9.5: Типи акумуляторів

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 9.4: Заходи акумуляторів та паливних елементів
- 9.6: Паливні елементи

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Різноманітність акумуляторів

Ідеальний акумулятор має безліч бажаних якостей. Вона повинна:

мають високу питому енергію і щільність енергії
не містять токсичних хімічних речовин, так що він є екологічно чистим і легко утилізувати безпечно
бути безпечним у використанні
бути недорогим
бути перезаряджається
не вимагають складної процедури поповнення
вміти виводити великий струм
вміти витримувати широкий діапазон температур
виробляють постійну вихідну напругу протягом усього терміну служби (мають плоску криву розряду)
залишаються зарядженими протягом тривалого часу, перебуваючи на зберіганні

Наведений вище список не є повним, і він не знаходиться в особливому порядку. Компроміси потрібні, оскільки багато хто з цих якостей за своєю суттю суперечать. Наприклад, пристрій з високою питомою енергією обов'язково вимагає більшої безпеки і контрольованого використання, ніж пристрій з низькою питомою енергією.

Акумулятори використовуються в широкому діапазоні застосування, тому один тип не найкращий у всіх ситуаціях. Як приклад, автомобільний акумулятор запалювання повинен бути акумуляторним, мати високу ємність, видавати великий струм і працювати в широкому діапазоні температур. Однак автомобільні акумулятори не вимагають особливо високих питомих енергій. Як інший приклад, крихітні батареї використовуються для живлення мікроелектромеханічних систем типу мікронасосів [142] [143]. Ці батареї повинні володіти високою питомою енергією і мати можливість вироблятися в невеликих упаковках. Деякі навіть вбудовані в інтегральні схеми [144] [145].

Одним із способів класифікації акумуляторів є первинні або вторинні. Первинна батарея використовується один раз, потім утилізується. Вторинна батарея - це акумуляторна батарея. Первинні акумулятори мають перевагу простоти [128, гл. 8]. Вони не вимагають догляду, тому прості у використанні. Також їх конструкція може бути простішою, ніж вторинні батареї, оскільки їм не потрібна додаткова вбудована схема для контролю або контролю процесу підзарядки. У них теж часто висока питома енергія [128, гл. 8]. Вони бувають різних розмірів і форм, і вони виготовляються з різних електродних та електролітних матеріалів. Багато лужні та літій-іонні батареї призначені для первинних акумуляторів. Вторинні батареї мають очевидну перевагу в тому, що не виробляють стільки відходів, які потрапляють на звалище. Також користувачеві не потрібно постійно купувати заміни. Хоча вторинні батареї спочатку можуть коштувати дорожче, вони можуть бути дешевшими в довгостроковій перспективі. Вони часто розраховані на перезарядку тисячі разів [128, гл. 15]. Багато вторинні акумулятори мають дуже плоску криву розряду, тому вони виробляють постійну напругу протягом усього використання навіть при декількох циклах зарядки [128, гл. 15]. Два найпоширеніші типи вторинних акумуляторів - свинцево-кислотні акумулятори та літієві батареї.

Існує безліч типів акумуляторів, що відрізняються вибором електроліту і електродів. У цьому розділі розглядаються чотири поширені типи акумуляторів: свинцево-кислотний, лужний, гідрид металів нікелю та літій. Не всі акумулятори вписуються в одне з цих сімейств. Деякі пристрої, як і цинкові повітряні батареї, ще важче класифікувати. Цинкові повітряні батареї насправді є гібридами паливних елементів батареї, оскільки цинк анода споживається, як при роботі акумулятора, тоді як кисень з повітря споживається, як і при роботі паливних елементів. Однак, розглядаючи ці чотири класи, ми побачимо деякі наявні різновиди. Більш ретельне і енциклопедичне обговорення типів акумуляторів див. Довідник [128].

Таблиця $\PageIndex{1}$ узагальнює приклади батарей кожного з цих чотирьох типів. У перших трьох рядах наведено приклад матеріалів, які використовуються для виготовлення анода, катода та електроліту для акумуляторів. Матеріали, перераховані в таблиці, є лише прикладами, тому батареї кожного типу можуть бути виготовлені з безлічі інших матеріалів теж. Наступні два ряди дають приблизні значення питомої енергії в одиницях $\frac{W \cdot h}{kg}$ . Всі значення є приблизними значеннями для представницьких пристроїв, що надаються для того, щоб дати приблизне значення для порівняння, не обов'язково значення для конкретного пристрою. У п'ятому рядку наведено приклади значень теоретичної питомої енергії хімічної реакції, а шостий рядок містить приклади питомих енергетичних значень для практичних приладів, які обов'язково нижчі за теоретичні значення. Питомі енергетичні значення в таблиці можна порівняти з питомою енергією різних інших матеріалів або пристроїв перетворення енергії, перерахованих в додатку D.

Таблиця $\PageIndex{1}$ : Приклад компонентів матеріалу та питомих енергетичних значень для акумуляторів на основі різних хімічних речовин.
	свинцева кислота	Лужні	Літій	Нікель метал гідрид
Приклад матеріалу анода	Пб	Zn	Лі	ЛаНі $_5$
Приклад катодного матеріалу	ПБО $_2$	Ні $_2$	CF або Мно $_2$	Niooh
приклад електроліту	Н $_2$ СОХ $_4$	КОН або NaOH	Органічні розчинники і LiBF $_4$	КОХ
Приклади додатків	Запалювання автомобіля	Іграшки	Мобільні телефони, Медичні прилади	Електроінструменти
Теоретична питома енергія, $\frac{W \cdot h}{kg}$	252	358	448	240
Практична питома енергія, $\frac{W \cdot h}{kg}$	35	154	200	100
Посилання	[128, с 15.11] [140]	[128, стор. 8.10] [140]	[128, с. 15.1, с. 31.5]	[128, стор. 15.1] [146]

свинцева кислота

Свинцево-кислотні акумулятори - це вторинні батареї, які зазвичай мають анод Pb і катод PbO $_2$ [128, гл. 15]. Електроліт являє собою рідкий розчин кислоти H $_2$ SO, $_4$ який іонізується в 2H $^+$ і SO $_4^{2-}$ . Реакція на аноді

$\mathrm{Pb}+\mathrm{SO}_{4}^{2-} \rightarrow \mathrm{PbSO}_{4}+2 e^{-} \nonumber$

з окислювально-відновним потенціалом $V_{rp} = 0.37$ V [140]. Реакція на катоді

$\mathrm{PbO}_{2}+\mathrm{SO}_{4}^{2-}+4 \mathrm{H}^{+}+2 e^{-} \rightarrow \mathrm{PbSO}_{4}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \nonumber$

з окислювально-відновним потенціалом $V_{rp} = 1.685$ V [140]. Загальна напруга комірки дорівнює $V_{cell} = 2.055$ V, тому в автомобільному акумуляторі шість осередків упаковані послідовно.

Свинцево-кислотні акумулятори мають довгу історію. Розробка батареї датується роботою Вольта близько 1795 року [3, с. 2], а практичні свинцево-кислотні акумулятори вперше були розроблені приблизно в 1860 році Раймондом Гастоном Планте [128, с. 16.1.1]. Сьогодні свинцево-кислотні акумулятори використовуються для запуску системи запалювання в легкових і вантажних автомобілей, використовуються в якості стаціонарних систем резервного живлення та використовуються в інших додатках, що вимагають великої ємності та великого вихідного струму. Як правило, свинцево-кислотні акумулятори можуть витримувати відносно великий струм, і вони добре працюють в широкому діапазоні температур [128, стор. 15.2]. Додатково вони мають плоску криву розряду [128, с. 15.2]. Інші типи акумуляторів мають більш високу щільність енергії і питому енергію, тому свинцево-кислотні акумулятори використовуються в ситуаціях, коли питома енергія менше викликає занепокоєння, ніж інші фактори.

Лужні

Лужні батареї зазвичай мають цинковий анод і $_2$ катод з діоксидом марганцю MnO [128, стор. 8.10]. $\PageIndex{1}$ На малюнку показаний природний діоксид марганцю (темний мінерал) на польовому шпаті (білий мінерал) з шахти Ruggles поблизу Графтона, штат Нью-Гемпшир. Акумулятори називаються лужними завдяки використанню лужного електроліту, зазвичай рідкого розчину гідроксиду калію КОН [128, стор. 8.10]. Більшість лужних батарей є первинними батареями, але деякі вторинні лужні батареї доступні. Лужні батареї мають безліч приємних властивостей. Вони можуть обробляти високі струмові виходи, коштують недорого, і вони добре працюють в широкому діапазоні температур [128, с. 8.10]. Одне з обмежень, однак, полягає в тому, що вони мають похилу криву розряду [128, с. 8.10]. Лужні батареї спочатку розроблялися для військових застосувань під час Другої світової війни [128, гл. 8]. Вони стали комерційно доступними в 1959 році, і вони стали популярними в 1980-х роках з поліпшенням їх якості [128, с.11.1]. Вони сьогодні зазвичай використовуються в недорогій електроніці, іграшках, гаджетах.

9.5.1.PNG — Малюнок $\PageIndex{1}$ : Природний діоксид марганцю (темний мінерал) на польовому шпаті (білий мінерал).

Нікель метал гідрид

Нікель-металгідридні акумулятори мають анод, виготовлений з нікелевого металевого сплаву, насиченого воднем. Одним із прикладів використовуваного сплаву є LanI $_5$ [146]. Інший рідкісноземельний атом може замінити лантан [146], а інші сплави типу TiNi $_2$ або ZrNi, $_2$ насичені воднем, також використовуються як анодні матеріали [146]. Катод зазвичай виготовляється з оксиду нікелю, а електроліт - гідроксид калію, КОН [128, стор. 15.11]. Реакція на аноді [146]

$\text { Alloy }(\mathrm{H})+\mathrm{OH}^{-} \rightarrow \text { Alloy }+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+e^{-} \nonumber$

а реакція на катоді [146]

$\mathrm{NiOOH}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+e^{-} \rightarrow \mathrm{Ni}(\mathrm{OH})_{2}+\mathrm{OH}^{-}. \nonumber$

Ця катодна реакція має окисно-відновний потенціал $V_{rp} = 0.52$ V [137].

Нікель-металгідридні акумулятори мають безліч переваг. Вони мають плоску криву розряду. Це вторинні акумулятори, які можна надійно заряджати багато разів [128, стор. 15.1] [147]. Крім того, вони краще для навколишнього середовища, ніж пов'язані нікель-кадмієві батареї, тому існує менше обмежень щодо того, як їх можна безпечно утилізувати [147]. Однак вони не мають такої високої щільності енергії, як літієві батареї [147]. Нікелеві металеві гідридні батареї були вперше розроблені в 1960-х роках для супутникового застосування, і дослідження їх прискорилися в 1970-х і 1980-х роках. У той час вони використовувалися в ранніх ноутбуках і мобільних телефонах, але літієві батареї використовуються в цих додатках сьогодні [128, с. 22.1]. Вони зустрічаються зараз в деяких портативних інструментах, в деяких камерах, а також в деякій електроніці, що вимагає повторних циклів підзарядки або вимагає високого струму. Міжнародна космічна станція живиться від 48 орбітальних запасних блоків, і кожен орбітальний блок заміни містить 38 нікель-водневих акумуляторних елементів. Малюнок $\PageIndex{2}$ ілюструє блок заміни орбіти [148].

9.5.2.png — Малюнок $\PageIndex{2}$ : На ілюстрації показана нікель-воднева батарея та орбітальний замінний блок, який живить Міжнародну космічну станцію. Ця цифра використовується з дозволу від [148].

Літій

Літій має високу питому енергію, тому він дуже реактивний і хороший вибір для дослідження акумуляторів. З цієї причини було розроблено багато різних хімікатів акумуляторів, що використовують літій. Анод може бути виконаний з літію або вуглецю [128, гл. 8,15]. Можливі катодні матеріали включають MnO $_2$ , LiCoO $_2$ та FeS $_2$ [128, гл. 8,15]. Електроліти можуть бути рідкими або твердими. Можливий електроліт - суміш органічного розчинника типу пропіленкарбонату і диметоксиетану, змішаної з солями літію типу LiBF $_4$ або LiClO $_4$ [128, с. 31.5]. $\PageIndex{3}$ На малюнку зображений лепідоліт, літій, що містить руду складу K (Li, Al) $_{2-3}$ (AlSi $_3$ O $_{10}$ ) (O, OH, F) $_2$ , з шахти Ruggles поблизу Графтона, штат Нью-Гемпшир.

Літієві батареї знаходяться в розробці з 1960-х років, і вони використовувалися в 1970-х роках у військовому застосуванні [128, с. 14.1]. Сьогодні доступні як первинні, так і вторинні літієві батареї. Вони популярні завдяки високій питомої енергії і щільності енергії. Вони використовуються в багатьох споживчих товарах, включаючи мобільні телефони, ноутбуки, портативну електроніку, слухові апарати та інші медичні прилади [149]. Багато літієві батареї призначені для виведення відносно низького струму для запобігання пошкоджень, а вторинні літієві батареї вимагають контрольованої підзарядки для запобігання пошкодженню [128, гл. 15]. Навіть при цих обмеженнях щомісяця виробляється понад 250 мільйонів клітин [128, гл. 15].

9.5.3.png — Малюнок $\PageIndex{3}$ : Природний лепідоліт, руда літію.