Lumea bateriilor fizice și a cercetării bateriilor
Michael Büker 17 decembrie 2015
Fără baterii, viața de zi cu zi este probabil să fie dificilă pentru mulți dintre noi - la urma urmei, acestea furnizează energie pentru telefoane mobile, laptopuri sau telecomandă. Pentru diferite aplicații, bateriile solicită cerințe foarte diferite. Cu toate acestea, dezvoltarea lor și testarea noilor tehnologii este un proces complicat și de lungă durată.
Curentul electric este creat prin deplasarea sarcinilor electrice. Cea mai mare parte a energiei electrice de uz casnic este preluată de la priza de perete, dar bateriile sunt utilizate pentru dispozitive portabile și fără fir. Sunt mici, compacte și pot furniza energie electrică atunci când este necesar. Bateriile reîncărcabile, cunoscute și sub numele de acumulatori, pot chiar „stoca în mod colocvial electricitatea”.
Maximilian Fichtner, cercetător în domeniul bateriilor la Institutul Helmholtz Ulm și Institutul de Tehnologie Karlsruhe, explică procesele din interiorul unei baterii litiu-ion standard, așa cum se poate găsi în aproape toate telefoanele mobile și laptopurile, după cum urmează:
„Îmi imaginez că materialele în care este stocat litiul sunt ca niște rafturi, iar litiul poate fi acum considerat un fotbal. Dacă acum am sortat tot litiul pe o parte, adică pe raftul din stânga, atunci bateria este încărcată, de exemplu.
Și atunci când sunt descărcate, aceste mingi de fotbal se deplasează peste gol, electrolitul, către cealaltă parte a celuilalt raft, iar când sunt toate sortate acolo, atunci bateria este descărcată. Și atunci trebuie să folosesc din nou energia pentru a le aduce înapoi, pentru încărcare. Acesta este modul în care acest proces funcționează în principiu. "
În acest caz, purtătorii de sarcină în mișcare sunt ioni de litiu încărcați pozitiv. Așa-numitul electrolit este un lichid cu proprietăți chimice speciale care permite transportul ionilor și umple golul dintre polii plus și minus - adică cele două rafturi. Cei doi poli în sine sunt confecționați din materiale care pot absorbi, adică stoca ionii.
În cazul bateriilor reîncărcabile, cum ar fi bateriile litiu-ion, purtătorii de încărcare se pot deplasa de la pol la pol prin electrolit în ambele direcții.
„Materialele clasice de depozitare sunt grafit pe partea negativă. Este o structură stratificată din carbon, iar între straturi - acestea sunt din nou rafturile noastre - ionii de litiu se pot sorta acolo.
Pe latura polului pozitiv, catodul, aceștia sunt de obicei oxizi metalici care au structuri deschise, adică spații goale în structura în care litiul poate migra în structură și este reținut acolo. "
Cantitatea de energie pe care o poate păstra o baterie se numește capacitatea sa. Un litru sau un kilogram de benzină conține mult mai multă energie decât o baterie de aceeași dimensiune sau greutate - dar forma compactă și solidă a bateriei, care, de asemenea, nu are părți mobile, este un avantaj decisiv pentru multe aplicații. Unul dintre motivele pentru densitatea de energie mai mică este chiar această structură a bateriei.
„Problema cu bateriile în general este că majoritatea sunt fabricate din materiale care nu stochează ele însele nici o energie. De exemplu, avem carcasa în exterior, trebuie să fie solidă și solidă și să închidă interiorul foarte bine.
Apoi avem așa-numitele folii colectoare, care sunt folii metalice subțiri pe care se întinde o pastă cu materialul activ. Materialul activ în sine este apoi încă diluat cu aditivi conductivi precum carbonul. Apoi, există electrolitul, care este situat între electrozi, care își asumă sarcina de a transporta litiu.
Niciuna dintre aceste componente nu contribuie la stocarea energiei. Sunt necesare pentru ca bateria să funcționeze și reprezintă mai mult de 70% din baterie. "
Cerințe diferite în funcție de scop
Diverse materiale s-au stabilit pentru diverse domenii de aplicare a bateriilor, fiecare cu anumite avantaje și dezavantaje. Bateriile care pot fi descărcate doar o dată sunt de obicei mai compacte și au o densitate de energie mai mare decât acumulatorii. Prin urmare, acestea sunt utilizate de preferință în implanturi medicale sau în dispozitive deosebit de mici, cum ar fi ceasurile de mână.
Cu toate acestea, pentru bateriile reîncărcabile se solicită foarte diferite:
„Când mă gândesc la o baterie pe care o am într-o șurubelniță fără fir, de exemplu: trebuie să fie foarte puternică, trebuie să poată furniza curenți mari într-un timp scurt. Aceasta este o extremă - când tamponez un sistem solar, am câteva ore pentru a încărca o astfel de baterie. Așa că pot folosi materiale care au capacități mai mari, dar sunt poate mai lente. "
O baterie de hidrură de nichel-metal deschisă
Modul în care o baterie este reîncărcată joacă, de asemenea, un rol.
„În general, este așa: Dacă încărcați și descărcați o baterie foarte repede, veți obține automat o capacitate din ce în ce mai mică. Veți observa acest lucru chiar și pe telefonul dvs. mobil: dacă îl încărcați mai încet, bateria va dura mai mult. Dacă îl agățați de un încărcător rapid, acesta ar putea fi încărcat într-o oră sau trei sferturi de oră, dar telefonul mobil va dura doar o jumătate de zi. "
Încărcarea și descărcarea reprezintă o schimbare chimică constantă a bateriei, dar aceasta este întotdeauna reversibilă. Cu toate acestea, există și modificări chimice permanente care sunt în general nedorite deoarece, de exemplu, reduc constant capacitatea bateriei. Astfel de schimbări ireversibile determină durata de viață limitată a bateriilor, care pentru multe aplicații de zi cu zi este cuprinsă între unul și câțiva ani.
„Un alt factor important este așa-numita eficiență Coulomb. Aceasta este întrebarea: câți electroni pun în baterie și câți scot din baterie cu următoarea descărcare? Asta înseamnă: electronii sunt ramificați pentru a declanșa orice proces ireversibil din baterie și pentru a suna în degradarea lentă a bateriei? "
În cazuri nefavorabile, astfel de modificări pe termen lung pot afecta chiar și forma externă a bateriei. De exemplu, bateriile de hidrură de nichel-metal care sunt utilizate pe scară largă în aparatele de uz casnic pot umfla după o perioadă lungă de depozitare dacă electrolitul intră în contact cu componentele greșite ale bateriei și le atacă chimic.
Cele mai puternice baterii litiu-ion întâlnite în mod obișnuit în telefoanele mobile și laptopurile pot, în condiții nefavorabile, să fie supuse unei generări intense de căldură și chiar să ia foc. Înainte de îmbunătățirea designului acestor baterii, au existat rechemări de produse de la mai mulți producători de baterii de laptopuri. Problema a fost o reacție nedorită a materialului polului pozitiv oxid de cobalt.
„În principiu, este capabil să reacționeze cu electrolitul, care este un lichid organic, și cu cât temperatura este mai ridicată, cu atât se descurcă mai bine. Asta înseamnă că, dacă am un laptop la soare și se încălzește foarte tare, se poate întâmpla să înceapă o astfel de reacție care se accelerează, deoarece produce din nou căldură. "
Baterii în mobilitate
Un alt tip de baterie care este utilizat pe scară largă, și anume bateria plumb-acid, se găsește și astăzi în majoritatea mașinilor. Spre deosebire de alte tipuri de baterii, bateriile cu plumb sunt relativ mari și grele, cu o densitate de energie destul de mică. Cu toate acestea, acestea sunt extrem de robuste și au o durată de viață îndelungată, motiv pentru care acest tip de baterie este folosit de mulți ani în autovehicule.
„Plumbul este încă actualizat, este un sistem foarte stabil, poate fi încărcat și descărcat de multe ori, iar bateriile cu plumb nu sunt, de asemenea, inflamabile. Există un electrolit apos, în acest caz acid sulfuric, în el. Când sunteți încărcat, aveți plumb pe o parte și oxid de plumb pe cealaltă. Totul reacționează apoi cu electrolitul mișcând diverși electroni înainte și înapoi și, atunci când este descărcat, are ca rezultat sulfat de plumb de ambele părți. Și sulfatul de plumb, așa cum știu șoferii din iarnă, nu ar trebui lăsat prea mult timp în această stare, deoarece formează apoi cristale mai mari care nu se mai transformă înapoi în plumb sau oxid de plumb. Asta înseamnă că bateria se va defecta apoi ".
Spre deosebire de bateriile clasice pentru mașini, care stochează energie pe o perioadă lungă de timp și ocazional degajă o cantitate relativ mică de electricitate, mașinile electrice fără motor cu combustie sunt dependente de baterii deosebit de puternice, cu o capacitate mare.
Până în prezent, bateriile vehiculelor electrice nu au reușit să atingă autonomia sau longevitatea motoarelor cu combustie internă pe benzină sau diesel. Ești limitat la câteva sute de kilometri între două acuzații. Sedanul de lux electric de la un producător american oferă una dintre cele mai mari game cu 400 de kilometri buni. Vehiculul este format din aproximativ 500 de kilograme - aproximativ un sfert din greutatea sa totală - din baterii litiu-ion.
Cercetează noi tipuri de baterii
Aplicațiile diverse și răspândirea tot mai mare a tehnologiei bateriilor motivează, de asemenea, cercetarea în forme complet noi de baterii și îmbunătățirea conceptelor existente.
„Accentul principal aici este cercetarea bateriilor de magneziu. Acum am dezvoltat un nou electrolit cu care putem folosi și combinația de magneziu și sulf. Acest lucru ar fi foarte interesant, deoarece, pe de o parte, promite densități de energie foarte mari și, pe de altă parte, magneziul este de o mie de ori mai frecvent pe pământ decât litiul - iar sulful este disponibil practic gratuit. "
În căutarea unei noi tehnologii a bateriei, Maximilian Fichtner și colegii săi investighează, de asemenea, concepte complet diferite și le verifică practicitatea.
„Există, desigur, alte idei și ar fi frumos dacă s-ar putea realiza ceva util. O idee este așa-numita baterie cu flux redox, în care totul funcționează puțin ca o celulă de combustibil. Avem două rezervoare mari, unde avem un lichid încărcat și un lichid descărcat, ca să spunem așa, și le trimitem în direcții opuse prin ceea ce este cunoscut sub numele de convertor și extragem electricitatea din ele. Acest lucru face construcția mult mai ușoară - cu toate acestea, nu puteți stoca prea multă energie pe volum cu aceasta. "
În orice caz, este nevoie de răbdare până când o idee promițătoare a devenit un produs finit.
„Una peste alta, acesta este un proces care în trecut a durat aproximativ 12 până la 15 ani de la prima descoperire a materialului până când a fost, sperăm, gata pentru utilizare practică”.