Світ фізики батарей та досліджень акумуляторів
Michael Büker 17 грудня 2015 року
Без батарейок повсякденне життя, мабуть, буде складним для багатьох з нас - зрештою, вони забезпечують живлення стільникових телефонів, ноутбуків або пульта дистанційного керування. Для різних застосувань пред'являються дуже різні вимоги до акумуляторів. Однак їх розробка та випробування нових технологій - складний і тривалий процес.
Електричний струм створюється рухомими електричними зарядами. Більшість побутової електроенергії забирається із настінної розетки, але батареї використовуються для бездротових та портативних пристроїв. Вони невеликі, компактні і можуть забезпечувати електричну енергію за потреби. Акумуляторні батареї, також відомі як акумулятори, можуть навіть розмовно `` зберігати електрику ''.
Максиміліан Фіхтнер, дослідник акумуляторів в Інституті Гельмгольца в Ульмі та Технологічному інституті Карлсруе, пояснює процеси, що знаходяться у стандартній літій-іонній батареї, як це можна знайти майже у всіх мобільних телефонах та ноутбуках, наступним чином:
«Я думаю, матеріали, в яких зберігається літій, схожі на полиці, і літій тепер можна сприймати як футбол. Якщо я відсортував увесь літій з одного боку, тобто на полиці зліва, то акумулятор заряджається, наприклад.
І коли вони розряджаються, ці футбольні м’ячі переміщуються через щілину, електроліт, на іншу сторону на іншій полиці, і коли вони всі там сортуються, то батарея розряджається. І тоді мені доведеться знову використовувати енергію, щоб повернути їх назад, для завантаження. Ось як цей процес працює в принципі ".
У цьому випадку рухомими носіями заряду є позитивно заряджені іони літію. Так званий електроліт - це рідина з особливими хімічними властивостями, яка дозволяє транспортувати іони і заповнює щілину між плюсом і мінусом полюсів - тобто двома полицями. Самі два полюси виготовлені з матеріалів, які можуть поглинати, тобто зберігати іони.
У разі акумуляторних батарей, таких як літій-іонні батареї, носії заряду можуть мігрувати від полюса до полюса через електроліт в обох напрямках.
«Класичними матеріалами для зберігання є графіт з негативного боку. Це шарувата структура з вуглецю, а між шарами - це знову наші полиці - там можуть сортуватися іони літію.
На позитивному полюсі, катоді, це, як правило, оксиди металів, які мають відкриті структури, тобто порожні простори в структурі, в яких літій може мігрувати в структуру і там утримуватися ".
Кількість енергії, яку може вмістити акумулятор, називається ємністю. Літр або кілограм бензину містить значно більше енергії, ніж акумулятор такого ж розміру або ваги, але компактна, тверда форма батареї, яка також не має рухомих частин, є вирішальною перевагою для багатьох застосувань. Однією з причин меншої щільності енергії є саме ця структура батареї.
“Проблема батарей загалом полягає в тому, що вони в основному складаються з матеріалів, які насправді самі не накопичують енергії. Наприклад, ми маємо корпус зовні, він повинен бути міцним і міцним і дуже щільно закривати інтер’єр.
Тоді ми маємо так звані колекторні фольги, які являють собою тонкі металеві фольги, на які наклеюється паста з активним матеріалом. Потім сам активний матеріал все ще розбавляється провідними добавками, такими як вуглець. Потім є електроліт, який знаходиться між електродами, який бере на себе завдання транспортування літію.
Жоден з цих компонентів не сприяє накопиченню енергії. Вони необхідні для роботи акумулятора, і вони складають понад 70 відсотків батареї ".
Різні вимоги залежно від призначення
Для різноманітних областей застосування батарей створені різні матеріали, кожна з яких має певні переваги та недоліки. Батареї, які можна розрядити лише один раз, зазвичай компактніші та мають вищу щільність енергії, ніж акумулятори. Тому їх переважно використовують у медичних імплантатах або в особливо малих пристроях, таких як наручні годинники.
Однак до акумуляторних батарей пред'являються дуже різні вимоги:
«Коли я думаю про акумулятор, який я маю в акумуляторній викрутці, наприклад: він повинен бути дуже потужним, він повинен мати змогу подавати високий струм за короткий час. Це одна крайність - коли я буферую сонячну систему, у мене є кілька годин, щоб зарядити таку батарею. Тож я можу використовувати матеріали, які мають більшу ємність, але, можливо, повільніші ".
Відкрита нікель-метал-гідридна батарея
Спосіб заряджання акумулятора також відіграє певну роль.
«Загалом це так: якщо ви дуже швидко заряджаєте та розряджаєте акумулятор, ви автоматично отримуєте все менше і менше ємності. Ви навіть помітите це на своєму мобільному телефоні: якщо заряджати повільніше, акумулятор буде довше працювати. Якщо ви повісите його на швидкому зарядному пристрої, він може зарядитися за годину або три чверті години, але стільниковий телефон прослужить лише півдня.
Заряджання та розрядження являють собою постійну хімічну зміну батареї, яка в обох випадках є оборотною. Однак існують також постійні хімічні зміни, які, як правило, небажані, оскільки, наприклад, вони постійно зменшують ємність акумулятора. Такі незворотні зміни спричиняють обмежений термін служби акумуляторів, який для багатьох повсякденних застосувань становить від одного до декількох років.
«Ще одним важливим фактором є так звана кулонівська ефективність. Це питання: Скільки електронів я вкладаю в батарею і скільки виймаю з батареї наступного разу, коли вона розрядиться? Це означає: Чи розгалужуються електрони, щоб викликати якісь незворотні процеси в батареї і дзвонити при повільній деградації батареї? "
У несприятливих випадках такі довгострокові зміни можуть вплинути навіть на зовнішню форму батареї. Нікель-метал-гідридні акумулятори, які широко використовуються в побутовій техніці, можуть роздуватися після дуже тривалого періоду зберігання, якщо електроліт потрапляє в неправильні компоненти акумулятора і хімічно атакує їх.
Більш потужні літій-іонні акумулятори, які зазвичай зустрічаються в мобільних телефонах та ноутбуках, можуть за несприятливих умов піддаватися інтенсивному виділенню тепла і навіть загорятися. До того, як дизайн цих батарей був вдосконалений, кілька виробників акумуляторів для ноутбуків відкликали товари. Проблема полягала в небажаній реакції позитивного полюсного матеріалу оксиду кобальту.
«В принципі, він здатний вступати в реакцію з електролітом, який є органічною рідиною, і чим вище температура, тим краще це робить. Це означає, що якщо я маю ноутбук на сонці, і він стає дуже жарким, може статися така реакція, яка прискорюється, оскільки знову виробляє тепло ".
Акумулятори в мобільності
Інший широко використовуваний тип акумуляторів, а саме свинцево-кислотний акумулятор, досі зустрічається в більшості автомобілів. На відміну від інших типів акумуляторів, свинцево-кислотні акумулятори порівняно великі та важкі з досить низькою щільністю енергії. Однак вони надзвичайно міцні і мають тривалий термін експлуатації, саме тому цей тип акумуляторів використовується в автомобілі вже багато років.
«Свинець все ще сучасний, це дуже стабільна система, його можна заряджати та розряджати багато разів, а свинцеві батареї також не є займистими. У ньому є водний електроліт, в даному випадку сірчана кислота. При заряді у вас є свинець з одного боку, а оксид свинцю - з іншого. Потім все це вступає в реакцію з електролітом, рухаючи різні електрони вперед і назад, і при розряді в результаті утворюється сульфат свинцю з обох сторін. І сульфат свинцю, як знають автомобілісти з зими, не слід залишати в такому стані занадто довго, оскільки він потім утворює більші кристали, які потім більше не перетворюються назад на свинець або оксид свинцю. Це означає, що батарея потім вийде з ладу ".
На відміну від класичних автомобільних акумуляторів, які накопичують енергію протягом тривалого періоду часу і іноді видають порівняно невелику кількість електроенергії, електричні машини без двигуна внутрішнього згоряння залежать від особливо потужних акумуляторів з високою ємністю.
Наразі акумулятори в електромобілях не змогли досягти діапазону або довговічності бензинових або дизельних двигунів внутрішнього згоряння. Ви можете обмежитися кількома сотнями кілометрів між двома зарядами. Електричний розкішний седан американського виробника пропонує один з найбільших запасів ходу з добрими 400 кілометрами. Автомобіль складається приблизно з 500 кілограмів - приблизно чверть його загальної ваги - від літій-іонних акумуляторів.
Дослідження нових типів акумуляторів
Тому різноманітні програми та все більше поширення акумуляторних технологій також стимулюють дослідження абсолютно нових форм акумуляторів та вдосконалення існуючих концепцій.
«Основна увага тут приділяється дослідженню магнієвих батарей. Зараз ми розробили новий електроліт, за допомогою якого ми також можемо використовувати комбінацію магнію та сірки. Це було б дуже цікаво, оскільки з одного боку він обіцяє дуже високу щільність енергії, а з іншого боку, магній у тисячі разів частіше зустрічається на землі, ніж літій, а сірка доступна практично безкоштовно ".
У пошуках нових технологій акумуляторів Максиміліан Фіхтнер та його колеги також досліджують абсолютно різні концепції та перевіряють їх практичність.
“Звичайно, є й інші ідеї, і було б непогано, якби щось корисне вдалося реалізувати. Одна ідея - це так звана окисно-відновна батарея, де все це працює трохи як паливний елемент. У нас є два великі резервуари, де ми маємо, так би мовити, заряджену та розряджену рідину, і ми відправляємо їх у протилежних напрямках через так званий перетворювач і черпаємо з них електроенергію. Це значно полегшує конструкцію - однак, ви не можете з ним накопичувати занадто багато енергії на обсяг ".
У будь-якому випадку, потрібно довго дихати, поки багатообіцяюча ідея не перетвориться на готовий продукт.
"Загалом, це процес, який у минулому займав від 12 до 15 років з моменту першого відкриття матеріалу, поки він, сподіваємось, не був готовий до практичного використання".