A Primer su celle di stoccaggio

Storia

Nel 1786, il fisiologo italiano Luigi Galvani notato per caso che quando ha attaccato un gancio di rame nel midollo spinale di una rana, che era a sua volta appeso a un gancio di ferro, gambe rana si contrasse. Galvani eseguito esperimenti che hanno mostrato altre coppie di metalli dissimili provocato effetti simili. Sentiva che stava vedendo lo scarico di una sorta di "elettricità animale" dai muscoli della rana. Come tali esperimenti divenne di moda, hanno portato a una credenza popolare che l'elettricità era un elementare "forza vitale". Questa convinzione è stata illustrata da Mary Shelley FRANKENSTEIN romanzo gotico dell'orrore, con il mostro animato da energia elettrica, e da una gamma di apparecchiature elettriche quack medica che è rimasto popolare nel 20 ° secolo.

Gli scienziati saperne di più

Un fisico italiano di nome Conte Alessandro Volta condotto esperimenti con le correnti elettriche prodotte da metalli dissimili. Volta concluso che il muscolo della rana potrebbe essere sostituita da una soluzione salina o una soluzione acida, e le due metalli diversi sarebbe ancora in grado di produrre una corrente elettrica. Volta in una pila di dischi di zinco e argento, con una coppia di zinco-argento separati da un panno umido contenente un sale o soluzione di acido debole, ed è stato in grado di generare stabili, correnti piuttosto forti continua (DC) con questa "pila voltaica". Questo è stato un importante passo avanti nella ricerca elettrico, dal momento che fino a quel momento l'unico modo per produrre energia elettrica è stato attraverso la costruzione di cariche statiche, per esempio per sfregamento pelliccia con una canna di gomma. Ciò potrebbe produrre tensioni sostanziali, ma non sostenuta correnti.

Lavoro di Volta è stato messo su una solida base scientifica nel 1830, quando il brillante scienziato inglese Michael Faraday stabilisce i principi fondamentali dell'elettrochimica, che stanno alla base del funzionamento delle celle di stoccaggio, nonché altri processi elettrochimici come la galvanica. Nel 1836, il chimico inglese John Daniell ha sviluppato la prima cella di stoccaggio moderno con i principi di Faraday.

Teoria più comune alla base delle celle

Il funzionamento delle celle di stoccaggio si basa sulla "riduzione-ossidazione (redox)" reazioni.

Ad esempio, ponendo una barra di zinco su un lato di un becher contenente una soluzione di acido solforico debole, ponendo una barra di argento al lato del bicchiere, e quindi il cablaggio dei due elettrodi di "attraverso una lampadina di fuori del bicchiere possibile schema di modello di Volta. La lampadina inizia quindi incandescente.

Acido solforico (H2SO4) in soluzione si scompone in due ioni H + e un singolo ione SO4 -. Questi ioni permettono corrente elettrica di scorrere attraverso la soluzione, e quindi un acido ionico (o di base o soluzione salina) utilizzato per supportare una reazione elettrochimica è noto come un "elettrolita".

Il SO4 - ione reagisce facilmente con, o "ossida", zinco per formare solfato di zinco (ZnSO4), che viene rilasciato nella soluzione, intaccando l'elettrodo di zinco. Poiché ogni molecola di solfato di zinco lascia l'elettrodo, si lascia dietro due elettroni che fluiscono attraverso il filo esterno come una corrente all'elettrodo argento.

Al elettrodo d'argento, gli elettroni si combinano con o "ridurre" gli ioni idrogeno nella soluzione per formare gas idrogeno biatomico. L'argento è inerte e non consumato nella reazione. L'elettrodo negativo di zinco viene chiamato "anodo", mentre l'elettrodo d'argento positivo è chiamato "catodo".

Tutte le cellule di stoccaggio moderni utilizzare analoghi sistemi di ossido-riduzione, anche se le implementazioni specifiche variano ampiamente. Alcune classi di cellule di stoccaggio può essere "ricaricata" eseguendo una corrente elettrica attraverso di loro a ritroso, che inverte le reazioni chimiche e più o meno ripristina le cose alla loro condizione originale.

Differenza tra cellula e batteria

La terminologia popolare per celle di stoccaggio è un po 'confusione. Celle di stoccaggio sono quasi sempre denominati "batterie" di uso comune, ma questo non è tecnicamente corretto.

La cella di stoccaggio è proprio questo, una "cella", non una "batteria". È costituita da un catodo e un anodo in un elettrolita. Una cella di memoria con specifici materiali di elettrodo ed elettrolita ha una certa tensione di uscita, e per ottenere tensioni superiori con tale tecnologia specifica, devono essere collegati elettricamente tra loro in serie come "batteria".

Flashlight cellule sono solo che, cellule, ma la batteria al piombo utilizzato in un'automobile consiste di diverse celle imballati e concatenati, quindi è davvero una batteria. Una singola cella di una batteria al piombo ha una tensione di 2 volt, e quindi un 12-volt batteria al piombo ha sei celle in serie.

Classificazione delle celle di stoccaggio

Celle di stoccaggio può anche essere classificata come "umido", cellule che hanno elettroliti liquidi; "pile a secco", che hanno elettroliti nella forma di una pasta, e "elettrolita solido" Le cellule che, come indica il loro nome utilizzano un elettrolita completamente solida.

Inoltre ci sono due classi di cellule di stoccaggio: non ricaricabili o "primarie" le cellule, per esempio tipiche batterie torcia a buon mercato usa e getta e ricaricabili o "secondario" le cellule, per esempio, un automotive batteria al piombo.

Ci sono anche fattori di forma standard per alcune categorie di cellule di stoccaggio, come AAA e AA stilo cellule, le cellule C e torcia D e lo standard di nove volt in mattoni a forma di "radio a transistor" della batteria. Ogni classificazione per le dimensioni delle cellule di stoccaggio ha la sua tensioni di uscita standard.

La teoria dietro le tensioni di uscita

Molte cellule di immagazzinaggio possono mantenere la loro tensione di uscita ad un livello ragionevolmente costante in un intervallo piuttosto ampio di correnti di uscita. In termini di ingegneria elettrica, si dice di avere un basso "resistenza interna". Quelli che hanno elevata resistenza interna non può funzionare a elevati carichi di corrente, poiché la tensione ai loro terminali scende al di sotto dei livelli utili. Le cellule con elevata resistenza interna anche bruciare una quota elevata della loro elettricità immagazzinata con la propria resistenza ad alti carichi di corrente, scarico prematuramente.

Ciò significa che un altro parametro per le celle di stoccaggio è la massima potenza utile corrente. I responsabili della conservazione di cellule può anche fornire le curve dando la caduta di tensione-off con l'aumento della corrente assorbita, da massima tensione alla "tensione di interdizione" specificato per la cellula. Per inciso, la bassa resistenza interna, o equivalentemente capacità di corrente, di grandi batterie per autoveicoli li rende potenzialmente pericolosi. Mentre le loro tensioni di uscita sono così bassi che ottenere uno shock fuori di loro non è un problema, se l'uscita di una grande batteria automobilistica è in corto con la massa del telaio delle grandi correnti che fluiscono attraverso il corto può causare un flash quasi esplosiva e ustioni gravi.

La capacità totale di energia di una cella di memoria viene misurata in numero di ore si può fornire un dato livello di corrente, o "amperora". Questa è una figura di merito per semplice celle di memoria basata sulla stessa tecnologia, dal momento che avranno tutti la stessa tensione.

Tuttavia, amperora può essere fuorviante per comparare differenti tecnologie di conservazione di cellule, come le tensioni possono differire e la potenza di una cella di memoria con una tensione inferiore è inferiore per lo stesso livello di corrente di uscita. Per questo motivo, l'unità di "Watt-ora" viene utilizzato per confrontare capacità di stoccaggio di energia tra le diverse tecnologie delle celle di stoccaggio.

Un punteggio relativo è il "energia specifica" di una cella di memoria, che dà la capacità di memorizzazione della cella rispetto alla sua massa. Ad esempio, una cella di memoria può essere detto per avere un dato numero di watt-ora per chilogrammo. Una misura correlata è la "densità di energia" della cella, che dà la capacità di memorizzazione rispetto al suo volume, per esempio in watt-ora per litro. L'energia specifica e la densità di energia vengono utilizzati nel confronto tra diverse classi di batterie, in particolare per applicazioni automobilistiche propulsione. Elettrica alimentati automobili hanno sempre sofferto per la limitata capacità energetica delle cellule di stoccaggio elettrici rispetto a benzina e altri combustibili chimici, e così ottenere cellule di stoccaggio con maggiore energia specifica è stato uno degli obiettivi più importanti di elettrico-designer automobilistici.

I parametri da tenere in mente.

Accumulatori ricaricabili possono essere eseguiti indietro e più o meno riportati al loro stato originario, carica. Il "più o meno" è importante. Lo stato restaurato non è una replica perfetta dello stato originale, e accumulatori ricaricabili in modo da diminuire leggermente ogni volta fino a quando svanisce la loro capacità di storage fuori. Per questo motivo, accumulatori ricaricabili sono descritte anche dal numero di cicli di carica "" che tollerano. Il numero di cicli tende ad essere inferiore con maggiore profondità di scarica. I costruttori possono anche fornire curve che mostrano come la capacità della cella di memorizzazione cade lentamente come aumenta il numero di cicli.

Un altro parametro specifico di cellule ricaricabili è "efficienza", o il rapporto della potenza disponibile quando la cella è completamente carica per la potenza necessaria per ricaricarla. Tra gli altri parametri della batteria, ovviamente, le dimensioni fisiche e le caratteristiche meccaniche della batteria, la conservabilità, la sua vita di servizio prevista, o quanto tempo ci si può aspettare di sopravvivere durante il normale funzionamento, e limiti ambientali sul suo funzionamento, in particolare le specifiche di temperatura .

Dato che la velocità delle reazioni chimiche aumenta a temperature più elevate, è consuetudine conservare le cellule torcia in frigorifero per prolungare la shelf life, anche se questo sta diventando sempre meno importante come il miglioramento delle tecnologie delle celle hanno una vita lunga mensola.

Sintonizzazione in base alla tecnologia

Le aziende hanno ormai andato oltre la semplice vendita delle batterie e ora vendono completi di batteria a base di moduli di potenza che possono essere progettate in apparecchiature portatili. Tale modulo di alimentazione è costituito da una confezione contenente celle, potenza e controllo ricarica, ed elettronica di controllo.

L'elettronica di controllo includerà un piccolo microcontroller a buon mercato digitale programmabile elettricamente-ROM per memorizzare i parametri della batteria. Il modulo comunica con il resto del sistema attraverso due fili interfaccia seriale bus chiamato "SMBus", ideata da Intel Corporation. Tali regimi sono attualmente in fase di standardizzato da una specifica aperta chiamato "Sistema Smart Battery (SBS)" che specifica la funzionalità, interfacce e protocolli software del pacco batteria.

Le cellule, o nella serie collettivo chiamato batterie sono qui per restare. L'avanzare della tecnologia, così la capacità della cellula di memorizzazione aumenta sempre più attuale. Inoltre, la capacità di dissipazione di corrente dei dispositivi che utilizzano cellule diminuisce giorno per giorno. La giornata potrebbe presto arrivare quando le cellule del nostro giorno per giorno i dispositivi diventato così piccolo e sottile che diventano invisibili a occhio nudo.

Alcuni Specifiche di Batterie

CARBON-ZINC (Leclanché) CELL:

anodo di zinco cup

catodo: biossido di manganese in polvere di grafite

elettrolita: cloruro di ammonio e cloruro di zinco in acqua

tensione di cella: 1,5 volt

Non ricaricabili, densità di storage povera, ma molto a buon mercato.

Alcaline:

anodo: in acciaio nichelato cup

catodo: biossido di manganese in polvere di grafite

elettrolita: idrossido di potassio in acqua

tensione di cella: 1,5 volt

(Generalmente) non ricaricabili, densità di storage circa il doppio del carbonio-zinco cellulare, ma molte volte più costoso.



MERCURY BUTTON CELL:

anodo di zinco

catodo: ossido di mercurio

elettrolita: idrossido di potassio in pasta

tensione di cella: 1,35 V

Non ricaricabili. Una variante di questa tecnologia utilizzata cadmio invece di zinco e fornita una tensione di cella di 0.91 volt. La prima tecnologia delle celle a pulsante, ormai obsoleta a causa delle preoccupazioni ambientali.



ZINC-AIR BUTTON CELL:

anodo: polvere di zinco in gel

catodo: disco di carbonio esposte all'aria

elettrolito strato di idrossido di potassio

tensione di cella: 1,65 V

Non ricaricabili. I più popolari attuale tecnologia delle celle a bottone, anche alcune applicazioni in formati cella più grande.



SILVER OXIDE BUTTON CELL:

anodo: polvere di zinco in gel

catodo: griglia di argento incollato con ossido di argento

elettrolito strato di idrossido di potassio

tensione di cella: 1,55 V

Non ricaricabili.



LEAD-ACID CELL:

anodo: piombo

catodo: ossido di piombo

elettrolita: acido solforico

tensione di cella: 2 volt

Lo standard grande capacità tecnologica delle batterie. Può essere ricaricata centinaia di volte e molto a buon mercato, ma ingombranti ed ecologicamente nocivi.



Nichel-ferro (EDISON) CELL:

anodo: ferro da stiro

catodo: ossido di nickel

elettrolita: idrossido di potassio

tensione di cella: 1,15 V

Heavy-duty unità ricaricabile, utilizzato in alcune applicazioni industriali.



Nichel-Cadmio (NiCad) CELL:

anodo: cadmio

catodo: ossido di nickel

elettrolita: idrossido di potassio

tensione di cella: 1,2 volt

La cellula originaria ricaricabile per gli attrezzi portatili, ora utilizzato per lo più in marcia che ha bisogno di elevati livelli di potenza su richiesta.



Ni-MH (NIMH) CELL:

anodo: metallo idruro

catodo: ossido di nickel

elettrolita: soluzione di idrossido di potassio in foglio separatore

tensione di cella: 1,2 volt

Maggiore capacità rispetto alle NiCad, ma più costosi.



Litio-biossido di manganese CELL:

anodo: foglio di litio

catodo: diossido di manganese

elettrolita: separatore foglio impregnato con sali elettrolitici

tensione di cella: 3 volt

Il più comune non ricaricabile al litio.



DISOLFURO LITHIUM CELL:

anodo: foglio di litio

catodo: bisolfuro di ferro con contatto alluminio catodo

elettrolita: separatore foglio impregnato con sali elettrolitici

tensione di cella: 1,5 volt

"Tensione compatibile" batteria al litio in sostituzione diretta per zinco-carbone o alcaline.



Al litio:

anodo: inerti foglio di carbonio

catodo: diossido di manganese

elettrolito separatore fogli elettrolita con ioni di litio

tensione di cella: 3,6 volt

Batteria al litio ricaricabile.

Riferimenti: -

Dettagli sono stati ottenuti anche dalla Duracell ed Energizer siti web, alcuni libri di chimica pochi, e la Microsoft Encarta e online BRITTANNICA enciclopedie