Wie Batterien funktionieren und funktionieren

Im weitesten Sinne des Wortes in der Technik bezieht sich der Begriff „Batterie“ auf ein Gerät, das es ermöglicht, unter bestimmten Betriebsbedingungen eine bestimmte Art von Energie zu speichern und sie unter anderen für den menschlichen Bedarf zu nutzen.

Sie werden dort eingesetzt, wo es notwendig ist, Energie für eine bestimmte Zeit zu sammeln und sie dann für die Durchführung großer arbeitsintensiver Prozesse zu nutzen. Beispielsweise ermöglichen in Schleusen eingesetzte Hydrospeicher den Schiffen, ein neues Niveau im Flussbett zu erreichen.

Elektrische Batterien funktionieren mit Strom nach dem gleichen Prinzip: Zuerst sammeln (akkumulieren) sie Strom von einer externen Ladequelle und geben ihn dann an angeschlossene Verbraucher zur Arbeit weiter. Sie gehören naturgemäß zu den chemischen Stromquellen, die in der Lage sind, wiederholt periodische Entlade- und Ladezyklen durchzuführen.

Während des Betriebs finden ständig chemische Reaktionen zwischen den Bestandteilen der Elektrodenplatten mit ihrem Füllstoff – dem Elektrolyten – statt.

Ein schematisches Diagramm einer Batterievorrichtung kann durch eine vereinfachte Zeichnung dargestellt werden, wenn zwei Platten aus unterschiedlichen Metallen mit Drähten in den Gefäßkörper eingesetzt werden, um elektrische Kontakte herzustellen. Zwischen die Platten wird ein Elektrolyt gegossen.

Batteriebetrieb im entladenen Zustand

Wenn eine Last, beispielsweise eine Glühbirne, an die Elektroden angeschlossen wird, entsteht ein geschlossener Stromkreis, durch den der Entladestrom fließt. Es entsteht durch die Bewegung von Elektronen in Metallteilen und Anionen mit Kationen im Elektrolyten.

Dieser Vorgang wird herkömmlicherweise in einem Diagramm mit einem Nickel-Cadmium-Elektrodendesign dargestellt.

Als Material der positiven Elektrode werden hier Nickeloxide mit Graphitzusätzen verwendet, die die elektrische Leitfähigkeit erhöhen. Das Metall der negativen Elektrode ist schwammiges Cadmium.

Bei der Entladung werden aktive Sauerstoffpartikel aus Nickeloxiden in den Elektrolyten freigesetzt und zu den negativen Platten geleitet, wo das Cadmium oxidiert wird.

Akkuleistung beim Laden

Beim Abschalten der Last liegt an den Plattenanschlüssen eine konstante (in bestimmten Situationen pulsierende) Spannung an, die größer ist als der Wert einer geladenen Batterie gleicher Polarität, wenn die Plus- und Minusklemmen von Quelle und Verbraucher zusammenfallen .

Das Ladegerät hat immer mehr Leistung, wodurch die Restenergie im Akku „unterdrückt“ wird und ein elektrischer Strom in entgegengesetzter Entladerichtung entsteht. Dadurch verändern sich die inneren chemischen Prozesse zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten. Beispielsweise wird auf einer Schachtel mit Nickel-Cadmium-Platten die positive Elektrode mit Sauerstoff angereichert und die negative Elektrode in den Zustand von reinem Cadmium.

Beim Entladen und Laden der Batterie ändert sich die chemische Zusammensetzung des Materials der Platten (Elektroden), der Elektrolyt ändert sich jedoch nicht.

Methoden zum Anschließen der Batterie

Parallele Verbindung

Die Höhe des Entladestroms, dem eine Person standhalten kann, hängt von vielen Faktoren ab, vor allem aber von der Bauart, den verwendeten Materialien und deren Abmessungen. Je größer die Fläche der Platten an den Elektroden ist, desto größer ist der Strom, den sie aushalten können.

Dieses Prinzip wird verwendet, um Zellen des gleichen Typs in Batterien parallel zu schalten, wenn der Strom zur Last erhöht werden muss. Um eine solche Konstruktion aufzuladen, muss jedoch die Leistung der Quelle erhöht werden. Diese Methode wird selten für vorgefertigte Strukturen verwendet, da es jetzt viel einfacher ist, die erforderliche Batterie sofort zu kaufen. Aber Hersteller von Säurebatterien verwenden es, indem sie verschiedene Platten zu einzelnen Blöcken verbinden.

Serielle Verbindung

Abhängig von den verwendeten Materialien kann zwischen den beiden Elektrodenplatten von im Alltag üblichen Batterien eine Spannung von 1,2 / 1,5 oder 2,0 Volt erzeugt werden. (Tatsächlich ist dieser Bereich viel größer.) Offensichtlich reicht er für viele Elektrogeräte nicht aus. Daher werden Batterien des gleichen Typs in Reihe geschaltet, und dies geschieht häufig in einem Fall.

Ein Beispiel für ein solches Design ist die weit verbreitete Automobilentwicklung auf Basis von Schwefelsäure- und Bleielektrodenplatten.

Normalerweise ist es unter Menschen, insbesondere unter Transportfahrern, üblich, jedes Gerät als Batterie zu bezeichnen, unabhängig von der Anzahl seiner Bestandteile – Boxen. Dies ist jedoch nicht ganz richtig.Die aus mehreren in Reihe geschalteten Kästen zusammengesetzte Struktur ist bereits eine Batterie, für die der Kurzname „АКБ“ angebracht ist... Sein innerer Aufbau ist in der Abbildung dargestellt.

Jedes der Gefäße besteht aus zwei Blöcken mit einem Plattensatz für die positive und negative Elektrode. Die Blöcke passen ohne Metallkontakt ineinander und bieten die Möglichkeit einer zuverlässigen galvanischen Verbindung durch den Elektrolyten.

In diesem Fall verfügen die Kontaktplatten über ein zusätzliches Gitter und sind durch eine Trennplatte voneinander getrennt.

Das Verbinden der Platten in Blöcken vergrößert deren Arbeitsbereich, verringert den Gesamtwiderstand der gesamten Struktur und ermöglicht eine Erhöhung der Leistung der angeschlossenen Last.

Auf der Außenseite des Kartons weist eine solche Batterie die in der Abbildung unten gezeigten Elemente auf.

Es zeigt, dass das robuste Kunststoffgehäuse mit einem Deckel verschlossen und oben mit zwei Anschlüssen (meist kegelförmig) zum Anschluss an den Stromkreis des Autos ausgestattet ist. Auf ihren Anschlüssen sind Polaritätsmarkierungen eingeprägt: „+“ und „-“. Normalerweise hat der Pluspol einen etwas größeren Durchmesser als der Minuspol, um Verdrahtungsfehler zu vermeiden.

Wartungsfähige Batterien haben an der Oberseite jedes Behälters eine Einfüllöffnung, um den Elektrolytstand zu kontrollieren oder während des Betriebs destilliertes Wasser nachzufüllen. Darin ist ein Stopfen eingeschraubt, der die inneren Hohlräume des Gehäuses vor Verschmutzung schützt und gleichzeitig verhindert, dass der Elektrolyt beim Kippen der Batterie ausläuft.

Da bei starker Ladung eine Gasbildung aus dem Elektrolyten möglich ist (und dieser Vorgang ist bei intensiver Fahrt möglich), werden Löcher in die Stopfen gebohrt, um zu verhindern, dass der Druck im Inneren der Box ansteigt.Durch sie treten Sauerstoff und Wasserstoff sowie Elektrolytdämpfe aus. Es wird empfohlen, solche Situationen mit zu hohen Ladeströmen zu vermeiden.

Die gleiche Abbildung zeigt die Verbindung der Elemente zwischen den Bänken und die Anordnung der Elektrodenplatten.

Auto-Starterbatterien (Blei-Säure) funktionieren nach dem Prinzip der Doppelsulfatierung. Beim Entladen/Laden findet an ihnen ein elektrochemischer Prozess statt, der mit einer Änderung der chemischen Zusammensetzung der aktiven Masse der Elektroden unter Freisetzung/Aufnahme von Wasser im Elektrolyten (Schwefelsäure) einhergeht.

Dies erklärt die Zunahme des spezifischen Gewichts des Elektrolyten beim Laden und die Abnahme beim Entladen der Batterie. Mit anderen Worten: Der Dichtewert ermöglicht eine Beurteilung des elektrischen Zustands der Batterie. Zur Messung wird ein spezielles Gerät verwendet – ein Auto-Hydrometer.

Destilliertes Wasser, das Teil des Elektrolyten von Säurebatterien ist, geht bei Minustemperaturen in einen festen Zustand über – Eis. Um das Einfrieren von Autobatterien bei kaltem Wetter zu verhindern, müssen daher besondere, in den Vorschriften vorgesehene Maßnahmen angewendet werden zur Ausbeutung.

Welche Batterietypen gibt es?

Die moderne Produktion für verschiedene Zwecke produziert mehr als drei Dutzend Produkte mit unterschiedlicher Zusammensetzung von Elektroden und Elektrolyten. 12 bekannte Modelle laufen ausschließlich mit Lithium.

Als Elektrodenmetall kommen vor:

• führen;

• Eisen;

• Lithium;

• Titan;

• Kobalt;

• Cadmium;

• Nickel;

• Zink;

• Silber;

• Vanadium;

• Aluminium

• einige andere Artikel.

Sie beeinflussen die elektrischen Ausgangseigenschaften und damit die Anwendung.

Charakteristisch für Blei-Säure-Batterien ist die Fähigkeit, kurzzeitig hohen Belastungen durch die Drehung der Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren durch elektrische Anlasser standzuhalten. Sie werden häufig im Transportwesen, in der unterbrechungsfreien Stromversorgung und in Notstromsystemen eingesetzt.

Standard galvanische Zellen (normale Batterien) werden in der Regel durch Nickel-Cadmium-, Nickel-Zink- und Nickel-Metallhydrid-Batterien ersetzt.

Aber Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Designs funktionieren zuverlässig in Mobil- und Computergeräten, Bauwerkzeugen und sogar Elektrofahrzeugen.

Je nach Art des verwendeten Elektrolyten handelt es sich bei den Batterien um:

• sauer

• alkalisch.

Es gibt eine Einteilung der Batterien nach Verwendungszweck. Unter modernen Bedingungen sind beispielsweise Geräte aufgetaucht, die der Energieübertragung dienen – dem Aufladen anderer Quellen. Der sogenannte externe Akku hilft den Besitzern vieler mobiler Geräte, wenn kein Wechselstromnetz vorhanden ist. Es ist in der Lage, ein Tablet, Smartphone oder Mobiltelefon wiederholt aufzuladen.

Alle diese Batterien haben das gleiche Funktionsprinzip und ein ähnliches Gerät. Beispielsweise wiederholt das in der Abbildung unten gezeigte Lithium-Ionen-Fingermodell in vielerlei Hinsicht das Design der zuvor besprochenen Säurebatterien.

Hier sehen wir die gleichen Kontaktelektroden, Platten, Separator und Gehäuse. Sie werden lediglich unter Berücksichtigung anderer Arbeitsbedingungen erstellt.

Grundlegende elektrische Eigenschaften einer Batterie

Der Betrieb des Gerätes wird durch folgende Parameter beeinflusst:

• Kapazität;

• Energiedichte;

• Selbstentladung;

• Temperaturregime.

Als Kapazität bezeichnet man die maximale Ladung der Batterie, die sie beim Entladen auf die niedrigste Spannung abgeben kann. Es wird in Anhängern (SI-System) und Amperestunden (nicht systemische Einheit) ausgedrückt.

Als Kapazitätstyp gibt es die „Energiekapazität“, die die bei der Entladung auf die minimal zulässige Spannung freigesetzte Energie bestimmt. Sie wird in Joule (SI) und Wattstunden (Nicht-SI-Einheiten) gemessen.

Energiedichte ausgedrückt als Verhältnis der Energiemenge zum Gewicht oder Volumen der Batterie.

Unter Selbstentladung versteht man den Kapazitätsverlust nach dem Laden ohne Belastung der Anschlüsse. Dies hängt vom Design ab und wird aus vielen Gründen durch Isolationsausfälle zwischen den Elektroden verstärkt.

Die Betriebstemperatur beeinflusst die elektrischen Eigenschaften und kann bei gravierenden Abweichungen von der vom Hersteller angegebenen Norm zur Beschädigung der Batterie führen. Hitze und Kälte sind inakzeptabel, sie beeinflussen den Ablauf chemischer Reaktionen und den Druck der Umgebung im Inneren der Box.