Батерија складишти хемијску потенцијалну енергију која се претвара у електричну енергију када је повезана са уређајем. Ова енергија остаје неактивна у хемијским везама између атома и молекула све док батерија не заврши коло и не почне да се празни.
Двострука природа енергије батерије
Батерије функционишу кроз изузетну трансформацију између два енергетска стања. Током складиштења, енергија постоји као хемијски потенцијал-закључан унутар молекуларне структуре електрода батерије и електролита. Када повежете батерију за напајање уређаја, ова ускладиштена хемијска енергија се трансформише у електричну енергију путем електрохемијских реакција.
Ова двострука природа разликује батерије од других извора напајања. За разлику од утичнице која испоручује континуирани електрични ток, или горива које ослобађа енергију сагоревањем, батерије премошћују и хемијске и електричне домене. Хемијске везе у материјалима батерија држе енергију у стабилном облику,-спремном-употребом све док спољашње коло не покрене процес конверзије.
Трансформација се дешава кроз оксидационе{0}}редукционе (редок) реакције на електродама батерије. На негативној електроди (аноди), оксидација ослобађа електроне. Ови електрони пролазе кроз коло вашег уређаја, обављајући посао. У међувремену, на позитивној електроди (катоди), реакције редукције прихватају ове електроне, завршавајући циклус. Током овог процеса, јони се крећу кроз електролит батерије да би одржали равнотежу пуњења.
Разумевање хемијске потенцијалне енергије у батеријама
Хемијска потенцијална енергија представља енергију ускладиштену у молекуларним везама-силе које држе атоме заједно у једињењима. У батеријама, овај механизам за складиштење енергије је паралелан са другим познатим хемијским енергетским системима. Молекули бензина складиште хемијску енергију коју мотори са унутрашњим сагоревањем претварају у механичку енергију. Дрво садржи хемијске везе које се сагоревањем претварају у топлоту. Батерије прате сличан принцип, али са кључном разликом: претварају хемијску енергију директно у електричну без сагоревања или механичких посредника.
Специфична хемијска једињења у батерији одређују њен енергетски капацитет и напон. Литијум{1}}јонске батерије, на пример, складиште енергију преко литијум јона који се крећу између графита и једињења која садрже литијум. Оловне-киселинске батерије се ослањају на реакције између олова, оловног диоксида и сумпорне киселине. Свака хемија нуди различите карактеристике складиштења енергије засноване на снази и реверзибилности њених хемијских веза.
Густина енергије-колико енергије батерија може да ускладишти у односу на своју тежину-зависи директно од хемијског потенцијала њених материјала. Истраживање Министарства енергетике показује да су ћелије литијум{3}}јонских батерија скоро утростручиле складиште енергије по килограму од 2010. године, првенствено кроз оптимизацију хемијских састава и структура које се користе у електродама.
Стабилност хемијске потенцијалне енергије чини батерије изузетним уређајима за складиштење. За разлику од струје која тече кроз жице (кинетичка енергија) или компримованог ваздуха (механичка потенцијална енергија), хемијске везе у батеријама могу задржати енергију на дужи период уз минималне губитке. Модерне литијум{2}}јонске батерије губе само 1-2% напуњености месечно када су у стању мировања – сведочанство о томе колико ефикасно хемијске везе чувају енергију.
Процес конверзије енергије: од хемијског до електричног
Претварање хемијске у електричну енергију укључује прецизно кореографисане атомске покрете. Када притиснете дугме за напајање на телефону или окренете паљење аутомобила, завршавате електрично коло које покреће каскаду хемијских реакција унутар батерије.
Ево како се трансформација одвија:
На аноди (негативни терминал), оксидационе реакције уклањају електроне са атома у материјалу електроде. За литијум{1}}јонску батерију, атоми литијума на графитној аноди ослобађају своје електроне и постају позитивно наелектрисани литијум јони. Ово ослобађање електрона повећава негативно наелектрисање на терминалу.
Преко спољашњег кола, ови ослобођени електрони теку ка позитивном терминалу, путујући кроз ваш уређај и напајајући га успут. Овај ток електрона представља електричну струју која покреће ваш паметни телефон, лаптоп или електрично возило.
Унутар батеријелитијум јони мигрирају кроз течни или гел електролит од аноде ка катоди. Електролит делује као јонски магистрални пут док блокира проток електрона-приморавајући електроне да иду спољашњим путем кроз ваш уређај.
На катоди (позитивни терминал), реакције редукције се јављају пошто материјал катоде прихвата електроне који пристижу из спољашњег кола. Истовремено, литијум јони који долазе кроз електролит комбинују се са овим електронима, довршавајући електрохемијски циклус.
Овај процес се наставља све док коло остаје затворено и реактивни материјали остају доступни на електродама. Произведени напон-обично 1,5В за алкалне батерије или 3,7В по ћелији за литијум-јон-зависи од разлике у хемијском потенцијалу између материјала аноде и катоде.
Обрнути процес: пуњиве батерије
Пуњиве батерије омогућавају обрнуту трансформацију. Када укључите пуњач телефона, примењујете спољну електричну енергију која покреће хемијске реакције уназад. Електрони убачени у аноду обнављају оригинална хемијска једињења, обнављајући хемијску потенцијалну енергију батерије. Ова реверзибилност разликује батерије које се могу пунити од типова за једнократну-употребу, мада сваки циклус пуњења{4}}пражњења уноси мање неповратне промене које постепено смањују капацитет батерије.
Научници са МИТ-а примећују да разумевање зашто се ове реакције не преокрену у потпуности током пуњења остаје активно подручје истраживања. Непотпуна реверзибилност објашњава зашто батерије телефона на крају губе капацитет-суптилне промене у структури електрода и хемија електролита се акумулирају током стотина циклуса.
Различити типови батерија и њихови хемијски енергетски системи
Хемија батерија се увелико разликује, а свака нуди различите предности засноване на хемијским реакцијама које се користе:
Литијум{0}}јонске батерије
Ове доминантне пуњиве батерије складиште енергију кроз кретање литијум{0}јона између два једињења која садрже литијум-. Њихова велика густина енергије-обично 150-250 ват-сати по килограму – чини их идеалним за преносиву електронику и електрична возила. Хемијска енергија се налази у реверзибилним реакцијама уметања литијума на обе електроде.
Оловне{0}}батерије
Датирају из 1859. године, оловне{1}}киселинске батерије складиште енергију кроз реакције између олова, оловног диоксида и сумпорне киселине. Током пражњења, обе електроде се претварају у оловни сулфат док се сумпорна киселина разблажује. Пуњење преокреће ове реакције, враћајући оригиналне материјале. Иако су теже и мање енергетски-гушће од литијум-јонских батерија, њихова поуздана хемија и ниска цена одржавају њихову доминацију у апликацијама за покретање аутомобила.
Алкалне батерије
Алкалне батерије-за једнократну употребу користе реакције цинка и манган диоксида у алкалном електролиту. Хемијска енергија ускладиштена у оксидацији цинка и редукцији манган-диоксида обезбеђује поуздану, дуготрајну снагу за-уређаје са малом потрошњом. Њихова хемија се не мења лако, што их чини непогодним за пуњење.
Емергинг Цхемистри
Истраживања се настављају у погледу нових хемија батерија које би могле револуционисати складиштење енергије. Чврсте{1}}батерије замењују течне електролите чврстим материјалима, потенцијално утростручавајући густину енергије уз побољшање безбедности. Литијум-сумпорне батерије обећавају још веће теоријске густине енергије. Овај напредак се фокусира на проналажење хемијских система који складиште више енергије у лакшим, сигурнијим паковањима.
Зашто хемијска енергија чини батерије практичним
Избор хемијског складиштења енергије није произвољан-он нуди јединствене практичне предности:
Густина енергије: Хемијске везе пакују значајну енергију у компактне запремине. Литијум{1}}јонске батерије постижу 150-250 Вх/кг, што далеко превазилази механичке методе складиштења као што су замајци (5-130 Вх/кг) или чак системи са компримованим ваздухом.
Трајање складиштења: Хемијска потенцијална енергија остаје стабилна током дужег периода. За разлику од електричног пуњења у кондензаторима, које исцури у року од неколико сати, хемија батерије одржава енергију месецима или годинама уз минимално-самопражњење.
Преносивост: Чврста или полу{0}}чврста природа материјала за батерије омогућава преносиво напајање. Не можете лако да носите електрану или турбину на ветар, али хемијска енергија садржана у батерији иде где год вам је потребна.
Контролисано ослобађање: Хемијске реакције у батеријама се одвијају по контролисаним брзинама, обезбеђујући стабилну излазну снагу. Дизајн електролита и електрода регулише колико брзо се хемијска енергија претвара у електричну, спречавајући опасно брзо пражњење.
Скалабилност: Батеријски системи се крећу од малих ћелија дугмета које напајају слушне апарате до огромних инсталација{0}}за складиштење на мрежи. Иста основна хемија функционише у целом овом опсегу, са енергетским капацитетом који је одређен једноставно количином реактивних материјала.
Енергетски баланс: оно што улази мора да изађе
Складиштење енергије батерије прати термодинамичке законе. Електрична енергија коју издвајате не може да премаши хемијску енергију ускладиштену током пуњења-у ствари, увек је мања због неизбежних губитака.
Ефикасност пуњења и пражњења се обично креће од 80-95% за модерне литијум-јонске батерије. Енергија која „недостаје“ не нестаје; претвара се у топлоту кроз различите механизме:
Отпор у електродама и струјним колекторима распршује нешто енергије као топлоту
Кретање јона кроз електролит наилази на трење, стварајући топлотну енергију
Нежељене реакције{0}}нежељени хемијски процеси-троше мале количине енергије
Структурне промене у материјалима електрода током уметања литијума апсорбују енергију
Ово разматрање ефикасности је важно за апликације као што је складиштење енергије на мрежи{0}}. Објекат који складишти соларну енергију за коришћење преко ноћи мора да представља 5-20% губитка енергије у циклусу складиштења. Произведена топлота такође захтева системе управљања топлотом у великим батеријама и електричним возилима.
Основна трансформација енергије остаје: електрична енергија → хемијска потенцијална енергија (у току пуњења) → електрична енергија (у току пражњења). Ниједна батерија не ствара енергију; он га само складишти и ослобађа кроз хемијске реакције.
Мерење енергије батерије: кључне спецификације
Неколико спецификација описује енергетске карактеристике батерије:
Капацитет(мерено у амп-сатима или Ах) означава укупно пуњење које батерија може да испоручи. Батерија телефона од 2000 мАх теоретски може да обезбеди 2 ампера за један сат, или 0,5 ампера за четири сата.
Енергетски садржај(мерено у ват{0}}сатима или Вх) представља укупан рад који батерија може да обави. Израчунајте га множењем капацитета са напоном: батерија од 3,7 В, 2000 мАх садржи 7,4 Вх енергије.
Густина енергије(Вх/кг или Вх/Л) описује колико енергије се налази у датој маси или запремини. Већа густина енергије значи више снаге у лакшем, мањем паковању-које је кључно за електрична возила и преносиву електронику.
Густина снаге(В/кг) показује колико брзо батерија може да испоручи своју ускладиштену енергију. Велика густина снаге је важна за апликације које захтевају брзо пражњење енергије, као што су електрични алати или убрзање електричног возила.
Живот циклусамери колико циклуса{0}}пражњења батерија издржи пре него што се капацитет значајно смањи. Ова спецификација се директно односи на то колико добро се хемијске реакције обрћу током пуњења.
Уобичајене заблуде о енергији батерије
Заблуда: Батерије складиште електричну енергијуРеалност: Батерије складиште хемијску енергију и производе електричну енергију на захтев. Електрична енергија је ток електрона-не можете да „чувате“ струју која тече више него што можете да складиштите текућу воду. Батерије уместо тога чувају енергију у хемијском облику, ослобађајући је као електричну струју када је то потребно.
Заблуда: Све батерије раде на исти начинРеалност: Различите хемије батерија користе различите хемијске реакције. Механизам за складиштење енергије литијум{1}}јонске батерије се суштински разликује од оловне-киселинске или алкалне батерије, иако сви прате основни принцип претварања између хемијске и електричне енергије.
Заблуда: Батерије губе капацитет јер струја цуриРеалност: Деградација капацитета произилази из неповратних промена у материјалима електрода и хемији електролита. Поновљено убацивање и уклањање јона постепено мења кристалне структуре, формирају се нова хемијска једињења, а електролит се благо распада. Ове кумулативне промене смањују количину реверзибилног складиштења хемијске енергије.
Заблуда: ниске температуре троше батеријеРеалност: Ниске температуре не уклањају енергију из батерија. Уместо тога, успоравају хемијске реакције одговорне за конверзију енергије. Енергија остаје ускладиштена, али батерија испоручује мање енергије јер се реакције одвијају споро на хладноћи.
Будућност складиштења хемијске енергије
Технологија батерија наставља да се развија док истраживачи откривају нове хемијске системе и оптимизују постојеће. Неколико развоја обећава да ће побољшати начин на који батерије складиште и испоручују хемијску енергију:
Солид{0}}батеријезаменити течне електролите чврстим материјалима, потенцијално омогућавајући литијум металне аноде које складиште више енергије. Рани прототипови показују густину енергије која се приближава 400 Вх/кг-скоро двоструке струје литијум- технологије.
Силицијумске анодеможе повећати капацитет литијум{0}}јона за 20-40% у поређењу са конвенционалним графитним анодама. Силицијум прихвата више литијум јона, чувајући додатну хемијску енергију у истој запремини.
Напредни електролитикоришћење нових растварача и адитива могло би да омогући батеријама да раде у ширим температурним опсегима уз одржавање високе ефикасности у хемијској-у-електричну конверзију.
Хемија литијум{0}}сумпорануди теоријску густину енергије која прелази 500 Вх/кг коришћењем високог капацитета складиштења енергије сумпора. Технички изазови око растварања сумпора током циклуса тренутно ограничавају комерцијалну одрживост.
Натријум{0}}јонске батеријепружају потенцијалну алтернативу литијумским{0}}системима за стационарно складиштење где је тежина мање битна. Обиље и ниска цена натријума могли би да демократизују-складиштење хемијске енергије великих размера.
Ови напретци имају заједнички циљ: паковање више хемијске потенцијалне енергије у лакша, безбеднија, дуготрајнија{0}}паковања уз побољшање ефикасности конверзије у електричну енергију.
Често постављана питања
Да ли је енергија у батерији хемијска или електрична?
Батерије складиште хемијску потенцијалну енергију и претварају је у електричну енергију током пражњења. Док је ускладиштена, енергија постоји као хемијски потенцијал у везама између атома. Само током активног пражњења ова хемијска енергија постаје електрична енергија која тече кроз коло.
Можете ли повећати енергију ускладиштену у батерији?
Не можете да додате енергију изнад пројектованог капацитета батерије-то је одређено количином и врстом хемијских материјала у електродама. Покушај „препуњења“ батерије изазива реакције које могу оштетити материјале или створити опасности по безбедност. Међутим, истраживачи непрестано развијају нове хемије батерија које складиште више енергије у истој запремини.
Зашто се батерије загревају приликом пуњења или пражњења?
Хемијске реакције претварања енергије између хемијских и електричних облика нису савршено ефикасне. Отпор на кретање јона и проток електрона, плус мање споредне реакције, претварају део енергије у топлоту. Брзо пуњење или пражњење убрзава ове процесе, стварајући више топлоте.
Колико дуго хемијска енергија може да остане ускладиштена у батерији?
Савремене батерије могу годинама да складиште енергију уз постепено само{0}}пражњење. Алкалне батерије задржавају 85-90% капацитета након пет година складиштења. Литијум{5}}јонске батерије се-самопражњују са око 1-2% месечно. Хемијска стабилност материјала батерија одређује трајање складиштења – стабилније хемијске везе дуже задржавају енергију.
Финал Тхоугхтс
Хемијска потенцијална енергија чини батерије једним од најсвестранијих решења за складиштење енергије човечанства. Овај облик енергије обезбеђује стабилну, преносиву, скалабилну снагу од које савремена цивилизација све више зависи. Од телефона у џепу до електричних возила на нашим путевима до мрежних-инсталација које балансирају обновљиву енергију-све се ослањају на способност хемије да безбедно складишти и ослобађа енергију на захтев.
Континуирана еволуција хемије батерија обећава још ефикасније складиштење енергије. Како истраживачи откључавају нове хемијске системе и усавршавају постојеће, батерије ће паковати више енергије у мања, лакша и безбеднија паковања. Разумевање да су батерије у основи хемијски енергетски уређаји-а не електрични-помаже да ценимо и њихове могућности и ограничења док градимо све електрифициранији свет.
Кеи Такеаваис
Продавница батеријахемијска потенцијална енергијау молекуларним везама њихових електродних материјала и електролита
Ова хемијска енергијапретвара у електричну енергијукроз електрохемијске реакције када батерија напаја уређај
Различите хемије батерија (литијум-јонска, оловна-киселина, алкална) користе различите хемијске реакције, али прате исти основни принцип конверзије енергије
Хемијско складиштење енергије нуди предностивисока густина енергије, дугорочну-стабилност, ипреносивост
Ефикасност батерије се креће од 80-95%, са изгубљеном енергијом која се претвара у топлоту током хемијско-електричне трансформације
Препоручене могућности интерне везе
Како се батерије временом деградирају (век трајања и одржавање батерије)
Поређење хемије батерија (литијум{0}}јонски наспрам оловне-киселине наспрам алкалне)
Сигурност батерије и управљање топлотом
Технологија батерија електричних возила
Мрежна{0}}решења за складиштење енергије
Рециклирање батерија и одрживост