Energiasalvestite tööpõhimõte
Anenergiat salvestav akuon seade, mis muundab ja salvestab energiat elektrienergia ja keemilise energia vahel. Tühjenemise ajal muundatakse keemiline energia otse elektrienergiaks; laadimise ajal muudetakse elektrienergia salvestamiseks tagasi keemiliseks energiaks. Aku positiivsed ja negatiivsed elektroodid on valmistatud erinevatest materjalidest. Kui sisestatakse sama elektrolüüt, loovad mõlemad elektroodid oma elektroodipotentsiaalid, nagu on näidatud ABCD katkendjoonega joonisel 1-4 (katkendjoone ja elektroodide vaheline ruum tähistab moodustunud elektrilist topeltkihti). Positiivse ja negatiivse elektroodi vahelise tasakaaluelektroodi potentsiaali erinevus moodustab aku elektromotoorjõu (EMF) E.
Joonis 14 Energiasalvestava aku tööpõhimõtte skemaatiline diagramm
Kui positiivsed ja negatiivsed elektroodid on ühendatud väliskoormusega, omandab positiivse elektroodi materjal elektrone ja läbib redutseerimisreaktsiooni, tekitades katoodpolarisatsiooni, alandades seega positiivse elektroodi potentsiaali; negatiivse elektroodi materjal kaotab elektronid ja läbib oksüdatsioonireaktsiooni, tekitades anoodilise polarisatsiooni, suurendades seega negatiivse elektroodi potentsiaali. Välisahela puhul liiguvad elektronid negatiivselt elektroodilt positiivsele elektroodile, seetõttu on voolu suund positiivselt elektroodilt negatiivsele elektroodile. Elektrolüüdis toimub laengu ülekanne ioonide liikumise kaudu, seega on voolu suund siseringis negatiivselt elektroodilt positiivsele elektroodile. Tühjenemise olekus on aku potentsiaali jaotus näidatud katkendlike joontega A'B'C'D' joonisel 1-4. Kogu protsess moodustab täieliku suletud ahela, võimaldades oksüdatsiooni- ja redutseerimisreaktsioonidel elektroodidel pidevalt jätkuda, tagades seega pideva voolu liikumise suletud ahelas. Kui aku töötab, nimetatakse elektrokeemilisi reaktsioone, mis tekitavad elektroodidel elektrienergiat, voolu tekitavateks reaktsioonideks ja nendes reaktsioonides osalevaid aineid nimetatakse aktiivseteks materjalideks.
Aku laadimisprotsess on sisuliselt vastupidine selle tühjenemisprotsessile. Laadimise ajal toimub positiivsel elektroodil oksüdatsioon, negatiivsel elektroodil aga redutseerimine; samaaegselt on ioonide migratsioonisuund elektrolüüdis vastupidine tühjenemise ajal toimuvale ja selle keemilise muundamise protsessi käivitamiseks on vaja välist toiteallikat, mis ületab aku avatud-vooluahela pinget, nagu näitavad katkendlikud jooned A"B"C"D" joonisel 1-4.
Keemilise energia otsese elektrienergiaks muundamise hõlbustamiseks erineb energiasalvestis toimuv redoksprotsess põhimõtteliselt tavapärastest redoksreaktsioonidest. Patareis tuleb elektronide kaotamise (oksüdatsiooni) ja elektronide saamise (redutseerimise) protsessid eraldada erinevatesse piirkondadesse. Lisaks peavad elektronid voolama läbi välise ahela, kui reaktsioonis osalevad aktiivsed komponendid. Need kaks põhielementi eristavad aku redoksmehhanismi tavalistest keemilistest redoksreaktsioonidest ja mikro{3}}rakkude reaktsioonidest elektrokeemilise korrosiooni nähtustes.
Energiasalvestavate akude koostis
Põhiline energiasalvesti peaks sisaldama nelja põhikomponenti: elektroodid, elektrolüüt, eraldaja ja aku korpus.
elektrood
Elektroodid kui aku põhikomponendid jagunevad positiivseteks ja negatiivseteks elektroodideks, mis koosnevad peamiselt aktiivsetest materjalidest ja juhtivast raamistikust. Nende hulgas toodavad aktiivsed materjalid elektrienergiat keemiliste reaktsioonide kaudu aku tühjenemise ajal ja on aku jõudlust määrav peamine tegur. Aktiivsed materjalid on enamasti tahked, kuid võivad esineda ka vedelike või gaasidena.
Aktiivsetel materjalidel on otsustav mõju aku üldisele jõudlusele ja seetõttu on neil üldiselt järgmised jõudlusnõuded: ① Positiivse elektroodi materjalil peab olema kõrge potentsiaal, samas kui negatiivse elektroodi materjalil peab olema madal potentsiaal, et aku saaks tekitada suure elektromotoorjõu; ② Aktiivsetel materjalidel peab olema hea elektrokeemiline reaktsioonivõime, see tähendab, et nad peaksid kergesti osalema redoksprotsessides; ③ Aktiivsetel komponentidel peab olema suur erivõimsus kaalu ja mahu järgi; ④ Aktiivsetel materjalidel peab elektrolüütide lahustes olema suurepärane keemiline stabiilsus ja iseeneslik{0}}lahustumise kiirus peab olema võimalikult madal; ⑤ Aktiivsetel materjalidel peaks olema kõrge elektrooniline juhtivus; ⑥ Majanduse ja säästva arengu seisukohast peaksid ideaalsed aktiivmaterjalid olema Maal külluslikud ja odavad ressursid; ⑦ Aktiivsed materjalid peaksid olema ka inimeste tervisele ja looduskeskkonnale kahjutud.
Kõigi ülaltoodud standardite täitmine konkreetse aktiivse materjali puhul on üsna keeruline; seetõttu on aktiivse materjali valimisel vajalik igakülgne kaalumine. Praegu on kõige laialdasemalt kasutatavad katoodmaterjalid metallioksiidid, nagu pliidioksiid, mangaandioksiid ja nikkeloksiid, samuti õhust saadav hapnik. Anoodmaterjalide puhul eelistatakse mitmesuguseid keemiliselt reaktiivseid metalle, nagu tsink, plii, kaadmium, raud, liitium ja naatrium.
Juhtiva karkassi ülesanne on ühendada aktiivmaterjal välisahelaga ja tagada tasakaalustatud voolujaotus. Samuti toetab see aktiivset materjali. Ideaalsel juhtival karkassil peaks olema suurepärane mehaaniline tugevus, kõrge keemiline stabiilsus, madal takistus ja hea töödeldavus.
elektrolüüdid
Elektrolüüdi esmane ülesanne on tagada ioonide efektiivne juhtivus positiivsete ja negatiivsete elektroodide vahel, täites ioonide transpordi ülesannet. Mõnel juhul võib see osaleda ka elektrokeemilistes reaktsioonides. Akus kasutatava elektrolüüdi toimivus peaks vastama järgmistele nõuetele: ① Sellel peab olema hea keemiline stabiilsus, et hoida ära olulisi elektrokeemilisi reaktsioone elektrolüüdi ja aktiivse materjali vahelisel liidesel säilitamise ajal, vähendades seeläbi aku isetühjenemist; ② Sellel peaks olema kõrge elektrijuhtivus. Elektrolüüdi koostis on erinevat tüüpi patareide puhul erinev ja tavaliselt valitakse elektrolüüdiks hapete, leeliste või soolade vesilahused, millel on suurepärane juhtivus. Mõned uued energiatehnoloogiad võivad siiski kasutada uudseid materjale, nagu orgaaniliste lahustite elektrolüüdid, sulasoola elektrolüüdid või tahked elektrolüüdid.
isolatsioon
Eraldaja, tuntud ka kui membraan või vahesein, asetatakse aku positiivse ja negatiivse elektroodi vahele. Selle põhiülesanne on vältida otsest kontakti elektroodide vahel, mis võib põhjustada lühise. Separaatorite põhilised jõudlusnõuded hõlmavad järgmist: ① olema hea elektrooniline isolaator, et vältida sisemisi lühiseid; ② omab väikest takistust ioonide migratsioonile elektrolüüdis, vähendades seeläbi kogu seadme sisemist takistust ja oluliselt vähendades energiakadu suure-voolu tühjenemise tingimustes; ③ millel on hea keemiline stabiilsus, mis talub elektrolüütide korrosiooni ja elektroodide aktiivsete materjalide redoksreaktsioone; ④ piisav mehaaniline tugevus ja painutuskindlus, et tõhusalt blokeerida dendriidi kasvu ja vältida väikeste aktiivsete osakeste tungimist membraani; ⑤ Majanduslikke tegureid arvestades peaks see olema kergesti kättesaadav ja odav.
Levinud separaatorimaterjalide hulka kuuluvad puuvillapaber, paberimass, mikropoorsed plastid, mikropoorsed kummid, hüdraatunud tselluloos, nailonriie ja klaaskiud jne.
Aku korpus
Aku korpus, tuntud ka kui akukonteiner, on ainuke akutüüp olemasolevates energiasalvestavates patareides, mille korpusena toimib ka tsinkelektrood. Seevastu muud tüüpi patareid kasutavad väliseks kapseldamiseks pigem spetsiifilisi materjale kui aktiivset materjali ennast. Ideaalsel akukorpusel peavad olema suurepärased mehaanilised omadused, see peab vastu pidama vibratsioonile ja löökidele, püsima stabiilsena äärmuslikes temperatuuritingimustes ja vastu pidama elektrolüüdi korrosioonile. Praktikas kasutatakse akukorpusena laialdaselt selliseid materjale nagu metallid, plastid ja kõvakummi nende vastavate eeliste tõttu.