Olika typer av batterier och deras applikationer

Ett batteri är en samling av en eller flera celler som går under kemiska reaktioner för att skapa flödet av elektroner i en krets. Det pågår mycket forskning och framsteg inom batteriteknik, och som ett resultat upplevs och används banbrytande teknologier runt om i världen för närvarande. Batterier kom till spel på grund av behovet av att lagra genererad elektrisk energi. Så mycket som en bra mängd energi genererades var det viktigt att lagra energin så att den kan användas när produktionen är nere eller när det finns behov av att driva fristående enheter som inte kan hållas bundna till elnätet. Här bör det noteras att endast DC kan lagras i batterierna, växelström kan inte lagras.

Battericeller består vanligtvis av tre huvudkomponenter;

Anoden (negativ elektrod)
Katoden (positiv elektrod)
Elektrolyterna

Anoden är en negativ elektrod som producerar elektroner till den externa kretsen som batteriet är anslutet till. När batterier ansluts initieras en elektronuppbyggnad vid anoden som orsakar en potentialskillnad mellan de två elektroderna. Elektronerna försöker naturligtvis sedan fördela sig själva, detta förhindras av elektrolyten, så när en elektrisk krets är ansluten ger den en tydlig väg för elektronerna att röra sig från anoden till katoden och därigenom driva kretsen till vilken den är ansluten. Genom att ändra arrangemang och material som används för att bygga anoden, katoden och elektrolyten kan vi uppnå många olika typer av batterikemikalier som gör det möjligt för oss att designa olika typer av battericeller. I den här artikeln kan vi förstå de olika typerna av batterier och deras användning, så låt oss komma igång.

Typer av batterier

Batterier kan i allmänhet klassificeras i olika kategorier och typer, allt från kemisk sammansättning, storlek, formfaktor och användningsfall, men under alla dessa är två huvudsakliga batterityper;

Primära batterier
Sekundära batterier

Låt oss ta en djupare titt för att förstå de stora skillnaderna mellan en Primacy-cell och Secondary Cell.

1. Primära batterier

Primära batterier är batterier som inte kan laddas när de är urladdade. Primära batterier är gjorda av elektrokemiska celler vars elektrokemiska reaktion inte kan vändas.

Primära batterier finns i olika former, allt från myntceller till AA-batterier. De används ofta i fristående applikationer där laddning är opraktiskt eller omöjligt. Ett bra exempel på detta är militära anordningar och batteridriven utrustning. Det kommer att vara opraktiskt att använda uppladdningsbara batterier eftersom laddning av ett batteri kommer att vara det sista som soldaten tänker på. Primära batterier har alltid hög specifik energi och systemen i vilka de används är alltid utformade för att förbruka låg mängd ström så att batteriet håller så länge som möjligt.

Några andra exempel på enheter som använder primära batterier inkluderar; Tempotillverkare, djurspårare, armbandsur, fjärrkontroller och barnleksaker för att nämna några.

Den mest populära typen av primära batterier är alkaliska batterier. De har hög specifik energi och är miljövänliga, kostnadseffektiva och läcker inte ut även när de är helt urladdade. De kan lagras i flera år, ha god säkerhetsrekord och kan bäras på ett flygplan utan att omfattas av FN: s transport och andra föreskrifter. Den enda nackdelen med alkaliska batterier är den låga belastningsströmmen, som begränsar användningen till enheter med låga strömkrav som fjärrkontroller, ficklampor och bärbara underhållningsenheter.

2. Sekundära batterier

Sekundära batterier är batterier med elektrokemiska celler vars kemiska reaktioner kan vändas genom att en viss spänning appliceras på batteriet i omvänd riktning. Även kallad uppladdningsbara batterier kan sekundära celler till skillnad från primära celler laddas efter att energin på batteriet har förbrukats.

De används vanligtvis i applikationer med hög avlopp och andra scenarier där det blir antingen för dyrt eller opraktiskt att använda enladdade batterier. Sekundära batterier med liten kapacitet används för att driva bärbara elektroniska enheter som mobiltelefoner och andra prylar och apparater medan tunga batterier används för att driva olika elfordon och andra applikationer med hög avlopp som belastningsnivå vid elproduktion. De används också som fristående kraftkällor tillsammans med växelriktare för att leverera el. Även om den initiala kostnaden för att skaffa uppladdningsbara batterier alltid är mycket högre än för primära batterier, men de är de mest kostnadseffektiva på lång sikt.

Sekundära batterier kan klassificeras ytterligare i flera andra typer baserat på deras kemi . Detta är mycket viktigt eftersom kemin bestämmer några av attributen för batteriet inklusive dess specifika energi, livslängd, hållbarhet och pris för att nämna några.

Följande är de olika typerna av uppladdningsbara batterier som vanligtvis används.

Litiumjon (Li-jon)
Nickelkadmium (Ni-Cd)
Nickelmetallhydrid (Ni-MH)
Bly-syra

1. Nickel-kadmiumbatterier

Nickel-kadmiumbatteriet (NiCd-batteri eller NiCad-batteri) är en typ av uppladdningsbart batteri som utvecklas med hjälp av nickeloxidhydroxid och metallkadmium som elektroder. Ni-Cd-batterier utmärker sig när de håller spänningen och håller laddningen när de inte används. NI-Cd-batterier blir emellertid lätt offer för den fruktade "minneseffekten" när ett delvis laddat batteri laddas, vilket sänker batteriets framtida kapacitet.

Jämfört med andra typer av uppladdningsbara celler erbjuder Ni-Cd-batterier god livscykel och prestanda vid låga temperaturer med en rättvis kapacitet, men deras mest betydande fördel är deras förmåga att leverera sin fulla kapacitet vid höga urladdningshastigheter. De finns i olika storlekar inklusive de storlekar som används för alkaliska batterier, AAA till D. Ni-Cd-celler används individuellt eller monteras i förpackningar med två eller flera celler. De små förpackningarna används i bärbara enheter, elektronik och leksaker medan de större kan användas i startbatterier, elbilar och standby-strömförsörjning.

Några av egenskaperna hos nickel-kadmiumbatterier listas nedan.

Specifik energi: 40-60W-h / kg
Energitäthet: 50-150 Wh / L
Specifik effekt: 150W / kg
Laddnings- / urladdningseffektivitet: 70-90%
Självutsläpp: 10% / månad
Cykelns hållbarhet / livslängd: 2000 cyklar

2. Nickelmetallhydridbatterier

Nickelmetallhydrid (Ni-MH) är en annan typ av kemisk konfiguration som används för uppladdningsbara batterier. Den kemiska reaktionen vid den positiva elektroden hos batterier liknar den för nickel-kadmiumcellen (NiCd), med båda batterityperna som använder samma nickeloxidhydroxid (NiOOH). De negativa elektroderna i nickelmetallhydrid använder dock en väteabsorberande legering istället för kadmium som används i NiCd-batterier

NiMH-batterier kan användas i enheter med hög avlopp på grund av sin höga kapacitet och energitäthet. Ett NiMH-batteri kan ha två till tre gånger så stor kapacitet som ett NiCd-batteri av samma storlek, och dess energitäthet kan närma sig ett litiumjonbatteri. Till skillnad från NiCd-kemin är batterier baserade på NiMH-kemi inte mottagliga för " minneseffekten " som NiCads upplever.

Nedan följer några av egenskaperna hos batterier baserade på Nickel-metallhydrid-kemin;

Specifik energi: 60-120h / kg
Energitäthet: 140-300 Wh / L
Specifik effekt: 250-1000 W / kg
Laddnings- / urladdningseffektivitet: 66% - 92%
Självutsläpp: 1,3-2,9% / månad vid 20 ^° C
Cykelns hållbarhet / livslängd: 180 -2000

3. Litiumjonbatterier

Litiumjonbatterier är en av de mest populära typerna av uppladdningsbara batterier. Det finns många olika typer av litiumbatterier, men bland alla litiumjonbatterier är de vanligaste. Du kan hitta dessa litiumbatterier som används i olika former populärt bland elfordon och andra bärbara prylar. Om du är nyfiken på att veta mer om batterier som används i elfordon, kan du kolla in den här artikeln om elbatterier. De finns i olika bärbara apparater inklusive mobiltelefoner, smarta enheter och flera andra batteriapparater som används hemma. De hittar också applikationer inom flyg- och militärapplikationer på grund av deras lätta karaktär.

Litiumjonbatterier är en typ av uppladdningsbart batteri där litiumjoner från den negativa elektroden migrerar till den positiva elektroden under urladdning och migrerar tillbaka till den negativa elektroden när batteriet laddas. Li-jonbatterier använder en interkalerad litiumförening som ett elektrodmaterial, jämfört med det metalliska litium som används i icke-uppladdningsbara litiumbatterier.

Litiumjonbatterier har i allmänhet hög energitäthet, liten eller ingen minneseffekt och låg självurladdning jämfört med andra batterityper. Deras kemi tillsammans med prestanda och kostnad varierar mellan olika användningsfall, till exempel är Li-ion-batterier som används i handhållna elektroniska enheter vanligtvis baserade på litiumkobaltoxid (LiCoO ₂) som ger hög energitäthet och låga säkerhetsrisker när de skadas medan Li-ion batterier baserade på litiumjärnfosfat som erbjuder lägre energitäthet är säkrare på grund av minskad sannolikhet för att olyckliga händelser inträffar används ofta för att driva elektriska verktyg och medicinsk utrustning. Litiumjonbatterier erbjuder det bästa förhållandet mellan prestanda och vikt och litiumsvavelbatteriet erbjuder det högsta förhållandet.

Några av attributen för litiumjonbatterier listas nedan;

Specifik energi: 100: 265W-h / kg
Energitäthet: 250: 693 Wh / L
Specifik effekt: 250: 340 W / kg
Laddnings- / urladdningsprocent: 80-90%
Cykelns hållbarhet: 400: 1200 cykler
Nominell cellspänning: NMC 3,6 / 3,85 V.

4. Blybatterier

Blybatterier är en lågprissäker arbetshäst som används i tunga applikationer. De är vanligtvis mycket stora och på grund av sin vikt används de alltid i icke-bärbara applikationer som solpanelens energilagring, fordonsantändning och lampor, reservkraft och belastningsutjämning vid kraftgenerering / distribution. Bly-syran är den äldsta typen av uppladdningsbart batteri och fortfarande mycket relevant och viktig i dagens värld. Bly-syrabatterier har mycket låga energi-till-volym- och energi-till-vikt-förhållanden men de har ett relativt stort förhållande mellan effekt och vikt och kan som ett resultat ge stora överspänningsströmmar vid behov. Dessa attribut tillsammans med dess låga kostnad gör dessa batterier attraktiva för användning i flera applikationer med hög ström, som att driva bilmotorer och för lagring i reservkrafttillförsel.Du kan också kolla in artikeln om blybatteri som fungerar om du vill veta mer om de olika typerna av blybatterier, dess konstruktion och applikationer.

Var och en av dessa batterier har sitt område som passar bäst och bilden nedan är att hjälpa till att välja mellan dem.

Välja rätt batteri för din applikation

Ett av huvudproblemen som hindrar teknikvarv som IoT är ström, batteriets livslängd påverkar den framgångsrika utplaceringen av enheter som kräver lång batteritid och även om flera energihanteringsmetoder används för att få batteriet att hålla längre måste ett kompatibelt batteri fortfarande väljas för att uppnå önskat resultat.

Nedan följer några faktorer att tänka på när du väljer rätt typ av batteri för ditt projekt.

1. Energitäthet: Energitätheten är den totala energimängden som kan lagras per enhet eller volym. Detta avgör hur länge enheten ska vara på innan den behöver laddas.

2. Effektdensitet: Maximal energihastighet per massa eller volym. Låg effekt: bärbar dator, i-pod. Hög effekt: elverktyg.

3. Säkerhet: Det är viktigt att ta hänsyn till temperaturen vid vilken enheten du bygger. Vid höga temperaturer kommer vissa batterikomponenter att gå sönder och kan genomgå exoterma reaktioner. Höga temperaturer minskar vanligtvis de flesta batteriernas prestanda.

4. Hållbarhet för livscykel: Stabiliteten hos ett batteris energitäthet och effekttäthet vid upprepad cykling (laddning och urladdning) behövs för den långa batteritid som krävs för de flesta applikationer.

5. Kostnad: Kostnad är en viktig del av alla tekniska beslut du fattar. Det är viktigt att kostnaden för ditt batterival står i proportion till dess prestanda och inte kommer att öka den totala kostnaden för projektet onormalt.