Wie lädt sich ein Akku auf?

Okay, ich sollte das wahrscheinlich wissen, aber ich weiß es nicht. Für ein Schulprojekt muss ich in der Lage sein, eine 12-V-Batterie von einer Lichtmaschine zu laden. Woran ich festhalte, ist die Art und Weise, wie Batterien (im Allgemeinen) geladen werden. Geht nur alte Spannung in die Batterie? Oder ist es etwas mehr?

Die Methode zum Laden einer Batterie, während sie effektiv ist, aber keinen Schaden anrichtet, hängt von der Batteriechemie ab.

Da Sie eine "12V" -Batterie haben, ist es vermutlich ein Blei-Säure-Typ, wie Sie ihn in Autos finden. Blei-Säure ist im Gegensatz zu anderen Chemikalien, insbesondere bestimmten Arten von Lithium, ziemlich verzeihend, wie sie geladen werden können. Laden Sie grundsätzlich eine Bleisäure mit einer Leistung, die sowohl strom- als auch spannungsbegrenzt ist. Die Spannungsgrenze für Autobatterien beträgt normalerweise 13,6 V. Der maximale Strom hängt von der Größe der Batterie ab. Eine normale Autobatterie kann problemlos mehrere Ampere aufnehmen. Zum Beispiel funktioniert ein Netzteil, das auf 5 A und 13,6 V begrenzt ist, zum Laden normaler Autobatterien einwandfrei, obwohl dies nicht den maximal zulässigen Strom drückt. Dies bedeutet, dass die Spannung auf nicht mehr als 5 A oder der Strom auf nicht mehr als 13,6 V abfällt, je nachdem, welcher Wert niedriger ist. Hardware- und Autohäuser verkaufen Ladegeräte für Autobatterien, in die all dies eingebaut ist. Das einzige Problem ist ein Ladegerät, das als "schnell" beworben wird und die Batterie möglicherweise missbraucht. Ein vollständiger Ladevorgang sollte einige Stunden dauern, obwohl der Akku die meiste Zeit nicht schwach genug sein sollte, um dies zu erfordern.

Wenn Ihr Akku kleiner ist, müssen Sie das Datenblatt ausgraben oder die technischen Daten dafür abrufen und sicherstellen, dass das Ladegerät nicht zu viel Strom erzeugt.

Wenn Ihre Batterie nicht Blei-Säure ist, können die Dinge ganz anders sein. In diesem Fall müssen Sie wirklich die Spezifikationen erhalten, die das erforderliche Ladeprofil enthalten sollten. Wenn Sie dies falsch verstehen, insbesondere bei einigen Arten von Lithium, kann dies zu Pyrotechnik führen.

Batterien sind eine Stromquelle, und diese Leistung ist durch zwei Dinge gekennzeichnet: Spannung (Volt) und Strom (Ampere). Wenn Sie sich die Batterie (in diesem Fall 12 V) genauer ansehen, bedeutet dies, dass die Batterie a liefern kann Maximale Potentialdifferenz von 12 V zwischen den Kontakten. Mit derselben ist auch eine Nennleistung verfügbar. Ein Handy-Akku kann 1300 mAh bei 3,2 V anzeigen, was bedeutet, dass der Akku 1 Stunde lang 1300 mA Strom bei 3,2 V liefern kann. Die Chemikalien in der Batterie reagieren etwas und erzeugen eine Potentialdifferenz. Die Reaktion stoppt bei einer bestimmten Potentialdifferenz, einer Spannung, über der die Reaktion nicht ablaufen kann (in Ihrem Fall 12 V), obwohl dies nicht bedeutet, dass die Batterie schwach ist! Wenn Sie Strom aus der Batterie ziehen, bieten Sie diesen Elektronen die Möglichkeit, sich von einem Ende zum anderen Anschluss zu bewegen und so die Reaktion zu ermöglichen. Die Reaktion wird fortgesetzt, bis ein Stromverbrauchsgerät an die Anschlüsse angeschlossen wird und die Chemikalien werden in der Reaktion verbraucht. Wenn die Batterie leer ist, wird dies durch eine fallende Klemmenspannung in Ihrem Fall identifiziert. Die Spannungspegel müssen unter 12 V fallen.

Jetzt kommt das Laden: Während des Ladevorgangs liefern wir eine Spannung (in Ihrem Fall 12 V oder mehr) in entgegengesetzter Richtung, dh die + ve Ihrer Ladequelle zu -ve der Batterie und -ve Ihrer Ladequelle zu + ve der Batterie, die dadurch erzeugt wird Ein Elektronenweg in entgegengesetzter Richtung für die zu ladende Batterie kehrt die chemische Reaktion um (dies ist der Unterschied zwischen wiederaufladbaren Batterien und nicht wiederaufladbaren Batterien, letztere hat keine reversible Reaktion) und versetzt die Chemikalien in einen Zustand, in dem sie geladen wurden und erzeugte eine Potentialdifferenz von 12V.

In gewisser Weise setzen wir die Chemikalien im Inneren in einen früheren Zustand zurück, wir speichern keine Elektronen im Inneren ... auch aufgrund der Driftgeschwindigkeit der Elektronen ist es für die Elektronen aus dem Sockel ziemlich unmöglich, Ihre Batterie zu erreichen, bevor dies der Fall ist voll aufgeladen.

Zum praktischen Laden kann ein Standardnetzteil Ihre Batterie zerstören (Konstantspannungsversorgung).

Stattdessen ist die einfachste Methode das Erhaltungsladen mit einem konstant kleinen Strom. Der genaue Strom hängt vom Batterietyp und der Nennleistung ab. (Spielen Sie auch nicht mit DIY-Ladegeräten, um Lithium zu explodieren, verwenden Sie NiCd oder Blei-Säure. Oder kaufen Sie einfach ein Ladegerät für Li-Akkus.)

Ich habe Batterien mit einem Laborgerät mit einem Überstromknopf aufgeladen.

Stellen Sie die Versorgungsspannung über die Arbeitsspannung der Batterie ein (also 14 V für eine 12-V-Spannung). Stellen Sie dann den Konstantstromknopf auf einen hohen Strom ein, um Batterien mit zu niedriger Spannung schnell aufzuladen. Wenn die Batteriespannung schnell ansteigt, fällt der hohe Strom für eine langfristige Erhaltungsladung auf einen kleinen Wert zurück.

Theorie:

Eine Batterie ist eine Ladungspumpe. Es zieht elektrische Ladung durch einen Anschluss ein, pumpt sie durch sich selbst und spuckt sie dann durch den anderen Anschluss aus. Im Inneren baut sich nie eine Ladung auf. Dies ist sinnvoll, da der Batterieelektrolyt ein guter Leiter ist und alle Batterien wie "Kurzschlüsse" mit sehr geringem Innenwiderstand wirken. Batterien werden aus leitfähigen Materialien hergestellt, und der Weg für den Strom führt durch die Batterie , durch den Elektrolyten zwischen den Platten und dann wieder heraus. Im Inneren baut sich nie eine Ladung auf.

Und bei Wasserpumpen baut sich im Inneren kein Wasser auf: Der Weg für den Strom führt durch und wieder heraus, genau wie bei Ladungspumpen.

Wenn wir also einen Akku "aufladen", speichern wir keine Ladung? Ja, das stimmt. Die gesamte elektrische Ladung in einer Batterie ändert sich nie.

Aber etwas ändert sich. Batterien sind Ladepumpen, chemisch betriebene Ladepumpen. Sie können nur "rennen", bis ihr chemischer Kraftstoff aufgebraucht ist. Wenn es weg ist, stoppt die Pumpwirkung. Das bedeutet, dass Ihre brandneue Taschenlampenbatterie voll mit chemischem Kraftstoff ist. Und eine "tote" Batterie hat ihren Kraftstoff verloren und enthält nur Abfallprodukte. Deshalb senden wir sie aus, um sie zu zermahlen und zu recyceln.

Was ist dann "Aufladen" von Batterien?

Ah, jetzt haben wir ein Problem mit Worten aufgedeckt. Batterien werden niemals mit elektrischer Ladung "aufgeladen". Sie sind nur mit Energie "aufgeladen", Energie in Form von chemischem Kraftstoff. Das Wort "Ladung" hat mehr als eine Bedeutung. (Und Kanonen erhalten eine Ladung Schießpulver. Bei einer vollständig "geladenen" Kanone handelt es sich nicht um Spannung, Ampere oder gar Coulomb!)

Das Laden und Entladen einer Batterie beinhaltet die Bewegung von "Ladungen" von Energie, gemessen in Joule oder Wattstunden usw. Nicht Coulomb. Immer wenn etwas Energie in eine Batterie oder aus einer Batterie fließt, fließen die Coulomb einfach durch.

Wiederaufladbare Batterien machen etwas sehr Seltsames. Wenn wir ihre "Strompumpe" rückwärts laufen lassen, zum Beispiel indem wir die Batterie an einen Generator anschließen ... dann werden die Abfallprodukte wieder in chemischen Kraftstoff umgewandelt! Das Zinkchlorid in Taschenlampenbatterien wird wieder in Zinkmetall umgewandelt. Oder das Cadmiumhydroxid in Ihrem NiCd-Akku wird wieder in Cadmiummetall umgewandelt. Dies ist die Umkehrung des normalen Batteriebetriebs, bei dem die Metallplatten Energie liefern, wenn sie sich auflösen, während die "Strompumpe" in Betrieb ist. Eine Metallplatte kann durch Korrosion Energie liefern. Und wenn wir eine Metallplatte "entkorrodieren" wollen, wird Energie von außerhalb der Batterie zugeführt.

Während der Batterieentladung sind die Metallplatten selbst der "chemische Brennstoff", der den Strompumpvorgang antreibt. Die Platten korrodieren, wenn die Batterie läuft, und das Metall verwandelt sich in gelöste chemische Abfallprodukte. Um eine Batterie "aufzuladen", zwingen wir den Strom einfach in die entgegengesetzte Richtung. Die Metallplatten werden galvanisiert. Sie verdichten sich und werden im Idealfall die gleichen wie im Neuzustand. Und idealerweise muss, wenn die Metallplatte eine bestimmte Energiemenge liefert, dieselbe Energie in die Batterie eingespeist werden, wenn wir die Metallplatte auflösen. Das "Laden" eines Akkus löst seine Metallplatte auf. Beim "Entladen" einer Batterie korrodiert ihre Metallplatte, um ein externes Gerät mit Strom zu versorgen.

Batterien sind kleine metallgenerierende elektrische Generatoren, es werden keine Dampfturbinen benötigt! Aber wenn wir bei normalen Kraftwerken die Turbinen rückwärts laufen lassen, während wir den Rauch zurück in den Kessel drücken, entsteht keine neue Kohle oder Öl!

Bei der mathematischen Analyse von Batterien ist alles recht einfach zu berechnen, da die Batteriespannung nahezu konstant ist.

Das heißt, wenn die Batterie in einem externen Stromkreis einen variablen elektrischen Strom erzeugt, sendet sie auch variable Energie in diesen Stromkreis, und die Energieflussrate ist proportional zu den Ampere. Die in einer Batterie enthaltene Gesamtenergie ist proportional zur durch sie gepumpten elektrischen Ladung. Ein Coulomb Ladung entspricht einer Ampere-Sekunde. (Ein Ampere, der eine Sekunde lang fließt, bedeutet, dass ein Coulomb Ladung durch die Batterie gelangt ist.)

Dies bedeutet, dass wir die Spannung (vorübergehend) ignorieren und dann die Energie in den Batterien in Ampere-Sekunden, Ampere-Stunden usw. schätzen können. (Beachten Sie, dass es Ampere- Zeiten- Sekunden sind, nicht Ampere- pro- Sekunde.)

Aber ... wurden jemals Verstärker in der Batterie gespeichert? Oder irgendwelche Amperestunden gespeichert? Nee. Amperestunden (multipliziert mit der konstanten Spannung) sind nur eine vereinfachte Abkürzung für Energie, und elektrische Energie basiert immer auf Spannung und Coulomb. Da wir nicht mit Coulomb elektrischer Ladung arbeiten wollen und stattdessen Ampere bevorzugen, ... und da die Spannung während des Ladens oder Entladens konstant bleibt, ... werden AH-Amperestunden zu unserer Hauptenergiebewertung. Ja, es ist ziemlich verdreht und schwer zu verstehen.

Energie ist tatsächlich Volt-Coulomb, was dasselbe ist wie Volt-Ampere-Sekunden, was gleich Volt mal AH mal 3600 ist. Aber wenn Volt gleich bleibt und 3600 gleich bleibt, dann treten alle Änderungen nur in der Ampere-Stunden-Bewertungen. Am Ende bewerten wir Batterien in Amperestunden. Die wahren Werte dahinter sind jedoch: Volt, mal die Gesamtzahl der Coulomb, die von der Batterie durch die Batterie gepumpt werden können .

Um die tatsächlich gespeicherte Energie zu berechnen, multiplizieren Sie Ampere-Sekunden mit Volt. Oder verwenden Sie Amperestunden mal 3600 s / h mal Volt. Das gibt uns die gesamten Joule chemischer Energie, die in einer Batterie gespeichert sind.

Leider überzeugt die Verwendung von Amperestunden alle davon, dass Amperestunden eine Energieform sind oder dass AH in der Batterie gespeichert wird. Oder dass Batterien mit elektrischer Ladung aufgeladen werden, obwohl sie tatsächlich nur mit Joule elektrischer Energie aufgeladen sind. Die elektrische Ladung in einer Batterie wird niemals größer oder kleiner.