大力神蓄电池充、放电化学反应的原理方程式如下:
放电:蓄电池对外电路输出电能时叫做放电。蓄电池连接外部电路放电时,
硫酸会与正、负极板上的活性物质产生反应,生成化合物“硫酸铅”,放电时间越长,硫酸浓度越稀薄,电池里的“液体”越少,电池两端的电压就越低。
化学反应过程如下:
大力神蓄电池(正极) (电解液) (负极) (正极) (电解液)(负极)
PbO2 + 2H2SO4 + Pb → PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放电反应)
(过氧化铅) (硫酸) (海绵状铅)
充电:蓄电池从其他直流电源获得电能叫做充电。充电时,在正、负极板上的硫酸铅会被分解还原成硫酸、铅和氧化铅,同时在负极板上产生氢气,正极板产生氧气。电解液中酸的浓度逐渐增加,电池两端的电压上升。当正、负极板上的硫酸铅都被还原成原来的活性物质时,充电就结束了。
在充电时,在正、负极板上生成的氧和氢会在电池内部“氧合”成水回到电解液中。
化学反应过程如下:
(正极) (电解液) (负极) (正极) (电解液) (负极)
PbSO4 + 2H2O + PbSO4 → PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充电反应)
(硫酸铅) (水) (硫酸铅)
从以上的化学反应方程式中可以看出,铅酸蓄电池在放电时,正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应,生成硫酸铅,在电化学上把这种反应叫做“双硫酸盐化反应”。在蓄电池刚放电结束时,正、负极活性物质转化成的硫酸铅是一种结构疏松、晶体细密的结晶物,活性程度非常高。在蓄电池充电过程中,正、负极疏松细密的硫酸铅,在外界充电电流的作用下会重新还原成二氧化铅和金属铅,蓄电池就又处于充足电的状态。正是这种可逆转的电化学反应,使蓄电池实现了储存电能和释放电能的功能。修复流程约10~20小时,转换成充电3小时,即告完毕。
无线充电技术,即Wireless charging technology,是指具有电池的装置不需要借助于电导线,利用电磁波感应原理或者其他相关的交流感应技术,在发送端和接收端用相应的设备来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的一项技术,源于无线电力输送技术。
无线充电技术的研究,源于19世纪30年代,迈克尔-法拉第发现电磁感应现象,即磁通量变化产生感应电动势,从而在电线中产生电流。但**早的无线电力传输思想是尼古拉-特斯拉(Nikola Tesla) 在19世纪90年代提出的无线电力传输构想和无线输电试验,因而有人称之为无线电能传输之父。
锂空气电池是一种用锂作阳极,以空气中的氧气作为阴极反应物的电池,相比传统电池的密闭设计具有“开放性”特点,因为需要
空气中的氧气进行气态-固态转换携带锂离子存储电荷,但是这也产生了三大问题:
1、需要滤除空气的水分和二氧化碳增加复杂度;
2、3.7V充电电压和2.5V放电电压差意味着在充电过程中32%的能量以热量损耗;
3、持续的氧气固态-气态转换对电池的材料和结构要求很高,容易导致过早失效寿命很短。
MIT的李巨教授及其团队成功地通过开发一种新型的更实用的锂空气电池阴极设计,来规避了这些缺陷。在新型电池设计中,封闭的
电池中氧保持全时固态的形式,固态氧携带锂离子时将形成一种类似玻璃的材质,这些分子被依次包裹进氧化钴基质中形成被研究
者称为纳米锂氧(nanolithia),李巨表示,在这种形态下,氧化锂、过氧化锂以及超氧化锂的转换可以完全以固态形式发生。
由于通常状态下,纳米锂氧非常不稳定,所以研究人员将它们放入了氧化钴的矩阵之中。氧化钴矩阵其实是一种类似海绵状的物质
,每隔几纳米就有一个气孔。氧化钴矩阵一方面可以稳定住纳米锂氧,另一方面,还可以充当化学反应的催化剂。
并可在三种氧化还原状态中直接切换,产生三种不同的固体化合物——氧化锂Li2O、过氧化锂Li2O2以及超氧化锂LiO2,这三种化合
物以玻璃形态混合在一起。这样的话,电压损耗情况可以改善5倍以上,从1.2伏减为0.24伏,所以,仅有8%的电能被转换成了热量
。李巨表示:“这意味着汽车可以**充电,因此电池组发烫的情况会解决,不再构成安全隐患,而且电池的能源效率得到了保障
。”
此外,新电池还解决了锂空气电池的另一大问题。由于在充电与放电过程中,化学反应使氧以气态以及固态的形式存在,当氧经历
巨大的体积变化时,这会扰乱电池内部的电传导路径,严重损害了电池的寿命。
技术原理
从具体的技术原理及解决方案来说,目前无线充电技术主要有电磁感应式、磁共振式、无线电波式、电场耦合式四种基本方式。这几种技术分别适用于近程、中短程与远程电力传送。
各种无线充电方式都有各自的特点,具体比较如表1所示。
表1 无线充电各种原理方案的比较
当前**成熟、**普遍的是电磁感应式。其根本原理是利用电磁感应原理,类似于变压器,在发送端和接收端各有一个线圈,初级线圈上通一定频率的交流电,由于电磁感应在次级线圈中产生一定的电流,从而将能量从传输端转移到接收端,如图1所示。PWC联盟发起者Powermat公司用电磁感应式推出过一款WiCC充电卡,与SD卡差不多大,内部嵌有线圈和电极等组件,插入现有智能手机电池旁边即可使用。
图1 电磁感应式无线充电原理
磁共振式无线充电#e#
磁共振式也称为近场谐振式,由能量发送装置,和能量接收装置组成,当两个装置调整到相同频率,或者说在一个特定的频率上共振,它们就可以交换彼此的能量,其原理与声音的共振原理相同,排列在磁场中的相同振动频率的线圈,可从一个向另一个供电,如图2。技术难点是小型化和高效率化,被认为是将来**有希望广泛应用于电动汽车无线充电的一种方式。
图2 磁共振式无线充电示意图
无线电波式,基本原理类似于早期使用的矿石收音机,主要有微波发射装置和微波接收装置组成。典型的是20世纪60年代布朗(William C. Brown)的微波输电系统,其示意图如图3。整个传输系统包括微波源、发射天线、接收天线3部分;微波源内有磁控管,能控制源在2. 45 GHz频段输出一定的功率;发射天线是64个缝隙的天线阵,接收天线拥有25%的收集和转换效率。日本龙谷大学的移动式无线充电系统,也是通过频率为2.45GHz 的微波送电,点亮了行驶中的模型警车的警灯。
图3 无线电波式电能传输
电场耦合式利用通过沿垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电能,其基本原理是通过电场将电能从发送端转移到接收端。这种方式主要是村田制作所采用,具有抗水平错位能力较强的特点。