Svet batérií fyziky a výskum batérií
Michael Büker 17. decembra 2015
Bez batérií bude každodenný život pre mnohých z nás pravdepodobne ťažký - koniec koncov, poskytujú energiu pre mobilné telefóny, notebooky alebo diaľkové ovládanie. Pre rôzne aplikácie sú na batérie kladené veľmi odlišné požiadavky. Ich vývoj a testovanie nových technológií je však komplikovaný a zdĺhavý proces.
Elektrický prúd sa vytvára pohybom elektrických nábojov. Väčšina elektrickej energie pre domácnosť sa čerpá z elektrickej zásuvky, ale batérie sa používajú pre bezdrôtové a prenosné zariadenia. Sú malé, kompaktné a v prípade potreby môžu poskytnúť elektrickú energiu. Nabíjateľné batérie, tiež známe ako akumulátory, môžu dokonca hovorovo „skladovať elektrinu“.
Maximilian Fichtner, výskumník batérií na Helmholtzovom inštitúte v Ulme a na technologickom inštitúte v Karlsruhe, vysvetľuje procesy v štandardnej lítium-iónovej batérii, ktorú nájdeme takmer vo všetkých mobilných telefónoch a notebookoch, takto:
"Predstavujem si, že materiály, v ktorých je lítium uložené, sú ako police a na lítium sa teraz dá myslieť ako na futbal." Ak som teraz roztriedil všetko lítium na jednej strane, teda na poličku vľavo, potom je batéria nabitá, napríklad.
A keď sú vybité, tieto loptičky sa presunú cez medzeru, elektrolyt, na druhú stranu na druhej polici, a keď sú tam všetky roztriedené, potom je vybitá batéria. A potom musím znova použiť energiu, aby som ich priviedol späť, na naloženie. Takto tento proces v zásade funguje. ““
V tomto prípade sú pohybujúcimi sa nosičmi náboja kladne nabité ióny lítia. Takzvaný elektrolyt je kvapalina so špeciálnymi chemickými vlastnosťami, ktorá umožňuje transport iónov a vypĺňa medzeru medzi pólmi plus a mínus - teda dvoma policami. Samotné dva póly sú vyrobené z materiálov, ktoré dokážu absorbovať, t. J. Ukladať ióny.
V prípade nabíjateľných batérií, ako sú lítium-iónové batérie, môžu nosiče náboja migrovať z pólu na pól elektrolytom v oboch smeroch.
„Klasické úložné materiály sú na negatívnej strane grafit. Je to vrstvená štruktúra vyrobená z uhlíka a medzi vrstvami - to sú opäť naše police - sa tam môžu lítiové ióny triediť.
Na strane kladného pólu, katóde, sú to obvykle oxidy kovov, ktoré majú otvorené štruktúry, to znamená prázdne miesta v štruktúre, v ktorých môže lítium migrovať do štruktúry a je tam zadržané. "
Množstvo energie, ktoré môže batéria pojať, sa nazýva kapacita. Liter alebo kilogram benzínu obsahuje podstatne viac energie ako batéria rovnakej veľkosti alebo hmotnosti - kompaktný a pevný tvar batérie, ktorá tiež nemá žiadne pohyblivé časti, je však pre mnohé aplikácie rozhodujúcou výhodou. Jedným z dôvodov nižšej hustoty energie je práve táto štruktúra batérie.
„Problém s batériami vo všeobecnosti spočíva v tom, že väčšinou pozostávajú z materiálov, ktoré v skutočnosti samy o sebe neukladajú žiadnu energiu. Napríklad máme kryt zvonku, musí byť pevný a pevný a veľmi tesne uzavrieť interiér.
Potom tu máme takzvané zberné fólie, čo sú tenké kovové fólie, na ktoré sa s aktívnym materiálom natiera pasta. Samotný aktívny materiál sa potom ešte zriedi vodivými prísadami, ako je uhlík. Potom je tu elektrolyt, ktorý sa nachádza medzi elektródami a ktorý preberá úlohu transportovať lítium.
Žiadna z týchto zložiek neprispieva k ukladaniu energie. Sú nevyhnutné na to, aby batéria fungovala, a tvoria viac ako 70 percent batérie. “
Rôzne požiadavky v závislosti od účelu
Pre rôzne oblasti použitia batérií sa už etablovali rôzne materiály, z ktorých každý má určité výhody a nevýhody. Batérie, ktoré je možné vybiť iba raz, sú zvyčajne kompaktnejšie a majú vyššiu hustotu energie ako akumulátory. Preto sa s výhodou používajú v lekárskych implantátoch alebo vo zvlášť malých zariadeniach, ako sú napríklad náramkové hodinky.
Na nabíjateľné batérie sa však kladú veľmi odlišné požiadavky:
"Keď si spomeniem na batériu, ktorú mám napríklad v akumulátorovom skrutkovači: Musí byť veľmi výkonná, musí byť schopná za krátky čas dodať vysoké prúdy." Toto je jeden extrém - keď nabíjam solárny systém, mám niekoľko hodín na nabitie takejto batérie. Môžem teda použiť materiály, ktoré majú vyššiu kapacitu, ale sú možno pomalšie. ““
Otvorená nikel-metal hydridová batéria
Svoju úlohu zohráva aj spôsob nabíjania batérie.
"Všeobecne je to takto: Ak nabíjate a vybíjate batériu veľmi rýchlo, automaticky získate čoraz menšiu kapacitu." Toto si dokonca všimnete na svojom mobilnom telefóne: Ak ho budete nabíjať pomalšie, batéria vydrží dlhšie. Ak ho zavesíte na rýchlonabíjačku, môže sa nabiť za hodinu alebo trištvrte hodiny, ale telefón vydrží iba pol dňa. ““
Nabíjanie a vybíjanie predstavuje konštantnú chemickú zmenu batérie, ktorá je však vždy reverzibilná. Existujú však aj trvalé chemické zmeny, ktoré sú všeobecne nežiaduce, pretože napríklad neustále znižujú kapacitu batérie. Takéto nezvratné zmeny spôsobujú obmedzenú životnosť batérií, ktorá sa pri mnohých každodenných aplikáciách pohybuje od jedného do niekoľkých rokov.
„Ďalším dôležitým faktorom je takzvaná Coulombova účinnosť. To je otázka: Koľko elektrónov vložím do batérie a koľko z nej vyjdem pri ďalšom vybití? To znamená: Sú rozvetvené elektróny, aby spustili akékoľvek nezvratné procesy v batérii a zvonili pri pomalej degradácii batérie? “
V nepriaznivých prípadoch môžu takéto dlhodobé zmeny dokonca ovplyvniť vonkajší tvar batérie. Nikel-metal hydridové batérie, ktoré sa často používajú v domácich spotrebičoch, sa môžu po veľmi dlhom období skladovania nafúknuť, ak sa elektrolyt dostane do nesprávnych súčastí batérie a chemicky ich napadne.
Výkonnejšie lítium-iónové batérie, ktoré sa bežne vyskytujú v mobilných telefónoch a notebookoch, môžu za nepriaznivých podmienok podliehať intenzívnemu generovaniu tepla a dokonca sa môžu vznietiť. Predtým, ako sa vylepšil dizajn týchto batérií, došlo k stiahnutiu z trhu od niekoľkých výrobcov batérií pre laptop. Problémom bola nežiaduca reakcia oxidu kobaltu s pozitívnym pólovým materiálom.
„V zásade je schopný reagovať s elektrolytom, čo je organická kvapalina, a čím vyššia teplota, tým lepšie. To znamená, že ak mám notebook na slnku a je veľmi horúco, môže sa stať, že začne takáto reakcia, ktorá sa sama urýchli, pretože zase produkuje teplo. ““
Batérie v mobilite
Iný široko používaný typ batérií, a to olovený akumulátor, sa v súčasnosti stále nachádza vo väčšine automobilov. Na rozdiel od iných typov batérií sú olovené batérie pomerne veľké a ťažké s pomerne nízkou hustotou energie. Sú však mimoriadne robustné a majú dlhú životnosť, a preto sa tento typ batérie používa v motorových vozidlách už mnoho rokov.
„Olovo je stále aktuálne, je to veľmi stabilný systém, dá sa mnohokrát nabíjať a vybíjať a olovené batérie tiež nie sú horľavé. Nachádza sa v ňom vodný elektrolyt, v tomto prípade kyselina sírová. Po nabití máte na jednej strane olovo a na druhej oxid olovnatý. Celé to potom reaguje s elektrolytom pohybom rôznych elektrónov tam a späť a pri vybití vedie k síranu olovnatému na oboch stranách. A síran olovnatý, ako motoristi vedia od zimy, by nemal byť v takomto stave ponechaný príliš dlho, pretože potom vytvára väčšie kryštály, ktoré sa už potom nemenia späť na olovo alebo oxid olovnatý. To znamená, že batéria sa potom pokazí. “
Na rozdiel od klasických automobilových batérií, ktoré akumulujú energiu po dlhšiu dobu a občas vydávajú porovnateľne malé množstvo elektriny, sú elektromobily bez spaľovacieho motora závislé na zvlášť výkonných batériách s vysokou kapacitou.
Batérie v elektrických vozidlách doteraz neboli schopné dosiahnuť dojazd alebo životnosť benzínových alebo naftových spaľovacích motorov. Medzi dvoma nabitiami máte obmedzenú vzdialenosť na niekoľko stoviek kilometrov. Elektrický luxusný sedan amerického výrobcu ponúka jeden z najväčších dojazdov s dobrými 400 kilometrami. Vozidlo pozostáva z približne 500 kilogramov - približne štvrtiny jeho celkovej hmotnosti - z lítium-iónových batérií.
Výskum nových typov batérií
Rôznorodé aplikácie a rastúce rozšírenie technológie batérií preto tiež motivujú výskum úplne nových foriem batérií a vylepšenia existujúcich konceptov.
„Hlavné zameranie je tu na výskum horčíkových batérií. Teraz sme vyvinuli nový elektrolyt, pomocou ktorého môžeme tiež používať kombináciu horčíka a síry. To by bolo veľmi zaujímavé, pretože na jednej strane sľubuje veľmi vysoké hustoty energie a na druhej strane je horčík tisíckrát bežnejší na zemi ako lítium - a síra je dostupná prakticky zadarmo. ““
Pri hľadaní novej technológie batérií Maximilian Fichtner a jeho kolegovia skúmajú aj úplne odlišné koncepty a kontrolujú ich praktickosť.
"Existujú samozrejme aj ďalšie nápady a bolo by pekné, keby sa dalo realizovať niečo užitočné." Jedným z nápadov je takzvaná redox prietoková batéria, kde to celé funguje trochu ako palivový článok. Máme dve veľké nádrže, kde máme takpovediac nabitú a vybitú kvapalinu a cez takzvaný prevodník ich posielame do opačných smerov a čerpáme z nich elektrinu. To značne uľahčuje stavbu - nemôžete s ňou však uskladniť príliš veľa energie na jeden objem. ““
V každom prípade trvá dlhý dych, kým sa zo sľubnej myšlienky vyvinie hotový výrobok.
„Celkovo ide o proces, ktorý v minulosti trval asi 12 až 15 rokov od prvého objavu materiálu, kým nebol nádejne pripravený na praktické použitie.“