Le batterie sono la fonte di alimentazione più comune per dispositivi portatili di base per applicazioni industriali su larga scala. Una batteria può essere definita come una combinazione di una o più celle elettrochimiche in grado di convertire l'energia chimica immagazzinata in energia elettrica.
Funzionamento della batteria:
Una batteria è un dispositivo, costituito da varie celle voltaiche. Ogni cella voltaica è composta da due semicelle collegate in serie da un elettrolita conduttivo che trattiene anioni e ioni di gatto. Una semicella include l'elettrolita e l'elettrodo a cui si muovono gli anioni, cioè l'anodo o l'elettrodo negativo, l'altra semicella include l'elettrolita e l'elettrodo a cui si muovono gli ioni di gatto, cioè il catodo o l'elettrodo positivo.
Nella reazione redox che alimenta la batteria, la riduzione avviene ai cationi al catodo, mentre l'ossidazione avviene agli anioni all'anodo. Gli elettrodi non si toccano ma sono collegati elettricamente dall'elettrolita. Per lo più le mezze celle hanno elettroliti diversi. Tutto considerato, ogni semicella è racchiusa in un contenitore e un separatore che è poroso agli ioni ma non la maggior parte degli elettroliti impedisce la miscelazione.
Funzionamento della batteria
Ogni semicella ha una forza elettromotrice (Emf), determinata dalla sua capacità di guidare la corrente elettrica dall'interno all'esterno della cella. L'emf netto della cellula è la differenza tra l'emf delle sue semicelle. In questo modo, se gli elettrodi hanno emf e in altre parole, net emf è la differenza tra i potenziali di riduzione delle semireazioni.
Come mantenere la batteria?
Per mantenere la batteria in buone condizioni, è necessaria l'equalizzazione della batteria. A causa dell'invecchiamento, tutte le celle non si caricano allo stesso modo e alcune celle accettano la carica estremamente velocemente mentre altre si caricano gradualmente. L'equalizzazione può essere eseguita sovraccaricando marginalmente la batteria per consentire anche alle celle più deboli di caricarsi completamente. La tensione dei terminali di una batteria completamente carica è 12 V, la batteria dell'automobile mostra 13,8 V nei suoi terminali mentre una batteria tubolare da 12 volt mostra 14,8 V. La batteria dell'automobile deve essere fissata saldamente nel veicolo per evitare vibrazioni. La batteria dell'inverter dovrebbe essere collocata su una tavola di legno, se possibile.
2 tipi di batterie
1) Batterie primarie:
Come indica il nome, queste batterie sono destinate all'uso singolo. Una volta utilizzate, queste batterie non possono essere ricaricate in quanto i dispositivi non sono facilmente reversibili e i materiali attivi potrebbero non tornare alle loro forme originali. I produttori di batterie consigliano di non ricaricare le celle primarie.
Alcuni degli esempi per le batterie usa e getta sono le normali batterie AA, AAA che usiamo negli orologi da parete, nel telecomando della televisione, ecc. Un altro nome per queste batterie è batterie usa e getta.
Tipi di batteria
2) Batterie secondarie:
Le batterie secondarie sono anche chiamate batterie ricaricabili. Queste batterie possono essere utilizzate e ricaricate contemporaneamente. Solitamente sono assemblati con materiali attivi con attivi allo stato scaricato. Le batterie ricaricabili vengono ricaricate applicando corrente elettrica, che inverte le reazioni chimiche che si verificano durante la scarica. I caricatori sono dispositivi che forniscono la corrente richiesta.
Alcuni esempi di queste batterie ricaricabili sono le batterie utilizzate nei telefoni cellulari, lettori MP3 ecc. Dispositivi come apparecchi acustici e orologi da polso utilizzano celle in miniatura e in luoghi come centrali telefoniche o centri dati di computer, vengono utilizzate batterie più grandi.
Batterie secondarie
Tipi di batterie secondarie (ricaricabili):
SMF, piombo acido, Li e Nicd
Batteria SMF:
SMF è un file batteria sigillata esente da manutenzione, progettata per offrire un'alimentazione affidabile, costante ea bassa manutenzione per le applicazioni UPS. Queste batterie possono essere soggette ad applicazioni a ciclo profondo e manutenzione minima nelle aree rurali e con deficit energetico. Queste batterie sono disponibili da 12V.
Nel mondo dell'informazione di oggi, non si può trascurare la necessità che i sistemi di batterie siano progettati per recuperare dati e informazioni qualificati cruciali ed eseguire strumentazioni di base per le durate desiderate. Le batterie sono necessarie per fornire potenza istantanea. Batterie inaffidabili e di qualità inferiore possono causare la perdita di dati e l'arresto delle apparecchiature che possono costare alle aziende notevoli perdite finanziarie. Successivamente, i segmenti UPS richiedono l'utilizzo di un sistema di batterie affidabile e collaudato.
Batteria SMF
Batteria al litio (Li):
Lo usiamo tutti in dispositivi portatili come telefoni cellulari, computer portatili o utensili elettrici. La batteria al litio è stata una delle più grandi conquiste nel campo dell'alimentazione portatile negli ultimi dieci anni con l'uso di batterie al litio siamo stati in grado di passare da cellulari in bianco e nero a cellulari a colori con funzionalità aggiuntive come GPS, avvisi e-mail, ecc. dispositivi potenziali di densità energetica per capacità più elevate. E batterie di autoscarica relativamente basse. Anche le celle speciali possono fornire una corrente molto elevata ad applicazioni come gli utensili elettrici.
Batteria Li
Batteria al nichel cadmio (Nicd):
Le batterie al nichel cadmio hanno il vantaggio di essere ricaricate molte volte e possiedono un potenziale relativamente costante durante la scarica e hanno una maggiore capacità di resistenza elettrica e fisica. Questa batteria utilizza ossido di nichel per il catodo, un composto di cadmio per l'anodo e una soluzione di idrossido di potassio come elettrolita.
Quando la batteria è carica, la composizione chimica del catodo si trasforma e l'idrossido di nichel si trasforma in NIOOH. Nell'anodo, la formazione di ioni di cadmio avviene dall'idrossido di cadmio. Quando la batteria è scarica, il cadmio reagisce con NiOOH per formare idrossido di nichel e idrossido di cadmio.
Cd + 2H2O + 2NiOOH -> 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2
Batteria al piombo:
Le batterie al piombo sono ampiamente utilizzate in automobili, inverter, sistemi di alimentazione di backup ecc. A differenza delle batterie tubolari e senza manutenzione, le batterie al piombo richiedono un'adeguata cura e manutenzione per prolungarne la durata. La batteria al piombo è costituita da una serie di piastre mantenute immerse in una soluzione di acido solforico. Le piastre hanno griglie su cui è attaccato il materiale attivo. Le piastre sono divise in piastre positive e negative. Le piastre positive trattengono il piombo puro come materiale attivo mentre l'ossido di piombo è attaccato alle piastre negative.
Batteria al piombo
Una batteria completamente carica può scaricare la sua corrente quando è collegata a un carico. Durante il processo di scarico, l'acido solforico si combina con i materiali attivi sulle piastre positive e negative dando luogo alla formazione di solfato di piombo. L'acqua è il passaggio più importante per la manutenzione di una batteria al piombo. La frequenza dell'acqua dipende dall'uso, dal metodo di carica e dalla temperatura di esercizio. Durante il processo, gli atomi di idrogeno dell'acido solforico reagiscono con l'ossigeno per formare l'acqua.
Ciò si traduce nel rilascio di elettroni dalle piastre positive che saranno accettate dalle piastre negative. Questo porta alla formazione di un potenziale elettrico attraverso la batteria. L'elettrolita nella batteria al piombo è una miscela di acido solforico e acqua che ha un peso specifico. Il peso specifico è il peso della miscela acido-acqua rispetto al volume uguale di acqua. Il peso specifico dell'acqua pura priva di ioni è 1.
Le batterie al piombo-acido forniscono il miglior valore in termini di potenza ed energia per kilowattora hanno il ciclo di vita più lungo e un grande vantaggio ambientale in quanto vengono riciclate a una velocità straordinariamente elevata. Nessun altro prodotto chimico può toccare l'infrastruttura esistente per la raccolta, il trasporto e il riciclaggio delle batterie al piombo-acido.
Insieme a questo articolo, la batteria agli ioni di litio viene discussa con i suoi vantaggi e svantaggi.
Funzionamento della batteria agli ioni di litio
Le batterie agli ioni di litio sono ora diffuse nella maggior parte dei dispositivi elettronici portatili come telefoni cellulari, laptop, fotocamere digitali, ecc. Grazie alla loro efficienza energetica di lunga durata. Queste sono le batterie ricaricabili più popolari con vantaggi come la migliore densità di energia, una perdita di carica trascurabile e nessun effetto memoria. La batteria agli ioni di litio utilizza ioni di litio come portatori di carica che si spostano dall'elettrodo negativo all'elettrodo positivo durante la scarica e viceversa durante la carica. Durante la carica, la corrente esterna del caricabatterie applica una sovratensione rispetto a quella della batteria. Ciò costringe la corrente a passare nella direzione inversa dall'elettrodo positivo a quello negativo dove gli ioni di litio vengono incorporati nel materiale poroso dell'elettrodo attraverso un processo chiamato Intercalation. Gli ioni di litio passano attraverso l'elettrolita non acquoso e un diaframma separatore. Il materiale dell'elettrodo è composto di litio intercalato.
L'elettrodo negativo della batteria agli ioni di litio è costituito da carbonio e l'elettrodo positivo è un ossido di metallo. Il materiale più comunemente usato nell'elettrodo negativo è la grafite mentre quello nell'elettrodo positivo può essere l'ossido di litio cobalto, il fosfato di ioni di litio o l'ossido di manganese di litio. Il sale di litio in un solvente organico viene utilizzato come elettrolita. L'elettrolita è tipicamente una miscela di carbonati organici come carbonato di etilene o carbonato di dietile contenente ioni di litio. L'elettrolita utilizza sali anionici come litio hexa fluoro fosfato, litio hexa fluoro arsenate monoidrato, litio per clorato, litio hexa fluoro borato ecc. A seconda del sale utilizzato, la tensione, la capacità e la durata della batteria variano. Il litio puro reagisce vigorosamente con l'acqua per formare idrossido di litio e ioni idrogeno. Quindi l'elettrolita utilizzato è un solvente organico non acquoso. Il ruolo elettrochimico della carica degli elettrodi tra anodo e catodo dipende dalla direzione del flusso di corrente.
Reazione della batteria agli ioni di litio
Nella batteria agli ioni di litio, entrambi gli elettrodi possono accettare e rilasciare ioni di litio. Durante il processo di intercalazione, gli ioni di litio si spostano nell'elettrodo. Durante il processo inverso chiamato de intercalazione, gli ioni di litio tornano indietro. Durante la scarica, gli ioni di litio positivi verranno estratti dagli elettrodi negativi e inseriti nell'elettrodo positivo. Durante il processo di carica, avviene il movimento inverso degli ioni di litio.
Vantaggi della batteria agli ioni di litio:
Le batterie agli ioni di litio superano le prestazioni delle batterie NiCd e di altre batterie secondarie. Alcuni dei vantaggi sono
- Leggero rispetto ad altre batterie di dimensioni simili
- Disponibile in diverse forme, inclusa la forma piatta
- Alta tensione a circuito aperto che aumenta il trasferimento di potenza a bassa corrente
- Mancanza di effetto memoria.
- Tasso di autoscarica molto basso del 5-10% al mese. L'autoscarica è di circa il 30% nelle batterie NiCd e NiMh.
- Batteria ecologica senza metallo al litio gratuito
Ma oltre ai vantaggi, come le altre batterie, anche la batteria agli ioni di litio presenta alcuni svantaggi.
Svantaggi della batteria agli ioni di litio:
- I depositi all'interno dell'elettrolita nel tempo inibiranno il flusso di carica. Ciò aumenta la resistenza interna della batteria e la capacità della cella di fornire corrente diminuisce gradualmente.
- Una carica elevata e una temperatura elevata possono causare una perdita di capacità
- Se surriscaldata, la batteria agli ioni di litio può subire un esaurimento termico e la rottura delle celle.
- Una scarica profonda può cortocircuitare la batteria agli ioni di litio. Quindi, per evitare ciò, alcune marche hanno circuiti interni di spegnimento che spengono la batteria quando la sua tensione è superiore al livello di sicurezza compreso tra 3 e 4,2 volt. In questo caso, quando la batteria non viene utilizzata per molto tempo, il circuito interno consumerà energia e scaricherà la batteria al di sotto della sua tensione di spegnimento. Quindi per caricare tali batterie i normali caricatori non sono utili.
