Η επιστήμη της τεχνολογίας μπαταριών αυτοκινήτων

Πώς λειτουργεί η τεχνολογία της μπαταρίας αυτοκινήτου;

Ο μόλυβδος και το οξύ είναι δύο πράγματα που οι περισσότεροι άνθρωποι γνωρίζουν αρκετά καλά για να αποφύγουν. Ο μόλυβδος είναι ένα βαρύ μέταλλο που μπορεί να προκαλέσει μια ολόκληρη λίστα πλυντηρίων με προβλήματα υγείας και το οξύ είναι επίσης οξύ. Η απλή μνεία της λέξης προκαλεί εικόνες υγρών που αναβλύζουν πράσινα και τρελών επιστημόνων που στρέφονται στην παγκόσμια κυριαρχία.

Αλλά όπως η σοκολάτα και το φυστικοβούτυρο, το μόλυβδο και το οξύ δεν φαίνεται να πάνε μαζί, αλλά το κάνουν. Χωρίς μόλυβδο και οξύ, δεν θα είχαμε μπαταρίες αυτοκινήτου και χωρίς μπαταρίες αυτοκινήτου δεν θα είχαμε κανένα από τα σύγχρονα αξεσουάρ - ή βασικές ανάγκες, όπως τα προβολέα - που απαιτούν την λειτουργία ενός ηλεκτρικού συστήματος. Πώς, λοιπόν, οι δύο αυτές θανατηφόρες ουσίες συνενώθηκαν για να σχηματίσουν το σταθερό υπόβαθρο των αυτοκινητοβιομηχανικών ηλεκτρονικών συστημάτων; Η απάντηση, να δανειστεί μια φράση, είναι στοιχειώδης.

Η Επιστήμη της Αποθήκευσης Ηλεκτρικής Ενέργειας

Οι ηλεκτρικές μπαταρίες είναι απλά δοχεία αποθήκευσης που είναι ικανά να συγκρατούν ένα ηλεκτρικό φορτίο και στη συνέχεια να τα εκφορτίζουν σε φορτίο. Ορισμένες μπαταρίες είναι σε θέση να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα από τα εξαρτήματα βάσης τους μόλις συναρμολογηθούν. Αυτές οι μπαταρίες ονομάζονται πρωτογενείς μπαταρίες και τυπικά απορρίπτονται μόλις εξαντληθεί η φόρτιση. Οι μπαταρίες αυτοκινήτου ταιριάζουν σε μια διαφορετική κατηγορία ηλεκτρικής μπαταρίας που μπορεί να φορτιστεί, να αποφορτιστεί και να φορτιστεί ξανά και ξανά. Αυτές οι δευτερεύουσες μπαταρίες χρησιμοποιούν μια αναστρέψιμη χημική αντίδραση που διαφέρει από έναν τύπο επαναφορτιζόμενης μπαταρίας σε μια άλλη.

Με όρους που οι περισσότεροι άνθρωποι μπορούν εύκολα να καταλάβουν, οι μπαταρίες AA ή AAA που αγοράζετε στο κατάστημα, κολλήστε στο τηλεχειριστήριό σας και στη συνέχεια πετάξτε όταν πεθαίνουν είναι πρωτογενείς μπαταρίες. Συγκροτούνται, συνήθως είτε από κύτταρα ψευδαργύρου-άνθρακα είτε από ψευδάργυρο και διοξείδιο του μαγγανίου, και είναι σε θέση να παρέχουν ρεύμα χωρίς να φορτιστούν. Όταν πεθάνουν, τα πετάτε μακριά ή τα απορρίπτετε σωστά, αν προτιμάτε.

Φυσικά, μπορείτε να αγοράσετε τις ίδιες μπαταρίες AA ή AAA σε μια "επαναφορτιζόμενη" μορφή που κοστίζει περισσότερο. Αυτές οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες χρησιμοποιούν συνήθως κύτταρα νικελίου-καδμίου ή νικελίου-μεταλλικού υδριδίου. Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές "αλκαλικές" μπαταρίες, οι μπαταρίες NiCd και NiMH δεν είναι σε θέση να παρέχουν ρεύμα σε φορτίο κατά τη συναρμολόγηση. Αντ 'αυτού, ένα ηλεκτρικό ρεύμα εφαρμόζεται στα κύτταρα, το οποίο προκαλεί χημική αντίδραση μέσα στην μπαταρία. Στη συνέχεια, κολλάτε την μπαταρία στο τηλεχειριστήριο και όταν πεθάνει, τοποθετείτε το σε φορτιστή και η εφαρμογή ενός ρεύματος αναστρέφει τη χημική διαδικασία που συνέβη κατά τη διάρκεια της απόρριψης.

Οι μπαταρίες αυτοκινήτου, οι οποίες χρησιμοποιούν μόλυβδο και θειικό οξύ αντί για οξυϋδροξείδιο του νικελίου και κράμα απορρόφησης υδρογόνου, είναι παρόμοιες με τις μπαταρίες NiMH σε λειτουργία. Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα εφαρμόζεται στην μπαταρία, εμφανίζεται μια χημική αντίδραση και αποθηκεύεται ένα ηλεκτρικό φορτίο. Όταν ένα φορτίο συνδέεται με την μπαταρία, η αντίδραση αντιστρέφει και παρέχεται ρεύμα στο φορτίο.

Αποθήκευση ενέργειας με μόλυβδο και οξύ

Εάν χρησιμοποιείτε μόλυβδο και οξύ για να αποθηκεύσετε ένα ηλεκτρικό φορτίο ακούγεται αρχαϊκό, είναι. Η πρώτη μπαταρία μολύβδου-οξέος επινοήθηκε τη δεκαετία του 1850 και η μπαταρία στο αυτοκίνητό σας χρησιμοποιεί τις ίδιες βασικές αρχές. Τα σχέδια και τα υλικά έχουν εξελιχθεί με τα χρόνια, αλλά η ίδια βασική ιδέα είναι στο παιχνίδι.

Όταν αποφορτιστεί μια μπαταρία μολύβδου-οξέος, ο ηλεκτρολύτης γίνεται ένα πολύ αραιό διάλυμα θειικού οξέος - που σημαίνει ότι είναι ως επί το πλείστον απλό H20 με κάποια ποσότητα H2SO4 που επιπλέει σε αυτό. Οι πλάκες μολύβδου, έχοντας απορροφήσει το θειικό οξύ, γίνονται κυρίως θειικό μόλυβδο. Όταν εφαρμοστεί ηλεκτρικό ρεύμα στην μπαταρία, αυτή η διαδικασία αναστρέφεται. Οι θειικές πλάκες μολύβδου στρέφονται (ως επί το πλείστον) πίσω στο μόλυβδο και το αραιωμένο διάλυμα θειικού οξέος γίνεται πιο συγκεντρωμένο.

Αυτός δεν είναι ένας εξαιρετικά αποτελεσματικός τρόπος αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας, από την άποψη του πόσο βαριά και μεγάλα τα κύτταρα συγκρίνονται με την ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύουν, αλλά οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σήμερα για δύο λόγους. Το πρώτο είναι θέμα οικονομίας. οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι πολύ φθηνότερες από ό, τι οποιαδήποτε άλλη επιλογή. Ο άλλος λόγος είναι ότι οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι σε θέση να παράγουν ταυτόχρονα τεράστιες ποσότητες ρεύματος κατά παραγγελία, πράγμα που τους καθιστά μοναδικά κατάλληλους για χρήση ως μπαταρίες εκκίνησης.

Πόσο ο βαθύς είναι ο κύκλος σας;

Οι παραδοσιακές μπαταρίες αυτοκινήτων μερικές φορές αναφέρονται ως μπαταρίες SLI , όπου το "SLI" σημαίνει εκκίνηση, φωτισμό και ανάφλεξη. Αυτή η συντομογραφία απεικονίζει τους κύριους σκοπούς μιας μπαταρίας αυτοκινήτου αρκετά καλά, καθώς η κύρια εργασία οποιασδήποτε μπαταρίας αυτοκινήτου είναι η λειτουργία του μοτέρ εκκίνησης, των φώτων και της ανάφλεξης πριν ο κινητήρας λειτουργεί. Αφού ο κινητήρας λειτουργεί, ο εναλλάκτης παρέχει όλη την απαραίτητη ηλεκτρική ενέργεια και η μπαταρία επαναφορτίζεται.

Αυτός ο τύπος χρήσης είναι ένας ρηχός τύπος κύκλου λειτουργίας, δεδομένου ότι παρέχει μια σύντομη έκρηξη ενός μεγάλου όγκου ρεύματος και αυτό είναι ακριβώς που οι μπαταρίες αυτοκινήτων έχουν σχεδιαστεί ειδικά για να κάνουν. Με αυτό το σκεπτικό, οι σύγχρονες μπαταρίες αυτοκινήτων περιέχουν πολύ λεπτές πλάκες μολύβδου, οι οποίες επιτρέπουν μέγιστη έκθεση στον ηλεκτρολύτη και παρέχουν το μεγαλύτερο δυναμικό για μικρές περιόδους. Αυτός ο σχεδιασμός είναι απαραίτητος λόγω των τεράστιων απαιτήσεων ρεύματος των κινητήρων εκκίνησης.

Σε αντίθεση με τις μπαταρίες εκκίνησης, οι μπαταρίες βαθιάς κυκλώματος είναι ένας άλλος τύπος μπαταρίας μολύβδου-οξέος που έχει σχεδιαστεί για έναν "βαθύτερο" κύκλο. Η διαμόρφωση των πλακών είναι διαφορετική, επομένως δεν είναι κατάλληλες για την παροχή μεγάλων ποσοτήτων ρεύματος κατά παραγγελία. Αντ 'αυτού, έχουν σχεδιαστεί για να παρέχουν λιγότερη ενέργεια για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα. Ο κύκλος είναι "βαθύτερος" διότι είναι μεγαλύτερος, παρά λόγω της γενικότερης απόρριψης που είναι μεγαλύτερος. Σε αντίθεση με τις μπαταρίες εκκίνησης, οι οποίες επαναφορτίζονται αυτόματα μετά από κάθε χρήση , οι μπαταρίες βαθιάς κυκλοφορίας μπορούν να αποφορτιστούν αργά - σε ασφαλές επίπεδο - πριν επαναφορτιστούν. Όπως και οι μπαταρίες εκκίνησης, οι μπαταρίες οξέων κυκλικής αλυσίδας δεν πρέπει να εκφορτιστούν κάτω από το συνιστώμενο επίπεδο για να αποφευχθούν οι μόνιμες βλάβες.

Διαφορετικό πακέτο, ίδια τεχνολογία

Αν και η βασική τεχνολογία πίσω από τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος παρέμεινε λίγο πολύ η ίδια, οι προόδους σε υλικά και τεχνικές έχουν οδηγήσει σε διάφορες παραλλαγές. Οι μπαταρίες με βαθύ κύκλο, φυσικά, χρησιμοποιούν διαφορετική διαμόρφωση πλακών για να επιτρέψουν έναν βαθύτερο κύκλο λειτουργίας. Άλλες παραλλαγές παίρνουν τα πράγματα ακόμη περισσότερο.

Η μεγαλύτερη πρόοδος στην τεχνολογία μπαταριών μολύβδου-οξέος πιθανότατα ήταν οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος (VRLA) που ρυθμίζονται με βαλβίδες. Χρησιμοποιούν ακόμη μόλυβδο και θειικό οξύ, αλλά δεν έχουν «πλημμυρίσει», υγρά κύτταρα. Αντ 'αυτού, χρησιμοποιούν είτε κύτταρα πηκτώματος είτε απορροφημένο γυαλί ματ (AGM) για τον ηλεκτρολύτη. Η χημική διαδικασία είναι η ίδια σε βασικό επίπεδο, αλλά αυτές οι μπαταρίες δεν υπόκεινται σε αφαίρεση αερίων, όπως είναι οι μπαταρίες πλημμυρισμένων κυψελών, ούτε είναι ευάλωτες σε διαρροές αν είναι αιχμηρές.

Αν και οι μπαταρίες VRLA έχουν πολλά πλεονεκτήματα, είναι πολύ πιο ακριβά για την παραγωγή από τις παραδοσιακές μπαταρίες πλημμυρισμένων κυψελών. Έτσι, ενώ η τεχνολογία συνεχίζει να προχωρά πάντα μπροστά, ίσως εξακολουθείτε να οδηγείτε με την τεχνολογία αιχμής του 1860 κάτω από την κουκούλα σας για αρκετό καιρό ακόμα - εκτός κι αν πάτε ηλεκτρικά. Αλλά αυτό είναι ένα εντελώς διαφορετικό θέμα όσον αφορά τις μπαταρίες.