Sisteme Noi de Stocare a Energiei Electrice

SISTEME NOI DE STOCARE A ENERGIEI ELECTRICE

CUPRINS

Introducere Cap I.

Stocarea Energiei Electrice

Cap II. Acumulatoare Electrice Cap III. Condensatorul şi Supercondensatorul Supercondensatorul Electric Cap IV. Autovehiculul Electric Cap V.

Realizarea Practică

1

Introducere

 Necesitatea stocării energiei electrice Stocarea eficientă a energiei devine unul dintre cele mai spectaculoase şi sensibile domeni domeniii de acti activi vitat tatee şi iniţ iniţia iati tivă, vă, dezvo dezvolt ltare areaa proce procede deel elor or,, echip echipam amen ente telo lorr şi tehn tehnol olog ogii iilo lorr de conve convers rsie ie şi stoc stocare are fiin fiindd o condi condiţi ţiee excl exclus usiv ivăă pent pentru ru util utiliz izare areaa competitivă a tuturor surselor reînnoibile de energie (solară, eoliană, maree etc.).  Necesitatea conceperii şi realizării unor noi sisteme performante pentru „stocarea energie energiei” i” este este impusă impusă de discre discrepanţ panţaa eviden evidentă tă dintre dintre moment momentul ul şi locul locul produce producerii rii energiei şi momentul şi locul consumării acesteia. Fluctuaţiile de consum pot fi: diurne, săptămânale, sezoniere După cum se ştie, fluctuaţiile diurne prezintă amplitudini mari, cererea din orele mici ale dimineţii situându-se la cca. 1/3 din cea care corespunde perioadei de vârf. În ţările în care încălzirea electrică este larg răspândită,solicitarea centralelor  electrice în timpul iernii este de două ori mai mare decât vara, iar în ţări cu clima toridă, unde climatizarea este utilizată frecvent, vârful de consum înregistrat vara este maxim în cursul unui an. Este evident că funcţionarea centralelor electrice la capacitate mare şi constantă depinde de cuplarea acestora la sisteme de stocare. Dezv Dezvol olta tarea rea energ energet etic icii ii sola solare re este este pute putern rnic ic infl influe uenţ nţat atăă de perfe perfecţ cţio ionar narea ea sistem sistemelo elorr de stocare stocare,, folosi folosirea rea eficie eficientă ntă a energie energieii captat captatee depinz depinzând ând de evoluţ evoluţia ia sistemelor de stocare diurnă. De altfel altfel,, în general general,, atrage atragerea rea în circui circuitul tul econom economic ic compet competiti itivv a sursel surselor  or  alternative de energie este în funcţie de costul şi fiabilitatea tehnologiilor de stocare. Tehnologiile şi echipamentele de stocare a energiei, folosind parţial sau integral  procese electrochimice, pot fi împărţite în:  – tehnologii şi echipamente pentru stocare de scurtă durată şi cu capacităţi mici (sub 0,5 Wh);

2

Introducere

 Necesitatea stocării energiei electrice Stocarea eficientă a energiei devine unul dintre cele mai spectaculoase şi sensibile domeni domeniii de acti activi vitat tatee şi iniţ iniţia iati tivă, vă, dezvo dezvolt ltare areaa proce procede deel elor or,, echip echipam amen ente telo lorr şi tehn tehnol olog ogii iilo lorr de conve convers rsie ie şi stoc stocare are fiin fiindd o condi condiţi ţiee excl exclus usiv ivăă pent pentru ru util utiliz izare areaa competitivă a tuturor surselor reînnoibile de energie (solară, eoliană, maree etc.).  Necesitatea conceperii şi realizării unor noi sisteme performante pentru „stocarea energie energiei” i” este este impusă impusă de discre discrepanţ panţaa eviden evidentă tă dintre dintre moment momentul ul şi locul locul produce producerii rii energiei şi momentul şi locul consumării acesteia. Fluctuaţiile de consum pot fi: diurne, săptămânale, sezoniere După cum se ştie, fluctuaţiile diurne prezintă amplitudini mari, cererea din orele mici ale dimineţii situându-se la cca. 1/3 din cea care corespunde perioadei de vârf. În ţările în care încălzirea electrică este larg răspândită,solicitarea centralelor  electrice în timpul iernii este de două ori mai mare decât vara, iar în ţări cu clima toridă, unde climatizarea este utilizată frecvent, vârful de consum înregistrat vara este maxim în cursul unui an. Este evident că funcţionarea centralelor electrice la capacitate mare şi constantă depinde de cuplarea acestora la sisteme de stocare. Dezv Dezvol olta tarea rea energ energet etic icii ii sola solare re este este pute putern rnic ic infl influe uenţ nţat atăă de perfe perfecţ cţio ionar narea ea sistem sistemelo elorr de stocare stocare,, folosi folosirea rea eficie eficientă ntă a energie energieii captat captatee depinz depinzând ând de evoluţ evoluţia ia sistemelor de stocare diurnă. De altfel altfel,, în general general,, atrage atragerea rea în circui circuitul tul econom economic ic compet competiti itivv a sursel surselor  or  alternative de energie este în funcţie de costul şi fiabilitatea tehnologiilor de stocare. Tehnologiile şi echipamentele de stocare a energiei, folosind parţial sau integral  procese electrochimice, pot fi împărţite în:  – tehnologii şi echipamente pentru stocare de scurtă durată şi cu capacităţi mici (sub 0,5 Wh);

2

  – tehnologii şi echipamente pentru stocare medie (12-60 ore) şi cu capacităţi până la câteva sute de MWh;  – tehnologii şi echipamente pentru stocare de lungă durată (10-300 zile) şi cu capacităţi mai mari decât 1000 MWh.

Stocarea energiei electrice în acumulatori electrici Totul începe în anul 1791 când Luigi Galvani a descoperit că muşchiul unei  broaşte se contractă când acesta este atins cu un obiect metalic, acest fenomen urma să fie cunoscut ca electricitatea animală o utopie deoarece teoria nu a fost demonstrată. Volta va continua studiile lui Galvani descoperind celula voltaică, cunoscută sub numele de  baterie. Autovehiculul electric Istoria autovehiculului electric a început la mijlocul anilor 1800 şi a ţinut recordul de viteză terestră până în 1900, oferind un nivel de confort si uşurinţa de operare, care nu ar putea fi realizate realizate de către maşinile maşinile pe benzină. Ca definiţie definiţie un vehicul vehicul electric , este o unitate ce utilizează una sau mai multe motoare electrice sau motoare de tracţiune pentru  propulsie. În lucrare se prezintă principalele noţiuni privind construcţia unui vehicul electric începând cu transmisia ,sistemul ,sistemul electromecanic şi acumulatoarele acumulatoarele electrice folosite. Sursa de alimentare, aflată pe vehicul, poate fi de diverse tipuri, însă, pentru majoritatea majoritatea covârşitoare covârşitoare a automobilel automobilelor or electrice electrice realizate până în prezent, sursa este o  baterie de acumulatoare electrice.

3

Capitolul I. Stocarea Energiei Electrice

Soluţiile tehnico-ştiinţifice elaborate de cercetătorii români, atât pentru stocarea energiei pe durată medie cât şi pentru stocarea de lungă durată, sunt centrate pe utilizarea unor tipuri noi de echipamente electrochimice şi a unor noi materiale şi componente   pentru reactoarele de sinteză electrochimică şi pentru pilele generatoare de curent continuu. I.1 Stocarea de durata medie a energiei

Se cunoaşte faptul că pilele secundare sunt sisteme electrochimice de stocare (acumulare) a energiei electrice sub formă de energie chimică, ale căror procese se   bazează pe reacţii electromotrice active (REMA) reversibile, de tip redox, între două specii chimice electroactive. În spaţiile anodice şi catodice se găsesc specii electroactive (elemente chimice sau combinaţii ) capabile să participe la procese de transfer de sarcină la electrozii pilei galvanice, în urma unor reacţii potenţial active (RPA). Foarte importantă este valoarea densităţii curentului de schimb. Desfăşurarea spontană a reacţiei electrochimice corespunde transformării energiei chimice în energie electrică (descărcarea acumulatorului) cu generare de curent electric. În cursul procesului de încărcare, în urma trecerii curentului electric se reformează speciile electroactive iniţiale. REMA se desfăşoară în sens invers. Din punct de vedere constructiv, acumulatorul presupune o celulă de reacţie echipată cu doi electrozi colectori (inerţi, de cele mai multe ori).Anolitul şi catolitul sunt separaţi prin membrane schimbătoare de ioni, semipermeabile. Soluţiile epuizate de anolit şi catolit sunt stocate în rezervoare separate şi sunt recirculate în sens invers la încărcare. Printre avantajele sistemelor redox se pot enumera :

– 4

funcţionarea

la

temperatura

ambiantă;

– absenţa unor limitări la

descărcare şi în viaţa ciclică;

– flexibilitate deosebită a

capacităţii şi a puterii.

Mărirea capacităţii,se poate realiza

  prin creşterea numărului sau a capacităţii rezervoarelor de stocare a soluţiilor de electrolit, în timp ce creşterea puterii este asigurată de viteze mai mari de circulare a electrolitului.Partea esenţială a sistemelor redox de tipul descris este membrana schimbătoare de ioni, care determină performanţele sistemului de stocare. În anii ’80 şi ’90 s-a constatat o creştere semnificativă a eforturilor destinate realizării de acumulatoare redox de tipul descris. Avantajul esenţial al acestor acumulatoare constă în posibilitatea amplasării reactanţilor în rezervoare mari, exterioare, la presiunea atmosferică. Unul din cele mai cunoscute cupluri redox este perechea clorurilor de Fe şi Cr: FeCl3 + CrCl2 = FeCl2 + CrCl3

(I.1)

Pentru evitarea amestecării soluţiilor, spaţiile anodice şi cele catodice sunt separate de membrane schimbătoare de ioni permiselective. Ambele soluţii rezultate în urma „încărcării” acumulatorului se pompează în rezervoare separate, unde sunt păstrate sub protecţia unui gaz inert, pentru a evita reacţiile parazite de oxidare a speciilor electroactive de către oxigenul din aer. La „descărcarea” acumulatorului, soluţiile proaspete de anolit şi catolit sunt readuse din rezervoarele exterioare şi sunt recirculate în spaţiile electrodice, unde speciile electroactive participă la reacţiile de electrod, în urma cărora se generează curentul electric continuu. Este de remarcat faptul că pilele redox de tipul descris au fost studiate în anii ’40, în Germania. Astăzi, cele mai multe elemente redox sunt realizate în SUA, de către  NASA. Cu câţiva ani în urmă a fost anunţată punerea în funcţiune, în Anglia, la Little Barford, a primei centrale industriale de mare capacitate, pentru stocarea energiei pentru durate medii. O linie de stocare are capacitatea de 100 MWh. Tehnologia de la Barford este comercializata sub denumirea de „The Regenesys TM System”.

5

I.1.1 Soluţii tehnico-ştiinţifice româneşti pentru tehnologii şi echipamente destinate stocării energiei pentru durate medii

Cercetări interdisciplinare desfăşurate pe parcursul mai multor ani au permis unui colectiv de cercetători de la fostul Centru de Cercetări Săvineşti realizarea unei tehnologii de stocare a energiei pe durată medie, folosind un sistem redox original care permite coborârea semnificativă a costurilor de stocare, atât în etapa de investiţie cât şi în etapa de exploatare. Reactanţii folosiţi sunt ieftini şi accesibili. Conceperea şi realizarea noului procedeu românesc pentru stocarea energiei pe durată medie şi a echipamentelor specifice aferente a fost posibilă în urma valorificării know-how-ului obţinut în urma cercetărilor de dezvoltare întreprinse pentru elaborarea unor tehnologii de electoro-sinteză industrială şi a rezultatelor obţinute prin investigarea proprietăţilor acido-bazice ale unor combinaţii complexe, precum şi datorită realizării unor noi tipuri de structuri electrodice şi de separatori pentru celulele electrochimice – membrane schimbătoare de ioni permselective de tip special. Toate acestea s-au bazat pe realizări şi progrese în domeniul tehnologiilor de sinteză şi al  prelucrării unor produşi polimerici specifici. Ca urmare, au fost elaborate tehnologii pentru noi tipuri de  produse industriale, cum sunt: firele tehnice cu lumen, membranele schimbătoare de ioni, materialele compozite speciale, adezivii speciali etc. Aceste produse au permis găsirea unor noi soluţii pentru arhitectura pilelor electrochimice de tip redox, de mare putere. Procedeul care stă la baza tehnologiei de stocare a energiei electrice elaborate de cercetătorii români constă în realizarea unui ciclu de transformări electrochimice în circuit închis, în care soluţiile unor electroliţi care conţin speciile electroactive specifice participă la generarea de curent continuu într-o baterie de pile redox reversibile – ca urmare a desfăşurării unor reacţii electromotric active (operaţia de „descărcare”) care, după epuizare, sunt reformate şi readuse, din nou, la compoziţia şi starea iniţială de parcurgere a ciclului menţionat mai sus, prin inversarea sensului de trecere

a

curentului

continuu

prin

echipamentul

electrochimic

(operaţia

de„încărcare”).Bateria de pile electrochimice redox este constituită din celule electrochimice elementare, montate conform unei arhitecturi interne particulare care

6

determină curgerea specifică a fluidelor de lucru şi care asigură un contact potrivit al acestora cu structurile electrodice. Întregul ansamblu funcţionează reversibil, ca pilă şi ca reactor electrochimic, având roluri diferite în cele două ipostaze de lucru, în funcţie de sensul de trecere a curentului electric şi de compoziţia soluţiilor de electrolit.Electrozii celulelor  electrochimice sunt constituiţi dintr-un material grafitic special, sub formă de folii. Spaţiile anodice şi cele catodice sunt separate cu ajutorul unor membrane schimbătoare de ioni permselectivi,cu proprietăţi speciale. Circulaţia soluţiilor de anolit şi catolit în pilă se realizează cu ajutorul unor pompe de recirculare exterioare,prin intermediul unor  sisteme de „irigare” şi „drenare” de construcţie specială. Construcţia bateriei de pile electrochimice redox reversibile, prezentată aici, se bazează pe realizări relativ recente din tehnica fabricării şi prelucrării unor   polimeri sintetici, în speţă fiind vorba de crearea firelor cu lumen”, a fibrelor de carbon, a membranelor schimbătoare de ioni permselectivi, a foliilor din materiale compozite, a unor adezivi etc. Folosirea acumulatoarelor convenţionale cunoscute pentru stocarea energiei pe durate medii şi la capacităţi mari este restricţionată de rezervele mondiale de  plumb şi de nichel, care sunt cu totul insuficiente pentru dezvoltarea aplicaţiei menţionate mai sus, chiar la necesarul actual de energie. I.2 Stocarea de lungă durată a energiei

Unele dintre cele mai promiţătoare soluţii tehnico-ştiinţifice pentru stocarea de lungă durată a energiei,transpuse industrial către sfârşitul secolului al XX-lea, sunt cele care utilizează hidrogenul ca vector energetic. Crizele de energie din secolul trecut, determinate de creşterea consumului energetic şi de conştientizarea, la scara întregii societăţi, a pericolului epuizării previzibile a resurselor de combustibili fosili, precum şi a impactului negativ asupra mediului al folosirii acestora,au impus accelerarea   perfecţionării tehnologiilor de utilizare a hidrogenului ca purtător de energie şi ca intermediar în procesele de stocare a acesteia. Sursa de hidrogen – apa –, practic inepuizabilă pe planetă, presupune dezvoltarea tehnicilor de electroliză şi de „depozitare“. Ciclurile termochimice propuse până în

7

 prezent pentru obţinerea mai ieftină a hidrogenului se dovedesc inaplicabile. Hidrogenul  poate fi stocat prin lichefiere şi poate fi ţinut în rezervoare criogenice, folosite deja în tehnica spaţială. Cel mai mare rezervor de hidrogen lichefiat este cel de la Cap Kennedy şi are o capacitate de 4000 m ,echivalentul unei energii de 6000 MWh, destocabilă prin pile de 3

combustie. Cheltuielile de stocare a hidrogenului prin lichefiere criogenică şi de menţinere a acestuia în stare lichidă,sub condiţiile critice, sunt atât de mari încât fac ca această cale să nu fie transpusă industrial pe scară largă şi să nu devină comercială în viitorul previzibil. O a doua cale – singura industrializabilă comercial până în prezent – este cea care utilizează un procedeu chimic de„fixare“ a hidrogenului pe un compus chimic,cum ar fi  produşii aromatici (benzen, toluen, xileni etc.), şi „extracţia” acestuia prin dehidrogenare catalitică. În acest mod, „moleculele-suport” ale produsului revin, în stare nealterată, la structura aromatica iniţială,produsul fiind utilizabil într-un nou ciclu de „depozitare”,iar  hidrogenul obţinut este trimis la consum. Această variantă de „depozitare” prin intermediul unor compuşi hidro-aromatici este mult mai puţin costisitoare decât „depozitarea“ prin lichefiere şi are şanse mari să se dezvolte industrial pe scară mare. Încă în anii ’90, o companie canadiană exporta energie în Franţa prin intermediul hidrogenului, folosind procedeul descris mai înainte. În Quebec funcţionează capacităţi industriale mari de electroliză a apei şi de hidrogenare catalitică a unor produşi aromatici. Produsul „hidrogenat” este încărcat în vase petroliere de mare capacitate şi este transportat în Europa,unde este descărcat în portul francez Le Havre. Acolo funcţionează mari instalaţii de dehidrogenare catalitică a compuşilor hidro-aromatici, în care se reobţine hidrogenul,iar produsul aromatic rezultat este reîncărcat în aceleaşi vase  petroliere care au adus produsul hidrogenat. Vasele petroliere reiau cursa către Quebec, unde produsul aromatic este hidrogenat din nou. Un petrolier de 100 000 tone „transportă” energie echivalentă cu 82 000 MWh energie electrică. În Germania, pe valea Ruhr-ului, funcţiona încă înainte de 2000 o magistrală de distribuţie a hidrogenului,care alimenta consumatori din Germania, Elveţia şi Franţa. Este evident că micşorarea cheltuielilor de stocare de lungă durată a energiei este determinată de realizarea unor procedee de electroliză a apei cât mai

8

 performante şi a unor pile de combustie hidrogen-oxigen cu randament cât mai ridicat. Fără îndoială că, de la bateriile cu pile de combustie H 2 -O 2 de 1 kW şi în greutate de 30 kg, utilizate în 1965 de americani la capsula Gemini, şi până la bateriile industriale de  pile de combustie catalitică a hidrogenului, dezvoltate astăzi, comercial, la scară mare, s-a   parcurs un drum evolutivi impresionant. Concepute şi realizate, la început, în cadrul  NASA, pilele de combustie e H -O 2

2

au trecut în aplicaţii militare şi, apoi, civile, şi

chiar în aplicaţii domestice. Impulsul dat de cercetările spaţiale a fost hotărâtor pentru această industrie.

În ceea ce priveşte fabricarea electrolitică a hidrogenului,trebuie

arătat că, în acest domeniu, nivelul tehnologiilor este încă sub posibilităţile pe care le sugerează termodinamica procesului de descompunere a apei. I.2.1 Soluţii tehnico-ştiinţifice româneşti pentru tehnologii şi echipamente destinate stocării de lungă durată

Cercetătorii români au elaborat o tehnologie atât pentru fabricarea performantă a hidrogenului prin electroliza apei, cât şi pentru„fixarea” acestuia pe compuşi aromatici. În anii ’80 s-au studiat, la scară pilot, mai mulţi catalizatori pentru hidrogenarea compuşilor aromatici. S-au studiat atât catalizatori fabricaţi în România, cât şi catalizatori din import. În acei ani, pe baza unei colaborări fructuoase cu IFA – filiala din Cluj, s-au studiat mai multe variante de catalizatori pe bază de Ni şi Cr, sintetizaţi în institutul amintit. S-au obţinut rezultate bune, reproductibile, care demonstrau că se poate realiza industrial un proces de hidrogenare a produşilor aromatici, la presiune de cca. 18-25 atm şi temperaturi de cca. 220 grade Celsius. Rezultate de excepţie s-au obţinut cu catalizatorul german Leuna Kontakt 6524, lucrându-se la presiuni moderate (în anumite condiţii, chiar la presiunea atmosferică) şi temperaturi cuprinse intre 160 şi 190 de grade Celsius. S-a elaborat un proces tehnologic complet şi s-a trecut la scară industrială cu o capacitate de cca. 12 000 an produs aromatic hidrogenat . Aceasta înseamnă că se putea realiza o centrala de depozitare de lungă durată cu o capacitate de „introducere şi extracţie” a puterii de cca. 2 MW. Aceleaşi tipuri de catalizatori acţionează reversibil,prin ridicarea temperaturii, permiţând dehidrogenarea produsului hidro-aromat.

9

Rezultate importante s-au obţinut şi în tehnologia de descompunere electrochimică a apei, realizându-se un proces performant de fabricare a hidrogenului   prin descompunerea apei, cu consumuri de energie electrică mult reduse. În urma studierii procesului de electroliză a unor topituri alcaline s-au găsit condiţiile în care se  poate realiza descompunerea electrolitică a apei la tensiuni sub 1,4 V. I.3. Sisteme de stocare a energiei electrice

În ultimii ani s-a înregistrat o creș tere a utilizării surselor de energie regenerabile, iar in viitorii 20-30 de ani majoritatea sistemelor de producere a energiei vor trebui sa fie  bazate pe exploatarea energiei regenerabile. Aceste surse de energie au un inconvenient, si anume faptul ca variază independent de cerere. Deș i sunt suficiente, iar sistemele de conversie a acestora din starea in care se găsesc in natura, in energie electrica au devenit tot mai accesibile, vor  trebui perfecționate substanțial sistemele de stocare a acestei energii. În prezent cele mai utilizate astfel de surse de energie, sunt turbinele eoliene, dar energia furnizata de acestea este variabila in funcț ie de condiț iile meteorologice, lucru ce îngreunează folosirea acestor turbine in reț elele electrice. Stabilitatea rețelei se bazează pe echilibrul dintre cerere si oferta, daca se introduc astfel de turbine in sistem, odată cu energia introdusa introduc o noua variabila care trebuie luata in calcul. Problemele create însa, vor fi rezolvate de sistemele de stocare a energiei electrice.

Exista la ora actuala diverse sisteme de

stocare a energiei, majoritatea necesita conversia energiei electrice in alte forme de energie, acestea fiind enumerate in continuare: I.3.1 Centrale cu acumulare si pompaj.

Principalul avantaj al acestei tehnologii, este accesibilitatea în cantităț i foarte mari, si oricând. Este la ora actuala cea mai folosita metoda de stocare a energiei electrice în cantităţi mari. Principiul de funcț ionare este unul simplu, in perioadele când cererea este scăzuta, energia produsa este stocata sub forma de energie cinetica şi  potențială, stocarea făcându-se prin consumul de energie în ora de vârf de către un motor 

10

electric conectat la o pompa ce urca apa intr-un bazin aflat la înălț ime. Când cererea de energie creste, regimul de funcț ionare al motorului se schimbă din consumator in generator, iar pompa va furniza acum energia necesara produceri cuplului.

Fig.I.1 Centrală cu acumulare şi pompaj Centralele cu acumulare si pompaj, au o eficienta in momentul de fata de 65-80%, in funcție de caracteristicile echipamentelor. Capacitatea de stocare depinde de doi  parametri, înălțimea la care apa este pompata si cantitatea de apa, astfel se ș tie ca o masa de o tona de apa cazând de la 100 m, generează 0.272 kWh, pentru a stoca deci o cantitate mare de energie este necesara construcț ia unui amplasament ce cuprinde baraje si lacuri artificiale foarte mari, proiecte ce necesita investiț ii mari. I.3.2 Stocarea energiei sub forma termica.

Aceste sisteme folosesc proprietățile materialelor de a-şi schimba starea de agregare din lichid in solid, la temperatura constanta. În cadrul procesului de acumulare, materialele trec din stare solidă în lichidă iar în cadrul procesului de recuperare vor trece din nou în stare solidă. Deșii foarte corosiv, hidroxidul de sodiu, este considerat a fi un  bun fluid de stocare. Între 120 si 360 de grade Celsius, acesta poate înmagazina în funcț ie de masa sau volum, 744 MJ/t, sau 1332 MJ/m3. O alta metodă de stocare a energiei sub același principiu este folosirea altor fluide precum, sodiu ,sare topită, sau apa în locul hidroxidului de sodiu, acestea sunt încălzite si stocate, urmând a antrena o turbina cu abur  11

ulterior. Folosirea sării topite in centrala de la Themis, Franț a, a făcut posibila stocarea unei energii provenite de la panouri fotovoltaice, echivalente cu o producț ia dintr-o zi, care este de aproximativ 40 000 kWh, energia fiind stocata in 550 t de electrolit. Folosirea apei este mai puțin practică datorita temperaturilor mari la care aceasta trebuie stocata(peste 200 grade). O tehnologie care nu a fost încă pusa in practica, presupune încălzirea materialelor refractare, la temperaturi de pana la 1400 grade Celsius, cu rezistente electrice. Eficienta acestora este in jur de 60 %, iar dimensiunile acestora sunt relativ mici, de exemplu, un echipament ce poate stoca 1000 kWh, va avea un diametru de 20 de metrii şi o înălțime de 20 de metrii cu un volum de 5000 m3,cu mult sub volumul necesar  stocării aceleiași energii într-o centrală cu acumulare si pompaj de exemplu, si cu un cost de construcție mult mai mic, comparativ cu alte soluț ii. I.3.3 Sisteme de stocare cu aer comprimat.

Exista deja proiecte de acest tip aflate in exploatare si funcț ionând chiar la puteri mari. Centralele ce folosesc abur comprimat vor folosii o parte din putere pentru stocarea aerului in peșteri mari din piatra, in rezervoare de gaze naturale, sau in mine de dezafectate, care prezintă un volum mare si rezistenta mare la presiuni de 40 pana la 70 de bari. Densitatea de energie la aceste sisteme este de aproximativ 12 kWh/m3, cu o eficienta de pana la 70 %, datorita faptului ca pentru a elibera 1 kWh in reț ea, este nevoie de absorbția a 0.7-0.8 kWh, in timpului funcț ionarii in orele cu consum scăzut, precum si 1.22kWh de gaz natural in timpul orelor de vârf, pentru recuperarea acestuia din subteran. Prima stație de acest gen funcț ionează in Humtorf, Germania, din 1978, iar in 1991 o astfel de instalație a intrat în folosința in MacIntosh, Alabama, generând 100mW in de 266 de ore. Aceasta funcț ionează prin comprimarea aerului la 40-70 bari si  pomparea lui intr-o caverna aflata la 700 m in subteran, cu un volum de 2555000 m3.

12

Fig. I.2 Staţie de stocare cu aer comprimat I.3.4 Pile de combustie.

Sunt un mod de a folosii surplusul de energie din centrale la producerea hidrogenului si ulterior recuperarea acesteia când este necesară. Acest sistem cuprinde 3 componente principale: - Sistemul de electroliza, ce consuma energie in perioada când aceasta nu este necesara, acesta separa hidrogenul de oxigen dintr-o cantitate de apa. - Pila de combustie, care utilizează energia stocata anterior la alimentarea reț elei. Acest lucru se bazează pe caracteristica unei membrane de a fi permeabila la ioni si impermeabil la electroni, astfel ca doua suprafeț e, anod si catod separate de membrana, asupra cărora se aplica hidrogen si oxigen, vor genera o diferenț a de potenț ial, si apa. - Rezervor pentru stocarea hidrogenului.

Fig. I.3 Pila de combustie

13

Exista si alte tipuri de pile de combustie, precum celulele alcaline, cele polimer, celule cu metanol, acid fosforic, sau cu oxid solid, diferenț a dintre ele fiind electrolitul folosit. Acestea se folosesc la centrale de mica putere, ne fiind pretabile pentru puteri mari. De asemenea randamentul acestora nu este foarte bun, ajungând la maxim 70 % in căzut celulelor alcaline iar la cele de combustie la maxim 50%. I.3.5 Stocarea energiei sub forma chimica.

Este posibila prin folosirea acumulatorilor, aceș tia pot transforma energia chimica rezultata din energia electrica înapoi in energie electrica cu pierderi mici. Exista o multitudine de tehnologii de fabricație a acestora , precum Ni-Cd, Pb-acid, Ni-polimer,  Ni-fier, Zinc - aer, Fier - Aer…, cu capacitaț ii de pana la 150- 2000 de Wh/kg. Ca principal dezavantaj al acestui tip de stocare a energiei este durata de viața mica a acumulatorilor supuș i la cicluri incarnare - descărcare foarte rapide si de amplitudini mari ale curenților si tensiunilor. Acumulatorii sunt folosiți la sisteme mobile, sau ca surse de rezerva in cazuri in care se întrerupe alimentarea cu energie electrica a unui consumator mic, pe durate mici de timp, dar suficiente pentru punerea in funcțiune a unui generator de rezerva, acestea având inerț ie mai mare, comparativ cu acumulatorii. I.3.6 Stocarea energiei in supracondensatori.

Aceste componente au caracteristicile unor condensatori precum şi ale unui acumulator, dar fără o reacț ie chimică. Stocarea energiei în supracondensatori, este făcută sub forma unui câmp electric între doua armaturi, la fel ca in cazul condensatorilor , însa materialul dintre armaturi este acum un electrolit permeabil la ioni. Volumul de energie stocat este astfel superior celui al condensatorilor, ajungând pana la 2000 W/kg. Un astfel de echipament este format dintr-o serie de module de putere mica, dar formând module de pana la 50-100 kW de energie stocata.

14

În general aceș tia sunt foarte durabili, fiind eficienț i timp de 8 – 10 ani cu un randament de 95%, si o descărcare proprie de 5% pe zi.

Fig.I.4 Schema unui Supercondensator 

15

Capitolul II. Acumulatoarele Electrice

II.1 Istoria acumulatoarelor electrice

În anul 1791, în timp ce lucra la Universitatea din Bologna, Luigi Galvani a descoperit că muşchiul unei broaşte se contracta când acesta este atins cu un obiect metalic. Acest fenomen urma să fie cunoscut ca electricitatea animală o utopie deoarece teoria nu a fost demonstrată. Îmboldit de aceste descoperiri, Volta a iniţiat o serie de experimente folosind zinc, plumb, cositor sau otel pentru plăcuţele încărcate cu sarcină  pozitivă şi cupru, argint, aur sau grafit pentru plăcuţele încărcate cu sarcină negativă. Următoarea etapă în generarea electricităţii a fost electroliza. Volta descoperea în anul 1800 că un flux continuu al unei forţe electrice era generat când se foloseau anumite fluide ca şi conductori pentru a produce o reacţie chimică între metale sau electrozi. Acestea au condus la inventarea primei celule voltaice, cunoscută sub numele de baterie. În plus, Volta descoperă că prin suprapunerea celulelor voltaice se obţinea o creştere a tensiunii. Discurile de argint şi zinc sunt separate prin bucăţi de hârtie umedă. In acelaşi an, Volta si-a expus descoperirea legată de sursa continuă de electricitate la Societatea Regala din Londra. De această data, experimentul nu se mai limita la o scurtă serie de scântei. De acum era disponibil curentul electric în flux continuu. Franţa a fost printre  primele naţiuni care a recunoscut oficial descoperirile lui Volta. În acel moment, Franţa avea acces la cele mai mari descoperiri ştiinţifice şi ideile noi erau aşteptate cu braţele deschise pentru a susţine ordinea de zi politică. Ca urmare a invitaţiilor primite, Volta s-a adresat Institutului Francez într-o serie de conferinţe la care a fost prezent si Napoleon Bonaparte în calitate de membru al Institutului. Descoperirile lui Volta au impresionat lumea în aşa măsură încât în noiembrie 1800 el a fost invitat la Institutul Naţional Francez să ţină o conferinţă la care a participat şi Napoleon Bonaparte. Însuşi Napoleon a ajutat la experimente, făcând scântei cu   bateria, topind un fir de otel, descărcând un pistol electric şi descompunând apa în elementele de bază. S-au făcut noi descoperiri când Sir Humphry Davy, inventatorul lămpii de veghe a minerului, a instalat în subsolurile Institutului Regal din Londra cea 16

mai mare şi mai puternică baterie electrică. El a conectat bateria la electrozii de cărbune  producând prima lumină electrică. După spusele martorilor, lampa cu arc voltaic a făcut «cel mai strălucitor arc crescător de lumină văzut vreodată». Cele mai importante cercetări ale lui Davy au fost dedicate electrochimiei. După experimentele lui Galvani şi descoperirea celulei voltaice, interesul faţă de electricitatea galvanică devenise răspândit. Davy începuse să testeze efectele chimice ale electricităţii în anul 1800. Curând a aflat că trecând curent electric prin unele substanţe, aceste substanţe se descompun, proces ulterior numit electroliza. Tensiunea era generată ca urmare a reactivităţii electrolitului cu metalul. Evident, Davy a înţeles că acţiunea electrolizei şi a celulei voltaice au fost la fel. În anul 1802, Dr. William Cruickshank proiectează prima baterie electrică pentru  producţia de serie. Cruickshank a aranjat foi pătrate de aramă, pe care le-a cositorit la capete cu foi de zinc de mărimi egale. Aceste foi au fost puse într-o cutie lungă de lemn care a fost pecetluită cu ciment. Şanţurile din cutie fixau plăcile de metal. Apoi cutia a fost umplută cu un electrolit de sare de mare sau apă distilată. William Cruickshank, un chimist englez, a construit o baterie cu celule electrice  prin introducerea plăcilor de zinc şi aramă într-o cutie de lemn plină cu electrolit. Acest   proiect avea avantajul neuscării în timpul folosirii şi furniza mai multă energie decât aranjarea cu discuri a lui Volta. A treia metodă de generare a electricităţii a fost descoperită relativ târziu electricitatea prin magnetism. În anul 1820, AndréMarie Ampère (1775-1836) a observat că firele purtătoare de curent electric erau uneori atrase unul către celalalt, alteori ele se respingeau. În anul 1831, Michael Faraday (1791-1867) a demonstrat cum un disc de aramă era capabil să producă un flux constant de energie când era rotit într-un puternic câmp magnetic. Faraday, ajutându-l pe Davy şi echipa sa de cercetare, a reuşit să genereze o forţă electrică permanentă atât timp cât mişcarea între  bobină şi magnet continua. A fost inventat generatorul electric. Acest proces a fost apoi inversat şi motorul electric a fost descoperit. La scurt timp, au fost realizate transformatoarele care puteau transforma electricitatea la un voltaj dorit. În anul 1833, Faraday defineşte fundamentul electrochimiei prin Legea lui Faraday, care descrie valoarea reducerii care survine într-o celulă electrolitică. În anul 1836, John F. Daniell, un chimist englez, continua cu studierea bateriei electro-chimice şi dezvolta o celulă îmbunătăţită care producea curent continuu, faţă de

17

echipamentul lui Volta. Până în acel moment, toate bateriile erau compuse din celule  primare, ceea ce însemna că nu puteau fi reîncărcate. În anul 1859, fizicianul francez Gaston Platé a inventat prima baterie care putea fi reîncărcată. Această baterie se baza pe exemplul chimiei acide, un sistem care este folosit şi astăzi. În anul 1899, Waldmar Jungner din Suedia inventează bateria nichel-xxx, folosind nichel pentru electrodul pozitiv şi cadmiu pentru electrodul negativ. Doi ani mai târziu, Edison produce un model alternativ prin înlocuirea cadmiu-lui cu oţel. Din cauza costurilor ridicate comparativ cu cele uscate sau cele cu acid, aplicaţiile practice ale   bateriilor nichel-cadmiu si nichel-oţel erau limitate. Spre sfârşitul anilor 1800 se construiesc generatoare uriaşe şi transformatoare. S-au instalat liniile de transmisie şi electricitatea s-a pus la dispoziţia umanităţii pentru a produce lumina electrică, căldură şi transport. La începutul secolului XX, inventarea tubului vacumat a făcut posibilă  producerea semnalelor controlate, amplificărilor şi sunete lor. Imediat după acestea a fost inventat radioul care a făcut posibilă comunicarea fără fir. De asemenea, Shlecht si Ackermann au adus, în anul 1932, noi îmbunătăţiri importante. Aceste progrese s-au reflectat în curenţi de amperaje mai mari şi îmbunătăţirea longevităţii. Omologarea bateriei nichel-cadmiu, aşa cum o ştim noi astăzi, devine disponibilă doar când Neumann reuşeşte să finalizeze celula, în anul 1947. Sumar  De-a lungul timpului omenirea a devenit dependentă de electricitate, un produs fără de care dezvoltarea tehnologiei nu ar fi fost posibilă. O data cu creşterea nevoii de mobilitate, oamenii au trecut la înmagazinarea puterii portabile în primul rând pentru aplicaţii în mişcare şi în al doilea rând pentru aplicaţii portabile. Aşa cum noi ne uităm la neîndemânarea şi nesiguranţa cu care primele baterii au fost concepute, la experimentele greoaie de acum 200 de ani ale predecesorilor noştri, în acelaşi mod s-ar putea uita la tehnologia de astăzi descendenţii noştri.

18

II.2. Acumulatoarele cu Plumb (Pb)

Acumulatoarele sunt dispozitive care acumulează energia electrica prin conversie electrochimică. Ele sunt reversibile,în sensul ca acumulează energie electrica în regimul de încărcare de la o sursa de curent continuu si generează energia acumulata atunci când sunt conectate la un circuit receptor. La baza funcţionarii acumulatoarelor electrice stau fenomenele electrochimice. Când se introduce un electrod metalic într-o soluţie de electrolit apare,în stratul de contact,un câmp electric imprimat galvanic şi deci o tensiune de contact între electrod şi soluţie. Această tensiune depinde de materialul electrodului,de concentraţia electrolitului,de temperatura etc. şi se numeşte potenţial de electrod. Măsurarea potenţialului de electrod se face în raport cu un potenţial de referinţa al hidrogenului iar valorile pentru câteva elemente sunt indicate in tabelul următor:

Zn -0.77

Fe -0.43

Cd -0.42

Ni -0.23

Pb -0.15

Sn -0.14

H 0

Cu +0.34

Hg +0.76

Ag +0.8

Pt +1.2

Tab.II.1 Valori ale potenţialului de electrod [V]

Tensiunea electromotoare a unei pile electrice formate din electrozi de materiale diferite este: e = Ve1-Ve2

(II.1)

unde: Ve1 este potenţialul de electrod pozitiv; Ve2 este potenţialul de electrod negativ. O pila electrică conectată la un circuit exterior produce un curent electric. Prin circulaţia acestui curent,se produce în interiorul pilei acumularea ionilor hidroxil (OH-) la anod (polul +) şi a ionilor de hidrogen la catod. Drept rezultat,se produce o scădere a t.e.m a pilei şi deci a curentului din circuit, fenomen denumit polarizare electrolitică.

19

Rezistenţa internă a pilei creşte,iar curentul debitat în circuitul exterior scade. Limitarea acestor fenomene se face prin folosirea de substanţe cu rol de depolarizant. Toate tipurile de acumulatoare sunt caracterizate de aceleaşi mărimi ca şi pilele electrice (tensiune electromotoare,rezistenţa internă şi capacitatea de debitare) şi în plus de următoarele: - curentul maxim de descărcare (care nu trebuie de depăşit); - randamentul în calitate de electricitate: η

=Qdesc../Qinc.

c

(II.2)

care are valori de 80-90% la ambele tipuri de acumulatoare - randamentul energetic:

η

unde Wd Wi

=Wd/Wi

(II.3)

este energia eliberata de descărcare; este energia primita la încărcare.

Valorile tipice sunt 70-80% la acumulatoarele cu plumb şi 45-55% la acumulatoarele alcaline.

II.2.1. Principiul de funcţionare

Spre deosebire de pile,acumulatoarele sunt reversibile în sensul că reacţiile   produse la descărcare (când funcţionează ca generator) se succed în mod invers la încărcare (când acumulatorul este conectat la o sursa de curent continuu). Cele mai utilizate acumulatoare sunt cele acide (cu plumb) şi cele alcaline. Acumulatorul cu plumb este prezentat schematic în figura I.1. Electrozii sunt realizaţi iniţial din grătare de plumb acoperite cu un amestec de oxizi de plumb (exemplul minim de plumb Pb3O4 şi litarga PbO) şi scufundaţi într-o soluţie apoasa de acid sulfuric. Prin operaţia de „formare” (a cărei desfăşurare este indicata de către producător) ce se face prin alimentarea cu curent a acumulatorului,electrozii se transforma astfel: 20

- plăcile pozitive ajung de culoare cafenie prin formarea de oxid de plumb PbO2 - plăcile negative devin cenuşii,fiind acoperite cu plumb spongios.

Fig.II.1. 1 - cuva cu 6 compartimente; 2 - plăci negative; 3 - plăci separatoare; 4 - plăci pozitive; 5 - borna pozitivă; 6 - conexiuni între elemente; 7 - borna negativă Un acumulator încărcat are o tensiune electromotoare de circa 2.2 V. La descărcare,aceasta scade repede la 1.95 V, rămâne constanta mult timp şi apoi scade lent. La 1.8 V descărcarea trebuie oprită,întrucât reacţiile nu mai sunt complet reversibile. În timpul încărcării tensiunea creste rapid la 2.2 V pe element,apoi lent până la 2.3 V,iar la sfârşitul încărcării poate ajunge la 2.6-2.75 V. Acumulatoarele se realizează de regulă sub formă de elemente înseriate,amplasate într-o cuvă comună de material plastic (sau de sticlă) şi despărţituri. Numărul de elemente depinde de tensiunea nominală; deosebit de utilizate sunt acumulatoarele de 12 V care au 6 elemente.

21

II.3 Acumulatoarele Alcaline

De-a lungul unei istorii de peste opt decenii, tehnologia acumulatoarelor alcaline s-a diversificat în raport de varietatea tipurilor de electrod impusă de modificarea concepţiilor constructive şi mai ales de exigenţele funcţionale legate de modernizări şi de noile domenii de utilizare. Alături de electrozii robuşti şi masivi necesari acumulatoarelor  de mare capacitate utilizate în bateriile staţionare sau în aplicaţiile industriale, şi-au făcut loc electrozii tot mai subţiri, până la dimensiuni de folie, în care suportul activ este legat   printr-un proces de sinterizare, destinaţi acumulatoarelor de demaraj sporit miniacumulatoarelor sau micro-acumulatoarelor utilizate ca sursă autonomă pentru aparatura electronică. Toată marea diversitate de acumulatoare alcaline clasice are la bază două tipuri de electrozi catod: electrodul de nichel şi cel de argint, şi trei tipuri de electrozi anod: de fier, de cadmiu şi de zinc. Din combinarea acestora rezultă principalele cupluri electrochimice: Ni-Fe, NiCd; Ni-Zn; Ag-Zn ; Ag-Cd. II.3.1 Acumulatoare Alcaline Ni-Fe

Fabricaţia de acumulatoare nichel-fier se foloseşte în prezent de următoarele tipuri de electrod: La placa pozitivă: electrozi tubulari, electrozi casetaţi, electrozi sinterizaţi. La placa negativă: electrozi casetaţi ,electrozi sinterizaţi. Placa pozitivă tubulară este formată dintr-un şir de tuburi perforate, dispuse vertical, cu diametrul de 6,3 mm. Tuburile s-au realizat din tablă de oţel lată de 24 mm şi de 0,13 mm grosime, perforată, nichelată şi roluită prin spiralare. Roluirea se face în două sensuri: spiralarea stânga şi respectiv dreapta, iar tuburile se aşează în placă alternativ stânga şi respectiv dreapta, ca tendinţa de torsionare a unui tub într-un sens să fie anulată de cea a tubului vecin, în sens contrar. După tăierea, la o lungime corespunzătoare înălţimii plăcii, tuburile se umplu cu masă activă, se închid prin presarea extremităţilor şi

22

se aşează în rama plăcii unde se fixează prin presarea ramei sau prin sudură în puncte. Un tub de 100 mm lungime şi diametrul de 6,3 mm, umplut corect cu masă activă, are o capacitate de 1,25 Ah, în regim funcţional de 5 h. Pe această lungime, echidistant, se găsesc opt inele de oţel nichelat care întăresc tubul şi împiedică ieşirea masei active. Încărcarea cu masă activă se face într-o matriţă care conţine un set de tuburi (în mod obişnuit 8 tuburi) şi se introduce succesiv: hidroxid de nichel şi fulgi de nichel care se presează ciclic. Pe 1 cm lungime de tub sunt aproximativ 30-32 straturi în care fulgii de nichel se găsesc în proporţie de 12-13% şi se introduc pentru îmbunătăţirea conductivităţii. Placa pozitivă casetată are masa activă închisă în casete perforate, dispuse în general orizontal (rareori vertical). Casetele se execută din benzi de tablă de oţel cu grosimea de 0,1 mm cu lăţime, depinzând de grosimea electrodului şi de lăţimea casetei. După perforarea, prin poansonare sau roluire, benzile se nichelează. După nichelare, spălare şi uscare benzile se profilează, se introduc brichetele de masă activă între două  benzi profilate, care se fălţuiesc şi apoi se taie la lungime. Aceste casete au cantităţi de masă activă diferită, în funcţie de grosimea, respectiv lăţimea casetei. O casetă mai groasă, cu greutate mare de masă activă, între care o suprafaţă de contact cu electrolitul mai mică şi este adecvată unor regimuri mai uşoare. În casete se introduc brichete cu lungimi tipizate, de 125 mm, iar cantitatea de masă activă şi lăţimea brichetelor, în funcţie de tipul de electrod, este înscrisă în tabelul II.2 (vezi anexa 1). Brichetarea se face asupra unui amestec de hidroxid de nichel cu adaos de fulgi de nichel în proporţie de (10-14)%. Placa negativă casetată Masa activă se închide în casete realizate din tablă de oţel de 0,07 mm, cu lăţime de 18 mm, din care partea perforată are 11 mm. După perforare benzile se nichelează, se decupează la lungime de 76 mm, se profilează şi se închid prin fălţuire, două câte două,  pentru realizarea unei casete late de 13 mm. Caseta se umple cu pulbere de masă activă negativă prin 15-20 presări succesive, apoi se plasează în deschiderea unei rame şi se fixează prin presare.

23

După un alt procedeu, casetele se realizează din tablă de (0,07-0,1 mm) în proces continuu, se introduc de asemenea în proces continuu brichetele şi după fălţuire se taie caseta corespunzător înălţimii plăcii (casetele se dispun vertical). Placa nu are ramă laterală, casetele se prind de talpa inferioară şi de rama superioară, se presează şi se sudează ca să se realizeze un ansamblu rigid. În general, în acest caz nici benzile de tablă perforată şi nici părţile de prindere în placă nu se nichelează (pentru comenzi speciale, la cerere, sau pentru acumulatoarele destinate climatului tropical, se efectuează şi nichelarea). Masa activă negativă este formată din pulbere de fier redus („Ferum Reductum") de mare puritate, în care se mai adaugă, în cantităţi reduse, sulfura de fier, oxid de mercur, oxid de cadmiu şi alţi aditivi care contribuie la creşterea conductivităţii, reducerea degajării de gaze prin creşterea supratensiunii etc. Fulgii de nichel introduşi în masa activă negativă au rolul de a îmbunătăţi conductivitatea materialului şi cel de masă antipolară, în caz de inversări de polaritate la descărcări profunde. Cantitatea de masă activa, pentru brichete de 125 mm lungime, este mai mică decât cea de masă pozitivi, pentru brichete de accesaşi lungime şi lăţime şi depinde de regimul funcţional: Pentru regimuri uşoare:

9,5 g; lăţimea casetei: 14,6 mm

Pentru regimuri medii:

5,0 g; lăţimea casetei: 14,6 mm

Pentru regimuri rapide:

2,9 g; lăţimea casetei: 9,6 mm

Pentru regimuri ultrarapide:

1,7 g; lăţimea casetei 9,6 mm

Placa negativă sinterizată În tehnologiile moderne, şi în special pentru acumulatoare de capacităţi mici şi mijlocii, se folosesc şi plăci electrod sinterizate. Acest procedeu este foarte răspândit la cuplul Ni-Cd şi catodul poate fi preluat de la acumulatorul respectiv; placa negativă diferă însă prin conţinut de negativa omoloagă şi se impune o tehnologie specifică. Un amestec omogen de pulbere aciculară sau cu ramificaţii fine de fier (64%) cupru (30%) şi oxid de mercur (6%) supus unei presiuni mari (peste 80.') daN/cm2) pe o

24

ţesătură fină de oţel, într-un cadru cu dimensiunile plăcii, dă naştere unei plăci de grosime corespunzătoare şi cu o mare porozitate. După sinterizare, în atmosferă reducătoare neutră, la (690-659 C) rezultă o placa cu caracteristici mecanice şi electrice superioare. 0

Asamblarea Plăcile se asamblează în grupuri prin legare la paralel în scopul de a mări capacitatea unui element la n x capacitatea unei plăci pozitive. Grupul de plăci negative este format din n+1 plăci şi separarea împotriva contactului ionic dintre plăcile opuse se face prin tije sub formă de spini dubli (denumiţi şi „agrafe de păr" care se aşează pe placa  pozitivă şi intră de o parte şi de alta în adâncitura dintre două tuburi. Se folosesc şi membrane netede, microporoase, prinse echidistant între spinii arcuitori, ca să se păstreze distanţa dintre plăci. Partea de jos a plăcilor şi cele laterale sunt izolate de cutia metalică  prin nişte rame de material plastic care îmbracă marginile respective. Montajul grupurilor de plăci se face, izolat electric, în cutii de oţel, îndoite şi sudate pe una din laturi. Fundul şi capacul cutiei, din acelaşi material, se sudează de cutie. La grupurile mai grele cutia are feţele nervurate pentru mărirea rezistenţei şi este  prevăzută cu câte unul sau două bosaje, pe câte două feţe opuse, pentru a putea fi prinsă în containerul bateriei modul. Capacul bateriei este prevăzut cu două găuri circulare, prin care ies polii elementului, etanşarea lor făcându-se cu ajutorul unor garnituri de cauciuc (v. fig. 1.57). Între găurile de ieşire a polilor se prevede fixarea unui ventil-filtru care permite, la   presiunile ridicate de la finele încărcării, ieşirea gazelor, însă împiedică pătrunderea aerului atmosferic, care prin conţinutul său de

CO 2 provoacă

carbonatarea electrolitului

şi respectiv degradarea lui. Prin aceste ventile valvă se face alimentarea cu electrolit şi completarea, în timpul exploatării, cu apă deionizată. Formarea elementelor  Elementele se înseriază în şiruri de 100 -150, în funcţie de tensiunea continuă, de alimentare, între elemente se aşează şipci distanţiere (din lemn sau alte materiale izolante) cu grosimi de 25 mm, lăţime de (25-30) mm şi lungimi adecvate mărimii

25

elementului. Rolul lor este de a permite circulaţia aerului în vederea disipării căldurii în timpul procesului de formare. Elementele se încarcă cu soluţia apoasă de KOH de concentraţie şi compoziţie diferită, în funcţie de tipul constructiv. Elementele cu rezervă mare şi foarte mare de electrolit au electroliţi de densitate mai redusă decât cele standard, cu rezervă normală de electrolit. Nivelul electrolitului se ridică până la înălţimea marcată sau specificată de documentaţie, iar dacă în timpul ciclurilor de formare scade nivelul, se va completa numai cu apă deionizată. Formarea elementelor Ni-Fe cu plăci tubulare, respectiv casete, se desfăşoară în trei cicluri (vezi.anexa 2 tabelul II.3). Dacă, la ciclul trei, descărcarea cu 0,2

C 2 A

durează minim 5 h şi 45 minute

elementele se consideră corespunzătoare, în caz contrar se repetă ciclul respectiv. În formarea şi exploatarea acumulatoarelor Ni-Fe se folosesc soluţii diferite de electrolit. În principiu, elementele cu rezervă redusă de electrolit folosesc concentraţii mai ridicate, chiar şi pentru ciclurile de formare, iar în cazul în care densitatea electrolitului, în timpul funcţionării scade la 1,160 g/ cm 3 cm (sau mai puţin) electrolitul se goleşte şi se înlocuieşte cu altul nou, având densitatea mai mare, în vederea conservării capacităţii plăcilor pozitive în ciclurile funcţionale ce urmează. Litiul care se adaugă în electrolit şi suplimentar, la primul ciclu de formare, îmbunătăţeşte performanţele electrodului negativ. Într-o bună exploatare, se folosesc cinci tipuri diferite de electrolit (v. tabelul 3.6). Pentru elementele cu foarte mare rezervă de electrolit, se foloseşte electrolitul de la poziţia trei şi pentru completări în caz de pierderi şi pentru înlocuirea electrolitului degradat funcţional. Pentru reducerea pierderilor de apă prin evaporare, în special în cazul bateriilor  staţionare, unii producători adaugă o anumită cantitate de ulei mineral pur, care pluteşte la suprafaţă şi reduce sensibil pierderile de apă, în special în cazul climatului tropical. Cantitatea de ulei variază în funcţie de mărimea elementului şi de tipul constructiv şi se cuprinde în limitele a (15-95) cm /element.(vezi anexa 3 Tab.II.4. Electroliţi pentru 3

elementele Ni-Fe cu placi tubulare şi casetate)

26

Baterii de elemente Elementele Ni-Fe se pot livra, după ultimul ciclu de formare, ca atare sau se asamblează în baterii modul (6,12 sau 24 V). Dacă pentru bateria modul se foloseşte lemnul, el protejează prin impregnare sau vopsire cu o soluţie bituminoasă. În bateria modul elementele se fixează fără joc. Legăturile de înscriere dintre elemente sunt rigide sau semirigide de tip bandă de cupru nichelată; legăturile dintre module sunt de tipul cablu multifilar cu papuci nichelaţi. Capetele de pol filetate, piuliţele şi rondelele folosite sunt nichelate cu strat gros, pentru condiţii grele de exploatare. II.3.2. Acumulatoare Alcaline Ni-Cd cu plăci sintetizate

Tipurile vechi, tipurile de mare capacitate sau cele exploatate în condiţii grele se fac cu electrozi pozitivi tubulari şi casetaţi şi cu electrozi negativi casetaţi sau de tip sinterizat. Pentru că tipurile acestea nu sunt nici moderne şi nici cele mai economice, şi  pentru că ele nu diferă esenţial de cele prezentate sumar la cap II.3.1, nu vor mai fi luate în discuţie. În faza de model experimental, plăci sinterizate s-au realizat încă din 1920, iar în anul 1928, o soluţie constructivă şi tehnologică a fost patentată, fără urmări practice. Abia în anii celui de al doilea război mondial elementul Ni-Cd cu electrozi sinterizaţi se impune în aviaţie şi în alte aplicaţii speciale. După război, domeniul de aplicaţie se extinde şi în prezent se produc în toate ţările cu tehnici avansate şi se impun în special în utilizări cu regimuri şi cu temperaturi de lucru negative. Materialul de bază Pulberea de nichel de puritate foarte ridicată, cu granulaţie foarte fină este cel mai solicitat material. Pentru o structură cât mai bună a plăcilor sinterizate dimensiunile  particulelor trebuie să se cuprindă între 3 şi 5,5

 µ m

(fracţiunile mai mici de 3  µ m se

admit în proporţie redusă, iar cele mai mari de 5,5  µ m sunt excluse). Conţinutul de Cu, Fe, Si şi compuşii acestora se evită pe cât posibil, în special la  placa pozitivă.

27

Cele mai bune rezultate, în special la produsele militare, au fost obţinute cu  pulberi de nichel provenite din nichel carbonil. Nichelul carbonil, Ni(CO) , fiind un gaz 4

extrem de toxic, tehnologia pulberilor realizate pe această cale este dificilă şi pe plan mondial aproape în întregime monopolizată de International Nickel Limited (Marea Britanie).  Normativele americane militare impun pulberilor de nichel (din nichel carbonil) următoarea componenţă: Ni

minim 99,1%

C

maxim 0,2%

02

maxim 0,5%

Fe

maxim 0,15%

S

maxim 0,005%

Alte metale

maxim 0,045%

Greutatea specifică aparentă cuprinsă între 0,5 şi 0,8 g/ cm , cu suprafaţa 3

specifică de minim 0,5

m 2 /g, asigură o porozitate maximă a plăcilor sinterizate.

Japonezii au folosit, cu bune rezultate, la sinterizarea plăcilor pozitive, pulberi obţinute pe cale electrolitică, de mare puritate. Sinterizarea plăcilor  Sinterizară este un proces termic prin care o structură granulară incoerentă se transformă într-un corp coerent, fără să se fi atins punctul de topire al materialului respectiv. În cazul plăcilor de acumulatoare Ni-Cd, particulele pulberii de nichel se sinterizează pe un suport metalic: tablă de oţel de 0,1 mm, perforată şi nichelată sau ţesătură fină, de aceeaşi grosime, nichelată. Suportul de tablă sau de ţesătură nu afectează  performanţele electrice, din punct de vedere economic se preferă tabla perforată care este mai ieftină.

28

Există mai multe metode de sinterizare: Sinterizarea directă a pulberii de nichel pe suportul de tablă perforată sau pe ţesătură, la temperaturi cuprinse între 800 şi 1000 C. După sinterizarea apar contracţii 0

mari datorită topirii vârfurilor. Sinterizarea are loc timp de 5 - 20 minute, însă timpul de răcire este mult mai mare. Atmosfera din tunelul de sinterizare trebuie să fie neutră sau reducătoare. Metoda este de mică productivitate şi costisitoare. Un amestec de pulbere de nichel cu acizi graşi şi alcooli polivalenţi formează o masă plastică care se extrude sau se acoperă la grosimea dorită, pe suportul metalic, şi apoi se sinterizează. Sinterizarea unei suspensii de pulberi de nichel care se depune, în proces continuu  pe banda suport (tablă perforată sau ţesătură). Banda cu depunerile respective trece  printr-un tunel de uscare şi apoi prin cel de sinterizare în proces continuu. Acest procedeu a fost preluat cu succes de SAFT- Franţa, realizând plăci electrod de diferite grosimi cu   performanţe de vârf. în figura II.2 se prezintă, schematic, succesiunea fazelor  tehnologice.

Fig. II.2 Schemă tehnologică pentru sinterizarea benzilor: 1 - bobină cu bandă; 2 - masă activă (pastă moale); 3 - bandă perforată; 4 - răzuitoare; 5 - cuptor de uscare; 6 - role de egalizare; 7 - rolă de antrenare; 8 - zonă de preîncălzire; 9 - cuptor de sinterizare; 10 - zonă de răcire; 11 - intrare gaz protector; 12 - rolă pentru  banda sinterizată. 29

O pastă moale, formată din pulbere d [(0,5 - 0,6)g/ cm 3 ], cu o soluţie apoasă nichel-carbonil de joasă densitate vâscoasă de carboximetilceluloză [(1 - 5)%] se amestecă omogen (pulberea de nichel şi soluţia apoasă de celuloză se amestecă în  proporţii egale). Banda perforată sau ţesătura, trasă de pe o bobină, trece prin pasta de nichel antrenând, de o parte şi de alta, un strat de o anumită grosime (în funcţie de vâscozitatea  pastei) trece printr-o fantă de egalizare, apoi printr-un tunel vertical de uscare (aici se elimină integral apa) şi în continuare printr-un tunel cu mai multe zone: de presinterizare, de sinterizare şi de răcire. La baza zonei de răcire se prevede ajutajul pentru admisia gazului protector. În final banda sinterizată este bobinată pe un mosor şi pregătită pentru operaţiile ulterioare. Temperatura de sinterizare fiind de (800 - 1000)

0

C, componenţi organici se

descompun şi contribuie la creşterea porozităţii. Cu cât temperatura de sinterizare este mai ridicată şi timpul mai lung cu atât   porozitatea scade, şi în aceeaşi măsură suprafaţa specifică. Dacă pudra de nichel, din nichel carbonil, are o suprafaţă specifică în limitele a (0,6-0,75) m 2 /g, după sinterizare, suprafaţa specifică se înjumătăţeşte [(0,25- 0,50) m 2 /g)]. În ultimii ani s-a încercat, cu succes, obţinerea electrozilor de nichel sinterizat pe suport microporos, eliminându-se astfel complicaţiile legate de contracţia plăcii în timpul sinterizării. Suportul din răşină poliesterică sau din polipropilenă microporoasă (cu pori de dimensiuni cuprinse între 50 şi 500  µ  .m. Acest suport impregnat cu pulbere de nichel, uscată, de dimensiuni cuprinse între 2,6 şi 3,4

 µ  .m,

şi densitate aparentă (0,5-0,6) g/cm , trece printr-un cuptor cu o 3

creştere progresivă a temperaturii. La 450° C se încheie eliminarea componentelor  organice volatilizate şi sinterizarea are loc în continuare între 700 şi 1000 (sinterizarea la 1000

0

0

C

C durează 1 h). Porozitatea realizată prin acest procedeu este mare

[(84-92)%].

30

Impregnarea electrozilor  Electrozii sinterizaţi, benzi sau plăci mamă cu plăci elementare multiple au aceeaşi compoziţie şi respectiv aceeaşi structură. Diferenţierea lor se face prin impregnare cu substanţe diferite, transformându-se abia în urma acestei operaţii, în anozi şi catozi. Impregnarea plăcii pozitive se face în trei moduri: printr-un proces de vacuum, respectiv de polarizare, printr-un proces de descompunere termică sau printr-un proces de electrodepunere. a) Procesul de polarizare se desfăşoară în patru trepte: imersarea plăcilor în soluţii de nitrat de nichel; polarizarea catodică în soluţie de hidroxid de sodiu sau potasiu; spălarea plăcilor şi în final uscarea lor. Aceste patru trepte succesive se repetă în mai multe cicluri, până ce depunerea de masă activă, însumată, are valoarea vizată. 1. Imersarea în vederea impregnării cu nitrat de nichel se face la o presiune joasă (vacuum), la maximum 40 mm Hg, şi durează (7-16) minute. Soluţia este la limita de saturare (aproximativ 250 g de nichel pe litru, iar conţinutul liber de acid azotic de (2- 5)g pe litru. Se foloseşte uneori un adaos [(5-10) % din conţinutul de nichel] de cobalt pentru îmbunătăţirea capacităţii plăcii pozitive şi menţinerea ei cât mai constantă  pe parcursul ciclurilor funcţionale. 2. Polarizarea catodică se face cu soluţie fierbinte de hidroxid de sodiu sau potasiu (se preferă hidroxidul de sodiu din motive economice). Placa de polarizat se plasează în mijlocul unei celule, având, de o parte şi de alta, două plăci contraelectrod din nichel. Celula se poate face din nichel, inox sau material plastic termorezistent. Dacă celula este din nichel, pereţii acesteia joacă rolul de contraelectrozi. Concentraţia electrolitului, (10-25)%, temperatura (75-100)

0

C, iar densitatea de curent uzuală este de 8 A/dm 2 .

După aproximativ 20 minute, electrolitul se returnează, prin golire într-un rezervor, şi se recirculă. 3. După polarizare plăcile se aşează în cadre şi se spală în bazine mari în contracurent de apă. Ca să se evite adsorbţia impurităţilor din apa curentă se recomandă

31

apă deionizată la temperatura de (60 ... 80)° C, iar timpul de spălare variază între 1 şi 3 ore. Dacă dispare orice urmă de alcalinitate (probată cu ajutorul fenolftaleinei) se consideră spălarea terminată. 4. După spălare, plăcile se usucă la (70-80)° C timp de (4-5) ore. Cantitatea de masă activă, depusă într-un singur ciclu, corespunde unei capacităţi insuficiente, de aceea ciclurile se repetă de mai multe ori. Cu fiecare ciclu, corect efectuat, creşterea în greutate şi respectiv capacitatea de placă se măreşte. În tabelul II.5 s-au înscris: sporul de masă al plăcii, pentru fiecare ciclu şi cumulativ, şi valoarea teoretică a capacităţii.(vezi anexa 4) Pentru o placă pozitivă normală se consideră suficiente 4 sau 5 cicluri de impregnare, corespunzând unei capacităţi reale de aproximativ 0,30 Ah/cm

3

din

volumul plăcii. Pentru plăci de mare capacitate, ciclurile de impregnare sunt 12-15. Acest proces, cu un număr atât de mare de impregnări ciclice, este greu de mecanizat şi automatizat. SAFT - Franţa a realizat însă un procedeu de impregnare continuă pentru ambele tipuri de placă, prin modificarea procesului de polarizare.  b) Descompunerea termică se efectuează în cinci trepte succesive: 1. Plăcile aşezate în cadre (rackuri) sunt mai întâi degresate (de exemplu în acetonă caldă). Se imersează apoi în băi cu azotat de nichel hexahidrat, care se menţin la o temperatură de (85-125)° C (densitatea băii 1,75 g/cm ). 3

La presiunea normală, durata de imersie este de două ore; la presiune redusă durata de imersie se reduce la (20-40) minute. 2. După terminarea imersiei în nitratul de nichel, cadrele cu plăci se transportă într-un cuptor în care are loc descompunerea azotatului de nichel hexahidrat, Ni(N0 ) . 3

2

6H 0, într-un compus intermediar solid care se depune în porii suportului, respectiv, 2

 Ni (OH  ) NO 3 .

Temperatura optimă de uscare este de (220-230)° C, timp de 1 h.

32

3. Urmează o a doua imersie in soluţie de K(OH) cu densitatea 1,20 g/cm , şi 3

temperatura de (75-90°) C, convertind azotatul bazic de nichel în hidroxid activ de nichel. Pentru o conversie totală se se consideră suficientă suficientă o perioadă de uscare de 1 h. 4. Spălarea, după această conversie, se face în apă deionizată la temperatura camere camereii sau sau mai mai ridi ridicat cată. ă. Dura Durata ta spăl spălări ăriii este este de (1-4)h (1-4)h,, până până ce indi indicato catorul rul de fenolitaleină arată că apa este neutră. 5. Ultima treaptă, din acest proces, constă în uscarea plăcilor la temperatura de (75-95)° C, până se atinge o greutate constantă [(2-5)h]. Într-un Într-un singur singur ciclu ciclu de descom descompun punere ere termic termicăă se obţin obţin capacit capacităţi ăţi,, verifica verificate te  practic, de (0,22-0,24) Ah/cm . Efectuarea a 2-3 cicluri de descompunere termică 3

măreşte capacitatea specifică a plăcilor pozitive, dar şi pericolul de băşicare şi degradare a acestora. c) Electrodepunerea masei active se face în cuve cu soluţie acidă sau neutră de azotat de nichel, în care are loc o polarizare catodică. Hidroxidul activ de nichel precipită şi se depune în pori (la un pH crescut), în timp ce în afara plăcii soluţia se păstrează la un PH redus, care să nu permită precipitarea hidroxidului de nichel. După electrodepunere  plăcile se polarizează catodic în soluţie de NaOH, ca să precipite urmele reziduale de azotat de nichel rămas în pori. Spăl Sp ălar area ea şi usca uscare reaa înch închei eiee un cicl ciclu. u. Se poat poatee repe repetta aces acestt cicl cicluu de electrodepunere până se obţine cantitatea preconizată de masă activă în electrod. Pe lângă faptul că această metodă este relativ simplă se obţine şi o distribuţie foarte uniformă a materialului activ în porii suportului de nichel sinterizat. Impregnarea plăcii negative. Pentru impregnarea plăcii negative se aplică, industrial, tot trei metode: metoda  polarizării, metoda descompunerii termice şi metoda formiatului de cadmiu. a) Metoda polarizării este asemănătoare celei de la placa pozitivă şi se efectuează tot în patru trepte:

33

1. Se folosesc pentru impregnare diferite săruri de cadmiu (cloraţi, sulfaţi, acetaţi sau nitraţi). Cea mai eficientă metodă de impregnare este cea cu nitrat de cadmiu, pentru că se obţin capacităţi superioare datorită unei mai bune utilizări a masei active. Soluţia de impregnare conţine (450-500) g cadmiu/litru, cu un conţinut liber de acid azotic de (3-5) g/litru, având o densitate de 1,89 g/cm . Pentru îmbunătăţirea 3

 performanţelor s-au adăugat mici cantităţi de indiu, nichel sau fier, iar pentru temperarea agresivităţii soluţiei de nitrat asupra suportului de nichel sinterizat, se adaugă (1 - 1,5) g/l de alcool alcool polivi polivinil nilic ic sau poliet polietile ilenn glicol glicol.. Calciu Calciul,l, magnez magneziul iul sau cromul cromul au efecte efecte negative negative şi se evită pe cât posibil. posibil. Presiunea şi timpii timpii de impregnare impregnare sunt cei de la placa  pozitivă. 2. Polarizarea catodică se face la fel cu cea de la placa pozitivă, însă cele mai  bune rezultate se obţin cu densităţi de curent de (5,5 - 6) A/dm 2 . După 20 minute de elec electr trol oliz iză, ă, în pori poriii plăc plăcii ii plăc plăcii ii preci precipi pită tă Cd(O Cd(OH) H)

2

şi cadm cadmiiu metal etalic ic,, cu o

 preponderenţă a hidroxidului de cadmiu. 3. Urmează o treaptă de spălare care se desfăşoară la fel cu cea de la placa  pozitivă, recomandându-se o deosebită atenţie în purificarea apei de spălare întrucât ionii de calciu şi cei de magneziu au un efect contaminant asupra masei active negative. 4. Uscarea se face la fel cu cea de la placa pozitivă. în timpul perioadei de uscare,  particulele fine de cadmiu se oxidează şi trec în Cd(OH)

2

aşa încât practic, după uscare

masa activă este termoformată complet în hidroxid de cadmiu. Pentru plăcile standard se efectuează trei sau patru cicluri de impregnare, care conduc la un depozit de masă activă (hidroxid de cadmiu) de aproximativ 1,6 g/cm , 3

echivalent cu o capacitate de 0,45 Ah/cm

3

de placă.

Dacă sunt necesare capacităţi mai ridicate se operează 7-8 cicluri de impregnare cu un câştig total de 2,2 g/cm

3

de placă, respectiv 0,62 Ah/cm . 3

După ciclul final plăcile se supun unei operaţii de periere pentru înlăturarea depunerilor de pe suprafaţa plăcii.

34

 b)Metoda descompunerii termice se desfăşoară în două trepte: 1. Plăcile, în cadre cu ghidaj, se imersează pentru degresare în acetonă caldă şi apoi se usucă. După uscare se introduc într-un container container cu topitură topitură de azotat azotat de cadmiu cadmiu tetrahidrat, menţinut la temperatura constantă (62,5 C) Se realizează o depresiune de 0

(20-24) mBar şi baia începe să fiarbă, iar plăcile se menţin în aceste condiţii 10 minute, după care se deschide containerul şi se evacuează. 2. Descompunerea termică se face într-un cuptor plasat într-o cameră închisă. în cuptorul încălzit electric se ridică temperatura la (225-235)

0

C şi se păstrează constantă

timp de (80-90) minute, după care se întrerupe încălzirea cuptorului şi plăcile se răcesc în curentul de hidrogen din camera închisă în care este plasat cuptorul. În timpul încălzirii azotatul de cadmiu se reduce la cadmiu metalic, însă acesta după răcire, în contact cu aerul atmosferic, oxidează. După două cicluri de impregnare impregnare se obţine obţine o capacitate capacitate efectivă efectivă de 0,4 Ah/cm , 3

iar după trei cicluri 0,55 Ah/cm , cu o utilizare de aproximativ 60% a masei active. 3

c)Metoda formiatului de cadmiu se desfăşoară in două trepte: 1. Imersarea plăcilor într-o baie fierbinte de formiat de cadmiu [(75-85)

0

C] care

conţine 270 g de cadmiu/litru (densitate 1,32 g/cm ) şi cu pH de aproximativ 4 (se evită 3

complet prezenţa calciului şi a magneziului). După (5-6) minute plăcile se scot din soluţia de formiat şi se usucă (3-4) minute în atmosferă normală. 2. Plăcile se transferă într-un cuptor încălzit electric prin care trece un curent de aer. Timp de (15-25) minute plăcile se menţin la temperatura de (320-350)

0

C, după

care se scot şi se răcesc, în vederea unui nou ciclu de impregnare. La temperatura cuptorului, formiatul de cadmiu, Cd(HC0 ) , se descompune în 2

2

cadmiu, oxid, bioxid de carbon şi apă. În final, din cauza oxidării particulelor fine de cadmiu, în curentul umed de aer, se oxidează şi în final în plăci se găseşte un depozit fin de oxid de cadmiu.

35

Pentru realizarea unei capacităţi specifice de 0,40 Ah/cm

3

de placă sunt necesare

7-9 cicluri de impregnare. d)Alte metode de impregnare Pentru reducerea numărului de cicluri de impregnare s-au propus: Descom Descompune punerea rea termic termicăă să se facă facă după după o impregn impregnare are într-o într-o soluţi soluţiee mixtă, mixtă, formată din formiat şi azotat de cadmiu. În acest caz nu mai este necesară atmosfera de hidrogen, gazele de reducere fiind suficiente ca să împiedice oxidarea suportului de nichel sinterizat. Electrodepunerea substa substanţe nţeii active active,, baia baia fiind fiind format formatăă din azotat azotat de cadmiu cadmiu.. Procedeul de desfăşoară ca la metoda similară pentru electrodul pozitiv. Formarea electrozilor  Înainte de asamblarea electrozilor în elemente, se recomandă o formare a acestora cu scopul eliminării anumitor impurităţi şi pentru a pregăti electrozii în vederea atingerii capacităţii nominale, atât în regimuri înalte cât şi cele uşoare. La nive nivell de plac placă-m ă-mam amăă (plac (placăă modul modul cu mult multip iplu lu de plăc plăcii elem element entar are) e) se asamblează electrozii în elemente cu electrolit alcalin , se înseriază elementele şi se efectuează efectuează 1 - 3 cicluri cicluri de formare, formare, după care se dezmembrează, dezmembrează, se spală şi se periază periază în stare umedă, apoi se usucă. După un repaus de 6 h in electrolit KOH, de concentraţie aproximativ 30%, se efectuează cele trei cicluri de formare, astfel: Ciclul I:

Încărcare cu I = 0,134 C timp de 30 h; Descărcare cu I = 0,2 C până la 1 V/element.

Ciclul II:

Încărcare cu I = 0,134 C timp de 15 h; Descărcare cu I = 0,2 C pînă la 1 V/element.

36

Ciclul III:

Încărcare cu I = 0,2 C timp de 7h; Descărcare cu I = 0,2 C până la 1 V/element.

Apa Apa de spăl spălar aree treb trebui uiee să fie fie li lips psit ităă de ioni ioni de calc calciu iu sau sau magn magnez eziu iu,, iar  iar  temperaturile de uscare să nu depăşească 60 0 C  . De asemenea, după uscare să se evite depozitarea electrozilor in aer liber, din cauza bioxidului de carbon din aer care reacţionează cu electrozii chiar şi în stare uscată. În special pentru elementele în construcţie etanşă, se recomandă asamblarea şi închiderea elementelor imediat după terminarea ciclurilor de formare. Asamblarea în elemente După După decup decupare areaa plăc plăcil ilor, or, din din plac placaa modu modul, l, se sude sudeaz azăă la part partea ea supe superi rioa oară ră urechile, din folie de nichel sau oţel nichelat. Cu ajutorul acestor urechi plăcile pot constitui constitui grupuri şi se pot lega solidar de polul elementului elementului de acelaşi semn, prin sudură sau înşurubare. Grupurile de semn contrar se întrepătrund în aşa fel ca fiecare placă   pozitivă să fie prinsă între două plăci negative, având de o parte şi de alta câte o membrană separatoare. La n plăci pozitive corespunde un grup de (n + 1) plăci negative, grupate simetric în jurul unui pol, din oţel nichelat. Ansamblul de grupuri (pozitiv şi negativ) se introduce, cât mai strâns, într-un vas element. În ultimul timp majoritatea vaselor sunt din material plastic rezistent la impact şi rezistent la agresivitatea soluţiilor electrolit. Pentru aplicaţii militare se folosesc vase de   poliam poliamide ide (nylon), (nylon), iar pentru pentru utili utilizări zări comune comune vase vase de polis polistir tiren, en, (poliet (polietil ilenă enă sau  polipropilenă.) Etanşarea capac-vas se face în general prin termosudură (rareori şi acolo unde materialul o impune, prin răşini adezive). Etanşarea capac-poli, se face în mai multe moduri: prin garnituri elastice, prin răşini aderente la pol şi la materialul capacului şi mai ales prin injectarea capacului direct pe poli, prevăzându-se în zona de contact un profil de încastrare.

37

Dacă montajul se face în vase de metal, realizate din tablă de oţel profilată şi nichelată, între grupurile de plăci se interpune o folie subţire (din PE sau PVC) pentru evitarea scurtcircuitelor de contact. Etanşarea policapac se face ca la elementele cu plăci tubulare . Pentru elementele prevăzute cu ventil, el se plasează între poli, în centrul capacului, şi are rolul de a permite scăparea gazelor, în caz de suprapresiune internă, si   blocarea pătrunderii aerului atmosferic încărcat cu bioxid de carbon. La elementele  prismatice etanşe acest ventil lipseşte, iar la cele cilindrice sunt prevăzute sisteme de siguranţă, care la suprapresiuni mari, previn explozia elementului respectiv . Elementele cilindrice au un ansamblu de grupuri diferit de cel al elementelor   prismatice. Plăcile electrod, prinse între membranele separatoare se spiralează strâns şi se introduc în vase cilindrice, sub formă de pahar. Placa negativă se sudează prin intermediul unor benzi (de nichel sau nichelate) de fundul paharului, constituind   polaritatea respectivă, iar placa pozitivă de capac, tot prin intermediul unor benzi, constituind borna-catod. Capacul se închide etanş cu paharul elementului si este izolat electric de acesta. Formarea elementelor  Pentru eliminarea unor impurităţi rămase după procesul de formare a electrozilor,  pentru a corecta defectele de suprafaţă provocate de uscare şi mai ales cele influenţate de  bioxidul de carbon din atmosferă, se efectuează 2-4 cicluri de formare după asamblare. - Se umple elementul cu electrolit de 1,250 g/cm , iar după 24 h de repaus, 3

electrolitul se goleşte şi se face umplerea elementului cu alt electrolit de aceeaşi densitate. - Se efectuează 2-3 cicluri de formare cu I = 0,2 C, timp de 10 h, urmate de o descărcare, cu acelaşi curent până la 0,8 V/element. După fiecare ciclu electrolitul se goleşte şi se adaugă electrolit nou, de aceeaşi densitate. - Urmează un ultim ciclu de formare cu 1-0,2 C timp de 7 h, după care se descarcă, cu acelaşi curent până la tensiunea de 1,1 V/element. Această capacitate se consideră capacitatea nominală a elementului respectiv.

38

Pentru elementele mici se recurge la un procedeu mai expeditiv. Elementele legate în paralel, se introduc într-un vas, container cu rezervă mare de electrolit. În această situaţie elementele se ciclează de trei ori cu valorile de curent şi duratele de mai sus. Se consideră că datorită difuziei, după cele trei cicluri de formare, electrolitul din element s-a purificat şi sa reînnoit, din rezerva de electrolit din container. La elementele etanşe se adaugă o cantitate redusă de electrolit de (1,25-1,30) g/cm 3

(pentru temperaturi foarte joase se preferă 1,40 g/cm ) în care alături de KOH se 3

adaugă şi 2% hidroxid de litiu. Cantitatea depinde de porozitatea plăcilor şi de grosimea şi porozitatea separatorului şi variază între 2,5 şi 5,0 g/Ah. Uneori, şi în special la elementele cilindrice, după ultimul ciclu de formare se răstoarnă elementul şi cantitatea rămasă în plăci şi separatoare se consideră suficientă şi urmează etanşarea corp-capac. II.3.3 Acumulatoare Alcaline Ag-Zn

Acest sistem a fost experimentat încă de la 1900, dar nu a putut să se impună în tehnica contemporană decât după 1950 din cauza a doi factori importanţi: a) Costuri de fabricaţie ridicate, care nu se justifică decât pentru aplicaţii speciale (aviaţie, sondaje cosmice, aparatură electronică miniaturizată).  b) Durata de viaţă relativ redusă, din cauza perforării membranelor separatoare şi a degradării anodului. De aceea, o tehnologie de mare productivitate nu s-a impus decât târziu, volumul de producţie nejustificându-se. Fabricarea electrozilor de argint S-au impus trei metode, care în esenţă nu sunt diferite de metodele utilizate pentru catodul de nichel, de exemplu. Aceste metode sunt: - Metoda pastării unui suport colector cu o masă care conţine în principal Ag 0 2

sau

 Ag  2O 2 ,

urmată de procesul de uscare, reducere termică şi apoi reoxidare anodică în

soluţie KOH. - Metoda presării, pe un suport colector, a pulberilor de oxizi de argint. 39

- Metoda sinterizării pe un suport colector a pulberii de argint amestecată cu  pulberi formatoare de pori, urmată de oxidare electrochimică. 1. Metoda pastării necesită o pastă mai puţin vâscoasă formată din oxizi de argint cu 1% carboximetilceluloză (CMC). Aplicată suportului, necesită o uscare moderată [(65-75) 0 C  ]. Reducerea termică are loc la temperaturi de aproximativ 400 0 C  , iar pulberea fină se reoxidează într-o baie de KOH (soluţie 5%) sub curenţi mici, timp de 16 ... 48 h. După spălare în apă curentă, timp de (10-12) h, electrozii se usucă la temperaturi de (65-70) 0 C  . 2. Metoda presării uscate se face fie cu o presă cu repetiţie, fie prin intermediul unor role. Pe un suport (grilă) înmuiat în apă sau într-un alt liant lichid se aplică oxizii de argint în stare uscată. Dacă presarea se face prin roluire, procesul se poate face continuu,  prin depunerea cantităţii necesare de pulberi cu ajutorul unui dozator-vibrator. Depunerea în procesul continuu se face pa suportul metalic după ce acesta a fost în prealabil umectat cu apă sau cu o soluţie de CMC. Grosimea definitivă a grătarului se obţine prin treceri succesive a benzii cu oxizi prin valţuri de calibrare sau, în cazul grosimilor mai mari, cu ajutorul unei prese cu repetiţie. Pentru o compactizare optimă a materialului activ se consideră necesară o presiune de (150-220) daN/cm 2 . 3.Metoda sinterizării se poate efectua fără a fi necesară o atmosferă neutră sau reducătoare. Această metodă perfectează electrozi cu rezistenţă mecanică superioară celor  obţinuţi prin cele două metode anterioare şi de aceea cele mai multe din tehnologiile moderne aplică această metodă. Această metodă se poate aplica şi electrozilor individuali şi celor realizaţi în  benzi. Cei mai mulţi electrozi sinterizaţi se obţin în proces continuu [temperaturile de sinterizare se cuprind în plaja de (550-800)

0

C  ]. În acest fel se pot realiza folii de lăţime

mare, din care se decupează plăcile. În vederea asamblării în grupuri, de aceste plăci se sudează prin puncte benzile de legătură (urechi).

40

Fabricarea electrozilor de zinc Şi în acest caz, ca şi pentru electrodul pozitiv, în fabricaţiile curente se întâlnesc trei metode: metoda pastării, a presării uscate şi a electroformării. În fabricaţiile moderne s-au impus însă şi alte metode. 1. Metoda pastării utilizează o pastă formată din: 70% oxid de zinc cu 30% soluţie de CMC [în care CMC se găseşte în proporţie de (0,05-0,10)%].. După aplicarea pastei pe suport urmează o uscare timp de (2-6)h (în funcţie de grosimea plăcilor) la o temperatură de aproximativ 600 C  . Se adaugă în soluţia de 30% adeseori şi hidroxid de potasiu, care provoacă o întărire a plăcilor în   procesul de uscare şi frânează oxidarea electrozilor încărcaţi în prezenţa aerului. Plăcile se pot forma fie în prezenţa electrozilor pozitivi, fie asociate cu electrozi falşi de nichel. Electrolitul de formare este o soluţie apoasă de KOH în concentraţie de 5%. După formare urmează o spălare în apă rece [nu mai rece de (8-10)

0

C  ]

curentă,

timp de (120-150) minute. Îndepărtarea hidroxidului de potasiu se impune, fiindcă în contact cu aerul atmosferic se formează carbonatul de potasiu cu influenţă negativă asupra capacităţii electrozilor.. 2.Metoda presării uscate constă în presarea unui amestec pulverulent   pe un suport (bandă) de zinc, de argint sau de cupru. Amestecul de pulberi are, aproximativ, următoarea compoziţie: Oxizi de zinc……………………(90-97)% Oxid de mercur…………………(1-8)% Alcool polivinilic (PVA)…………2% Presiunea care se aplică este în raport cu porozitatea dorită pentru placă. Pentru electrozi de regimuri rapide şi în special pentru cele ultrarapide, se impun porozităţi de ordinul a (80-90)% care implică presiuni mai reduse [(110-150) daN/cm 2 ]; pentru 41

electrozi de regimuri uşoare porozitatea plăcii poate fi de (30-40)%, respectiv se pot folosi presiuni mai înalte, rezultând electrozi de mică putere dar de energie specifică ridicată. Formarea electrozilor se face în cuve cu KOH 5%, în asociere cu electrozii falşi de nichel. O variantă economică a acestei metode constă în prepararea unui amestec de ZnO cu (0,5-5)% pulbere de hidroxid de potasiu. În timpul stocării de 24 h a acestui amestec, hidroxidul de potasiu fiind hidroscopic adsoarbe apă din atmosferă în aceeaşi proporţie. Amestecul se presează apoi pe banda suport (folie perforată sau ţesătură). 3. Metoda electroformării constă în depunerea unui strat de zinc pe un colector de cupru, dintr-o baie de zincaţi. Urmează operaţiile de spălare şi uscare ca la electrozii  pastaţi. Amalgamarea acestor electrozi conduce la un spor de capacitate. Se obţine, la temperaturi joase, un coeficient maxim de utilizare a masei active pentru un conţinut de mercur de 2%. 4. Alte metode pentru fabricarea anozilor de zinc sunt: Sinterizarea oxizilor de zinc, după ce pulberile au fost presate uşor într-o matriţă. Temperatura de sinterizare 750 0 C  , timp de (30-90) minute. Sinterizarea electrozilor într-o mixtură de material plastic insolubil în electrolit dar solubil într-un anumit solvent. După sinterizare, extrăgându-se materialul plastic,  placa are o structură deosebit de poroasă, iar materialul plastic rezidual dă consistenţă  plăcilor pe parcursul ciclurilor funcţionale. Cel mai indicat material plastic este oxidul de  polietilenă care este solubil în apă, dar insolubil în soluţie de KOH. Pentru prevenirea unei dizolvări prea accelerate a materialului plastic folosit (şi respectiv slăbirea rezistenţei plăcii pe parcursul duratei de viaţă) s-a propus utilizarea a două materiale  plastice pulverulente, al doilea nefiind solubil nici în solventul primului material plastic.

42

Asamblarea în elemente Elementele Ag-Zn, în construcţie cu ventil, se asamblează în acelaşi fel cu elementele similare Ni-Cd, de format prismatic. Acolo unde plăcile n-au un suport de fire de argint (reofori) banda de legătură (urechea) dintre placă şi polul terminal se sudează de marginea superioară a plăcii. Vasul celulei, este, în general, din material plastic injectat (polistiren modificat, nylon, polipropilenă ş.a.). Uneori, vasul din material plastic, pentru aplicaţii speciale, se face din plastic armat cu fibre de sticlă şi în acest caz etanşarea vas capac se face cu răşini epoxidice. La elementele prevăzute cu ventil trebuie să se împiedice pătrunderea aerului atmosferic cu

CO 2 , care influenţează negativ parametrul electrodului de zinc.

O problemă, mai acută decât la celelalte sisteme, o reprezintă separarea electrozilor. La acest cuplu, datorită energiei specifice şi puterii specifice ridicate, un scurtcircuit generează o încălzire atât de puternică încât duce la degradarea echipamentului pe care i1 alimentează şi în care, adeseori este strâns integrat. Problema separatorului, pusă în adevărata sa lumină, de H. André, este de importanţă vitală pentru cuplul respectiv de electrozi. Membranele multistrat cu caracter argintostatic şi de stopare a formării dendritelor de zinc, pot influenţa şi performanţele funcţionale şi durata de viaţă. în figura II.3 sunt reprezentate schematic straturile separatoare. Fig. II.3. Reprezentare schematică a separării electrozilor în acumulatorul Ag-Zn: 1 - catodul (Ag); 2 - anodul (Zn); 3 - membrană rezistentă la oxidare; 4 - membrană multiplă, argentostatică; 5 - membrană anvelopă pentru anod; 6 - membrană rezistentă la pătrunderea dendritelor.

43

Fig. II.4. Element Ag-Zn de fabricaţie YARDNEY: 1 - placă pozitivă; 2 - placă negativă; 3, 4 şi 5 - separator stratificat (strat intern, median, exterior) ; 6 - conexiuni la borna pozitivă; 7 - conexiuni la borna negativă; 8 şi 9 - borne + şi - ; 10 şi 11 - vas şi capac din material plastic transparent; 12 - dop-ventil.

Fig. II.5. Plăci electrod-negativ (acumulatoare Ag-Zn).

Membrana anvelopă a catodului este o folie de neţesut, rezistentă la oxidare, care împiedică degradarea prin oxidare a straturilor arginlostatice (4). Electrodul de zinc este învelit, adeseori, de la fabricaţie, cu o membrană fină de neţesut, care îl protejează împotriva degradării, în operaţiile' tehnologice, iar funcţional absoarbe electrolitul, se gonflează şi facilitează transferul ionic. Membrana 6 are o structură  poroasă, fină şi blochează trecerea arborescentă a acelor de zinc. S-au depus şi se depun eforturi, cu rezultate remarcabile, pentru realizarea unui singur  tip de membrană unistrat sau multistrat. În figura II.4 este reprezentat un element de fabricaţie Yardney cu separator multistrat. Separatorul interior (spre catod) este un strat de neţesut din nylon, rezistent la oxidare anodică, iar cel exterior, spre zinc, un neţesut din fibre de celuloză, iar cel median, schimbător  de ioni, împiedică difuzia argintului spre zinc şi a zincului spre electrodul de argint. Separatorul anvelopă îmbracă, în alte fabricaţii, electrodul de zinc (v. figura II.5). Asamblarea elementelor în baterii Ţinând cont de aplicaţiile speciale ale acestor baterii, necesită containere-de construcţie aparte (cu capac etanş): rezistente la tendinţa de expansiune-a elementelor datorită gonflării plăcilor în cursul ciclurilor funcţionale, rezistente la şocuri, vibraţii şi acceleraţii foarte mari. Terminalele bateriei se leagă de prize speciale, încorporate în pereţii containerului, iar ventilele de suprapresiune ale elementului conduc la un ventil colector  încorporat de asemenea în container.

Formarea elementelor  Elementele Ag-Zn se livrează în următoarele variante: - fără electrolit, în stare uscat-încărcată; - fără electrolit, în stare uscată, neîncărcată; - cu electrolit, în stare încărcată. a) Elementele uscat-încărcate au electrozii formaţi înainte de asamblarea lor şi se împiedică oxidarea anodului. Ele pot fi puse în funcţiune prin încărcare cu electrolit. Se  preferă alimentarea simultană cu electrolit a elementelor dintr-o baterie, cu dispozitive care să

împiedice pătrunderea aerului atmosferic. Această variantă de element are avantajul că se  poate păstra la temperatură relativ ridicată (32 0 C  ) timp de 4 ani fără să se înregistreze vreo  pierdere de capacitate. La temperaturi mai mari [(40-50)

0

C  ]

se înregistrează pierderi medii

de 20%/an.   b) Elementele uscate şi neîncărcate se alimentează la utilizator cu electrolit şi se formează după indicaţiile producătorului. O mai bună formare a electrozilor, şi în special a catodului, se realizează cu regimuri uşoare de ordinul C/50 sau chiar C/75, iar durata de formare se extinde pe mai multe zile. Înainte de punerea în funcţiune ele pot fi depozitate, în stare uscată, până la temperaturi de - 60 0 C  fără prejudicii, dacă materialul din care este confecţionat vasul rezistă la astfel de temperaturi. c) Elementele încărcate cu electrolit, în stare formată, se livrează pentru utilizarea imediată. Ele nu se mai formează la utilizator. Dacă însă se depozitează, se evită temperaturi mai joase de -45 0 C  , iar la punerea în funcţiune se impune compensarea autodescărcării (2-3 ore cu curenţi de ordinul 0,1 - -0,15 C). Concentraţia electrolitului influenţează capacitatea disponibilă a elementelor Ag-Zn.

II.3.4. Aculumatoare Alcaline Ag-Cd si Ni-Zn

Cu electrozii de bază: Ni, Fe, Cd, Ag, Zn, realizaţi după una din tehnologiile amintite se pot obţine şi alte cupluri combinând catozii de Ni şi Ag cu anozii de Cd, Zn sau Fe. Dintre aceste combinaţii, cu rezultate practice s-au impus cuplurile Ag-Cd şi Ni-Zn. Acumulatorul Alcalin Ag-Cd

Catodul de argint se realizează după una din metodele specificate (cap II.3.3). Se  preferă electrozii sinterizaţi sau impregnarea unui suport poros de placă de nichel sinterizată, cu compuşi de argint şi depunerea argintului în porii suportului prin descompunerea termică sau electroliză.

Anodul de cadmiu se fabrică la fel cu cel de la acumulatorul Ni-Cd sinterizat. Se preferă pentru materialul activ uscat următorul amestec: Pulbere de cadmiu: 85% Oxid de cadmiu (pulberi): 10% Oxid de argint: 5% Amestecul uscat, bine omogenizat, se umectează cu o soluţie de alcool polivinilic 2%, în proporţie: Amestec uscat: 70% Soluţie de APV: 30% În 2 h după amestecare pasta poate fi aplicată pe suport, care poate fi o folie expandată. Conţinutul de cadmiu reprezintă (70-75)% din greutatea plăcii negative. Grosimea   plăcilor negative poate fi mai mică, egală sau superioară celei a plăcilor pozitive, ea reprezentând o gamă cuprinsă între 0,55 şi 1,80 din grosimea celei pozitive. Pentru elementele etanşe se folosesc plăci electrod negative de capacitate superioară celor pozitive. Asamblarea în elemente se face ca la cuplul Ni-Cd cu plăci sinterizate. Separatorul multistrat are spre catod un strat de neţesut rezistent la acţiunea oxidantă a acestuia, apoi unul sau două straturi de celofan cu acţiune argintostatică, iar spre anod o folie de neţesut din celuloză cu proprietăţi absorbante. Grupurile de n plăci pozitive şi (n+1) plăci negative se introduc, fără joc, în vasulcelulă, de care se etanşează capacul cu ajutorul adezivilor sau termic, în funcţie de natura materialului plastic. Dacă elementele sunt de tipul uscat-neîncărcate se adaugă electrolit [soluţie de KOH: (30-40)%] până la nivelul superior al plăcilor şi se încarcă sub curenţi mici sau la tensiune constantă (1,6 V/element). Elementele care în mod obişnuit suportă supraîncărcări, se încarcă numai cu atâta electrolit cât absorb plăcile şi membranele separatoare şi în acest caz se foloseşte un electrolit de concentraţie ceva mai ridicată (42%). Acumulatorul Alcalin Ni-Zn

În fabricaţiile recente se utilizează electrozi de nichel sinterizat, asociaţi cu electrozi de zinc de tip spongios în care se depune oxid de zinc cu 2% oxid mercuric. Raportul

capacitiv al electrozilor, catod-anod, este 1: 2, separatorul este o membrană de neţesut din nylon cu dublu strat de celofan, care îmbracă electrodul de argint. Anodul este separat printr-o membrană care blochează difuzia şi creşterea aciculară a zincului. Electrolitul este o soluţie de KOH, 38% (saturată cu oxid de zinc), în cantitate redusă (cât se absoarbe în electrozi şi în membranele separatoare).

II.4. Acumulatori NICHEL-METAL HYDRIDE (NiMH)

Introducere Camerele fotografice digitale din zilele noastre sunt produse electronice, dotate cu  blitz, procesoare puternice, memorii de stocare, motoare electrice care acţionează mecanismul de punere la punct, zoom-ul sau diafragma, un ecran cu LCD pentru a vedea subiectul sau fotografia captata etc., toate consumatoare de energie. Utilizarea intensiva a acestor  componente epuizează rapid bateriile de tip Volta, chiar şi pe cele “heavy dutty”. De o  perioada de timp au fost introduse în exploatare baterii de acumulatori care furnizează un amperaj mai mare şi au marele avantaj al reîncărcării. Deşi investiţia iniţiala în baterii şi în încărcător este mai mare, pe termen lung, acestea îşi dovedesc rentabilitatea. Până in urma cu circa un deceniu, bateriile cu NiCd tronau suverane în oferta de acumulatori, dar în ultimii ani au apărut şi s-au extins cu repeziciune noile baterii cu Nichel-Metal-Hidrid (NiMH). Bateriile NiMH, în formatul AA. Ele utilizează acelaşi principiu ca cele cu NiCd, dar  înlocuiesc electrodul negativ de nichel-cadmiu – responsabil de absorbţia hidrogenului – cu un aliaj (aloy) nichel-metal Acestea au trei avantaje majore: - capacitate de stocare a energiei sporită cu peste 40% comparativ cu cele cu nichel-cadmiu -

eliminarea

pericolului

pentru

mediu

reprezentat

de

toxicitatea

cadmiului

- compatibilitatea perfectă ca formă şi utilizare cu mai vechile baterii de tip NiCd. Tab. II. 6 Comparaţie între bateriile disponibile pentru aparatele digitale (vezi anexa 5)

Electrochimie Principiul de funcţionare se bazează pe capacitatea unor aliaje metalice de a capta (formând hidrizi) şi elibera hidrogen. Pentru ca procesele să se desfăşoare la temperatura mediului ambiant, cele mai adecvate aliaje au fost identificate cele cu nichel si “pământuri rare” (lantan, zirconiu). La încărcare, în bateriile NiMH se produc următoarele reacţii: 1. la polul negativ, prin aplicarea unui potenţial electric, apa este descompusă: Aloy + H20 = ALOY(H) + OH+

II.4

2. la polul pozitiv, se produce oxidarea hidroxidului de nichel: Ni(OH)2 + OH+ = NiOOH + H2O + e-

II.5

La descărcare (in exploatare) procesele se desfasoara in sens invers, reacţiile fiind reversibile. Raportul dintre electrozii pozitiv si negativ este ajustat in asa fel incat sa protejeze  bateria: la supraîncărcare, electrodul pozitiv va fi primul saturat; in acest moment incepe electroliza apei si se degaja oxigen care difuzează si este fixat la nivelul electrodului negativ. Electrolitul din baterie este o soluţie de hidroxid de potasiu. Realizarea mecanica a bateriei este aproape identica cu cea a uneia NiCd. Cutia exterioara este metalica si serveşte drept pol negativ, iar electrodul axial este polul pozitiv. La una din extremităţi – pe unde patrunde afara electrodul pozitiv se afla o rondela izolatoare fixata, de unii producători, printr-o garnituraventil de siguranţa, care se deschide in cazul in care hidrogenul sau oxigenul sunt generate in cantitate prea mare (supraîncărcare marcata). Profilul de descărcare Principalul parametru la acumulatori este timpul de descărcare (funcţionare) la un anumit curent drenat de consumator. Evaluarea curentă a bateriilor este prescurtata “C” (capacity) şi este rezultatul măsurării descărcării unei baterii noi dar bine “condiţionata”,  proaspăt si complet încărcate. Pentru bateriile NiMH, C reprezintă curentul (în mA) pentru un timp de descărcare standard este de 5 ore, adică 0,2 C. Unii producători folosesc curentul minim, iar alţii curentul mediu; diferenţele rezultate în determinarea C sunt de circa 10%.

O baterie proaspăt încărcată furnizează la borne, la 20°C, o tensiune de 1,4 volţi. În sarcina tipică de 0,2 C - de ex 400 mA pentru una de 2000 mAh - se produce rapid o scădere a tensiunii la 1,25 V şi apoi tensiunea scade încet (la 1,2 V pentru 50% C) până la 85 % C, după care urmează o scădere rapidă a tensiunii la borne. Există referenţi care susţin că şi bateriile au “memorie”, adică au o curbă de descărcare întrucâtva influenţată de precedentele cicluri de încărcare si descărcare. Experimente de laborator au arătat o scădere de până la 150 mV a tensiunii la borne şi au emis teoria că aceasta este influenţată de cadmiu. Înlocuirea cadmiului în celulele cu NiMH au înlăturat această problemă. Temperatura din mediul ambiant influenţează semnificativ capacitatea de descărcare a celulelor cu NiMH; astfel, între 10 si 40°C, bateria furnizează peste 95% din capacitate; în schimb, la 0°C capacitatea scade la 80% şi ajunge doar la 20% la - 10°C; vestea bună este că, readuse la temperaturi pozitive, bateriile îşi recapătă complet capacitatea la care au fost încărcate. Acest fapt se explică prin scăderea vitezei de reacţie la temperaturi joase. Spre deosebire de elementele galvanice, bateriile NiMH pot furniza tensiuni nominale chiar şi la descărcări în circuite mari consumatoare de curent; capacitatea actuală se menţine  peste 85% până la 4 C, adică peste 1,05 V la 6 A pentru elemente de 1500 mAh. 0

Continuarea păstrării în sarcină după descărcare completă a componentei pozitive,   produce o inversare a polarităţii, prin descărcarea componentei negative (prevăzuta de  producător cu o capacitate mult mai mare). În continuare, se produce inversarea polarităţii şi la electrodul negativ, cu inversarea tensiunii furnizate de element, producerea abundenta de hidrogen, degradarea ireversibilă a electrozilor şi creşterea substanţială a presiunii din celulă;  presiunea ridicată deschide valva de etanşare şi se elimină astfel pericolul exploziei. Dată fiind capacitatea electrodului negativ de a capta cantităţi foarte mari de hidrogen, bateriile cu  NiMH sunt mai “rezistente” la supradescărcare decât cele cu NiCd. Pentru majoritatea consumatorilor care utilizează elemente cu NiMH, cel mai bun indicator al opririi descărcării este atingerea la borne a tensiunii de 0,9 V care corespunde la o descărcare de 75%; pentru consumatorii care solicita peste 1 C, atingerea tensiunii de 0,9 V la  borne se produce prematur, astfel încât in baterie rămâne o cantitate mare de energie restantă, cu atât mai mare cu cât se solicită multiplii de C. Folosirea tensiunii de 0,9 V este dictată de  prevenirea degradării ireversibile a bateriilor NiMH. Este posibil ca unii consumatori să-şi înceteze funcţionarea cu mult înainte de aceasta valoare! Majoritatea consumatorilor necesită însă baterii de celule, pentru atinge tensiunea necesara bunei funcţionari. Utilizarea criteriului - O,9 V numărul de celule - ca semnal al opririi descărcării poate duce la inversarea polarităţii şi potenţiala distrugere a celui mai slab

element din baterie. De aceea producătorii recomanda pentru baterii de elemente folosirea formulei: TOD= [(T50%-150mV)(n-1)]-200mV

II.7

Unde: TOD = tensiunea de oprire a descărcării T50% = tensiunea la 50% descărcare în circuitul respectiv n = numărul de elemente din baterie Încărcarea celulelor NiMH Încărcarea corecta a bateriilor cu NiMH este esenţiala pentru conservarea caracteristicilor şi o utilizare îndelungată. Încărcarea trebuie făcută cât mai rapid, complet, dar  evitând pe cat posibil supraîncărcarea. În general, elementele NiMH sunt mai sensibile la supraîncărcare decât cele NiCd, aşa încât utilizarea unui încărcător ieftin şi mai vechi, poate  produce pe termen lung, cheltuieli mai mari decât preţul unui încărcător “inteligent”. Un încărcător pentru bateriile NiMH ar trebui, în mod ideal să îndeplinească următoarele condiţii: 1. să încarce bateriile în trei faze (vezi mai jos) 2. să folosească mai multe metode de determinare a supraîncărcării (al temperaturii si al tensiunii) 3. să dispună de un sistem de oprire generală care să anuleze curentul în aparat în caz de încălzire excesivă – de regulă 90°C. Evenimente legate de încărcare Deşi comportamentul la descărcare este similar cu elementele cu NiCd, celulele NiMH au un profil de încărcare foarte diferit, determinat de specificul electrochimic diferit al celor  două tipuri de baterii. Dacă celulele NiCd se încarcă endotermic, celulele NiMH degajă căldură la încărcare. Exista de asemenea, diferenţe legate de presiunea din celule ca şi de curba tensiunii la borne. La atingerea capacitaţii complete la încărcare (C = 100%), tensiunea la borne creşte rapid şi apoi scade lent, temperatura din element creşte treptat iar presiunea creşte rapid. La C>100% producţia de hidrogen depăşeşte capacitatea de captare şi înmagazinare a electrodului negativ; de asemenea, o mare parte din curentul care intra în celula este

transformat în căldură. Continuarea încărcării determină deschiderea ventilului de siguranţa sau - dacă acesta nu funcţionează - la distrugerea iremediabila a elementului. Pe de alta parte, capacitatea de încărcare se reduce semnificativ şi proporţional cu creşterea temperaturii din mediu, astfel încât încărcarea in condiţii de temperatura ridicata reprezintă o problema. Curentul de încărcare se evaluează raportat la capacitatea bateriei şi cel mai sigur este la < C/10, dar timpul necesar pentru încărcare devine intolerabil. Au fost proiectate încărcătoare rapide, care furnizează curent chiar la capacitate şi care permit încărcarea într-o ora! La încărcătoarele rapide însa, controlul supraîncărcării este extrem de important, având în vedere cele expuse mai sus. Controlul supraîncărcării prin determinarea temperaturii pare a fi cea mai bună metoda, în acest moment. Încărcătoarele moderne monitorizează atât temperatura cât şi tensiunea. La acestea, încărcarea se face în trei etape: a) în prima etapă se furnizează curent la 1 C, asigurând încărcarea a circa 90% C, după care  b) în a doua etapă curentul scade la 0,1 C, pentru a încărca întreaga capacitate a bateriei c) în a treia etapă se asigură un curent de 0,025 C, suficient pentru a compensa autodescărcarea. Încărcătoarele mai ieftine încărca celulele in doua etape: a) încărcarea subunitara relativ la C – cel mai sigur 0,1 C după cum am menţionat, dar  cu o durata de 18 – 24 ore (overnight charger), moment în care un timer reduce curentul;  b) întreţinerea încărcării cu un curent de C/40. Încărcătoarele in trei trepte sunt mai scumpe, deoarece includ sisteme electronice mai complexe, dar protejează celulele la supraîncărcare, astfel ca pe termen lung, sunt mai economice. Temperatura din mediul ambiant in timpul incarcarii influenţează semnificativ strategia de încărcare. Curentul de încărcare trebuie redus sub 0,1 C data temperatura din mediu scade sub 10°C si nu se recomanda încărcarea in medii sub 0°C, deoarece, in acest fel sunt anulate unele mecanisme de protecţie la supraîncărcare. Similar, peste 45°C. Păstrarea bateriilor NiMH Toate celulele de acumulatori se autodescarcă, datorită unor scurgeri parazite de curent în interior. Întrucât reacţiile electrochimice sunt dependente de temperatură, modificări

relativ mici ale temperaturii din mediu induce modificări importante în curba de descărcare. În general, o creştere cu 10° a temperaturii de mediu, dublează rata autodescărcării. La 60°C  bateria se autodescarcă complet în 10 zile, în timp ce la 25°C chiar şi după 30 zile mai  păstrează peste 50% din capacitate. Recomandări de depozitare: - stocaţi bateriile încărcate la cea mai redusa temperatura posibilă (în frigider); - extrageţi bateriile din lăcaşul consumatorului şi depozitaţi-le separat; mulţi consumatori chiar opriţi utilizează un curent slab, de câtiva miliamperi, pentru menţinerea informaţiilor  din unele componente de memorie; pentru perioade lungi de timp , luni de zile se depăşeşte   pragul admisibil pentru descărcare, bateria îşi inversează polaritatea, apar scurgeri de electrolit şi se corodează atât celulele cât şi aparatul consumator! - depozitaţi într-un loc curat şi uscat; - pentru a preveni autodescărcarea inutilă utilizaţi principiul FIFO (first-in-first-out) dacă aveţi mai multe seturi de acumulatori. Celulele depozitate şi repuse în utilizare îşi dobândesc capacitatea nominala după   prima reîncărcare. Celulele depozitate necorespunzător perioade lungi de timp sau la temperaturi ridicate, au nevoie de mai multe cicluri de încărcare-descărcare pentru a-şi recapăta capacitatea nominala. Durata de viata În acest moment, celulele cu NiMH au o durată de viaţă (cicluri de încărcaredescărcare) similara cu cele cu NiCd, adică de 500 – 1000 cicluri, în condiţiile unei întreţineri corecte. Celulele de degradează treptat, prin oxidarea electrodului negativ care induce o scădere a tensiunii la borne, şi oxidarea electrodului pozitiv care induce o reducere a capacitaţii. Reducerea capacitaţii impune reîncărcarea precoce; reducerea tensiunii la borne însă poate împiedica funcţionarea consumatorului. Pentru a avea o durată maximă de viaţă, utilizatorul trebuie să controleze încărcarea în ceea ce priveşte: timpul şi ritmul şi să evite supraîncărcarea. Un mic grad de supraîncărcare este util deoarece asigură încărcarea completă a bateriei dar menţinerea încărcării la un curent mare pentru perioade lungi de timp reduc durata de exploatare a celulei. Întrucât temperatura ridicata accelerează toate reacţiile chimice, expunerea celulelor   NiMH la temperaturi înalte accelerează şi procesul de îmbătrânire. Încărcarea în chargere de

calitate modestă determină creşterea peste limitele acceptate ale temperaturii bateriilor şi scurtează ciclul de viata. Supradescărcarea - împrejurare în care una dintre celulele bateriei îşi inversează  polaritatea repetată de mai multe ori scurtează în mod cert durata de viata. De asemenea, menţinerea în consumatori pe perioade lungi poate duce la supradescărcare şi la scurgeri de electrolit. Masuri generale de protecţie În general bateriile NiMH se comportă foarte bine în exploatare, sunt rezistente la şocuri de intensitate mica, şi au o durata lungă de viata. Totuşi în timpul manipulării trebuie respectate o serie de condiţii: - încărcarea este un proces exotermic si trebuie făcuta in locuri răcoroase; in timpul încărcării   pot apare scăpări de gaze (hidrogen) foarte inflamabile şi trebuie asigurată ventilaţia; - la scurtcicuitarea terminalelor, datorită curentului mare debitat, se pot produce scântei care  pot aprinde gazele inflamabile sau pot produce arsuri electrice; - electrolitul poate produce arsuri chimice; - bateriile sunt livrate de producător în stare complet descărcata, pentru a preveni aceste accidente; înainte de utilizare trebuie încărcate; este nevoie de câteva cicluri (3-5) de încărcare  – descărcare pentru a atinge maximum de performantă; - nu depozitaţi bateriile în condiţii de temperatură şi umezeala ridicată; - evitaţi manipularea excesivă a celulelor încărcate; - pentru a diminua autodescărcarea, păstraţi bateriile încărcate în frigider. Elementele uzate, care se scot din folosinţa: - se vor descărca complet - nu se incinerează, nu se demontează şi nici nu se înţeapă - se recomandă trimiterea la un serviciu specializat.

II.5 Bateriile Litiu-ion (Li-ion)

Sunt un tip de baterie reîncărcabila în care catodul(electrodul pozitiv) conţine litiu, şi anodul (electrodul negativ) este realizat dintr-un tip de carbon poros. În timpul funcţionarii normale, fluxul de curent (în cazul în care circuitul exterior este conectat) parcurge de la anod la catod, ca în orice tip de baterie. Electrolit: Deoarece litiul reacţionează violent cu apa şi tensiunea este suficient de mare pentru a putea descompune apa, trebuie folosit un electrolit ne-apos. Un exemplu tipic este LiPF6 dizolvat într-un amestec de carbonat de etil şi carbonat dimetilic. Tensiune electromotoare generată: 3,7 V Cicluri de încărcare - descărcare: 500-1000 Structura: tri-strat cu electrod pozitiv (LiCoO2), electrod negativ (cărbune special) si strat separator. Este echipată cu o serie de dispozitive pentru creşterea siguranţei inclusiv o valva de gaz cu rol anti-explozie.

Fig. II.6 Schema unui acumulator Li-Ion

Utilizare: camere video şi foto, aparate electrice de ras, calculatoare, echipamente medicale, echipamente de comunicaţii, TV şi radio portabile, pagere etc. Ele înlocuiesc  bateriile de tip NiMH si sunt sursele preferate de energie în telefoane mobile. Avantaje-dezavantaje: densitate înalta de energie şi tensiune mare (de 3 ori cea a unei  pile Ni-Cd sau NiMH), comportare excelentă cu temperatura, autodescărcare foarte lentă (poate păstra încărcarea şi 10 ani), nu prezintă efect de memorie, multiple cicluri de încărcare (500-1000 cicluri). Pentru a evita si depăşii problemele legate de reactivitatea accentuată a litiului, materialul anodic nu este metalul pur ci un compus nemetalic (ex. C) care poate stoca şi realiza schimbul de ioni de litiu. Ca acceptor al ionilor de litiu se foloseşte de ex. CoO2, care funcţionează drept catod. Reacţiile la electrozi: Anod (-) : C + xLi+ + xe- <-> CLix

II.8

Catod (+) : LiCoO2 <-> Li1-xCoO2 + xLi + + xe-

II.9

Globală : LiCoO2 + C <-> Li1-xCoO2 + CLix.

II.10

Diferenţe între bateriile cu Litiu şi bateriile Litiu-ion: Exista câteva diferenţe importante. Spre deosebire de bateriile Litiu-Ion, bateriile cu Litiu nu sunt reîncărcabile. Din punct de vedere chimic bateriile cu Litiu folosesc litiul in forma sa pură, metalică. Bateriile Li-ion folosesc compuşi ai litiului care sunt mult mai stabili decât litiul elementar. O baterie cu Litiu nu trebuie reîncărcata niciodată în timp ce bateriile Li-ion sunt concepute pentru a fi reîncărcate de sute de ori. Avantajele folosirii bateriilor Li-ion în comparaţie cu alte baterii reîncărcabile: Bateriile Li-ion au o densitate mai mare de energie decât majoritatea altor tipuri de  baterii reîncărcabile. Acest lucru înseamnă că, pentru dimensiunea sau greutatea lor pot stoca mai multă energie decât alte baterii reîncărcabile. De asemenea, ele funcţionează la tensiuni mai mari decât alte baterii reîncărcabile, de obicei aproximativ 3.7 volţi, pentru litiu- ion si 1.2

volţi, pentru NiMH sau NiCd. Acest lucru înseamnă că o singura celula poate fi adesea folosita mai degrabă decât multiple celule NiMH sau NiCd. Bateriile litiu-ion, de asemenea, au o mai mică rata de descărcare decât alte tipuri de  baterii reîncărcabile. Acest lucru înseamnă că odată încărcate, îşi vor păstra sarcina pentru o  perioadă mai lungă de timp decât alte tipuri de baterii reîncărcabile. NiMH şi bateriile NiCd  pot pierde 1-5% din sarcina lor pe zi, (în funcţie de temperatura de depozitare), chiar dacă acestea nu sunt instalate într-un dispozitiv. Bateriile Li-ion vor păstra o mare parte din sarcina lor, chiar şi după luni de depozitare. În concluzie bateriile Li-ion pot fi mai mici sau mai uşoare, au o tensiune mai mare si  păstrează sarcina mult mai mult decât alte tipuri de baterii. Dezavantajele bateriilor Li-ion în comparaţie cu alte baterii reîncărcabile: Bateriile litiu-ion sunt mai scumpe decât bateriile NiMH sau NiCd care au capacitate similara. Acest lucru se datorează faptului ca ele sunt mult mai greu de fabricat. Bateriile LiIon includ circuite speciale pentru a proteja bateria de la deteriorări cauzate de supraîncărcare sau subîncărcare. Ele sunt, de asemenea, mai scumpe, deoarece sunt fabricate în număr mult mai mic decât bateriile NiMH sau NiCd. Bateriile Li-ion devin din ce în ce mai puţin costisitoare şi în timp, ar trebui ca preţul acestora să scadă in mod semnificativ. Bateriile Litiu-ion nu sunt disponibile în dimensiuni standard de celule (AA, C şi D),  precum bateriile NiMH NiCd. Bateriile Litiu-ion, de asemenea au nevoie de încărcătoare sofisticate, care pot monitoriza cu atenţie procesul de încărcare. Din cauza diferitelor forme şi dimensiuni, pentru fiecare tip de baterie Li-ion este necesar un încărcător proiectat pentru dimensiunile sale  particulare. Acest lucru înseamnă că încărcătoarele Li-ion sunt mai scumpe si mai dificil de găsit decât încărcătoarele de baterii NiMH si NiCd. Cel mai bun mod de a păstra bateriile Li-ion: Cel mai bun mod de a păstra o baterie Li-ion, este parţial sau complet încărcata. Uneori, o baterie Li-ion foarte descărcata fiind stocată pentru o perioadă lungă de timp (de mai multe luni) tensiunea sa scade lent mai jos de nivelul la care a fost construit mecanismul de siguranţă pentru a permite sa fie reîncărcata.

Daca acumulatorul urmează sa fie păstrat timp de câteva luni ar trebui sa fie reîncărcat  periodic. Cel mai bine ar fi ca bateria sa fie chiar utilizată o dată la câteva luni si apoi sa fie  păstrata parţial sau complet încărcata pentru încă o perioada de timp. Compatibilitatea bateriilor Li-ion cu dispozitivele electronice care folosesc baterii alcaline: Răspunsul depinde de dispozitivul electronic respectiv. Dar in multe cazuri nu se pot folosi datorita diferenţei dimensiunilor, formei si tensiunii bateriilor alcaline faţă de cele ale  bateriilor Li-ion. Cu toate acestea, unii dezvoltători de dispozitive electronice au proiectat unele dintre aparatele lor astfel încât sa permită folosirea atât a bateriilor de dimensiuni AA cât şi a celor Li-ion CRV3. Bateriile Li-ion, ca toate bateriile reîncărcabile pot fi reciclate. Bateriile Li-ion nu ar  trebui incinerate niciodată pentru că exista pericolul ca ele să explodeze.

Capitolul III. Condensatorul şi Supercondensatorul Electric III.1 Condensatorul Electric

Un ansamblu de două armături (corpuri) metalice separate printr-un dielectric formează un condensator electric. Se consideră un ansamblu de două armături metalice separate printr-un dielectric (figura 1). Cele două armături se consideră încărcate cu sarcini electrice egale şi de semne contrare (+ Q şi respectiv - Q) . Fie VA şi VB potenţialele celor două armături. Se defineşte capacitatea condensatorului format din cele două armături ca fiind : C 

=

Q A V  A

−

V  B

(III.1)

- unde QA este sarcina electrică a unei armături şi VA , VB potenţialele electrice ale armăturilor.

Fig III.1 Două armături metalice separate printr-un dielectric Între oricare obiecte metalice (armături) se poate defini o capacitate electrică. Identificând metalele cu corpurile conductoarele din punct de vedere electric şi având în vedere faptul că nu există teoretic corpuri izolante, rezultă că practic între orice corpuri se  poate defini o capacitate electrică. Valoarea acesteia este evident mai mare în cazul în care armăturile sunt metalice şi între ele se află un material izolant. O clasificare a condensatoarelor se poate face urmând evident anumite criterii. De exemplu, după forma armăturilor se pot întâlni condensatoare - plane; - cilindrice; - sferice. După tipul tensiunii aplicate

- condensatoare de curent alternativ; - condensatoare de curent continuu (electrolitice). Acestea din urmă trebuiesc polarizate doar într-un anume sens, cel pentru care au fost construite. Altfel există în mod cert pericolul străpungerii condensatorului (de fapt al dielectricului), fenomen care iată, se poate realiza nu doar la depăşirea unei anumite valori a tensiunii ci şi a schimbării polarităţii. După posibilitatea de variere a capacităţii - condensatoare fixe (cu capacitatea constantă); - condensatoare variabile, la care chiar în timpul funcţionării se realizează o modificare a capacităţii acestora; - condensatoare ajustabile (cu capacitatea modificabilă în limite mici). III.1.1 Capacitatea condensatorului plan

Se consideră un ansamblu de două armături metalice, plane paralele, cu extensie infinită (figura III.1, a). Distanţa dintre armături este d, iar între ele se află un dielectric de  permitivitate ε , care nu are polarizaţie permanentă. Între inducţia electrică şi intensitatea câmpului electric există relaţia:  D = ε  ⋅ E  (III.2) Se consideră aria A a armăturilor suficient de mare, pentru a se putea considera câmpul electric dintre armături ca având o repartiţie omogenă. Cu alte cuvinte se va neglija fenomenul de umflare a liniilor de câmp în zona de margine a armăturilor ( figura III.1,b). Pentru a determina capacitatea electrică a acestui condensator se aplică legea fluxului electric pe o suprafaţă închisă Σ care este un plan paralel cu armăturile în intervalul dintre acestea şi poate avea orice formă în afara acestora. Se consideră că există câmp electric doar  în intervalul dintre armături, iar liniile de câmp sunt, cu neglijarea fenomenului de umflare,  paralele, câmpul electric fiind un câmp omogen. Fluxul electric prin suprafaţa închisă Σ este constituit din fluxul prin suprafaţa dintre armături şi fluxul prin suprafaţa exterioară. Acesta din urmă este nul, deoarece inducţia electrică şi respectiv câmpul electric sunt nule în exteriorul armăturilor. ΨΣ = ΨS + ΨS int

ext

=

∫ D

int

⋅ dA +

Sint

∫ dA = ε ⋅ E

ε ⋅ E int

int

∫ D

ext

∫ ε ⋅ E

⋅ dA =

Sext

Sint

⋅ ∫ dA = ε ⋅ E int ⋅ A

Sint

int

⋅ dA =

∫ ε ⋅ E

int

⋅ dA =

Sint

(III.3)

Sint

Pe de altă parte, sarcina electrică din interiorul suprafeţei este sarcina electrică a armăturii pozitive. qΣ = Q (III.4) În acest mod, ε E int armăturile condensatorului : ⋅

 E int

⋅

A

=

Q

de unde rezultă intensitatea câmpului electric dintre

Q =

ε  ⋅

(III.5)

 A

Tensiunea electrică dintre armături este u AB =

∫ E C  AB

 B

int

⋅ ds =

∫ E

 A( C )

 B

int

⋅ ds = E int

∫ ds = E

 A( C  )

int

⋅d

(III.6)

Aplicând formula de definiţie a capacităţii, rezultă, prin operaţii simple, capacitatea condensatorului plan C=

Q VA − VB

=

Q u AB

=

E int ⋅ ε ⋅ A E int ⋅ d

=

ε⋅A d

=

ε o ⋅ ε r  ⋅ A d

(III.7)

Se va reţine ca o relaţie importantă, expresia: C=

ε⋅A d

(III.8) Aceasta punând în evidenţă parametrii de care depinde în general capacitatea unui condensator (proporţionalitatea cu aria armăturilor, cu permitivitatea relativă a mediului şi cu inversul distanţei dintre armături). Se remarcă faptul că în expresia capacităţii nu apar nici tensiunea aplicată, nici sarcina acumulată pe armături. Capacitatea electrică depinde exclusiv de geometria (formă şi dimensiuni) sistemului şi de natura dielectricului. Această observaţie este în fapt o teoremă (teorema capacităţii). Fenomenul care constă în neutralizarea totală sau parţială a sarcinilor electrice ale celor două armături poartă numele de descărcare electrică. Ea se poate produce lent ca urmare a caracterului imperfect al izolaţiei dielectricului sau brusc, urmare a unui contact conductiv între armături sau prin depăşirea pragului rigidităţii dielectrice a materialului. Acest din urmă caz este denumit clacare şi poate rezulta fie ca urmare a unei creşteri nepermise a tensiunii (intensitatea câmpului electric depăşind valoarea rigidităţii dielectrice), fie ca urmare a îmbătrânirii materialului sau a nerespectării condiţiilor de mediu impuse în exploatare (umiditate, temperatură, etc). Simbolul grafic al unui condensatorului fix este reprezentat în figura III.2,a iar pentru un condensator variabil se propune simbolul din figura III.2,b .

Fig. III.2 a)Condensator fix b) Condensator variabil III.1.2 Capacitatea condensatorului cilindric

Se consideră un sistem de două armături metalice de forma unor mantale cilindrice coaxiale, infinit lungi, între care există un dielectric de permitivitate ε , constantă (mediul fiind liniar şi omogen şi neavând polarizaţie permanentă). În figura III.3,a se prezintă o  porţiune limitată, de lungime h din acest sistem.

Fig. III.3 a,b Condensatorul Cilindric Pentru a determina capacitatea acestui sistem, se consideră o suprafaţă închisă Σ , de formă cilindrică, de rază R, coaxială cu armăturile, închiderea acesteia făcându-se (teoretic) la infinit, prin două capace(vezi figura III.3b). Dacă se consideră de asemenea o porţiune limitată (de înălţime h) din acest sistem şi se aplică legea fluxului electric, din relaţia: −

∫  D ⋅ d  A = q

∑

∑ (III.9)

Se obţin apoi succesiv relaţiile:

∫ ε ⋅ E ⋅ dA = Q S lat cil

∫ ε ⋅ E ⋅ dA =Q S lat cil

(III.10) (III.11)

Cum normala la suprafaţa exterioară a cilindrului este coliniară cu raza cilindrului iar, din motive care ţin de simetria sistemului, liniile de câmp electric sunt coliniare cu raza şi orientate de la armătura interioară (presupusă încărcată cu sarcină pozitivă) către cea exterioară, rezultă că liniile de câmp şi normala la suprafaţă sunt coliniare. Din aceleaşi motive de simetrie cilindrică, intensitatea câmpului electric trebuie să aibă aceiaşi valoare pe suprafaţa Σ , astfel că se obţine:

∫ dA =Q

ε ⋅E

S latcil

(III.12)

de unde ε E Slat cil ⋅

⋅

=

Q

Se exprimă suprafeţele laterale ale suprafeţei Σ condensatorului şi se obţine expresia ε ⋅ E ⋅ 2πR ⋅ h

=Q

(III.13) şi a armăturii interioare a (III.14)

Pentru determinarea tensiunii între cele două armături, se integrează intensitatea câmpului electric E pe drumul dintre cele două armături.  R2

 R2

∫ 

u =  E ⋅ dR =  R1

Q

∫ 2

 R1

π 

⋅ R ⋅ ε  ⋅ h

dR =

Q 2π  ⋅ ε  ⋅ h

ln

 R2  R1

(III.15)

Se aplică relaţia de definiţie a capacităţii C  =

Q u

(III.16) 2π   ⋅ ε  ⋅ h C cil  =

ln

 R2  R1

şi se obţine expresia capacităţii condensatorului cilindric.

(III.17)

III.1.3. Capacitatea condensatorului sferic

Se consideră un sistem de două armături sferice, concentrice, de raze R1 şi R2 , ca în figură III.4. Se aplică legea fluxului electric pe suprafaţa sferică de rază R, concentrică cu cele două sfere. Astfel ΨΣ = q Σ (III.18) conduce la ⋅ E ⋅ 4 ⋅ ⋅ R2 =Q (III.19) deoarece vectorii suprafaţă şi intensitate a câmpului electric sunt coliniari, datorită faptului că mediul este liniar, omogen şi izotrop iar problema prezintă simetrie cilindrică. Rezultă că, la o distanţă R de centrul sferei, intensitatea câmpului electric este ε  

π  

Q

 E  =

(III.20)

4 ⋅ π  ⋅ ε  ⋅ R 2

Fig.III.4 Sistem de două armături sferice, concentrice, de raze R1 şi R2

Tensiunea dintre cele două armături este  R2

 R2

∫ 

u =  E ⋅ dR =  R1

C  =

Q u

∫ 4

 R1

= 4π

ε 

Q  R 2

π ε 

⋅ dR =

Q

4π

 R2

  Q  R2 − R1 Q   1 1    − 1   ⋅    −   =  = 4π ε ⋅  R  R (III.21)  R 4 ε     R   π ε   R1 2   1 2  R 1

 R1 R2

 R1 − R2

(III.22)

astfel că rezultă capacitatea condensatorului sferic.

III.2. Supercondensatori

Condensatori electrochimici cu strat dublu, supercondensatori sau ultracondensatori sunt termeni utilizaţi la ora actuala pentru acelaşi tip de produs care se deosebeşte de condensatorii convenţionali prin valoare cu ordine de mărime mai mare a capacitaţii electrice. Funcţionarea supercondensatorilor este asemănătoare, într-o primă analiză, cu a condensatorilor electrolitici convenţionali. Schematic un condensator electrolitic este indicat în Fig.III.5. Elementele de bază constructive ale condensatorului electrolitic sunt: cele două armături metalice (1,2), separatorul (3) si electrolitul (4). Separatorul este alcătuit dintr-un strat de material poros care este izolant din punct de vedere al conducţiei prin electroni. Acesta asigură izolarea electrică adică împiedică contactul dintre cei doi electrozi (armături). Electrolitul lichid pătrunde in porii separatorului si prin urmare ionii pot traversa fără  probleme separatorul pentru a ajunge in preajma armăturilor metalice. Când nu exista tensiune aplicată pe electrozii condensatorului, pe suprafaţa lor nu există nici un fel de sarcină electrică iar ionii negativi si pozitivi ai electrolitului sunt dispersaţi uniform în masa acestuia. Când se aplică tensiune pe electrozi la suprafaţa interioara a unuia se formează un strat de sarcină electrică pozitivă (5) iar la suprafaţa interioară a celuilalt se formează un strat de sarcină electrică negativă (7). Ionii negativi din electrolit sunt atraşi de stratul de sarcină pozitivă formându-se astfel al doilea strat de sarcină ionică negativă (6) la foarte mică distanţă de stratul de sarcină pozitivă din metal (5). Avem astfel un strat dublu electric cu distanţa foarte mică de ordinul unei molecule între cele două straturi de sarcină negativă si pozitivă existenta la armăturile metalice. Din acest motiv condensatorii electrolitici au capacitate electrică specifică semnificativ mai mare comparativ cu alte tipuri de condensatori convenţionali. Stratul dublu se formează la suprafaţa ambilor  electrozi de unde si denumirea acestor condensatori, aceea de condensatori electrochimici cu strat dublu. Creşterea capacitaţii condensatorilor electrolitici poate avea loc prin mărirea ariei electrozilor. Totuşi cu mărirea ariei electrozilor creşte in mod proporţional atât volumul cât si greutatea condensatorului electrolitic, ajungându-se la valori de ordinul 1 litru sau 1 kg fără creştere de capacitate care sa atingă o valoare de 1 Farad.

Valori ale capacitaţii electrice de sute şi mii de farazi se ating prin mărirea ariei dar  fără creştere exagerata de volum sau greutate prin utilizarea de armături sau “electrozi   poroşi”. Electrozi din material conductor conţinând un număr foarte mare de pori cu dimensiuni de ordinul a 10 nm fac posibilă obţinerea unei arii de expunere cu electrolitul de sute si chiar mii de metri pătraţi pe gramul de electrod. Astfel aşa cum se arata in Fig. III.6,  pentru supercondensatori este posibilă o creştere imensă a ariei electrodului la dimensiuni si masa corespunzătoare condensatorilor convenţionali, ajungându-se astfel la sute si mii de farazi capacitate electrică. Aşa după cum se vedea din Fig. III.6, stratul dublu electric se extinde in volumul electrodului poros atingând o arie imensa in comparaţie cu situaţia unui condensator electrolitic obişnuit (Fig.III.5).

Fig. III.5 – Condensator electrolitic încărcat – prezentare schematică; 1 - electrod metalic(armatura), 2 - al doilea electrod metalic (armatura), 3 – separator; 4 –  electrolit; 5 - strat de sarcină electrică pozitivă la suprafaţa electrodului metalic; 6 - strat de sarcină ionică negativă lângă suprafaţa electrodului; 7- strat de sarcină electrică negativa (electroni) la suprafaţa celuilalt electrod metalic; 8 - strat de sarcina ionica pozitivă lângă suprafaţa celuilalt electrod;

Fig. III.6 – Condensator electrochimic cu strat dublu (supercondensator) încărcat 1 - substrat metalic electrod sau armatura (colector de curent) , 2 - substrat metalic pentru celalalt electrod armatura (al doilea colector de curent), 3 – electrod (armatura), 4 – celalalt electrod (armatura), 5 – separator, 6 – electrolit, 7 – pori in materialul electrodului in care a intrat electrolitul, 8 – sarcina pozitiva, 9 – ion negativ, 10 – sarcina negativa (electron), 11 ion pozitiv Pentru realizarea electrozilor poroşi, nanoştiinţele si nanotehnologiile aflate încă in dezvoltare au contribuţie determinantă. Materiale cum ar fi pulbere din carbon activat sunt deja utilizate la realizarea electrozilor poroşi. Controlul în realizarea unei distribuţii optime a   porilor la scară nanometrică este încă greu de realizat şi noi dezvoltări tehnologice sunt aşteptate în acest domeniu. Adâncire a cunoaşterii este necesară pentru interfaţa electrod –  electrolit si fenomenele asociate acesteia. Programul cadru de cercetare al Uniunii Europene include programul specific “Nanoştiinţe, nanotehnologii, materiale si noi tehnologii de producţie” care a existat atât in  programul anterior PC6 (2002-2006) şi continua şi in PC7 (2007 –2013). În programul PC6 pentru aria tematică 3 (NMP) - Engineering support for materials development (secţiunea - “materials for solid state ionics”: )s-a prevăzut :

“

Understanding ionic transport in solids, and in particular in nano-structured materials, is the

key to many technological applications in wide temperature ranges, for instance in solid–state  batteries, super-capacitors….” De asemenea in programul PC7 in cadrul aceluiaşi program specific exista secţiunea 4.2 –Materials, 4.2.1 – Mastering nano-scale complexity in materials care include: nanostructured polymer-matrix composites, nanostructured coatings and thin films, characterisation of nanostructured materials. Primele apeluri pentru propuneri proiecte de cercetare au fost deja lansate.

III.2.1 Supercondensatorii comerciali la ora actuală. Performanţe, avantaje, dezavantaje si aplicaţii:

Condensatori electrochimici cu strat dublu cu o capacitate electrică începând de la 1F şi până la sute si mii de Farazi sunt oferiţi ca produse comerciale de firme străine recunoscute ca: Maxwell Technologies (San Diego , USA) care a achiziţionat si firma Montena (Elvetia), Epcos (Germania), NEC si Panasonic (Japonia), NessCap (Coreea de Sud) , Elit si ESMA(Rusia). Produsele existente pe piaţa sunt sub forma de celule supercondensator având tensiunea nominală de 2.5 V sau module supercondensator. Modulele se obţin prin înserierea de celule atingându-se tensiuni de lucru de pana la 300 V. Capacitatea maxima a unei celule supercondensator comerciale existente la ora actuală este de 5000 F. Capsula de forma cilindrica a unor astfel de celule are următoarele dimensiuni: lungime 190 mm, diametru 90 mm . Capsula de formă prismatică are următoarele dimensiuni: 60 x 70 x 170 in milimetri. Vezi anexa 6 Tab. III 1. Caracteristici ale unor celule supercondensator de dimensiuni mari : Sarcina celulei este egala cu rezistenţa sa internă Sarcina celulei este mare decât rezistenţa sa internă Vezi anexa 7 Tab. III 2. Caracteristici ale unor celule supercondensator de dimensiuni mari : Sarcina modulului este egală cu rezistenţa sa internă Sarcina modulului este mai mare decât rezistenţa sa internă Supercondensatorii constituie un mijloc de stocare a energiei electrice si utilizare când este nevoie. Supercondensatoarele constituie practic o provocare pentru bateriile electrochimice.

Avantajele faţa de baterii sunt: - durata de funcţionare practic nelimitata; - rezistenţa serie mai redusa permiţând astfel putere extrasă mai ridicată; - încărcare –descărcare rapida; - metode simple de încărcare; nu este necesar circuit de detecţie a încărcării complete; - eficienţa in stocarea energiei electrice; densitatea de energie mai mică este compensată de durata mare de funcţionare; Dezavantajele sunt: - Nu se poate utiliza tot spectrul de energie disponibil; - Densitate mai mică de energie comparativ cu bateriile ( 1/5 până la 1/10 din energia specifică a bateriilor; - Autodescărcarea este mai puternică ca la o baterie; În multe aplicaţii unde se utilizează bateriile, un supercondensator in paralel cu o   baterie conduce la îmbunătăţirea performanţelor în funcţionare. Pornirea motoarelor cu combustie internă la temperaturi scăzute este uşurata de utilizarea supercondensatorilor. La autovehiculele electrice hibride eficienţa utilizării energiei creşte prin utilizarea de supercondensatoare care recuperează energia din timpul frânarii. In sistemele electrice de putere bazate pe surse regenerabile cum ar fi energie fotovoltaică sau eoliană utilizarea supercondensatorilor este benefică. Supercondensatoarele pot satisface vârfurile de putere atunci când e nevoie pe care  bateriile nu le pot genera. III.2.2 Concept Un alt concept este folosirea unui supercondensator, ca acumulator. Condensatorul este în principiu cel mai bun concept pentru a înlocui motoarele convenţionale pe benzina, mult mai bun decât acumulatorul "clasic", bazat pe litiu-ion, deoarece nu există reacţii chimice, timpul de reîncărcare este foarte scurt iar randamentul este de 100%, însă până în 2008 nu au existat produse satisfăcătoare pe piaţă.

Un nou condensator care ar putea revoluţiona industria auto după un secol de cercetare este lansat în 2008 de către firma americana EEStor, care conform propriilor declaraţii au descoperit un nou tip de supercondensator, cu o densitate de 340 Wh/kg (condensatorii normali au o densitate în jur de 5 Wh/kg) care va fi produs în serie în scurt timp sub numele de EESU (EEStor Energy Storage Unit). EESU are o masă de 152 kg, un volum de 33 litri, capacitate de 31 Farad, tensiune 3500 Volt si un preţ de 3200 $. Reîncărcarea cu 52 kwh ar fi  posibilã în cca. 6 minute. Primul automobil care va integra această tehnologie va fi " cityZENN"[1]. CityZENN, lansat în 2009, atinge o viteză de 125 km/h, iar distanţa de deplasare cu o singură încărcare va fi de 400 km. Acest automobil "minune" va reduce costurile de întreţinere cu 90%, comparativ cu un vehicul obişnuit, conform declaraţiilor firmei producătoare Zenn Motors [2]. Vezi anexa 8 Tab.III.3 Maşina cu supercondensatori

Capitolul IV. Autovehiculul electric IV.1. Istoria autovehiculului electric

Istoria autovehiculului electric a început la mijlocul anilor 1800 şi a ţinut recordul de viteză terestră până în 1900. Preţul ridicat şi scăzut al vehiculelor electrice a fost comparat mai târziu cu cel al vehiculelor cu combustie internă cauzat de declinul mondial al folosirii lor, şi a fost recent adus in faţa opiniei publice. Origini şi dezvoltări

Fig. IV.1 Thomas Edison şi maşina electrica , 1913 Motivul puterii electrice a început cu o mică cale ferată comandată cu un motor  electric în miniatură construit de Thomas Davenport în 1835. În 1838, un scoţian pe nume Robert Davidson a construit o locomotivă electrică care a atins viteza de 4 mph. În Anglia un  patent a fost acordat în 1840 pentru folosirea şinelor pe post de conductoare şi un patent american a fost editat de Lille şi Colten în 1847. Între 1832 şi 1839 Robert Anderson a inventat primul vagon electric nefinisat, alimentat cu baterii primare nereîncărcabile. Maşinile electrice au început să devină populare datorită zgomotului redus si mersul lin decât al altor maşini. După îmbunătăţirile aduse bateriilor, maşinile electrice au început să înflorească. Oricum acestea erau doar in Europa. Până in 1890 nu a acordat atenţie sporita dezvoltării acestei tehnologii. Doi constructori diferiţi de automobile A. L. Ryker si William Morrison în 1891 a adus automobilul electric în centrul atenţiei în America. Prima aplicaţie comercială a unei maşini a fost in 1897 când Electric Carriage &Wagon Company din Philadelphia a construit taxiuri pentru parcul auto al New York-ului.

Până în 1899, automobilele electrice au deţinut recordul la viteză. La trecerea în secolul XX erau produse de Anthony Electric, Baker Motor Vehicle, Detroit Electric, Woods Motor Vehicle şi alţii, la un moment dat vor scoate de pe piaţa autovehiculele cu combustie internă. Trenurile electrice erau folosite pentru transportul cărbunelui din mine deoarece nu consumau preţiosul oxigen. Elveţia ducea lipsă de resurse de cărbune ceea ce ia forţat să electrifice reţeaua de linii ferate foarte rapid. In 1916 , Woods a inventat prima maşină hibrida, combinând motorul electric cu cel cu combustie internă. Începutul secolului XX a fost apogeul automobilului electric american. Multe fabrici au contribuit la căderea automobilului electric, dar lovitura finală se pare ca au dat-o   producătorii automobilelor cu combustie internă prin Henry Ford. Producţia in masa a automobilelor costa mai puţin de jumătate decât orice maşina electrică. Automobilul electric a fost declarat mort pana in 1960. Criza petrolieră a căpătat interes pentru descoperirea altor carburanţi. Multe companii au decis să reînnoiască automobilul electric pentru transportul coletelor poştale. Guvernele din întreaga lume a forţat industria petrolieră să protejeze mediul înconjurător. Multe legi au influenţat la scară mare constructorii de automobile să dezvolte prototipuri ale automobilului electric. Multe modele cum ar fi Toyota Prius au devenit extrem de populare. Cu toată speranţa preţurile automobilelor electrice vor scădea şi astfel vom proteja mediul înconjurător. Franţa a văzut marea dezvoltare a autovehiculelor electrice pe baterii in 1990; cel mai de succes model fiind Peugeot Partner/Citroen Berlingo, din care câteva mii au fost construite, în mare parte pentru parcul auto al municipalităţii. Trei parteneri (Heuliez, Dassault and Hydro-Quebec) şi-au unit eforturile şi au lansat o companie Societatea de Vehicule electrice care au construit câteva versiuni de Cleanova. În Norvegia vehiculele cu zero emisie sunt scutite de taxe şi pot folosi banda autobuzelor pentru circulaţie. În Elveţia, vehiculele electrice sunt populare printre utilizatorii privaţi. Din 1985 până în 1995 era un concurs anual la care participau numai vehicule electrice solare, numit Tour de Sol (Turul Soarelui). Rezultatele obţinute au dus la dezvoltarea vehiculelor folositoare şi stilate, cele mai multe având unul sau 2 scaune şi 3 roti. Unele vehicule aveau sursa de energie exclusiv pe baza celulelor solare, altele forţa umană, dar cele mai multe foloseau indirect energia solară, introdusă într-o reţea naţională care avea puncte de acces numite Park  & Charge la care era conectată şi Germania şi Austria.

În Marea Britanie, Londra, vehiculele electrice sunt scutite de taxa de încărcare deşi acestea trebuiesc înregistrate şi plătit anual 10 lire. Cu 8 lire plătite zilnic la fiecare încărcare ar putea aduce o economie anuala de 2000 de lire, acesta este motivul principal pentru care vehiculele electrice sunt cele mai vândute în Londra. Cel mai popular autovehicul al momentului este Reva G-Wiz, 750 fiind pe şosele din mai 2007. În majoritatea oraşelor din Regatul Unit, camioanele pentru transport produse lactate sunt autovehicule electrice. Un grup pe nume Battery Vehicle Society organizează regulat curse si evenimente pentru vehiculele construite acasă. Inventatorul Clive Sinclair a dezvoltat un autovehicul extrem de ieftin , cu 3 roti, numit Sinclair C5. Acesta a generat un enorm val de publicitate dar nu a fost de ajuns ca să rezulte dezvoltarea în serie a acestui tip de autovehicul. În Italia toate autovehiculele electrice sunt scutite de taxe şi au o reducere substanţială la asigurare. În majoritatea oraşelor colectarea gunoaielor este făcută de camioane electrice. Mai departe accesul în zonele istorice din centrele anumitor oraşe, este permis numai cu vehicule electrice (ca şi in Roma). IV.2. Generalităţi despre autovehicule electrice

În principiu, orice automobil care are motor de tracţiune electric este considerat automobil electric. Sursa de alimentare, aflată pe vehicul, poate fi de diverse tipuri, însă,  pentru majoritatea covârşitoare a automobilelor electrice realizate până în prezent, sursa este o  baterie de acumulatoare electrice. Vehiculele electrice au, faţa de vehiculele cu motoare termice, o serie de avantaje notabile, şi anume: - reducerea drastica a poluării chimice si fonice; - posibilitatea de utilizare a unor sisteme de acţionare sofisticate, oferite de cele mai moderne realizări in domeniul acţionarilor electrice; - posibilitatea realizării comode a sistemelor de frânare antiblocante, prin utilizarea frânarii electrice; daca frânarea este recuperative, se face si o importanta economie de energie; - posibilitatea de acţionare individuala a roţilor (eventual, prin înglobarea motoarelor de tracţiune in roti, realizând aşa numitele motoroti); aceasta conduce la simplificarea sistemelor  de transmisie, cea mai importanta fiind eliminarea diferenţialului mecanic.

Principalele probleme pe care le pun automobilele electrice şi care îngreunează, deocamdată, proliferarea acestora sunt următoarele: - densitatea de energie şi de putere a acumulatoarelor electrice actuale este semnificativ mai scăzută decât a combustibililor ( la un automobil pe benzină densitatea de energie este 10500 Wh/kg, iar la un automobil electric cu acumulator cu plumb-acid densitatea de energie fiind 161 Wh/kg); aceasta face ca , pe de o parte, autonomia automobilelor electrice să fie inferioară celei din cazul automobilelor clasice: 150-250 km, faţa de 400-800 km; pe de altă   parte, viteza maximă a automobilelor electrice (100-130 km/h) este mai scăzută decât a automobilelor clasice (cca 200 km/h); de asemenea, acceleraţiile realizate cu automobilele electrice sunt inferioare celor din cazul automobilelor clasice; - sunt necesare staţii de încărcare a bateriilor de acumulatoare; acestea pot fi dotate fie cu acumulatoare preîncărcate, care să le schimbe pe cele descărcate de pe automobile-ceea ce  pune probleme de depozitare şi de asigurare a unei diversitaţi de baterii, în funcţie de tipurile de automobile existente, fie cu instalaţii de încărcare a bateriilor direct pe automobile; în ultimul caz, se pune problema timpului de încărcare, acesta fiind de ordinul orelor pentru o încărcare completa normala (doar pentru încărcări parţiale, el poate fi redus la ordinul minutelor-zecilor de minute); - sunt necesare investiţii iniţiale mari, dacă producţia automobilelor este de serie mică. Bateriile de acumulatoare cu energii mari şi , mai ales, pilele electrice de combustie oferă, însă, noi posibilităţi, justificând o reevaluare promiţătoare a fezabilităţii vehiculelor  electrice rutiere. În următoarea figură este prezentată schema bloc a unui automobil electric:

Fig.IV.2 Schema bloc a unui automobil electric, având ca sursa o baterie de acumulatoare Sistemul de acţionare a unui automobil electric trebuie să satisfacă o serie de cerinţe, cele mai importante fiind prezentate mai jos:

Pentru o baterie dată, autonomia automobilului creşte dacă, pe de o parte, pierderile în sistemul de acţionare sunt mai scăzute, iar, pe de alta parte, masa acestui sistem este mai scăzuta ( contribuind, astfel, la scăderea masei totale a automobilului şi, implicit, la scăderea energiei necesare accelerării şi învingerii rezistenţei la înaintare a automobilului); reducerea  pierderilor din sistemul de acţionare implică utilizarea unor sisteme de comandă şi motoare electrice de tracţiune cu randamente ridicate: masa sistemului de acţionare poate fi redusa, în esenţa, pe doua cai: - utilizând acele tipuri de motoare electrice şi de convertoare care au puteri specifice (kW/kg) mari; - introducând răcirea forţată, cu aer sau chiar cu apa, a motorului şi a convertorului ( cu   posibilitatea de utilizare a fluidului cald – atunci când este necesar – la încălzirea automobilului). Sistemul de acţionare trebuie să fie cât mai ieftin posibil, ţinând seama că bateriile de tracţiune sunt, încă, foarte scumpe. Componentele sistemului de acţionare trebuie să nu necesite, pe cat posibil, întreţinere, pe durata de viaţa a automobilului (150000-200000 km). Sistemul de acţionare trebuie să fie fiabil, foarte rezistent la şocuri şi la vibraţii.

IV.3. Părţi componente

Un autovehicul electric reprezintă combinaţia dintre: •

motor electric;

•

controler;

•

 baterie.

IV.3.1 Baterii

După cum se ştie alimentarea motoarelor de tracţiune ale automobilelor electrice se face, uzual, de la baterii electrice, care în esenţă sunt formate prin formarea, în diverse conexiuni a mai multor elemente surse electrochimice. Sursele electrochimice convertesc energia chimica în energie electrica. Veriga slaba într-un autovehicul electric o reprezintă bateriile. Sunt cel puţin 6 mari  probleme ale bateriilor plumb-acid:

•

sunt grele (un bloc de baterii poate cântări 500 kg);

•

sunt voluminoase (autovehiculele devin robuste);

•

au capacitate limitată (poate furniza între 12 – 15 kWh, ceea ce poate însemna o autonomie de 80 km);

•

 procesul de încărcare necesita timp îndelungat (aproximativ 10 h);

•

au o durata de viaţă relativ scurta (3 – 4 ani, sau 200 de reîncărcări);

•

sunt destul de scumpe (aproximativ 2000 $). Bateriile plumb-acid pot fi înlocuite cu cele NiMH (nichel hidruri metalice).

Autonomia autovehiculului se va dubla, iar bateriile au o durată de viaţă de aproximativ 10 ani, dar costul bateriilor este de 10 – 15 ori mai ridicat decât cel al bateriilor plumb-acid. Cu alte cuvinte, bateriile NiMH costă aproximativ 20000 – 30000 $, iar cele cu plumb-acid costă doar 2000 $. Dacă privim probleme referitoare la baterii, vom avea o perspectivă diferită asupra folosirii benzinei şi anume: la 7,5 litri de benzină ceea ce înseamnă o greutate de 7 kg, costă 3 dolari şi durează 30 de secunde pentru a o introduce în rezervor; este echivalentul a 500 kg de  baterii plumb-acid care costă 2000 $ şi durează 4 h încărcarea. Problemele pe care le au bateriile explică de ce se pune accent asupra dezvoltării  pilelor de combustie. Acestea sunt mult mai mici, mai uşoare, poluare chimică redusă, randament energetic ridicat (60%), densitate masică a energiei ridicata şi se reîncarcă foarte rapid. Este evident că autovehiculele viitorului vor folosi motorul electric pentru tracţiune, iar  energia electrică necesară va fi produsă de către pilele de combustie.

Tipuri de baterii Acumulatori plumb-acid Caracteristici teoretice: -

tensiunea unei celule : 2,1 V;

-

densitatea de energie : masică 161 Wh/kg; volumică 686 Wh/l.

În cazul acumulatoarelor cu plumb-acid uzuale, apa din electrolit se pierde în timp (prin evaporare, precum şi prin descompunerea ei în H 2 si O2 care se degajă la electrozi); de

aceea, ea trebuie completată periodic. Pentru evitarea sulfatării electrozilor, acumulatoarele trebuie reîncărcate imediat după descărcarea lor. De asemenea, are loc o autodescărcare (descărcare fără a avea conectată o sarcina) a acumulatoarelor, ceea ce impune reîncărcarea lor după perioade mari de neutilizare. Rezultă necesitatea unei întreţineri pretenţioase a acestor acumulatoare. Tehnologiile moderne permit realizarea acumulatoarelor cu plumb-acid în aşa numita variantă “fără întreţinere”. În acest caz acumulatoarele sunt capsulate, au o construcţie adecvata a electrozilor, iar electrolitul este “solidificat”, fie fixat într-un gel, fie absorbit în materiale poroase de tip “vată”. La aceste acumulatoare, pierderile de apă sunt neglijabile, autodescărcarea este foarte redusă (circă 35 % din capacitatea nominala, după 12 luni), iar  sensibilitatea lor la descărcări ocazionale puternice, la vibraţii şi la temperaturi joase este mult scăzută. Deşi folosesc electrozi solidificaţi, densitatea de energie mai ales la descărcări rapide şi temperaturi scăzute este mai mare decât a acumulatoarelor uzuale. Desigur toate acestea se obţin cu preţul unui cost mai ridicat. Avantaje: - sunt relativ ieftine; -

au un număr relativ mare de cicluri de încărcare – descărcare;

-

folosesc pentru electrozi plumbul care este disponibil în cantităţi mari;

-

se poate realiza în varianta “fără întreţinere”;

-

exista producţie in serie;

-

la ieşirea lor din funcţiune, plumbul din electrozi poate fi uşor reciclat.

Dezavantaje: - au densitate redusă a energiei, ceea ce implică greutăţi şi volume mari; -

puterea lor scade odată cu descărcarea;

-

capacitatea şi energia lor scad, la temperaturi scăzute;

-

oferă posibilităţi limitate de încărcare rapida (încărcarea lor completa se face pe timp de câteva ore);

-

sunt sensibile la supracurenţi (de încărcare sau descărcare).

Acumulatori Ni-Cd;

Caracteristici teoretice: - tensiunea unei celule : 1,3 V; -

densitatea de energie : masică 209 Wh/kg; volumică 693 Wh/l.

Dintre celelalte tipuri de acumulatoare, perspectiva de a fi utilizate în tracţiune, datorita energiilor lor specifice ridicate, o au cele cu sodiu-sulf (Na-S), precum şi cele bazate  pe litiu (Li). Pentru a obţine o conductivitate suficienta a electrolitului solid este necesara o temperatura ridicata (între 300 – 400 oC; uzual 330 oC). Funcţionarea la o astfel de temperatura necesita o izolare termica compactă şi eficientă. De regula se foloseşte o izolaţie termică vacumată care acoperă complet celulele acumulatorului, lăsându-se doar locuri pentru realizarea conexiunilor electrice. În incinta termică se instalează un încălzitor electric precum şi un schimbător de căldura lichid (pentru răcirea celulelor în cazul unor descărcări puternice). Avantaje: -

au un număr foarte mare de cicluri de încărcare descărcare;

-

puterea lor se menţine relativ constanta după o descărcare parţială;

-

au o comportare foarte bună la temperaturi scăzute;

-

oferă posibilitatea reîncărcării rapide (se pot realiza încărcări cu curenţi de până la 10 In);

-

nu necesită întreţinere (acumulatoare capsulate);

-

există producţie in serie.

Dezavantaje: -

sunt scumpe (datorită costului ridicat al cadmiului);

-

pun probleme ecologice, cadmiul fiind toxic;

-

încărcarea lor pune probleme la temperaturi ridicate;

Acumulatori Na-S; Caracteristici teoretice: - tensiunea unei celule : 2,1 V; -

densitatea de energie : masică 792 Wh/kg; volumică 1196 Wh/l.

Principalele obstacole în utilizarea acestor baterii pe automobilele electrice sunt: numărul redus de cicluri încărcare – descărcare şi puterea specifică scăzută la funcţionarea continuă. Vezi Anexa 8 Tab. IV.1 Tabel comparativ pentru baterii. Concluzii

Principalele avantaje economice ale stocării energiei 1. Transferul de energie. Energia obținută din transformarea energiei primare în energie electrică, în centralele clasice, va fi stocată şi utilizată la ore de vârf în locul energiei scumpe utilizate la echilibrarea sistemului. Exista doua moduri de producere a anergiei pentru care este pretabila stocare, si anume: - La producerea convențională a energiei, a cărei stocare poate compensa căderile de tensiune datorata defecțiunilor din sistem, sau să asigure vârful de sarcină. - La producerea energiei din sursele regenerabile, lucru ce va face acest tip de energie  previzibila. Costul sistemului tampon trebuie luat in considerare, pentru a nu depă și costul  produs de un alt tip de centrala care poate prelua sarcina suportată de centrală. 2. Dimensionarea optima a re țelelor. Consumul de energie zilnic variază puternic ajungând ca in zonele de vârf sa se transporte pe rețelele de înalta tensiune dublul energiei transportata in zonele de noapte, lucru ce conduce la supradimensionare re țelelor. Montarea de sisteme de stocarea a energiei aproape de consumatori ar putea reduce costul construc ției re țelelor cu până la 25%, acestea funcționând la capacitate maximă în mod continuu, astfel că în timpul când se consuma o cantitate mică de energie electrică de către consumatori, linia poate fi încărcata la capacitate maximă, surplusul de energie fiind folosit pentru încarnarea sistemelor de stocare a energiei de la consumatori. 3. Avantajul cinetic. Flexibilitatea sistemelor viitoare de stocare, vor permite un răspuns foarte prompt la cerere.

În realizarea practica am folosit un motor electric de C.C. cu perii datorita caracteristicilor sale în raport preţ-performanţă la ora actuala. În mod normal un motor de

C.C. fără perii ar fi fost superior din punctul de vedere a

fiabilităţi, gabaritului si

caracteristicilor termice dar are un mare dezavantaj, preţul. Motoarele electrice pentru cart electric au puterea cuprinsă între 250 - 1000 W (circa 1,3 kW). În comparaţie cu motoarele pe benzina care au o putere de 1,7 kW acest raport este net in favoarea motoarelor pe benzina pana in prezent. Avantaje şi dezavantaje ale folosirii autovehiculelor electrice în locul autovehiculelor cu motoare clasice cu combustie internă. Avantaje: - au un cost de exploatare aproape gratuit (circa 1 euro/100km); - se pot conduce uşor, (unele nu au comenzi cu pedale pot fi utilizate şi de către anumite  persoane cu handicap fizic); - întreţinere simplă, uşor de manevrat în parcare şi de încărcat bateriile; - nu fac zgomot şi nu emană fum, oxid de carbon, metale grele şi alte noxe dăunătoare mediului şi vieţii; - nu consumă suplimentar la staţionarea temporară - în trafic - la semafoare, etc.; - posibilitatea de utilizare a unor sisteme de acţionare sofisticate, oferite de cele mai moderne realizări în domeniul acţionărilor electrice; - posibilitatea realizării comode a sistemelor de frânare anti-blocante, prin utilizarea frânarii electrice; - dacă frânarea este recuperativă, se face şi o importanta economie de energie; - posibilitatea de acţionare individuală a roţilor (eventual, prin înglobarea motoarelor de tracţiune în roti, realizând aşa numitele motoroţi ); - aceasta conduce la simplificarea sistemelor de transmisie, cea mai importantă fiind eliminarea diferenţialului mecanic; - au cuplu constant la variaţii ale turaţiei în limite mari.

Dezavantaje:

- principalul dezavantaj este acela al autonomiei reduse; - au cost de achiziţie ridicat; - bateria de acumulatori are o densitate de energie scăzută, o durată de viaţă relativ mică limitată de numărul de cicluri încărcare – descărcare, timpi mari de încărcare; - cheltuielile pentru întreţinerea bateriilor sunt destul de ridicate; - sunt necesare staţii de încărcare a bateriilor de acumulatoare; - acestea pot fi dotate fie cu acumulatoare preîncărcate, care să le schimbe pe cele descărcate de pe automobile-ceea ce pune probleme de depozitare şi de asigurare a unei diversităţi de  baterii, în funcţie de tipurile de automobile existente , fie cu instalaţii de încărcare a bateriilor  direct pe automobile; - în ultimul caz, se pune problema timpului de încărcare, acesta fiind de ordinul orelor pentru o încărcare completă normală (doar pentru încărcări parţiale, el poate fi redus la ordinul minutelor-zecilor de minute); - sunt necesare investiţii iniţiale mari, dacă producţia automobilelor este de serie mică.

BIBLIOGRAFIE

[1] GH. CLONDESCU , O.D. TOMUŢA. Acumulatoare electrice - întreţinere şi reparare.Ediţia a 4-a, Editura Tehnică, Bucureşti, 1977. [2] W. GÂRTEN. Bleiakkumulatorcn. Ediţia a 10-a, VARTA Batterie A. G., Hannover, 1974. [3] H. BODE. Lead Acid Batteries. John Wiley and Sons. Inc. New York, 1977. [4] KARL V. KORDESCH. Lead Acid Batteries and Electric Vehicles. Marcel Dekker Inc.  New York, 1977. [5] M. A. DASOIAN. Surse de curent chimice. Editura Tehnică, Bucureşti, 1964. [6] E. WITTE. Blei and Stahlakkumulatoren. Editura Otto Kransskopf, Mainz, 1969. [7] G. W. VINAL. Storage Batteries, Ed. a 4-a, Editura John Wiley and Sons, New York, 1935. [8] C. DROTSCHMANN. Bleiakkumulatoren. Verlag Chemie, Weinheim, 1951. [9] L. CH. MANTELL. Batteries and Energy Systems. Editura Mc. Graw-Hill Book  Company, New York, 1970. [10] W. HOFMANN. Lead and Lead Aloys. Editura Springer, New York, 1970. [11] S. UNO FALK, ALVIN J. SALKIND. Alkaline Storage Batteries. Editura John Wiley and Sons, New York, 1969. [12] FL. T. TĂNĂSESCU s.a. Conversia energiei, Tehnici neconvenţionale. Editura Tehnică,Bucureşti, 1986. [13] ARTHUR FLEISCHER s.a. Zinc-Silver oxide Batteries. Editura John Wiley and Sons,  New York, 1971. [14] L. ONICIU. Pila de combustie. Editura Ştiinţifică, Bucureşti, 1971. [15] L. ONICIU. Chimie fizică, electrochimie. Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1974. [16] C. LITEANU, GH. RĂDULESCU. Bazele membranalogiei. Editura Ştiinţifică şi Enciclopedică, Bucureşti, 1984. [17] GH. A. MATEESCU. Electrochimia plumbului în soluţii concentrate de acid sulfuric. Teză de doctorat, Bucureşit, 1986. [18] B. W. BURROWS, H. R. ESPIG. New Battery Tehnologies and the potential impact in the use of energy in the telephone industry. Journal of Power Sources, 4/1979, pag. 291-299. [19] V. BIAGETTI, J. LUER. Cylindrical, pure lead, Lead-acid cell for float service. Journal of Power Sources, 4/1979, pag. 309-319. [20] T. GERBER. Essais de duree de vie concemant des accumulateurs slationnaires â electrodes tubulaires. În Buletin technique 6/1976, pag. 190-205 şi 7/1976, pag. 275-283, Berna-Elveţia. [21] M. HEADERSON. Developements in Lead-acid Batteries. Electronics and Power, iunie 1977. [22] K. GAGEL. Neue Tehnologien bei Starterbatterien, Betrieb und Werkstatt, pag. 34 - 41, Agrartechnik international, aprilie 1980. [23] B. BRENER. Gasdicht mit Rekombination. în: Electrotechnik, 23 februarie, 1979. [24] B. C. TOFIELD. Battery research diversifies to meet the future. În: Electrical Review, 26 ianuarie 1979, pag. 29-31. [25] J. R. BIRK, K. KLUNDER, J. C. SMITH. Superbatterie : una rassegna dei progressi in atto. În: L'ELECTROTECNICA, nr. 7, iulie 1980, pag. 679-687. [26] S. HATTORI. Studies on semi-sealed Lead-acid batteries. Lead 68, pag. 155-165, Pergamon Press Ltd. 1969. [27] C. J. BUSHROD. Tubular Lead-acid batteries in motive power service. Lead 68,  pag.187-189, Pergamon Press, 1969. [28] E. G. TIEGEL. Dry charged Lead-acid batteries. Lead 68, pag. 191 - 198, Pergamon Press, 1969.

[29] N. E. BAGSHAW. Lead-antimony-cadmium alloys for battery grids. Lead 68, pag. 209 219, Pergamon Press, 1969. [30] T. L. BIRD s.a., Construction and service testing of cells made with grids of dispersion strengthened leag. Lead 68, pag. 221-224, Pergamon Press, 1969. [31] G. UITENBROEK. The practical realisation of lead-acid batteries for electric vehicles. Lead 68, pag. 249-254, Pergamon Press, 1969. [32] G. DALIBARD s.a.. L'accumulateur au plomb sans entreticn. RGE - tome 84, nr. 6, iunie 1975, pag. 463-472. [33] K. J. EULER. Performance limits of primary and secondary batteris. In Journal of Power  Sources 4/1979, pag. 215-226. [34] C. VIESCOU. Les piles spiciales et leurs aplications. In TLE - noiembrie 1980, nr. 458,pag. 19-22. [35] U. HULLEMEINF, W. KAPPUS. The lead-acid eloflux cell. Research tool and candidate for advanced batteries. In: Electrochimica acta, nr. 12/1982, pag. 1677 - 1681. [36] D. W. H. LAMBERT. The dcvelopement of a high energy density tubular Lead-acid battery for electric vehicles. In: Progress in Batteries and Solar Cells, vol. 5, 1984, pag. 204-207. [37] H. SCHAETZLE, D. BODEX. Lead-acid batteries for remote fotovoltaic application. In: Journal of Power Sources, Olanda 4/1979, pag. 291-299. [38] D. RAND. Lead-acid traction batteries for electric rond vehicle propulsion, directions for  research and developmeent. În: Journal of Power Sources, 5/1980, pag. 173 - 188. [39] H. PLUST. Alkalische batlerion fur Elektrostrasscnfahrzenge, technische und wirtschaftlische, Aspekte. În: Chemie Ingenieur technic, RFG, 6/1979, pag. 583 - 593. [40] ASHOK K. VIJH. Electrochemistry, power sources and energy science. În: Journal of  Power Sources 5/1980, pag. 145-172. [41] W. RAXDSZUS. Wonn Ni - Cd Akkumulatoren ruhen. În: Elektrotehnik, ianuarie 1980  pag. 10 si 11. [42] D. WALKER, D. GILHAM. Rechargeable nickel cadmium cells, their construction, reliability and use. În: Electronic Engineering, USA, sept. 1979, pag. 97-110. [43] E. PUTOIS. Fiabilite des accumulateurs nickel-cadmium Blanches. Franta, În RGE Tome 84 nr. 6, iunie 1975, pag. 474-480. [44] K. J. EL'LER s.a.. Electronic conductivity of battery active masses - a limiting factor? In: Journal of Power Sources 5/1980, pag. 255 - 252. [45] L. MARTIN. Piles et accumulateurs: Vanergic sur mesiire. In: Industries et techniques, Franta, nr. 475, febr. 1982, pag. 47-63. [46] W. BOHXSTEDT. The influence of electrolyte additives on the anodic dissolution of  alumi-nium in alcaline solutions. In: Journal of Power Sources 5/1980, pag. 245-253. [47] C. CHAKKARAVARTHY s.a.. Zinc-air alkaline batteries-a review. In: Journal of Power  Sources, 6/1981. pag. 203-228. [48] E. M. L. YALERIOTE. Weight Loss and Grid Integrity of Low Antimony and Antimony-Free Grids. Electrochemical Science and Technology, iulie 1981, pag 1423 - 1433. [49] W. FISCHER. Der Natrium-Schwefel-Akkumulator. În: B. B. C. Nachrichten, 1978, Hept 5, pag. 194- 199. [50] G. R. LOMAX. Recent advances in Sodium-Sulfar technology. Electronics and power, iunie 1977, pag. 474-478. [51] G. R. LOMAX. Current trends in the developements of Sodium-Sulfar Batteries. În: Journal of Power Sources 4/1979, pag. 301-308. [52] J. K. WRIGHT. Large-scale storrage of electrical energy. În: Electronics and Power, febr. 1980, pag. 153-157. [53] L. H. TALLER, A. W. NICE. Fluid Battery, promises economical storage. În: Power  Engineering, febr. 1981, pag. 56-58.

[54] E. DEL SORBO. The Tonolli process for the treatement of scrap Batteries. În: Battery Council International (BCI), 1974, pag. 11 - 14. [55] G. H. LAURIE. Sheet casting process for reactive battery grid alloys. În: BCL, 1974,  pag. 24-32. [56] H. NIKLES. Maintanence-free SLT-batteries: The VARTA Sistem. In: BCI, 1974, pag. 50-56. [57] R. L. BENNETT. Maintanance-free batteries. Definitions, special tests and advantages. BCI, 1974, pag. 57-63. [58] J. W. BARRICK. Charging Systems for MF batteries. În: BCI, 1974, pag. 77-80. [59] A. SABATINO. Maintenance-free battery design. În: BCI, 1974, pag. 81-93. [60] E. KING. Industrial hygiene and environmental protection the UK battery industry aproach-non-and the future. În: BCI, 1974, pag. 109-115. [61] W. PALLIES. Health and safety standards in the U.S.A. legislation, regulations and  practice. În: BCI, 1974, pag. 116-118. [62] J. F. COLE. ILZ RO health study of lead workers. In: BCI, 1974, pag. 119-125. [63] J. BITLER. Environmental control in the U.S.A. În: BCI, 1974, pag. 127-130. [64] W. G. KREWSON ş.a. Waste water filtration treating system. În: BCI, 1974, pag. 131135. [65] J. YOUNG. Electric road vehicles in perspective. Capabilities and potentialities. În: BCI, 1974, pag. 136 si 137. [66] S. GROSS. Review of Candidate batteries for electric vehicles. În: BCI, 1974, pag. 14216J. [67] G. E. SMITH. Developement of electric vehicles in Japan. În: BCI, 1974, pag. 165- 169. [68] S. ULVONAS. The ELBIL bus and electric vehicles in Europe. În: BCI, 1974, pag. 183186 d. [69] M. V. REISSLAND. Betriebsmessung des Ladungszustandes von Bleiakkumulatoren, insbezondere im Kraftfahrzeng, În: Feinwerktechnic und Messtechnik, 88 (1980), 3, pag. 137141. [70] G. PAPAZOV, T. ROGATCHEV, D. PAVLOV. Influence of the lead dioxide active mass on the corrosion rate of the spines of the positive lead-acid battery plates. În: Journal of  Power Sources, Elvetia, 6, ian. 1981, pag. 15 - 24. [71] Flavin C., Lenssen N., Valul energetic , Editura Tehnică,Bucureşti, 1995. [72] Carmen Zaharia - Energia şi mediul Editura Universităţii Al. I. Cuza 2004 [73] DUMA, S., (2007),  Resursele crustale mondiale , Edit. Presa Universitară. [74] B. W. BURROWS, H. R. ESPIG. New Battery technologies and their potential impact in the use of energy in the telephone industry. În: Journal of Power Sources, 4/1979, pag. 291299. [75] OTTO JACHE. Leakproof bonding of storage battery components. U. S. Patent 3.963.521, 15.06.1976. [76] R. BONNATERRE. Nickel-Cadmium cell and method for precharging negative electrode of nickel-cadmium alkaline storage cell. În: US Patent 4.166.1886, 4.09.1979. [77] P. F. RITTERMAN. Sealed nickel cadmium battery capable of withstanling high rate over-discharge. U.S. Patent, 4.142.125, 27.02.1979. [78] G. K. MUSSLER. Restoration of nickel-cadmium batteries. U.S. Patent, 4.229.508, 21.10.1981. [79] P. F. RITTERMAN ş.a.. Sealed nickel-cadmium battery with selfregulating  precharge adjustement capability. U.S. Patent 4.275.127, 23.06.1981. [80] R. LUYBEN. Akkumulator mit in einem Kunststoffgefass angeordneten Elektroden. R.F.G. Patent 25 54 326, 3.12.1975.

[81] C. J. MENARD. Electrode configuration for alkaline battery systems. U.S. Patent 4.154.908, 15.05.1979. [82] M. J. HAMMOND, P. H. SCHULTZ. Zinc halogen battery electrolite compositions with  bismuth additive. U. S. Patent 4.307.159, 22.12.1981. [83] G. L. HEAVIKSEN. Zinc halogen battery electrolyte composition with lead additive. U.S. Patent 4.306.003, 15.12.1981. [84] J. KOSUGA. Electric storage cell or battery. U.S. Patent 4.301.219, 17.11.1981. [85] Y. KLEIN ş.a.. Séparateur pour pile secondaire. Patent francez 2.412.173 din 13.12.1978. [86] B. P. VARMA. Method for battery plate. U.S. Patent 4.295.940, 20.10.1981. [87] J. L. STEWART. Open and short circuit test method. U.S. Patent, 4.282.292, 4.08.1981. [88] V. Z. BARSUKOV ş.a.. Sealed lead-acid storage battery. U.S. Patent 4.277.546, 7.07.1981. [89] R. H. PARK ş.a.. Bipolar storage battery of extended surface electrode type. U.S. Patent 4.267.243, 12.05.1981. [90] T. W. HIGGINS ş.a.. Battery separators and method for producing the same. U.S. Patent, 3.018.316, 23.01.1986. [91] VARTA R.F.G. Acumulateur au plomb à plusieurs éléments et procédé servant à sa fabricalioti. Brevet francez 2 408 919, 6.07.1978. [92] W. B. BURKETT ş.a. Formation of battery plates. U.S. Patent 3.929.505 din 30.12.1975. [93] N. EBATO. Structure de plaque positive de batterie à construction fermée et méthode de fabrication de celle-ci. Patent francez 2 460 548, 26.06.1980. [94] http://www.greenbatteries.com [95] http://www.en.wikipedia.org [96] http://www.dimec.unisa.it [97] http://ro.wikipedia.org [98] http://www.venturifetish.fr  [99] http://www.teslamotors.com [100] http://www.wrightspeed.com [101] http://www.econogics.com/ev/evhistry.htm [102] http://www.newton.mec.edu [103] http://www.dassault.fr  [104] http://sloan.stanford.edu [105] http://mikes.railhistory.railfan.net [106] http://inventors.about.com [107] www.youtube.com [108] http://www.referate.ro

Anexe Anexa 1

Tabelul II.2. Caracteristicile brichetelor pentru plăcile casetate Tipul de electrod De regim uşor De regim mediu De regim rapid De regim ultrarapid

Masa brichetei de 125 mm lungime [g] 11 6 3,5 2,3

Lăţimea casetei [mm] 14,6 14,6 9,6 9,6

Anexa 2

Tabelul II.3. Parametrii ciclurilor de formare pentru elementele Ni-Fe cu plăci tubulare Parametrul Durata de încărcare[h] Curentul de încărcare [A]

Ciclul 1

Ciclul 2

Ciclul 3 15 0,2 C5

48 0.1C 5

24 10h cu 0,2 C 5 14h cu 0,1 C 5

Descărcarea Curentul de descărcare [A]

Până la 0,9 V/element 0,2 C 5

Până la 0,9 V/element 0,2 C5

5,75 h 0,2 C5

Anexa 3.

Tab.II.4. Electroliţi pentru elementele Ni-Fe cu placi tubulare şi casetate Tipul de electrolit

Densitatea Cantitatea [g/cm ] de LiOH [g/l] 1,229

50 ± 2

Înălţimea de electrolit deasupra nivelului  plăcilor [mm] 15-20

1,225

35 ± 1,5

72-78

1,207

18 ± 1

55-60

1,214

25 ± 1,5

15-20 sau 72-82

3

Electrolit de formare pentru elemente standard Electrolit de formare  pentru elemente cu exces de volum de electrolit Electrolit de formare pentru elemente cu foarte mare exces de volum (BHI) Electrolitul de completare în cazul pierderilor de electrolit

Electrolit de înnoire , dupa scăderea densităţii la 1,160 g/cm 3

1,249

15 ± 1

15-20 sau 72-82

Observaţii

 Nu se foloseşte pentru elemente cu foarte mare necesar de electrolit idem

Anexa 4.

Tab. II.5 Parametrii plăcii pozitive după impregnare

Ciclul

de Sporul de masă [g]

Capacitatea teoretica [Ah]

impregnare

corespunzătoare sporului de Pe fiecare ciclu

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Cumulativ

11.25 9.10 7.45 7.47 4.70 4.91 4.05 3.61 2.68 1.70

masa [Ah]

11.25 20.35 27.80 35.27 39.97 44.88 48.93 52.54 55.22 56.92

3.25 5.88 8.03 10.19 11.55 12.97 14.14 15.18 15.96 16.45

Anexa 5

Tab. II. 6 Comparaţie între bateriile disponibile pentru aparatele digitale Caracteristica Tensiune medie Capacitate

NiMH 1,25 v Până la 2000 mAH

NiCd 1,25 V Până la 1000 mAh

Litiu 1,5 V > 2000 mAh

înmagazinată Profilul descărcării Comportament la

Aproape plat

Aproape plat

Aproape plat

descărcare în curent

Foarte bine

Foarte bine

Foarte bine

Foarte bun

Foarte bun

Excelent

Mult redus

Mult redus

mare Curent la temperatura ridicată Curent la temperatura scăzută (< 0 grade C) Încărcarea

Încărcare rapidă cu controlul supraîncărcării pe cale electronica

Foarte bun, până la –  10 grade C

Încărcare fără necesitatea contorului

Indisponibil

supraîncărcării  Neglijabil (durata

Autodescărcare Durata de viaţă Compatibilitate mecanică Ecologie

1 – 2 % zilnic

1 – 2 % zilnic

estimată de viata:

500 – 1000 cicluri

500 – 1000 cicluri

cinci – zece ani) 1 (unu)

Echivalente

Echivalente

Echivalente

 Necesită prelucrări Fără probleme

speciale impuse de

Fără probleme

toxicitatea cadmiului Cost pe 1000 cicluri/element

4 USD

2 USD

1000 USD

Anexa 6

Tab. III 1.Caracteristici ale unor celule supercondensator de dimensiuni mari : Specificatii tehnice

Tip celula ESHSP-5000C0-

Tip celula B49410B- 2506Q000

Capacitatea electrică (Farads),

002R7 (Firma NESS CAP) 5 000

(FirmaEPCOS 5 000

toleranţa %)

-10%,

-10%, +30 %

Tensiunea maximă de lucru, VR 

+20 % 2.7

2.5

(Volts)

Rezistenţa internă maximă

0.35 (0.4)

(0.2) 0.35

22 2.85

No spec. 2.8

18225

15625

V=VR . (Joule ) Energia specifică (Wh/kg ; Wh/l)

(5.06 Wh) 5.69 ; 7.10

(4.34 Wh) 4.1 ; 4.7

at V= VR  Puterea specifică ( kW/kg ; kW/l) Greutatea (grame) Volumul (ml) Temperatura de funcţionare (oC) Durata de viaţă (cicluri )

5.12; 6.39* 890 713 -40…+ 60 500000

2 ; 2.3** 1050 930 -30…+70 500000

(mohmi) Curentul maxim de fugă (mA) Tensiunea maximă tranzitorie (Volts) Energia stocată maximă la

Anexa 7

Tab. III. 2. Caracteristici ale unor celule supercondensator de dimensiuni mari : Modul tip EMHSP-

Module tip B48621A-

Specificaţii tehnice

5000C0-002R7

9215Q024

Capacitatea electrică (Farad)

(Firma NESS CAP) 238

(firma EP COS) 210

(21 celule de 5000 F / 2.7V

24 celule de 5000 F / 2.5V in

Tensiunea maximă de lucru,

in serie) 52.5 (56.7 max.)

serie 56

VR(Volts) Rezistenţa internă maximă

7 (8.5)

4 (8)

110 59.8

No spec. 64

(mohm) Curentul de fugă maxim (mA) Tensiunea tranzitorie maximă (Volts)

Energia stocată maximă la

382600

329280

V= VR (Joule ) Energia specifică (Wh/kg ;

(106 Wh) 3.3 ; 2.8

(91.5 Wh) 3 ; 2.1

Wh/l) at V= VR  Puterea specifică (kW/kg ;

3.0 ; 2.5*

1.6; 1.1**

W/l) Greutate (kg) Volum (litri) Temperatura de

32 38.2 -40…+ 60

30 44 -30…+70

500000

500000

funcţionare(oC) Durata de viata (cicluri)

Anexa 8

Tabel III.3 Maşina cu supercondensator. Maşina

cu Ceramic EESU

 NiMH

La(gel)

Litium-ion

supercondensator  Greutate (kg) Volum (litri) Rata de descărcare Încărcarea completa Reducerea vieţii prin

135 74.5 0.02%/30 zile 3-6 min nu

780 293 5%/30 zile >3.0 hr foarte ridicată

1660 705 1%/30 zile 3-15 hr ridicată

340 93.5 1%/30 zile >3.0 hr   foarte ridicată

ciclul de folosire profund Materiale Periculoase Temperatura

nu neglijabil

da ridicată

da foarte ridicată

da ridicată

Comparativă cu efectul stocării energiei

Anexa 9

Tab. IV.1 Tabel comparativ pentru baterii