Батарея какая: Какая батарея в смартфоне лучше?

Хорошо, большинство аккумуляторов на самом деле не разделены на три равные части, но идею вы поняли. Лучшее поперечное сечение щелочной ячейки можно найти в Википедии.

И анод, и катод относятся к типу электродов . Электроды — это проводники, через которые электричество входит или выходит из компонента в цепи.

Анод

Электроны выходят из анода в устройстве, подключенном к цепи. Это означает, что обычный «ток» течет в анод.

На аккумуляторах анод обозначен как отрицательная (-) клемма

В батарее химическая реакция между анодом и электролитом вызывает накопление электронов на аноде.Эти электроны хотят перейти к катоду, но не могут пройти через электролит или сепаратор.

Катод

Электроны текут в катод в устройстве, подключенном к цепи. Это означает, что обычный «ток» течет из катода.

На аккумуляторах катод помечен как положительный (+) вывод

В батареях в химической реакции внутри катода или вокруг него используются электроны, образующиеся на аноде. Электроны могут попасть на катод только через цепь, внешнюю по отношению к батарее.

Электролит

Электролит — это вещество, часто жидкость или гель, способное переносить ионы между химическими реакциями, происходящими на аноде и катоде. Электролит также препятствует потоку электронов между анодом и катодом, так что электроны легче проходят через внешнюю цепь, чем через электролит.

-> В щелочных батареях может протекать электролит, гидроксид калия, если они подвергаются воздействию высоких температур или обратного напряжения
(Изображение любезно предоставлено Вильямом Дэвисом из Wikimedia Commons) <-

Электролит имеет решающее значение в работе аккумулятора.Поскольку электроны не могут проходить через него, они вынуждены проходить через электрические проводники в форме цепи, соединяющей анод с катодом.

Сепаратор

Сепараторы представляют собой пористые материалы, которые предотвращают соприкосновение анода и катода, что может вызвать короткое замыкание в батарее. Сепараторы могут быть изготовлены из различных материалов, включая хлопок, нейлон, полиэстер, картон и синтетические полимерные пленки. Сепараторы не вступают в химическую реакцию ни с анодом, ни с катодом, ни с электролитом.

В гальванической куче использовалась ткань или картон (разделитель), пропитанные рассолом (электролитом), чтобы электроды разнесены.

Ионы в электролите могут быть положительно заряженными, отрицательно заряженными и иметь различные размеры. Могут быть изготовлены специальные сепараторы, которые пропускают одни ионы, но не пропускают другие.

Кожух

Большинству батарей требуется способ удерживать химические компоненты. Кожухи, также известные как «кожухи» или «оболочки», представляют собой просто механические конструкции, предназначенные для удержания внутренних компонентов батареи.

Свинцово-кислотный аккумулятор в пластиковом корпусе

могут быть изготовлены практически из чего угодно: из пластика, стали, пакетов из мягкого полимерного ламината и так далее. В некоторых батареях используется токопроводящий стальной кожух, который электрически соединен с одним из электродов. В случае обычного щелочного элемента AA стальной корпус соединен с катодом.

Операция

Батареи обычно требуют нескольких химических реакций для работы.По крайней мере, одна реакция происходит внутри или вокруг анода, и одна или несколько реакций происходят внутри или вокруг катода. Во всех случаях реакция на аноде дает дополнительные электроны в процессе, называемом окислением , а реакция на катоде использует дополнительные электроны в процессе, известном как восстановление .

Когда переключатель замкнут, цепь замыкается, и электроны могут течь от анода к катоду. Эти электроны активируют химические реакции на аноде и катоде.

По сути, мы разделяем определенный вид химической реакции, реакцию окисления-восстановления или окислительно-восстановительную реакцию, на две отдельные части. При переносе электронов между химическими веществами происходят окислительно-восстановительные реакции. Мы можем использовать движение электронов в этой реакции, чтобы они выходили за пределы батареи и питали нашу цепь.

Анодное окисление

Эта первая часть окислительно-восстановительной реакции, окисление, происходит между анодом и электролитом и производит электроны (обозначены как e ^— ).

В некоторых реакциях окисления образуются ионы, например, в литий-ионной батарее. В других химических реакциях расходуются ионы, как в обычных щелочных батареях. В любом случае ионы могут свободно проходить через электролит, а электроны — нет.

Катодное восстановление

Другая половина окислительно-восстановительной реакции, восстановление, происходит в катоде или рядом с ним. Электроны, образующиеся в результате реакции окисления, расходуются во время восстановления.

В некоторых случаях, например, в литий-ионных батареях, положительно заряженные ионы лития, образующиеся во время реакции окисления, расходуются во время восстановления.В других случаях, например, в щелочных батареях, во время восстановления образуются отрицательно заряженные ионы.

Электронный поток

В большинстве батарей некоторые или все химические реакции могут происходить, даже если батарея не подключена к цепи. Эти реакции могут повлиять на срок годности батареи.

По большей части, реакции будут происходить с полной силой только тогда, когда между анодом и катодом замыкается электрически проводящая цепь. Чем меньше сопротивление между анодом и катодом, тем больше электронов может течь и тем быстрее протекают химические реакции.

Короткое замыкание в аккумуляторе (в данном случае даже случайное) может быть опасным. Известно, что литий-ионные батареи перегреваются и даже задымляются или загораются при коротком замыкании.

Мы можем пропускать эти движущиеся электроны через различные электрические компоненты, известные как «нагрузка», для выполнения чего-то полезного. В анимационном ролике в начале этого раздела мы зажигаем виртуальную лампочку движущимися электронами.

Батарея разряжена

Химические вещества в батарее в конечном итоге достигают состояния равновесия. В этом состоянии химические вещества больше не будут реагировать, и в результате аккумулятор больше не будет генерировать электрический ток. На данный момент аккумулятор считается «мертвым».

Первичные элементы необходимо утилизировать, когда батарея разряжена. Вторичные элементы можно перезаряжать, и это достигается путем подачи через батарею обратного электрического тока.Перезарядка происходит, когда химические вещества выполняют еще одну серию реакций, чтобы вернуть их в исходное состояние.

Терминология

Люди часто используют общий набор терминов, говоря о напряжении батареи, емкости, возможности источника тока и так далее.

Ячейка

Элемент относится к одному аноду и катоду, разделенным электролитом, используемым для выработки напряжения и тока. Батарея может состоять из одной или нескольких ячеек.Например, одна батарея AA — это одна ячейка. Автомобильные аккумуляторы содержат шесть ячеек по 2,1 В.

Обычная 9-вольтовая батарея содержит шесть щелочных элементов по 1,5 В, установленных друг над другом

Первичный

Первичные клетки содержат химический состав, который нельзя обратить вспять. В результате аккумулятор необходимо выбрасывать после того, как он разрядился.

Среднее

Вторичные элементы можно перезаряжать, и их химический состав возвращается в исходное состояние.Эти элементы, также известные как «перезаряжаемые батареи», можно использовать много раз.

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение аккумулятора — это напряжение, указанное производителем.

Например, щелочные батареи типа AA указаны как имеющие 1,5 В. В этой статье Mad Scientist Hut показано, что их испытанные щелочные батареи начинаются с напряжения около 1,55 В, а затем медленно теряют напряжение по мере разряда. В этом примере номинальное напряжение «1,5 В» относится к максимальному или пусковому напряжению батареи.

Этот аккумуляторный блок Storm для квадрокоптеров показывает кривую разряда LiPo-элементов, начиная с 4,2 В и снижаясь до 2,8 В по мере разряда. Номинальное напряжение, указанное для большинства литий-ионных и LiPo-элементов, составляет 3,7 В. В этом случае номинальное напряжение «3,7 В» относится к среднему напряжению аккумулятора в течение его цикла разряда.

Вместимость

Емкость аккумулятора — это величина электрического заряда, который он может доставить при определенном напряжении. Большинство батарей рассчитаны на ампер-часы (Ач) или миллиампер-часы (мАч).

Этот LiPo аккумулятор рассчитан на 1000 мАч, что означает, что он может обеспечить 1 ампер в течение 1 часа, прежде чем он будет считаться разряженным.

Большинство графиков разряда батареи показывают зависимость напряжения батареи от емкости, например, эти тесты батареи AA, проведенные PowerStream. Чтобы выяснить, достаточно ли емкости аккумулятора для питания вашей схемы, найдите самое низкое допустимое напряжение и найдите соответствующий номинал мАч или Ач.

C-скорость

Многие батареи, особенно мощные литий-ионные, обозначают ток разряда как «C-Rate», чтобы более четко определить характеристики батареи.C-Rate — это скорость разряда относительно максимальной емкости аккумулятора.

1С — это количество тока, необходимое для разрядки аккумулятора за 1 час. Например, аккумулятор емкостью 400 мАч, обеспечивающий ток 1С, будет обеспечивать 400 мА. 5C для той же батареи будет 2 A.

Большинство батарей теряют емкость при повышенном потреблении тока. Например, этот график информации о продукте от Chargery показывает, что их LiPo-элемент имеет меньше мАч при более высоких показателях C-Rates.

ПРИМЕЧАНИЕ: Общий совет гласит, что вы должны заряжать LiPo батареи при 1С или ниже.

MIT предлагает фантастическое руководство по спецификациям и терминологии аккумуляторов, которое идет намного дальше этого обзора.

Использование

Однокамерный

Некоторые схемы могут питаться от одного элемента, но убедитесь, что батарея может обеспечивать достаточное напряжение и ток.

Если напряжение слишком высокое или слишком низкое для вашей схемы, вам, вероятно, понадобится преобразователь постоянного тока в постоянный.

серии

Чтобы увеличить напряжение между выводами батареи, вы можете расположить элементы последовательно. Последовательность означает штабелирование ячеек встык, соединение анода одного с катодом следующего.

Последовательно соединяя батареи, вы увеличиваете общее напряжение. Сложите напряжение всех ячеек, чтобы определить рабочее напряжение. Емкость остается прежней.

В этом примере четыре ячейки 1,5 В соединены последовательно.Напряжение на нагрузке составляет 6 В, а общий набор аккумуляторов имеет емкость 2000 мАч.

В большинстве бытовых электронных устройств, в которых используются щелочные батареи, батареи устанавливаются последовательно. Например, этот держатель батареек 2x AA может поднять номинальное напряжение до 3 В для проекта.

Параллельно

Если напряжение одного элемента соответствует нагрузке, вы можете добавить батареи параллельно, чтобы увеличить емкость. Обратите внимание, что это также означает увеличение доступного тока (C-Rate).

Будьте осторожны при параллельном подключении аккумуляторов! Все элементы должны иметь одинаковое номинальное напряжение и одинаковый уровень заряда. Если есть какие-либо различия в напряжении, может произойти короткое замыкание, что приведет к перегреву и, возможно, возгоранию.

В этом примере четыре ячейки 1,5 В подключены параллельно. Напряжение на нагрузке остается на уровне 1,5 В, но общая емкость увеличивается до 8000 мАч.

и параллельный

Если вы хотите увеличить напряжение и емкость, вы можете комбинировать последовательные и параллельные батареи. Еще раз убедитесь, что уровень напряжения одинаков для батарей, включенных параллельно, так как может произойти короткое замыкание.

В этом примере полное напряжение на нагрузке составляет 3 В, а общая емкость аккумуляторов составляет 4000 мАч.

В больших аккумуляторных блоках, особенно литий-ионных, вы часто видите конфигурацию, указанную с использованием «S» и «P» для последовательного и параллельного подключения. Конфигурация схемы выше — 2S2P. В качестве практического примера современные электромобили используют массивные массивы батарей, соединенных последовательно и параллельно.

Ресурсы и дальнейшее развитие

К настоящему времени вы должны понимать, как были изобретены батареи и как они работают. Батареи — это один из способов обеспечения вашего проекта электроэнергией, и они могут быть невероятно полезны, если вам нужен портативный источник питания.

Если вы хотите больше узнать о батареях, вот еще несколько уроков:

Хотите увидеть аккумуляторы в действии? Взгляните на эти проекты, в которых используются разные батареи в разных конфигурациях:

Simon Splosion Wireless

Это учебное пособие, демонстрирующее один из многих методов «взлома» Саймона Сэйса. Мы выделим технику, чтобы взять ваш Simon Says Wireless.

Как работает аккумулятор — Любопытно

Представьте себе мир без батарей.Все портативные устройства, от которых мы так зависим, были бы настолько ограничены! Мы сможем доставить наши ноутбуки и телефоны настолько далеко, насколько доступны их кабели, что сделает это новое работающее приложение, которое вы только что загрузили на свой телефон, практически бесполезным.

К счастью, у нас есть батарейки. Еще в 150 г. до н.э. в Месопотамии парфянская культура использовала устройство, известное как багдадская батарея, сделанное из медных и железных электродов с уксусом или лимонной кислотой. Археологи считают, что на самом деле это не батареи, а в основном они использовались для религиозных церемоний.

Изобретение батареи в том виде, в котором мы ее знаем, приписывают итальянскому ученому Алессандро Вольта, который собрал первую батарею, чтобы доказать свою точку зрения другому итальянскому ученому, Луиджи Гальвани. В 1780 году Гальвани показал, что лапки лягушек, подвешенных на железных или латунных крючках, подергиваются при прикосновении к зонду из другого металла. Он считал, что это было вызвано электричеством из тканей лягушек, и называл это «животным электричеством».

Вольта, первоначально впечатленный открытиями Гальвани, пришел к выводу, что электрический ток исходит от двух разных типов металла (крючки, на которых висели лягушки, и другой металл зонда) и просто передается через них, а не через них. из тканей лягушек. Он экспериментировал со стопками слоев серебра и цинка, перемежаемых слоями ткани или бумаги, пропитанной соленой водой, и обнаружил, что электрический ток действительно течет через провод, приложенный к обоим концам стопки.

Volta также обнаружил, что, используя различные металлы в свае, можно увеличить количество напряжения. Он описал свои открытия в письме Джозефу Бэнксу, тогдашнему президенту Лондонского королевского общества, в 1800 году. Это было довольно большое дело (Наполеон был весьма впечатлен!), И его изобретение принесло ему устойчивое признание в честь «вольта». ‘(мера электрического потенциала), названная в его честь.

Я сам, шутя в сторону, поражен тем, как мои старые и новые открытия … чистого и простого электричества, вызванного контактом металлов, могли вызвать такое волнение. Алессандро Вольта

Так что же именно происходило с этими слоями цинка и серебра и с дрожащими лягушачьими лапами?

Химия батареи

Батарея — это устройство, которое накапливает химическую энергию и преобразует ее в электричество.Это известно как электрохимия, а система, лежащая в основе батареи, называется электрохимическим элементом. Батарея может состоять из одной или нескольких (как в оригинальной кучке Вольты) электрохимических ячеек. Каждая электрохимическая ячейка состоит из двух электродов, разделенных электролитом.

Итак, откуда электрохимический элемент получает электричество? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно знать, что такое электричество. Проще говоря, электричество — это тип энергии, производимый потоком электронов.В электрохимической ячейке электроны образуются в результате химической реакции, которая происходит на одном электроде (подробнее об электродах ниже!), А затем они перетекают на другой электрод, где расходуются. Чтобы понять это правильно, нам нужно внимательнее изучить компоненты клетки и то, как они устроены вместе.

Электроды

Чтобы создать поток электронов, вам нужно где-то, чтобы электроны текли с из , а где-то электроны текли с по .Это электроды ячейки. Электроны текут от одного электрода, называемого анодом (или отрицательным электродом), к другому электроду, называемому катодом (положительный электрод). Обычно это разные типы металлов или другие химические соединения.

В котле Вольта анодом служил цинк, от которого электроны текли по проволоке (при подключении) к серебру, которое было катодом батареи. Он сложил много этих ячеек вместе, чтобы получилась общая куча, и поднял напряжение.

Но откуда анод вообще берет все эти электроны? И почему они так счастливы, что их отправили в веселый путь к катоду? Все сводится к химии, происходящей внутри клетки.

Здесь происходит пара химических реакций, которые нам необходимо понять. На аноде электрод вступает в реакцию с электролитом, в результате чего образуются электроны. Эти электроны накапливаются на аноде. Между тем, на катоде одновременно происходит другая химическая реакция, которая позволяет этому электроду принимать электроны.

Технический химический термин, обозначающий реакцию, которая включает обмен электронами, — это реакция окисления-восстановления, обычно называемая окислительно-восстановительной реакцией. Вся реакция может быть разделена на две половинные реакции, и в случае электрохимической ячейки одна полуреакция происходит на аноде, а другая — на катоде. Уменьшение — это усиление электронов, и это то, что происходит на катоде; мы говорим, что катод восстанавливается во время реакции. Окисление — это потеря электронов, поэтому мы говорим, что анод окисляется.

Каждая из этих реакций имеет определенный стандартный потенциал. Думайте об этой характеристике как о способности / эффективности реакции либо производить, либо поглощать электроны — ее силу в электронном перетягивании каната.

• Стандартные потенциалы для полуреакций

  Ниже приведен список половинных реакций, которые включают высвобождение электронов из чистого элемента или химического соединения. Рядом с реакцией указано число (E ⁰ ), которое сравнивает силу электрохимического потенциала реакции с силой готовности водорода расстаться со своим электроном (если вы посмотрите вниз по списку, вы увидите, что водородный полуреактор имеет нулевое значение E ⁰ ).E ⁰ измеряется в вольтах.

  Причина, по которой этот список настолько интересен, заключается в том, что если вы выберете две реакции из списка и объедините их в электрохимическую ячейку, значения E ⁰ скажут вам, в каком направлении будет протекать общая реакция: реакция с более отрицательной реакцией. Значение E ⁰ отдает свои электроны другой реакции, и это определяет анод и катод вашей ячейки. Разница между двумя значениями E ⁰ говорит вам об электрохимическом потенциале вашей ячейки, который в основном представляет собой напряжение ячейки.

  Итак, если вы возьмете литий и фторид и сумеете объединить их, чтобы сделать элемент батареи, у вас будет самое высокое напряжение, теоретически достижимое для электрохимического элемента. Этот список также объясняет, почему в котле Вольта цинк был анодом, а серебро — катодом: полуреакция цинка имеет более низкое (более отрицательное) значение E ⁰ (-0,7618), чем полуреакция серебра (0,7996). .

  Источник: UC Davis ChemWiki

Любые два проводящих материала, которые вступают в реакцию с разными стандартными потенциалами, могут образовывать электрохимическую ячейку, потому что более сильный из них сможет забирать электроны у более слабого.Но идеальным выбором для анода был бы материал, который вызывает реакцию со значительно более низким (более отрицательным) стандартным потенциалом, чем материал, который вы выбираете для своего катода. В итоге мы получаем электроны, притягивающиеся к катоду от анода (и анод не очень сильно пытается бороться), и, когда у нас есть легкий путь, чтобы добраться туда — проводящий провод, мы можем использовать их энергию для обеспечения электрического питание нашего фонарика, телефона или чего-то еще.

Разница в стандартном потенциале между электродами как бы равна силе, с которой электроны перемещаются между двумя электродами.Это известно как общий электрохимический потенциал ячейки, и он определяет напряжение ячейки. Чем больше разница, тем больше электрохимический потенциал и выше напряжение.

У нас есть два варианта увеличения напряжения батареи. Мы могли бы выбрать для наших электродов другие материалы, которые придадут ячейке больший электрохимический потенциал. Или мы можем сложить несколько ячеек вместе. Когда элементы объединяются определенным образом (последовательно), это оказывает аддитивное влияние на напряжение батареи.По сути, силу, с которой электроны движутся через батарею, можно рассматривать как общую силу, когда она движется от анода первого элемента на всем пути, сколько бы ячеек ни содержала батарея, к катоду последней ячейки.

Когда элементы объединяются другим способом (параллельно), это увеличивает возможный ток батареи, который можно рассматривать как общее количество электронов, протекающих через элементы, но не ее напряжение.

Электролит

Но электроды — это всего лишь часть батареи.Помните обрывки бумаги Вольты, пропитанные соленой водой? Соленая вода была электролитом, еще одной важной частью картины. Электролит может быть жидкостью, гелем или твердым веществом, но он должен обеспечивать движение заряженных ионов.

Электроны имеют отрицательный заряд, и поскольку мы посылаем поток отрицательных электронов по нашей цепи, нам нужен способ уравновесить это движение заряда. Электролит обеспечивает среду, через которую могут протекать положительные ионы, уравновешивающие заряд.

Поскольку химическая реакция на аноде производит электроны, для поддержания баланса нейтрального заряда на электроде также производится соответствующее количество положительно заряженных ионов. Они не проходят по внешнему проводу (только для электронов!), А попадают в электролит.

В то же время катод должен также уравновешивать отрицательный заряд электронов, которые он принимает, поэтому реакция, которая здесь происходит, должна втягивать положительно заряженные ионы из электролита (альтернативно, он также может высвобождать отрицательно заряженные ионы из электрода в электролит. электролит).

Итак, в то время как внешний провод обеспечивает путь для потока отрицательно заряженных электронов, электролит обеспечивает путь для переноса положительно заряженных ионов, чтобы уравновесить отрицательный поток. Этот поток положительно заряженных ионов так же важен, как и электроны, обеспечивающие электрический ток во внешней цепи, которую мы используем для питания наших устройств. Роль балансировки заряда, которую они выполняют, необходима для поддержания протекания всей реакции.

Так вот, если бы все ионы, высвобожденные в электролит, могли полностью свободно перемещаться через электролит, они в конечном итоге покрыли бы поверхности электродов и забили бы всю систему.Таким образом, в клетке обычно есть какой-то барьер, чтобы этого не произошло.

При использовании батареи возникает ситуация, когда происходит непрерывный поток электронов (через внешнюю цепь) и положительно заряженных ионов (через электролит). Если этот непрерывный поток остановлен — если цепь разомкнута, например, когда ваш фонарик выключен — поток электронов остановлен. Заряды будут накапливаться, и химические реакции, приводящие в движение аккумулятор, прекратятся.

По мере использования батареи и протекания реакций на обоих электродах возникают новые химические продукты.Эти продукты реакции могут создавать своего рода сопротивление, которое может помешать продолжению реакции с такой же эффективностью. Когда это сопротивление становится слишком большим, реакция замедляется. Электронное перетягивание каната между катодом и анодом также теряет свою силу, и электроны перестают течь. Аккумулятор медленно разряжается.

Зарядка аккумулятора

Некоторые распространенные батареи предназначены только для одноразового использования (так называемые первичные или одноразовые батареи).Электроны перемещаются от анода к катоду в одну сторону. Либо их электроды истощаются по мере того, как они выделяют свои положительные или отрицательные ионы в электролит, либо накопление продуктов реакции на электродах препятствует продолжению реакции, и это делается и вытирается пыль. Батарея оказывается в мусорном ведре (или, надеюсь, на переработку, но это уже другая тема Nova).

Но. Изящная вещь в этом потоке ионов и электронов, который имеет место в некоторых типах батарей с соответствующими материалами электродов, заключается в том, что он также может двигаться в обратном направлении, возвращая нашу батарею в исходную точку и давая ей совершенно новую жизнь. .Подобно тому, как батареи изменили способ использования различных электрических устройств, аккумуляторные батареи еще больше изменили полезность этих устройств и их продолжительность жизни.

Когда мы подключаем почти разряженную батарею к внешнему источнику электричества и отправляем энергию обратно в батарею, происходит обратная химическая реакция, которая произошла во время разряда. Это отправляет положительные ионы, выпущенные из анода, в электролит, обратно к аноду, а электроны, которые катод принимает, также обратно к аноду.Возврат как положительных ионов, так и электронов обратно в анод подготавливает систему, так что она снова готова к работе: ваша батарея заряжена.

Однако процесс не идеален. Замена отрицательных и положительных ионов электролита обратно на соответствующий электрод при перезарядке батареи не такая аккуратная и не такая хорошо структурированная, как электрод вначале. Каждый цикл зарядки еще больше ухудшает состояние электродов, а это означает, что батарея со временем теряет производительность, поэтому даже аккумуляторные батареи не работают вечно.

В течение нескольких циклов зарядки и разрядки форма кристаллов аккумулятора становится менее упорядоченной. Это усугубляется, когда аккумулятор разряжается / заряжается с высокой скоростью — например, если вы едете на электромобиле с большой скоростью, а не с постоянной скоростью. Высокоскоростное переключение приводит к тому, что кристаллическая структура становится более неупорядоченной, что приводит к менее эффективной батарее.

Эффект памяти и саморазряд

Почти, но не полностью обратимые реакции разряда и перезарядки также способствуют так называемому «эффекту памяти».Когда вы перезаряжаете некоторые типы аккумуляторных батарей, не разрядив их сначала, они «запоминают», где находились в предыдущих циклах разрядки, и не перезаряжаются должным образом.

В некоторых элементах это вызвано тем, как металл и электролит реагируют с образованием соли (и тем, как эта соль затем снова растворяется и металл заменяется на электродах при перезарядке). Мы хотим, чтобы наши клетки имели красивые, однородные, маленькие кристаллы соли, покрывающие идеальную металлическую поверхность, но это не то, что мы получаем в реальном мире! Некоторые кристаллы образуются очень сложно, а некоторые металлы откладываются во время перезарядки, поэтому некоторые типы батарей имеют больший эффект памяти, чем другие.Дефекты в основном зависят от первоначального состояния заряда батареи, температуры, напряжения заряда и тока зарядки. Со временем недостатки в одном цикле зарядки могут вызвать то же самое в следующем цикле зарядки и так далее, и наша батарея накапливает некоторые плохие воспоминания. Эффект памяти силен для некоторых типов элементов, таких как батареи на никелевой основе. Другие типы, такие как литий-ионные, не страдают этой проблемой.

Другой аспект аккумуляторных батарей заключается в том, что химический состав, делающий их перезаряжаемыми, также означает, что они имеют более высокую тенденцию к саморазряду.Это когда внутренние реакции происходят внутри аккумуляторного элемента, даже когда электроды не подключены через внешнюю цепь. Это приводит к тому, что клетка со временем теряет часть своей химической энергии. Высокая скорость саморазряда серьезно ограничивает срок службы аккумуляторов — и приводит к их разрядке во время хранения.

Литий-ионные аккумуляторы в наших мобильных телефонах имеют довольно хорошую скорость саморазряда около 2–3 процентов в месяц, и наши свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторы также довольно разумны — они, как правило, теряют 4–6 процентов. месяц.Никелевые батареи теряют около 10–15 процентов своего заряда в месяц, что не очень хорошо, если вы планируете хранить фонарик в течение всего сезона, когда он вам не нужен! Неперезаряжаемая щелочная батарея теряет около 2–3% своего заряда в год.

Напряжение, ток, мощность, емкость… в чем разница?

Все эти слова в основном описывают мощность батареи, не так ли? Ну вроде как.Но все они несколько разные.

Напряжение = сила, при которой реакция, приводящая в движение аккумулятор, проталкивает электроны через элемент. Это также известно как электрический потенциал и зависит от разницы потенциалов между реакциями, которые происходят на каждом из электродов, то есть от того, насколько сильно катод будет тянуть электроны (через цепь) от анода. Чем выше напряжение, тем больше работы может совершить то же количество электронов.

Ток = количество электронов, которые проходят через любую точку цепи в данный момент времени.Чем выше ток, тем больше работы он может выполнять при том же напряжении. Внутри ячейки ток можно также рассматривать как количество ионов, проходящих через электролит, умноженное на заряд этих ионов.

Мощность = напряжение x ток. Чем выше мощность, тем быстрее батарея может работать — это соотношение показывает, как напряжение и ток важны для определения того, для чего подходит батарея.

Емкость = мощность батареи как функция времени, которая используется для описания продолжительности времени, в течение которого батарея может обеспечивать питание устройства.Аккумулятор большой емкости сможет проработать более длительный период, прежде чем разрядится / разрядится. У некоторых батарей есть небольшая печальная особенность: если вы слишком быстро попытаетесь извлечь из них слишком много энергии, химические реакции не успеют поспеть, и емкость станет меньше! Итак, мы всегда должны быть осторожны, когда говорим о емкости батареи, и помнить, для чего она будет использоваться.

Еще один популярный термин — «плотность энергии». Это количество энергии, которое устройство может удерживать на единицу объема, другими словами, сколько энергии вы получите за свои деньги с точки зрения мощности по сравнению сразмер. В случае с батареей, как правило, чем выше плотность энергии, тем лучше, поскольку это означает, что батарея может быть меньше и компактнее, что всегда является плюсом, когда вам нужно заряжать то, что вы хотите держать в кармане. Для электромобилей это даже плюс — аккумулятор должен как-то влезать в машину!

Для некоторых приложений, таких как хранение электроэнергии на возобновляемых электростанциях, таких как ветряная или солнечная ферма, высокая плотность энергии не является большой проблемой, поскольку в них, скорее всего, будет достаточно места для хранения батарей.Основная цель такого использования — просто хранить как можно больше электроэнергии, как можно безопаснее и дешевле.

Почему так много типов?

Ряд материалов (раньше это были просто металлы) могут использоваться в качестве электродов в батарее. За прошедшие годы было опробовано много-много различных комбинаций, но лишь немногие из них действительно прошли дистанцию.Но зачем вообще использовать разные комбинации металлов? Если у вас есть пара металлов, которые хорошо работают вместе в качестве электродов, зачем возиться с другими?

Различные материалы имеют разные электрохимические свойства, поэтому они дают разные результаты, когда вы соединяете их в батарейном элементе. Например, некоторые комбинации будут производить высокое напряжение очень быстро, но затем быстро падают, не в состоянии поддерживать это напряжение в течение длительного времени. Это хорошо, если вам нужно произвести, скажем, внезапную вспышку света, такую ​​как вспышка фотоаппарата.

Другие комбинации будут производить только тонкую струйку тока, но они будут поддерживать эту струю целую вечность. Например, нам не нужен большой ток для питания детектора дыма, но мы хотим, чтобы наши детекторы дыма работали долгое время.

Еще одна причина для использования различных комбинаций металлов заключается в том, что часто для получения требуемого напряжения необходимо уложить два или более элемента батареи друг на друга, и оказывается, что некоторые комбинации электродов складываются вместе намного удобнее, чем другие комбинации.Например, литий-железо-фосфатные батареи (тип литий-ионных батарей), используемые в электромобилях, складываются вместе для создания систем высокого напряжения (100 или даже более вольт), но вы никогда не сделаете этого с теми батареями NiCad Walkman, которые имеют горячий!

Наши различные потребности с течением времени привели к разработке огромного количества типов батарей. Чтобы узнать больше о них и о том, что ждет аккумулятор в будущем, ознакомьтесь с другими нашими темами о Nova.

Литий-ионные аккумуляторы — Curious

В наши дни наш лучший друг — литий-ионный аккумулятор. Именно он используется в наших мобильных телефонах и ноутбуках, устройствах, которые внесли огромный вклад в изменение того, как мы работаем и взаимодействуем с нашими друзьями, коллегами, продавцами и даже незнакомцами.Потребляемая мощность наших смартфонов разряжает никель-кадмиевые или никель-металлогидридные батареи менее чем за час, но благодаря эффективности литий-ионной химии мы можем общаться с мамой, смотреть видео, общаться с друзьями, слушать под музыку, купите пару обуви в Интернете, получите инструкции по навигации и сделайте бесчисленное количество фотографий в течение всего дня.

Так что же такого особенного в литий-ионных батареях? Их основная черта — плотность энергии — она ​​примерно вдвое больше, чем у никель-кадмиевых батарей, а это означает, что батарея вдвое меньшего размера будет давать такое же количество энергии.Они легкие и компактные, а это значит, что они лучше подходят для таких вещей, как портативная электроника, чем тяжелые свинцово-кислотные батареи, от которых запускаются наши бензиновые автомобили.

Так в чем же химический состав литий-ионного элемента, который дает ему преимущество перед конкурентами?

Литий-ионный аккумулятор химия

Как следует из названия, ионы лития (Li ⁺ ) участвуют в реакциях, приводящих в движение аккумулятор.Оба электрода в литий-ионном элементе изготовлены из материалов, которые могут интеркалировать или «поглощать» ионы лития (что-то вроде гидрид-ионов в батареях NiMH). Интеркаляция — это когда заряженные ионы элемента могут «удерживаться» внутри структуры материала-хозяина, не нарушая ее. В случае литий-ионной батареи ионы лития «привязаны» к электрону в структуре анода. Когда батарея разряжается, интеркалированные ионы лития высвобождаются из анода, а затем проходят через раствор электролита и абсорбируются (интеркалируются) на катоде.

Литий-ионный аккумулятор начинает свою жизнь в состоянии полного разряда: все его ионы лития интеркалированы внутри катода, и его химический состав еще не позволяет производить электричество. Прежде чем вы сможете использовать аккумулятор, вам необходимо его зарядить. Когда батарея заряжается, на катоде происходит реакция окисления, что означает, что он теряет часть отрицательно заряженных электронов. Для поддержания баланса заряда в катоде равное количество положительно заряженных интеркалированных ионов лития растворяется в растворе электролита.Они перемещаются к аноду, где внедряются в графит. Эта реакция интеркаляции также откладывает электроны на графитовый анод, чтобы «связать» ион лития.

Во время разряда ионы лития деинтеркалируются с анода и возвращаются через электролит к катоду. Это также высвобождает электроны, которые связывали их с анодом, и они текут по внешнему проводу, обеспечивая электрический ток, который мы использовали для работы.Именно соединение внешнего провода позволяет реакции протекать — когда электроны могут свободно перемещаться, положительно заряженные ионы лития уравновешивают движение своего отрицательного заряда.

Когда катод заполняется ионами лития, реакция прекращается и батарея разряжается. Затем мы снова заряжаем наши литий-ионные аккумуляторы, и применяемый нами внешний электрический заряд толкает ионы лития обратно в анод от катода.

Электролит в литий-ионном элементе обычно представляет собой раствор солей лития в смеси растворителей (например, диметилкарбонат или диэтилкарбонат), предназначенный для улучшения характеристик аккумулятора.Растворение солей лития в электролите означает, что раствор содержит ионы лития. Это означает, что отдельные ионы лития не должны совершать полный путь от анода до катода, чтобы замкнуть цепь. Когда ионы выбрасываются из анода, другие ионы, которые уже находятся в электролите у поверхности электрода, могут легко абсорбироваться (внедряться) в катод. Во время зарядки происходит обратное.

Будучи маленьким и легким, много лития может накапливаться (интеркалироваться) в обоих электродах. Это то, что придает литий-ионным аккумуляторам высокую плотность энергии. Например, один ион лития может накапливаться на каждые шесть атомов углерода в графите, и чем больше ионов лития должно делиться на пути от анода к катоду (и обратно во время циклов перезарядки), тем больше электронов остается для уравновешивают их движение и обеспечивают электрический ток.

Передача ионов лития между электродами происходит при гораздо более высоком напряжении, чем в батареях других типов, и, поскольку они должны уравновешиваться равным количеством электронов, один литий-ионный элемент может производить напряжение 3,6 В или выше, в зависимости от материалов катода. Типичный щелочной элемент выдает всего около 1,5 вольт. Для стандартного свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора требуется шесть ячеек по 2 В, соединенных вместе, чтобы вырабатывать 12 Вольт.

Из-за их высокой плотности энергии и сравнительной легкости, размещение множества литий-ионных элементов вместе в одном месте позволяет получить батарейный блок намного легче и компактнее, чем стопки из других типов батарей.Если мы сложим вместе достаточно литий-ионных элементов, мы сможем достичь довольно высокого напряжения, такого как необходимое для работы электромобиля. Конечно, у всех наших автомобилей уже есть батареи, но они нужны только для того, чтобы запустить бензиновый или дизельный двигатель, а потом всю работу сделает топливо. Аккумулятор электромобиля — это весь его источник энергии, и именно он заставляет его взбираться на крутой холм. Таким образом, он обычно имеет напряжение 96 вольт или даже больше, что даже при высоком напряжении литий-ионного элемента требует довольно большого количества элементов, установленных вместе.

Анод обычно графитовый. Однако повторное введение ионов лития в стандартную структуру графита в типичной литий-ионной батарее в конечном итоге приводит к разрушению графита. Это снижает производительность батареи, и графитовый анод в конечном итоге выйдет из строя, и батарея перестанет работать. Исследователи работают над разработкой вариантов использования графена (листы углерода толщиной в один атом), а не графита.Вы узнаете больше о графене и его преимуществах в предстоящей теме Nova.

Что касается материала, используемого для катода, существует довольно много вариантов, обычно состоящих из комбинации лития, кислорода и какого-либо металла.

Катоды, используемые в литий-ионных аккумуляторах

Оксид лития-кобальта (LiCoO

Наиболее распространенные литий-ионные элементы имеют анод из углерода (C) и катод из оксида лития-кобальта (LiCoO ₂ ).Фактически, литий-кобальтооксидная батарея была первой литий-ионной батареей, разработанной на основе новаторской работы Р. Язами и Дж. Гуденафа и проданной Sony в 1991 году. Кобальт и кислород связываются вместе, образуя слои октаэдрических структур оксида кобальта. , разделенные листами лития. Важно, что эта структура позволяет ионам кобальта изменять свои валентные состояния между Co ⁺³ и Co ⁺⁴ (терять и приобретать отрицательно заряженный электрон) при зарядке и разрядке.

Из всех литий-ионных аккумуляторов у этих парней самая высокая плотность энергии, поэтому в настоящее время они используются в наших телефонах, цифровых камерах и ноутбуках. Их недостаток — термическая нестабильность. Их аноды могут перегреваться, и при высоких температурах катод из оксида кобальта может разлагаться с образованием кислорода. Если вы объедините кислород и тепло, у вас есть довольно хорошие шансы разжечь огонь, и, поскольку химические вещества, иногда используемые в растворе электролита, такие как диэтилкарбонат, легко воспламеняются, с этой батареей могут возникнуть некоторые проблемы с безопасностью.

имеют встроенную защиту, предотвращающую перегрев и полную разрядку батареи, которая также может быть повреждена. Кроме того, эти схемы защиты иногда могут использоваться для предотвращения чрезмерной зарядки литий-ионных аккумуляторов, что может иметь серьезные последствия. Литий-ионные батареи бывают самых разных форм и размеров, а некоторые из них содержат встроенные защитные устройства, такие как вентиляционные колпачки, для повышения безопасности.

• Смотрите реакцию: литий-кобальтоксидные батареи

  При выписке

  На аноде окисляется литий.- \ to \ text {LiCoO} _2 $$

  Общая реакция:

  $$ \ text {C} _6 + \ text {LiCoO} _2 \ longleftrightarrow \ text {Li} _x \ text {C} _6 + \ text {Li} _ {1-x} \ text {CoO} _2 $$

Литий-фосфат железа (LiFePO

Этот элемент имеет высокую скорость разряда и, поскольку фосфат (PO ₄ ) может выдерживать высокие температуры, аккумулятор имеет хорошую термическую стабильность, повышая его безопасность. Это делает его хорошим выбором для электромобилей и электроинструментов, а также для хранения энергии на электростанциях.Он также имеет длительный срок службы, то есть его можно многократно разряжать и заряжать. Однако он имеет более низкую плотность энергии, чем элемент из оксида лития-кобальта, и более высокую скорость саморазряда.

Литий-железо-фосфатный аккумуляторный элемент аналогичен литиево-кобальтово-оксидному элементу. Анод все еще графитовый, и электролит тоже почти такой же. Разница в том, что катод из диоксида лития-кобальта был заменен более стабильным фосфатом лития-железа. Фактически, на катоде из фосфата железа (FePO4) полностью заряженного элемента не остается ионов лития или железа.Ионы лития могут внедряться в катодный материал или из него через четко определенные туннели в его структуре без значительного изменения железо-фосфатного каркаса.

Катод этого типа ячейки изготовлен из отрицательно заряженного фосфата. анионы , связанный с положительно заряженным железом катионы в структуре, способной накапливать ионы лития в молекулах фосфата железа. Расположение связей в этой структуре означает, что атомы кислорода прочно связаны в структуре, что придает катоду его химическую стабильность.- \ to \ text {LiFePO} _4 $$

Общая реакция:

$$ \ text {LiFePO} _4 + \ text {6C} \ to \ text {LiC} _6 + \ text {FePO} _4 $$

Литий оксид марганца (LiMn

В литиевых батареях этого типа используется катод из литий-марганцевой шпинели (Li ⁺ Mn ³⁺ Mn ⁴⁺ O ₄ ). Шпинель — это минерал с характерной структурой AB ₂ O ₄ .Структура шпинели имеет очень хорошую термическую стабильность, повышая безопасность батареи. Это также способствует потоку ионов в электролите и снижает внутреннее сопротивление, которое способствует потере мощности батареи с течением времени.

Хотя этот тип литиевой батареи обеспечивает высокую скорость разряда и перезарядки (в том числе из-за шпинельной структуры катода), он имеет меньшую емкость и меньший срок службы.

Литий-никель-марганец-кобальт оксид (LiNiMnCoO

Добавление никеля и кобальта в смесь снова немного меняет ситуацию.Никель обеспечивает высокую удельную энергию и, при добавлении к стабильной структуре марганцевой шпинели, также приводит к получению батареи с преимуществами структуры марганцевой шпинели (низкое внутреннее сопротивление, высокая скорость зарядки, хорошая стабильность и безопасность).

Эти батареи обычно изготавливаются с катодом, состоящим из одной трети никеля, одной трети марганца и одной трети кобальта, но это соотношение может варьироваться в зависимости от секретных формул производителя. Эти батареи используются в электроинструментах, электромобилях и медицинских устройствах.

часто сочетаются с литий-никель-марганцево-кобальтовыми батареями, в результате чего получается комбинация, которая используется во многих электромобилях. Высокие всплески энергии (для быстрого ускорения) обеспечивается литий-марганцевым компонентом, а большой диапазон движения обеспечивается компонентом оксида лития, никеля, марганца, кобальта.

Литий-полимерный

Замена жидкого электролита в литий-ионной батарее твердым электролитом повышает безопасность батареи и делает ее легче.Поскольку сам полимер чрезвычайно тонкий, он также обеспечивает большую гибкость с точки зрения формы и конструкции — его не нужно помещать в жесткий корпус, и его можно сделать чрезвычайно компактным.

Полимерный электролит — это непроводящий материал, который по-прежнему допускает ионный обмен. В ранних разработках полимер был настолько плохим проводником, что не мог способствовать ионному обмену, если не нагревали его примерно до 60 градусов по Цельсию, поэтому теперь добавляются небольшие количества геля, чтобы избежать этой проблемы.

В литий-полимерной батарее можно использовать любую комбинацию электродов, используемых в литий-ионных батареях; отличается просто электролит.

Литий-ионные аккумуляторы, как и батареи в целом, бывают всех форм, размеров и химического состава. Их различный химический состав и структура предлагают разные функции, часто с компромиссом между эффективностью, стоимостью и безопасностью.

Литий-ионные аккумуляторы незаменимы в повседневной жизни. Они будут с нами еще какое-то время, так как в настоящее время они являются лучшим выбором для питания электромобилей и хранения энергии, генерируемой ветровыми и солнечными источниками, для использования в периоды, когда не дует ветер или не светит солнце.

Батареи будущего — Любопытный

существуют уже сотни лет, и они будут с нами еще какое-то время. Многочисленные и разнообразные применения аккумуляторов привели к многочисленным изменениям электрохимической ячейки на протяжении многих лет — для электродов использовались разные металлы и другие материалы, для электролитов использовались разные вещества, и были разные способы собрать все это вместе.Но что нас ждет в будущем?

Новая химия аккумуляторов

Вариации на тему: новые литий-ионные технологии

Кремниевый анод

(Si) обеспечивает значительное увеличение способности аккумулировать энергию при использовании в качестве анодного материала.По сравнению с традиционным графитовым электродом кремний дает теоретическое десятикратное увеличение емкости. Однако, хотя его решетчатая структура может включать ионы лития, необходимые для работы литий-ионной батареи, включение ионов лития приводит к значительному увеличению объема — более чем на 300 процентов. Когда батарея разряжается и ионы лития высвобождаются из кремниевого анода, кремний сжимается. Со временем это повторяющееся расширение и сжатие разрушает кремниевый анод и приводит к очень короткому сроку службы батареи.

Решение этой серьезной проблемы обещает создать батарею со значительно лучшей плотностью энергии, чем стандартная литий-ионная батарея с графитовым анодом. Один из исследуемых вариантов — покрытие кремния графеном (листы углерода толщиной в один атом), поскольку графеновые листы могут «скользить» друг относительно друга и компенсировать расширение и сжатие кремния. Это почти вдвое увеличивает удельную энергию батареи.

Графеновый анод

Графен также может заменить графит в качестве анода литий-ионной батареи. Графен состоит из атомов углерода, соединенных вместе, чтобы образовать лист толщиной в один атом. Хотя графит по существу состоит из нескольких листов графена, уложенных друг на друга, преимущества возможности укладывать отдельные листы графена позволяют упростить и повысить эффективность вставка ионов лития.

Попытка быстро ввести ионы лития в графит, что необходимо для приложений с высокой мощностью или быстрой зарядкой, также приводит к разрушению анода.Листы графена могут использоваться для приложений с высокой мощностью, поскольку ионам лития не нужно туннелировать через кристалл графита, чтобы добраться до мест их вставки, поскольку эти места уже открыты для электролита, содержащего литий-ионный ион. Из этого нового материала многие ученые во всем мире пытаются превратить его в новый материал электрода батареи.

Воздушно-литиевый

Что, если бы батарея могла вытягивать энергию из воздуха? Литий-воздушная батарея сделает это, используя кислород из окружающей атмосферы в качестве материала катода. Это, очевидно, сделало бы аккумулятор чрезвычайно легким, что дало бы ему плотность энергии в 10 раз лучше, чем у стандартных литий-ионных аккумуляторов — плотность энергии, которая могла бы конкурировать с бензином.

Однако химия лития и воздуха создает несколько проблем. Во-первых, в своей чистой металлической форме литий чрезвычайно реакционноспособен, и трудно сохранить стабильный анод, сделанный из лития.Поиск материалов электролита, которые могут поддерживать стабильность анода, а также предотвращать его реакцию с кислородом воздуха, является сложной задачей.

Существует множество исследований электролитов, направленных на решение этой проблемы, в том числе с использованием полимеров, ионных жидкостей и смесей растворителей с высокой концентрацией солей. Предотвратить реакцию с воздухом можно также путем покрытия электрода твердым электролитом, таким как стекло или керамика. Другая проблема заключается в том, что восстановление кислорода приводит к образованию пероксида лития (Li ₂ O ₂ ).Это может затем покрыть поверхность электродов и подавить реакцию, посредством которой высвобождаются ионы и электроны лития, снижая мощность батареи. Поскольку элемент подвергается воздействию воздуха, из которого он отбирает кислород для катодной реакции, он также подвергается воздействию водяного пара и углекислого газа, которые могут повлиять на химический состав элемента, приводя к образованию других непроводящих и неактивных материалов, таких как как Li ₂ CO ₃ .

В недавних разработках исследователи из Кембриджского университета использовали высокопористый графен в качестве катода и добавили йодид лития (LiI) и воду (H ₂ O) в смесь электролитов.Это предотвратило образование пероксида лития, вместо этого взяв немного водорода из воды, чтобы получить гидроксид лития (LiOH). Йодид действует как «посредник», облегчающий эту реакцию. Кристаллы гидроксида лития хорошо вписываются в поры графенового катода, но они не покрывают всю его поверхность, оставляя углерод, необходимый для запуска реакции генерации электричества в батарее, открытым и доступным для продолжения реакции.

Когда аккумулятор перезаряжается, йодид снова вступает в действие.Он окисляется до трииодид-иона (I ^3-). Трииодид реагирует с кристаллами гидроксида лития, образуя ионы лития (Li ⁺ ), кислород (O ₂ ) и воду (H ₂ O). Это полностью удаляет кристаллы гидроксида лития с катода, оставляя его доступным для реакции восстановления кислорода, которая происходит во время разряда батареи. Между тем ионы лития проходят через электролит и повторно осаждаются на аноде в виде металлического лития, готовые снова отдать свои электроны при разрядке аккумулятора.- + \ text {2H} _2 \ text {O} + \ text {O} _2 \ uparrow $$

(стрелка вверх указывает, что кислород выделяется в виде газа)

Литий-воздушная технология еще далека от практического внедрения. По оценкам, для реализации этого проекта потребуется около 10–20 лет. Описанные выше разработки работают в системе, использующей чистый кислород, поэтому исследователям также необходимо найти способ справиться с другими веществами, содержащимися в воздухе. Такие газы, как диоксид углерода и азот в воздухе, реагируют с металлическим литием в аноде с образованием карбонатов лития и нитратов лития, которые покрывают поверхность электрода и препятствуют его эффективной работе.

Литий-сера — еще один многообещающий химический состав батарей будущего. Подробнее об этом читайте в нашей теме Nova о типах аккумуляторов.

Алюминий-воздух

Поскольку алюминий является очень распространенным элементом земной коры, батарея из алюминиевого анода и кислородного катода обещает быть очень дешевой. Он также будет легким, с высокой плотностью энергии.Алюминиево-воздушная батарея потенциально могла бы обеспечить питание электромобиля в восемь раз больше, чем стандартная литий-ионная батарея на одном заряде.

Проблема в том, что химический состав этого элемента батареи приводит к коррозии алюминиевого анода. Взаимодействуя с электролитом, алюминиевый анод подвергается необратимой реакции с образованием гидратированного оксида алюминия (Al (OH) ₃ ). Это означает, что аккумулятор не подлежит перезарядке, поэтому либо аноды, либо полностью отработанные батареи необходимо будет заменять через регулярные промежутки времени.-

Вся реакция

$$ \ text {4Al} + \ text {3O} _2 + \ text {6H} _2 \ text {O} \ to \ text {4Al (OH)} _ 3 $$

Химия алюминиево-воздушной батареи потенциально может быть улучшена путем разработки более пористых трехмерных структур для алюминиевого анода, которые увеличили бы площадь поверхности алюминия, которая может вступать в реакцию. Другой возможностью является разработка алюминиевых сплавов, в которые добавление совсем небольших количеств других элементов поможет предотвратить образование гидроксида алюминия, который разъедает анод.

Из-за трудностей с перезарядкой алюминиево-воздушных батарей маловероятно, что они станут реальной коммерческой перспективой в ближайшем будущем, однако текущие исследования могут все же привести нас к этому в долгосрочной перспективе. Однако несколько групп по всему миру ищут альтернативы, такие как воздушно-магниевые и воздушно-цинковые батареи. Однако в настоящее время воздушно-цинковые батареи используются в наших слуховых аппаратах и ​​кохлеарных ушных имплантатах. обратимость это проблема.

Натрий-ион

Натрий-ионные батареи работают аналогично литий-ионным батареям, но с ионами натрия вместо лития.Преимущества натрия в том, что его легко получить (подумайте только о морской воде) и дешево.

В то время как ионы натрия вряд ли в ближайшее время будут конкурировать с литий-ионными батареями для питания портативных устройств или автомобилей, некоторые компании — Aquion Energy, Faradion и Sharp Laboratories — уже производят их для использования в качестве накопителей энергии на ветряных и солнечных фермах. Модули меньшего размера теперь также производятся для хранения энергии в жилых помещениях.

Для изготовления электродов в натриево-ионных батареях используется несколько различных материалов. Углерод обычно используется для анода, но не в аккуратном графите, как в литий-ионной батарее. Будучи объединенными в единую структуру, большие ионы натрия застревают и не могут выйти снова, что делает реакцию клетки необратимой (а батарею нельзя перезаряжать). Что необходимо для предотвращения этого, так это правильный размер и распределение пор, а также большая площадь поверхности, поэтому в качестве анода используется «твердый углерод», обычно получаемый путем сжигания сахаров при высокой температуре.Температура имеет решающее значение для получения нужных свойств.

Возможный вариант — анод из слоев графена с вкраплениями слоев фосфора. Графен обеспечивает эластичность и электрическую проводимость электрода, а фосфорен изменяет структуру электрода, так что натрий может легко входить и выходить во время перезарядки и разряда.

Ряд различных материалов был опробован в качестве катодов для натриево-ионных батарей, но исследования по поиску лучшего кандидата продолжаются.Недавно исследователи обнаружили, что соединение натрия, железа и сульфата является отличным хозяином для ионов натрия. Материал состоит из слоев натрия и железа с вкраплениями сульфатных структур, что обеспечивает хорошие пространства для размещения ионов натрия. Берлинская лазурь еще одно соединение, предпочтительное для катодов.

Попадаете в сферу научной фантастики?

Пьезоэлектрический

Пьезоэлектрические материалы могут генерировать электрический заряд при механическом воздействии.В основном, если вы сжимаете, сдавливаете или надавливаете на него, эта механическая энергия преобразуется в электрическую.

Шаговый

Исследователи разработали небольшое устройство, сделанное из литий-ионной батареи размером с монету, у которой вынутый сепаратор заменен на пьезоэлектрическую пленку. Его можно встроить в подошву обуви, например, в кроссовки. Во время бега каждый раз, когда ваша ступня ударяется о землю, небольшое усилие давит на устройство, сжимая пьезоэлектрическую пленку в середине.Он генерирует заряд, который заставляет ионы лития перемещаться от катода к аноду — точно так же, как процесс перезарядки, который происходит, когда обычная литий-ионная батарея подключается к внешнему источнику электричества для подзарядки. Ионы лития, которые выталкиваются на анод, вступают в реакцию с материалом анода из оксида титана с образованием оксида лития-титана (LiTiO ₂ ) и высвобождаются снова только тогда, когда для питания устройства требуется электричество. На данном этапе его мощности недостаточно для работы вашего телефона, но, возможно, достаточно для таких вещей, как устройства слежения GPS.Ключом к этой технологии является создание пьезоэлектрического заряда, чтобы его можно было подключать и к другим типам аккумуляторов.

По сути, этот процесс включает преобразование механической энергии в химическую энергию для зарядки батареи, а затем обычное химическое преобразование в электрическую энергию, когда батарея подключена к внешней цепи.

со звуковым приводом

Оксид цинка — пьезоэлектрический материал. Когда его крошечные наностержни подвергаются воздействию звуковых волн, они изгибаются, создавая физическое напряжение, которое производит электрический ток. Наностержни помещаются между металлическими листами, которые действуют как электрические контакты, отбирая ток, создаваемый изгибающимися наностержнями. Эти электрические контакты могут быть сделаны из обычной старой алюминиевой фольги.

Первая попытка создать аккумулятор со звуковым питанием привела к созданию устройства, которое может генерировать 5 вольт — просто подавляя повседневный шум, такой как движение транспорта, разговоры или музыка.

ерзание / с приводом от трения

Другой вариант в будущем может заключаться в использовании энергии, производимой людьми, когда они занимаются своими повседневными делами. Исследователи работают над наногенераторами — устройствами, которые могут использовать статическое электричество, генерируемое трением, возникающим при трении двух веществ друг о друга.

Устройство будет содержать лист металла, расположенный рядом с листом терефталатного пластика, оба с наноразмерными структурами на поверхности. Когда они соприкасаются, генерируется электрический заряд, а затем течет ток, когда листы изгибаются или изгибаются. Наноструктуры на поверхности листов увеличивают площадь контакта.

Из него будет небольшая нашивка, которую можно носить как нарукавную повязку. Он будет поглощать энергию, производимую, когда мы ходим по дому, берем книгу или набираем электронное письмо.

На основе мочи

Батарея с питанием от мочи звучит нелепо! Очевидно нет.

Эта технология основана на микробных топливных элементах, которые используют химию процесса клеточного дыхания для производства электричества. В конце концов, химия, лежащая в основе клеточного дыхания, — это еще один набор окислительно-восстановительных реакций, подобных тем, которые необходимы для работы электрохимической ячейки.

Эти особые микробные топливные элементы содержат живые микробы, которые поедают мочу и расщепляют ее.Часть этого процесса включает в себя производство электронов, которые, конечно же, необходимы для генерации электрического тока. Идея состоит в том, чтобы взять мочу и скармливать ее микробам, питающимся мочой, и использовать производимые электроны для питания электронных устройств.

Объединив несколько микробных топливных элементов в серию, исследователи из Bristol Robotics Lab создали устройство, способное питать мобильный телефон, и надеются увеличить его до размера, способного обеспечить около 12 киловатт-часов. мощность в день.

Что эти батареи сделают для нас?

Развитие технологий, особенно электроники, изменило наш образ жизни. Какие изменения ждут наших детей и будущие поколения?

Возобновляемая энергия

Адекватное хранение энергии, производимой из возобновляемых источников, таких как солнце и ветер, рассматривается как «недостающее звено», необходимое для обеспечения энергии в будущем без зависимости от ископаемого топлива.

И мы приближаемся. Проточные окислительно-восстановительные батареи уже используются на рудниках, а также в отдаленных и сельских районах для хранения электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями. Их громоздкость компенсируется тем, что они дешевы и надежны. Испытания в Австралии показали, что эти батареи могут использоваться в жилых помещениях, например, в схеме сетей умного города, где 30 000 домов были подключены к возобновляемым источникам энергии в сочетании с проточными батареями.

По мере того, как большие литий-ионные батареи становятся более доступными, прогнозируется, что все больше и больше домашних хозяйств будут оснащены бытовыми батареями, что-то в масштабе примерно 6–10 кВтч.Эти батареи могут потреблять электроэнергию из сети в непиковые периоды, когда стоимость ниже, и хранить ее для использования в часы пик, тем самым снижая счета за электроэнергию домовладельцев.

Другой вариант заключается в том, что в домах с установленными солнечными батареями батареи будут накапливать всю электроэнергию, которая была произведена в течение дня, но не использовалась немедленно, для использования в ночное время. В сочетании с программным обеспечением для интеллектуального управления домашнее хозяйство, использующее аккумулятор, может также подавать накопленную электроэнергию в сеть в часы пиковой нагрузки — и получать за это деньги.

Бытовые аккумуляторы обещают изменить правила игры не только в том, как домохозяйства используют и производят электроэнергию, но и в том, как национальная электросеть будет функционировать в будущем. Однако мы еще не совсем там. Несмотря на то, что аккумулятор Tesla Powerwall появился на сцене с огромной шумихой и фанфарами, это определенно не первая изобретенная батарея для бытовых нужд — различные типы существуют уже много лет. Проблема в том, что они были слишком дорогими для широкого распространения.

Обещание Tesla Powerwall и связанной с ним Tesla Gigafactory состоит в том, что он снизит затраты, что, безусловно, повысит ставки. В сочетании с прогнозируемым ростом цен на электроэнергию, мы почти наверняка увидим более широкое распространение аккумуляторных технологий в наших домах.

Еще одним претендентом может стать Oxis Energy из Великобритании. В настоящее время они тестируют литий-серные батареи, которые накапливают энергию от бытовой солнечной системы, и надеются, что скоро они появятся в продаже.Литий-серные батареи дешевле, чем литий-ионные, потому что сера дешевая и ее много. И здесь, в Австралии, Redflow намеревается вскоре предложить свои проточные окислительно-восстановительные батареи на основе бромида цинка в качестве вариантов для домашнего хранения.

Носимые батареи

Маленький, легкий и гибкий, способный извлекать энергию из механической энергии людей, которые его носят? Таковы обещания носимых аккумуляторных устройств.

Один, созданный CSIRO, использует ходьбу для выработки электроэнергии.Генератор, помещенный в рюкзак или одежду, преобразует механическую энергию, которую он испытывает во время ходьбы или бега, в электричество. Затем это электричество используется для зарядки гибкой батареи на тканевой основе. Использование проводящих тканей для соединения между всеми различными компонентами позволяет разрабатывать «гибкие» новые носимые технологии.

Несмотря на то, что технология CSIRO была продемонстрирована в конфигурации рюкзака, используемую ткань можно разрезать и придать ей любой дизайн, просто разрезав ее ножницами, поэтому разнообразие возможных предметов одежды и аксессуаров велико.

Вывод

Кто бы мог подумать, что подергивание лягушачьих лапок, наблюдаемое более 200 лет назад, в конечном итоге приведет к появлению устройств, которые могут питать наши компьютеры, смартфоны, автомобили и, надеюсь, скоро, наши дома? Батареи прошли долгий путь за последние несколько сотен лет, и с учетом того, что так много ученых по всему миру исследуют новые технологии, вполне вероятно, что они уведут нас далеко-далеко в будущее.

Что внутри батареи

Главная »Что внутри батареи?

Что внутри батареи?

Для выработки электричества типичной батарее требуется 3 части:

• Анод — минус АКБ
• Катод — плюс батареи
• Электролит — химическая паста, которая разделяет анод и катод и преобразует химическую энергию в электрическую

Внутри каждой батареи есть восстанавливаемые ресурсы, независимо от ее типа

Возьмем, к примеру, одноразовую щелочную батарею.Это неперезаряжаемые батареи, которые бывают AAA, AA, C, D, 9 вольт и различных размеров кнопочных элементов.

В среднем батарея на 25% состоит из стали (корпуса). Знаете ли вы, что сталь можно перерабатывать бесконечно? Наш механический процесс позволяет восстановить 100% стали в каждой батарее для повторного использования.

Аккумулятор на 60% состоит из комбинации таких материалов, как цинк (анод), марганец (катод) и калий. Эти материалы — все элементы земли. Эта комбинация материала на 100% восстанавливается и повторно используется в качестве питательного микроэлемента при производстве удобрений для выращивания кукурузы.

Остальные 15% по весу составляют бумага и пластик (этикетка и защитная крышка). Эти материалы отправляются на предприятие по переработке отходов для производства электроэнергии.

Утилизируя щелочные батареи в Raw Materials Company, вы можете быть уверены, что 100% каждой батареи используется повторно и никакие материалы не будут отправляться на свалку.

В таком случае вы можете найти ближайший к вам магазин, который занимается переработкой батарей.Просто введите свой почтовый индекс или название города в наш инструмент поиска. Если вы живете за пределами Онтарио, обратитесь в местный муниципалитет, чтобы найти ближайший пункт переработки.

Спасибо

Мы получили ваше сообщение и вскоре ответим вам.

Быстрые ссылки

Для вашего удобства здесь приведены важные ссылки, связанные с этой страницей.

Знаете ли вы?

Отработанные батареи составляют менее 1% всех отходов, обнаруживаемых на городских свалках.Этот 1% аккумуляторов отвечает за 88% всех токсичных тяжелых металлов, обнаруженных на свалках.

Узнайте больше о нашей технологии и о том, как вместе мы превращаем отходы в ценный ресурс.

Определение батареи по Merriam-Webster

б : орудия военного корабля батарея правого борта

4а : комбинация аппаратов для создания единого электрического эффекта. батарея генераторов

c батареи во множественном числе : уровень энергии или энтузиазма нужен отпуск, чтобы подзарядить батарей

(2) : Серия клеток или отсеков для выращивания или откорма домашней птицы. — часто используется перед другим существительным аккумулятор цыпленок

6 : Положение готовности орудия к стрельбе. пушка не вернется в батарею — Infantry Journal

7 бейсбол : питчер и ловец команды одна из лучших батарей в истории бейсбола

DOE Объясняет…Батареи | Министерство энергетики

Батареи и аналогичные устройства принимают, хранят и отпускают электроэнергию по запросу. Батареи используют химию в форме химического потенциала для хранения энергии, как и многие другие повседневные источники энергии. Например, бревна хранят энергию в своих химических связях, пока при горении энергия не преобразуется в тепло. Бензин — это запасенная химическая потенциальная энергия, пока она не преобразуется в механическую энергию в автомобильном двигателе. Точно так же, чтобы батареи работали, электричество должно быть преобразовано в форму химического потенциала, прежде чем оно может быть легко сохранено.Батареи состоят из двух электрических клемм, называемых катодом и анодом, разделенных химическим материалом, называемым электролитом. Чтобы принимать и высвобождать энергию, батарея подключается к внешней цепи. Электроны движутся по цепи, в то время как одновременно ионы (атомы или молекулы с электрическим зарядом) движутся через электролит. В перезаряжаемой батарее электроны и ионы могут двигаться в любом направлении через цепь и электролит. Когда электроны движутся от катода к аноду, они увеличивают химическую потенциальную энергию, заряжая таким образом аккумулятор; когда они движутся в другом направлении, они преобразуют эту химическую потенциальную энергию в электрическую цепь и разряжают батарею.Во время зарядки или разрядки противоположно заряженные ионы перемещаются внутри батареи через электролит, чтобы уравновесить заряд электронов, проходящих через внешнюю цепь, и создать устойчивую перезаряжаемую систему. После зарядки аккумулятор может быть отключен от цепи для хранения химической потенциальной энергии для последующего использования в качестве электричества.

Батареи были изобретены в 1800 году, но их химические процессы сложны. Ученые используют новые инструменты, чтобы лучше понять электрические и химические процессы в батареях, чтобы создать новое поколение высокоэффективных аккумуляторов электроэнергии.Например, они разрабатывают улучшенные материалы для анодов, катодов и электролитов в батареях. Ученые изучают процессы в аккумуляторных батареях, потому что они не полностью меняются, когда батарея заряжается и разряжается. Со временем отсутствие полной замены может изменить химический состав и структуру материалов батареи, что может снизить производительность и безопасность батареи.

Департамент науки и хранения электроэнергии Министерства энергетики США

Исследования, проведенные при поддержке Управления науки Министерства энергетики США и Управления фундаментальных энергетических наук (BES), привели к значительным улучшениям в хранении электроэнергии.Но мы все еще далеки от комплексных решений для хранения энергии следующего поколения с использованием совершенно новых материалов, которые могут значительно увеличить количество энергии, которое может хранить батарея. Это хранилище имеет решающее значение для интеграции возобновляемых источников энергии в нашу систему электроснабжения. Поскольку усовершенствование аккумуляторных технологий имеет важное значение для повсеместного использования подключаемых к электросети электромобилей, хранение также является ключом к уменьшению нашей зависимости от нефти при транспортировке.

BES поддерживает исследования отдельных ученых и в многопрофильных центрах.Самый крупный центр — Объединенный центр исследований в области накопления энергии (JCESR), центр энергетических инноваций Министерства энергетики США. Этот центр изучает электрохимические материалы и явления на атомном и молекулярном уровне и использует компьютеры для разработки новых материалов. Эти новые знания позволят ученым разработать более безопасные накопители энергии, которые служат дольше, заряжаются быстрее и обладают большей емкостью. По мере того как ученые, поддерживаемые программой BES, достигают новых успехов в науке об аккумуляторах, эти достижения используются прикладными исследователями и промышленностью для продвижения приложений в области транспорта, электросетей, связи и безопасности.

Факты о хранении электрической энергии

• Нобелевская премия по химии 2019 года была присуждена совместно Джону Б. Гуденафу, М. Стэнли Уиттингему и Акире Йошино «за разработку литий-ионных батарей».
• Электролитный геном в JCESR создал вычислительную базу данных с более чем 26 000 молекул, которую можно использовать для расчета ключевых свойств электролита для новых, усовершенствованных аккумуляторов.

Ресурсы и связанные термины

Научные термины могут сбивать с толку.DOE Explains предлагает простые объяснения ключевых слов и концепций фундаментальной науки. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики США, поскольку это помогает Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях по всему научному спектру.