Na battirìa sarba enirgìa putinziali chìmica ca si cummirtuta nta enirgìa elèttrica quannu è culligata a nu dispusitivu. Chista enirgìa arresta durmienti ntê ligami chìmici ntra àtumi e muleculi nzinu a quannu la battirìa cumpleta nu circùitu e accumincia a scaricari.
La duppia natura di l'enirgìa dâ battirìa
Li batterii funziònanu cu na trasfurmazzioni nutevuli ntra du’ stati d’enirgìa. Duranti la cunservazzioni, l'enirgìa esisti comu putinziali chìmicu-chiusu dintra la struttura muliculari di l'elittrodi e l'elittrolitu dâ battirìa. Quannu si cullega na battirìa pi alimintari nu dispusitivu, chista enirgìa chìmica sarbata si trasforma nta enirgìa elèttrica attraversu li riazzioni elettruchìmichi.
Sta natura duppia distingui li batterii di autri funti di putenza. A diffirenza di na prisa di currenti ca duna nu flussu elèttricu cuntinuu, o di nu carburanti ca rilascia enirgìa attraversu la cummussioni, li batteri ponnu mèttiri 'n ponti sia li dumini chìmici ca chiḍḍi elèttrici. Li ligami chìmici ntê matiriali dâ batteria tèninu l'enirgìa nna na forma stàbbili e pronta pi èssiri usata nzinu a quannu nu circùitu esternu attiva lu prucessu di cunvirsioni.
La trasfurmazzioni succedi attraversu li riazzioni di ossidazzioni-riduzzioni (riduzzioni) a l'elittrodi dâ battirìa. Nta l'elettrodu nigativu (anodu), l'ossidazzioni manna elettruna. Chisti elittruna scurrinu ntô circùitu dû dispusitivu e fannu travagghi. Ntô frattiempu, a l'elettrodu pusitivu (catòdu), li riazzioni di riduzzioni accittanu sti elittruna, cumpletannu lu ciclu. Nna stu prucessu, li joni si mòvinu attraversu l'elittrolitu dâ battirìa pi mantèniri l'equilìbbriu di càrrica.
Capiri l'enirgìa putinziali chìmica ntê batterii
L'energia putinziali chimica rapprisenta l'energia sarbata ntà li ligami muliculari-li forzi ca tènunu l'atumi nzèmmula ntà li cumposti. Ntê batterii, stu miccanìsimu di sarbamentu di l’enirgìa è parallelu a autri sistemi di enirgìa chìmica canusciuti. Li muleculi di benzina sarbanu l'enirgìa chìmica ca li mutura a cummussioni cunvèrtunu nta l'enirgìa miccànica. Lu lignu cunteni ligami chimici ca la bruciatura si trasforma 'n caluri. Li batterii sèguinu nu principiu sìmili ma cu na diffirenza cruciali: cummèrtinu l'enirgìa chìmica direttamenti nta l'elittricità senza cummussioni o ntirmidiari miccànici.
Li cumposti chìmici spicìfici di na battirìa additerminanu la so capacità enirgètica e lu vurtaggiu. Li batteri a joni di litiu, pi diri, sarbanu enirgìa attraversu li joni di litiu ca si mòvinu ntra grafiti e cumposti ca cuntèninu litiu. Li batterii a chiummu-àciti si basanu ncapu li riazzioni ntra chiummu, diossidu di chiummu e àcitu surfùricu. Ogni chimica offri caratteristichi distinti di sarbamentu d'energia basati ntà forza e rivirsibbilità dî sò ligami chimici.
Dinsità d'enirgìa-quantu enirgìa na battirìa po sarbari rispettu ô so pisu-dipenni direttamenti dû putinziali chìmicu dî so matiriali. Li ricerchi dû Dipartimentu di l’Enirgìa ìnnicanu ca li cèlluli dî battirìi a ioni di litiu àppiru quasi triplicatu lu so sarbamentu d’enirgìa pi chilugrammu dû 2010, supratuttu uttimizzannu li cumpusizzioni chìmichi e li strutturi usati nta l’elittrodi.
La stabbilità di l'enirgìa putinziali chìmica renni li batterii dispusitivi di sarbamentu eccizziunali. A diffirenza di l'elittricità ca scurri attraversu li fili (energia cinètica) o l'aria cumpressa (energia putinziali miccànica), li ligami chimici ntê batterii ponnu tèniri l'energia pi pirìudi longhi cu na pèrdita minima. Li batterii muderni a ioni di litiu pèrdinu sulu lu 1-2% dâ so càrrica ô misi quannu nun funzionanu, na tistimunianza di comu li ligami chìmici prisèrvanu l'enirgìa.
Lu prucessu di cunvirsioni di l'enirgìa: dâ chimica a chiḍḍa elèttrica
La cummirsioni di l'enirgìa chìmica a chiḍḍa elèttrica pigghia muvimenti atòmici pricisamenti coriografati. Quannu premi lu tastu di accensioni dû tilèfunu o gira l'accensioni dâ màchina, cumpleti nu circùitu elèttricu ca attiva na cascata di riazzioni chìmichi dintra la battirìa.
Eccu comu si svolgi la trasfurmazzioni:
Nta l'anodu (tirminali nigativu), li riazzioni di ossidazzioni spuglianu l'elittruna di l'atumi ntô matiriali di l'elittrodu. Pi na battirìa a ioni di litiu-, l’àtumi di litiu nna l’anòdu di grafiti rilassanu li so elittruna e addivèntanu ioni di litiu caricati pusitivamenti. Stu rilassu di elittruna aumenta la càrrica nigativa ntô tirminali.
Attraversu lu circùitu esternu, sti elittruna libbirati scurrinu versu lu tirminali pusitivu, viaggiannu ntra lu dispusitivu e alimintannulu ntô caminu. Chistu flussu di elittrona è la currenti elèttrica ca fa girari lu smartphone, lu laptop o lu veiculu elèttricu.
Dintra la battirìa, li joni di litiu migranu attraversu l’elittrolitu liquidu o gel di l’anodu versu lu càtudu. L'elittrolitu si cumporta comu n'autostrada iònica mentri blocca lu flussu di elittruna-furzannu l'elittruna a pigghiari lu percorsu esternu attraversu lu dispusitivu.
Ô càtudu (tirminali pusitivu), li riazzioni di riduzzioni si virìficanu mentri lu matiriali dû càtudu accetta l’elittruna ca arrivanu dû circùitu esternu. Ntô stissu tempu, li joni di litiu ca arrivanu attraversu l'elittrolitu si cumminanu cu sti elittruna, cumpletannu lu ciclu elittruchìmicu.
Stu prucessu cuntinua nzinu a quannu lu circùitu arresta chiusu e li matiriali riattivi arrestanu dispunìbbili a l’elittrodi. La vurtaggiu prudutta-di sòlitu 1,5V pî batteri alcalini o 3,7V a cèllula pî joni di litiu--dipenni dâ diffirenza nnô putinziali chìmicu ntra li matiriali di l'anòdu e dû càtudu.
Invertiri lu prucessu: batterii ricaricabbili
Li batterii ricaricàbbili pirmèttinu la trasfurmazzioni nversa. Quannu pigghiati lu caricaturi dû tilèfunu, applicati enirgìa elèttrica esterna ca spinci li riazzioni chìmichi arrè. L’elittruna furzati nta l’anòdu ripristinanu li cumposti chìmici urigginali, ricustrujennu l’enirgìa chìmica putinziali dâ battirìa. Sta rivirsibbilità distingui li batterii ricaricàbbili dî tipi di usu sìngulu, puru si ogni ciclu di càrrica di scarica prisenta canciamenti irrivirsìbbili nichi ca arridùcinu a picca a picca la capacità dâ batteria.
Li scienziati dû MIT dìcinu ca capiri picchì sti riazzioni nun si nvèrtunu completamenti duranti la càrrica arresta n’ària di ricerca attiva. La rivirsibbilità ncumpleta schica picchì li batterii dî tilèfuni â fini pèrdinu capacità-canciamenti suttili nnâ struttura di l’elittrodi e la chimica di l’elittroliti s’accumulanu nta cintinara di cicli.
Diversi tipi di battirìi e li sò sistemi d'enirgìa chìmica
La chimica dî battirìi cancia assai, ognuna cu vantaggi distinti 'n basi ê riazzioni chìmichi usati:
Battirìi a iòni a litiu-
Sti battirìi ricaricàbbili duminanti sarbanu enirgìa attraversu lu muvimentu di joni di litiu-ntra du' cumposti ca cuntèninu litiu-. La sò auta dinsità enirgètica -tipicamenti 150-250 watt-uri ô chilugrammu li renni idiali pi l'elittronica purtàtili e li veiculi elèttrici. L’enirgìa chìmica risidi nnê riazziuna di nsirzioni rivirsìbbili dû litiu a tutti du’ l’elittrodi.
Battirìi a chiummu-Acidu
Risalenti ô 1859, li batterii a chiummu-àcitu sarbanu enirgìa attraversu li riazzioni ntra chiummu, diòssidu di chiummu e àcitu surfùricu. Duranti lu scaricamentu, tutti dui l’elettrodi si cummèrtunu ‘n surfatu di chiummu mentri l’àcitu surfùricu si diluja. La càrrica nverti sti riazzioni, ristaurannu li matiriali urigginali. Puru si cchiù pisanti e cchiù picca enirgìci di chiḍḍi a ioni di litiu, la so chimica affidàbbili e lu so costu vasciu mantèninu lu so duminiu nta l’applicazzioni di avviamentu automobbilìsticu.
Battirìi alcalini
Li battirìi alcalini a usu sìngulu-ùsanu riazziuna di diossidu di zincu e manganisu nna n'elittrolitu alcali. L'enirgìa chìmica sarbata nna l'ossidazzioni dû zincu e la riduzzioni dû diossidu di manganizu duna putenza affidàbbili e duratura pi dispusitivi a vasciu scarico. La so chimica nun si nverti subbitu, quinni nun su' adatti pi ricaricarisi.
Chimichi emergenti
Li ricerchi cuntinuanu ncapu a novi chimichi dî batterii ca putissiru rivuluzziunari l’archiviazzioni di l’energia. Li batterii a statu sulidu - scancianu l'elittroliti liquiti cu matiriali sulidi, putinzialmenti triplicannu la dinsità enirgètica migghiurannu la sicurizza. Li batterii a sùrfuru a litiu prumèttinu dinsità enirgètichi tiòrichi ancora cchiù auti. Chisti progressi si cuncèntranu ncapu a truvari sistemi chìmici ca sarbanu cchiù enirgìa nta pacchi cchiù liggeri e sicuri.
Picchì l'enirgìa chìmica renni pràtichi li batterii
La scigghiuta di l'archiviazzioni di l'enirgìa chìmica nun è arbitraria-offri vantaggi pràtici ùnici:
Dinsità d'enirgìa: Li ligami chimici mmacchiunu enirgìa sustanziali ntà volumi cumpatti. Li batterii a ioni di litiu arrivanu a 150-250 Wh/kg, supirannu assai li mètudi di sarbamentu miccànicu comu li volani (5-130 Wh/kg) o macari li sistemi d'aria cumpressa.
Durata di cunsirvazzioni: L'enirgìa putinziali chìmica arresta stàbbili pi pirìudi longhi. A diffirenza dâ càrrica elèttrica nnî cuncintratura, ca s’arritira ‘n pochi uri, la chìmica dâ batteria manteni l’enirgìa pi misi o anni cu n’autu-scarica mìnima.
Purtabbilità: La natura sòlida o semi-sòlida dî matiriali dâ batteria cunzenti l'alimentazzioni purtàtili. Nun si po purtari facilmenti na chianta o na turbina eòlica, ma l'enirgìa chìmica cuntinuta dâ battirìa va unni ci serbi.
Rilassu cuntrullatu: Li riazzioni chìmichi ntê batteri si virìficanu a vilucità manigghiabbili, dannu na putenza custanti. Li pruggetti di l’elittroliti e di l’elittrodi règulanu la velocità cu cui l’enirgìa chìmica si cummirtu nta l’elittricità, evitannu na scarica viloci piriculusa.
Scalabbilità: Li sistemi di batterii scalanu di cèlluli nichi a pulsanti ca alimentanu l'audiòfoni nzinu a stallazzioni di archiviazzioni a riti -massicci. La stissa chimica funnamintali funziona ntâ tuttu chistu intervallu, câ capacità enirgètica ditirminata simplicimenti dâ quantità di matiriali riattivi.
L'equilìbbriu energèticu: chiḍḍu ca trasi havi a nesciri fora
L'immagazzinamentu di l'enirgìa dâ battirìa sigui li liggi termudinàmichi. L'enirgìa elèttrica ca estrai nun po supirari l'enirgìa chìmica sarbata duranti la càrrica-nfatti, è sempri cchiù picca a causa di pèrditi inevitabbili.
L'efficienza di càrrica e scarica di sòlitu va di l'80-95% pî muderni battirìi a ioni di litiu. L'enirgìa "mancanti" nun scumpari; si cunverti 'n caluri attraversu vari miccanismi:
La risistenza nta l’elittrodi e ntê culletturi di currenti dissipa na parti di enirgìa comu caluri
Lu muvimentu dî joni attraversu l'elittrolitu scuntràu frizzioni, ginirannu enirgìa tèrmica
Riazzioni laterali-prucessi chimici nun disidirati-cunzùmanu quantità nichi d'enirgìa
Li canciamenti strutturali ntê matiriali di l'elettrodi duranti l'insirimentu dû litiu assorbinu l'enirgìa
Chista cunsidirazzioni di efficienza è mpurtanti pi applicazzioni comu l'archiviazzioni di l'enirgìa 'n scala griglia-. Na struttura ca sarba l'energia sulari pi l'usu notturnu havi a rispunniri â pèrdita d'energìa dû 5-20% ntô ciclu di sarbamentu. Lu caluri giniratu abbisogna macari di sistemi di gistioni tèrmica ntê granni stallazzioni di batterii e ntê veiculi elèttrici.
La trasfurmazzioni enirgètica funnamintali arresta: enirgìa elèttrica → enirgìa putinziali chìmica (duranti la càrrica) → enirgìa elèttrica (duranti la scarica). Nuḍḍa battirìa cria enirgìa; lu sarba e lu rilascia sulu attraversu li riazziuni chimichi.
Misurazzioni di l'enirgìa dâ battirìa: spicificazzioni chiavi
Diversi spicificazzioni discrìvinu li carattirìstichi enirgètichi di na battirìa:
Capacità(misuratu 'n amp-uri o Ah) ìnnica la càrrica tutali ca na battirìa po dari. Na battirìa di tilèfunu di 2000 mAh po tiuriamenti dari 2 ampere pi n'ura, o 0,5 ampere pi quattru uri.
Cuntinutu enirgèticu(misuratu ‘n watt-uri o Wh) riprisenta lu travagghiu tutali ca na battirìa po fari. Carculala murtiplicannu la capacità pi vurtaggiu: na battirìa di 3,7 V e 2000 mAh cunteni 7,4 Wh di enirgìa.
Dinsità d'enirgìa(Wh/kg o Wh/L) discrivi quanta enirgìa risidi nna na certa massa o vulumi. Na dinsità d'enirgìa cchiù auta signìfica cchiù putenza nta nu pacchettu cchiù liggiru e nicu-crìticu pî veiculi elèttrici e l'elittronica purtàtili.
Dinsità di putenza(W/kg) ìnnica quantu lestu na battirìa po dari l’enirgìa sarbata. L'auta dinsità di putenza è mpurtanti pi applicazzioni ca richièdunu na scarica d'enirgìa lesta, comu strumenti elèttrici o accilirazzioni di veiculi elèttrici.
Vita dû ciclumisura quanti cicli di càrrica-di scarica suppurta na battirìa prima ca la capacità si digrada assai. Sta spicificazzioni è direttamenti rilativa a quantu li riazzioni chìmichi si nvèrtunu duranti la ricarica.
Malintìsi cumuni supra l'enirgìa dâ battirìa
Sbagghiatu: li batterii sarbanu l'elittricitàRialtà: li batterii sarbanu enirgìa chìmica e gèniranu elittricità a richiesta. L'elittricità è lu flussu di elittruna-nun si po "sarbari" la currenti ca scurri cchiù assai di quantu si po sarbari l'acqua ca scurri. Li batterii mmeci sarbanu l’enirgìa ‘n forma chìmica, lassannula comu currenti elèttrica quannu è nicissariu.
Sbagghiatu: tutti li batteri funziònanu â stissa maneraRialtà: diversi chimichi dî batterii ùsanu riazziuna chìmichi diversi. Lu miccanìsimu di sarbamentu di l'enirgìa di na battirìa a ioni di litiu è diversu di chiummu àcitu o alcalinu, puru si tutti sèguinu lu principiu di basi di cummirtiri ntra enirgìa chìmica e elèttrica.
Sbagghiatu: li batterii pèrdunu capacità picchì l'elittricità perdiRialtà: lu digradu dâ capacità nasci di canciamenti irrivirsìbbili nnî matiriali di l’elittrodi e nnâ chimica di l’elittroliti. L'insirimentu e la rimozzioni ripituti di joni cancia a picca a picca li strutturi di cristalli, si furmanu novi cumposti chimici e l'elittrolitu si dicomponi picca. Chisti canciamenti cumulativi arridùciunu la quantità di cunservazzioni di enirgìa chìmica rivirsìbbili.
Sbagghiatu: li timpiraturi friddi scaricanu li batteriiRialtà: li timpiraturi vasci nun sguassanu l’enirgìa dî batterii. Mmeci, rallintunu li riazziuni chimichi respunsabbili dâ cunvirsioni d'energia. L'enirgìa arresta sarbata, ma la battirìa duna cchiù picca putenza picchì li riazzioni prucidunu lentamenti ntô friddu.
Lu futuru dâ cunservazzioni di l'enirgìa chìmica
La tecnuluggìa dî batterii cuntinua a evolviri mentri li scienziati scòprinu novi sistemi chìmici e uttimizzanu chiḍḍi ca ci sunu già. Diversi sviluppi prumèttinu di migghiurari comu li batteri sarbanu e dannu enirgìa chìmica:
Battirìi a statu sulidu-scanciari l’elittroliti liquiti cu matiriali sulidi, pirmittennu putinzialmenti anodi di mitaḍḍu di litiu ca sarbanu cchiù enirgìa. Li primi prutòtipi dimustranu dinsità enirgètichi ca s’avvicìnanu a 400 Wh/kg-quasi la duppia currenti dâ tecnuluggìa dû litiu-ion.
Anòdi di silicuniputissi aumintari la capacità di joni di litiu dû 20-40% rispettu a l’anòdi di grafiti cumminziunali. Lu silicuni accògghi cchiù joni di litiu, sarbannu autra enirgìa chìmica ntô stissu vulumi.
Elittroliti avanzatiusannu novi sulventi e agghiuncitivi putissiru cunsentiri ê batterii di funziunari ntra timpiraturi cchiù granni mantinennu n'auta efficienza nnâ cunvirsioni chimica-a-elèttrica.
Chìmica dû sùrfuru dû litiu-offri dinsità tiòrichi di enirgìa ca supiranu li 500 Wh/kg sfruttannu l'auta capacità di sarbamentu di enirgìa dû sùrfuru. Li sfidi tecnichi ntunnu â dissoluzzioni dû sùrfuru duranti lu ciclismu attuarmenti limitunu la viabbilità cummirciali.
Battirìi a ioni di sòdiu-furniri n'artirnativa putinziali a sistemi basati ncapu lu litiu- pi sarbari stazziunari unni lu pisu è cchiù picca mpurtanti. L'abbunnanza dû sòdiu e lu costu vasciu putissiru dimucratizzari l'immagazzinamentu di enirgìa chìmica 'n scala larga.
Chisti prugressi cunnivìdunu n’obbiettivu cumuni: ‘mpacchetari cchiù enirgìa putinziali chìmica ‘n pacchetti cchiù liggeri, sicuri e ca duranu cchiù assái, migghiurannu ô stissu tempu l’efficienza dâ cunversioni ‘n enirgìa elèttrica.
Dumanni spissu fatti
L'enirgìa dâ battirìa è chìmica o elèttrica?
Li batterii sarbanu enirgìa putinziali chìmica e la cummèrtunu nta enirgìa elèttrica duranti lu scaricamentu. Mentri è sarbata, l'energia esisti comu putinziali chimicu ntà li ligami tra l'atumi. Sulu duranti la scarica attiva chista enirgìa chìmica addiventa enirgìa elèttrica ca scurri attraversu nu circùitu.
Si po aumintari l'enirgìa sarbata nnâ battirìa?
Nun si po junciri enirgìa supra la capacità pruggittata dâ battirìa-chistu è ditirminatu dâ quantità e dû tipu di matiriali chìmici nta l’elittrodi. Circannu di "supracaricari" na battirìa furza riazzioni ca ponnu danniari li matiriali o criari rìsichi di sicurizza. Cumunca, li scienziati sviluppanu sempri novi chimichi dî batterii ca sarbanu cchiù enirgìa ntô stissu vulumi.
Picchì li batteri si scaldanu quannu si càricanu o si scaricanu?
Li riazziuna chìmichi ca cunvèrtunu enirgìa ntra formi chìmichi e elèttrichi nun sunnu pirfittamenti efficienti. La risistenza ô muvimentu dî joni e ô flussu di elittruni, ortri ca riazziuni laterali cchiù nichi, cunvèrtunu na parti di enirgìa 'n caluri. La càrrica o la scarica viloci accilira sti prucessi, ginirannu cchiù caluri.
Quantu tempu l’enirgìa chìmica po stari sarbata nnâ battirìa?
Li batterii muderni ponnu sarbari enirgìa pi anni cu n'autu-scarica graduali. Li batteri alcalini mantèninu l'85-90% di capacità doppu cinc'anni di cunsirvazzioni. Li batterii a ioni di litiu si scaricanu sulu a circa l'1-2% ô misi. La stabbilità chìmica dî matiriali dâ batteria ditirmina la durata di cunservazzioni: li ligami chìmici cchiù stàbbili mantèninu l'enirgìa cchiù assai.
Pinseri finali
L’enirgìa putinziali chìmica renni li batterii una dî suluzzioni cchiù virsàtili di l’umanità pi sarbari l’enirgìa. Chista forma d'energia duna lu putiri stàbbili, purtàtili e scalabbili di cui dipenni sempri cchiù assài la civiltà muderna. Dâ tilèfunu ‘n tasca â li màchini elèttrici nnî nostri strati â li ‘stallazzioni ‘n scala a riti-ca bilancianu li enirgìi rinnivàbbili-tutti fannu affidamentu â capacità dâ chìmica ri sarbari e rilassari ‘n manera sicura enirgìa a richiesta.
L’evuluzzioni cuntinua dâ chìmica dî batterii prumetti n’archiviazzioni di enirgìa ancora cchiù efficienti. Mentri li scienziati sbloccanu novi sistemi chìmici e raffinanu chiḍḍi ca ci sunu già, li batterii mèttinu cchiù enirgìa nta pacchetti cchiù nichi, cchiù liggeri e sicuri. Capiri ca li batterii su’ di basi dispusitivi a enirgìa chìmica-nun elèttrici-aiuta a apprizzari sia li so capacità ca li so limitazzioni mentri custruemu un munnu sempri cchiù elèttricu.
Chiavi pi purtari
Magazzinu di battirìienirgìa putinziali chìmicantê ligami muliculari dî sò matiriali elittrodici e elittroliti
Sta enirgìa chìmicasi cunverti 'n enirgìa elèttricaattraversu li riazzioni elettruchìmichi quannu la battirìa alimenta nu dispusitivu
Diversi chimichi dî battirìi (litiu-ioni, chiummu-àcitu, alcalinu) ùsanu riazzioni chìmichi distinti ma sèguinu lu stissu principiu di cunvirsioni d'enirgìa di basi
L'immagazzinamentu di l'energia chimica offri vantaggi diàuta dinsità d'enirgìa, stabbilità a longu tèrmini-, epurtabbilità
L'efficienza dâ battirìa va di l'80-95%, cu l'enirgìa pirduta ca si cummirtu 'n caluri duranti li trasfurmazzioni chìmicu-elèttrichi
Opportunità di collegamentu nternu cunsigliati
Comu li batterii si digradanu nnô tempu (durata dâ batteria e manutinzioni)
Cunfruntu dâ chimica dî batterii (litiu-ioni vs chiummu-àcitu vs alcalinu)
Sicurizza dâ batteria e gistioni tèrmica
Tecnuluggìa dâ battirìa dî màchini elèttrici
Suluzzioni di sarbamentu di l'enirgìa 'n scala dâ griglia-
Riciclaggio e sustinibbilità dî batterii