Светът на физиката на батериите и изследванията на батериите
Michael Büker 17 декември 2015 г.
Без батерии ежедневието вероятно ще бъде трудно за много от нас - те осигуряват захранване за мобилни телефони, лаптопи или дистанционно управление. За различните приложения се изискват много различни изисквания към батериите. Разработването им и тестването на нови технологии обаче е сложен и продължителен процес.
Електрическият ток се създава от движещи се електрически заряди. Повечето домакински електричество се черпят от контакта, но батериите се използват за безжични и преносими устройства. Те са малки, компактни и могат да осигурят електрическа енергия, когато е необходимо. Акумулаторните батерии, известни още като акумулатори, дори могат в разговорно отношение да „съхраняват електричество“.
Максимилиан Фихтнер, изследовател на батерията в Института Хелмхолц Улм и Технологичния институт Карлсруе, обяснява процесите в рамките на стандартна литиево-йонна батерия, както може да се намери в почти всички мобилни телефони и лаптопи, както следва:
„Предполагам, че материалите, в които се съхранява литийът, са като рафтове и литийът вече може да бъде представен като футбол. Ако сега съм сортирал целия литий от едната страна, т.е. на рафта отляво, батерията се зарежда, например.
И когато са разредени, тези футболни топки се преместват през процепа, електролита, от другата страна на другия рафт и когато всички са сортирани там, батерията се изтощава. И тогава трябва отново да използвам енергия, за да ги върна, за зареждане. Ето как принципно работи този процес. "
В този случай движещите се носители на заряд са положително заредени литиеви йони. Така нареченият електролит е течност със специални химични свойства, която позволява транспортирането на йони и запълва празнината между плюсовете и минусите полюсите - т.е.двата рафта. Самите два полюса са направени от материали, които могат да абсорбират, т.е.да съхраняват йоните.
В случай на акумулаторни батерии, като литиево-йонни батерии, носителите на заряд могат да се движат от полюс на полюс през електролита в двете посоки.
„Класическите материали за съхранение са графит от отрицателната страна. Това е слоеста структура, направена от въглерод, а между слоевете - това са отново нашите рафтове - литиевите йони могат да се сортират там.
Положителната страна, катодът, обикновено са метални оксиди, които имат отворени структури, т.е. празни пространства в структурата, в които литийът може да мигрира в структурата и да се задържа там. "
Количеството енергия, която една батерия може да задържи, се нарича капацитет. Литър или килограм бензин съдържа значително повече енергия от батерия със същия размер или тегло - но компактната, солидна форма на батерията, която също няма движещи се части, е решаващо предимство за много приложения. Една от причините за по-ниската енергийна плътност е именно тази структура на батерията.
„Проблемът с батериите като цяло е, че те до голяма степен се състоят от материали, които всъщност сами не съхраняват никаква енергия. Например, ние имаме корпуса от външната страна, той трябва да е здрав и здрав и да затваря интериора много плътно.
Тогава имаме така наречените колекторни фолиа, които представляват тънки метални фолиа, върху които се разстила паста с активния материал. След това самият активен материал все още се разрежда с проводими добавки като въглерод. След това има електролит, който се намира между електродите, който поема задачата да транспортира литий.
Нито един от тези компоненти не допринася за съхранение на енергия. Те са необходими за функционирането на батерията и съставляват над 70 процента от батерията. "
Различни изисквания в зависимост от целта
Различни материали са се утвърдили в различните области на приложение на батериите, всяка от които има определени предимства и недостатъци. Батериите, които могат да бъдат разредени само веднъж, обикновено са по-компактни и имат по-висока енергийна плътност от акумулаторите. Следователно те се използват за предпочитане в медицински импланти или в особено малки устройства като ръчни часовници.
По отношение на акумулаторните батерии обаче се изискват много различни изисквания:
„Когато си мисля за батерия, която имам в акумулаторна отвертка, например: Тя трябва да е много мощна, трябва да може да доставя силен ток за кратко време. Това е една крайност - когато буферирам слънчева система, имам няколко часа да заредя такава батерия. Така че мога да използвам материали с по-голям капацитет, но може би по-бавни. "
Отворена никел-метална хидридна батерия
Начинът, по който батерията се презарежда, също играе роля.
„Като цяло е така: Ако зареждате и разреждате батерия много бързо, автоматично получавате все по-малък капацитет. Дори ще забележите това на мобилния си телефон: Ако го зареждате по-бавно, батерията ще издържи по-дълго. Ако го закачите на бързо зарядно устройство, може да се зареди за час или три четвърти час, но телефонът ще издържи само половин ден. "
Зареждането и разреждането представляват постоянна химическа промяна в батерията, която е обратима във всеки случай. Съществуват обаче и постоянни химически промени, които обикновено са нежелани, защото например постоянно намаляват капацитета на батерията. Такива необратими промени причиняват ограничен живот на батериите, който за много ежедневни приложения е между една и няколко години.
„Друг важен фактор е така наречената кулоновска ефективност. Това е въпросът: Колко електрони поставям в батерията и колко излизам от батерията при следващото й разреждане? Това означава: Разклонени ли са електроните, за да предизвикат някакви необратими процеси в батерията и да звънят при бавното разграждане на батерията? "
В неблагоприятни случаи такива дългосрочни промени могат дори да повлияят на външната форма на батерията. Никел-металните хидридни батерии, които се използват широко в домакинските уреди, могат да се раздуят след много дълъг период на съхранение, ако електролитът попадне в грешните компоненти на батерията и ги атакува химически.
По-мощните литиево-йонни батерии, често срещани в мобилните телефони и лаптопите, при неблагоприятни обстоятелства могат да бъдат обект на интензивно топлинно развитие и дори да се запалят. Преди да се подобри дизайнът на тези батерии, имаше изтегляния на продукти от няколко производители на батерии за лаптопи. Проблемът беше нежелана реакция на положителния полюсен материал кобалтов оксид.
„По принцип той е в състояние да реагира с електролита, който е органична течност, и колкото по-висока е температурата, толкова по-добре се справя. Това означава, че ако имам лаптоп на слънце и се нагрее много, може да се случи реакция като тази да започне, която да се ускори, защото от своя страна отново произвежда топлина. "
Батерии в мобилност
Друг вид батерия, който се използва широко, а именно оловно-киселинната батерия, все още се среща в повечето автомобили днес. За разлика от други видове батерии, оловните батерии са сравнително големи и тежки с доста ниска енергийна плътност. Те обаче са изключително здрави и имат дълъг експлоатационен живот, поради което този тип батерии се използват в моторни превозни средства от много години.
„Оловото все още е актуално, това е много стабилна система, може да се зарежда и разрежда многократно, а оловните батерии също не са запалими. В него има воден електролит, в случая сярна киселина. Когато се зареждате, имате олово от едната страна и оловен оксид от другата. След това цялото нещо реагира с електролита, като движи различни електрони напред-назад и, когато се разреди, води до оловен сулфат от двете страни. И оловният сулфат, както шофьорите знаят от зимата, не трябва да остава в това състояние твърде дълго, защото след това образува по-големи кристали, които след това вече не се превръщат обратно в олово или оловен оксид. Това означава, че батерията след това ще се разпадне. "
За разлика от класическите автомобилни акумулатори, които съхраняват енергия в продължение на дълъг период от време и от време на време отделят сравнително малко количество електричество, електрическите автомобили без двигател с вътрешно горене са зависими от особено мощни батерии с голям капацитет.
Досега батериите в електрическите превозни средства не са успели да постигнат обхвата или дълголетието на бензиновите или дизеловите двигатели с вътрешно горене. Вие сте ограничени до няколкостотин километра между две зареждания. Електрическият луксозен седан от американски производител предлага една от най-големите гами с добри 400 километра. Автомобилът се състои от около 500 килограма - около една четвърт от общото му тегло - от литиево-йонни батерии.
Изследване на нови видове батерии
Поради това разнообразните приложения и нарастващото разпространение на батерийната технология също така мотивират изследванията на напълно нови форми на батерии и подобрения на съществуващите концепции.
„Основният фокус тук е върху изследването на магнезиевите батерии. Сега разработихме нов електролит, с който можем да използваме и комбинацията от магнезий и сяра. Това би било много интересно, защото от една страна обещава много висока енергийна плътност, а от друга страна магнезият е хиляда пъти по-често срещан на земята от лития - а сярата се предлага практически безплатно. "
В търсенето на нова технология на батериите Максимилиан Фихтнер и колегите му също изследват напълно различни концепции и проверяват тяхната практичност.
„Разбира се, има и други идеи и би било хубаво, ако може да се реализира нещо полезно. Една идея е така наречената редокс поточна батерия, при която всичко работи малко като горивна клетка. Имаме два големи резервоара, където имаме заредена и разредена течност, така да се каже, и ги изпращаме в противоположни посоки през това, което е известно като преобразувател, и черпим електричество от тях. Това прави конструкцията много по-лесна - с нея обаче не можете да съхранявате твърде много енергия на обем. "
Във всеки случай отнема дълъг дъх, докато обещаваща идея се превърне в завършен продукт.
"Като цяло това е процес, който в миналото е отнел около 12 до 15 години от първото откриване на материала, докато се надяваме, че е готов за практическа употреба."