av Jose Alarco och Peter Talbot, samtalet
batterierna är så allestädes närvarande idag att de är nästan osynliga för oss. Ändå är de en anmärkningsvärd uppfinning med en lång och storied historia, och en lika spännande framtid.,
ett batteri är i huvudsak en enhet som lagrar kemisk energi som omvandlas till El. I grund och botten är batterier små kemiska reaktorer, med reaktionen som producerar energiska elektroner, redo att strömma genom den externa enheten.
batterier har varit med oss länge. År 1938 hittade chefen för Bagdad-museet vad som nu kallas ”Bagdad-batteriet” i museets källare. Analys daterad det på runt 250BC och av Mesopotamiskt ursprung.,
kontrovers omger detta tidigaste exempel på ett batteri men föreslagna användningsområden inkluderar elektroplätering, smärtlindring eller en religiös tingle.
amerikansk vetenskapsman och uppfinnare Benjamin Franklin använde först termen ”batteri” 1749 när han gjorde experiment med el med en uppsättning länkade kondensatorer.
det första sanna batteriet uppfanns av den italienska fysikern Alessandro Volta 1800. Volta staplade skivor av koppar (cu) och zink (Zn) åtskilda av tyg indränkt i saltvatten.
ledningar som är anslutna till vardera änden av stapeln gav en kontinuerlig stabil ström., Varje cell (en uppsättning av en Cu och en zn skiva och saltlösningen) producerar 0,76 volt (V). En multipel av detta värde erhålls genom antalet celler som staplas ihop.
ett av de mest bestående batterierna, blybatteriet, uppfanns 1859 och är fortfarande den teknik som används för att starta de flesta förbränningsmotorbilar idag. Det är det äldsta exemplet på uppladdningsbart batteri.,
idag batterier finns i en rad storlekar från stora Megawatt storlekar, som lagrar kraften från sol gårdar eller transformatorstationer för att garantera stabil leverans i hela byar eller öar, ner till små batterier som de som används i elektroniska klockor.
batterier är baserade på olika kemister, som genererar grundläggande cellspänningar typiskt i intervallet 1.0 till 3.6 V. Staplingen av cellerna i serie ökar spänningen, medan deras anslutning parallellt ökar strömförsörjningen., Denna princip används för att lägga till de nödvändiga spänningarna och strömmarna, hela vägen till Megawatt-storlekarna.
det finns nu mycket förväntan på att batteritekniken håller på att ta ett annat steg med nya modeller som utvecklas med tillräcklig kapacitet för att lagra den kraft som genereras med inhemska sol-eller vindsystem och sedan driva ett hem på bekvämare (vanligtvis natt) tid för ett par dagar
hur fungerar batterierna?
När ett batteri är urladdat producerar den kemiska reaktionen några extra elektroner när reaktionen inträffar., Ett exempel på en reaktion som producerar elektroner är oxidationen av järn för att producera rost. Järn reagerar med syre och ger upp elektroner till syret för att producera järnoxid.
standardkonstruktionen av ett batteri är att använda två metaller eller föreningar med olika kemiska potentialer och separera dem med en porös isolator. Den kemiska potentialen är den energi som lagras i föreningarnas atomer och bindningar, som sedan förmedlas till de rörliga elektronerna, när dessa får röra sig genom den anslutna externa enheten.,
en ledande vätska som salt och vatten används för att överföra lösliga joner från en metall till den andra under reaktionen och kallas elektrolyten.
metallen eller föreningen som förlorar elektronerna under urladdning kallas anoden och metallen eller föreningen som accepterar elektronerna kallas katoden. Detta flöde av elektroner från anoden till katoden genom den externa anslutningen är vad vi använder för att köra våra elektroniska enheter.,
primära vs uppladdningsbara batterier
när reaktionen som producerar flödet av elektroner inte kan vändas kallas batteriet som ett primärt batteri. När ett av reaktanterna förbrukas är batteriet platt.
det vanligaste primärbatteriet är zinkkolbatteriet. Det konstaterades att när elektrolyten är en alkali varade batterierna mycket längre. Det här är alkalibatterierna vi köper från snabbköpet.
utmaningen med att kassera sådana batterier var att hitta ett sätt att återanvända dem genom att ladda batterierna., Detta blir viktigare eftersom batterierna blir större, och ofta ersätta dem är inte kommersiellt lönsamt.
ett av de tidigaste uppladdningsbara batterierna, nickel-kadmiumbatteriet (NiCd), använder också en alkali som elektrolyt. 1989 utvecklades nickelmetallvätebatterier (NiMH) och hade en längre livslängd än NiCd-batterier.
dessa typer av batterier är mycket känsliga för överladdning och överhettning under laddning, därför styrs laddningshastigheten under en maximal hastighet. Sofistikerade kontroller kan påskynda laddningen utan att ta mindre än några timmar.,
i de flesta andra enklare laddare tar processen vanligtvis över natten.
bärbara applikationer – som mobiltelefoner och bärbara datorer – söker ständigt efter maximal, mest kompakta lagrad energi. Även om detta ökar risken för en våldsam urladdning, är det hanterbart att använda nuvarande hastighetsbegränsare i mobiltelefonbatterierna på grund av det övergripande lilla formatet.
men eftersom större tillämpningar av batterier övervägs säkerheten i stort format och stora mängder celler har blivit en mer betydande faktor.,
första stora steget framåt: litiumjonbatterier
ny teknik kräver ofta mer kompakta, högre kapacitet, säkra, laddningsbara batterier.
1980 uppfann den amerikanska fysikern professor John Goodenough en ny typ av litiumbatteri där litium (Li) kunde migrera genom batteriet från en elektrod till den andra som en Li+ ion.,
litium är ett av de lättaste elementen i det periodiska systemet och det har en av de största elektrokemiska potentialerna, därför producerar denna kombination några av de högsta möjliga spänningarna i de mest kompakta och lättaste volymerna.
detta är grunden för litiumjonbatteriet. I detta nya batteri kombineras litium med en övergångsmetall – som kobolt, nickel, mangan eller järn – och syre för att bilda katoden. Under laddning när en spänning appliceras migrerar den positivt laddade litiumjonen från katoden till grafitanoden och blir litiummetall.,
eftersom litium har en stark elektrokemisk drivkraft som ska oxideras om det är tillåtet, migrerar det tillbaka till katoden för att bli en Li+ jon igen och ger upp sin elektron tillbaka till koboltjonen. Rörelsen av elektroner i kretsen ger oss en ström som vi kan använda.
det andra stora steget framåt: nano-teknik
beroende på övergångsmetallen som används i litiumjonbatteriet kan cellen ha en högre kapacitet men kan vara mer reaktiv och mottaglig för ett fenomen som kallas termisk runaway.,
När det gäller litium koboltoxid (LiCoO2) batterier tillverkade av Sony på 1990-talet, Detta ledde till många sådana batterier fånga eld. Möjligheten att göra batterikatoder från nanoskala material och därmed mer reaktiva var uteslutet.
men på 1990-talet gjorde Goodenough igen ett stort steg i batteritekniken genom att införa en stabil litiumjonkatod baserad på litiumjärn och fosfat.
denna katod är termiskt stabil., Det innebär också att nano-skala litiumjärnfosfat (LiFePO4) eller litiumferrofosfat (LFP) Material nu kan göras säkert till stora Format Celler som snabbt kan laddas och släppas ut.
många nya applikationer finns nu för dessa nya celler, från elverktyg till hybridfordon och elfordon. Kanske är den viktigaste applikationen lagring av hushållens elektriska energi för hushållen.,
elbilar
ledaren inom tillverkning av detta nya batteriformat för fordon är Tesla electric vehicle company, som har planer på att bygga ”Giga-plants” för produktion av dessa batterier.
litiumbatteriets storlek för Tesla Model S är en imponerande 85kWh.,
detta är också mer än tillräckligt för hushållens behov, varför det har varit så mycket spekulation om vad Teslas grundare Elon Musk förbereder sig för att avslöja den här veckan.
en modulär batteridesign kan skapa batteriformat som är något utbytbara och anpassade till både fordon och hushållsapplikationer utan behov av omdesign eller rekonstruktion.
kanske är vi på väg att bevittna nästa generationsskifte i energiproduktion och lagring som drivs av den ständigt förbättrade kapaciteten hos det ödmjuka batteriet.,