Jose Alarco i Peter Talbot, rozmowa
baterie są dziś tak wszechobecne, że są prawie niewidoczne dla nas. Są one jednak niezwykłym wynalazkiem o długiej i bogatej historii i równie ekscytującej przyszłości.,
bateria jest zasadniczo urządzeniem, które przechowuje energię chemiczną, która jest przekształcana w energię elektryczną. Zasadniczo baterie to małe Reaktory chemiczne, w których reakcja wytwarza energiczne elektrony, gotowe do przepływu przez urządzenie zewnętrzne.
baterie są z nami od dawna. W 1938 roku dyrektor Muzeum w Bagdadzie odnalazł w podziemiach Muzeum coś, co obecnie nazywa się „baterią Bagdadzką”. Analiza datuje go na około 250 p. n. e.i pochodzi z Mezopotamii.,
kontrowersje otaczają ten najwcześniejszy przykład baterii, ale sugerowane zastosowania obejmują galwanizację, ulgę w bólu lub religijne mrowienie.
amerykański naukowiec i wynalazca Benjamin Franklin po raz pierwszy użył terminu „bateria” w 1749 roku, kiedy prowadził eksperymenty z elektrycznością przy użyciu zestawu połączonych kondensatorów.
pierwsza prawdziwa bateria została wynaleziona przez włoskiego fizyka Alessandro Voltę w 1800 roku. Krążki Volta ułożone w stosy z miedzi (Cu) i cynku (Zn) oddzielone tkaniną nasączoną słoną wodą.
przewody podłączone do obu końców stosu wytwarzały ciągły, stabilny prąd., Każda komórka (Zestaw dysku Cu i Zn oraz solanka) wytwarza 0,76 V (V). Wielokrotność tej wartości jest otrzymywana przez liczbę komórek, które są ułożone razem.
jeden z najbardziej wytrzymałych akumulatorów, akumulator kwasowo-ołowiowy, został wynaleziony w 1859 roku i do dziś jest technologią używaną do uruchamiania większości samochodów z silnikami spalinowymi. Jest to najstarszy przykład akumulatora.,
obecnie baterie występują w różnych rozmiarach, od dużych megawatów, które przechowują energię z farm słonecznych lub podstacji, aby zagwarantować stabilne dostawy w całych wioskach lub wyspach, aż po małe baterie, takie jak te używane w zegarkach elektronicznych.
akumulatory bazują na różnych substancjach chemicznych, które generują podstawowe napięcia ogniw zazwyczaj w zakresie od 1,0 do 3,6 V. Układanie ogniw szeregowo zwiększa napięcie, podczas gdy ich połączenie równoległe zwiększa dopływ prądu., Zasada ta jest używana do sumowania wymaganych napięć i prądów, aż do rozmiarów megawatów.
obecnie istnieje wiele oczekiwań, że technologia akumulatorowa ma zamiar zrobić kolejny krok z nowymi modelami są opracowywane z wystarczającą pojemnością do przechowywania energii generowanej z domowych systemów słonecznych lub wiatrowych, a następnie zasilać dom w wygodniejszym (zazwyczaj nocnym) czasie przez kilka dni
Jak działają baterie?
Gdy bateria jest rozładowana, reakcja chemiczna wytwarza dodatkowe elektrony w trakcie reakcji., Przykładem reakcji wytwarzającej elektrony jest utlenianie żelaza w celu wytworzenia rdzy. Żelazo reaguje z tlenem i oddaje elektrony do tlenu, aby wytworzyć tlenek żelaza.
standardową konstrukcją akumulatora jest użycie dwóch metali lub związków o różnym potencjale chemicznym i oddzielenie ich izolatorem porowatym. Potencjał chemiczny to energia zmagazynowana w atomach i wiązaniach związków, która jest następnie przekazywana poruszającym się elektronom, gdy te mogą poruszać się przez podłączone urządzenie zewnętrzne.,
płyn przewodzący, taki jak sól i woda, jest używany do przenoszenia jonów rozpuszczalnych z jednego metalu do drugiego podczas reakcji i nazywany jest elektrolitem.
metal lub związek, który traci elektrony podczas wyładowania, nazywa się anodą, a metal lub związek, który przyjmuje elektrony, nazywa się katodą. Ten przepływ elektronów z anody do katody przez zewnętrzne połączenie jest tym, czego używamy do uruchamiania naszych urządzeń elektronicznych.,
podstawowe vs akumulatory
gdy reakcja, która wytwarza przepływ elektronów nie może być odwrócona, bateria jest określana jako bateria pierwotna. Po zużyciu jednego z reagentów bateria jest płaska.
najczęściej spotykanym akumulatorem podstawowym jest akumulator cynkowo-węglowy. Stwierdzono, że gdy elektrolit jest alkaliczny, baterie trwały znacznie dłużej. To baterie alkaliczne, które kupujemy w supermarkecie.
wyzwaniem pozbycia się takich baterii pierwotnych było znalezienie sposobu na ich ponowne użycie, poprzez ładowanie akumulatorów., Staje się to bardziej istotne, gdy baterie stają się większe, a często ich wymiana nie jest opłacalna komercyjnie.
jeden z najwcześniejszych akumulatorów, akumulator niklowo-kadmowy (NiCd), również wykorzystuje alkalia jako elektrolit. W 1989 roku opracowano akumulatory niklowo-metalowo-wodorowe (NiMH), które miały dłuższą żywotność niż akumulatory NiCd.
tego typu akumulatory są bardzo wrażliwe na przeładowanie i przegrzanie podczas ładowania, dlatego szybkość ładowania jest kontrolowana poniżej maksymalnej szybkości. Zaawansowane kontrolery mogą przyspieszyć ładowanie, nie zajmując mniej niż kilka godzin.,
w większości innych prostszych ładowarek proces zwykle trwa z dnia na dzień.
aplikacje przenośne – takie jak telefony komórkowe i laptopy – nieustannie poszukują maksymalnej, najbardziej kompaktowej energii magazynowanej. Chociaż zwiększa to ryzyko gwałtownego rozładowania, jest to możliwe do opanowania przy użyciu ograniczników szybkości prądu w bateriach telefonów komórkowych ze względu na ogólny mały format.
ale ponieważ większe zastosowania baterii są rozważane bezpieczeństwo w dużym formacie i duża ilość ogniw stała się bardziej znaczącym czynnikiem.,
Pierwszy wielki krok naprzód: baterie litowo-jonowe
nowe technologie często wymagają bardziej kompaktowych, o większej pojemności, bezpiecznych akumulatorów.
w 1980 roku amerykański fizyk profesor John Goodenough wynalazł nowy typ baterii litowej, w której lit (Li) może migrować przez baterię z jednej elektrody do drugiej jako Jon Li+.,
Lit jest jednym z najlżejszych pierwiastków w układzie okresowym i ma jeden z największych potencjałów elektrochemicznych, dlatego ta kombinacja wytwarza jedne z najwyższych możliwych napięć w najbardziej zwartych i najlżejszych objętościach.
jest to podstawa baterii litowo-jonowej. W tej nowej baterii Lit jest łączony z metalem przejściowym-takim jak kobalt, nikiel, mangan lub żelazo-i tlenem, tworząc katodę. Podczas ładowania, gdy napięcie jest przyłożone, dodatnio naładowany jon litowy z katody migruje do anody grafitowej i staje się metalem litu.,
ponieważ lit ma silną elektrochemiczną siłę napędową do utleniania, jeśli jest to dozwolone, migruje z powrotem do katody, aby ponownie stać się Jonem Li+ i oddaje swój elektron z powrotem do jonu kobaltu. Ruch elektronów w obwodzie daje nam prąd, który możemy wykorzystać.
drugi wielki krok naprzód: technologia nano
w zależności od metalu przejściowego stosowanego w akumulatorze litowo-jonowym ogniwo może mieć większą pojemność, ale może być bardziej reaktywne i podatne na zjawisko znane jako uciekanie termiczne.,
w przypadku akumulatorów litowo-kobaltowych (LiCoO2) produkowanych przez Sony w latach 90.doprowadziło to do pożaru wielu takich akumulatorów. Możliwość wytwarzania katod akumulatorowych z materiału nano-skalarnego, a co za tym idzie bardziej reaktywnego, nie wchodzi w rachubę.
ale w latach 90. Goodenough ponownie dokonał ogromnego skoku w technologii akumulatorów, wprowadzając stabilną katodę litowo-jonową opartą na żelazie i fosforanie litu.
ta katoda jest stabilna termicznie., Oznacza to również, że fosforan litu w skali nano (LiFePO4) lub żelazofosforan litu (LFP) mogą być teraz bezpiecznie przetwarzane w wielkoformatowe komórki, które mogą być szybko ładowane i rozładowywane.
obecnie istnieje wiele nowych zastosowań dla tych nowych ogniw, od elektronarzędzi po pojazdy hybrydowe i elektryczne. Być może najważniejszym zastosowaniem będzie magazynowanie krajowej energii elektrycznej dla gospodarstw domowych.,
samochody elektryczne
liderem w produkcji tego nowego formatu akumulatorów do pojazdów jest firma Tesla electric vehicle company, która ma plany budowy „Giga-plants” do produkcji tych akumulatorów.
rozmiar akumulatora litowego dla modelu Tesla S jest imponujący 85kWh.,
jest to również więcej niż wystarczające dla domowych potrzeb domowych, dlatego było tak wiele spekulacji co do tego, co założyciel Tesli, Elon Musk, przygotowuje się do ujawnienia w tym tygodniu.
modułowa konstrukcja baterii może tworzyć formaty baterii, które są w pewnym stopniu wymienne i nadają się zarówno do zastosowań samochodowych, jak i domowych, bez potrzeby przeprojektowywania lub przebudowy.
być może będziemy świadkami kolejnej zmiany pokoleniowej w wytwarzaniu i magazynowaniu energii, napędzanej stale ulepszającymi się możliwościami skromnej baterii.,