バッテリーの仕組みと仕組み

テクノロジーにおける最も広い意味での「バッテリー」という用語は、特定の動作条件下で特定の種類のエネルギーを蓄積し、他の場合にはそれを人間のニーズに合わせて使用​​できるようにする装置を指します。

一定時間エネルギーを収集し、それを使用して大規模な労働集約的なプロセスを実行する必要がある場合に使用されます。たとえば、閘門で使用される油圧アキュムレータにより、船は川底で新たなレベルに上昇することができます。

電池は同じ原理で電気を扱います。まず、外部充電源から電気を蓄積し、次に接続されている消費者に電力を与えて仕事をさせます。その性質上、それらは放電と充電の周期的なサイクルを繰り返し実行できる化学電流源に属します。

動作中、電極板の構成要素とその充填物質である電解質の間で化学反応が常に発生します。

バッテリー装置の概略図は、ワイヤを備えた異なる金属の 2 枚のプレートを容器の本体に挿入して電気接点を提供する場合の簡略化された図面で表すことができます。電解液がプレートの間に注がれます。

放電時のバッテリー動作

電球などの負荷が電極に接続されると、放電電流が流れる閉電気回路が形成されます。これは、金属部品内の電子と電解質内の陽イオンとの陰イオンの移動によって形成されます。

このプロセスは従来、ニッケルカドミウム電極設計の図で示されていました。

ここでは、導電性を高めるグラファイト添加剤を含む酸化ニッケルが正極の材料として使用されます。負極の金属は海綿状のカドミウムです。

放電中、酸化ニッケルからの活性酸素粒子が電解質中に放出され、負極板に導かれ、そこでカドミウムが酸化されます。

充電時のバッテリー性能

負荷がオフになると、電源と消費者のプラス端子とマイナス端子が一致すると、同じ極性の充電済みバッテリーの電圧よりも大きな値の一定の (特定の状況では脈動する) 電圧がプレート端子に印加されます。 。

充電器には常により多くの電力があり、バッテリー内の残留エネルギーが「抑制」され、放電とは逆方向の電流が生成されます。その結果、電極と電解質の間の内部化学プロセスが変化します。たとえば、ニッケルカドミウムプレートの箱では、正極は酸素が豊富で、負極は純粋なカドミウムの状態になります。

バッテリーが放電および充電されると、極板（電極）の材料の化学組成は変化しますが、電解質は変化しません。

バッテリーの接続方法

並列接続

人間が耐えられる放電電流の量は多くの要因によって決まりますが、主に設計、使用される材料、およびその寸法によって決まります。電極のプレートの面積が大きいほど、耐えられる電流は大きくなります。

この原理は、負荷への電流を増やす必要がある場合に、バッテリー内で同じ種類のセルを並列接続するために使用されますが、そのような設計を充電するには、電源の電力を増やす必要があります。今では必要なバッテリーをすぐに購入する方がはるかに簡単であるため、この方法は既製の構造にはほとんど使用されません。しかし、酸電池メーカーはこれを使用し、異なるプレートを単一のブロックに接続します。

シリアル接続

使用される材料に応じて、日常生活で一般的な電池の 2 つの電極板間に 1.2 / 1.5 または 2.0 ボルトの電圧を生成できます。 (実際には、この範囲はさらに広いです。)明らかに、多くの電気機器にとっては十分ではありません。そのため、同じ種類の電池を直列に接続する場合が多くなります。

このような設計の例としては、硫酸と鉛の電極板をベースにした広範な自動車開発が挙げられます。

通常、人々の間、特に輸送ドライバーの間では、構成要素であるボックスの数に関係なく、あらゆるデバイスをバッテリーと呼ぶのが通例です。ただし、これは完全に正しいわけではありません。直列に接続されたいくつかの箱から組み立てられた構造はすでに電池であり、その略称«АКБ»が付けられています...その内部構造は図に示されています。

各ジャーは、正極と負極用のプレートのセットを備えた 2 つのブロックで構成されています。ブロックは金属接触なしで互いに嵌合し、電解質を介した信頼性の高い電気接続が可能です。

この場合、接触プレートには追加のグリッドがあり、分離プレートによって互いに分離されます。

プレートをブロックに接続すると、作業領域が増加し、構造全体の総抵抗が減少し、接続された負荷の電力を増加させることができます。

このようなバッテリーの箱の外側には、次の図に示す要素が含まれています。

これは、頑丈なプラスチックのハウジングがカバーで密閉されており、その上部に車の電気回路に接続するための 2 つの端子 (通常は円錐形) が装備されていることを示しています。端子には極性マーク「+」と「-」が刻印されています。通常、配線ミスを防ぐために、プラス端子はマイナス端子よりもわずかに大きな直径を持っています。

保守可能なバッテリーには、各瓶の上部に注入口があり、電解液レベルを制御したり、動作中に蒸留水を追加したりできます。プラグがねじ込まれており、ケースの内部空洞を汚染から保護すると同時に、バッテリーを傾けたときに電解液がこぼれるのを防ぎます。

強力な充電では電解液からガスが発生する可能性があるため（このプロセスは激しい運転中に発生する可能性があります）、ボックス内の圧力の上昇を防ぐためにプラグに穴が開けられます。酸素と水素、および電解質蒸気がそこから排出されます。過剰な充電電流が発生するような状況は避けることをお勧めします。

同図はバンク間の素子の接続と電極板の配置を示している。

車のスターターバッテリー (鉛蓄電池) は、二重硫化の原理で動作します。放電/充電中に、電解質（硫酸）中の水の放出/吸収を伴う電極の活性物質の化学組成の変化を伴う電気化学的プロセスが発生します。

これは、充電時の電解液の比重の増加と、バッテリーの放電時の比重の減少を説明します。言い換えれば、密度値によってバッテリーの電気的状態を評価することができます。それを測定するには、車の比重計という特別な装置が使用されます。

酸電池の電解液の一部である蒸留水は、マイナス温度では固体状態、すなわち氷に変化するため、寒冷地での自動車バッテリーの凍結を防ぐためには、規則で定められた特別な措置を適用する必要があります。搾取のために。

電池にはどのような種類がありますか?

さまざまな目的のための現代の生産では、電極と電解質の異なる組成を備えた 30 以上の製品が生産されています。既知の 12 モデルはリチウムのみで動作します。

電極金属としては以下のものがあります。

• 鉛;

• 鉄;

• リチウム;

• チタン;

• コバルト;

• カドミウム;

• ニッケル;

• 亜鉛;

• 銀;

• バナジウム;

• アルミニウム

• 他のいくつかのアイテム。

これらは電気出力特性に影響を与え、したがってアプリケーションにも影響を与えます。

電気スターターモーターによる内燃エンジンのクランクシャフトの回転から生じる短期間の高負荷に耐える能力は、鉛蓄電池の特徴です。これらは輸送、無停電電源装置、非常用電源システムで広く使用されています。

標準 ガルバニ電池 (通常の電池) は通常、ニッケルカドミウム電池、ニッケル亜鉛電池、ニッケル水素電池に置き換えられます。

しかし、リチウムイオンまたはリチウムポリマーの設計は、モバイル機器やコンピューティング機器、建設工具、さらには電気自動車でも確実に機能します。

使用される電解液の種類に応じて、バッテリーは次のようになります。

• 酸っぱい

• アルカリ性。

電池には用途に応じた分類があります。たとえば、現代の状況では、エネルギー伝達、つまり他のエネルギー源を充電するために使用されるデバイスが登場しています。いわゆる外部バッテリーは、交流電気ネットワークがない場合に多くのモバイル デバイスの所有者を助けます。タブレット、スマートフォン、携帯電話を繰り返し充電できます。

これらのバッテリーはすべて同じ動作原理と同様の装置を備えています。たとえば、以下の図に示されているリチウムイオンフィンガーモデルは、多くの点で前に説明した酸電池の設計を繰り返しています。

ここでは、同じ接触電極、プレート、セパレータ、およびハウジングが見られます。他の労働条件を考慮してのみ作成されます。

バッテリーの基本的な電気的特性

デバイスの動作は次のパラメータの影響を受けます。

• 容量;

• エネルギー密度;

• 自己放電。

• 温度体制。

容量はバッテリーの最大充電量と呼ばれ、最低電圧までの放電中に与えることができます。ペンダント (SI システム) とアンペアアワー (非システム単位) で表されます。

容量の種類として「エネルギー容量」があり、これにより最小許容電圧までの放電中に放出されるエネルギーが決まります。ジュール (SI) とワット時 (非 SI 単位) で測定されます。

エネルギー密度は、バッテリーの重量または体積に対するエネルギー量の比率として表されます。

自己放電は、端子に負荷がかかっていない状態での充電後の容量の損失を考慮します。これは設計によって異なりますが、さまざまな理由で電極間の絶縁破壊によってさらに悪化します。

動作温度は電気的特性に影響を及ぼし、メーカーが指定した基準から大きく逸脱すると、バッテリーが損傷する可能性があります。熱や寒さは容認できず、化学反応の過程やボックス内の環境の圧力に影響を与えます。