Funktionsprinzip von Energiespeicherbatterien
EinEnergiespeicherbatterieist ein Gerät, das Energie zwischen elektrischer Energie und chemischer Energie umwandelt und speichert. Bei der Entladung wird chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt; Beim Laden wird elektrische Energie zur Speicherung wieder in chemische Energie umgewandelt. Die positiven und negativen Elektroden der Batterie bestehen aus unterschiedlichen Materialien. Wenn derselbe Elektrolyt eingesetzt wird, bauen beide Elektroden ihre eigenen Elektrodenpotentiale auf, wie durch die gestrichelte ABCD-Linie in Abbildung 1-4 dargestellt (der Raum zwischen der gestrichelten Linie und den Elektroden stellt die gebildete elektrische Doppelschicht dar). Der Unterschied im Gleichgewichtselektrodenpotential zwischen der positiven und der negativen Elektrode bildet die elektromotorische Kraft (EMF) E der Batterie.
Abbildung 14 Schematische Darstellung des Funktionsprinzips der Energiespeicherbatterie
Wenn die positiven und negativen Elektroden an eine externe Last angeschlossen werden, nimmt das Material der positiven Elektrode Elektronen auf und durchläuft eine Reduktionsreaktion, wodurch eine kathodische Polarisation erzeugt wird, wodurch das positive Elektrodenpotential gesenkt wird. Das Material der negativen Elektrode verliert Elektronen und unterliegt einer Oxidationsreaktion, die zu einer anodischen Polarisation führt und so das Potenzial der negativen Elektrode erhöht. Im externen Stromkreis fließen Elektronen von der negativen zur positiven Elektrode, daher ist die Stromrichtung von der positiven zur negativen Elektrode. Im Elektrolyten erfolgt die Ladungsübertragung durch Ionenbewegung, daher verläuft die Stromrichtung im internen Stromkreis von der negativen zur positiven Elektrode. Im Entladezustand wird die Batteriepotentialverteilung durch die gestrichelten Linien A'B'C'D' in Abbildung 1-4 dargestellt. Der gesamte Prozess bildet einen vollständig geschlossenen Kreislauf, der die kontinuierliche Fortsetzung der Oxidations- und Reduktionsreaktionen an den Elektroden ermöglicht und so einen kontinuierlichen Stromfluss innerhalb des geschlossenen Kreislaufs gewährleistet. Wenn die Batterie in Betrieb ist, werden die elektrochemischen Reaktionen, die an den Elektroden elektrische Energie erzeugen, als strömungserzeugende Reaktionen bezeichnet, und die an diesen Reaktionen beteiligten Substanzen werden als aktive Materialien bezeichnet.
Der Ladevorgang einer Batterie ist im Wesentlichen die Umkehrung des Entladevorgangs. Während des Ladens findet an der positiven Elektrode eine Oxidation statt, während an der negativen Elektrode eine Reduktion stattfindet; Gleichzeitig ist die Migrationsrichtung der Ionen im Elektrolyten entgegengesetzt zu der während der Entladung, und es ist eine externe Stromquelle erforderlich, die die Leerlaufspannung der Batterie übersteigt, um diesen chemischen Umwandlungsprozess voranzutreiben, wie durch die gestrichelten Linien A „B“ C „D“ in Abbildung 1-4 dargestellt.
Um die direkte Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie zu ermöglichen, unterscheidet sich der Redoxprozess innerhalb einer Energiespeicherbatterie grundlegend von herkömmlichen Redoxreaktionen. In einer Batterie müssen die Prozesse des Elektronenverlusts (Oxidation) und des Elektronengewinns (Reduktion) in verschiedene Bereiche unterteilt werden. Darüber hinaus müssen Elektronen durch einen externen Stromkreis fließen, wenn aktive Komponenten an der Reaktion beteiligt sind. Diese beiden Schlüsselelemente unterscheiden den Redoxmechanismus innerhalb einer Batterie von gewöhnlichen chemischen Redoxreaktionen und den Mikrozellenreaktionen bei elektrochemischen Korrosionsphänomenen.
Zusammensetzung von Energiespeicherbatterien
Eine grundlegende Energiespeicherbatterie sollte vier grundlegende Komponenten enthalten: Elektroden, Elektrolyt, Separator und Batteriegehäuse.
Elektrode
Elektroden als Schlüsselkomponenten einer Batterie werden in positive und negative Elektroden unterteilt, die hauptsächlich aus aktiven Materialien und einem leitfähigen Gerüst bestehen. Unter ihnen erzeugen die aktiven Materialien durch chemische Reaktionen während der Batterieentladung elektrische Energie und sind der Hauptfaktor für die Batterieleistung. Aktive Materialien sind meist fest, können aber auch als Flüssigkeiten oder Gase vorliegen.
Aktive Materialien haben einen entscheidenden Einfluss auf die Gesamtleistung einer Batterie und stellen daher im Allgemeinen die folgenden Leistungsanforderungen: ① Das positive Elektrodenmaterial sollte ein hohes Potenzial haben, während das negative Elektrodenmaterial ein niedriges Potenzial aufrechterhalten muss, um sicherzustellen, dass die Batterie eine große elektromotorische Kraft erzeugen kann; ② Aktive Materialien müssen eine gute elektrochemische Reaktivität aufweisen, das heißt, sie sollten leicht an Redoxprozessen teilnehmen; ③ Aktive Komponenten müssen eine hohe spezifische Kapazität nach Gewicht und Volumen aufweisen; ④ Aktive Materialien müssen in Elektrolytlösungen eine ausgezeichnete chemische Stabilität aufweisen und die Selbstauflösungsrate sollte so niedrig wie möglich sein; ⑤ Aktive Materialien sollten eine hohe elektronische Leitfähigkeit haben; ⑥ Aus wirtschaftlicher und nachhaltiger Sicht sollten ideale aktive Materialien Ressourcen sein, die auf der Erde reichlich vorhanden und kostengünstig sind. ⑦ Aktive Materialien sollten außerdem für die menschliche Gesundheit und die natürliche Umwelt unbedenklich sein.
Die Erfüllung aller oben genannten Standards für ein bestimmtes aktives Material ist eine große Herausforderung. Daher ist bei der Auswahl eines Aktivmaterials eine umfassende Überlegung erforderlich. Die derzeit am häufigsten verwendeten Kathodenmaterialien sind Metalloxide wie Bleidioxid, Mangandioxid und Nickeloxid sowie Sauerstoff aus der Luft. Als Anodenmaterialien werden eine Reihe chemisch reaktiver Metalle bevorzugt, beispielsweise Zink, Blei, Cadmium, Eisen, Lithium und Natrium.
Die Funktion des leitfähigen Gerüsts besteht darin, das aktive Material mit dem externen Stromkreis zu verbinden und eine ausgewogene Stromverteilung sicherzustellen. Es unterstützt auch das aktive Material. Ein ideales leitfähiges Gerüst sollte eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit, eine hohe chemische Stabilität, einen geringen spezifischen Widerstand und eine gute Verarbeitbarkeit aufweisen.
Elektrolyte
Die Hauptfunktion des Elektrolyten besteht darin, eine effektive Ionenleitung zwischen der positiven und negativen Elektrode sicherzustellen und die Aufgabe des Ionentransports zu übernehmen. In manchen Fällen kann es auch an elektrochemischen Reaktionen beteiligt sein. Die Leistung des in einer Batterie verwendeten Elektrolyten sollte die folgenden Anforderungen erfüllen: ① Er sollte über eine gute chemische Stabilität verfügen, um signifikante elektrochemische Reaktionen an der Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten und dem aktiven Material während der Lagerung zu verhindern und dadurch die Selbstentladung der Batterie zu verringern; ② Es sollte eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben. Die Elektrolytzusammensetzung variiert je nach Batterietyp und typischerweise werden wässrige Lösungen von Säuren, Laugen oder Salzen mit ausgezeichneter Leitfähigkeit als Elektrolyt gewählt. Einige neue Energietechnologien können jedoch neuartige Materialien wie organische Lösungsmittelelektrolyte, geschmolzene Salzelektrolyte oder feste Elektrolyte verwenden.
Isolierung
Ein Separator, auch Membran oder Trennwand genannt, wird zwischen den positiven und negativen Elektroden einer Batterie platziert. Seine Hauptfunktion besteht darin, einen direkten Kontakt zwischen den Elektroden zu verhindern, der zu einem Kurzschluss führen könnte. Zu den grundlegenden Leistungsanforderungen an Separatoren gehören: ① ein guter elektronischer Isolator zur Vermeidung interner Kurzschlüsse; ② einen geringen Widerstand gegen die Ionenmigration im Elektrolyten aufweist, wodurch der Innenwiderstand des gesamten Geräts verringert und der Energieverlust unter Hochstromentladungsbedingungen erheblich reduziert wird; ③ besitzt eine gute chemische Stabilität und widersteht Elektrolytkorrosion und den Redoxreaktionen elektrodenaktiver Materialien; ④ ausreichende mechanische Festigkeit und Biegefestigkeit aufweisen, um das Dendritenwachstum wirksam zu blockieren und zu verhindern, dass winzige aktive Partikel in die Membran eindringen; ⑤ Unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Faktoren sollte es leicht verfügbar und kostengünstig sein.
Zu den gängigen Separatormaterialien gehören Baumwollpapier, Zellstoffpapier, mikroporöse Kunststoffe, mikroporöser Gummi, hydratisierte Zellulose, Nylongewebe und Glasfasern usw.
Batteriegehäuse
Das Batteriegehäuse, auch Batteriebehälter genannt, ist der einzige Batterietyp in bestehenden Energiespeicherbatterien, bei dem die Zinkelektrode auch als Gehäuse dient. Im Gegensatz dazu verwenden andere Batterietypen eher bestimmte Materialien für die externe Verkapselung als das aktive Material selbst. Ein ideales Batteriegehäuse sollte über hervorragende mechanische Eigenschaften verfügen, Vibrationen und Stößen standhalten, unter extremen Temperaturbedingungen stabil bleiben und der Korrosion durch den Elektrolyten widerstehen. In der Praxis werden Materialien wie Metalle, Kunststoffe und Hartgummi aufgrund ihrer jeweiligen Vorteile häufig als Batteriegehäuse verwendet.