аккумулятор, который на самом деле является электрическим элементом, является устройством, которое производит электричество в результате химической реакции. Строго говоря, батарея состоит из двух или более элементов, соединенных последовательно или параллельно, но этот термин обычно используется для одного элемента. Ячейка состоит из отрицательного электрода; электролит, который проводит ионы; сепаратор, также ионный проводник; и положительный электрод. электролит может быть водной (состоящей из воды) или неводной (не состоящей из воды), в жидкой, пастообразной или твердой форме. Когда элемент подключен к внешней нагрузке или устройству, на которое подается питание, отрицательный электрод подает ток электронов, которые протекают через нагрузку и принимаются положительным электродом. Когда внешняя нагрузка снята, реакция прекращается.
Основная батарея - это та, которая может преобразовывать свои химические вещества в электричество только один раз, а затем должна быть выброшена. Вторичная батарея имеет электроды, которые можно восстановить, пропустив через нее электричество; также называется аккумулятором или аккумулятором, его можно использовать много раз.
Эта батарея использует оксид никеля в своем положительном электроде (катоде), соединение кадмия в своем отрицательном электроде (аноде) и раствор гидроксида калия в качестве электролита. Никель-кадмиевая батарея является перезаряжаемой, поэтому она может циклически повторяться. Никель-кадмиевая батарея преобразует химическую энергию в электрическую при разряде и преобразует электрическую энергию в химическую при перезарядке. В полностью разряженной никель-кадмиевой батарее катод содержит гидроксид никеля [Ni (OH) 2] и гидроксид кадмия [Cd (OH) 2] в аноде. Когда батарея заряжена, химический состав катода трансформируется, и гидроксид никеля превращается в оксигидроксид никеля [NiOOH]. В аноде гидроксид кадмия превращается в кадмий. Когда аккумулятор разряжен, процесс меняется на противоположный, как показано в следующей формуле.
Никель-водородную батарею можно считать гибридом между никель-кадмиевой батареей и топливным элементом. Кадмиевый электрод был заменен водородным газовым электродом. Эта батарея визуально сильно отличается от никель-кадмиевой батареи, потому что элемент представляет собой сосуд под давлением, который должен содержать более тысячи фунтов на квадратный дюйм (psi) газообразного водорода. Он значительно легче никель-кадмиевого, но его сложнее упаковать, как ящик для яиц.
Никель-водородные батареи иногда путают с никель-металлогидридными батареями, которые часто встречаются в мобильных телефонах и ноутбуках. Никель-водородные, а также никель-кадмиевые батареи используют один и тот же электролит, раствор гидроксида калия, который обычно называют щелоком.
Стимулы для разработки никель / металлгидридных (Ni-MH) аккумуляторов проистекают из неотложных проблем здравоохранения и окружающей среды в поисках замены никель / кадмиевых аккумуляторных батарей. В связи с требованиями безопасности работников, обработка кадмия для батарей в США уже находится в процессе прекращения. Кроме того, природоохранное законодательство 1990-х и 21-го века, скорее всего, обязывает ограничить использование кадмия в батареях для бытового использования. Несмотря на это давление, рядом со свинцово-кислотными батареями никель-кадмиевые батареи по-прежнему занимают самую большую долю на рынке аккумуляторных батарей. Дальнейшие стимулы для исследования аккумуляторов на водородной основе вытекают из общего убеждения, что водород и электричество вытеснят и в конечном итоге заменит значительная доля энергоносителей, вкладываемых в ископаемые виды топлива, становясь основой устойчивой энергетической системы, основанной на возобновляемых источниках энергии. источники. Наконец, существует значительный интерес к разработке Ni-MH аккумуляторов для электромобилей и гибридных транспортных средств.
Электролит КОН может переносить только ионы ОН- и, чтобы уравновесить перенос заряда, электроны должны циркулировать через внешнюю нагрузку. Оксигидроксидный электрод никеля (уравнение 1) был тщательно исследован и охарактеризован, и его применение было широко продемонстрировано как для наземных, так и для аэрокосмических применений. Большая часть текущих исследований никель-металлогидридных батарей связана с улучшением характеристик металлогидридного анода. В частности, это требует разработки гидридного электрода со следующими характеристиками: (1) длинный срок службы цикла, (2) высокая емкость, (3) высокая скорость заряда и разряда при постоянном напряжении и (4) удержание вместимость.
Эти системы отличаются от всех ранее упомянутых батарей тем, что в электролите не используется вода. Вместо этого они используют неводный электролит, который состоит из органических жидкостей и солей лития для обеспечения ионной проводимости. Эта система имеет гораздо более высокое напряжение элементов, чем системы с водным электролитом. Без воды выделение водорода и кислорода исключается, и клетки могут работать с гораздо более широкими возможностями. Они также требуют более сложной сборки, так как это должно быть сделано в почти идеально сухой атмосфере.
Несколько неперезаряжаемых батарей были впервые разработаны с использованием металлического лития в качестве анода. Коммерческие ячейки для монет, используемые в современных батарейках для часов, в основном представляют собой химию лития. Эти системы используют различные катодные системы, которые достаточно безопасны для использования потребителем. Катоды изготовлены из различных материалов, таких как монофторид углерода, оксид меди или пятиокись ванадия. Все системы с твердым катодом ограничены скоростью разряда, которую они будут поддерживать.
Чтобы получить более высокую скорость разряда, были разработаны системы с жидким катодом. Электролит является реактивным в этих конструкциях и реагирует на пористом катоде, который обеспечивает каталитические центры и сбор электрического тока. Несколько примеров этих систем включают литий-тионилхлорид и литий-диоксид серы. Эти батареи используются в космосе и для военных целей, а также для аварийных маяков на земле. Они, как правило, недоступны для общественности, поскольку они менее безопасны, чем системы с твердым катодом.
Предполагается, что следующим шагом в технологии литий-ионных батарей станет литий-полимерная батарея. Эта батарея заменяет жидкий электролит либо гелеобразным электролитом, либо настоящим твердым электролитом. Предполагается, что эти батареи даже легче литий-ионных, но в настоящее время не планируется использовать эту технологию в космосе. Это также обычно не доступно на коммерческом рынке, хотя это может быть не за горами.
Оглядываясь назад, мы прошли долгий путь после утечки фонарик батареи шестидесятых годов, когда родился космический полет. Существует широкий спектр решений, доступных для удовлетворения многих потребностей космического полета, от 80 ниже нуля до высоких температур солнечной мухи. Можно справиться с массивной радиацией, десятилетиями службы и нагрузками, достигающими десятков киловатт. Будет продолжаться развитие этой технологии и постоянное стремление к улучшенным батареям.