Technické sekundární články - AKUMULÁTOR



Podobné dokumenty
Jak funguje baterie?

Elektrochemie. 2. Elektrodový potenciál

Sekundární elektrochemické články

AKUMULÁTORY. Autor: Mgr. Stanislava Bubíková. Datum (období) tvorby: Ročník: devátý

4.4.3 Galvanické články

ELEKTROCHEMIE A KOROZE Ing. Jiří Vondrák, DrSc. ÚACH AV ČR


Inovace profesní přípravy budoucích učitelů chemie

Elektrochemické akumulátory. přehled

1. Akumulátory NiFe a NiCd

ZEMĚDĚLSKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Vlastnosti a použití nabíjecích článků a akumulátorů

Elektrochemické zdroje elektrické energie

Číslo: Anotace: Prosinec Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická Brno, Sokolská 1

Baterie minulost, současnost a perspektivy

Univerzita Pardubice Dopravní fakulta Jana Pernera. Akumulátorový balancér. Bc. Radomír Filip

Identifikace vzdělávacího materiálu VY_52_INOVACE_F.9.A.07 EU OP VK

Název materiálu: Vedení elektrického proudu v kapalinách

Elektrický proud v elektrolytech

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA TECHNOLOGIÍ A MĚŘENÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

1. Přehled vlastností bezúdržbových olověných akumulátorů

Průvodce světem olověných akumulátorů

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Pedagogická fakulta - Katedra fyziky. Diplomová práce

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Průvodka. CZ.1.07/1.5.00/ Zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT. III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT. Pořadí DUMu v sadě 08

SEKUNDÁRNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE PRO MOBILNÍ ROBOTIKU

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově. 07_4_Elektrický proud v kapalinách a plynech

ELEKTRODY PRO LITHNO-IONTOVÉ BATERIE NA BÁZI KOBALTITANU LITHNÉHO ELECTRODES FOR LITHIUM-IONS BATTERIES BASED ON LICoO 2

Oxidace a redukce. Hoření = slučování s kyslíkem = oxidace. 2 Mg + O 2 2 MgO S + O 2 SO 2. Redukce = odebrání kyslíku

Pracovní list: Opakování učiva 8. ročníku

Základní informace o wolframu

Zvyšování kvality výuky technických oborů

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

PÁJENÍ. Osnova učiva: Druhy pájek. Předmět: Ročník: Vytvořil: Datum: STT první Jindřich RAYNOCH Název zpracovaného celku: PÁJENÍ A LEPENÍ

Nauka o materiálu. Přednáška č.11 Neželezné kovy a jejich slitiny

MLI Ultra. Proč se jedná o nejlepší produkt na trhu?

Elektromobily současnosti

Oxidace a redukce. Objev kyslíku nový prvek, vyvrácení flogistonové teorie. Hoření = slučování s kyslíkem = oxidace. 2 Mg + O 2 2 MgO S + O 2 SO 2

Lukáš Feřt SPŠ dopravní, Plzeň, Karlovarská 99,

Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT. Obrábění. Název: Téma: Fyzikální metody obrábění 2. Ing. Kubíček Miroslav. Autor:

Zdroje elektrické energie

}w!"#$%&'()+,-./012345<ya

Fungují všechny přístroje v zimě stejně jako v létě? Jiří Kučera, EMS Brno

Určeno studentům středního vzdělávání s maturitní zkouškou, první ročník, zdrojová soustava vozidla

Hybridní pohony. Měniče a nosiče energie. Doc. Ing. Pavel Mindl, CSc. ČVUT FEL Praha

Chemie. Charakteristika předmětu

Nabíjecí stanice akumulátorů ALC 8500 Expert. Obj. č.: Účel použití nabíjecí stanice. Rozsah dodávky. Poznámky k nabíjení akumulátorů

CZ. Přeloženo z původního návodu DW913 DW915 DW918 DW919

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ Pájení a lepení

Chemie. Charakteristika vyučovacího předmětu:

Charakteristika fotovoltaického panelu, elektrolyzéru a palivového článku

Současné možnosti akumulace elektrické energie

Elektrokinetická dekontaminace půd znečištěných kobaltem

Li S akumulátory pro dopravu. Autor: Ing. Tomáš Kazda, Ph.D

Koroze obecn Koroze chemická Koroze elektrochemická Koroze atmosférická

ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH, VYUŽITÍ ELEKTROLÝZY V PRAXI

Typ: 10IMP17/ 67 / 135

TECHNOLOGIE POVRCHOVÝCH ÚPRAV. 1. Definice koroze. Soli, oxidy. 2.Rozdělení koroze. Obsah: Činitelé ovlivňující korozi H 2 O, O 2

Hasební látky, aplikace hasební látky. HZS Jihomoravského kraje

1 ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ Vlastnosti kovů a jejich slitin jsou dány především jejich chemickým složením a strukturou.

Fenomén elektrokola. Autor: Jan Horčík 27. říjen 2008

Akumulátory. Ing. Dušan Pauček

ELEKTRICKÝ PROUD V KAPALINÁCH, PLYNECH A POLOVODIČÍCH

jádro: obal: e n neutron, p proton, e elektron a) at. jádro velká hmotnost (n 0 ) b) el.obal velký rozměr

Inovace profesní přípravy budoucích učitelů chemie

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Přechodné prvky, jejich vlastnosti a sloučeniny

Test pro 8. třídy A. 3) Vypočítej kolik potřebuješ gramů soli na přípravu 600 g 5 % roztoku.

1 Napájení PC, UPS. Technické vybavení osobních počítačů

integrované povolení

Superkapacitory. Prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc. Fakulta elektrotechniky a komunikačních techologií VUT v Brně

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Přeměna chemické energie na elektrickou energii GALVANICKÝ ČLÁNEK

CHARAKTERISTIKA. VZDĚLÁVACÍ OBLAST VYUČOVACÍ PŘEDMĚT ZODPOVÍDÁ ČLOVĚK A PŘÍRODA CHEMIE Mgr. Zuzana Coufalová

Drahé kovy. Fyzikálně-chemické vlastnosti drahých kovů. Výskyt a těžba drahých kovů

Zdroje elektrického napětí

Vzdělávací oblast: Člověk a příroda Vzdělávací obor (předmět): Chemie - ročník: PRIMA

VLIV LIOH NA PARAMETRY ALKALICKÝCH AKUMULÁTORŮ

VÝROBKY PRÁŠKOVÉ METALURGIE

Řízení služeb provozu vojenské techniky a materiálu

Referát z Fyziky. Detektory ionizujícího záření. Vypracoval: Valenčík Dušan. MVT-bak.

Elektrochemický zásobník energie. Nominální napětí různých technologií: AUTOBATERIE Zpravidla 6 sériově zapojených olověných článků.

TECHNOLOGIE I. Autoři přednášky: prof. Ing. Iva NOVÁ, CSc. Ing. Jiří MACHUTA, Ph.D. Pracoviště: TUL FS, Katedra strojírenské technologie

ELEKTROLYTICKY VYLUČOVANÉ KOMPOZITNÍ POVLAKY (ECC) JAKO POVRCHOVÁ OCHRANA ODOLNÁ PROTI OPOTŘEBENÍ VE STROJÍRENSTVÍ

DUM VY_52_INOVACE_12CH35


Vzdělávací oblast: Člověk a příroda. Vyučovací předmět: Chemie. Třída: tercie. Očekávané výstupy. Poznámky. Přesahy. Žák: Průřezová témata

2.10 Pomědění hřebíků. Projekt Trojlístek

ELEKTROLÝZA. Autor: Mgr. Stanislava Bubíková. Datum (období) tvorby: Ročník: osmý

9. ročník Galvanický článek

Využití vodíku v dopravě

1. Jeden elementární záporný náboj 1, C nese částice: a) neutron b) elektron c) proton d) foton

Návod pro laboratorní úlohu: Komerční senzory plynů a jejich testování

(str. 173) Bezpečnostní armatury pro ohřívače pitné vody

Transkript:

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/03.0009 Technické sekundární články - AKUMULÁTOR Galvanické články, které je možno opakovaně nabíjet a vybíjet se nazývají sekundární články nebo akumulátory. Akumulátory je nutno nejprve nabít elektrickou energií, která se při nabíjení přemění na energii chemickou. Po nabití muže být z akumulátoru odebírána elektrická energie, akumulátor může být vybíjen. Nejčastěji jsou používány akumulátory olověné, nebo nikl-kadmiové (Ni-Cd). 1

Při nabíjení jsou elektrody akumulátoru připojeny na zdroj stejnosměrného napětí (viz např. obr. 1a). Nabíjecí proud přitom protéká elektrolytem (elektrolýza). Kladné ionty se pohybují k minus pólu a záporné ionty k plus pólu. Na elektrodách se ionty opět vybíjejí na neutrální atomy a chemicky reagují s materiálem elektrod tak, že vznikají nové elektrody, které mají oproti elektrolytu různé potenciály a nově vzniklý článek má tedy elektrické napětí. Při vybíjeni (obr. 1b) pak probíhají chemické procesy opačně. Vybíjecí proud teče opačným směrem než proud nabíjecí a elektrody se mění opět do výchozího stavu před nabíjením. Koncentrace kyseliny v Pb-akumulátoru klesá a přitom klesá napětí. Akumulátory se smějí vybít jen na tzv. dolní vybíjecí napětí (tabulka 1 a 2). Při vybití pod tuto úroveň nastávají na elektrodách nevratné změny. Při vybiti olověného akumulátoru pod 1,83V na článek se tvoří síran olovnatý (PbSO 2 ), čímž se akumulátor ničí. 2

Napětí olověného akumulátoru (jednoho článku) je v širokém rozpětí nabití stabilní a je rovno 2,1 V. Ke konci nabíjení rychle vzrůstá na 2,7 V. Potom chemické reakce ustanou a začne se elektrolýzou rozkládat voda v elektrolytu a bublinky plynu unikají ven, akumulátor vře. Unikající kyslík (na anodě) a vodík (na katodě) tvoří výbušnou směs, proto musí být akumulátorovny větrané. Některé akumulátory jsou již bezúdržbové, vodík s kyslíkem se slučují zpět na vodu a do akumulátoru se nemusí dolévat voda. Zpětné slučování (rekombinace) probíhá v tzv. rekombinátoru (obr. 2). Moderní olověné akumulátory mají kladné elektrody tvořené žebrovanými olověnými deskami, jejichž povrch se mnohonásobně zvětšuje mnohonásobným předběžným nabitím a vybitím (formováním) a záporná elektroda má tvar mříže, jejíž otvory jsou vyplněny pastou oxidu olovnatého. Při nabíjení se síran olovnatý redukuje na oxid olovnatý a olovo. 3

Nikl-kadmiové akumulátory mají alkalický elektrolyt tvořený vodním roztokem hydroxidu draselného (KOH + H 2 O). V nabitém stavu je kladná elektroda tvořená oxidhydroxidem niklu (NiOOH) a záporná elektroda kadmiem (Cd). Při vybití se kladná elektroda přemění na hydroxid nikelnatý (Ni(OH) 2 ) a záporná elektroda se přemění na hydroxid kademnatý (Cd(OH) 2 ). Elektrolyt se na reakcích nepodílí a jeho hustota je trvale 1,19 kg/l. Při přebíjení se vyvíjí na anodě kyslík, který je přijímán pak na katodě. Vytvoří se tak uzavřený vnitřní kyslíkový oběh, který umožňuje bezpečnou plynotěsnou konstrukci článku. Aby nedošlo k prasknutí článku při nesprávném zapojení, je článek opatřen bezpečnostním ventilem. Nikl-kadmiový článek zabírá v důsledku menšího napětí (1,2 V) při stejné kapacitě větší prostor, než olověný akumulátor. Na rozdíl od kyseliny sírové neleptá louh sodný většinu kovů. Pouzdro článku tedy může být vyrobeno z ocelového plechu nebo plastu. Plynotěsné články (obr. 1) mají navíc stejné rozměry jako primární články a mohou je nahrazovat. Ni-Cd akumulátory se vyrábějí i jako knoflíkové. Sintrované elektrody mají velký povrch a umožňují odběr velkého proudu. Nikl-metal hydridové akumulátory, zkráceně NiMH, je druh galvanického článku. V současnosti první dekáda 21. století jeden z nejčastěji používaných druhů akumulátorů. Ve srovnání s jemu podobným nikl-kadmiovým akumulátorem má přibližně dvojnásobnou kapacitu. Hlavními důvody jeho velkého rozšíření je jeho značně velká kapacita a schopnost dodávat poměrně velký proud spolu s přijatelnou cenou. Určité omezení představuje jeho napětí 1,2 V, které je nižší než napětí běžných baterií na jedno použití s 1,5 V, které může v řadě případů nahradit, ale ne vždy. Nemá paměťový efekt, v mrazu má malou kapacitu. 4

Elektrochemická reakce Záporná elektroda je tvořena speciální kovovou slitinou, která s vodíkem vytváří směs hydridů neurčitého složení. Tato slitina je většinou složena z niklu, kobaltu, manganu, případně hliníku a některých vzácných kovů lanthanu, ceru, neodymu, praseodymu. Obr. 1 Komerční NiMH akumulátory velikosti AA. Kladná elektroda je z oxid-hydroxidu nikelnatý NiO(OH) a elektrolytem je vodný roztok hydroxidu draselného. Celková reakce vybíjení: Na záporné elektrodě Na kladné elektrodě MH + NiO(OH) M + Ni(OH)2 MH + OH M + H2O + e NiO(OH) + H20 + e Ni(OH)2 + OH Kde M a MH je výše zmíněná slitina s případně navázaným vodíkem. Při nabíjení probíhají uvedené reakce opačným směrem. Vlastnosti Jmenovité napětí je 1,2 V. Napětí (naprázdno) plně nabitého článku je 1,4 V; napětí vybitého článku je 1,0 V. Nevýhodou tohoto akumulátoru je dosti velká úroveň samovybíjení asi 15-30% za měsíc při pokojové teplotě. Při nižších teplotách se samovybíjení podstatně sníží. Uvedená úroveň samovybíjení se týká klasických NiMH akumulátorů; kromě nich existují NiMH akumulátory s nízkou úrovní samovybíjení. Tento typ NiMH zachová okolo 90% energie po půl roce, 85% po roce a 70% po dvou letech při teplotě okolo 20 C. Toho využívají výrobci a dodávají tyto akumulátory již nabité a pak je nazývají "ready to use" připraveny k použití. 5

Lithiové akumlátory Lithiové články se těší výborné pověsti při stejné kapacitě mají jen poloviční hmotnost niklových typů a nejsou tak náročné na údržbu, neboť neznají paměťový efekt. Snesou však bohužel jen asi 300 až 500 nabíjecích cyklů, a navíc jsou až pětkrát dražší než jejich niklové protějšky. Nicméně pro mobilní zařízení, jako jsou notebooky či mobily, není už z praktických důvodů jiné volby. Vnitřní odpor článků na bázi lithia leží mezi 150 a 200 mw, takže tyto články se příliš nehodí pro velké "žrouty" energie. Počet nabíjecích cyklů u nich nemá takřka žádný nepříznivý vliv na vnitřní odpor, lithiový akumulátor se však asi po dvou letech znehodnotí sám od sebe. Pak se jeho vnitřní odpor zdvojnásobí, ať byl denně používán a dobíjen, nebo jen ležel ve skříni. 6

Li-Ion - Technologie Anoda je vyrobena z uhlíku, katoda je oxid kovu a elektrolyt je lithiová sůl v organickém rozpouštědle. Základní zjednodušená chemická reakce: Uvnitř každé běžně prodávané baterie (battery packu) je čip, který hlídá stav a kontroluje průběh nabíjení. Díky své vysoké energetické hustotě vytlačuje tento typ současné NiCd a NiMH články z mobilních přístrojů. Namísto niklu používá chemicky vysoce reaktivní a snadno vznětlivé lithium (viz obrázek). Kladná elektroda sestává většinou z lithiokobaltového oxidu, do jehož krystalové mřížky byly vpraveny ionty lithia. Sloučeniny uhlíku a grafitu, rovněž obsahující lithiové ionty, tvoří zápornou elektrodu - tato kombinace dává jmenovité napětí 3,6 V. Elektrolytem jsou agresivní organická rozpouštědla (propylen- nebo ethylenkarbonát) - pokud vyteče, hrozí poleptání pokožky či koroze uvnitř přístroje. Tomuto nebezpečí čelí většina výrobků uzavřením do stabilního kovového pláště. V obalu akumulátoru bývá zalit mikročip s potřebnými senzory, který zabraňuje přehřátí a roztržení v případě přebíjení článku. Lithioiontové akumulátory pojmou při stejné velikosti asi třikrát více energie než klasické niklkadmiové a neznají ani paměťový efekt, ani "lenost". Tím je dána jejich velká přednost. Před nabíjením je není nutno úplně vybíjet. Za 24 hodin je u nich samovybíjení zanedbatelně malé, teprve po měsíci postrádají necelých 10 % energie. V laboratoři jsme měřili jejich vnitřní odpor: hodnota 200 až 250mW je poměrně vysoká, což znamená, že ani typ Li-Ion není vhodný pro spotřebiče s odběrem proudu o velké intenzitě. Jinak se článek silně zahřívá a napětí klesá. Také vysoká hustota energie není zadarmo - výrobní náklady jsou ve srovnání s typy NiCd a NiMH o 30 až 50 % vyšší. 7

Výhody Li-Ion Může být vyrobena v různých tvarech. Velmi vysoká hustota energie 200 Wh/kg, 530 Wh/l třikrát vyšší hodnota než starší typy jako Ni-MH. Tím pádem můžeme mít baterii s relativně vysokou kapacitou a malým objemem a hmotností. Téměř žádné samovybíjení (do 5 %). Nemá paměťový efekt. Není ji třeba formovat (nezaměňovat za NESPRÁVNÝ výraz FORMÁTOVAT, který označuje zcela jiný děj na zcela jiném zařízení) několikrát nabíjet a vybíjet před prvním použitím. Vysoké nominální napětí: 3,7 V Životnost 500 2000 nabíjecích cyklů. Nevýhody Li-Ion Baterie stárne, tedy ztrácí maximální kapacitu nehledě na to, jestli je nebo není používána (již od výroby). Rychlost tohoto stárnutí se zvyšuje s vyšší teplotou, vyšším stavem nabití, a vyšším vybíjecím proudem/zatížením. Nebezpečí výbuchu nebo vznícení. Nelze snadno koupit pouze články bez čipu, tím pádem jsou dražší. Vadí jí úplné vybití. Když se dostane pod napětí 2,8 V, je velmi těžké ji znovu obživit. Proto baterie, která je dlouhou dobu ponechána vybitá, může umřít (samovybít se pod přípustnou hodnotu). 8