A akumulators, kas faktiski ir elektriska šūna, ir ierīce, kas ķīmisku reakciju laikā ražo elektrību. Stingri sakot, akumulators sastāv no divām vai vairākām šūnām, kas savienotas virknē vai paralēli, bet termins parasti tiek izmantots vienai šūnai. Šūna sastāv no negatīva elektrodu; elektrolītu, kas vada jonus; separators, arī jonu vadītājs; un pozitīvs elektrods. elektrolīts var būt ūdens (sastāv no ūdens) vai neūdens (nesastāv no ūdens), šķidrā, pastas vai cietā veidā. Kad šūna ir savienota ar ārēju slodzi vai ierīci, kas darbosies, negatīvais elektrods piegādā tādu elektronu strāvu, kas plūst caur slodzi un kurus pieņem pozitīvais elektrods. Pēc ārējās kravas noņemšanas reakcija apstājas.
Primārais akumulators ir tāds, kas savas ķīmiskās vielas var pārveidot elektrībā tikai vienu reizi, un pēc tam tas ir jāiznīcina. Sekundārajam akumulatoram ir elektrodi, kurus var atjaunot, izlaižot atpakaļ elektrību caur to; ko sauc arī par akumulatora vai uzlādējamu akumulatoru, to var izmantot atkārtoti vairākas reizes.
Šis akumulators pozitīvajā elektrodā (katoda) izmanto niķeļa oksīdu, negatīvajā elektrodā (anodā) kadmija savienojumu un kā elektrolītu kālija hidroksīda šķīdumu. Niķeļa kadmija akumulators ir uzlādējams, tāpēc tas var atkārtoti braukt ar velosipēdu. Niķeļa kadmija akumulators pārvērš ķīmisko enerģiju elektriskajā enerģijā pēc izlādes un pārvērš elektrisko enerģiju atpakaļ ķīmiskajā enerģijā pēc uzlādēšanas. Pilnībā izlādētā NiCd baterijā anodā katods satur niķeļa hidroksīdu [Ni (OH) 2] un kadmija hidroksīdu [Cd (OH) 2]. Kad akumulators ir uzlādēts, katoda ķīmiskais sastāvs tiek pārveidots un niķeļa hidroksīds mainās uz niķeļa oksihidroksīdu [NiOOH]. Anodā kadmija hidroksīds tiek pārveidots par kadmiju. Kad akumulators ir izlādējies, process tiek mainīts, kā parādīts šajā formulā.
Niķeļa-ūdeņraža akumulatoru var uzskatīt par hibrīdu starp niķeļa-kadmija akumulatoru un degvielas elementu. Kadmija elektrods tika aizstāts ar ūdeņraža gāzes elektrodu. Šī baterija vizuāli daudz atšķiras no niķeļa-kadmija akumulatora, jo šūna ir spiedtvertne, kurai jāsatur vairāk nekā tūkstoš mārciņu uz kvadrātcollu (psi) ūdeņraža. Tas ir ievērojami vieglāks nekā niķelis-kadmijs, bet to ir grūtāk iesaiņot, līdzīgi kā olu kaste.
Niķeļa-ūdeņraža baterijas dažreiz sajauc ar niķeļa-metāla hidrīda akumulatoriem, akumulatoriem, kas parasti ir mobilajos tālruņos un klēpjdatoros. Niķeļa-ūdeņraža, kā arī niķeļa-kadmija akumulatoros tiek izmantots tas pats elektrolīts - kālija hidroksīda šķīdums, ko parasti sauc par sārmu.
Stimuli niķeļa / metāla hidrīda (Ni-MH) akumulatoru izstrādei rodas, piespiežot veselības un vides problēmas, lai atrastu niķeļa / kadmija uzlādējamās baterijas. Darba ņēmēju drošības prasību dēļ bateriju kadmija apstrāde ASV jau tiek pakāpeniski pārtraukta. Turklāt vides likumdošana 1990. un 21. gadsimtā, visticamāk, noteikti liks ierobežot kadmija izmantošanu patērētājiem paredzētajās baterijās. Neskatoties uz šiem spiedieniem, niķeļa / kadmija akumulatoram blakus svina-skābes akumulatoram joprojām ir lielākā daļa uzlādējamo akumulatoru tirgū. Turpmākus stimulus akumulatoru izpētei uz ūdeņraža bāzes rada vispārējā pārliecība, ka ūdeņradis un elektrība aizstās un galu galā aizstās a ievērojama daļa no fosilā kurināmā resursiem, kas patērē enerģiju, kļūstot par pamatu ilgtspējīgai enerģijas sistēmai, kuras pamatā ir atjaunojamā enerģija avoti. Visbeidzot, pastāv ievērojama interese par Ni-MH akumulatoru attīstību elektriskajiem transportlīdzekļiem un hibrīdautomobiļiem.
KOH elektrolīts var pārvadāt tikai OH jonus, un, lai līdzsvarotu lādiņa transportu, elektroniem jā cirkulē caur ārējo slodzi. Niķeļa oksihidroksīda elektrods (1. vienādojums) ir plaši izpētīts un raksturots, un tā pielietojums ir plaši pierādīts gan sauszemes, gan kosmosa lietojumiem. Lielākā daļa pašreizējo pētījumu par Ni / metāla hidrīda akumulatoriem ir saistīta ar metāla hidrīda anoda veiktspējas uzlabošanu. Īpaši tam ir nepieciešams attīstīt hidrīda elektrodu ar šādām īpašībām: (1) garš cikla ilgums, (2) liela ietilpība, (3) augsts uzlādes un izlādes ātrums pie pastāvīga sprieguma un (4) aizture ietilpība.
Šīs sistēmas atšķiras no visām iepriekšminētajām baterijām ar to, ka elektrolītā netiek izmantots ūdens. Tā vietā viņi izmanto neūdens elektrolītu, kas sastāv no organiskiem šķidrumiem un litija sāļiem, lai nodrošinātu jonu vadītspēju. Šai sistēmai ir daudz lielāks šūnu spriegums nekā ūdens elektrolītu sistēmām. Bez ūdens tiek izvadīta ūdeņraža un skābekļa gāzu attīstība, un šūnas var darboties ar daudz plašāku potenciālu. Viņiem nepieciešama arī sarežģītāka montāža, jo tas jādara gandrīz perfekti sausā atmosfērā.
Vairākas neuzlādējamas baterijas vispirms tika izstrādātas ar litija metālu kā anodu. Tirdzniecības monētu šūnas, ko izmanto mūsdienu pulksteņu baterijām, galvenokārt ir litija ķīmija. Šajās sistēmās tiek izmantotas dažādas katodu sistēmas, kas ir pietiekami drošas patērētājiem. Katodi ir izgatavoti no dažādiem materiāliem, piemēram, oglekļa monoflourīda, vara oksīda vai vanādija pentoksīda. Visām cietā katoda sistēmām ir ierobežots izlādes ātrums, ko tās atbalstīs.
Lai iegūtu lielāku izlādes ātrumu, tika izstrādātas šķidro katodu sistēmas. Šajos modeļos elektrolīts ir reaktīvs un reaģē pie poraina katoda, kas nodrošina katalītiskās vietas un elektriskās strāvas savākšanu. Vairāki šo sistēmu piemēri ietver litija-tionilhlorīdu un litija-sēra dioksīdu. Šīs baterijas tiek izmantotas kosmosā un militārām vajadzībām, kā arī avārijas bākām uz zemes. Tie parasti nav pieejami sabiedrībai, jo tie ir mazāk droši nekā cietā katoda sistēmas.
Tiek uzskatīts, ka nākamais litija jonu akumulatoru tehnoloģijas solis ir litija polimēru akumulators. Šis akumulators aizvieto šķidro elektrolītu vai nu ar želejētu elektrolītu, vai ar īstu cietu elektrolītu. Domājams, ka šīs baterijas būs vēl vieglākas nekā litija jonu baterijas, taču šobrīd nav plānots šo tehnoloģiju lidot kosmosā. Tas arī parasti nav pieejams komerciālajā tirgū, lai arī tas var būt tepat aiz stūra.
Retrospektīvi, mēs esam nogājuši tālo ceļu kopš noplūdes lukturītim sešdesmito gadu baterijas, kad dzima kosmiskais lidojums. Ir pieejams plašs risinājumu klāsts, lai izpildītu daudzās prasības par lidojumu kosmosā - 80 zem nulles līdz saules lidojuma augstām temperatūrām. Ir iespējams apstrādāt masīvu radiāciju, gadu desmitiem ilgu kalpošanu un slodzēm, kuru jauda sasniedz desmitiem kilovatu. Turpināsies šīs tehnoloģijas attīstība un pastāvīga tiekšanās uz pilnveidotām baterijām.