Průvodce pro začátečníky, jak funguje baterie

click fraud protection

A baterie, což je ve skutečnosti elektrický článek, je zařízení, které vyrábí elektřinu z chemické reakce. Přesně řečeno, baterie se skládá ze dvou nebo více článků spojených v sérii nebo paralelně, ale tento termín se obecně používá pro jeden článek. Buňka se skládá ze záporné elektrody; elektrolyt, který vede ionty; separátor, také iontový vodič; a pozitivní elektrodu. elektrolyt může být vodný (složený z vody) nebo nevodný (není složen z vody), v kapalné, pastovité nebo pevné formě. Když je buňka připojena k vnější zátěži nebo zařízení, které má být napájeno, záporná elektroda dodává proud elektronů, které protékají zátěží a jsou přijímány pozitivní elektrodou. Po odstranění vnějšího zatížení reakce přestane.

Primární baterie je ta, která dokáže přeměnit své chemikálie na elektřinu pouze jednou a poté musí být zlikvidována. Sekundární baterie má elektrody, které lze rekonstituovat zpětným vedením elektřiny; nazývané také úložiště nebo dobíjecí baterie, lze ji opakovaně použít.

Tato baterie používá oxid niklu ve své kladné elektrodě (katoda), sloučeninu kadmia ve své záporné elektrodě (anoda) a roztok hydroxidu draselného jako svůj elektrolyt. Nikl kadmiová baterie je dobíjecí, takže se může cyklicky opakovat. Nikl kadmiová baterie přeměňuje chemickou energii na elektrickou energii při vybití a převádí elektrickou energii zpět na chemickou energii při nabíjení. V plně vybité NiCd baterii obsahuje katoda v anodě hydroxid nikelnatý [Ni (OH) 2] a hydroxid kademnatý [Cd (OH) 2]. Když je baterie nabitá, změní se chemické složení katody a hydroxid nikelnatý se změní na oxyhydroxid niklu [NiOOH]. V anodě se hydroxid kademnatý mění na kadmium. Jakmile je baterie vybitá, proces se obrátí, jak ukazuje následující vzorec.

instagram viewer

Nikl-vodíkovou baterii lze považovat za hybrid mezi nikl-kadmiovou baterií a palivovým článkem. Elektroda kadmia byla nahrazena vodíkovou plynovou elektrodou. Tato baterie je vizuálně velmi odlišná od nikl-kadmiové baterie, protože buňka je tlaková nádoba, která musí obsahovat více než tisíc liber na čtvereční palec (psi) plynného vodíku. Je výrazně lehčí než nikl-kadmium, ale je obtížnější ho zabalit, podobně jako bedna vajec.

Nikl-vodíkové baterie jsou někdy zaměňovány s nikl-kovovými hydridovými bateriemi, které se běžně vyskytují v mobilních telefonech a noteboocích. Nikl-vodík a nikl-kadmiové baterie používají stejný elektrolyt, roztok hydroxidu draselného, ​​který se běžně nazývá louh.

Pobídky pro vývoj nikl / metal hydridových (Ni-MH) baterií pocházejí z naléhavých zdravotních a environmentálních otázek, aby se našli náhradní baterie pro nikl / kadmium. Kvůli bezpečnostním požadavkům pracovníka je zpracování kadmia na baterie v USA již ve fázi postupného vyřazování. Kromě toho bude právní předpisy v oblasti životního prostředí pro 90. a 21. století s největší pravděpodobností vyžadovat omezení používání kadmia v bateriích pro spotřebitelské použití. I přes tyto tlaky má nikl / kadmiová baterie vedle olověných baterií stále největší podíl na trhu s akumulátorovými bateriemi. Další pobídky pro výzkum vodíkových baterií vychází z obecného přesvědčení, že vodík a elektřina vytlačí a případně nahradí a významný podíl energetických zdrojů fosilních paliv se stal základem udržitelného energetického systému založeného na obnovitelných zdrojích Zdroje. Konečně existuje značný zájem o vývoj Ni-MH baterií pro elektrická vozidla a hybridní vozidla.

Elektrolyt KOH může transportovat pouze OH- ionty a pro vyvážení transportu náboje musí elektrony cirkulovat vnějším zatížením. Elektroda nikl-oxy-hydroxid (rovnice 1) byla rozsáhle zkoumána a charakterizována a její aplikace byla široce prokázána jak pro pozemní, tak pro vzdušné použití. Většina současného výzkumu baterií Ni / Metal Hydride zahrnuje zlepšení výkonu anody s hydridem kovu. Konkrétně to vyžaduje vývoj hydridové elektrody s následujícími charakteristikami: (1) dlouhý životnost cyklu, (2) vysoká kapacita, (3) vysoká rychlost nabíjení a vybíjení při konstantním napětí a (4) retence kapacita.

Tyto systémy se liší od všech výše uvedených baterií tím, že v elektrolytu není používána voda. Místo toho používají nevodný elektrolyt, který je složen z organických kapalin a solí lithia k zajištění iontové vodivosti. Tento systém má mnohem vyšší napětí buněk než vodné elektrolytové systémy. Bez vody je eliminován vývoj vodíkových a kyslíkových plynů a buňky mohou pracovat s mnohem širším potenciálem. Vyžadují také složitější sestavení, protože se musí provádět v téměř dokonale suché atmosféře.

Nejprve byla vyvinuta řada nenabíjecích baterií s lithiovým kovem jako anodou. Komerční knoflíky používané pro dnešní baterie hodinek jsou většinou lithiové chemie. Tyto systémy používají řadu katodových systémů, které jsou dostatečně bezpečné pro použití spotřebitelem. Katody jsou vyrobeny z různých materiálů, jako je monoflourid uhlíku, oxid mědi nebo oxid vanadičný. Všechny pevné katodové systémy mají omezenou rychlost vybíjení, kterou budou podporovat.

Pro dosažení vyšší rychlosti výboje byly vyvinuty kapalinové katodové systémy. Elektrolyt je v těchto konstrukcích reaktivní a reaguje na porézní katodě, která poskytuje katalytická místa a sběr elektrického proudu. Několik příkladů těchto systémů zahrnuje lithium-thionylchlorid a lithium-oxid siřičitý. Tyto baterie se používají ve vesmíru a pro vojenské aplikace, jakož i pro nouzové majáky na zemi. Obecně nejsou dostupné veřejnosti, protože jsou méně bezpečné než pevné katodové systémy.

Předpokládá se, že dalším krokem v technologii lithium-iontové baterie je lithium-polymerová baterie. Tato baterie nahrazuje kapalný elektrolyt buď gelovým elektrolytem, ​​nebo skutečným pevným elektrolytem. Tyto baterie by měly být ještě lehčí než lithium-iontové baterie, ale v současné době se neplánuje tato technologie létat ve vesmíru. Rovněž není běžně dostupný na komerčním trhu, i když může být hned za rohem.

Ve zpětném pohledu jsme od té netěsné prošli dlouhou cestu svítilna baterie šedesátých let, když se zrodil vesmírný let. K dispozici je široká škála řešení pro splnění mnoha požadavků kosmického letu, 80 pod nulou vůči vysokým teplotám slunečního letu. Je možné zvládnout masivní záření, desetiletí provozu a zatížení dosahující desítek kilowattů. Bude probíhat neustálý vývoj této technologie a neustálé úsilí o vylepšené baterie.

instagram story viewer