EN batteri, som faktiskt är en elektrisk cell, är en enhet som producerar elektricitet från en kemisk reaktion. Strängt taget består ett batteri av två eller flera celler anslutna i serie eller parallellt, men termen används vanligtvis för en enda cell. En cell består av en negativ elektrod; en elektrolyt, som leder joner; en separator, även en jonledare; och en positiv elektrod. De elektrolyt kan vara vattenhaltig (sammansatt av vatten) eller icke vattenhaltig (ej sammansatt av vatten), i flytande, pasta eller fast form. När cellen är ansluten till en extern belastning, eller en enhet som ska drivas, tillför den negativa elektroden en ström av elektroner som strömmar genom lasten och accepteras av den positiva elektroden. När den yttre belastningen avlägsnas upphör reaktionen.
Ett primärt batteri är ett som kan omvandla sina kemikalier till el bara en gång och sedan måste kasseras. Ett sekundärt batteri har elektroder som kan rekonstitueras genom att leda tillbaka elektricitet igenom det; kallas också ett lagrings- eller uppladdningsbart batteri, det kan återanvändas många gånger.
Detta batteri använder nickeloxid i sin positiva elektrod (katod), en kadmiumförening i sin negativa elektrod (anod) och kaliumhydroxidlösning som sin elektrolyt. Nickel-kadmiumbatteriet är uppladdningsbart, så det kan cykla upprepade gånger. Ett nickelkadmiumbatteri konverterar kemisk energi till elektrisk energi vid urladdning och konverterar elektrisk energi tillbaka till kemisk energi vid laddning. I ett helt urladdat NiCd-batteri innehåller katoden nickelhydroxid [Ni (OH) 2] och kadmiumhydroxid [Cd (OH) 2] i anoden. När batteriet laddas omvandlas katodens kemiska sammansättning och nickelhydroxiden ändras till nickeloxyhydroxid [NiOOH]. I anoden omvandlas kadmiumhydroxid till kadmium. När batteriet är urladdat vänds processen, som visas i följande formel.
Nickel-Hydrogen-batteriet kan betraktas som en hybrid mellan nickel-kadmiumbatteriet och bränslecellen. Kadmiumelektroden ersattes med en vätgaselektrod. Detta batteri är visuellt mycket annorlunda än Nickel-Cadmium-batteriet eftersom cellen är ett tryckkärl, som måste innehålla över ett tusen pund (psi) vätgas. Det är betydligt lättare än nickel-kadmium, men är svårare att förpacka, ungefär som en låda med ägg.
Nickel-vätebatterier förväxlas ibland med nickel-metallhydridbatterier, de batterier som vanligtvis finns i mobiltelefoner och bärbara datorer. Nickel-väte, liksom nickel-kadmiumbatterier använder samma elektrolyt, en lösning av kaliumhydroxid, som ofta kallas lut.
Incitament för att utveckla nickel / metallhydrid (Ni-MH) -batterier kommer från att trycka på hälso- och miljöhänsyn för att hitta ersättningar för uppladdningsbara batterier för nickel / kadmium. På grund av arbetstagarnas säkerhetskrav är bearbetning av kadmium för batterier i USA redan på väg att fasas ut. Dessutom kommer miljölagstiftningen för 1990-talet och 2000-talet sannolikt att göra det nödvändigt att begränsa användningen av kadmium i batterier för konsumentbruk. Trots dessa tryck, bredvid blysyrabatteriet, har nickel / kadmiumbatteriet fortfarande den största andelen av marknaden för laddningsbart batteri. Ytterligare incitament för att undersöka vätebaserade batterier kommer från den allmänna tron att väte och elektricitet kommer att förskjuta och så småningom ersätta en en betydande bråkdel av energiförsörjningen av fossila bränsleresurser och blir grunden för ett hållbart energisystem baserat på förnybar energi källor. Slutligen finns det ett stort intresse för utvecklingen av Ni-MH-batterier för elfordon och hybridfordon.
KOH-elektrolyten kan endast transportera OH-jonerna och för att balansera laddningstransporten måste elektroner cirkulera genom den yttre belastningen. Nickeloxy-hydroxidelektroden (ekvation 1) har undersökts och karakteriserats omfattande och dess tillämpning har vidsträckt demonstrerats för både markbundna och flyg- och rymdapplikationer. Merparten av den nuvarande forskningen inom Ni / Metal Hydride-batterier har inneburit att förbättra prestandan för metallhydridanoden. Specifikt kräver detta utveckling av en hydridelektrod med följande egenskaper: (1) lång cykellivslängd, (2) hög kapacitet, (3) hög laddningshastighet och urladdning vid konstant spänning och (4) retention kapacitet.
Dessa system skiljer sig från alla de tidigare nämnda batterierna genom att inget vatten används i elektrolyten. De använder istället en icke-vattenhaltig elektrolyt, som består av organiska vätskor och litiumsalter för att ge jonledningsförmåga. Detta system har mycket högre cellspänningar än de vattenhaltiga elektrolytsystemen. Utan vatten elimineras utvecklingen av väte och syregaser och celler kan arbeta med mycket större potentialer. De kräver också en mer komplex montering, eftersom det måste göras i en nästan perfekt torr atmosfär.
Ett antal icke-uppladdningsbara batterier utvecklades först med litiummetall som anod. Kommersiella myntceller som används för dagens klockbatterier är mestadels en litiumkemi. Dessa system använder olika katodsystem som är tillräckligt säkra för konsumentbruk. Katodema är tillverkade av olika material, såsom kolmonoflourid, kopparoxid eller vanadiumpentoxid. Alla fasta katodesystem är begränsade i den urladdningshastighet som de kommer att stödja.
För att erhålla en högre urladdningshastighet utvecklades flytande katodesystem. Elektrolyten är reaktiv i dessa konstruktioner och reagerar vid den porösa katoden, som tillhandahåller katalytiska ställen och elektrisk strömuppsamling. Flera exempel på dessa system inkluderar litium-tionylklorid och litium-svaveldioxid. Dessa batterier används i rymden och för militära applikationer såväl som för akutljus på marken. De är i allmänhet inte tillgängliga för allmänheten eftersom de är mindre säkra än de fasta katodesystemen.
Nästa steg i litiumjonbatterieteknologi tros vara litiumpolymerbatteriet. Detta batteri ersätter den flytande elektrolyten med antingen en gelat elektrolyt eller en riktig fast elektrolyt. Dessa batterier ska vara ännu lättare än litiumjonbatterier, men det finns för närvarande inga planer på att flyga denna teknik i rymden. Det är inte vanligtvis tillgängligt på den kommersiella marknaden, även om det kan vara precis runt hörnet.
I efterhand har vi kommit långt sedan det läckande ficklampa batterier på sextiotalet, när rymdflyg föddes. Det finns ett brett utbud av lösningar tillgängliga för att möta de många kraven på rymdflygning, 80 under noll till de höga temperaturerna för en solfluga förbi. Det är möjligt att hantera massiv strålning, decennier av service och belastningar som når tiotals kilowatt. Det kommer att ske en fortsatt utveckling av denna teknik och en ständig strävan mot förbättrade batterier.