Αρχή λειτουργίας μπαταριών αποθήκευσης ενέργειας
Εναμπαταρία αποθήκευσης ενέργειαςείναι μια συσκευή που μετατρέπει και αποθηκεύει ενέργεια μεταξύ ηλεκτρικής και χημικής ενέργειας. Κατά την εκφόρτιση, η χημική ενέργεια μετατρέπεται άμεσα σε ηλεκτρική ενέργεια. κατά τη διάρκεια της φόρτισης, η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται ξανά σε χημική ενέργεια για αποθήκευση. Τα θετικά και αρνητικά ηλεκτρόδια στην μπαταρία είναι κατασκευασμένα από διαφορετικά υλικά. Όταν εισάγεται ο ίδιος ηλεκτρολύτης, και τα δύο ηλεκτρόδια θα δημιουργήσουν τα δικά τους δυναμικά ηλεκτροδίων, όπως φαίνεται από τη διακεκομμένη γραμμή ABCD στο Σχήμα 1-4 (ο χώρος μεταξύ της διακεκομμένης γραμμής και των ηλεκτροδίων αντιπροσωπεύει το σχηματισμένο ηλεκτρικό διπλό στρώμα). Η διαφορά στο δυναμικό του ηλεκτροδίου ισορροπίας μεταξύ του θετικού και του αρνητικού ηλεκτροδίου αποτελεί την ηλεκτροκινητική δύναμη της μπαταρίας (EMF) E.
Εικόνα 14 Σχηματικό διάγραμμα της αρχής λειτουργίας της μπαταρίας αποθήκευσης ενέργειας
Όταν το θετικό και το αρνητικό ηλεκτρόδιο συνδέονται με ένα εξωτερικό φορτίο, το υλικό του θετικού ηλεκτροδίου κερδίζει ηλεκτρόνια και υφίσταται αντίδραση αναγωγής, παράγοντας καθοδική πόλωση, μειώνοντας έτσι το θετικό δυναμικό του ηλεκτροδίου. το υλικό του αρνητικού ηλεκτροδίου χάνει ηλεκτρόνια και υφίσταται μια αντίδραση οξείδωσης, παράγοντας ανοδική πόλωση, αυξάνοντας έτσι το δυναμικό του αρνητικού ηλεκτροδίου. Για το εξωτερικό κύκλωμα, τα ηλεκτρόνια ρέουν από το αρνητικό ηλεκτρόδιο στο θετικό ηλεκτρόδιο, επομένως η κατεύθυνση του ρεύματος είναι από το θετικό ηλεκτρόδιο στο αρνητικό ηλεκτρόδιο. Στον ηλεκτρολύτη, η μεταφορά φορτίου λαμβάνει χώρα μέσω της κίνησης ιόντων, επομένως η κατεύθυνση του ρεύματος στο εσωτερικό κύκλωμα είναι από το αρνητικό ηλεκτρόδιο στο θετικό ηλεκτρόδιο. Στην κατάσταση εκφόρτισης, η κατανομή του δυναμικού της μπαταρίας φαίνεται από τις διακεκομμένες γραμμές A'B'C'D' στο Σχήμα 1-4. Η όλη διαδικασία σχηματίζει έναν πλήρη κλειστό βρόχο, επιτρέποντας στις αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής στα ηλεκτρόδια να συνεχιστούν συνεχώς, εξασφαλίζοντας έτσι μια συνεχή ροή ρεύματος εντός του κλειστού βρόχου. Όταν η μπαταρία λειτουργεί, οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια στα ηλεκτρόδια ονομάζονται αντιδράσεις παραγωγής ροής και οι ουσίες που συμμετέχουν σε αυτές τις αντιδράσεις ονομάζονται ενεργά υλικά.
Η διαδικασία φόρτισης μιας μπαταρίας είναι ουσιαστικά το αντίστροφο της διαδικασίας εκφόρτισής της. Κατά τη διάρκεια της φόρτισης, η οξείδωση συμβαίνει στο θετικό ηλεκτρόδιο, ενώ η αναγωγή συμβαίνει στο αρνητικό ηλεκτρόδιο. ταυτόχρονα, η κατεύθυνση μετανάστευσης των ιόντων στον ηλεκτρολύτη είναι αντίθετη από εκείνη κατά την εκφόρτιση και απαιτείται εξωτερική πηγή ενέργειας που υπερβαίνει την τάση ανοιχτού κυκλώματος της μπαταρίας για να οδηγήσει αυτήν τη διαδικασία χημικής μετατροπής, όπως φαίνεται από τις διακεκομμένες γραμμές A"B"C"D" στο Σχήμα 1-4.
Για να διευκολυνθεί η άμεση μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια, η διεργασία οξειδοαναγωγής που λαμβάνει χώρα σε μια μπαταρία αποθήκευσης ενέργειας διαφέρει θεμελιωδώς από τις συμβατικές αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Σε μια μπαταρία, οι διαδικασίες απώλειας ηλεκτρονίων (οξείδωση) και απόκτησης ηλεκτρονίων (αναγωγή) πρέπει να διαχωριστούν σε διαφορετικές περιοχές. Επιπλέον, τα ηλεκτρόνια πρέπει να ρέουν μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος όταν συμμετέχουν ενεργά συστατικά στην αντίδραση. Αυτά τα δύο βασικά στοιχεία διακρίνουν τον μηχανισμό οξειδοαναγωγής μέσα σε μια μπαταρία από τις συνηθισμένες χημικές αντιδράσεις οξειδοαναγωγής και τις μικρο{3}}αντιδράσεις κυττάρων σε φαινόμενα ηλεκτροχημικής διάβρωσης.
Σύνθεση μπαταριών αποθήκευσης ενέργειας
Μια βασική μπαταρία αποθήκευσης ενέργειας πρέπει να περιέχει τέσσερα βασικά στοιχεία: ηλεκτρόδια, ηλεκτρολύτη, διαχωριστή και περίβλημα μπαταρίας.
ηλεκτρόδιο
Τα ηλεκτρόδια, ως βασικά συστατικά μιας μπαταρίας, χωρίζονται σε θετικά και αρνητικά ηλεκτρόδια, που αποτελούνται κυρίως από ενεργά υλικά και ένα αγώγιμο πλαίσιο. Μεταξύ αυτών, τα ενεργά υλικά παράγουν ηλεκτρική ενέργεια μέσω χημικών αντιδράσεων κατά την εκφόρτιση της μπαταρίας και είναι ο κύριος παράγοντας που καθορίζει την απόδοση της μπαταρίας. Τα ενεργά υλικά είναι ως επί το πλείστον στερεά, αλλά μπορούν επίσης να υπάρχουν ως υγρά ή αέρια.
Τα ενεργά υλικά έχουν αποφασιστική επίδραση στη συνολική απόδοση μιας μπαταρίας και επομένως γενικά έχουν τις ακόλουθες απαιτήσεις απόδοσης: ① Το υλικό θετικού ηλεκτροδίου πρέπει να έχει υψηλό δυναμικό, ενώ το υλικό αρνητικού ηλεκτροδίου πρέπει να διατηρεί χαμηλό δυναμικό, προκειμένου να διασφαλιστεί ότι η μπαταρία μπορεί να δημιουργήσει μεγάλη ηλεκτροκινητική δύναμη. ② Τα ενεργά υλικά πρέπει να έχουν καλή ηλεκτροχημική αντιδραστικότητα, δηλαδή να συμμετέχουν εύκολα σε διεργασίες οξειδοαναγωγής. ③ Τα ενεργά συστατικά πρέπει να έχουν υψηλή ειδική χωρητικότητα κατά βάρος και όγκο. ④ Τα ενεργά υλικά πρέπει να έχουν εξαιρετική χημική σταθερότητα στα διαλύματα ηλεκτρολυτών και ο ρυθμός αυτο-διάλυσης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερος. ⑤ Τα ενεργά υλικά πρέπει να έχουν υψηλή ηλεκτρονική αγωγιμότητα. ⑥ Από την άποψη της οικονομίας και της αειφόρου ανάπτυξης, τα ιδανικά ενεργά υλικά θα πρέπει να είναι πόροι που είναι άφθονοι και φθηνοί στη Γη. ⑦ Τα ενεργά υλικά θα πρέπει επίσης να είναι αβλαβή για την ανθρώπινη υγεία και το φυσικό περιβάλλον.
Η τήρηση όλων των παραπάνω προτύπων για ένα συγκεκριμένο ενεργό υλικό είναι αρκετά δύσκολη. Ως εκ τούτου, απαιτείται μια ολοκληρωμένη εξέταση κατά την επιλογή ενός ενεργού υλικού. Επί του παρόντος, τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά καθόδου είναι τα οξείδια μετάλλων, όπως το διοξείδιο του μολύβδου, το διοξείδιο του μαγγανίου και το οξείδιο του νικελίου, καθώς και το οξυγόνο από τον αέρα. Για υλικά ανόδου, προτιμάται μια σειρά από χημικά αντιδρώντα μέταλλα, όπως ψευδάργυρος, μόλυβδος, κάδμιο, σίδηρος, λίθιο και νάτριο.
Η λειτουργία του αγώγιμου πλαισίου είναι να συνδέει το ενεργό υλικό με το εξωτερικό κύκλωμα και να εξασφαλίζει μια ισορροπημένη κατανομή ρεύματος. Υποστηρίζει επίσης το ενεργό υλικό. Ένα ιδανικό αγώγιμο πλαίσιο πρέπει να έχει εξαιρετική μηχανική αντοχή, υψηλή χημική σταθερότητα, χαμηλή ειδική αντίσταση και καλή δυνατότητα επεξεργασίας.
ηλεκτρολύτες
Η κύρια λειτουργία του ηλεκτρολύτη είναι να εξασφαλίζει αποτελεσματική αγωγιμότητα ιόντων μεταξύ των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων, αναλαμβάνοντας το έργο της μεταφοράς ιόντων. Σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορεί επίσης να συμμετέχει σε ηλεκτροχημικές αντιδράσεις. Για τον ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται σε μια μπαταρία, η απόδοσή του θα πρέπει να πληροί τις ακόλουθες απαιτήσεις: ① Θα πρέπει να διαθέτει καλή χημική σταθερότητα για να αποτρέπονται σημαντικές ηλεκτροχημικές αντιδράσεις στη διεπιφάνεια μεταξύ του ηλεκτρολύτη και του ενεργού υλικού κατά την αποθήκευση, μειώνοντας έτσι την αυτο-αφόρτιση της μπαταρίας. ② Θα πρέπει να έχει υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Η σύνθεση του ηλεκτρολύτη ποικίλλει μεταξύ διαφορετικών τύπων μπαταριών και τυπικά, ως ηλεκτρολύτης επιλέγονται υδατικά διαλύματα οξέων, αλκαλίων ή αλάτων με εξαιρετική αγωγιμότητα. Ωστόσο, ορισμένες νέες τεχνολογίες ενέργειας μπορεί να χρησιμοποιούν νέα υλικά όπως ηλεκτρολύτες οργανικών διαλυτών, ηλεκτρολύτες λιωμένου άλατος ή στερεούς ηλεκτρολύτες.
απομόνωση
Ένας διαχωριστής, επίσης γνωστός ως μεμβράνη ή διαμέρισμα, τοποθετείται μεταξύ του θετικού και του αρνητικού ηλεκτροδίου μιας μπαταρίας. Η κύρια λειτουργία του είναι να αποτρέπει την άμεση επαφή μεταξύ των ηλεκτροδίων, η οποία θα μπορούσε να οδηγήσει σε βραχυκύκλωμα. Οι βασικές απαιτήσεις απόδοσης για τους διαχωριστές περιλαμβάνουν: ① να είναι ένας καλός ηλεκτρονικός μονωτήρας για την πρόληψη εσωτερικών βραχυκυκλωμάτων. ② να έχει χαμηλή αντίσταση στη μετανάστευση ιόντων στον ηλεκτρολύτη, μειώνοντας έτσι την εσωτερική αντίσταση ολόκληρης της συσκευής και μειώνοντας σημαντικά την απώλεια ενέργειας υπό συνθήκες υψηλής-απόρριψης ρεύματος. ③ διαθέτουν καλή χημική σταθερότητα, αντοχή στη διάβρωση ηλεκτρολυτών και τις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής των ενεργών υλικών ηλεκτροδίων. ④ να έχει επαρκή μηχανική αντοχή και αντίσταση κάμψης για να εμποδίζει αποτελεσματικά την ανάπτυξη δενδρίτη και να αποτρέπει τη διείσδυση μικροσκοπικών ενεργών σωματιδίων στη μεμβράνη· ⑤ Λαμβάνοντας υπόψη οικονομικούς παράγοντες, θα πρέπει να είναι άμεσα διαθέσιμο και φθηνό.
Τα κοινά υλικά διαχωρισμού περιλαμβάνουν το βαμβακερό χαρτί, το χαρτοπολτό, τα μικροπορώδη πλαστικά, το μικροπορώδες καουτσούκ, την ενυδατωμένη κυτταρίνη, το νάιλον ύφασμα και τις ίνες γυαλιού κ.λπ.
Περίβλημα μπαταρίας
Το περίβλημα της μπαταρίας, γνωστό και ως δοχείο μπαταρίας, είναι ο μόνος τύπος μπαταρίας στις υπάρχουσες μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας όπου το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου χρησιμεύει επίσης ως περίβλημα. Αντίθετα, άλλοι τύποι μπαταριών τείνουν να χρησιμοποιούν συγκεκριμένα υλικά για εξωτερική ενθυλάκωση και όχι το ίδιο το ενεργό υλικό. Ένα ιδανικό περίβλημα μπαταρίας θα πρέπει να έχει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες, να αντέχει σε κραδασμούς και κραδασμούς, να παραμένει σταθερό σε ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας και να αντιστέκεται στη διάβρωση από τον ηλεκτρολύτη. Στην πράξη, υλικά όπως μέταλλα, πλαστικά και σκληρό καουτσούκ χρησιμοποιούνται ευρέως ως περιβλήματα μπαταριών λόγω των αντίστοιχων πλεονεκτημάτων τους.