اصل کار و ترکیب باتری های ذخیره انرژی

اصل کار باتری های ذخیره انرژی

یکباتری ذخیره انرژیوسیله ای است که انرژی را بین انرژی الکتریکی و انرژی شیمیایی تبدیل و ذخیره می کند. در طول تخلیه، انرژی شیمیایی به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. در طول شارژ، انرژی الکتریکی برای ذخیره به انرژی شیمیایی تبدیل می شود. الکترودهای مثبت و منفی در باتری از مواد مختلفی ساخته شده اند. هنگامی که الکترولیت یکسان وارد می شود، هر دو الکترود پتانسیل های الکترودی خود را ایجاد می کنند، همانطور که توسط خط شکسته ABCD در شکل 1-4 نشان داده شده است (فضای بین خط چین و الکترودها نشان دهنده لایه دوگانه الکتریکی تشکیل شده است). تفاوت پتانسیل الکترود تعادل بین الکترودهای مثبت و منفی، نیروی الکتروموتور باتری (EMF) E را تشکیل می دهد.

شکل 14 نمودار شماتیک اصل کار باتری ذخیره انرژی

هنگامی که الکترودهای مثبت و منفی به یک بار خارجی متصل می شوند، ماده الکترود مثبت الکترون می گیرد و تحت یک واکنش کاهشی قرار می گیرد و پلاریزاسیون کاتدی تولید می کند و در نتیجه پتانسیل الکترود مثبت را کاهش می دهد. مواد الکترود منفی الکترون‌ها را از دست می‌دهند و تحت یک واکنش اکسیداسیون قرار می‌گیرند و قطبش آندی تولید می‌کنند و در نتیجه پتانسیل الکترود منفی را افزایش می‌دهند. برای مدار خارجی، الکترون ها از الکترود منفی به الکترود مثبت جریان می یابند، بنابراین جهت جریان از الکترود مثبت به الکترود منفی است. در الکترولیت، انتقال بار از طریق حرکت یون انجام می شود، بنابراین جهت جریان در مدار داخلی از الکترود منفی به الکترود مثبت است. در حالت دشارژ، توزیع پتانسیل باتری با خطوط شکسته A'B'C'D در شکل 1 نشان داده شده است-4. کل فرآیند یک حلقه بسته کامل را تشکیل می‌دهد و به واکنش‌های اکسیداسیون و کاهش در الکترودها اجازه می‌دهد به طور مداوم ادامه پیدا کنند، بنابراین جریان مداوم در حلقه بسته تضمین می‌شود. هنگامی که باتری کار می کند، واکنش های الکتروشیمیایی که انرژی الکتریکی در الکترودها تولید می کنند، واکنش های مولد جریان و مواد شرکت کننده در این واکنش ها را مواد فعال می نامند.

فرآیند شارژ یک باتری اساساً برعکس فرآیند تخلیه آن است. در طول شارژ، اکسیداسیون در الکترود مثبت رخ می دهد، در حالی که کاهش در الکترود منفی رخ می دهد. به طور همزمان، جهت حرکت یون‌ها در الکترولیت برخلاف مسیر تخلیه است و یک منبع تغذیه خارجی بیش از ولتاژ مدار باز باتری برای هدایت این فرآیند تبدیل شیمیایی لازم است، همانطور که با خطوط شکسته A"B"C"D" در شکل 1-4 نشان داده شده است.

برای تسهیل تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی، فرآیند ردوکس که در یک باتری ذخیره انرژی اتفاق می‌افتد اساساً با واکنش‌های ردوکس معمولی متفاوت است. در باتری، فرآیندهای از دست دادن الکترون (اکسیداسیون) و به دست آوردن الکترون (کاهش) باید به مناطق مختلف جدا شوند. علاوه بر این، هنگامی که اجزای فعال در واکنش شرکت می کنند، الکترون ها باید از طریق یک مدار خارجی جریان پیدا کنند. این دو عنصر کلیدی مکانیسم اکسیداسیون و کاهش در باتری را از واکنش‌های ردوکس شیمیایی معمولی و واکنش‌های میکرو{3}}سلولی در پدیده‌های خوردگی الکتروشیمیایی متمایز می‌کنند.

ترکیب باتری های ذخیره انرژی

یک باتری ذخیره انرژی اولیه باید شامل چهار جزء اساسی باشد: الکترود، الکترولیت، جداکننده و پوشش باتری.

الکترود

الکترودها به عنوان اجزای کلیدی باتری، به الکترودهای مثبت و منفی تقسیم می شوند که عمدتاً از مواد فعال و یک چارچوب رسانا تشکیل شده اند. در میان آنها، مواد فعال انرژی الکتریکی را از طریق واکنش های شیمیایی در طول تخلیه باتری تولید می کنند و عامل اصلی تعیین کننده عملکرد باتری هستند. مواد فعال عمدتا جامد هستند، اما می توانند به صورت مایع یا گاز نیز وجود داشته باشند.

مواد فعال تأثیر تعیین کننده ای بر عملکرد کلی باتری دارند و بنابراین به طور کلی دارای الزامات عملکرد زیر هستند: ① ماده الکترود مثبت باید پتانسیل بالایی داشته باشد، در حالی که ماده الکترود منفی باید پتانسیل پایینی داشته باشد تا اطمینان حاصل شود که باتری می تواند نیروی محرکه الکتریکی زیادی ایجاد کند. ② مواد فعال باید واکنش الکتروشیمیایی خوبی داشته باشند، یعنی به راحتی در فرآیندهای ردوکس شرکت کنند. ③ اجزای فعال باید ظرفیت ویژه بالایی از نظر وزن و حجم داشته باشند. ④ مواد فعال باید پایداری شیمیایی عالی در محلول های الکترولیت داشته باشند، و سرعت انحلال خود{0} باید تا حد امکان پایین باشد. ⑤ مواد فعال باید رسانایی الکترونیکی بالایی داشته باشند. ⑥ از منظر اقتصاد و توسعه پایدار، مواد فعال ایده آل باید منابعی باشند که بر روی زمین فراوان و ارزان باشند. ⑦ مواد فعال نیز باید برای سلامت انسان و محیط طبیعی بی ضرر باشند.

رعایت تمام استانداردهای فوق برای یک ماده فعال خاص بسیار چالش برانگیز است. بنابراین، در هنگام انتخاب یک ماده فعال، یک بررسی جامع ضروری است. در حال حاضر پرکاربردترین مواد کاتدی اکسیدهای فلزی مانند دی اکسید سرب، دی اکسید منگنز و اکسید نیکل و همچنین اکسیژن هوا هستند. برای مواد آند، طیف وسیعی از فلزات واکنش پذیر شیمیایی مانند روی، سرب، کادمیوم، آهن، لیتیوم و سدیم ترجیح داده می شود.

عملکرد چارچوب رسانا اتصال ماده فعال به مدار خارجی و اطمینان از توزیع متعادل جریان است. همچنین از مواد فعال پشتیبانی می کند. یک چارچوب رسانا ایده آل باید دارای استحکام مکانیکی عالی، پایداری شیمیایی بالا، مقاومت کم و قابلیت پردازش خوب باشد.

الکترولیت ها

وظیفه اصلی الکترولیت اطمینان از هدایت موثر یون بین الکترودهای مثبت و منفی است و وظیفه انتقال یون را بر عهده می گیرد. در برخی موارد ممکن است در واکنش های الکتروشیمیایی نیز شرکت کند. برای الکترولیت مورد استفاده در باتری، عملکرد آن باید شرایط زیر را برآورده کند: ① باید پایداری شیمیایی خوبی داشته باشد تا از واکنش‌های الکتروشیمیایی قابل‌توجه در سطح مشترک بین الکترولیت و ماده فعال در طول ذخیره‌سازی جلوگیری کند و در نتیجه تخلیه خود- باتری را کاهش دهد. ② باید هدایت الکتریکی بالایی داشته باشد. ترکیب الکترولیت در انواع مختلف باتری ها متفاوت است و معمولاً محلول های آبی اسیدها، قلیایی ها یا نمک ها با رسانایی عالی به عنوان الکترولیت انتخاب می شوند. با این حال، برخی از فناوری‌های جدید قدرت ممکن است از مواد جدیدی مانند الکترولیت‌های حلال آلی، الکترولیت‌های نمک مذاب یا الکترولیت‌های جامد استفاده کنند.

انزوا

یک جداکننده که به عنوان غشاء یا پارتیشن نیز شناخته می شود، بین الکترودهای مثبت و منفی باتری قرار می گیرد. عملکرد اصلی آن جلوگیری از تماس مستقیم بین الکترودها است که می تواند منجر به اتصال کوتاه شود. الزامات عملکرد اساسی برای جداکننده ها عبارتند از: ① عایق الکترونیکی خوب برای جلوگیری از اتصال کوتاه داخلی. ② داشتن مقاومت کم در برابر مهاجرت یون در الکترولیت، در نتیجه باعث کاهش مقاومت داخلی کل دستگاه و کاهش قابل توجهی از دست دادن انرژی در شرایط تخلیه جریان بالا می شود. ③ دارای پایداری شیمیایی خوب، مقاومت در برابر خوردگی الکترولیت و واکنش های ردوکس مواد فعال الکترود. ④ داشتن استحکام مکانیکی و مقاومت خمشی کافی برای جلوگیری از رشد دندریت و جلوگیری از نفوذ ذرات فعال کوچک به غشاء؛ ⑤ با توجه به عوامل اقتصادی، باید به راحتی در دسترس و ارزان باشد.

مواد جداکننده متداول شامل کاغذ پنبه ای، کاغذ خمیری، پلاستیک های ریز متخلخل، لاستیک ریز متخلخل، سلولز هیدراته، پارچه نایلونی و الیاف شیشه و غیره است.

بدنه باتری

محفظه باتری، همچنین به عنوان ظرف باتری شناخته می شود، تنها نوع باتری در باتری های ذخیره انرژی موجود است که در آن الکترود روی نیز به عنوان محفظه عمل می کند. در مقابل، انواع باتری های دیگر تمایل دارند از مواد خاصی برای کپسوله سازی خارجی استفاده کنند تا خود ماده فعال. یک بدنه باتری ایده آل باید دارای خواص مکانیکی عالی باشد، در برابر لرزش و شوک مقاومت کند، در شرایط دمایی شدید پایدار بماند و در برابر خوردگی الکترولیت مقاومت کند. در عمل، موادی مانند فلزات، پلاستیک ها و لاستیک سخت به دلیل مزایای مربوطه به طور گسترده ای به عنوان پوشش باتری استفاده می شوند.