ΕΝΑ μπαταρία, που είναι στην πραγματικότητα ένα ηλεκτρικό στοιχείο, είναι μια συσκευή που παράγει ηλεκτρική ενέργεια από μια χημική αντίδραση. Αυστηρά μιλώντας, μια μπαταρία αποτελείται από δύο ή περισσότερα κελιά συνδεδεμένα σε σειρά ή παράλληλα, αλλά ο όρος χρησιμοποιείται γενικά για ένα μόνο κελί. Ένα κύτταρο αποτελείται από ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο. ένας ηλεκτρολύτης, ο οποίος διεξάγει ιόντα. έναν διαχωριστή, επίσης έναν ιόντα. και ένα θετικό ηλεκτρόδιο. ο ηλεκτρολύτη μπορεί να είναι υδατικό (αποτελούμενο από νερό) ή μη υδατικό (που δεν αποτελείται από νερό), σε υγρή, πάστα ή στερεή μορφή. Όταν το κελί συνδέεται με ένα εξωτερικό φορτίο ή με μια συσκευή που τροφοδοτείται, το αρνητικό ηλεκτρόδιο τροφοδοτεί ένα ρεύμα ηλεκτρονίων που ρέουν μέσω του φορτίου και γίνονται αποδεκτά από το θετικό ηλεκτρόδιο. Όταν αφαιρεθεί το εξωτερικό φορτίο η αντίδραση σταματά.
Μια κύρια μπαταρία είναι αυτή που μπορεί να μετατρέψει τα χημικά της σε ηλεκτρική ενέργεια μόνο μία φορά και στη συνέχεια πρέπει να απορριφθεί. Μια δευτερεύουσα μπαταρία έχει ηλεκτρόδια που μπορούν να ανασυσταθούν περνώντας ηλεκτρικό ρεύμα πίσω από αυτό. που ονομάζεται επίσης αποθήκευση ή επαναφορτιζόμενη μπαταρία, μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί πολλές φορές.
Αυτή η μπαταρία χρησιμοποιεί οξείδιο του νικελίου στο θετικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος), μια ένωση καδμίου στο αρνητικό ηλεκτρόδιο (άνοδος) και διάλυμα υδροξειδίου του καλίου ως ηλεκτρολύτη. Η μπαταρία νικελίου καδμίου είναι επαναφορτιζόμενη, έτσι ώστε να μπορεί να κινείται επανειλημμένα. Μια μπαταρία νικελίου καδμίου μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια κατά την εκφόρτιση και μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια πίσω στη χημική ενέργεια κατά την επαναφόρτιση. Σε μια πλήρως αποφορτισμένη μπαταρία NiCd, η κάθοδος περιέχει υδροξείδιο νικελίου [Ni (OH) 2] και υδροξείδιο του καδμίου [Cd (OH) 2] στην άνοδο. Όταν φορτίζεται η μπαταρία, η χημική σύνθεση της καθόδου μετασχηματίζεται και το υδροξείδιο του νικελίου μεταβάλλεται στο οξυϋδροξείδιο του νικελίου [NiOOH]. Στην άνοδο, το υδροξείδιο του καδμίου μετατρέπεται σε κάδμιο. Καθώς η μπαταρία είναι αποφορτισμένη, η διαδικασία αντιστρέφεται, όπως φαίνεται στον παρακάτω τύπο.
Η μπαταρία νικελίου-υδρογόνου μπορεί να θεωρηθεί υβρίδιο μεταξύ της μπαταρίας νικελίου-καδμίου και της κυψέλης καυσίμου. Το ηλεκτρόδιο καδμίου αντικαταστάθηκε με ηλεκτρόδιο αερίου υδρογόνου. Αυτή η μπαταρία είναι οπτικά πολύ διαφορετική από τη μπαταρία νικελίου-καδμίου επειδή η κυψέλη είναι ένα δοχείο πίεσης, το οποίο πρέπει να περιέχει πάνω από χίλια λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα (psi) αερίου υδρογόνου. Είναι σημαντικά ελαφρύτερο από το νικέλιο-κάδμιο, αλλά είναι πιο δύσκολο να συσκευαστεί, σαν ένα κιβώτιο των αυγών.
Οι μπαταρίες νικελίου-υδρογόνου μερικές φορές συγχέονται με τις μπαταρίες νικελίου-υδριδίου μετάλλου, τις συνηθισμένες μπαταρίες σε κινητά τηλέφωνα και φορητούς υπολογιστές. Το νικέλιο-υδρογόνο, καθώς και οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου χρησιμοποιούν τον ίδιο ηλεκτρολύτη, ένα διάλυμα υδροξειδίου του καλίου, το οποίο κοινώς ονομάζεται λάδι.
Τα κίνητρα για την ανάπτυξη μπαταριών νικελίου / μετάλλου υδριδίου (Ni-MH) προέρχονται από πιεστικές ανησυχίες για την υγεία και το περιβάλλον για την εξεύρεση αντικαταστάσεων για τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες νικελίου / καδμίου. Λόγω των απαιτήσεων ασφαλείας των εργαζομένων, η επεξεργασία καδμίου για μπαταρίες στις Η.Π.Α. βρίσκεται ήδη στο στάδιο της κατάργησης. Επιπλέον, η περιβαλλοντική νομοθεσία για τη δεκαετία του 1990 και τον 21ο αιώνα πιθανότατα θα καταστήσει επιτακτική τη μείωση της χρήσης καδμίου σε μπαταρίες για κατανάλωση από τον καταναλωτή. Παρά τις πιέσεις αυτές, δίπλα στη μπαταρία μολύβδου-οξέος, η μπαταρία νικελίου / καδμίου εξακολουθεί να έχει το μεγαλύτερο μερίδιο της αγοράς επαναφορτιζόμενων μπαταριών. Περαιτέρω κίνητρα για την έρευνα μπαταριών με βάση το υδρογόνο προέρχονται από τη γενική πεποίθηση ότι το υδρογόνο και ο ηλεκτρισμός θα μετατοπίσουν και τελικά θα αντικαταστήσουν ένα σημαντικό μέρος των ενεργειακών εισροών πόρων από ορυκτά καύσιμα, καθιστώντας το θεμέλιο για ένα βιώσιμο ενεργειακό σύστημα με βάση τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας πηγές. Τέλος, υπάρχει σημαντικό ενδιαφέρον για την ανάπτυξη μπαταριών Ni-MH για ηλεκτρικά οχήματα και υβριδικά οχήματα.
Ο ηλεκτρολύτης ΚΟΗ μπορεί να μεταφέρει μόνο τα ιόντα ΟΗ και, για να εξισορροπηθεί η μεταφορά φορτίου, τα ηλεκτρόνια πρέπει να κυκλοφορούν μέσω του εξωτερικού φορτίου. Το ηλεκτρόδιο οξυ-υδροξειδίου του νικελίου (εξίσωση 1) έχει διερευνηθεί εκτενώς και έχει χαρακτηριστεί και η εφαρμογή του έχει αποδειχθεί ευρέως τόσο για εφαρμογές εδάφους όσο και για αεροδιαστημικές εφαρμογές. Το μεγαλύτερο μέρος της τρέχουσας έρευνας σε Ni / Metal Hydride μπαταρίες έχει εμπλακεί στη βελτίωση της απόδοσης της ανόδου υδριδίου μετάλλων. Συγκεκριμένα, αυτό απαιτεί την ανάπτυξη ηλεκτροδίου υδριδίου με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: (1) μακρύ (2) υψηλή χωρητικότητα, (3) υψηλό ρυθμό φόρτισης και εκφόρτισης σε σταθερή τάση, και (4) συγκράτηση χωρητικότητα.
Αυτά τα συστήματα είναι διαφορετικά από όλες τις προαναφερθείσες μπαταρίες, καθώς δεν χρησιμοποιείται νερό στον ηλεκτρολύτη. Χρησιμοποιούν αντ 'αυτού ένα μη υδατικό ηλεκτρολύτη, ο οποίος αποτελείται από οργανικά υγρά και άλατα λιθίου για την παροχή ιοντικής αγωγιμότητας. Το σύστημα αυτό έχει πολύ υψηλότερες τάσεις κυψελών από τα συστήματα υδατικού ηλεκτρολύτη. Χωρίς νερό, η εξέλιξη των υδρογόνων και των αερίων οξυγόνου εξαλείφεται και τα κύτταρα μπορούν να λειτουργούν με πολύ μεγαλύτερες δυνατότητες. Απαιτούν επίσης μια πιο σύνθετη συναρμολόγηση, καθώς πρέπει να γίνει σε σχεδόν απόλυτα ξηρή ατμόσφαιρα.
Ένας αριθμός μη επαναφορτιζόμενων μπαταριών αναπτύχθηκε για πρώτη φορά με μέταλλο λιθίου ως άνοδο. Τα εμπορικά κυκλώματα που χρησιμοποιούνται για τις σημερινές μπαταρίες ρολογιών είναι ως επί το πλείστον μια χημεία λιθίου. Αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούν μια ποικιλία συστημάτων καθόδου που είναι αρκετά ασφαλείς για τη χρήση των καταναλωτών. Οι κάθοδοι είναι κατασκευασμένες από διάφορα υλικά, όπως μονοφθοριούχο άνθρακα, οξείδιο του χαλκού ή πεντοξείδιο του βαναδίου. Όλα τα συστήματα στερεάς καθόδου περιορίζονται στον ρυθμό εκφόρτισης που θα υποστηρίξουν.
Για να επιτευχθεί υψηλότερος βαθμός απόρριψης, αναπτύχθηκαν συστήματα υγρής καθόδου. Ο ηλεκτρολύτης είναι δραστικός σε αυτά τα σχέδια και αντιδρά στην πορώδη κάθοδο, η οποία παρέχει καταλυτικές θέσεις και συλλογή ηλεκτρικού ρεύματος. Αρκετά παραδείγματα αυτών των συστημάτων περιλαμβάνουν το χλωριούχο λίθιο-θειονύλιο και το διοξείδιο του θειικού λιθίου. Αυτές οι μπαταρίες χρησιμοποιούνται στο χώρο και για στρατιωτικές εφαρμογές, καθώς και για σηματοδότες έκτακτης ανάγκης στο έδαφος. Γενικά δεν είναι διαθέσιμα στο κοινό επειδή είναι λιγότερο ασφαλή από τα στερεά συστήματα καθόδου.
Το επόμενο βήμα στην τεχνολογία μπαταριών ιόντων λιθίου πιστεύεται ότι είναι η μπαταρία πολυμερών λιθίου. Αυτή η μπαταρία αντικαθιστά τον υγρό ηλεκτρολύτη είτε με ηλεκτρολύτη πηκτωματοποιημένο είτε με αληθινό στερεό ηλεκτρολύτη. Αυτές οι μπαταρίες υποτίθεται ότι είναι ακόμη ελαφρύτερες από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, αλλά προς το παρόν δεν σχεδιάζεται να πετάξει αυτή η τεχνολογία στο διάστημα. Επίσης, δεν είναι κοινά διαθέσιμο στην εμπορική αγορά, παρόλο που μπορεί να είναι ακριβώς γύρω από τη γωνία.
Σε εκ των υστέρων, έχουμε προχωρήσει πολύ από τη διαρροή φακός μπαταρίες της δεκαετίας του εξήντα, όταν γεννήθηκε διαστημική πτήση. Υπάρχει ένα ευρύ φάσμα διαθέσιμων λύσεων για την κάλυψη των πολλών απαιτήσεων της διαστημικής πτήσης, 80 κάτω από το μηδέν στις υψηλές θερμοκρασίες μιας ηλιακής μύγας. Είναι δυνατό να χειριστείτε μαζική ακτινοβολία, δεκαετίες υπηρεσίας και φορτία φτάνοντας δεκάδες κιλοβάτ. Θα υπάρξει συνεχής εξέλιξη αυτής της τεχνολογίας και συνεχής προσπάθεια βελτίωσης των μπαταριών.