Немного истории: открытие электричества

Луиджи Гальвани был итальянским врачом и любознательным ученым XVIII века. Во время эксперимента по изучению мышц лягушачьих лапок он обнаружил связь между слоями металлов и сокращением мышц. Когда Гальвани случайно коснулся мышц латунной палочкой, они дернулись. Он понял, что здесь задействовано электричество, но что именно произошло, стало ясно лишь несколько лет спустя.

Итальянский физик Алессандро Вольта на основе открытия Гальвани выяснил, что с помощью двух различных металлических дисков и пропитанного соленой водой кожаного диска между ними можно создать электрическое напряжение. Вольта сначала сложил цинковый диск, затем влажный кожаный диск и затем серебряный диск. Он повторил это несколько раз и создал вольтов столб – первую технически применимую батарею.

В честь этих научных открытий были названы:

• Физическая единица напряжения (вольт) в честь Вольта
• Комбинация из цинковых, серебряных и кожаных дисков как гальванический элемент

Гальванический элемент является основой для всех современных батарейных ячеек.

Немного основ: благородные и неблагородные металлы

Что представляет собой комбинация из серебра, цинка и соленой кожи? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо сначала объяснить несколько основных понятий.

Способность металлов отдавать и принимать электроны является основой для описания работы батареи:

Тип металла	Свойства	Примеры
Благородные металлы	Не ржавеют, мало реагируют с другими веществами, удерживают электроны и могут принимать дополнительные	Серебро, золото, платина
Неблагородные металлы	Очень реактивные, ржавеют, отдают электроны	Цинк, железо, алюминий

Основные термины технологии батарей

Анод: Отрицательный электрод (минусовой полюс), состоит из неблагородного материала, отдает электроны.

Катод: Положительный электрод (плюсовой полюс), состоит из благородного материала, принимает электроны.

Электролит: Жидкость или твердое вещество, которое с помощью заряженных частиц (ионов) может проводить электрический ток.

Сепаратор: Разделяет анод и катод, но пропускает ионы – предотвращает короткое замыкание.

Принцип работы в деталях: процесс разряда

Стандартная батарейная ячейка состоит из четырех компонентов:

1. Анод (минусовой полюс)
2. Катод (плюсовой полюс)
3. Электролит
4. Сепаратор

Как работает разряд:

1. Отдача электронов: Неблагородный анод отдает электроны, которые через провод переходят к катоду
2. Образование ионов: Из-за недостатка электронов в аноде образуются положительно заряженные ионы
3. Перемещение ионов: Ионы растворяются в электролите и проходят через сепаратор к катоду
4. Два отдельных потока:
   • Поток электронов через провод (практически полезный!)
   • Поток ионов через электролит
5. Воссоединение: В катоде электроны и ионы снова соединяются

Поток электронов – это постоянный ток – он всегда течет в одном направлении и может быть использован для питания электрических устройств. Таким образом, химическая энергия преобразуется в электрическую.

Процесс зарядки: все наоборот

При зарядке зарядное устройство прикладывает обратное напряжение. Это приводит к обратному процессу:

1. Катод "теряет" свои электроны, которые переходят к аноду
2. Ионы высвобождаются из материала катода
3. Ионы перемещаются через электролит и сепаратор к аноду
4. В аноде ионы и электроны снова накапливаются

Батарея снова заряжена и готова к следующему циклу разряда.

Важные термины и единицы

Срок службы и циклы зарядки

Цикл зарядки – это процесс полного разряда и зарядки. Современные литий-ионные батареи в зависимости от типа выдерживают от 1.000 до 4.000 циклов.

Глубина разряда (DoD – Depth of Discharge)

Глубина разряда показывает, на сколько процентов батарея разряжена:

• 0% DoD = батарея полностью заряжена
• 100% DoD = батарея полностью разряжена (избегать!)

Каждый тип батареи имеет максимальную рекомендованную глубину разряда. При ее превышении батарея повреждается.

C-Rate: скорость зарядки и разрядки

C-Rate описывает соотношение между мощностью зарядки/разрядки и емкостью:

C-Rate = Мощность (кВт) / Емкость (кВтч)

C-Rate	Время зарядки/разрядки	Значение
0,25C	4 часа	Бережная зарядка
0,5C	2 часа	Стандартный домашний накопитель
1C	1 час	Быстрая зарядка
2C	30 минут	Высокая мощность

Пример: Батарея с мощностью 10 кВт и емкостью 20 кВтч имеет C-Rate 0,5C – она заряжается или разряжается за 2 часа.

Энергетическая плотность

Соотношение между накопленной энергией и объемом:

• Объемная: Втч на литр (Втч/л)
• Гравиметрическая: Втч на килограмм (Втч/кг)

Литий-ионные батареи с LFP-катодами достигают около 200 Втч/кг – значительно больше, чем свинцово-кислотные батареи.

Эффект памяти

Это явление описывает снижение емкости из-за зарядки не полностью разряженной батареи. Батарея "запоминает" укороченный цикл зарядки и отдает только соответствующую часть емкости.

Полезно знать: Современные литий-ионные батареи практически не подвержены эффекту памяти – в отличие от старых никель-кадмиевых батарей.

Обзор: основные единицы

Для работы с батареями и солнечными установками важны некоторые единицы и показатели. Следующая таблица обобщает основные величины:

Единица	Название	Значение
кВт	Киловатт	Мощность (работа за время)
кВтч	Киловатт-час	Количество энергии (1 кВт в течение 1 часа)
кВтп	Киловатт-Пик	Максимальная мощность солнечной установки
% (η)	КПД	Полезная / затраченная энергия
C	C-Rate	Мощность зарядки/разрядки / Емкость
% DoD	Глубина разряда	Глубина разряда

Заключение

Кто хочет углубиться: Литий против свинца: какая батарея для солнечной установки?

---

Полная серия статей «Накопители энергии для солнечных установок»

1. От лягушачьих лапок до батарей: как работает накопитель энергии? – Вы здесь
2. Литий против свинца: какая батарея для солнечной установки? – Сравнение технологий
3. Электроника мощности: инверторы и DC-DC преобразователи – Преобразование тока
4. Универсал: гибридный инвертор – Все в одном устройстве
5. AC или DC? Топологии систем для солнечных установок – Концепции установок

Источники

• IWD: Как работает E-батарея
• Chemie.de: Батарея
• LEIFIchemie: Строение гальванических элементов
• LEIFIphysik: Луиджи Гальвани
• Chemie.de: Вольтов столб