Betri huhifadhi nishati inayoweza kutokea ya kemikali ambayo hubadilika kuwa nishati ya umeme inapounganishwa kwenye kifaa. Nishati hii inasalia tuli katika vifungo vya kemikali kati ya atomi na molekuli hadi betri inakamilisha mzunguko na kuanza kutoa.
Asili Mbili ya Nishati ya Betri
Betri hufanya kazi kupitia mabadiliko ya ajabu kati ya hali mbili za nishati. Wakati wa kuhifadhi, nishati huwepo kama uwezo wa kemikali-iliyofungwa ndani ya muundo wa molekuli ya elektrodi na elektroliti ya betri. Unapounganisha betri ili kuwasha kifaa, nishati hii ya kemikali iliyohifadhiwa hubadilika kuwa nishati ya umeme kupitia athari za kielektroniki.
Asili hii mbili hutofautisha betri kutoka kwa vyanzo vingine vya nguvu. Tofauti na mkondo wa umeme ambao hutoa mtiririko wa umeme unaoendelea, au mafuta ambayo hutoa nishati kupitia mwako, betri huunganisha vikoa vya kemikali na umeme. Bondi za kemikali katika nyenzo za betri hushikilia nishati katika hali thabiti,{2}}tayari-kutumia{3}}umbo hadi mzunguko wa nje uanzishe mchakato wa ubadilishaji.
Mabadiliko hutokea kupitia-miitikio ya kupunguza (redox) kwenye elektrodi za betri. Katika electrode hasi (anode), oxidation hutoa elektroni. Elektroni hizi hutiririka kupitia saketi ya kifaa chako, zikifanya kazi. Wakati huo huo, kwa electrode nzuri (cathode), athari za kupunguza zinakubali elektroni hizi, kukamilisha mzunguko. Katika mchakato huu wote, ayoni husogea kupitia elektroliti ya betri ili kudumisha salio la chaji.
Kuelewa Nishati Inayowezekana ya Kemikali katika Betri
Nishati ya uwezekano wa kemikali inawakilisha nishati iliyohifadhiwa katika vifungo vya molekuli-nguvu zinazoshikilia atomi pamoja katika misombo. Katika betri, utaratibu huu wa kuhifadhi nishati unafanana na mifumo mingine inayojulikana ya nishati ya kemikali. Molekuli za petroli huhifadhi nishati ya kemikali ambayo injini za mwako hubadilisha kuwa nishati ya mitambo. Mbao ina vifungo vya kemikali ambavyo kuchomwa hubadilika kuwa joto. Betri hufuata kanuni sawa lakini kwa tofauti muhimu: hubadilisha nishati ya kemikali moja kwa moja kuwa umeme bila mwako au vipatanishi vya mitambo.
Misombo maalum ya kemikali katika betri huamua uwezo wake wa nishati na voltage. Betri za -ioni za lithiamu, kwa mfano, huhifadhi nishati kupitia ioni za lithiamu zinazosonga kati ya grafiti na lithiamu{2}iliyo na misombo. Betri za risasi-zinategemea mwitikio kati ya risasi, dioksidi ya risasi na asidi ya sulfuriki. Kila kemia hutoa sifa mahususi za uhifadhi wa nishati kulingana na nguvu na ugeuzaji wa dhamana zake za kemikali.
Msongamano wa nishati-ni kiasi gani cha nishati betri inaweza kuhifadhi kulingana na uzito wake-inategemea moja kwa moja uwezo wa kemikali wa nyenzo zake. Utafiti wa Idara ya Nishati unaonyesha kuwa seli za betri za lithiamu{3}}zimekaribia mara tatu hifadhi yao ya nishati kwa kila kilo tangu 2010, hasa kwa kuboresha utungo wa kemikali na miundo inayotumika katika elektrodi.
Uthabiti wa nishati inayowezekana ya kemikali hufanya betri kuwa vifaa vya kipekee vya kuhifadhi. Tofauti na umeme unaotiririka kupitia waya (nishati ya kinetiki) au hewa iliyobanwa (nishati inayoweza kutokea kwa mitambo), vifungo vya kemikali katika betri vinaweza kushikilia nishati kwa muda mrefu na hasara ndogo. Betri za kisasa za lithiamu-ioni hupoteza 1-2% pekee ya chaji kwa mwezi wakati hazifanyi kitu-ushuhuda wa jinsi bondi za kemikali zinavyohifadhi nishati.
Mchakato wa Kubadilisha Nishati: Kutoka Kemikali hadi ya Umeme
Ugeuzaji kutoka kemikali hadi nishati ya umeme unahusisha mienendo ya atomiki iliyopangwa kwa usahihi. Unapobonyeza kitufe cha kuwasha/kuzima cha simu yako au kuwasha kiwasho cha gari lako, unakamilisha mzunguko wa umeme unaosababisha msururu wa athari za kemikali ndani ya betri.
Hivi ndivyo mabadiliko yanavyotokea:
Kwenye anode (terminal hasi), athari za oksidi huondoa elektroni kutoka kwa atomi kwenye nyenzo ya elektrodi. Kwa betri ya -ioni ya lithiamu, atomi za lithiamu kwenye anodi ya grafiti hutoa elektroni zao na kuwa ioni za lithiamu zenye chaji chanya. Utoaji huu wa elektroni huongeza chaji hasi kwenye terminal.
Kupitia mzunguko wa nje, elektroni hizi zilizokombolewa hutiririka kuelekea terminal chanya, zikisafiri kupitia kifaa chako na kukiwasha njiani. Mtiririko huu wa elektroni hujumuisha mkondo wa umeme unaotumia simu mahiri, kompyuta ya mkononi au gari la umeme.
Ndani ya betri, ioni za lithiamu huhama kupitia kioevu au elektroliti ya gel kutoka anode kuelekea kathodi. Elektroliti hufanya kama njia kuu ya ayoni huku ikizuia mtiririko wa elektroni{1}}ilazimu elektroni kuchukua njia ya nje kupitia kifaa chako.
Kwenye cathode (terminal chanya), athari za kupunguza hutokea wakati nyenzo za cathode hukubali elektroni zinazofika kutoka kwa mzunguko wa nje. Wakati huo huo, ioni za lithiamu zinazowasili kupitia elektroliti huchanganyika na elektroni hizi, na kukamilisha mzunguko wa elektroni.
Utaratibu huu unaendelea kwa muda mrefu kama mzunguko unabaki kufungwa na vifaa vya tendaji vinabaki kupatikana kwenye electrodes. Voltage inayozalishwa-kawaida 1.5V kwa betri za alkali au 3.7V kwa kila seli ya lithiamu-ioni-inategemea tofauti ya uwezo wa kemikali kati ya anodi na nyenzo za cathode.
Kurejesha Mchakato: Betri Zinazoweza Kuchajiwa
Betri zinazoweza kuchajiwa huwezesha ubadilishaji wa kinyume. Unapochomeka chaja ya simu yako, unatumia nishati ya umeme ya nje ambayo inarudisha nyuma athari za kemikali. Elektroni zinazolazimishwa kuingia kwenye anodi hurejesha misombo ya awali ya kemikali, na kujenga upya nishati inayoweza kutokea ya kemikali ya betri. Urejeshaji huu hutofautisha betri zinazoweza kuchajiwa tena na aina-za matumizi moja, ingawa kila chaji{4}}mzunguko wa kutokwa huleta mabadiliko madogo yasiyoweza kutenduliwa ambayo hupunguza polepole uwezo wa betri.
Wanasayansi huko MIT wanaona kuwa kuelewa kwa nini athari hizi hazibadiliki kabisa wakati wa malipo inabaki kuwa eneo la utafiti linalofanya kazi. Ugeuzaji usio kamili hufafanua kwa nini betri za simu hatimaye hupoteza uwezo-mabadiliko madogo madogo katika muundo wa elektrodi na kemia ya elektroliti hujilimbikiza zaidi ya mamia ya mizunguko.
Aina tofauti za Betri na Mifumo Yake ya Nishati ya Kemikali
Kemia ya betri hutofautiana sana, kila moja inatoa faida mahususi kulingana na athari za kemikali zinazotumika:
Betri za Lithium-Ioni
Betri hizi kuu zinazoweza kuchajiwa huhifadhi nishati kupitia lithiamu-mwendo wa ioni kati ya lithiamu mbili- zenye misombo. Msongamano wao wa juu wa nishati-kawaida saa 150-wati 250- kwa kila kilo-huzifanya kuwa bora kwa vifaa vya kielektroniki vinavyobebeka na magari ya umeme. Nishati ya kemikali hukaa katika miitikio ya uwekaji wa lithiamu inayoweza kutekelezeka kwenye elektrodi zote mbili.
Betri- za Asidi
Tangu mwaka wa 1859, betri za risasi-asidi huhifadhi nishati kupitia miitikio kati ya risasi, dioksidi ya risasi na asidi ya sulfuriki. Wakati wa kutokwa, elektroni zote mbili hubadilika kuwa sulfate ya risasi wakati asidi ya sulfuriki inakuwa diluted. Kuchaji hurejesha athari hizi, kurejesha nyenzo asili. Ingawa ni nzito na kidogo ya nishati-zina kuliko betri za lithiamu-ioni, kemia zao zinazotegemeka na gharama ya chini hudumisha utawala wao katika utumaji programu za kuanzia magari.
Betri za Alkali
Betri-ya kutumia moja tu hutumia zinki na miitikio ya dioksidi ya manganese katika elektroliti ya alkali. Nishati ya kemikali iliyohifadhiwa katika uoksidishaji wa zinki na upunguzaji wa dioksidi ya manganese hutoa nishati ya kuaminika,{2}}ya kudumu kwa muda mrefu- kwa vifaa vya chini vya kukimbia. Kemia zao hazibadiliki kwa urahisi, na kuzifanya zisifae kwa kuchaji tena.
Kemia Zinazoibuka
Utafiti unaendelea katika kemia riwaya za betri ambazo zinaweza kuleta mabadiliko katika uhifadhi wa nishati. Betri dhabiti-zinabadilisha elektroliti kioevu kwa nyenzo dhabiti, ambazo zinaweza kuongeza msongamano wa nishati mara tatu huku zikiboresha usalama. Betri za Lithium-za salfa huahidi msongamano wa juu zaidi wa nishati ya kinadharia. Maendeleo haya yanalenga katika kutafuta mifumo ya kemikali inayohifadhi nishati zaidi katika vifurushi vyepesi na salama zaidi.
Kwa nini Nishati ya Kemikali Hufanya Betri Kuwa Vitendo
Uchaguzi wa uhifadhi wa nishati ya kemikali si wa kiholela-unatoa manufaa ya kipekee ya kiutendaji:
Msongamano wa nishati: Dhamana za kemikali hupakia nishati nyingi katika viwango vya kompakt. Betri za -ioni za Lithium hufikia 150-250 Wh/kg, zikizidi kwa mbali mbinu za kuhifadhi kimitambo kama vile flywheels (5-130 Wh/kg) au hata mifumo ya hewa iliyobanwa.
Muda wa kuhifadhi: Nishati inayowezekana ya kemikali inabaki thabiti kwa muda mrefu. Tofauti na chaji ya umeme katika capacitor, ambayo huvuja ndani ya saa chache, kemia ya betri hudumisha nishati kwa miezi au miaka bila kutokwa-kwa kiwango kidogo.
Kubebeka: Asili thabiti au nusu-ya uimara wa nyenzo za betri huwezesha nishati inayobebeka. Huwezi kubeba mtambo wa kuzalisha umeme au turbine ya upepo kwa urahisi, lakini nishati ya kemikali iliyomo kwenye betri huenda popote unapoihitaji.
Toleo lililodhibitiwa: Miitikio ya kemikali katika betri hutokea kwa viwango vinavyoweza kudhibitiwa, na kutoa nishati thabiti. Miundo ya elektroliti na elektrodi hudhibiti jinsi nishati ya kemikali inavyobadilika kuwa umeme, na hivyo kuzuia kutokwa kwa haraka kwa hatari.
Scalability: Mifumo ya betri hupimwa kutoka seli ndogo za vitufe vinavyowezesha visaidia kusikia hadi usakinishaji mkubwa wa hifadhi-. Kemia sawa ya kimsingi hufanya kazi katika safu hii yote, na uwezo wa nishati kuamuliwa tu na idadi ya nyenzo tendaji.
Salio la Nishati: Kinachoingia Lazima Kitoke
Uhifadhi wa nishati ya betri hufuata sheria za thermodynamic. Nishati ya umeme unayochimba haiwezi kuzidi nishati ya kemikali iliyohifadhiwa wakati wa kuchaji-kwa hakika, huwa kidogo kutokana na hasara zinazoweza kuepukika.
Ufanisi wa kuchaji na wa kuchaji kwa kawaida huanzia 80-95% kwa betri za kisasa za lithiamu-ion. Nishati "iliyokosa" haipotei; inabadilika kuwa joto kupitia mifumo mbali mbali:
Upinzani katika elektroni na watozaji wa sasa hutawanya nishati fulani kama joto
Harakati ya ion kupitia elektroliti hukutana na msuguano, na kutoa nishati ya joto
Athari za upande-michakato ya kemikali isiyotakikana{1}}hutumia kiasi kidogo cha nishati
Mabadiliko ya kimuundo katika vifaa vya electrode wakati wa kuingizwa kwa lithiamu huchukua nishati
Uzingatiaji huu wa ufanisi ni muhimu kwa programu kama vile hifadhi ya nishati ya gridi-. Kituo cha kuhifadhi nishati ya jua kwa matumizi ya usiku mmoja lazima kiwe na hasara ya 5-20% ya nishati katika mzunguko wa kuhifadhi. Joto linalozalishwa pia linahitaji mifumo ya usimamizi wa joto katika mitambo mikubwa ya betri na magari ya umeme.
Mabadiliko ya msingi ya nishati yanabaki: nishati ya umeme → nishati inayoweza kutokea ya kemikali (wakati wa kuchaji) → nishati ya umeme (wakati wa kutokwa). Hakuna betri inayounda nishati; inahifadhi tu na kuitoa kupitia athari za kemikali.
Kupima Nishati ya Betri: Vigezo Muhimu
Vipimo kadhaa vinaelezea sifa za nishati ya betri:
Uwezo(inapimwa kwa-saa au Ah) inaonyesha jumla ya chaji ambayo betri inaweza kutoa. Betri ya simu ya 2000mAh inaweza kinadharia kutoa ampea 2 kwa saa moja, au ampea 0.5 kwa saa nne.
Maudhui ya nishati(inapimwa kwa watt-saa au Wh) inawakilisha jumla ya kazi ambayo betri inaweza kufanya. Ihesabu kwa kuzidisha uwezo kwa voltage: betri ya 3.7V, 2000mAh ina 7.4 Wh ya nishati.
Msongamano wa nishati(Wh/kg au Wh/L) hueleza ni kiasi gani cha nishati hukaa katika wingi au ujazo fulani. Msongamano mkubwa wa nishati humaanisha nguvu zaidi katika kifurushi chepesi na kidogo{1}}muhimu kwa magari ya umeme na vifaa vya elektroniki vinavyobebeka.
Msongamano wa nguvu(W/kg) huonyesha jinsi betri inavyoweza kutoa nishati iliyohifadhiwa kwa haraka. Msongamano mkubwa wa nishati ni muhimu kwa programu zinazohitaji kutokwa kwa nishati haraka, kama vile zana za nguvu au kuongeza kasi ya gari la umeme.
Maisha ya mzungukohupima ni mizunguko mingapi ya kuchaji{0}}ya kutokwa kwa betri ambayo betri huvumilia kabla ya uwezo kuharibika sana. Uainisho huu unahusiana moja kwa moja na jinsi athari za kemikali zinavyorudi nyuma wakati wa kuchaji tena.
Mawazo Potofu ya Kawaida Kuhusu Nishati ya Betri
Dhana potofu: Betri huhifadhi umemeUkweli: Betri huhifadhi nishati ya kemikali na kuzalisha umeme kwa mahitaji. Umeme ni mtiririko wa elektroni-huwezi "kuhifadhi" mkondo unaotiririka zaidi ya vile unavyoweza kuhifadhi maji yanayotiririka. Betri badala yake huhifadhi nishati katika hali ya kemikali, na kuitoa kama mkondo wa umeme inapohitajika.
Maoni yasiyo sahihi: Betri zote hufanya kazi kwa njia ile ileUkweli: Kemia tofauti za betri hutumia athari tofauti za kemikali. Utaratibu wa kuhifadhi nishati ya betri ya lithiamu-hutofautiana kimsingi na-asidi au betri ya alkali, ingawa zote zinafuata kanuni ya msingi ya kubadilisha kati ya nishati ya kemikali na umeme.
Dhana potofu: Betri hupoteza uwezo wake kwa sababu umeme hukatikaUkweli: Uharibifu wa uwezo unatokana na mabadiliko yasiyoweza kutenduliwa katika nyenzo za elektrodi na kemia ya elektroliti. Uingizaji na uondoaji wa ioni unaorudiwa polepole hubadilisha miundo ya fuwele, misombo mpya ya kemikali huunda, na elektroliti hutengana kidogo. Mabadiliko haya limbikizi hupunguza kiasi cha hifadhi ya nishati ya kemikali inayoweza kutenduliwa.
Dhana potofu: Halijoto ya baridi huondoa betriUkweli: Halijoto ya chini haiondoi nishati kutoka kwa betri. Badala yake, wao hupunguza athari za kemikali zinazohusika na ubadilishaji wa nishati. Nishati husalia kuhifadhiwa, lakini betri hutoa nishati kidogo kwa sababu miitikio huendelea kwa ulegevu kwenye baridi.
Mustakabali wa Uhifadhi wa Nishati ya Kemikali
Teknolojia ya betri inaendelea kubadilika huku watafiti wakigundua mifumo mipya ya kemikali na kuboresha mifumo iliyopo. Maendeleo kadhaa yanaahidi kuboresha jinsi betri zinavyohifadhi na kutoa nishati ya kemikali:
Betri -imarabadala ya elektroliti kioevu na nyenzo imara, uwezekano wa kuruhusu anodi ya chuma ya lithiamu ambayo huhifadhi nishati zaidi. Mifano za awali zinaonyesha msongamano wa nishati unaokaribia 400 Wh/kg-takriban teknolojia ya ioni ya lithiamu mara mbili ya sasa-.
Anode za siliconinaweza kuongeza uwezo wa lithiamu-ioni kwa 20-40% ikilinganishwa na anodi za kawaida za grafiti. Silicon inachukua ioni zaidi za lithiamu, ikihifadhi nishati ya ziada ya kemikali kwa kiwango sawa.
Elektroliti za hali ya juukutumia viyeyusho vipya na viungio kunaweza kuwezesha betri kufanya kazi katika viwango vingi vya joto huku zikiendelea na ufanisi wa juu katika ubadilishaji wa kemikali-hadi{1}}umeme.
Lithium-kemia ya salfainatoa msongamano wa nishati ya kinadharia unaozidi 500 Wh/kg kwa kutumia uwezo wa juu wa kuhifadhi nishati wa salfa. Changamoto za kiufundi kuhusu kuyeyushwa kwa salfa wakati wa kuendesha baiskeli kwa sasa hupunguza uwezo wa kibiashara.
Betri za ioni-ya sodiamukutoa uwezekano mbadala wa mifumo ya lithiamu{{0}msingi ya uhifadhi wa stationary ambapo uzito haujalishi kidogo. Wingi wa sodiamu na gharama ya chini inaweza kuleta demokrasia-uhifadhi mkubwa wa kemikali wa kemikali.
Mafanikio haya yana lengo moja: kupakia nishati inayoweza kutokea kemikali zaidi katika vifurushi vyepesi, salama na vinavyodumu- huku ikiboresha ufanisi wa ubadilishaji kuwa nishati ya umeme.
Maswali Yanayoulizwa Mara Kwa Mara
Je, nishati katika betri ni kemikali au umeme?
Betri huhifadhi nishati inayowezekana ya kemikali na kuibadilisha kuwa nishati ya umeme wakati wa kutokwa. Wakati imehifadhiwa, nishati inapatikana kama uwezo wa kemikali katika vifungo kati ya atomi. Ni wakati wa kutokwa kwa nguvu tu ambapo nishati hii ya kemikali inakuwa nishati ya umeme inapita kupitia mzunguko.
Je, unaweza kuongeza nishati iliyohifadhiwa kwenye betri?
Huwezi kuongeza nishati zaidi ya uwezo ulioundwa wa betri-hii inabainishwa na wingi na aina ya nyenzo za kemikali katika elektrodi. Kujaribu "kutoza" betri hulazimisha athari ambazo zinaweza kuharibu nyenzo au kuunda hatari za usalama. Walakini, watafiti wanaendelea kuunda kemia mpya za betri ambazo huhifadhi nishati zaidi kwa kiwango sawa.
Kwa nini betri hupata joto wakati wa kuchaji au kutoa?
Miitikio ya kemikali inayobadilisha nishati kati ya aina za kemikali na umeme si bora kabisa. Upinzani wa harakati ya ioni na mtiririko wa elektroni, pamoja na athari ndogo za upande, hubadilisha nishati fulani kuwa joto. Kuchaji haraka au kutokwa huharakisha michakato hii, na kutoa joto zaidi.
Nishati ya kemikali inaweza kukaa kwenye betri kwa muda gani?
Betri za kisasa zinaweza kuhifadhi nishati kwa miaka kadhaa na kujiondoa-taratibu. Betri za alkali hubaki na uwezo wa 85-90% baada ya kuhifadhi kwa miaka mitano. Betri za Lithium-ioni hujitumia-kwa takriban 1-2% kila mwezi. Uthabiti wa kemikali wa nyenzo za betri huamua muda wa uhifadhi - vifungo vya kemikali vilivyo thabiti zaidi huhifadhi nishati kwa muda mrefu.
Mawazo ya Mwisho
Nishati inayoweza kutokea kwa kemikali hufanya betri kuwa mojawapo ya suluhu za uhifadhi wa nishati nyingi zaidi za binadamu. Aina hii ya nishati hutoa nguvu thabiti, inayobebeka, na inayoweza kusambazwa ambayo ustaarabu wa kisasa unategemea zaidi. Kuanzia simu mfukoni mwako hadi magari ya umeme kwenye barabara zetu hadi gridi-mizani ya usakinishaji kusawazisha nishati mbadala-yote yanategemea uwezo wa kemia kuhifadhi na kutoa nishati kwa usalama inapohitajika.
Mabadiliko yanayoendelea ya kemia ya betri yanaahidi uhifadhi bora zaidi wa nishati. Watafiti wanapofungua mifumo mipya ya kemikali na kuboresha ile iliyopo, betri zitapakia nishati zaidi katika vifurushi vidogo, vyepesi na salama zaidi. Kuelewa kuwa betri kimsingi ni vifaa vya nishati ya kemikali-si ya umeme-husaidia kufahamu uwezo na mapungufu yao tunapojenga ulimwengu unaoendelea kujawa umeme.
Mambo muhimu ya kuchukua
Hifadhi ya betrinishati inayowezekana ya kemikalikatika vifungo vya Masi ya vifaa vyao vya electrode na electrolyte
Nishati hii ya kemikaliinabadilisha kuwa nishati ya umemekupitia athari za kielektroniki wakati betri inawasha kifaa
Kemia tofauti za betri (lithiamu-ioni, risasi-asidi, alkali) hutumia athari tofauti za kemikali lakini hufuata kanuni sawa ya msingi ya ubadilishaji wa nishati.
Uhifadhi wa nishati ya kemikali hutoa faida zamsongamano mkubwa wa nishati, uthabiti wa muda mrefu-, nakubebeka
Ufanisi wa betri huanzia 80-95%, huku nishati iliyopotea ikibadilishwa kuwa joto wakati wa mabadiliko ya kemikali-umeme.
Fursa za Kiungo cha Ndani Zinazopendekezwa
Jinsi betri huharibika baada ya muda (muda wa kudumu na matengenezo ya betri)
Ulinganisho wa kemia za betri (lithium-ioni dhidi ya risasi-asidi dhidi ya alkali)
Usalama wa betri na usimamizi wa joto
Teknolojia ya betri ya gari la umeme
Ufumbuzi-wa kiwango cha hifadhi ya nishati
Usafishaji na uendelevu wa betri