UN batteria, che in realtà è una cella elettrica, è un dispositivo che produce elettricità da una reazione chimica. A rigor di termini, una batteria è composta da due o più celle collegate in serie o in parallelo, ma il termine è generalmente usato per una singola cella. Una cella è costituita da un elettrodo negativo; un elettrolita che conduce ioni; un separatore, anche un conduttore di ioni; e un elettrodo positivo. Il elettrolito può essere acquoso (composto di acqua) o non acquoso (non composto di acqua), in forma liquida, in pasta o solida. Quando la cella è collegata a un carico esterno o al dispositivo da alimentare, l'elettrodo negativo fornisce una corrente di elettroni che fluisce attraverso il carico e sono accettati dall'elettrodo positivo. Quando il carico esterno viene rimosso, la reazione cessa.
Una batteria primaria è quella che può convertire i suoi prodotti chimici in elettricità una sola volta e quindi deve essere eliminata. Una batteria secondaria ha elettrodi che possono essere ricostituiti restituendo elettricità attraverso di essa; chiamato anche memoria o batteria ricaricabile, può essere riutilizzato più volte.
Questa batteria utilizza ossido di nichel nel suo elettrodo positivo (catodo), un composto di cadmio nel suo elettrodo negativo (anodo) e soluzione di idrossido di potassio come elettrolita. La batteria al nichel-cadmio è ricaricabile, quindi può scorrere ripetutamente. Una batteria al nichel-cadmio converte l'energia chimica in energia elettrica al momento della scarica e converte l'energia elettrica in energia chimica al momento della ricarica. In una batteria NiCd completamente scarica, il catodo contiene idrossido di nichel [Ni (OH) 2] e idrossido di cadmio [Cd (OH) 2] nell'anodo. Quando la batteria viene caricata, la composizione chimica del catodo viene trasformata e l'idrossido di nichel cambia in ossido idrossido di nichel [NiOOH]. Nell'anodo, l'idrossido di cadmio viene trasformato in cadmio. Quando la batteria è scarica, il processo è invertito, come mostrato nella seguente formula.
La batteria al nichel-idrogeno può essere considerata un ibrido tra la batteria al nichel-cadmio e la cella a combustibile. L'elettrodo al cadmio è stato sostituito con un elettrodo a gas idrogeno. Questa batteria è visivamente molto diversa dalla batteria al nichel-cadmio perché la cella è un contenitore a pressione, che deve contenere oltre mille libbre per pollice quadrato (psi) di idrogeno. È significativamente più leggero del nichel-cadmio, ma è più difficile da imballare, proprio come una cassa di uova.
Le batterie al nichel-idrogeno sono talvolta confuse con le batterie al nichel-idruro di metallo, le batterie che si trovano comunemente nei telefoni cellulari e nei laptop. Le batterie al nichel-idrogeno e le batterie al nichel-cadmio usano lo stesso elettrolita, una soluzione di idrossido di potassio, che viene comunemente chiamata liscivia.
Gli incentivi per lo sviluppo di batterie al nichel / idruro di metallo (Ni-MH) derivano da pressanti preoccupazioni per la salute e l'ambiente per trovare sostituzioni per le batterie ricaricabili al nichel / cadmio. A causa dei requisiti di sicurezza dei lavoratori, l'elaborazione del cadmio per le batterie negli Stati Uniti è già in fase di eliminazione. Inoltre, la legislazione ambientale per gli anni '90 e il 21 ° secolo renderà molto probabilmente indispensabile limitare l'uso del cadmio nelle batterie per l'uso da parte dei consumatori. Nonostante queste pressioni, accanto alla batteria al piombo, la batteria al nichel / cadmio detiene ancora la quota maggiore del mercato delle batterie ricaricabili. Ulteriori incentivi per la ricerca di batterie a base di idrogeno derivano dalla convinzione generale che l'idrogeno e l'elettricità si sostituiranno e alla fine sostituiranno a frazione significativa dei contributi energetici delle risorse di combustibili fossili, diventando la base per un sistema energetico sostenibile basato su fonti rinnovabili fonti. Infine, vi è un notevole interesse nello sviluppo di batterie Ni-MH per veicoli elettrici e veicoli ibridi.
L'elettrolito KOH può trasportare solo gli ioni OH e, per bilanciare il trasporto di carica, gli elettroni devono circolare attraverso il carico esterno. L'elettrodo ossido-idrossido di nichel (equazione 1) è stato ampiamente studiato e caratterizzato e la sua applicazione è stata ampiamente dimostrata per applicazioni sia terrestri che aerospaziali. La maggior parte della ricerca attuale sulle batterie all'idruro di Ni / metallo ha riguardato il miglioramento delle prestazioni dell'anodo di idruro di metallo. Nello specifico, ciò richiede lo sviluppo di un elettrodo idruro con le seguenti caratteristiche: (1) lungo ciclo di vita, (2) alta capacità, (3) alta velocità di carica e scarica a tensione costante e (4) ritenzione capacità.
Questi sistemi sono diversi da tutte le batterie precedentemente menzionate, in quanto nell'elettrolita non viene utilizzata acqua. Usano invece un elettrolita non acquoso, che è composto da liquidi organici e sali di litio per fornire conducibilità ionica. Questo sistema ha tensioni di cella molto più elevate rispetto ai sistemi di elettroliti acquosi. Senza acqua, l'evoluzione dell'idrogeno e dei gas di ossigeno viene eliminata e le cellule possono operare con potenziali molto più ampi. Richiedono anche un assemblaggio più complesso, poiché deve essere fatto in un'atmosfera quasi perfettamente asciutta.
Un certo numero di batterie non ricaricabili sono state inizialmente sviluppate con litio metallico come anodo. Le pile a bottone commerciali utilizzate per le batterie per orologi di oggi sono principalmente una chimica al litio. Questi sistemi usano una varietà di sistemi catodici che sono abbastanza sicuri per l'uso da parte del consumatore. I catodi sono realizzati in vari materiali, come monoflouride di carbonio, ossido di rame o pentossido di vanadio. Tutti i sistemi a catodo solido sono limitati nella velocità di scarica che supporteranno.
Per ottenere una maggiore velocità di scarica, sono stati sviluppati sistemi di catodi liquidi. L'elettrolita è reattivo in questi progetti e reagisce al catodo poroso, che fornisce siti catalitici e raccolta di corrente elettrica. Diversi esempi di questi sistemi includono litio-cloruro di litio e biossido di litio-zolfo. Queste batterie sono utilizzate nello spazio e per applicazioni militari, nonché per i segnali di emergenza a terra. In genere non sono disponibili al pubblico perché sono meno sicuri dei sistemi a catodo solido.
Il prossimo passo nella tecnologia della batteria agli ioni di litio è la batteria ai polimeri di litio. Questa batteria sostituisce l'elettrolita liquido con un elettrolita gelificato o un vero elettrolita solido. Si suppone che queste batterie siano anche più leggere delle batterie agli ioni di litio, ma al momento non si prevede di far volare questa tecnologia nello spazio. Inoltre, non è comunemente disponibile nel mercato commerciale, sebbene possa essere proprio dietro l'angolo.
Col senno di poi, abbiamo fatto molta strada da quando è trapelato torcia elettrica batterie degli anni sessanta, quando nacque il volo spaziale. È disponibile una vasta gamma di soluzioni per soddisfare le numerose esigenze del volo spaziale, 80 al di sotto dello zero per le alte temperature di una mosca solare. È possibile gestire radiazioni massicce, decenni di servizio e carichi che raggiungono decine di kilowatt. Ci sarà una continua evoluzione di questa tecnologia e una costante ricerca di batterie migliorate.