soorten accu’ s
onze oude vrienden
loodzuur
wanneer moest u voor het laatst uw krukas uittrekken, in de krukas van uw auto steken en een goede draai geven om de motor te laten draaien? Nooit? Dat komt omdat we loodaccu ‘ s hebben aangesloten op onze automotoren die zorgen voor de kracht die de motor nodig heeft om op gang te komen. Deze werden uitgevonden door Gaston Planté in 1859.
zoals de naam al aangeeft, hebben deze batterijen wat lood. In feite bevatten beide elektroden (de geleiders waardoor elektriciteit de batterij binnenkomt of verlaat) wat lood—de anode (positief veranderde elektrode) is gemaakt van loodmetaal (Pb) en de kathode (de negatief geladen elektrode) is looddioxide (PbO2). De elektroden worden geplaatst in een elektrolytoplossing van zwavelzuur (H2SO4), die bestaat uit waterstofionen (H+) en bisulfaationen (HSO4).,
het lood bij de anode reageert met het bisulfaat uit de elektrolyt, waardoor enkele elektronen vrijkomen en loodsulfaat ontstaat, dat kristallen vormt op de anode, en waterstofionen die in de elektrolyt terechtkomen. De elektronen reizen via een extern circuit naar de kathode, waar ze, samen met bisulfaat-en waterstofionen uit de elektrolyt, reageren met de looddioxidekathode. Hierdoor ontstaat ook loodsulfaat, dat opnieuw kristallen vormt, dit keer op de kathode.,
loodzuuraccu ’s zijn oplaadbaar-degenen in onze auto’ s laden op met behulp van een kleine generator die is aangesloten op de motor, de alternator genaamd. Dat is de reden waarom wanneer u uw auto lichten op en de batterij is leeg gegaan is het raadzaam om rond te rijden voor een tijdje na het krijgen van de jump-start om de batterij tijd te geven om opnieuw op te laden.
naarmate de batterij wordt opgeladen, worden de hierboven beschreven chemische reacties die de elektriciteit produceren, naar achteren geforceerd. De loodsulfaatcoatings worden opgelost en als Pb2+ en SO42 – ionen terug in de elektrolyt gedrukt., De Pb2 + – ionen nemen dan twee elektronen op en worden als neutrale Pb op de anode geplaatst.
aan de kathode geven de Pb2+-ionen twee elektronen af om te vormen en reageren met watermoleculen (H2O) om neutraal looddioxide op de kathode te vormen, en sommige bisulfaationen die terug in de elektrolytenoplossing gaan.
echter, als een loodzuurbatterij te veel mag ontladen of te lang moet worden opgeladen, vormen de coatings van loodsulfaat zich tot harde kristallen die niet door het laadproces kunnen worden verwijderd.,
Ultrabattery
De Ultrabattery is ontwikkeld door CSIRO en is een opgevoerde versie van een traditionele loodzuurbatterij. Het combineert de standaard loodaccu – technologie met een supercondensor. Wanneer een normale loodzuurbatterij ontlaadt, resulteert de reactie die deze aandrijft in de vorming van loodsulfaatkristallen op zowel de anode als de kathode. Het oplaadproces verwijdert deze coatings, maar de elektroden (en dus de batterij) degraderen na verloop van tijd., Ook werkt de batterij niet graag in een gedeeltelijke oplaadtoestand—een toestand waarin de batterij wordt onderworpen aan herhaalde korte ontlaad-en oplaadcycli, zonder de batterij ooit volledig te legen of volledig op te laden. Deze gedeeltelijke werking van de lading is met name van belang voor voertuigen.
De Ultrabatterij gebruikt de supercondensor om de problematische reacties van de loodelektroden in de loodzuurbatterij te compenseren, waardoor de levensduur ervan wordt verlengd., Omdat een supercondensor de lading zeer snel kan opnemen en opslaan, kan hij de Beschikbare stroom opslokken en deze vervolgens met de juiste snelheid naar de batterij voeren. Het slaagt erin om de opbouw van sulfaten die het gevolg zijn van het lossings-oplaadproces in een standaard loodzuurbatterij te verminderen. de Ultrabatterij is ook relatief goedkoop te maken, ongeveer 70% goedkoper dan de lithium-ion batterijen die momenteel in hybride elektrische auto ‘ s worden gebruikt. Een ander potentieel gebruik voor de Ultrabatterij zou zijn in elektriciteitscentrales, voor het opslaan en ‘glad’ van de energie die wordt geproduceerd door hernieuwbare bronnen zoals zonne-en windenergie., In grootschalige proeven met windmolenparken in Australië presteerde de UltraBattery beter dan conventionele loodzuurbatterijen.
- Wat is een supercapacitor?
een condensator is een soort batterij … maar niet echt. De energie van een batterij komt van de chemische reactie tussen de componenten. Elektriciteit wordt opgewekt door de stroom van elektronen binnen de redoxreactie tussen de anode en de kathode.
een condensator levert ook energie, maar komt niet van een chemische reactie., Condensatoren zijn gemaakt van twee geleidende platen, met een diëlektrische, of een isolator (een stof die geen elektriciteit geleidt) ertussen. Wanneer deze platen zijn aangesloten op een elektrische stroom, de stroom stroomt in hen; een plaat slaat een negatieve lading op zijn oppervlakte-atomen, en de andere een positieve lading, opnieuw op de oppervlakte-atomen. Omdat deze verschillend geladen platen worden gescheiden door de niet-geleidende diëlektrische, wordt een elektrisch veld gecreëerd, dat de elektrische energie opslaat. Wanneer de condensator is aangesloten op een ander circuit, geeft deze de elektrische energie vrij (ontlaadt).,
condensatoren geven hun energie gewoonlijk zeer snel vrij—ze leveren snelle uitbarstingen van energie. Dit maakt ze nuttig voor vrij specifieke taken, zoals het voeden van de flitser op een camera. De flitser gebruikt snel veel energie om het heldere licht te creëren, waarna de condensator zichzelf oplaadt vanaf de batterij van de camera zodat deze weer kan worden gebruikt voor de volgende foto.
een wolk is een condensator – als kleine ijsdeeltjes in de wolk botsen met elkaar en andere vochtdeeltjes, kunnen elektronen worden afgeslagen. Deze elektronen hebben de neiging om zich op te hopen in de lagere gebieden van de wolk., De kleine, en nu positief geladen deeltjes stijgen naar de top van de wolk. Dit betekent dat een ladingsscheiding, en een elektrisch veld, zich opbouwt in de wolk. Als de negatieve lading aan de onderkant van de wolk in kracht toeneemt, stoot het andere negatieve ladingen ervan af—het duwt de elektronen aan het aardoppervlak dieper in de grond, wat betekent dat een positieve lading zich op het oppervlak opbouwt. We eindigen met een negatief geladen gebied (de bodem van de wolk), gescheiden van een positief geladen gebied (de grond) door een slechte geleider van elektriciteit (de lucht)., Wanneer het elektrische veld in de wolk sterk genoeg wordt, kan het de omringende lucht ‘afbreken’ in geïoniseerde (geladen) deeltjes, waardoor het van een niet-geleidende isolator wordt omgezet in een geleider. De in de cloud opgeslagen elektrische energie wordt direct vrijgegeven, in een bliksemflits.
supercondensatoren zijn gewoon extra krachtige Condensatoren met een hogere capaciteit. Dit betekent dat ze in staat zijn om veel meer elektrische energie op te slaan dan normale condensatoren.,
nikkel-cadmium
hoewel ze nu duidelijk oud nieuws zijn, waren nikkel-cadmium (NiCad) – batterijen de eerste oplaadbare batterijen die werden gebruikt in elektrisch gereedschap, zaklampen en andere draagbare apparaten. Dit waren de jongens in onze mobiele telefoons voordat lithium-ion batterijen ze opstartten. Soms zijn ze nog steeds te vinden als oude oplaadbare AA batterijen voor fakkels en speelgoed. Net als de loodzuurbatterij bestaat deze celchemie al lang—de eerste NiCad-batterijen werden in 1910 verkocht!,
de anode wordt gemaakt van cadmium (Cd) en hun kathoden zijn nikkeloxidehydroxide (NiO(OH)2), meestal met een elektrolyt van kaliumhydroxide (KOH).
Nikkeloxidehydroxide vormt een zeer goede elektrode, omdat deze kan worden geproduceerd om een groot oppervlak te hebben, en dit verhoogt het actieve oppervlak dat beschikbaar is voor de reactie., Ook reageert het niet met de elektrolyt tijdens de reactie, waardoor de elektrolyt-oplossing mooi en zuiver blijft en de cel (relatief) lang meegaat voordat vervelende nevenreacties hem degraderen.
NiCad-batterijen hadden enkele tekortkomingen. Ten eerste waren ze gevoelig voor iets dat het ‘geheugeneffect’ wordt genoemd, waarbij de batterijen eerdere ontladingsniveaus ‘herinneren’ en niet goed opladen. Dit werd veroorzaakt door de vorming van grote, in plaats van kleine, cadmiumkristallen tijdens het oplaadproces., Ervoor zorgen dat de batterij goed werd ontladen voordat het opladen ging een manier om dit probleem te voorkomen. Maar je moest voorzichtig zijn-volledig ontladen van een NiCad batterij ook beschadigd.
ten tweede bedraagt de zelfontlading van een NiCad-batterij ongeveer 15-20% per maand. Dit betekent dat als ze een paar maanden op de plank zaten, ze veel van hun lading verloren. ten derde is cadmium duur en een giftig zwaar metaal, waardoor de verwijdering van de batterijen niet goed was voor het milieu.,
nikkel-metaalhydride (NiMH)
deze problemen met NiCad-batterijen hebben ertoe geleid dat de cadmiumanode werd vervangen door een waterstofabsorberende intermetallische legering (een combinatie van metalen met een bepaalde kristalstructuur) die tot 7 gewichtsprocent waterstof kan opslokken. In wezen is de anode de waterstof; de metaallegering dient slechts als opslagvat voor het.
de meest voorkomende combinatie van metalen voor deze legering zijn die met een sterk hydride-vormend vermogen, samen met een zwak hydride-vormend metaal.,
een andere overweging bij het samenstellen van de metaallegering is dat wanneer sommige metalen waterstof absorberen, de reactie warmte afgeeft—het is exotherm. Anderen absorberen warmte in een endotherme reactie. We willen niet echt een batterij die warmte produceert of opzuigt bij het ontladen, dus, samen met de sterk–zwak hydride vormende combinatie waar de legering ook van gemaakt is, hebben we een combinatie van exotherme en endotherme metalen nodig.
de elektronen die de elektrische stroom van de batterij produceren, komen van de oxidatie van waterstofatomen, die in protonen veranderen., Deze protonen reageren met hydroxide-ionen (OH-) uit de elektrolyt om water te maken. De metaallegering die de anode vormt samen met de waterstof neemt niet deel aan de chemische reactie die de cel aandrijft; het is eigenlijk een omstander die alleen maar een thuis biedt voor de allerbelangrijkste hydride-ionen.
nikkel-metaalhydride-batterijen lijken qua spanning, capaciteit en toepassing sterk op NiCad-batterijen. Het geheugeneffect is minder een probleem dan bij NiCads en ze hebben een hogere energiedichtheid. Ze worden nog steeds gebruikt als de standaard voor oplaadbare AA-batterijen.,
Alkaline
alkalinebatterijen worden gebruikt in speelgoed, elektronica, de draagbare CD-spelers die we in de jaren negentig gebruikten en de Walkmans die populair waren in de jaren tachtig. Ze zijn goed voor het grootste deel van de batterijen die vandaag worden gemaakt, hoewel hun plaats aan de top zal waarschijnlijk binnenkort worden betwist door de lithium-ion batterijen in onze telefoons, laptops en een toenemend aantal andere gadgets.
ze zijn populair omdat ze een lage zelfontlading hebben, waardoor ze een lange houdbaarheid hebben en geen giftige zware metalen zoals lood of cadmium bevatten. Hoewel oplaadbare alkaline batterijen zijn ontwikkeld, deze jongens zijn over het algemeen eenmalig gebruik. Zodra ze niet meer opgeladen zijn, gaat het naar het recyclingdepot (of, meer gewoonlijk, naar de stortplaats, omdat er niet veel plaatsen zijn die ze recyclen).
deze batterijen hebben zink als anode en mangaandioxide (MnO2) als kathode., Hun naam komt echter van de alkalische oplossing die wordt gebruikt als elektrolyt. Het is meestal kaliumhydroxide (KOH), die een groot aantal opgeloste ionen kan bevatten. Hoe meer ionen de elektrolytenoplossing kan absorberen, hoe langer de redoxreactie die de batterij aandrijft kan doorgaan.
De zinkanode is gewoonlijk in poedervorm. Dit geeft het een grotere oppervlakte voor reactie, wat betekent dat de cel zijn macht vrij snel kan vrijgeven., Het geeft zijn elektronen af aan de mangaandioxide kathode, waaraan koolstof, in de vorm van grafiet, wordt toegevoegd om zijn geleidbaarheid te verbeteren en te helpen zijn vorm te behouden.
en dit brengt ons bij de batterijen die tegenwoordig de meeste van onze smartphones en laptops aandrijven: lithium-ion-batterijen. Deze jongens zijn zo belangrijk dat we ze wilden behandelen met het respect (en detail) dat ze verdienen, dus je kunt over hen lezen in hun eigen Nova feature.