Přečtěte si:  Pozvánka na konferenci Elektrické autobusy pro město X






Pozvánky na akce


Stalo se










Nápověda k článkům 4

Víte, jak funguje baterie?

8.3.2013 S bateriemi se setkáváme na každém kroku, v nejrůznějších velikostech a s nejrůznějším účelem použití – od pohonu náramkových hodinek po pohon elektromobilu nebo lodě. Právě v naší rubrice Elektromobilita se o nich často pojednává jako o zdrojích elektrické energie, vedle palivových článků, o nichž pojednávají „Zelené“ taháky pro středoškoláky (i dospělé) č. 2 v této rubrice. Bude proto užitečné si připomenout, jak baterie fungují, a stručně ukázat výhody a nevýhody některých typů, o nichž se často hovoří.

Základem baterie je galvanický článek, což je chemický zdroj elektrického napětí. Tvoří jej dvě elektrody – záporná anoda a kladná katoda – obklopené elektrolytem, tedy kapalným nebo tuhým roztokem vedoucím elektrický proud. Elektrické napětí je dáno rozdílem elektrických potenciálů na elektrodách, což platí nejen pro galvanické články. Elektrický potenciál na elektrodách vzniká v případě galvanických článků chemickou reakcí mezi elektrodou a elektrolytem. Jak je zřejmé, galvanický článek je zdrojem stejnosměrného napětí.

Po zapojení galvanického článku do elektrického obvodu probíhají uvnitř článku chemické reakce, kterými se postupně snižuje elektrická energie uložená v článku. Článek se tak vybíjí. Tyto reakce mohou být buď nevratné, při nich se napětí článku po vybití nedá obnovit (tzv. primární články), nebo vratné, při nichž se článek dá znovu nabít (tzv. sekundární články neboli akumulátory).

Pro elektrody a elektrolyty se používají takové kombinace chemických látek, aby potenciál vznikající na elektrodách měl dostatečnou velikost a zároveň aby měl článek další požadované vlastnosti, jako jsou např. trvanlivost nebo dostatečná kapacita. Nejčastěji používanými látkami pro anodu jsou zinek, lithium, kadmium a hydridy různých kovů, pro katodu oxidy různých kovů (například manganu nebo niklu). Jako elektrolyt se používají vodné roztoky alkalických hydroxidů, silných kyselin nebo jejich solí. Kromě toho se používají také bezvodé elektrolyty, které obsahují vhodnou sůl rozpuštěnou v organickém rozpouštědle. Případné další látky v galvanických článcích regulují chemické reakce tak, aby se dosáhlo potřebných užitných vlastností článku – například delší životnost, větší bezpečnost aj.

Fungování galvanického článku ukazuje obrázek na příkladu známého olověného článku, běžně používaného v automobilech. Materiál anody tvoří houbovité olovo (Pb), materiál katody oxid olovičitý (PbO2). Elektrolytem je vodou zředěná kyselina sírová (H2SO4) o koncentraci přibližně 35 % (u plně nabitého akumulátoru). Vybíjením spolu reagují elektrody na síran olovnatý (PbSO4), elektrolyt je ochuzován o kyselinu sírovou a obohacován o vodu – podrobnosti chemických reakcí ukazuje obrázek.


Schéma olověného galvanického článku

Protože jde o akumulátor, probíhají tyto reakce také opačně a článek se nabíjí, připojíme-li ho ke zdroji stejnosměrného elektrického napětí (na nabíječku). Při vybíjení tedy klesá koncentrace elektrolytu a naopak při nabíjení jeho koncentrace roste.

Obdobně fungují i jiné druhy galvanických článků.

Protože jednotlivé galvanické články vytvářejí napětí řádově v desetinách voltů nebo v jednotlivých voltech, spojují se sériově do baterií (viz třeba „baterie lahví“, „dělostřelecká baterie“ apod. – odtud pochází běžné označení tohoto zařízení). Hodnota napětí baterie je pak dána součtem hodnot napětí propojených galvanických článků. Například plochá baterie obsahuje tři suché články, běžný 12V automobilový akumulátor („autobaterie“) obsahuje 6 akumulátorových článků s kapalným elektrolytem.

Kromě charakteru galvanického článku (primární nebo sekundární) a elektrického napětí se u galvanických článků sledují z hlediska jejich praktického využití i mnohé další parametry a vlastnosti, například
•    měrná energie – podíl kapacity uložené energie a hmotnosti článku,
•    hustota energie – podíl kapacity uložené energie a objemu článku,
•    míra samovybíjení – u primárních článků určuje dobu skladovatelnosti,
•    elektrický výkon – množství energie, které je článek schopen dodat za jednotku času,
•    vnitřní odpor – velikost odporu článku při průchodu elektrického proudu,
•    nabíjecí proud a nabíjecí doba – pro akumulátory,
•    účinnost – podíl vydané a dodané energie u akumulátorů,
•    počet cyklů nabití/vybití akumulátoru do konce životnosti,
•    bezpečnost a přátelskost vůči životnímu prostředí s ohledem na obsažené chemické látky.

Pro běžné porovnání kapacity různých baterií je důležitý zejména ukazatel hustoty energie vzhledem k tomu, že jejich rozměry – a tedy objem – jsou standardizované.

Významným parametrem je pochopitelně také cena.

Mezi nejznámější typy baterií s primárními články (tedy nedobíjecích) patří zinko-uhlíková baterie, alkalická baterie nebo lithiová baterie. Zinko-uhlíková baterie představuje nejběžnější a nejlevnější typ. Kvalitnějším typem s dvojnásobnou hustotou energie je alkalická baterie. Oba tyto typy mají zinkovou anodu a katodu z oxidu manganičitého (burelu). Liší se elektrolytem – v prvním případě je jím chlorid amonný, ve druhém hydroxid draselný. Baterie s dlouhou živostností o nejrůznějších velikostech a tvarech jsou lithiové – mají lithiovou anodu, katodu z oxidu manganičitého a elektrolytem je organický roztok lithiových solí. Lithiová baterie má oproti zinko-uhlíkové baterii více než čtyřnásobnou hustotu energie.

Mezi nejznámější typy akumulátorů, tedy baterií se sekundárními články, patří (kromě již zmíněného olověného akumulátoru) například nikl-kadmiový akumulátor, který má kadmiovou anodu, katoda je z oxidu-hydroxidu niklitého a elektrolytem je hydroxid draselný. Tento typ představuje nejběžnější dobíjecí baterii. Problémem je jeho malá kapacita a jedovaté kadmium. Má nejrůznější použití, od dobíjecí tužkové baterie po pohon elektromobilů nebo hybridních lokomotiv. Oproti olověnému akumulátoru má nikl-kadmiový akumulátor srovnatelnou měrnou energii, ale až o polovinu větší hustotu energie.

V praxi se často setkáme také s lithium-iontovým akumulátorem. Materiálem anody je lithium vázané v grafitu, katoda je z oxidu lithio-kobaltitého a elektrolyt tvoří lithiové soli v organickém rozpouštědle. Tento typ baterie má velmi široké použití – od drobné spotřební elektroniky po pohon elektromobilů – díky své dlouhé životnosti a vysoké kapacitě při malém objemu a hmotnosti (šestinásobná měrná energie a více než pětinásobná hustota energie oproti nikl-kadmiovému akumulátoru). Jeho nevýhodou je například vyšší cena a citlivost na okolní teplotu. Jak ukazuje článek „Alpha-Laion: Společný projekt pro velkokapacitní trakční baterie“ v naší rubrice Elektromobilita, tento typ akumulátoru je sledován jako perspektivní právě pro rozvoj elektromobilů.

Porovnáme-li baterii a palivový článek jako zdroje elektrické energie pro elektromobily (včetně elektrických autobusů nebo nákladních aut), můžeme zjednodušeně říci, že baterie mají oproti palivovým článkům nižší kapacitu (a tedy umožňují kratší dojezd elektromobilu). Jsou však jednodušší, levnější a nevyžadují samostatnou výrobu vodíku a síť vodíkových čerpacích stanic, nicméně vyžadují nabíjecí stanice. Baterie a palivové články se někdy v elektromobilu či elektrobusu doplňují ‒ viz článek „Alternativní pohony u městských autobusů“.

redakce Proelektrotechniky.cz

Bonus: Vtip o baterii

Přečtěte si také:

ŠKOLA BATERIÍ

Elektrická vozidla nezávislá na trolejovém vedení se neobejdou bez baterií. Jejich druh a provozní vlastnosti určují hlavní chemické prvky, na jejichž základě baterie fungují. To je užitečné znát, abychom mohli správně formulovat požadavky na dodané bateriové elektrické vozidlo – zvláště uvážíme-li, že baterie představují velmi významnou část jeho ceny. Tato internetová nano power škola baterií je zaměřená na jednotlivé aplikace a rozebírá, která konkrétní technologie je pro který konkrétní typ aplikace vhodná. 


Druhý život baterie

26.1.2021 Druhý život baterií, pro který se často používá anglický pojem „second life“, je dnes velmi diskutované téma. Je také posledním tématem naší školy baterií. S rostoucím množstvím bateriových aplikací ve světě roste požadavek na vyřešení otázky, co s trakčními bateriemi bude poté, co doslouží ve své původní aplikaci. Již se objevují první projekty na další využití vysloužilých baterií z vozidel. Pojďme se ale nejprve podívat na technologie baterií a jejich předpoklady k životu po životě. 


Další využití trakčních baterií u těžkých elektrických vozidel

19.1.2021 Vedle parciálních trolejbusů a elektrobusů, kterými se podobně zabývaly minulé dvě lekce naší školy baterií, se tentokrát podíváme na využití baterií pro další těžká elektrická vozidla v městském provozu. Patří sem zejména palivočlánkové a hybridní autobusy, bateriové tramvaje a vlaky, těžké nákladní elektromobily pro městské služby i další aplikace. 


Baterie pro elektrobusy

12.1.2021 V minulém článku Školy baterií jsme se věnovali výběru optimální technologie trakční baterie pro parciální trolejbus. Zatímco požadavky parciálního trolejbusu jsou u většiny projektů velice podobné, u elektrobusů je to jinak. Požadavky na využití elektrobusů jsou projekt od projektu velice rozdílné, ať už uvažujeme o meziměstském vozidle, příměstském nebo o nejčastěji využívaném elektrobusu pro čistě městskou hromadnou dopravu. 


Baterie pro parciální trolejbusy

5.1.2021 První článek z naší školy baterií, uveřejněný i v brožuře „Elektrické autobusy pro město IX“, uvedl čtenáře do problematiky baterií sloužících k pohonu vozidel. Náš druhý článek má za cíl poskytnout uživatelům i investorům do trolejbusové dopravy ucelený pohled na výběr alternativního pohonu trolejbusu, zejména pak akumulátorového pohonu pro parciální trolejbus. 


Škola baterií na portále Proelektrotechniky.cz se představuje

30.11.2020 Stejně jako osobní automobilová doprava i veřejná doprava a nákladní doprava stále více směřuje ke snižování emisí. V naší škole baterií, postupně uveřejňované na portále Proelektrotechniky.cz, se zaměříme na oblasti dopravy, kde se používají baterie. Právě baterie budou nedílnou součástí všech vozidel, která aktivně snižují množství emisí, ať už jsou to hybridní vozidla, čistě elektrická nebo ty s pohonem na palivové články. 



Naše tipy























Copyright © 2012 – 2021 Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services