Principi de funcionament de les bateries d'emmagatzematge d'energia
Anbateria d'emmagatzematge d'energiaés un dispositiu que converteix i emmagatzema energia entre energia elèctrica i energia química. Durant la descàrrega, l'energia química es converteix directament en energia elèctrica; durant la càrrega, l'energia elèctrica es torna a convertir en energia química per a l'emmagatzematge. Els elèctrodes positius i negatius de la bateria estan fets de diferents materials. Quan s'insereix el mateix electròlit, tots dos elèctrodes establiran els seus propis potencials d'elèctrode, tal com mostra la línia trencada ABCD a la figura 1-4 (l'espai entre la línia discontínua i els elèctrodes representa la doble capa elèctrica formada). La diferència de potencial de l'elèctrode d'equilibri entre els elèctrodes positius i negatius constitueix la força electromotriu (EMF) de la bateria E.
Figura 14 Diagrama esquemàtic del principi de funcionament de la bateria d'emmagatzematge d'energia
Quan els elèctrodes positius i negatius estan connectats a una càrrega externa, el material de l'elèctrode positiu guanya electrons i experimenta una reacció de reducció, produint polarització catòdica, reduint així el potencial de l'elèctrode positiu; el material de l'elèctrode negatiu perd electrons i experimenta una reacció d'oxidació, produint polarització anòdica, augmentant així el potencial de l'elèctrode negatiu. Per al circuit extern, els electrons flueixen de l'elèctrode negatiu a l'elèctrode positiu, per tant, la direcció del corrent és de l'elèctrode positiu a l'elèctrode negatiu. A l'electròlit, la transferència de càrrega es produeix mitjançant el moviment d'ions, per tant la direcció del corrent al circuit intern és de l'elèctrode negatiu a l'elèctrode positiu. En l'estat de descàrrega, la distribució del potencial de la bateria es mostra amb les línies trencades A'B'C'D' a la figura 1-4. Tot el procés forma un llaç tancat complet, permetent que les reaccions d'oxidació i reducció dels elèctrodes continuïn contínuament, assegurant així un flux de corrent continu dins del llaç tancat. Quan la bateria funciona, les reaccions electroquímiques que generen energia elèctrica als elèctrodes s'anomenen reaccions de generació de flux, i les substàncies que participen en aquestes reaccions s'anomenen materials actius.
El procés de càrrega d'una bateria és essencialment l'inversa del procés de descàrrega. Durant la càrrega, l'oxidació es produeix a l'elèctrode positiu, mentre que la reducció es produeix a l'elèctrode negatiu; simultàniament, la direcció de migració dels ions a l'electròlit és oposada a la de la descàrrega, i es requereix una font d'alimentació externa que superi la tensió del circuit obert-de la bateria per impulsar aquest procés de conversió química, tal com mostren les línies trencades A"B"C"D" a la figura 1-4.
Per facilitar la conversió directa d'energia química en energia elèctrica, el procés redox que es produeix dins d'una bateria d'emmagatzematge d'energia difereix fonamentalment de les reaccions redox convencionals. En una bateria, els processos de pèrdua d'electrons (oxidació) i guanys d'electrons (reducció) s'han de separar en diferents regions. A més, els electrons han de fluir a través d'un circuit extern quan els components actius participen en la reacció. Aquests dos elements clau distingeixen el mecanisme redox dins d'una bateria de les reaccions redox químiques ordinàries i les reaccions de micro-cel·les en els fenòmens de corrosió electroquímica.
Composició de les bateries d'emmagatzematge d'energia
Una bateria d'emmagatzematge d'energia bàsica hauria de contenir quatre components fonamentals: elèctrodes, electròlit, separador i carcassa de la bateria.
elèctrode
Els elèctrodes, com a components clau d'una bateria, es divideixen en elèctrodes positius i negatius, composts principalment per materials actius i un marc conductor. Entre ells, els materials actius generen energia elèctrica mitjançant reaccions químiques durant la descàrrega de la bateria, i són el principal factor que determina el rendiment de la bateria. Els materials actius són majoritàriament sòlids, però també poden existir com a líquids o gasos.
Els materials actius tenen una influència decisiva en el rendiment general d'una bateria i, per tant, generalment tenen els requisits de rendiment següents: ① El material de l'elèctrode positiu ha de tenir un alt potencial, mentre que el material de l'elèctrode negatiu ha de mantenir un potencial baix, per tal de garantir que la bateria pugui generar una gran força electromotriu; ② Els materials actius han de tenir una bona reactivitat electroquímica, és a dir, han de participar fàcilment en processos redox; ③ Els components actius han de tenir una gran capacitat específica en pes i volum; ④ Els materials actius han de tenir una estabilitat química excel·lent en les solucions d'electròlits i la velocitat d'auto{0}}dissolució ha de ser tan baixa com sigui possible; ⑤ Els materials actius han de tenir una alta conductivitat electrònica; ⑥ Des de la perspectiva de l'economia i el desenvolupament sostenible, els materials actius ideals haurien de ser recursos abundants i econòmics a la Terra; ⑦ Els materials actius també han de ser inofensius per a la salut humana i el medi natural.
Complir amb tots els estàndards anteriors per a un material actiu específic és força difícil; per tant, és necessària una consideració exhaustiva a l'hora de seleccionar un material actiu. Actualment, els materials càtodics més utilitzats són els òxids metàl·lics, com ara el diòxid de plom, el diòxid de manganès i l'òxid de níquel, així com l'oxigen de l'aire. Per als materials d'ànode, es prefereix una varietat de metalls químicament reactius, com ara zinc, plom, cadmi, ferro, liti i sodi.
La funció del marc conductor és connectar el material actiu al circuit extern i assegurar una distribució de corrent equilibrada. També dóna suport al material actiu. Un marc conductor ideal ha de tenir una excel·lent resistència mecànica, alta estabilitat química, baixa resistivitat i bona processabilitat.
electròlits
La funció principal de l'electròlit és garantir una conducció eficaç d'ions entre els elèctrodes positius i negatius, realitzant la tasca de transport d'ions. En alguns casos, també pot participar en reaccions electroquímiques. Per a l'electròlit utilitzat en una bateria, el seu rendiment ha de complir els requisits següents: ① Ha de tenir una bona estabilitat química per evitar reaccions electroquímiques significatives a la interfície entre l'electròlit i el material actiu durant l'emmagatzematge, reduint així la descàrrega automàtica de la bateria; ② Ha de tenir una alta conductivitat elèctrica. La composició de l'electròlit varia entre diferents tipus de bateries i, normalment, s'escullen solucions aquoses d'àcids, àlcalis o sals amb una conductivitat excel·lent com a electròlit. Tanmateix, algunes noves tecnologies d'energia poden utilitzar materials nous com ara electròlits de dissolvent orgànic, electròlits de sal fosa o electròlits sòlids.
aïllament
Un separador, també conegut com a membrana o partició, es col·loca entre els elèctrodes positius i negatius d'una bateria. La seva funció principal és evitar el contacte directe entre els elèctrodes, que podria provocar un curtcircuit. Els requisits bàsics de rendiment dels separadors inclouen: ① ser un bon aïllant electrònic per evitar curtcircuits interns; ② tenir una baixa resistència a la migració d'ions a l'electròlit, reduint així la resistència interna de tot el dispositiu i reduint significativament la pèrdua d'energia en condicions de descàrrega alta-; ③ que posseeix una bona estabilitat química, resisteix la corrosió dels electròlits i les reaccions redox dels materials actius dels elèctrodes; ④ Tenir una resistència mecànica i una resistència a la flexió suficients per bloquejar eficaçment el creixement de les dendrites i evitar que les petites partícules actives penetrin a la membrana; ⑤ Tenint en compte els factors econòmics, hauria de ser fàcilment disponible i barat.
Els materials separadors comuns inclouen paper de cotó, paper de pasta, plàstics microporosos, cautxú microporós, cel·lulosa hidratada, tela de niló i fibra de vidre, etc.
Carcassa de la bateria
La carcassa de la bateria, també coneguda com a contenidor de la bateria, és l'únic tipus de bateria de les bateries d'emmagatzematge d'energia existents on l'elèctrode de zinc també serveix com a carcassa. En canvi, altres tipus de bateries solen utilitzar materials específics per a l'encapsulació externa en lloc del propi material actiu. Una carcassa ideal de la bateria ha de tenir excel·lents propietats mecàniques, suportar vibracions i cops, mantenir-se estable en condicions de temperatura extremes i resistir la corrosió de l'electròlit. A la pràctica, materials com metalls, plàstics i cautxú dur s'utilitzen àmpliament com a carcassa de bateries a causa dels seus respectius avantatges.