A aku, mis on tegelikult elektriline element, on seade, mis toodab keemilises reaktsioonis elektrit. Rangelt öeldes koosneb aku kahest või enamast järjestikku või paralleelselt ühendatud elemendist, kuid seda terminit kasutatakse tavaliselt ühe elemendi jaoks. Rakk koosneb negatiivsest elektroodist; ioone juhtiv elektrolüüt; eraldaja, samuti ioonjuht; ja positiivne elektrood. elektrolüüt võivad olla vesipõhised (koosnevad veest) või mitteveepõhised (ei koosne veest), vedelal kujul, pastana või tahkel kujul. Kui rakk on ühendatud välise koormusega või toidetava seadmega, annab negatiivne elektrood koormusest läbi voolavate ja positiivse elektroodi poolt aktsepteeritud elektronide voolu. Kui väline koormus on eemaldatud, reaktsioon lakkab.
Esmane aku on selline, mis saab oma kemikaalid elektrienergiaks muuta ainult ühe korra ja seejärel tuleb need utiliseerida. Sekundaarsel akul on elektroodid, mida saab taastada, suunates elektri läbi selle; mida nimetatakse ka salvestus- või laetavaks akuks, saab seda mitu korda uuesti kasutada.
See aku kasutab positiivses elektroodis (katoodis) nikkeloksiidi, negatiivses elektroodis (anoodis) kaadmiumiühendit ja elektrolüüdina kaaliumhüdroksiidi lahust. Nikkel-kaadmium aku on laetav, nii et see võib korduvalt tsüklit teha. Nikkel-kaadmiumpatarei muundab tühjenemisel keemilise energia elektrienergiaks ja laadimisel elektrienergia tagasi keemiliseks energiaks. Täielikult tühjendatud NiCd-akus sisaldab katood anoodis nikkelhüdroksiidi [Ni (OH) 2] ja kaadmiumhüdroksiidi [Cd (OH) 2]. Kui aku on laetud, muutub katoodi keemiline koostis ja nikkelhüdroksiid muutub nikkeloksühüdroksiidiks [NiOOH]. Anoodis muundub kaadmiumhüdroksiid kaadmiumiks. Aku tühjenemisel toimub protsess vastupidiselt, nagu on näidatud järgmises valemis.
Nikkel-vesinik aku võib pidada hübriidiks nikkel-kaadmium-aku ja kütuseelemendi vahel. Kaadmium-elektrood asendati vesiniku gaasielektroodiga. See aku erineb visuaalselt palju nikkel-kaadmiumi akust, kuna element on surveanum, mis peab sisaldama üle tuhande naela ruut tollise (psi) vesiniku kohta. See on märkimisväärselt kergem kui nikkel-kaadmium, kuid seda on keerulisem pakendada, sarnaselt munade aedikule.
Nikkel-vesinikuakusid ajatakse mõnikord segamini nikkelmetallhüdriidpatareidega, mis on tavaliselt mobiiltelefonides ja sülearvutites. Nikkel-vesinik, aga ka nikkel-kaadmiumakud kasutavad sama elektrolüüti, kaaliumhüdroksiidi lahust, mida tavaliselt nimetatakse leeliseks.
Nikkel- / metallhüdriidpatareide (Ni-MH) akude arendamise stiimulid on tervise- ja keskkonnaprobleemid, mis on seotud nikli / kaadmiumi laetavate akude asendajate leidmisega. Töötajate ohutusnõuete tõttu on patareide kaadmiumi töötlemine USA-s juba järk-järgult pooleli. Lisaks muudavad 1990. ja 21. sajandi keskkonnaalased õigusaktid tõenäoliselt vajalikuks piirata kaadmiumi kasutamist tarbijatele mõeldud patareides. Vaatamata neile rõhkudele on nikli / kaadmiumi aku pliiaku kõrval endiselt suurim osa laetavate akude turul. Vesinikupõhiste akude uurimise täiendavad stiimulid tulenevad üldisest veendumusest, et vesinik ja elekter asendavad ja asendavad lõpuks a Märkimisväärne osa fossiilkütuste ressursside energiat kandvast panusest, muutudes vundamendiks taastuvenergial põhinevale säästvale energiasüsteemile allikad. Lõpuks tuntakse huvi elektrisõidukite ja hübriidsõidukite Ni-MH akude arendamise vastu.
KOH elektrolüüt suudab transportida ainult OH-ioone ja laengu transpordi tasakaalustamiseks peavad elektronid ringlema läbi välise koorma. Nikkeloksühüdroksiid-elektroodi (võrrand 1) on põhjalikult uuritud ja iseloomustatud ning selle rakendamist on laialdaselt demonstreeritud nii maapealse kui ka kosmoserakenduse jaoks. Suurem osa Ni / metallhüdriidpatareidega seotud praegustest uuringutest on hõlmanud metallhüdriidanoodi jõudluse parandamist. Täpsemalt, see nõuab hüdriidelektroodi väljatöötamist, millel on järgmised omadused: (1) pikk tsükli kestus, (2) suur mahtuvus, (3) kõrge laadimis- ja tühjenemiskiirus püsipinge juures ja (4) püsivus mahutavus.
Need süsteemid erinevad kõigist eelnimetatud akudest selle poolest, et elektrolüüdis ei kasutata vett. Ioonjuhtivuse tagamiseks kasutavad nad mitteveepõhist elektrolüüti, mis koosneb liitiumi orgaanilistest vedelikest ja sooladest. Sellel süsteemil on palju kõrgemad raku pinged kui vesipõhistes elektrolüüdisüsteemides. Ilma veeta elimineeritakse vesiniku ja hapniku gaasid ning rakud saavad töötada palju laiema potentsiaaliga. Need nõuavad ka keerukamat kokkupanekut, kuna seda tuleb teha peaaegu ideaalselt kuivas keskkonnas.
Esmalt töötati välja hulk ühekordseid akusid, mille anoodiks oli liitiummetall. Tänapäevaste kellapatareide jaoks kasutatavad kaubanduslikud mündielemendid on enamasti liitiumkeemia. Need süsteemid kasutavad erinevaid katood-süsteeme, mis on tarbijatele piisavalt ohutud. Katoodid on valmistatud mitmesugustest materjalidest, näiteks süsinikmonofluoriidist, vaskoksiidist või vanaadiumpentoksiidist. Kõigil tahke katoodisüsteemidel on piiratud toetatav tühjenduskiirus.
Suurema tühjenduskiiruse saamiseks töötati välja vedelad katoodisüsteemid. Nendes konstruktsioonides on elektrolüüt reageeriv ja reageerib poorses katoodis, mis tagab katalüütilise koha ja elektrivoolu kogumise. Nende süsteemide mitmed näited hõlmavad liitium-tionüülkloriidi ja liitium-vääveldioksiidi. Neid patareisid kasutatakse kosmoses ja sõjalistel eesmärkidel, samuti hädaabi majakate jaoks kohapeal. Üldiselt pole need üldsusele kättesaadavad, kuna need on vähemkindlad kui tahked katoodisüsteemid.
Arvatakse, et liitiumioonakude tehnoloogia järgmine samm on liitium-polümeeraku. See aku asendab vedelat elektrolüüti kas geelistatud elektrolüüdi või tõelise tahke elektrolüüdiga. Väidetavalt on need akud isegi liitiumioonakudest kergemad, kuid praegu pole plaanis seda tehnoloogiat kosmosesse lennutada. Samuti pole see kommertsturul tavaliselt saadaval, ehkki see võib asuda nurga taga.
Tagantjärele mõeldes oleme lekkest kaugele jõudnud taskulamp kuuekümnendate patareid, kui sündisid kosmoselennud. Kosmoselennu paljude nõudmiste täitmiseks on saadaval lai valik lahendusi, temperatuuril 80 nullist madalamale kuni päikesekäru kõrgete temperatuurideni. Võimalik on käidelda tohutut kiirgust, aastakümnete pikkust kasutust ja kümnete kilovattideni ulatuvaid koormusi. Seda tehnoloogiat arendatakse edasi ja püütakse pidevalt paremate patareide poole.