Принцип работы аккумуляторных батарей
Анаккумуляторная батареяЭто устройство, которое преобразует и сохраняет энергию между электрической и химической энергией. Во время разряда химическая энергия напрямую преобразуется в электрическую энергию; во время зарядки электрическая энергия преобразуется обратно в химическую энергию для хранения. Положительные и отрицательные электроды в аккумуляторе изготовлены из разных материалов. Когда вводится один и тот же электролит, оба электрода устанавливают свои собственные электродные потенциалы, как показано пунктирной линией ABCD на рисунке 1-4 (пространство между пунктирной линией и электродами представляет собой образовавшийся двойной электрический слой). Разница в равновесном электродном потенциале между положительным и отрицательным электродами представляет собой электродвижущую силу (ЭДС) батареи E.
Рисунок 14 Принципиальная схема принципа работы аккумуляторной батареи.
Когда положительный и отрицательный электроды подключены к внешней нагрузке, материал положительного электрода приобретает электроны и подвергается реакции восстановления, вызывая катодную поляризацию, тем самым снижая потенциал положительного электрода; материал отрицательного электрода теряет электроны и подвергается реакции окисления, вызывая анодную поляризацию, тем самым повышая потенциал отрицательного электрода. Во внешней цепи электроны текут от отрицательного электрода к положительному, поэтому направление тока — от положительного электрода к отрицательному. В электролите перенос заряда происходит за счет движения ионов, поэтому направление тока во внутренней цепи — от отрицательного электрода к положительному электроду. В разряженном состоянии распределение потенциала батареи показано пунктирными линиями A'B'C'D' на рисунке 1-4. Весь процесс образует полный замкнутый контур, позволяющий реакциям окисления и восстановления на электродах продолжаться непрерывно, обеспечивая тем самым непрерывный поток тока внутри замкнутого контура. При работе аккумулятора электрохимические реакции, приводящие к образованию электрической энергии на электродах, называются потокообразующими реакциями, а вещества, участвующие в этих реакциях, — активными материалами.
Процесс зарядки аккумулятора по сути является обратным процессу его разрядки. Во время зарядки окисление происходит на положительном электроде, а восстановление - на отрицательном электроде; одновременно направление миграции ионов в электролите противоположно направлению миграции во время разряда, и для запуска этого процесса химического преобразования требуется внешний источник питания, превышающий напряжение разомкнутой цепи батареи, как показано пунктирными линиями A,B,C,D на рисунке 1-4.
Чтобы облегчить прямое преобразование химической энергии в электрическую, окислительно-восстановительный процесс, происходящий в аккумуляторной батарее, принципиально отличается от обычных окислительно-восстановительных реакций. В батарее процессы потери электронов (окисления) и приобретения электронов (восстановления) должны быть разделены на разные области. Кроме того, когда в реакции участвуют активные компоненты, электроны должны проходить через внешнюю цепь. Эти два ключевых элемента отличают окислительно-восстановительный механизм внутри батареи от обычных химических окислительно-восстановительных реакций и микро--реакций в явлениях электрохимической коррозии.
Состав аккумуляторных батарей
Базовая аккумуляторная батарея должна содержать четыре основных компонента: электроды, электролит, сепаратор и корпус батареи.
электрод
Электроды, как ключевые компоненты батареи, делятся на положительные и отрицательные электроды, состоящие в основном из активных материалов и проводящего каркаса. Среди них активные материалы генерируют электрическую энергию посредством химических реакций во время разряда батареи и являются основным фактором, определяющим производительность батареи. Активные материалы в основном твердые, но могут также существовать в виде жидкостей или газов.
Активные материалы оказывают решающее влияние на общую производительность батареи и поэтому обычно предъявляют следующие требования к производительности: ① материал положительного электрода должен иметь высокий потенциал, в то время как материал отрицательного электрода должен поддерживать низкий потенциал, чтобы гарантировать, что батарея может генерировать большую электродвижущую силу; ② Активные материалы должны обладать хорошей электрохимической реакционной способностью, то есть легко участвовать в окислительно-восстановительных процессах; ③ Активные компоненты должны иметь высокую удельную емкость по весу и объему; ④ Активные материалы должны обладать превосходной химической стабильностью в растворах электролитов, а скорость саморастворения-должна быть как можно более низкой; ⑤ Активные материалы должны иметь высокую электронную проводимость; ⑥ С точки зрения экономики и устойчивого развития, идеальными активными материалами должны быть ресурсы, которых на Земле много и они недороги; ⑦ Активные материалы также должны быть безвредными для здоровья человека и окружающей среды.
Соблюдение всех вышеперечисленных стандартов для конкретного активного материала является довольно сложной задачей; поэтому при выборе активного материала необходимо всестороннее рассмотрение. В настоящее время наиболее широко применяемыми катодными материалами являются оксиды металлов, например диоксид свинца, диоксид марганца и оксид никеля, а также кислород воздуха. В качестве анодных материалов предпочтительны ряд химически активных металлов, таких как цинк, свинец, кадмий, железо, литий и натрий.
Функция проводящего каркаса — подключить активный материал к внешней цепи и обеспечить сбалансированное распределение тока. Он также поддерживает активный материал. Идеальный проводящий каркас должен обладать превосходной механической прочностью, высокой химической стабильностью, низким удельным сопротивлением и хорошей технологичностью.
электролиты
Основная функция электролита — обеспечить эффективную ионную проводимость между положительным и отрицательным электродами, выполняя задачу транспорта ионов. В некоторых случаях он может также участвовать в электрохимических реакциях. Что касается электролита, используемого в батарее, его характеристики должны соответствовать следующим требованиям: ① Он должен обладать хорошей химической стабильностью, чтобы предотвратить значительные электрохимические реакции на границе раздела между электролитом и активным материалом во время хранения, тем самым уменьшая саморазряд батареи-; ② Он должен иметь высокую электропроводность. Состав электролита варьируется в зависимости от типа аккумуляторов, и обычно в качестве электролита выбирают водные растворы кислот, щелочей или солей с отличной проводимостью. Однако в некоторых новых энергетических технологиях могут использоваться новые материалы, такие как электролиты на органических растворителях, расплавленные солевые электролиты или твердые электролиты.
изоляция
Сепаратор, также известный как мембрана или перегородка, помещается между положительным и отрицательным электродами батареи. Его основная функция – предотвратить прямой контакт между электродами, который может привести к короткому замыканию. Основные требования к характеристикам сепараторов включают: ① быть хорошим электронным изолятором для предотвращения внутренних коротких замыканий; ② иметь низкое сопротивление миграции ионов в электролите, тем самым снижая внутреннее сопротивление всего устройства и значительно уменьшая потери энергии в условиях разряда высокого-тока; ③ обладает хорошей химической стабильностью, устойчивостью к электролитной коррозии и окислительно-восстановительным реакциям активных материалов электродов; ④ иметь достаточную механическую прочность и сопротивление изгибу, чтобы эффективно блокировать рост дендритов и предотвращать проникновение крошечных активных частиц в мембрану; ⑤ Учитывая экономические факторы, он должен быть легкодоступным и недорогим.
Обычные сепараторные материалы включают хлопчатобумажную бумагу, целлюлозную бумагу, микропористый пластик, микропористую резину, гидратированную целлюлозу, нейлоновую ткань, стекловолокно и т. д.
Корпус аккумулятора
Корпус батареи, также известный как аккумуляторный контейнер, является единственным типом батареи в существующих аккумуляторных батареях, в котором цинковый электрод также служит кожухом. Напротив, в других типах батарей для внешней герметизации обычно используются определенные материалы, а не сам активный материал. Идеальный корпус аккумулятора должен обладать превосходными механическими свойствами, выдерживать вибрацию и удары, оставаться стабильным в экстремальных температурных условиях и противостоять коррозии, вызываемой электролитом. На практике такие материалы, как металлы, пластмассы и твердая резина, широко используются в качестве корпусов аккумуляторов из-за их соответствующих преимуществ.