Какой элемент используется в батареях? Батареи питают практически все, чем мы пользуемся в наши дни, - от смартфонов и ноутбуков до электромобилей и крупных систем хранения электроэнергии. Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, какие элементы на самом деле обеспечивают работу батареи? Например, что на самом деле внутри ящик, который позволяет накапливать и высвобождать энергию, когда вам это нужно?
Когда вы понимаете химический состав батарей, вы не просто удовлетворяете любопытство - вы получаете представление об их производительности, безопасности и реальных проблемах устойчивого развития, которые они создают.
В этом руководстве рассказывается о ключевых элементах, входящих в состав различных типов батарей, о том, почему эти материалы имеют значение, как они влияют на работу и безопасность батарей и какие альтернативы разрабатывают ученые для будущих источников энергии. Если вы хотите знать не только что внутри но почему если эти материалы имеют значение, вас ждет полезное чтение.
Ионно-натриевая батарея 12v 200ah
Домашняя натриевая батарея Kamada Power 10 кВт/ч
Какие ключевые элементы используются в батареях?
Батареи накапливают энергию химическим путем и отдают ее в виде электричества в результате электрохимических реакций между двумя электродами - анодом и катодом - с электролитом между ними. Но вот в чем дело: в элементы которые образуют эти электроды, полностью определяют, насколько хорошо работает батарея.
Итак, какие элементы обычно используются в современных батареях? Эти элементы встречаются чаще всего:
- Литий (Li): Это звезда литий-ионных аккумуляторов. Он очень легкий и вмещает много энергии на грамм.
- Свинец (Pb): Его можно найти в свинцово-кислотных батареях старого образца, которые часто используются в автомобилях или установках резервного питания.
- Никель (Ni): Этот металл увеличивает срок службы и долговечность никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов.
- Кобальт (Co): Он стабилизирует многие литий-ионные катоды и повышает их энергию - но за это приходится платить.
- Марганец (Mn): Помогает снизить стоимость и делает литиевые батареи более безопасными.
- Кадмий (Cd): Когда-то он был популярен в никель-кадмиевых аккумуляторах, но теперь его избегают, потому что он токсичен.
- Цинк (Zn): Он дешев и безопасен, обычно используется в щелочных и цинково-воздушных батарейках.
- Графит (C): Он является основным анодом в литий-ионных аккумуляторах.
- Сера (S): Новый катодный материал для литий-серных батарей, обладающий большим энергетическим потенциалом.
- Натрий (Na): Исследователям нравится этот вариант для натрий-ионных батарей. Они есть везде и стоят дешевле.
Каждый из этих элементов играет совершенно особую роль в том, как работает батарея, как долго она служит, насколько она безопасна и сколько стоит. Выбор не случаен - он стратегический.
Таблица 1: Общие элементы батареи и их ключевые свойства
| Элемент | Основные типы аккумуляторов | Ключевые преимущества | Основные проблемы |
|---|
| Литий | Литий-ионный | Высокая плотность энергии, свет | Этичная добыча, стоимость |
| Вести | Свинцово-кислотные | Низкая стоимость, высокий импульсный ток | Тяжелый, токсичный |
| Никель | NiCd, NiMH | Долговечность, хороший срок службы | Токсичность (Cd в NiCd), стоимость |
| Кобальт | Литий-ионные катоды | Стабилизирует катод, энергию | Высокая стоимость, этические проблемы |
| Марганцовка | Литий-ионные катоды | Безопасность, снижение затрат | Умеренная плотность энергии |
| Кадмий | NiCd | Прочный | Высокотоксичный |
| Цинк | Щелочной, цинково-воздушный | Дешево, безопасно | Ограниченная возможность перезарядки |
| Графит | Литий-ионные аноды | Стабильная интеркаляция лития | Ограниченные возможности |
| Сера | Литий-серный | Очень высокая теоретическая энергия | Вопросы, связанные со сроком службы |
| Натрий | Ион натрия | Изобилие, низкая стоимость | Более низкая плотность энергии |
В разных типах аккумуляторов используются разные элементы
Химический состав батарей меняется в зависимости от каждого случая использования - в зависимости от стоимости, потребности в энергии и производительности. Давайте рассмотрим наиболее распространенные типы и элементы, входящие в их состав:
1. Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion)
Задействованные элементы: Литий, кобальт, никель, марганец, графит
Литий-ионные батареи используются во всех устройствах - от телефонов до электромобилей - в основном потому, что они обладают высокой плотностью энергии (150-250 Вт-ч/кг) и большим сроком службы. Ионы лития перемещаются между графитовым анодом и катодом, изготовленным из таких материалов, как оксид кобальта лития (LiCoO₂), никель-марганец-кобальт оксид лития (NMC) или фосфат железа лития (LFP).
- Кобальт помогает стабилизировать катод, но при этом возникают проблемы со стоимостью и правами человека.
- Никель повышает энергоемкость и аккумулирует энергию.
- Марганец повышает безопасность за счет увеличения термостойкости.
- Графит служит устойчивой основой для ионов лития во время зарядки.
Несмотря на то, что такие комбинации хорошо работают, в настоящее время промышленность старается сократить использование кобальта как по соображениям стоимости, так и по этическим соображениям.
2. Свинцово-кислотные аккумуляторы
Задействованные элементы: Свинец, серная кислота
Люди до сих пор используют свинцово-кислотные батареи для запуска двигателей автомобилей и питания аварийных резервных копий - в основном потому, что они дешевы и надежны. В качестве катода в них используется диоксид свинца, а в качестве анода - губчатый свинец в серной кислоте.
Несмотря на свой возраст, пользователи предпочитают использовать их за то, что они пригодны для вторичной переработки и доступны по цене.
3. Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd)
Задействованные элементы: Никель, кадмий
Никель-кадмиевые аккумуляторы могут служить долго и выдерживать жесткие условия эксплуатации, но токсичность кадмия делает их вредными. Поэтому большинство отраслей промышленности постепенно отказываются от них.
Задействованные элементы: Никель, редкоземельные металлы
Никель-металлогидридные аккумуляторы заменили NiCd во многих электронных устройствах и гибридах. Они безопаснее и экологичнее, в них используются гидроксид никеля и металлгидридные электроды.
5. Алкалиновые батарейки
Задействованные элементы: Цинк, диоксид марганца
Такие батарейки используются для пультов дистанционного управления и фонариков. В них используется цинковый анод, марганцевый катод и гидроксид калия в качестве электролита. Они нравятся людям за срок годности и стоимость.
Таблица 2: Сравнение основных типов батарей и их ключевых показателей
| Тип батареи | Плотность энергии (Втч/кг) | Срок службы цикла (циклы) | Стоимость | Воздействие на окружающую среду |
|---|
| Литий-ионный | 150-250 | 500-2000 | Высокий | Умеренные, этические проблемы |
| Свинцово-кислотные | 30-50 | 200-500 | Низкий | Токсичные металлы, пригодны для вторичной переработки |
| Никель-кадмий | 45-80 | 1000-2000 | Средний | Токсичный кадмий |
| Никель-металлический гидрид | 60-120 | 500-1000 | Средний | Безопаснее, чем NiCd |
| Щелочь | 100-150 (без подзарядки) | Н/Д | Низкий | Одноразовые, ограниченная переработка |
Почему выбраны именно эти элементы?
Производители аккумуляторов выбирают элементы по нескольким совпадающим причинам:
- Электрохимическое поведение: Для работы элементов необходимы благоприятные окислительно-восстановительные потенциалы. Малая масса лития и его высокая реакционная способность отлично подходят для этого.
- Накопление энергии: Некоторые материалы удерживают больше сока, чем другие. Здесь лидируют литий и никель.
- Стабильность: Батареи должны выдерживать жару, холод и химическое воздействие, не выходя из строя и не вызывая возгорания.
- Цена и наличие: Чем более распространен тот или иной элемент, тем дешевле обходится создание батарей на его основе.
- Безопасность и этика: Некоторые элементы, такие как кадмий или кобальт, вызывают проблемы со здоровьем и трудовыми ресурсами, поэтому компании стараются заменять их.
Например, хотя кобальт улучшает энергетику и структуру аккумуляторов, его стоимость и проблемы с добычей делают его менее привлекательным в будущем.
Каждый элемент изменяет работу батареи в реальных условиях:
Плотность и мощность энергии
- Батареи с высоким содержанием никеля могут достигать более 250 Вт-ч/кг - идеальный вариант для электромобилей с большим радиусом действия.
- Свинцово-кислотные аккумуляторы обладают гораздо меньшей плотностью энергии, но хорошо подходят для кратковременного использования или работы с высоким напряжением.
Тарифы на заряд/разряд
- Кобальт и никель обеспечивают быструю зарядку и стабильную работу.
- Графитовые аноды позволяют литию быстро входить и выходить, увеличивая время зарядки.
Безопасность и термостойкость
- Марганцевые и LFP-химикаты делают батареи более огнестойкими.
- Со свинцом и кадмием обращаются осторожно из-за их токсичного воздействия на людей и окружающую среду.
Токсичность и отходы
- Такие элементы, как кадмий и свинец, опасны, если их не утилизировать правильно.
- Переработка литий-ионных аккумуляторов становится все более совершенной, что помогает извлекать металлы и сокращать воздействие на свалки.
Экологические и этические аспекты элементов аккумуляторов
Добыча определенных материалов для батарей - это не просто их выкапывание:
- Кобальт из ДРК связано с небезопасными условиями труда и детским трудом.
- Добыча лития в засушливых районах негативно сказывается на запасах воды и населенных пунктах.
- Никель и редкоземельные металлы создают геополитические проблемы и проблемы с поставками.
- Технологии переработки отходов все еще отстают от спроса, но они необходимы для будущего.
Правительства, особенно в странах ЕС, подталкивают производителей аккумуляторов к более чистым источникам сырья и к практике циркулярного использования.
Новые альтернативные элементы в батареях нового поколения
Для решения современных проблем, связанных с затратами, этикой и поставками, исследователи ищут новые варианты:
Ионно-натриевые аккумуляторы
Натрий стоит дешевле и его легче достать, чем литий. Эти натрий-ионные аккумуляторы Возможно, они не вмещают так много энергии (100-160 Вт-ч/кг), но они могут хорошо подойти для больших хранилищ.
Литий-серные батареи
Они обещают до 400+ Вт-ч/кг, используя серу - дешевую и распространенную. Но серные батареи все еще сталкиваются с проблемой потери емкости со временем.
Графеновые батареи
Благодаря добавлению графена такие батареи заряжаются быстрее и служат дольше, хотя их производство по-прежнему дорогостоящее.
Твердотельные аккумуляторы
Вместо жидкости в них используются твердые электролиты, что делает их более безопасными и энергоемкими.
Батареи на основе цинка
Они дешевы, нетоксичны и легко перерабатываются. В ближайшем будущем цинково-воздушные батареи смогут питать дома и электросети.
Бескобальтовые батареи
Батареи с использованием LFP или высоконикелевых химикатов позволяют полностью отказаться от кобальта, что способствует снижению стоимости и повышению безопасности.
Железно-воздушные батареи
Используя железо и воздух, они призваны обеспечить долговременное хранение данных при сверхнизкой стоимости. Но им нужна лучшая перезаряжаемость и плотность энергии.
Таблица 3: Новые аккумуляторные технологии и их потенциал
| Тип батареи | Теоретическая плотность энергии (Втч/кг) | Ключевые преимущества | Основные проблемы |
|---|
| Ионно-натриевые | 100-160 | Низкая стоимость, богатые ресурсы | Более низкая плотность энергии |
| Литий-серный | 400+ | Очень высокая плотность энергии | Срок службы, полисульфидный шаттинг |
| Усиленный графеном Li | 250+ | Быстрая зарядка, длительный срок службы | Сложность производства |
| Твердотельный | 300-500 | Высокая безопасность, плотность энергии | Масштабируемость, стоимость |
| Цинк-воздух | 300-400 | Безопасные, недорогие, пригодные для вторичной переработки | Возможность перезарядки, выходная мощность |
| Железный воздух | 300+ | Очень низкая стоимость, большое количество материалов | Плотность мощности, возможность подзарядки |
Заключение
Узнав, какие элементы входят в состав батарей и зачем они там нужны, вы начинаете понимать, на какие компромиссы приходится идти производителям. Литий может доминировать сейчас, но натрий, сера и цинк могут стать лидерами в будущем.
Будущее аккумуляторов зависит не только от химии, но и от науки, этики и разумного выбора поставщиков.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
Какой элемент чаще всего используется в литий-ионных батареях?
Это литий. Но в катодах также используются кобальт, никель и марганец, а в анодах - графит.
Являются ли литиевые батареи лучшим выбором для всех областей применения?
Нет. Для таких вещей, как стационарное хранение или менее бюджетное использование, лучше подойдут свинцово-кислотные или натриево-ионные.
Могут ли производители делать батареи без таких токсичных элементов, как кобальт?
Да, и многие уже делают это - LFP и высоконикелевые химические составы набирают обороты.
Как выбор элемента влияет на срок службы батареи?
Более качественные материалы меньше разрушаются. Например, марганец и фосфат железа помогают батареям служить дольше.
Какие химические составы аккумуляторов являются самыми безопасными?
Твердотельные и LFP-батареи обеспечивают лучшую термическую безопасность и меньший риск возгорания по сравнению с литий-ионными батареями, содержащими кобальт.