Zapytaj Inżyniera

Jak działa bateria?

Twój zegarek, laptop i wskaźnik laserowy są zasilane przez tę samą rzecz: chemię…

By Mary Bates

Istnieje wiele różnych rodzajów baterii, ale wszystkie one funkcjonują w oparciu o tę samą podstawową koncepcję. „Bateria to urządzenie, które jest w stanie przechowywać energię elektryczną w formie energii chemicznej i przekształcać tę energię w elektryczność” – mówi Antoine Allanore, doktorant na Wydziale Inżynierii i Materiałoznawstwa MIT. „Nie można złapać i przechowywać energii elektrycznej, ale można przechowywać energię elektryczną w substancjach chemicznych wewnątrz baterii”.

Istnieją trzy główne składniki baterii: dwa terminale wykonane z różnych substancji chemicznych (zazwyczaj metali), anoda i katoda; oraz elektrolit, który oddziela te terminale. Elektrolit jest medium chemicznym, które umożliwia przepływ ładunku elektrycznego pomiędzy katodą i anodą. Kiedy urządzenie jest podłączone do baterii – żarówka lub obwód elektryczny – na elektrodach zachodzą reakcje chemiczne, które powodują przepływ energii elektrycznej do urządzenia.

Precyzując: podczas wyładowania elektrycznego, substancja chemiczna na anodzie uwalnia elektrony do zacisku ujemnego i jonów w elektrolicie poprzez tak zwaną reakcję utleniania. W tym samym czasie, na dodatnim biegunie, katoda przyjmuje elektrony, kończąc obwód przepływu elektronów. Elektrolit jest po to, aby różne substancje chemiczne anody i katody stykały się ze sobą w taki sposób, aby potencjał chemiczny mógł się wyrównać z jednego bieguna do drugiego, przekształcając zmagazynowaną energię chemiczną w użyteczną energię elektryczną. „Te dwie reakcje zachodzą jednocześnie” – mówi Allanore. „Jony transportują prąd przez elektrolit, podczas gdy elektrony przepływają w obwodzie zewnętrznym, i to właśnie generuje prąd elektryczny”.

Jeśli bateria jest jednorazowego użytku, będzie produkować energię elektryczną, dopóki nie zabraknie w niej reagentów (ten sam potencjał chemiczny na obu elektrodach). Takie baterie działają tylko w jednym kierunku, przekształcając energię chemiczną w elektryczną. Jednak w innych typach baterii reakcja może być odwrotna. Baterie wielokrotnego ładowania (takie jak w twoim telefonie komórkowym lub w samochodzie) są zaprojektowane tak, że energia elektryczna z zewnętrznego źródła (ładowarka, którą podłączasz do ściany lub dynamo w twoim samochodzie) może być zastosowana do systemu chemicznego i odwrócić jego działanie, przywracając ładunek baterii.

Laboratorium Group Sadoway na MIT pracuje nad stworzeniem bardziej wydajnych baterii do wielu zastosowań. W celu magazynowania energii na dużą skalę, zespół pracuje nad baterią ciekłego metalu, w której elektrolit, anoda i katoda są ciekłe. Do zastosowań przenośnych opracowywany jest cienkowarstwowy akumulator polimerowy z elastycznym elektrolitem wykonanym z niepalnego żelu. Innym celem laboratorium jest zbudowanie baterii przy użyciu wcześniej nieprzemyślanych materiałów, skupiając się na obfitych, tanich i bezpiecznych substancjach, które mają taki sam potencjał komercyjny jak popularne baterie litowe.

Dzięki 18-letniemu Stevenowi Minkusowi z Glenview, IL, za to pytanie.

Posted: May 1, 2012

• .