Akumulatory elektryczne – budowa, rodzaje, parametry i zastosowanie w przemyśle
,
Wprowadzenie
Akumulatory elektryczne to jedne z najważniejszych wynalazków w historii techniki, bez których trudno wyobrazić sobie współczesną cywilizację. Zasilają telefony, komputery, samochody elektryczne, a także systemy energetyczne i urządzenia medyczne. Ich konstrukcja i właściwości ewoluowały przez ponad 200 lat, prowadząc do powstania dzisiejszych nowoczesnych technologii litowo-jonowych i eksperymentalnych półprzewodnikowych.
Geneza akumulatorów
Początki akumulatorów sięgają przełomu XVIII i XIX wieku, kiedy Alessandro Volta zbudował pierwszy stos Volty – urządzenie składające się z krążków miedzi i cynku oddzielonych nasączonym elektrolitem materiałem. Było to pierwsze ogniwo zdolne do wytwarzania napięcia elektrycznego. W 1859 roku Gaston Planté opracował pierwszy akumulator kwasowo-ołowiowy, który można było wielokrotnie ładować. Przez następne dekady pojawiały się kolejne typy: niklowo-kadmowe, niklowo-metalowo-wodorkowe, aż po rewolucję litowo-jonową końca XX wieku. Obecnie badania koncentrują się na akumulatorach półprzewodnikowych i organicznych.
Jak zbudowane są akumulatory elektryczne?
Każdy akumulator – niezależnie od typu – składa się z kilku podstawowych elementów:
Elektroda dodatnia (anoda podczas ładowania) – najczęściej wykonana z tlenków metali (np. litowo-kobaltowego, litowo-żelazowego).
Elektroda ujemna (katoda podczas ładowania) – zwykle wykonana z grafitu lub ołowiu.
Separator: cienka membrana z polietylenu, polipropylenu, włókien szklanych lub ceramiki. Oddziela elektrody i zapobiega zwarciom, przepuszczając jedynie jony.
Elektrolit: przewodzi jony między elektrodami. Może być płynny (kwas siarkowy w Pb-ołowiowych, KOH w Ni-Cd, sole litu w rozpuszczalnikach organicznych w Li-Ion), żelowy (akumulatory żelowe) lub polimerowy (Li-Po).
Obudowa: chroni wnętrze akumulatora. Wykonana jest z polipropylenu, ebonitu, aluminium, stali lub folii kompozytowych. Dodatkowo często zawiera zawory bezpieczeństwa i układy elektroniczne BMS (Battery Management System).
* Wyobrażając sobie przekrój akumulatora, zobaczymy na przemian ułożone płytki dodatnie i ujemne, oddzielone cienką warstwą separatora i zanurzone w elektrolit. Całość zamknięta jest w szczelnej obudowie, która chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi i wyciekiem substancji chemicznych.
Jak działają akumulatory?
Aby lepiej zrozumieć pracę akumulatora, trzeba przyjrzeć się procesom chemicznym i elektrochemicznym, które w nim zachodzą.
Proces ładowania
Podczas ładowania do akumulatora doprowadzany jest prąd z zewnętrznego źródła (np. prostownika, alternatora w samochodzie czy ładowarki). Jony elektrolitu zaczynają przemieszczać się w kierunku elektrody, gdzie gromadzi się energia chemiczna. Innymi słowy – energia elektryczna zostaje zamieniona na energię chemiczną.
Proces rozładowania
Kiedy akumulator jest podłączony do odbiornika (np. silnika, lampy, telefonu), proces przebiega w odwrotną stronę. Zmagazynowana energia chemiczna zamienia się w energię elektryczną. Elektrony przepływają przez obwód, zasilając urządzenie, a jony wędrują przez elektrolit w stronę przeciwną niż w czasie ładowania.
Wizualizacja słowna akumulatora krok po kroku
Wyobraźmy sobie akumulator jako prostokątne pudełko. W jego wnętrzu znajdują się na przemian ułożone płytki – jedna dodatnia, druga ujemna. Oddziela je cienka membrana, czyli separator. Całość zanurzona jest w specjalnym płynie przewodzącym jony (elektrolit). Gdy akumulator się ładuje, jony przemieszczają się od jednej płytki do drugiej. Podczas rozładowania ten proces działa odwrotnie – i właśnie to generuje prąd, z którego korzystamy.
Parametry akumulatorów
Najważniejsze cechy techniczne akumulatorów to:
Pojemność (Ah) – ilość zgromadzonej energii, np. akumulator 60 Ah może oddawać prąd 6 A przez 10 godzin.
Napięcie (V) – standardowo 12 V w motoryzacji, 3,6–7,2 V w elektronice przenośnej.
Rezystancja wewnętrzna – wpływa na zdolność do oddawania prądu i nagrzewanie.
Trwałość cykliczna – Określa, ile pełnych cykli ładowania i rozładowania wytrzyma akumulator, zanim jego pojemność spadnie np. do 80% wartości początkowej. Dobre akumulatory litowo-jonowe mogą osiągać 1000–3000 cykli.
Gęstość energii – ilość energii w stosunku do masy (Wh/kg) lub objętości (Wh/l). Najwyższą osiągają ogniwa litowe.
Rodzaje akumulatorów – budowa, wady, zalety i zastosowanie
Zastosowanie: Przyszłościowe baterie do samochodów elektrycznych, lotnictwa i elektroniki.
Podsumowanie
Akumulatory elektryczne to fundament nowoczesnej technologii. Od prostych ogniw Volty, przez ciężkie ołowiowe akumulatory, aż po lekkie i wydajne ogniwa litowo-jonowe – ich rozwój odzwierciedla postęp cywilizacyjny. Dzięki nim możemy korzystać z mobilnej elektroniki, samochodów elektrycznych, a także stabilizować sieci energetyczne oparte na odnawialnych źródłach. Przyszłość akumulatorów wiąże się z technologiami półprzewodnikowymi, które zapewnią większą pojemność, bezpieczeństwo i przyjazność środowisku.
Chcesz w prosty sposób nauczyć się elektroniki?
Zapraszam Cię na „Kurs Elektroniki i Lutowania – Elektronik Kompletny, część 2”, w którym nauczysz się elektroniki w teorii oraz praktyce. To idealna okazja, by zrozumieć, jak elektronika działa od środka – praktycznie i bez stresu. Całość odbywa się na moim kanale YouTube!
