Verschillende soorten batterijen en hun toepassingen

Een batterij is een verzameling van een of meer cellen die een chemische reactie ondergaan om de elektronenstroom binnen een circuit te creëren. Er is veel onderzoek en vooruitgang gaande in de batterijtechnologie, en als gevolg daarvan worden baanbrekende technologieën momenteel overal ter wereld ervaren en gebruikt. Batterijen kwamen in het spel vanwege de noodzaak om opgewekte elektrische energie op te slaan. Hoewel er een goede hoeveelheid energie werd opgewekt, was het belangrijk om de energie op te slaan, zodat deze kan worden gebruikt wanneer de opwekking uitvalt of wanneer er behoefte is aan stand-alone apparaten die niet kunnen worden vastgemaakt aan de voeding van het lichtnet. Hierbij moet worden opgemerkt dat alleen gelijkstroom in de batterijen kan worden opgeslagen, wisselstroom kan niet worden opgeslagen.

Accucellen bestaan meestal uit drie hoofdcomponenten;

De anode (negatieve elektrode)
De kathode (positieve elektrode)
De elektrolyten

De anode is een negatieve elektrode die elektronen produceert naar het externe circuit waarop de batterij is aangesloten. Wanneer batterijen zijn aangesloten, wordt een elektronenopbouw geïnitieerd aan de anode die een potentiaalverschil tussen de twee elektroden veroorzaakt. De elektronen proberen dan op natuurlijke wijze zichzelf te herverdelen, dit wordt voorkomen door de elektrolyt, dus wanneer een elektrisch circuit is aangesloten, biedt dit een duidelijk pad voor de elektronen om van de anode naar de kathode te gaan, waardoor het circuit wordt gevoed waarop het is aangesloten. Door de opstelling en het materiaal dat wordt gebruikt om de anode, kathode en elektrolyt te bouwen, kunnen we veel verschillende soorten batterijchemie bereiken, waardoor we verschillende soorten batterijcellen kunnen ontwerpen. In dit artikel laten we de verschillende soorten batterijen en hun toepassingen begrijpen, dus laten we beginnen.

Soorten batterijen

Batterijen kunnen over het algemeen worden ingedeeld in verschillende categorieën en typen, variërend van chemische samenstelling, grootte, vormfactor en gebruiksscenario's, maar onder al deze soorten vallen twee belangrijke batterijtypen;

Primaire batterijen
Secundaire batterijen

Laten we dieper kijken om de belangrijkste verschillen tussen een Primacy-cel en een secundaire cel te begrijpen .

1. Primaire batterijen

Primaire batterijen zijn batterijen die niet kunnen worden opgeladen als ze eenmaal leeg zijn. Primaire batterijen zijn gemaakt van elektrochemische cellen waarvan de elektrochemische reactie niet ongedaan kan worden gemaakt.

Primaire batterijen bestaan in verschillende vormen, variërend van knoopcelbatterijen tot AA-batterijen. Ze worden vaak gebruikt in zelfstandige toepassingen waar opladen onpraktisch of onmogelijk is. Een goed voorbeeld hiervan zijn apparaten van militaire kwaliteit en apparatuur op batterijen. Het zal onpraktisch zijn om oplaadbare batterijen te gebruiken, aangezien het opladen van een batterij het laatste is waar de soldaten aan denken. Primaire batterijen hebben altijd een hoge specifieke energie en de systemen waarin ze worden gebruikt, zijn altijd ontworpen om een lage hoeveelheid stroom te verbruiken, zodat de batterij zo lang mogelijk meegaat.

Enkele andere voorbeelden van apparaten die primaire batterijen gebruiken, zijn onder meer; Tempo makers, dierentrackers, polshorloges, afstandsbedieningen en kinderspeelgoed om er maar een paar te noemen.

Het meest populaire type primaire batterijen zijn alkalinebatterijen. Ze hebben een hoge specifieke energie en zijn milieuvriendelijk, kostenbesparend en lekken niet, zelfs niet als ze volledig ontladen zijn. Ze kunnen meerdere jaren worden opgeslagen, hebben een goede staat van dienst op het gebied van veiligheid en kunnen in een vliegtuig worden vervoerd zonder onderworpen te zijn aan VN-transport- en andere voorschriften. Het enige nadeel van alkalinebatterijen is de lage laadstroom, die het gebruik ervan beperkt tot apparaten met lage stroomvereisten, zoals afstandsbedieningen, zaklampen en draagbare entertainmentapparaten.

2. Secundaire batterijen

Secundaire batterijen zijn batterijen met elektrochemische cellen waarvan de chemische reacties kunnen worden omgekeerd door in omgekeerde richting een bepaalde spanning op de batterij aan te leggen. Ook wel oplaadbare batterijen genoemd, kunnen secundaire cellen in tegenstelling tot primaire cellen worden opgeladen nadat de energie van de batterij is opgebruikt.

Ze worden doorgaans gebruikt in toepassingen met een hoog energieverbruik en andere scenario's waarin het ofwel te duur of onpraktisch zal zijn om batterijen met een enkele lading te gebruiken. Secundaire batterijen met kleine capaciteit worden gebruikt om draagbare elektronische apparaten zoals mobiele telefoons en andere gadgets en apparaten van stroom te voorzien, terwijl zware batterijen worden gebruikt voor het aandrijven van diverse elektrische voertuigen en andere toepassingen met een hoog energieverbruik, zoals nivellering van de belasting bij de opwekking van elektriciteit. Ze worden ook gebruikt als zelfstandige stroombronnen naast omvormers om elektriciteit te leveren. Hoewel de aanschafkosten voor het aanschaffen van oplaadbare batterijen altijd een stuk hoger zijn dan die van primaire batterijen, zijn ze op de lange termijn het meest rendabel.

Secundaire batterijen kunnen op basis van hun chemie verder worden ingedeeld in verschillende andere typen . Dit is erg belangrijk omdat de chemie een aantal eigenschappen van de batterij bepaalt, waaronder de specifieke energie, levensduur, houdbaarheid en prijs, om er maar een paar te noemen.

Hieronder volgen de verschillende soorten oplaadbare batterijen die gewoonlijk worden gebruikt.

Lithium-ion (Li-ion)
Nikkel-cadmium (Ni-Cd)
Nikkel-metaalhydride (Ni-MH)
Lood-zuur

1. Nikkel-cadmium-batterijen

De nikkel-cadmiumbatterij (NiCd-batterij of NiCad-batterij) is een type oplaadbare batterij die is ontwikkeld met behulp van nikkeloxidehydroxide en metallisch cadmium als elektroden. Ni-Cd-batterijen blinken uit in het behouden van spanning en het vasthouden van lading wanneer ze niet worden gebruikt. NI-Cd-batterijen worden echter gemakkelijk het slachtoffer van het gevreesde "geheugen" -effect wanneer een gedeeltelijk opgeladen batterij wordt opgeladen, waardoor de toekomstige capaciteit van de batterij afneemt.

In vergelijking met andere soorten oplaadbare cellen bieden Ni-Cd-batterijen een goede levenscyclus en prestaties bij lage temperaturen met een redelijke capaciteit, maar hun belangrijkste voordeel is hun vermogen om hun volledige nominale capaciteit te leveren bij hoge ontladingssnelheden. Ze zijn verkrijgbaar in verschillende maten, inclusief de maten die worden gebruikt voor alkalinebatterijen, AAA tot D. Ni-Cd-cellen worden afzonderlijk gebruikt of geassembleerd in verpakkingen van twee of meer cellen. De kleine verpakkingen worden gebruikt in draagbare apparaten, elektronica en speelgoed, terwijl de grotere worden toegepast in startaccu's van vliegtuigen, elektrische voertuigen en standby-stroomvoorziening.

Enkele eigenschappen van nikkel-cadmiumbatterijen worden hieronder vermeld.

Specifieke energie: 40-60W-h / kg
Energiedichtheid: 50-150 Wh / L
Specifiek vermogen: 150W / kg
Laad- / ontlaadrendement: 70-90%
Zelfontlading: 10% / maand
Cyclusduurzaamheid / levensduur: 2000 cycli

2. Nikkel-metaalhydridebatterijen

Nikkelmetaalhydride (Ni-MH) is een ander type chemische configuratie dat wordt gebruikt voor oplaadbare batterijen. De chemische reactie bij de positieve elektrode van batterijen is vergelijkbaar met die van de nikkel-cadmiumcel (NiCd), waarbij beide batterijtypen hetzelfde nikkeloxidehydroxide (NiOOH) gebruiken. De negatieve elektroden in nikkel-metaalhydride gebruiken echter een waterstofabsorberende legering in plaats van cadmium dat wordt gebruikt in NiCd-batterijen

NiMH-batterijen vinden toepassing in apparaten met een hoog energieverbruik vanwege hun hoge capaciteit en energiedichtheid. Een NiMH-batterij kan twee tot drie keer de capaciteit hebben van een NiCd-batterij van dezelfde grootte, en de energiedichtheid kan die van een lithium-ionbatterij benaderen. In tegenstelling tot de NiCd-chemie, zijn batterijen gebaseerd op de NiMH-chemie niet gevoelig voor het "geheugen" -effect dat NiCads ervaren.

Hieronder staan enkele eigenschappen van batterijen op basis van de chemie van nikkel-metaalhydride;

Specifieke energie: 60-120 uur / kg
Energiedichtheid: 140-300 Wh / L
Specifiek vermogen: 250-1000 W / kg
Laad- / ontlaadrendement: 66% - 92%
Zelfontlading: 1,3-2,9% / maand bij 20 ^o C
Cyclusduurzaamheid / levensduur: 180-2000

3. Lithium-ionbatterijen

Lithium-ionbatterijen zijn een van de meest populaire soorten oplaadbare batterijen. Er zijn veel verschillende soorten lithiumbatterijen, maar van alle lithium-ionbatterijen worden de meest gebruikte batterijen gebruikt. Deze lithiumbatterijen worden in de volksmond in verschillende vormen gebruikt bij elektrische voertuigen en andere draagbare gadgets. Als u meer wilt weten over accu's die in elektrische voertuigen worden gebruikt, kunt u dit artikel over accu's van elektrische voertuigen lezen. Ze zijn te vinden in verschillende draagbare apparaten, waaronder mobiele telefoons, slimme apparaten en verschillende andere batterijapparaten die thuis worden gebruikt. Ze vinden ook toepassingen in lucht- en ruimtevaarttoepassingen vanwege hun lichtgewicht karakter.

Lithium-ionbatterijen zijn een type oplaadbare batterij waarin lithiumionen van de negatieve elektrode tijdens het ontladen naar de positieve elektrode migreren en terug naar de negatieve elektrode wanneer de batterij wordt opgeladen. Li-ionbatterijen gebruiken een geïntercaleerde lithiumverbinding als één elektrodemateriaal, vergeleken met het metallische lithium dat wordt gebruikt in niet-oplaadbare lithiumbatterijen.

Lithium-ionbatterijen hebben over het algemeen een hoge energiedichtheid, weinig of geen geheugeneffect en een lage zelfontlading in vergelijking met andere batterijtypen. Hun chemie en prestaties en kosten variëren in verschillende gebruikssituaties, zo zijn Li-ion-batterijen die worden gebruikt in draagbare elektronische apparaten meestal gebaseerd op lithiumkobaltoxide (LiCoO ₂), dat een hoge energiedichtheid en lage veiligheidsrisico's biedt bij beschadiging terwijl Li-ion Batterijen op basis van lithium-ijzerfosfaat die een lagere energiedichtheid bieden, zijn veiliger vanwege een kleinere kans op ongelukkige gebeurtenissen en worden veel gebruikt voor het aandrijven van elektrische gereedschappen en medische apparatuur. Lithium-ionbatterijen bieden de beste prestatie-gewichtsverhouding, terwijl de lithiumzwavelbatterij de hoogste verhouding biedt.

Enkele van de kenmerken van lithium-ionbatterijen worden hieronder vermeld;

Specifieke energie: 100: 265W-h / kg
Energiedichtheid: 250: 693 Wh / L
Specifiek vermogen: 250: 340 W / kg
Laad- / ontlaadpercentage: 80-90%
Cyclusduurzaamheid: 400: 1200 cycli
Nominale celspanning: NMC 3,6 / 3,85V

4. Loodzuurbatterijen

Loodzuuraccu's zijn een goedkope, betrouwbare krachtpaard die worden gebruikt in zware toepassingen. Ze zijn meestal erg groot en vanwege hun gewicht worden ze altijd gebruikt in niet-draagbare toepassingen zoals energieopslag op zonnepanelen, voertuigontsteking en verlichting, back-upstroom en belastingnivellering bij stroomopwekking / -distributie. Het loodzuur is het oudste type oplaadbare batterij en nog steeds erg relevant en belangrijk in de wereld van vandaag. Loodzuurbatterijen hebben een zeer lage energie-tot-volume- en energie-gewichtsverhouding, maar ze hebben een relatief grote verhouding tussen vermogen en gewicht en kunnen daardoor indien nodig enorme piekstromen leveren. Deze eigenschappen, naast de lage kosten, maken deze batterijen aantrekkelijk voor gebruik in verschillende toepassingen met hoge stroomsterkte, zoals het aandrijven van startmotoren voor auto's en voor opslag in back-upstroomvoorzieningen.U kunt ook het artikel over werken van loodzuuraccu's lezen als u meer wilt weten over de verschillende soorten loodzuuraccu's, de constructie en toepassingen ervan.

Elk van deze batterijen past zich het best aan en de onderstaande afbeelding is om te helpen bij het kiezen tussen de batterijen.

De juiste accu voor uw toepassing selecteren

Een van de belangrijkste problemen die technologische revoluties zoals IoT belemmeren, is stroom, de levensduur van de batterij beïnvloedt de succesvolle inzet van apparaten die een lange batterijlevensduur nodig hebben en hoewel er verschillende energiebeheertechnieken worden toegepast om de batterij langer mee te laten gaan, moet er toch een compatibele batterij worden geselecteerd om het gewenste resultaat te bereiken.

Hieronder staan enkele factoren waarmee u rekening moet houden bij het selecteren van het juiste type batterij voor uw project.

1. Energiedichtheid: De energiedichtheid is de totale hoeveelheid energie die per massa of volume kan worden opgeslagen. Dit bepaalt hoe lang uw apparaat aan blijft voordat het moet worden opgeladen.

2. Vermogensdichtheid: Maximale snelheid van energie-ontlading per massa- of volume-eenheid. Laag stroomverbruik: laptop, i-pod. Hoog vermogen: elektrisch gereedschap.

3. Veiligheid: Het is belangrijk om rekening te houden met de temperatuur waarbij het apparaat dat u aan het bouwen bent, zal werken. Bij hoge temperaturen zullen bepaalde batterijcomponenten stuk gaan en exotherme reacties ondergaan. Hoge temperaturen verminderen over het algemeen de prestaties van de meeste batterijen.

4. Levenscyclusduur: De stabiliteit van de energiedichtheid en de vermogensdichtheid van een batterij met herhaalde cycli (opladen en ontladen) is nodig voor de lange levensduur van de batterij die nodig is voor de meeste toepassingen.

5. Kosten: de kosten vormen een belangrijk onderdeel van alle technische beslissingen die u gaat nemen. Het is belangrijk dat de kosten van uw batterijkeuze in verhouding staan tot de prestaties en de totale kosten van het project niet abnormaal verhogen.