Давайте заново признать прошлое и настоящее батареи

Батареи настолько распространены в нашей жизни сегодня, что на них почти не обращают внимания. Однако они являются замечательным изобретением в долгой и легендарной истории, и у них такое же прекрасное будущее.

Батарея - это фактически устройство, которое преобразует накопленную химическую энергию в электрическую. По сути, батарея представляет собой небольшой химический реактор, который, поскольку химическая реакция производит электроны высокой энергии, всегда готов к поступлению к внешнему оборудованию.

Батарея у нас довольно давно. В 1938 году директор Багдадского музея обнаружил в подвале музея батарею, ныне известную как «Багдадская батарея». Согласно анализу, его происхождение и время можно проследить до Месопотамии в 250 году до нашей эры.

Существует много споров об этом самом раннем научном сообществе батарей, и его конкретное использование включает гальванику, обезболивание или религиозное наказание.

Американский ученый и изобретатель Бенджамин Франклин впервые использовал термин «батарея» при проведении энергетического эксперимента с серией конденсаторов в 1749 году.

Первая настоящая батарея была изобретена итальянским физиком Алессандро Вольтом в 1800 году. Volt укладывает круглые медные и цинковые листы, каждая пара медных и цинковых листов разделена куском мешковины, пропитанной соленой водой.

В это время, пока используются две металлические проволоки для контакта с любыми двумя металлами, генерируется непрерывный и стабильный ток. Каждый блок (набор из меди, цинка и рассола) производил 0,76 вольт. Если собрать группу ячеек, вы получите вдвое больше электроэнергии.

Одной из самых старых батарей была свинцово-кислотная батарея, изобретенная в 1859 году, которая до сих пор используется в большинстве двигателей внутреннего сгорания. Это самый старый образец аккумуляторной батареи.

Сегодняшние батареи варьируются по размеру от больших мегаватт, которые используются для питания солнечных электростанций или подстанций, чтобы обеспечить электроэнергией всю деревню или остров, до небольших батарей, используемых в электронных часах.

Батареи основаны на различных химических веществах, которые создают напряжение батареи, как правило, в диапазоне 1-3,6 В. Последовательная батарея увеличивает напряжение, а параллельная увеличивает ток. Этот принцип используется для достижения требуемых значений тока и напряжения до мегаваттной мощности.

Как работает аккумулятор?

Когда аккумулятор разряжен, внутренние вещества вступают в химическую реакцию с образованием электроэнергии. Пример химической реакции, которая производит электроны, - это то, что оксид железа производит ржавчину. Железо вступает в реакцию с кислородом, а электроны и кислород переходят в оксид железа.

Стандартное производство батарей заключается в использовании двух металлов или соединений с разными потенциалами электродов и разделении их с помощью пористого изолятора. Электродный потенциал - это энергия, запасенная в атомах и соединениях, которая передается при наличии подключения внешнего устройства.

Проводящие жидкости, такие как рассол и водные растворы для переноса растворимых ионов, текут от одного металла к другому в химической реакции, известной как электролит.

Металл или соединение, которое теряет электроны во время разряда, называется катодом, а металл или соединение, которое принимает электроны, называется анодом. Поток электронов от анода к катоду через внешние соединения - это то, что мы используем для работы нашей электроники.

История разработки батареи: давайте вспомним прошлое и настоящее вашей батареи

Первичная батарея и аккумулятор

Процесс химической реакции, в результате которой образуется поток электронов, необратим и называется первичной батареей. Емкость аккумулятора была исчерпана после одной разрядки реагентов.

Самая распространенная первичная батарея - это угольно-цинковая батарея. Когда электролит щелочной, батарея служит дольше. Щелочные батареи покупаем в супермаркете.

Самая большая проблема при работе с этими первичными батареями - найти способы их повторного использования. Когда количество используемых батарей увеличивается и их замена зачастую неэкономична, становится все более важным иметь дело с ними.

В самой ранней аккумуляторной батарее, никель-кадмиевой батарее (NiCd), в качестве электролита также использовалась щелочь. В 1989 году, помимо никель-металлогидридных батарей (NiMH), они прослужили дольше, чем никель-кадмиевые батареи.

Эти типы аккумуляторов очень чувствительны к перезарядке и перегреву во время зарядки, поэтому скорость зарядки контролируется ниже максимальной.

Сложные контроллеры ускоряют процесс зарядки и не требуют для зарядки часов.

Для большинства простых зарядных устройств процесс зарядки занимает ночь.

Портативные приложения, такие как сотовые телефоны и ноутбуки, ищут большие и маленькие зарядные устройства. Хотя это увеличивает риск сильной разрядки, им можно управлять с помощью ограничителя тока в батарее сотового телефона.

Первый скачок: литиевая батарея

Новые технологии часто требуют более компактных, емких и надежных аккумуляторных батарей.

В 1980 году американский физик Джон Гуд достаточно изобрел новый тип литиевой батареи. Литий (Li) может мигрировать с одного электрода на другой через батарею, образуя ионную форму Li +.

Литий является одним из самых легких химических элементов в периодической таблице и обладает наибольшим электрохимическим потенциалом, поэтому эта комбинация дает наибольшее напряжение в самом компактном и легком объеме.

Это основа литий-ионного аккумулятора. В этой новой батарее переходный металл, такой как кобальт, никель, марганец, железо и кислород, объединяется в катод. Когда при зарядке генерируется напряжение, положительно заряженные ионы лития мигрируют от катода к графитовому аноду, превращаясь в металлический литий.

История разработки батареи: давайте вспомним прошлое и настоящее вашей батареи

Поскольку литий имеет сильную электрохимическую движущую силу для окисления, если позволяют условия, он вернется на катод, чтобы снова принять форму иона лития и высвободить электроны обратно в состояние иона кобальта. Движение электронов в этой цепи можно использовать как ток.

Второй скачок: нанотехнологии

Из-за присутствия переходных металлов в литий-ионных батареях батарея имеет более высокую емкость и, следовательно, более реактивна и склонна к тепловому разгоне.

В случае литий-кобальтовых батарей (LiCoO2), изготовленных Sony в 1990-х годах, произошло много пожаров. Изготовление катода батареи из наноматериалов делает батарею более активной и может вызвать несчастный случай.

Но в 1990-х годах компания «Достаточно хорошо» снова инициировала скачок в технологии аккумуляторов, представив фосфат лития-железа для производства стабильных литий-ионных катодов.

Катод термически устойчив. Это также означает, что материалы из фосфата лития-железа (LiFePO4) или фосфата лития-железа (LFP) теперь можно безопасно использовать в больших батареях и быстро заряжать и разряжать.

Эти новые батареи находят множество новых применений, от электроинструментов до гибридных электромобилей. Возможно, наиболее важным применением будет хранение электроэнергии в домашних хозяйствах.

Электромобиль

Лидером по производству аккумуляторов этого нового формата для автомобилей является компания Tesla Electric Motors, которая планирует построить «гига-заводы» по производству аккумуляторов.

Литиевая аккумуляторная батарея Tesla ModelS имеет емкость до 85 кВтч.

Этого достаточно, чтобы домашнее хозяйство могло использовать электроэнергию, поэтому существует так много предположений о продуктах, о которых недавно объявил основатель Tesla Илон Маск.

Модульная конструкция батареи может обеспечить взаимозаменяемость в режиме работы от батареи как для автомобильных, так и для домашних приложений без необходимости переделывать и производить.

Возможно, мы станем свидетелями следующего поколения технологических изменений в производстве и хранении энергии с помощью скромной батареи.

Страница содержит содержимое машинного перевода.