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 Luigi Galvani (1791): elektryczność zwierzęca

5 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.

6 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

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

8 Szereg napięciowy

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

10 Pokrycia galwaniczne

11 Ogniwa elektrochemiczne

12 Parametry ogniwa i ich opis Napięcie na zaciskach ogniwa otwartego jest wyższe niż napięcie ogniwa pod obciążeniem. Różnica jest powodowana spadkiem napięcia na oporze wewnętrznym ogniwa. Połączenie szeregowe ogniw pozwala uzyskać wyższe napięcie. Połączenie równoległe pozwala uzyskać wyższe natężenie prądu przy stałym napięciu. Największa moc wydziela się w zewnętrznym obwodzie, kiedy opór obciążenia jest zbliżony do oporu źródła.

13 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

14 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

15 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

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

17 Baterie typu Li-ion

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

19 Budowa baterii Li-ion

20 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)

21 Baterie Li-ion: materiały katodowe

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

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

24 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

25 Baterie Na-ion

26 Wymagania użytkowe baterii

27 Zastosowania ogniw Li-ion Korzystny stosunek zgromadzonej energii elektrycznej do masy Brak efektu pamięci Możliwość ładowania obciążonej baterii Niewielki efekt samorozładowania (5% miesięcznie w porównaniu z 20% dla NiCd) Niezależnie od ilości cykli ładowania/rozładowania występuje degradacja starzeniowa Efekt degradacji występuje w przypadku całkowitego rozładowania, jak i długiego przechowywania baterii całkowicie naładowanej Lit jest silnie reaktywny, co stwarza zagrożenie w przypadku uszkodzenia