Hvordan et batteri fungerer

01 av 04

Definisjon av et batteri

Jose Luis Pelaez/Getty Images

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

Jose Luis Pelaez/Getty Images

EN batteri , som egentlig er en elektrisk celle, er en enhet som produserer elektrisitet fra en kjemisk reaksjon. Strengt tatt består et batteri av to eller flere celler koblet i serie eller parallelt, men begrepet brukes vanligvis for en enkelt celle. En celle består av en negativ elektrode; en elektrolytt, som leder ioner; en separator, også en ioneleder; og en positiv elektrode. De elektrolytt kan være vandig (sammensatt av vann) eller ikke-vandig (ikke sammensatt av vann), i flytende, pasta eller fast form. Når cellen er koblet til en ekstern last, eller enhet som skal drives, leverer den negative elektroden en strøm av elektroner som strømmer gjennom lasten og aksepteres av den positive elektroden. Når den eksterne belastningen fjernes, opphører reaksjonen.

Et primærbatteri er et som bare kan omdanne kjemikaliene til elektrisitet én gang og deretter må kasseres. Et sekundært batteri har elektroder som kan rekonstitueres ved å føre elektrisitet tilbake gjennom det; også kalt et lagrings- eller oppladbart batteri, kan det gjenbrukes mange ganger.

Batterier kommer i flere stiler; de mest kjente er engangsbruk alkaliske batterier .

02 av 04

Hva er et nikkel-kadmium-batteri?

Den første NiCd batteri ble opprettet av Waldemar Jungner av Sverige i 1899.

Dette batteriet bruker nikkeloksid i sin positive elektrode (katode), en kadmiumforbindelse i sin negative elektrode (anode), og kaliumhydroksidløsning som sin elektrolytt. Nikkel-kadmium-batteriet er oppladbart, slik at det kan sykle gjentatte ganger. Et nikkel-kadmium-batteri konverterer kjemisk energi til elektrisk energi ved utlading og konverterer elektrisk energi tilbake til kjemisk energi ved opplading. I et helt utladet NiCd-batteri inneholder katoden nikkelhydroksid [Ni(OH)2] og kadmiumhydroksid [Cd(OH)2] i anoden. Når batteriet lades, omdannes den kjemiske sammensetningen til katoden og nikkelhydroksidet endres til nikkeloksyhydroksid [NiOOH]. I anoden omdannes kadmiumhydroksid til kadmium. Når batteriet er utladet, reverseres prosessen, som vist i følgende formel.

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

03 av 04

Hva er et nikkelhydrogenbatteri?

Nikkelhydrogenbatteriet ble brukt for første gang i 1977 ombord på den amerikanske marinens navigasjonsteknologi satellitt-2 (NTS-2).

Nikkel-hydrogen-batteriet kan betraktes som en hybrid mellom nikkel-kadmium-batteriet og brenselcellen. Kadmiumelektroden ble erstattet med en hydrogengasselektrode. Dette batteriet er visuelt mye forskjellig fra nikkel-kadmium-batteriet fordi cellen er en trykkbeholder, som må inneholde over tusen pund per kvadrattomme (psi) hydrogengass. Det er betydelig lettere enn nikkel-kadmium, men er vanskeligere å pakke, omtrent som en kasse med egg.

Nikkel-hydrogen-batterier forveksles noen ganger med nikkel-metallhydrid-batterier, batteriene som vanligvis finnes i mobiltelefoner og bærbare datamaskiner. Nikkel-hydrogen, så vel som nikkel-kadmium-batterier bruker den samme elektrolytten, en løsning av kaliumhydroksid, som vanligvis kalles lut.

Insentiver for utvikling av nikkel/metallhydrid (Ni-MH)-batterier kommer fra presserende helse- og miljøhensyn for å finne erstatninger for de oppladbare nikkel/kadmium-batteriene. På grunn av arbeidernes sikkerhetskrav er behandlingen av kadmium for batterier i USA allerede i ferd med å fases ut. Videre vil miljølovgivningen for 1990-tallet og det 21. århundre mest sannsynlig gjøre det tvingende nødvendig å begrense bruken av kadmium i batterier til forbrukerbruk. Til tross for dette presset, ved siden av blybatteriet, har nikkel/kadmium-batteriet fortsatt den største andelen av det oppladbare batterimarkedet. Ytterligere insentiver for forskning på hydrogenbaserte batterier kommer fra den generelle troen på at hydrogen og elektrisitet vil fortrenge og til slutt erstatte en betydelig brøkdel av de energibærende bidragene fra fossile brenselressurser, og bli grunnlaget for et bærekraftig energisystem basert på fornybare kilder. Til slutt er det betydelig interesse for utvikling av Ni-MH-batterier for elektriske kjøretøy og hybridbiler.

Nikkel/metallhydridbatteriet opererer i konsentrert KOH (kaliumhydroksid) elektrolytt. Elektrodereaksjonene i et nikkel/metallhydridbatteri er som følger:

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

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

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

KOH-elektrolytten kan bare transportere OH-ionene, og for å balansere ladningstransporten må elektroner sirkulere gjennom den eksterne lasten. Nikkeloksyhydroksydelektroden (ligning 1) har blitt grundig undersøkt og karakterisert, og dens anvendelse har blitt mye demonstrert for både terrestriske og romfartsapplikasjoner. Mesteparten av dagens forskning på Ni/metallhydrid-batterier har involvert forbedring av ytelsen til metallhydrid-anoden. Dette krever spesifikt utvikling av en hydridelektrode med følgende egenskaper: (1) lang levetid, (2) høy kapasitet, (3) høy ladnings- og utladningshastighet ved konstant spenning og (4) retensjonskapasitet.

04 av 04

Hva er et litiumbatteri?

Hva er et litiumbatteri?. NASA

Disse systemene er forskjellige fra alle de tidligere nevnte batteriene, ved at det ikke brukes vann i elektrolytten. De bruker en ikke-vandig elektrolytt i stedet, som er sammensatt av organiske væsker og salter av litium for å gi ionisk ledningsevne. Dette systemet har mye høyere cellespenninger enn de vandige elektrolyttsystemene. Uten vann elimineres utviklingen av hydrogen og oksygengasser, og cellene kan operere med mye bredere potensialer. De krever også en mer kompleks montering, da den må gjøres i en nesten helt tørr atmosfære.

En rekke ikke-oppladbare batterier ble først utviklet med litiummetall som anode. Kommersielle myntceller som brukes til dagens klokkebatterier er for det meste en litiumkjemi. Disse systemene bruker en rekke katodesystemer som er trygge nok for forbrukerbruk. Katodene er laget av forskjellige materialer, for eksempel karbonmonofluorid, kobberoksid eller vanadiumpentoksid. Alle solide katodesystemer er begrenset i utladningshastigheten de vil støtte.

For å oppnå en høyere utladningshastighet ble væskekatodesystemer utviklet. Elektrolytten er reaktiv i disse designene og reagerer ved den porøse katoden, som gir katalytiske steder og elektrisk strømoppsamling. Flere eksempler på disse systemene inkluderer litium-tionylklorid og litium-svoveldioksid. Disse batteriene brukes i verdensrommet og til militære applikasjoner, så vel som til nødfyr på bakken. De er vanligvis ikke tilgjengelige for publikum fordi de er mindre sikre enn de solide katodesystemene.

Det neste trinnet i litiumionbatteriteknologien antas å være litiumpolymerbatteriet. Dette batteriet erstatter den flytende elektrolytten med enten en gelert elektrolytt eller en ekte fast elektrolytt. Disse batteriene skal være enda lettere enn litiumionbatterier, men det er foreløpig ingen planer om å fly denne teknologien i verdensrommet. Det er heller ikke vanlig tilgjengelig i det kommersielle markedet, selv om det kan være rett rundt hjørnet.

I ettertid har vi kommet langt siden lekkasjen lommelykt batterier fra sekstitallet, da romfart ble født. Det er et bredt spekter av løsninger tilgjengelig for å møte de mange kravene til romflukt, 80 minusgrader til de høye temperaturene til en solenergi som flyr forbi. Det er mulig å håndtere massiv stråling, flere tiår med bruk og belastninger som når titalls kilowatt. Det vil være en fortsatt utvikling av denne teknologien og en konstant streben mot forbedrede batterier.