LA STORIA DELLA TECNOLOGIA DELLE BATTERIE

Gli attuali dispositivi elettronici mobili sono in gran parte separati dalle batterie chimiche, che sono dispositivi che convertono l'energia chimica in energia elettrica. Al momento, le batterie sono abituate, ma per gli esseri umani nel XVIII secolo, era incredibile. Come una penna magica all'inizio del XIX secolo, come veniva riconosciuta la batteria dagli esseri umani? Perché le batterie al litio dominano l'industria dell'elettronica di consumo.

Volta batteria nato sulla coscia della rana

Quando si tratta di prodotti chimici batterie, c'è davvero un nome indispensabile, ovvero Volta, e il suo nome è inciso per sempre nei libri di testo umani. Volta aveva un vecchio amico, Galvani, che era un professore di scienza del crack. A quel tempo, Galvani scoprì un fenomeno biologico peculiare: mettendo le zampe di una rana appena morta su una piastra di rame e tagliando la coscia della rana con una molletta, i muscoli della coscia si contraevano. Come capita, questa molletta è fatta di zinco metallico. Galvani credeva che i fluidi corporei nelle cosce della rana contenessero elettricità animale e che quando il metallo entrava in contatto, si verificava un processo di scarica. Quando Volta lo sentì, sostenne l'opinione opposta. Volt credeva che non ci fosse bioelettricità nei fluidi corporei animali e che la corrente provenisse dal contatto di due metalli diversi con il fluido corporeo. Due vecchi amici hanno le loro opinioni.

Volta alla fine dimostrò la sua idea con un'invenzione, il mucchio di Volt, uno degli oggetti che si vedono sullo sfondo della foto sopra.

Il processo di prova di tensione è molto semplice e classico, ovvero sostituire le cosce di rana con cartone imbevuto di acqua salata, prima utilizzare zinco e argento come metallo a entrambe le estremità, quindi estrarre argento e zinco come fili, quando le linee elettriche in uscita sono collegate, per generare corrente. Inoltre, la batteria realizzata sotto forma di questa pila di volt ha una tensione relativamente stabile e immagazzina molta elettricità. Questa è la prima batteria nella storia dell'umanità.

Nel 1800, Volta registrò nei dettagli il metodo e il processo di fabbricazione e lo condivise con tutti. Anche Napoleone ne fu molto interessato dopo averne sentito parlare e invitò Volta a spiegare la sua invenzione.

Volta volle mostrare a Napoleone che la pila di Volta poteva bruciare il filo di ferro, facendo bollire l'acqua; Napoleone sperimentò anche personalmente la sensazione di una scossa elettrica.

Secondo la classificazione della scienza moderna, la pila di volt appartiene alla batteria primaria, cioè alla batteria che non può essere utilizzata ripetutamente.

Batterie a secco

La batteria primaria al litio metallico con cui abbiamo più familiarità è la batteria a bottone che viene spesso utilizzata in orologi e calcolatrici. È una tipica batteria primaria al litio batteria.

Zinco-manganese secco batteria è una batteria a secco di tipo barile comunemente utilizzata nella vita quotidiana.

Si noti che il litio batteria qui si riferisce a una batteria primaria a secco. La batteria al litio nella tabella è una batteria primaria al litio che utilizza il metallo Li come elettrodo negativo e SOCl2 come elettrodo positivo. La batteria al litio che diciamo spesso si riferisce alla batteria al litio ricaricabile.

Ciò riguarda la seconda categoria di batterie: le batterie secondarie.

La prima batteria ricaricabile al mondo

Nel 1859, il francese Plante scoprì che quando la corrente continua passava attraverso due piastre di piombo immerse in acido solforico diluito, la forza elettromotrice poteva essere generata ripetutamente sulle due piastre di piombo, realizzando così un batteria al piombo. Questo tipo di batteria non solo ha un'elevata densità di accumulo di energia, ma può anche essere utilizzata più volte tramite carica. Questa è la prima batteria ricaricabile nella storia dell'uomo: la batteria al piombo. Batterie al piombo sono disponibili nelle serie da 2,4 V, 4 V, 6 V, 8 V, 12 V, 24 V con capacità da 200 mAh a 3000 Ah.

Attualmente, è molto comune che i veicoli elettrici continuino a essere utilizzati batterie al piombo-acido.

Successivamente sono state sviluppate le batterie al nichel-cadmio e le batterie al nichel-metallo idruro.

Batterie al nichel-cadmio

Il materiale dell'elettrodo positivo della batteria al nichel-cadmio è composto da polvere di ossido di nichel e polvere di grafite; il materiale dell'elettrodo negativo è composto da polvere di ossido di cadmio e polvere di ossido di ferro. La batteria al nichel-cadmio è il primo tipo di batteria utilizzato nei telefoni cellulari. Può essere caricata e scaricata ripetutamente per più di 500 volte. È economica e durevole. Può fornire una grande corrente per il carico e la variazione di tensione durante la scarica è piccola. È una batteria di alimentazione CC molto ideale.

Lo svantaggio più fatale delle batterie al nichel-cadmio è che se non vengono maneggiate correttamente durante il processo di carica e scarica, si verificherà un grave "effetto memoria", che ne ridurrà notevolmente la durata. Il cosiddetto "effetto memoria" significa che la potenza della batteria non viene scaricata completamente prima che la batteria venga caricata, il che causerà una diminuzione della capacità della batteria nel tempo. Inoltre, il cadmio è tossico e causerà inquinamento da metalli pesanti, quindi le batterie al nichel-cadmio non sono favorevoli alla protezione dell'ambiente ecologico. Queste carenze rendono le batterie al nichel-cadmio sostanzialmente fuori dall'ambito di applicazione delle batterie per apparecchiature digitali.

Batteria Ni-MH (Ni/MH)

Si tratta di una modifica delle batterie al nichel-cadmio, che sostituisce il cadmio (Cd) con un metallo in grado di assorbire idrogeno. La nascita delle batterie al nichel-metallo idruro è attribuita alla scoperta delle leghe di accumulo dell'idrogeno. Le leghe di accumulo dell'idrogeno possono assorbire e rilasciare una grande quantità di idrogeno in determinate condizioni di temperatura e pressione, quindi sono vividamente chiamate "spugne assorbenti l'idrogeno". In una soluzione elettrolitica alcalina forte, viene ripetutamente caricato e scaricato ed esiste stabilmente per lungo tempo, fornendo così un nuovo tipo di materiale per elettrodi negativi e, su questa base, viene inventata una batteria al nichel-idrogeno. La principale fonte di leghe di accumulo dell'idrogeno sono le terre rare e le risorse di terre rare della Cina rappresentano oltre 70% delle riserve totali mondiali. Lo sviluppo delle batterie al nichel-metallo idruro presenta vantaggi unici.

La capacità delle batterie NiMH esistenti è già superiore a quella delle batterie alcaline (in volume). Prendendo le batterie AA come esempio, la capacità marcata delle batterie NiMH può raggiungere i 2900 mAh, mentre la capacità delle batterie alcaline è di soli ~2100 mAh, che è ovviamente molto più alta di quella delle NiCd. La batteria è da 1100 mAh, ma è ancora al di sotto di una batteria agli ioni di litio.

Lo svantaggio delle batterie NiMH è che sono più costose delle batterie NiCd.

Batteria al litio

Batterie al litio sono la corona delle batterie ricaricabili.

Le batterie secondarie al litio sono state molto popolari nella ricerca per un lungo periodo di tempo, ma finora le batterie secondarie con litio metallico come elettrodo negativo non sono state messe in produzione. Perché? La chiave è la sicurezza.

Se si usa il litio metallico, il processo di scarica è lo stesso di prima e il processo di carica è invertito. Il circuito esterno fornisce molti elettroni all'elettrodo negativo e gli ioni di litio ottengono elettroni all'elettrodo negativo e vengono precipitati. Il problema è che la segregazione dei dendriti avviene durante la precipitazione del litio metallico, ovvero si forma un cristallo simile a un dendrite e quando i dendriti sono abbastanza lunghi da essere collegati dall'elettrodo positivo all'elettrodo negativo, si verifica un cortocircuito e la batteria al litio esploderà.

Pertanto, lo sviluppo di batterie secondarie al litio ha incontrato un enorme collo di bottiglia in questo momento. I ricercatori hanno dovuto trovare una sostanza che potesse assorbire il litio metallico per impedire la segregazione dei dendriti per sostituire il litio come elettrodo negativo. Questa grande idea è nata dai Bell Labs nel 1981 e la sostanza che stavano cercando ci era familiare anche come grafite. Come tutti sappiamo, la grafite ha una struttura a strati, quindi il litio metallico viene facilmente inserito nella grafite per formare un composto interstrato di grafite composto da C6Li, che evita il problema della segregazione dei dendriti del litio durante la carica e risolve con successo il problema della batteria secondaria. I problemi di sicurezza hanno portato direttamente alla produzione di batterie agli ioni di litio.

Vantaggi di Batterie al litio

Alta tensione, la tensione di lavoro della singola batteria è alta quanto 3,7-3,8 V (3,2 V per fosfato di ferro e litio), che è 3 volte superiore a quella delle batterie al nichel-cadmio e delle batterie al nichel-idrogeno

Elevata energia specifica, 3-4 volte quella delle batterie Ni-Cd, 2-3 volte quella delle batterie Ni-MH

Lunga durata del ciclo, generalmente può raggiungere più di 500 volte, anche più di 1000 volte, il fosfato di ferro e litio può raggiungere più di 2000 volte

Buone prestazioni di sicurezza, non contiene cadmio, piombo, mercurio e altri elementi che inquinano l'ambiente, nessun effetto memoria

Questi vantaggi hanno portato all'applicazione schiacciante delle batterie al litio. È possibile vedere le batterie al litio nei veicoli elettrici, nei veicoli elettrici e nei prodotti digitali.

La scienza e la tecnologia sono un vantaggio per l'umanità. In quanto industria relativamente antica, l'industria delle batterie ha creato un flusso costante di energia per un nuovo ciclo di innovazione tecnologica grazie all'emergere delle batterie al litio.