Hvis du har kigget på din værktøjsskuffe for nylig, har du måske bemærket de forskellige former, størrelser og typer batterier, der strømmer dine elektroniske enheder. For det første er der den runde, ikke-genopladelige knapceller til dine ure og små genstande. Der er også de populære AA- og AAA -cylindriske batterier til regnemaskiner, ure og fjernbetjeninger. Så har du de genopladelige lithium-ion-batterier i dine bærbare computere og telefoner. Og glem ikke det ledende batteri i din bil.
De første batterier blev lavet i 1800 -tallet, og de var ganske enkle. En af de første demonstrationer var en række metalskiver, der blev gennemvædet i saltvand, som den italienske videnskabsmand Alessandro Volta fandt skabte en elektrisk strøm. Det første blysyrebatteri blev lavet af et par stykker bly i en krukke med svovlsyre. De moderne versioner er ikke så forskellige. De er bare lettere at fremstille og indeholde forskellige tilsætningsstoffer for at forbedre ydeevnen.
I alle tilfælde fungerer batterier på samme måde: en spændingsforskel mellem to forskellige elektroder producerer en elektrisk strøm, som kan udledes for at drive en enhed. Genopladelige batterier kan derefter vende denne strøm for at oplade opkastet. Inde i batteriet ledsages den elektriske strøm af strømmen af ioner gennem en væske, elektrolytten.
Passagen af hver elektron i strømmen ledsages af transporten af en ion gennem elektrolytten. Elektroder, der kan opbevare flere ioner, fører til batterier, der kan indeholde mere opladning og derfor varer længere på en enkelt opladning. Elektroder, der er konstrueret til hurtigere ionopbevaring, fører til batterier, der kan udlades hurtigere, til applikationer med høj effekt. Til sidst fører det til at oplade og udlede mange gange uden nedværdigende fører til batterier med lang levetid.
Bly-syrebatterier
Det ledende batteri var det første genopladelige batteri, der blev opfundet tilbage i 1859 af Gaston Plante, der eksperimenterede med blyplader i en sur opløsning og fandt, at strømmen og opbevaring af elektrisk strøm kunne vendes.
Et blysyrebatteri skal være stort nok til at give nok opladning til at starte en bil. Det skal også være brugbart i koldt klima og vare mange år. Da elektrolytten er en ætsende syre, skal det ydre hus være svært for at beskytte mennesker og bildele mod enhver mulig skade. Når man kender alt dette, giver det mening, at moderne bly-syre-batterier er blokeret og tunge.
Alkaliske batterier
På den anden side har husholdningsenheder som regnemaskiner og digitale skalaer råd til at bruge mindre batterier, fordi de ikke har brug for meget opladning. Dette er primært ikke-genopladelige alkaliske batterier, der er blevet brugt i årtier. De standardiserede cellestørrelser er AAAA, AAA, AA, C og D, samt knap- og møntceller og mange andre. Størrelserne er relateret til hvor meget opladning de opbevarer - jo større batteriet er, jo mere har det - og størrelserne på de enheder, de strømmer.
Nogle gange kan du finde alkaliske batterier, der sælges i rektangulære former, som almindelige 9- volt batterier, men åbn det ydre hus, og du finder ud af, at de simpelthen er et par cylindriske celler, der er forbundet sammen inde. Cylindriske batterier har eksisteret så længe og brugt så vidt, at det bare ikke giver mening for virksomhederne at fremstille noget andet - det ville kræve, at en investering ændrer deres produktionsfaciliteter, noget de helst ikke ville gøre.
Lithium-ion-batterier
Nikkel-cadmium-batterier var de første udbredte genopladelige batterier til husholdningselektronik og var populære gennem slutningen af det 20. århundrede. Men de havde deres faldgruber. Cadmium er meget giftigt, og batterierne led af en "hukommelseseffekt", hvilket reducerede deres levetid.
I mange årtier blev lithium undersøgt til potentiel brug i genopladelige batterier på grund af dets unikke egenskaber som et let metal, der opbevarer en masse energi. Sony kommercialiserede først lithium-ion-batteriet i 1991.
Virksomheden lavede cylindriske celler, fordi dette var de nemmeste at fremstille. I 1990'erne lavede Sony masser af videokameraer og bånd og havde således masser af udstyr til roll-to-roll-fremstilling. Det var naturligt at genbruge dette udstyr til at producere ruller af batterielektroder, der er lavet ved at støbe film på ark kobber eller aluminium og derefter rulle dem op i en "gelérulle" -cylinder.
Det tykke hus af disse cylindriske celler er mekanisk stærk, og for at tilføje et andet lag af sikkerhed har de en trykaflastningsventil. Meget hurtigt overtog disse tidlige lithium-ion-celler det bærbare elektronikmarked, især for bærbare computere og mobiltelefoner, fordi de lagrede mere energi og varede længere end nikkel-cadmium-genopladelige batterier.
Faktorer, der former batterier
Batterier fremstilles i visse størrelser og former af årsager til omkostninger og fremstilling, men i andre tilfælde på grund af ældre fremstillingsprocesser. Markedets efterspørgsel spiller også en rolle.
For eksempel startede elektriske køretøjer først, før Tesla begyndte at fremstille biler ved hjælp af cylindriske lithium-ion-batteri-celler snarere end den rektangulære pose eller prismatiske celler, som andre EV-producenter har brugt. Pose- og prismatiske celler kan pakkes tæt sammen, men fordi cylindriske celler allerede var masseproduceret for bærbar elektronik, var Tesla i stand til at fremstille lavere omkostninger EV'er i 2010'erne.
Hvilke former og størrelser batterier vil tage i fremtiden afhænger ikke kun af, hvor meget energi de opbevarer, men også af markedsøkonomi - hvor let det er at gøre hver type celle, hvor meget det koster at gøre dem og hvad de bruges til. Og disse faktorer er en blanding af innovation og historie.