Батеријата складира хемиска потенцијална енергија која се претвора во електрична енергија кога е поврзана со уред. Оваа енергија останува неактивна во хемиските врски помеѓу атомите и молекулите додека батеријата не заврши коло и не почне да се празне.
Двојната природа на енергијата на батериите
Батериите функционираат преку извонредна трансформација помеѓу две енергетски состојби. За време на складирањето, енергијата постои како хемиски потенцијал-заклучен во молекуларната структура на електродите и електролитот на батеријата. Кога поврзувате батерија за напојување на уред, оваа складирана хемиска енергија се трансформира во електрична енергија преку електрохемиски реакции.
Оваа двојна природа ги разликува батериите од другите извори на енергија. За разлика од штекерот кој обезбедува континуиран електричен проток или горивото што ослободува енергија преку согорување, батериите ги премостуваат хемиските и електричните домени. Хемиските врски во материјалите на батериите ја задржуваат енергијата во стабилна,--употреблива форма додека надворешно коло не го активира процесот на конверзија.
Трансформацијата се случува преку реакции на оксидација-редукција (редокс) на електродите на батеријата. На негативната електрода (анода), оксидацијата ослободува електрони. Овие електрони течат низ колото на вашиот уред, извршувајќи работа. Во меѓувреме, на позитивната електрода (катода), реакциите на редукција ги прифаќаат овие електрони, завршувајќи го циклусот. Во текот на овој процес, јоните се движат низ електролитот на батеријата за да одржуваат рамнотежа на полнење.
Разбирање на хемиската потенцијална енергија во батериите
Хемиската потенцијална енергија ја претставува енергијата складирана во молекуларните врски-силите што ги држат атомите заедно во соединенијата. Во батериите, овој механизам за складирање на енергија е паралелен со другите познати системи за хемиска енергија. Молекулите на бензинот складираат хемиска енергија што моторите со согорување ја претвораат во механичка енергија. Дрвото содржи хемиски врски кои согорувањето ги претвора во топлина. Батериите следат сличен принцип, но со клучна разлика: тие ја претвораат хемиската енергија директно во електрична енергија без согорување или механички посредници.
Специфичните хемиски соединенија во батеријата го одредуваат нејзиниот енергетски капацитет и напон. Литиум{1}}јонските батерии, на пример, складираат енергија преку јони на литиум кои се движат помеѓу графит и соединенија што содржат литиум-. Оловните-киселински батерии се потпираат на реакциите помеѓу олово, олово диоксид и сулфурна киселина. Секоја хемија нуди различни карактеристики за складирање енергија врз основа на јачината и реверзибилноста на нејзините хемиски врски.
Густина на енергија-колку енергија може да складира батеријата во однос на нејзината тежина-директно зависи од хемискиот потенцијал на нејзините материјали. Истражувањето на Министерството за енергетика покажува дека ќелиите на литиум{3}}јонските батерии го зголемиле речиси тројно складирањето енергија по килограм од 2010 година, првенствено преку оптимизирање на хемиските состави и структури што се користат во електродите.
Стабилноста на хемиската потенцијална енергија ги прави батериите исклучителни уреди за складирање. За разлика од електричната енергија што тече низ жиците (кинетичка енергија) или компримиран воздух (механичка потенцијална енергија), хемиските врски во батериите можат да задржат енергија подолги периоди со минимална загуба. Современите литиум-јонски батерии губат само 1-2% од нивното полнење месечно кога се во мирување - сведоштво за тоа колку ефикасно хемиските врски ја зачувуваат енергијата.
Процесот на конверзија на енергијата: од хемиски во електричен
Преобразувањето од хемиска во електрична енергија вклучува прецизно кореографирани атомски движења. Кога ќе го притиснете копчето за вклучување на телефонот или ќе го завртите палењето на автомобилот, завршувате електрично коло што предизвикува каскада од хемиски реакции во батеријата.
Еве како се одвива трансформацијата:
На анодата (негативен терминал), оксидационите реакции ги отстрануваат електроните од атомите во материјалот на електродата. За литиум-јонска батерија, атомите на литиум на графитната анода ги ослободуваат своите електрони и стануваат позитивно наелектризирани јони на литиум. Ова ослободување на електрони го зголемува негативниот полнеж на терминалот.
Преку надворешното коло, овие ослободени електрони течат кон позитивниот терминал, патувајќи низ вашиот уред и напојувајќи го на патот. Овој проток на електрони ја сочинува електричната струја што го движи вашиот паметен телефон, лаптоп или електрично возило.
Внатре во батеријата, јоните на литиум мигрираат низ течниот или гел електролитот од анодата кон катодата. Електролитот делува како јонски автопат додека го блокира протокот на електрони-присилувајќи ги електроните да ја поминат надворешната патека низ вашиот уред.
На катодата (позитивен терминал), реакциите на редукција се случуваат кога катодниот материјал ги прифаќа електроните кои пристигнуваат од надворешното коло. Истовремено, јоните на литиум кои пристигнуваат низ електролитот се комбинираат со овие електрони, завршувајќи го електрохемискиот циклус.
Овој процес продолжува се додека колото останува затворено, а реактивните материјали остануваат достапни на електродите. Напонот произведен-обично 1,5V за алкални батерии или 3,7V по ќелија за литиум-јон-зависи од разликата во хемискиот потенцијал помеѓу анодните и катодните материјали.
Свртување на процесот: Батерии за полнење
Батериите што се полнат овозможуваат обратна трансформација. Кога го приклучувате полначот на телефонот, применувате надворешна електрична енергија што ги враќа хемиските реакции наназад. Електроните принудени во анодата ги обновуваат оригиналните хемиски соединенија, обновувајќи ја хемиската потенцијална енергија на батеријата. Оваа реверзибилност ги разликува батериите за полнење од типовите за еднократна-употреба, иако секој циклус на полнење-празнење воведува мали неповратни промени кои постепено го намалуваат капацитетот на батеријата.
Научниците од МИТ забележуваат дека разбирањето зошто овие реакции не се менуваат целосно за време на полнењето останува активно истражување. Нецелосната реверзибилност објаснува зошто батериите на телефонот на крајот го губат капацитетот-суптилните промени во структурата на електродата и хемијата на електролитите се акумулираат во стотици циклуси.
Различни типови батерии и нивните системи за хемиска енергија
Хемијата на батериите варира многу, а секоја од нив нуди посебни предности врз основа на употребените хемиски реакции:
Литиум-јонски батерии
Овие доминантни батерии на полнење складираат енергија преку движење на литиум-јони помеѓу две соединенија што содржат литиум-. Нивната висока енергетска густина-обично 150-250 вати-часови по килограм ги прави идеални за пренослива електроника и електрични возила. Хемиската енергија се наоѓа во реверзибилните реакции на вметнување на литиум на двете електроди.
Оловни-киселински батерии
Од 1859 година, оловните-киселински батерии складираат енергија преку реакции помеѓу олово, олово диоксид и сулфурна киселина. За време на празнењето, двете електроди се претвораат во олово сулфат додека сулфурната киселина се разредува. Полнењето ги менува овие реакции, враќајќи ги оригиналните материјали. Иако потешки и помалку енергија-од литиум-јонските батерии, нивната доверлива хемија и ниската цена ја одржуваат својата доминација во апликациите за стартување на автомобили.
Алкални батерии
Алкалните батерии за еднократна-употреба користат реакции на цинк и манган диоксид во алкален електролит. Хемиската енергија складирана во оксидацијата на цинкот и редукцијата на манган диоксид обезбедува сигурна-долготрајна моќност за уреди со ниска-одводнување. Нивната хемија не се менува лесно, што ги прави несоодветни за полнење.
Нови хемии
Истражувањата продолжуваат за нови хемикалии на батерии кои би можеле да го револуционизираат складирањето енергија. Батериите во цврста-состојба ги заменуваат течните електролити со цврсти материјали, потенцијално тројно ја зголемуваат густината на енергијата додека ја подобруваат безбедноста. Литиум-сулфурните батерии ветуваат уште поголема теоретска густина на енергија. Овие достигнувања се фокусираат на пронаоѓање хемиски системи кои складираат повеќе енергија во полесни, побезбедни пакувања.
Зошто хемиската енергија ги прави батериите практични?
Изборот на складирање на хемиска енергија не е произволен-тој нуди уникатни практични предности:
Густина на енергија: Хемиските врски пакуваат значителна енергија во компактни волумени. Литиум-јонските батерии постигнуваат 150-250 Wh/kg, што е многу повеќе од механичките методи за складирање, како што се замаци (5-130 Wh/kg) или дури и системи за компримиран воздух.
Времетраење на складирање: Хемиската потенцијална енергија останува стабилна долги периоди. За разлика од електричното полнење во кондензаторите, кое истекува за неколку часа, хемијата на батеријата одржува енергија со месеци или години со минимално само-празнење.
Преносливост: Цврстата или полу{0}}цврстата природа на материјалите од батериите овозможува преносливо напојување. Не можете лесно да носите електрана или турбина на ветер, но хемиската енергија содржана од батеријата оди каде и да ви треба.
Контролирано ослободување: Хемиските реакции во батериите се случуваат со податлива брзина, обезбедувајќи стабилна излезна моќност. Дизајнот на електролитот и електродата регулира колку брзо хемиската енергија се претвора во електрична енергија, спречувајќи опасно брзо празнење.
Приспособливост: системите за батерии се размеруваат од мали ќелии со копчиња кои напојуваат слушни помагала до масивни мрежни-инсталации за складирање. Истата фундаментална хемија функционира низ целиот овој опсег, со енергетски капацитет определен едноставно од количината на реактивни материјали.
Енергетскиот биланс: Она што влегува мора да излезе
Складирањето на енергијата на батеријата ги следи термодинамичките закони. Електричната енергија што ја извлекувате не може да ја надмине хемиската енергија складирана за време на полнењето-всушност, таа е секогаш помала поради неизбежните загуби.
Ефикасноста на полнење и празнење обично се движи од 80-95% за модерните литиум-јонски батерии. „Недостасуваната“ енергија не исчезнува; се претвора во топлина преку различни механизми:
Отпорот во електродите и струјните колектори троши дел од енергијата како топлина
Движењето на јоните низ електролитот наидува на триење, генерирајќи топлинска енергија
Несаканите реакции-несаканите хемиски процеси-трошат мали количини на енергија
Структурните промени во материјалите на електродата при вметнување на литиум апсорбираат енергија
Ова размислување за ефикасност е важно за апликации како што е мрежната-скала за складирање енергија. Објектот што складира сончева енергија за користење преку ноќ мора да има 5-20% загуба на енергија во циклусот на складирање. Создадената топлина бара и системи за термичко управување во инсталации на големи батерии и електрични возила.
Основната енергетска трансформација останува: електрична енергија → хемиска потенцијална енергија (за време на полнење) → електрична енергија (за време на празнење). Ниту една батерија не создава енергија; тој само го складира и ослободува преку хемиски реакции.
Мерење на енергијата на батеријата: Клучни спецификации
Неколку спецификации ги опишуваат енергетските карактеристики на батеријата:
Капацитет(мерено во amp{0}}часови или Ah) го означува вкупното полнење што може да го испорача батеријата. Телефонската батерија од 2000 mAh теоретски може да обезбеди 2 ампери за еден час или 0,5 ампери за четири часа.
Енергетска содржина(мерено во вати-часови или Wh) ја претставува вкупната работа што може да ја изврши батеријата. Пресметајте го со множење на капацитетот со напон: батерија од 3,7 V, 2000 mAh содржи 7,4 Wh енергија.
Густина на енергија(Wh/kg или Wh/L) опишува колку енергија има во дадена маса или волумен. Поголемата енергетска густина значи поголема моќност во полесен, помал пакет-од клучно значење за електричните возила и преносливата електроника.
Густина на моќност(W/kg) покажува колку брзо батеријата може да ја испорача својата складирана енергија. Високата густина на моќност е важна за апликации кои бараат брзо празнење на енергија, како што се електрични алати или забрзување на електричните возила.
Циклус животмери колку циклуси на полнење-празнење издржува батеријата пред значително да се намали капацитетот. Оваа спецификација директно се однесува на тоа колку добро хемиските реакции се менуваат за време на полнењето.
Вообичаени заблуди за енергијата на батериите
Заблуда: батериите чуваат електрична енергијаРеалност: батериите складираат хемиска енергија и произведуваат електрична енергија по потреба. Електричната енергија е проток на електрони-не можете да ја „складирате“ струјата што тече повеќе отколку што можете да складирате вода што тече. Наместо тоа, батериите ја зачувуваат енергијата во хемиска форма, ослободувајќи ја како електрична струја кога е потребно.
Заблуда: Сите батерии работат на ист начинРеалност: Различните хемикалии на батериите користат различни хемиски реакции. Механизмот за складирање енергија на литиум-јонската батерија фундаментално се разликува од оловната-киселинска или алкална батерија, иако сите го следат основниот принцип на конвертирање помеѓу хемиска и електрична енергија.
Заблуда: батериите губат капацитет затоа што истекува струјаРеалност: Деградацијата на капацитетот произлегува од неповратните промени во материјалите на електродите и хемијата на електролитите. Повтореното вметнување и отстранување на јоните постепено ги менува кристалните структури, се формираат нови хемиски соединенија, а електролитот малку се распаѓа. Овие кумулативни промени го намалуваат количеството на реверзибилно складирање на хемиска енергија.
Заблуда: ниските температури ги трошат батериитеРеалност: Ниските температури не ја отстрануваат енергијата од батериите. Наместо тоа, тие ги забавуваат хемиските реакции одговорни за конверзија на енергијата. Енергијата останува складирана, но батеријата испорачува помалку енергија бидејќи реакциите се одвиваат бавно на студ.
Иднината на складирање на хемиска енергија
Технологијата на батериите продолжува да се развива додека истражувачите откриваат нови хемиски системи и ги оптимизираат постоечките. Неколку случувања ветуваат подобрување на начинот на кој батериите складираат и испорачуваат хемиска енергија:
Батерии во цврста состојба-заменете ги течните електролити со цврсти материјали, потенцијално дозволувајќи им на литиумските метални аноди кои складираат повеќе енергија. Раните прототипови демонстрираат густина на енергија што се приближува до 400 Wh/kg-речиси двојно тековната технологија на литиум-јонска технологија.
Силиконски анодиможе да го зголеми капацитетот на литиум-јон за 20-40% во споредба со конвенционалните графитни аноди. Силиконот сместува повеќе литиумски јони, складирајќи дополнителна хемиска енергија во ист волумен.
Напредни електролитикористењето на нови растворувачи и адитиви може да им овозможи на батериите да работат низ пошироки температурни опсези, додека одржуваат висока ефикасност при хемиската-во-електрична конверзија.
Хемија на литиум-сулфурнуди теоретски густини на енергија кои надминуваат 500 Wh/kg со искористување на високиот капацитет за складирање енергија на сулфурот. Техничките предизвици околу растворањето на сулфурот за време на возењето велосипед моментално ја ограничуваат комерцијалната одржливост.
Натриум-јонски батерииобезбедете потенцијална алтернатива на системи базирани на литиум- за стационарно складирање каде што тежината е помалку важна. Изобилството на натриум и ниската цена може да го демократизираат складирањето на хемиската енергија во големи-размери.
Овие достигнувања имаат заедничка цел: пакување на повеќе хемиска потенцијална енергија во полесни, побезбедни,-подолготрајни пакувања и истовремено подобрување на ефикасноста на конверзијата во електрична енергија.
Најчесто поставувани прашања
Дали енергијата во батеријата е хемиска или електрична?
Батериите складираат хемиска потенцијална енергија и ја претвораат во електрична енергија за време на празнењето. Додека се складира, енергијата постои како хемиски потенцијал во врските помеѓу атомите. Само за време на активното празнење оваа хемиска енергија станува електрична енергија што тече низ колото.
Можете ли да ја зголемите енергијата складирана во батеријата?
Не можете да додавате енергија над дизајнираниот капацитет на батеријата-тоа се одредува според количината и видот на хемиските материјали во електродите. Обидот да се „преполни“ батеријата предизвикува реакции кои можат да ги оштетат материјалите или да создадат опасности за безбедноста. Сепак, истражувачите постојано развиваат нови хемикалии на батерии кои складираат повеќе енергија во ист волумен.
Зошто батериите се загреваат при полнење или празнење?
Хемиските реакции кои ја претвораат енергијата помеѓу хемиски и електрични форми не се совршено ефикасни. Отпорноста на движењето на јоните и протокот на електрони, плус помали странични реакции, претвораат дел од енергијата во топлина. Брзото полнење или празнење ги забрзува овие процеси, генерирајќи повеќе топлина.
Колку долго хемиската енергија може да остане складирана во батеријата?
Современите батерии можат да складираат енергија со години со постепено само-празнење. Алкалните батерии задржуваат капацитет од 85-90% по пет години складирање. Литиумските-јонски батерии само-се празнеат со околу 1-2% месечно. Хемиската стабилност на материјалите од батериите го одредува времетраењето на складирањето - постабилните хемиски врски ја задржуваат енергијата подолго.
Завршни мисли
Хемиската потенцијална енергија ги прави батериите едно од најразновидните решенија за складирање енергија на човештвото. Оваа енергетска форма обезбедува стабилна, пренослива, скалабилна моќ од која сè повеќе зависи модерната цивилизација. Од телефонот во вашиот џеб до електричните возила на нашите патишта до мрежни-инсталации за балансирање на обновливите извори на енергија-сето тоа се потпира на способноста на хемијата безбедно да складира и ослободува енергија по потреба.
Постојаната еволуција на хемијата на батериите ветува уште поефикасно складирање на енергија. Како што истражувачите отклучуваат нови хемиски системи и ги усовршуваат постоечките, батериите ќе спакуваат повеќе енергија во помали, полесни и побезбедни пакувања. Разбирањето дека батериите во основа се уреди со хемиска енергија-не електрични-помага да ги цениме нивните способности и ограничувања додека градиме сè поелектрифициран свет.
Клучни производи за носење
Продавница за батериихемиска потенцијална енергијаво молекуларните врски на нивните електродни материјали и електролит
Оваа хемиска енергијасе претвора во електрична енергијапреку електрохемиски реакции кога батеријата напојува уред
Различни хемикалии на батерии (литиум-јон, олово-киселина, алкална) користат различни хемиски реакции, но го следат истиот основен принцип на конверзија на енергија
Складирањето на хемиската енергија нуди предности нависока енергетска густина, долгорочна-стабилност, ипреносливост
Ефикасноста на батеријата се движи од 80-95%, при што изгубената енергија се претвора во топлина за време на хемиско-електричните трансформации
Препорачани можности за внатрешна врска
Како батериите се деградираат со текот на времето (рок на батеријата и одржување)
Споредба на хемијата на батериите (литиум-јон наспроти олово-киселина наспроти алкална)
Безбедност на батериите и термичко управување
Технологија на батерии за електрични возила
Решенија за складирање енергија на мрежна-скала
Рециклирање на батерии и одржливост