typer av batterier
våra gamla vänner
bly-syra
När var sista gången du var tvungen att dra ut ditt vevhandtag, sätt in det i bilens vevaxel och ge det en bra tur att få motorn igång? Aldrig? Det beror på att vi har bly-syra batterier anslutna till våra bilmotorer som ger den ström som motorn behöver komma igång. Dessa uppfanns av Gaston Planté 1859.
som namnet antyder har dessa batterier viss ledning i dem. Faktum är att båda elektroderna (ledarna genom vilka el kommer in eller lämnar batteriet) innehåller viss bly—anoden (positivt förändrad elektrod) är gjord av blymetall (Pb) och katoden (den negativt laddade elektroden) är blydioxid (PbO2). Elektroderna placeras i en elektrolytlösning av svavelsyra (H2SO4), som består av vätejoner (H+) och bisulfatjoner (HSO4).,
ledningen vid anoden reagerar med bisulfatet från elektrolyten, frigör vissa elektroner och producerar blysulfat, vilket bildar kristaller på anoden och vätejoner som går in i elektrolyten. Elektronerna färdas över till katoden via en extern krets, där de tillsammans med bisulfat och vätejoner från elektrolyten reagerar med blydioxidkatoden. Detta producerar också blysulfat, som återigen bildar kristaller, den här gången på katoden.,
blybatterier är laddningsbara-de i våra bilar laddar upp med en liten generator ansluten till motorn, kallad generatorn. Det är därför när du har lämnat din bil lyser och batteriet är borta platt är det lämpligt att köra runt ett tag efter att få hopp-start för att ge batteriet tid att ladda upp igen.
som batteriet laddas, tvingas de kemiska reaktioner som beskrivs ovan som producerar elen bakåt. Blysulfatbeläggningarna löses upp och tvingas tillbaka in i elektrolyten som Pb2 + och SO42 – joner., Pb2 + – jonerna plockar sedan upp två elektroner och ompläteras på anoden som neutral PB.
vid katoden ger Pb2 + – jonerna upp två elektroner för att bilda och reagera med vatten (H2O) molekyler för att återforma neutral blydioxid på katoden och några bisulfatjoner som går tillbaka till elektrolytlösningen.
om ett blybatteri får laddas ur för mycket, eller lämnas för länge innan det laddas, bildas beläggningar av blysulfat i hårda kristaller som inte kan avlägsnas genom laddningsprocessen.,
Ultrabattery
utvecklad på CSIRO, Ultrabattery är en souped-up version av en traditionell bly-syra batteri. Den kombinerar standard bly-syra batteriteknik med en supercapacitor. När ett normalt blybatteri urladdas resulterar reaktionen som driver det i bildandet av blysulfatkristaller på både anoden och katoden. Laddningsprocessen tar bort dessa beläggningar, men elektroderna (och därmed batteriet) försämras över tiden., Dessutom gillar inte batteriet att fungera i ett partiellt laddningstillstånd—ett tillstånd där batteriet utsätts för upprepade korta cykler av urladdning och laddning, utan att någonsin helt tömma batteriet eller ladda upp det helt. Detta partiella laddningstillstånd är särskilt viktigt för fordon.
Ultrabatteriet använder superkapacitorn för att kompensera för de problematiska reaktionerna hos blyelektroderna i blybatteriet, vilket ökar dess livslängd., Eftersom en supercapacitor kan ta in och lagra laddning mycket snabbt, kan den sluka upp tillgänglig ström och sedan mata den till batteriet i precis rätt takt. Det lyckas minska uppbyggnaden av sulfater som härrör från urladdningsprocessen i ett vanligt blybatteri.
Ultrabatteriet är också relativt billigt att göra, omkring 70 procent billigare än de litiumjonbatterier som för närvarande används i hybridbilar. En annan potentiell användning för Ultrabatteriet skulle vara vid kraftverk, för att lagra och ”släta” den energi som produceras av förnybara källor som sol och vind., I storskaliga vindkraftsförsök i Australien har Ultrabatteriet överträffat konventionella blysyrabatterier.
- Vad är en superkapacitor?
en kondensator är ungefär som ett batteri … men inte riktigt. Ett batteri energi kommer från den kemiska reaktionen mellan dess komponenter. Elektricitet genereras av flödet av elektroner inom redoxreaktionen mellan anoden och katoden.
en kondensator ger också energi, men det kommer inte från en kemisk reaktion., Kondensatorer är gjorda av två ledande plattor, med en dielektrisk eller en isolator (ett ämne som inte leder elektricitet) däremellan. När dessa plattor är anslutna till en elektrisk ström strömmar strömmen in i dem; en platta lagrar en negativ laddning på dess ytatomer och den andra en positiv laddning, igen på ytatomerna. Eftersom dessa olika laddade plattor separeras av den icke-ledande dielektriska skapas ett elektriskt fält som lagrar den elektriska energin. När kondensatorn är ansluten till en annan krets släpper den ut (urladdar) den elektriska energin.,
kondensatorer släpper vanligtvis sin energi mycket snabbt—de ger snabba utbrott av energi. Detta gör dem användbara för ganska specifika uppgifter, till exempel att driva blixten på en kamera. Blixten använder snabbt mycket energi för att skapa det ljusa ljuset, då laddar kondensatorn sig från kamerans batteri så att den kan användas igen för nästa foto.
ett moln är en kondensator—eftersom små ispartiklar i molnet kolliderar med varandra och andra fuktpartiklar kan elektroner slås av. Dessa elektroner tenderar att ackumuleras inom molnets nedre områden., De små, och nu positivt laddade, partiklarna stiger mot toppen av molnet. Detta innebär en laddning separation, och ett elektriskt fält, bygger upp inom molnet. Eftersom den negativa laddningen i botten av molnet ökar i styrka, avstöter den andra negativa laddningar från den-det skjuter elektronerna på jordens yta djupare in i marken, vilket innebär att en positiv laddning byggs upp på ytan. Vi slutar med en negativt laddad region (botten av molnet), separerad från en positivt laddningsregion (marken) av en dålig ledare av el (luften)., När det elektriska fältet i molnet växer tillräckligt starkt kan det ”bryta ner” den omgivande luften till joniserade (laddade) partiklar och omvandla den från en icke-ledande isolator till en ledare. Den elektriska energin som lagras i molnet släpps omedelbart, i en blixt av blixtnedslag.
superkapacitorer är helt enkelt extra kraftfulla kondensatorer, med högre kapacitet. Det betyder att de kan lagra mycket mer elektrisk energi än normala kondensatorer.,
Nickel-Kadmium
Även om de nu är tydligt gamla nyheter, nickel-kadmium (NiCad) batterier var de första uppladdningsbara batterier som används i elverktyg, facklor och andra bärbara enheter. Det var killarna i våra mobiltelefoner innan litiumjonbatterier startade upp dem. Ibland finns de fortfarande som gamla laddningsbara AA-batterier för facklor och leksaker. Liksom blybatteriet har denna cellkemi funnits länge-de första NiCad-batterierna såldes 1910!,
anoden är gjord av kadmium (Cd) och deras katoder är nickeloxidhydroxid (NiO(OH)2), vanligtvis med en elektrolyt av kaliumhydroxid (KOH).
Nickeloxidhydroxid gör en mycket bra elektrod, eftersom den kan produceras för att ha en stor yta, vilket ökar det aktiva området som är tillgängligt för reaktionen., Det reagerar inte heller med elektrolyten under reaktionen, vilket håller elektrolytlösningen fin och ren och hjälper cellen att hålla en (relativt) lång tid innan irriterande sidreaktioner gör att den försämras.
NiCad batterier hade några brister. För det första var de benägna att något som kallas ”minneseffekten”, där batterierna skulle ”komma ihåg” tidigare urladdningsnivåer och inte laddas ordentligt. Detta orsakades av bildandet av stora, snarare än små kadmiumkristaller under laddningsprocessen., Se till att batteriet var korrekt urladdat innan du laddar det gick något sätt för att förhindra detta problem. Men du måste vara försiktig – helt urladda ett NiCad batteri skadade det också.
För det andra är självurladdningsgraden för ett NiCad-batteri cirka 15-20 procent per månad. Det betyder att om de satt på hyllan i några månader, förlorade de mycket av sin laddning.
För det tredje är kadmium dyrt och en giftig tungmetall, vilket innebar att bortskaffandet av batterierna inte var något bra för miljön.,
Nickelmetallhydrid (NiMH)
dessa problem med NiCad-batterier ledde till att kadmiumanoden ersattes med en väteabsorberande intermetalllegering (en kombination av metaller med en definierad kristallstruktur) som kan sluka upp till 7 procent väte i vikt. I huvudsak är anoden vätet; metallegeringen fungerar bara som ett lagerkärl för det.
den vanligaste kombinationen av metaller för denna legering är de med en stark hydridbildande förmåga, tillsammans med en svag hydridbildande metall.,
ett annat övervägande när man sätter ihop metallegeringen är att när vissa metaller absorberar väte, ger reaktionen av värme—det är exotermt. Andra absorberar värme i en endotermisk reaktion. Vi vill inte ha ett batteri som antingen producerar eller suger i värme när det släpper ut, så tillsammans med den starka svaga hydridformningskombinationen är legeringen också gjord av, behöver vi en kombination av exoterma och endoterma metaller.
elektronerna som producerar batteriets elektriska ström kommer från oxidationen av väteatomer, som blir protoner., Dessa protoner reagerar med hydroxidjoner (OH -) från elektrolyten för att göra vatten. Metallegeringen som bildar anoden tillsammans med vätet deltar inte i den kemiska reaktionen som driver cellen.det är i grunden en åskådare som bara ger ett hem för de viktiga hydridjonerna.
Nickelmetallhydrid-batterier liknar mycket NiCad-batterier när det gäller spänning, kapacitet och tillämpning. Minneseffekten är mindre av ett problem än med NiCads och de har en högre energitäthet. De används fortfarande som standard för laddningsbara AA-batterier.,
Alkaliska
Alkaliska batterier används i leksaker, elektronik, bärbara CD-spelare som vi använde på nittiotalet, och Walkmans som var populära på åttiotalet. De står för huvuddelen av batterier som görs idag, även om deras plats på toppen kommer sannolikt snart att ifrågasättas av litiumjonbatterierna i våra telefoner, bärbara datorer och ett ökande antal andra prylar.
de är populära eftersom de har en låg självurladdningshastighet, vilket ger dem en lång hållbarhet och inte innehåller giftiga tungmetaller som bly eller kadmium. Även om uppladdningsbara alkaliska batterier har utvecklats, är dessa killar i allmänhet endast engångsbruk. När de är out of charge, det är iväg till återvinningsdepå (eller, mer vanligtvis, till deponi, eftersom det inte finns många platser som återvinner dem).
dessa batterier har zink som anod och mangandioxid (MnO2) som katod., Deras namn kommer emellertid från den alkaliska lösningen som används som elektrolyt. Det är vanligtvis kaliumhydroxid (KOH), som kan innehålla ett stort antal upplösta joner. Ju fler joner elektrolytlösningen kan absorbera, ju längre redoxreaktionen som driver batteriet kan fortsätta.
zinkanoden är vanligtvis i pulverform. Detta ger en större yta för reaktion, vilket innebär att cellen kan frigöra sin kraft ganska snabbt., Det ger upp sina elektroner till mangandioxidkatoden, till vilken kol, i form av grafit, läggs till för att förbättra ledningsförmågan och hjälpa den att hålla sin form.
och detta leder oss till de batterier som dessa dagar driver de flesta av våra smarta telefoner och bärbara datorer: litiumjonbatterier. Dessa killar är så viktiga att vi ville behandla dem med respekt (och detaljer) de förtjänar, så att du kan läsa om dem i sin egen Nova-funktion.