Historie og udvikling af batterier

Batterier er så allestedsnærværende i dag, at de er næsten usynlige for os. Alligevel er de en bemærkelsesværdig opfindelse med en lang og storied historie, og en lige så spændende fremtid.,

et batteri er i det væsentlige en enhed, der lagrer kemisk energi, der omdannes til elektricitet. Grundlæggende er batterier små kemiske reaktorer, hvor reaktionen producerer energiske elektroner, klar til at strømme gennem den eksterne enhed.

batterier har været hos os i lang tid. I 1938 fandt direktøren for Bagdad-museet det, der nu kaldes “Bagdad-batteriet” i kælderen på museet. Analyse dateret det på omkring 250BC og af Mesopotamisk Oprindelse.,kontroverser omgiver dette tidligste eksempel på et batteri, men foreslåede anvendelser inkluderer galvanisering, smertelindring eller en religiøs tingle.

amerikansk videnskabsmand og opfinder Benjamin Franklin brugte først udtrykket “batteri” i 1749, da han lavede eksperimenter med elektricitet ved hjælp af et sæt tilknyttede kondensatorer.

det første ægte batteri blev opfundet af den italienske fysiker Alessandro Volta i 1800. Volta stablet skiver af kobber (Cu) og andink (nn) adskilt af klud dyppet i saltvand.

ledninger forbundet til hver ende af stakken producerede en kontinuerlig stabil strøm., Hver celle (et sæt af en Cu og en discn disk og saltlage) producerer 0,76 Volt (V). Et multiplum af denne værdi opnås givet ved antallet af celler, der er stablet sammen.

et af de mest varige batterier, blysyrebatteriet, blev opfundet i 1859 og er stadig den teknologi, der bruges til at starte de fleste forbrændingsmotorbiler i dag. Det er det ældste eksempel på genopladeligt batteri.,i dag findes batterier i en række størrelser fra store mega .att-størrelser, der gemmer strømmen fra solfarme eller transformerstationer for at garantere stabil forsyning i hele landsbyer eller øer, ned til små batterier som dem, der bruges i elektroniske ure.

batterier er baseret på forskellige kemikalier, som genererer basale cellespændinger typisk i området 1,0 til 3,6 V. Stablingen af cellerne i serie øger spændingen, mens deres forbindelse parallelt forbedrer strømforsyningen., Dette princip bruges til at tilføje op til de krævede spændinger og strømme helt til Mega .attstørrelserne.

Der er nu stor forventning, at batteri-teknologi er ved at tage endnu et spring med nye modeller, der er udviklet med nok kapacitet til at lagre den el, der produceres med indenlandske af sol-eller vindenergi systemer og derefter tænde et hjem mere bekvemt (generelt nat) tid til et par dage.

Hvordan batterier arbejde?

når et batteri er afladet den kemiske reaktion producerer nogle ekstra elektroner som reaktionen sker., Et eksempel på en reaktion, der producerer elektroner, er O .idationen af jern for at producere rust. Jern reagerer med ilt og giver op elektroner til ilt til at producere jerno .id.

standardkonstruktionen af et batteri er at bruge to metaller eller forbindelser med forskellige kemiske potentialer og adskille dem med en porøs isolator. Det kemiske potentiale er den energi, der opbevares i atomerne og bindingerne af forbindelserne, som derefter overføres til de bevægelige elektroner, når disse får lov til at bevæge sig gennem den tilsluttede eksterne enhed.,

en ledende væske, såsom salt og vand, bruges til at overføre opløselige ioner fra det ene metal til det andet under reaktionen og kaldes elektrolytten.

metallet eller forbindelsen, der mister elektronerne under afladning, kaldes anoden, og metallet eller forbindelsen, der accepterer elektronerne, kaldes katoden. Denne strøm af elektroner fra anoden til katoden gennem den eksterne forbindelse er det, vi bruger til at køre vores elektroniske enheder.,

primære vs genopladelige batterier

når reaktionen, der frembringer strømmen af elektroner, ikke kan vendes, betegnes batteriet som et primært batteri. Når en af reaktanterne forbruges, er batteriet fladt.

det mest almindelige primære batteri er batteryink-kulbatteriet. Det blev konstateret, at når elektrolytten er en alkali, varede batterierne meget længere. Dette er de alkalibatterier, vi køber fra supermarkedet.

udfordringen med at bortskaffe sådanne primærbatterier var at finde en måde at genbruge dem ved at genoplade batterierne., Dette bliver mere vigtigt, da batterierne bliver større, og ofte udskiftning af dem er ikke kommercielt levedygtigt.

et af de tidligste genopladelige batterier, nikkel-cadmiumbatteriet (NiCd), bruger også en alkali som elektrolyt. I 1989 blev nikkel-metal brint batterier (NiMH) udviklet, og havde en længere levetid end NiCd batterier.

disse typer batterier er meget følsomme over for overopladning og overophedning under opladning, derfor styres opladningshastigheden under en maksimal hastighed. Sofistikerede controllere kan fremskynde opladningen uden at tage mindre end et par timer.,i de fleste andre enklere opladere tager processen typisk natten over.bærbare applikationer – såsom mobiltelefoner og bærbare computere – leder konstant efter maksimal, mest kompakte lagrede energi. Mens dette øger risikoen for en voldelig udladning, er det håndterbart ved hjælp af aktuelle hastighedsbegrænsere i mobiltelefonbatterierne på grund af det samlede lille format.

men da større anvendelser af batterier overvejes, er sikkerheden i stort format og stor mængde celler blevet en mere betydelig overvejelse.,første store spring fremad: lithium – ion-batterier

nye teknologier kræver ofte mere kompakte, højere kapacitet, sikre, genopladelige batterier.

I 1980, Amerikansk fysiker, Professor John Goodenough opfundet en ny type lithium batteri, hvor lithium (Li) kunne migrere gennem batteriet fra den ene elektrode til den anden som et Li+ – ion.,

Lithium er et af de letteste elementer i det periodiske bord, og det har et af de største elektrokemiske potentialer, derfor producerer denne kombination nogle af de højest mulige spændinger i de mest kompakte og letteste volumener.

Dette er grundlaget for lithium-ion-batteriet. I dette nye batteri kombineres lithium med et overgangsmetal – såsom kobolt, nikkel, mangan eller jern – og ilt til dannelse af katoden. Under genopladning, når en spænding påføres, migrerer den positivt ladede lithiumion fra katoden til grafitanoden og bliver lithiummetal.,

da lithium har en stærk elektrokemisk drivkraft, der skal o .ideres, hvis det er tilladt, migrerer det tilbage til katoden for at blive en Li+ ion igen og opgiver sin elektron tilbage til koboltion. Bevægelsen af elektroner i kredsløbet giver os en strøm, som vi kan bruge.

det andet store spring fremad: nanoteknologi

afhængigt af det overgangsmetal, der bruges i lithium-ion-batteriet, kan cellen have en højere kapacitet, men kan være mere reaktiv og modtagelig for et fænomen kendt som termisk løb.,

i tilfælde af lithiumkobolto .id (LiCoO2) – batterier fremstillet af Sony i 1990 ‘ erne førte dette til, at mange sådanne batterier brændte. Muligheden for at fremstille batterikatoder fra nanoskalamateriale og dermed mere reaktive var ude af spørgsmålet.

men i 1990 ‘ erne gjorde Goodenough igen et stort spring i batteriteknologi ved at introducere en stabil lithium-ion-katode baseret på lithiumjern og fosfat.

denne katode er termisk stabil., Det betyder også, at nano-skala lithium jern fosfat (LiFePO4) eller lithium ferrophosphat (LFP) materialer nu kan gøres sikkert i store format celler, der hurtigt kan oplades og udledes.

Der findes nu mange nye applikationer til disse nye celler, fra elværktøj til hybrid og elektrisk køretøj. Måske er den vigtigste anvendelse opbevaring af husholdningsenergi til husholdninger.,

elbiler

De førende inden for fremstilling af denne nye batteri format for køretøjer, der er Tesla elbil-virksomheden, der har planer for opbygning af “Giga-planter” for produktion af disse batterier.

størrelsen på lithiumbatteripakken til Tesla Model S er en imponerende 85k .h.,

Dette er også mere end nok til indenlandske husholdningsbehov, hvorfor der har været så mange spekulationer om, hvad Teslas grundlægger Elon Musk forbereder sig på at afsløre denne uge.

et modulært batteridesign kan skabe batteriformater, der er noget udskiftelige og passer til både køretøjer og indenlandske applikationer uden behov for redesign eller genopbygning.

måske er vi ved at være vidne til det næste generationsskifte i energiproduktion og opbevaring drevet af de stadigt forbedrede muligheder for det ydmyge batteri.,