Ki Energia Ta Warda den un Bateria? Kímiko, No Eléktriko

Un bateria ta wardaenergia potensial kímiko. E energia ei ta bira koriente solamente ora e bateria ta konektá den un sirkuito i elektrónnan ta wòrdu permití pa flui. Ku otro palabra, un bateria kargá no ta un tanki chikitu di koriente ku ta warda pa basha afó. E ta tene energia den e lasonan kímiko di su materialnan di elektroda i elektrolito, i ta saka e energia ei komo koriente eléktriko riba demanda.

Un bateria ta warda energia potensial kímiko, no elektrisidat. E ta produsí energia eléktriko solamente ora un sirkuito será ta laga elektrónnan biaha di un elektroda pa e otro.

E materialnan aktivo den un bateria ta wòrdu areglá di manera ku un reakshon kímikokierpa sosodé pero no por, pasobra e úniko kaminda pa e elektrónnan ta blòkiá. Sera e sirkuito, i e reakshon ta sigui: elektrónnan ta flui pafó dor di bo aparato, i e energia kímiko wardá den e materialnan ta wòrdu entregá komo energia eléktriko. Descarga ta gasta e kímika ei; karga un bateria rekargabel ta rekonstruí esaki.

E ta yuda pa tene tres diferente forma di energia separá, pasobra hende hopi bia ta meskla nan:

Kon un bateria ta kombertí energia kímiko den koriente

E kombershon ta un reakshon elektrokímiko, spesífikamente unoksidashon-redukshon (redox)reakshon dividí den dos elektroda. E bukinan di kímika ta deskribí esaki limpi: den un sèl manera esaki,oksidashon ta sosodé na e anodo i redukshon ta sosodé na e katodo, i e energia liberá dor di e reakshon spontáneo ei ta loke ta hiba koriente dor di e sirkuito.

Aki ta e sekuensia, usando un sèl di litio-ion komo ehèmpel:

• Na e anodo (banda negativo), atòmnan ta entregá elektrón. Den un bateria di litio-ion, litio ta bandoná e grafito i ta bira un ion di litio kargá positivamente.
• Pa medio di e sirkuito eksterno, e elektrónnan liber ei ta biaha pa e parti positivo, dunando koriente na loke ku ta konektá entre nan, manera bo telefon òf un motor eléktriko. E fluho di elektrón akitae koriente eléktriko.
• Den e bateria, ionnan di litio ta move dor di e elektrolito pa e katodo. E elektrolito ta laga ionnan pasa pero ta blòkia elektrónnan, kual ta eksaktamente e motibu pakiko e elektrónnan ta wòrdu forsá pa tuma e kaminda mas largu dor di bo aparato.
• Na e katodo (banda positivo), e elektronnan ku ta yega ta wòrdu aseptá, e ionnan ta rekombiná, i e buèlta ta kompleto.

E Departamentu di Energia di Merka ta usa un komparashon útil pa e dos sifranan ku hende ta preokupá mas kuné. Komo su splikadó ribakon bateria di litio-ion ta funshonáta pone, densidat di energia ta manera e tamaño di un pisina, miéntras ku densidat di energia ta kon lihé bo por dren’é. E voltahe ku un sèl ta produsí, mas o ménos 1.5 V pa un sèl alkalino òf mas o ménos 3.7 V pa sèl di ion di litio, ta bini di e diferensia den potensial kímiko entre e dos materialnan di elektroda. Si bo ke e bista kompleto di e partinan enbolbí i kon nan ta pas huntu, wak nos bista general dikon un bateria di almasenamentu di energia ta funshoná.

Karga ta djis kore e reakshon patras

Aki ta kaminda e idea di “tanki di koriente” ta kai den otro di bèrdat. Kargamentu no ta basha koriente den un bateria. En bes di esei, e ta usa un fuente di koriente eksterno pa pusha e reakshon na reverso, rekonstruyendo e komponentenan kímiko original i restorá e potensial kímiko wardá. E reversibilidat ei ta loke ta separá un sèl rekargabel for di unu di un solo uso. Kada siklo tambe ta un poko imperfekto: un kantidat chikitu di e kímika no ta kambia kompletamente, strukturanan di elektroda ta kambia ku tempu, i e akumulamentu slow ei ta e motibu pakiko un bateria di telefon ta pèrdè kapasidat gradualmente despues di algun aña.

Dikon energia kímiko ta e forma ku bateria ta usa realmente

Energia potensial kímiko ta energia ku ta wòrdu tené den lasonan molekular, e mesun idea amplio tras di e energia den gasolin òf palu. E diferensia klave ta ku un bateria ta kombertí e energia eidirektamenteden koriente pa medio di reakshonnan, sin kombustibel i sin partinan ku ta move entre nan. Bo por lesa mas tokante e kategoria di almasenamentu aki den nos primer ribateknologia di almasenamentu di energia kímiko.

Almasenamentu di energia den vínkulonan kímiko ta kumpra bateria algun bentaha práktiko:

• E ta stabil.Kontrali na un kapasitor kargá, ku ta lek bai den oranan, kímika di bateria ta warda energia pa lunanan ku solamente algun porshento di deskarga propio-, dependiendo di temperatura i estado di karga.
• E ta denso.Sèlnan moderno di litio-ion ta paketá hopi energia den un masa chikitu, muchu mas ku opshonnan mekaniko manera flywheel.
• E ta portátil i skalabel.E mesun kímika básiko ta funshoná for di un sèl di boton di yudansa di oido- te na un instalashon di eskala di grid-; bo ta simplemente usa material mas aktivo.

Tipo di bateria i e kímika tras di nan

Tur bateria ta sigui e mesun prinsipio kímiko-pa-eléktriko, pero e reakshonnan spesífiko ta diferente, i esei ta loke ta duna kada tipo su karakter. E tabel aki bou ta kompará e kímikonan mas komun; pa un detaye mas kompletu, wak nos guia padiferente tipo di bateria ku ta wòrdu usá pa warda energia.

Lithium-ion ta dominá elektróniko portátil i EV pa motibu di su densidat haltu di energia; si bo ke e internonan, wak kon e sèl ta konstruí i ta operá den nos splikadó riba estruktura i prinsipio di funshonamentu di bateria di litio-ion. Plomo-ásido, ku ta data for di 1859, ta mas pisá i ménos energia-denso pero ta keda barata i konfiabel pa kuminsá outo. Celnan alkalino ta kontestá un pregunta ku hopi hende ta hasi:dikon mi no por djis rekargá un bateria AA regular?Nan reakshonnan di zink i dióksido di manganes no ta reverse limpi, pues forsando un karga por lek òf kibra e sèl en bes di yena esaki bèk.

Ki Tipo di Energia Ta Presente den un Bateria?

Ora hende buska tiponan di energia di bateria, nan ta puntra tokante vários kos diferente pareu: e energia wardá paden di e sèl, e energia transferí a traves di e terminalnan, e energia mará na interfasenan kargá, i e energia pèrdí komo kalor. E formanan aki ta relashoná, pero nan ta hunga ròlnan hopi diferente.

E energia usabel di un bateria ta wòrdu tené kasi kompletamente komo energia liber elektrokímiko. Energia eléktriko ta loke ta krusa e terminalnan den kualke direkshon. Energia elektrostátiko interfasial ta eksistí na kada superfisie di elektroda pero ta kontribuí un parti neglisibel. Energia termal ta loke e proseso ta entregá na kaminda.

Energia Elektrokímiko: E Forma Prinsipal Wardá

Bisa ku un bateria ta warda energia potensial kímiko ta sufisiente eksakto pa uso diario. E deklarashon mas presis ta ku e ta warda energia liber elektrokímiko - e diferensia den energia liber di Gibbs entre e estadonan kargá i deskargá di su materialnan aktivo.

E diferensia ei ta fiha e voltahe di e sèl direktamente:

ΔG=−nFE

ΔG ta e kambio di energia liber di Gibbs-, n e molnan di elektronnan transferí, F e konstante di Faraday, i E e voltahe di e sèl. Un reakshon di deskarga spontáneo tin un ΔG negativo i ta produsí un voltahe positivo.

Esaki ta importá pasobra e energia no ta sinta den un enlase kímiko partikular. E ta dependé di henter e sistema: komposishonnan di elektroda i strukturanan di kristal, unda e ionnan ta sinta, e estadonan elektróniko di e materialnan, i e espasio entre e kondishonnan kargá i deskargá. Den un sèl di ion di litio-, kargamentu ta pusha litio den un areglo di energia mas haltu- atraves di e dos elektrodanan; deskarga ta lag’é relahá pa unu termodinamikamente faborabel, i parti di e liberashon ei ta disponibel komo trabou eléktriko.

Energia Eléktriko: Transferí, Nunka Warda

Energia eléktriko no ta un forma di almasenamentu paden di e sèl. E ta e forma ku energia ta tuma ora e ta krusa e terminalnan, i su direkshon ta kambia dependiendo di kiko e bateria ta hasiendo.

Durante di deskarga, e reakshon ta liberá energia liber i ta mantené un voltahe atraves di e terminalnan; e voltahe ei ta hiba karga a traves di e sirkuito eksterno, i e bateria ta suministrá energia eléktriko. Durante kargamentu, un fuente eksterno ta apliká un voltahe ku ta oponé e reakshon spontáneo, hibando elektrón i ionnan bèk den direkshon di e estado kargá. Parti di e energia eléktriko entrante ei ta wòrdu re-wardá komo energia liber elektrokímiko, i un parti ta bira kalor.

Esaki ta e motibu pakiko “un bateria ta warda koriente” ta engañoso. Koriente ta karga den moveshon, i e ta eksistí solamente miéntras ku un trayekto di kondukta ta será. Un bateria deskonektá ta tene un voltahe di sirkuito kompletamente habrí i koriente sero - tur potensial, sin fluho. Kuater kantidat relashoná ta bale la pena pa tene separá:

• Voltahe- energia disponibel pa unidat di karga
• Aktual- e velosidat ku e karga ta move
• Kapasidat di karga (Ah)- kuantu karga por wòrdu transferí
• Kapasidat di energia (Wh)- kuantu trabou eléktriko ta disponibel

Energia Térmiko: Pèrdida Ireversibel i Kalor Reversibel

Kalor no ta algu ku un bateria ta diseñá pa warda, pero e ta semper parti di e balansa di energia, i e ta bini di dos fuente distinto.

Kalor ireversibel ta pèrdida puru: keintamentu di Joule for di resistensia interno, polarisashon elektrokímiko, límitenan di transporte di ion-, i reakshonnan sekundario. E ta subi drástikamente ku koriente, kual ta e motibu pakiko kargamentu rápido ta kore kayente.

Kalor reversibel, òf kalor entrópiko, ta bini di kambionan di entropia den e reakshonnan di e elektroda mes. Dependiendo di kímika, estado di karga i direkshon di koriente, e término aki por pone un sèl liberá kalor òf apsorbé esaki. Ta e motibu ku un modelo termal kompleto mester di mas ku un término di resistensia - kambionan di fase, efektonan di meskla i entropia di reakshon tur ta kambia temperatura di cel.

Energia Elektrostátiko Interfasial: Real pero Menor

Na kada frontera di elektroda-elektrolito, elektronnan den e elektroda i ionnan den e elektrolito ta areglá nan mes den un kapa dòbel eléktriko. E separashon di karga aki ta krea un kampo lokal fuerte i ta goberná potensial di elektroda, distribushon di ion i kinetika di transferensia di karga-.

Sinembargo, e no ta hasi un bateria un kapasitor. Un kapasitor ta warda mayoria di su energia usabel den separashon di karga físiko; un bateria ta tene esaki den komposishon kímiko i estado elektrokímiko. Superkapasitornan ta sinta entre e dosnan, dependiendo di kapasitansia di dòbel-kapa i reakshonnan rápido di superfisie. Den un sèl konvenshonal di ion di litio-, plomo-ásido, alkalino òf sodio-, e kontribushon interfasial ta forma kon e bateria ta komportá sin agregá signifikantemente na loke e ta kontené.

Kon e Forma di Energia Dominante Ta Kambia ku Estado di Bateria

Kon ta midi energia di bateria

Un man yen di spesifikashon ta deskribí kiko un bateria por hasi, i konfundí nan ta kondusí na mayoria mal komprondementu di “kon grandi e bateria aki ta”:

• Kapasidat (amp-ora, Ah òf mAh)ta kuantu karga un bateria por entregá. Un sèl di telefon di 2.000 mAh por suministrá 2 amp pa un ora, òf 0.5 amp pa kuater. Si e rating ei ta fuzzy pa bo, nos nota ribakiko e rating di amp-ora (Ah) ta nifikáta kana dor di dje.
• Energia (watt-ora, Wh)ta e trabou real disponibel. Multipliká kapasidat pa voltahe: un sèl di 3.7 V, 2.000 mAh ta kontené mas o ménos 7.4 Wh. E kantidat ei ta mas serka di loke e porsentahe di bateria di bo telefon ta sigui realmente.
• Densidat di energia (Wh/kg)ta kuantu energia ta pas den un masa duná. Ion di litio - típikocelnantera alrededor di 150–270 Wh/kg; un bateria kabaempaketáta mas abou unabes ku e kashi, kabel i friamentu ta inkluí, kual ta e motibu pakiko sifranan di nivel di cel- i nivel di pakete- no mester wòrdu sitá interkambiablemente.
• Densidat di poder (W/kg)ta kon lihé e energia ei por sali, loke ta importá pa hèrmèntnan eléktriko i aselerashon di EV duru.
• Bida di siklota kuantu siklo di karga-di deskarga un bateria ta sobrebibí promé ku e kapasidat baha notabelmente, un midi direkto di kon bon su reakshonnan ta reverse.

Unda e energia “perdí” ta bai

Ningun bateria ta debolbé tur e energia ku bo a hinka aden. E falta no ta disparsé; e ta sali mayoria biaha komo kalor di resistensia interno, moveshon di ion, i reakshonnan sekundario menor. Pa sistemanan di ion di litio na eskala di utilidat, e referensianan di teknologia di e Laboratorio Nashonal di Energia Renobá ta adoptá unefisiensia di biahe ida i buèlta di alrededor di 85%, loke ta nifiká ku mas o ménos 1 kWh di kada 1.18 kWh wardá ta sali bèk.

E pèrdida ei ta e motibu pakiko instalashonnan grandi di bateria i vehíkulonan eléktriko mester di maneho termal aktivo: un pakete di EV ku ta keinta bou di kargamentu rápido mester wòrdu fria pa keda safe i pa protehá su durashon di bida. E regla subyacente nunka ta kambia, sinembargo. Energia eléktriko ta drenta, bira energia potensial kímiko durante karga, i ta sali bèk komo energia eléktriko durante deskarga. Un bateria ta warda i saka energia so; nunka e no ta krea esaki.

Malkonsepshonnan komun, a wòrdu aklará

• “Bateria ta warda koriente.”Nan ta warda energia kímiko i ta generá koriente riba demanda. Bo no por warda koriente ku ta kore mas ku warda awa ku ta kore.
• “Kapasidat ta baha pasobra karga ta sali.”E ta disparsé pa motibu di kambionan kímiko i struktural ireversibel den e elektrodanan i elektrolito ku ta akumulá durante hopi siklo.
• “Wer friu ta kaba ku un bateria.”Friu no ta kita energia wardá; e ta frena e reakshonnan, pa e bateria duna ménos energia te ora e keinta. Nos nota ribakon temperatura ta afektá baterianan di litiota kubri esaki den mas detaye.
• “Tur bateria ta funshoná di e mesun manera.”Nan ta kompartí un prinsipio pero ta usa kímika hopi diferente, kual ta e motibu pakiko un sèl di litio-ion no ta komportá nada manera unu alkalino.

Kiko ta sigui pa kímika di bateria

Mayoria di investigashon ta dirigí riba e mesun meta: warda mas energia kímiko den un pakete mas lihé, mas sigur i duradero.Baterianan di estado sólido-kambia e elektrolito líkido pa unu sólido i por permití un densidat di energia mas haltu i un seguridat mehorá, ounke viabilidat komersial ta dependé di bida di siklo, fabrikashon, stabilidat di interfase i kosto; e blòki di konstrukshon ta wòrdu kubri den nos introdukshon naelektrolitonan sólido. Anodonan di silikonpor kontené mas litio ku grafiet, potensialmente oumentando e kapasidat di cel.Litio-sulfurkímika ta ofresé un densidat di energia teóriko haltu, pero sèlnan real ta kai kòrtiku awendia pasobra sùlfur ta degradá durante siklismo.Ion di sodio-ta interkambiá algun densidat di energia pa materialnan abundante, di kosto abou-, ku ta pas pa almasenamentu stashonario kaminda peso ta ménos kritiko. Ningun di esakinan ta kambia e idea sentral, djis kuantu energia e kímika por kontené.

Puntonan klave

• Un bateria ta warda energia potensial kímiko den e vínkulonan di su materialnan di elektroda i elektrolito.
• E energia kímiko ei ta bira energia eléktriko a traves di reakshonnan redox solamente ora un sirkuito ta será.
• Kargamentu ta kore e reakshon den reverso; e ta rekonstruí kímika en bes di inyektá koriente.
• Sèlnan di ion di litio, plomo, alkalino i ion di sodio ta usa diferente reakshon pero e mesun prinsipio básiko.
• E efisiensia di biahe rònt- ta tipikamente alrededor di 85%, ku e energia pèrdí ta sali mayoria biaha komo kalor.

E guia aki a wòrdu prepará i téknikamente revisá dor di e tim editorial di almasenamentu di energia di Polinovel, basá riba fuentenan publiká di e Departamentu di Energia di Merka, e Laboratorio Nashonal di Energia Renobá, i LibreTexts di Kímika.