Ask An Engineer
Hoe werkt een batterij?
Uw horloge, laptop en laserpen worden allemaal door hetzelfde aangedreven: chemie…
Door Mary Bates
Er zijn veel verschillende soorten batterijen, maar ze functioneren allemaal op basis van hetzelfde onderliggende concept. “Een batterij is een apparaat dat in staat is om elektrische energie op te slaan in de vorm van chemische energie, en die energie om te zetten in elektriciteit,” zegt Antoine Allanore, een postdoctoraal medewerker aan het Department of Materials Science and Engineering van MIT. “Je kunt geen elektriciteit opvangen en opslaan, maar je kunt wel elektrische energie opslaan in de chemicaliën in een batterij.”
Er zijn drie hoofdcomponenten van een batterij: twee terminals van verschillende chemicaliën (meestal metalen), de anode en de kathode; en de elektrolyt, die deze terminals scheidt. De elektrolyt is een chemisch medium dat de stroom van elektrische lading tussen de kathode en de anode mogelijk maakt. Wanneer een toestel op een batterij wordt aangesloten – een gloeilamp of een elektrisch circuit – vinden op de elektroden chemische reacties plaats die een stroom van elektrische energie naar het toestel teweegbrengen.
Meer specifiek: tijdens een elektrische ontlading geeft de chemische stof op de anode elektronen af aan de negatieve pool en ionen in de elektrolyt door middel van wat een oxidatiereactie wordt genoemd. Ondertussen accepteert de kathode aan de positieve kant elektronen, waardoor het circuit voor de elektronenstroom wordt voltooid. De elektrolyt is er om de verschillende chemische stoffen van de anode en de kathode met elkaar in contact te brengen, zodat de chemische potentiaal van het ene uiteinde naar het andere kan overgaan, waarbij opgeslagen chemische energie wordt omgezet in bruikbare elektrische energie. “Deze twee reacties vinden gelijktijdig plaats,” zegt Allanore. “De ionen transporteren stroom door de elektrolyt terwijl de elektronen in het externe circuit stromen, en dat is wat een elektrische stroom genereert.”
Als de batterij wegwerpbaar is, zal hij elektriciteit produceren totdat de reactanten op zijn (zelfde chemische potentiaal op beide elektroden). Deze batterijen werken slechts in één richting, waarbij chemische energie wordt omgezet in elektrische energie. Maar in andere types batterijen kan de reactie worden omgekeerd. Oplaadbare batterijen (zoals die in uw mobiele telefoon of in uw auto) zijn zo ontworpen dat elektrische energie van een externe bron (de oplader die u in het stopcontact steekt of de dynamo in uw auto) kan worden toegepast op het chemische systeem, en de werking kan omkeren, waardoor de batterij weer wordt opgeladen.
Het Sadoway-laboratorium van het MIT werkt aan de ontwikkeling van efficiëntere batterijen voor verschillende toepassingen. Voor grootschalige energieopslag werkt het team aan een batterij van vloeibaar metaal, waarin de elektrolyt, de anode en de kathode vloeibaar zijn. Voor draagbare toepassingen ontwikkelen zij een dunne-film polymeerbatterij met een flexibele elektrolyt van onontvlambare gel. Een ander doel van het lab is om batterijen te bouwen met materialen die nog niet eerder zijn overwogen, waarbij de nadruk ligt op overvloedige, goedkope en veilige stoffen die hetzelfde commerciële potentieel hebben als de populaire lithiumbatterijen.
Dank aan de 18-jarige Steven Minkus uit Glenview, IL, voor deze vraag.
Posted: 1 mei 2012