Princip činnosti akumulátorů energie
Anakumulátor pro ukládání energieje zařízení, které přeměňuje a ukládá energii mezi elektrickou energií a chemickou energií. Během vybíjení se chemická energie přímo přeměňuje na elektrickou energii; během nabíjení se elektrická energie přeměňuje zpět na chemickou energii pro skladování. Kladné a záporné elektrody v baterii jsou vyrobeny z různých materiálů. Když je vložen stejný elektrolyt, obě elektrody vytvoří své vlastní elektrodové potenciály, jak ukazuje přerušovaná čára ABCD na obrázku 1-4 (prostor mezi přerušovanou čarou a elektrodami představuje vytvořenou elektrickou dvojitou vrstvu). Rozdíl v rovnovážném elektrodovém potenciálu mezi kladnými a zápornými elektrodami tvoří elektromotorickou sílu baterie (EMF) E.
Obrázek 14 Schematické schéma principu činnosti akumulátoru energie
Když jsou kladné a záporné elektrody připojeny k vnější zátěži, materiál kladné elektrody získává elektrony a podléhá redukční reakci, produkující katodickou polarizaci, čímž se snižuje kladný elektrodový potenciál; materiál záporné elektrody ztrácí elektrony a podléhá oxidační reakci, produkující anodickou polarizaci, čímž se zvyšuje záporný elektrodový potenciál. Pro vnější obvod proudí elektrony od záporné elektrody ke kladné elektrodě, proto směr proudu je od kladné elektrody k záporné elektrodě. V elektrolytu dochází k přenosu náboje pohybem iontů, takže směr proudu ve vnitřním obvodu je od záporné elektrody ke kladné elektrodě. Ve vybitém stavu je rozložení potenciálu baterie znázorněno přerušovanými čarami A'B'C'D' na obrázku 1-4. Celý proces tvoří úplnou uzavřenou smyčku, která umožňuje kontinuální pokračování oxidačních a redukčních reakcí na elektrodách, čímž je zajištěn nepřetržitý tok proudu v uzavřené smyčce. Když baterie funguje, elektrochemické reakce, které generují elektrickou energii na elektrodách, se nazývají reakce generující tok a látky účastnící se těchto reakcí se nazývají aktivní materiály.
Proces nabíjení baterie je v podstatě obrácený proces jejího vybíjení. Během nabíjení dochází k oxidaci na kladné elektrodě, zatímco k redukci na záporné elektrodě; současně je směr migrace iontů v elektrolytu opačný než při vybíjení a k řízení tohoto procesu chemické přeměny je zapotřebí externí zdroj energie přesahující napětí otevřeného obvodu baterie, jak je znázorněno přerušovanými čarami A"B"C"D" na obrázku 1-4.
Pro usnadnění přímé přeměny chemické energie na elektrickou energii se redoxní proces probíhající v akumulátoru energie zásadně liší od konvenčních redoxních reakcí. V baterii musí být procesy ztráty elektronů (oxidace) a získávání elektronů (redukce) rozděleny do různých oblastí. Kromě toho musí elektrony proudit vnějším obvodem, když se aktivní složky účastní reakce. Tyto dva klíčové prvky odlišují redoxní mechanismus v baterii od běžných chemických redoxních reakcí a reakcí mikro-článků při elektrochemické korozi.
Složení akumulátorů energie
Základní akumulátorová baterie by měla obsahovat čtyři základní součásti: elektrody, elektrolyt, separátor a pouzdro baterie.
elektroda
Elektrody, jako klíčové součásti baterie, se dělí na kladné a záporné elektrody, složené převážně z aktivních materiálů a vodivého rámce. Mezi nimi aktivní materiály generují elektrickou energii prostřednictvím chemických reakcí během vybíjení baterie a jsou hlavním faktorem určujícím výkon baterie. Aktivní materiály jsou většinou pevné látky, ale mohou existovat také jako kapaliny nebo plyny.
Aktivní materiály mají rozhodující vliv na celkový výkon baterie, a proto mají obecně následující požadavky na výkon: ① Materiál kladné elektrody by měl mít vysoký potenciál, zatímco materiál záporné elektrody musí udržovat nízký potenciál, aby bylo zajištěno, že baterie může generovat velkou elektromotorickou sílu; ② Aktivní materiály musí mít dobrou elektrochemickou reaktivitu, to znamená, že by se měly snadno účastnit redoxních procesů; ③ Aktivní komponenty musí mít vysokou specifickou kapacitu podle hmotnosti a objemu; ④ Aktivní materiály musí mít vynikající chemickou stabilitu v roztocích elektrolytů a rychlost samo{0}}rozpouštění by měla být co nejnižší; ⑤ Aktivní materiály by měly mít vysokou elektronickou vodivost; ⑥ Z hlediska ekonomiky a udržitelného rozvoje by ideálními aktivními materiály měly být zdroje, které jsou na Zemi bohaté a levné; ⑦ Aktivní materiály by také měly být neškodné pro lidské zdraví a přírodní prostředí.
Splnění všech výše uvedených norem pro konkrétní aktivní materiál je poměrně náročné; proto je při výběru aktivního materiálu nezbytná komplexní úvaha. V současné době jsou nejpoužívanějšími katodovými materiály oxidy kovů, jako je oxid olovnatý, oxid manganičitý a oxid niklu, stejně jako kyslík ze vzduchu. Pro anodové materiály je výhodná řada chemicky reaktivních kovů, jako je zinek, olovo, kadmium, železo, lithium a sodík.
Funkcí vodivého rámu je připojit aktivní materiál k vnějšímu obvodu a zajistit vyvážené rozložení proudu. Podporuje také aktivní materiál. Ideální vodivá konstrukce by měla mít vynikající mechanickou pevnost, vysokou chemickou stabilitu, nízký měrný odpor a dobrou zpracovatelnost.
elektrolyty
Primární funkcí elektrolytu je zajistit účinné vedení iontů mezi kladnými a zápornými elektrodami, přičemž se ujímá úkol transportu iontů. V některých případech se může také účastnit elektrochemických reakcí. U elektrolytu používaného v baterii by její výkonnost měla splňovat následující požadavky: ① Měla by mít dobrou chemickou stabilitu, aby se zabránilo významným elektrochemickým reakcím na rozhraní mezi elektrolytem a aktivním materiálem během skladování, čímž se sníží samovolné vybíjení baterie-; ② Měl by mít vysokou elektrickou vodivost. Složení elektrolytu se u různých typů baterií liší a typicky se jako elektrolyt volí vodné roztoky kyselin, zásad nebo solí s vynikající vodivostí. Některé nové energetické technologie však mohou používat nové materiály, jako jsou elektrolyty organických rozpouštědel, elektrolyty roztavené soli nebo pevné elektrolyty.
izolace
Mezi kladnou a zápornou elektrodu baterie je umístěn separátor, také známý jako membrána nebo přepážka. Jeho hlavní funkcí je zabránit přímému kontaktu mezi elektrodami, který by mohl vést ke zkratu. Mezi základní požadavky na výkon separátorů patří: ① dobrý elektronický izolátor, který zabraňuje vnitřním zkratům; ② má nízkou odolnost proti migraci iontů v elektrolytu, čímž snižuje vnitřní odpor celého zařízení a výrazně snižuje energetické ztráty za podmínek vybíjení vysokým-proudem; ③ mající dobrou chemickou stabilitu, odolnost vůči korozi elektrolytu a redoxním reakcím elektrodových aktivních materiálů; ④ s dostatečnou mechanickou pevností a odolností v ohybu k účinnému blokování růstu dendritů a zabránění pronikání drobných aktivních částic membránou; ⑤ S ohledem na ekonomické faktory by měl být snadno dostupný a levný.
Mezi běžné separační materiály patří bavlněný papír, papír z buničiny, mikroporézní plasty, mikroporézní pryž, hydratovaná celulóza, nylonová tkanina a skleněné vlákno atd.
Pouzdro baterie
Pouzdro baterie, také známé jako bateriový kontejner, je jediným typem baterie ve stávajících akumulátorech energie, kde zinková elektroda slouží také jako pouzdro. Naproti tomu jiné typy baterií mají tendenci používat specifické materiály pro vnější zapouzdření spíše než samotný aktivní materiál. Ideální pouzdro baterie by mělo mít vynikající mechanické vlastnosti, odolávat vibracím a nárazům, zůstat stabilní za extrémních teplotních podmínek a odolávat korozi z elektrolytu. V praxi jsou materiály, jako jsou kovy, plasty a tvrdá pryž, široce používány jako kryty baterií kvůli jejich příslušným výhodám.