Was ist der Elektrolyt in der Batterie?

Die Batterie ist ein Gerät zur Energieumwandlung und -speicherung. Es wandelt durch die Reaktion chemische oder physikalische Energie in elektrische Energie um. Eine Batterie ist eine chemische Energiequelle. Es besteht aus zwei elektrochemisch aktiven Elektroden mit zwei verschiedenen Komponenten. Die beiden Elektroden sind in Elektrolyte eingetaucht, die für die Medienleitung sorgen. Wenn Sie an einen externen Träger angeschlossen sind, stellen Sie Energie bereit, indem Sie dessen interne chemische Energie umwandeln. Wenn zwei Metalle (übliche Metalle mit unterschiedlichen Eigenschaften) als elektrische Speichervorrichtung in den Elektrolyten eingetaucht werden, können sie Elektrizität leiten und eine bestimmte elektromotorische Kraft zwischen den "Polarplatten" erzeugen. Die elektromotorische Kraft (oder Spannung) hängt mit dem verwendeten Metall zusammen, und die elektromotorische Kraft verschiedener Batterietypen ist ebenfalls unterschiedlich.

Die Leistungsparameter der Batterie umfassen hauptsächlich elektromotorische Kraft, Kapazität, spezifische Energie und Widerstand. Die elektromotorische Kraft entspricht der Arbeit, die durch die nicht statische Leistung (chemische Kraft) der Batterie geleistet wird, wenn die positive Ladung der Einheit durch die Batterie von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode bewegt wird. Die elektromotorische Kraft hängt von den chemischen Eigenschaften des Elektrodenmaterials ab und hat nichts mit der Größe der Batterie zu tun. Die Gesamtmenge an Strom, die die Batterie abgeben kann, entspricht der Kapazität der Batterie, normalerweise in Ampere-Stunden. Bei der Batteriereaktion wird die von 1 Kilogramm Reaktionsmaterial erzeugte elektrische Energie als theoretische Energie der Batterie bezeichnet. Die tatsächliche Batterie ist kleiner als die Energie als die Theorie. Da die Reaktanten in der Batterie nicht alle auf der Batteriereaktion basieren und der Widerstand in der Batterie auch dazu führt, dass die elektromotorische Kraft abfällt, wird sie häufig als Hochenergiebatterie bezeichnet. Je größer die Fläche der Batterie ist, desto kleiner ist der Innenwiderstand.

Der energiespeicher der Batterie ist begrenzt. Die Gesamtmenge an Strom, die der Akku abgeben kann, wird als Kapazität bezeichnet. Sie wird normalerweise in Amperestunden angegeben. Es ist auch ein Leistungsparameter der Batterie. Die Kapazität der Batterie hängt von der Menge des Elektrodenmaterials ab, dh von der Größe der Elektrode.

Praktische chemische Batterien können in zwei Grundtypen unterteilt werden: Primärbatterien und Batterien. Nachdem die Primärbatterie hergestellt wurde, kann ein elektrischer Strom erzeugt werden, der jedoch nach Abschluss der Entladung verworfen wird. Der Akku, auch als Sekundärbatterie bezeichnet, muss vor dem Gebrauch aufgeladen werden. Nach dem Laden kann es zum Entladen verwendet werden. Nach dem Entladen kann es auch wieder aufgeladen und verwendet werden. Wenn die Batterie aufgeladen wird, wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Beim Entladen wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Das Prinzip der Batterie

In einer chemischen Batterie ist die direkte Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie das Ergebnis einer spontanen Oxidation, Reduktion und anderer chemischer Reaktionen innerhalb der Batterie. Diese Reaktion wird an zwei Elektroden durchgeführt. Negative Wirkstoffe bestehen aus Reduktionsmitteln, die negative Potentiale haben und in Elektrolyten stabil sind, wie aktive Metalle wie Zink, Cadmium und Blei sowie Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe. Positive Wirkstoffe bestehen aus Oxidationsmitteln mit positiven Potentialen und sind in Elektrolyten wie Metalloxiden wie Mangandioxid, Bleidioxid, Nickeloxid, Sauerstoff oder Luft, Halogen und seinen Salzen, Oxinsäure und ihren Salzen stabil. Elektrolyte sind Materialien mit guter Ionenleitfähigkeit, wie wässrige Lösungen von Säuren, Basen und Salzen, organische oder anorganische nichtwässrige Lösungen, geschmolzene Salze oder feste Elektrolyte. Wenn der externe Stromkreis getrennt wird, gibt es zwar eine Potentialdifferenz (Leerlaufspannung) zwischen den beiden Polen, aber keinen Strom, und die in der Batterie gespeicherte chemische Energie wird nicht in elektrische Energie umgewandelt. Wenn der externe Stromkreis geschlossen ist, fließt unter der Wirkung der Potentialdifferenz der beiden Elektroden ein Strom durch den externen Stromkreis. Gleichzeitig muss innerhalb der Batterie, da sich keine freien Elektronen im Elektrolyten befinden, die Ladungsübertragung von der Oxidations- oder Reduktionsreaktion der Grenzfläche zwischen dem polaren aktiven Material und dem Elektrolyten und der Materialübertragung des Elektrolyten begleitet sein Reaktanten und Reaktionsprodukte. Die Ladungsübertragung im Elektrolyten erfolgt ebenfalls durch Ionenwanderung. Daher ist der normale Ladungs- und Materialübertragungsprozess innerhalb der Batterie eine notwendige Bedingung, um die normale Ausgabe elektrischer Energie sicherzustellen. Beim Laden ist die Richtung des internen Übertragungs- und Stoffübergangsprozesses der Batterie genau das Gegenteil der Entladung; Die Elektrodenreaktion muss reversibel sein, um den normalen Transfer von Masse und Elektrizität in die entgegengesetzte Richtung zu gewährleisten. Daher ist die reversible Elektrodenreaktion eine notwendige Bedingung für die Bildung einer Batterie. Freies Energieinkrement (Cola) für die Gibbs-Reaktion; F ist Faradaysche Konstante = 96500 Bibliothek = 26,8 Eine Stunde; N ist das Äquivalent der Batteriereaktion. Dies ist die grundlegende thermodynamische Beziehung zwischen der elektromotorischen Kraft der Batterie und der Batteriereaktion sowie die grundlegende thermodynamische Gleichung zur Berechnung der Effizienz der Batterieenergieumwandlung. Wenn der Strom durch die Elektrode fließt, muss das Elektrodenpotential vom thermodynamischen Gleichgewichtselektrodenpotential abweichen. Dieses Phänomen nennt man Polarisation. Je größer die Stromdichte (der Strom, der durch den Bereich der Einheitselektrode fließt) ist, desto stärker ist die Polarisation. Die Polarisation ist eine der wichtigsten Ursachen für den Energieverlust der Batterie. Es gibt drei Gründe für die Polarisation: 1 Die durch den Widerstand jedes Teils der Batterie verursachte Polarisation wird als ohmsche Polarisation bezeichnet; Die durch den Block der Ladungsübertragung in der Grenzflächenschicht zwischen Elektrode und Elektrolyt verursachte Polarisation wird als Aktivierungspolarisation bezeichnet. Die durch den langsamen Stoffübergang in der Grenzflächenschicht zwischen Elektrode und Elektrolyt verursachte Polarisation wird als Konzentrationspolarisation bezeichnet. Das Verfahren zur Verringerung der Polarisation besteht darin, die Elektrodenreaktionsfläche zu vergrößern, die Stromdichte zu verringern, die Reaktionstemperatur zu erhöhen und die katalytische Aktivität der Elektrodenoberfläche zu verbessern.

Hauptleistungsparameter der Batterie

Zu den Haupteigenschaften des Akkus gehören Nennkapazität, Nennspannung, Lade- und Entladerate, Impedanz, Lebensdauer und Selbstentladungsrate.

Nennleistung

Unter den im Design angegebenen Bedingungen (wie Temperatur, Entladerate, Abschlussspannung usw.) wird die Mindestkapazität, die der Akku in Amperestunden freisetzen kann, durch das Symbol C dargestellt. Die Kapazität wird stark beeinflusst durch die Entladerate, daher wird die Entladerate häufig in arabischen Ziffern in der unteren rechten Ecke des Buchstabens C angegeben, z. B. C20 = 50, was darauf hinweist, dass die Kapazität bei der 20: 00-Rate 50 pro Stunde beträgt. Die theoretische Kapazität der Batterie kann auf der Grundlage der Menge an Elektrodenaktivmaterial in der Batteriereaktionsformel und des nach dem Faradayschen Gesetz berechneten elektrochemischen Äquivalents des Wirkstoffs genau berechnet werden. Aufgrund der möglichen Nebenreaktionen in der Batterie und der besonderen Anforderungen zum Zeitpunkt der Konstruktion ist die tatsächliche Kapazität der Batterie häufig niedriger als die theoretische Kapazität.

Nennspannung

Die typische Betriebsspannung der Batterie bei Raumtemperatur wird auch als Nennspannung bezeichnet. Es ist eine Referenz für die Auswahl verschiedener Batterietypen. Die tatsächliche Betriebsspannung der Batterie variiert je nach Betriebsbedingungen. Die Leerlaufspannung der Batterie ist gleich der Differenz des Gleichgewichtselektrodenpotentials der positiven und negativen Elektrode. Es bezieht sich nur auf die Art des Elektrodenwirkstoffs, nicht aber auf die Anzahl der Wirkstoffe. Die Batteriespannung ist im Wesentlichen eine Gleichspannung, aber unter bestimmten speziellen Bedingungen verursacht der durch die Elektrodenreaktion verursachte Phasenübergang des Metallkristalls oder eines Phasenfilms eine leichte Spannungsschwankung. Dieses Phänomen nennt man Rauschen. Die Amplitude der Fluktuation ist sehr klein, aber der Frequenzbereich ist sehr breit, so dass sie vom selbsterregten Rauschen in der Schaltung unterschieden werden kann.

Lade- und Entladerate

Manchmal sind die Rate und die Rate zwei Darstellungen. Der Stundensatz ist die Lade- und Entladerate, ausgedrückt als Lade- und Entladezeit, die numerisch der Anzahl der Stunden entspricht, die durch Teilen der Nennkapazität der Batterie (Ann Stunden) durch den angegebenen Lade- und Entladestrom (An) erhalten werden. Der Faktor ist eine weitere Darstellung der Lade- und Entladerate, und sein Wert ist der Kehrwert der Zeitrate. Die Entladerate der Primärbatterie wird als die Zeit von der Entladung eines festen Widerstands bis zur Abschlussspannung ausgedrückt. Die Entladerate hat einen großen Einfluss auf die Batterieleistung.

Impedanz

Die Batterie hat einen großen Grenzflächenbereich zwischen Elektrode und Elektrolyt, so dass die Batterie einer Reihenschleife zwischen einem großen Kondensator und einem kleinen Widerstand und einer Induktivität entsprechen kann. Die tatsächliche Situation ist jedoch viel komplizierter. Insbesondere ändert sich die Impedanz der Batterie mit der Zeit und dem Gleichstrompegel. Die gemessene Impedanz gilt nur für den spezifischen Messzustand.

Leben

Die Haltbarkeit bezieht sich auf die maximale Lagerzeit von der Herstellung des Akkus bis zum Beginn der Verwendung in Jahren. Die Gesamtdauer einschließlich Lagerung und Nutzung ist die Gültigkeitsdauer der Batterie. Die Batterielebensdauer ist in Trocken- und Nasslagerzeit unterteilt. Die Zykluslebensdauer ist die maximale Anzahl von Zyklen, die die Batterie unter den angegebenen Bedingungen erreichen kann. Das System des Lade- und Entladezyklus-Tests, einschließlich Lade- und Entladerate, Entladungstiefe und Umgebungstemperaturbereich, muss gleichzeitig mit der Angabe der Zykluslebensdauer festgelegt werden.

Selbstentladungsrate

Die Rate, mit der der Akku während der Lagerung seine Kapazität verliert. Ausgedrückt als Prozentsatz der Vorlagerungskapazität der Selbstentladungsverluste pro Lagereinheit.

Chemische Batterien

Chemische Batterien beziehen sich auf einen Gerätetyp, der die chemische Energie positiver und negativer Wirkstoffe durch elektrochemische Reaktionen in elektrische Energie umwandelt. Nach einer langen Zeit der Forschung und Entwicklung haben chemische Batterien eine Vielzahl von Anwendungen eingeleitet. So groß wie ein riesiges Gerät, das ein Bauunternehmer aufnehmen kann, so klein wie eine Vielzahl von Millimetern. Um unserem guten Leben die ganze Zeit zu dienen. Die Entwicklung der modernen elektronischen Technologie hat hohe Anforderungen an chemische Batterien gestellt. Jeder Durchbruch in der chemischen Batterietechnologie hat zu einer revolutionären Entwicklung elektronischer Geräte geführt. Die Menschen in der modernen Gesellschaft sind in ihrem täglichen Leben zunehmend auf chemische Batterien angewiesen. Viele elektrochemische Wissenschaftler auf der ganzen Welt konzentrieren sich jetzt auf chemische Batterien, die von Elektroautos angetrieben werden.

Trockene und flüssige Batterien

Die Unterscheidung zwischen Trockenbatterien und Flüssigbatterien ist auf den Zeitraum der frühen Batterieentwicklung beschränkt. Die frühesten Batterien bestanden aus mit Elektrolyten gefüllten Glasbehältern und zwei Elektroden. Später wurde eine Batterie auf Basis eines Pastenelektrolyten eingeführt, die auch als Trockenbatterie bezeichnet wird.

Es gibt noch "flüssige" Batterien. Es ist im Allgemeinen eine sehr große Vielfalt. Zum Beispiel große feste Blei-Säure-Batterien, die als unterbrechungsfreie Stromversorgungen verwendet werden, oder Blei-Säure-Batterien, die in Verbindung mit Solarzellen verwendet werden. Einige verwenden für mobile Geräte vollständig versiegelte, wartungsfreie Blei-Säure-Batterien, die seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzt werden. Die elektrolytische Schwefelsäure wird durch Silikongel fixiert oder von Glasfasertrennwänden absorbiert.

Einmalige und wiederaufladbare Batterien

Einmalbatterien werden allgemein als "Einwegbatterien" bezeichnet, da sie nicht aufgeladen und nur entsorgt werden können. Übliche Einwegbatterien umfassen Alkalimanganbatterien, Zinkmanganbatterien, Lithiumbatterien, Zinkbatterien, Zinkleerbatterien, Zinkquecksilberbatterien, Quecksilberbatterien, Wasserstoff- und Sauerstoffbatterien und Magnesiummanganbatterien.

Entsprechend den Materialien und Verfahren der wiederaufladbaren Batterien werden übliche Blei-Säure-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien, Nickel-Eisen-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien und lithium-ionen-batterien verwendet. Sein Vorteil ist, dass es eine lange Lebensdauer hat. Sie können mehr als 200 Mal vollständig geladen und entladen werden. Einige wiederaufladbare Batterien haben eine höhere Belastung als die meisten Einwegbatterien. Bei der Verwendung von gewöhnlichen Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Batterien verursacht der einzigartige Memory-Effekt Unannehmlichkeiten bei der Verwendung und führt häufig zu einem frühen Ausfall.

Theorie der Batterieladezeit

Die theoretische Ladezeit des Akkus: Die Leistung des Akkus wird durch den Ausgangsstrom des Ladegeräts geteilt.

Zum Beispiel: Nehmen Sie als Beispiel eine Batterie mit einer Ladung von 800 MAH. Der Ausgangsstrom des Ladegeräts beträgt 500 MA. Dann beträgt die Ladezeit 800 MAH / 500 MA = 1,6 Stunden. Wenn die Anzeige des Ladegeräts abgeschlossen ist, geben Sie dem Akku am besten etwa eine halbe Stunde Zeit. Aufladezeit.

Brennstoffzelle

Brennstoffzellen sind Geräte, die die chemische Energie eines Brennstoffs durch eine elektrochemische Reaktion direkt in elektrische Energie umwandeln. Brennstoffzellen verwenden Wasserstoff, um eine Oxidationsreaktion an der Anode durchzuführen, Wasserstoff zu Wasserstoffionen zu oxidieren und Sauerstoff führt eine Reduktionsreaktion an der Kathode durch. Kombiniert mit Wasserstoffionen aus der Anode, um Wasser zu erzeugen. Während der Redoxreaktion kann Strom erzeugt werden. Die Brennstoffzellentechnologie umfasst die Entstehung von alkalischen Brennstoffzellen (AFC), Phosphatbrennstoffzellen (PAFC), Protonenaustauschmembranbrennstoffzellen (PEMFC), geschmolzenen Carbonatbrennstoffzellen (MCFC) und Festoxidbrennstoffzellen (SOFC). Die direkte Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) usw. und die Verwendung der Methanol-Oxidationsreaktion als positive Reaktion auf die Brennstoffzellentechnologie sind ebenfalls eine optimistische und positive Entwicklung der Branche.

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