Γιατί οι μπαταρίες είναι επίπεδες;

Περιεχόμενο

• Κυτταρική Χημεία των Μπαταριών
• Συμβουλές
• Ιστορία της χημικής κυψέλης
• Πώς οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες είναι επίπεδες
• Εφαρμογές επαναφορτιζόμενων μπαταριών
• Φυσική των αντιδράσεων της μπαταρίας
• Τάση ενός Γαλβανικού Κυττάρου

Μπορείτε πιθανότατα έχετε συναντήσει τις μπαταρίες που πάει επίπεδη, η οποία είναι ενοχλητική εάν προσπαθείτε να τα χρησιμοποιήσετε σε συσκευές ηλεκτρονικών. Η κυτταρική χημεία των μπαταριών μπορεί να σας πει ιδιότητες του τρόπου με τον οποίο λειτουργούν, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο αυτοί εξαντλούνται.

Κυτταρική Χημεία των Μπαταριών

Συμβουλές

Για να θυμάστε αυτή τη σχέση, μπορείτε να θυμηθείτε τη λέξη "OILRIG". Αυτό σας το λέει αυτό η οξείδωση είναι απώλεια ("OIL") και η μείωση είναι κέρδος ("RIG") των ηλεκτρονίων. ο μνημονικό για τις ανόδους και την κάθοδοs είναι "ANOX REDCAT" για να θυμάστε ότι το "ANODE" χρησιμοποιείται με το "OXIDATION" και το "REDuction" εμφανίζεται στην "CATHODe".

Τα πρωτογενή κύτταρα μπορούν επίσης να λειτουργούν με ξεχωριστά ημι-κύτταρα διαφορετικών μετάλλων σε ένα ιοντικό διάλυμα που συνδέεται με γέφυρα άλατος ή με πορώδη μεμβράνη. Αυτά τα κύτταρα παρέχουν μπαταρίες με μια πληθώρα χρήσεων.

Αλκαλικές μπαταρίες, τα οποία χρησιμοποιούν συγκεκριμένα την αντίδραση μεταξύ ανόδου ψευδαργύρου και κάθοδος μαγνησίου, χρησιμοποιούνται για φακούς, φορητές ηλεκτρονικές συσκευές και τηλεχειριστήρια. Άλλα παραδείγματα δημοφιλών στοιχείων συσσωρευτών περιλαμβάνουν το λίθιο, τον υδράργυρο, το πυρίτιο, το οξείδιο του αργύρου, το χρωμικό οξύ και τον άνθρακα.

Τα μηχανικά σχέδια μπορούν να επωφεληθούν από τον τρόπο με τον οποίο οι μπαταρίες φτάνουν επίπεδα για τη διατήρηση και την επαναχρησιμοποίηση ενέργειας. Οι οικιακές μπαταρίες χαμηλού κόστους χρησιμοποιούν γενικά κύτταρα άνθρακα-ψευδαργύρου σχεδιασμένα έτσι ώστε, εάν ο ψευδάργυρος υφίσταται γαλβανική διάβρωση, μια διαδικασία κατά την οποία ένα μέταλλο διαβρώνεται κατά προτίμηση, η μπαταρία μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια ως μέρος κλειστού κυκλώματος ηλεκτρονίων.

Σε ποια θερμοκρασία εκρήγνυνται οι μπαταρίες; Η κυτταρική χημεία των μπαταριών ιόντων λιθίου σημαίνει ότι αυτές οι μπαταρίες ξεκινούν χημικές αντιδράσεις που έχουν ως αποτέλεσμα την έκρηξή τους σε περίπου 1000 ° C. Το υλικό χαλκού μέσα σε αυτά λιώνει προκαλώντας θραύση των εσωτερικών πυρήνων.

Ιστορία της χημικής κυψέλης

Το 1836 ο βρετανός χημικός John Frederic Daniell δημιούργησε το Κυττάρου Daniell στην οποία χρησιμοποίησε δύο ηλεκτρολύτες, αντί για έναν μόνο, για να αφήσει το υδρογόνο που παράγεται από το ένα να καταναλωθεί από το άλλο. Χρησιμοποιούσε θειικό ψευδάργυρο αντί για θειικό οξύ, συνήθη πρακτική των μπαταριών της εποχής.

Πριν από τότε, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν βολταϊκά κύτταρα, έναν τύπο χημικού κυττάρου που χρησιμοποιεί μια αυθόρμητη αντίδραση, η οποία έχασε την ισχύ με γρήγορους ρυθμούς. Ο Daniell χρησιμοποίησε ένα φράγμα μεταξύ των πλακών χαλκού και ψευδαργύρου για να αποφευχθεί η υπερχείλιση του υδρογόνου και να σταματήσει η μπαταρία να φθείρεται γρήγορα. Το έργο του θα οδηγούσε σε καινοτομίες στην τηλεγραφία και στην ηλεκτρομεταλλουργία, στη μέθοδο χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας για την παραγωγή μετάλλων.

Πώς οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες είναι επίπεδες

Δευτερεύοντα κύτταρα, από την άλλη πλευρά, είναι επαναφορτιζόμενες. Η επαναφορτιζόμενη μπαταρία, που ονομάζεται επίσης μπαταρία αποθήκευσης, δευτερεύουσα κυψέλη ή συσσωρευτής, αποθηκεύει φόρτιση με την πάροδο του χρόνου καθώς η κάθοδος και η άνοδος συνδέονται σε ένα κύκλωμα μεταξύ τους.

Κατά τη φόρτιση, το θετικό ενεργό μέταλλο, όπως το υδροξείδιο του οξειδίου του νικελίου, οξειδώνεται, δημιουργώντας ηλεκτρόνια και τα χάνονται, ενώ μειώνεται το αρνητικό υλικό όπως το κάδμιο, συλλέγοντας ηλεκτρόνια και κερδίζοντας τα. Η μπαταρία χρησιμοποιεί κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης χρησιμοποιώντας μια ποικιλία πηγών, συμπεριλαμβανομένης της ηλεκτρικής ενέργειας εναλλασσόμενου ρεύματος ως εξωτερικής πηγής τάσης.

Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες μπορούν να παραμείνουν επίπεδες μετά από επαναλαμβανόμενη χρήση, επειδή τα υλικά που εμπλέκονται στην αντίδραση χάνουν την ικανότητά τους να φορτίζουν και να επαναφορτίζουν. Καθώς αυτά τα συστήματα μπαταριών φθείρονται, υπάρχουν διαφορετικοί τρόποι με τους οποίους οι μπαταρίες είναι επίπεδες.

Καθώς οι μπαταρίες χρησιμοποιούνται συστηματικά, μερικές από αυτές, όπως οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος, μπορεί να χάσουν τη δυνατότητα επαναφόρτισης. Το λίθιο των μπαταριών ιόντων λιθίου μπορεί να γίνει αντιδραστικό μέταλλο λιθίου το οποίο δεν μπορεί να εισέλθει ξανά στον κύκλο φόρτισης-εκκένωσης. Οι μπαταρίες με υγρούς ηλεκτρολύτες ενδέχεται να μειώσουν την υγρασία τους εξαιτίας της εξάτμισης ή της υπερφόρτισης.

Εφαρμογές επαναφορτιζόμενων μπαταριών

Αυτές οι μπαταρίες χρησιμοποιούνται γενικά σε εκκινητήρες αυτοκινήτων, αναπηρικές καρέκλες, ηλεκτρικά ποδήλατα, ηλεκτρικά εργαλεία και σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. Οι επιστήμονες και οι μηχανικοί έχουν μελετήσει τη χρήση τους σε υβριδικές μπαταρίες εσωτερικής καύσης και ηλεκτρικά οχήματα για να καταστούν πιο αποτελεσματικές στη χρήση ενέργειας και να διαρκέσουν περισσότερο.

Η επαναφορτιζόμενη μπαταρία μολύβδου-οξέος διαλύει μόρια νερού (H₂Ο) σε υδατικό διάλυμα υδρογόνου (H⁺) και ιόντα οξειδίου (Ο^2-) που παράγει ηλεκτρική ενέργεια από τον σπασμένο δεσμό καθώς το νερό χάνει το φορτίο του. Όταν το υδατικό διάλυμα υδρογόνου αντιδρά με αυτά τα ιόντα οξειδίου, οι ισχυροί δεσμοί Ο-Η χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία της μπαταρίας.

Φυσική των αντιδράσεων της μπαταρίας

Αυτή η χημική ενέργεια τροφοδοτεί μια οξειδοαναγωγική αντίδραση που μετατρέπει τα αντιδραστήρια υψηλής ενέργειας σε προϊόντα χαμηλής ενέργειας. Η διαφορά μεταξύ των αντιδραστηρίων και των προϊόντων αφήνει την αντίδραση να συμβεί και σχηματίζει ένα ηλεκτρικό κύκλωμα όταν η μπαταρία συνδέεται με τη μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια.

Σε ένα γαλβανικό στοιχείο, τα αντιδραστήρια, όπως ο μεταλλικός ψευδάργυρος, έχουν υψηλή ελεύθερη ενέργεια που αφήνει την αντίδραση να εμφανιστεί αυθόρμητα χωρίς εξωτερική δύναμη.

Τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται στην άνοδο και στην κάθοδο έχουν συνεπτυγμένες πηγές ενέργειας που μπορούν να οδηγήσουν τη χημική αντίδραση. Η συνεκτική ενέργεια του πλέγματος είναι η ενέργεια που απαιτείται για το διαχωρισμό των ατόμων που κάνουν το μέταλλο το ένα από το άλλο. Μεταλλικός ψευδάργυρος, κάδμιο, λίθιο και νάτριο χρησιμοποιούνται συχνά επειδή έχουν υψηλές ενέργειες ιονισμού, την ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση των ηλεκτρονίων από ένα στοιχείο.

Τα γαλβανικά κελιά που κινούνται από ιόντα του ίδιου μετάλλου μπορούν να χρησιμοποιήσουν διαφορές στην ελεύθερη ενέργεια για να προκαλέσουν την ελεύθερη ενέργεια του Gibbs για να οδηγήσουν την αντίδραση. ο Η ελεύθερη ενέργεια του Gibbs είναι μια άλλη μορφή ενέργειας που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ποσότητας εργασίας που χρησιμοποιεί μια θερμοδυναμική διαδικασία.

Σε αυτή την περίπτωση, η αλλαγή στην κανονική ελεύθερη ενέργεια Gibbs σολ^o _αποδίδει την τάση ή την ηλεκτροκινητική δύναμη _E__^o σε βολτ, σύμφωνα με την εξίσωση μι^o = -Δ_rσολ^o / (v_μι x F) στο οποίο v_μι είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μεταφέρονται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης και το F είναι σταθερά Faradays (F = 96485.33 C mol⁻¹).

ο Δ_rσολ^o υποδηλώνει ότι η εξίσωση χρησιμοποιεί την αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs (_Δ_rσολ^o = __ΣΟΛ_{τελικός} - σολ_{αρχικός}). Η εντροπία αυξάνεται καθώς η αντίδραση χρησιμοποιεί την διαθέσιμη ελεύθερη ενέργεια. Στο κύτταρο Daniell, η διαφορά συνεκτικής ενεργειακής συσχέτισης μεταξύ ψευδαργύρου και χαλκού αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος της ελεύθερης διαφοράς ενέργειας Gibbs καθώς συμβαίνει η αντίδραση. Δ_rσολ^o = -213 kJ / mol, η οποία είναι η διαφορά στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs των προϊόντων και εκείνη των αντιδραστηρίων.

Τάση ενός Γαλβανικού Κυττάρου

Εάν διαχωρίσετε την ηλεκτροχημική αντίδραση ενός γαλβανικού στοιχείου στις μισές αντιδράσεις των διαδικασιών οξείδωσης και αναγωγής, μπορείτε να αθροίσετε τις αντίστοιχες ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις για να αποκτήσετε τη συνολική διαφορά τάσης που χρησιμοποιείται στο κύτταρο.

Για παράδειγμα, ένα τυπικό γαλβανικό στοιχείο μπορεί να χρησιμοποιεί CuSO₄ και ZnSO₄ με τυπικές δυνητικές μισές αντιδράσεις όπως: Cu²⁺ + 2 e⁻ ⇌ Cu με ένα αντίστοιχο ηλεκτροκινητικό δυναμικό μι^o = + 0,34 V και Zn²⁺ + 2 e⁻ ⇌ Zn με δυνατότητες μι^o = -0,76 V.

Για τη συνολική αντίδραση, Cu²⁺ + Zn ⇌ Cu + Zn²⁺ , μπορείτε να "αναστρέψετε" την εξίσωση μισής αντίδρασης για τον ψευδάργυρο, ενώ στρέφετε το σήμα της ηλεκτροκινητικής δύναμης για να αποκτήσετε Zn ⇌ Zn²⁺ + 2 e⁻ με μι^o = 0,76 V. Το συνολικό δυναμικό αντίδρασης, το άθροισμα των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων, είναι τότε + 0,34 V - (-0,76 V) = 1,10 V.