A baterija, ki je pravzaprav električna celica, je naprava, ki proizvaja električno energijo iz kemijske reakcije. Strogo gledano, akumulator je sestavljen iz dveh ali več celic, povezanih zaporedno ali vzporedno, vendar se izraz na splošno uporablja za eno celico. Celica je sestavljena iz negativne elektrode; elektrolit, ki vodi ione; separator, tudi ionski prevodnik; in pozitivno elektrodo. The elektrolit lahko je vodna (sestavljena iz vode) ali nevodna (ni sestavljena iz vode), v tekoči, paste ali trdni obliki. Ko je celica povezana z zunanjo obremenitvijo ali napravo, ki se napaja, negativna elektroda napaja tok elektronov, ki teče skozi tovor in jih pozitivna elektroda sprejme. Ko odstranimo zunanjo obremenitev, reakcija preneha.
Primarna baterija je tista, ki lahko svoje kemikalije pretvori v električno energijo samo enkrat, nato pa jih je treba zavreči. Sekundarna baterija ima elektrode, ki jih je mogoče rekonstituirati s prenosom električne energije nazaj; ki se imenuje tudi shranjevalna ali polnilna baterija, zato jo je mogoče večkrat uporabiti.
Ta baterija uporablja nikljev oksid v svoji pozitivni elektrodi (katodi), kadmijevo spojino v negativni elektrodi (anodi) in raztopino kalijevega hidroksida kot svoj elektrolit. Nikelj-kadmijeva baterija je polnilna, tako da lahko večkrat kroži. Nikelj-kadmijeva baterija pretvori kemično energijo v električno energijo ob praznjenju in ob ponovnem polnjenju pretvori električno energijo v kemično. V popolnoma izpraznjeni NiCd bateriji katoda vsebuje nikljev hidroksid [Ni (OH) 2] in kadmijev hidroksid [Cd (OH) 2] v anodi. Ko se baterija napolni, se kemična sestava katode spremeni in nikljev hidroksid spremeni v nikelj oksihidroksid [NiOOH]. V anodi se kadmijev hidroksid pretvori v kadmij. Ko se baterija izprazni, se postopek obrne, kot je prikazano v naslednji formuli.
Nikelj-vodikova baterija se lahko šteje za hibrid med nikelj-kadmijevo baterijo in gorivno celico. Kadmijevo elektrodo smo zamenjali z elektrodo vodikovega plina. Ta baterija se vizualno precej razlikuje od nikelj-kadmijeve baterije, ker je celica tlačna posoda, ki mora vsebovati več kot tisoč funtov na kvadratni palec (psi) vodikovega plina. Je bistveno lažji od nikelj-kadmija, vendar ga je težje zapakirati, podobno kot zaboj iz jajc.
Nikeljeve vodikove baterije včasih zamenjujejo z nikelj-kovinskimi hidridnimi baterijami, baterijami, ki jih običajno najdemo v mobilnih telefonih in prenosnikih. Nikelj-vodik, pa tudi nikelj-kadmijeve baterije uporabljajo isti elektrolit, raztopino kalijevega hidroksida, ki se običajno imenuje lug.
Spodbude za razvoj nikelj / kovin hidridnih baterij (Ni-MH) izhajajo iz perečih zdravstvenih in okoljskih pomislekov, da bi našli nadomestke za nikelj / kadmijeve polnilne baterije. Zaradi varnostnih zahtev delavcev je predelava kadmija za akumulatorje v ZDA že opuščena. Poleg tega bo okoljska zakonodaja za devetdeseta in 21. stoletja najverjetneje nujno omejila uporabo kadmija v baterijah za potrošnike. Kljub tem pritiskom ima poleg baterije s svinčeno kislino največji delež na trgu baterij za ponovno polnjenje baterija niklja / kadmija. Nadaljnje spodbude za raziskovanje baterij, ki temeljijo na vodiku, izhajajo iz splošnega prepričanja, da se bo vodik in elektrika izpodrinili in sčasoma nadomestili a pomemben del prispevkov energije iz fosilnih goriv, ki prispevajo k energiji, postane temelj za trajnostni energetski sistem, ki temelji na obnovljivih virih viri. Končno obstaja veliko zanimanje za razvoj Ni-MH baterij za električna in hibridna vozila.
KOH elektrolit lahko prevaža le OH-ione, za uravnoteženje prenosa naboja pa morajo elektroni krožiti skozi zunanjo obremenitev. Nikelj-oksi-hidroksidna elektroda (enačba 1) je bila obsežno raziskana in značilna, njena uporaba pa je bila široko dokazana tako za zemeljsko kot vesoljsko uporabo. Večina trenutnih raziskav baterij Ni / Metal Hydride vključuje izboljšanje zmogljivosti kovinske hidridne anode. Konkretno, to zahteva razvoj hidridne elektrode z naslednjimi lastnostmi: (1) dolga življenjska doba cikla, (2) velika zmogljivost, (3) visoka hitrost napolnjenosti in praznjenja pri konstantni napetosti in (4) zadrževanje zmogljivost.
Ti sistemi se razlikujejo od vseh prej omenjenih baterij po tem, da v elektrolitu ni vode. Namesto tega uporabljajo nevodni elektrolit, ki je sestavljen iz organskih tekočin in litijevih soli za zagotavljanje ionske prevodnosti. Ta sistem ima veliko večje napetosti v celicah kot vodni elektrolitski sistem. Brez vode se izloči nastajanje vodikovih in kisikovih plinov in celice lahko delujejo z veliko širšimi potenciali. Zahtevajo tudi bolj zapleteno montažo, saj jo je treba izvesti v skoraj popolnoma suhem ozračju.
Številne baterije za ponovno polnjenje so bile prvič razvite z litijevo kovino kot anodo. Komercialne kovanske celice, ki se uporabljajo za današnje baterije, so večinoma litijeva kemija. Ti sistemi uporabljajo različne katodne sisteme, ki so dovolj varni za uporabo potrošnikov. Katode so narejene iz različnih materialov, kot so ogljikov monoflourid, bakreni oksid ali vanadij pentoksid. Vsi sistemi s trdnimi katodami so omejeni v stopnji praznjenja, ki jo bodo podprli.
Za pridobitev večje hitrosti praznjenja so bili razviti sistemi s tekočimi katodami. Elektrolit je pri teh izvedbah reaktiven in reagira na porozni katodi, ki zagotavlja katalitična mesta in zbiranje električnega toka. Več primerov teh sistemov vključuje litij-tionil klorid in litij-žveplov dioksid. Te baterije se uporabljajo v vesolju in za vojaške namene, pa tudi za zasilne svetilnike na tleh. Običajno niso na voljo javnosti, ker so manj varni od sistemov s trdnimi katodami.
Naslednji korak v tehnologiji litij-ionskih baterij naj bi bila litij-polimerna baterija. Ta baterija nadomesti tekoči elektrolit bodisi z geliranim elektrolitom bodisi s pravim trdnim elektrolitom. Te baterije naj bi bile še lažje od litij-ionskih baterij, vendar trenutno te tehnologije ne načrtujejo letenja v vesolje. Prav tako ni na voljo na komercialnem trgu, čeprav je morda tik za vogalom.
V perspektivi smo od puščavanja prišli daleč svetilka baterije iz šestdesetih let, ko se je rodil vesoljski polet. Na voljo je široka paleta rešitev za izpolnjevanje številnih zahtev vesoljskih poletov, 80 pod ničlo, do visokih temperatur sončne muhe. Možno je prenašati ogromno sevanje, desetletja obratovanja in obremenitve, ki dosegajo več deset kilovatov. Ta tehnologija se bo nenehno razvijala in si nenehno prizadevala za izboljšanje baterij.