Batterietypen
Unsere alten Freunde
Blei-Säure
Wann mussten Sie Ihren Kurbelgriff das letzte Mal herausziehen, in die Kurbelwelle Ihres Autos stecken und ihn gut drehen, um den Motor zum Laufen zu bringen? Nie? Das liegt daran, dass wir Blei-Säure-Batterien an unsere Automotoren angeschlossen haben, die den Strom liefern, den der Motor benötigt, um in Gang zu kommen. Diese wurden 1859 von Gaston Planté erfunden.
Wie der Name schon sagt, haben diese Batterien etwas Blei in sich. Tatsächlich enthalten beide Elektroden (die Leiter, durch die Elektrizität in die Batterie eintritt oder diese verlässt) etwas Blei—die Anode (positiv geladene Elektrode) besteht aus Bleimetall (Pb) und die Kathode (die negativ geladene Elektrode) ist Bleidioxid (PbO2). Die Elektroden befinden sich in einer Elektrolytlösung aus Schwefelsäure (H2SO4), die aus Wasserstoffionen (H+) und Bisulfationen (HSO4) besteht.,
Das Blei an der Anode reagiert mit dem Bisulfat aus dem Elektrolyten, befreit einige Elektronen und produziert Bleisulfat, das Kristalle auf der Anode bildet, und Wasserstoffionen, die in den Elektrolyten gelangen. Die Elektronen wandern über einen externen Stromkreis zur Kathode über, wo sie zusammen mit Bisulfat-und Wasserstoffionen aus dem Elektrolyten mit der Bleidioxidkathode reagieren. Dies erzeugt auch Bleisulfat, das wiederum Kristalle bildet, diesmal an der Kathode.,
Blei-Säure-Batterien sind wiederaufladbar—die in unseren Autos laden sich mit einem kleinen Generator auf, der an den Motor angeschlossen ist und als Generator bezeichnet wird. Aus diesem Grund ist es ratsam, nach dem Start für eine Weile herumzufahren, wenn Sie die Beleuchtung Ihres Autos eingeschaltet haben und der Akku leer ist, um der Batterie Zeit zum erneuten Aufladen zu geben.
Wenn die Batterie geladen wird, werden die oben beschriebenen chemischen Reaktionen, die den Strom erzeugen, rückwärts gezwungen. Die Bleisulfatbeschichtungen werden aufgelöst und als Pb2+ und SO42 – Ionen in den Elektrolyten zurückgedrängt., Die Pb2 + – Ionen nehmen dann zwei Elektronen auf und werden als neutrales Pb auf die Anode umplattiert.
An der Kathode geben die Pb2+ – Ionen zwei Elektronen ab, um sich zu bilden, und reagieren mit Wassermolekülen (H2O), um neutrales Bleidioxid auf der Kathode wieder zu bilden, und einigen Bisulfat-Ionen, die in die Elektrolytlösung zurückkehren.
Wenn eine Blei-Säure-Batterie jedoch zu viel entladen darf oder zu lange vor dem Aufladen belassen wird, bilden sich die Beschichtungen von Bleisulfat zu harten Kristallen, die durch den Ladevorgang nicht entfernt werden können.,
Ultrabattery
Entwickelt bei CSIRO, die Ultrabattery ist eine souped-up version von eine traditionelle blei-säure batterie. Es kombiniert die Standard-Blei-Säure-Batterietechnologie mit einem Superkondensator. Wenn sich eine normale Blei-Säure-Batterie entlädt, führt die Reaktion, die sie antreibt, zur Bildung von Bleisulfatkristallen sowohl an der Anode als auch an der Kathode. Der Ladevorgang entfernt diese Beschichtungen, aber die Elektroden (und damit die Batterie) verschlechtern sich mit der Zeit., Außerdem arbeitet der Akku nicht gerne in einem Teilladungszustand—einem Zustand, in dem der Akku wiederholt kurzen Entlade-und Ladezyklen ausgesetzt ist, ohne den Akku jemals vollständig zu entleeren oder vollständig aufzuladen. Dieser Teilladezustand ist besonders für Fahrzeuge wichtig.
Die Ultrabatterie verwendet den Superkondensator, um die problematischen Reaktionen der Bleielektroden in der Blei-Säure-Batterie auszugleichen und ihre Lebensdauer zu verlängern., Da ein Superkondensator die Ladung sehr schnell aufnehmen und speichern kann, kann er die verfügbare Leistung verschlingen und sie dann mit der richtigen Geschwindigkeit an die Batterie abgeben. Es schafft es, den Aufbau von Sulfaten zu reduzieren, die aus dem Entladungs-Wiederaufladungsprozess in einer Standard–Blei-Säure-Batterie resultieren.
Auch die Ultrabatterie ist vergleichsweise günstig herzustellen, rund 70 Prozent günstiger als die derzeit in Hybrid-Elektroautos eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien. Eine weitere mögliche Nutzung der Ultrabatterie wäre in Kraftwerken, um die Energie aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind zu speichern und zu „glätten“., In groß angelegten Windparkversuchen in Australien hat die Ultrabatterie herkömmliche Blei-Säure-Batterien übertroffen.
- Was ist ein Superkondensator?
Ein Kondensator ist wie eine Batterie … aber nicht wirklich. Die Energie einer Batterie kommt von der chemischen Reaktion zwischen ihren Komponenten. Elektrizität wird durch den Elektronenfluss innerhalb der Redoxreaktion zwischen Anode und Kathode erzeugt.
Ein Kondensator liefert auch Energie, kommt aber nicht aus einer chemischen Reaktion., Kondensatoren bestehen aus zwei leitenden Platten mit einem Dielektrikum oder einem Isolator (einer Substanz, die keine Elektrizität leitet) dazwischen. Wenn diese Platten mit einem elektrischen Strom verbunden sind, fließt der Strom in sie; Eine Platte speichert eine negative Ladung auf ihren Oberflächenatomen und die andere eine positive Ladung wiederum auf den Oberflächenatomen. Da diese unterschiedlich geladenen Platten durch das nicht leitende Dielektrikum getrennt werden, entsteht ein elektrisches Feld, das die elektrische Energie speichert. Wenn der Kondensator an einen anderen Stromkreis angeschlossen ist, gibt er die elektrische Energie frei (entlädt).,
Kondensatoren geben ihre Energie meist sehr schnell ab—sie sorgen für schnelle Energieausbrüche. Dies macht sie nützlich für ziemlich spezifische Aufgaben, wie das Einschalten des Blitzes auf einer Kamera. Der Blitz verbraucht schnell viel Energie, um das helle Licht zu erzeugen, dann lädt sich der Kondensator vom Akku der Kamera auf, damit er wieder für das nächste Foto verwendet werden kann.
Eine Wolke ist ein Kondensator—wenn kleine Eispartikel in der Wolke miteinander kollidieren und andere Eispartikel, Elektronen können abgeschlagen werden. Diese Elektronen neigen dazu, sich in den unteren Regionen der Wolke anzusammeln., Die kleinen und jetzt positiv geladenen Teilchen erheben sich zur Wolkenspitze. Dies bedeutet eine Ladungstrennung und ein elektrisches Feld, baut sich in der Wolke auf. Wenn die negative Ladung am Boden der Wolke an Stärke zunimmt, stößt sie andere negative Ladungen ab—sie drückt die Elektronen an der Erdoberfläche tiefer in den Boden, was bedeutet, dass sich eine positive Ladung auf der Oberfläche aufbaut. Am Ende haben wir einen negativ geladenen Bereich (den Boden der Wolke), der durch einen schlechten Stromleiter (die Luft) von einem positiv geladenen Bereich (dem Boden) getrennt ist., Wenn das elektrische Feld in der Wolke stark genug wird, kann es die Umgebungsluft in ionisierte (geladene) Partikel „zerlegen“ und von einem nicht leitenden Isolator in einen Leiter umwandeln. Die in der Wolke gespeicherte elektrische Energie wird sofort in einem Blitzblitz freigesetzt.
Superkondensatoren sind einfach extra leistungsstarke Kondensatoren mit höherer Kapazität. Dies bedeutet, dass sie viel mehr elektrische Energie speichern können als normale Kondensatoren.,
Nickel-Cadmium
Obwohl sie jetzt deutlich alte Nachrichten sind, waren Nickel-Cadmium-Batterien (NiCad) die ersten wiederaufladbaren Batterien, die in Elektrowerkzeugen, Fackeln und anderen tragbaren Geräten verwendet wurden. Dies waren die Jungs in unseren Handys, bevor Lithium-Ionen-Batterien sie gebootet. Manchmal sind sie noch als alte wiederaufladbare AA-Batterien für Fackeln und Spielzeug gefunden. Wie die Blei-Säure-Batterie gibt es diese Zellchemie schon lange—die ersten NiCad-Batterien wurden 1910 zum Verkauf angeboten!,
Die Anode besteht aus Cadmium (Cd) und ihre Kathoden sind Nickeloxidhydroxid (NiO(OH)2), üblicherweise mit einem Elektrolyten aus Kaliumhydroxid (KOH).
Nickeloxidhydroxid macht eine sehr gute Elektrode, da es hergestellt werden kann, um eine große Oberfläche zu haben, und dies erhöht die aktive Fläche, die für die Reaktion zur Verfügung steht., Außerdem reagiert es während der Reaktion nicht mit dem Elektrolyten, wodurch die Elektrolytlösung schön und rein bleibt und die Zelle (relativ) lange hält, bevor sie durch lästige Nebenreaktionen abgebaut wird.
NiCad Batterien hatten einige Mängel. Erstens waren sie anfällig für etwas, das als „Memory-Effekt“ bezeichnet wurde, bei dem sich die Batterien an frühere Entladestufen „erinnern“ und sich nicht richtig aufladen ließen. Dies wurde durch die Bildung großer und nicht kleiner Cadmiumkristalle während des Ladevorgangs verursacht., Um sicherzustellen, dass der Akku vor dem Aufladen ordnungsgemäß entladen wurde, konnte dieses Problem verhindert werden. Aber Sie mussten vorsichtig sein—das vollständige Entladen einer NiCad-Batterie beschädigte sie ebenfalls.
Zweitens beträgt die Selbstentladungsrate einer NiCad-Batterie etwa 15-20 Prozent pro Monat. Dies bedeutet, dass sie, wenn sie einige Monate im Regal saßen, viel von ihrer Ladung verloren haben.
Drittens ist Cadmium teuer und ein giftiges Schwermetall, was bedeutete, dass die Entsorgung der Batterien keine gute Sache für die Umwelt war.,
Nickel-Metallhydrid (NiMH)
Diese Probleme mit NiCad-Batterien führten dazu, dass die Cadmiumanode durch eine wasserstoffabsorbierende intermetallische Legierung (eine Kombination von Metallen mit einer definierten Kristallstruktur) ersetzt wurde, die bis zu 7 Gewichtsprozent Wasserstoff verschlingen kann. Im Wesentlichen ist die Anode der Wasserstoff; die Metalllegierung dient lediglich als Speichergefäß für sie.
Die gebräuchlichste Kombination von Metallen für diese Legierung sind solche mit einer starken hydridbildenden Fähigkeit, zusammen mit einem schwachen hydridbildenden Metall.,
Eine weitere Überlegung bei der Zusammenstellung der Metalllegierung ist, dass, wenn einige Metalle Wasserstoff absorbieren, die Reaktion Wärme abgibt—es ist exotherm. Andere absorbieren Wärme in einer endothermen Reaktion. Wir wollen keine Batterie, die beim Entladen Wärme erzeugt oder ansaugt, also brauchen wir neben der stark–schwachen hydridbildenden Kombination, aus der die Legierung auch besteht, eine Kombination aus exothermen und endothermen Metallen.
Die Elektronen, die den elektrischen Strom der Batterie erzeugen, stammen aus der Oxidation von Wasserstoffatomen, die sich in Protonen verwandeln., Diese Protonen reagieren mit Hydroxidionen (OH -) aus dem Elektrolyten, um Wasser zu bilden. Die Metalllegierung, die die Anode zusammen mit dem Wasserstoff bildet, nimmt nicht an der chemischen Reaktion teil, die die Zelle antreibt; Es ist im Grunde ein Zuschauer, der nur den wichtigen Hydridionen ein Zuhause bietet.
Nickel – Metallhydrid-Batterien sind NiCad-Batterien in Bezug auf Spannung, Kapazität und Anwendung sehr ähnlich. Der Memory-Effekt ist weniger ein Problem als bei NiCads und sie haben eine höhere Energiedichte. Sie werden immer noch als Standard für wiederaufladbare AA-Batterien verwendet.,
Alkaline
Alkaline batterien sind verwendet in spielzeug, elektronik, die tragbare CD-player wir verwendet in die neunziger jahre, und die Walkmans, die waren beliebt in die achtziger jahre. Sie machen den Großteil der Batterien aus, die heute hergestellt werden, obwohl ihr Platz an der Spitze wahrscheinlich bald von den Lithium-Ionen-Batterien in unseren Telefonen, Laptops und einer zunehmenden Anzahl anderer Geräte bestritten wird.
Sie sind beliebt, weil sie eine niedrige Selbstentladungsrate haben, eine lange Haltbarkeit haben und keine giftigen Schwermetalle wie Blei oder Cadmium enthalten. Obwohl wiederaufladbare Alkalibatterien entwickelt wurden, sind diese Jungs in der Regel nur für den einmaligen Gebrauch. Sobald sie nicht mehr kostenlos sind, geht es zum Recyclingdepot (oder normalerweise zur Deponie, da es nicht viele Orte gibt, an denen sie recycelt werden).
Diese Batterien haben Zink als Anode und Mangandioxid (MnO2) als Kathode., Ihr Name kommt jedoch von der alkalischen Lösung, die als Elektrolyt verwendet wird. Es ist normalerweise Kaliumhydroxid (KOH), das eine große Anzahl gelöster Ionen enthalten kann. Je mehr Ionen die Elektrolytlösung aufnehmen kann, desto länger kann die Redoxreaktion, die die Batterie antreibt, andauern.
Die Zinkanode ist üblicherweise in Pulverform. Dies gibt ihm eine größere Oberfläche für die Reaktion, was bedeutet, dass die Zelle ihre Kraft ziemlich schnell freisetzen kann., Es gibt seine Elektronen an die Mangandioxidkathode ab, der Kohlenstoff in Form von Graphit zugesetzt wird, um seine Leitfähigkeit zu verbessern und seine Form beizubehalten.
Und das bringt uns zu den Batterien, die heutzutage die meisten unserer Smartphones und Laptops mit Strom versorgen: Lithium-Ionen-Batterien. Diese Jungs sind so wichtig, dass wir sie mit dem Respekt (und Detail) behandeln wollten, den sie verdienen, damit Sie in ihrer eigenen Nova-Funktion darüber lesen können.