ऊर्जा स्टोरेज बॅटरीचे कार्य तत्त्व आणि रचना

ऊर्जा स्टोरेज बॅटरीचे कार्य सिद्धांत

अऊर्जा साठवण बॅटरीविद्युत ऊर्जा आणि रासायनिक ऊर्जा यांच्यात ऊर्जा रूपांतरित आणि संचयित करणारे उपकरण आहे. डिस्चार्ज दरम्यान, रासायनिक ऊर्जा थेट विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतरित होते; चार्जिंग दरम्यान, स्टोरेजसाठी विद्युत उर्जेचे रासायनिक उर्जेमध्ये रूपांतर होते. बॅटरीमधील सकारात्मक आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड वेगवेगळ्या सामग्रीचे बनलेले असतात. जेव्हा समान इलेक्ट्रोलाइट घातला जातो, तेव्हा आकृती 1-4 मधील ABCD तुटलेल्या रेषेने दर्शविल्याप्रमाणे, दोन्ही इलेक्ट्रोड स्वतःचे इलेक्ट्रोड पोटेंशिअल स्थापित करतील (डॅश केलेल्या रेषा आणि इलेक्ट्रोडमधील जागा तयार झालेल्या विद्युत दुहेरी स्तराचे प्रतिनिधित्व करते). पॉझिटिव्ह आणि ऋण इलेक्ट्रोडमधील समतोल इलेक्ट्रोड पोटेंशिअलमधील फरक बॅटरीचे इलेक्ट्रोमोटिव्ह फोर्स (EMF) E बनवतो.

आकृती 14 ऊर्जा संचयन बॅटरीच्या कार्य तत्त्वाचे योजनाबद्ध आकृती

जेव्हा सकारात्मक आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड्स बाह्य भाराशी जोडलेले असतात, तेव्हा सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री इलेक्ट्रॉन मिळवते आणि घट प्रतिक्रिया देते, कॅथोडिक ध्रुवीकरण तयार करते, त्यामुळे सकारात्मक इलेक्ट्रोड संभाव्यता कमी होते; नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री इलेक्ट्रॉन गमावते आणि ऑक्सिडेशन प्रतिक्रिया देते, ॲनोडिक ध्रुवीकरण तयार करते, अशा प्रकारे नकारात्मक इलेक्ट्रोड क्षमता वाढवते. बाह्य सर्किटसाठी, इलेक्ट्रॉन नकारात्मक इलेक्ट्रोडपासून सकारात्मक इलेक्ट्रोडकडे वाहतात, म्हणून वर्तमान दिशा सकारात्मक इलेक्ट्रोडपासून नकारात्मक इलेक्ट्रोडकडे असते. इलेक्ट्रोलाइटमध्ये, आयन हालचालीद्वारे चार्ज हस्तांतरण होते, अशा प्रकारे अंतर्गत सर्किटमध्ये वर्तमान दिशा नकारात्मक इलेक्ट्रोडपासून सकारात्मक इलेक्ट्रोडकडे असते. डिस्चार्ज स्थितीत, बॅटरीचे संभाव्य वितरण आकृती 1-४ मधील तुटलेल्या A'B'C'D' रेषांद्वारे दर्शविले जाते. संपूर्ण प्रक्रिया पूर्ण बंद लूप बनवते, ज्यामुळे इलेक्ट्रोडवरील ऑक्सिडेशन आणि घट प्रतिक्रिया सतत चालू राहते, अशा प्रकारे बंद लूपमध्ये सतत विद्युत प्रवाह सुनिश्चित होतो. जेव्हा बॅटरी कार्यरत असते, तेव्हा इलेक्ट्रोड्सवर विद्युत ऊर्जा निर्माण करणाऱ्या विद्युत रासायनिक अभिक्रियांना प्रवाह-उत्पादक प्रतिक्रिया म्हणतात आणि या अभिक्रियांमध्ये भाग घेणाऱ्या पदार्थांना सक्रिय पदार्थ म्हणतात.

बॅटरीची चार्जिंग प्रक्रिया मूलत: तिच्या डिस्चार्जिंग प्रक्रियेच्या उलट असते. चार्जिंग दरम्यान, ऑक्सिडेशन सकारात्मक इलेक्ट्रोडवर होते, तर घट नकारात्मक इलेक्ट्रोडवर होते; एकाच वेळी, डिस्चार्ज दरम्यान इलेक्ट्रोलाइटमधील आयनांच्या स्थलांतराची दिशा त्याच्या विरुद्ध असते आणि आकृती 1-4 मधील तुटलेल्या A"B"C"D" रेषांनी दर्शविल्याप्रमाणे, ही रासायनिक रूपांतरण प्रक्रिया चालविण्यासाठी बॅटरीच्या ओपन-सर्किट व्होल्टेजपेक्षा जास्त बाह्य उर्जा स्त्रोत आवश्यक असतो.

रासायनिक ऊर्जेचे विद्युत उर्जेमध्ये थेट रूपांतर सुलभ करण्यासाठी, ऊर्जा साठवण बॅटरीमध्ये होणारी रेडॉक्स प्रक्रिया पारंपारिक रेडॉक्स प्रतिक्रियांपेक्षा मूलभूतपणे भिन्न असते. बॅटरीमध्ये, इलेक्ट्रॉन गमावणे (ऑक्सिडेशन) आणि इलेक्ट्रॉन मिळवणे (कपात) वेगवेगळ्या प्रदेशांमध्ये विभक्त करणे आवश्यक आहे. शिवाय, जेव्हा सक्रिय घटक अभिक्रियामध्ये भाग घेतात तेव्हा बाह्य सर्किटमधून इलेक्ट्रॉन प्रवाहित होणे आवश्यक आहे. हे दोन मुख्य घटक बॅटरीमधील रेडॉक्स यंत्रणा सामान्य रासायनिक रेडॉक्स प्रतिक्रिया आणि इलेक्ट्रोकेमिकल गंज घटनेतील सूक्ष्म सेल प्रतिक्रियांपासून वेगळे करतात.

ऊर्जा स्टोरेज बॅटरीची रचना

मूलभूत ऊर्जा साठवण बॅटरीमध्ये चार मूलभूत घटक असावेत: इलेक्ट्रोड, इलेक्ट्रोलाइट, सेपरेटर आणि बॅटरी केसिंग.

इलेक्ट्रोड

इलेक्ट्रोड्स, बॅटरीचे मुख्य घटक म्हणून, सकारात्मक आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोडमध्ये विभागले जातात, मुख्यतः सक्रिय साहित्य आणि प्रवाहकीय फ्रेमवर्क बनलेले असतात. त्यापैकी, सक्रिय पदार्थ बॅटरी डिस्चार्ज दरम्यान रासायनिक अभिक्रियांद्वारे विद्युत ऊर्जा निर्माण करतात आणि बॅटरीची कार्यक्षमता निर्धारित करणारे मुख्य घटक आहेत. सक्रिय पदार्थ बहुतेक घन असतात, परंतु ते द्रव किंवा वायू म्हणून देखील अस्तित्वात असू शकतात.

सक्रिय सामग्रीचा बॅटरीच्या एकूण कार्यक्षमतेवर निर्णायक प्रभाव असतो आणि त्यामुळे सामान्यत: खालील कार्यप्रदर्शन आवश्यकता असतात: ① सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीमध्ये उच्च क्षमता असणे आवश्यक आहे, तर नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीमध्ये कमी क्षमता राखणे आवश्यक आहे, हे सुनिश्चित करण्यासाठी की बॅटरी मोठी इलेक्ट्रोमोटिव्ह शक्ती निर्माण करू शकते; ② सक्रिय सामग्रीमध्ये चांगली इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया असणे आवश्यक आहे, म्हणजेच त्यांनी रेडॉक्स प्रक्रियेत सहजपणे भाग घेतला पाहिजे; ③ सक्रिय घटकांना वजन आणि खंडानुसार उच्च विशिष्ट क्षमता असणे आवश्यक आहे; ④ सक्रिय सामग्रीमध्ये इलेक्ट्रोलाइट सोल्यूशन्समध्ये उत्कृष्ट रासायनिक स्थिरता असणे आवश्यक आहे आणि स्वत:-विघटन दर शक्य तितक्या कमी असणे आवश्यक आहे; ⑤ सक्रिय सामग्रीमध्ये उच्च इलेक्ट्रॉनिक चालकता असावी; ⑥ अर्थशास्त्र आणि शाश्वत विकासाच्या दृष्टीकोनातून, आदर्श सक्रिय साहित्य ही पृथ्वीवर मुबलक आणि स्वस्त संसाधने असावीत; ⑦ सक्रिय सामग्री मानवी आरोग्यासाठी आणि नैसर्गिक वातावरणासाठी देखील निरुपद्रवी असावी.

विशिष्ट सक्रिय सामग्रीसाठी वरील सर्व मानकांची पूर्तता करणे खूप आव्हानात्मक आहे; म्हणून, सक्रिय सामग्री निवडताना सर्वसमावेशक विचार करणे आवश्यक आहे. सध्या, सर्वात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाणारे कॅथोड साहित्य म्हणजे मेटल ऑक्साईड, जसे की लीड डायऑक्साइड, मँगनीज डायऑक्साइड आणि निकेल ऑक्साईड, तसेच हवेतील ऑक्सिजन. एनोड सामग्रीसाठी, जस्त, शिसे, कॅडमियम, लोह, लिथियम आणि सोडियम यासारख्या रासायनिक प्रतिक्रियाशील धातूंच्या श्रेणीला प्राधान्य दिले जाते.

प्रवाहकीय फ्रेमवर्कचे कार्य सक्रिय सामग्रीला बाह्य सर्किटशी जोडणे आणि संतुलित वर्तमान वितरण सुनिश्चित करणे आहे. हे सक्रिय सामग्रीस देखील समर्थन देते. आदर्श प्रवाहकीय फ्रेमवर्कमध्ये उत्कृष्ट यांत्रिक शक्ती, उच्च रासायनिक स्थिरता, कमी प्रतिरोधकता आणि चांगली प्रक्रियाक्षमता असावी.

इलेक्ट्रोलाइट्स

इलेक्ट्रोलाइटचे प्राथमिक कार्य आयन वाहतुकीचे कार्य हाती घेऊन सकारात्मक आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड्स दरम्यान प्रभावी आयन वहन सुनिश्चित करणे आहे. काही प्रकरणांमध्ये, ते इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियांमध्ये देखील सहभागी होऊ शकते. बॅटरीमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या इलेक्ट्रोलाइटसाठी, त्याच्या कार्यक्षमतेने खालील आवश्यकता पूर्ण केल्या पाहिजेत: ① स्टोरेज दरम्यान इलेक्ट्रोलाइट आणि सक्रिय पदार्थ यांच्यातील इंटरफेसमध्ये महत्त्वपूर्ण इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया टाळण्यासाठी त्यात चांगली रासायनिक स्थिरता असणे आवश्यक आहे, ज्यामुळे बॅटरीचा स्वतःचा-डिस्चार्ज कमी होतो; ② यात उच्च विद्युत चालकता असावी. इलेक्ट्रोलाइटची रचना वेगवेगळ्या प्रकारच्या बॅटरीमध्ये बदलते आणि विशेषत: ऍसिड, अल्कली किंवा उत्कृष्ट चालकता असलेल्या क्षारांचे जलीय द्रावण इलेक्ट्रोलाइट म्हणून निवडले जातात. तथापि, काही नवीन उर्जा तंत्रज्ञान नवीन सामग्री जसे की सेंद्रिय सॉल्व्हेंट इलेक्ट्रोलाइट्स, वितळलेले मीठ इलेक्ट्रोलाइट्स किंवा घन इलेक्ट्रोलाइट्स वापरू शकतात.

अलगीकरण

एक विभाजक, ज्याला पडदा किंवा विभाजन म्हणून देखील ओळखले जाते, बॅटरीच्या सकारात्मक आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड्समध्ये ठेवलेले असते. त्याचे मुख्य कार्य इलेक्ट्रोड्समधील थेट संपर्कास प्रतिबंध करणे आहे, ज्यामुळे शॉर्ट सर्किट होऊ शकते. विभाजकांसाठी मूलभूत कार्यप्रदर्शन आवश्यकतांमध्ये हे समाविष्ट आहे: ① अंतर्गत शॉर्ट सर्किट टाळण्यासाठी एक चांगला इलेक्ट्रॉनिक इन्सुलेटर असणे; ② इलेक्ट्रोलाइटमध्ये आयन स्थलांतरास कमी प्रतिकार असणे, ज्यामुळे संपूर्ण उपकरणाचा अंतर्गत प्रतिकार कमी होतो आणि उच्च-वर्तमान डिस्चार्ज परिस्थितीत ऊर्जा नुकसान लक्षणीयरीत्या कमी होते; ③ चांगले रासायनिक स्थिरता, इलेक्ट्रोलाइट गंज आणि इलेक्ट्रोड सक्रिय पदार्थांच्या रेडॉक्स प्रतिक्रियांचा सामना करणे; ④ डेंड्राइटची वाढ प्रभावीपणे रोखण्यासाठी आणि लहान सक्रिय कणांना पडद्यामध्ये प्रवेश करण्यापासून रोखण्यासाठी पुरेशी यांत्रिक शक्ती आणि झुकणारा प्रतिकार असणे; ⑤आर्थिक घटकांचा विचार करता, ते सहज उपलब्ध आणि स्वस्त असावे.

कॉटन पेपर, पल्प पेपर, मायक्रोपोरस प्लास्टिक, मायक्रोपोरस रबर, हायड्रेटेड सेल्युलोज, नायलॉन कापड आणि ग्लास फायबर इ.

बॅटरी आवरण

बॅटरी कॅसिंग, ज्याला बॅटरी कंटेनर म्हणूनही ओळखले जाते, विद्यमान उर्जा स्टोरेज बॅटरीजमधील बॅटरीचा एकमेव प्रकार आहे जिथे झिंक इलेक्ट्रोड देखील केसिंग म्हणून काम करते. याउलट, इतर बॅटरी प्रकार सक्रिय सामग्रीऐवजी बाह्य एन्कॅप्सुलेशनसाठी विशिष्ट सामग्री वापरतात. आदर्श बॅटरी केसिंगमध्ये उत्कृष्ट यांत्रिक गुणधर्म असणे आवश्यक आहे, कंपन आणि धक्का सहन करणे, अत्यंत तापमानाच्या परिस्थितीत स्थिर राहणे आणि इलेक्ट्रोलाइटमधून गंजण्यास प्रतिकार करणे. व्यवहारात, धातू, प्लास्टिक आणि हार्ड रबर यांसारख्या सामग्रीचा त्यांच्या संबंधित फायद्यांमुळे बॅटरी केसिंग म्हणून मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो.