9.5: Типи акумуляторів

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.

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].

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].

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