סוגים שונים של סוללות ויישומיהם

סוללה היא אוסף של אחד או יותר תאים העוברים תגובות כימיות כדי ליצור זרימת אלקטרונים בתוך מעגל. יש הרבה מחקר והתקדמות בטכנולוגיית הסוללות, וכתוצאה מכך מנוסים ומשתמשים טכנולוגיות פורצות דרך ברחבי העולם כיום. סוללות נכנסו לפעולה בגלל הצורך לאגור אנרגיה חשמלית שנוצרה. ככל שנוצרה כמות טובה של אנרגיה, היה חשוב לאחסן את האנרגיה כדי שניתן יהיה להשתמש בה כאשר הדור אינו פעיל או כשיש צורך להפעיל מכשירים עצמאיים שלא ניתן לשמור אותם קשורים לאספקת החשמל. כאן יש לציין כי ניתן לאחסן רק DC בסוללות, לא ניתן לאחסן זרם זרם חילופין.

תאי סוללה מורכבים בדרך כלל משלושה מרכיבים עיקריים;

1. האנודה (אלקטרודה שלילית)
2. הקתודה (אלקטרודה חיובית)
3. האלקטרוליטים

האנודה היא אלקטרודה שלילית המייצרת אלקטרונים למעגל החיצוני אליו מחוברת הסוללה. כאשר מחברים סוללות, מתחיל הצטברות אלקטרונים באנודה הגורם להבדל פוטנציאלי בין שתי האלקטרודות. באופן טבעי, האלקטרונים מנסים לחלק את עצמם מחדש, הדבר מונע על ידי האלקטרוליט, ולכן כאשר מחובר מעגל חשמלי, הוא מספק נתיב ברור עבור האלקטרונים לנוע מהאנודה לקתודה ובכך מניע את המעגל אליו הוא מחובר. על ידי שינוי הסידור והחומר המשמש לבניית האנודה, הקתודה והאלקטרוליט אנו יכולים להשיג סוגים רבים ושונים של כימיקלים לסוללות המאפשרים לנו לעצב סוגים שונים של תאי סוללה. במאמר זה ניתן להבין את הסוגים השונים של הסוללות ואת השימושים בהם, אז בואו נתחיל.

סוגי סוללות

בדרך כלל ניתן לסווג סוללות לקטגוריות וסוגים שונים, החל מהרכב כימי, גודל, גורם צורה ומקרי שימוש, אך מתחת לכל אלה ישנם שני סוגי סוללות עיקריים;

1. סוללות ראשוניות
2. סוללות משניות

בואו נסתכל עמוק יותר על מנת להבין את ההבדלים העיקריים בין תא ראשוני לתא משני.

1. סוללות ראשוניות

סוללות ראשוניות הן סוללות שלא ניתן להטעין לאחר שהן מתרוקנות. סוללות ראשוניות עשויות תאים אלקטרוכימיים שלא ניתן להפוך את תגובתם האלקטרוכימית.

סוללות ראשוניות קיימות בצורות שונות החל מתאי מטבע ועד סוללות AA. הם משמשים בדרך כלל ביישומים עצמאיים שבהם טעינה אינה מעשית או בלתי אפשרית. דוגמה טובה לכך היא במכשירים צבאיים ובציוד המופעל באמצעות סוללות. זה לא יהיה מעשי להשתמש בסוללות נטענות, שכן טעינת סוללה תהיה הדבר האחרון במוחם של החיילים. לסוללות ראשוניות תמיד יש אנרגיה ספציפית גבוהה והמערכות בהן הם משמשים נועדו תמיד לצרוך כמות נמוכה של כוח כדי לאפשר לסוללה להחזיק זמן רב ככל האפשר.

כמה דוגמאות אחרות למכשירים המשתמשים בסוללות ראשוניות כוללות; יצרני קצב, עוקבים אחר בעלי חיים, שעוני יד, שלט רחוק וצעצועים לילדים, אם להזכיר כמה.

הסוג הפופולרי ביותר של סוללות ראשוניות הן סוללות אלקליין. יש להם אנרגיה ספציפית גבוהה והם ידידותיים לסביבה, חסכוניים ולא דולפים גם כשהם משוחררים לחלוטין. הם יכולים להיות מאוחסנים מספר שנים, הם בעלי רישום בטיחות טוב וניתן לשאת אותם על מטוס מבלי להיות כפופים לתקנות תחבורה של האו"ם ותקנות אחרות. החיסרון היחיד בסוללות אלקליין הוא זרם העומס הנמוך, המגביל את השימוש בו למכשירים עם דרישות זרם נמוך כמו שלט רחוק, פנסים ומכשירי בידור ניידים.

2. סוללות משניות

סוללות משניות הן סוללות עם תאים אלקטרוכימיים שאת התגובות הכימיות שלהם ניתן להפוך על ידי הפעלת מתח מסוים על הסוללה בכיוון ההפוך. המכונה גם סוללות נטענות, ניתן לטעון תאים משניים בניגוד לתאים ראשוניים לאחר שהאנרגיה שבסוללה נוצלה.

הם משמשים בדרך כלל ביישומי ניקוז גבוה ובתרחישים אחרים שבהם יהיה זה יקר מדי או בלתי אפשרי להשתמש בסוללות טעינה יחידה. סוללות משניות בעלות קיבולת קטנה משמשות להפעלת מכשירים אלקטרוניים ניידים כמו טלפונים ניידים, וגאדג'טים ומכשירים אחרים ואילו סוללות כבדות משמשות להפעלת רכבים חשמליים מגוונים ויישומי ניקוז גבוה אחרים כמו פילוס עומס בייצור חשמל. הם משמשים גם כמקורות חשמל עצמאיים לצד ממירים לאספקת חשמל. אמנם העלות הראשונית של רכישת סוללות נטענות היא תמיד גבוהה בהרבה מזו של סוללות ראשוניות, אך הן החסכוניות ביותר לטווח הארוך.

ניתן לסווג סוללות משניות למספר סוגים אחרים על בסיס הכימיה שלהן . זה חשוב מאוד מכיוון שהכימיה קובעת כמה מהתכונות של הסוללה, כולל האנרגיה הספציפית שלה, חיי המחזור, חיי המדף והמחיר שלה.

להלן הסוגים השונים של סוללות נטענות אשר נפוצים.

1. ליתיום יון (ליתיום)
2. ניקל קדמיום (Ni-Cd)
3. ניקל-מתכת הידריד (Ni-MH)
4. עופרת חומצה

1. סוללות ניקל-קדמיום

סוללת הניקל-קדמיום (סוללת NiCd או סוללת NiCad) היא סוג של סוללה נטענת אשר פותחה באמצעות תחמוצת ניקל הידרוקסיד וקדמיום מתכתי כאלקטרודות. סוללות Ni-Cd מצטיינות בשמירה על מתח והחזקת מטען כאשר אינן בשימוש. עם זאת, סוללות NI-Cd נופלות בקלות קורבן לאפקט ה"זיכרון "האימתני כאשר סוללה טעונה חלקית נטענת, מה שמקטין את יכולת הסוללה בעתיד.

בהשוואה לסוגים אחרים של תאים נטענים, סוללות Ni-Cd מציעות מחזור חיים טוב וביצועים בטמפרטורות נמוכות עם יכולת הוגנת, אך היתרון המשמעותי ביותר שלהן הוא יכולתן לספק את יכולתן המדורגות במלואן בקצב פריקה גבוה. הם זמינים בגדלים שונים, כולל הגדלים המשמשים לסוללות אלקליין, AAA עד D. תאי Ni-Cd משמשים באופן אינדיבידואלי או מורכבים באריזות של שניים או יותר תאים. החבילות הקטנות משמשות במכשירים ניידים, אלקטרוניקה וצעצועים, בעוד שהגדולות יותר מוצאות יישומים בסוללות המתניע מטוסים, ברכבים חשמליים ובספק המתנה.

חלק מהתכונות של סוללות ניקל-קדמיום מפורטות להלן.

• אנרגיה ספציפית: 40-60W-h / kg
• צפיפות אנרגיה: 50-150 וואט / ליטר
• הספק ספציפי: 150W / kg
• יעילות טעינה / פריקה: 70-90%
• קצב פריקה עצמית: 10% לחודש
• עמידות / חיים במחזור: 2000 אופניים

2. סוללות ניקל-מתכת הידריד

ניקל מתכת הידריד (Ni-MH) הוא סוג אחר של תצורה כימית המשמשת לסוללות נטענות. התגובה הכימית באלקטרודה החיובית של הסוללות דומה לזו של תא הניקל-קדמיום (NiCd), כאשר שניהם סוג הסוללה משתמשים באותו תחמוצת ניקל הידרוקסיד (NiOOH). עם זאת, האלקטרודות השליליות ב ניקל-מתכת הידריד משתמשות בסגסוגת סופגת מימן במקום בקדמיום המשמשת בסוללות NiCd.

סוללות NiMH מוצאות יישומים בהתקני ניקוז גבוה בגלל יכולתם הגבוהה וצפיפות האנרגיה שלהם. סוללת NiMH יכולה להחזיק פעמיים עד שלוש מהקיבולת של סוללת NiCd באותו גודל, וצפיפות האנרגיה שלה יכולה להתקרב לזו של סוללת ליתיום-יון. בניגוד לכימיה של NiCd, סוללות המבוססות על כימיה של NiMH אינן רגישות לאפקט ה"זיכרון " אותו חווים NiCads.

להלן כמה מהמאפיינים של סוללות המבוססות על הכימיה של ניקל-מתכת הידריד;

• אנרגיה ספציפית: 60-120 שעות לק"ג
• צפיפות אנרגיה: 140-300 וואט / ליטר
• הספק ספציפי: 250-1000 W / kg
• יעילות טעינה / פריקה: 66% - 92%
• פריקה עצמית שיעור: 1.3-2.9% / חודש 20 ^o C
• עמידות / חיים במחזור: 180 -2000

3. סוללות ליתיום-יון

סוללות ליתיום יון הן אחד הסוגים הפופולריים ביותר של סוללות נטענות. ישנם סוגים רבים ושונים של סוללות ליתיום, אך בין כל סוללות הליתיום-יון הן הנפוצות ביותר. אתה יכול למצוא סוללות ליתיום אלה משמשות בצורות שונות באופן פופולרי בקרב כלי רכב חשמליים וגאדג'טים ניידים אחרים. אם אתה סקרן לדעת יותר על סוללות המשמשות ברכבים חשמליים, תוכל לעיין במאמר זה בנושא סוללות רכב חשמלי. הם נמצאים במכשירים ניידים שונים, כולל טלפונים ניידים, מכשירים חכמים וכמה מכשירי סוללה אחרים המשמשים בבית. הם מוצאים יישומים גם ביישומים תעופתיים וחלליים בשל אופיים הקליל.

סוללות ליתיום-יון הן סוג של סוללה נטענת בה יוני ליתיום מהאלקטרודה השלילית נודדים לאלקטרודה החיובית בזמן הפריקה ונודדים חזרה לאלקטרודה השלילית בעת טעינת הסוללה. סוללות ליתיום משתמשות בתרכובת ליתיום משולבת כחומר אלקטרודה אחד, לעומת הליתיום המתכתי המשמש בסוללות ליתיום שאינן נטענות.

סוללות ליתיום-יון בדרך כלל בעלות צפיפות אנרגיה גבוהה, השפעת זיכרון מועטה או ללא פריקה עצמית נמוכה בהשוואה לסוגי סוללות אחרים. הכימיה שלהם לצד הביצועים והעלות משתנים במקרי שימוש שונים, לדוגמא, סוללות ליתיום המשמשות במכשירים אלקטרוניים כף יד מבוססות בדרך כלל על תחמוצת ליתיום קובלט (LiCoO ₂) המספק צפיפות אנרגיה גבוהה וסיכוני בטיחות נמוכים כאשר הם נפגעים בזמן Li-ion. סוללות המבוססות על פוספט ברזל ליתיום המציעות צפיפות אנרגיה נמוכה יותר הן בטוחות יותר בשל הסבירות המופחתת לאירועים מצערים נמצאים בשימוש נרחב בהפעלת כלים חשמליים וציוד רפואי. סוללות ליתיום-יון מציעות את הביצועים הטובים ביותר ליחס המשקל, כאשר סוללת הגופרית של ליתיום מציעה את היחס הגבוה ביותר.

חלק מהתכונות של סוללות ליתיום-יון מפורטות להלן;

• אנרגיה ספציפית: 100: 265W-h / kg
• צפיפות אנרגיה: 250: 693 Wh / L.
• הספק ספציפי: 250: 340 W / kg
• אחוז טעינה / פריקה: 80-90%
• עמידות מחזור: 400: 1200 מחזורים
• מתח תא נומינלי: NMC 3.6 / 3.85V

4. סוללות עופרת

סוללות עופרת הן חומרת עבודה אמינה בעלות נמוכה המשמשת ביישומים כבדים. הם בדרך כלל גדולים מאוד ובגלל משקלם, הם משמשים תמיד ביישומים שאינם ניידים כגון אחסון אנרגיה בלוחות סולאריים, הצתה ונורות רכב, כוח גיבוי ויישור עומס בייצור / הפצת חשמל. חומצה העופרת היא הסוג העתיק ביותר של סוללה נטענת ועדיין מאוד רלוונטית וחשובה לעולם של ימינו. לסוללות עופרת חומצה יש אנרגיה נמוכה מאוד לנפח ויחסי אנרגיה למשקל, אך יש לה יחס כוח יחסית למשקל וכתוצאה מכך, הן יכולות לספק זרמי נחשול עצומים בעת הצורך. תכונות אלו לצד העלות הנמוכה שלה הופכות את הסוללות לאטרקטיביות לשימוש בכמה יישומים עכשוויים כמו הפעלת מנועי התחלה לרכב ולאחסון בספקי גיבוי.אתה יכול גם לבדוק את המאמר על סוללה עופרת חומצה עובד אם אתה רוצה לדעת יותר על הסוגים השונים של סוללות עופרת חומצה, הבנייה שלה ויישומים.

לכל אחת מהסוללות יש את האזור המתאים ביותר והתמונה למטה היא לעזור בבחירה ביניהן.

בחירת הסוללה המתאימה ליישום שלך

אחת הבעיות העיקריות המעכבות מהפכות טכנולוגיות כמו IoT היא כוח, חיי הסוללה משפיעים על פריסה מוצלחת של מכשירים הדורשים חיי סוללה ארוכים ולמרות שמאמצים כמה טכניקות לניהול צריכת חשמל בכדי לגרום לסוללה להחזיק מעמד זמן רב, עדיין יש לבחור סוללה תואמת. כדי להשיג את התוצאה הרצויה.

להלן כמה גורמים שיש לקחת בחשבון בבחירת סוג הסוללה המתאים לפרויקט שלך.

1. צפיפות אנרגיה: צפיפות האנרגיה היא כמות האנרגיה הכוללת הניתנת לאחסון ליחידת מסה או נפח. זה קובע כמה זמן המכשיר שלך דולק לפני שהוא זקוק לטעינה מחדש.

2. צפיפות כוח: קצב פריקה מרבי של אנרגיה ליחידת מסה או נפח. הספק נמוך: מחשב נייד, i-pod. הספק גבוה: כלי עבודה חשמליים.

3. בטיחות: חשוב לקחת בחשבון את הטמפרטורה בה המכשיר שאתה בונה יעבוד. בטמפרטורות גבוהות, רכיבי סוללה מסוימים יתפרקו ויכולים לעבור תגובות אקסותרמיות. טמפרטורות גבוהות בדרך כלל מפחיתות את ביצועי רוב הסוללות.

4. עמידות במחזור החיים: יש צורך ביציבות צפיפות האנרגיה וצפיפות ההספק של סוללה עם רכיבה חוזרת (טעינה ופריקה) למשך חיי הסוללה הארוכים הנדרשים לרוב היישומים.

5. עלות: עלות היא חלק חשוב מכל החלטות הנדסיות שתקבל. חשוב שעלות בחירת הסוללה שלך תואמת את ביצועיה ולא תעלה את העלות הכוללת של הפרויקט באופן חריג.