A fizika világának elemei és elemkutatása
Michael Büker 2015. december 17
Elemek nélkül valószínűleg sokunk számára nehéz lesz a mindennapi élet - elvégre áramot szolgáltatnak a mobiltelefonokhoz, laptopokhoz vagy távirányítókhoz. Különböző alkalmazások esetén az elemek nagyon eltérő követelményeket támasztanak. Ezek fejlesztése és az új technológiák tesztelése azonban bonyolult és hosszadalmas folyamat.
Az elektromos áramot az elektromos töltések mozgatása hozza létre. A legtöbb háztartási villamos energiát a fali konnektorból veszik, de akkumulátorokat használnak vezeték nélküli és hordozható eszközökhöz. Kicsiek, kompaktak és szükség esetén elektromos áramot tudnak biztosítani. Az újratölthető elemek, más néven akkumulátorok, akár köznyelven is „tárolhatják az áramot”.
Maximilian Fichtner, a Helmholtz Ulmi Intézet és a Karlsruhe Műszaki Intézet akkumulátorkutatója a szokásos lítium-ion akkumulátor belsejében zajló folyamatokat magyarázza el, amint az szinte minden mobiltelefonban és laptopban megtalálható:
- Úgy képzelem, hogy az anyagok, amelyekben a lítium van tárolva, olyanok, mint a polcok, és a lítiumot most focinak lehet tekinteni. Ha most rendeztem az összes lítiumot az egyik oldalon, azaz a bal oldali polcon, akkor az akkumulátor például fel van töltve.
És amikor lemerülnek, ezek a labdarúgók elmozdulnak a résen, az elektroliton, a másik polcon lévő másik oldalra, és amikor mindet ott rendezik, akkor az akkumulátor lemerül. És akkor újra energiát kell használnom, hogy visszahozzam őket, a rakodásra. Ez a folyamat elvileg így működik. "
Ebben az esetben a mozgó töltéshordozók pozitív töltésű lítiumionok. Az úgynevezett elektrolit egy speciális kémiai tulajdonságokkal rendelkező folyadék, amely lehetővé teszi az ionok szállítását és kitölti a plusz és a mínusz pólus - azaz a két polc - közötti rést. Maga a két pólus olyan anyagokból készül, amelyek képesek felszívni, azaz tárolni az ionokat.
Újratölthető akkumulátorok, például lítium-ion akkumulátorok esetén a töltéshordozók pólusról pólusra vándorolhatnak az elektroliton keresztül mindkét irányban.
„A klasszikus tárolóanyagok negatív oldalon grafitok. Ez egy szénből készült réteges szerkezet, és a rétegek között - ezek megint a mi polcunk - a lítiumionok ott rendeződhetnek.
A pozitív pólus oldalon, a katódon tipikusan olyan fémoxidokról van szó, amelyek nyitott szerkezettel rendelkeznek, vagyis üres terek vannak a szerkezetben, amelyekben a lítium be tud vándorolni a szerkezetbe, és ott megmarad. "
Az akkumulátor energiáját kapacitásnak nevezzük. Egy liter vagy egy kilogramm benzin lényegesen több energiát tartalmaz, mint az azonos méretű vagy súlyú akkumulátor - de az akkumulátor kompakt, szilárd alakja, amelynek szintén nincsenek mozgó alkatrészei, számos alkalmazásban meghatározó előnyt jelent. Az alacsonyabb energiasűrűség egyik oka éppen az akkumulátor szerkezete.
„Az akkumulátorok problémája általában az, hogy nagyrészt olyan anyagokból állnak, amelyek valójában maguk sem tárolnak energiát. Például a ház kívül van, annak szilárdnak és szilárdnak kell lennie, és nagyon szorosan lezárja a belső teret.
Ezután megvannak az úgynevezett gyűjtőfóliák, amelyek vékony fémfóliák, amelyekre paszta kerül a hatóanyaggal. Maga a hatóanyag még mindig vezetőképes adalékokkal, például szénnel hígul. Aztán ott van az elektrolit, amely az elektródák között helyezkedik el, és amely felveszi a feladatot a lítium szállítására.
Ezen elemek egyike sem járul hozzá az energiatároláshoz. Ezek szükségesek az akkumulátor működéséhez, és az akkumulátor több mint 70 százalékát teszik ki. "
Különböző követelmények a céltól függően
Különböző anyagok hozták létre az akkumulátorok különféle alkalmazási területeit, mindegyiknek vannak bizonyos előnyei és hátrányai. A csak egyszer lemeríthető elemek általában kompaktabbak és nagyobb energiasűrűségűek, mint az akkumulátorok. Ezért ezeket előnyösen orvosi implantátumokban vagy különösen kicsi eszközökben, például karórákban használják.
Az újratölthető elemekkel szemben azonban nagyon eltérő követelményeket támasztanak:
„Ha például egy akkumulátorra gondolok, amelyet egy vezeték nélküli csavarhúzóban használok: Nagyon nagy teljesítményűnek kell lennie, képesnek kell lennie arra, hogy rövid idő alatt nagy áramokat juttasson el. Ez az egyik véglet - amikor pufferelek egy szolárrendszert, több órám van egy ilyen akkumulátor feltöltésére. Tehát olyan anyagokat használhatok, amelyek nagyobb kapacitással rendelkeznek, de talán lassabbak. "
Egy nyitott nikkel-fém-hidrid elem
Ebben szerepet játszik az akkumulátor újratöltésének módja is.
„Általában ez így van: Ha nagyon gyorsan feltölti és lemeríti az akkumulátort, automatikusan egyre kevesebb kapacitást kap. Ezt még a mobiltelefonján is észreveszi: Ha lassabban tölti, akkor az akkumulátor hosszabb ideig fog tartani. Ha felakasztja egy gyorstöltőre, lehet, hogy egy vagy háromnegyed óra alatt feltöltődik, de a telefon csak fél napig bírja. "
A töltés és kisütés az elem állandó kémiai változását jelenti, amely minden esetben megfordítható. Vannak azonban állandó kémiai változások is, amelyek általában nem kívánatosak, mert például folyamatosan csökkentik az akkumulátor kapacitását. Az ilyen visszafordíthatatlan változások az elemek korlátozott élettartamát okozzák, amely sok mindennapi alkalmazás esetén egy és néhány év közötti.
„Egy másik fontos tényező az úgynevezett Coulomb-hatékonyság. Ez a kérdés: Hány elektronot teszek be az akkumulátorba, és hányat kapok ki az akkumulátorból a következő lemerüléssel? Ez azt jelenti: Elágazóak-e az elektronok annak érdekében, hogy visszafordíthatatlan folyamatokat indítsanak el az akkumulátorban, és csengenek az akkumulátor lassú lebomlásakor?
Kedvezőtlen esetekben az ilyen hosszú távú változások akár az akkumulátor külső formáját is befolyásolhatják. A háztartási készülékekben széles körben alkalmazott nikkel-fém-hidrid akkumulátorok hosszú ideig tartó tárolás után felpuffadhatnak, ha az elektrolit az akkumulátor nem megfelelő alkatrészei közé kerül és kémiailag megtámadja.
A mobiltelefonokban és a laptopokban elterjedt erősebb lítium-ion akkumulátorok kedvezőtlen körülmények között intenzív hőfejlődésnek vannak kitéve, és akár meg is gyulladhatnak. Mielőtt javítottak volna ezeken az akkumulátorokon, számos laptop-akkumulátor-gyártó visszahívta a terméket. A probléma a pozitív pólusú anyag kobalt-oxid nemkívánatos reakciója volt.
„Elvileg képes reagálni az elektrolittal, amely szerves folyadék, és minél magasabb a hőmérséklet, annál jobban megy. Ez azt jelenti, hogy ha van egy laptopom a napon, és nagyon felmelegszik, akkor előfordulhat, hogy elindul egy ilyen reakció, amely felgyorsítja önmagát, mert az viszont ismét hőt termel. "
Akkumulátorok a mozgékonyságban
Egy másik széles körben használt akkumulátortípus, nevezetesen az ólomakkumulátor, a legtöbb autóban ma is megtalálható. A más típusú elemekkel ellentétben az ólom-sav akkumulátorok viszonylag nagyok és nehézek, meglehetősen alacsony energiasűrűséggel. Ezek azonban rendkívül robusztusak és hosszú élettartamúak, ezért használják ezt a típusú akkumulátort a gépjárművekben sok éve.
„Az ólom még mindig naprakész, nagyon stabil rendszer, sokszor tölthető és lemeríthető, és az ólomakkumulátorok sem gyúlékonyak. Van benne vizes elektrolit, jelen esetben kénsav. Töltés közben az egyik oldalon ólom, a másikon ólom-oxid van. Ezután az egész úgy reagál az elektrolittal, hogy különböző elektronokat mozgat előre-hátra, és kisülése esetén ólom-szulfátot eredményez mindkét oldalon. És az ólom-szulfátot, amint azt az autósok télről tudják, nem szabad túl sokáig hagyni ebben az állapotban, mert akkor nagyobb kristályokat képez, amelyek aztán már nem alakulnak vissza ólommá vagy ólom-oxiddá. Ez azt jelenti, hogy az akkumulátor akkor tönkremegy. "
Ellentétben a klasszikus autóakkumulátorokkal, amelyek hosszú időn keresztül tárolják az energiát, és időnként viszonylag kis mennyiségű áramot bocsátanak ki, a belső égésű motor nélküli elektromos autók különösen nagy teljesítményű, nagy kapacitású akkumulátoroktól függenek.
Eddig az elektromos járművek akkumulátorai nem tudták elérni a benzin- vagy dízelüzemű belső égésű motorok hatótávolságát vagy hosszú élettartamát. Két töltés között néhány száz kilométerre korlátozódik. Egy amerikai gyártó elektromos luxusszedánja az egyik legnagyobb választékot kínálja jó 400 kilométerrel. A jármű körülbelül 500 kilogrammból - össztömegének mintegy negyedéből - áll lítium-ion akkumulátorokból.
Új elemtípusok kutatása
A különféle alkalmazások és az akkumulátortechnika növekvő elterjedése ezért szintén teljesen új akkumulátorformákkal és a meglévő koncepciók fejlesztésével kapcsolatos kutatásokat ösztönzi.
„A fő hangsúly itt a magnéziumelemek kutatására irányul. Most kifejlesztettünk egy új elektrolitot, amellyel a magnézium és a kén kombinációját is felhasználhatjuk. Ez nagyon érdekes lenne, mert egyrészt nagyon nagy energiasűrűséggel kecsegtet, másrészt a magnézium ezerszer gyakoribb a földön, mint a lítium - és gyakorlatilag ingyen kap ként. "
Az új akkumulátor-technológia keresése során Maximilian Fichtner és kollégái teljesen más koncepciókat is vizsgálnak, és ellenőrzik azok gyakorlatiasságát.
„Természetesen vannak más ötletek, és jó lenne, ha valami hasznos megvalósulna. Az egyik ötlet az úgynevezett redox áramlási akkumulátor, ahol az egész egy kicsit úgy működik, mint egy üzemanyagcella. Két nagy tartályunk van, ahol van egy feltöltött és ürített folyadékunk, úgymond, és ellentétes irányba küldjük őket az úgynevezett átalakítón keresztül, és áramot merítünk belőlük. Ez sokkal könnyebbé teszi az építkezést - ugyanakkor nem lehet túl sok energiát tárolni térfogatonként. "
Mindenesetre hosszú lélegzetet vesz, amíg egy ígéretes ötlet késztermékké fejlődik.
"Összességében ez egy olyan folyamat, amely a múltban körülbelül 12–15 évet vett igénybe az anyag első felfedezésétől, egészen addig, amíg remélhetőleg készen állt a gyakorlati felhasználásra."