door Jose Alarco en Peter Talbot, The Conversation
batterijen zijn tegenwoordig zo alomtegenwoordig dat ze bijna onzichtbaar zijn voor ons. Toch zijn ze een opmerkelijke uitvinding met een lange en legendarische geschiedenis, en een even opwindende toekomst.,
een batterij is in wezen een apparaat dat chemische energie opslaat die wordt omgezet in elektriciteit. In principe zijn batterijen kleine chemische reactoren, waarbij de reactie energetische elektronen produceert, klaar om door het externe apparaat te stromen.
batterijen zijn al lang bij ons. In 1938 vond de directeur van het Baghdad Museum wat nu de “Baghdad Battery” wordt genoemd in de kelder van het museum. Analyse dateerde het rond 250BC en van Mesopotamische oorsprong.,
controverse rond dit vroegste voorbeeld van een batterij, maar voorgestelde toepassingen omvatten galvaniseren, pijnverlichting of een religieuze tinteling.de Amerikaanse wetenschapper en uitvinder Benjamin Franklin gebruikte de term “batterij” voor het eerst in 1749 toen hij experimenten deed met elektriciteit met behulp van een set gekoppelde condensatoren.de eerste echte batterij werd uitgevonden door de Italiaanse natuurkundige Alessandro Volta in 1800. Volta gestapelde schijven van koper (Cu) en zink (Zn) gescheiden door doek gedrenkt in zout water.
draden verbonden aan beide uiteinden van de stapel produceerden een continue stabiele stroom., Elke cel (een set van een CU en een Zn schijf en de pekel) produceert 0,76 Volt (V). Een veelvoud van deze waarde wordt verkregen door het aantal cellen dat samen wordt gestapeld.
een van de meest duurzame batterijen, de loodzuurbatterij, werd uitgevonden in 1859 en is nog steeds de technologie die wordt gebruikt om de meeste auto ‘ s met een verbrandingsmotor te starten. Het is het oudste voorbeeld van oplaadbare batterij.,
tegenwoordig zijn batterijen verkrijgbaar in verschillende formaten, van grote Megawatt-formaten, die de stroom van zonneparken of onderstations opslaan om een stabiele voorziening in hele dorpen of Eilanden te garanderen, tot kleine batterijen zoals die gebruikt worden in elektronische horloges.
batterijen zijn gebaseerd op verschillende chemiestoffen, die standaardcelspanningen genereren in het bereik van 1,0 tot 3,6 V. Het stapelen van de cellen in serie verhoogt de spanning, terwijl hun verbinding parallel de stroomtoevoer verbetert., Dit principe wordt gebruikt om de vereiste spanningen en stromen op te tellen, helemaal tot de megawatt maten.
Er wordt nu veel verwacht dat de batterijtechnologie op het punt staat een nieuwe sprong te maken met nieuwe modellen die voldoende capaciteit hebben om de met zonne-of windenergie opgewekte energie op te slaan en vervolgens een huis gedurende een paar dagen op comfortabelere (meestal nacht) tijd van stroom te voorzien
Hoe werken batterijen?
wanneer een batterij wordt ontladen, produceert de chemische reactie enkele extra elektronen naarmate de reactie optreedt., Een voorbeeld van een reactie die elektronen produceert is de oxidatie van ijzer om roest te produceren. Ijzer reageert met zuurstof en geeft elektronen aan de zuurstof om ijzeroxide te produceren.
De standaardconstructie van een batterij bestaat erin twee metalen of verbindingen met verschillende chemische potentialen te gebruiken en deze te scheiden met een poreuze isolator. Het chemische potentieel is de energie die in de atomen en de banden van de samenstellingen wordt opgeslagen, die dan aan de bewegende elektronen wordt verstrekt, wanneer deze worden toegestaan om door het verbonden externe apparaat te bewegen.,
een geleidende vloeistof zoals zout en water wordt gebruikt om oplosbare ionen van het ene metaal naar het andere over te brengen tijdens de reactie en wordt elektrolyt genoemd.
het metaal of de verbinding die de elektronen verliest tijdens de ontlading wordt de anode genoemd en het metaal of de verbinding die de elektronen accepteert wordt de kathode genoemd. Deze stroom van elektronen van de anode naar de kathode via de externe verbinding is wat we gebruiken om onze elektronische apparaten te laten draaien.,
Primaire vs oplaadbare batterijen
wanneer de reactie die de stroom van elektronen produceert niet kan worden teruggedraaid, wordt de batterij een primaire batterij genoemd. Wanneer een van de reactanten wordt verbruikt, is de batterij leeg.
de meest voorkomende primaire batterij is de zink-koolstofbatterij. Men ontdekte dat wanneer de elektrolyt een alkali is, de batterijen veel langer duurden. Dit zijn de alkali batterijen die we in de supermarkt kopen.
de uitdaging om dergelijke primaire batterijen te verwijderen was het vinden van een manier om ze te hergebruiken door de batterijen op te laden., Dit wordt belangrijker naarmate de batterijen groter worden en vaak vervangen is commercieel niet haalbaar.
een van de vroegste oplaadbare batterijen, de nikkel-cadmiumbatterij (NiCd), gebruikt ook een alkali als elektrolyt. In 1989 werden nikkel-metaal waterstofbatterijen (NiMH) ontwikkeld en hadden een langere levensduur dan NiCd-batterijen.
deze typen batterijen zijn zeer gevoelig voor overbelading en oververhitting tijdens het opladen, daarom wordt de laadsnelheid onder een maximumsnelheid geregeld. Geavanceerde controllers kunnen de lading versnellen, zonder minder dan een paar uur in beslag te nemen.,
in de meeste andere eenvoudigere laders duurt het proces meestal ‘ s nachts.
Draagbare toepassingen – zoals mobiele telefoons en laptops-zijn voortdurend op zoek naar maximale, meest compacte opgeslagen energie. Hoewel dit het risico op een gewelddadige ontlading verhoogt, is het beheersbaar met behulp van huidige snelheidsbegrenzers in de mobiele telefoonbatterijen vanwege het algemene kleine formaat.
maar naarmate grotere toepassingen van batterijen worden overwogen, is de veiligheid in grootformaat en grote hoeveelheden cellen een belangrijker overweging geworden.,
eerste grote sprong voorwaarts: lithium-ion-batterijen
nieuwe technologieën vereisen vaak compactere, meer capaciteit, veilige, oplaadbare batterijen.in 1980 vond de Amerikaanse natuurkundige Professor John Goodenough een nieuw type lithiumbatterij uit waarin lithium (Li) als Li+ – ion door de batterij van de ene elektrode naar de andere kon migreren.,
Lithium is een van de lichtste elementen in het periodiek systeem en heeft een van de grootste elektrochemische potentialen, daarom produceert deze combinatie enkele van de hoogst mogelijke spanningen in de meest compacte en lichtste volumes.
Dit is de basis voor de lithium-ion batterij. In deze nieuwe batterij wordt lithium gecombineerd met een transitiemetaal – zoals kobalt, nikkel, mangaan of ijzer – en zuurstof om de kathode te vormen. Tijdens het opladen wanneer een spanning wordt toegepast, migreert het positief geladen lithium-ion van de kathode naar de grafietanode en wordt lithiummetaal.,
omdat lithium een sterke elektrochemische aandrijfkracht heeft om indien toegestaan geoxideerd te worden, migreert het terug naar de kathode om opnieuw een Li+ – ion te worden en geeft het zijn elektron terug aan het Kobalt-ion. De beweging van elektronen in het circuit geeft ons een stroom die we kunnen gebruiken.de tweede grote sprong voorwaarts: nanotechnologie
afhankelijk van het transitiemetaal dat in de lithium-ionbatterij wordt gebruikt, kan de cel een hogere capaciteit hebben, maar kan ze meer reactief zijn en vatbaar voor een fenomeen dat bekend staat als thermische runaway.,
in het geval van lithiumkobaltoxide (LiCoO2) – batterijen die in de jaren negentig door Sony werden gemaakt, heeft dit ertoe geleid dat veel van deze batterijen in brand raakten. De mogelijkheid om batterijkathoden te maken van nanoschaalmateriaal en dus meer reactief was uitgesloten.maar in de jaren negentig maakte Goodenough opnieuw een enorme sprong in de batterijtechnologie door de invoering van een stabiele lithium-ion kathode op basis van lithiumijzer en-fosfaat.
deze kathode is thermisch stabiel., Het betekent ook dat nano-schaal lithium ijzer fosfaat (LiFePO4) of lithium ferrofosfaat (LFP) materialen nu veilig kunnen worden gemaakt in grootformaat cellen die snel kunnen worden opgeladen en ontladen.
Er bestaan nu veel nieuwe toepassingen voor deze nieuwe cellen, van elektrisch gereedschap tot hybride en elektrische voertuigen. Misschien wel de belangrijkste toepassing zal de opslag van huishoudelijke elektrische energie voor huishoudens.,
elektrische auto ‘s
de leider in de productie van dit nieuwe batterijformaat voor voertuigen is de Tesla electric vehicle company, die plannen heeft voor de bouw van” Giga-fabrieken ” voor de productie van deze batterijen.
De grootte van de lithium batterij voor de Tesla Model S is een indrukwekkende 85kWh.,
Dit is ook meer dan genoeg voor huishoudelijke huishoudelijke behoeften, daarom is er zoveel speculatie geweest over wat Tesla ‘ s oprichter Elon Musk deze week wil onthullen.
een modulair batterijontwerp kan batterijformaten creëren die enigszins uitwisselbaar zijn en geschikt zijn voor zowel voertuig-als huishoudelijke toepassingen, zonder dat een herontwerp of reconstructie nodig is.
misschien staan we op het punt getuige te zijn van de volgende generatieverschuiving in energieopwekking en-opslag, gedreven door de steeds betere mogelijkheden van de bescheiden batterij.,