou strukturu kovu, což má pozitivní vliv na technické vlastnosti výrobku;
• Použití slitiny olova a stříbra jako materiálu pro výrobu mřížky zvyšuje pevnost desek. Zároveň snížení hmotnosti a tloušťky mřížky dosahuje 30 procent, životnost baterie se zvyšuje o 0 procent;
• Ve standardním pouzdře baterie je instalován větší počet desek vyrobených technologií extruze. To umožňuje zvýšit kapacitu baterie a její provozní dobu;
• použití separátorů se skelnými vlákny umožňuje eliminovat vibrace a rozsypávání materiálu během chemické reakce a zachovat aktivní hmotu roštů;
• přidání modifikátorů do elektrolytu působí proti houstnutí kapaliny při nízkých teplotách. Vodivost zůstává stejná a vnitřní odpor se nezvyšuje;
• Aby se zabránilo zkratům, jsou desky umístěny v separátorech vyrobených ve tvaru obálek s utěsněnými okraji. Tato konstrukce zabraňuje vypadávání sedimentů ze separátoru, čímž se minimalizuje riziko zkratů.

Moderní baterie mají i další vlastnosti. Technologie se neustále vyvíjejí. Výrobci zavádějí inovativní nápady, které zlepšují kvalitu výrobků.

Pouzdro a kryt

Jedním z hlavních prvků každé baterie je pouzdro a kryt. Tyto moduly jsou vyrobeny z odolného, chemicky odolného plastu, který odolává změnám teploty a vlhkosti. Materiál je neutrální vůči kyselinám, zachovává si pevnost a těsnost po celou dobu používání baterie.

Desky

Každá baterie má sadu záporných a kladných elektrod, které se nazývají katoda a anoda. Záporná elektroda je vyrobena z houbovité olovnaté hmoty, kladná elektroda je vyrobena z oxidu olovnatého a je porézní.

Přidání dalších materiálů do olova umožňuje vyloučit rychlé vybíjení baterie. Takové prvky zpomalují proces sulfatace a umožňují zvýšit kapacitu baterie o 70 procent. Moderní modely baterií se vyrábějí z čistého olova, očištěného od nečistot. Díky této vlastnosti je možné zvýšit výkon daného startovacího proudu.

Elektrolyt

Elektrolyt nalitý do každé baterie je směs sestávající z 35 procent kyseliny sírové a 65 procent destilované vody. Vysoká hustota elektrolytu zabraňuje zamrznutí baterie v silných mrazech. Čím vyšší je toto číslo, tím lepší je baterie.

Oddělovač

Aby se desky oddělily a zabránilo se jejich vzájemnému kontaktu, každá baterie obsahuje separátory. Tyto prvky jsou vyrobeny z chemicky neutrálního plastu, revertexu nebo ebonitu. Separátor odděluje záporné desky od kladných.

Mikrovlákno se používá k výrobě separátorů pro moderní modely baterií. Tento materiál je high-tech, plní funkci udržování elektrolytu uvnitř baterie. Desky jsou obaleny mikrovláknem a pevně zabaleny do baterie.

Svorky a zástrčky

Póly na každé baterii jsou vyrobeny z olova. Kladný a záporný pól jsou připojeny ke kontaktům elektrického systému vozidla. Pokud má být baterie během provozu servisována, její kryt má plnicí zátky odpovídající počtu plechovek. Tyto zátky lze odšroubovat, změřit hladinu elektrolytu a doplnit destilovanou vodu.

Jak funguje autobaterie

Každá baterie funguje díky nepřetržité chemické reakci, která probíhá mezi deskami. Když se baterie vybije, oxid olovnatý se na katodě redukuje a olovo se oxiduje na anodě. Z kyseliny se v důsledku sulfatace uvolňuje vodík, který reaguje s kyslíkem z anody. V důsledku chemické reakce se generuje elektrická energie.

Proces nabíjení zahrnuje obnovu kyseliny sírové a tvorbu oxidu olovnatého. Hustota elektrolytu a kapacita baterie se zvyšují. Po celou dobu její životnosti probíhají neustálé procesy nabíjení a vybíjení baterie. Majitel je povinen sledovat hladinu elektrolytu.

Typy autobaterií

Všechny baterie uvedené na trhu se dělí na servisované a bezúdržbové. Produkty uvedené jako první jsou vybaveny zátkami pro kontrolu hladiny a doplnění kapaliny. Bezúdržbové modely nevyžadují během používání preventivní údržbu.

Baterie s tekutým elektrolytem

Modely baterií s tekutým elektrolytem jsou navrženy pro 3–5 let provozu. Pro prodloužení životnosti je vhodné pravidelně kontrolovat hladinu elektrolytu a v případě potřeby kapalinu doplňovat. Takové baterie jsou na trhu nejoblíbenější.

EFB baterie

Baterie vyrobené technologií EFB jsou vybaveny destičkami obalenými mikrovláknem. Kontaktní plocha s destičkami je zvětšena, což zvyšuje kapacitu a výkon. Takové baterie nejsou servisované, jejich životnost je 4-5 let.

AGM

Konstrukce baterií vyrobených technologií AGM zahrnuje ventily pro odvádění plynu. Mezi desky je umístěno vlákno s elektrolytem v pórech. Proces sulfatace v takových bateriích je velmi pomalý. Životnost těchto baterií dosahuje 10 let, ale cena produktů je poměrně vysoká.

Gelové baterie

V bateriích tohoto typu je elektrolyt poměrně hustý kvůli přítomnosti přísad. Kapalina funguje také jako separátor. Takové baterie si zachovávají své technické vlastnosti po dobu 10 let, ale jsou několikanásobně dražší než standardní modely. Nevýhodou ALB je citlivost na zkraty.

Každý typ baterie má své výhody a nevýhody. Při výběru je nutné porovnat technické vlastnosti, cenu, provozní podmínky a další parametry produktů.