Zdroje proudu – akumulátory II

Střední odborná škola Otrokovice

www.zlinskedumy.cz

Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je ing. František KociánDostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR.

Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze.

Charakteristika DUM

Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 OtrokoviceČíslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /2

Autor Ing. František Kocián

Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-Ae-EP/3-EL-6/13

Název DUM Zdroje proudu – akumulátory II

Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání

Kód oboru RVP 26-57-H/01

Obor vzdělávání Autoelektrikář

Vyučovací předmět Elektropříslušenství

Druh učebního materiálu Výukový materiál

Cílová skupina Žák, 17 – 18 let

Anotace

Výukový materiál je určený k frontální výuce učitelem, případně jako materiál pro samostudium, nutno doplnit výkladem, náplň: Elektrody (desky), separátory, elektrolyt, další části akumulátoru včetně moderní konstrukce, nabíjení , vybíjení akumulátoru, elektrické veličiny akumulátoru

Vybavení, pomůcky Dataprojektor

Klíčová slova Elektrody, hmota, elektrolyt, elektrické veličiny akumulátoruDatum 15. 10. 2012

Náplň výuky

Konstrukce alkalických akumulátorůNikl - Kadmiové (NI-CD)NádobaDeskySeparátoryElektrolytChemické procesy akumulátorů (nabíjení, vybíjení)Výhody, nevýhody alkalických akumulátorůKonstrukce metalhydridových akumulátorůMetalhydridové (NiMH, NiMeH)DeskyChemické procesy akumulátorů (nabíjení, vybíjení)Výhody, nevýhody metalhydridových akumulátorů

Zdroje proudu – akumulátory II

Konstrukce akumulátoru

Dělíme na:- desky- separátory- nádoba- zátky plnících otvorů- víko- pólové vývody- výhody- nevýhody

Akumulátor se vyrábí se jednak se zaplavenými elektrodami a kapalným elektrolytem (velké staniční baterie) a jednak jako hermetizovaný (akumulátory do přístrojů jako jsou akumulátorové vrtačky...) Alkalický článek je zdroj elektrické energie založený na chemické reakci mezi zinkem a oxidem manganičitým (Zn/MnO2). Ve srovnání s tradičními bateriemi uhlík/zinek mají alkalické články větší životnost a možný odebíraný proud je větší než u tradičních baterií.

Obr. 1: Akumulátor

Nádoba

Nádoba a víčko – jsou vyrobeno z tlustého poniklovaného plechu a svařeny. Ocelová nádobka zastává funkci kladného pólu baterie.

Obr. 2: Alkalická baterie

Elektrody (desky)

Elektrody – jsou vyrobeny z perforovaného, tlustě poniklovaného ocelového plechu a opatřeny kapsičkami, uzavírající ve svých prostorách činnou hmotu.

Kladné desky – aktivní hmotu tvoří kysličník nikličitý (NiO2) a kysličník niklitý (Ni2O3) Záporné desky - kádmium a jeho sloučeniny a příměsí železa

Separátory

Vlastnosti separátorů mají velký vliv na vlastnosti akumulátoru, zvláště připři nízkých teplotách, u těchto akumulátorů jsou jinak konstruovány než u olověných akumulátorů. Elektrody jsou odděleny izolační hmotou, nebo jsou vkládány do rámů, které zabraňují vzájemnému dotyku.

Musí -odolávat velmi agresivnímu prostředí

Materiál- Plast (PVC)

Elektrolyt

Elektrolyt

Jako elektrolyt se u alkalických akumulátorů používá hydroxid draselný (louh draselný KOH) měrné hmotnosti 1,17 až 1,2 g/ cm3 (střední hodnota je 1,19) při hodnotě + 20 °C

Další části akumulátoru

Víko akumulátoru – zakrývá jednotlivé články, opatřeno plnícími otvory, které slouží pro doplňování destilované vody.

Zátky plnících otvorů – utěsňují akumulátor, musí umožňovat odchod plynů z akumulátoru.

Článkové spojky – spojují jednotlivé články

Pólové vývody – dle typu akumulátorů

Chemické procesy akumulátorů (nabíjení, vybíjení)

Při nabíjení – Články se obvykle nabíjení proudem 0,1 až 0,2 C (násobku hodinové kapacity akumulátoru tzn. 0,1 – 0,2A pro 1 Ah akumulátor.) Do článků je nutno dodat 120 až 140 % jejich kapacity (pokud jsou plně vybité) pro kompenzaci neefiktivnosti nabíjení. Probíhá na sebe navazujících a paralelních reakcíPro kadmium NiO + CdO → NiO2 + CdPro železo NiO + FeO → NiO2 + Fe

Při vybíjení Pro kadmium Ni2O3 + Cd → 2NiO + CdOPro železo Ni2O3 + Fe → 2NiO + FeO

Elektrolyt se nezúčastňuje chemických reakcí, a proto se jeho hustota nemění. K poklesu hustoty dochází vlivem působení kysličníku uhličitého (CO2) obsaženého v ovzduší

Výhody, nevýhody alkalických akumulátorů

Nevýhody- vysoká cena, až pětinásobek ceny olověného akumulátoru- nižší napětí článků, zároveň velký rozdíl mezi nabíjecím napětím a konečným vybíjecím napětím- nelze zjišťovat stupeň nabití měřením hustoty elektrolytu- při provozu dochází k znehodnocování elektrolytu (KOH) působením vzdušného CO2 za vzniku uhličitanu draselného, který snižuje kapacitu a zvyšuje vnitřní odpor článku.Výhody- odolnější proti přebíjení a podvybití.- delší životnost, robustnější.- možnost nabíjet vyššími proudy- mohou být skladovány vybité.- pracují dobře i za nízkých teplot (při vybití olověného akumulátoru poklesne hustota kyseliny a může dojít k zamrznutí a poškození)- elektrolyt nepůsobí tak korozivně, jako kyselina sírová v olověných akumulátorech, protože aerosol KOH reaguje se vzdušným CO2 na uhličitan

Chemické procesy v akumulátoru

Vybíjení baterie – reakce na elektrodách

anoda: PbO2 + 4H+ + SO42− + 2e− → PbSO4 + 2H2O

katoda: Pb + SO42− → PbSO4

Nabíjení baterie – reakce na elektrodách

anoda: PbO2 + 3H+ + HSO4− → PbSO4 + 2H2O

katoda: Pb + HSO4− → PbSO4 + H+

Při nabíjení probíhají uvedené reakce opačným směrem. Vybíjení akumulátoru probíhá také samovolně bez připojení k elektrickému obvodu – samovybíjením. Rychlost samovybíjení je zhruba 3 – 20 % kapacity za měsíc

Konstrukce metalhydridových akumulátorů

Akumulátor – hermeticky uzavřený zdroj s alkalickým elektrolytem a jsou specialním typem článků nikl-vodík. Nikl-metal hydridový akumulátor, zkráceně NiMH, je druh galvanického článku jeden z nejčastěji používaných druhůakumulátorů. 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.

Obr. 3: Baterie

Konstrukce metalhydridových akumulátorů

Akumulátor – hermeticky uzavřený zdroj s alkalickým elektrolytem a jsou specialním typem článků nikl-vodík. Nikl-metal hydridový akumulátor, zkráceně NiMH, je druh galvanického článku 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.

Desky – elektrody

Záporná elektroda – 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, neodynu, praseodymu

Kladná elektroda – z oxid-hydroxidu niklitého – NiO(OH) a elektrolytem je vodný roztok hydroxidu draselného

Chemické procesy akumulátorů (nabíjení, vybíjení)

Celková reakce vybíjení:MH + NiO(OH) → M + Ni(OH)2

Na záporné elektrodě MH + OH− → M + H2O + e−

Na kladné elektrodě 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.

Výhody – oproti starším NiCd akumulátorům až 2,5x větší kapacitu. Dokáže dodávat relativně vysoké proudy. Má dlouhou životnost, malé pořizovací náklady, možnost rychlonabíjení bez většího poškození. Napětí 1,2 V v podstatě během vybíjení neklesá

Nevýhody – Při nízkých teplotách (5 °C a méně) se baterie začínají "blokovat" (zdá se, že nemají energii, ale při ohřátí se zase vrátí). Napětí je pak pouze 1,2 V, což může být pro některé elektronické přístroje nedostatečné.

Výhody a nevýhody metalhydridových akumulátorů

Kontrolní otázky:

1. Z jakého materiálu jsou vyrobeny elektrody NI-CD?

a) Silně niklovaného ocelového plechu

b) Hliníku

c) Mědi

2. Jaký je elektrolyt se používá u NI-CD?

a) kyselina + voda

b) hydroxid draselný

c) voda + soda

3. Jaké napětí má jednotlivý článek NiMH?

a) 1,5 V

b) 1,2 V

c) 3 V

Kontrolní otázky – řešení:

1. Z jakého materiálu jsou vyrobeny elektrody NI-CD?

a) Silně niklovaného ocelového plechu

b) Hliníku

c) Mědi

2. Jaký je elektrolyt se používá u NI-CD?

a) kyselina + voda

b) hydroxid draselný

c) voda + soda

3. Jaké napětí má jednotlivý článek NiMH?

a) 1,5 V

b) 1,2 V

c) 3 V

Seznam obrázků:

• Obr. 1: vlastní• Obr. 2: anonym, leták firmy Bateria Slaný• Obr. 3: vlastní

Seznam použité literatury:

[1] JAN, Z. ,KUBÁT, J., ŽDÁNKÝ, B., Elektrotechnika motorových vozidel I, Praha, AVID spol. sr.o., 2002, ISBN 978-80-87143-05-6

[2] ŠŤASTNÝ, J. a REMEK, B., Autoelektrika a autoelektronika, Praha, Nakladatelství T. Malina, 1994, ISBN 80-900759-6-7

[3] KUČERA, V., Elektrotechnika v motorových vozidlech, Praha, SNTL, 1976,

[4] encyklopedie Wikipedia, [vid 15. 10. 2012], dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Nikl-kadmiov%C3%BD_akumul%C3%A1tor

[5] encyklopedie Wikipedia, [vid 15. 10. 2012], dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Nikl-metal_hydridov%C3%BD_akumul%C3%A1tor

Děkuji za pozornost