ein Primer auf Speicherzellen

Geschichte

Im Jahr 1786 bemerkte der italienische Physiologe Luigi Galvani durch Zufall, als er ein Kupfer Haken stecken in das Rückenmark des Frosches, die wiederum hängen von einem eisernen Haken war, zuckten die Froschschenkel. Galvani Experimente durchgeführt, die anderen Paare aus unterschiedlichen Metallen zeigte verursacht ähnliche Effekte. Er spürte, dass er sah die Entlastung von einer Art "tierische Elektrizität" aus der Frosch-Muskeln. Als solche Experimente in Mode kam, führte sie zu einer weit verbreiteten Meinung, dass Strom ein elementares "Lebenskraft" war. Dieser Glaube wurde von Gothic Horror Mary Shelleys Roman Frankenstein dargestellt, mit dem Monster zum Leben erweckt durch Elektrizität und durch eine Reihe von elektrischen quack medizinische Geräte, die blieb bis ins 20. Jahrhundert beliebt.

Wissenschaftler erfahren Sie mehr

Ein italienischer Physiker namens Graf Alessandro Volta weitere Experimente durchgeführt, mit elektrischen Strömen, die durch unterschiedliche Metalle produziert. Volta Schluss gezogen, dass der Froschmuskel durch eine Salzlösung oder eine Säure-Lösung ersetzt werden könnte, und die zwei unterschiedlichen Metallen würde weiterhin möglich sein, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Volta hat einen Stapel von Zink und Silber Scheiben, mit einer Zink-Silber-Paar durch nasses Tuch, das ein Salz oder schwach sauren Lösung abgetrennt, und konnte ruhig, ziemlich starke Gleichstrom (DC) mit diesem "Voltaic Haufen" zu generieren. Dies war ein wichtiger Fortschritt in der elektrischen Forschung, da bis zu diesem Zeitpunkt der einzige Weg, um Strom zu erzeugen war durch den Aufbau statischer Aufladung, etwa durch Reiben Fell mit einem Gummi-Stange. Dies könnte zu produzieren erhebliche Spannungen aber nicht aufrechterhalten Ströme.

Volta Arbeit wurde auf eine solide wissenschaftliche Basis in den 1830er Jahren gelegt, als der brillante englische Wissenschaftler Michael Faraday etablierten die grundlegenden Prinzipien der Elektrochemie, die den Betrieb von Speicherzellen sowie andere elektrochemische Prozesse wie Elektroplattieren zugrunde liegen. Im Jahr 1836 entwickelte der englische Chemiker John Daniell das erste moderne Speicherzelle mit Faraday-Prinzipien.

häufigste Theorie hinter Zellen

Die Speicherzelle wird auf Betrieb "Reduktions-Oxidations (Redox)" Reaktionen.

Beispielsweise Anordnen einer Stange aus Zink auf einer Seite der einen Becher mit einer Lösung der schwachen Schwefelsäure; Anordnen einer Stange von Silber an der anderen Seite des Bechers, und dann die beiden Leitungen "Elektroden" durch eine Glühlampe außerhalb des Bechers modellieren können Volta Schema. Die Glühbirne dann zu leuchten beginnt.

Schwefelsäure (H2SO4) in Lösung zerfällt in zwei H +-Ionen und einem SO4 - Ionen. Diese Ionen können elektrische Strom durch die Lösung fließt und so eine ionische Säure (oder basischen oder Salz)-Lösung verwendet, um eine elektrochemische Reaktion zu unterstützen, ist als "Elektrolyt" bezeichnet.

Der SO4 - Ionen reagiert leicht mit oder "oxidiert", Zink Zinksulfat (ZnSO4), die in die Lösung freigesetzt wird, zu bilden, frisst die Zinkelektrode. Da jeder Zinksulfat Molekül verlässt die Elektrode, hinterlässt es zwei Elektronen, die Strömung durch den externen Draht als Strom an die Silberelektrode.

An der Silber-Elektrode, die Elektronen kombinieren oder "reduce" die Wasserstoff-Ionen in der Lösung zu zweiatomigen Wasserstoffgas. Das Silber ist inert und nicht an der Reaktion verbraucht wird. Die negative Zinkelektrode, wird als "Anode", während die positive Elektrode Silber wird als "Kathode".

Alle modernen Speicherzellen verwenden ähnliche Oxidations-Reduktions-Systeme, obwohl die spezifischen Implementierungen breit variieren. Einige Klassen von Speicherzellen können "aufgeladen" werden, indem ein elektrischer Strom durch sie nach hinten, was umgekehrt die chemischen Reaktionen und mehr oder weniger wieder Dinge zu ihrem ursprünglichen Zustand.

Unterschied zwischen Zellen und Batterien

Das beliebte Terminologie für Speicherzellen ist etwas verwirrend. Speicherzellen werden fast immer als "Batterien" wird im allgemeinen Sprachgebrauch bezeichnet, aber dies ist nicht technisch korrekt.

Die Speicherzelle ist nur, dass eine "Zelle", nicht ein "Batterie". Er besteht aus einer Kathode und einer Anode in einem Elektrolyten. Eine Speicherzelle mit spezifischen Elektrodenmaterialien und Elektrolyt eine bestimmte Ausgangsspannung, und um höhere Spannungen mit diesem spezifischen Technologie zu erhalten, müssen sie elektrisch verbunden werden miteinander in Reihe als "Batterie".

Flashlight-Zellen sind genau das, Zellen, aber die Blei-Säure-Batterie in einem Automobil verwendet wird, besteht aus mehreren Zellen verpackt und miteinander verkettet, so ist es in der Tat eine Batterie. Eine einzelne Zelle eines Blei-Säure-Batterie mit einer Spannung von 2 Volt, und so eine 12-Volt-Blei-Säure-Batterie weist sechs in Reihe geschalteten Zellen.

Klassifizierung von Speicherzellen

"Trockenen Zellen", die Elektrolyte haben in Form einer Paste; und "Festelektrolyt" Zellen, die als ihr Name andeutet verwenden einen völlig festen Elektrolyten Speicherzellen können auch als "nasse Zellen", die flüssige Elektrolyte haben klassifiziert werden.

Weiterhin gibt es zwei Klassen von Speicherzellen: nicht wiederaufladbaren oder "primäre" Zellen, beispielsweise typische günstige Wegwerf Taschenlampenbatterien und wiederaufladbare oder "sekundären" Zellen, beispielsweise eines Kraftfahrzeug-Bleiakkumulators.

Es gibt auch standardisierte Formfaktoren für bestimmte Klassen von Speicherzellen, wie AAA und AA Mignonzellen Zellen; C und D Monozellen, und die Standard-Neun-Volt-Ziegel-förmigen "Transistor Radio" Batterie. Jede Klassifizierung nach Größen von Speicherzellen hat ihre Ausgangsspannungen standardisiert.

Theorie hinter ihren Ausgangsspannungen

Viele Speicherzellen können ihre Ausgangsspannung auf einem konstanten Niveau relativ über einen ziemlich breiten Bereich von Ausgangsströmen aufrechtzuerhalten. In der Elektrotechnik Begriffe, sollen sie eine niedrige "inneren Widerstand" zu haben. Diejenigen, die einen hohen Innenwiderstand haben kann nicht bei hohen Strombelastungen zu betreiben, da die Spannung an ihren Anschlüssen Unterschreiten nützlich Ebenen. Cells mit hohen internen Widerstand wird auch brennen auf einen hohen Anteil ihrer gespeicherte Elektrizität mit ihren eigenen Widerstand bei hoher Strombelastung, Entleeren sie vorzeitig.

Dies bedeutet, dass ein weiterer Parameter für die Speicherzellen die maximale nutzbare Stromausgang ist. Speicherzelle Entscheidungsträger kann auch Kurven, die die Abnahme der Spannung mit zunehmender Stromaufnahme von maximal Spannung auf die "Abschaltspannung" für die Zelle angegeben. By the way, macht die niedrigen inneren Widerstand, oder äquivalent Strombelastbarkeit von großen Autobatterien potenziell gefährlich. Während ihre Ausgangsspannungen sind so niedrig, dass immer ein Schock aus ihnen ist nicht ein Problem, wenn der Ausgang eines großen Automobil-Batterie kurzgeschlossen ist an Masse die großen Ströme, die durch die kurze eine fast explosive Blitz und schwere Verbrennungen verursachen kann.

Die Gesamtenergie Kapazität einer Speicherzelle in der Anzahl der Stunden ist es ein bestimmtes Maß an Strom oder "Amperestunden" liefern kann gemessen. Dies ist eine einfache Gütefaktor für Speicherzellen auf der gleichen Technologie basieren, da sie alle die gleiche Spannung haben.

Allerdings kann Amperestunden irreführend sein für den Vergleich verschiedener Speicherzelle Technologien, wie die Spannungen unterschiedlich sein können und die Leistungsabgabe einer Speicherzelle mit einer niedrigeren Spannung niedriger ist für die gleiche Höhe der Ausgangsstrom. Aus diesem Grund wird die Einheit "Watt-Stunden" verwendet, um Energiespeicherkapazität zwischen verschiedenen Speichersteuereinheiten Zelltechnologien vergleichen.

Eine verwandte Rating ist das "spezifische Energie" von einer Speicherzelle, die die Speicherkapazität der Zelle relativ zu seiner Masse verleiht. Zum Beispiel könnte eine Speicherzelle gesagt werden, um eine gegebene Anzahl von Wattstunden pro Kilogramm aufweisen. Eine verwandte Maßnahme ist die "Energiedichte" der Zelle, die die Speicherkapazität relativ zu seinem Volumen verleiht, beispielsweise in Wattstunden pro Liter. Spezifische Energie und Energiedichte im Vergleich zwischen verschiedenen Klassen von Batterien verwendet werden, insbesondere für die Automobil-Antrieb Anwendungen. Elektrisch angetriebenen Automobilen immer aus der begrenzten Kapazität der elektrischen Energie Speicherzellen gegenüber Benzin und andere chemische Treibstoffe erlitten, und unter Erhalt Speicherzellen mit höherer spezifischer Energie ist einer der wichtigsten Ziele der elektromotorischen Automobildesigner.

Parameter, die im Auge behalten werden.

Wiederaufladbaren Speicherzellen kann rückwärts und mehr oder weniger ausgeführt werden auf ihre ursprünglichen, geladenen Zustand wiederhergestellt. Das "mehr oder weniger" ist wichtig. Das restaurierte Staat ist nicht eine perfekte Nachbildung der ursprünglichen Zustand, und so aufladbaren Speicherzellen verschlechtert leicht jedes Mal bis zu ihrer Lagerfähigkeit ausgeblendet. Aus diesem Grund sind wiederaufladbare Akkumulatoren auch durch die Anzahl der "Ladezyklen" werden sie toleriert beschrieben. Die Anzahl der Zyklen tendenziell geringer mit größeren durchschnittlichen Tiefe der Entladung. Hersteller können auch Kurven hervorgeht, wie die Speicherzelle die Kapazität fällt langsam wie die Anzahl der Zyklen zu.

Ein weiterer Parameter, die spezifisch für wiederaufladbare Zellen ist "Effizienz" oder das Verhältnis von Leistung zur Verfügung, wenn die Zelle voll der Kraft erforderlich, um es aufzuladen berechnet. Andere Akku Parametern gehören natürlich die physischen Dimensionen und mechanischen Spezifikationen der Batterie; seine Haltbarkeit, seine zu erwartende Lebensdauer, oder wie lange es zu erwarten, dass im normalen Betrieb zu überleben, und ökologischen Grenzen für seine Arbeit, insbesondere Temperatur specs .

Da die Geschwindigkeit von chemischen Reaktionen erhöht bei höheren Temperaturen, ist es üblich, Monozellen im Kühlschrank, um die Haltbarkeit zu verlängern speichern, obwohl dies immer weniger wichtig wie verbesserte Zelltechnologien lange Haltbarkeit haben.

Tuning nach Technologie

Die Unternehmen haben nun über den reinen Verkauf von Batterien gegangen und jetzt verkaufen komplette Batterie-basierte Leistungsmodule, die in tragbaren Geräten gestaltet werden kann. Solch ein Power-Modul besteht aus einem Paket mit mehreren Zellen, Leistung und Aufladen Kontrolle und Steuerelektronik.

Die Steuerelektronik wird eine kleine billige digitale Mikrocontroller mit elektrisch programmierbaren ROM, um die Batterie Parameter zu speichern. Das Modul kommuniziert mit dem Rest des Systems durch eine serielle Zweidraht-Schnittstelle-Bus als "SMBus", von der Intel Corporation entwickelt. Solche Systeme sind nun standardisiert durch eine offene Spezifikation namens "Smart Battery System (SBS)", die die Funktionalität legt, Schnittstellen und Software-Protokolle des Akkus.

Zellen oder in der kollektiven Serie namens Batterien sind hier zu bleiben. Die Entwicklung schreitet voran, so hat der Zelle die Fähigkeit der Speicherung von mehr und mehr Strom zunimmt. Darüber hinaus wird die Kapazität Stromzieh der Geräte unter Verwendung von Zellen von Tag zu Tag abnimmt. Der Tag könnte bald kommen, wenn die Zellen in unseren Tag-zu-Tag-Geräte so klein oder dünn, dass sie mit bloßem Auge zu werden.

einige Angaben von Batterien

Zink-Kohle (Leclanche) Zelle:

Anode: Zink-Cup

Kathode: Mangandioxid in Graphitpulver

Elektrolyt Ammoniumchlorid & Zinkchlorid in Wasser

Zellspannung: 1,5 Volt

Nicht wiederaufladbare, schlechte Speicherdichte, aber sehr billig.

Alkaline-Zelle:

Anode: Stahl vernickelt cup

Kathode: Mangandioxid in Graphitpulver

Elektrolyt Kaliumhydroxid in Wasser

Zellspannung: 1,5 Volt

(Generally) nicht wiederaufladbar, Speicherdichte etwa das Doppelte des Zink-Kohle-Zelle, aber ein Mehrfaches teurer.



Quecksilber Knopfzelle:

Anode: Zink

Kathode: Quecksilberoxyd

Elektrolyt Kaliumhydroxid in Paste

Zellspannung: 1,35 Volt

Nicht wiederaufladbare. Eine Variation dieser Technologie verwendet Cadmium statt Zink und lieferte eine Zellspannung von 0,91 Volt. Der erste Button-Technologie, mittlerweile veraltet aus Umweltschutzgründen.



Zink-Luft-Zelle:

Anode: Zinkpulver in Gel

Kathode: Carbon Disk Luft ausgesetzt

Elektrolyt Kaliumhydroxid Schicht

Zellspannung: 1,65 Volt

Nicht wiederaufladbare. Populärste aktuellen Knopfzelle Technologie, die auch einige Anwendungen in größeren Zellformate.



Silberoxid Knopfzelle:

Anode: Zinkpulver in Gel

Kathode: silber Gitter mit Silberoxid eingefügt

Elektrolyt Kaliumhydroxid Schicht

Zellspannung: 1,55 Volt

wiederaufladebare.



Blei-Säure-Zelle:

Anode: Blei

Kathode: Bleioxid

Elektrolyt: Schwefelsäure

Zellspannung: 2 Volt

Die Standard-Akku mit großer Kapazität Technologie. Wieder aufgeladen werden kann hunderte Male und sehr billig, aber sperrig und umweltfreundliche schädlich.



Nickel-Eisen-(Edison) Zelle:

Anode: Eisen

Kathode: Nickeloxid

Elektrolyt Kaliumhydroxid

Zellspannung: 1,15 Volt

Heavy-Duty-Akku-Einheit, in einigen industriellen Anwendungen eingesetzt.



Nickel-Cadmium-(NiCd)-Zelle:

Anode: Cadmium

Kathode: Nickeloxid

Elektrolyt Kaliumhydroxid

Zellspannung: 1,2 Volt

Die ursprüngliche wiederaufladbare Zelle für tragbare Ausrüstung, heute meist in Gang, die hohe Leistungen auf Nachfrage muss verwendet werden.



Nickel-Metall-Hydrid (NiMH)-Zelle:

Anode: Metallhydrid

Kathode: Nickeloxid

Elektrolyt Kalilauge in Trennblatt

Zellspannung: 1,2 Volt

Größere Kapazität als NiCad aber teurer.



Lithium-Mangandioxid-Zelle:

Anode: Lithiumfolie

Kathode: Mangandioxid

Elektrolyt: Trennblatt mit elektrolytischen Salzen imprägniert

Zellspannung: 3 Volt

Die häufigsten nicht-wiederaufladbare Lithium-Zelle.



Lithium-Disulfid-Zelle:

Anode: Lithiumfolie

Kathode: Eisendisulfid mit Aluminium Kathodenkontakt

Elektrolyt: Trennblatt mit elektrolytischen Salzen imprägniert

Zellspannung: 1,5 Volt

"Voltage kompatibel" Lithium-Zelle als direkter Ersatz für Zink-Kohle-oder Alkali-Zellen.



Lithium-Ionen-Zelle:

Anode: inert Kohlenstoffschicht

Kathode: Mangandioxid

Elektrolyt Elektrolyt-Separator Blatt mit Lithium-Ionen

Zellspannung: 3,6 Volt

Wiederaufladbare Lithium-Zelle.

Referenzen: -

Details wurden auch aus der Duracell und Energizer Webseiten, ein paar Chemielehrbüchern und der Microsoft Encarta und Online Brittannica Enzyklopädien erhalten