Principio di funzionamento delle batterie per l'accumulo di energia
UNbatteria di accumulo dell'energiaè un dispositivo che converte e immagazzina energia tra energia elettrica ed energia chimica. Durante la scarica l'energia chimica viene direttamente convertita in energia elettrica; durante la ricarica, l'energia elettrica viene riconvertita in energia chimica per l'immagazzinamento. Gli elettrodi positivo e negativo della batteria sono realizzati con materiali diversi. Quando viene inserito lo stesso elettrolita, entrambi gli elettrodi stabiliranno i propri potenziali elettrodici, come mostrato dalla linea tratteggiata ABCD nella Figura 1-4 (lo spazio tra la linea tratteggiata e gli elettrodi rappresenta il doppio strato elettrico formato). La differenza nel potenziale dell'elettrodo di equilibrio tra gli elettrodi positivo e negativo costituisce la forza elettromotrice della batteria (EMF) E.
Figura 14 Diagramma schematico del principio di funzionamento della batteria di accumulo dell'energia
Quando gli elettrodi positivo e negativo sono collegati a un carico esterno, il materiale dell'elettrodo positivo acquista elettroni e subisce una reazione di riduzione, producendo polarizzazione catodica, abbassando così il potenziale dell'elettrodo positivo; il materiale dell'elettrodo negativo perde elettroni e subisce una reazione di ossidazione, producendo polarizzazione anodica, aumentando così il potenziale dell'elettrodo negativo. Per il circuito esterno, gli elettroni fluiscono dall'elettrodo negativo all'elettrodo positivo, quindi la direzione della corrente va dall'elettrodo positivo all'elettrodo negativo. Nell'elettrolita, il trasferimento di carica avviene attraverso il movimento degli ioni, quindi la direzione della corrente nel circuito interno va dall'elettrodo negativo all'elettrodo positivo. Nello stato di scarica, la distribuzione del potenziale della batteria è mostrata dalle linee tratteggiate A'B'C'D' nella Figura 1-4. L'intero processo forma un circuito chiuso completo, consentendo alle reazioni di ossidazione e riduzione sugli elettrodi di continuare ininterrottamente, garantendo così un flusso di corrente continuo all'interno del circuito chiuso. Quando la batteria funziona, le reazioni elettrochimiche che generano energia elettrica sugli elettrodi sono chiamate reazioni generatrici di flusso e le sostanze che partecipano a queste reazioni sono chiamate materiali attivi.
Il processo di carica di una batteria è essenzialmente il contrario del processo di scarica. Durante la carica, l'ossidazione avviene sull'elettrodo positivo, mentre la riduzione avviene sull'elettrodo negativo; contemporaneamente, la direzione di migrazione degli ioni nell'elettrolito è opposta a quella durante la scarica e per attivare questo processo di conversione chimica è necessaria una fonte di alimentazione esterna che superi la tensione del circuito aperto-della batteria, come mostrato dalle linee tratteggiate A"B"C"D" nella Figura 1-4.
Per facilitare la conversione diretta dell'energia chimica in energia elettrica, il processo redox che avviene all'interno di una batteria di accumulo di energia si differenzia sostanzialmente dalle reazioni redox convenzionali. In una batteria, i processi di perdita di elettroni (ossidazione) e di acquisto di elettroni (riduzione) devono essere separati in regioni diverse. Inoltre, gli elettroni devono fluire attraverso un circuito esterno quando i componenti attivi partecipano alla reazione. Questi due elementi chiave distinguono il meccanismo redox all'interno di una batteria dalle normali reazioni redox chimiche e dalle reazioni micro-cellulari nei fenomeni di corrosione elettrochimica.
Composizione delle batterie per l'accumulo di energia
Una batteria di accumulo di energia di base dovrebbe contenere quattro componenti fondamentali: elettrodi, elettrolita, separatore e involucro della batteria.
elettrodo
Gli elettrodi, come componenti chiave di una batteria, sono suddivisi in elettrodi positivi e negativi, composti principalmente da materiali attivi e da una struttura conduttiva. Tra questi, i materiali attivi generano energia elettrica attraverso reazioni chimiche durante la scarica della batteria e rappresentano il principale fattore che determina le prestazioni della batteria. I materiali attivi sono per lo più solidi, ma possono esistere anche come liquidi o gas.
I materiali attivi hanno un'influenza decisiva sulle prestazioni complessive di una batteria e quindi generalmente hanno i seguenti requisiti prestazionali: ① Il materiale dell'elettrodo positivo dovrebbe avere un potenziale elevato, mentre il materiale dell'elettrodo negativo deve mantenere un potenziale basso, per garantire che la batteria possa generare una grande forza elettromotrice; ② I materiali attivi devono avere una buona reattività elettrochimica, cioè devono partecipare facilmente ai processi redox; ③ I componenti attivi devono avere elevata capacità specifica in termini di peso e volume; ④ I materiali attivi devono avere un'eccellente stabilità chimica nelle soluzioni elettrolitiche e il tasso di auto-dissoluzione dovrebbe essere il più basso possibile; ⑤ I materiali attivi dovrebbero avere un'elevata conduttività elettronica; ⑥ Dal punto di vista dell’economia e dello sviluppo sostenibile, i materiali attivi ideali dovrebbero essere risorse abbondanti e poco costose sulla Terra; ⑦ I materiali attivi dovrebbero anche essere innocui per la salute umana e l'ambiente naturale.
Soddisfare tutti gli standard di cui sopra per un materiale attivo specifico è piuttosto impegnativo; pertanto, è necessaria una considerazione globale quando si seleziona un materiale attivo. Attualmente, i materiali catodici più utilizzati sono gli ossidi metallici, come il biossido di piombo, il biossido di manganese e l'ossido di nichel, nonché l'ossigeno presente nell'aria. Per i materiali anodici, è preferita una gamma di metalli chimicamente reattivi, come zinco, piombo, cadmio, ferro, litio e sodio.
La funzione della struttura conduttiva è quella di collegare il materiale attivo al circuito esterno e garantire una distribuzione equilibrata della corrente. Supporta anche il materiale attivo. Una struttura conduttiva ideale dovrebbe possedere un'eccellente resistenza meccanica, elevata stabilità chimica, bassa resistività e buona lavorabilità.
elettroliti
La funzione primaria dell'elettrolita è garantire un'efficace conduzione ionica tra gli elettrodi positivo e negativo, assumendosi il compito di trasporto degli ioni. In alcuni casi può anche partecipare a reazioni elettrochimiche. Per l'elettrolita utilizzato in una batteria, le sue prestazioni dovrebbero soddisfare i seguenti requisiti: ① Dovrebbe possedere una buona stabilità chimica per prevenire reazioni elettrochimiche significative all'interfaccia tra l'elettrolita e il materiale attivo durante lo stoccaggio, riducendo così l'autoscarica-della batteria; ② Dovrebbe avere un'elevata conduttività elettrica. La composizione dell'elettrolita varia tra i diversi tipi di batterie e, in genere, come elettrolita vengono scelte soluzioni acquose di acidi, alcali o sali con eccellente conduttività. Tuttavia, alcune nuove tecnologie energetiche possono utilizzare nuovi materiali come elettroliti di solventi organici, elettroliti di sale fuso o elettroliti solidi.
isolamento
Un separatore, noto anche come membrana o partizione, viene posizionato tra gli elettrodi positivo e negativo di una batteria. La sua funzione principale è impedire il contatto diretto tra gli elettrodi, che potrebbe causare un cortocircuito. I requisiti prestazionali di base per i separatori includono: ① essere un buon isolante elettronico per prevenire cortocircuiti interni; ② avere una bassa resistenza alla migrazione ionica nell'elettrolita, riducendo così la resistenza interna dell'intero dispositivo e riducendo significativamente la perdita di energia in condizioni di scarica di corrente elevata-; ③ possedere una buona stabilità chimica, resistere alla corrosione dell'elettrolita e alle reazioni redox dei materiali attivi degli elettrodi; ④ avere sufficiente resistenza meccanica e resistenza alla flessione per bloccare efficacemente la crescita dei dendriti e impedire la penetrazione di minuscole particelle attive nella membrana; ⑤ Considerando i fattori economici, dovrebbe essere facilmente disponibile e poco costoso.
I materiali separatori comuni includono carta di cotone, carta di cellulosa, plastica microporosa, gomma microporosa, cellulosa idrata, tessuto di nylon e fibra di vetro, ecc.
Involucro della batteria
L'involucro della batteria, noto anche come contenitore della batteria, è l'unico tipo di batteria negli accumulatori di energia esistenti in cui l'elettrodo di zinco funge anche da involucro. Al contrario, altri tipi di batterie tendono a utilizzare materiali specifici per l’incapsulamento esterno piuttosto che il materiale attivo stesso. Un involucro ideale della batteria dovrebbe possedere eccellenti proprietà meccaniche, resistere a vibrazioni e urti, rimanere stabile in condizioni di temperatura estreme e resistere alla corrosione dell'elettrolita. In pratica, materiali come metalli, plastica e gomma dura sono ampiamente utilizzati come involucri di batterie a causa dei loro rispettivi vantaggi.