Vinnureglur orkugeymslurafhlöðna
Anorkugeymsla rafhlaðaer tæki sem umbreytir og geymir orku á milli raforku og efnaorku. Við losun er efnaorka beint breytt í raforku; við hleðslu er raforku breytt aftur í efnaorku til geymslu. Jákvæðu og neikvæðu rafskautin í rafhlöðunni eru úr mismunandi efnum. Þegar sami raflausn er settur í, munu bæði rafskautin koma á eigin rafskautsmöguleikum, eins og sýnt er með ABCD brotalínu á mynd 1-4 (bilið á milli strikalínunnar og rafskautanna táknar hið myndaða rafmagns tvöfalda lag). Munurinn á jafnvægisrafskautsgetu milli jákvæða og neikvæða rafskautsins myndar raforkukraft rafhlöðunnar (EMF) E.
Mynd 14 Skýringarmynd af vinnureglunni um orkugeymslurafhlöðu
Þegar jákvæðu og neikvæðu rafskautin eru tengd við utanaðkomandi álag, fær jákvæða rafskautsefnið til sín rafeindir og gangast undir afoxunarviðbrögð, sem framleiðir bakskautun og lækkar þannig jákvæða rafskautsgetu; neikvæða rafskautsefnið missir rafeindir og verður fyrir oxunarviðbrögðum, sem veldur anodískri skautun og hækkar þannig neikvæða rafskautsgetu. Fyrir ytri hringrásina flæða rafeindir frá neikvæða rafskautinu til jákvæða rafskautsins, þess vegna er straumstefnan frá jákvæða rafskautinu til neikvæða rafskautsins. Í raflausninni á sér stað hleðsluflutningur með jónahreyfingu, þannig að straumstefnan í innri hringrásinni er frá neikvæða rafskautinu til jákvæða rafskautsins. Í afhleðsluástandi er rafgeymisdreifingin sýnd með brotalínunum A'B'C'D' á mynd 1-4. Allt ferlið myndar algjöra lokaða lykkju sem gerir oxunar- og afoxunarhvörfum við rafskautin kleift að halda áfram stöðugt og tryggir þannig stöðugt straumflæði innan lokaðu lykkjunnar. Þegar rafhlaðan er að virka eru rafefnafræðileg viðbrögð sem mynda raforku við rafskautin kölluð flæðimyndandi viðbrögð og efnin sem taka þátt í þessum viðbrögðum eru kölluð virk efni.
Hleðsluferli rafhlöðu er í raun hið gagnstæða við afhleðsluferli hennar. Við hleðslu á sér stað oxun við jákvæða rafskautið, en minnkun á sér stað við neikvæða rafskautið; samtímis er flutningsstefna jóna í raflausninni andstæð þeirri sem er við losun, og ytri aflgjafi sem fer yfir opnu-hringrás rafhlöðunnar er nauðsynleg til að knýja þetta efnabreytingarferli, eins og sýnt er með brotnu línunum A"B"C"D" á mynd 1-4.
Til að auðvelda beina umbreytingu efnaorku í raforku er redoxferlið sem á sér stað innan orkugeymslurafhlöðu í grundvallaratriðum frábrugðið hefðbundnum redoxhvörfum. Í rafhlöðu þarf að aðgreina ferlið við að tapa rafeindum (oxun) og fá rafeindir (fækkun) í mismunandi svæði. Ennfremur verða rafeindir að flæða í gegnum ytri hringrás þegar virkir þættir taka þátt í hvarfinu. Þessir tveir lykilþættir aðgreina afoxunarkerfi innan rafhlöðu frá venjulegum efnafræðilegum redoxhvörfum og ör-frumuhvörfum í rafefnafræðilegum tæringarfyrirbærum.
Samsetning orkugeymslurafhlaðna
Grunnorkugeymslurafhlaða ætti að innihalda fjóra grundvallarþætti: rafskaut, raflausn, skilju og rafhlöðuhlíf.
rafskaut
Rafskaut, sem lykilþættir rafhlöðu, eru skipt í jákvæð og neikvæð rafskaut, aðallega samsett úr virkum efnum og leiðandi ramma. Meðal þeirra mynda virku efnin raforku með efnahvörfum við losun rafhlöðunnar og eru aðalþátturinn sem ákvarðar frammistöðu rafhlöðunnar. Virk efni eru að mestu leyti föst, en geta einnig verið til sem vökvi eða lofttegund.
Virk efni hafa afgerandi áhrif á heildarafköst rafhlöðunnar og hafa því almennt eftirfarandi kröfur um frammistöðu: ① Jákvætt rafskautsefnið ætti að hafa mikla möguleika, en neikvæða rafskautsefnið þarf að viðhalda lágum styrkleika til að tryggja að rafhlaðan geti myndað mikinn raforkukraft; ② Virk efni verða að hafa góða rafefnafræðilega hvarfvirkni, það er, þau ættu auðveldlega að taka þátt í redoxferlum; ③ Virkir íhlutir þurfa að hafa mikla sértæka getu miðað við þyngd og rúmmál; ④ Virk efni þurfa að hafa framúrskarandi efnafræðilegan stöðugleika í raflausnum og sjálfsupplausnarhraði- ætti að vera eins lágur og mögulegt er; ⑤ Virk efni ættu að hafa mikla rafræna leiðni; ⑥ Frá sjónarhóli hagfræði og sjálfbærrar þróunar ættu tilvalin virk efni að vera auðlindir sem eru mikið og ódýrar á jörðinni; ⑦ Virk efni ættu einnig að vera skaðlaus heilsu manna og náttúrulegt umhverfi.
Það er frekar krefjandi að uppfylla alla ofangreinda staðla fyrir tiltekið virkt efni; Þess vegna er alhliða íhugun nauðsynleg þegar virkt efni er valið. Sem stendur eru mest notaðu bakskautsefnin málmoxíð, svo sem blýdíoxíð, mangandíoxíð og nikkeloxíð, auk súrefnis úr loftinu. Fyrir rafskautsefni er úrval af efnafræðilega hvarfgjörnum málmum æskilegt, svo sem sink, blý, kadmíum, járn, litíum og natríum.
Hlutverk leiðandi ramma er að tengja virka efnið við ytri hringrásina og tryggja jafnvægi straumdreifingar. Það styður einnig virka efnið. Tilvalin leiðandi rammi ætti að hafa framúrskarandi vélrænan styrk, mikinn efnafræðilegan stöðugleika, lágt viðnám og góða vinnsluhæfni.
raflausnir
Meginhlutverk raflausnarinnar er að tryggja skilvirka jónaleiðni milli jákvæðu og neikvæðu rafskautanna og takast á við það verkefni að flytja jón. Í sumum tilfellum getur það einnig tekið þátt í rafefnafræðilegum viðbrögðum. Fyrir raflausnina sem notaður er í rafhlöðu ætti frammistaða hans að uppfylla eftirfarandi kröfur: ① Hann ætti að hafa góðan efnafræðilegan stöðugleika til að koma í veg fyrir veruleg rafefnafræðileg viðbrögð á snertifleti milli raflausnarinnar og virka efnisins meðan á geymslu stendur, og draga þannig úr sjálfsafhleðslu rafhlöðunnar; ② Það ætti að hafa mikla rafleiðni. Samsetning raflausna er mismunandi eftir mismunandi gerðum rafhlöðu og venjulega eru vatnslausnir af sýrum, basum eða söltum með framúrskarandi leiðni valin sem raflausn. Hins vegar getur verið að sum ný raforkutækni noti ný efni eins og raflausnir með lífrænum leysiefnum, bráðnum saltsöltum eða föstum raflausnum.
einangrun
Skilju, einnig þekkt sem himna eða skipting, er komið fyrir á milli jákvæðra og neikvæðra rafskauta rafhlöðunnar. Meginhlutverk þess er að koma í veg fyrir beina snertingu milli rafskautanna, sem gæti leitt til skammhlaups. Grunnkröfur um frammistöðu fyrir skilju eru: ① að vera góður rafeindaeinangrari til að koma í veg fyrir innri skammhlaup; ② hafa litla mótstöðu gegn jónaflutningi í raflausninni, sem dregur þar með úr innri viðnám alls tækisins og dregur verulega úr orkutapi við mikla-straumhleðsluskilyrði; ③ sem hefur góðan efnafræðilegan stöðugleika, þolir tæringu raflausna og afoxunarhvörfum rafskautsvirkra efna; ④ hafa nægjanlegan vélrænan styrk og beygjuþol til að hindra á áhrifaríkan hátt dendritvöxt og koma í veg fyrir að örsmáar virkar agnir komist inn í himnuna; ⑤ Með hliðsjón af efnahagslegum þáttum ætti hún að vera aðgengileg og ódýr.
Algeng aðskilnaðarefni eru bómullarpappír, kvoðapappír, örgjúpt plast, örgljúpt gúmmí, vökvaður sellulósa, nylondúkur og glertrefjar osfrv.
Rafhlöðuhlíf
Rafhlöðuhlífin, einnig þekkt sem rafhlöðuílátið, er eina gerð rafhlöðunnar í núverandi orkugeymslurafhlöðum þar sem sink rafskautið þjónar einnig sem hlíf. Aftur á móti hafa aðrar rafhlöðutegundir tilhneigingu til að nota tiltekin efni fyrir ytri hjúpun frekar en virka efnið sjálft. Tilvalið rafhlöðuhlíf ætti að hafa framúrskarandi vélræna eiginleika, standast titring og högg, haldast stöðugt við mikla hitastig og standast tæringu frá raflausninni. Í reynd eru efni eins og málmar, plast og harðgúmmí mikið notað sem rafhlöðuhylki vegna eigin kosta þeirra.