Akumulatory energii elektrycznej

Historia z Roku Pańskiego 1974

Enegię elektryczną możemy magazynować w kondensatorze. Klasyczny kondensator składa się z dwóch odalonych od siebie okładek. Okładki te można naładować elektrycznie, jedną dodatnio a drugą ujemnie. Po połączeniu przez przewodnikiem obu okładek ze sobą popłynie prąd elektryczny, który możemy wykorzystać do różnych celów.

Energia elektryczna zgromadzona w naładowanym kondensatorze jest proporcjonalna do pojemności kondenatora i kwadratu napięcia pomiędzy okładkami E=CU²/2. Możemy więc zwiększyć zmagazywaną tam energię zwiększając jego pojemność lub napięcie, jakim go naładujemy.

Może by, więc, umieścić pomiędzy okładkami kondensatora ruchome cząsteczki - dipole, które obracały by się pod wpływem pola elektrycnego zwiększając napięcie pomiędzy okładkami?

Oczywiście można to zrobić, tylko efekt tego będzie przeciwny. Dodatnia okładka kondesatora przyciągnie ujemną stronę dipola a ujemna okładka dodatnią. Pole elektryczne pomiędzy okładkami pochodzące od zgromadzonego na nich ładunku odejmie się od pola elektrycznego dipoli i napięcie na kondensatorze zmaleje.

Czy o to chodziło?

Zaskakująco tak! Ponieważ napięcie na okładkach elektrycznych, przy zgromadzonym na nich tym samym ładunku będzie mniejsze, kondensator będzie mógł zgromadzić w sobie większy ładunek elektryczny bez obawy o to, że pomiędzy okładkami przeskoczy iskra rozładowując i niszcząc kondensator. Elektrycy opisują taką własność materii jako względną przenikalność elektryczną materiałów. Mówi ona ile razy mniejsze będzie napięcie pomiędzy dwiema elekrodami odzielonymi materiałem spolaryzowanym niż pomiędzy elektrodami umieszczonymi w próżni.

Pozostaje nam wytworzyć taki materiał który ulegałby silnej polaryzacji - tworzył dipole zwiększające pojemność pożądanego przez nas kondensatora, już akumulatora - magazynu energii elektrycznej. Moim pomysłem jest umieszczenie cienkich warstw przewodnika - metalu, poodzielanych od siebie warstwami izolatora - dielektryka. Elektrony swobodne w cienkich warstwach metalu przepłyną, pod wpływem pola elektrycznego, na jedną ze stron cienkiej warstwy (-) pozostawiając po drugiej ze stron ładunek protonów z jąder atomów metalu (+), tworząc dipol. Na tym polega tu efekt polowy.

Pojemność tak zbudowanego kondensatora zależeć będzie od tego jak cienkie i ile warstw metalu odzielonych izolatorem zdołamy obok siebie umieścić. Zaś energia zgromadzona w kilogramie naszego akumulatora może być nawet większa niż w kilogramie paliwa (ropy, nafty, gazu).

Dyskusja

Pytanie: Z jakich materiałów: metalu, dielektryka powinien być wykonany taki akumulator?

Odpowiedź: Metalem przeznaczonym na polowo indukowane dipole powinien być pierwiastek z pierwszej kolumny Układu Okresowego czyli wodór H, sód Na itd.. Gwarantuje to, że tak zbudowany akumulator będzie po pierwsze lekki, a po drugie pierwiastki takie mają jeden elektron na zewnętrznej (walencyjnej) powłoce wobec czego łatwiej będzie zebrać się elektronom na jednej ze stron warstwy metalu. Pamiętajmy o tym że również elektrony walencyjne krążą wokół jąder atomowych pierwiastka i liczba elektronów krążących wokół jednego jądra (na jednej powłoce energetycznej) jest ograniczona. Minusem zastosowania tych pierwiastków jest to, że łatwo łączą się z tlenem tworząc wodę H₃O czy tlenek sodu Na₃O, wobec czego muszą być odseparowane od powietrza. Jako dielektryk zaś, zastosowałbym dwutlenek krzemu (kwarc) SiO₂. Jest to materiał powszechnie używany w technologiach produkcji układów scalonych a przeniesienie ich (technologii) do produkcji akumulatorów nie powinno być trudne. Inne materiały nadające się do tego to azotek krzemu czy nawet szkło.

Pytanie: Ile atomów metalu powinno mieścić się w poprzek jednej z warstw dipoli?

Odpowiedź: Kilkanaście.

Pytanie: Jaka grubość warstwy izolatora/dielektryka pomiędzy warstwami metalu powinna być optymalną?

Odpowiedź: W pierwszym przybliżeniu przyjąłbym takie same wymiary dla tych dwóch rodzajów. Jednak uwzględniając to, że metal składa się z atomów tego samego pierwiastka, a izolator tworzą cząsteczki, złożone z kilku atomów dwóch lub więcej pierwiastków, być może, lepiej gdyby warstwa ta była grubsza. Równość dotyczyłaby liczby atomów i cząsteczek w poprzek każdej z warstw.

Pytanie: Jakie wzory matematyczne opisują działanie tak zbudowanego kondensatora?

Odpowiedź: Podstawowym wzorem jest przybliżony, opisujący pojemność kondensatora płaskiego wzór C=ε₀·ε_r·S/l gdzie
C: pojemność kondensatora
ε₀: przenikalność elektryczna próżni
ε_r: względna przenikalność elektryczna materiału
S: powierzchnia okładek kondensatora
l: odległość między okładkami.


Drugi wzór opisuje energię zmagazywaną w kondesatorze E=C·U²/2 gdzie E to całkowita energia zgromadzona w kondensatorze o pojemności C naładowanego napięciem U.

Trzeci, U_max=Œ·l, określa do jakiego maks. napięcia można naładować akumulator/kondensator w zależności od grubości warstwy kompozytowego dielektryka: l i jej wytrzymałości na przebicie: Œ .
Z tych trzech wzorów otrzymujemy czwarty: E_max=ε₀·ε_r·Œ²·S·l/2, z którego wynika, że maksymalna energia, w aku/kond, jest proporcjonalna do przenikalności elektrycznej dielektryka ε=ε₀·ε_r, kwadratu wytrzymałości komp. dielektryka na przebicie i wymiarów S·l (objętości, a co za tym, masy).

Zależności temperaturowe

Aby uwzględnić zależność pojemności aku/kond od temperatury należy pamiętać o tym, że elektrony w dipolach poprzecznych w warstwach metalu przemieszczają się z prędkościami zależnymi od temperatury. Ta wędrówka cząstek jest nazwana dyfuzją i polega na tym, że elekrony, pod wpływem ciepła, uciekają z jednej strony zaindukowanego polem elektrycznym dipola na drugą, przez co elektryczny moment dipolowy warstwy maleje. Rezultatem tego jest spadek pojemności ze wzrostem temperatury. Matematycznie można to ująć znanymi wzorami opisującymi prądy dyfuzyjne w półprzewodnikach.

Bezpieczeństwo

Energia zmagazynowana w aku/kond może zostać niekontrolowanie uwolniona w skutek zwarcia w obwodzie zewnętrznym, wzrostu temperatury, fizycznego uszkodzenia kondensatora. Aby temu zapobiec proponuję zastosować bezpieczniki uranowe w których uwolniona energia elektryczna zostanie zamieniona na masę zgodnie z wzorem Eisteina m=E/c².