Patarei (aku) — mis see on, kuidas töötab ja põhiliigid

Patarei: kuidas keemiline energia muutub elektriks, tööpõhimõte, esmane vs sekundaarsed tüübid ja kasutus mobiilidest elektriautoni — juhend õige aku valimiseks.

Patarei muundab keemilise energia elektrienergiaks keemilise reaktsiooni abil. Tavaliselt on patarei sees eraldi anood, katood ja elektrolyüt, milles toimuvad reaktsioonid. Need kemikaalid on suletud patarei korpuses ning vooluahelas ühendatuna annavad nad elektrit teistele komponentidele. Patarei toodab alalisvoolu (DC) — ehk elektrienergiat, mis voolab ühes suunas ja ei vaheta suunda.

Kuidas patarei töötab

Patareis toimuvad redoks-reaktsioonid: üks elektrood annab elektrone (oksüdeerub) ja teine elektrood neelab elektrone (redutseerub). Elektronid liiguvad läbi välise koormuse (nt lamp või mootor) ühest elektroodist teise, samal ajal liiguvad ioonid läbi elektrolyüdi, et säilitada elektrilist tasakaalu. Selle protsessi tulemusena muundub patareis oleva kemikaalide energia elektrienergiaks.

Põhiliigid

• Primaarpatareid — ühekordselt kasutatavad patareid (nt tseesium- või alkalipatareid). Kui keemilised reaktsioonid on lõpule jõudnud, visatakse see patarei ära, sest seda ei saa laadida.
• Sekundaarpatareid — laetavad akud (nt liitium-ioon, plii-aku, NiMH). Neid saab laadida ja kasutada korduvalt, kuni nende mahtuvus väheneb kulumise tõttu.
• Levinud keemiad: alkaliin (alkalipatarei), lepakk (lead-acid), NiMH (nikkel-metallhüdriid) ja liitium-ioon (Li-ion). Igal liigil on erinev energiatihedus, tööpinge, kaalu ja tööiga.

Olulised näitajad ja mõisted

• Nimipinge — patarei pinge tüübiliselt vabalt (nt AA-alcaline ~1,5 V, Li-ion aku ~3,6–3,7 V).
• Mahutavus (mAh või Ah) — kui palju elektrilaengut aku saab anda; suurem väärtus tähendab pikemat tööaega samal koormusel.
• Sisemine takistus — mõjutab, kui hästi aku suudab anda suurt voolu; suurem takistus vähendab pinget koormuse all.
• Isetühjenemine — aku kaotus laengust tühikäigul; erinevatel keemiadel on erinev isetühjenemise määr.

Laadimine, hooldus ja eluiga

• Sekundaarakude (laetavate) puhul on oluline kasutada õiget laadimisalgoritmi: nt Li-ion akud nõuavad konstantse voolu / konstantse pinge (CC/CV) laadimist.
• Liitiumpatareide ja pliiakude puhul võib vale laadimine või sügav tühjenemine lühendada aku eluiga või põhjustada ohutusriske.
• Temperatuur mõjutab oluliselt aku jõudlust ja eluiga — liiga külm vähendab hetkmahutavust, liiga kuum kiirendab vananemist.

Ohutus ja keskkond

• Patareid sisaldavad sageli mürgiseid või keskkonnale ohtlikke aineid (nt plii, kadmium, elavhõbe või mõnikord tuleohtlikud orgaanilised elektrolüüdid). Seepärast tuleks neid õigesti käidelda ja ära anda taaskasutusse.
• Ärge avage ega kahjustage patareisid, ärge visake tulele ega üritage külmutada või lühistada. Vigastatud või paisunud aku võib lekkida, süttida või plahvatada.
• Paljudes riikides on olemas spetsiaalsed kogumispunktid ja taaskasutusprogrammid patareide jaoks; ära viska neid tavalisse olmeprügisse.

Kus ja miks patareisid kasutatakse

Elektri kasutamine hoone pistikupesast on odavam ja tõhusam, kuid aku võib pakkuda elektrit piirkondades, kus puudub elektrivõrk. See teeb akut oluliseks varustuse osaks hädaolukordades, mobiilses tarbimises ja iseseisvates süsteemides. Akusid kasutatakse laialdaselt nii statsionaarsetes energiavarudes kui ka liikuvates seadmetes, näiteks elektrisõidukite ja mobiiltelefonide akudes.

Nõuanded pikaajaliseks kasutamiseks

• Püüa hoida laetust keskmise taseme lähedal (eriti Li-ion akude puhul vältida pidevat 100% hoidmist ja sügavat tühjenemist).
• Säilita patareisid ja akusid jahedas ja kuivas kohas, eemal otsesest päikesest ja rõhuallikatest.
• Kui seadet ei kasutata pikalt, eemalda eemaldatavad patareid korrosiooni ja lekete vältimiseks.

Kokkuvõttes on patareid laialt kasutatavad seadmed elektrienergia varustamiseks sõltumatult võrgust: nad muundavad keemilise energia elektrienergiaks, esinevad nii ühekordselt kasutatavatena (primaarsetena) kui ka taaskasutatavatena (sekundaarsetena), ja nende valik sõltub rakendusest, soovitud energiatihedusest, ohutusnõuetest ning keskkonnamõjudest.

Keemia aku sees

Aku võib olla üks või mitu akut. Igal elemendil on anood, katood ja elektrolüüt. Elektrolüüt on peamine materjal aku sees. See on sageli mingi happe tüüp ja võib olla ohtlik, kui seda puudutada. Anood reageerib elektrolüüdiga, et toota elektrone (see on negatiivne või - ots). Katood reageerib elektrolüüdiga ja võtab elektrone (see on positiivne või + ots). Elektrivool tekib siis, kui anoodi ja katoodi ühendab juhe ja elektronid liiguvad ühest otsast teise. (Kuid akut võib kahjustada ainult kahe otsa ühendav juhe, seega on vaja ka koormust kahe otsa vahel. Koormus on midagi, mis aeglustab elektronide liikumist ja teeb tavaliselt midagi kasulikku, näiteks lambipirn taskulambis või elektroonika kalkulaatoris).

Elektrolüüt võib olla vedel või tahke. Olenevalt elektrolüüdi tüübist nimetatakse akut märg- või kuivakuumakuks.

Akus toimuvad keemilised reaktsioonid on eksotermilised reaktsioonid. Seda tüüpi reaktsioon tekitab soojust. Näiteks kui jätate sülearvuti pikaks ajaks sisse lülitatud ja seejärel akut puudutate, on see soe või kuum.

Laetav aku laetakse akus toimuva keemilise reaktsiooni ümberpööramise teel. Kuid laetavat akut saab laadida ainult teatud arvu kordi (laadimisaeg). Isegi sisseehitatud akusid ei saa igavesti laadida. Lisaks sellele väheneb iga kord, kui akut uuesti laetakse, selle võime hoida laengut veidi. Mitte-laetavaid patareisid ei tohiks laadida, sest neist võivad välja voolata mitmesugused kahjulikud ained, näiteks kaaliumhüdroksiid.

Rakke saab ühendada, et moodustada suurem aku. Ühe elemendi positiivse elemendi ühendamist järgmise elemendi negatiivsega nimetatakse nende ühendamiseks jadasse. Iga aku pinge liidetakse kokku. Kaks kuuesvoldilist akut, mis on ühendatud järjestikku, annavad 12 volti.

Ühe elemendi positiivse elemendi ühendamist teise elemendi positiivsega ja negatiivse elemendi ühendamist negatiivsega nimetatakse nende paralleelseks ühendamiseks. Pinge jääb samaks, kuid voolutugevus liidetakse kokku. Pinge on rõhk, mis surub elektrone läbi juhtmete, seda mõõdetakse voltides. Vool on see, kui palju elektrone saab korraga minna, seda mõõdetakse amprites. Voolu ja pinge kombinatsioon on aku võimsus (vatt = volti x amprit).

Paralleelselt ühendatud akud - näidatud skeemil ja joonisel

Patareide tüübid

• Kuivad elemendid, elemendid, mis ei sisalda elektrolüüdina vedelikku (või sisaldavad immobiliseeritud vedelikku, näiteks pastat või geeli).
• Primaarelement, elemendid, mida ei saa uuesti laadida.
• Leelispatarei, "leelispatarei", mitte laetav
• Elavhõbeda aku, mitte laetav
• Leclanche aku, "super heavy duty", mitte laetav
• Liitium aku, mitte laetav, "mündi element".
• Hõbeoksiidist aku, mitte laetav, kellapatarei
• Voltaic kuhja, Allesandro Voltas esimene aku
• Sekundaarne raku, laetavad rakud
• Hermeetiline plii aku
• Liitium-ioonaku, laetav, mida kasutatakse mobiiltelefonides ja sülearvutites.
• Nikkelkaadmium aku, "NiCd", laetav
• Nikkel-metallhüdriid aku, "NiMH", laetav
• Nikkel-tsink aku

• märjad elemendid, elemendid, mis sisaldavad elektrolüüdina vedelikku
• Plii aku, laetav, autoaku
• Nikkelraudpatarei, laetav, Edisoni patarei
• Kütuseelement, mida laetakse kütuse lisamisega

Autoaku vaade ülevalt

Küsimused ja vastused

K: Mis on patarei?

K: Kuidas toodab aku elektrit?

K: Kus hoitakse patareis kemikaale?

K: Mis vahe on primaar- ja sekundaarpatarei vahel?

K: Miks on patareid kasulikud?

K: Kas hoone pistikupesast saadava elektri kasutamine on odavam ja tõhusam kui aku kasutamine?

K: Millist liiki elektrit toodab aku?

Otsing