Přečtěte si: Smart city a elektromobilita pro praktický užitek a jejich aktuální výzvy
|
|
|
Přečtěte si: Smart city a elektromobilita pro praktický užitek a jejich aktuální výzvy |
 
      |
Nápověda k článkům 4Víte, jak funguje baterie?
Základem baterie je galvanický článek, což je chemický zdroj elektrického napětí. Tvoří jej dvě elektrody – záporná anoda a kladná katoda – obklopené elektrolytem, tedy kapalným nebo tuhým roztokem vedoucím elektrický proud. Elektrické napětí je dáno rozdílem elektrických potenciálů na elektrodách, což platí nejen pro galvanické články. Elektrický potenciál na elektrodách vzniká v případě galvanických článků chemickou reakcí mezi elektrodou a elektrolytem. Jak je zřejmé, galvanický článek je zdrojem stejnosměrného napětí. Po zapojení galvanického článku do elektrického obvodu probíhají uvnitř článku chemické reakce, kterými se postupně snižuje elektrická energie uložená v článku. Článek se tak vybíjí. Tyto reakce mohou být buď nevratné, při nich se napětí článku po vybití nedá obnovit (tzv. primární články), nebo vratné, při nichž se článek dá znovu nabít (tzv. sekundární články neboli akumulátory). Pro elektrody a elektrolyty se používají takové kombinace chemických látek, aby potenciál vznikající na elektrodách měl dostatečnou velikost a zároveň aby měl článek další požadované vlastnosti, jako jsou např. trvanlivost nebo dostatečná kapacita. Nejčastěji používanými látkami pro anodu jsou zinek, lithium, kadmium a hydridy různých kovů, pro katodu oxidy různých kovů (například manganu nebo niklu). Jako elektrolyt se používají vodné roztoky alkalických hydroxidů, silných kyselin nebo jejich solí. Kromě toho se používají také bezvodé elektrolyty, které obsahují vhodnou sůl rozpuštěnou v organickém rozpouštědle. Případné další látky v galvanických článcích regulují chemické reakce tak, aby se dosáhlo potřebných užitných vlastností článku – například delší životnost, větší bezpečnost aj. Fungování galvanického článku ukazuje obrázek na příkladu známého olověného článku, běžně používaného v automobilech. Materiál anody tvoří houbovité olovo (Pb), materiál katody oxid olovičitý (PbO2). Elektrolytem je vodou zředěná kyselina sírová (H2SO4) o koncentraci přibližně 35 % (u plně nabitého akumulátoru). Vybíjením spolu reagují elektrody na síran olovnatý (PbSO4), elektrolyt je ochuzován o kyselinu sírovou a obohacován o vodu – podrobnosti chemických reakcí ukazuje obrázek.  Schéma olověného galvanického článkuProtože jde o akumulátor, probíhají tyto reakce také opačně a článek se nabíjí, připojíme-li ho ke zdroji stejnosměrného elektrického napětí (na nabíječku). Při vybíjení tedy klesá koncentrace elektrolytu a naopak při nabíjení jeho koncentrace roste. Obdobně fungují i jiné druhy galvanických článků. Protože jednotlivé galvanické články vytvářejí napětí řádově v desetinách voltů nebo v jednotlivých voltech, spojují se sériově do baterií (viz třeba „baterie lahví“, „dělostřelecká baterie“ apod. – odtud pochází běžné označení tohoto zařízení). Hodnota napětí baterie je pak dána součtem hodnot napětí propojených galvanických článků. Například plochá baterie obsahuje tři suché články, běžný 12V automobilový akumulátor („autobaterie“) obsahuje 6 akumulátorových článků s kapalným elektrolytem. Kromě charakteru galvanického článku (primární nebo sekundární) a elektrického napětí se u galvanických článků sledují z hlediska jejich praktického využití i mnohé další parametry a vlastnosti, například• měrná energie – podíl kapacity uložené energie a hmotnosti článku, • hustota energie – podíl kapacity uložené energie a objemu článku, • míra samovybíjení – u primárních článků určuje dobu skladovatelnosti, • elektrický výkon – množství energie, které je článek schopen dodat za jednotku času, • vnitřní odpor – velikost odporu článku při průchodu elektrického proudu, • nabíjecí proud a nabíjecí doba – pro akumulátory, • účinnost – podíl vydané a dodané energie u akumulátorů, • počet cyklů nabití/vybití akumulátoru do konce životnosti, • bezpečnost a přátelskost vůči životnímu prostředí s ohledem na obsažené chemické látky. Pro běžné porovnání kapacity různých baterií je důležitý zejména ukazatel hustoty energie vzhledem k tomu, že jejich rozměry – a tedy objem – jsou standardizované. Významným parametrem je pochopitelně také cena. Mezi nejznámější typy baterií s primárními články (tedy nedobíjecích) patří zinko-uhlíková baterie, alkalická baterie nebo lithiová baterie. Zinko-uhlíková baterie představuje nejběžnější a nejlevnější typ. Kvalitnějším typem s dvojnásobnou hustotou energie je alkalická baterie. Oba tyto typy mají zinkovou anodu a katodu z oxidu manganičitého (burelu). Liší se elektrolytem – v prvním případě je jím chlorid amonný, ve druhém hydroxid draselný. Baterie s dlouhou živostností o nejrůznějších velikostech a tvarech jsou lithiové – mají lithiovou anodu, katodu z oxidu manganičitého a elektrolytem je organický roztok lithiových solí. Lithiová baterie má oproti zinko-uhlíkové baterii více než čtyřnásobnou hustotu energie. Mezi nejznámější typy akumulátorů, tedy baterií se sekundárními články, patří (kromě již zmíněného olověného akumulátoru) například nikl-kadmiový akumulátor, který má kadmiovou anodu, katoda je z oxidu-hydroxidu niklitého a elektrolytem je hydroxid draselný. Tento typ představuje nejběžnější dobíjecí baterii. Problémem je jeho malá kapacita a jedovaté kadmium. Má nejrůznější použití, od dobíjecí tužkové baterie po pohon elektromobilů nebo hybridních lokomotiv. Oproti olověnému akumulátoru má nikl-kadmiový akumulátor srovnatelnou měrnou energii, ale až o polovinu větší hustotu energie. V praxi se často setkáme také s lithium-iontovým akumulátorem. Materiálem anody je lithium vázané v grafitu, katoda je z oxidu lithio-kobaltitého a elektrolyt tvoří lithiové soli v organickém rozpouštědle. Tento typ baterie má velmi široké použití – od drobné spotřební elektroniky po pohon elektromobilů – díky své dlouhé životnosti a vysoké kapacitě při malém objemu a hmotnosti (šestinásobná měrná energie a více než pětinásobná hustota energie oproti nikl-kadmiovému akumulátoru). Jeho nevýhodou je například vyšší cena a citlivost na okolní teplotu. Jak ukazuje článek „Alpha-Laion: Společný projekt pro velkokapacitní trakční baterie“ v naší rubrice Elektromobilita, tento typ akumulátoru je sledován jako perspektivní právě pro rozvoj elektromobilů. Porovnáme-li baterii a palivový článek jako zdroje elektrické energie pro elektromobily (včetně elektrických autobusů nebo nákladních aut), můžeme zjednodušeně říci, že baterie mají oproti palivovým článkům nižší kapacitu (a tedy umožňují kratší dojezd elektromobilu). Jsou však jednodušší, levnější a nevyžadují samostatnou výrobu vodíku a síť vodíkových čerpacích stanic, nicméně vyžadují nabíjecí stanice. Baterie a palivové články se někdy v elektromobilu či elektrobusu doplňují ‒ viz článek „Alternativní pohony u městských autobusů“. redakce Proelektrotechniky.cz
|
|
Naše tipy |
|
Copyright © 2012 – 2024 Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services |
| |
Přečtěte si také:
