elemek típusai
régi barátaink
ólom-sav
mikor volt az utolsó alkalom, hogy ki kellett húznia a forgattyúfogantyút, helyezze be az autó főtengelyébe, és jó fordulatot adjon a motor működéséhez? Soha? Ez azért van, mert ólom-sav akkumulátorok vannak csatlakoztatva az autó motorjainkhoz, amelyek biztosítják, hogy a motor felrobbanjon. Ezeket Gaston Planté találta ki 1859-ben.
ahogy a neve is sugallja, ezeknek az elemeknek van némi ólomuk. Valójában mindkét elektróda (a vezetők, amelyeken keresztül a villamos energia belép vagy elhagyja az akkumulátort) tartalmaz valamilyen ólmot—az anód (pozitívan megváltozott elektróda) ólomfémből (Pb) készül, a katód (a negatív töltésű elektróda) pedig ólom-dioxid (PbO2). Az elektródákat kénsav (H2SO4) elektrolitoldatába helyezzük, amely hidrogénionokból (H+) és biszulfátionokból (hso4) áll.,
A vezetést az anód reagál a bisulphate az elektrolit, felszabadítja egyes elektronok, illetve termelő ólom-szulfát, amely formák kristályok után az anód, a hidrogén ionok, amely bemegy az elektrolit. Az elektronok egy külső áramkörön keresztül jutnak át a katódra, ahol az elektrolitból származó biszulfáttal és hidrogénionokkal együtt reagálnak az ólom-dioxid katóddal. Ez ólom-szulfátot is termel, amely ismét kristályokat képez, ezúttal a katódon.,
az ólom-sav akkumulátorok újratölthetők-az autókban lévők a motorhoz csatlakoztatott kis generátorral, a generátornak nevezik. Ezért, ha bekapcsolva hagyta az autó lámpáit, és lemerült az akkumulátor, tanácsos egy ideig vezetni, miután megkapta az ugrást, hogy az akkumulátor újra feltöltődjön.
mivel az akkumulátor töltődik,a fent leírt kémiai reakciók, amelyek a villamos energiát termelik, visszafelé kényszerülnek. Az ólom-szulfát bevonatok feloldódnak és Pb2 + és SO42 – ionok formájában visszakerülnek az elektrolitba., A Pb2 + ionok ezután két elektront vesznek fel, majd semleges Pb-ként újra bevonják az anódra.
a katódnál a PB2+ ionok két elektront adnak fel, hogy víz (H2O) molekulákkal reagáljanak, hogy semleges ólom-dioxidot képezzenek a katódon, valamint néhány biszulfát iont, amelyek visszatérnek az elektrolitoldatba.
Ha azonban az ólom-sav akkumulátor túl sokat üríthet, vagy túl sokáig marad az újratöltés előtt, az ólom-szulfát bevonatai kemény kristályokká alakulnak, amelyeket a töltési folyamat nem távolíthat el.,
Ultrabattery
kifejlesztett CSIRO, az Ultrabattery egy souped-up változata a hagyományos ólom-sav akkumulátor. Ötvözi a standard ólom-sav akkumulátor technológiát egy szuperkapacitorral. Amikor egy normál ólom-sav akkumulátor lemerül, az azt meghajtó reakció ólom-szulfát kristályok képződését eredményezi mind az anódon, mind a katódon. Az újratöltési folyamat eltávolítja ezeket a bevonatokat, de az elektródák (tehát az akkumulátor) idővel lebomlanak., Ezenkívül az akkumulátor nem szeret részleges töltöttségi állapotban működni—olyan állapotban, amikor az akkumulátort ismételt rövid lemerülési és újratöltési ciklusoknak vetik alá anélkül, hogy az akkumulátort teljesen kiürítenék vagy teljesen feltöltenék. Ez a részleges töltési állapot különösen fontos a járművek számára.
az UltraBattery a supercapacitort használja az ólom-sav akkumulátor ólomelektródáinak problémás reakcióinak kompenzálására, növelve annak élettartamát., Mivel a supercapacitor nagyon gyorsan képes feltölteni és tárolni a töltést, fel tudja tölteni a rendelkezésre álló energiát, majd a megfelelő sebességgel táplálja az akkumulátort. Képes csökkenteni a szulfátok felhalmozódását, amelyek a lemerülési–újratöltési folyamatból származnak egy szabványos ólom-sav akkumulátorban.
az UltraBattery is viszonylag olcsó, körülbelül 70 százalékkal olcsóbb, mint a hibrid elektromos autókban jelenleg használt lítium-ion akkumulátorok. Az UltraBattery másik lehetséges felhasználása az erőművekben lenne, a megújuló energiaforrások, például a napenergia és a szél által termelt energia tárolása és “simítása”., Az ausztráliai nagyszabású szélerőmű-kísérletek során az UltraBattery felülmúlta a hagyományos ólom-savas elemeket.
- mi a supercapacitor?
a kondenzátor olyan, mint egy akkumulátor … de nem igazán. Az akkumulátor energiája az összetevők közötti kémiai reakcióból származik. A villamos energiát az anód és a katód közötti redox reakcióban lévő elektronok áramlása generálja.
a kondenzátor energiát is biztosít, de nem kémiai reakcióból származik., A kondenzátorok két vezetőképes lemezből készülnek, dielektrikummal vagy szigetelővel (olyan anyag, amely nem vezet áramot) a kettő között. Amikor ezek a lemezek elektromos áramhoz kapcsolódnak, az áram áramlik bele; az egyik lemez negatív töltést tárol a felületi atomjain, a másik pedig pozitív töltést, ismét a felszíni atomokon. Mivel ezeket a különböző töltésű lemezeket a nem vezető dielektrikum választja el, létrejön egy elektromos mező, amely tárolja az elektromos energiát. Amikor a kondenzátor egy másik áramkörhöz csatlakozik, felszabadítja (kisül) az elektromos energiát.,
A kondenzátorok általában nagyon gyorsan felszabadítják energiájukat-gyors energiát biztosítanak. Ez meglehetősen specifikus feladatokhoz teszi őket hasznossá, például a vaku bekapcsolásához a fényképezőgépen. A vaku gyorsan sok energiát használ a fényes fény létrehozásához, majd a kondenzátor újratöltődik a kamera akkumulátoráról, így újra használható a következő fényképhez.
a felhő kondenzátor—mivel a felhőben lévő kis jégrészecskék ütköznek egymással és más nedvességrészecskékkel, az elektronok leüthetők. Ezek az elektronok általában felhalmozódnak a felhő alsó régióiban., A kicsi, most pozitív töltésű részecskék a felhő teteje felé emelkednek. Ez azt jelenti, hogy egy töltéselválasztás, és egy elektromos mező épül fel a felhőben. Mivel a felhő alján lévő negatív töltés növeli az erőt, taszítja tőle más negatív töltéseket—a Föld felszínén lévő elektronokat mélyebbre tolja a talajba, ami azt jelenti, hogy pozitív töltés épül fel a felszínen. Végül egy negatív töltésű régiót (a felhő alját) választunk el, amelyet egy pozitív töltésű régiótól (a földtől) elválasztunk egy rossz áramvezető (a levegő)., Ha az elektromos mező a felhő nő elég erős nem törik le a környező levegő ionizált (feltöltve) részecskék, átalakítva a nem vezető szigetelő, egy karmester. A felhőben tárolt elektromos energia azonnal felszabadul, villámcsapás közben.
A szuperkondenzátorok egyszerűen extra teljesítményű kondenzátorok, nagyobb kapacitással. Ez azt jelenti, hogy sokkal több elektromos energiát tudnak tárolni, mint a normál kondenzátorok.,
Nikkel-kadmium
Bár most már ők is tisztán régi hír, hogy a nikkel-kadmium (NiCad) elem volt az első, újratölthető akkumulátorok, használt kéziszerszámok, fáklyák, illetve más hordozható eszközök. Ezek voltak a srácok a mobiltelefonjainkban, mielőtt a lítium-ion akkumulátorok elindították őket. Néha még mindig régi, újratölthető AA elemként találhatók fáklyákhoz és játékokhoz. Az ólom-savas akkumulátorhoz hasonlóan ez a sejtkémia már régóta létezik-az első NiCad akkumulátorok 1910-ben kerültek forgalomba!,
az anód kadmiumból (Cd) készül, katódjaik nikkel-oxid-hidroxid (NiO(OH)2), általában kálium-hidroxid (KOH) elektrolittal.
A nikkel-oxid-hidroxid nagyon jó elektródot képez, mivel nagy felületű lehet, ami növeli a reakcióhoz rendelkezésre álló aktív területet., Továbbá nem reagál az elektrolittal a reakció során, ami az elektrolitoldatot jól és tisztán tartja, és segít a sejtnek (viszonylag) hosszú ideig tartani, mielőtt a bosszantó mellékreakciók lebomlanak.
A NiCad elemeknek néhány hiányossága volt. Először is hajlamosak voltak valami úgynevezett “memória effektusra”, ahol az akkumulátorok “emlékeznek” a korábbi lemerülési szintekre, és nem töltik fel megfelelően. Ezt a nagy, nem pedig kicsi kadmiumkristályok képződése okozta az újratöltési folyamat során., Az akkumulátor megfelelő lemerülésének biztosítása az újratöltés előtt valamilyen módon megakadályozta ezt a problémát. De óvatosnak kellett lennie—a NiCad akkumulátor teljes lemerülése szintén megrongálta.
másodszor, a NiCad akkumulátor önkisülési sebessége havonta körülbelül 15-20 százalék. Ez azt jelenti, hogy ha néhány hónapig ültek a polcon, akkor a töltésük nagy részét elvesztették.
harmadszor, a kadmium drága, mérgező nehézfém, ami azt jelentette, hogy az akkumulátorok ártalmatlanítása nem volt jó a környezet számára.,
Nikkel-fém hidrid (NiMH)
Ezek a problémák a NiCad elemeket vezetett, hogy a kadmium anód, hogy helyébe egy hidrogén-elnyelő intermetallikus alufelni (kombinációja fémek, meghatározott kristály szerkezet), amely képes zabál fel, hogy 7% – os hidrogén-tartalommal. Lényegében az anód a hidrogén;a fémötvözet csupán tárolóedényként szolgál.
a fémek leggyakoribb kombinációja az ötvözethez erős hidridképző képességű, gyenge hidridképző fémekkel együtt.,
a fémötvözet összeállításakor egy másik szempont az, hogy amikor egyes fémek felszívják a hidrogént, a reakció hőt bocsát ki—exoterm. Mások endoterm reakcióban szívják fel a hőt. Nem igazán akarunk olyan akkumulátort, amely vagy hőt termel vagy szív, amikor lemerül, tehát az erős–gyenge hidridképző kombinációval együtt, amelyből az ötvözet is készül, exoterm és endoterm Fémek kombinációjára van szükségünk.
az akkumulátor elektromos áramát előállító elektronok a hidrogénatomok oxidációjából származnak, amelyek protonokká alakulnak., Ezek a protonok hidroxidionokkal (OH -) reagálnak az elektrolitból, hogy vizet hozzanak létre. Az anódot alkotó fémötvözet a hidrogénnel együtt nem vesz részt a sejtet meghajtó kémiai reakcióban; alapvetően egy járókelő, amely csak otthont ad az összes fontos hidridionnak.
A nikkel-fém-hidrid akkumulátorok feszültség, kapacitás és alkalmazás szempontjából nagyon hasonlítanak a NiCad elemekhez. A memóriahatás kisebb probléma, mint a NiCad – ok esetében, és nagyobb az energiasűrűségük. Még mindig használják őket az újratölthető AA akkumulátorok szabványaként.,
Alkáli
az alkáli elemeket játékokban, elektronikában, a kilencvenes években használt hordozható CD-lejátszókban, valamint a nyolcvanas években népszerű Walkman-okban használják. Ezek teszik ki a ma gyártott akkumulátorok nagy részét, bár helyüket a tetején valószínűleg hamarosan megtámadják a telefonok, laptopok lítium-ion akkumulátorai és egyre több más eszköz.
népszerűek, mivel alacsony önkisülési sebességük van, hosszú eltarthatóságot biztosítva számukra, és nem tartalmaznak mérgező nehézfémeket, például ólmot vagy kadmiumot. Bár újratölthető alkáli elemeket fejlesztettek ki, ezek a srácok általában csak egyszer használhatók. Ha már ki díj, ez ki az újrahasznosító depó (vagy, általában, a hulladéklerakó, mivel nincs sok helyen, hogy újrahasznosítani őket).
ezeknek az elemeknek anódjukként cink, katódjukként pedig mangán-dioxid (MnO2) van., Nevük azonban az elektrolitként használt lúgos oldatból származik. Általában kálium-hidroxid (KOH), amely számos oldott iont tartalmazhat. Minél több iont képes elnyelni az elektrolit oldat, annál hosszabb ideig tarthat az akkumulátort meghajtó redox reakció.
a cink anód általában por alakú. Ez nagyobb felületet biztosít a reakcióhoz, ami azt jelenti, hogy a sejt elég gyorsan felszabadíthatja erejét., Elektronjait átadja a mangán-dioxid katódnak, amelyhez grafit formájában szén kerül hozzáadásra vezetőképességének javítása és alakjának megőrzése érdekében.
és ez elvezet minket az akkumulátorokhoz, amelyek manapság az okostelefonok és laptopok nagy részét táplálják: lítium-ion akkumulátorok. Ezek a srácok annyira fontosak, hogy a megérdemelt tisztelettel (és részletességgel) akartuk kezelni őket, így a saját Nova funkciójukban olvashatsz róluk.