Oppladbart batteri

Et oppladbart batteri (også kalt en sekundærcelle eller akkumulator ) er en elektrokjemisk enhet som , i motsetning til et engangs primærbatteri (haug), kan lades og utlades mange ganger. Begrepet "akkumulator" brukes når enheten akkumulerer og lagrer energi gjennom en reversibel elektrokjemisk reaksjon. [1]

Oppladbare batterier kommer i mange former og størrelser, fra små knappeceller til store systemer koblet til for å stabilisere et elektrisk distribusjonsnettverk og i stand til å levere flere megawatt . Ulike kombinasjoner av materialer brukes til elektroder og elektrolytter , inkludert blysyre , sink-luft , nikkel -kadmium (NiCd), nikkel-metallhydrid (NiMH), litium -ion (Li-ion), litiumjernfosfat ( LiFePO4) og Li-ion polymer .

Generell beskrivelse

I oppladbare batterier kan ladningen gjenopprettes fullstendig ved å bruke tilstrekkelig elektrisk energi. De grunnleggende egenskapene til disse batteriene er den elektriske spenningen ved terminalene (uttrykt i volt ) og den elektriske kapasiteten (uttrykt i amperetimer ).

Når et batteri leverer elektrisk energi til en ekstern krets som lommelykter , smarttelefoner eller elektriske kjøretøy (utladningsprosess), kalles den positive polen katoden og den negative polen kalles anoden ; sistnevnte terminal leverer elektroner til den eksterne kretsen ved å generere ioner . Samtidig løsner disse positivt ladede ionene fra anoden og beveger seg inne i batteriet gjennom elektrolytten for å nå katoden , hvor de fullfører den kjemiske reaksjonen , vanligvis henter elektroner igjen fra den eksterne kretsen . Ladeprosessen til sekundærbatteriene skjer i motsatt retning. Spesielt under lading mister de nevnte ionene i katoden elektroner som deretter transporteres gjennom en ekstern krets . I ladningen overføres ionene inne i batteriet fra katoden til anoden , hvor de til slutt nøytraliseres ved å hente elektroner fra den eksterne kretsen. Driften av batteriene har blitt sammenlignet med en "gyngestol" hvor ioner beveger seg fra en elektrode til en annen avhengig av om prosessen er en utladning eller en ladning. [2]

Noen typer oppladbare batterier er utsatt for skade på grunn av fullstendig utladning (Pb, Li-ion ) mens andre må utlades syklisk for å unngå rask forringelse av ytelsen ( minneeffekt på engelsk lazy battery , hysteresis ). Forsøk på å lade opp ikke-oppladbare (primær) batterier kan forårsake farlig overoppheting av elektrolytten , som kan føre til at den lekker eller eksploderer.

Navn

Den vanlige og ofte upassende bruken av begrepene celler, celler, batterier, akkumulatorer og lagringssystemer kan være gjenstand for tvetydighet; en liste følger som klargjør betydningen av begrepene.

Celle

De individuelle elementene, opprinnelig bare galvaniske , deretter elektrokjemiske, i stand til å levere elektrisk energi er riktig "celler" ; skille dem mellom sekundærceller (oppladbare) og primærceller (ikke-oppladbare). Begrepet "celle" utvides noen ganger også til andre elektrokjemiske enheter som er i stand til å levere elektrisk energi, for eksempel brenselceller .

Stable

Begrepet "haug", fra den originale Volta-haugen , har blitt tilskrevet forbindelsen i serier av flere overlagrede celler ; generelt brukes det ikke til å definere et oppladbart batteri, men bare for engangsenheter (se batteri ).

Batteri

Det mer vanlige begrepet "batteri" er blitt tilskrevet andre kombinasjoner av flere celler, som i tillegg til å bli brukt likegyldig som begrepet "batteri" i små ikke-oppladbare formater, også kan betegne individuelle elementer og også kan tilskrives ikke- elektrokjemiske akkumulatorer. [3]

Akkumulator / elektrisk lagringssystem

Begrepet "akkumulator" gjelder bare for oppladbar akkumulator, [4] de som vanligvis kalles oppladbare batterier er spesifikt elektriske eller mer presist elektrokjemiske akkumulatorer. Når den elektriske akkumulatoren er stor, ikke-transporterbar eller kompleks, spesielt når det refereres til store elektriske nettverk og energilagring , brukes begrepet "elektrisk lagringssystem".

Typer

Det finnes ulike typer oppladbare batterier, med ulik elektrisk kapasitet, ulik kjemisk sammensetning, former og størrelser, inkludert:

Den første akkumulatoren var blysyre, oppfunnet i 1859. Men frem til oppfinnelsen av dynamoen (1869) var den ganske ubrukelig som akkumulator siden den eneste måten å lade den på ville vært gjennom andre batterier; den ble bare brukt som en kilde til elektrisitet (mest for telegrafen ), gjennom dens fysiske skapelse (plater med bly dyppet i svovelsyre) og avhending av blysulfat når ladningen var oppbrukt.

Vanlig brukte oppladbare batterier

I hverdagen bruker vi kun noen få typer oppladbare batterier, vanligvis i standardstørrelsene AAA, AA, C, D. Bærbare PC-er, mobiltelefoner, musikkspillere osv. de bruker oftere batterier i ikke-standardiserte og teknologisk mer avanserte formater. Alle biler med forbrenningsmotorer har et stort oppladbart blybatteri, som hovedsakelig brukes til å starte motoren og av og til for å drive det elektriske systemet med motoren av; dette batteriet lades opp ved hjelp av en dynamo (drevet av motoren) koblet til en likeretter-spenningsregulatorgruppe, ved 14,4 V (12 V nominell).

Bly-syre batteri

Blybatteriet er den grunnleggende komponenten i vanlige bilbatterier. Potensialforskjellen (∆ E ) i åpen krets og fulladet ved polene til en enkelt blysyrecelle er 2,12 V ; bilbatterier består av seks bly-syreceller i serie, som genererer en total potensialforskjell på 12,70 V. Disse verdiene synker, kort tid etter drift, til 2,0 V (enkeltcelle) og 12 V (seks celler).

I ladet tilstand inneholder hver celle en bly ( Pb) anode og en blydioksyd (PbO 2 ) katode i en vandig elektrolyttløsning som inneholder svovelsyre (H 2 SO 4 ) i en konsentrasjon på 4,5 M. Anvendelsen av massevirkningsloven til H 2 SO 4 , tatt i betraktning de to konstantene Ka1 og K a2 til syren, fører til å beregne [SO 4 2− ] = 1 10 −2 M.

Oksydasjonshalvreaksjonen finner sted ved anoden :

Pb → Pb 2+ + 2 og -

Tilstedeværelsen av SO 4 2− (1 10 −2 M) ion utfeller Pb 2+ ionet som utvikles, siden blysulfat (PbSO 4 ) er et uløselig salt. Videre gjør tilstedeværelsen av en høy konsentrasjon av HSO 4 - (4,5 M) ion det mulig for SO 4 2− ion å regenerere etter utfelling, og opprettholder en konstant molar konsentrasjon på 1 10 −2 M. Fra løselighetsproduktet (K PS ) av PbSO 4 (1,8 10 −8 ) er det mulig å beregne den molare konsentrasjonen av Pb 2+ -ionet under batteridrift: [Pb 2+ ] = 1,8 10 −6 M. Anvendelsen av ligningen til Nernst på redoksparet av anoden (Pb 2+ / Pb) fører til å bestemme dens reduksjonspotensial ( E ), tilsvarende 1,70 V ( E ° = 1,455 V; E = 1,70 V).

Reduksjonshalvreaksjonen finner sted ved katoden:

PbO 2 + 4H + + 2 og - → Pb 2+ + 2H 2 O

Også i dette tilfellet utfeller nærværet av ionet SO 4 2− ionet Pb 2+ som utvikler seg: [Pb 2+ ] = 1,8 10 −6 M. Anvendelsen av Nernst-ligningen på redoksparet til katoden (PbO 2 / Pb 2+ ) fører til å bestemme dets reduksjonspotensial ( E ), tilsvarende −0,30 V ( E ° = −0,13, E = −0,30 V).

Potensialforskjellen mellom anode og katode (∆ E ) under disse forholdene er derfor 2,0 V, tilsvarende 12 V tatt i betraktning de seks cellene i serie.

Svovelsyre, gjennom dannelsen av SO 4 2 - ion ved en høy og konstant konsentrasjon, gjør at katoden og anode ( E ) reduksjonspotensialer kan være høyere enn henholdsvis 0,26 V og lavere enn 0, 17 V og å anta konstante verdier under batteridrift. Følgelig er ∆ E høy og konstant (2,0 V).

Lading av bly-syre batterier

I et første trinn lades akkumulatoren til en konstant strøm på omtrent 10 % eller mindre av batterikapasiteten. Ladingen fortsetter til hver celle når 2,4V potensial. Den andre ladefasen utføres ved konstant spenning (14,4V for 6-celle akkumulatorer), ladningen avsluttes når den absorberte strømmen faller til noen få mA (ca. 0,2 % av akkumulatorkapasiteten).

Nikkel-kadmium batteri

Brukt i mange husholdningsapplikasjoner i dag er den nesten fullstendig erstattet av Li-Ion- og NiMH -akkumulatorer . Denne typen batteri har svært lang levetid (over 1500 komplette lade-/utladingssykluser), men lavere energitetthet og påvirkes av minneeffekten . Det er også svært skadelig for miljøet hvis det ikke kastes på riktig måte. Den spesifikke energien til denne typen batterier kan nå 50 Wh / kg (refererer til utladningen på 5 timer) og effekten opp til 200 W / kg.

2 NiO (OH) + Cd + 2 H 2 O → 2 Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2

Denne teknologien er forbudt fra 1. juli 2006 på grunnlag av det europeiske direktivet 2002/95 / EC fra Europaparlamentet og rådet av 27. januar 2003 om begrensning av bruken av visse farlige stoffer i elektrisk og elektronisk utstyr.

Nikkel-metallhydridbatteri

Nikkel -metallhydrid ( NiMH ) batterier erstatter nå de eldre , mer giftige og mindre effektive nikkel- kadmium (NiCd) batteriene. Ved anoden har vi oksidasjonen av hydrogen absorbert på nikkelmetallegeringer, ved katoden har vi reduksjonen av nikkel (III) og elektrolytten er alltid en basisk kaliumhydroksidpasta.

NiMH - batterier er en videreutvikling av nikkel - kadmium (NiCd)-batterier og har i forhold til sistnevnte fordelen av å ha en energitetthet (Wh/kg eller Wh/dm 3 ) på 30-40 % mer, og har eliminert bruken av kadmium, et farlig tungmetall. Den elektrokjemiske prosessen med lading, ved den negative polen bestående av en metallegering generelt av nikkel og sjeldne jordarter (for eksempel LaNi 5 ). Spesielt metalllegeringene som brukes er i stand til å lagre og deretter frigjøre en mengde hydrogen som er tusen ganger høyere enn deres eget volum. Elektrolytten som brukes er en fortynnet løsning av kaliumhydroksid (KOH) som andre kjemiske forbindelser tilsettes i mindre mengde for å forbedre batteriytelsen.

Separatoren mellom anoden og katoden, som hindrer den elektriske kontakten mellom elektrodene, men tillater en effektiv ionebytting, er laget av en tynn nylonbasert film. Potensialforskjellen ved polene er 1,2 V. Den maksimale energien som kan lagres i AA-batterier i vanlig størrelse er for tiden (i 2006) rundt 13 kJ (3000 mA h for 1,2 V). Mot slutten av 2006 lanserte en produsent nikkel-metallhydridbatterier med forbedringer av katoden som gjør det mulig å oppnå en lavere selvutladning, takket være påfølgende forbedringer nådde den en selvutlading på bare 10 % etter 1 år og 30 % etter 5 år. Denne typen batteri kalles Low-self-discharge (LSD) eller Klar til bruk .

MH + OH - → M + H 2 O + og - NiO (OH) + H 2 O + e - → Ni (OH) 2 + OH - MH + NiO (OH) → M + Ni (OH) 2

Alkalisk batteri

I motsetning til hva mange tror, ​​kan alkaliske batterier som vanligvis defineres som ikke-oppladbare lades delvis opp så lenge laderen er spesielt utviklet for denne bruken. Absolutt vil de tåle et antall komplette sykluser begrenset til noen få titalls og forutsatt at de forblir i reversibiliteten til deres kjemi, dvs. at cellespenningen ikke faller under 1,25 volt , men ved å lade dem ofte kan du nå hundrevis av sykluser delvis. Denne muligheten er imidlertid svært neglisjert av allmennheten, også fordi de fleste ladere kun egner seg for å lade Ni-Cd eller Ni-MH akkumulatorer.

Det finnes noen typer alkaliske batterier spesielt designet for å lades opp, og deres store fordel er hovedsakelig gitt av den lave selvutladingen sammenlignet med andre akkumulatorer, og dette betyr at de er mye brukt i ømfintlig utstyr eller at de må frata seg selv. vedlikehold over lang tid. Forsøk på å lade opp alkaliske batterier som ikke er spesielt utviklet for slik drift, er farlig på grunn av muligheten for overoppheting og eksplosjon.

Litium-ion batteri

Litiumakkumulatorer , ikke å forveksle med primære (ikke-oppladbare) litiumbatterier , består av en anode i lag med grafitt der litiumatomer er "nedsenket" , mens katoden er et litiumsalt (vanligvis LiMn 2 O 4 ) og elektrolytten er en løsning av litiumperklorat LiClO 4 i etylenkarbonat C 2 H 4 CO 3 , et organisk løsningsmiddel.

Litiumbatterier har energitetthet, antall lade-utladingssykluser og generell ytelse som er mye høyere enn de som de tidligere beskrevne kommersielle batteriene besitter, men også høyere kostnader. De brukes i bærbare datamaskiner, moderne telefoner og praktisk talt alle høyteknologiske bærbare enheter og er upåvirket av minneeffekten.

Litiumbatterier kan resirkuleres praktisk talt på ubestemt tid, en konklusjon som ble oppnådd i 2022 av forskningsgruppen til HVBatCycle- initiativet [6] .

Dette batteriet bruker ikke-vandige løsninger av løsemidler med høy elektrisk permittivitet som propylenkarbonat , etylenkarbonat , dimetylsulfoksid , etc., der litiumsalter (LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 og LiAsF 6 ) er oppløst og deretter tilsatt andre organiske stoffer. forbindelser ( tetrahydrofuran , dietylkarbonat , etc.) for å øke ioneledningsevnen til løsningene. Ved anoden har vi litiumatomer "nedsenket" i lag med grafitt, katoden er dens salt (vanligvis LiMn 2 O 4 ) og elektrolytten er en løsning av litiumperklorat (LiClO 4 ) i etylenkarbonat (C 2 H 4 CO 3 ), et organisk løsningsmiddel. Potensialforskjellen ved polene er 3,7 V.

Li x → x Li + + x og - Li 1− x Mn 2 O 4 + x Li + + x e - → LiMn 2 O 4 Li x + Li 1− x Mn 2 O 4 → LiMn 2 O 4 Lithium ion polymer batteri

Litium-polymer- varianten har lignende egenskaper, energitettheten til Li-Poly-batterier er mer enn 20 % høyere enn en klassisk Lithium Ion, men en litt kortere livssyklus. Den består av ledende litium-polymer komposittmaterialer, oppnådd ved å inkorporere løsninger av litiumsalter i egnede polymere matriser. Dens store fordel er gitt av muligheten for å lage batterier av enhver form og størrelse og, ikke sekundær, sikrere, da faststoffelektrolytten i tilfelle utilsiktet brudd på batteriene ikke vil lekke, og dermed unngå mulig skade på batteriladeren eller til brukerenheten.

Li x → x Li + + x og - Li 1-x Mn 2 O 4 + xLi + + x e - → LiMn 2 O 4 Li x + Li 1− x Mn 2 O 4 → LiMn 2 O 4 Litiumjernfosfatakkumulator

Litiumjernfosfat ( LiFePO4 ) akkumulatorer ble oppdaget av John Goodenough i 1997 .

Sammenlignende tabell over forskjellige teknologier

Fyr Energi tetthet Spenningen til en celle Levetid
(ladesykluser)		 Ladetider Automatisk nedlasting
hver måned		 Minimum ladespenning (per celle) Minneeffekt
Lede 30-50 Wh / kg 2,4 V 200-300 8-16 timer 5 % 2,3 V ?
Ni-Cd 48-80 Wh / kg 1,25V 1500 1 t > 20 % 1,25V Jepp
Ni-MH 60-120 Wh / kg 1,25V 300-500 2-4 timer > 30 % 1,25V delvis
Ni-MH LSD 60-120 Wh / kg 1,25V 1800 2-4 timer <1 % 1,25V delvis
Alkalisk 80-160 Wh / kg 1,5-1,65V 100 1-16 timer
(avhengig av kapasitet)		 <0,3 % avhengig av batteriet ?
Li-ion 110-160 Wh / kg 3,7 V 500-1000 2-4 timer 10 % 3,7 V Nei
Li-Po 130-200 Wh / kg 3,7 V 1000 2-4 timer 10 % 3,7 V Nei

Spesielle eller eksperimentelle oppladbare batterier

Det finnes typer oppladbare batterier designet og produsert for spesielle bruksområder, for eksempel bilindustri, energilagring eller bruk i marine- eller romfartsindustrien. Disse batteriene brukes sjelden til husholdningsformål, og på grunn av deres knappe funksjonalitet eller høye kostnader forblir de begrenset til spesielle eller industrielle bruksområder.

Vanadium Redox-batteri

Denne typen batteri, som fortsatt er eksperimentell, bruker redoksparene av vanadium (V 2+ / V 3+ ved katoden og V 4+ / V 5+ ved anoden), som er tilstede i elektrolytten i løsning med svovelsyre. Under lade-/utladningssyklusene byttes hydrogenionene H + gjennom en permeabel polymermembran . Cellespenningen er 1,4-1,6 volt. Den har en meget høy effektivitet, som i optimale situasjoner kan nå 85%. Lagringskapasiteten til de nåværende pilotanleggene er ca. 30 Wh / kg; andre prototyper, fortsatt i forsknings- og utviklingsfasen, har en kapasitet på 50 Wh/kg.

PSB (polysulfidbromid) batteri

Dette oppladbare batteriet består av saltvannelektrolytter, natriumbromid og natriumpolysulfid , atskilt av en ion + natrium permeabel polymermembran . Hver celle produserer omtrent 1,5 V, fungerer ved romtemperatur og har en netto effektivitet på omtrent 75 %. Det er planlagt forsøksinstallasjoner på 120 MWh.

ZEBRA-batteri (Ni- NaCl )

ZEBRA, fra det engelske akronymet zero emission battery research activities , er en type batteri som består av varmt-arbeidende celler, innelukket i en termisk beholder. Den må være utstyrt med et mikroprosessorsystem som styrer korrekt funksjon. Den har en veldig høy energitetthet; bruken er hovedsakelig rettet mot lagring av energi eller til bilindustrien.

Nikkel-sink batteri

Spesielt egnet, på grunn av lav vekt og stor effekt, for bruk på elektriske kjøretøy, som scootere eller små biler.

Sink-brom (Zn-Br) batteri

I dette batteriet er strømmen av de to elektrolyttene atskilt av en mikroporøs polyolefinmembran, mens elektrodene er laget av en karbon-plastforbindelse. I utladningssyklusen dannes sinkbromid som genererer 1,8 V per celle, mens den metalliske sinken i ladefasen avsettes på den negative elektroden og bromet i løsningen avsettes på motsatt side av membranen, reagerer med organiske aminer og gjenavsettes. på bunnen. Den har en effektivitet på 75 %.

Svovel-natrium (Na-S) batteri

I dette batteriet finner vi flytende svovel ved den positive elektroden, mens den er i den negative flytende natrium, atskilt av en faststoff- β- aluminiumoksyd keramisk elektrolytt , som bare lar Na + -ionene passere gjennom den, forener svovelet og danner natriumpolysulfider.

utløpsfase 2Na + 4S = Na 2S 4

Denne prosessen er reversibel ettersom påføring av elektrisk energi frigjør de positive ionene av natriumpolysulfidet gjennom elektrolytten for å reformere elementært natrium. Hver celle har omtrent 2 V spenning, og selv om den fungerer ved temperaturer i størrelsesorden 300 ° C, har den en maksimal effektivitet på 89%.

Aluminium-luftspiral

Utvikle; har potensielt tjue ganger energitettheten til de beste oppladbare batteriene, men som et sekundært (oppladbart) batteri trenger det videre utvikling, siden det ennå ikke har klart å overskride 50 % effektivitet, godt under det teoretiske maksimum. Som et primærbatteri (ikke-oppladbart) er det veldig interessant: eksepsjonell energitetthet, miljøkompatibilitet og lav pris. Ideell og allerede brukt eksperimentelt for å reagere midlertidig på forbrukstopper i elektriske nettverk.

Jern-nikkel batteri

Forfedre til nikkel-kadmium-batteriet, det er nå totalt ubrukt. Den ble markedsført av Thomas Edison i begynnelsen av forrige århundre og hadde en god suksess frem til 1940-tallet . Den har svært lav effektivitet i ladefasen og har en tendens til å produsere hydrogengass , som er svært brannfarlig. Blant de positive aspektene er det, om ikke annet, den utmerkede øko-kompatibiliteten. Brukes på tog.

Aluminium-svovel batteri

Kjemien til aluminium-svovel (Al-S) er av interesse for utviklingen av fremtidige generasjons elektrokjemiske energilagringsteknologier. [7] [8] [9] I august 2022 patenterte MIT -forskere et aluminium - svovelbatteri som bruker smeltet kloraluminatsalt som elektrolytt . [10] Sammenlignet med litiumionbatterier har de fordelen av lavere kostnader og overflod av aluminium og svovel over hele planeten, noe som ikke krever en global forsyningskjede . [11]

Andre typer batterier

Enheter som er i stand til å akkumulere elektrisk energi i andre former enn elektrokjemiske og deretter konvertere den tilbake til elektrisk energi når det er nødvendig, kalles ofte "batterier".

STAIR batteri (luft)

Denne typen akkumulatorer studeres i Skottland, ved University of St Andrews: den er basert på en porøs karbonelektrode, som er i stand til å absorbere oksygenet som omgir den; med denne interaksjonen kan batteriene gi strøm. [12] [13]

Superkondensatorer

En separat diskusjon skal foretas for superkondensatorer , spesielle kondensatorer som har egenskapen til å akkumulere en eksepsjonelt stor mengde elektrisk energi sammenlignet med tradisjonelle kondensatorer, selv over 10 F ( farad ); av denne grunn brukes de hovedsakelig som elektrisk energiakkumulatorer.

Sammenlignet med kjemiske akkumulatorer har de fordelen av å kunne lastes eller losses øyeblikkelig, og garanterer dermed en meget høy spesifikk effekt. Den mest betydelige ulempen, igjen sammenlignet med kjemiske akkumulatorer, er den lave lagrede energien. En nyere teknologi, "ultrakondensatorene" gjør det mulig å akkumulere mye mer energi; vi kommer til kapasiteter på 3000 F ved lav spenning (2,7 V) og kapasiteter på 63 F ved 48 V. Teknologien er fortsatt ufordelaktig med tanke på plass, vekt og kostnad sammenlignet med kjemiske akkumulatorer, men den kan være til hjelp koblet til de for signalene og for å redusere spenningene og utladningssyklusene, og øke varigheten deres.

Svinghjulsbatterier

Svinghjulsbatterier er elektriske maskiner som kan transformere elektrisk energi til mekanisk energi ( kinetisk energi ) og omvendt. De kan lagre energi i lang tid og lades raskt opp. Rotorene spinnes i svært høye hastigheter, fra hundrevis til tusenvis av omdreininger per sekund, og av denne grunn blir de noen ganger referert til som superflyere . For å minimere tap - selv aerodynamiske - jobber rotorene til svinghjulsbatterier under vakuum, og roterer opphengt i magnetiske lagre uten mekanisk friksjon. Den mekaniske energien som er akkumulert i treghetsmassen til rotoren kan på svært kort tid omdannes til en likespenning, eller til et sett med tre vekselspenninger ved ønsket frekvens. Bruken av svinghjulet til å lagre energi er veldig interessant, da det kan tilby et bedre energikapasitet/masseforhold enn kjemiske batterier, høyere ytelse, bedre utbytte, høyere ladetetthet og kortere ladetid.

For øyeblikket er svinghjulsbatteriteknologien den mest effektive innen den nyeste teknologien, den tillater høyere ladetetthet, øyeblikkelig utgang, effektivitet, livssyklus og ladevedlikehold, og samtidig kortere ladetider, vedlikehold og dispersjoner sammenlignet med andre typer av akkumulering.

Magnetisk akkumulator (SMES)

SMES, akronym for Superconducting Magnet Energy Storage er et magnetisk lagringssystem og er dannet av en superledende spole koblet til nettverket gjennom en reversibel alternerende-direkte omformer. Spolen, drevet av en likeretter, lar energi lagres i magnetisk form: ½ LI 2 (se induktans og energi lagret i en induktor ).

Energien til den superledende spolen kan umiddelbart overføres tilbake til anlegget via omformeren. Det er en teknologi henvist til store makter (fra 1 MVA og oppover) selv om den ikke lenger er eksperimentell. Det gir mulighet for øyeblikkelig å akkumulere store strømmer og slippe dem like raskt, for å ta igjen for eksempel strømbrudd eller korte strømbrudd i nettverket. Systemet kan tilknyttes en transformator med sekundæren plassert i serie med ledningen som forsyner lasten som skal beskyttes; i denne konfigurasjonen dekkes korte netthull på anlegg med høyere effekt enn SMES. Denne konfigurasjonen brukes i Agrate Brianza i STMicroelectronics - fabrikken .

Trekkbatterier

Trekkbatterier (tilhørende typen sekundære batterier eller akkumulatorer) er designet for å gi strøm til å flytte et kjøretøy, for eksempel en elektrisk bil eller en trekkmotor. En viktig konstruktiv betraktning gjelder kraft/vekt-forholdet, siden kjøretøyet må bære batteriet. Mens konvensjonelle blybatterier inneholder flytende elektrolytt, er elektrolytten ofte gelert i trekkbatterier for å forhindre søl. Elektrolytten kan også bløtlegges i glassull pakket inn på en slik måte at cellene har et sirkulært tverrsnitt (batterier absorberende glassmatte ).

Batteritypene som brukes i elektriske kjøretøy kan oppsummeres som følger:

Litium - ion- og litium-polymer-batterier overgår NiMh-teknologi i denne sektoren, mens bly-syre-batterier beholder sin dominerende rolle på grunn av deres lave kostnader.

Last på nytt

Når det sirkulerer strøm i et grunnstoff (både i utladningsfasen og i ladefasen for sekundærelementene), oppstår eksoterme kjemiske reaksjoner, dvs. med generering av varme.
En for voldsom utladning (eller ladning) kan føre til at elementet eksploderer, og av denne grunn er det viktig å være forsiktig så du ikke kortslutter de to elektriske polene til batteriet.

Prøver man å lade opp et ikke-oppladbart element får man en produksjon av hydrogen og oksygen på de to polene til de enkelte cellene, og hvis produksjonen av de to gassene er høyere enn deres rømningshastighet, kan batteriet eksplodere.

Energien som brukes til å lade de oppladbare batteriene kan komme fra:

I noen elektriske eller elektroniske enheter blir oppladbare batterier noen ganger erstattet av mekaniske generatorer, for eksempel små dynamoer eller piezoelektriske generatorer . Når du lader et oppladbart batteri er det nødvendig å respektere den elektriske polariteten , hvis dette ikke skjer, kan det oppstå skade på batteriet, slik som elektrolyttlekkasje opp til overoppheting og eksplosjon av det samme, med mulig skade på batteriladeren eller på brukerenhet. Batterier med elektriske egenskaper eller med ulike ladenivåer bør aldri lades opp samtidig uten først å ha blitt helt utladet.

For hjemmelading av varer er det å foretrekke å bruke ladere som har beskyttelse, for eksempel :

Karakteristiske kurver

Avhengig av de forskjellige teknologiene som brukes til konstruksjonen av akkumulatorene, er det forskjellige ladnings-utladnings- og ytelseskurver, som også varierer i henhold til temperaturen de opererer ved og lade- eller utladningsbelastningen, lade- og utladningslastene er indikert med en tall etterfulgt av bokstaven "C", sistnevnte indikerer den nominelle kapasiteten, som konvensjonelt er definert av utslippet på 20 timer, mens tallet indikerer forholdet mellom strømmen som brukes i forhold til den nominelle kapasiteten, derfor en test ved 0,5C indikerer en ladning eller utlading utført med en strøm lik halvparten av den nominelle strømmen som brukes til å bestemme den nominelle kapasiteten [14] , generelt er utladnings- eller spennings-/kapasitetskurven preget av en rask stigning/fall av spenningen i ytterpunktene av batteriet lade [15]

Minneeffekt

Noen typer oppladbare batterier, hvis de lades gjentatte ganger før de er helt utladet, "husker" energikapasiteten før lading, det vil si at hvis et fulladet batteri brukes med 60 % og deretter lades opp, er 40 % av den tilførte energien. ikke gjenkjent og er derfor ubrukelig. Batteriene som er mest utsatt for dette fenomenet er de med nikkel-kadmium og, i mindre grad, de med nikkel-metallhydrid.

I litiumbatterier oppstår ikke denne effekten siden det ikke er noen endring i størrelsen på kornene eller i den krystallinske strukturen til elektrodematerialene.

Prosjekter under utvikling

Resultatene av en studie publisert i 2022 i tidsskriftet Energy & Environmental Science , utført av en gruppe forskere fra University of Cambridge ledet av italieneren Paolo Bombelli, også professor ved University of Milano , bekrefter at det ble utviklet et system å lade opp et lite batteri gjennom Synechocystis , klassifisert som en cyanobakterie [16] [17] [18] [19] [20] .

En italiensk oppstart kalt Energy Dome installerte i 2022 det første CO2-batterisystemet på Sardinia , som gjør at langvarig energi kan lagres. Batteriet kan nemlig kobles til både solcellepaneler og vindkraftverk [21] [22] [23] [24] .

Merknader

  1. ^ Oppladbare batterier , på chem.libretexts.org , 15. august 2020. Hentet 16. oktober 2020 .
  2. ^ Bruno Scrosati, Lithium Rocking Chair Batteries: An Old Concept? , i Journal of The Electrochemical Society , vol. 139, n. 10, 1. oktober 1992, s. 2776-2781, DOI : 10.1149 / 1.2068978 . Hentet 22. september 2018 .
  3. ^ I vanlig språkbruk kalles akkumulatorer eller batterier som består av en enkelt celle også ofte batterier.
  4. ^ På engelsk regnes begrepet akkumulator ( akkumulator ) som arkaisk og kan også brukes for å referere til akkumulatorer av andre former for energi som ikke omdannes til elektrisk energi.
  5. ^ Kiehne , s. 6 .
  6. ^ Batterier: uendelig resirkulering er mulig, bekrefter HVBatCycle | MotorLabs , på Tom's Hardware . Hentet 12. juni 2022 .
  7. ^ Tao Gao , Xiaogang Li og Xiwen Wang, et oppladbart Al/S-batteri med en ionisk - flytende elektrolytt , i Angewandte Chemie , vol. 128, n. 34, 16. august 2016, s. 10052–10055, DOI : 10.1002 / ange.201603531 . Hentet 29. august 2022 .
  8. ^ Xingwen Yu , Mathew J. Boyer og Gyeong S. Hwang, Room-Temperature Aluminium-Sulfur Batteries with a Lithium-Ion-Mediated Ionic Liquid Electrolyte , i Chem , vol. 4, nei. 3, 8. mars 2018, s. 586–598, DOI : 10.1016 / j.chempr.2017.12.029 . Hentet 29. august 2022 .
  9. ^ Xingwen Yu og Arumugam Manthiram, Elektrokjemisk energilagring med et reversibelt ikke-vannholdig rom – temperatur aluminium – svovelkjemi , i Advanced Energy Materials , vol. 7, nei. 18, 23. mai 2017, s. 1700561, DOI : 10.1002 / aenm . 201700561 . Hentet 29. august 2022 .
  10. ^ Quanquan Pang, Jiashen Meng og Saransh Gupta, Hurtigladende aluminium – kalkogenbatterier som er motstandsdyktige mot dendritisk kortslutning , i Nature , vol. 608, n. 7924, 2022-08, s. 704–711, DOI : 10.1038 / s41586-022-04983-9 . Hentet 29. august 2022 .
  11. ^ David L. Chandler, Et nytt konsept for lavprisbatterier , på news.mit.edu , 24. august 2022.
  12. ^ Lithium Oxygen Battery , på risweb.st-andrews.ac.uk , University of St. Andrews. Hentet 7. september 2010 . - Relaterte artikler er nevnt på siden.
  13. ^ Luftbatteriet som lever 10 ganger lenger .
  14. ^ Teknisk håndbok for interne rekombinasjonsblybatterier ( PDF ) (arkivert fra originalen 7. august 2015) .
  15. ^ Kjennetegn ved oppladbare batterier ( PDF ) (arkivert fra den opprinnelige url 19. april 2015) .
  16. ^ Algebatteriet vil tillate oss å lade opp smarttelefonen vår med fotosyntese , i la Repubblica , 27. mai 2022. Hentet 12. juni 2022 .
  17. ^ "Seaweed"-batteri: slik kan du lade smarttelefonen din , på ilGiornale.it , 30. mai 2022. Hentet 12. juni 2022 .
  18. ^ Condé Nast, Mate en mikroprosessor med alger? Et team ledet av en italiener gjorde det , på Wired Italia , 23. mai 2022. Hentet 12. juni 2022 .
  19. ^ P. Bombelli , A. Savanth og A. Scarampi, Powering a microprocessor by photosynthesis , i Energy & Environmental Science , 12. mai 2022, DOI : 10.1039 / D2EE00233G . Hentet 12. juni 2022 .
  20. ^ Utviklingen av "algebatteriet" er gode nyheter for miljøet , på ilfoglio.it . Hentet 12. juni 2022 .
  21. ^ Italiensk oppstart innvier verdens første CO2-batterianlegg, for å lagre fornybar energi , på greenMe , 19. juni 2022. Hentet 19. juni 2022 .
  22. ^ I Italia det første lagringssystemet med CO2-batterier , på Money.it , 9. juni 2022. Hentet 19. juni 2022 .
  23. ^ Det revolusjonerende italienske CO2-batteriet ble satt i drift på InsideEVs Italia . Hentet 19. juni 2022 .
  24. ^ HDmotori.it, Energy Dome innvier sitt lagringssystem med CO2-batterier , på HDmotori.it , 9. juni 2022. Hentet 19. juni 2022 .

Bibliografi

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Eksterne lenker