Rodzaj | Magazyn energii , urządzenie elektryczne ( en ) , montaż ( d ) , źródło energii elektrycznej ( d ) |
---|
Energia | Reakcja utleniania-redukcji |
---|
Emoji | ? |
---|
Akumulatora elektrycznego , potocznie zwany stos jest urządzenie elektrochemiczne , które wytwarza energię elektryczną poprzez konwersję energii chemicznej w energię elektryczną za pomocą reakcji chemicznej z utleniania-redukcji .
Pierwotnie termin „bateria” oznaczał urządzenie wynalezione przez włoskiego naukowca Alessandro Voltę , składające się ze stosu podkładek z dwóch różnych metali , oddzielonych filcem nasączonym elektrolitem .
Słowo „bateria” oznacza dziś każdy element jednoczęściowy, którego rozładowanie jest nieodwracalne. Rzeczywiście, gdy potencjał z elektrodami zostały wyrównane, to nie jest możliwe, aby przywrócić początkowy potencjał.
Co za tym idzie, termin „bateria wielokrotnego ładowania” jest używany w odniesieniu do małego akumulatora elektrycznego wielokrotnego ładowania o wymiarach identycznych jak bateria, którego napięcie jest generalnie niższe niż w przypadku baterii alkalicznej o tym samym rozmiarze.
Termin „akumulator” oznacza zespół identycznych elementów ( równolegle lub szeregowo ), w przeciwieństwie do akumulatora, który oznacza ułożenie momentu obrotowego (różne metale + izolator) w celu uzyskania pożądanego napięcia (możemy następnie umieścić te ogniwa uzyskać pożądane cechy). Jeżeli zmontowane ze sobą elementy są akumulatorami tworzą baterię akumulatorową . Ale czasami znajdujemy wyrażenie na baterię ogniw, aby opisać montaż tych komponentów.
W przemyśle motoryzacyjnym termin „bateria akumulatorów” jest często upraszczany do „ baterii ”, co jest niekompletne.
Podobnie, nadużywając języka, termin „ogniwo” jest używany do określenia innych generatorów elektryczności elektrochemicznej, takich jak ogniwo paliwowe, które nie zawiera żadnego stosu.
W obudowie akumulatora zachodzi reakcja chemiczna między dwiema substancjami, z których jedna może łatwo oddawać elektrony ( materiał redukujący ), a druga je pochłania ( materiał utleniający ). Każda z tych reakcji chemicznych nazywana jest „reakcją połówkową”. Odpowiednio połączone tworzą reakcję oksydacyjno-redukcyjną . Każda reakcja połówkowa zachodzi w roztworze, w którym zachodzi wymiana elektronów. To właśnie te elektrony są wymieniane między dwiema substancjami. Aby zapewnić równowagę ładunków elektrycznych, konieczne jest połączenie obu roztworów mostkiem solnym , czyli układem, który umożliwia transport określonych jonów, jednocześnie uniemożliwiając cyrkulację rozpuszczalnika .
Każdy element pary utleniająco-redukującej jest połączony z elektrodą . Elektrody te, gdy są podłączone do obwodu pobierającego energię elektryczną, powodują przepływ prądu elektrycznego ; reakcja chemiczna powoduje krążenie ładunków ( elektronów , jonów ). Bateria dostarcza prąd stały . Zacisk (-) akumulatora odpowiada anodzie, w której zachodzi reakcja utleniania , która dostarcza elektrony. Zacisk (+) akumulatora odpowiada katodzie, w której zachodzi reakcja redukcji , która pochłania elektrony.
System ten stosowany jest do ogniw elektrycznych i akumulatorów z różnymi parami elektrochemicznymi . Ogniwo elektryczne może zawierać kilka takich par połączonych szeregowo, co umożliwia regulację napięcia dostępnego na zaciskach ogniwa do pożądanej wartości.
Możliwe jest wykonanie baterii rzemieślniczej, na przykład poprzez nakłucie rozłożonego spinacza do papieru lub gwoździa ( ze stali ocynkowanej , a więc pokrytej cynkiem ) i gołego przewodu elektrycznego (z miedzi ) połączonego z dobrze dobraną diodą świecącą w cytryna . Na anodzie cynk oddaje swoje elektrony, a na katodzie jon H + kwaśnego soku wychwytuje elektrony i jest uwalniany w postaci wodoru H 2 . Są na rynku gadżety wykorzystujące tę samą zasadę: na przykład małe zegary kwarcowe zasilane ziemniakiem (ta sama zasada na anodzie, podczas gdy na katodzie woda jest redukowana do jonów OH. - i wodoru).
Istnieją obiekty archeologiczne, takie jak te znalezione w 1936 roku, które przypominają stosy. Tak jest w przypadku baterii elektrycznych w Bagdadzie, które są datowane na okres od -250 do +250, chociaż mogą być starsze i wyjaśniałyby tak doskonałe platerowanie wielu starożytnych klejnotów tak lekkich . Mogli pracować z sokami owocowymi, a nawet siarczanem miedzi , eksperymenty na nowoczesnych rekonstrukcjach potwierdziły wykonalność obu modeli. Nie ma żadnego historycznego związku między tymi przedmiotami a rozwojem współczesnych baterii, zwłaszcza że ich użyciem byłoby platerowanie metalami szlachetnymi, co tłumaczyłoby ich niewielkie, poufne użycie, nawet kojarzone z fałszerstwem (zob. Archimedes i Korona króla Hieron ).
W 1786 Luigi Galvani zaobserwował, że mięśnie uda żaby kurczą się, gdy stykają się z metalami, w taki sam sposób, jak po podłączeniu do maszyny elektrostatycznej . Odkrywa, że reakcja jest silniejsza, gdy używa instrumentu wykonanego z dwóch różnych metali.
W opozycji do prac Galvani (energii elektrycznej pochodzenia zwierzęcego), Alessandro Volta wynalazł pierwszą kolumnę komórkę z17 marca 1800 ; te wczesne systemy składały się z „stosu” krążków z dwóch różnych metali oddzielonych filcowymi krążkami nasączonymi kwasem , stąd nazwa wynalazku. Nacisk kolumny na dolne tarcze powoduje wysychanie filcowych cylindrów, które ostatecznie przestają spełniać swoją funkcję. Dlatego Volta szybko wynalazł stos korony, złożony z mniejszych stosów połączonych szeregowo.
Kilka miesięcy po wynalezieniu Volty, dwaj brytyjscy chemicy, William Nicholson (1753-1815) i Anthony Carlisle (1768-1840), używając baterii Galvani, przeprowadzili pierwszą sztuczną elektrolizę ( elektrolizę wody ) na2 maja 1800.
Już w 1802 r. William Cruickshank stworzył stos korytowy , umieszczając taśmy cynkowe i miedziane pionowo w zbiorniku o ścianach izolacyjnych wypełnionych zakwaszoną wodą. Jest znacznie prostszy w produkcji niż stos Volta.
Schemat działania baterii Volta.
Schemat akumulatora Volta.
W latach 1813-1815 William Hyde Wollaston opracował baterię Wollaston, w której elektroda miedziana otaczała elektrodę cynkową. Umożliwia to podwojenie powierzchni elektrody i przedłużenie pracy baterii. Te pierwsze baterie rzeczywiście mają awarię: polaryzacja .
Reakcja oksydacyjno-redukcyjna powoduje nagromadzenie produktów ubocznych, które zakłócają pracę komórki. W tych akumulatorach cynkowo-miedzianych to redukcja kwasu w elektrolicie powoduje uwolnienie pęcherzyków wodoru na miedzi, co zapobiega przepływowi prądu. Po pewnym czasie konieczne jest zatem oczyszczenie akumulatora z tych osadów, aby nadal działał.
W 1813 roku Napoleon dostarczył École Polytechnique stos woltatyczny złożony z 600 par miedzi/cynk, zajmujący 54 m 2 powierzchni. Humphry Davy ma stos Cruickshank składający się z 200 dołków i 2000 par Zbudowany w Royal Institute w Londynie. Dzięki tym monumentalnym bateriom udało się uzyskać natężenia 10 amperów, czyli moce rzędu dziesięciu kW .
W ogniwach niepolaryzowalnych produkty reakcji utleniania-redukcji nie zmieniają właściwości elektrochemicznych zespołu.
W 1829 roku Antoine Becquerel stworzył pierwszą baterię z dwoma oddzielnymi płynami, zamykając płytkę cynkową w roztworze kwasu w jelicie grubym wołowym, co oddzieliło ją od elektrody miedzianej umieszczonej w kąpieli z siarczanu miedzi. Wytwarzanie wodoru zostaje zastąpione gromadzeniem się miedzi na ściankach katody.
Zasada została udoskonalona w 1836 r. przez Johna Frederica Daniella, który zastąpił jelito wołowe porowatym glinianym naczyniem. Bateria Daniell jest pierwszym zaoferować trwałe źródło energii. Udoskonalona zostanie zasada działania baterii Daniell: nastąpi kilka ulepszeń technologicznych, takich jak baterie Callaud .
Johann Christian Poggendorff wymyślił ten dwuchromianu baterię w 1842 roku : uwalnia tlen, który rekombinacji z wodorem odpowiedzialnej za polaryzacji. Stworzona w 1850 r. bateria Grenet jest baterią jednocieczową , z elektrodami węglowymi i cynkowymi połączonymi (zanurzonymi w rtęci) w elektrolicie kwasu siarkowego i dwuchromianu potasu . Gdy bateria nie była używana, konieczne było usunięcie elektrody cynkowej z roztworu, aby ją zakonserwować. Różne usprawnienia ( Found akumulator , Chardin akumulatorów , akumulator Voisin i Dronier ...) pójdą do izolowania tej elektrody.
Te butelki baterie zostaną wykorzystane do początku XX th century: zasilające i wysokonapięciowe akumulatory dwuchromianu dawna doceniane w laboratorium. Były rzadko używane jako akumulatory domowe ze względu na toksyczność dwuchromianów i problemy z konserwacją elektrod.
Te komórki depolaryzacji użyć narzędzi do usuwania produktów reakcji, które tworzą katodę .
Pierwsza bateria depolaryzacyjna została wynaleziona w 1838 roku przez Williama Roberta Grove'a . Zastępuje miedź platyną i wykorzystuje kwas azotowy (nazywany wówczas kwasem azotowym). Dostaje mocny, ale drogi akumulator, ponieważ platyna jest rzadkim metalem. W 1843 r. Robert Wilhelm Bunsen zastąpił platynę węglem, co znacznie obniżyło koszty (patrz Pile Bunsen ), ale depolaryzacja azotowa doprowadziła do uwolnienia toksycznych oparów, co utrudniało korzystanie z tych baterii.
W 1867 roku , Georges Leclanché utworzony pierwszy stały baterii depolaryzację: zawierała dwutlenku manganu . Bateria Leclanché jest mniej wydajne niż baterii butli, ale nie wymagają żadnej konserwacji (to „tylko zużyje, jeśli używasz go” jako reklama dla Wonder akumulatora powie ). W roku 1888 , Carl Gassner wynalazł suchą baterię żelowanie roztworu chlorku amonu z agarem . Z pewnych ulepszeń, to bateria sucha jest zawsze używany w XXI -go wieku.
Podczas II wojny światowej , Samuel Ruben i Philip Mallory stworzył Rtęć baterii .
W 1959 roku Lewis Urry , Karl Kordesch i Paul A. Marsal zaprojektowali dla Union Carbide pierwszą konsumencką baterię alkaliczną .
W 1970 roku opracowano pierwsze baterie litowe , umożliwiające zastąpienie cynku bardziej redukującym metalem. Są sprzedawane w 1977 roku.
Baterie były używane jako odniesienie do określenia standardu napięcia zanim zostały zdetronizowane przez pomiar oparty na efekcie Josephsona : bateria Daniella , a następnie bateria Clarka wynaleziona w 1872 roku przez Josiaha Latimera Clarka była używana do 1905 roku, potem została zastąpiona przez ogniwo Westona do 1972 roku.
Istnieją również tak zwane ogniwa koncentracyjne, które są urządzeniami elektrochemicznymi, takimi jak ogniwa (dwa roztwory i mostek solny), które czerpią energię z różnicy stężeń substancji rozpuszczonej z jednego roztworu do drugiego. Wszystkie rozwiązania i anody są tego samego typu. Jest to prosta metoda wytwarzania energii elektrycznej. Ten model ogniwa jest używany głównie w przemyśle metalurgicznym w zakresie galwanizacji i badania korozji .
Istnieje pięć technologii baterii konsumenckich:
Od grudnia 1998 r. baterie rtęciowe są zakazane w Europie (dyrektywa 98/101/WE) i Stanach Zjednoczonych ze względu na toksyczność i wpływ rtęci na środowisko .
Rozmiary baterii są zwykle oznaczane kodem (AA, LR12, CR2032…) znormalizowanym przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (IEC) i Amerykański Narodowy Instytut Normalizacyjny (ANSI). Chociaż norma IEC stała się standardem, wiele nazw charakterystycznych dla producentów akumulatorów pozostało.
Siła elektromotoryczna (emf) to napięcie występujące na zaciskach akumulatora w obwodzie otwartym. Do jego pomiaru można wykorzystać multimetr o dużej rezystancji wewnętrznej, taki jak np. multimetr cyfrowy lub „tester akumulatorów”.
Gdy bateria jest rozładowana (czy to z powodu jej użytkowania, czy z powodu czasu), siła elektromotoryczna zmniejsza się tylko nieznacznie, co może prowadzić do przekonania, że bateria nadal nadaje się do użytku. Z drugiej strony wzrasta rezystancja wewnętrzna akumulatora, więc energia, którą może dostarczyć, maleje, a także napięcie na jego zaciskach w miarę rozładowywania się akumulatora. Dlatego zaleca się testowanie akumulatora w celu zmierzenia jego napięcia podczas normalnego użytkowania (lub testerem pobierającym prąd w celu symulacji takiego użytkowania).
Napięcie nominalne (lub nominalne emf ), to znaczy to, które jest zapisane na samej baterii lub jej opakowaniu, w rzeczywistości odpowiada emf baterii w nowym stanie.
Baterie solankowe i alkaliczne mają napięcie nominalne około 1,5 V , podczas gdy baterie litowe około 3,6 V.
Stosy o wyższych napięciach znamionowych składają się z szeregowego połączenia ogniw 1,5 V (3 ogniwa szeregowo, w baterii 3LR12 4,5 V ; 6 w baterii 6LF22 9 V ).
W zależności od sposobu wykonania baterii jej pojemność (patrz sekcja poniżej) może się znacznie różnić.
Wzmianka o pojemności akumulatora nie jest obowiązkowa na opakowaniu i jest bardzo rzadko wymieniana.
Zwykle używamy dwóch rodzajów „pojemności” dla ogniwa (lub baterii), nie zawsze zdając sobie sprawę z różnicy między nimi ani nie precyzując, o której mówimy:
Pojemność elektryczna Symbol Q baterii to maksymalna ilość ładunku elektrycznego, jaką może dostarczyć podczas użytkowania (rozładowania). Odpowiada iloczynowi prądu, który będzie dostarczany przez liczbę godzin użytkowania. W SI , jest to wyrażone w kulombach ( C ), ale Ah (1 A h = 3600 C ) lub Miliamper godzinach (1 mA, H = 3,6 C ), jest powszechnie stosowany . Pojemność energetyczna symbol E to ilość energii , którą może dostarczyć podczas rozładowania. Odpowiada iloczynowi mocy dostarczanej przez liczbę godzin użytkowania. Jest powszechnie wyrażany w watogodzinach (Wh) lub miliwatogodzinach (mWh).Pomiędzy tymi dwiema pojemnościami istnieje prosta zależność: pojemność energetyczna jest iloczynem pojemności elektrycznej i napięcia znamionowego U akumulatora:
Ważne jest, aby nie mylić tych dwóch typów umiejętności. Umieszczenie dwóch akumulatorów szeregowo nie zwiększa pojemności elektrycznej, natomiast pojemność energetyczna jest podwojona.
Na obrazku obok widzimy wskazane, na komercyjnym urządzeniu typu power bank , dwa rodzaje pojemności.
Analogia hydrauliczna: pojemność zbiornika zapory wodnej to ilość zawartej w nim wody. Nie należy go mylić z pojemnością energetyczną tego zbiornika, czyli ilością energii, jaką jest on w stanie dostarczyć do sieci elektrycznej. Ta pojemność energetyczna zależy od (średniej) wysokości zbiornika w stosunku do turbin elektrowni wodnej. Ta wysokość jest odpowiednikiem napięcia w przypadku baterii (lub ogniwa).
Pojemność elektryczna Q zależy od ilości elektrolitu i elektrody, ale także od warunków rozładowania (natężenie prądu rozładowania, napięcie odcięcia urządzenia, temperatura pracy).
Jeżeli prąd rozładowania I jest stały, pojemność Q jest proporcjonalna do czasu rozładowania Δ t :
Jeśli intensywność i jest zmienna, to:
Teoretyczną pojemność elektryczną ogniwa (lub akumulatora), określoną przez producentów, mierzy się na próbce modelu poprzez wykonanie rozładowania w temperaturze 20 °C na standardowym sprzęcie. Intensywność wyładowania dobiera się tak, aby trwała około 20 godzin . Pozostaje tylko zrobić iloczyn intensywności przez efektywny czas rozładowania.
Na przykład: jeśli bateria 1,5 V dostarcza 0,5 A przez 21 h w normalnej temperaturze pokojowej, jej pojemność elektryczna wynosi 0,5 x 21 = 10,5 Ah , a pojemność energetyczna 10,5 x 1,5 = 15,75 WhW rzeczywistości nie jest to takie proste, ponieważ:
Prawo Peukert jest relacją dając czas rozładowania w zależności od teoretycznej pojemności elektrycznej akumulatora (lub baterii) i prądu rozładowania:
lub :
W praktyce bateria (lub bateria) jest bardziej wydajna (będzie trwała dłużej), jeśli zostanie rozładowana z małą intensywnością.
Ponadto w przypadku niskich mocy należy wziąć pod uwagę samorozładowanie:
w przypadku akumulatora o stosunkowo wysokim samorozładowaniu samorozładowanie może zużywać większość pojemności akumulatora . Należy pamiętać, że wszystkie baterie rozładowują się z czasem, nawet jeśli nie są używane . Istnieją technologie akumulatorów z możliwością aktywacji , które umożliwiają kontrolowanie początku reakcji. Wykorzystywane są na przykład w elementach zabezpieczających ( poduszka powietrzna , latarnia alarmowa łodzi itp. ) lub w niektórych zastosowaniach wojskowych. Dotyczy to również baterii guzikowych cynkowo-powietrznych, przed oddaniem do użytku należy usunąć zakładkę zamykającą element.
Wiele akumulatorów jest używanych w grupach od 2 do 6 ogniw połączonych szeregowo. Wydajność zespołu akumulatorów połączonego szeregowo jest wydajnością jego najsłabszego elementu. Na przykład akumulator 4,5 V to zespół w tej samej skrzynce z 3 akumulatorami 1,5 V połączonymi szeregowo.
W 2004 roku we Francji sprzedano 875 milionów baterii (alkaliczne 75%, solankowe 22%, ładowalne 2%), 100 milionów w Belgii w 2000 roku.
Niektórzy producenci akumulatorów obejmują Duracell , Energizer , Sony , Rayovac , Varta , Philips , Panasonic , Saft , Kodak , Maxell , etc.
Średnio baterie elektryczne są wyrzucane, gdy mają jeszcze jedną trzecią energii użytkowej, a 1/10 nadal byłaby prawie nowa. Rzeczywiście, urządzenia elektroniczne (aparat cyfrowy, odtwarzacz MP3 itp. ) potrzebują do działania minimalnego napięcia . Jednak napięcie zespołu spada podczas rozładowania, ale z różną prędkością w zależności od elementu. Baterie, które mają jeszcze określoną pojemność, mogą być dalej używane do zasilania mniej wymagających urządzeń (budzik, zabawka, latarka, pilot itp .).
Zdecydowanie głównym bezpośrednim zagrożeniem dla ludzi jest połknięcie przez małe dzieci baterii guzikowych średniej wielkości (> 16 mm ) . Główne ryzyko polega na tym, że bateria zostanie uwięziona w przełyku: elektroliza wody z tworzeniem się jonów OH - na anodzie stanowi zasadniczy mechanizm uszkodzenia, tym bardziej, że bateria jest nowa i ma wysokie napięcie (3,6 V). dla baterii litowych). Ryzyko związane z możliwym uwolnieniem składników ogniwa guzikowego jest niskie ze względu na ich niewielką ilość w tych małych ogniwach.
Z elektrochemicznego punktu widzenia pary redoks baterii alkalicznych cynkowo-manganowych (na anodzie i na katodzie) są częściowo odwracalne. Możliwe są zatem odwrotne reakcje chemiczne. Spadek napięcia akumulatora, który występuje naturalnie podczas rozładowania, można odwrócić, wprowadzając prąd, który będzie sprzyjał reakcji odwrotnej. To wyjaśnia, dlaczego baterie alkaliczne można wykorzystać nawet kilkadziesiąt razy z odpowiednimi obwodami elektronicznymi.
Producenci baterii, którzy nie zaprojektowali baterii alkalicznych do wielokrotnego użytku, zalecają ich recykling po jednym cyklu rozładowania. Podkreślają potencjalne ryzyko przegrzania, wycieku i wybuchu baterii (ze względu na ciśnienie uwolnionego wodoru i słabą regenerację amalgamatu metalicznego cynku). Istnieją jednak i są sprzedawane regeneratory baterii alkalicznych.
Baterie zawierają metale ( nikiel , kadm , rtęć , ołów , żelazo , cynk lub lit ), z których niektóre są cenne, a często toksyczne i ekotoksyczne (szkodliwe dla środowiska). Prędzej czy później powłoka baterii ulegnie uszkodzeniu, uwalniając zawarte w niej chemikalia.
Żadna bateria na rynku nie jest biodegradowalna.
Dyrektywa Europejska 2006/66/WE ma na celu zmniejszenie wpływu baterii i akumulatorów elektrycznych na środowisko poprzez promowanie ich recyklingu i ograniczenie zawartości w nich metali ekotoksycznych.
W 2018 r. 48% sprzedanych baterii jest poddawanych recyklingowi w UE (po Brexicie ) do 27 krajów, a 52% nie jest poddawanych recyklingowi.
Liczba ta waha się od 96% w Chorwacji do 30% w Estonii.
We Francji baterii nie należy wyrzucać do zwykłego kosza, ale oddawać do punktu zbiórki (supermarkety, punkty odbioru odpadów, punkty sprzedaży itp.) w celu recyklingu. Ustawodawstwo francuskie transponowało dyrektywę europejską do dekretu z 2009 r. W celu zmniejszenia zawartości niektórych metali toksycznych w bateriach (w szczególności rtęci), dekret określa:
„Baterie i akumulatory wprowadzane do obrotu, w tym stosowane w sprzęcie elektrycznym i elektronicznym […], nie zawierają wagowo więcej niż 0,0005% rtęci, z wyjątkiem ogniw guzikowych, w których zawartość rtęci jest mniejsza niż 2% wagowo, a dla baterii i akumulatorów przenośnych nie więcej niż 0,002% wagowo kadmu. "
W celu promowania ich zbierania i recyklingu wskazuje się:
„Dystrybutorzy baterii i akumulatorów przenośnych odbierają bezpłatnie i bez obowiązku zakupu nowych baterii lub akumulatorów zużyte baterie i akumulatory przenośne tego samego rodzaju co te, które wprowadzają do obrotu, które przynoszą im użytkownicy. Informują użytkowników o możliwości przyniesienia zużytych baterii i akumulatorów przenośnych do ich punktów sprzedaży. Kontenery udostępniane użytkownikom w tym celu są wyróżnione i łatwo dostępne. "
Recyklingu odzyskuje metali wielokrotnego (żelazo, mangan, cynk i głównie rtęć); odzyskany materiał, to 87,3 % wagowych, baterie przetwarzane w 2011 roku do odzyskiwania energii (spalanie z tworzyw sztucznych, a niektóre kłaczki), 9,2 % , 3,5 % pozostałe usuwany bez recyklingu.
Poziom zbiórki to stosunek (w masie) ilości baterii zebranych do ilości sprzedanych. Od początku recyklingu jest słaby i nigdy nie osiąga celów.