Baterija shranjuje kemično potencialno energijo, ki se ob priključitvi na napravo pretvori v električno energijo. Ta energija ostane v stanju mirovanja v kemičnih vezeh med atomi in molekulami, dokler baterija ne sklene kroga in se začne prazniti.
Dvojna narava energije baterije
Baterije delujejo z izjemno transformacijo med dvema energijskima stanjema. Med shranjevanjem energija obstaja kot kemični potencial-zaklenjen v molekularni strukturi elektrod baterije in elektrolita. Ko priključite baterijo za napajanje naprave, se ta shranjena kemična energija z elektrokemičnimi reakcijami pretvori v električno energijo.
Ta dvojna narava razlikuje baterije od drugih virov energije. Za razliko od električne vtičnice, ki zagotavlja stalen električni tok, ali goriva, ki sprošča energijo z zgorevanjem, baterije premostijo tako kemično kot električno domeno. Kemične vezi v baterijskih materialih zadržujejo energijo v stabilni, -za-pripravljeni obliki, dokler zunanje vezje ne sproži procesa pretvorbe.
Preoblikovanje poteka z reakcijami oksidacije-redukcije (redoks) na elektrodah baterije. Na negativni elektrodi (anodi) se pri oksidaciji sprostijo elektroni. Ti elektroni tečejo skozi vezje vaše naprave in opravljajo delo. Medtem na pozitivni elektrodi (katodi) redukcijske reakcije sprejmejo te elektrone in s tem zaključijo cikel. Skozi ta proces se ioni premikajo skozi elektrolit baterije, da ohranijo ravnovesje napolnjenosti.
Razumevanje kemijske potencialne energije v baterijah
Kemijska potencialna energija predstavlja energijo, shranjeno v molekularnih vezeh-silah, ki držijo atome skupaj v spojinah. V baterijah je ta mehanizem za shranjevanje energije vzporeden z drugimi znanimi kemičnimi energetskimi sistemi. Molekule bencina shranjujejo kemično energijo, ki jo motorji z notranjim zgorevanjem pretvorijo v mehansko energijo. Les vsebuje kemične vezi, ki se pri gorenju pretvorijo v toploto. Baterije delujejo po podobnem principu, vendar z bistveno razliko: pretvarjajo kemično energijo neposredno v električno brez zgorevanja ali mehanskih posrednikov.
Specifične kemične spojine v bateriji določajo njeno energijsko zmogljivost in napetost. Litij-ionske baterije na primer shranjujejo energijo prek litijevih ionov, ki se gibljejo med grafitom in spojinami,-ki vsebujejo litij. Svinčeve-kislinske baterije temeljijo na reakcijah med svincem, svinčevim dioksidom in žveplovo kislino. Vsaka kemija ponuja različne značilnosti shranjevanja energije, ki temeljijo na moči in reverzibilnosti njenih kemičnih vezi.
Gostota energije-koliko energije lahko baterija shrani glede na svojo težo-je neposredno odvisno od kemičnega potenciala njenih materialov. Raziskave Ministrstva za energijo kažejo, da so litij-ionske baterijske celice od leta 2010 skoraj potrojile svojo shranjeno energijo na kilogram, predvsem z optimizacijo kemičnih sestav in struktur, uporabljenih v elektrodah.
Zaradi stabilnosti kemijske potencialne energije so baterije izjemne naprave za shranjevanje. Za razliko od električne energije, ki teče skozi žice (kinetična energija) ali stisnjenega zraka (mehanska potencialna energija), lahko kemične vezi v baterijah zadržijo energijo dalj časa z minimalnimi izgubami. Sodobne litij-ionske baterije izgubijo le 1-2 % napolnjenosti na mesec, ko ne delujejo – dokaz o tem, kako učinkovito kemične vezi ohranjajo energijo.
Proces pretvorbe energije: od kemične do električne
Pretvorba iz kemične v električno energijo vključuje natančno koreografirane atomske gibe. Ko pritisnete gumb za vklop telefona ali vključite vžig avtomobila, sklenete električni krog, ki sproži kaskado kemičnih reakcij v bateriji.
Tukaj je opisano, kako se preobrazba odvija:
Na anodi (negativni terminal), oksidacijske reakcije odstranjujejo elektrone iz atomov v materialu elektrode. Pri litij-ionski bateriji litijevi atomi na grafitni anodi sprostijo svoje elektrone in postanejo pozitivno nabiti litijevi ioni. Ta sprostitev elektronov poveča negativni naboj na terminalu.
Preko zunanjega tokokroga, ti sproščeni elektroni tečejo proti pozitivnemu terminalu, potujejo skozi vašo napravo in jo na poti napajajo. Ta tok elektronov predstavlja električni tok, ki poganja vaš pametni telefon, prenosni računalnik ali električno vozilo.
Znotraj baterije, litijevi ioni migrirajo skozi tekoči ali gelni elektrolit od anode proti katodi. Elektrolit deluje kot ionska avtocesta, medtem ko blokira pretok elektronov-in prisili elektrone, da gredo skozi zunanjo pot skozi vašo napravo.
Na katodi (pozitivni terminal)pride do reakcij redukcije, ko material katode sprejme elektrone, ki prihajajo iz zunanjega tokokroga. Hkrati se litijevi ioni, ki pridejo skozi elektrolit, združijo s temi elektroni in s tem zaključijo elektrokemijski cikel.
Ta proces se nadaljuje, dokler je tokokrog zaprt in so na elektrodah na voljo reaktivni materiali. Proizvedena napetost-je običajno 1,5 V za alkalne baterije ali 3,7 V na celico za litij-ionske-odvisno od razlike v kemičnem potencialu med anodnim in katodnim materialom.
Obračanje procesa: polnilne baterije
Akumulatorske baterije omogočajo obratno transformacijo. Ko priključite polnilnik telefona, uporabite zunanjo električno energijo, ki poganja kemične reakcije nazaj. Elektroni, potisnjeni v anodo, obnovijo prvotne kemične spojine in obnovijo kemično potencialno energijo baterije. Ta reverzibilnost razlikuje baterije za ponovno polnjenje od tipov za enkratno-uporabo, čeprav vsak cikel polnjenja-praznjenja uvaja manjše nepopravljive spremembe, ki postopoma zmanjšujejo kapaciteto baterije.
Znanstveniki z MIT ugotavljajo, da razumevanje, zakaj se te reakcije med polnjenjem ne obrnejo popolnoma, ostaja aktivno raziskovalno področje. Nepopolna reverzibilnost pojasnjuje, zakaj telefonske baterije sčasoma izgubijo kapaciteto-prefinjene spremembe v strukturi elektrod in kemiji elektrolitov se kopičijo v stotinah ciklov.
Različni tipi baterij in njihovi kemijski energijski sistemi
Kemija baterij se zelo razlikuje, vsaka ponuja različne prednosti na podlagi uporabljenih kemičnih reakcij:
Litij-ionske baterije
Te prevladujoče polnilne baterije shranjujejo energijo s premikanjem litij-ionov med dvema spojinama,-ki vsebujeta litij. Zaradi visoke gostote energije-običajno 150-250 vatnih-ur na kilogram so idealni za prenosno elektroniko in električna vozila. Kemična energija se nahaja v reverzibilnih reakcijah vstavljanja litija na obeh elektrodah.
Svinčeve-kislinske baterije
Svinčene{1}}kislinske baterije iz leta 1859 shranjujejo energijo z reakcijami med svincem, svinčevim dioksidom in žveplovo kislino. Med praznjenjem se obe elektrodi pretvorita v svinčev sulfat, medtem ko se žveplova kislina razredči. Polnjenje obrne te reakcije in obnovi prvotne materiale. Čeprav so težje in energijsko manj-kot litij-ionske baterije, njihova zanesljiva kemija in nizki stroški ohranjajo prevlado v aplikacijah za zagon avtomobilov.
Alkalne baterije
Alkalne-baterije za enkratno uporabo uporabljajo reakcije cinkovega in manganovega dioksida v alkalnem elektrolitu. Kemična energija, shranjena pri oksidaciji cinka in redukciji manganovega dioksida, zagotavlja zanesljivo, dolgo{2}}trajno napajanje za naprave z nizko-porabo. Njihova kemija se ne spremeni takoj, zaradi česar niso primerni za ponovno polnjenje.
Nastajajoče kemije
Nadaljuje se raziskovanje novih kemičnih spojin baterij, ki bi lahko revolucionirale shranjevanje energije. Polprevodniške-baterije nadomeščajo tekoče elektrolite s trdnimi materiali, kar lahko potroji gostoto energije in hkrati izboljša varnost. Litij-žveplove baterije obljubljajo še višje teoretične gostote energije. Ta napredek se osredotoča na iskanje kemičnih sistemov, ki hranijo več energije v lažjih in varnejših paketih.
Zakaj so baterije praktične zaradi kemične energije
Izbira kemijskega shranjevanja energije ni samovoljna-, ponuja edinstvene praktične prednosti:
Gostota energije: Kemične vezi zapakirajo veliko energije v kompaktne prostornine. Litij-ionske baterije dosegajo 150–250 Wh/kg, kar daleč presega mehanske metode shranjevanja, kot so vztrajniki (5–130 Wh/kg) ali celo sistemi s stisnjenim zrakom.
Trajanje shranjevanja: Kemijska potencialna energija ostane stabilna dalj časa. Za razliko od električnega naboja v kondenzatorjih, ki uhaja v nekaj urah, kemija akumulatorja ohranja energijo mesece ali leta z minimalno samo{1}}praznjenjem.
Prenosljivost: trdna ali pol{0}}trdna narava materialov baterij omogoča prenosno napajanje. Elektrarne ali vetrne turbine ne morete zlahka prenašati, toda kemična energija, ki jo vsebuje baterija, gre kamor koli jo potrebujete.
Nadzorovano sproščanje: Kemične reakcije v baterijah potekajo z obvladljivo hitrostjo, kar zagotavlja enakomerno izhodno moč. Zasnove elektrolitov in elektrod uravnavajo, kako hitro se kemična energija pretvori v električno, kar preprečuje nevarno hitro praznjenje.
Razširljivost: Baterijski sistemi segajo od drobnih gumbastih celic, ki napajajo slušne aparate, do velikih omrežnih-naprav za shranjevanje. Ista temeljna kemija deluje v celotnem območju, pri čemer je energijska zmogljivost določena preprosto s količino reaktivnih materialov.
Energijska bilanca: Kar gre noter, mora priti ven
Shranjevanje energije v baterijah sledi termodinamičnim zakonom. Električna energija, ki jo pridobite, ne more preseči kemične energije, shranjene med polnjenjem-pravzaprav je vedno manj zaradi neizogibnih izgub.
Učinkovitost polnjenja in praznjenja se običajno giblje od 80-95 % za sodobne litij-ionske baterije. "Manjkajoča" energija ne izgine; pretvarja se v toploto z različnimi mehanizmi:
Upor v elektrodah in tokovnih zbiralnikih razprši nekaj energije kot toploto
Gibanje ionov skozi elektrolit naleti na trenje, ki ustvarja toplotno energijo
Stranske reakcije-neželeni kemični procesi-porabljajo majhne količine energije
Strukturne spremembe v materialih elektrod med vstavljanjem litija absorbirajo energijo
Ta vidik učinkovitosti je pomemben za aplikacije, kot je shranjevanje energije v-omrežju. Objekt, ki shranjuje sončno energijo za uporabo čez noč, mora upoštevati 5-20 % izgube energije v ciklu shranjevanja. Ustvarjena toplota zahteva tudi sisteme za upravljanje toplote v velikih baterijskih instalacijah in električnih vozilih.
Osnovna transformacija energije ostaja: električna energija → kemijska potencialna energija (med polnjenjem) → električna energija (med praznjenjem). Nobena baterija ne ustvarja energije; le skladišči in sprošča s kemičnimi reakcijami.
Merjenje energije baterije: ključne specifikacije
Več specifikacij opisuje energijske značilnosti baterije:
Zmogljivost(merjeno v amper-urah ali Ah) označuje skupno napolnjenost, ki jo lahko zagotovi baterija. Baterija telefona z 2000 mAh lahko teoretično zagotavlja 2 ampera za eno uro ali 0,5 ampera za štiri ure.
Vsebnost energije(merjeno v vat-urah ali Wh) predstavlja skupno delo, ki ga lahko opravi baterija. Izračunajte ga tako, da kapaciteto pomnožite z napetostjo: baterija 3,7 V, 2000 mAh vsebuje 7,4 Wh energije.
Gostota energije(Wh/kg ali Wh/L) opisuje, koliko energije je v dani masi ali prostornini. Večja energijska gostota pomeni večjo moč v lažjem, manjšem ohišju-, ki je ključnega pomena za električna vozila in prenosno elektroniko.
Gostota moči(W/kg) označuje, kako hitro lahko baterija odda shranjeno energijo. Visoka gostota moči je pomembna za aplikacije, ki zahtevajo hitro praznjenje energije, kot so električna orodja ali pospeševanje električnih vozil.
Življenjski cikelmeri, koliko ciklov polnjenja-praznjenja prestane baterija, preden se zmogljivost znatno zmanjša. Ta specifikacija je neposredno povezana s tem, kako dobro potekajo kemične reakcije med ponovnim polnjenjem.
Pogoste napačne predstave o baterijski energiji
Napačno prepričanje: Baterije shranjujejo elektrikoResničnost: Baterije shranjujejo kemično energijo in proizvajajo elektriko na zahtevo. Elektrika je tok elektronov-tekočega toka ne morete "shraniti" prav tako kot tekoče vode. Baterije namesto tega ohranjajo energijo v kemični obliki in jo po potrebi sprostijo kot električni tok.
Napačno prepričanje: Vse baterije delujejo na enak načinResničnost: Različne kemije baterij uporabljajo različne kemične reakcije. Mehanizem za shranjevanje energije v litij-ionski bateriji se bistveno razlikuje od svinčevo-kislinske ali alkalne baterije, čeprav vse sledijo osnovnemu principu pretvorbe med kemično in električno energijo.
Napačno prepričanje: Baterije izgubijo kapaciteto, ker elektrika uhajaResničnost: Zmanjšanje zmogljivosti izhaja iz nepopravljivih sprememb v materialih elektrod in kemiji elektrolitov. Ponavljajoče se vstavljanje in odstranjevanje ionov postopoma spremeni kristalne strukture, nastanejo nove kemične spojine in elektrolit se rahlo razgradi. Te kumulativne spremembe zmanjšajo količino reverzibilnega shranjevanja kemične energije.
Napačno prepričanje: Nizke temperature izpraznijo baterijeResnica: Nizke temperature ne odvzamejo energije baterijam. Namesto tega upočasnijo kemične reakcije, odgovorne za pretvorbo energije. Energija ostane shranjena, vendar baterija zagotavlja manj energije, ker reakcije na mrazu potekajo počasi.
Prihodnost kemičnega shranjevanja energije
Tehnologija baterij se še naprej razvija, ko raziskovalci odkrivajo nove kemične sisteme in optimizirajo obstoječe. Več dogodkov obljublja izboljšanje načina shranjevanja in dovajanja kemične energije v baterijah:
Polprevodniške-baterijezamenjati tekoče elektrolite s trdnimi materiali, kar potencialno omogoča litijeve kovinske anode, ki hranijo več energije. Zgodnji prototipi prikazujejo energijsko gostoto, ki se približuje 400 Wh/kg-skoraj dvojno trenutno litij-ionsko tehnologijo.
Silicijeve anodelahko poveča kapaciteto litij-ionov za 20-40 % v primerjavi z običajnimi grafitnimi anodami. Silicij sprejme več litijevih ionov in shrani dodatno kemično energijo v isti prostornini.
Napredni elektrolitiuporaba novih topil in dodatkov bi lahko baterijam omogočila delovanje v širših temperaturnih območjih, hkrati pa ohranila visoko učinkovitost kemične-pretvorbe v-električno.
Kemija litij-žveplaponuja teoretično energijsko gostoto, ki presega 500 Wh/kg z izkoriščanjem žveplove velike zmogljivosti shranjevanja energije. Tehnični izzivi v zvezi z raztapljanjem žvepla med kolesarjenjem trenutno omejujejo komercialno sposobnost preživetja.
Natrijeve{0}}ionske baterijepredstavlja potencialno alternativo sistemom-na osnovi litija za stacionarno shranjevanje, kjer teža ni pomembna. Obilje in nizki stroški natrija bi lahko demokratizirali -shranjevanje kemične energije v velikem obsegu.
Temu napredku je skupen cilj: pakiranje več kemične potencialne energije v lažje, varnejše,-trajnejše pakete, hkrati pa izboljšati učinkovitost pretvorbe v električno energijo.
Pogosto zastavljena vprašanja
Ali je energija v bateriji kemična ali električna?
Baterije hranijo kemično potencialno energijo in jo med praznjenjem pretvorijo v električno energijo. Medtem ko je energija shranjena, obstaja kot kemični potencial v vezeh med atomi. Samo med aktivnim praznjenjem ta kemična energija postane električna energija, ki teče skozi tokokrog.
Ali lahko povečate energijo, shranjeno v bateriji?
Ne morete dodati energije, ki presega načrtovano zmogljivost baterije-to določata količina in vrsta kemičnih materialov v elektrodah. Poskus "prekomernega polnjenja" baterije povzroči reakcije, ki lahko poškodujejo materiale ali povzročijo varnostne nevarnosti. Vendar pa raziskovalci nenehno razvijajo nove kemije baterij, ki hranijo več energije v isti prostornini.
Zakaj se baterije med polnjenjem ali praznjenjem segrejejo?
Kemične reakcije, ki pretvarjajo energijo med kemično in električno obliko, niso popolnoma učinkovite. Odpornost na gibanje ionov in pretok elektronov ter manjše stranske reakcije pretvorijo nekaj energije v toploto. Hitro polnjenje ali praznjenje pospeši te procese in ustvari več toplote.
Kako dolgo lahko ostane kemična energija shranjena v bateriji?
Sodobne baterije lahko s postopnim-praznjenjem energijo hranijo več let. Alkalne baterije ohranijo 85-90% kapacitete po petih letih skladiščenja. Litij-ionske baterije se samo-praznijo pri približno 1-2 % mesečno. Kemična stabilnost materialov baterije določa trajanje shranjevanja – stabilnejše kemične vezi dlje zadržijo energijo.
Končne misli
Zaradi kemijske potencialne energije so baterije ena najbolj vsestranskih rešitev za shranjevanje energije v človeštvu. Ta oblika energije zagotavlja stabilno, prenosljivo, razširljivo moč, od katere je sodobna civilizacija vse bolj odvisna. Od telefona v vašem žepu do električnih vozil na naših cestah do omrežnih-inštalacij za uravnoteženje obnovljive energije-vse se zanaša na sposobnost kemije, da varno shrani in sprosti energijo na zahtevo.
Nadaljnji razvoj kemije baterij obljublja še učinkovitejše shranjevanje energije. Ko bodo raziskovalci odklenili nove kemične sisteme in izpopolnili obstoječe, bodo baterije spravile več energije v manjše, lažje in varnejše pakete. Razumevanje, da so baterije v osnovi naprave za kemično energijo-in ne električne-pomaga ceniti njihove zmogljivosti in omejitve, ko gradimo svet, ki je vedno bolj naelektren.
Ključni zaključki
Trgovina z baterijamikemijska potencialna energijav molekularnih vezeh njihovih elektrodnih materialov in elektrolita
Ta kemična energijapretvarja v električno energijoz elektrokemičnimi reakcijami, ko baterija napaja napravo
Različne kemije baterij (litij-ionske, svinčeno-kislinske, alkalne) uporabljajo različne kemične reakcije, vendar sledijo istemu osnovnemu principu pretvorbe energije
Kemično shranjevanje energije ponuja prednostivisoka energijska gostota, dolgoročna-stabilnost, inprenosljivost
Učinkovitost baterije se giblje od 80-95 %, pri čemer se izgubljena energija pretvori v toploto med kemijsko-električnimi transformacijami
Priporočene možnosti notranjih povezav
Kako se baterije sčasoma razgradijo (življenjska doba baterije in vzdrževanje)
Primerjava kemije baterije (litij-ionska v primerjavi s svinčeno-kislinsko v primerjavi z alkalno)
Varnost baterije in toplotno upravljanje
Tehnologija baterij električnih vozil
Rešitve za-mrežno shranjevanje energije
Recikliranje baterij in trajnost