rodzaje akumulatorów
nasi starzy przyjaciele
kwasowo-ołowiowy
Kiedy ostatni raz trzeba było wyciągnąć korbę, włożyć ją do wału korbowego samochodu i dobrze skręcić, aby uruchomić silnik? Nigdy? To dlatego, że mamy akumulatory kwasowo-ołowiowe podłączone do naszych silników samochodowych, które zapewniają ten impuls mocy, którego silnik potrzebuje do uruchomienia. Zostały one wynalezione przez Gastona Planté w 1859 roku.
jak sama nazwa wskazuje, te baterie mają w sobie trochę ołowiu. W rzeczywistości obie elektrody (przewody, przez które elektryczność wchodzi lub opuszcza akumulator) zawierają trochę ołowiu-anoda (elektroda dodatnio zmieniona) wykonana jest z metalu ołowiowego (Pb), a katoda (elektroda ujemnie naładowana) to dwutlenek ołowiu (PbO2). Elektrody są umieszczone w roztworze elektrolitu kwasu siarkowego (H2SO4), który składa się z jonów wodorowych (H+) i jonów wodorosiarczanowych (HSO4).,
ołów na anodzie reaguje z wodorosiarczanem z elektrolitu, uwalniając niektóre elektrony i wytwarzając siarczan ołowiu, który tworzy kryształy na anodzie i jony wodorowe, które przechodzą do elektrolitu. Elektrony przemieszczają się do katody przez obwód zewnętrzny, gdzie wraz z wodorosiarczanem i jonami wodorowymi z elektrolitu reagują z katodą dwutlenku ołowiu. W ten sposób powstaje również siarczan ołowiu, który ponownie tworzy kryształy, tym razem na katodzie.,
akumulatory ołowiowo-kwasowe są ładowane-te w naszych samochodach ładują się za pomocą małego generatora podłączonego do silnika, zwanego alternatorem. Dlatego, gdy zostawisz włączone światła samochodu i bateria się rozładuje, zaleca się jazdę przez chwilę po uruchomieniu, aby dać akumulatorowi czas na ponowne naładowanie.
podczas ładowania akumulatora opisane powyżej reakcje chemiczne wytwarzające energię elektryczną są wymuszane do tyłu. Powłoki siarczanu ołowiu są rozpuszczane i wtłaczane z powrotem do elektrolitu jako jony Pb2+ i SO42 -., Jony Pb2+ następnie pobierają dwa elektrony i są ponownie powleczone na anodę jako neutralne Pb.
na katodzie jony Pb2+ oddają dwa elektrony, aby utworzyć i reagować z cząsteczkami wody (H2O), aby ponownie utworzyć neutralny dwutlenek ołowiu na katodzie, a niektóre jony wodorosiarczanu, które wracają do roztworu elektrolitu.
jednak, jeśli akumulator kwasowo-ołowiowy może rozładować się zbyt dużo lub pozostanie zbyt długo przed ładowaniem, powłoki siarczanu ołowiu tworzą twarde kryształy, których nie można usunąć w procesie ładowania.,
Ultrabattery
opracowany w CSIRO, Ultrabattery jest ulepszoną wersją tradycyjnej baterii ołowiowo-kwasowej. Łączy w sobie standardową technologię akumulatorów kwasowo-ołowiowych z superkondensatorem. Gdy normalny akumulator kwasowo-ołowiowy rozładowuje się, reakcja, która go napędza, powoduje powstanie kryształów siarczanu ołowiu zarówno na anodzie, jak i katodzie. Proces ładowania usuwa te powłoki, ale elektrody (a tym samym akumulator) ulegają degradacji z czasem., Ponadto bateria nie lubi działać w stanie częściowego naładowania—stan, w którym bateria jest poddawana powtarzającym się krótkim cyklom rozładowania i ładowania, bez całkowitego opróżnienia baterii lub pełnego naładowania. Ten częściowy stan naładowania jest szczególnie ważny dla pojazdów.
Ultrabateria wykorzystuje superkondensator do kompensacji problematycznych reakcji elektrod ołowiowych w akumulatorze ołowiowo-kwasowym, zwiększając jego żywotność., Ponieważ superkondensator może bardzo szybko pobierać i przechowywać ładowanie, może pożreć dostępną moc, a następnie podawać ją do akumulatora z odpowiednią szybkością. Udaje mu się zmniejszyć gromadzenie się siarczanów, które wynikają z procesu rozładowania-ładowania w standardowym akumulatorze ołowiowo-kwasowym.
UltraBattery są również stosunkowo tanie w produkcji, około 70% tańsze niż akumulatory litowo-jonowe stosowane obecnie w samochodach hybrydowych z napędem elektrycznym. Innym potencjalnym zastosowaniem UltraBattery byłoby w elektrowniach, do przechowywania i „gładkie” energii wytwarzanej przez odnawialne źródła, takie jak energia słoneczna i wiatrowa., Podczas dużych prób farm wiatrowych w Australii ultrabateria przewyższyła konwencjonalne akumulatory ołowiowo-kwasowe.
- co to jest superkondensator?
kondensator jest jak bateria … ale nie do końca. Energia akumulatora pochodzi z reakcji chemicznej między jego składnikami. Energia elektryczna jest wytwarzana przez przepływ elektronów w reakcji redoks między anodą a katodą.
Kondensator dostarcza również energii, ale nie pochodzi z reakcji chemicznej., Kondensatory zbudowane są z dwóch płyt przewodzących, z dielektrykiem lub izolatorem (substancją, która nie przewodzi elektryczności) pomiędzy nimi. Kiedy te płyty są podłączone do prądu elektrycznego, prąd płynie do nich; jedna płyta przechowuje ładunek ujemny na atomach powierzchniowych, a druga ładunek dodatni, ponownie na atomach powierzchniowych. Ponieważ te inaczej naładowane płytki są oddzielone nieprzewodzącym dielektrykiem, powstaje pole elektryczne, które magazynuje energię elektryczną. Gdy kondensator jest podłączony do innego obwodu, uwalnia (rozładowuje) energię elektryczną.,
Kondensatory zwykle bardzo szybko uwalniają swoją energię-dostarczają szybkich impulsów energii. Dzięki temu są one przydatne do dość specyficznych zadań, takich jak zasilanie lampy błyskowej w aparacie. Lampa błyskowa szybko zużywa dużo energii, aby stworzyć jasne światło, a następnie Kondensator ładuje się z baterii aparatu, dzięki czemu można go ponownie użyć do następnego zdjęcia.
chmura jest kondensatorem—ponieważ małe cząsteczki lodu w chmurze zderzają się ze sobą i innymi cząstkami wilgoci, elektrony mogą zostać strącone. Elektrony te mają tendencję do gromadzenia się w niższych regionach chmury., Małe, a teraz naładowane dodatnio cząstki wznoszą się w kierunku szczytu obłoku. Oznacza to separację ładunku i nagromadzenie pola elektrycznego w chmurze. Gdy ładunek ujemny na dnie chmury rośnie w siłę, odpycha od niego inne ładunki ujemne—wypycha elektrony na powierzchni Ziemi głębiej w ziemię, co oznacza, że ładunek dodatni gromadzi się na powierzchni. Kończymy z regionem naładowanym ujemnie (dno chmury), oddzielonym od regionu naładowanego dodatnio (Ziemia) słabym przewodnikiem elektryczności (powietrze)., Gdy pole elektryczne w chmurze będzie wystarczająco silne, może „rozbić” otaczające powietrze na zjonizowane (naładowane) cząstki, przekształcając je z nieprzewodzącego izolatora w Przewodnik. Energia elektryczna zmagazynowana w chmurze jest natychmiast uwalniana, w błyskawicy.
superkondensatory są po prostu bardzo mocnymi kondensatorami, o większej pojemności. Oznacza to, że są w stanie przechowywać znacznie więcej energii elektrycznej niż zwykłe Kondensatory.,
niklowo-kadmowe
chociaż są one teraz wyraźnie stare, baterie niklowo-kadmowe (NiCad) były pierwszymi akumulatorami używanymi w elektronarzędziach, latarkach i innych urządzeniach przenośnych. To byli faceci w naszych telefonach, zanim baterie litowo-jonowe je uruchomiły. Czasami nadal można je znaleźć jako stare akumulatory AA do latarek i zabawek. Podobnie jak bateria kwasowo-ołowiowa, ta chemia ogniw istnieje od dawna—pierwsze baterie NiCad trafiły do sprzedaży w 1910 roku!,
anoda wykonana jest z kadmu (Cd), a ich katody to wodorotlenek tlenku niklu (NIO (OH) 2), Zwykle z elektrolitem wodorotlenku potasu (KOH).
wodorotlenek tlenku niklu tworzy bardzo dobrą elektrodę, ponieważ może być wytwarzany, aby mieć dużą powierzchnię, a to zwiększa obszar aktywny Dostępny dla reakcji., Ponadto nie reaguje z elektrolitem podczas reakcji, co utrzymuje roztwór elektrolitu miły i czysty i pomaga komórce trwać (stosunkowo) długo, zanim nieprzyjemne reakcje boczne spowodują jego degradację.
baterie NiCad miały kilka wad. Po pierwsze, były podatne na coś, co nazywa się „efektem pamięci”, w którym baterie „pamiętały” poprzednie poziomy rozładowania i nie ładowały się prawidłowo. Było to spowodowane powstawaniem dużych, a nie małych kryształów kadmu podczas procesu ładowania., Upewnienie się, że bateria została prawidłowo rozładowana przed naładowaniem poszło w jakiś sposób w kierunku zapobiegania temu problemowi. Ale trzeba było być ostrożnym-całkowite rozładowanie baterii NiCad również ją uszkodziło.
Po Drugie, szybkość samorozładowania akumulatora NiCad wynosi około 15-20% miesięcznie. Oznacza to, że jeśli siedzieli na półce przez kilka miesięcy, stracili wiele z ich ładunku.
Po Trzecie, kadm jest drogi i toksyczny metal ciężki, co oznaczało, że utylizacja baterii nie była dobra dla środowiska.,
Nikiel-wodorek metalu (NiMH)
te problemy z akumulatorami NiCad doprowadziły do zastąpienia anody kadmowej stopem intermetalicznym pochłaniającym Wodór (kombinacja metali o określonej strukturze krystalicznej), który może pochłaniać do 7% wagowo wodoru. Zasadniczo anodą jest wodór; stop metalu służy jedynie jako zbiornik magazynowy dla niego.
najczęstszą kombinacją metali dla tego stopu są te o silnej zdolności do formowania wodorków, wraz ze słabym metalem do formowania wodorków.,
inną kwestią przy składaniu stopu metalu jest to, że gdy niektóre metale absorbują Wodór, reakcja wydziela ciepło—jest egzotermiczna. Inne pochłaniają ciepło w reakcji endotermicznej. Tak naprawdę nie chcemy baterii, która wytwarza lub zasysa ciepło podczas rozładowywania, więc wraz z silnie–słabą kombinacją wodorków, z której wykonany jest stop, potrzebujemy kombinacji metali egzotermicznych i endotermicznych.
elektrony wytwarzające prąd elektryczny akumulatora pochodzą z utleniania atomów wodoru, które przekształcają się w protony., Protony te reagują z jonami wodorotlenkowymi (OH-) z elektrolitu, tworząc wodę. Stop metalu, który tworzy anodę wraz z wodorem, nie bierze udziału w reakcji chemicznej, która napędza ogniwo; jest to w zasadzie obserwator, który po prostu zapewnia dom dla wszystkich ważnych jonów wodorkowych.
akumulatory niklowo-wodorkowe są bardzo podobne do akumulatorów NiCad pod względem napięcia, pojemności i zastosowania. Efekt pamięci jest mniej problem niż w przypadku NiCads i mają większą gęstość energii. Nadal są używane jako standard dla akumulatorów AA.,
alkaliczne
baterie alkaliczne są używane w zabawkach, elektronice, przenośnych odtwarzaczach CD, z których korzystaliśmy w latach dziewięćdziesiątych, i walkmanach, które były popularne w latach osiemdziesiątych. Stanowią one większość baterii, które są obecnie produkowane, chociaż ich miejsce na szczycie prawdopodobnie wkrótce będą kwestionowane przez baterie litowo-jonowe w naszych telefonach, laptopach i coraz większej liczbie innych gadżetów.
są popularne, ponieważ mają niski wskaźnik samorozładowania, co daje im długi okres przydatności do spożycia i nie zawierają toksycznych metali ciężkich, takich jak ołów lub kadm. Chociaż akumulatory alkaliczne zostały opracowane, te chłopaki są na ogół tylko jednorazowego użytku. Gdy już nie będą naładowane, trafią na składowisko odpadów (lub, bardziej zwykle, na wysypisko, ponieważ nie ma wielu miejsc, które je recyklingują).
baterie te mają cynk jako swoją anodę, a dwutlenek manganu (MnO2) jako katodę., Ich nazwa pochodzi jednak od roztworu alkalicznego stosowanego jako elektrolit. Zwykle jest to wodorotlenek potasu (KOH), który może zawierać dużą liczbę rozpuszczonych jonów. Im więcej jonów może wchłonąć roztwór elektrolitu, tym dłuższa reakcja redoks, która napędza akumulator, może trwać.
anoda cynkowa jest zwykle w postaci sproszkowanej. Daje to większą powierzchnię reakcji, co oznacza, że komórka może dość szybko uwolnić swoją moc., Oddaje swoje elektrony katodzie dwutlenku manganu, do której dodaje się węgiel w postaci grafitu, aby poprawić jego przewodność i pomóc utrzymać jego kształt.
i to prowadzi nas do baterii, które w dzisiejszych czasach zasilają większość naszych smartfonów i laptopów: baterii litowo-jonowych. Ci faceci są tak ważni ,że chcieliśmy traktować ich z szacunkiem (i szczegółami), na jakie zasługują, więc można o nich przeczytać w ich własnej funkcji Nova.