Принцип работы аккумулятор: Устройство и принцип работы автомобильного аккумулятора

Содержание

автомобильные и литий-ионные, устройство и принцип работы — сообщение

Современное производство, да и всю нашу жизнь невозможно представить без аккумуляторов и батареек. Они необходимы для работы автомобилей, сотовых телефонов, ноутбуков и даже детских игрушек. А при аварийных отключениях электроснабжения они обеспечивают бесперебойную работу различного оборудования. Сегодня в докладе мы познакомим вас с устройством и работой аккумуляторных батарей и литий-ионных аккумуляторов.

Общие сведения об аккумуляторных батареях

Аккумуляторы — устройства, которые являются химическими источниками тока. Они способны накапливать электрическую энергию и отдавать ее по мере необходимости.

Т.е. заряженный аккумулятор является источником электроэнергии. Для зарядки его следует подключить к постороннему источнику питания. При этом происходит процесс превращения электрической энергии источника тока в химическую энергию аккумулятора.

При подключении его к внешней цепи происходит его разрядка, в процессе которой его химическая энергия превращается в электрическую.

Автомобильный аккумулятор

Система электроснабжения автомобиля обязательно включает аккумуляторную батарею. Она предназначена для запуска двигателя, питания некоторых устройств (сигнализации, дворников, кондиционера и т.д.) Его значение столь велико, что часто его называют «сердцем автомобиля».

Как же устроен аккумулятор? Немного упростив детали, его конструкцию можно представить как систему решетчатых свинцовых пластин, находящихся в проводящей жидкости-электролите. Этот химический раствор состоит из 65% воды и 35% серной кислоты. Обычно в аккумуляторе 6 элементов, каждый из которых дает напряжение 2 V. Всего на клеммы аккумуляторной батареи поступает напряжение 12 V. При этом напряжении энергии аккумулятора достаточно для того, чтобы заработал стартер и завёлся двигатель.

В каждом элементе есть положительная и отрицательная пластина. Т. е. на одной — избыток электронов, а на другой их недостаток. Положительные пластины покрыты двуокисью свинца, а отрицательные губчатым свинцом. Когда аккумулятор подключают к потребителю, между покрытием пластин и электролитом начинаются химические реакции, порождающие электрический ток. Именно по электролиту происходит движение электронов от отрицательной пластины к положительной.

В результате этого процесса на пластинах выделяется сульфат свинца, а электролит при этом истощается. И аккумулятору нужно вновь зарядиться. Заряжающую функцию выполняет генератор переменного тока автомобиля. Когда автомобиль движется, работающий двигатель и приводит в действие генератор, подзаряжающий аккумулятор. Зарядка производится в процессе обратной химической реакции. Выходящие из генератора электроны, восстанавливают покрытие свинцовых пластин и плотность электролита. Аккумулятор вновь готов к работе. Если же аккумулятор не успевает полностью восстановить свой заряд от генератора, его подключат к специальному зарядному устройству.

Срок службы аккумулятора зависит от многих факторов: манеры езды водителя, насколько регулярно и правильно проводится его зарядка и обслуживание т. д.

Вообще стандартный ресурс работы аккумулятора 4 года. За этот период постепенно усиливается сульфатизация пластин, и они перестают принимать зарядный ток. Эта маленькая электростанция может и не подавать вида, что ей требуется замена. А просто в один прекрасный момент водитель не сможет завести двигатель.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов

Самый популярный вид аккумулятора, применяемый в электронной бытовой технике (сотовых телефонах, ноутбуках и т. д.) — это литий-ионный аккумулятор. Его популярность легко объяснима. Это устройство выгодно отличается от своих собратьев:

более быстрой зарядкой;
большей мощностью;
меньшим весом;
более долгим сроком службы;
низким саморазрядом.

В подтверждение этих достоинств приведём такие цифры — число рабочих циклов у них достигает 1000, что в 2 раза больше чем у других подобных устройств; а напряжение на отдельном элементе достигает 3,6 В, тогда как у других видов аккумуляторов не превышает и 2В.

Важным его достоинством является «эффект памяти», позволяющий ставить устройство на подзарядку в любой момент, независимо от имеющегося уровня зарядки. Это особенно важно, если предстоит его непрерывная и длительная эксплуатация.

Устройство и принцип работы

Литий-ионные аккумуляторы могут иметь либо цилиндрическую, либо плоскую форму. Его электроды разделены слоем сепаратора и электролита. Для изготовления катода используют литий, анод выполняется из пористого углерода. Пропиленовый сепаратор разделят разноименно заряженные электроды. Носителями заряда являются ионы электролита. В процессе разряда их поток направлен от анода к катоду. При зарядке — от катода к аноду. Контакты от катодов и анодов подсоединены к наружным клеммам. Причём к алюминиевому корпусу устройства подключен положительный электрод. Для безопасной эксплуатации предусмотрена защита, предохраняющая устройство от перезаряда.

Срок их службы зависит от количества зарядов и разрядов. Если предполагается их длительное хранение без использования, лучше всего это сделать при половинном заряде аккумулятора

К недостаткам литий-ионных аккумуляторов можно отнести их относительно высокую стоимость.

Автор: Драчёва Светлана Семёновна

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте.
А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:

Электрический аккумулятор. Строение и принцип работы.

Электри́ческий аккумуля́тор — химический источник тока 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.

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, объединенных в одну электрическую цепь, составляют аккумуля́торную батаре́ю.

Для того чтобы ясно понять суть работы электрических аккумуляторов, давайте разберёмся с его устройством и общим принципом действия. И так — в основу работы всех химических источников электропитания заложены две составляющие: это пара электродов и электролит. Всё это находится в ёмкости, которая служит корпусом для электрического аккумулятора.

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц (в твёрдых веществах, это электроны, а в жидких и газообразных, это ионы). Ток не может существовать без воздействия электродвижущей силы Э.Д.С. (разности потенциалов или напряжения). Значит, между электродами что-то должно создавать эту Э.Д.С. А создаёт её следующий процесс!

И так, у нас имеется сосуд с двумя электродами, погружённых в жидкий электролит. С точки зрения химии, в этом сосуде происходит растворение одного электрода (под действием кислотной или щелочной среды электролита) и восстановление (отложение слоя) другого. При этом от растворяющегося электрода (металла) отрываются ионы этого вещества, которые с собой уносят положительный заряд. А электроны, ранее принадлежащие этому атому металла и не имеющие возможности уйти с ним, остаются на этом электроде.

На другом же электроде будет происходить противоположный процесс, те ионы, которые были оторваны от первого, переходят на второй, неся в себе положительный заряд и постоянно прибавляя его к электроду. Весь этот химический процесс окислительно-восстановительной реакции сопровождается превращением одних веществ в другие, при заряде, и взаимообратный, при разряде электрического аккумулятора.

В итоге получается, что под воздействием внешнего источника электрического поля (в случае процесса заряда) мы принудительно превращаем одни вещества в другие, а при подключении к клеммам электрической нагрузки (создавая тем самым замкнутую цепь), мы позволяем накопленной электроэнергии выйти, по средствам обратного химического превращения веществ. Следует заметить, что электролит в этой электрохимической системе является переносчиком положительного заряда (ионов, оторванных от электрода), и они перемещаются внутри самого аккумулятора. А отрицательный заряд (то есть электроны) будет транспортироваться по внешней цепи, вне аккумулятора.

Как работает литий-ионный аккумулятор?

3,7 В литий-ионная батарея (Alexlmx, Istockphoto)

3,7 V литий-ионная батарея (Alexlmx, Istockphoto)

Becky Chapman

23 сентября 2019

8.16

. моя учебная программа?


Марка	Курс	Тема

АБ
11
Наука 20 (2007 г., обновлено в 2014 г.)
Блок А: Химические изменения

АВ
12
Химия 30 (2007 г., обновление 2014 г.)
Модуль B: Электрохимические изменения

MB
12
Химия 12 класс (2013)
Тема 6: Электрохимия

NL
12
Химия 3202 (2005)
Блок 4: Электрохимия

НС
12
Химия 12 (2009, 2019)
Электрохимия

НУ
11
Science 20 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль A: химические изменения

NU
12
Химия 30 (Альберта, 2007 г. , обновлено в 2014 г.)
Модуль B: Электрохимические изменения

ON
12
Химия, 12 класс, Колледж (СЧ5С)
Нить D: Электрохимия

ВКЛ.
12
Химия, 12 класс, университет (СЧ5У)
Нить F: Электрохимия

ПЭ
12
Химия 621А (проект 2021 г.)
Знание контента: CK 4.3

YT
12
Химия 12 (Британская Колумбия, июнь 2018 г.)
Большая идея: Окисление и восстановление — это взаимодополняющие процессы, включающие приобретение или потерю электронов.

СК
12
Химия 30 (2016)
Электрохимия

НТ
11
Science 20 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
Блок A: Химические изменения

NT
12
Химия 30 (Альберта, 2007 г., обновлено в 2014 г.)
Раздел B: Электрохимические изменения

АВ
9
Наука о знаниях и трудоустройстве 8, 9 (пересмотрено в 2009 г.)
Модуль D: Электрические принципы и технологии

AB
9
Наука 7-8-9 (2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль D: Электрические принципы и технологии

NU
9
Наука о знаниях и трудоустройстве 9 (Альберта, редакция 2009 г.)
Модуль D: Электрические принципы и технологии

NU
9
Наука 9 (Альберта, 2003 г. , обновлено в 2014 г.)
Раздел D: Электрические принципы и технологии

СК
9
Наука 9 (2009)
Физические науки – характеристики электричества (CE)

НТ
9
Наука о знаниях и трудоустройстве 9 (Альберта, редакция 2009 г.)
Модуль D: Электрические принципы и технологии

NT
9
Наука 9 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль D: Электрические принципы и технологии

ON
9
9 класс естественных наук (SNC1W) (2022)
Strand D: Принципы и применение электричества

МБ
12
Химия 12 класс (2013)
Тема 1: Реакции в водных растворах

PE
12
Химия 621А (проект 2021 г.)
Знание содержания: CK 4.1, 4.2

Узнайте об электрохимии в батареях, питающих многие устройства, которыми вы пользуетесь каждый день.

Представьте себе мир без литий-ионных аккумуляторов (часто называемых литий-ионными аккумуляторами или LIB ). Нужна помощь? Мобильные устройства не будут выглядеть так, как сейчас. Представьте огромные, тяжелые сотовые телефоны и ноутбуки. Также представьте себе, что обе эти вещи настолько дороги, что их могут позволить себе только очень богатые люди. То, что вы представляете, это 1980-е годы. Страшно, не так ли?

Знаете ли вы?
Литий-ионные аккумуляторы были впервые изготовлены компанией SONY в 1991 году.

Литий-ионные аккумуляторы стали неотъемлемой частью нашей мобильной культуры. Они обеспечивают питание большей части технологий, которые использует наше общество.

Из каких частей состоит литий-ионный аккумулятор?

Аккумулятор состоит из нескольких отдельных элементов , соединенных друг с другом. Каждая ячейка состоит из трех основных частей: положительный электрод (катод ), отрицательный электрод (анод ) и жидкий электролит .

Части литий-ионной батареи (© Let’s Talk Science, 2019, на основе изображения ser_igor через iStockphoto).

Точно так же, как сухие щелочные батареи, используемые в часах и пультах дистанционного управления телевизором, литий-ионные батареи обеспечивают питание за счет движения ионов. Литий чрезвычайно реактивен в своей элементарной форме. Вот почему в литий-ионных батареях не используется элементарный литий. Вместо этого литий-ионные батареи обычно содержат оксид лития-металла, такой как оксид лития-кобальта (LiCoO ₂ ). Это поставляет литий-ионы. Оксиды лития-металла используются в катоде, а соединения лития-углерода — в аноде. Эти материалы используются, потому что они допускают интеркаляцию. Интеркаляция означает, что молекулы способны вставлять что-то в себя. В этом случае ионы лития могут легко входить и выходить из структуры электродов.

Какой химический состав используется в литий-ионных батареях?

Внутри литий-ионного аккумулятора происходят реакции окисления-восстановления (ОВП).

Восстановление происходит на катоде. Там оксид кобальта соединяется с ионами лития с образованием оксида лития-кобальта (LiCoO ₂ ). Полуреакция:

CoO ₂ + Li ⁺ + e ^— → LiCoO ₂

Окисление происходит на аноде. Там соединение интеркаляции графита LiC ₆ образует графит (C ₆ ) и ионы лития. Полуреакция:

LiC ₆ → C ₆ + Li ⁺ + e ^—

Вот полная реакция (слева направо = разрядка, справа налево = зарядка):

LiC ₆ + CoO _{4 ⇒ C ₆ + LiCoO ₂}

Как происходит перезарядка литий-ионного аккумулятора?

Когда литий-ионный аккумулятор вашего мобильного телефона питает его, положительно заряженные ионы лития (Li+) перемещаются от отрицательного анода к положительному катоду. Они делают это, перемещаясь через электролит, пока не достигнут положительного электрода. Там они депонируются. Электроны, с другой стороны, движутся от анода к катоду.

Что происходит с литий-ионным аккумулятором при разрядке (© Let’s Talk Science, 2019, на основе изображения ser_igor через iStockphoto).

Иллюстрация – текстовая версия

При использовании батареи ионы лития перетекают от анода к катоду, а электроны – от катода к аноду.

При зарядке литий-ионного аккумулятора происходит прямо противоположный процесс. Ионы лития возвращаются от катода к аноду. Электроны движутся от анода к катоду.

Что происходит с литий-ионным аккумулятором при зарядке (© Let’s Talk Science, 2019, на основе изображения ser_igor через iStockphoto).

Иллюстрация — текстовая версия

При зарядке батареи ионы лития перетекают от катода к аноду, а электроны — от анода к катоду.

Пока ионы лития совершают путь от одного электрода к другому, существует постоянный поток электронов. Это обеспечивает энергию для поддержания работы вашего устройства. Так как этот цикл может повторяться сотни раз, этот тип батареи составляет перезаряжаемый .

Знаете ли вы?
Иногда литий-ионные аккумуляторы называют «аккумуляторами кресла-качалки». Это связано с тем, что ионы лития «качаются» между электродами.

Чем хороши литий-ионные аккумуляторы для мобильных технологий?

Все просто. литий-ионные аккумуляторы имеют самую высокую плотность заряда среди всех сопоставимых систем. Это означает, что они могут дать вам тонну энергии, не будучи очень тяжелыми.

Это происходит по двум причинам. Во-первых, литий — самый электроположительный элемент из . Электроположительность — это мера того, насколько легко элемент может отдавать электроны для образования положительных ионов. Другими словами, это мера того, насколько легко элемент может производить энергию. Литий очень легко теряет электроны. Это означает, что он может легко производить много энергии.

Литий также является самым легким из всех металлов. Как вы уже знаете, интеркаляционные материалы используются в качестве электродов в литий-ионных батареях вместо настоящего металлического лития. Тем не менее, эти батареи весят намного меньше, чем батареи других типов, в которых используются такие металлы, как свинец или никель.

Существуют ли какие-либо риски при использовании литий-ионных аккумуляторов?

Хотя эти аккумуляторы впечатляют, у них есть и недостатки. Самая большая жалоба заключается в том, что они довольно быстро изнашиваются независимо от того, используете вы их или нет. Типичная литий-ионная батарея прослужит около 2-3 лет, прежде чем ее придется заменить. Это может дорого обойтись! Производство и утилизация литий-ионных аккумуляторов также оказывает большое влияние на окружающую среду, поэтому чем дольше прослужат эти аккумуляторы, тем лучше.

Как вы узнали, литий чрезвычайно реактивен. Когда производители производят литий-ионные аккумуляторы, они должны принимать определенные меры предосторожности, чтобы аккумуляторы были безопасными в использовании. Однако вы, возможно, слышали о некоторых электронных устройствах, таких как ноутбуки или сотовые телефоны, которые загораются из-за батарей. Хотя это может быть хорошим оправданием для того, чтобы не сдать свое эссе по английскому языку вовремя, это довольно опасная ситуация. В целях безопасности литий-ионные аккумуляторы содержат сепаратор. Это предотвращает соприкосновение электродов элементов батареи друг с другом. Но если этот сепаратор порвется или повредится, электроды могут соприкоснуться. Это может вызвать сильное накопление тепла. Если это накопление тепла производит искру, высоко горючий электролит может загореться.

Как только пламя возникнет в одной камере, оно может быстро распространиться на другие. И прежде чем вы это узнаете, ваш ноутбук превратится в лужу расплавленного пластика. Накопление тепла также может привести к очень быстрому повышению давления в вашем ноутбуке и БУМ!

Посмотрите, что происходит при коротком замыкании литий-ионной батареи (1:13 мин.).

Однако вам не о чем беспокоиться. Эти события очень редки. На самом деле литий-ионные аккумуляторы очень безопасны. Кроме того, сейчас проводится много исследований по улучшению каждой части этих батарей. Например, исследователи создали жидкий электролит, который при попадании на него превращается в твердое вещество. Это предотвратит нагрев или возгорание батарей в случае их повреждения! Вскоре литий-ионные батареи станут еще безопаснее, прослужат дольше и будут стоить еще дешевле.

Знаете ли вы?
Большинство электромобилей работают на литий-ионных батареях. Мы начинаем видеть все больше и больше автомобилей, которые подключаются к сети вместо того, чтобы заправляться бензином!

Отправные точки

Кто-нибудь из ваших знакомых попадал в аварию с литий-ионными батареями? Что произошло?
У вас есть устройство с литий-ионным аккумулятором? Приходилось ли вам менять аккумулятор из-за того, что он износился?
Если бы была разработана более безопасная альтернатива литий-ионным батареям, но она была бы дороже, вы бы согласились платить больше?

Литий-ионные аккумуляторы стали нормой для большинства электронных устройств, однако проблемы все еще сохраняются, особенно в отношении безопасности. Должны ли производители быть вынуждены брать на себя ответственность за любые несчастные случаи, происходящие с производимыми ими устройствами, или следует ожидать, что люди будут «использовать их на свой страх и риск»?

Почему литий является хорошим выбором для аккумуляторной батареи?
В каком направлении движутся ионы лития при использовании батареи? В каком направлении движутся ионы лития при зарядке аккумулятора?
Какова роль электролита?

Литий-ионные аккумуляторы

являются «перезаряжаемыми», как и свинцовые аккумуляторы в вашем автомобиле. Сравните, как они работают.

Задумывались ли вы когда-нибудь о том, сколько энергии батареи используется в медицинских устройствах? (например, внешний дефибриллятор, слуховые аппараты, хирургический электроинструмент, глюкометр или инфузионный насос). Найдите в статьях СМИ любые сообщения о выходе из строя литий-ионного аккумулятора в этих устройствах. Каковы некоторые из серьезных проблем, связанных с отказом батареи в медицинских устройствах?

Эта статья может быть использована для преподавания и изучения химии, техники и технологий, связанных с электрохимией и накоплением энергии. Введенные понятия включают литий-ионные батареи, элемент, электрод, электролит, перезаряжаемые, группа (Периодическая таблица), интеркаляционные материалы, плотность заряда, электроположительные, сепараторные и воспламеняющиеся.
Прежде чем читать эту статью, учителя могут предложить учащимся заполнить бланк допуска. Загрузите готовые к использованию воспроизводимые материалы с использованием стратегии обучения Admit Slip для этой статьи в форматах [Google doc] и [PDF].
После прочтения статьи учителя могут предложить учащимся сравнить положительные и отрицательные стороны литий-ионных аккумуляторов с помощью органайзера «За и против». Готовые к использованию воспроизводимые стратегии обучения Pros & Cons Organizer доступны в форматах [Google doc] и [PDF].
Чтобы узнать больше, учителя могут предложить учащимся провести исследование истории и разработки аккумуляторных батарей. Используя стратегию обучения BYO (Build Your Own) Хронология, учащиеся могут создать временную шкалу, которая выделяет основные инновации и их значимость с течением времени. Готовая форма поддержки планирования временной шкалы BYO для этой стратегии доступна в форматах [Google doc] и [PDF].

Подключение и взаимосвязь

Кто-нибудь из ваших знакомых попадал в аварию с литий-ионными батареями? Что произошло?
У вас есть устройство с литий-ионным аккумулятором? Приходилось ли вам менять аккумулятор из-за того, что он износился?
Если бы была разработана более безопасная альтернатива литий-ионным батареям, но она была бы дороже, вы бы согласились платить больше?

Связь науки и техники с обществом и окружающей средой

Литий-ионные батареи стали нормой для большинства электронных устройств, однако проблемы все еще сохраняются, особенно в отношении безопасности. Должны ли производители быть вынуждены брать на себя ответственность за любые несчастные случаи, происходящие с производимыми ими устройствами, или следует ожидать, что люди будут «использовать их на свой страх и риск»?

Изучение концепций

Почему литий является хорошим выбором для аккумуляторной батареи?
В каком направлении движутся ионы лития при использовании батареи? В каком направлении движутся ионы лития при зарядке аккумулятора?
Какова роль электролита?

Литий-ионные аккумуляторы

являются «перезаряжаемыми», как и свинцовые аккумуляторы в вашем автомобиле. Сравните, как они работают.

Медиаграмотность

Задумывались ли вы когда-нибудь о количестве энергии батареи, используемой в медицинских устройствах? (например, внешний дефибриллятор, слуховые аппараты, хирургический электроинструмент, глюкометр или инфузионный насос). Найдите в статьях СМИ любые сообщения о выходе из строя литий-ионного аккумулятора в этих устройствах. Каковы некоторые из серьезных проблем, связанных с отказом батареи в медицинских устройствах?

SCIRP Открытый доступ

Издательство научных исследований

Журналы от A до Z

Журналы по темам

Биомедицинские и биологические науки.
Бизнес и экономика
Химия и материаловедение.
Информатика. и общ.
Науки о Земле и окружающей среде.
Машиностроение
Медицина и здравоохранение
Физика и математика
Социальные науки. и гуманитарные науки

Журналы по тематике

Биомедицина и науки о жизни
Бизнес и экономика
Химия и материаловедение
Информатика и связь
Науки о Земле и окружающей среде
Машиностроение
Медицина и здравоохранение
Физика и математика
Социальные и гуманитарные науки

Опубликуйте у нас

Подача документов
Информация для авторов
Ресурсы для экспертной оценки
Открытые специальные выпуски
Заявление об открытом доступе
Часто задаваемые вопросы

Публикуйте у нас

Представление статьи
Информация для авторов
Ресурсы для экспертной оценки
Открытые специальные выпуски
Заявление об открытом доступе
Часто задаваемые вопросы

Подпишитесь на SCIRP

Свяжитесь с нами

	клиент@scirp. org
	+86 18163351462 (WhatsApp)
	1655362766

	Публикация бумаги WeChat

Недавно опубликованные статьи