Курсова робота: Нікель-металогідридні акумулятори, BestReferat.

16.07.2016

Курсова робота: Нікель-металогідридні акумулятори

Тип: курсова робота Доданий 22:29:02 22 грудня 2009 Схожі роботи

Переглядів: 4622 Коментарів: 3 Оцінило: 1 людина Середній бал: 5 Оцінка: невідомо Завантажити

Федеральне агентство за освітою

Державна освітня установа вищої професійної освіти

«ТОМСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

Електротехнічний інститут

1. Термінологія

2. Акумулятори: види та походження

3. Нікель-металогідридні акумулятори

4. Основні процеси Ni-MH акумуляторів

9. Достоїнства і недоліки Ni-MH акумуляторів

10. Стандарти і позначення НМ-акумуляторів

11. Зберігання та експлуатація Ni-MH акумуляторів

12. Виробники і перспективність НМ-акумуляторів

13. Утилізація

Висновок

Список використаних джерел

Вступ

Практично неможливо уявити сучасний світ без усякого роду електронної техніки. Цифрові технології настільки вдало вписалися в наше життя, зробивши її зручніше і цікавіше, що відмовитися від них ми вже просто не в силах.

Однак не варто забувати, що для роботи мобільних пристроїв потрібні портативні джерела живлення, які змогли б забезпечити все більш зростаючі потреби сучасної електроніки. Ми отримали WiFi і Bluetooth, звільнившись від проводів для передачі даних, але ми все ще залишаємося прив’язаними до електричних мереж.

Прикладна наука, однак, не стоїть на місці, пропонуючи все нові і нові види джерел електроенергії. З іншого боку все ж дивно, що при наявності такого числа нових технологій, у нас все ще «вмирають» батарейки телефонів, смартфонів, КПК і інших гаджетів. Відбувається це тому, що люди замислюються над правильним поводженням з акумулятором виключно тоді, коли він остаточно вийшов з ладу і його зі спокійною душею можна здати в утиль. При цьому слід розуміти, що заміна акумулятора може влетіти в копієчку. Не сперечаємося, мало кому подобається суворо дотримуватися правил експлуатації, але, на жаль, тільки таким чином довговічність акумулятора може бути доведена до максимуму.

На сьогоднішній день поширені акумулятори п’яти різних схем електрохімічних нікель-кадмієві (Ni-Cd), нікель-металогідридні (Ni-MH), свинцево-кислотні (Sealed Lead Acid, SLA), літій-іонні (Li-Ion) і літій-полімерні (Li-Pol). Визначальним фактором для всіх перерахованих елементів живлення є не тільки портативність (тобто невеликий обсяг і вага), але і висока надійність, а також великий час роботи. Основні параметри акумулятора — це енергетична щільність (або питома енергія по масі), кількість циклів заряд/розряд, швидкості зарядки і саморозряду. Свинцево-кислотний акумулятор складається, як правило, з двох пластин (електродів), поміщених в електроліт (водний розчин сірчаної кислоти). У нікелево-кадмієвого елемента негативні й позитивні пластини скатаны разом і поміщений в металевий циліндр. Позитивна пластина складається з гідроксиду нікелю, а негативна — з гідроксиду кадмію. Дві пластини ізольовані роздільником, який зволожений електролітом.

Нікелево-металогідридний перезаряджуваний елемент живлення конструктивно схожий на нікелево-кадмиевый акумулятор, але має інший хімічний склад електроліту і електродів. В літієво-іонному акумуляторі електроди і сепаратор (роздільник) поміщені в електроліт з літієвої солі.

Існує величезна кількість міфів і легенд про нібито ідеальному режимі експлуатації, про способи «тренування», зберігання, методи і режими зарядки і відновлення акумуляторів, але давайте спробуємо розібратися.

1.Термінологія

Акумулятор (від лат. аccumulator — збирач, accumulo — збираю, нагромаджую) — пристрій для накопичення енергії з метою її подальшого використання. Електричний акумулятор перетворює електричну енергію в хімічну і в міру потреби забезпечує зворотне перетворення. Зарядка акумулятора відбувається шляхом пропускання через нього електричного струму. В результаті викликаних хімічних реакцій один з електродів здобуває позитивний заряд, а інший — негативний.

Акумулятор, як електричний прилад, характеризується наступними основними параметрами: електрохімічної системою, напругою, електричною ємністю, внутрішнім опором, струмом саморозряду і терміном служби.

Ємність акумулятора — кількість енергії, якою повинен володіти повністю заряджений акумулятор. В практичних розрахунках ємність прийнято виражати ампер-годинах (
). Кількість ампер-годин показує період часу, протягом якого буде працювати даний акумулятор при силі струму в 1 ампер. Варто, правда, додати, що в сучасних мобільних пристроях використовуються струми значно меншої сили, тому ємність акумуляторів часто вимірюється в міліампер-годинах (
або
, або mAh). Номінальна ємність (як повинно бути) завжди вказується на самому акумуляторі або на його упаковці. Однак реальна ємність не завжди збігається з номінальною. На практиці, реальна ємність акумулятора коливається в межах від 80% до 110% від номінального значення.

Питома ємність — відношення ємності акумулятора до його габаритам або масі.

Цикл — одна послідовність заряду і розряду акумулятора.

Ефект пам’яті — втрата ємності акумулятора в процесі його експлуатації. Вона виявляється в тенденції акумулятора пристосовуватися до робочого циклу, по якому батарея працювала певний період часу. Іншими словами, якщо заряджати акумулятор кілька разів, не розрядивши його перед цим повністю, він як би «запам’ятовує» свій стан і наступного разу просто не зможе повністю розрядитися, отже, ємність його зменшується. У міру збільшення числа зарядно-розрядних циклів ефект пам’яті виявляється все виразніше.

При таких умовах експлуатації усередині акумулятора відбувається збільшення кристалів на пластині (про будову акумуляторів буде розказано нижче), які зменшують поверхню електрода. При дрібних кристалічних утвореннях внутрішнього робочого речовини площа поверхні кристалів максимальна, отже, максимально і кількість енергії, що запасається акумулятором. При укрупненні кристалічних утворень в процесі експлуатації — площа поверхні електрода зменшується і, як наслідок, зменшується реальна ємність.

На малюнку 1 зображено дію ефекту пам’яті.

Малюнок 1 – Ефект пам’яті.

Саморозряд — мимовільна втрата акумулятором запасеної енергії з плином часу. Це явище викликане окислювально-відновними процесами, що протікають мимовільно, і притаманне всім типів акумуляторів, незалежно від їх електрохімічної системи. Для кількісної оцінки використовується величина саморозряду втраченої акумулятором за певний час енергії, виражена у відсотках від значення, отриманого відразу після заряду. Саморозряд найбільший у перші 24 години після заряду, тому оцінюється як за добу, так і за перший місяць після заряду. Величина саморозряду акумулятора в значній мірі залежить від температури навколишнього середовища. Так, при підвищенні температури вище 100°С саморозряд може збільшитися в два рази.

2. Акумулятори: види та походження

Лідируюче положення на ринку по виробництву акумуляторів займає Японія, Тайвань, Китай, Південна Корея, і вони постійно збільшують масштаби своєї «скромного» присутності на світовому ринку.

На ринку сьогодні присутні десятки різних конструкцій акумуляторів, і кожна фірма-виробник намагається досягти оптимального поєднання характеристик — високої ємності, малих розмірів і ваги, працездатності в широкому температурному діапазоні і в екстремальних умовах.

У той же час дослідження показують, що понад 65% користувачів мобільного та портативної техніки хочуть мати ще більш ємкі акумулятори, і вони готові заплатити чималі гроші за можливість користуватися «машинкою» (або телефоном) протягом декількох днів без підзарядки. Саме тому в більшості випадків, потрібно покупка більш ємною батареї, що йде в комплекті.

По електрохімічній системі акумулятори поділяються на кілька видів:

— свинцево-кислотні (Sealed Lead Acid, SLA);

— нікель-кадмієві (Ni-Cd);

— нікель-металогідридні (Ni-MH);

— літій-іонні (Li-Ion);

— літій-полімерні (Li-Pol);

— паливні.

У сучасній портативній електроніці свинцеві акумулятори вже не використовуються, тому ми почнемо наш екскурс з нікелевих батарей, все ще застосовуються в акумуляторах для фотоапаратів, ноутбуків, відеокамер та інших пристроїв.

Родоначальником нікелевих акумуляторів були нікель-кадмієві (Ni-Cd) батареї, винайдені ще в далекому 1899 році шведським вченим Вальдемаром Юнгнером (Waldmar Jungner). Принцип їх роботи полягав у тому, що нікель виступає в якості позитивного електрода (катода), а кадмій в якості негативного (анода). На перших порах це був відкритий акумулятор, в якому кисень, що виділяється під час заряду, йшов прямо в атмосферу, що заважало створення герметичного корпусу і, разом з дорожнечею необхідних матеріалів, помітно пригальмувало початок масового виробництва.

C 1932 року робилися спроби відновити експерименти. В той час була запропонована ідея введення всередину пористого пластинчастого нікелевого електрода з активних металів, які забезпечили б краще рух зарядів і значно знизили б вартість виробництва акумуляторів.

Але тільки після другої світової війни (1947 році) розробники дійшли майже сучасною схемою герметичних Ni-Cd акумуляторів. При такій конструкції внутрішні гази, що виділяються під час заряду поглиналися не прореагованою частиною катода, а не випускалися назовні, як у попередніх варіантах.

Якщо з якихось причин (перевищення зарядного струму, зниження температури) швидкість анодного освіти кисню виявиться вище швидкості його катодного іонізації, то різке підвищення внутрішнього тиску може призвести до вибуху акумулятора. Для запобігання цього корпус батареї виготовляється із сталі, а іноді навіть є запобіжний клапан.

З тих пір конструкція Ni-Cd батареї суттєвих змін не зазнала (малюнок 2).

Малюнок 2 — Будову Ni-Cd акумулятора

Основу будь-якого акумулятора складають додатній і від’ємний електроди. В даній схемі позитивний електрод (катод) містить гідроксид нікелю NiOOH з графітовим порошком (5-8%), а негативний (анод) — металевий кадмій Cd у вигляді порошку.

Акумулятори цього типу часто називають рулонними, так як електроди скатаны в циліндр (рулон) разом з поділяють шаром, поміщені в металевий корпус і залиті електролітом. Роздільник (сепаратор), зволожений електролітом, ізолює пластини один від одного. Він виготовляється з нетканого матеріалу, який повинен бути стійкий до впливу лугу. Електролітом найчастіше виступає гідрооксид калію KOH з добавкою гідроксиду літію LiOH, що сприяє утворенню никелатов літію і збільшення ємності на 20%.

Малюнок 3 — Напруга на акумуляторі під час заряду або розряду, в залежності від поточного рівня заряду.

Під час розрядки активні нікель і кобальт трансформуються в гидрооксиды Ni(OH)2, Cd(OH)2.

До основних переваг Ni-Cd акумуляторів відносяться:

— низька вартість;

— робота в широкому температурному діапазоні і стійкість до перепадів (наприклад, Ni-Cd акумулятори можуть заряджатися при негативній температурі, що робить їх незамінними при роботі в умовах крайньої півночі);

— вони можуть віддавати в навантаження значно більший струм, ніж інші види акумуляторів;

— стійкість до великих струмів заряду і розряду;

— відносно короткий час заряду;

— велика кількість циклів заряду-розряду» (при правильній експлуатації вони витримують більше 1000 циклів);

— легко відновлюються після тривалого зберігання.

Недоліки Ni-Cd акумуляторів:

— наявність ефекту пам’яті — якщо регулярно ставити не до кінця розряджений акумулятор на зарядку, його ємність буде знижуватися за рахунок росту кристалів на поверхні пластин та інших фізико-хімічних процесів. Щоб акумулятор не віддав кінці» раніше часу, хоча б раз на місяць його необхідно «тренувати», про що сказано трохи нижче;

— кадмій — дуже токсична речовина, тому виробництво Ni-Cd акумуляторів погано позначається на екології. Також виникають проблеми з переробкою та утилізацією самих акумуляторів.

— низька питома ємність;

— велика вага і габарити в порівнянні з іншими типами акумуляторів при однаковою ємності;

— високий саморозряд (після заряду за перші 24 години роботи втрачають до 10%, а за місяць — до 20% запасеної енергії).

Малюнок 4 — Саморозряд Ni-Cd акумуляторів

В даний час число випускаються Ni-Cd акумуляторів стрімко скорочується, їм на зміну прийшли, зокрема, Ni-MH батареї.

3. Нікель-металогідридні акумулятори

протягом кількох десятиліть нікель-кадмієві акумулятори використовувалися досить широко, але висока токсичність виробництва змушувала шукати альтернативні технології. В результаті були створені нікель-металогідридні батареї, вироблені і по сьогоднішній день.

Незважаючи на те, що роботи над створенням Ni-MH акумуляторів почалися ще в 1970-ті роки, стійкі металогідридні сполуки, здатні пов’язувати великі об’єми водню, були знайдені лише через десять років.

Перший Ni-MH акумулятор, в якому в якості основного активного матеріалу металлогидридного електрода застосовувався сплав LaNi5, був запатентований Виллом в 1975 р. У ранніх експериментах з металогідридними сплавами, нікель-металогідридні акумулятори працювали нестабільно, і необхідної ємності батарей досягти не виходило. Тому промислове використання Ni-MH акумуляторів почалося тільки в середині 80-х років після створення сплаву La-Ni-Co, що дозволяє електрохімічно оборотно абсорбувати водень на протязі більше 100 циклів. З тих пір конструкція Ni-MH акумуляторних батарей безперервно удосконалювалася в бік збільшення їх енергетичної щільності.

Нікель-металогідридні акумулятори по своїй конструкції є аналогами нікель-кадмієвих акумуляторів, а з електрохімічних процесів – нікель-водневих акумуляторів. Питома енергія Ni-MH-акумулятора значно вище питомої енергії Ni-Cd і Ni-Н2-акумуляторів (таблиця 1).

Короткий опис статті: ni cd акумулятори Акумулятори, їх поняття, види і походження. Основні процеси, конструкція електродів, зарядка, переваги, недоліки, стандарти, позначення, зберігання, експлуатація, виробники, перспективність та утилізація нікель-металогідридних акумуляторів. курсова робота: нікель-металогідридні акумулятори bestreferat шпаргалки

Джерело: Курсова робота: Нікель-металогідридні акумулятори — BestReferat.ru

Також ви можете прочитати