Светот на физички батерии и истражување на батерии
Михаел Букер 17 декември 2015 година
Без батерии, секојдневието веројатно ќе биде тешко за многумина од нас - на крајот на краиштата, тие обезбедуваат енергија за мобилни телефони, лаптопи или далечински управувачи. За различни апликации, многу различни побарувања се поставуваат на батериите. Сепак, нивното развивање и тестирање на нови технологии е комплициран и долготраен процес.
Електричната струја се создава со поместување на електричните полнежи. Повеќето електрична енергија во домаќинството се црпат од wallидниот штекер, но батериите се користат за безжични и преносни уреди. Тие се мали, компактни и можат да обезбедат електрична енергија кога е потребно. Батерии на полнење, познати и како акумулатори, можат дури и колоквијално да „складираат електрична енергија“.
Максимилијан Фихтнер, истражувач на батерии на Институтот Хелмхолц Улм и Технолошкиот институт Карлсруе, ги објаснува процесите во рамките на стандардната литиум-јонска батерија, што може да се најде во скоро сите мобилни телефони и лаптопи, како што следува:
„Замислувам дека материјалите во кои е зачуван литиумот се како полици, а литиумот сега може да се смета како фудбал. Ако сега го подредив целиот литиум од едната страна, т.е. на полицата лево, тогаш батеријата се полни, на пример.
И кога ќе бидат испразнети, овие топки се движат над јазот, електролитот, на другата страна на другата полица, и кога сите ќе бидат подредени таму, тогаш батеријата се испразнува. И тогаш треба повторно да користам енергија за да ги вратам, за вчитување. Така функционира овој процес во принцип “.
Во овој случај, носителите на подвижни полнежи се позитивно наелектризирани јони на литиум. Таканаречениот електролит е течност со посебни хемиски својства што овозможува јони да се транспортираат и го пополнуваат јазот помеѓу плус и минус половите - т.е. двете полици. Самите два пола се направени од материјали што можат да ги апсорбираат, т.е. да ги складираат јони.
Во случај на батерии на полнење, како што се литиум-јонски батерии, носачите на полнеж можат да мигрираат од пол до пол преку електролитот во двете насоки.
„Класичните материјали за складирање се графит од негативната страна. Тоа е слоевита структура направена од јаглерод и меѓу слоевите - овие се повторно наши полици - литиумските јони можат да се сортираат таму.
Од страната на позитивниот пол, катодата, ова се типично метални оксиди кои имаат отворени структури, односно празни места во структурата во која литиумот може да мигрира во конструкцијата и се држи таму “.
Количината на енергија што може да ја задржи батеријата се нарекува капацитет. Литар или килограм бензин содржи значително повеќе енергија отколку батерија со иста големина или тежина - но компактната, цврста форма на батеријата, која исто така нема подвижни делови, е одлучувачка предност за многу апликации. Една од причините за помалата густина на енергија е токму оваа структура на батеријата.
„Проблемот со батериите воопшто е што тие во голема мера се состојат од материјали што всушност не складираат никаква енергија самите. На пример, го имаме куќиштето околу надворешноста, тој треба да биде цврст и цврст и многу цврсто да го запечати внатрешноста.
Потоа ги имаме таканаречените колекторски фолии, кои се тенки метални фолии на кои се шири паста со активниот материјал. Самиот активен материјал потоа сè уште се разредува со проводни адитиви како јаглерод. Потоа, тука е електролитот, кој се наоѓа помеѓу електродите, кој ја презема задачата за транспорт на литиум.
Ниту една од овие компоненти не придонесува за складирање на енергија. Тие се неопходни за функционирање на батеријата и сочинуваат повеќе од 70 проценти од батеријата “.
Различни побарувања во зависност од намената
Различни материјали се воспоставени за различни области на примена на батерии, секој со одредени предности и недостатоци. Батериите што можат да се испразнат само еднаш се обично покомпактни и имаат поголема густина на енергија од акумулаторите. Затоа, по можност се користат во медицински импланти или во особено мали уреди, како што се рачни часовници.
Сепак, се поставуваат многу различни побарувања за батерии на полнење:
„Кога помислувам на батерија што ја имам во безжичен шрафцигер, на пример: Треба да биде многу моќен, треба да може да испорача голема струја за кратко време. Ова е една крајност - кога ставам бафер во сончевиот систем, имам неколку часа да наполнам таква батерија. Значи, можам да користам материјали што имаат поголем капацитет, но можеби се побавни “.
Отворена батерија со никел-метал хидрид
Начинот на кој се полни батеријата исто така игра улога.
„Општо, вака е: Ако многу брзо ја полните и празните батеријата, автоматски добивате сè помалку капацитет. Ова дури ќе го забележите и на вашиот мобилен телефон: Ако го полните побавно, батеријата ќе трае подолго. Ако го закачите на брз полнач, може да се полни за еден час или три четвртини од час, но телефонот ќе трае само половина ден “.
Полнењето и празнењето претставуваат постојана хемиска промена на батеријата, но ова е секогаш повратно. Сепак, постојат и трајни хемиски промени кои се генерално непожелни, бидејќи, на пример, стабилно го намалуваат капацитетот на батеријата. Ваквите неповратни промени предизвикуваат ограничен век на траење на батериите, што за многу секојдневни апликации е помеѓу една и неколку години.
„Друг важен фактор е таканаречената ефикасност на Кулон. Тоа е прашањето: Колку електрони ставам во батеријата и колку излегувам од батеријата следниот пат кога ќе се испразни? Тоа значи: Дали електроните се разгранети со цел да предизвикаат какви било неповратни процеси во батеријата и да ringвонат при бавната деградација на батеријата? “
Во неповолни случаи, ваквите долгорочни промени можат да влијаат дури и на надворешниот облик на батеријата. Никел-метал хидридните батерии кои се широко користени во апаратите за домаќинство може да се издуват по многу долг период на складирање доколку електролитот влезе во погрешни компоненти на батеријата и хемиски ги нападне.
Посилните литиум-јонски батерии кои најчесто се наоѓаат во мобилните телефони и лаптопите може, под неповолни услови, да бидат предмет на интензивно производство на топлина, па дури и да се запалат. Пред да се подобри дизајнот на овие батерии, имаше повлекувања на производи од неколку производители на батерии за лаптоп. Проблемот беше непожелна реакција на оксидот на кобалт од позитивниот пол.
„Во принцип, тој е во состојба да реагира со електролитот, кој е органска течност, и колку е повисока температурата, толку подобро се прави. Тоа значи, ако имам лаптоп на сонце и станува многу жешко, може да се случи да започне ваква реакција што се забрзува, бидејќи пак произведува повторно топлина “.
Батерии во подвижноста
Друг широко користен тип на батерија, имено оловно-киселинска батерија, сè уште се наоѓа во повеќето автомобили денес. За разлика од другите видови батерии, батериите со оловно киселина се релативно големи и тешки со прилично мала густина на енергија. Сепак, тие се исклучително робусни и имаат долг век на траење, поради што овој тип на батерија се користи во моторните возила многу години.
„Оловото е сè уште ажурирано, тој е многу стабилен систем, може да се полни и празне многу пати, а оловните батерии исто така не се запаливи. Во него има воден електролит, во овој случај сулфурна киселина. Кога се полни, имате олово од една страна и оловен оксид од друга страна. Тогаш целата работа реагира со електролитот со поместување на разни електрони напред и назад и, кога се испушта, резултира со оловен сулфат од двете страни. А, оловниот сулфат, како што возачите знаат од зимата, не треба да се остава во таа состојба премногу долго, бидејќи тогаш се формираат поголеми кристали, кои потоа повеќе не се претвораат во олово или оловен оксид. Тоа значи дека батеријата потоа ќе се расипе “.
За разлика од класичните батерии на автомобили, кои ја складираат енергијата подолг временски период и повремено даваат релативно мала количина електрична енергија, електричните автомобили без мотор на согорување зависат од особено моќните батерии со голем капацитет.
Досега, батериите во електричните возила не беа во можност да ја постигнат опсегот или долговечноста на моторите со внатрешно согорување на бензин или дизел. Вие сте ограничени на неколку стотици километри помеѓу две обвиненија. Електричниот луксузен седан од американски производител нуди еден од најголемите опсези со добри 400 километри. Возилото се состои од околу 500 килограми - околу една четвртина од вкупната тежина - од литиум-јонски батерии.
Истражување за нови видови батерии
Разновидните апликации и зголеменото ширење на технологијата на батеријата, исто така, мотивираат истражување во целосно нови форми на батерии и подобрувања на постојните концепти.
„Главниот фокус тука е на истражување на магнезиумските батерии. Сега развивме нов електролит со кој можеме да ја користиме и комбинацијата на магнезиум и сулфур. Тоа би било многу интересно бидејќи од една страна ветува многу висока густина на енергија, а од друга страна магнезиумот е илјада пати почест на земјата од литиумот - а сулфурот е достапен практично бесплатно “.
Во потрага по нова технологија на батерии, Максимилијан Фихтнер и неговите колеги истражуваат и сосема различни концепти и ја проверуваат нивната практичност.
„Секако дека има и други идеи и би било убаво ако може да се реализира нешто корисно. Една идеја е таканаречената батерија на редоксен проток, каде целата работа работи малку како горивна ќелија. Имаме два големи резервоари каде што имаме наполнето и испуштена течност, така да се каже, и ги испраќаме во спротивни насоки преку таканаречен конвертор и црпиме електрична енергија од нив. Тоа ја прави конструкцијата многу полесна - но не можете да складирате премногу енергија по волумен со неа “.
Во секој случај, потребно е долг здив додека не се претвори ветувачка идеја во готов производ.
„Генерално, ова е процес што во минатото траеше околу 12 до 15 години од првото откривање на материјалот се додека не се надеваше дека е подготвен за употреба“.