Om du har tittat i din verktygslåda på sistone, kanske du har märkt de olika formerna, storlekarna och typer av batterier som driver dina elektroniska enheter. Först finns det de runda, icke-rechargeble-knappcellerna för dina klockor och små föremål. Det finns också de populära AA- och AAA -cylindriska batterierna för kalkylatorer, klockor och fjärrkontroller. Sedan har du de laddningsbara litiumjonbatterierna i dina bärbara datorer och telefoner. Och glöm inte bly-syrabatteriet i din bil.
De första batterierna gjordes på 1800 -talet och de var ganska enkla. En av de första demonstrationerna var en serie metallskivor som blöts i saltlake, som italiensk forskare Alessandro Volta tyckte skapade en elektrisk ström. Det första bly-syrabatteriet gjordes av några blystycken i en burk svavelsyra. De moderna versionerna är inte så olika. De är bara enklare att tillverka och innehålla olika tillsatser för att förbättra prestandan.
I alla fall fungerar batterier på samma sätt: en spänningsskillnad mellan två olika elektroder producerar en elektrisk ström, som kan släppas ut för att driva en enhet. Uppladdningsbara batterier kan sedan vända denna ström för att ladda upp igen. Inuti batteriet åtföljs den elektriska strömmen av flödet av joner genom en vätska, elektrolyten.
Passagen av varje elektron i strömmen åtföljs av transport av en jon genom elektrolyten. Elektroder som kan lagra fler joner leder till batterier som kan hålla mer laddning och därför hålla längre på en enda laddning. Elektroder som är konstruerade för snabbare jonlagring leder till batterier som kan lossna snabbare för högeffekt. Slutligen kan det att kunna ladda och ladda många gånger utan att förnedra sig till batterier med lång livslängd.
Blysyrbatterier
Bly-syrabatteriet var det första laddningsbara batteriet som uppfanns tillbaka 1859 av Gaston Plante, som experimenterade med blyplattor i en sur lösning och fann att flödet och lagring av elektrisk ström kunde vändas.
Ett bly-syrabatteri måste vara tillräckligt stort för att ge tillräckligt med laddning för att starta en bil. Det måste också vara användbart i kalla klimat och pågå i många år. Eftersom elektrolyten är en frätande syra måste det yttre höljet vara svårt för att skydda människor och bildelar från eventuell skada. Genom att veta allt detta är det vettigt att moderna bly-syrabatterier är blockerade och tunga.
Alkalisk batterier
Å andra sidan har hushållsenheter som kalkylatorer och digitala skalor råd att använda mindre batterier eftersom de inte kräver mycket laddning. Dessa är främst icke-återföringsbara alkaliska batterier som har använts i årtionden. De standardiserade cellstorlekarna är AAAA, AAA, AA, C och D, samt knapp- och myntceller och många andra. Storlekarna är relaterade till hur mycket laddning de lagrar - ju större batteriet, desto mer har det - och storleken på enheterna de driver.
Ibland kan du hitta alkaliska batterier som säljs i rektangulära former, som vanliga 9- voltbatterier, men öppna det yttre höljet så kommer du att upptäcka att de helt enkelt är några cylindriska celler anslutna inuti. Cylindriska batterier har funnits så länge och använt så allmänt att det bara inte är vettigt för företagen att tillverka något annat - det skulle kräva en investering för att ändra sina tillverkningsanläggningar, något de hellre inte vill göra.
Litiumjonbatterier
Nickel-kadmiumbatterier var de första allmänt använda laddningsbara batterierna för hushållens elektronik och var populära genom slutet av 1900-talet. Men de hade sina fallgropar. Kadmium är mycket giftigt, och batterierna led av en "minneseffekt", som minskade deras livstid.
Under många decennier studerades litium för potentiell användning i laddningsbara batterier på grund av dess unika egenskaper som en lätt metall som lagrar mycket energi. Sony kommersialiserade först litiumjonbatteriet 1991.
Företaget tillverkade cylindriska celler eftersom dessa var de enklaste att tillverka. På 1990-talet gjorde Sony massor av videokameror och band och hade därmed massor av utrustning för tillverkning av rullning. Det var naturligt att återanvända denna utrustning för att producera rullar av batterelektroder, som tillverkas genom att kasta filmer på lakan av koppar eller aluminium och sedan rulla upp dem i en "gelérulle" -cylinder.
Det tjocka höljet i dessa cylindriska celler är mekaniskt starkt, och för att lägga till ytterligare ett lager av säkerhet har de en tryckavlastningsventil. Mycket snabbt tog dessa tidiga litiumjonceller över den bärbara elektronikmarknaden, särskilt för bärbara datorer och mobiltelefoner, eftersom de lagrade mer energi och varade längre än Nickel-Cadmium-laddningsbara batterier.
Faktorer som formar batterier
Batterier tillverkas i vissa storlekar och former på grund av kostnader och tillverkbarhet, men i andra fall på grund av äldre tillverkningsprocesser. Marknadens efterfrågan spelar också en roll.
Till exempel tog elektriska fordon inte förrän Tesla började tillverka bilar med cylindriska litiumjonbattericeller snarare än den rektangulära påsen eller prismatiska celler som andra EV-tillverkare har använt. Påse- och prismatiska celler kan packas nära varandra, men eftersom cylindriska celler redan var massproducerade för bärbar elektronik kunde Tesla göra lägre kostnads EVs under 2010-talet.
Vad former och storlekar batterier kommer att ta i framtiden beror inte bara på hur mycket energi de lagrar, utan också på marknadsekonomi - hur lätt det är att göra varje typ av cell, hur mycket det kostar att göra dem och vad de används för. Och dessa faktorer är en blandning av innovation och historia.