von Jose Alarco Und Peter Talbot , Das Gespräch
Batterien sind heute so allgegenwärtig, dass sie für uns fast unsichtbar sind. Dennoch sind sie eine bemerkenswerte Erfindung mit einer langen und geschichtsträchtigen Geschichte und einer ebenso aufregenden Zukunft.,
Eine Batterie ist im Wesentlichen ein Gerät, das chemische Energie speichert, die in Elektrizität umgewandelt wird. Grundsätzlich sind Batterien kleine chemische Reaktoren, bei denen die Reaktion energetische Elektronen erzeugt, die bereit sind, durch das externe Gerät zu fließen.
Batterien sind schon lange bei uns. 1938 fand der Direktor des Bagdad-Museums im Keller des Museums die sogenannte „Bagdad-Batterie“. Die Analyse datierte es um 250 v. Chr. und mesopotamischen Ursprungs.,
Kontroverse umgibt dieses früheste Beispiel einer Batterie, aber empfohlene Anwendungen umfassen Galvanik, Schmerzlinderung oder ein religiöses Kribbeln.
Der amerikanische Wissenschaftler und Erfinder Benjamin Franklin verwendete 1749 zum ersten Mal den Begriff „Batterie“, als er Experimente mit Elektrizität unter Verwendung eines Satzes verbundener Kondensatoren durchführte.
Die erste echte Batterie wurde 1800 vom italienischen Physiker Alessandro Volta erfunden. Volta gestapelte Scheiben aus Kupfer (Cu) und Zink (Zn) getrennt durch Tuch in Salzwasser getränkt.
Drähte, die an beiden Enden des Stapels angeschlossen waren, erzeugten einen kontinuierlichen stabilen Strom., Jede Zelle (ein Satz einer Cu-und einer Zn-Scheibe und der Sole) erzeugt 0,76 Volt (V). Ein Vielfaches dieses Wertes wird durch die Anzahl der Zellen erhalten, die zusammen gestapelt sind.
Eine der beständigsten Batterien, die Bleibatterie, wurde 1859 erfunden und ist bis heute die Technologie, mit der die meisten Autos mit Verbrennungsmotor gestartet werden. Es ist das älteste Beispiel für wiederaufladbare Batterie.,
Heute gibt es Batterien in verschiedenen Größen von großen Megawattgrößen, die den Strom von Solarparks oder Umspannwerken speichern, um eine stabile Versorgung in ganzen Dörfern oder Inseln zu gewährleisten, bis hin zu winzigen Batterien wie sie in elektronischen Uhren verwendet werden.
Batterien basieren auf unterschiedlichen Chemikalien, die typischerweise im 1,0-bis 3,6-V-Bereich Basiszellenspannungen erzeugen. Das Stapeln der Zellen in Reihe erhöht die Spannung, während ihre parallele Verbindung die Stromzufuhr verbessert., Dieses Prinzip wird verwendet, um die erforderlichen Spannungen und Ströme bis zu den Megawattgrößen zu addieren.
Es gibt jetzt große Vorfreude, dass die Batterietechnologie einen weiteren Sprung machen wird, wenn neue Modelle mit ausreichender Kapazität entwickelt werden, um den mit inländischen Solar-oder Windsystemen erzeugten Strom zu speichern und dann ein Haus für ein paar Tage bequemer (in der Regel nachts) mit Strom zu versorgen
Wie funktionieren Batterien?
Wenn eine Batterie entladen wird, erzeugt die chemische Reaktion einige zusätzliche Elektronen, wenn die Reaktion auftritt., Ein Beispiel für eine Reaktion, die Elektronen erzeugt, ist die Oxidation von Eisen, um Rost zu erzeugen. Eisen reagiert mit Sauerstoff und gibt Elektronen an den Sauerstoff ab, um Eisenoxid zu produzieren.
Die Standardkonstruktion einer Batterie besteht darin, zwei Metalle oder Verbindungen mit unterschiedlichen chemischen Potentialen zu verwenden und diese mit einem porösen Isolator zu trennen. Das chemische Potential ist die in den Atomen und Bindungen der Verbindungen gespeicherte Energie, die dann den sich bewegenden Elektronen übertragen wird, wenn diese sich durch das angeschlossene externe Gerät bewegen dürfen.,
Eine leitende Flüssigkeit wie Salz und Wasser wird verwendet, um lösliche Ionen während der Reaktion von einem Metall auf das andere zu übertragen, und wird als Elektrolyt bezeichnet.
Das Metall oder die Verbindung, die die Elektronen während der Entladung verliert, wird als Anode bezeichnet, und das Metall oder die Verbindung, die die Elektronen aufnimmt, wird als Kathode bezeichnet. Dieser Elektronenfluss von der Anode zur Kathode durch die externe Verbindung wird verwendet, um unsere elektronischen Geräte zu betreiben.,
Primär vs wiederaufladbare Batterien
Wenn die Reaktion, die den Elektronenfluss erzeugt, nicht rückgängig gemacht werden kann, wird die Batterie als Primärbatterie bezeichnet. Wenn einer der Reaktanten verbraucht ist, ist die Batterie leer.
Die häufigste Primärbatterie ist die Zink-Kohlenstoff-Batterie. Es wurde festgestellt, dass, wenn der Elektrolyt ein Alkali ist, die Batterien viel länger dauerten. Dies sind die Alkalibatterien, die wir im Supermarkt kaufen.
Die Herausforderung bei der Entsorgung solcher Primärbatterien bestand darin, durch Aufladen der Batterien einen Weg zu finden, sie wiederzuverwenden., Dies wird wichtiger, da die Batterien größer werden, und häufig ersetzen sie nicht kommerziell lebensfähig ist.
Eine der frühesten wiederaufladbaren Batterien, die Nickel-Cadmium-Batterie (NiCd), verwendet auch ein Alkali als Elektrolyt. 1989 wurden Nickel – Metall-Wasserstoff-Batterien (NiMH) entwickelt und hatten eine längere Lebensdauer als NiCd-Batterien.
Diese Batterietypen reagieren sehr empfindlich auf Überladung und Überhitzung während des Ladevorgangs, daher wird die Ladungsrate unter einer maximalen Rate gesteuert. Ausgeklügelte Controller können die Ladung beschleunigen, ohne weniger als ein paar Stunden zu benötigen.,
In den meisten anderen einfacheren Ladegeräten dauert der Vorgang normalerweise über Nacht.
Tragbare Anwendungen – wie Mobiltelefone und Laptops-suchen ständig nach maximaler, kompaktester gespeicherter Energie. Während dies das Risiko einer heftigen Entladung erhöht, ist es aufgrund des insgesamt kleinen Formats mit Strombegrenzern in den Mobiltelefonbatterien überschaubar.
Aber da größere Anwendungen von Batterien in Betracht gezogen werden, ist die Sicherheit im großen Format und in der großen Menge von Zellen eine bedeutendere Überlegung geworden.,
Erster großer Sprung nach vorn: Lithium-Ionen-Batterien
Neue Technologien verlangen oft kompaktere, leistungsfähigere, sichere, wiederaufladbare Batterien.
1980 erfand der amerikanische Physiker Professor John Goodenough einen neuen Lithiumbatterietyp, bei dem das Lithium (Li) als Li+ Ion durch die Batterie von einer Elektrode zur anderen wandern konnte.,
Lithium ist eines der leichtesten Elemente im Periodensystem und hat eines der größten elektrochemischen Potentiale, daher erzeugt diese Kombination einige der höchstmöglichen Spannungen in den kompaktesten und leichtesten Volumina.
Dies ist die Basis für den Lithium-Ionen-Akku. In dieser neuen Batterie wird Lithium mit einem Übergangsmetall – wie Kobalt, Nickel, Mangan oder Eisen – und Sauerstoff kombiniert, um die Kathode zu bilden. Während des Wiederaufladens, wenn eine Spannung angelegt wird, wandert das positiv geladene Lithium-Ion von der Kathode zur Graphitanode und wird zu Lithiummetall.,
Da Lithium eine starke elektrochemische Antriebskraft hat, die oxidiert werden kann, wandert es zurück zur Kathode, um wieder zu einem Li+ Ion zu werden, und gibt sein Elektron wieder an das Kobaltion ab. Die Bewegung der Elektronen in der Schaltung gibt uns einen Strom, den wir verwenden können.
Der zweite große Sprung nach vorne: Nanotechnologie
Je nach dem in der Lithium-Ionen-Batterie verwendeten Übergangsmetall kann die Zelle eine höhere Kapazität haben, aber reaktiver und anfälliger für ein Phänomen sein, das als thermischer Ausreißer bekannt ist.,
Bei Lithium-Cobalt-Oxid-Batterien (LiCoO2), die Sony in den 1990er Jahren hergestellt hat, hat dies dazu geführt, dass viele solcher Batterien in Brand geraten sind. Die Möglichkeit, Batteriekathoden aus Nanomaterial herzustellen und damit reaktiver zu machen, kam nicht in Frage.
Aber in den 1990er Jahren machte Goodough wieder einen großen Sprung in der Batterietechnologie durch die Einführung einer stabilen Lithium-Ionen-Kathode auf Basis von Lithiumeisen und Phosphat.
Diese Kathode ist thermisch stabil., Dies bedeutet auch, dass Materialien aus Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) oder Lithiumferrophosphat (LFP) im Nanobereich jetzt sicher in großformatige Zellen umgewandelt werden können, die schnell aufgeladen und entladen werden können.
Für diese neuen Zellen gibt es jetzt viele neue Anwendungen, von Elektrowerkzeugen bis hin zu Hybrid-und Elektrofahrzeugen. Die vielleicht wichtigste Anwendung wird die Speicherung von elektrischer Energie für Haushalte sein.,
Elektroautos
Führend bei der Herstellung dieses neuen Batterieformats für Fahrzeuge ist die Tesla electric vehicle Company, die den Bau von“ Giga-Anlagen “ für die Produktion dieser Batterien plant.
Die Größe des Lithiumbatteriepacks für das Tesla Model S beträgt beeindruckende 85kWh.,
Dies ist auch mehr als genug für die Bedürfnisse der Haushalte im Haushalt, weshalb es so viele Spekulationen darüber gab, was Teslas Gründer Elon Musk diese Woche enthüllen wird.
Ein modulares Batteriedesign kann Batterieformate erstellen, die etwas austauschbar sind und sowohl für Fahrzeug-als auch für Haushaltsanwendungen geeignet sind, ohne dass eine Neugestaltung oder Rekonstruktion erforderlich ist.
Vielleicht sind wir dabei, den nächsten Generationswechsel in der Energieerzeugung und-speicherung mitzuerleben, der von den sich ständig verbessernden Fähigkeiten der bescheidenen Batterie angetrieben wird.,