Pramonės naujienos

Paprastas mokslas: kas yra baterijos ir kaip jos veikia?

2021-06-16

TEMOS:
Baterija, technologija, DOE, energija, ličio jonų baterijos
JAV ENERGETIKOS DEPARTAMENTAS 2021 m. Gegužės 9 d



Baterijos ir panašūs prietaisai pagal poreikį priima, kaupia ir išleidžia elektros energiją. Baterijos, kaip ir daugelis kitų kasdienių energijos šaltinių, energijai kaupti naudoja chemiją cheminio potencialo pavidalu. Pavyzdžiui, rąstai kaupia energiją savo cheminėse jungtyse, kol deginimas paverčia energiją šiluma.

Benzinas saugo potencialią cheminę energiją, kol automobilio variklyje nepaversta mechanine energija. Panašiai, kad baterijos veiktų, elektra turi būti paversta cheminio potencialo forma, kad ją būtų galima lengvai laikyti.

Baterijas sudaro du elektros gnybtai, vadinami katodu ir anodu, atskirti chemine medžiaga, vadinama elektrolitu. Norint priimti ir išleisti energiją, akumuliatorius yra prijungtas prie išorinės grandinės. Elektronai juda per grandinę, o tuo pačiu metu jonai (atomai ar molekulės su elektros krūviu) juda per elektrolitą.

Įkraunamoje baterijoje elektronai ir jonai gali judėti bet kuria kryptimi per grandinę ir elektrolitą. Kai elektronai juda iš katodo į anodą, jie padidina cheminės potencialos energiją, taip įkrauna akumuliatorių; judėdami kita kryptimi, jie paverčia šią cheminę potencialią energiją į elektros grandinę ir iškrauna akumuliatorių. Įkrovimo ar iškrovimo metu priešingai įkrauti jonai juda akumuliatoriaus viduje per elektrolitą, kad subalansuotų per išorinę grandinę judančių elektronų krūvį ir sukurtų tvarią, įkraunamą sistemą. Įkrovus, akumuliatorių galima atjungti nuo grandinės, kad būtų galima kaupti potencialią cheminę energiją, kad vėliau būtų galima naudoti kaip elektros energiją.

Baterijos buvo išrastos 1800 m., Tačiau jų cheminiai procesai yra sudėtingi. Mokslininkai naudoja naujas priemones, kad geriau suprastų elektrinius ir cheminius procesus baterijose, kad sukurtų naujos kartos labai efektyvų elektros energijos kaupimą. Pavyzdžiui, jie kuria patobulintas medžiagas baterijoms skirtiems anodams, katodams ir elektrolitams. Mokslininkai tiria įkraunamų baterijų procesus, nes jie visiškai nepasikeičia, kai baterija įkraunama ir iškraunama. Laikui bėgant, visiško pakeitimo nebuvimas gali pakeisti baterijų medžiagų chemiją ir struktūrą, o tai gali sumažinti baterijos veikimą ir saugumą.

Elektros energijos kaupimo faktai
. 2019 m. Nobelio chemijos premija buvo skirta John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham ir Akira Yoshino „už ličio jonų baterijų kūrimą“.
. JCESR elektrolitų genomas sukūrė skaičiavimo duomenų bazę, kurioje yra daugiau nei 26 000 molekulių, kuriomis galima apskaičiuoti pagrindines naujų, pažangių baterijų elektrolitų savybes.

DOE mokslo ir elektros energijos kaupimo biuras
Tyrimai, kuriuos remia DOE mokslo biuras, Pagrindinių energetikos mokslų biuras (BES), gerokai pagerino elektros energijos kaupimą. Tačiau mums dar toli gražu nėra išsamių naujos kartos energijos kaupimo sprendimų, kuriuose naudojamos visiškai naujos medžiagos, kurios gali žymiai pagerinti baterijos energijos sukaupimą. Ši saugykla yra labai svarbi norint integruoti atsinaujinančius energijos šaltinius į mūsų elektros tiekimą. Kadangi baterijų technologijos tobulinimas yra būtinas plačiai naudojant įkraunamas elektrines transporto priemones, saugojimas taip pat yra labai svarbus siekiant sumažinti mūsų priklausomybę nuo naftos transportuojant.

BES remia atskirų mokslininkų ir daugiadalykių centrų tyrimus. Didžiausias centras yra Jungtinis energijos kaupimo tyrimų centras (JCESR), DOE energetikos inovacijų centras. Šis centras tiria elektrochemines medžiagas ir reiškinius atominiu ir molekuliniu mastu ir naudoja kompiuterius, kad padėtų kurti naujas medžiagas. Šios naujos žinios leis mokslininkams sukurti saugesnę, ilgiau tarnaujančią, greičiau įkraunančią ir didesnės talpos energijos saugyklą. Kadangi mokslininkai, remiami BES programos, pasiekia naujų pažangų akumuliatorių mokslo srityje, šiuos pasiekimus naudoja taikomieji tyrėjai ir pramonė, siekdami išplėsti taikymą transporto, elektros tinklo, ryšių ir saugumo srityse.