Industrienyheter

Vitenskapen er enkel: Hva er batterier og hvordan fungerer de?

2021-06-16

TEMA:
Batteri, teknologi, DOE, energi, Li ion -batterier
Av den amerikanske energiavdelingen 9. mai 2021



Batterier og lignende enheter godtar, lagrer og slipper ut strøm på forespørsel. Batterier bruker kjemi, i form av kjemisk potensial, til å lagre energi, akkurat som mange andre daglige energikilder. For eksempel lagrer logger energi i sine kjemiske bindinger til brenning omdanner energien til varme.

Bensin lagres kjemisk potensiell energi til den omdannes til mekanisk energi i en bilmotor. På samme måte, for at batterier skal fungere, må elektrisitet konverteres til en kjemisk potensiell form før den lett kan lagres.

Batterier består av to elektriske terminaler kalt katoden og anoden, atskilt med et kjemisk materiale som kalles en elektrolytt. For å akseptere og frigjøre energi, er et batteri koblet til en ekstern krets. Elektroner beveger seg gjennom kretsen, mens ioner (atomer eller molekyler med elektrisk ladning) samtidig beveger seg gjennom elektrolytten.

I et oppladbart batteri kan elektroner og ioner bevege seg i begge retninger gjennom kretsen og elektrolytten. Når elektronene beveger seg fra katoden til anoden, øker de den kjemiske potensielle energien, og lader dermed batteriet; når de beveger seg i den andre retningen, konverterer de denne kjemiske potensielle energien til elektrisitet i kretsen og tømmer batteriet. Under lading eller utlading beveger de motsatt ladede ionene seg inne i batteriet gjennom elektrolytten for å balansere ladningen til elektronene som beveger seg gjennom den eksterne kretsen og produserer et bærekraftig, oppladbart system. Når det er ladet, kan batteriet kobles fra kretsen for å lagre den kjemiske potensielle energien for senere bruk som elektrisitet.

Batterier ble oppfunnet i 1800, men deres kjemiske prosesser er komplekse. Forskere bruker nye verktøy for å bedre forstå de elektriske og kjemiske prosessene i batterier for å produsere en ny generasjon med svært effektiv, elektrisk energilagring. For eksempel utvikler de forbedrede materialer for anoder, katoder og elektrolytter i batterier. Forskere studerer prosesser i oppladbare batterier fordi de ikke reverserer helt når batteriet er ladet og utladet. Over tid kan mangelen på en fullstendig reversering endre kjemien og strukturen til batterimaterialer, noe som kan redusere batteriets ytelse og sikkerhet.

Fakta om lagring av elektrisk energi
. Nobelprisen i kjemi i 2019 ble delt ut i fellesskap til John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham og Akira Yoshino-for utvikling av litiumionbatterier.â €
. Elektrolyttgenomet ved JCESR har produsert en beregningsdatabase med mer enn 26 000 molekyler som kan brukes til å beregne viktige elektrolyttegenskaper for nye, avanserte batterier.

DOE Office of Science & Electrical Energy Storage
Forskning støttet av DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences (BES) har gitt betydelige forbedringer innen lagring av elektrisk energi. Men vi er fortsatt langt fra omfattende løsninger for neste generasjons energilagring ved å bruke helt nye materialer som dramatisk kan forbedre hvor mye energi et batteri kan lagre. Denne lagringen er avgjørende for å integrere fornybare energikilder i strømforsyningen vår. Fordi forbedring av batteriteknologi er avgjørende for utbredt bruk av plug-in elektriske kjøretøyer, er lagring også nøkkelen til å redusere vår avhengighet av petroleum for transport.

BES støtter forskning fra individuelle forskere og på tverrfaglige sentre. Det største senteret er Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), et DOE Energy Innovation Hub. Dette senteret studerer elektrokjemiske materialer og fenomener i atom- og molekylskalaen og bruker datamaskiner for å hjelpe til med å designe nye materialer. Denne nye kunnskapen vil gjøre det mulig for forskere å designe energilagring som er tryggere, varer lenger, lades raskere og har større kapasitet. Ettersom forskere støttet av BES -programmet oppnår nye fremskritt innen batterifag, brukes disse fremskrittene av anvendte forskere og industri for å fremme applikasjoner innen transport, strømnett, kommunikasjon og sikkerhet.