Energiją kaupiančių baterijų veikimo principas
Anenergijos kaupimo baterijayra prietaisas, kuris konvertuoja ir kaupia energiją tarp elektros energijos ir cheminės energijos. Iškrovimo metu cheminė energija tiesiogiai paverčiama elektros energija; įkrovimo metu elektros energija vėl paverčiama chemine energija, skirta kaupti. Teigiamas ir neigiamas akumuliatoriaus elektrodai yra pagaminti iš skirtingų medžiagų. Kai įdedamas tas pats elektrolitas, abu elektrodai nustato savo elektrodų potencialą, kaip parodyta ABCD trūkinėja linija 1-4 paveiksle (tarpas tarp brūkšninės linijos ir elektrodų rodo susidariusį dvigubą elektrinį sluoksnį). Pusiausvyros elektrodo potencialo skirtumas tarp teigiamų ir neigiamų elektrodų sudaro akumuliatoriaus elektrovaros jėgą (EMF) E.
14 pav. Energijos kaupimo akumuliatoriaus veikimo principo schema
Kai teigiamas ir neigiamas elektrodai yra prijungti prie išorinės apkrovos, teigiamo elektrodo medžiaga įgyja elektronų ir vyksta redukcijos reakcija, sukeldama katodinę poliarizaciją, taip sumažindama teigiamo elektrodo potencialą; neigiamo elektrodo medžiaga netenka elektronų ir vyksta oksidacijos reakcija, sukelianti anodinę poliarizaciją, taip padidindama neigiamą elektrodo potencialą. Išorinėje grandinėje elektronai teka iš neigiamo elektrodo į teigiamą elektrodą, todėl srovės kryptis yra iš teigiamo elektrodo į neigiamą elektrodą. Elektrolite krūvio perdavimas vyksta judant jonams, todėl srovės kryptis vidinėje grandinėje yra nuo neigiamo elektrodo iki teigiamo elektrodo. Išsikrovimo būsenoje akumuliatoriaus potencialo pasiskirstymas rodomas trūkinėmis linijomis A'B'C'D' 1-4 paveiksle. Visas procesas sudaro visiškai uždarą kilpą, leidžiančią nepertraukiamai tęstis oksidacijos ir redukcijos reakcijoms prie elektrodų, taip užtikrinant nuolatinį srovės tekėjimą uždaroje kilpoje. Kai baterija veikia, elektrocheminės reakcijos, kurios generuoja elektros energiją prie elektrodų, vadinamos srautą generuojančiomis reakcijomis, o šiose reakcijose dalyvaujančios medžiagos – aktyviosiomis medžiagomis.
Akumuliatoriaus įkrovimo procesas iš esmės yra priešingas jo iškrovimo procesui. Įkrovimo metu prie teigiamo elektrodo vyksta oksidacija, o prie neigiamo elektrodo – redukcija; tuo pačiu metu jonų migracijos kryptis elektrolite yra priešinga kryptimi, nei išsikrovimo metu, o šiam cheminės konversijos procesui atlikti reikalingas išorinis maitinimo šaltinis, viršijantis baterijos atviros grandinės įtampą, kaip parodyta 1-4 paveiksle pateiktomis trūkinėmis linijomis A"B"C"D".
Siekiant palengvinti tiesioginį cheminės energijos pavertimą elektros energija, energijos kaupimo baterijoje vykstantis redokso procesas iš esmės skiriasi nuo įprastų redokso reakcijų. Baterijoje elektronų praradimo (oksidacijos) ir elektronų gavimo (redukcijos) procesai turi būti atskirti į skirtingus regionus. Be to, elektronai turi tekėti per išorinę grandinę, kai reakcijoje dalyvauja aktyvūs komponentai. Šie du pagrindiniai elementai atskiria redokso mechanizmą akumuliatoriuje nuo įprastų cheminių redokso reakcijų ir mikro{3}}ląstelių reakcijų elektrocheminės korozijos reiškiniuose.
Energiją kaupiančių baterijų sudėtis
Pagrindiniame energijos kaupimo akumuliatoriuje turi būti keturi pagrindiniai komponentai: elektrodai, elektrolitas, separatorius ir akumuliatoriaus korpusas.
elektrodas
Elektrodai, kaip pagrindiniai akumuliatoriaus komponentai, skirstomi į teigiamus ir neigiamus elektrodus, daugiausia sudarytus iš aktyvių medžiagų ir laidžios karkaso. Tarp jų, aktyvios medžiagos generuoja elektros energiją per chemines reakcijas akumuliatoriaus išsikrovimo metu ir yra pagrindinis veiksnys, lemiantis akumuliatoriaus veikimą. Aktyvios medžiagos dažniausiai yra kietos, bet gali egzistuoti ir skysčių arba dujų pavidalu.
Aktyvios medžiagos turi lemiamą įtaką bendram akumuliatoriaus veikimui, todėl paprastai joms keliami šie veikimo reikalavimai: ① Teigiamo elektrodo medžiaga turi turėti didelį potencialą, o neigiamo elektrodo medžiaga turi išlaikyti žemą potencialą, kad baterija galėtų generuoti didelę elektrovaros jėgą; ② Aktyvios medžiagos turi turėti gerą elektrocheminį reaktyvumą, tai yra, jos turi lengvai dalyvauti redokso procesuose; ③ Aktyvieji komponentai turi turėti didelę specifinę talpą pagal svorį ir tūrį; ④ Aktyvios medžiagos turi turėti puikų cheminį stabilumą elektrolitų tirpaluose, o savaiminio{0}}tirpimo greitis turi būti kuo mažesnis; ⑤ Aktyvios medžiagos turi turėti didelį elektroninį laidumą; ⑥ Ekonomikos ir tvaraus vystymosi požiūriu idealios aktyviosios medžiagos turėtų būti ištekliai, kurių Žemėje yra daug ir kurie yra nebrangūs; ⑦ Aktyviosios medžiagos taip pat turi būti nekenksmingos žmonių sveikatai ir natūraliai aplinkai.
Atitikti visus aukščiau nurodytus konkrečios veikliosios medžiagos standartus yra gana sudėtinga; todėl renkantis veikliąją medžiagą būtina visapusiškai apsvarstyti. Šiuo metu plačiausiai naudojamos katodinės medžiagos yra metalų oksidai, tokie kaip švino dioksidas, mangano dioksidas ir nikelio oksidas, taip pat deguonis iš oro. Anodinėms medžiagoms pirmenybė teikiama įvairiems chemiškai reaguojantiems metalams, tokiems kaip cinkas, švinas, kadmis, geležis, litis ir natris.
Laidžios karkaso funkcija yra prijungti aktyviąją medžiagą prie išorinės grandinės ir užtikrinti subalansuotą srovės paskirstymą. Jis taip pat palaiko aktyvią medžiagą. Idealus laidus karkasas turi turėti puikų mechaninį stiprumą, didelį cheminį stabilumą, mažą varžą ir gerą apdirbamumą.
elektrolitų
Pagrindinė elektrolito funkcija yra užtikrinti efektyvų jonų laidumą tarp teigiamų ir neigiamų elektrodų, atliekant jonų transportavimo užduotį. Kai kuriais atvejais jis taip pat gali dalyvauti elektrocheminėse reakcijose. Akumuliatoriuje naudojamas elektrolitas turi atitikti šiuos reikalavimus: ① Jis turi turėti gerą cheminį stabilumą, kad būtų išvengta reikšmingų elektrocheminių reakcijų elektrolito ir aktyviosios medžiagos sąsajoje saugojimo metu, taip sumažinant akumuliatoriaus savaiminį{2}}išsikrovimą; ② Jis turėtų turėti didelį elektros laidumą. Įvairių tipų baterijų elektrolitų sudėtis skiriasi, todėl paprastai elektrolitu pasirenkami puikaus laidumo rūgščių, šarmų arba druskų vandeniniai tirpalai. Tačiau kai kuriose naujose energijos technologijose gali būti naudojamos naujos medžiagos, tokios kaip organinių tirpiklių elektrolitai, išlydytų druskų elektrolitai arba kietieji elektrolitai.
isolation
Atskyriklis, taip pat žinomas kaip membrana arba pertvara, yra tarp teigiamo ir neigiamo akumuliatoriaus elektrodų. Pagrindinė jo funkcija yra užkirsti kelią tiesioginiam elektrodų kontaktui, dėl kurio gali įvykti trumpasis jungimas. Pagrindiniai separatorių veikimo reikalavimai yra šie: ① geras elektroninis izoliatorius, apsaugantis nuo vidinių trumpųjų jungimų; ② turi mažą atsparumą jonų migracijai elektrolite, todėl sumažėja viso įrenginio vidinė varža ir žymiai sumažėja energijos nuostoliai esant didelės -srovės iškrovos sąlygoms; ③ turintis gerą cheminį stabilumą, atsparus elektrolitų korozijai ir elektrodų aktyviųjų medžiagų redokso reakcijai; ④ turi pakankamai mechaninio stiprumo ir atsparumo lenkimui, kad veiksmingai blokuotų dendrito augimą ir neleistų mažoms aktyviosioms dalelėms prasiskverbti į membraną; ⑤ Atsižvelgiant į ekonominius veiksnius, jis turėtų būti lengvai prieinamas ir nebrangus.
Įprastos separatoriaus medžiagos yra medvilninis popierius, celiuliozės popierius, mikroakytas plastikas, mikroporinė guma, hidratuota celiuliozė, nailono audinys, stiklo pluoštas ir kt.
Akumuliatoriaus korpusas
Akumuliatoriaus korpusas, taip pat žinomas kaip akumuliatoriaus talpykla, yra vienintelis akumuliatoriaus tipas esamose energijos kaupimo baterijose, kur cinko elektrodas taip pat naudojamas kaip korpusas. Priešingai, kitų tipų baterijos dažniausiai naudoja specifines medžiagas išorinei kapsulei, o ne pačiai aktyviajai medžiagai. Idealus akumuliatoriaus korpusas turi pasižymėti puikiomis mechaninėmis savybėmis, atlaikyti vibraciją ir smūgius, išlikti stabilus esant ekstremalioms temperatūroms ir atsparus elektrolito korozijai. Praktikoje tokios medžiagos kaip metalai, plastikai ir kieta guma yra plačiai naudojamos kaip baterijų korpusai dėl atitinkamų pranašumų.