EEN accu, wat eigenlijk een elektrische cel is, is een apparaat dat elektriciteit produceert uit een chemische reactie. Strikt genomen bestaat een batterij uit twee of meer cellen die in serie of parallel zijn geschakeld, maar de term wordt over het algemeen gebruikt voor een enkele cel. Een cel bestaat uit een negatieve elektrode; een elektrolyt, die ionen geleidt; een separator, ook een ionengeleider; en een positieve elektrode. De elektrolyt kan waterig (samengesteld uit water) of niet-waterig (niet samengesteld uit water), in vloeibare, pasta of vaste vorm zijn. Wanneer de cel is verbonden met een externe belasting of een apparaat om van stroom te worden voorzien, levert de negatieve elektrode een stroom elektronen die door de belasting stromen en worden geaccepteerd door de positieve elektrode. Wanneer de externe belasting wordt verwijderd, stopt de reactie.
Een primaire batterij is een batterij die de chemicaliën slechts één keer in elektriciteit kan omzetten en vervolgens moet worden weggegooid. Een secundaire batterij heeft elektroden die kunnen worden gereconstitueerd door er elektriciteit door terug te leiden; ook wel opslag- of oplaadbare batterij genoemd, deze kan vele malen worden hergebruikt.
Deze batterij gebruikt nikkeloxide in de positieve elektrode (kathode), een cadmiumverbinding in de negatieve elektrode (anode) en kaliumhydroxideoplossing als elektrolyt. De nikkel-cadmium-batterij is oplaadbaar, zodat hij herhaaldelijk kan fietsen. Een nikkel-cadmiumbatterij zet chemische energie bij ontlading om in elektrische energie en zet ze bij het opladen weer om in chemische energie. In een volledig ontladen NiCd-batterij bevat de kathode nikkelhydroxide [Ni (OH) 2] en cadmiumhydroxide [Cd (OH) 2] in de anode. Wanneer de batterij wordt opgeladen, wordt de chemische samenstelling van de kathode getransformeerd en verandert het nikkelhydroxide in nikkeloxyhydroxide [NiOOH]. In de anode wordt cadmiumhydroxide omgezet in cadmium. Als de batterij leeg is, wordt het proces omgekeerd, zoals weergegeven in de volgende formule.
De nikkel-waterstofbatterij kan worden beschouwd als een hybride tussen de nikkel-cadmium-batterij en de brandstofcel. De cadmiumelektrode is vervangen door een waterstofgaselektrode. Deze batterij verschilt visueel veel van de nikkel-cadmium-batterij omdat de cel een drukvat is dat meer dan duizend pond per vierkante inch (psi) waterstofgas moet bevatten. Het is aanzienlijk lichter dan nikkel-cadmium, maar is moeilijker te verpakken, net als een krat eieren.
Nikkel-waterstofbatterijen worden soms verward met nikkel-metaalhydridebatterijen, de batterijen die vaak worden aangetroffen in mobiele telefoons en laptops. Nikkel-waterstof en nikkel-cadmium-batterijen gebruiken dezelfde elektrolyt, een oplossing van kaliumhydroxide, dat gewoonlijk loog wordt genoemd.
Stimulansen voor de ontwikkeling van nikkel / metaalhydride (Ni-MH) -batterijen komen voort uit dringende gezondheids- en milieuoverwegingen om vervangingen te vinden voor de nikkel / cadmium-oplaadbare batterijen. Vanwege de veiligheidseisen voor werknemers wordt de verwerking van cadmium voor batterijen in de Verenigde Staten al stopgezet. Bovendien zal de milieuwetgeving voor de jaren negentig en de 21e eeuw het waarschijnlijk noodzakelijk maken het gebruik van cadmium in batterijen voor consumentengebruik te beperken. Ondanks deze druk heeft de nikkel- / cadmiumbatterij naast de loodzuurbatterij nog steeds het grootste aandeel op de markt van oplaadbare batterijen. Verdere prikkels voor het onderzoeken van op waterstof gebaseerde batterijen komen voort uit de algemene overtuiging dat waterstof en elektriciteit zullen verdringen en uiteindelijk vervangen een aanzienlijk deel van de energiedragende bijdragen van fossiele brandstoffen en wordt de basis voor een duurzaam energiesysteem op basis van hernieuwbare energie bronnen. Ten slotte is er veel belangstelling voor de ontwikkeling van Ni-MH-batterijen voor elektrische voertuigen en hybride voertuigen.
De KOH-elektrolyt kan alleen de OH-ionen transporteren en om het ladingstransport in evenwicht te houden, moeten elektronen door de externe belasting circuleren. De nikkeloxyhydroxide-elektrode (vergelijking 1) is uitgebreid onderzocht en gekarakteriseerd en de toepassing ervan is op grote schaal gedemonstreerd voor zowel terrestrische als ruimtevaarttoepassingen. Het meeste van het huidige onderzoek naar Ni / Metal Hydride-batterijen heeft betrekking op het verbeteren van de prestaties van de metaalhydride-anode. Dit vereist met name de ontwikkeling van een hydride-elektrode met de volgende kenmerken: (1) lang levensduur, (2) hoge capaciteit, (3) hoge laad- en ontlaadsnelheid bij een constante spanning, en (4) retentie capaciteit.
Deze systemen verschillen van alle eerder genoemde batterijen doordat er geen water in de elektrolyt wordt gebruikt. Ze gebruiken in plaats daarvan een niet-waterige elektrolyt, die is samengesteld uit organische vloeistoffen en lithiumzouten om ionische geleidbaarheid te bieden. Dit systeem heeft veel hogere celspanningen dan de waterige elektrolytsystemen. Zonder water wordt de evolutie van waterstof- en zuurstofgassen geëlimineerd en kunnen cellen met een veel breder potentieel werken. Ze vereisen ook een complexere montage, omdat het moet gebeuren in een bijna perfect droge atmosfeer.
Een aantal niet-oplaadbare batterijen werd voor het eerst ontwikkeld met lithiummetaal als anode. Commerciële knoopcelbatterijen die worden gebruikt voor de huidige horloge-batterijen zijn meestal een lithiumchemie. Deze systemen gebruiken verschillende kathodesystemen die veilig genoeg zijn voor gebruik door de consument. De kathoden zijn gemaakt van verschillende materialen, zoals koolmonoflouride, koperoxide of vanadiumpentoxide. Alle vaste kathodesystemen zijn beperkt in de ontladingssnelheid die ze zullen ondersteunen.
Om een hogere ontladingssnelheid te verkrijgen, werden systemen voor vloeibare kathodes ontwikkeld. De elektrolyt is reactief in deze ontwerpen en reageert op de poreuze kathode, die zorgt voor katalytische plaatsen en het verzamelen van elektrische stroom. Enkele voorbeelden van deze systemen zijn lithiumthionylchloride en lithiumzwaveldioxide. Deze batterijen worden gebruikt in de ruimte en voor militaire toepassingen, maar ook voor noodbakens op de grond. Ze zijn over het algemeen niet beschikbaar voor het publiek omdat ze minder veilig zijn dan de vaste kathodesystemen.
De volgende stap in lithium-ion batterijtechnologie wordt verondersteld de lithium-polymeer batterij te zijn. Deze batterij vervangt de vloeibare elektrolyt door een gegeleerde elektrolyt of een echte vaste elektrolyt. Deze batterijen zouden nog lichter zijn dan lithium-ionbatterijen, maar er zijn momenteel geen plannen om deze technologie in de ruimte te laten vliegen. Het is ook niet algemeen verkrijgbaar op de commerciële markt, hoewel het misschien net om de hoek is.
Achteraf gezien zijn we ver gekomen sinds het lek zaklamp batterijen uit de jaren zestig, toen de ruimtevlucht werd geboren. Er is een breed scala aan oplossingen beschikbaar om aan de vele eisen van de ruimtevlucht te voldoen, 80 onder nul tot de hoge temperaturen van een zonnevlieg. Het is mogelijk om enorme straling, tientallen jaren gebruik en belastingen van tientallen kilowatt aan te kunnen. Er zal een voortdurende evolutie van deze technologie plaatsvinden en er wordt constant gestreefd naar verbeterde batterijen.