Przetwarzanie energii: kondensatory

Transkrypt

1 Przetwarzanie energii: kondensatory Ładując kondensator wykonujemy pracę nad ładunkiem.

2 Przetwarzanie energii: ogniwa paliwowe W ogniwach paliwowych następuje elektrochemiczne spalanie paliwa. Energia procesu utleniania jest zamieniana w energię elektryczną.

3 Przetwarzanie energii: ogniwa galwaniczne Ogniwa galwaniczne mogą zarówno wytwarzać energię elektryczną (na skutek reakcji na elektrodach) jak i gromadzić energię w procesie ładowania odwrócenie reakcji na elektrodach.

4 Historia ogniw: Bateria z Bagdadu Bateria z Bagdadu 250 p.n.e. Żelazo Fe Miedź Cu Ocet winny

5 Historia ogniw Luigi Galvani (1791): elektryczność zwierzęca

6 Historia ogniw Alessandro Volta (około 1800r): weryfikacja doświadczeń Galvaniego Umieszczenie dwóch różnych metali w elektrolicie może wywołać przepływ prądu elektrycznego. Stos Volty płytki cynkowe i srebrowe, lub cynkowe i miedziane, zanurzone w roztworze soli.

7 Rodzaje półogniw elektrochemicznych metal/jon metalu metal/nierozpuszczalna sól gazowa redoks

8 Ogniwo elektrochemiczne Ogniwo galwaniczne zachodzi reakcja samorzutna. Elektrony są oddawane anodzie (utlenianie) i pobierane z katody (redukcja) elektroda dodatnia. Ogniwo elektrolityczne (elektrolizer) zewnętrzne źródło wymusza ruch elektronów. Redukcja zachodzi na katodzie (podłączonej do bieguna ujemnego źródła), utlenianie na anodzie

9 Ogniwo elektrochemiczne Daniella Anoda (-) Katoda (+) utlenianie redukcja

10 Szereg napięciowy

11 Potencjał standardowy Ogniwo służące do wyznaczania potencjałów standartowych: półogniwo wodorowe i półogniwo badane.

12 Ogniwa elektrochemiczne

13 Pokrycia galwaniczne

14 Ogniwo Leclanchego cynkowo-węglowe 1 zacisk dodatni (+) 2 - pręt grafitowy 3 - cynkowy pojemnik 4 - tlenek manganu(iv) 5 - wilgotna pasta chlorku amonu (elektrolit) 6 zacisk ujemny (-) Dodanie chlorku cynku do elektrolitu pozwala na uzyskanie SEM około 1.5V Tanie w produkcji Podczas rozładowania wzrasta opór wewnętrzny Wycieki elektrolitu i degradacja przy przechowywaniu

15 Ogniwo alkaliczne SEM zbliżone jak w bateriach kwasowych (1.5V) Pojemność energetyczna około 3 razy większa (3000 mah dla AA) Dłuższy czas użytkowania Pojemność zależna od wartości prądu Wycieki elektrolitu niszczą aluminium katoda: 2 MnO 2 + H 2 O + 2 e Mn 2 O OH anoda: Zn + 2 OH Zn(OH) e reakcja całkowita: 2 MnO 2 + H 2 O + Zn Mn 2 O 3 +Zn(OH) 2

16 Ogniwa niklowo kadmowe/wodorkowe Ogniwo wielokrotnego ładowania NiCd: -zasadowy tlenek niklu NiOOH - metaliczny kadm Napięcie: około 1.2V. Odporne na niekorzystne warunki użytkowania, trwałe (do 20 lat). Do 1000 cykli ładowania. Występuje efekt pamięci Ogniwo wielokrotnego ładowania NiMH: - zasadowy tlenek niklu NiOOH - stopy metali (m. in. wanad, tytan, cyrkon, nikiel, chrom, kobalt, żelazo) o strukturze porowatej możliwość uwalniania wodoru podczas rozładowania, a wiązania w trakcie ładowania. Katoda: NiO(OH) + H 2 O + e Ni(OH) 2 + OH Anoda: MH + OH M + H 2 O + e Większość modeli samochodów hybrydowych wykorzystuje ogniwa NiHM

17 Ogniwa kwasowo-ołowiowe Akumulator kwasowo-ołowiowy Anoda - utlenianie Katoda- redukcja Siarczan ołowiu IV

18 Baterie typu Li-ion

19 Baterie typu Li-ion Potencjał w odniesieniu do litu gęstość energii

20 Budowa baterii Li-ion

21 Baterie Li-ion z elektrolitem polimerowym Anoda: Lit metaliczny bądź materiał interkalowany Katoda: LiCoO 2 lub LiMn 2 O 4 Elektrolit:Sól zdysocjowana w matrycy polimerowej, elektrolit żelowy lub polimer w soli Źródło: strona internetowa SONY Bezpieczeństwo pracy i możliwość uzyskania dowolnych kształtów baterii Baterie w postaci rolki folii (3M) Baterie Li-ion o czasie ładowania rzędu 3 minut (Toshiba, marzec 2005)

22 Baterie Li-ion: materiały katodowe

23 Baterie Li-ion: materiały katodowe Materiały elektrodowe mają mieszane przewodnictwo: - jonowe umożliwia proces interkalacji i deinterkalacji - elektronowe umożliwia wymianę elektronów

24 Baterie Li-ion: materiały anodowe Najczęściej stosowanym materiałem anodowym jest grafit. Lit może również ulegać interkalacji w tlenkach krzemu lub tytanu.

25 Baterie Na-ion Malejące zasoby litu mogą spowodować nieopłacalność produkcji ogniw Li-ion. Technologie i materiały sprawdzone dla ogniw Li-ion znajdują zastosowanie w produkcji ogniw sodowych

26 Baterie Na-ion

27 Wymagania użytkowe baterii