א סוללה, שהוא למעשה תא חשמלי, הוא מכשיר המייצר חשמל מתגובה כימית. באופן קפדני, סוללה מורכבת משני תאים או יותר המחוברים בסדרה או במקביל, אך המונח משמש בדרך כלל לתא בודד. תא מורכב מאלקטרודה שלילית; אלקטרוליט המוליך יונים; מפריד, גם מוליך יונים; ואלקטרודה חיובית. ה אלקטרוליט יכולה להיות מימית (מורכבת מים) או לא מימית (לא מורכבת מים), בצורה נוזלית, משחה או מוצקה. כאשר התא מחובר לעומס חיצוני, או למכשיר שיופעל עליו, האלקטרודה השלילית מספקת זרם של אלקטרונים הזורמים בעומס ומתקבלים על ידי האלקטרודה החיובית. כאשר מסירים את העומס החיצוני התגובה נפסקת.
סוללה ראשית היא כזו שיכולה להמיר את הכימיקלים שלה לחשמל רק פעם אחת ואז יש להשליך אותה. בסוללה משנית יש אלקטרודות הניתנות לשחזור על ידי העברת החשמל דרכה; נקרא גם אחסון או סוללה נטענת, ניתן לעשות בו שימוש חוזר פעמים רבות.
סוללה זו משתמשת בתחמוצת ניקל באלקטרודה החיובית שלה (קתודה), בתרכובת קדמיום ב אלקטרודה השלילית שלה (אנודה), ובתמיסת אשלגן הידרוקסיד כאלקטרוליט שלה. סוללת הניקל קדמיום נטענת, כך שהיא יכולה להסתובב שוב ושוב. סוללת קדמיום ניקל ממירה אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית לאחר הפריקה וממירה אנרגיה חשמלית בחזרה לאנרגיה כימית לאחר הטעינה. בסוללת NiCd שנפרקה לחלוטין, הקתודה מכילה ניקל הידרוקסיד [Ni (OH) 2] וקדמיום הידרוקסיד [Cd (OH) 2] באנודה. כאשר הסוללה נטענת, ההרכב הכימי של הקתודה הופך וההידרוקסיד ניקל משתנה ל- oxyhydroxide ניקל [NiOOH]. באנודה, קדמיום הידרוקסיד הופך לקדמיום. כאשר הסוללה פורקת, התהליך מתהפך, כפי שמוצג בנוסחה הבאה.
סוללת הניקל-מימן יכולה להיחשב כהכלאה בין סוללת הניקל-קדמיום לתא הדלק. אלקטרודת הקדמיום הוחלפה באלקטרודה של גז מימן. סוללה זו שונה באופן חזותי מסוללת ניקל-קדמיום מכיוון שהתא הוא כלי לחץ, שעליו להכיל יותר מ -1,000 פאונד לאינץ '(psi) של גז מימן. הוא קל משמעותית מאשר ניקל קדמיום, אך קשה יותר לארוז אותו, כמו ארגז ביצים.
סוללות ניקל-מימן מתבלבלות לעיתים עם סוללות ניקל-מתכת הידריד, המצברים הנפוצים בטלפונים ניידים ובמחשבים ניידים. ניקל-מימן, כמו גם סוללות ניקל-קדמיום משתמשים באותו אלקטרוליט, פיתרון של אשלגן הידרוקסיד, המכונה בדרך כלל שומן.
תמריצים לפיתוח סוללות ניקל / מתכת הידריד (Ni-MH) נובעות מלחיצות דאגות בריאותיות וסביבתיות למצוא תחליפים לסוללות נטענות ניקל / קדמיום. בשל דרישות הבטיחות של העובד, עיבוד הקדמיום לסוללות בארה"ב כבר נמצא בתהליך שליפול. יתרה מזאת, חקיקה סביבתית בשנות התשעים והמאה ה -21 תסביר ככל הנראה את הכרח לצמצם את השימוש בקדמיום בסוללות לשימוש צרכני. למרות לחצים אלה, לצד סוללת החומצה העופרת, לסוללת הניקל / קדמיום עדיין יש את הנתח הגדול ביותר בשוק הסוללות הנטענות. תמריצים נוספים לחקר מצברים מבוססי מימן מגיעים מהאמונה הכללית שמימן וחשמל יעקרו ויחליפו בסופו של דבר חלק ניכר מהתרומות המובילות אנרגיה של משאבי דלק מאובנים והופכות לבסיס למערכת אנרגיה בת-קיימא המבוססת על מתחדשת מקורות. לבסוף, יש עניין רב בפיתוח סוללות Ni-MH לרכבים חשמליים ורכבים היברידיים.
אלקטרוליט ה- KOH יכול להעביר רק את יוני ה- OH וכדי לאזן את הובלת המטען, אלקטרונים חייבים להסתובב דרך העומס החיצוני. אלקטרודת אוקסי-הידרוקסיד ניקל (משוואה 1) נחקרה ומאופיינת בהרחבה, ויישומה הוכח באופן נרחב גם ליישומים יבשתיים וחלליים. מרבית המחקר הנוכחי בסוללות Ni / Metal Hydride כלל שיפור הביצועים של אנודת המתכת ההידרידית. באופן ספציפי, זה דורש פיתוח של אלקטרודה הידרידית עם המאפיינים הבאים: (1) ארוך חיי מחזור, (2) קיבולת גבוהה, (3) קצב טעינה ופריקה גבוה במתח קבוע ו (4) שמירה קיבולת.
מערכות אלה שונות מכל הסוללות שהוזכרו לעיל, מכיוון שלא משתמשים במים באלקטרוליט. במקום זאת הם משתמשים באלקטרוליט לא מימי, המורכב מנוזלים אורגניים ומלחי ליתיום כדי לספק מוליכות יונית. למערכת זו יש מתח גבוה יותר בהשוואה למערכות אלקטרוליט מימיות. ללא מים, האבולוציה של גזי מימן וחמצן מבוטלת ותאים יכולים לפעול עם פוטנציאלים רחבים הרבה יותר. הם גם דורשים הרכבה מורכבת יותר, מכיוון שהיא חייבת להיעשות באווירה יבשה כמעט לחלוטין.
מספר סוללות לא נטענות פותחו לראשונה עם מתכת ליתיום כאנודה. תאי מטבעות מסחריים המשמשים לסוללות השעון של ימינו הם בעיקר כימיה של ליתיום. מערכות אלה משתמשות במגוון מערכות קתודה הבטוחות לשימוש לצרכן. הקתודות עשויות מחומרים שונים כמו מונופולוריד פחמן, תחמוצת נחושת או פנאקסיד ונדיום. כל מערכות הקתודה המוצקות מוגבלות בקצב הפריקה בהן יתמכו.
כדי להשיג קצב פריקה גבוה יותר, פותחו מערכות קתודה נוזלית. האלקטרוליט מגיב בעיצובים אלה ומגיב בקתודה הנקבובית, המספקת אתרים קטליטיים ואיסוף זרם חשמלי. מספר דוגמאות למערכות אלה כוללות ליתיום-תיוניל כלוריד ולידיום-גופרית דו-חמצנית. סוללות אלה משמשות בחלל וליישומים צבאיים, כמו גם למשואות חירום בשטח. בדרך כלל הם אינם זמינים לציבור מכיוון שהם פחות בטוחים ממערכות הקתודה המוצקות.
השלב הבא בטכנולוגיית סוללות ליתיום יון הוא האמין כי מדובר בסוללת הליתיום פולימר. סוללה זו מחליפה את האלקטרוליט הנוזלי באלקטרוליט מגולף או אלקטרוליט מוצק אמיתי. הסוללות הללו אמורות להיות אפילו קלות יותר מסוללות ליתיום-יון, אך כרגע אין שום תוכניות להטיס את הטכנולוגיה הזו בחלל. זה גם לא נפוץ בשוק המסחרי, למרות שהוא עשוי להיות ממש מעבר לפינה.
בדיעבד, עברנו דרך ארוכה מאז הדולף פנס סוללות של שנות השישים, כשנולדו טיסת חלל. יש מגוון רחב של פתרונות העומדים בדרישות הרבות של טיסת חלל, 80 מתחת לאפס לטמפרטורות הגבוהות של טיסה סולארית. אפשר לטפל בקרינה מאסיבית, עשרות שנים של שירות, ועומסים המגיעים לעשרות קילוואט. תהיה התפתחות מתמשכת של טכנולוגיה זו וחתירה מתמדת לעבר סוללות משופרות.