Enerji saxlama batareyalarının iş prinsipi
Anenerji saxlama batareyasıelektrik enerjisi ilə kimyəvi enerji arasında enerjini çevirən və saxlayan cihazdır. Boşalma zamanı kimyəvi enerji birbaşa elektrik enerjisinə çevrilir; şarj zamanı elektrik enerjisi saxlanmaq üçün yenidən kimyəvi enerjiyə çevrilir. Akkumulyatordakı müsbət və mənfi elektrodlar müxtəlif materiallardan hazırlanır. Eyni elektrolit daxil edildikdə, hər iki elektrod Şəkil 1-4-də ABCD qırıq xətti ilə göstərildiyi kimi öz elektrod potensiallarını quracaq (kesik xətt və elektrodlar arasındakı boşluq yaranmış ikiqat elektrik təbəqəsini təmsil edir). Müsbət və mənfi elektrodlar arasındakı tarazlıq elektrod potensialındakı fərq batareyanın elektromotor qüvvəsini (EMF) E təşkil edir.
Şəkil 14 Enerji saxlama batareyasının iş prinsipinin sxematik diaqramı
Müsbət və mənfi elektrodlar xarici yükə qoşulduqda, müsbət elektrod materialı elektronlar qazanır və reduksiya reaksiyasına məruz qalır, katod qütbləşmə yaradır, beləliklə, müsbət elektrod potensialını azaldır; mənfi elektrod materialı elektronları itirir və oksidləşmə reaksiyasına məruz qalır, anodik qütbləşmə yaradır, beləliklə mənfi elektrod potensialını artırır. Xarici dövrə üçün elektronlar mənfi elektroddan müsbət elektroda axır, buna görə də cari istiqamət müsbət elektroddan mənfi elektroda doğrudur. Elektrolitdə yük ötürülməsi ion hərəkəti ilə baş verir, beləliklə daxili dövrədə cərəyan istiqaməti mənfi elektroddan müsbət elektroda doğru olur. Boşaltma vəziyyətində batareyanın potensial paylanması Şəkil 1-4-də A'B'C'D' qırıq xətləri ilə göstərilmişdir. Bütün proses tam qapalı dövrə təşkil edərək, elektrodlarda oksidləşmə və reduksiya reaksiyalarının davamlı olaraq davam etməsinə imkan verir və beləliklə, qapalı dövrə daxilində davamlı cərəyan axını təmin edilir. Batareya işləyərkən elektrodlarda elektrik enerjisi yaradan elektrokimyəvi reaksiyalara axın yaradan reaksiyalar, bu reaksiyalarda iştirak edən maddələrə isə aktiv materiallar deyilir.
Batareyanın doldurulması prosesi əslində onun boşaldılması prosesinin əksidir. Doldurma zamanı oksidləşmə müsbət elektrodda, azalma isə mənfi elektrodda baş verir; eyni zamanda, elektrolitdəki ionların miqrasiya istiqaməti boşalma zamanı olanın əksinədir və Şəkil 1-4-də A"B"C"D" qırıq xətləri ilə göstərildiyi kimi, bu kimyəvi çevrilmə prosesini aparmaq üçün batareyanın açıq dövrə gərginliyini aşan xarici enerji mənbəyi tələb olunur.
Kimyəvi enerjinin birbaşa elektrik enerjisinə çevrilməsini asanlaşdırmaq üçün enerji saxlama batareyasında baş verən redoks prosesi adi redoks reaksiyalarından əsaslı şəkildə fərqlənir. Batareyada elektron itirmə (oksidləşmə) və elektron əldə etmə (reduksiya) prosesləri müxtəlif bölgələrə ayrılmalıdır. Bundan əlavə, aktiv komponentlər reaksiyada iştirak etdikdə elektronlar xarici dövrədən keçməlidir. Bu iki əsas element akkumulyatordakı redoks mexanizmini adi kimyəvi redoks reaksiyalarından və elektrokimyəvi korroziya hadisələrindəki mikro-hüceyrə reaksiyalarından fərqləndirir.
Enerji saxlama batareyalarının tərkibi
Əsas enerji saxlama batareyası dörd əsas komponentdən ibarət olmalıdır: elektrodlar, elektrolit, ayırıcı və batareyanın korpusu.
elektrod
Elektrodlar, batareyanın əsas komponentləri kimi, əsasən aktiv materiallardan və keçirici çərçivədən ibarət olan müsbət və mənfi elektrodlara bölünür. Onların arasında aktiv materiallar akkumulyatorun boşaldılması zamanı kimyəvi reaksiyalar vasitəsilə elektrik enerjisi yaradır və batareyanın işini təyin edən əsas amildir. Aktiv materiallar əsasən bərkdir, lakin maye və ya qaz şəklində də mövcud ola bilər.
Aktiv materiallar akkumulyatorun ümumi işinə həlledici təsir göstərir və buna görə də ümumiyyətlə aşağıdakı performans tələblərinə malikdir: ① Akkumulyatorun böyük elektrohərəkətverici qüvvə yarada bilməsini təmin etmək üçün müsbət elektrod materialı yüksək potensiala malik olmalıdır, mənfi elektrod materialı isə aşağı potensialı saxlamalıdır; ② Aktiv materiallar yaxşı elektrokimyəvi reaktivliyə malik olmalıdır, yəni redoks proseslərində asanlıqla iştirak etməlidir; ③ Aktiv komponentlər çəki və həcm baxımından yüksək xüsusi tutuma malik olmalıdır; ④ Aktiv materiallar elektrolit məhlullarında əla kimyəvi dayanıqlığa malik olmalıdır və öz-özünə{0}}həll olma dərəcəsi mümkün qədər aşağı olmalıdır; ⑤ Aktiv materiallar yüksək elektron keçiriciliyə malik olmalıdır; ⑥ İqtisadiyyat və davamlı inkişaf nöqteyi-nəzərindən ideal aktiv materiallar yer üzündə bol və ucuz olan resurslar olmalıdır; ⑦ Aktiv materiallar həmçinin insan sağlamlığı və təbii mühit üçün zərərsiz olmalıdır.
Xüsusi aktiv material üçün yuxarıda göstərilən bütün standartlara cavab vermək olduqca çətindir; buna görə də aktiv material seçərkən hərtərəfli nəzərə almaq lazımdır. Hal-hazırda ən çox istifadə olunan katod materialları qurğuşun dioksidi, manqan dioksidi və nikel oksidi kimi metal oksidləri, həmçinin havadan oksigendir. Anod materialları üçün sink, qurğuşun, kadmium, dəmir, litium və natrium kimi bir sıra kimyəvi reaktiv metallara üstünlük verilir.
Keçirici çərçivənin funksiyası aktiv materialı xarici dövrə ilə birləşdirmək və balanslaşdırılmış cərəyan paylanmasını təmin etməkdir. O, həmçinin aktiv materialı dəstəkləyir. İdeal keçirici çərçivə əla mexaniki gücə, yüksək kimyəvi dayanıqlığa, aşağı müqavimətə və yaxşı emal qabiliyyətinə malik olmalıdır.
elektrolitlər
Elektrolitin əsas funksiyası müsbət və mənfi elektrodlar arasında effektiv ion keçiriciliyini təmin etmək, ion daşıma vəzifəsini yerinə yetirməkdir. Bəzi hallarda elektrokimyəvi reaksiyalarda da iştirak edə bilər. Akkumulyatorda istifadə olunan elektrolit üçün onun performansı aşağıdakı tələblərə cavab verməlidir: ① Saxlama zamanı elektrolit və aktiv material arasındakı interfeysdə əhəmiyyətli elektrokimyəvi reaksiyaların qarşısını almaq üçün yaxşı kimyəvi dayanıqlılığa malik olmalıdır və beləliklə, batareyanın boşaldılmasını- azaldır; ② Yüksək elektrik keçiriciliyinə malik olmalıdır. Elektrolit tərkibi müxtəlif növ akkumulyatorlar arasında dəyişir və adətən elektrolit kimi əla keçiriciliyə malik turşuların, qələvilərin və ya duzların sulu məhlulları seçilir. Bununla belə, bəzi yeni enerji texnologiyaları üzvi həlledici elektrolitlər, ərimiş duz elektrolitləri və ya bərk elektrolitlər kimi yeni materiallardan istifadə edə bilər.
izolə
Batareyanın müsbət və mənfi elektrodları arasında membran və ya arakəsmə kimi də tanınan ayırıcı yerləşdirilir. Onun əsas funksiyası qısaqapanmaya səbəb ola biləcək elektrodlar arasında birbaşa təmasın qarşısını almaqdır. Separatorlar üçün əsas performans tələblərinə aşağıdakılar daxildir: ① daxili qısaqapanmaların qarşısını almaq üçün yaxşı elektron izolyator olmaq; ② elektrolitdə ion miqrasiyasına qarşı aşağı müqavimətə malik olmaqla, bütün cihazın daxili müqavimətini azaldır və yüksək-cari boşalma şəraitində enerji itkisini əhəmiyyətli dərəcədə azaldır; ③ yaxşı kimyəvi sabitliyə malik, elektrolit korroziyasına və elektrod aktiv materialların redoks reaksiyalarına tab gətirmək; ④ dendritin böyüməsini effektiv şəkildə bloklamaq və kiçik aktiv hissəciklərin membrana nüfuz etməsinin qarşısını almaq üçün kifayət qədər mexaniki gücə və əyilmə müqavimətinə malik olmaq;⑤İqtisadi amilləri nəzərə alaraq, o, hazır və ucuz olmalıdır.
Ümumi ayırıcı materiallara pambıq kağızı, sellüloz kağızı, mikroməsaməli plastiklər, mikroməsaməli rezin, nəmlənmiş sellüloza, neylon parça və şüşə lifi və s. daxildir.
Batareya korpusu
Batareya qabı kimi də tanınan batareya korpusu, sink elektrodunun həm də korpus kimi xidmət etdiyi mövcud enerji saxlama batareyalarında yeganə batareya növüdür. Bunun əksinə olaraq, digər akkumulyator növləri aktiv materialın özündən çox, xarici inkapsulyasiya üçün xüsusi materiallardan istifadə edirlər. İdeal akkumulyator korpusu əla mexaniki xüsusiyyətlərə malik olmalı, vibrasiya və zərbəyə davamlı olmalı, ekstremal temperatur şəraitində sabit qalmalı və elektrolitdən korroziyaya davamlı olmalıdır. Təcrübədə metallar, plastiklər və sərt rezin kimi materiallar müvafiq üstünlüklərinə görə akkumulyator korpusu kimi geniş istifadə olunur.