Sklepy z bateriamienergia potencjalna chemiczna. Energia ta zamienia się w energię elektryczną tylko wtedy, gdy akumulator jest podłączony do obwodu i elektrony mogą płynąć. Innymi słowy, naładowany akumulator to nie mały zbiornik energii elektrycznej, który czeka na wylanie się. Zatrzymuje energię w wiązaniach chemicznych materiałów elektrodowych i elektrolitowych i na żądanie uwalnia tę energię w postaci prądu elektrycznego.
Bateria przechowuje energię potencjalną chemiczną, a nie energię elektryczną. Wytwarza energię elektryczną tylko wtedy, gdy obwód zamknięty umożliwia elektronom przemieszczanie się z jednej elektrody na drugą.
Aktywne materiały wewnątrz baterii są ułożone tak, aby zachodziła reakcja chemicznachcenastąpić, ale nie może, ponieważ jedyna droga dla elektronów jest zablokowana. Zamknij obwód, a reakcja będzie przebiegać: elektrony przepływają przez Twoje urządzenie, a energia chemiczna zgromadzona w materiałach jest dostarczana w postaci energii elektrycznej. Rozładowanie zużywa tę chemię; ładowanie akumulatora odbudowuje go.
Pomaga oddzielić trzy różne formy energii, ponieważ ludzie często je mieszają:
| Forma energii | Rola w baterii | Kiedy to zauważysz |
|---|---|---|
| Energia potencjalna chemiczna | Przechowywany w wiązaniach materiałów elektrody i elektrolitu | Gdy bateria jest naładowana, gotowa do użycia |
| Energia elektryczna | Powstaje, gdy elektrony przemieszczają się w obwodzie zewnętrznym | Tylko podczas ładowania lub rozładowywania akumulatora |
| Energia cieplna (ciepło) | Produkt uboczny-oporu wewnętrznego i mniejszych reakcji ubocznych | Głównie podczas szybkiego ładowania lub mocnego rozładowania |
Jak bateria zamienia energię chemiczną w energię elektryczną
Konwersja jest reakcją elektrochemiczną, w szczególnościutlenianie-redukcja (redoks)reakcja rozdzielona na dwie elektrody. Podręczniki chemii opisują to jasno: w takiej celiutlenianie zachodzi na anodzie, a redukcja na katodzie, a energia uwolniona w wyniku tej spontanicznej reakcji napędza prąd w obwodzie.
Oto sekwencja na przykładzie ogniwa litowo-jonowego-:
- Na anodzie (strona ujemna), atomy oddają elektrony. W baterii litowej-lit opuszcza grafit i staje się dodatnio naładowanym litowo-jonowym.
- Przez obwód zewnętrzny, te uwolnione elektrony przemieszczają się w kierunku strony dodatniej, zasilając wszystko, co jest podłączone pomiędzy nimi, na przykład telefon lub silnik elektryczny. Ten przepływ elektronówJestprąd elektryczny.
- Wewnątrz akumulatorajony litu przemieszczają się przez elektrolit w kierunku katody. Elektrolit przepuszcza jony, ale blokuje elektrony, dlatego właśnie elektrony zmuszone są do przebycia dłuższej drogi przez urządzenie.
- Na katodzie (strona dodatnia), przybywające elektrony są akceptowane, jony łączą się ponownie i pętla jest kompletna.
Departament Energii Stanów Zjednoczonych stosuje przydatne porównanie dwóch liczb, na których ludzie najbardziej zależy. Jak wyjaśniono w dalszej częścijak działają baterie litowe-jonoweujmując to, gęstość energii jest równa wielkości basenu, podczas gdy gęstość mocy to szybkość, z jaką można ją spuścić. Napięcie wytwarzane przez ogniwo, około 1,5 V w przypadku ogniwa alkalicznego i około 3,7 V na ogniwo litowo-jonowe, wynika z różnicy potencjałów chemicznych pomiędzy dwoma materiałami elektrod. Jeśli chcesz uzyskać pełny obraz zaangażowanych części i sposobu ich dopasowania, zapoznaj się z naszym przeglądemjak działa akumulator energii.
Ładowanie po prostu powoduje odwrócenie reakcji
W tym miejscu pomysł „zbiornika energii elektrycznej” naprawdę się rozpada. Ładowanie nie powoduje przepływu prądu do akumulatora. Zamiast tego wykorzystuje zewnętrzne źródło energii elektrycznej, aby odwrócić reakcję, odbudowując pierwotne związki chemiczne i przywracając zmagazynowany potencjał chemiczny. Ta odwracalność odróżnia ogniwo ładowalne od ogniwa jednorazowego-użytku. Każdy cykl jest również nieco niedoskonały: niewielka ilość chemii nie ulega całkowitemu odwróceniu, struktury elektrod zmieniają się w czasie, a powolna akumulacja powoduje, że bateria telefonu stopniowo traci pojemność po kilku latach.
Dlaczego energia chemiczna jest formą, z której faktycznie korzystają baterie?
Chemiczna energia potencjalna to energia zawarta w wiązaniach molekularnych, to samo szerokie pojęcie kryje się za energią w benzynie lub drewnie. Kluczowa różnica polega na tym, że bateria przetwarza tę energiębezpośredniow energię elektryczną w wyniku reakcji, bez spalania i bez ruchomych części pomiędzy nimi. Więcej na temat tej kategorii przechowywania możesz przeczytać w naszym podręczniku na temattechnologia magazynowania energii chemicznej.
Magazynowanie energii w postaci wiązań chemicznych zapewnia akumulatorom pewne praktyczne korzyści:
- Jest stabilny.W przeciwieństwie do naładowanego kondensatora, który rozładowuje się w ciągu kilku godzin, skład chemiczny baterii utrzymuje energię przez miesiące, przy jedynie kilkuprocentowym-samorozładowaniu, w zależności od temperatury i stanu naładowania.
- Jest gęsty.Nowoczesne ogniwa litowo-jonowe pakują dużo energii w małą masę, znacznie więcej niż rozwiązania mechaniczne, takie jak koła zamachowe.
- Jest przenośny i skalowalny.Ta sama podstawowa chemia działa od ogniwa guzikowego{{0}aparatu słuchowego po instalację w skali siatkowej-; po prostu używasz więcej aktywnego materiału.
Typy baterii i chemia, która za nimi stoi
Wszystkie baterie działają według tej samej zasady-elektrycznej-, ale specyficzne reakcje są różne i to właśnie nadaje charakter każdemu typowi. Poniższa tabela porównuje najczęstsze chemikalia; Pełniejsze zestawienie znajdziesz w naszym przewodnikuróżne typy akumulatorów wykorzystywanych do magazynowania energii.
| Typ baterii | Jak magazynuje energię | Można ładować? | Typowe zastosowania |
|---|---|---|---|
| Lit-jonowy | Jony litu przemieszczają się pomiędzy dwiema elektrodami macierzystymi | Tak | Telefony, laptopy, pojazdy elektryczne, pamięć masowa |
| Kwas ołowiowy- | Reakcje ołowiu, dwutlenku ołowiu i kwasu siarkowego | Tak | Akumulatory rozruchowe samochodowe, zasilanie rezerwowe |
| Alkaliczny | Reakcje cynku i dwutlenku manganu | Nie (jednorazowego-użytku) | Piloty, latarki, urządzenia-o niskim poborze prądu |
| Jon sodu | Jony sodu przemieszczają się między elektrodami, podobnie jak w przypadku litu-jonów | Tak | Pojawiające się; przechowywanie stacjonarne, gdzie waga ma mniejsze znaczenie |
Lit-jonowy dominuje w przenośnej elektronice i pojazdach elektrycznych ze względu na dużą gęstość energii; jeśli chcesz poznać elementy wewnętrzne, zobacz, jak ogniwo jest zbudowane i działa w naszym objaśnieniu na stroniestruktura i zasada działania akumulatorów litowo-jonowych-. Kwas ołowiowy, którego początki sięgają 1859 r., jest cięższy i ma mniejszą-energetyczność, ale pozostaje tani i niezawodny do rozruchu samochodów. Ogniwa alkaliczne odpowiadają na pytanie, które wiele osób zadaje:dlaczego nie mogę po prostu naładować zwykłej baterii AA?Ich reakcje cynku i dwutlenku manganu nie odwracają się całkowicie, więc wymuszenie ładowania może zamiast napełnić ogniwo wyciekać lub rozerwać ogniwo.
Jakie rodzaje energii występują w baterii?
Kiedy ludzie sprawdzają rodzaje energii akumulatorów, zwykle pytają o kilka różnych rzeczy jednocześnie: energię zmagazynowaną w ogniwie, energię przekazywaną przez zaciski, energię związaną z naładowanymi interfejsami oraz energię traconą w postaci ciepła. Formy te są ze sobą powiązane, ale odgrywają bardzo różne role.
Energia użyteczna akumulatora jest prawie w całości magazynowana w postaci darmowej energii elektrochemicznej. Energia elektryczna przepływa przez zaciski w obu kierunkach. Międzyfazowa energia elektrostatyczna występuje na każdej powierzchni elektrody, ale jej udział jest znikomy. Energia cieplna jest tym, co proces oddaje po drodze.
| Rodzaj energii | Co to robi | Przechowywane czy przenoszone? | Udział energii całkowitej |
|---|---|---|---|
| Energia elektrochemiczna (potencjał chemiczny). | Użyteczny zbiornik energii ogniwa | Przechowywane | W zasadzie wszystko |
| Energia elektryczna | Przenosi energię pomiędzy ogniwem a obwodem zewnętrznym | Przeniesiony | Żaden nie jest przechowywany jako prąd płynący |
| Międzyfazowa energia elektrostatyczna | Separacja ładunków w podwójnej warstwie elektrycznej na powierzchni elektrod | Obecni lokalnie | Ułamek procenta |
| Energia cieplna | Uwalniany lub wchłaniany przez opór, polaryzację i entropię reakcji | Rozproszone lub wymienione | Mniej więcej tyle samo-luki w efektywności podróży w obie strony |
Energia elektrochemiczna: główna forma przechowywana
Stwierdzenie, że bateria przechowuje energię potencjalną chemiczną, jest wystarczająco dokładne, aby można było ją stosować na co dzień. Bardziej precyzyjne stwierdzenie jest takie, że magazynuje elektrochemiczną energię swobodną - różnicę w energii swobodnej Gibbsa między stanem naładowanym i rozładowanym materiałów aktywnych.
Ta różnica bezpośrednio ustawia napięcie ogniwa:
ΔG=–nFE
ΔG to zmiana-energii swobodnej Gibbsa, n moli przeniesionych elektronów, F – stała Faradaya, a E – napięcie ogniwa. Reakcja spontanicznego wyładowania ma ujemną wartość ΔG i wytwarza napięcie dodatnie.
Ma to znaczenie, ponieważ energia nie jest związana z jednym konkretnym wiązaniem chemicznym. Zależy to od całego układu: składu elektrod i struktury kryształów, miejsca osadzenia jonów, stanów elektronowych materiałów oraz odstępu między stanami naładowanymi i rozładowanymi. W ogniwie litowo-jonowym ładowanie powoduje wypychanie litu do układu o wyższej-energii na dwóch elektrodach; rozładowywanie pozwala mu zrelaksować się w kierunku korzystnego termodynamicznie, a część tego uwolnienia jest dostępna w postaci pracy elektrycznej.
Energia elektryczna: przekazywana, nigdy nie magazynowana
Energia elektryczna nie jest formą magazynowania wewnątrz ogniwa. Jest to forma, jaką przyjmuje energia, gdy przechodzi przez zaciski, a jej kierunek zmienia się w zależności od tego, co robi akumulator.
Podczas rozładowywania reakcja uwalnia darmową energię i utrzymuje napięcie na zaciskach; napięcie to napędza ładunek przez obwód zewnętrzny, a akumulator dostarcza energię elektryczną. Podczas ładowania zewnętrzne źródło przykłada napięcie przeciwdziałające spontanicznej reakcji, kierując elektrony i jony z powrotem do stanu naładowanego. Część tej przychodzącej energii elektrycznej jest-odzyskiwana w postaci darmowej energii elektrochemicznej, a część zamienia się w ciepło.
Dlatego stwierdzenie, że „bateria magazynuje energię elektryczną” jest mylące. Prąd jest ładunkiem w ruchu i istnieje tylko wtedy, gdy ścieżka przewodząca jest zamknięta. Odłączony akumulator utrzymuje całkowicie otwarte-napięcie obwodu i zerowy prąd - cały potencjał, brak przepływu. Warto rozdzielić cztery powiązane wielkości:
- WoltażDostępna energia: - na jednostkę ładunku
- Aktualny- szybkość przemieszczania się ładunku
- Pojemność ładowania (Ah)- ile opłat można przenieść
- Pojemność energetyczna (Wh)- ilość dostępnych prac elektrycznych
Energia cieplna: nieodwracalna strata i odwracalne ciepło
Ciepło nie jest czymś, co bateria ma przechowywać, ale zawsze stanowi część bilansu energetycznego i pochodzi z dwóch różnych źródeł.
Nieodwracalne ciepło to czysta strata: ogrzewanie Joule'a spowodowane oporem wewnętrznym, polaryzacją elektrochemiczną, ograniczeniami-transportu jonów i reakcjami ubocznymi. Rośnie gwałtownie wraz z prądem, dlatego szybkie ładowanie jest gorące.
Ciepło odwracalne, czyli ciepło entropiczne, pochodzi ze zmian entropii w samych reakcjach elektrodowych. W zależności od składu chemicznego, stanu ładunku i kierunku prądu, termin ten może spowodować, że komórka uwolni ciepło lub je pochłonie. Jest to powód, dla którego kompletny model termiczny wymaga czegoś więcej niż tylko składnika rezystancji - zmian fazowych, efektów mieszania i entropii reakcji, a wszystko to powoduje zmianę temperatury ogniwa.
Międzyfazowa energia elektrostatyczna: rzeczywista, ale niewielka
Na każdej granicy elektroda-elektrolit elektrony w elektrodzie i jony w elektrolicie układają się w podwójną warstwę elektryczną. To rozdzielenie ładunków tworzy silne pole lokalne i reguluje potencjał elektrody, rozkład jonów i kinetykę-przenoszenia ładunku.
Nie czyni to jednak baterii kondensatorem. Kondensator utrzymuje większość swojej użytecznej energii w fizycznej separacji ładunków; bateria utrzymuje go w składzie chemicznym i stanie elektrochemicznym. Superkondensatory znajdują się pomiędzy nimi i opierają się na pojemności-dwuwarstwowej i szybkich reakcjach powierzchniowych. W konwencjonalnych ogniwach litowych-jonowych, ołowiowych,-kwasowych, alkalicznych lub-jonów sodu udział międzyfazowy kształtuje zachowanie baterii, nie zwiększając w znaczący sposób jej pojemności.
Jak zmienia się dominująca forma energii wraz ze stanem baterii
| Stan baterii | Co się dzieje z energią |
|---|---|
| Ładowanie | Wchodzi energia elektryczna; większość staje się zmagazynowaną energią elektrochemiczną, część staje się ciepłem |
| Naładowany i odłączony | Utrzymuje się elektrochemiczną darmową energię; napięcie jest obecne, prąd stały nie |
| Rozładowanie | Zmagazynowana energia elektrochemiczna przekształca się w energię elektryczną i ciepło |
| Odpoczął po wypisie | Pozostaje mniej użytecznej darmowej energii niż w stanie naładowanym |
| Samorozładowanie- | Reakcje wewnętrzne powoli zużywają zmagazynowaną energię chemiczną bez użytecznej produkcji |
| Degradacja | Zapasy materiałów aktywnych i litu staną się trwale niedostępne |
Jak mierzona jest energia baterii
Kilka specyfikacji opisuje możliwości baterii, a ich pomieszanie prowadzi do większości nieporozumień dotyczących tego, jak duża jest ta bateria:
- Pojemność (-amperogodziny, Ah lub mAh)to ile ładunku może dostarczyć bateria. Komórka telefoniczna o pojemności 2000 mAh może dostarczyć 2 ampery na godzinę lub 0,5 ampera na cztery godziny. Jeśli ta ocena jest dla Ciebie niejasna, nasza uwaga dotco oznacza amper-godzina (Ah).przechodzi przez to.
- Energia (wato-godziny, Wh)to rzeczywista dostępna praca. Pomnóż pojemność przez napięcie: ogniwo 3,7 V i 2000 mAh mieści około 7,4 Wh. Ta liczba jest bliższa rzeczywistemu procentowi naładowania baterii Twojego telefonu.
- Gęstość energii (Wh/kg)to ile energii mieści się w danej masie. Typowy lit-jonowykomórkiziemia około 150–270 Wh/kg; gotowy akumulatorpakietjest niższa po uwzględnieniu obudowy, okablowania i chłodzenia, dlatego też wartości na poziomie ogniwa i opakowania nie powinny być podawane zamiennie.
- Gęstość mocy (W/kg)zależy od tego, jak szybko ta energia może wytworzyć się, co ma znaczenie w przypadku elektronarzędzi i przyspieszenia pojazdów elektrycznych.
- Życie cykliczneto liczba cykli-rozładowań, które wytrzyma bateria, zanim pojemność zauważalnie spadnie, co jest bezpośrednią miarą odwracania reakcji.
Gdzie idzie „utracona” energia
Żadna bateria nie zwróci całej włożonej energii. Niedobory nie znikają; opuszcza głównie w postaci ciepła z oporu wewnętrznego, ruchu jonów i mniejszych reakcji ubocznych. W przypadku-systemów litowo-jonowych-na skalę użyteczności publicznej, wzorce technologiczne Krajowego Laboratorium Energii Odnawialnej przyjmująwydajność w obie strony-około 85%, co oznacza, że około 1 kWh z każdych 1,18 kWh zmagazynowanych energii wraca do źródła energii.
Z powodu tej straty duże instalacje akumulatorów i pojazdy elektryczne wymagają aktywnego zarządzania temperaturą: pakiet EV, który nagrzewa się podczas szybkiego ładowania, musi być chłodzony, aby zachować bezpieczeństwo i chronić jego żywotność. Jednak podstawowa zasada nigdy się nie zmienia. Energia elektryczna wpływa, staje się energią potencjalną chemiczną podczas ładowania i powraca jako energia elektryczna podczas rozładowania. Bateria jedynie przechowuje i uwalnia energię; nigdy go nie tworzy.
Powszechne błędne przekonania wyjaśnione
- „Baterie przechowują energię elektryczną”.Magazynują energię chemiczną i wytwarzają energię elektryczną na żądanie. Nie można magazynować płynącego prądu tak samo, jak płynącej wody.
- „Pojemność maleje z powodu wycieku ładunku.”Zanika z powodu nieodwracalnych zmian chemicznych i strukturalnych w elektrodach i elektrolicie, które narastają w ciągu wielu cykli.
- „Zimna pogoda wyczerpuje baterię”.Zimno nie usuwa zmagazynowanej energii; spowalnia reakcje, więc akumulator dostarcza mniej energii, dopóki się nie nagrzeje. Nasza uwaga dotjak temperatura wpływa na baterie litoweomawia to bardziej szczegółowo.
- „Wszystkie baterie działają w ten sam sposób”.Mają tę samą zasadę, ale korzystają z bardzo różnych składów chemicznych, dlatego też ogniwo litowo-jonowe-nie zachowuje się jak ogniwo alkaliczne.
Co dalej z chemią akumulatorów
Większość badań ma ten sam cel: przechowywać więcej energii chemicznej w lżejszym, bezpieczniejszym i trwalszym- opakowaniu.Baterie-półprzewodnikowezamień ciekły elektrolit na stały, co może umożliwić wyższą gęstość energii i większe bezpieczeństwo, chociaż rentowność komercyjna nadal zależy od cyklu życia, produkcji, stabilności interfejsu i kosztów; element konstrukcyjny jest omówiony we wstępie doelektrolity stałe. Anody krzemowemoże pomieścić więcej litu niż grafitu, potencjalnie zwiększając pojemność ogniwa.Lit-siarkachemia oferuje wysoką teoretyczną gęstość energii, ale obecnie prawdziwe ogniwa nie są wystarczające, ponieważ siarka ulega degradacji podczas cykli.Jon soduzamienia część gęstości energii na dostępne w dużych ilościach,-niedrogie materiały, które sprawdzają się w przypadku magazynowania stacjonarnego, gdzie waga nie ma większego znaczenia. Żadne z nich nie zmienia podstawowej idei, ile energii może pomieścić chemia.
Często zadawane pytania
P: Czy energia zawarta w akumulatorze jest chemiczna czy elektryczna?
Odp.: Substancja chemiczna podczas przechowywania. Energia gromadzi się w wiązaniach pomiędzy atomami w materiale elektrody i elektrolitu. Staje się energią elektryczną dopiero podczas aktywnego ładowania lub rozładowywania, gdy elektrony przemieszczają się w obwodzie.
P: Czy ładowanie powoduje przepływ prądu do akumulatora?
O: Nie. Ładowanie wykorzystuje energię elektryczną do cofania reakcji wewnętrznej i odbudowy związków chemicznych przechowujących energię. Przywracasz chemię, a nie napełniasz pojemnik prądem.
P: Dlaczego nie mogę naładować zwykłej baterii alkalicznej?
Odp.: Reakcje cynku i dwutlenku manganu nie odwracają się całkowicie. Próba wymuszenia ładowania może zamiast przywrócić pojemność spowodować wyciek lub pęknięcie, dlatego też ogniwa alkaliczne są sprzedawane jako ogniwa jednorazowego-użytku.
P: Dlaczego akumulatory nagrzewają się podczas ładowania lub rozładowywania?
Odp.: Konwersja energii chemicznej na elektryczną nie jest idealnie wydajna. Opór wobec ruchu elektronów i jonów oraz drobne reakcje uboczne zamieniają część energii w ciepło. Szybkie ładowanie lub intensywne użytkowanie przyspieszają te procesy i generują więcej ciepła.
P: Jak długo bateria może utrzymywać ładunek?
O: Często lata i stopniowe-samorozładowanie. Ogniwa alkaliczne przechowują większość swojej pojemności przez kilka lat na półce, a bezczynne ogniwa litowo-jonowe-tracą tylko kilka procent miesięcznie, a najważniejszymi czynnikami są temperatura i stan naładowania.
Kluczowe wnioski
- Bateria przechowuje energię potencjalną chemiczną w wiązaniach materiałów elektrody i elektrolitu.
- Ta energia chemiczna staje się energią elektryczną w wyniku reakcji redoks tylko wtedy, gdy obwód jest zamknięty.
- Ładowanie powoduje odwrotną reakcję; odbudowuje chemię, zamiast wstrzykiwać prąd.
- Ogniwa litowe-, ołowiowe,-kwasowe, alkaliczne i-jonowe sodu wykorzystują różne reakcje, ale tę samą podstawową zasadę.
- Sprawność-w obie strony wynosi zazwyczaj około 85%, a tracona energia opuszcza głównie w postaci ciepła.
Niniejszy przewodnik został przygotowany i sprawdzony pod względem technicznym przez zespół redakcyjny zajmujący się magazynowaniem energii Polinovel, w oparciu o opublikowane źródła z Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Krajowego Laboratorium Energii Odnawialnej i Chemistry LibreTexts.