Arbeidsprinsipp for energilagringsbatterier
Anenergilagringsbatterier en enhet som konverterer og lagrer energi mellom elektrisk energi og kjemisk energi. Under utladning blir kjemisk energi direkte omdannet til elektrisk energi; under lading omdannes elektrisk energi tilbake til kjemisk energi for lagring. De positive og negative elektrodene i batteriet er laget av forskjellige materialer. Når den samme elektrolytten settes inn, vil begge elektrodene etablere sine egne elektrodepotensialer, som vist med den stiplede linjen ABCD i figur 1-4 (mellomrommet mellom den stiplede linjen og elektrodene representerer det dannede elektriske dobbeltlaget). Forskjellen i likevektselektrodepotensial mellom de positive og negative elektroder utgjør batteriets elektromotoriske kraft (EMF) E.
Figur 14 Skjematisk diagram av arbeidsprinsippet til energilagringsbatteri
Når de positive og negative elektrodene er koblet til en ekstern belastning, mottar det positive elektrodematerialet elektroner og gjennomgår en reduksjonsreaksjon, som produserer katodisk polarisering, og reduserer dermed det positive elektrodepotensialet; det negative elektrodematerialet mister elektroner og gjennomgår en oksidasjonsreaksjon, som produserer anodisk polarisering, og dermed øker det negative elektrodepotensialet. For den eksterne kretsen strømmer elektroner fra den negative elektroden til den positive elektroden, derfor er strømretningen fra den positive elektroden til den negative elektroden. I elektrolytten skjer ladningsoverføring gjennom ionebevegelse, dermed er strømretningen i den interne kretsen fra den negative elektroden til den positive elektroden. I utladningstilstanden vises batteripotensialfordelingen med de stiplede linjene A'B'C'D' i figur 1-4. Hele prosessen danner en fullstendig lukket sløyfe, som lar oksidasjons- og reduksjonsreaksjonene ved elektrodene fortsette kontinuerlig, og sikrer dermed en kontinuerlig strømflyt innenfor den lukkede sløyfen. Når batteriet fungerer, kalles de elektrokjemiske reaksjonene som genererer elektrisk energi ved elektrodene strømningsgenererende reaksjoner, og stoffene som deltar i disse reaksjonene kalles aktive materialer.
Ladeprosessen til et batteri er i hovedsak det motsatte av utladingsprosessen. Under lading skjer oksidasjon ved den positive elektroden, mens reduksjon skjer ved den negative elektroden; samtidig er migrasjonsretningen til ioner i elektrolytten motsatt av den under utlading, og en ekstern strømkilde som overstiger batteriets åpne-kretsspenning er nødvendig for å drive denne kjemiske konverteringsprosessen, som vist med de stiplede linjene A"B"C"D" i figur 1-4.
For å lette direkte konvertering av kjemisk energi til elektrisk energi, skiller redoksprosessen som skjer i et energilagringsbatteri seg fundamentalt fra konvensjonelle redoksreaksjoner. I et batteri må prosessene med å miste elektroner (oksidasjon) og få elektroner (reduksjon) separeres i ulike regioner. Videre må elektroner strømme gjennom en ekstern krets når aktive komponenter deltar i reaksjonen. Disse to nøkkelelementene skiller redoksmekanismen i et batteri fra vanlige kjemiske redoksreaksjoner og mikro-cellereaksjonene i elektrokjemiske korrosjonsfenomener.
Sammensetning av energilagringsbatterier
Et grunnleggende energilagringsbatteri bør inneholde fire grunnleggende komponenter: elektroder, elektrolytt, separator og batterihus.
elektrode
Elektroder, som nøkkelkomponenter i et batteri, er delt inn i positive og negative elektroder, hovedsakelig sammensatt av aktive materialer og et ledende rammeverk. Blant dem genererer de aktive materialene elektrisk energi gjennom kjemiske reaksjoner under batteriutlading, og er hovedfaktoren som bestemmer batteriets ytelse. Aktive materialer er for det meste faste, men kan også eksistere som væsker eller gasser.
Aktive materialer har en avgjørende innflytelse på den generelle ytelsen til et batteri, og har derfor generelt følgende ytelseskrav: ① Det positive elektrodematerialet skal ha et høyt potensial, mens det negative elektrodematerialet må opprettholde et lavt potensial, for å sikre at batteriet kan generere en stor elektromotorisk kraft; ② Aktive materialer må ha god elektrokjemisk reaktivitet, det vil si at de lett skal delta i redoksprosesser; ③ Aktive komponenter må ha høy spesifikk kapasitet etter vekt og volum; ④ Aktive materialer må ha utmerket kjemisk stabilitet i elektrolyttløsninger, og selvoppløsningshastigheten bør være så lav som mulig. ⑤ Aktive materialer bør ha høy elektronisk ledningsevne; ⑥ Fra et perspektiv av økonomi og bærekraftig utvikling, bør ideelle aktive materialer være ressurser som er rikelig og rimelig på jorden; ⑦ Aktive materialer skal også være ufarlige for menneskers helse og det naturlige miljøet.
Å oppfylle alle de ovennevnte standardene for et spesifikt aktivt materiale er ganske utfordrende; derfor er en omfattende vurdering nødvendig når du velger et aktivt materiale. For tiden er de mest brukte katodematerialene metalloksider, som blydioksid, mangandioksid og nikkeloksid, samt oksygen fra luften. For anodematerialer er en rekke kjemisk reaktive metaller foretrukket, slik som sink, bly, kadmium, jern, litium og natrium.
Funksjonen til det ledende rammeverket er å koble det aktive materialet til den eksterne kretsen og sikre en balansert strømfordeling. Den støtter også det aktive materialet. Et ideelt ledende rammeverk bør ha utmerket mekanisk styrke, høy kjemisk stabilitet, lav resistivitet og god bearbeidbarhet.
elektrolytter
Den primære funksjonen til elektrolytten er å sikre effektiv ioneledning mellom de positive og negative elektroder, og påtar seg oppgaven med ionetransport. I noen tilfeller kan den også delta i elektrokjemiske reaksjoner. For elektrolytten som brukes i et batteri, bør ytelsen oppfylle følgende krav: ① Den bør ha god kjemisk stabilitet for å forhindre betydelige elektrokjemiske reaksjoner ved grensesnittet mellom elektrolytten og det aktive materialet under lagring, og derved redusere batteriets selvutladning-; ② Den skal ha høy elektrisk ledningsevne. Elektrolyttsammensetningen varierer mellom forskjellige typer batterier, og vanligvis velges vandige løsninger av syrer, alkalier eller salter med utmerket ledningsevne som elektrolytt. Noen nye kraftteknologier kan imidlertid bruke nye materialer som organiske løsemiddelelektrolytter, smeltede saltelektrolytter eller faste elektrolytter.
isolering
En separator, også kjent som en membran eller partisjon, er plassert mellom de positive og negative elektrodene til et batteri. Hovedfunksjonen er å forhindre direkte kontakt mellom elektrodene, noe som kan føre til kortslutning. De grunnleggende ytelseskravene til separatorer inkluderer: ① å være en god elektronisk isolator for å forhindre interne kortslutninger; ② har lav motstand mot ionemigrering i elektrolytten, og reduserer derved den indre motstanden til hele enheten og reduserer energitapet betydelig under høye-strømutladningsforhold; ③ som har god kjemisk stabilitet, tåler elektrolyttkorrosjon og redoksreaksjoner av elektrodeaktive materialer; ④ ha tilstrekkelig mekanisk styrke og bøyemotstand for effektivt å blokkere dendrittvekst og forhindre at små aktive partikler trenger inn i membranen; ⑤Tatt i betraktning økonomiske faktorer, bør den være lett tilgjengelig og rimelig.
Vanlige separatormaterialer inkluderer bomullspapir, massepapir, mikroporøs plast, mikroporøs gummi, hydratisert cellulose, nylonduk og glassfiber, etc.
Batterihus
Batterihuset, også kjent som batteribeholderen, er den eneste batteritypen i eksisterende energilagringsbatterier hvor sinkelektroden også fungerer som foringsrør. I motsetning til dette har andre batterityper en tendens til å bruke spesifikke materialer for ekstern innkapsling i stedet for selve det aktive materialet. Et ideelt batterihus bør ha utmerkede mekaniske egenskaper, tåle vibrasjoner og støt, forbli stabilt under ekstreme temperaturforhold og motstå korrosjon fra elektrolytten. I praksis er materialer som metaller, plast og hard gummi mye brukt som batterihus på grunn av deres respektive fordeler.