1. Home
  2. Life
  3. Anoda, katoda i nešto između (I deo)
Anoda, katoda i nešto između (I deo)

Anoda, katoda i nešto između (I deo)

1.72K
13

Sve o baterijama (I deo)

Svi mi, zaljubljenici u automobile, smo svedoci sve češćih naslova “U Republici XXX aktivirana zabrana prodaje konvencionalnih automobila od 2025/2030/2035” ili s druge strane “XXX odustaje od proizvodnje motora s unutrašnjim sagorevanje, a odsada će svi njihovi modeli dolaziti kao blagi hibridi / hibridi / električna vozila“.

Dame i gospodo, vreme je da prihvatimo sudbinu. Električna vozila su tu, i ne idu nigde. Možemo da se ljutimo, da bojkotujemo šta hoćemo, ali da pobegnemo od njih nećemo moći. Zato nam ne ostaje ništa drugo nego da upoznamo neprijatelja 🙂

Gde su razlike? Pa imamo sedišta. Imamo volan, instrument tablu i sigurnosne pojaseve. Neke dobre „alu-felne“ i gume. Motor imamo. Samo što „ide na baterije“ umesto na benzin. Baterije!? E, dajte da se malo pozabavimo njima.

Motori su tu odavno, i oni ostvaruju visok koeficijent korisnosti. Između 85 i 90% energije koju oni konzumiraju se pretvori u koristan rad, dok svega 10 do 15% iste ode u vetar. Ali, zato su baterije rak-rana električnih vozila. Domet s jednim punjenjem, težina pakovanja baterija, trajanje punjenja baterija… Sve ovo su problemi s kojima se električna vozila susreću. S obzirom na trend u industrji, rešenja za pobrojane probleme će se pojaviti. Koja će biti, e to niko ne može reći. Ali ono što možemo je da se upoznamo sa njima, da shvatimo šta su i kako rade. Jednog dana – to će nam svima trebati.

Tipovi baterija

Baterija – akumulator. Gde je razlika i da li uopšte postoji? Generalno gledano, sve su to baterije. U engleskom ili u nemačkom jeziku, uvek ćete naći termin “baterija”. U slučaju da tražite nešto od dokumentacije vezano za ovu temu na stranim jezicima, zapadno od Beograda uvek ćete videti samo korišćenje termina “baterija” a istočno je to “akumulator”.

 

Ono što se odomaćilo u našem jeziku je činjenica da elemente za jednokratnu upotrebu (u daljinskim upravljačima, kuhinjskim vagama, dečijim igračkama i slično) nazivamo “baterijama” a one elemente koje možemo ponovo da napunimo nazivamo akumulatorima, zbog mogućnosti da “akumuliraju” energiju.

Nepunjive baterije nazivamo još i “primarnim” jer se bacaju nakon prve upotrebe a punjive zovemo “sekundarnim”, jer ih možemo ponovo koristiti. Radi lakšeg snalaženja i pisanja, odsad pa nadalje ćemo sve elemente nazivati: baterijama. Na kraju krajeva, dokumentacija vezano za ovo uvek koristi taj termin, pa da ne komplikujemo više, ako neko bude hteo još da „kopa“ o ovoj temi.

Dolazimo do prve stvari koju bih voleo da zapamtite: baterije u sebi ne “skladište” nikakvu struju već u sebi čuvaju hemijsku energiju koja će se po potrebi na kontrolisani način pretvoriti u električnu energiju! Ovo važi za sve vrste i tipove baterija: velike, male, iz igračke, iz atomskog sata, iz komšijinog Yuga, iz autobusa GSP-a…uvek i stalno!

Kad smo kod toga, baterije delimo prema hemijskim elementima unutar nje, pri čemu su to oni koji međusobnim interakcijama dovode do stvaranja pomenute struje, pa tako postoje prastare NIkl-metal hibrid (NiMh), zatim najrasprostranjenije u automobilskom svetu su olovne baterije (Pb), i baterije novije generacije koju čine litijum- jonske (Li-ion) i litijum-gvožđe-fosfatne (LiFePo4) i one koje su budućnost. i tek treba da naprave iskorak u vidu grafena (Graphene CnPo) i litijum metal baterija u čvrstom stanju (ovde je elektrolit umesto gela zamenjen metalom u čvrstom stanju). Ovde samo još da preporučimo veoma edukativan članak o grafenu koji je objavljen ranije.

Ima ih još dosta ali kako ovo nije akademsko delo, niti je tako zamišljeno, mi ćemo se u daljem tekstu pozabaviti samo olovnim, onim koje se koriste u skoro svim našim vozilima i litijum-jonskim koje Tesla koristi, jer ipak oni su reper za sve ostale proizvođače, kada pričamo o autonomiji, ali i o snazi baterija.

E sad na sve ovo, baterije delimo još na: trakcione, stacionarne i startne. Trakcione baterije koriste električna vozila za pogon svojih motora. Stacionarne baterije su recimo one koje ćete naći u vašim satovima i daljinskim upravljačima, ili još važnije u industrijskim izvorima rezervnog napajanja (UPS). Startne baterije su one koje ćemo naći ispod haube vašeg vozila, one koje koristimo za pokretanje SUS motora i napajanje potrošača kada motor ne radi.

Zbunjeni malo? Ne brinite biće samo još gore.

Osnovni principi rada

Prvo da raščistimo nešto: osnovne oznake na automobilskim baterijama. Recimo kupili ste 12V; 95 Ah; 800A za vaš automobil. Šta sve ovo znači? Krenimo redom.

12V: nominalni napon koji će dati naša baterija. Izuzetno je bitno da napon bude odgovarajuć prema sistemu u vašem vozilu. U suprotnom, izazvaćete havariju na svim elektro komponentama jer je sve dimenzionisano tako da radi (izolacija na provodnicima, radni napon motornog računara…) sa 12V, a ne više od toga.

95Ah: amper-satni kapacitet. On prikazuje ukupnu količinu električne energije uskladištene u bateriji. Amper-sat predstavlja količinu električne energije kada struja od 1 Ampera prolazi tokom jednog sata. Kapacitet Amper-sata varira u zavisnosti od brzine pražnjenja baterije: što se pražnjenje odvija sporije, veća je količina električne energije koju će baterija isporučiti. Kapacitet Amper-sata je količina električne energije koju će baterija isporučiti tokom 20 sati pre nego što napon padne na 10,50V, pri čemu se smatra da je ovo napon na kome dolazi do nepovratnog oštećenja baterije. Na primer, baterija od 60Ah isporučuje struju od 3A tokom pomenutih 20 sati. Ali, ako je opteretimo sa 5A onda će nas ona služiti svega 12 sati.

800A: Struja hladnog starta vozila. Označava se inače sa CCA (Cold Cranking Amps), i to bi bile jednostavno rečeno performanse baterije prilikom startovanja vozila. Tada će motor starter (ili anlaser, kako vam draže) povući veliku struju za pokretanje zamajca koji opet pokreće motor. Jednostavno rečeno, što je veći CCA, to će lakše biti pokretanje vozila.

Ovo su bile neke elementarne oznake na baterijama, i nekako ono što će vam najčešće trebati u svakodnevnici pa bi bilo šteta da ih nismo pomenuli. Inače, postoji još dosta oznaka: MCA (Marine Cranking Amps), tip baterije, tip elektrolita, polaritet, izvođenje priključnih polova, RCM (Reserve Capacity Minutes)… ali zaista ne bi trebalo dodatno širiti ionako složenu priču.

A šta je inače Volt, Amper, Vat?

Volt (V) je merna jedinica za električni napon i najprostije rečeno, napon je razlika u električnom potencijalu koji dobijemo kada izvršimo merenje između neke dve tačke u strujnom kolu. Još jednostavnije: ima napona – ako ubacimo neki električni potrošač u strujno kolo biće i struje. Nema napona – ubacite šta god hoćete i neće biti struje.

Amper (A) je merna jedinica za električnu struju. Strujom se definiše usmereno kretanje elektrona (naelektrisanja) unutar provodnika u električnom kolu usled pojave razlike električnog potencijala (prethodno pomenutog napona).

A Vat? Vat (W) je oznaka za snagu i predstavlja količinu prenete energije u datom električnom kolu. Vat se u ovom našem slučaju dobija prostim množenjem vrednosti struje i napona u datom kolu, ili pojedinačnom elementu električnog kola.

Recimo imamo jedan uređaj u električnom kolu koji radi na 12V i merimo da kroz njega ide struja od 10A. Odatle dobijamo da je njegova snaga 12 x 10 = 120W. Moram da naglasim da ovako prosto računanje snage važi samo za kola jednosmerne struje (DC). Kod naizmenične struje (AC) ovo je daleko kompleksnije.

Kasnije ćemo doći do oznake kWh. Ona označava Vat-sat i koristeći analogiju sa amper-satom, to je snaga od jednog kilo-Vata koja će se proizvesti, ili utrošiti u nekom električnom kolu. Ova jedinica je u upotrebi od strane proizvođača električnih vozila da bi vam dali koji je tačan kapacitet vaše baterije, preko čega vi opet možete da dođete do autonomije kretanja tog vozila ili vremena potrebnog za punjenje baterije.

Da bi bolje razumeli, uzmimo za primer da imate vozilo sa baterijom od 100kWh. Baterija je skroz prazna a vi ste našli punjač maksimalne snage od 50kW. Taj punjač će vaše baterije napuniti za dva sata ( 50kW x 1h = 50kWh odnosno 50kW x 2h = 100kWh). To je poprilično jednostavno kod punjenja, računanje autonomije je mnogo veći izazov.

Kao i kod klasičnih vozila potrošnja zavisi od uslova na putu, brzine kretanja vozila, pa i temperature. Ali čisto primera radi, uzmimo ponovo za primer da imate vozilo sa baterijom od 100 kWh, a recimo vaš automobil sa 1kWh je u stanju da prevali 6 kilometara (Tesla Model 3 na primer je negde na koti od oko 6,5 km po kWh). Ovaj podatak o tome koliko je autonomija sa jednim kilovat satom daje proizvođač, kao što sada daje potrošnju benzina, ili nama Balkancima milijeg dizela. Onda prostom logikom dolazimo do: 6 km / kWh x 100kWh = 600 km.

Svestan sam da je većini vas sve ovo izuzetno zbunjujuće, pogotovo ako nikad niste imali dodira sa elektro-strukom. Ali. s obzirom na činjenicu da govorimo o nečemu što nam daje električnu energiju, nema nam druge nego da se upoznamo sa mernim jedinicama koje se u tom svetu i koriste. Verujte da sam sve ovo maksimalno pojednostavio i uprostio (neki će reći da je i previše banalizovano) da bi većina, i ona koja nije iz sveta struje mogla da shvati.

A sad da vidimo kakve se vradžbine dešavaju unutar baterije i kako mi dobijamo struju iz nje.

Olovna baterija

U osnovi svake baterije je jedna baterijska ćelija. Ona se sastoji iz anode, katode i elektrolita. Ovo važi za apsolutno i bukvalno za sve baterije, nebitno je od čega i kako je napravljena.

Kada govorimo o bateriji anodom se smatra negativna elektroda a katodom pozitivna. E sad, zašto to ne bismo još zakomplikovali? Ako je baterija puna, i počne njeno pražnjenje, taj raspored je validan. Ali prilikom punjenja pošto struja ulazi u nju, obrnuto od pražnjenja, i ove dve uslovno rečeno menjaju mesta. To znači da anoda postaje katoda – a katoda anoda. No, u svoj tehničkoj literaturi koju možete naći vezano za baterije proizvođači koriste anoda je “-”, katoda je “+”. U daljoj priči mi ovo koristimo kao standardnu postavku stvari.

Anoda je ploča od čistog olova. One se dobijaju tako što se kockaste mreže od olovne legure oblažu čistim olovom. Ova mreža se koristi da bi se olovo ravnomerno rasporedilo po celoj površini ploče i da bi ploča mogla da stoji. Ukoliko bi sve bilo izrađeno od olova, ona bi se samo savila i urušila jer je olovo izuzetno mekan materijal.

Katoda se pravi na identičan način, samo što se ovde ploča oblaže olovo-oksidom.

Veličina pomenute ploče određuje maksimalnu struju koju će baterija dati, a materijal i broj ploča određuje napon baterije.

Sada kada imamo dve različito naelektrisane ploče moramo nečim da ih razdvojimo. To ćemo učiniti tako što pozitivnu elektrodu oblažemo materijalom nazvanim separator, a koji fizički odvaja ploče ali je toliko porozan da dozvoljava elektronima da prelaze sa jedne na drugu stranu. Većina modernih separatora napravljena je od mikroporoznog polietilena, koji ima prava svojstva da zadovolji zahtevne uslove u bateriji.

Sada uzimamo broj ploča potreban za određeni napon i dobili smo jednu ćeliju. Napon jedne ćelije uglavnom iznosi 2,1 do 2,2V i zato svaka baterija u kolima ima 6 ćelija. To znači da baterija prilikom montaže u vaše vozilo treba da ima vrednost od najmanje 12,2V a idealno je sve preko 12,4V. Ukoliko vidite očitavanja koja pokazuju nekih 11V to je znak da je na ćelijama te baterije došlo do kristalizacije sumporne kiseline, pa je samim tim došlo do smanjenje njihova radne površine i nemogućnosti poštovanja naznačenih parametara baterije. Jednostavno, to je za otpad.

Imamo naših 6 ćelija, ubacili smo ih u kućište i povezali na red: minus jedne ćelije je vezan na kraj druge i tako ukrug. Na ovaj način smo dobili željenu vrednost napona. 6×2,1=12.6.

Ukoliko vam ikad zatreba, kapacitet baterije možete da povećate tako što ćete ih vezati paralelno. Ovako voltaža ostaje ista, ali je kapacitet uvećan za broj baterija/ćelija. Sva moguća povezivanja i prevezivanja baterija vam najiskrenije savetujem da prepustite licima koja su kvalifikovana za rad s njima. Pogrešno spojene krajeve baterija nikako ne želite jer u najboljem slučaju ćete dobiti nepopravljiva oštećenja na uređajima i alatima, a u najgorem može imati ozbiljne posledice po vaše zdravlje. Još jednom vas molim, video sam šta baterije mogu da urade, ne igrajte se sa njima!

I đavolska posla mogu da krenu. Sumporna kiselina će reagovati sa pločama i doći će do stvaranja viška elektrona na jednoj od njih. Kada dodamo neki elektro-potrošač, dobićemo tok struje, elektroni će uslovno rečeno preći na “drugu” stranu, i proces “razmene elektrona” se ponavlja sve dok se materijal u elektrolitu ne “istroši” to jest, rastvor sumporne kiseline će se previše razrediti a ploče će biti prekrivene olovo-sulfatom.

Ukoliko se ovo pražnjenje desi iznad neke granice ili se ponovi dosta puta doći do pojave da će neki od elemenata sumporne kiseline nataložiti na ploči u vidu kristala sumporne kiseline i neće više učestvovati u procesu hemijske reakcije i na taj način će se umanjiti efikasnost baterije. Punjenjem akumulatora, to jest obrnutim procesom gde struju uslovno rečeno “vraćamo”, kompletna hemijska reakcija se ponavlja: elektroni se vraćaju na svoja mesta u olovnim pločama, što dovodi do razlaganja olovo-sulfata i povratka elemenata sumporne kiseline u rastvor.

Ovo bi bio najjednostavnije moguće opisan proces koji se dešava unutar jedne baterije i usled koga smo mi u mogućnosti da dobijemo određenu struju za naše potrošače. Uz sve ovo idu i određeni problemi ili poteškoće u radnom veku baterije i oni su oličeni u: “maintenance free” baterijama (one koje ne zahtevaju održavanje), prepunjavanju baterija, dubinskom pražnjenju, kristalisanju sumporne kiseline, maksimalnom broju ciklusa punjenja i pražnjenja, nedovoljnom punjenju…

Zatim, tu su i nove tehnologije izrade i tipovi baterija kao što su: AGM (Absorbent Glass Mat), EFB (Enhanced Flooded Battery), GEL Baterije… Ali jednostavno, zasad mi se čini da je i ovo previše. Ukoliko se ispostavi da postoje zainteresovani ljudi i za ovo, obradićemo sve na kraju.

Litijum-jonske baterije rade na poprilično sličnom principu. Naime, kod njih su ploče od dva različita materijala. Kod Teslinih baterija govorimo o nečemu što nazivamo “elektro-hemijski potencijal”. A šta je sad pa to kog đavola?! Elektro-hemijski potencijal je tendencija metala i drugih materijala da se oslobodi elektrona.

Kao i svaki potencijal i taj možemo iskazati u V(oltima). U zavisnosti od materijala, taj broj varira, pa recimo bakar ima vrednost od –0,34V a cink od 0,76V. Ukoliko uzmemo ova dva elementa kao ploče za bateriju, ukupna vrednost u razlici potencijala između njih je 1,10V a čim imamo razliku potencijala dobićemo i neku struju. A najveseliji element od svih je: litijum!

Otuda i toliko pompe oko njega jer je njegov potencijal nekih 3,04V što nam daje dosta dobru startnu poziciju za kvalitetnu bateriju. Ali, ovde je proces dosta složeniji od onog kod olovne baterije, pa ćemo probati da to nekako “razbijemo”.

Zato, to ostavljamo za sledeće druženje. Biće mi drago da sva dodatna pojašnjenja iznesem kroz komentare, ili čak i novi članak, ako se za tim ukaže potreba.

Dejan Stanković

(1719)

Komentari objavljeni na portalu "Auto Republika" ne odražavaju stav vlasnika i uredništva, kao ni korisnika portala. Stavovi objavljeni u tekstovima pojedinih autora takođe nisu nužno ni stavovi redakcije, tako da ne snosimo odgovornost za štetu nastalu drugom korisniku ili trećoj osobi zbog kršenja ovih Uslova i pravila komentarisanja. Strogo su zabranjeni: govor mržnje, uvrede na nacionalnoj, rasnoj ili polnoj osnovi i psovke, direktne pretnje drugim korisnicima, autorima novinarskog teksta i/ili članovima redakcije, postavljanje sadržaja i linkova pornografskog, politički ekstremnog, uvredljivog sadržaja, oglašavanje i postavljanje linkova čija svrha nije davanje dodatanih informacija vezanih za tekst. Redakcija "Auto Republike" zadržava pravo da ne odobri komentare koji ne poštuju gore navedene uslove.
guest
13 Komentara
Inline Feedbacks
View all comments
Bungi

Ovo što si izjavio podebljanim slovima je veoma smjela izjava.Mnogo prije tebe, neki su takođe tvrdili da je zemlja ravna.Da rasčistimo nešto.Automobilski akumulator je posuda sa hemijskim tvarima tako kombinovanim da omogućava skladištenje određene količine električne energije kad se priključi na izvor električne energije. Kad se akumulator priključi na potrošač električne energije nastaje usmjereno kretanje elektrona-električna struja.Potpuno ispražnjen akumulator ne može sam proizvoditi el. energiju zato što nije goriva ćelija.Kao što mu samo ime kaže, on je akumulator, može da akumuliše-uskladišti određenu količinu el. energije kad se priključi na izvor el. energije-alternator u slučaju automobila.Kao što Sokrat reče“Ja znam da… Pročitaj više »

Stari Dejan

Bungi, ta podebljana izjava je bukvalno definicija baterije koja se može naći u knjigama i naučnim radovima. Ako je dobra za to štivo dobra je i za mene. Ukoliko sam zbog toga „ravnozemljaš“, onda šta da ti kažem, očigledno da mnogo više i bolje znaš nego ja.
Dalje, govoriš o definiciji struje koju sam ja već napisao gore. Da li si čitao išta dalje ili si stao kod podebljanog dela?

Bungi

Stao sam kod podebljanog slova😴

moron

Lep tekst. Možda je u cilju edukacije mogla i neka reč o značaju vrednosti parametra „struja hladnog starta“ pri izboru akumulatora. A možda i o razlici običnih i ovih „naprednih“ ( AGM i EFB ). Evo praktičan primer, znam da mi je na bivšem 308 1,6 HDI fabrički došao akumulator od 60Ah i 640A (ne sećam se brenda), a ja sam ga zamenio sa (Varta Silver) akumulatorom od 600A. I sada pogledam na sajt „energizer“, odem u konfigurator i on mi za taj motor (i to godište), kao „odgovarajuće“ nudi i „obične“ akumulatore 56Ah 480A, 60 Ah 540A, 63 Ah… Pročitaj više »

Stari Dejan

Vidi moron, meni je Zvezdan rekao koliko bi trebalo da bude dugačak tekst pa sam opet bio duplo duži. Jednostavno tema je previše obimna da bi se to jednostavno pokrilo. Razlika između klasičnih, AGM i EFB? Uh, najkraće moguće I gledano u odnosu na klasične akumulatore: EFB imaju 10% više snage, 3 puta veći životni ciklus i trpe velike struje punjenja. Idealni su za kola srednje veličine, sa start-stopom i ostalim igračkama. AGM imaju 20% više snage u odnosu na klasičnu bateriju, 4 puta veći životni ciklus i trpe izuzetno velike struje punjenja a predviđeni i preporučeni su za upotrebu… Pročitaj više »

moron

Hvala, dovoljno je i ovo dopunsko objašnjenje 😊

Dragan

„što se pražnjenje odvija sporije, veća je količina električne energije koju će baterija isporučiti“

Ovde je napravljena greska. Sto se praznjenje odvija sporije duze je vreme isporucivanja. Na dalje u tekstu je objasnjeno zasto. Kolicina ili kapacitet su isti. Ne moze biti veca kolicina ako se akumulator prazni sporije a manja ako se prazni brze.

Stari Dejan

Tako je, u pravu si. Jednostavno dok sam više puta pisao i brisao, ostalo je onako kako ne treba. Izvinjavam se.

Dragan

Ma nema problema. Pretpostavio sam da je tako nesto u pitanju.
Ziv bio.

D-3

Bravo Dejane, odlican tekst. Skoro sve ove stvari sam vec znao, ali mi je bilo itekako zanimljivo procitati ovako lepo koncipirano, a s obzirom da je tema preobimna verujem da nije bilo lako „sabiti“ je u ovaj ograniceni format.

p.s. ocekujemo nastavak 🙂 pozdrav

Lala

Svaka čast, za svakog po nešto.
Neko gleda samo slike, neko čita samo zadebljana slova a mi ostali zanavljamo nekad obavezno znanje.
Hvala još jednom.

Balkanboj

Lep elaborat, podsetnik na elektro školu…
🤘💪

Srđan

Mala ispravka: Anoda je pozitivna, a katoda negativna.