แบตเตอรี่ทำงานอย่างไร

1 คำจำกัดความของแบตเตอรี่

แบตเตอรี่เซลล์ไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่ผลิตไฟฟ้าจากปฏิกิริยาทางเคมี ที่มีการพูดอย่างมากแบตเตอรี่ประกอบด้วยเซลล์สองเซลล์ขึ้นไปที่ต่อกันเป็นอนุกรมหรือขนานกัน แต่โดยทั่วไปคำนี้ใช้สำหรับเซลล์เดียว เซลล์ประกอบด้วยขั้วลบ อิเล็กโทรไลต์ซึ่งเป็นตัวนำไอออน ตัวแยกยังเป็นตัวนำไอออน และขั้วบวก อิเล็กอาจจะเป็นน้ำ (ประกอบด้วยน้ำ) หรือ nonaqueous ในของเหลววางหรือรูปแบบของแข็ง เมื่อเซลล์เชื่อมต่อกับโหลดภายนอกหรืออุปกรณ์ที่จะขับเคลื่อนอิเล็กโทรดลบจะจ่ายกระแสของอิเล็กตรอนที่ไหลผ่านโหลดและได้รับการยอมรับจากขั้วบวก เมื่อโหลดภายนอกถูกลบออกปฏิกิริยาจะสิ้นสุดลง

แบตเตอรี่หลักคือแบตเตอรี่ที่สามารถเปลี่ยนสารเคมีให้เป็นไฟฟ้าได้เพียงครั้งเดียวเท่านั้นจึงจะต้องทิ้ง แบตเตอรี่สำรองมีขั้วไฟฟ้าที่สามารถสร้างใหม่ได้โดยการส่งกระแสไฟฟ้ากลับเข้าไป เรียกอีกอย่างว่าที่จัดเก็บข้อมูลหรือแบตเตอรี่ที่ชาร์จซ้ำได้สามารถนำมาใช้ซ้ำได้หลายครั้ง

แบตเตอรี่มีหลายรูปแบบ คุ้นเคยมากที่สุดคือแบบใช้ครั้งเดียว  แบตเตอรี่อัลคาไลน์

2. แบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมคืออะไร?

แบตเตอรี่ NiCd ตัวแรกถูกสร้างขึ้นโดยWaldemar Jungnerแห่งสวีเดนในปี 1899

แบตเตอรี่นี้ใช้นิกเกิลออกไซด์ในขั้วบวก (แคโทด) ซึ่งเป็นสารประกอบแคดเมียมในขั้วลบ (ขั้วบวก) และสารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์เป็นอิเล็กโทรไลต์ แบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมเป็นแบบชาร์จไฟใหม่ดังนั้นจึงสามารถวนซ้ำได้ แบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าเมื่อคายประจุแล้วแปลงพลังงานไฟฟ้ากลับไปเป็นพลังงานเคมีเมื่อชาร์จใหม่ ในแบตเตอรี่ NiCd ที่ปล่อยประจุเต็มที่แคโทดจะประกอบด้วยนิกเกิลไฮดรอกไซด์ [Ni (OH) 2] และแคดเมียมไฮดรอกไซด์ [Cd (OH) 2] ในขั้วบวก เมื่อชาร์จแบตเตอรีองค์ประกอบทางเคมีของแคโทดจะถูกเปลี่ยนและนิกเกิลไฮดรอกไซด์จะเปลี่ยนเป็นนิเกิลออกซีไฮดรอกไซด์ [NiOOH] ในแอโนดแคดเมียมไฮดรอกไซด์จะเปลี่ยนเป็นแคดเมียม เมื่อแบตเตอรี่หมดกระบวนการจะกลับด้านดังแสดงในสูตรต่อไปนี้
Cd + 2H2O + 2NiOOH -> 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2

3. แบตเตอรี่นิกเกิลไฮโดรเจนคืออะไร?

แบตเตอรี่นิกเกิลไฮโดรเจนถูกใช้เป็นครั้งแรกในปีพ. ศ. 2520 บนระบบการนำทางด้วยดาวเทียม -2 ( NTS-2 ) ของกองทัพเรือสหรัฐฯ

แบตเตอรี่นิกเกิล – ไฮโดรเจนถือได้ว่าเป็นลูกผสมระหว่างแบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมและเซลล์เชื้อเพลิง แคดเมียมถูกแทนที่ด้วยอิเล็กโทรดแก๊สไฮโดรเจน แบตเตอรี่นี้แตกต่างจากแบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมอย่างเห็นได้ชัดเนื่องจากเซลล์เป็นภาชนะรับความดันซึ่งต้องมีมากกว่าหนึ่งพันปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi) ของก๊าซไฮโดรเจน มันเบากว่านิกเกิลแคดเมียมอย่างเห็นได้ชัด แต่บรรจุได้ยากกว่ามากเหมือนลังไข่

แบตเตอรี่นิกเกิล – ไฮโดรเจนบางครั้งสับสนกับแบตเตอรี่นิกเกิล – เมทัลไฮไดรด์แบตเตอรี่ที่พบได้ทั่วไปในโทรศัพท์มือถือและแล็ปท็อป นิกเกิล – ไฮโดรเจนเช่นเดียวกับแบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมใช้อิเล็กโทรไลต์เดียวกันซึ่งเป็นวิธีการแก้ปัญหาของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ซึ่งมักเรียกว่าน้ำด่าง

แรงจูงใจในการพัฒนาแบตเตอรี่นิกเกิล / โลหะไฮไดรด์ (Ni-MH) มาจากปัญหาสุขภาพและสิ่งแวดล้อมที่เร่งด่วนเพื่อค้นหาการเปลี่ยนแบตเตอรี่นิกเกิล / แคดเมียม เนื่องจากข้อกำหนดด้านความปลอดภัยของคนงานการประมวลผลของแคดเมียมสำหรับแบตเตอรี่ในสหรัฐอเมริกาอยู่ในขั้นตอนการเลิกใช้งานแล้ว นอกจากนี้กฎหมายสิ่งแวดล้อมสำหรับปี 1990 และศตวรรษที่ 21 มักจะทำให้จำเป็นต้องลดการใช้แคดเมียมในแบตเตอรี่สำหรับการใช้งานของผู้บริโภค ทั้งๆที่มีแรงกดดันเหล่านี้ถัดจากแบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบตเตอรี่นิกเกิล / แคดเมียมยังคงมีส่วนแบ่งที่ใหญ่ที่สุดของตลาดแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ แรงจูงใจเพิ่มเติมสำหรับการวิจัยแบตเตอรี่ที่ใช้ไฮโดรเจนมาจากความเชื่อทั่วไปว่าไฮโดรเจนและไฟฟ้าจะเข้ามาแทนที่ในที่สุดและแทนที่ส่วนสำคัญของการมีส่วนร่วมทางพลังงานของทรัพยากรเชื้อเพลิงฟอสซิลกลายเป็นรากฐานของระบบพลังงานที่ยั่งยืนบนพื้นฐานของแหล่งพลังงานหมุนเวียน ท้ายที่สุดมีความสนใจอย่างมากในการพัฒนาแบตเตอรี่ Ni-MH สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฮบริด

แบตเตอรี่นิกเกิล / เมทัลไฮไดรด์ทำงานด้วยอิเล็กโทรไลต์ KOH เข้มข้น (โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์) ปฏิกิริยาอิเล็กโทรดในแบตเตอรี่นิกเกิล / เมทัลไฮไดรด์มีดังนี้:

แคโทด (+): NiOOH + H2O + e- Ni (OH) 2 + OH- (1)

แอโนด (-): (1 / x) MHx + OH- (1 / x) M + H2O + e- (2)

โดยรวม: (1 / x) MHx + NiOOH (1 / x) M + Ni (OH) 2 (3)

อิเล็กโทรไลต์ KOH สามารถขนส่ง OH เท่านั้นและเพื่อความสมดุลของการขนส่งประจุอิเล็กตรอนจะต้องไหลเวียนผ่านโหลดภายนอก อิเล็กโทรดนิกส์ – ไฮดรอกไซด์นิกเกิล (สมการ 1) ได้รับการวิจัยอย่างกว้างขวางและโดดเด่นและการประยุกต์ใช้นั้นได้รับการพิสูจน์อย่างกว้างขวางสำหรับการใช้งานทั้งบนบกและอวกาศ การวิจัยในปัจจุบันส่วนใหญ่ในแบตเตอรี่ Ni / Metal Hydride นั้นเกี่ยวข้องกับการปรับปรุงประสิทธิภาพของแอโนดโลหะไฮไดรด์ โดยเฉพาะสิ่งนี้ต้องการการพัฒนาขั้วไฟฟ้าไฮไดรด์ที่มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้: (1) วงจรชีวิตยาว, (2) ความจุสูง, (3) อัตราการประจุและคายประจุที่สูงที่แรงดันคงที่และ (4)

4. แบตเตอรี่ลิเธียมคืออะไร?

ระบบเหล่านี้แตกต่างจากแบตเตอรี่ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ทั้งหมดโดยที่ไม่ต้องใช้น้ำในอิเล็กโทรไลต์ พวกเขาใช้อิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ใช่น้ำแทนซึ่งประกอบด้วยของเหลวอินทรีย์และเกลือของลิเธียมเพื่อให้อิออนนำไฟฟ้า ระบบนี้มีแรงดันไฟฟ้าของเซลล์สูงกว่าระบบอิเล็กโทรไลต์น้ำ หากปราศจากน้ำวิวัฒนาการของก๊าซไฮโดรเจนและออกซิเจนจะถูกกำจัดและเซลล์สามารถทำงานได้อย่างมีศักยภาพมากขึ้น พวกเขายังต้องการการชุมนุมที่ซับซ้อนมากขึ้นเพราะจะต้องทำในบรรยากาศที่แห้งเกือบสมบูรณ์แบบ

จำนวนของแบตเตอรี่ที่ไม่สามารถชาร์จใหม่ได้ถูกพัฒนาขึ้นครั้งแรกด้วยโลหะลิเธียมเป็นขั้วบวก เซลล์เหรียญเชิงพาณิชย์ที่ใช้สำหรับแบตเตอรี่นาฬิกาปัจจุบันส่วนใหญ่เป็นเคมีลิเธียม ระบบเหล่านี้ใช้ระบบแคโทดที่หลากหลายซึ่งปลอดภัยสำหรับการใช้งานของผู้บริโภค แคโทดที่ทำจากวัสดุต่าง ๆ เช่นคาร์บอนมอนอกไซด์, คอปเปอร์ออกไซด์หรือวานาเดียมเพ็นออกไซด์ ระบบแคโทดที่เป็นของแข็งทั้งหมดจะถูก จำกัด ในอัตราการไหลที่พวกเขาจะสนับสนุน

เพื่อให้ได้อัตราการคายประจุที่สูงขึ้นได้พัฒนาระบบแคโทดเหลว อิเล็กโทรไลต์มีปฏิกิริยาในการออกแบบและทำปฏิกิริยาที่คาโทดที่มีรูพรุนซึ่งให้ไซต์ที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและการสะสมกระแสไฟฟ้า ตัวอย่างของระบบเหล่านี้ ได้แก่ ลิเธียม – ไทออนคลอไรด์และลิเทียม – ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ แบตเตอรี่เหล่านี้ใช้ในพื้นที่และสำหรับการใช้งานทางทหารเช่นเดียวกับบีคอนฉุกเฉินบนพื้นดิน โดยทั่วไปแล้วจะไม่ให้บริการแก่สาธารณะเพราะปลอดภัยน้อยกว่าระบบแคโทดที่เป็นของแข็ง

ขั้นต่อไปของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชื่อว่าเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์ แบตเตอรี่นี้แทนที่อิเล็กโทรไลต์ของเหลวด้วยอิเล็กโทรไลต์แบบเจลหรืออิเล็กโทรไลต์แบบแข็งจริง แบตเตอรี่เหล่านี้ควรเบากว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แต่ขณะนี้ยังไม่มีแผนที่จะบินเทคโนโลยีนี้ในอวกาศ มันไม่ได้มีอยู่ทั่วไปในตลาดการค้าแม้ว่ามันอาจจะเป็นเพียงรอบมุม

ในการหวนกลับเรามาไกลตั้งแต่แบตเตอรี่ไฟฉายรั่วของอายุหกสิบเศษเมื่อเกิดการบินอวกาศ มีวิธีการแก้ปัญหาที่หลากหลายเพื่อตอบสนองความต้องการการบินในอวกาศจำนวนมากต่ำกว่าศูนย์ ถึง 80 อุณหภูมิสูงของการบินด้วยแสงอาทิตย์ มันเป็นไปได้ที่จะจัดการกับรังสีขนาดใหญ่การใช้งานมานานหลายสิบปีและโหลดได้ถึงหลายสิบกิโลวัตต์ จะมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีนี้และมุ่งมั่นอย่างต่อเนื่องเพื่อปรับปรุงแบตเตอรี่

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  เปลี่ยนแปลง )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s