Принцип роботи акумуляторних батарей
Анакумуляторна батареяце пристрій, який перетворює та накопичує енергію між електричною та хімічною енергією. Під час розряду хімічна енергія безпосередньо перетворюється в електричну; під час заряджання електрична енергія перетворюється назад у хімічну для зберігання. Позитивний і негативний електроди в акумуляторі виготовлені з різних матеріалів. Коли вставляється той самий електроліт, обидва електроди встановлюють власні електродні потенціали, як показано пунктирною лінією ABCD на малюнку 1-4 (простір між пунктирною лінією та електродами представляє утворений подвійний електричний шар). Різниця в рівноважному електродному потенціалі між позитивним і негативним електродами становить електрорушійну силу (ЕРС) E акумулятора.
Рисунок 14 Принципова схема принципу роботи батареї для накопичення енергії
Коли позитивний і негативний електроди підключені до зовнішнього навантаження, матеріал позитивного електрода отримує електрони та піддається реакції відновлення, створюючи катодну поляризацію, таким чином знижуючи потенціал позитивного електрода; матеріал негативного електрода втрачає електрони та вступає в реакцію окислення, виробляючи анодні поляризації, таким чином підвищуючи потенціал негативного електрода. У зовнішньому ланцюзі електрони течуть від негативного електрода до позитивного, тому напрямок струму — від позитивного електрода до негативного. В електроліті перенесення заряду відбувається через рух іонів, тому напрямок струму у внутрішньому ланцюзі – від негативного до позитивного електрода. У розрядженому стані розподіл потенціалу акумулятора показано пунктирними лініями A'B'C'D' на малюнку 1-4. Весь процес утворює повний замкнутий цикл, що дозволяє реакціям окислення та відновлення на електродах тривати безперервно, таким чином забезпечуючи безперервний потік струму в замкнутому контурі. Коли батарея працює, електрохімічні реакції, які генерують електричну енергію на електродах, називаються реакціями генерації потоку, а речовини, які беруть участь у цих реакціях, називаються активними матеріалами.
Процес заряджання акумулятора є, по суті, зворотним процесу його розряджання. Під час зарядки на позитивному електроді відбувається окислення, а на негативному — відновлення; водночас напрямок міграції іонів в електроліті є протилежним до напрямку міграції під час розряду, і для керування процесом хімічного перетворення потрібне зовнішнє джерело живлення, яке перевищує напругу розімкнутого ланцюга батареї, як показано пунктирними лініями A, B, C, D на малюнку 1-4.
Щоб полегшити пряме перетворення хімічної енергії в електричну, окислювально-відновний процес, що відбувається в акумуляторі накопичувача енергії, принципово відрізняється від звичайних окисно-відновних реакцій. В акумуляторі процеси втрати електронів (окислення) і отримання електронів (відновлення) мають бути розділені на різні області. Крім того, коли в реакції беруть участь активні компоненти, електрони повинні протікати по зовнішньому контуру. Ці два ключові елементи відрізняють окислювально-відновний механізм в акумуляторі від звичайних хімічних окислювально-відновних реакцій і реакцій мікро-елементів у явищах електрохімічної корозії.
Склад акумуляторних батарей
Основна акумуляторна батарея повинна містити чотири основні компоненти: електроди, електроліт, сепаратор і корпус батареї.
електрод
Електроди, як ключові компоненти батареї, поділяються на позитивні та негативні електроди, які в основному складаються з активних матеріалів і провідної основи. Серед них активні матеріали генерують електричну енергію за допомогою хімічних реакцій під час розряду батареї та є основним фактором, що визначає продуктивність батареї. Активні речовини здебільшого тверді, але також можуть існувати у вигляді рідин або газів.
Активні матеріали мають вирішальний вплив на загальну продуктивність батареї, і тому зазвичай пред’являються наступні вимоги до продуктивності: ① Матеріал позитивного електрода повинен мати високий потенціал, тоді як матеріал негативного електрода повинен підтримувати низький потенціал, щоб гарантувати, що батарея може створювати велику електрорушійну силу; ② Активні речовини повинні мати хорошу електрохімічну реакційну здатність, тобто вони повинні легко брати участь в окисно-відновних процесах; ③ Активні компоненти повинні мати високу питому ємність за масою та об’ємом; ④ Активні матеріали повинні мати чудову хімічну стабільність у розчинах електролітів, а швидкість само-розчинення має бути якомога нижчою; ⑤ Активні матеріали повинні мати високу електронну провідність; ⑥ З точки зору економіки та сталого розвитку, ідеальні активні матеріали мають бути ресурсами, які є в достатку та є недорогими на Землі; ⑦ Активні матеріали також повинні бути нешкідливими для здоров'я людини та природного середовища.
Відповідати всім вищезазначеним стандартам для конкретного активного матеріалу досить складно; тому при виборі активного матеріалу необхідний комплексний розгляд. В даний час найбільш широко використовуваними катодними матеріалами є оксиди металів, такі як діоксид свинцю, діоксид марганцю та оксид нікелю, а також кисень з повітря. Для анодних матеріалів переважними є ряд хімічно реактивних металів, таких як цинк, свинець, кадмій, залізо, літій і натрій.
Функція провідного каркаса полягає в тому, щоб з’єднати активний матеріал із зовнішнім ланцюгом і забезпечити збалансований розподіл струму. Він також підтримує активний матеріал. Ідеальний провідний каркас повинен мати відмінну механічну міцність, високу хімічну стабільність, низький питомий опір і хорошу технологічність.
електроліти
Основною функцією електроліту є забезпечення ефективної іонної провідності між позитивним і негативним електродами, виконуючи завдання транспорту іонів. У деяких випадках він також може брати участь в електрохімічних реакціях. Що стосується електроліту, який використовується в батареї, його характеристики повинні відповідати таким вимогам: ① Він повинен мати гарну хімічну стабільність, щоб запобігти значним електрохімічним реакціям на межі розділу між електролітом і активним матеріалом під час зберігання, тим самим зменшуючи само-розряд батареї; ② Він повинен мати високу електропровідність. Склад електроліту відрізняється для різних типів акумуляторів, і зазвичай в якості електроліту вибирають водні розчини кислот, лугів або солей з чудовою провідністю. Однак деякі нові енергетичні технології можуть використовувати нові матеріали, такі як електроліти з органічних розчинників, електроліти з розплавленої солі або тверді електроліти.
ізоляція
Сепаратор, також відомий як мембрана або перегородка, розміщений між позитивним і негативним електродами акумулятора. Його основна функція - запобігання прямому контакту між електродами, який може призвести до короткого замикання. Основні вимоги до сепараторів включають: ① бути хорошим електронним ізолятором для запобігання внутрішнім коротким замиканням; ② мають низький опір міграції іонів в електроліті, тим самим зменшуючи внутрішній опір усього пристрою та значно зменшуючи втрати енергії в умовах розряду з високим -струмом; ③ володіє хорошою хімічною стабільністю, протистоїть електролітній корозії та окисно-відновним реакціям активних матеріалів електродів; ④ має достатню механічну міцність і стійкість до згинання, щоб ефективно блокувати ріст дендритів і запобігати проникненню дрібних активних частинок через мембрану; ⑤З огляду на економічні фактори, він повинен бути доступним і недорогим.
Загальні матеріали для сепараторів включають бавовняний папір, целюлозний папір, мікропористий пластик, мікропористу гуму, гідратовану целюлозу, нейлонову тканину та скловолокно тощо.
Корпус акумулятора
Корпус батареї, також відомий як контейнер для батареї, є єдиним типом батареї в існуючих акумуляторних батареях, де цинковий електрод також служить корпусом. На противагу цьому, інші типи акумуляторів, як правило, використовують спеціальні матеріали для зовнішньої герметизації, а не сам активний матеріал. Ідеальний корпус батареї повинен мати відмінні механічні властивості, витримувати вібрацію та удари, залишатися стабільним за екстремальних температурних умов і протистояти корозії, викликаній електролітом. На практиці такі матеріали, як метали, пластмаси та тверда гума, широко використовуються як корпуси акумуляторів завдяки їхнім відповідним перевагам.