A baterie, care este de fapt o celulă electrică, este un dispozitiv care produce energie electrică dintr-o reacție chimică. Strict vorbind, o baterie este formată din două sau mai multe celule conectate în serie sau paralele, dar termenul este utilizat în general pentru o singură celulă. O celulă este formată dintr-un electrod negativ; un electrolit, care conduce ioni; un separator, de asemenea un conductor ionic; și un electrod pozitiv. electrolit pot fi apoase (compuse din apă) sau neapoase (nu sunt compuse din apă), sub formă lichidă, pastă sau solidă. Când celula este conectată la o sarcină externă sau la un dispozitiv care urmează să fie alimentat, electrodul negativ furnizează un curent de electroni care curg prin sarcină și sunt acceptate de electrodul pozitiv. Când se înlătură sarcina externă, reacția încetează.
O baterie primară este cea care își poate transforma substanțele chimice în electricitate o singură dată și apoi trebuie aruncată. O baterie secundară are electrozi care pot fi reconstituiți trecând din nou electricitatea prin ea; numită și baterie de stocare sau reîncărcare, poate fi reutilizată de multe ori.
Această baterie folosește oxid de nichel în electrodul său pozitiv (catod), un compus de cadmiu în electrodul său negativ (anod) și soluția de hidroxid de potasiu ca electrolit. Bateria Nickel Cadmium este reîncărcabilă, astfel încât poate circula în mod repetat. O baterie de cadmiu nichel transformă energia chimică în energie electrică la descărcare și transformă energia electrică înapoi în energie chimică la reîncărcare. Într-o baterie NiCd complet descărcată, catodul conține hidroxid de nichel [Ni (OH) 2] și hidroxid de cadmiu [Cd (OH) 2] în anod. Când bateria este încărcată, compoziția chimică a catodului este transformată și hidroxidul de nichel se schimbă în oxidroxidul de nichel [NiOOH]. În anod, hidroxidul de cadmiu este transformat în cadmiu. Pe măsură ce bateria este descărcată, procesul se inversează, așa cum se arată în formula următoare.
Bateria de nichel-hidrogen poate fi considerată un hibrid între bateria de nichel-cadmiu și celula de combustibil. Electrodul cadmium a fost înlocuit cu un electrod cu gaz de hidrogen. Această baterie este mult diferită vizual de bateria Nickel-Cadmium, deoarece celula este un vas sub presiune, care trebuie să conțină peste o mie de lire sterline (psi) de gaz hidrogen. Este semnificativ mai ușor decât nichel-cadmiu, dar este mai greu de ambalat, la fel ca o cutie de ouă.
Bateriile nichel-hidrogen sunt uneori confundate cu bateriile cu hidrură de nichel-metal, bateriile întâlnite în mod obișnuit în telefoanele mobile și laptopurile. Bateriile de nichel-hidrogen, precum și bateriile de nichel-cadmiu folosesc același electrolit, o soluție de hidroxid de potasiu, care este denumită în mod obișnuit.
Stimulentele pentru dezvoltarea bateriilor de nichel / hidrură de metal (Ni-MH) provin din problemele de sănătate și de mediu presante pentru a găsi înlocuitori pentru bateriile reîncărcate cu nichel / cadmiu. Datorită cerințelor de securitate ale lucrătorilor, prelucrarea cadmiei pentru bateriile din Statele Unite este deja în proces de eliminare treptată. În plus, legislația de mediu pentru anii 1990 și secolul XXI va face, cel mai probabil, imperativă reducerea utilizării cadmiului în baterii pentru consum. În ciuda acestor presiuni, lângă acumulatorul cu plumb, bateria de nichel / cadmiu are încă cea mai mare pondere de pe piața bateriilor reîncărcabile. Alte stimulente pentru cercetarea bateriilor pe bază de hidrogen provin din convingerea generală că hidrogenul și energia electrică se vor deplasa și, în cele din urmă, vor înlocui o fracțiune semnificativă din contribuțiile de energie din resursele de combustibili fosili, devenind fundamentul unui sistem energetic durabil bazat pe regenerabile surse. În sfârșit, există un interes considerabil în dezvoltarea bateriilor Ni-MH pentru vehicule electrice și vehicule hibride.
Electrolitul KOH poate transporta numai ioni și, pentru a echilibra transportul de sarcină, electronii trebuie să circule prin sarcina externă. Electroxidul de hidroxid de nichel (ecuația 1) a fost intens cercetat și caracterizat, iar aplicarea sa a fost demonstrată pe scară largă atât pentru aplicații terestre cât și aerospațiale. Cea mai mare parte a cercetărilor curente în bateriile de hidrură Ni / Metal a implicat îmbunătățirea performanțelor anodului de hidrură metalică. Mai precis, acest lucru necesită dezvoltarea unui electrod cu hidrură cu următoarele caracteristici: (1) lung durata de viață a ciclului, (2) capacitate mare, (3) viteză mare de încărcare și descărcare la o tensiune constantă și (4) retenție capacitate.
Aceste sisteme sunt diferite de toate bateriile menționate anterior, prin faptul că nu se utilizează apă în electrolit. În schimb, utilizează un electrolit non-apos, care este compus din lichide organice și săruri de litiu pentru a asigura conductivitatea ionică. Acest sistem are tensiuni celulare mult mai mari decât sistemele apoase de electroliți. Fără apă, evoluția hidrogenului și a gazelor de oxigen este eliminată, iar celulele pot funcționa cu potențial mult mai larg. De asemenea, acestea necesită un ansamblu mai complex, deoarece trebuie să fie realizat într-o atmosferă aproape perfect uscată.
O serie de baterii neîncărcabile au fost dezvoltate pentru prima dată cu metal litiu ca anod. Celulele de monede comerciale utilizate pentru bateriile de ceasuri de astăzi sunt în mare parte o chimie cu litiu. Aceste sisteme folosesc o varietate de sisteme catodice care sunt suficient de sigure pentru consum. Catodii sunt confecționate din diverse materiale, cum ar fi monoflorura de carbon, oxidul de cupru sau pentoxidul de vanadiu. Toate sistemele solide de catod sunt limitate în ceea ce privește debitul de descărcare.
Pentru a obține o rată de descărcare mai mare, au fost dezvoltate sisteme de catoduri lichide. Electrolitul este reactiv în aceste proiecte și reacționează la catodul poros, care asigură situri catalitice și colectarea curentului electric. Mai multe exemple ale acestor sisteme includ clorura de litiu-tionil și dioxidul de sulf de litiu. Aceste baterii sunt utilizate în spațiu și pentru aplicații militare, precum și pentru balize de urgență la sol. În general, acestea nu sunt disponibile publicului, deoarece sunt mai puțin sigure decât sistemele catodice solide.
Următorul pas în tehnologia bateriilor cu ioni de litiu se crede că este bateria cu polimer de litiu. Această baterie înlocuiește electrolitul lichid cu un electrolit gelificat sau cu un electrolit solid adevărat. Se presupune că aceste baterii sunt chiar mai ușoare decât bateriile cu ioni de litiu, dar în prezent nu există planuri de a acoperi această tehnologie în spațiu. De asemenea, nu este disponibil în mod obișnuit pe piața comercială, deși poate fi chiar după colț.
În retrospectivă, am parcurs mult timp de la scurgeri lanternă baterii din anii șaizeci, când s-a născut zborul spațial. Există o gamă largă de soluții disponibile pentru a răspunde numeroaselor cerințe de zbor în spațiu, cu 80 sub zero până la temperaturile ridicate ale unei acoperi solare. Este posibil să se gestioneze radiații masive, zeci de ani de service și încărcări care ajung la zeci de kilowati. Va exista o evoluție continuă a acestei tehnologii și o continuă încercare de a îmbunătăți bateriile.