اخبار صنعت

علم ساده: باتری ها چیست و چگونه کار می کنند؟

2021-06-16

موضوعات:
باتری ، فناوری ، DOE ، انرژی ، باتری های یون لیتیوم
توسط وزارت انرژی ایالات متحده 9 مه 2021



باتری ها و دستگاه های مشابه برق مورد نیاز را می پذیرند ، ذخیره و آزاد می کنند. باتری ها از شیمی ، در قالب پتانسیل شیمیایی ، برای ذخیره انرژی ، مانند بسیاری از منابع انرژی روزمره استفاده می کنند. به عنوان مثال ، درختچه ها انرژی را در پیوندهای شیمیایی خود ذخیره می کنند تا زمانی که سوختن انرژی را به گرما تبدیل می کند.

بنزین انرژی پتانسیل شیمیایی را ذخیره می کند تا زمانی که در موتور خودرو به انرژی مکانیکی تبدیل شود. به طور مشابه ، برای کارکرد باتری ها ، قبل از اینکه بتوان آن را به راحتی ذخیره کرد ، باید به شکل بالقوه شیمیایی تبدیل شود.

باتری ها از دو پایانه الکتریکی به نام کاتد و آند تشکیل شده اند که توسط یک ماده شیمیایی به نام الکترولیت از یکدیگر جدا شده اند. برای پذیرش و آزادسازی انرژی ، یک باتری به یک مدار خارجی متصل می شود. الکترونها در مدار حرکت می کنند ، در حالی که همزمان یونها (اتمها یا مولکولهای دارای بار الکتریکی) از طریق الکترولیت حرکت می کنند.

در یک باتری قابل شارژ ، الکترون ها و یون ها می توانند از هر دو جهت در مدار و الکترولیت حرکت کنند. هنگامی که الکترونها از کاتد به آند حرکت می کنند ، انرژی پتانسیل شیمیایی را افزایش می دهند ، بنابراین باتری را شارژ می کنند. وقتی به جهت دیگر حرکت می کنند ، این انرژی شیمیایی را به الکتریسیته در مدار تبدیل کرده و باتری را تخلیه می کنند. در حین شارژ یا تخلیه ، یونهای متضاد با هم از طریق الکترولیت در داخل باتری حرکت می کنند تا بار الکترونهایی که از مدار خارجی حرکت می کنند را متعادل کرده و یک سیستم قابل شارژ پایدار تولید کنند. پس از شارژ ، باتری را می توان از مدار جدا کرد تا انرژی پتانسیل شیمیایی را ذخیره کند تا بعداً به عنوان برق مورد استفاده قرار گیرد.

باتری ها در سال 1800 اختراع شدند ، اما فرآیندهای شیمیایی آنها پیچیده است. دانشمندان از ابزارهای جدید برای درک بهتر فرایندهای الکتریکی و شیمیایی در باتری ها استفاده می کنند تا نسل جدیدی از ذخیره انرژی الکتریکی بسیار کارآمد را تولید کنند. به عنوان مثال ، آنها در حال توسعه مواد بهبود یافته برای آند ، کاتد و الکترولیت های باتری هستند. دانشمندان فرآیندهای باتری های قابل شارژ را مطالعه می کنند زیرا با شارژ و تخلیه باتری کاملاً معکوس نمی شوند. با گذشت زمان ، عدم برگشت کامل می تواند شیمی و ساختار مواد باتری را تغییر دهد ، که می تواند عملکرد و ایمنی باتری را کاهش دهد.

اطلاعات ذخیره انرژی الکتریکی
به جایزه نوبل شیمی 2019 به طور مشترک به جان بی گودنو ، م. استنلی ویتینگام و آکیرا یوشینو اهدا شد-برای توسعه باتری های لیتیوم یونی.
به الکترولیت ژنوم در JCESR یک پایگاه داده محاسباتی با بیش از 26000 مولکول تولید کرده است که می تواند برای محاسبه خواص الکترولیت های کلیدی برای باتری های جدید و پیشرفته مورد استفاده قرار گیرد.

دفتر علوم و ذخیره انرژی الکتریکی DOE
تحقیقات پشتیبانی شده توسط دفتر علوم DOE ، دفتر علوم پایه انرژی (BES) پیشرفت قابل توجهی در ذخیره انرژی الکتریکی به همراه داشته است. اما ما هنوز از راه حل های جامع برای ذخیره انرژی نسل بعدی با استفاده از مواد جدید که می تواند میزان ذخیره انرژی باتری را به طرز چشمگیری بهبود بخشد فاصله داریم. این ذخیره برای ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر در منبع برق ما بسیار مهم است. از آنجا که بهبود فناوری باتری برای استفاده گسترده از وسایل نقلیه الکتریکی پلاگین ضروری است ، ذخیره سازی نیز برای کاهش وابستگی ما به نفت برای حمل و نقل کلیدی است.

BES از تحقیقات دانشمندان جداگانه و در مراکز چند رشته ای پشتیبانی می کند. بزرگترین مرکز ، مرکز مشترک تحقیقات ذخیره سازی انرژی (JCESR) ، مرکز نوآوری انرژی DOE است. این مرکز مواد و پدیده های الکتروشیمیایی را در مقیاس اتمی و مولکولی مطالعه می کند و از رایانه ها برای کمک به طراحی مواد جدید استفاده می کند. این دانش جدید دانشمندان را قادر می سازد تا ذخیره سازی انرژی را ایمن تر ، طولانی تر ، سریعتر شارژ و ظرفیت بیشتر طراحی کنند. از آنجا که دانشمندان با پشتیبانی برنامه BES به پیشرفتهای جدیدی در علم باتری دست یافتند ، این پیشرفتها توسط محققان کاربردی و صنعت برای پیشبرد کاربردها در حمل و نقل ، شبکه برق ، ارتباطات و امنیت استفاده می شود.