Elektrische Batterie - Electric battery

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Batterie
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Verschiedene Zellen und Batterien ( von oben links nach unten rechts): Zwei AA , einem D , einem Handheld - Ham Radio Batterie, zwei 9-Volt (PP3), zwei AAA , ein C , ein Camcorder - Akku, ein schnurloses Telefon Batterie
Art Energiequelle
Arbeitsprinzip Elektrochemische Reaktionen , elektromotorische Kraft
Erste Produktion 1800er Jahre
Elektronisches Symbol
Batteriesymbol2.svg
Das Symbol für eine Batterie in einem Schaltplan . Es entstand als schematische Zeichnung des frühesten Batterietyps, eines Voltaikstapels .

Eine Batterie ist eine Stromquelle, die aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen mit externen Anschlüssen zur Stromversorgung elektrischer Geräte wie Taschenlampen , Mobiltelefone und Elektroautos besteht . Wenn eine Batterie elektrischen Strom liefert , ist ihr positiver Anschluss die Kathode und ihr negativer Anschluss die Anode . Der als negativ gekennzeichnete Anschluss ist die Elektronenquelle, die durch einen externen Stromkreis zum positiven Anschluss fließt. Wenn eine Batterie an eine externe elektrische Last angeschlossen wird, wandelt eine Redoxreaktion hochenergetische Reaktanten in energiearme Produkte um, und die Differenz der freien Energie wird als elektrische Energie an den externen Stromkreis geliefert. Historisch gesehen bezog sich der Begriff "Batterie" speziell auf ein Gerät, das aus mehreren Zellen besteht, jedoch hat sich die Verwendung dahingehend entwickelt, Geräte einzuschließen, die aus einer einzelnen Zelle bestehen.

Primäre (Einweg- oder „ Wegwerf “) Batterien verwendet werden , sobald und verworfen, da die Elektrodenmaterialien werden während der Entladung irreversibel verändert; Ein häufiges Beispiel ist die Alkalibatterie für Taschenlampen und eine Vielzahl tragbarer elektronischer Geräte. Sekundäre (wiederaufladbare) Batterien können unter Verwendung eines angelegten elektrischen Stroms mehrmals entladen und wieder aufgeladen werden. Die ursprüngliche Zusammensetzung der Elektroden kann durch Rückstrom wiederhergestellt werden. Beispiele hierfür sind die in Fahrzeugen verwendeten Blei-Säure-Batterien und Lithium-Ionen- Batterien für tragbare Elektronik wie Laptops und Mobiltelefone.

Batterien gibt es in vielen Formen und Größen, von Miniaturzellen, die zur Stromversorgung von Hörgeräten und Armbanduhren verwendet werden, über kleine, dünne Zellen, die in Smartphones verwendet werden , bis zu großen Blei-Säure-Batterien oder Lithium-Ionen-Batterien in Fahrzeugen und im größten Extrem zu riesigen Batteriebänken Größe der Räume, die Standby- oder Notstromversorgung für Telefonzentralen und Computer- Rechenzentren bieten .

Batterien haben eine viel geringere spezifische Energie (Energie pro Masseneinheit) als herkömmliche Kraftstoffe wie Benzin. In Kraftfahrzeugen wird dies durch den höheren Wirkungsgrad von Elektromotoren bei der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Arbeit im Vergleich zu Verbrennungsmotoren etwas ausgeglichen.

Geschichte

Ein Voltaikhaufen , die erste Batterie
Der italienische Physiker Alessandro Volta demonstriert dem französischen Kaiser Napoleon Bonaparte seinen Haufen

Die Verwendung von "Batterie" zur Beschreibung einer Gruppe elektrischer Geräte stammt von Benjamin Franklin , der 1748 mehrere Leyden-Gläser analog zu einer Kanonenbatterie beschrieb (Benjamin Franklin entlehnte den Begriff "Batterie" vom Militär, der sich auf die Funktionsweise von Waffen bezieht zusammen).

Der italienische Physiker Alessandro Volta baute und beschrieb 1800 die erste elektrochemische Batterie, den Voltaikstapel . Dies war ein Stapel Kupfer- und Zinkplatten, die durch mit Salzlake getränkte Papierscheiben getrennt waren und über einen längeren Zeitraum einen konstanten Strom erzeugen konnten. Volta verstand nicht, dass die Spannung auf chemische Reaktionen zurückzuführen war. Er dachte, dass seine Zellen eine unerschöpfliche Energiequelle seien und dass die damit verbundenen Korrosionseffekte an den Elektroden eher ein Ärgernis als eine unvermeidbare Folge ihres Betriebs seien, wie Michael Faraday 1834 zeigte.

Obwohl frühe Batterien für experimentelle Zwecke von großem Wert waren, schwankten ihre Spannungen in der Praxis und sie konnten über einen längeren Zeitraum keinen großen Strom liefern. Die Daniell - Zelle , erfunden im Jahr 1836 von den britischen Chemiker John Frederic Daniell , war die erste praktische Quelle für Elektrizität , ein Industriestandard zu werden und weit verbreitete Annahme als Energiequelle für das Sehen elektrische Telegraphen - Netzwerke. Es bestand aus einem mit einer Kupfersulfatlösung gefüllten Kupfertopf , in den ein mit Schwefelsäure gefüllter unglasierter Steingutbehälter und eine Zinkelektrode eingetaucht waren .

Diese feuchten Zellen verwendeten flüssige Elektrolyte, die bei unsachgemäßer Handhabung zum Auslaufen und Verschütten neigten. Viele benutzten Gläser, um ihre Komponenten zu halten, was sie zerbrechlich und potenziell gefährlich machte. Diese Eigenschaften machten Nasszellen für tragbare Geräte ungeeignet. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts machte die Erfindung von Trockenbatterien , die den flüssigen Elektrolyten durch eine Paste ersetzten, tragbare elektrische Geräte praktisch.

Funktionsprinzip

Eine Voltaizelle zu Demonstrationszwecken. In diesem Beispiel sind die beiden Halbzellen durch eine Salzbrücke verbunden , die den Ionentransfer ermöglicht.

Batterien wandeln chemische Energie direkt in elektrische Energie um . In vielen Fällen ist die freigesetzte elektrische Energie der Unterschied in der Kohäsions- oder Bindungsenergie der Metalle, Oxide oder Moleküle, die der elektrochemischen Reaktion unterliegen. Beispielsweise kann Energie in Zn oder Li gespeichert werden, die hochenergetische Metalle sind, da sie im Gegensatz zu Übergangsmetallen nicht durch d-Elektronenbindung stabilisiert werden . Batterien sind so ausgelegt, dass die energetisch günstige Redoxreaktion nur dann auftreten kann, wenn sich Elektronen durch den äußeren Teil des Stromkreises bewegen.

Eine Batterie besteht aus einer Anzahl von Voltaikzellen . Jede Zelle besteht aus zwei Halbzellen in Reihe geschaltet sind durch einen leitenden Elektrolyten enthaltenden Metallkationen . Eine Halbzelle enthält Elektrolyt und die negative Elektrode, die Elektrode, zu der Anionen (negativ geladene Ionen) wandern; Die andere Halbzelle enthält den Elektrolyten und die positive Elektrode, zu der Kationen (positiv geladene Ionen ) wandern. Kationen werden an der Kathode reduziert (Elektronen werden hinzugefügt), während Metallatome an der Anode oxidiert werden (Elektronen werden entfernt). Einige Zellen verwenden unterschiedliche Elektrolyte für jede Halbzelle; Dann wird ein Separator verwendet, um ein Vermischen der Elektrolyte zu verhindern, während Ionen zwischen Halbzellen fließen können, um den Stromkreis zu vervollständigen.

Jede Halbzelle hat eine elektromotorische Kraft ( EMK , gemessen in Volt) relativ zu einem Standard . Die Netto-EMK der Zelle ist die Differenz zwischen den EMK ihrer Halbzellen. Wenn also die Elektroden EMK und haben , dann ist die Netto-EMK ; mit anderen Worten, ist der Netto emf die Differenz zwischen den Reduktionspotentiale der Halbreaktionen .

Die elektrische Antriebskraft oder über die Klemmen einer Zelle wird als Klemmenspannung (Differenz) bezeichnet und in Volt gemessen . Die Klemmenspannung einer Zelle, die weder geladen noch entladen wird, wird als Leerlaufspannung bezeichnet und entspricht der EMK der Zelle. Aufgrund des Innenwiderstands ist die Klemmenspannung einer entladenden Zelle kleiner als die Leerlaufspannung und die Klemmenspannung einer ladenden Zelle überschreitet die Leerlaufspannung. Eine ideale Zelle hat einen vernachlässigbaren Innenwiderstand, so dass sie eine konstante Klemmenspannung von bis zur Erschöpfung aufrechterhalten und dann auf Null fallen würde. Wenn eine solche Zelle 1,5 Volt aufrechterhalten und eine Ladung von einem Coulomb erzeugen würde, hätte sie bei vollständiger Entladung 1,5 Joule Arbeit geleistet. In tatsächlichen Zellen steigt der Innenwiderstand unter Entladung an und die Leerlaufspannung nimmt auch unter Entladung ab. Wenn die Spannung und der Widerstand gegen die Zeit aufgetragen werden, sind die resultierenden Graphen typischerweise eine Kurve; Die Form der Kurve variiert je nach Chemie und interner Anordnung.

Die an den Anschlüssen einer Zelle entstehende Spannung hängt von der Energiefreisetzung der chemischen Reaktionen ihrer Elektroden und ihres Elektrolyten ab. Alkalische und Zink-Kohlenstoff- Zellen haben unterschiedliche chemische Eigenschaften, aber ungefähr die gleiche EMK von 1,5 Volt; Ebenso haben NiCd- und NiMH- Zellen unterschiedliche chemische Eigenschaften, aber ungefähr die gleiche EMK von 1,2 Volt. Die hohen elektrochemischen Potentialänderungen bei den Reaktionen von Lithiumverbindungen ergeben Lithiumzellen-EMK von 3 Volt oder mehr.

Kategorien und Arten von Batterien

Von oben nach unten: eine große 4,5-Volt- 3R12- Batterie, eine D-Zelle , eine C-Zelle , eine AA-Zelle , eine AAA-Zelle , eine AAAA-Zelle , eine A23-Batterie , eine 9-Volt- PP3-Batterie und ein Paar Knopfzellen (CR2032 und LR44)

Batterien werden in primäre und sekundäre Formen eingeteilt:

  • Primärbatterien sind so konzipiert , verwendet werden , bis die Energie erschöpft dann verworfen. Ihre chemischen Reaktionen sind im Allgemeinen nicht reversibel, so dass sie nicht wieder aufgeladen werden können. Wenn der Vorrat an Reaktanten in der Batterie erschöpft ist, erzeugt die Batterie keinen Strom mehr und ist unbrauchbar.
  • Sekundärbatterien können aufgeladen werden; Das heißt, sie können ihre chemischen Reaktionen umkehren lassen, indem sie elektrischen Strom an die Zelle anlegen. Dadurch werden die ursprünglichen chemischen Reaktanten regeneriert, sodass sie mehrmals verwendet, wieder aufgeladen und erneut verwendet werden können.

Einige Arten von Primärbatterien, die beispielsweise für Telegraphenschaltungen verwendet wurden, wurden durch Ersetzen der Elektroden wieder in Betrieb genommen. Sekundärbatterien sind aufgrund der Ableitung der aktiven Materialien, des Elektrolytverlusts und der inneren Korrosion nicht unbegrenzt wiederaufladbar.

Primär

Primärbatterien oder Primärzellen können bei der Montage sofort Strom erzeugen. Diese werden am häufigsten in tragbaren Geräten verwendet, die eine geringe Stromaufnahme aufweisen, nur zeitweise verwendet werden oder weit entfernt von einer alternativen Stromquelle verwendet werden, z. B. in Alarm- und Kommunikationsschaltungen, in denen andere elektrische Energie nur zeitweise verfügbar ist. Einweg-Primärzellen können nicht zuverlässig wieder aufgeladen werden, da die chemischen Reaktionen nicht leicht reversibel sind und aktive Materialien möglicherweise nicht in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Batteriehersteller raten davon ab, Primärzellen aufzuladen. Im Allgemeinen haben diese eine höhere Energiedichte als wiederaufladbare Batterien, aber Einwegbatterien schneiden bei Anwendungen mit hohem Stromverbrauch und Lasten unter 75 Ohm (75 Ω) nicht gut ab. Übliche Arten von Einwegbatterien sind Zink-Kohlenstoff-Batterien und Alkalibatterien .

Sekundär

Sekundärbatterien, auch als Sekundärzellen oder wiederaufladbare Batterien bezeichnet , müssen vor dem ersten Gebrauch aufgeladen werden. Sie werden üblicherweise mit aktiven Materialien im entladenen Zustand zusammengesetzt. Wiederaufladbare Batterien werden durch Anlegen von elektrischem Strom (wieder) aufgeladen, wodurch die chemischen Reaktionen, die während des Entladens / Gebrauchs auftreten, umgekehrt werden. Geräte zur Versorgung mit dem entsprechenden Strom werden als Ladegeräte bezeichnet.

Die älteste Form der wiederaufladbaren Batterie ist die Blei-Säure-Batterie , die in Automobil- und Bootsanwendungen weit verbreitet ist . Diese Technologie enthält flüssigen Elektrolyten in einem nicht verschlossenen Behälter. Daher muss die Batterie aufrecht gehalten und der Bereich gut belüftet werden, um eine sichere Verteilung des Wasserstoffgases zu gewährleisten , das beim Überladen entsteht. Die Blei-Säure-Batterie ist relativ schwer für die Menge an elektrischer Energie, die sie liefern kann. Seine niedrigen Herstellungskosten und sein hoher Stoßstrom machen es üblich, dass seine Kapazität (über ungefähr 10 Ah) wichtiger ist als Gewichts- und Handhabungsprobleme. Eine häufige Anwendung ist die moderne Autobatterie , die im Allgemeinen einen Spitzenstrom von 450 Ampere liefern kann .

Die versiegelte ventilgeregelte Blei-Säure-Batterie (VRLA-Batterie) ist in der Automobilindustrie als Ersatz für die Blei-Säure-Nasszelle beliebt. Die VRLA-Batterie verwendet einen immobilisierten Schwefelsäureelektrolyten , wodurch die Wahrscheinlichkeit von Leckagen verringert und die Haltbarkeit verlängert wird . VRLA-Batterien machen den Elektrolyten bewegungsunfähig. Die zwei Typen sind:

  • Gelbatterien (oder "Gelzellen") verwenden einen halbfesten Elektrolyten.
  • Absorbed Glass Mat (AGM) -Batterien absorbieren den Elektrolyten in einer speziellen Glasfasermatte.

Andere tragbare wiederaufladbare Batterien umfassen mehrere versiegelte "Trockenzellentypen", die in Anwendungen wie Mobiltelefonen und Laptops nützlich sind . Zellen dieses Typs (in der Reihenfolge zunehmender Leistungsdichte und Kosten) umfassen Nickel-Cadmium- (NiCd), Nickel-Zink- (NiZn), Nickel-Metallhydrid- (NiMH) und Lithium-Ionen- (Li-Ionen) Zellen. Li-Ion hat mit Abstand den höchsten Anteil am Markt für wiederaufladbare Trockenzellen. NiMH hat NiCd in den meisten Anwendungen aufgrund seiner höheren Kapazität ersetzt, aber NiCd wird weiterhin in Elektrowerkzeugen , Funkgeräten und medizinischen Geräten verwendet .

In den 2000er Jahren wurden unter anderem Batterien mit eingebetteter Elektronik wie USBCELL entwickelt , mit denen eine AA-Batterie über einen USB- Anschluss aufgeladen werden kann , Nanoball-Batterien , die eine etwa 100-mal höhere Entladerate als aktuelle Batterien ermöglichen, und intelligente Batteriepacks mit Ladezustand Monitore und Batterieschutzkreise, die Schäden durch Überentladung verhindern. Durch die geringe Selbstentladung (LSD) können Sekundärzellen vor dem Versand aufgeladen werden.

Zelltypen

Es wurden viele Arten von elektrochemischen Zellen mit unterschiedlichen chemischen Prozessen und Konstruktionen hergestellt, einschließlich galvanischer Zellen , Elektrolysezellen , Brennstoffzellen , Durchflusszellen und Voltaikpfählen.

Nasse Zelle

Eine Nasszellenbatterie hat einen flüssigen Elektrolyten . Andere Namen sind überflutete Zellen , da die Flüssigkeit alle inneren Teile oder belüfteten Zellen bedeckt , da während des Betriebs entstehende Gase in die Luft entweichen können. Nasse Zellen waren ein Vorläufer für trockene Zellen und werden üblicherweise als Lernwerkzeug für die Elektrochemie verwendet . Sie können mit gängigen Laborgeräten wie Bechern gebaut werden , um die Funktionsweise elektrochemischer Zellen zu demonstrieren. Ein bestimmter Typ einer feuchten Zelle, der als Konzentrationszelle bekannt ist, ist wichtig für das Verständnis der Korrosion . Nasse Zellen können Primärzellen (nicht wiederaufladbar) oder Sekundärzellen (wiederaufladbar) sein. Ursprünglich wurden alle praktischen Primärbatterien wie die Daniell-Zelle als Nasszellen mit offenem Glas gebaut. Andere primäre feuchte Zellen sind die Leclanche-Zelle , die Grove-Zelle , die Bunsen-Zelle , die Chromsäure-Zelle , die Clark-Zelle und die Weston-Zelle . Die Leclanche-Zellchemie wurde an die ersten Trockenzellen angepasst. Nasszellen werden immer noch in Autobatterien und in der Industrie für Standby-Strom für Schaltanlagen , Telekommunikation oder große unterbrechungsfreie Stromversorgungen verwendet , aber vielerorts wurden stattdessen Batterien mit Gelzellen verwendet. Diese Anwendungen verwenden üblicherweise Blei-Säure- oder Nickel-Cadmium- Zellen.

Trockenbatterie

Strichzeichnungen einer Trockenzelle:
1. Messingkappe, 2. Kunststoffdichtung, 3. Expansionsraum, 4. poröser Karton, 5. Zinkdose, 6. Kohlenstoffstab, 7. chemisches Gemisch

Eine Trockenzelle verwendet einen Pastenelektrolyten mit nur genügend Feuchtigkeit, damit Strom fließen kann. Im Gegensatz zu einer Nasszelle kann eine Trockenzelle in jeder Ausrichtung ohne Verschütten betrieben werden, da sie keine freie Flüssigkeit enthält und somit für tragbare Geräte geeignet ist. Im Vergleich dazu waren die ersten feuchten Zellen typischerweise zerbrechliche Glasbehälter mit Bleistangen, die von der offenen Oberseite hingen, und mussten sorgfältig behandelt werden, um ein Verschütten zu vermeiden. Blei-Säure-Batterien erreichten erst mit der Entwicklung der Gel-Batterie die Sicherheit und Tragbarkeit der Trockenzelle .

Eine übliche Trockenzelle ist die Zink-Kohle - Batterie , die manchmal die trockene genannt Leclanché Zelle mit einer Nennspannung von 1,5 Volt , das gleiche wie die Alkali - Batterie (da beide das gleiche Zink - Mangandioxid - Kombination). Eine Standardtrockenzelle umfasst eine Zinkanode, in der Regel in Form eines zylindrischen Topfes mit einer Kohlenstoffkathode in Form einer zentralen Stange. Der Elektrolyt ist Ammoniumchlorid in Form einer Paste neben der Zinkanode. Der verbleibende Raum zwischen Elektrolyt und Kohlenstoffkathode wird von einer zweiten Paste aus Ammoniumchlorid und Mangandioxid eingenommen, wobei letztere als Depolarisator wirkt . In einigen Konstruktionen wird das Ammoniumchlorid ersetzt durch Zinkchlorid .

Geschmolzenes Salz

Salzschmelzebatterien sind Primär- oder Sekundärbatterien, die eine Salzschmelze als Elektrolyt verwenden. Sie arbeiten bei hohen Temperaturen und müssen gut isoliert sein, um Wärme zu speichern.

Reservieren

Eine Reservebatterie kann über einen langen Zeitraum (möglicherweise Jahre) unmontiert (nicht aktiviert und ohne Stromversorgung) gelagert werden. Wenn die Batterie benötigt wird, wird sie zusammengebaut (z. B. durch Zugabe von Elektrolyt); Nach dem Zusammenbau ist der Akku aufgeladen und betriebsbereit. Zum Beispiel kann eine Batterie für einen elektronischen Artilleriezünder könnte durch die Auswirkungen der Abfeuern einer Waffe aktiviert werden. Die Beschleunigung bricht eine Elektrolytkapsel, die die Batterie aktiviert und die Zündkreise mit Strom versorgt. Reservebatterien sind normalerweise für eine kurze Lebensdauer (Sekunden oder Minuten) nach langer Lagerung (Jahre) ausgelegt. Eine wasseraktivierte Batterie für ozeanografische Instrumente oder militärische Anwendungen wird beim Eintauchen in Wasser aktiviert.

Zellleistung

Die Eigenschaften einer Batterie können über den Lastzyklus, den Ladezyklus und die Lebensdauer aufgrund vieler Faktoren variieren, einschließlich interner Chemie, Stromaufnahme und Temperatur. Bei niedrigen Temperaturen kann eine Batterie nicht so viel Strom liefern. In kalten Klimazonen installieren einige Autobesitzer daher Batteriewärmer, kleine elektrische Heizkissen, die die Autobatterie warm halten.

Kapazität und Entladung

Ein Gerät zur Überprüfung der Batteriespannung

Die Kapazität einer Batterie ist die Menge an elektrischer Ladung, die sie bei der Nennspannung abgeben kann. Je mehr Elektrodenmaterial in der Zelle enthalten ist, desto größer ist ihre Kapazität. Eine kleine Zelle hat eine geringere Kapazität als eine größere Zelle mit derselben Chemie, obwohl sie dieselbe Leerlaufspannung entwickeln. Die Kapazität wird in Einheiten wie Amperestunde (A · h) gemessen . Die Nennkapazität einer Batterie wird normalerweise als Produkt von 20 Stunden multipliziert mit dem Strom ausgedrückt, den eine neue Batterie 20 Stunden lang konstant bei 20 ° C (68 ° F) liefern kann, während sie über einer bestimmten Klemmenspannung pro Zelle bleibt. Beispielsweise kann eine Batterie mit einer Nennleistung von 100 A · h über einen Zeitraum von 20 Stunden bei Raumtemperatur 5 A liefern . Der Anteil der gespeicherten Ladung, den eine Batterie liefern kann, hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich der Batteriechemie, der Geschwindigkeit, mit der die Ladung abgegeben wird (Strom), der erforderlichen Klemmenspannung, der Lagerdauer, der Umgebungstemperatur und anderen Faktoren.

Je höher die Entladerate ist, desto geringer ist die Kapazität. Die Beziehung zwischen Strom, Entladezeit und Kapazität für eine Blei-Säure-Batterie wird durch das Peukertsche Gesetz (über einen typischen Bereich von Stromwerten) angenähert :

wo

ist die Kapazität bei Entladung mit einer Rate von 1 Ampere.
ist der aus der Batterie ( A ) entnommene Strom .
ist die Zeit (in Stunden), die eine Batterie aushalten kann.
ist eine Konstante um 1,3.

Batterien, die über einen längeren Zeitraum gelagert oder mit einem kleinen Bruchteil der Kapazität entladen werden, verlieren aufgrund allgemein irreversibler Nebenreaktionen , die Ladungsträger verbrauchen, ohne Strom zu erzeugen, an Kapazität . Dieses Phänomen ist als interne Selbstentladung bekannt. Wenn Batterien aufgeladen werden, können zusätzliche Nebenreaktionen auftreten, die die Kapazität für nachfolgende Entladungen verringern. Nach ausreichendem Aufladen geht im Wesentlichen die gesamte Kapazität verloren und der Akku produziert keinen Strom mehr.

Interne Energieverluste und Einschränkungen auf die Rate dass Ionen die Elektrolyt Ursache Batterie passieren Effizienz zu variieren. Oberhalb eines Mindestschwellenwerts liefert das Entladen mit einer niedrigen Rate mehr Kapazität des Akkus als mit einer höheren Rate. Das Einlegen von Batterien mit unterschiedlichen A · h-Werten hat keinen Einfluss auf den Gerätebetrieb (obwohl dies das Betriebsintervall beeinflussen kann), der für eine bestimmte Spannung ausgelegt ist, es sei denn, die Lastgrenzen werden überschritten. Lasten mit hohem Stromverbrauch wie Digitalkameras können die Gesamtkapazität verringern, wie dies bei Alkalibatterien der Fall ist. Zum Beispiel würde eine Batterie mit einer Nennleistung von 2 A · h für eine Entladung von 10 oder 20 Stunden keinen Strom von 1 A für volle zwei Stunden aufrechterhalten, wie es die angegebene Kapazität impliziert.

C-Rate

Die C-Rate ist ein Maß für die Rate, mit der ein Akku geladen oder entladen wird. Es ist definiert als der Strom durch die Batterie geteilt durch die theoretische Stromaufnahme, unter der die Batterie ihre Nennkapazität in einer Stunde liefern würde. Es hat die Einheiten h −1 .

Aufgrund des Verlusts des Innenwiderstands und der chemischen Prozesse in den Zellen liefert eine Batterie selten in nur einer Stunde die auf dem Typenschild angegebene Nennkapazität.

Typischerweise wird die maximale Kapazität bei einer niedrigen C-Rate gefunden, und das Laden oder Entladen mit einer höheren C-Rate verringert die nutzbare Lebensdauer und Kapazität einer Batterie. Hersteller veröffentlichen häufig Datenblätter mit Diagrammen, die die Kapazitäts- und C-Ratenkurven zeigen. Die C-Rate wird auch als Bewertung für Batterien verwendet, um den maximalen Strom anzugeben, den eine Batterie sicher in einem Stromkreis liefern kann. Standards für wiederaufladbare Batterien bewerten im Allgemeinen die Kapazität und die Ladezyklen über eine Entladezeit von 4 Stunden (0,25 ° C), 8 Stunden (0,125 ° C) oder länger. Typen, die für spezielle Zwecke vorgesehen sind, z. B. in einer unterbrechungsfreien Stromversorgung eines Computers , können von den Herstellern für Entladezeiten von weniger als einer Stunde (1 ° C) bewertet werden, können jedoch unter einer begrenzten Lebensdauer leiden.

Schnell aufladende, große und leichte Batterien

Ab 2012 Lithiumeisenphosphat ( LiFePO
4
) Die Batterietechnologie
war das schnellste Laden / Entladen und wurde in 10 bis 20 Sekunden vollständig entladen.

Ab 2017 wurde die weltweit größte Batterie von Tesla in Südaustralien gebaut . Es kann 129 MWh speichern. Eine Batterie in der chinesischen Provinz Hebei , die 36 MWh Strom speichern kann, wurde 2013 für 500 Millionen US-Dollar gebaut. Eine weitere große Batterie, bestehend aus Ni-Cd- Zellen, befand sich in Fairbanks, Alaska . Es umfasste 2.000 Quadratmeter - 22.000 Quadratfuß - größer als ein Fußballplatz - und wog 1.300 Tonnen. Es wurde von ABB hergestellt , um im Falle eines Stromausfalls Notstrom bereitzustellen. Die Batterie kann bis zu sieben Minuten lang 40 MW liefern. Natrium-Schwefel-Batterien wurden zur Speicherung von Windkraft verwendet . Ein 4,4-MWh-Batteriesystem, das 25 Minuten lang 11 MW liefern kann, stabilisiert die Leistung des Auwahi-Windparks in Hawaii.

Lithium-Schwefel-Batterien wurden auf dem längsten und höchsten solarbetriebenen Flug eingesetzt.

Lebensdauer

Die Batterielebensdauer (und das Synonym Batterielebensdauer) hat zwei Bedeutungen für wiederaufladbare Batterien, aber nur eine für nicht aufladbare Batterien. Bei Akkus kann dies entweder bedeuten, wie lange ein Gerät mit einem voll aufgeladenen Akku betrieben werden kann oder wie viele Lade- / Entladezyklen möglich sind, bevor die Zellen nicht zufriedenstellend arbeiten. Bei einem nicht wiederaufladbaren Gerät sind diese beiden Leben gleich, da die Zellen per Definition nur einen Zyklus lang halten. (Der Begriff Haltbarkeit wird verwendet, um zu beschreiben, wie lange eine Batterie ihre Leistung zwischen Herstellung und Verwendung beibehält.) Die verfügbare Kapazität aller Batterien nimmt mit abnehmender Temperatur ab. Im Gegensatz zu den meisten heutigen Batterien bietet der 1812 erfundene Zamboni-Stapel eine sehr lange Lebensdauer ohne Aufarbeitung oder Aufladung, obwohl er nur im Nanoamp-Bereich Strom liefert. Die Oxford Electric Bell läutet seit 1840 fast ununterbrochen mit ihrem ursprünglichen Batteriepaar, bei dem es sich vermutlich um Zamboni-Stapel handelt.

Selbstentladung

Einwegbatterien verlieren normalerweise 8 bis 20 Prozent ihrer ursprünglichen Ladung pro Jahr, wenn sie bei Raumtemperatur (20–30 ° C) gelagert werden. Dies ist als "Selbstentladungsrate" bekannt und beruht auf nicht stromerzeugenden "seitlichen" chemischen Reaktionen, die innerhalb der Zelle auftreten, selbst wenn keine Last angelegt wird. Die Rate der Nebenreaktionen wird bei Batterien, die bei niedrigeren Temperaturen gelagert werden, verringert, obwohl einige durch Einfrieren beschädigt werden können.

Alte wiederaufladbare Batterien entladen sich schneller als Einweg-Alkalibatterien, insbesondere Batterien auf Nickelbasis. Ein frisch geladener Nickel-Cadmium-Akku (NiCd) verliert in den ersten 24 Stunden 10% seiner Ladung und entlädt sich danach mit einer Rate von etwa 10% pro Monat. Neuere Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) mit geringer Selbstentladung und moderne Lithium-Designs weisen jedoch eine niedrigere Selbstentladungsrate auf (jedoch immer noch höher als bei Primärbatterien).

Korrosion

Innenteile können korrodieren und versagen, oder die aktiven Materialien können langsam in inaktive Formen umgewandelt werden.

Änderungen der physischen Komponente

Das aktive Material auf den Batterieplatten ändert die chemische Zusammensetzung bei jedem Lade- und Entladezyklus. Aktives Material kann aufgrund physikalischer Volumenänderungen verloren gehen, wodurch die Häufigkeit, mit der der Akku aufgeladen werden kann, weiter eingeschränkt wird. Die meisten Batterien auf Nickelbasis werden beim Kauf teilweise entladen und müssen vor dem ersten Gebrauch aufgeladen werden. Neuere NiMH-Akkus sind beim Kauf gebrauchsfertig und werden in einem Jahr nur zu 15% entladen.

Bei jedem Lade-Entlade-Zyklus tritt eine gewisse Verschlechterung auf. Der Abbau tritt normalerweise auf, weil der Elektrolyt von den Elektroden weg wandert oder weil sich aktives Material von den Elektroden löst. NiMH-Akkus mit geringer Kapazität (1.700–2.000 mA · h) können etwa 1.000 Mal aufgeladen werden, während NiMH-Akkus mit hoher Kapazität (über 2.500 mA · h) etwa 500 Zyklen lang halten. NiCd-Batterien sind in der Regel für 1.000 Zyklen ausgelegt, bevor ihr Innenwiderstand dauerhaft über die verwendbaren Werte hinaus ansteigt.

Lade- / Entladegeschwindigkeit

Schnelles Laden erhöht den Komponentenwechsel und verkürzt die Lebensdauer des Akkus.

Überladung

Wenn ein Ladegerät nicht erkennen kann, wann der Akku vollständig aufgeladen ist, ist eine Überladung wahrscheinlich, die ihn beschädigt.

Memory-Effekt

NiCd-Zellen können, wenn sie auf eine bestimmte sich wiederholende Weise verwendet werden, eine Kapazitätsabnahme zeigen, die als " Memory-Effekt " bezeichnet wird. Der Effekt kann mit einfachen Praktiken vermieden werden. Obwohl NiMH-Zellen in der Chemie ähnlich sind, leiden sie weniger unter Gedächtniseffekten.

Ein analoger Camcorder [Lithium-Ionen] Akku

Umweltbedingungen

Wiederaufladbare Blei-Säure- Batterien für Kraftfahrzeuge müssen aufgrund von Vibrationen, Stößen und Temperaturbereichen Belastungen standhalten. Aufgrund dieser Belastungen und der Sulfatierung ihrer Bleiplatten halten nur wenige Autobatterien länger als sechs Jahre im regulären Gebrauch. Kfz-Startbatterien ( SLI : Start, Beleuchtung, Zündung ) haben viele dünne Platten, um den Strom zu maximieren. Im Allgemeinen ist die Lebensdauer umso länger, je dicker die Platten sind. Sie werden vor dem Aufladen normalerweise nur geringfügig entladen.

Blei-Säure-Batterien mit "tiefem Zyklus", wie sie in elektrischen Golfwagen verwendet werden, haben viel dickere Platten, um die Lebensdauer zu verlängern. Der Hauptvorteil der Blei-Säure-Batterie sind ihre geringen Kosten. Die Hauptnachteile sind die Größe und das Gewicht bei gegebener Kapazität und Spannung. Blei-Säure-Batterien sollten niemals zu weniger als 20% ihrer Kapazität entladen werden, da der Innenwiderstand beim Aufladen Hitze und Schäden verursacht. Blei-Säure-Systeme mit tiefem Zyklus verwenden häufig eine Warnleuchte für niedrige Ladung oder einen Abschaltschalter für niedrige Ladung, um Schäden zu vermeiden, die die Lebensdauer der Batterie verkürzen.

Lager

Die Batterielebensdauer kann verlängert werden, indem die Batterien bei niedriger Temperatur gelagert werden , z. B. in einem Kühlschrank oder Gefrierschrank , wodurch die Nebenreaktionen verlangsamt werden. Eine solche Lagerung kann die Lebensdauer von Alkalibatterien um etwa 5% verlängern; Wiederaufladbare Batterien können ihre Ladung je nach Typ viel länger halten. Um ihre maximale Spannung zu erreichen, müssen die Batterien wieder auf Raumtemperatur gebracht werden. Das Entladen einer Alkalibatterie bei 250 mA bei 0 ° C ist nur halb so effizient wie bei 20 ° C. Hersteller von Alkalibatterien wie Duracell empfehlen, Batterien nicht zu kühlen.

Batteriegrößen

Primärbatterien, die den Verbrauchern leicht zur Verfügung stehen, reichen von winzigen Knopfzellen für elektrische Uhren bis zur Zelle Nr. 6 für Signalstromkreise oder andere Anwendungen mit langer Lebensdauer. Sekundärzellen werden in sehr großen Größen hergestellt; Sehr große Batterien können ein U-Boot antreiben oder ein Stromnetz stabilisieren und dabei helfen, Spitzenlasten auszugleichen.

Gefahren

Explosion

Batterie nach Explosion

Eine Batterieexplosion wird im Allgemeinen durch Missbrauch oder Fehlfunktion verursacht, z. B. durch den Versuch, eine primäre (nicht wiederaufladbare) Batterie aufzuladen, oder durch einen Kurzschluss .

Wenn eine Batterie mit einer übermäßigen Geschwindigkeit aufgeladen wird, kann ein explosives Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff schneller erzeugt werden, als es aus der Batterie entweichen kann (z. B. durch eine eingebaute Entlüftung), was zu Druckaufbau und schließlich zum Platzen führt das Batteriefach. In extremen Fällen können Batteriechemikalien heftig aus dem Gehäuse sprühen und Verletzungen verursachen. Überladung - das heißt, der Versuch, eine Batterie über ihre elektrische Kapazität hinaus aufzuladen - kann neben Leckage oder irreversiblen Schäden auch zu einer Explosion der Batterie führen. Dies kann auch das Ladegerät oder das Gerät beschädigen, in dem der überladene Akku später verwendet wird.

Autobatterien explodieren am wahrscheinlichsten, wenn ein Kurzschluss sehr große Ströme erzeugt. Solche Batterien produzieren Wasserstoff , der sehr explosiv ist, wenn sie überladen werden (aufgrund der Elektrolyse des Wassers im Elektrolyten). Während des normalen Gebrauchs ist die Überladung normalerweise sehr gering und erzeugt wenig Wasserstoff, der sich schnell auflöst. Wenn ein Auto jedoch "springt", kann der hohe Strom die schnelle Freisetzung großer Mengen Wasserstoff verursachen, die durch einen nahegelegenen Funken explosionsartig entzündet werden können, z. B. beim Trennen eines Überbrückungskabels .

Das Entsorgen einer Batterie durch Verbrennung kann zu einer Explosion führen, da sich im versiegelten Gehäuse Dampf ansammelt.

Rückrufe von Geräten mit Lithium-Ionen-Batterien sind in den letzten Jahren häufiger geworden. Dies ist eine Reaktion auf gemeldete Unfälle und Ausfälle, gelegentlich Zündung oder Explosion. Eine Expertenzusammenfassung des Problems zeigt, dass dieser Typ "flüssige Elektrolyte verwendet, um Lithiumionen zwischen der Anode und der Kathode zu transportieren. Wenn eine Batteriezelle zu schnell geladen wird, kann dies einen Kurzschluss verursachen, der zu Explosionen und Bränden führt".

Leckage

Durch Leckage beschädigte Alkalibatterie

Viele Batteriechemikalien sind ätzend, giftig oder beides. Wenn spontan oder versehentlich Leckagen auftreten, können die freigesetzten Chemikalien gefährlich sein. Beispielsweise verwenden Einwegbatterien häufig eine Zinkdose sowohl als Reaktant als auch als Behälter für die anderen Reagenzien. Wenn diese Art von Batterie überladen ist, können die Reagenzien durch den Karton und den Kunststoff austreten, die den Rest des Behälters bilden. Das Austreten aktiver Chemikalien kann dann das Gerät, das die Batterien mit Strom versorgen, beschädigen oder deaktivieren. Aus diesem Grund empfehlen viele Hersteller elektronischer Geräte, die Batterien aus Geräten zu entfernen, die längere Zeit nicht verwendet werden.

Giftige Materialien

Viele Batterietypen verwenden giftige Materialien wie Blei, Quecksilber und Cadmium als Elektrode oder Elektrolyt. Wenn jede Batterie das Ende ihrer Lebensdauer erreicht hat, muss sie entsorgt werden, um Umweltschäden zu vermeiden. Batterien sind eine Form von Elektronikschrott (Elektroschrott). Beim Recycling von Elektroschrott werden giftige Substanzen zurückgewonnen, die dann für neue Batterien verwendet werden können. Von den fast drei Milliarden Batterien, die jährlich in den USA gekauft werden, landen rund 179.000 Tonnen auf Mülldeponien im ganzen Land. In den Vereinigten Staaten verbot das Quecksilber enthaltende und wiederaufladbare Batteriemanagementgesetz von 1996 den Verkauf von quecksilberhaltigen Batterien, erließ einheitliche Kennzeichnungsanforderungen für wiederaufladbare Batterien und forderte, dass wiederaufladbare Batterien leicht entfernbar sein müssen. Kalifornien und New York verbieten die Entsorgung von wiederaufladbaren Batterien in festen Abfällen und erfordern zusammen mit Maine das Recycling von Mobiltelefonen. Die Industrie für wiederaufladbare Batterien betreibt landesweite Recyclingprogramme in den USA und Kanada mit Abgabestellen bei lokalen Einzelhändlern.

Die Batterie - Richtlinie der Europäischen Union hat ähnliche Anforderungen, zusätzlich zu einem erhöhten Recycling von Batterien erfordern und Forschung auf einem verbesserten Förderung der Batterie - Recycling - Verfahren. Gemäß dieser Richtlinie müssen alle innerhalb der EU zu verkaufenden Batterien mit dem "Sammelsymbol" (einem durchgestrichenen Radbehälter) gekennzeichnet sein. Dies muss mindestens 3% der Oberfläche von prismatischen Batterien und 1,5% der Oberfläche von zylindrischen Batterien bedecken. Alle Verpackungen müssen ebenfalls gekennzeichnet sein.

Verschlucken

Batterien können beim Verschlucken schädlich oder tödlich sein . Kleine Knopfzellen können insbesondere von kleinen Kindern verschluckt werden. Im Verdauungstrakt kann die elektrische Entladung der Batterie zu Gewebeschäden führen. Ein solcher Schaden ist gelegentlich schwerwiegend und kann zum Tod führen. Verschluckte Scheibenbatterien verursachen normalerweise keine Probleme, es sei denn, sie bleiben im Magen-Darm-Trakt stecken . Der häufigste Ort, an dem sich Scheibenbatterien ansammeln, ist die Speiseröhre, was zu klinischen Folgen führt . Es ist unwahrscheinlich, dass Batterien, die die Speiseröhre erfolgreich durchqueren, an anderer Stelle untergebracht werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich eine Scheibenbatterie in der Speiseröhre festsetzt, hängt vom Alter und der Batteriegröße des Patienten ab. Scheibenbatterien von 16 mm haben sich in der Speiseröhre von 2 Kindern unter 1 Jahr festgesetzt. Ältere Kinder haben keine Probleme mit Batterien, die kleiner als 21–23 mm sind. Eine Verflüssigungsnekrose kann auftreten, weil Natriumhydroxid durch den von der Batterie erzeugten Strom (normalerweise an der Anode) erzeugt wird. Die Perforation trat bereits 6 Stunden nach der Einnahme auf.

Chemie

Viele wichtige Zelleigenschaften wie Spannung, Energiedichte, Entflammbarkeit, verfügbare Zellkonstruktionen, Betriebstemperaturbereich und Haltbarkeit werden von der Batteriechemie bestimmt.

Primärbatterien und ihre Eigenschaften

Chemie Anode (-) Kathode (+) Max. Spannung, theoretisch (V) Nennspannung, praktisch (V) Spezifische Energie (kJ / kg) Ausarbeitung Haltbarkeit bei 25 ° C, 80% Kapazität (Monate)
Zink-Kohlenstoff Zn MnO 2 1.6 1.2 130 Preiswert. 18
Zinkchlorid 1.5 Auch als "Hochleistungs" bekannt, preiswert.
Alkalisch
(Zink-Mangandioxid)
Zn MnO 2 1.5 1.15 400-590 Mäßige Energiedichte.
Gut für Anwendungen mit hohem und niedrigem Abfluss.
30
Nickeloxyhydroxid
(Zink-Mangandioxid / Nickeloxyhydroxid)
1.7 Mäßige Energiedichte.
Gut für Anwendungen mit hohem Abfluss.
Lithium
(Lithium-Kupferoxid)
Li-CuO
Li CuO 1.7 Nicht mehr hergestellt.
Ersetzt durch Silberoxidbatterien ( IEC- Typ "SR").
Lithium
(Lithium-Eisendisulfid)
LiFeS 2
Li FeS 2 1.8 1.5 1070 Teuer.
Wird in Plus- oder Zusatzbatterien verwendet.
337
Lithium
(Lithium-Mangandioxid)
LiMnO 2
Li MnO 2 3.0 830–1010 Teuer.
Wird nur in Geräten mit hohem Abfluss oder für eine lange Haltbarkeit verwendet, da die Selbstentladungsrate sehr gering ist.
"Lithium" allein bezieht sich normalerweise auf diese Art von Chemie.
Lithium
(Lithium-Kohlenstoff-Fluorid)
Li- (CF) n
Li (CF) n 3.6 3.0 120
Lithium
(Lithium-Chromoxid)
Li-CrO 2
Li CrO 2 3.8 3.0 108
Lithium

( Lithium-Silizium )

Li 22 Si 5
Quecksilberoxid Zn HgO 1.34 1.2 High-Drain und konstante Spannung.
In den meisten Ländern aus gesundheitlichen Gründen verboten.
36
Zink-Luft Zn O 2 1.6 1.1 1590 Wird hauptsächlich in Hörgeräten verwendet.
Zamboni Haufen Zn Ag oder Au 0,8 Sehr lange Lebensdauer
Sehr niedriger Strom (Nanoamp, nA)
> 2.000
Silberoxid (Silber-Zink) Zn Ag 2 O. 1,85 1.5 470 Sehr teuer.
Wird nur kommerziell in "Knopf" -Zellen verwendet.
30
Magnesium Mg MnO 2 2.0 1.5 40


Sekundärbatterien (wiederaufladbar) und ihre Eigenschaften

Chemie
Zellenspannungs
Spezifische
Energie

(kJ / kg)

Energiedichte

(kJ / Liter)
Bemerkungen
NiCd 1.2 140 Nickel-Cadmium-Chemie.
Preiswert.
High / Low-Drain, moderate Energiedichte.
Kann sehr hohen Entladungsraten praktisch ohne Kapazitätsverlust standhalten.
Mäßige Selbstentladungsrate.
Umweltgefahr durch Cadmium - Verwendung in Europa praktisch verboten.
Blei-Säure 2.1 140 Mäßig teuer.
Mäßige Energiedichte.
Mäßige Selbstentladungsrate.
Höhere Entladeraten führen zu einem erheblichen Kapazitätsverlust.
Umweltgefahr durch Blei.
Allgemeine Verwendung - Autobatterien
NiMH 1.2 360 Nickel-Metallhydrid-Chemie.
Preiswert.
Funktioniert besser als Alkalibatterien in Geräten mit höherem Stromverbrauch.
Die traditionelle Chemie hat eine hohe Energiedichte, aber auch eine hohe Selbstentladungsrate.
Neuere Chemie hat eine geringe Selbstentladungsrate , aber auch eine um ~ 25% geringere Energiedichte.
Wird in einigen Autos verwendet.
NiZn 1.6 360 Nickel-Zink-Chemie.
Mäßig günstig.
Hochentleerungsvorrichtung geeignet.
Niedrige Selbstentladungsrate.
Spannung näher an alkalischen Primärzellen als an anderen Sekundärzellen.
Keine giftigen Bestandteile.
Neu auf den Markt gebracht (2009). Hat noch keine Erfolgsbilanz aufgestellt.
Begrenzte Verfügbarkeit.
AgZn 1,86
1,5
460 Silber-Zink-Chemie.
Kleineres Volumen als äquivalentes Li-Ion.
Extrem teuer wegen Silber.
Sehr hohe Energiedichte.
Sehr hohe Drainagefähigkeit.
Seit vielen Jahren aufgrund der hohen Silberpreise als veraltet angesehen.
Die Zelle leidet unter Oxidation, wenn sie nicht verwendet wird.
Reaktionen sind nicht vollständig verstanden.
Die Klemmenspannung ist sehr stabil, fällt jedoch bei einer Ladung von 70–80% plötzlich auf 1,5 Volt ab (vermutlich
aufgrund des Vorhandenseins von Silber- und Silberoxid in der positiven Platte - eine wird zuerst verbraucht).
Wurde anstelle der Primärbatterie (Mondbuggy) verwendet.
Wird erneut als Ersatz für Li-Ionen entwickelt.
LiFePO 4 3.3
3.0
360 790 Lithium-Eisen-Phosphat-Chemie.
Lithium-Ionen 3.6 460 Verschiedene Lithiumchemien.
Sehr teuer.
Sehr hohe Energiedichte.
Normalerweise nicht in "üblichen" Batteriegrößen erhältlich.
Lithium-Polymer-Akkus sind in Laptops, Digitalkameras, Camcordern und Mobiltelefonen üblich.
Sehr geringe Selbstentladungsrate.

Die Klemmenspannung variiert während der Entladung zwischen 4,2 und 3,0 Volt.
Flüchtig: Explosionsgefahr, wenn kurzgeschlossen, überhitzt oder nicht nach strengen Qualitätsstandards hergestellt.

Festkörperbatterien

Am 28. Februar 2017 veröffentlichte die Universität von Texas in Austin eine Pressemitteilung über einen neuen Typ von Festkörperbatterien , die von einem Team unter der Leitung des Erfinders der Lithium-Ionen-Batterien, John Goodenough , entwickelt wurde. langlebigere wiederaufladbare Batterien für mobile Handgeräte, Elektroautos und stationäre Energiespeicher ". Weitere Einzelheiten zur neuen Technologie wurden in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science veröffentlicht .

Unabhängige Überprüfungen der Technologie erörtern die Brand- und Explosionsgefahr von Lithium-Ionen-Batterien unter bestimmten Bedingungen, da sie flüssige Elektrolyte verwenden. Die neu entwickelte Batterie sollte sicherer sein, da sie Glaselektrolyte verwendet, die Kurzschlüsse beseitigen sollen. Die Festkörperbatterie soll auch "die dreifache Energiedichte" haben, was beispielsweise ihre Lebensdauer in Elektrofahrzeugen erhöht. Es sollte auch ökologischer sein, da für die Technologie kostengünstigere, umweltfreundliche Materialien wie aus Meerwasser gewonnenes Natrium verwendet werden. Sie haben auch ein viel längeres Leben; "Die Zellen haben mehr als 1.200 Zyklen mit geringem Zellwiderstand gezeigt". Laut Chris Robinson von LUX Research wird nicht erwartet, dass die Forschung und die Prototypen in naher Zukunft, wenn überhaupt, zu einem kommerziell rentablen Produkt führen werden. "Dies wird in den nächsten 15 Jahren keine spürbaren Auswirkungen auf die Einführung von Elektrofahrzeugen haben, wenn überhaupt. Eine wichtige Hürde, der sich viele Festkörperelektrolyte gegenübersehen, ist das Fehlen eines skalierbaren und kostengünstigen Herstellungsprozesses", sagte er gegenüber The American Energy News in einer E-Mail.

Hausgemachte Zellen

Fast jedes flüssige oder feuchte Objekt, das genügend Ionen enthält, um elektrisch leitend zu sein, kann als Elektrolyt für eine Zelle dienen. Als Neuheit oder wissenschaftliche Demonstration ist es möglich, zwei Elektroden aus verschiedenen Metallen in eine Zitrone , Kartoffel usw. einzuführen und kleine Mengen Strom zu erzeugen. "Zwei-Kartoffel-Uhren" sind auch in Hobby- und Spielzeuggeschäften weit verbreitet. Sie bestehen aus zwei Zellen, die jeweils aus einer Kartoffel (Zitrone usw.) bestehen, in die zwei Elektroden eingesetzt sind, die in Reihe geschaltet sind, um eine Batterie zu bilden, deren Spannung ausreicht, um eine Digitaluhr mit Strom zu versorgen. Selbstgemachte Zellen dieser Art sind von keinem praktischen Nutzen.

Ein Voltaikstapel kann aus zwei Münzen (z. B. Nickel und Penny ) und einem in Salzwasser getauchten Stück Papiertuch hergestellt werden . Ein solcher Stapel erzeugt eine sehr niedrige Spannung, aber wenn viele in Reihe gestapelt sind , können sie normale Batterien für kurze Zeit ersetzen.

Sony hat eine biologische Batterie entwickelt , die aus Zucker Strom erzeugt, ähnlich wie bei lebenden Organismen. Die Batterie erzeugt Strom durch die Verwendung von Enzymen, die Kohlenhydrate abbauen.

Blei-Säure-Zellen können leicht zu Hause hergestellt werden, aber ein langwieriger Lade- / Entladezyklus ist erforderlich, um die Platten zu "formen". Dies ist ein Prozess, bei dem sich Bleisulfat auf den Platten bildet und während des Ladens in Bleidioxid (positive Platte) und reines Blei (negative Platte) umgewandelt wird. Das Wiederholen dieses Vorgangs führt zu einer mikroskopisch rauen Oberfläche, die die Oberfläche vergrößert und den Strom erhöht, den die Zelle liefern kann.

Daniell-Zellen lassen sich zu Hause leicht herstellen. Aluminium-Luft-Batterien können aus hochreinem Aluminium hergestellt werden. Aluminiumfolienbatterien produzieren etwas Strom, sind jedoch nicht effizient, teilweise weil eine erhebliche Menge an (brennbarem) Wasserstoffgas erzeugt wird.

Siehe auch

Verweise

Weiterführende Literatur

Externe Links