Diversi tipi di batterie e loro applicazioni

Una batteria è un insieme di una o più celle che subiscono reazioni chimiche per creare il flusso di elettroni all'interno di un circuito. Sono in corso molte ricerche e progressi nella tecnologia delle batterie e, di conseguenza, le tecnologie innovative vengono sperimentate e utilizzate attualmente in tutto il mondo. Le batterie sono entrate in gioco a causa della necessità di immagazzinare l'energia elettrica generata. Per quanto una buona quantità di energia fosse generata, era importante immagazzinare l'energia in modo che possa essere utilizzata quando la generazione è in esaurimento o quando è necessario alimentare dispositivi indipendenti che non possono essere tenuti legati all'alimentazione dalla rete. Qui va notato che solo la corrente continua può essere immagazzinata nelle batterie, la corrente alternata non può essere immagazzinata.

Le celle della batteria sono generalmente costituite da tre componenti principali;

L'anodo (elettrodo negativo)
Il catodo (elettrodo positivo)
Gli elettroliti

L'anodo è un elettrodo negativo che produce elettroni al circuito esterno a cui è collegata la batteria. Quando le batterie sono collegate, viene avviato un accumulo di elettroni sull'anodo che causa una differenza di potenziale tra i due elettrodi. Gli elettroni poi cercano naturalmente di ridistribuirsi, questo è impedito dall'elettrolita, quindi quando un circuito elettrico è collegato, fornisce un percorso chiaro agli elettroni per spostarsi dall'anodo al catodo alimentando così il circuito a cui è collegato. Modificando la disposizione e il materiale utilizzato per costruire l'anodo, il catodo e l'elettrolito, possiamo ottenere molti diversi tipi di chimica della batteria che ci consente di progettare diversi tipi di celle della batteria. In questo articolo consente di comprendere i diversi tipi di batterie e il loro utilizzo, Quindi iniziamo.

Tipi di batterie

Le batterie generalmente possono essere classificate in diverse categorie e tipi, che vanno dalla composizione chimica, dimensione, fattore di forma e casi d'uso, ma sotto tutti questi sono due principali tipi di batterie;

Batterie primarie
Batterie secondarie

Diamo uno sguardo più approfondito per comprendere le principali differenze tra una cellula Primacy e una cellula secondaria.

1. Batterie primarie

Le batterie primarie sono batterie che non possono essere ricaricate una volta scariche. Le batterie primarie sono costituite da celle elettrochimiche la cui reazione elettrochimica non può essere invertita.

Le batterie primarie esistono in diverse forme che vanno dalle batterie a bottone alle batterie AA. Sono comunemente usati in applicazioni autonome in cui la ricarica è poco pratica o impossibile. Un buon esempio è nei dispositivi di livello militare e nelle apparecchiature alimentate a batteria. Non sarà pratico utilizzare batterie ricaricabili poiché ricaricare una batteria sarà l'ultima cosa nella mente dei soldati. Le batterie primarie hanno sempre un'elevata energia specifica ei sistemi in cui vengono utilizzate sono sempre progettati per consumare una bassa quantità di energia per consentire alla batteria di durare il più a lungo possibile.

Alcuni altri esempi di dispositivi che utilizzano batterie primarie includono; Pace maker, inseguitori di animali, orologi da polso, telecomandi e giocattoli per bambini per citarne alcuni.

Il tipo più diffuso di batterie primarie sono le batterie alcaline. Hanno un'elevata energia specifica e sono rispettosi dell'ambiente, economici e non perdono nemmeno quando sono completamente scarichi. Possono essere conservati per diversi anni, hanno un buon record di sicurezza e possono essere trasportati su un aereo senza essere soggetti ai trasporti delle Nazioni Unite e ad altri regolamenti. L'unico svantaggio delle batterie alcaline è la corrente a basso carico, che ne limita l'uso a dispositivi con requisiti di corrente bassi come telecomandi, torce elettriche e dispositivi di intrattenimento portatili.

2. Batterie secondarie

Le batterie secondarie sono batterie con celle elettrochimiche le cui reazioni chimiche possono essere invertite applicando una certa tensione alla batteria nella direzione inversa. Indicato anche come batterie ricaricabili, batterie secondarie a differenza pile possono essere ricaricate dopo che l'energia della batteria è esaurita.

Sono generalmente utilizzati in applicazioni ad alto consumo e altri scenari in cui sarà troppo costoso o impraticabile utilizzare batterie a carica singola. Le batterie secondarie di piccola capacità vengono utilizzate per alimentare dispositivi elettronici portatili come telefoni cellulari e altri gadget ed elettrodomestici, mentre le batterie per impieghi gravosi vengono utilizzate per alimentare diversi veicoli elettrici e altre applicazioni ad alto consumo come il livellamento del carico nella generazione di elettricità. Sono anche usati come fonti di alimentazione indipendenti insieme agli inverter per fornire elettricità. Sebbene il costo iniziale per l'acquisto di batterie ricaricabili sia sempre molto più alto di quello delle batterie primarie, sono comunque le più convenienti a lungo termine.

Le batterie secondarie possono essere ulteriormente classificate in molti altri tipi in base alla loro chimica . Questo è molto importante perché la chimica determina alcuni degli attributi della batteria tra cui l'energia specifica, la durata del ciclo, la durata di conservazione e il prezzo per citarne alcuni.

Di seguito sono riportati i diversi tipi di batterie ricaricabili comunemente utilizzate.

Ioni di litio (Li-ion)
Nichel Cadmio (Ni-Cd)
Nichel-metallo idruro (Ni-MH)
Piombo-acido

1. Batterie al nichel-cadmio

La batteria al nichel-cadmio (batteria NiCd o batteria NiCad) è un tipo di batteria ricaricabile sviluppata utilizzando l'idrossido di ossido di nichel e il cadmio metallico come elettrodi. Le batterie Ni-Cd eccellono nel mantenere la tensione e mantenere la carica quando non vengono utilizzate. Tuttavia, le batterie NI-Cd cadono facilmente vittime del temuto effetto "memoria" quando una batteria parzialmente carica viene ricaricata, riducendo la capacità futura della batteria.

In confronto ad altri tipi di celle ricaricabili, le batterie Ni-Cd offrono un buon ciclo di vita e prestazioni a basse temperature con una discreta capacità, ma il loro vantaggio più significativo sarà la loro capacità di fornire la loro piena capacità nominale a tassi di scarica elevati. Sono disponibili in diverse dimensioni, comprese le dimensioni utilizzate per le batterie alcaline, da AAA a D. Le celle Ni-Cd vengono utilizzate singolarmente o assemblate in pacchi di due o più celle. Le confezioni piccole sono utilizzate in dispositivi portatili, elettronica e giocattoli, mentre quelle più grandi trovano applicazione nelle batterie di avviamento degli aerei, nei veicoli elettrici e nell'alimentazione di riserva.

Di seguito sono elencate alcune delle proprietà delle batterie al nichel-cadmio.

Energia specifica: 40-60W-h / kg
Densità energetica: 50-150 Wh / L
Potenza specifica: 150 W / kg
Efficienza di carica / scarica: 70-90%
Tasso di autoscarica: 10% / mese
Durata / durata del ciclo: 2000 cicli

2. Batterie all'idruro di nichel metallo

Il nichel metallo idruro (Ni-MH) è un altro tipo di configurazione chimica utilizzata per le batterie ricaricabili. La reazione chimica all'elettrodo positivo delle batterie è simile a quella della cella al nichel-cadmio (NiCd), con entrambi i tipi di batteria che utilizzano lo stesso ossido di nichel idrossido (NiOOH). Tuttavia, gli elettrodi negativi in nichel-metallo idruro utilizzano una lega che assorbe l'idrogeno al posto del cadmio che viene utilizzato nelle batterie NiCd

Le batterie NiMH trovano applicazione in dispositivi ad alto consumo a causa della loro elevata capacità e densità di energia. Una batteria NiMH può possedere da due a tre volte la capacità di una batteria NiCd della stessa dimensione e la sua densità di energia può avvicinarsi a quella di una batteria agli ioni di litio. A differenza della chimica NiCd, le batterie basate sulla chimica NiMH non sono sensibili all'effetto "memoria" che sperimentano i NiCad.

Di seguito sono riportate alcune delle proprietà delle batterie basate sulla chimica del nichel-metallo idruro;

Energia specifica: 60-120 ore / kg
Densità energetica: 140-300 Wh / L
Potenza specifica: 250-1000 W / kg
Efficienza di carica / scarica: 66% - 92%
Tasso di autoscarica: 1,3-2,9% / mese a 20 ^o C
Durata / durata del ciclo: 180-2000

3. Batterie agli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio sono uno dei tipi più popolari di batterie ricaricabili. Esistono molti tipi diversi di batterie al litio, ma tra tutte le batterie agli ioni di litio sono le più comunemente utilizzate. Puoi trovare queste batterie al litio utilizzate in diverse forme popolarmente tra i veicoli elettrici e altri gadget portatili. Se sei curioso di saperne di più sulle batterie utilizzate nei veicoli elettrici, puoi consultare questo articolo sulle batterie per veicoli elettrici. Si trovano in diversi apparecchi portatili tra cui telefoni cellulari, dispositivi intelligenti e molti altri apparecchi a batteria utilizzati a casa. Trovano anche applicazioni in applicazioni aerospaziali e militari grazie alla loro natura leggera.

Le batterie agli ioni di litio sono un tipo di batteria ricaricabile in cui gli ioni di litio dall'elettrodo negativo migrano all'elettrodo positivo durante la scarica e migrano all'elettrodo negativo quando la batteria viene caricata. Le batterie agli ioni di litio utilizzano un composto di litio intercalato come materiale di un elettrodo, rispetto al litio metallico utilizzato nelle batterie al litio non ricaricabili.

Le batterie agli ioni di litio generalmente possiedono un'elevata densità di energia, un effetto memoria minimo o nullo e una bassa autoscarica rispetto ad altri tipi di batterie. La loro chimica insieme alle prestazioni e ai costi variano a seconda dei diversi casi d'uso, ad esempio, le batterie agli ioni di litio utilizzate nei dispositivi elettronici portatili sono generalmente basate su ossido di litio cobalto (LiCoO ₂) che fornisce un'elevata densità di energia e bassi rischi per la sicurezza se danneggiate mentre gli ioni di litio Le batterie a base di litio ferro fosfato che offrono una minore densità di energia sono più sicure a causa della ridotta probabilità che si verifichino eventi sfortunati sono ampiamente utilizzate per alimentare strumenti elettrici e apparecchiature mediche. Le batterie agli ioni di litio offrono il miglior rapporto prestazioni / peso con la batteria allo zolfo di litio che offre il rapporto più alto.

Di seguito sono elencati alcuni degli attributi delle batterie agli ioni di litio;

Energia specifica: 100: 265W-h / kg
Densità energetica: 250: 693 Wh / L
Potenza specifica: 250: 340 W / kg
Percentuale di carica / scarica: 80-90%
Durata del ciclo: 400: 1200 cicli
Tensione nominale della cella: NMC 3,6 / 3,85 V.

4. Batterie al piombo-acido

Le batterie al piombo sono un cavallo di battaglia affidabile a basso costo utilizzato in applicazioni pesanti. Di solito sono molto grandi e, a causa del loro peso, vengono sempre utilizzati in applicazioni non portatili come l'accumulo di energia da pannelli solari, l'accensione e le luci del veicolo, l'alimentazione di backup e il livellamento del carico nella generazione / distribuzione di energia. Il piombo-acido è il tipo più antico di batteria ricaricabile e ancora molto rilevante e importante nel mondo di oggi. Le batterie al piombo-acido hanno rapporti energia / volume ed energia / peso molto bassi, ma hanno un rapporto potenza / peso relativamente elevato e, di conseguenza, possono fornire enormi correnti di picco quando necessario. Questi attributi, insieme al loro basso costo, rendono queste batterie attraenti per l'uso in diverse applicazioni ad alta corrente come l'alimentazione dei motorini di avviamento delle automobili e per l'immagazzinamento in alimentatori di riserva.Puoi anche consultare l'articolo sul funzionamento delle batterie al piombo se vuoi saperne di più sui diversi tipi di batterie al piombo, sulla sua costruzione e applicazioni.

Ciascuna di queste batterie ha la sua area di adattamento migliore e l'immagine qui sotto serve a scegliere tra di loro.

Selezione della batteria giusta per la tua applicazione

Uno dei problemi principali che ostacola le rivoluzioni tecnologiche come l'IoT è l'alimentazione, la durata della batteria influisce sul successo dell'implementazione di dispositivi che richiedono una lunga durata della batteria e anche se vengono adottate diverse tecniche di gestione dell'alimentazione per far durare più a lungo la batteria, è comunque necessario selezionare una batteria compatibile per ottenere il risultato desiderato.

Di seguito sono riportati alcuni fattori da considerare quando si seleziona il giusto tipo di batteria per il proprio progetto.

1. Densità di energia: la densità di energia è la quantità totale di energia che può essere immagazzinata per unità di massa o volume. Questo determina per quanto tempo il tuo dispositivo rimane acceso prima di aver bisogno di una ricarica.

2. Densità di potenza: velocità massima di scarica di energia per unità di massa o volume. Basso consumo: laptop, i-pod. Alta potenza: utensili elettrici.

3. Sicurezza: è importante considerare la temperatura alla quale funzionerà il dispositivo che stai costruendo. A temperature elevate, alcuni componenti della batteria si guastano e possono subire reazioni esotermiche. Le alte temperature generalmente riducono le prestazioni della maggior parte delle batterie.

4. Durata del ciclo di vita: la stabilità della densità di energia e della densità di potenza di una batteria con cicli ripetuti (carica e scarica) è necessaria per la lunga durata della batteria richiesta dalla maggior parte delle applicazioni.

5. Costo: il costo è una parte importante di qualsiasi decisione ingegneristica che prenderai. È importante che il costo della batteria scelta sia commisurato alle sue prestazioni e non aumenti il costo complessivo del progetto in modo anomalo.