Geschichte & Kultur

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Definition einer Batterie

Jose Luis Pelaez / Getty Images

 

Eine Batterie. die eigentlich eine elektrische Zelle ist, ist ein Gerät, das aus einer chemischen Reaktion Strom erzeugt. Genau genommen besteht eine Batterie aus zwei oder mehr Zellen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind, aber der Begriff wird im Allgemeinen für eine einzelne Zelle verwendet. Eine Zelle besteht aus einer negativen Elektrode; ein Elektrolyt, der Ionen leitet; ein Separator, auch ein Ionenleiter; und eine positive Elektrode. Der Elektrolyt kann wässrig (aus Wasser zusammengesetzt) ​​oder nichtwässrig (nicht aus Wasser zusammengesetzt) ​​in flüssiger, pastöser oder fester Form sein. Wenn die Zelle an eine externe Last oder ein zu versorgendes Gerät angeschlossen ist, liefert die negative Elektrode einen Elektronenstrom, der durch die Last fließt und von der positiven Elektrode akzeptiert wird. Wenn die externe Last entfernt wird, hört die Reaktion auf.

Eine Primärbatterie kann ihre Chemikalien nur einmal in Elektrizität umwandeln und muss dann entsorgt werden. Eine Sekundärbatterie weist Elektroden auf, die durch Zurückleiten von Elektrizität wiederhergestellt werden können. Wird auch als Speicher- oder Akku bezeichnet und kann viele Male wiederverwendet werden.

Batterien gibt es in verschiedenen Ausführungen. Am bekanntesten sind Einweg-  Alkalibatterien .

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Was ist eine Nickel-Cadmium-Batterie?

Der erste NiCd-Akku wurde 1899 von Waldemar Jungner aus Schweden hergestellt.

Diese Batterie verwendet Nickeloxid in ihrer positiven Elektrode (Kathode), eine Cadmiumverbindung in ihrer negativen Elektrode (Anode) und Kaliumhydroxidlösung als Elektrolyt. Die Nickel-Cadmium-Batterie ist wiederaufladbar und kann daher wiederholt betrieben werden. Eine Nickel-Cadmium-Batterie wandelt beim Entladen chemische Energie in elektrische Energie um und wandelt beim Aufladen elektrische Energie wieder in chemische Energie um. In einer vollständig entladenen NiCd-Batterie enthält die Kathode Nickelhydroxid [Ni (OH) 2] und Cadmiumhydroxid [Cd (OH) 2] in der Anode. Wenn die Batterie geladen wird, wandelt sich die chemische Zusammensetzung der Kathode um und das Nickelhydroxid ändert sich in Nickeloxyhydroxid [NiOOH]. In der Anode wird Cadmiumhydroxid in Cadmium umgewandelt. Wenn die Batterie entladen ist, wird der Vorgang umgekehrt, wie in der folgenden Formel gezeigt.

 

Cd + 2H 2 O + 2 NiOOH -> 2 Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2

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Was ist eine Nickel-Wasserstoff-Batterie?

Die Nickel-Wasserstoff-Batterie wurde erstmals 1977 an Bord des Navigationstechnologie-Satelliten-2 (NTS-2) der US-Marine eingesetzt.

Die Nickel-Wasserstoff-Batterie kann als Hybrid zwischen der Nickel-Cadmium-Batterie und der Brennstoffzelle betrachtet werden. Die Cadmiumelektrode wurde durch eine Wasserstoffgaselektrode ersetzt. Diese Batterie unterscheidet sich optisch stark von der Nickel-Cadmium-Batterie, da die Zelle ein Druckbehälter ist, der mehr als 1000 Pfund pro Quadratzoll (psi) Wasserstoffgas enthalten muss. Es ist deutlich leichter als Nickel-Cadmium, aber schwieriger zu verpacken, ähnlich wie eine Kiste mit Eiern.

Nickel-Wasserstoff-Batterien werden manchmal mit Nickel-Metallhydrid-Batterien verwechselt, die üblicherweise in Mobiltelefonen und Laptops verwendet werden. Nickel-Wasserstoff- sowie Nickel-Cadmium-Batterien verwenden denselben Elektrolyten, eine Lösung von Kaliumhydroxid, die üblicherweise als Lauge bezeichnet wird.

Anreize für die Entwicklung von Nickel / Metallhydrid-Batterien (Ni-MH) ergeben sich aus dringenden Gesundheits- und Umweltbedenken, um Ersatz für die wiederaufladbaren Nickel / Cadmium-Batterien zu finden. Aufgrund der Sicherheitsanforderungen der Arbeitnehmer wird die Verarbeitung von Cadmium für Batterien in den USA bereits eingestellt. Darüber hinaus wird es die Umweltgesetzgebung für die neunziger Jahre und das 21. Jahrhundert höchstwahrscheinlich zwingend erforderlich machen, die Verwendung von Cadmium in Batterien für Verbraucher zu beschränken. Trotz dieses Drucks hat die Nickel / Cadmium-Batterie neben der Blei-Säure-Batterie immer noch den größten Anteil am Markt für wiederaufladbare Batterien. Weitere Anreize für die Erforschung von Batterien auf Wasserstoffbasis ergeben sich aus der allgemeinen Annahme, dass Wasserstoff und Elektrizität einen erheblichen Teil der energietragenden Beiträge fossiler Brennstoffe verdrängen und letztendlich ersetzen werden, was zur Grundlage für ein nachhaltiges Energiesystem auf der Grundlage erneuerbarer Quellen wird. Schließlich besteht ein erhebliches Interesse an der Entwicklung von Ni-MH-Batterien für Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge.

Die Nickel / Metallhydrid-Batterie arbeitet in konzentriertem KOH-Elektrolyten (Kaliumhydroxid). Die Elektrodenreaktionen in einer Nickel / Metallhydrid-Batterie sind wie folgt:

 

Kathode (+): NiOOH + H 2 O + e-Ni (OH) 2 + OH- (1)

 

Anode (-): (1 / x) MHx + OH- (1 / x) M + H 2 O + e- (2)

 

Insgesamt: (1 / x) MHx + NiOOH (1 / x) M + Ni (OH) 2 (3)

Der KOH-Elektrolyt kann nur die OH-Ionen transportieren, und um den Ladungstransport auszugleichen, müssen Elektronen durch die externe Last zirkulieren. Die Nickeloxyhydroxid-Elektrode (Gleichung 1) wurde ausgiebig erforscht und charakterisiert, und ihre Anwendung wurde sowohl für terrestrische als auch für Luft- und Raumfahrtanwendungen umfassend demonstriert. Die meisten aktuellen Forschungen zu Ni / Metallhydrid-Batterien betrafen die Verbesserung der Leistung der Metallhydridanode. Dies erfordert insbesondere die Entwicklung einer Hydridelektrode mit den folgenden Eigenschaften: (1) lange Zykluslebensdauer, (2) hohe Kapazität, (3) hohe Lade- und Entladerate bei konstanter Spannung und (4) Rückhaltekapazität.

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Was ist eine Lithiumbatterie?

Was ist eine Lithiumbatterie?
Was ist eine Lithiumbatterie?. NASA

Diese Systeme unterscheiden sich von allen zuvor genannten Batterien darin, dass im Elektrolyten kein Wasser verwendet wird. Sie verwenden stattdessen einen nichtwässrigen Elektrolyten, der aus organischen Flüssigkeiten und Lithiumsalzen besteht, um die Ionenleitfähigkeit bereitzustellen. Dieses System hat viel höhere Zellspannungen als die wässrigen Elektrolytsysteme. Ohne Wasser wird die Entwicklung von Wasserstoff- und Sauerstoffgasen eliminiert und Zellen können mit viel breiteren Potentialen arbeiten. Sie erfordern auch eine komplexere Montage, da dies in einer nahezu vollkommen trockenen Atmosphäre erfolgen muss.

Eine Reihe von nicht wiederaufladbaren Batterien wurde zuerst mit Lithiummetall als Anode entwickelt. Kommerzielle Knopfzellen, die für heutige Uhrenbatterien verwendet werden, sind meistens eine Lithiumchemie. Diese Systeme verwenden eine Vielzahl von Kathodensystemen, die für den Verbraucher sicher genug sind. Die Kathoden bestehen aus verschiedenen Materialien wie Kohlenmonoflourid, Kupferoxid oder Vanadiumpentoxid. Alle Festkathodensysteme sind in der Entladungsrate begrenzt, die sie unterstützen.

Um eine höhere Entladungsrate zu erhalten, wurden Flüssigkathodensysteme entwickelt. Der Elektrolyt ist in diesen Konstruktionen reaktiv und reagiert an der porösen Kathode, die katalytische Stellen und elektrische Stromsammlung bereitstellt. Einige Beispiele dieser Systeme umfassen Lithium-Thionylchlorid und Lithium-Schwefeldioxid. Diese Batterien werden im Weltraum und für militärische Anwendungen sowie für Notsignale am Boden eingesetzt. Sie sind im Allgemeinen nicht für die Öffentlichkeit zugänglich, da sie weniger sicher sind als die Festkathodensysteme.

Es wird angenommen, dass der nächste Schritt in der Lithium-Ionen-Batterietechnologie die Lithium-Polymer-Batterie ist. Diese Batterie ersetzt den flüssigen Elektrolyten entweder durch einen gelierten Elektrolyten oder einen echten Festelektrolyten. Diese Batterien sollen noch leichter sein als Lithium-Ionen-Batterien, aber es gibt derzeit keine Pläne, diese Technologie im Weltraum zu fliegen. Es ist auch nicht allgemein auf dem kommerziellen Markt erhältlich, obwohl es gleich um die Ecke sein kann.

Rückblickend haben wir seit den undichten Taschenlampenbatterien der sechziger Jahre, als die Raumfahrt geboren wurde , einen langen Weg zurückgelegt . Es gibt eine breite Palette von Lösungen, um den vielen Anforderungen der Raumfahrt gerecht zu werden, 80 unter Null bis zu den hohen Temperaturen einer vorbeifliegenden Sonnenfliege. Es ist möglich, mit massiver Strahlung, jahrzehntelangem Betrieb und Lasten von mehreren zehn Kilowatt umzugehen. Es wird eine kontinuierliche Weiterentwicklung dieser Technologie und ein ständiges Streben nach verbesserten Batterien geben.

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