Princip rada baterija za skladištenje energije
Anbaterija za skladištenje energijeje uređaj koji pretvara i skladišti energiju između električne energije i kemijske energije. Tokom pražnjenja, hemijska energija se direktno pretvara u električnu energiju; tokom punjenja, električna energija se ponovo pretvara u hemijsku energiju za skladištenje. Pozitivne i negativne elektrode u bateriji izrađene su od različitih materijala. Kada se umetne isti elektrolit, obe elektrode će uspostaviti sopstvene potencijale elektrode, kao što je prikazano isprekidanom linijom ABCD na slici 1-4 (prostor između isprekidane linije i elektroda predstavlja formirani električni dvostruki sloj). Razlika u potencijalu ravnotežne elektrode između pozitivne i negativne elektrode čini elektromotornu silu baterije (EMF) E.
Slika 14 Šematski dijagram principa rada baterije za skladištenje energije
Kada su pozitivna i negativna elektroda spojene na vanjsko opterećenje, materijal pozitivne elektrode dobiva elektrone i prolazi kroz reakciju redukcije, stvarajući katodnu polarizaciju, čime se smanjuje potencijal pozitivne elektrode; materijal negativne elektrode gubi elektrone i prolazi kroz reakciju oksidacije, stvarajući anodnu polarizaciju, čime se podiže potencijal negativne elektrode. Za vanjsko kolo, elektroni teku od negativne elektrode do pozitivne elektrode, stoga je smjer struje od pozitivne elektrode do negativne elektrode. U elektrolitu se prijenos naboja odvija kretanjem jona, tako da je smjer struje u unutrašnjem kolu od negativne elektrode do pozitivne elektrode. U stanju pražnjenja, raspodjela potencijala baterije prikazana je isprekidanim linijama A'B'C'D' na slici 1-4. Cijeli proces formira potpunu zatvorenu petlju, dopuštajući da se oksidacijske i redukcijske reakcije na elektrodama kontinuirano nastavljaju, čime se osigurava kontinuirani protok struje unutar zatvorene petlje. Kada baterija radi, elektrohemijske reakcije koje stvaraju električnu energiju na elektrodama nazivaju se reakcije koje stvaraju protok, a tvari koje sudjeluju u tim reakcijama nazivaju se aktivni materijali.
Proces punjenja baterije je u suštini obrnut od procesa pražnjenja. Tokom punjenja dolazi do oksidacije na pozitivnoj elektrodi, dok do redukcije dolazi na negativnoj elektrodi; istovremeno, smjer migracije jona u elektrolitu je suprotan onom tokom pražnjenja, a vanjski izvor napajanja koji premašuje napon otvorenog-kola baterije potreban je za pokretanje ovog procesa hemijske konverzije, kao što je prikazano isprekidanim linijama A"B"C"D" na slici 1-4.
Kako bi se olakšala direktna konverzija kemijske energije u električnu, redoks proces koji se odvija unutar baterije za pohranu energije bitno se razlikuje od konvencionalnih redoks reakcija. U bateriji se procesi gubljenja elektrona (oksidacija) i dobijanja elektrona (redukcija) moraju razdvojiti u različite regije. Nadalje, elektroni moraju teći kroz vanjsko kolo kada aktivne komponente učestvuju u reakciji. Ova dva ključna elementa razlikuju redoks mehanizam unutar baterije od običnih hemijskih redoks reakcija i reakcija mikro-ćelija u pojavama elektrohemijske korozije.
Sastav baterija za pohranu energije
Osnovna baterija za skladištenje energije treba da sadrži četiri osnovne komponente: elektrode, elektrolit, separator i kućište baterije.
elektroda
Elektrode, kao ključne komponente baterije, dijele se na pozitivne i negativne elektrode, uglavnom sastavljene od aktivnih materijala i provodnog okvira. Među njima, aktivni materijali stvaraju električnu energiju kroz hemijske reakcije tokom pražnjenja baterije i glavni su faktor koji određuje performanse baterije. Aktivni materijali su uglavnom čvrsti, ali mogu postojati i kao tekućine ili plinovi.
Aktivni materijali imaju odlučujući utjecaj na ukupne performanse baterije i stoga općenito imaju sljedeće zahtjeve za performanse: ① Materijal pozitivne elektrode treba da ima visok potencijal, dok materijal negativne elektrode treba da održava nizak potencijal, kako bi se osiguralo da baterija može generirati veliku elektromotornu silu; ② Aktivni materijali moraju imati dobru elektrohemijsku reaktivnost, odnosno lako sudjelovati u redoks procesima; ③ Aktivne komponente moraju imati visok specifični kapacitet po težini i zapremini; ④ Aktivni materijali moraju imati odličnu hemijsku stabilnost u rastvorima elektrolita, a brzina samorastvaranja treba da bude što je moguće niža; ⑤ Aktivni materijali treba da imaju visoku elektronsku provodljivost; ⑥ Iz perspektive ekonomije i održivog razvoja, idealni aktivni materijali bi trebali biti resursi kojih ima u izobilju i koji su jeftini na Zemlji; ⑦ Aktivni materijali takođe treba da budu bezopasni za zdravlje ljudi i prirodno okruženje.
Ispunjavanje svih gore navedenih standarda za određeni aktivni materijal je prilično izazovno; stoga je potrebno sveobuhvatno razmatranje pri odabiru aktivnog materijala. Trenutno, najčešće korišteni katodni materijali su metalni oksidi, kao što su olovni dioksid, mangan dioksid i nikl oksid, kao i kisik iz zraka. Za anodne materijale preferira se niz hemijski reaktivnih metala, kao što su cink, olovo, kadmijum, gvožđe, litijum i natrijum.
Funkcija provodnog okvira je da poveže aktivni materijal sa eksternim kolom i obezbedi uravnoteženu distribuciju struje. Također podržava aktivni materijal. Idealan provodni okvir treba da ima odličnu mehaničku čvrstoću, visoku hemijsku stabilnost, nisku otpornost i dobru obradivost.
elektroliti
Primarna funkcija elektrolita je da osigura efikasnu provodljivost jona između pozitivne i negativne elektrode, preuzimajući zadatak transporta jona. U nekim slučajevima može učestvovati i u elektrohemijskim reakcijama. Za elektrolit koji se koristi u bateriji, njegove performanse treba da ispunjavaju sljedeće zahtjeve: ① Trebalo bi posjedovati dobru hemijsku stabilnost kako bi se spriječile značajne elektrohemijske reakcije na granici između elektrolita i aktivnog materijala tokom skladištenja, čime se smanjuje samo-pražnjenje baterije; ② Trebalo bi da ima visoku električnu provodljivost. Sastav elektrolita varira među različitim tipovima baterija, a tipično se kao elektrolit biraju vodeni rastvori kiselina, lužina ili soli sa odličnom provodljivošću. Međutim, neke nove energetske tehnologije mogu koristiti nove materijale kao što su elektroliti organskog otapala, elektroliti rastaljene soli ili čvrsti elektroliti.
izolacija
Separator, također poznat kao membrana ili pregrada, postavlja se između pozitivne i negativne elektrode baterije. Njegova glavna funkcija je spriječiti direktan kontakt između elektroda, što može dovesti do kratkog spoja. Osnovni zahtjevi za performanse separatora uključuju: ① dobar elektronski izolator za sprečavanje unutrašnjih kratkih spojeva; ② ima nisku otpornost na migraciju jona u elektrolitu, čime se smanjuje unutrašnji otpor cijelog uređaja i značajno smanjuje gubitak energije u uslovima velike-strujnog pražnjenja; ③ dobra hemijska stabilnost, otpornost na koroziju elektrolita i redoks reakcije elektrodnih aktivnih materijala; ④ ima dovoljnu mehaničku čvrstoću i otpornost na savijanje da efikasno blokira rast dendrita i spriječi prodiranje sitnih aktivnih čestica kroz membranu; ⑤ Uzimajući u obzir ekonomske faktore, trebao bi biti lako dostupan i jeftin.
Uobičajeni materijali za razdvajanje uključuju pamučni papir, papir od celuloze, mikroporoznu plastiku, mikroporoznu gumu, hidratiziranu celulozu, najlonsku tkaninu i staklena vlakna itd.
Kućište baterije
Kućište baterije, također poznato kao spremnik za baterije, jedini je tip baterije u postojećim baterijama za pohranu energije gdje cink elektroda također služi kao kućište. Nasuprot tome, drugi tipovi baterija imaju tendenciju da koriste specifične materijale za vanjsku inkapsulaciju, a ne sam aktivni materijal. Idealno kućište baterije treba da ima odlična mehanička svojstva, da izdrži vibracije i udarce, da ostane stabilno u ekstremnim temperaturnim uslovima i da se odupre koroziji od elektrolita. U praksi, materijali kao što su metali, plastika i tvrda guma se široko koriste kao kućišta baterija zbog svojih prednosti.