Zasilanie układów elektronicznych - ogniwa i baterie

Transkrypt

1 Zasilanie układów elektronicznych - ogniwa i baterie Zbigniew Usarek, 2018 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Ogniwa i baterie Ogniwa to źródła prądu stałego zamieniające energię chemiczną na elektryczną. Ogniwa elektrochemiczne mogą być: - nieodwracalne (pierwotne) gdy reakcja elektrochemiczna powodująca przepływ ładunku przebiega w jedną stronę i ogniwa ulegają nieodwracalnemu zużyciu; - odwracalne (wtórne) gdy można je ładować i używać wielokrotnie (akumulatory). Bateria jest to zestaw połączonych ze sobą ogniw.

3 Ogniwa nieodwracalne historia Koniec XVIII w. Luigi Galvani, pierwsze doświadczenia nad elektrycznością zwierzęcą, polemika z Alessandro Volta; 1799 Volta, stos elektrod: Cu (Ag) wilgotny karton nasączony solanką Zn; 1800 Sir Humphry Davy, chemiczna przyczyna powstawania SEM; Michael Faraday, prawa elektrolizy, elektroda, elektrolit; 1836 John Daniell, klasyczne ogniwo Cu CuSO ZnSO Zn. 4 4

4 Ogniwa nieodwracalne historia 1841 Robert Bunsen, Zn ZnSO4 HNO3 C, zastosowanie po raz pierwszy depolaryzatora katody; SEM 1,7 V; 1873 Josiah Clark, Zn(Hg) ZnSO HgSO Hg; Georges Leclanche, ogniwo mokre, po późniejszych modyfikacjach również suche, Zn NH4Cl MnO2, C ; SEM 1,4-1,5 V; popularne paluszki; 1893 Edward Weston, Cd(Hg) CdSO4 HgSO4, Hg.

5 Ogniwa nieodwracalne historia 1912 Gilbert Newton Lewis, ogniwo litowe: Li S(c) CuS; kwh na 1 kg ogniwa; 1967 Ford Motor Company, ogniwo z ceramicznym elektrolitem pracujące w podwyższonej temperaturze (300 oc) Na (Na2O x 11Al2O3) S; Dzisiaj Li SOCl2 C, 3.6 V, 1.86 kwh/kg, 25 lat życia (rozruszniki serca).

6 Ogniwa odwracalne historia 1859 Gaston Planté, akumulator ołowiowy Pb H2SO4 PbO Waldemar Jungner, akumulator Ni/Cd: Ni, NiO(OH) NaOH Cd(OH)2, Cd 1904 Thomas Alva Edison, akumulator Fe/Ni: Fe KOH Ni(OH)3K

7 Ogniwa odwracalne historia 1988 Akumulator wanadowy, V(V)+V(II) V(III)+V (IV) Australia (patent USA) 1990 Akumulator Ni/MH, komercjalizacja Sanyo Electric, LaNi Akumulator Lit/jon, komercjalizacja Sony, interkalacja Li w tlenki metali przejściowych 1997 Akumulator organiczny (polifenylotiofen) 1999 Akumulator Li/polimer, komercjalizacja Valence Technology

8 Ogniwa Podstawowe parametry Podstawowe parametry ogniw to: - napięcie pracy (oraz jego przebieg w funkcji rozładowania) - maksymalny prąd rozładowania - opór wewnętrzny - zgromadzony ładunek (pojemność, zwykle podawana w Ah) - gęstość energii (na jednostkę masy albo objętości) - gęstość mocy (na jednostkę masy albo objętości) - trwałość (w tym samorozładowanie) W przypadku ogniw odwracalnych istotne są również: - liczba możliwych cykli ładowanie/rozładowanie - napięcie i prąd ładowania (oraz ich przebieg w czasie)

9 Ogniwa Podstawowe parametry

10 Ogniwa Podstawowe parametry

11 Wybrane ogniwa nieodwracalne

12 Ogniwa nieodwracalne Ogniwo Leclanchego Elektrodę ujemną stanowi cynk, zaś elektrodę dodatnią stanowi węgiel (pręt grafitowy otoczony mieszaniną proszku węglowego i MnO2). Elektrolitem jest 10-20% chlorek amonu stosowany w odmianie mokrej, zaś suchej stosuje się elektrolit 20% NH4Cl z wypełniaczem np. trocinami, skrobią lub żelem krzemionkowym. Procesy zachodzące przy czerpaniu prądu: Anoda (Zn): Zn - 2e = Zn2+ Katoda (C) : 2 NH+4 + 2e = 2NH 3 + H2 Uwolniony wodór reaguje z MnO2 : H 2 + 2MnO 2 = Mn 2O3 + H2O

13 Ogniwo Leclanchego Cynkowo - węglowe ogniwa Leclanchego należą do najczęściej spotykanych. Są tanie, nie zawierają substancji szkodliwych dla środowiska. Nowe ogniwo ma napięcie 1,5 V, które nieco spada w trakcie rozładowywania; przy rozładowywaniu znacząco wzrasta opór wewnętrzny. Pojemność ogniwa obniża się znacznie przy temperaturach poniżej 0oC. Gdy kwaśny elektrolit wydostanie się na zewnątrz ogniwa może zniszczyć elementy zasilanego urządzenia. Niebezpieczeństwo wzrasta wraz z rozładowywaniem rozpuszcza się cynkowa elektroda stanowiąca obudowę. Pojemność ogniw spada przy dużym poborze prądu, szczególnie dobrze sprawują się przy małym obciążeniu.

14 Ogniwa nieodwracalne Ogniwo alkaliczne Budowa: elektrody: cynk (-), węgiel z dwutlenkiem manganu (+) elektrolit: roztwór wodorotlenku potasu. Cechy: Pojemność o % większa niż Leclanchego Duża trwałość (stosunkowo małe samorozładowanie) Opór wewnętrzny mniejszy niż Leclanchego Napięcie stosunkowo mocna spada w trakcie zużycia

15 Ogniwa nieodwracalne rtęciowe, srebrowo-cynkowe, litowe Mają najczęściej kształt guzika, są używane w małych urządzeniach, jak na przykład zegarki. Najczęściej używane są srebrowo-cynkowe i litowe. Rtęciowe praktycznie wyszły z użycia ze względu na toksyczność rtęci. Są relatywnie drogie. Litowe charakteryzują się napięciem pracy około 3 V. Srebrowo-cynkowe charakteryzują się praktycznie stałym napięciem pracy wynoszącym około 1,6 V. Stałością napięcia charakteryzują się również ogniwa rtęciowe.

16 Ogniwa nieodwracalne cynkowo-powietrzne W ogniwie wykorzystuje się reakcję katalitycznego utleniania cynku tlenem atmosferycznym. Nominalne napięcie wynosi 1,4 V. Zamknięte fabrycznie ogniwo może być przechowywane do 4 lat. Po rozpakowaniu, musi być ono zużyte w ciągu 3-4 miesięcy. Gęstość energii w ogniwie jest bardzo wysoka, dwa razy wyższa niż w bateriach litowych. Pracuje w zakresie temperatur w zakresie od -20 do +60 stopni Celsjusza, ale możliwość poboru prądu zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury. Ma duży opór wewnętrzny, nadaje się jedynie do urządzeń o małym poborze prądu.

17 Wybrane ogniwa odwracalne

18 Ogniwa odwracalne Ogniwo kwasowo-ołowiowe anoda katoda W trakcie ładowania reakcje biegną w stronę przeciwną.

19 Ogniwo kwasowo-ołowiowe To pierwszy i jak dotychczas jeden z najpopularniejszych rodzajów akumulatora. Są powszechnie używane w samochodach, przemyśle, układach UPS itp. Najczęściej akumulatory ołowiowe są ekonomicznym rozwiązaniem, ponieważ koszt jednej Ah, szczególnie dla większych akumulatorów, jest zdecydowanie najniższy. Charakterystyczna dla tego typu akumulatorów jest duża odporność na skrajne warunki zewnętrzne. Znosi dużą liczbę cykli ładowania i rozładowania. Ma mały opór wewnętrzny, znosi rozładowanie bardzo dużym prądem. Napięcie pojedynczego ogniwa wynosi około 2 V.

20 Ogniwa odwracalne Ogniwa niklowo-kadmowe Produkowane masowo od lat 60 XX w. Niegdyś bardzo popularne, obecnie w sprzęcie powszechnego użytku straciły na znaczeniu ze względu na toksyczność kadmu. Sukces wielu urządzeń miniaturowych jest związany z wykorzystaniem akumulatorów niklowo kadmowych i ich dynamicznym rozwojem. Akumulatory te charakteryzują się dużą trwałością, niezłą gęstością zgromadzonej energii, możliwością poborów dużych prądów, długim czasem życia i dużą liczbą cykli ładowania i rozładowania. Ogniwo zbudowane jest z elektrody ujemnej z kadmu i dodatniej z niklu. Elektrolitem jest wodny roztwór wodorotlenku potasu. Napięcie pracy wynosi około 1,2V.

21 Ogniwo kwasowo-ołowiowe Ładowanie Akumulator ołowiowy przeważnie ładuje się stałym napięciem, ze zmieniającą się wartością prądu. Ogniwa łączy się najczęściej w baterie, składające się z 3, 6 lub 12 ogniw. Jeżeli akumulator używany jest do pracy cyklicznej, tj. ładowanie i rozładowanie odbywa się na przemian, napięcie ładowania powinno wynosić 2,40-2,50 V/ogniwo, co oznacza 14,4-15,0 V dla akumulatora 12 V. Często używa się akumulatorów ołowiowych jako źródła zasilania awaryjnego. Są stale ładowane, by były w pełni sprawne w sytuacjach alarmowych. Jest to tzw. praca buforowa. Napięcie ładowania powinno wynosić wtedy 2,25-2,30 V/ogniwo (czyli 13,5-13,8 V dla akumulatora 12 V).

22 Ogniwo niklowo-kadmowe Akumulatory niklowo-kadmowe ładuje się zwykle stałym prądem. Przyjmuje się, że energia doprowadzona wynosi 140% energii następnie odzyskiwanej, tzn. że współczynnik ładowania równy jest 1,4. Typowy prąd ładowania akumulatora NiCd wynosi 0,1 jego pojemności. Napięcie ogniwa w trakcie ładowania stopniowo rośnie, dochodząc do 1,45 1,5 V w końcowym etapie. Akumulatory niklowo - kadmowe mają możliwość przyjęcia dużego ładunku w krótkim czasie, ale wymaga to ścisłej kontroli procesu ładowania (konieczna jest kontrola temperatury ogniwa).

23 Ogniwo niklowo-kadmowe Posiadają stosunkowo szeroki zakres temperatury pracy. Ogniwo NiCd znosi dobrze duże pobory prądu i całkowite rozładowanie (co jest cechą wyjątkową wśród akumulatorów). Ogniwo NiCd charakteryzuje się stosunkowo stałym napięciem (1,2 V) w czasie rozładowywania. Za napięcie końcowe przyjmuje się wartość 1,0 V. Wadą akumulatorów niklowo - kadmowych jest prąd samorozładowania, tracą nawet do około 1% pojemności na dobę (co należy do średnich wśród akumulatorów).

24 Ogniwa odwracalne Ogniwo Ni-MH Elektroda ujemna: wodorki metali, takich jak AB2 (A=tytan I/lub wanad, B= cyrkon lub nikiel) modyfikowane chromem, kobaltem itp. Dokładne składy są tajemnicą producentów. Elektroda dodatnia: wodorotlenek niklu. Electrolit: wodorotlenek potasu (KOH) Nie zawierają materiałów o dużej toksyczności, są niepalne. Obecnie w wielu zastosowaniach zastępują akumulatory Ni-Cd, szczególnie w sprzęcie powszechnego użytku. Mają nieco większą gęstość energii, ale wymagają dużo precyzyjniejszej kontroli procesu ładowania.

25 Ogniwa odwracalne Ogniwo Ni-MH Charakteryzuje je stosunkowo duże samorozładowanie. Specjalne konstrukcje o zmniejszonym samorozładowaniu mają nieco gorsze inne parametry (pojemność i opór wewnętrzny), ale w ostatnich latach zdobyły bardzo dużą popularność. Akumulatory NiMH nie pozwalają też na pobór zbyt dużego prądu rozładowania. Takie warunki pracy zmniejszają ich trwałość. Źle znoszą zarówno przeładowanie jak i całkowite rozładowanie.

26 Ogniwa odwracalne Ogniwo Ni-Zn Elektroda dodatnia: NiO(OH) ujemna: Zn, elektrolit KOH. Znane już od dawna, wynalazł je już Edison w 1901 roku. Ogniwa AA wprowadzone na rynek w 2009 roku stosują jednak wiele nowych technologii. Gęstość energii akumulatorów o 1/3 wyższa niż NiCd. Mały opór wewnętrzny, duże dopuszczalne prądy rozładowania. Żywotność porównywalna z akumulatorami NiCd, ale z cyklami ładowania/rozładowania rośnie samorozładowanie (które i bez tego jest dosyć duże). Tanie, nietoksyczne, niepalne, brak deficytowych metali. Płaska charakterystyka rozładowania, napięcie średnie około 1,6-1,7V Dla utrzymania dobrych parametrów potrzebny dość precyzyjny proces ładowania.

27 Ogniwa odwracalne Ogniwo Ni-Fe Elektroda dodatnia: NiO(OH) ujemna: Fe, elektrolit KOH. Ogniwo bardzo odporne, wytrzymuje przeładowania, kompletne rozładowania i zwarcia. Bardzo trwałe, nawet przy złym traktowaniu Nie zawiera mocno toksycznych materiałów Wady: Mała energia na jednostkę masy. Dość wysoki koszt produkcji (skomplikowana konstrukcja elektrod). Duże samorozładowanie. Stosunkowo małe prądy ładowania i rozładowania.

28 Ogniwa odwracalne Ogniwo litowo-jonowe Elektroda dodatnia: mieszany tlenek litowy z metalem przejściowym (LiCoO2 lub LiMn2O4 Elektroda ujemna: zwykle grafit (C6) Elektrolit: stała sól litu z rozpuszczalnikiem organicznym. Wymagają bardzo precyzyjnej kontroli procesu ładowania (używanie dedykowanej ładowarki). Napięcie wynosi ponad 3 V i znacząco zmienia się podczas rozładowania.

29 Ogniwa odwracalne Ogniwo litowo-jonowe

30 Ogniwa odwracalne efekt pamięci Efekt pamięci przypisywany powszechnie różnym ogniwom odwracalnym jest w dużej mierze zjawiskiem mitycznym. Efekt pamięci faktycznie istnieje, ale dotyczy raczej tylko starych modeli ogniw niklowo-kadmowych (NiCd). W XX wieku były najbardziej rozpowszechnionym typem akumulatorów a to właśnie w ich przypadku daje się zaobserwować efekt pamięci. Na znacznie mniejszą skalę występuje w nowszym typie baterii niklowo-wodorkowych (NiMH). W innych rodzajach ogniw nie występuje wcale.

31 Ogniwa odwracalne efekt pamięci Podczas częściowego rozładowania wytwarzają się na anodzie duże kryształy. Powodują one zmniejszenie się czynnej powierzchni anody utrudniając dostęp elektrolitu. Wbrew powszechnej opinii efekt pamięci nie powoduje trwałego zmniejszenia się pojemności ogniwa, ale spadek napięcia przed osiągnięciem całkowitego rozładowania.

32 Ogniwa odwracalne efekt pamięci Efekt pamięci w ogniwach niklowo-kadmowych (NiCd) można zwykle usunąć przez ich prawie całkowite rozładowanie i naładowanie (niekiedy trzeba uczynić to kilkukrotnie). Inne rodzaje ogniw często nie tolerują takiego postępowania. W większości współczesnych ogniw odwracalnych całkowite ich rozładowanie powoduje duży spadek pojemności, a nawet zniszczenie. Również zbyt długie ładowanie jest niekorzystne, a często może spowodować rozerwanie ogniwa (wydzielają się gazy na skutek elektrolizy elektrolitu) lub nawet zapłon (ogniwa LiPoly). Współczesne baterie ogniw odwracalnych i urządzenia ładujące posiadają często układy elektroniczne zabezpieczające zarówno przed kompletnym rozładowaniem, jak i przed przeładowaniem.

33

34