Nieuws uit de sector

Science Made Simple: wat zijn batterijen en hoe werken ze?

2021-06-16

ONDERWERPEN:
Batterij, Technologie, DOE, Energie, Li-ionbatterijen
Door het Amerikaanse ministerie van energie op 9 mei 2021



Batterijen en soortgelijke apparaten accepteren, slaan op en geven elektriciteit af op aanvraag. Batterijen gebruiken chemie, in de vorm van chemisch potentieel, om energie op te slaan, net als veel andere alledaagse energiebronnen. Logboeken slaan bijvoorbeeld energie op in hun chemische bindingen totdat verbranding de energie omzet in warmte.

Benzine is opgeslagen chemische potentiële energie totdat het wordt omgezet in mechanische energie in een automotor. Evenzo, om batterijen te laten werken, moet elektriciteit worden omgezet in een chemische potentiaalvorm voordat het gemakkelijk kan worden opgeslagen.

Batterijen bestaan ​​uit twee elektrische aansluitingen, de kathode en de anode, gescheiden door een chemisch materiaal dat elektrolyt wordt genoemd. Om energie te ontvangen en vrij te geven, is een batterij gekoppeld aan een extern circuit. Elektronen bewegen door het circuit, terwijl tegelijkertijd ionen (atomen of moleculen met een elektrische lading) door het elektrolyt bewegen.

In een oplaadbare batterij kunnen elektronen en ionen in beide richtingen door het circuit en de elektrolyt bewegen. Wanneer de elektronen van de kathode naar de anode gaan, verhogen ze de chemische potentiële energie, waardoor de batterij wordt opgeladen; wanneer ze de andere kant op gaan, zetten ze deze chemische potentiële energie om in elektriciteit in het circuit en ontladen ze de batterij. Tijdens het opladen of ontladen bewegen de tegengesteld geladen ionen in de batterij door de elektrolyt om de lading van de elektronen die door het externe circuit bewegen in evenwicht te brengen en een duurzaam, oplaadbaar systeem te produceren. Eenmaal opgeladen, kan de batterij worden losgekoppeld van het circuit om de chemische potentiële energie op te slaan voor later gebruik als elektriciteit.

Batterijen werden uitgevonden in 1800, maar hun chemische processen zijn complex. Wetenschappers gebruiken nieuwe hulpmiddelen om de elektrische en chemische processen in batterijen beter te begrijpen om een ​​nieuwe generatie zeer efficiënte, elektrische energieopslag te produceren. Zo ontwikkelen ze verbeterde materialen voor de anodes, kathoden en elektrolyten in batterijen. Wetenschappers bestuderen processen in oplaadbare batterijen omdat ze niet volledig omkeren als de batterij wordt opgeladen en ontladen. Na verloop van tijd kan het ontbreken van een volledige omkering de chemie en structuur van batterijmaterialen veranderen, wat de prestaties en veiligheid van de batterij kan verminderen.

Feiten over elektrische energieopslag
. De Nobelprijs voor Scheikunde 2019 werd gezamenlijk toegekend aan John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham en Akira Yoshino "voor de ontwikkeling van lithium-ionbatterijen".
. Het elektrolytgenoom van JCESR heeft een computerdatabase geproduceerd met meer dan 26.000 moleculen die kunnen worden gebruikt om de belangrijkste elektrolyteigenschappen voor nieuwe, geavanceerde batterijen te berekenen.

DOE Office of Science & opslag van elektrische energie
Onderzoek ondersteund door het DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences (BES) heeft aanzienlijke verbeteringen opgeleverd in de opslag van elektrische energie. Maar we zijn nog verre van alomvattende oplossingen voor energieopslag van de volgende generatie die gebruik maken van gloednieuwe materialen die de hoeveelheid energie die een batterij kan opslaan drastisch kunnen verbeteren. Deze opslag is van cruciaal belang voor de integratie van hernieuwbare energiebronnen in onze elektriciteitsvoorziening. Omdat het verbeteren van batterijtechnologie essentieel is voor het wijdverbreide gebruik van plug-in elektrische voertuigen, is opslag ook de sleutel tot het verminderen van onze afhankelijkheid van aardolie voor transport.

BES ondersteunt onderzoek door individuele wetenschappers en in multidisciplinaire centra. Het grootste centrum is het Joint Centre for Energy Storage Research (JCESR), een DOE Energy Innovation Hub. Dit centrum bestudeert elektrochemische materialen en fenomenen op atomaire en moleculaire schaal en gebruikt computers om nieuwe materialen te ontwerpen. Met deze nieuwe kennis kunnen wetenschappers energieopslag ontwerpen die veiliger is, langer meegaat, sneller oplaadt en een grotere capaciteit heeft. Terwijl wetenschappers die door het BES-programma worden ondersteund, nieuwe vorderingen maken in de batterijwetenschap, worden deze vorderingen door toegepaste onderzoekers en de industrie gebruikt om toepassingen op het gebied van transport, het elektriciteitsnet, communicatie en beveiliging te bevorderen.