Kā darbojas akumulators

01 no 04

Akumulatora definīcija

Hosē Luiss Pelaezs/Getty Images

' id='mntl-sc-block-image_2-0-1' />

Hosē Luiss Pelaezs/Getty Images

A akumulators , kas patiesībā ir elektriskā šūna, ir ierīce, kas ķīmiskās reakcijas rezultātā ražo elektrību. Stingri sakot, akumulators sastāv no divām vai vairākām šūnām, kas savienotas virknē vai paralēli, taču šo terminu parasti lieto attiecībā uz vienu šūnu. Šūna sastāv no negatīva elektroda; elektrolīts, kas vada jonus; separators, arī jonu vadītājs; un pozitīvs elektrods. The elektrolīts var būt ūdens (sastāv no ūdens) vai neūdens (nesastāv no ūdens), šķidrā, pastas vai cietā veidā. Kad šūna ir pievienota ārējai slodzei vai ierīcei, kas tiks darbināta, negatīvais elektrods nodrošina elektronu strāvu, kas plūst cauri slodzei un ko pieņem pozitīvais elektrods. Kad ārējā slodze tiek noņemta, reakcija apstājas.

Primārais akumulators ir tāds, kas ķīmiskās vielas var pārvērst elektrībā tikai vienu reizi, un pēc tam tas ir jāizmet. Sekundārajai baterijai ir elektrodi, kurus var atjaunot, palaižot atpakaļ elektrību; to sauc arī par uzglabāšanas vai uzlādējamu akumulatoru, to var izmantot vairākas reizes.

Baterijas ir pieejamas vairākos veidos; vispazīstamākās ir vienreizējās lietošanas sārma baterijas .

02 no 04

Kas ir niķeļa kadmija akumulators?

Pirmais NiCd akumulators izveidoja Valdemārs Jungners Zviedrija 1899. gadā.

Šī akumulatora pozitīvajā elektrodā (katodā) tiek izmantots niķeļa oksīds, negatīvajā elektrodā (anodā) ir kadmija savienojums un kā elektrolīts kālija hidroksīda šķīdums. Niķeļa kadmija akumulators ir atkārtoti uzlādējams, tāpēc to var atkārtoti ciklēt. Niķeļa kadmija akumulators ķīmisko enerģiju pārvērš elektriskajā enerģijā pēc izlādes un pārvērš elektrisko enerģiju atpakaļ ķīmiskajā enerģijā pēc uzlādes. Pilnībā izlādētā NiCd akumulatorā katoda anodā ir niķeļa hidroksīds [Ni(OH)2] un kadmija hidroksīds [Cd(OH)2]. Kad akumulators ir uzlādēts, katoda ķīmiskais sastāvs tiek pārveidots un niķeļa hidroksīds mainās par niķeļa oksihidroksīdu [NiOOH]. Anodā kadmija hidroksīds tiek pārveidots par kadmiju. Kad akumulators ir izlādējies, process tiek apgriezts, kā parādīts nākamajā formulā.

Cd + 2H2O + 2NiOOH —> 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2

03 no 04

Kas ir niķeļa ūdeņraža akumulators?

Niķeļa ūdeņraža akumulators pirmo reizi tika izmantots 1977. gadā uz ASV Jūras spēku navigācijas tehnoloģiju satelīta-2 (NTS-2).

Niķeļa-ūdeņraža akumulatoru var uzskatīt par hibrīdu starp niķeļa-kadmija akumulatoru un degvielas elementu. Kadmija elektrods tika aizstāts ar ūdeņraža gāzes elektrodu. Šis akumulators vizuāli daudz atšķiras no niķeļa-kadmija akumulatora, jo elements ir spiedtvertne, kurā ir jābūt vairāk nekā tūkstoš mārciņām uz kvadrātcollu (psi) ūdeņraža gāzes. Tas ir ievērojami vieglāks par niķeļa-kadmiju, taču to ir grūtāk iepakot, līdzīgi kā olu kastē.

Niķeļa-ūdeņraža baterijas dažreiz tiek sajauktas ar niķeļa-metāla hidrīda akumulatoriem, kas parasti ir atrodami mobilajos tālruņos un klēpjdatoros. Niķeļa-ūdeņraža, kā arī niķeļa-kadmija akumulatoros izmanto vienu un to pašu elektrolītu, kālija hidroksīda šķīdumu, ko parasti sauc par sārmu.

Stimuli izstrādāt niķeļa/metāla hidrīda (Ni-MH) akumulatorus rada aktuālas veselības un vides problēmas, lai atrastu aizstājējus niķeļa/kadmija uzlādējamajām baterijām. Darbinieku drošības prasību dēļ ASV kadmija pārstrāde akumulatoriem jau tiek pakāpeniski pārtraukta. Turklāt 90. gadu un 21. gadsimta vides tiesību aktos, visticamāk, būs obligāti jāierobežo kadmija izmantošana patērētāju baterijās. Neskatoties uz šo spiedienu, līdzās svina-skābes akumulatoriem niķeļa/kadmija akumulatoriem joprojām ir lielākā daļa atkārtoti uzlādējamo akumulatoru tirgū. Papildu stimuli ūdeņraža bateriju izpētei izriet no vispārējas pārliecības, ka ūdeņradis un elektrība izspiedīs un galu galā aizstās ievērojamu daļu no fosilā kurināmā resursu enerģijas nesošā ieguldījuma, kļūstot par pamatu ilgtspējīgai energosistēmai, kuras pamatā ir atjaunojamie resursi. Visbeidzot, ir liela interese par Ni-MH akumulatoru izstrādi elektriskajiem transportlīdzekļiem un hibrīdautomobiļiem.

Niķeļa/metāla hidrīda akumulators darbojas koncentrētā KOH (kālija hidroksīda) elektrolītā. Elektrodu reakcijas niķeļa/metāla hidrīda akumulatorā ir šādas:

Katods (+): NiOOH + H2O + e- Ni(OH)2 + OH- (1)

Anods (-): (1/x) MHx + OH- (1/x) M + H2O + e- (2)

Kopumā: (1/x) MHx + NiOOH (1/x) M + Ni(OH)2 (3)

KOH elektrolīts var transportēt tikai OH-jonus, un, lai līdzsvarotu lādiņa transportēšanu, elektroniem jācirkulē caur ārējo slodzi. Niķeļa oksihidroksīda elektrods (1. vienādojums) ir plaši pētīts un raksturots, un tā pielietojums ir plaši pierādīts gan sauszemes, gan kosmosa lietojumos. Lielākā daļa pašreizējo pētījumu par Ni/metāla hidrīda akumulatoriem ir saistīti ar metāla hidrīda anoda veiktspējas uzlabošanu. Konkrēti, tas prasa izstrādāt hidrīda elektrodu ar šādām īpašībām: (1) ilgs cikla kalpošanas laiks, (2) liela kapacitāte, (3) augsts uzlādes un izlādes ātrums pie nemainīga sprieguma un (4) saglabāšanas spēja.

04 no 04

Kas ir litija akumulators?

Kas ir litija akumulators?. NASA

Šīs sistēmas atšķiras no visām iepriekš minētajām baterijām ar to, ka elektrolītā netiek izmantots ūdens. Tā vietā tiek izmantots neūdens elektrolīts, kas sastāv no organiskiem šķidrumiem un litija sāļiem, lai nodrošinātu jonu vadītspēju. Šai sistēmai ir daudz augstāks elementu spriegums nekā ūdens elektrolītu sistēmām. Bez ūdens tiek novērsta ūdeņraža un skābekļa gāzu izdalīšanās, un šūnas var darboties ar daudz plašāku potenciālu. Viņiem ir nepieciešama arī sarežģītāka montāža, jo tā jāveic gandrīz pilnīgi sausā atmosfērā.

Vairākas neuzlādējamas baterijas vispirms tika izstrādātas ar litija metālu kā anodu. Komerciālie monētu elementi, ko izmanto mūsdienu pulksteņu baterijām, galvenokārt ir litija ķīmija. Šajās sistēmās tiek izmantotas dažādas katodu sistēmas, kas ir pietiekami drošas patērētāju lietošanai. Katodi ir izgatavoti no dažādiem materiāliem, piemēram, oglekļa monofluorīda, vara oksīda vai vanādija pentoksīda. Visām cietā katoda sistēmām ir ierobežots izlādes ātrums, ko tās atbalstīs.

Lai iegūtu lielāku izlādes ātrumu, tika izstrādātas šķidro katodu sistēmas. Elektrolīts šajās konstrukcijās ir reaktīvs un reaģē pie porainā katoda, kas nodrošina katalītiskās vietas un elektriskās strāvas savākšanu. Vairāki šo sistēmu piemēri ir litija tionilhlorīds un litija sēra dioksīds. Šīs baterijas tiek izmantotas kosmosā un militāriem nolūkiem, kā arī avārijas bākugunīm uz zemes. Tās parasti nav pieejamas sabiedrībai, jo tās ir mazāk drošas nekā cietā katoda sistēmas.

Tiek uzskatīts, ka nākamais solis litija jonu akumulatoru tehnoloģijā ir litija polimēru akumulators. Šis akumulators aizvieto šķidro elektrolītu ar želētu elektrolītu vai īstu cietu elektrolītu. Paredzams, ka šīs baterijas ir pat vieglākas par litija jonu akumulatoriem, taču pašlaik nav plānots lidot ar šo tehnoloģiju kosmosā. Tas arī nav parasti pieejams komerciālajā tirgū, lai gan tas var būt tepat aiz stūra.

Retrospektīvi, kopš informācijas noplūdes esam nogājuši garu ceļu lukturītis sešdesmito gadu baterijas, kad dzima lidojumi kosmosā. Ir pieejams plašs risinājumu klāsts, lai apmierinātu daudzās kosmosa lidojumu prasības, 80 grādus zem nulles līdz augstajai saules lidojuma temperatūrai. Ir iespējams izturēt milzīgu starojumu, gadu desmitiem ilgu kalpošanu un slodzi, kas sasniedz desmitiem kilovatu. Šīs tehnoloģijas attīstība turpināsies un pastāvīgi tieksies uz uzlabotiem akumulatoriem.