Zdroje proudu – akumulátory II Střední odborná škola Otrokovice Zdroje proudu – akumulátory II Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je ing. František Kocián Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz
Charakteristika DUM Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice Číslo 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 akumulátoru Datum 15. 10. 2012
Zdroje proudu – akumulátory II Náplň výuky Konstrukce alkalických akumulátorů Nikl - Kadmiové (NI-CD) Nádoba Desky Separátory Elektrolyt Chemické procesy akumulátorů (nabíjení, vybíjení) Výhody, nevýhody alkalických akumulátorů Konstrukce metalhydridových akumulátorů Metalhydridové (NiMH, NiMeH) Výhody, nevýhody metalhydridových akumulátorů
Konstrukce akumulátoru 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. Dělíme na: desky separátory nádoba zátky plnících otvorů víko pólové vývody výhody nevýhody 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 při při 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 reakcí Pro kadmium NiO + CdO → NiO2 + Cd Pro železo NiO + FeO → NiO2 + Fe Při vybíjení Pro kadmium Ni2O3 + Cd → 2NiO + CdO Pro 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 - 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.
metalhydridových akumulátorů Výhody a nevýhody metalhydridových akumulátorů 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.
Kontrolní otázky: Z jakého materiálu jsou vyrobeny elektrody NI-CD? Silně niklovaného ocelového plechu Hliníku Mědi Jaký je elektrolyt se používá u NI-CD? a) kyselina + voda hydroxid draselný voda + soda Jaké napětí má jednotlivý článek NiMH? 1,5 V 1,2 V 3 V
Kontrolní otázky – řešení: Z jakého materiálu jsou vyrobeny elektrody NI-CD? Silně niklovaného ocelového plechu Hliníku Mědi Jaký je elektrolyt se používá u NI-CD? a) kyselina + voda hydroxid draselný voda + soda Jaké napětí má jednotlivý článek NiMH? 1,5 V 1,2 V 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