Vsebina
- Celična kemija baterij
- Nasveti
- Zgodovina kemijske celice
- Kako se polnilne baterije izpraznijo
- Uporaba baterij za ponovno polnjenje
- Fizika reakcij akumulatorja
- Napetost galvanske celice
Verjetno ste naleteli na baterije, ki se izpraznijo, kar je škoda, če jih poskušate uporabiti v elektronskih napravah. Celična kemija baterij vam lahko pove lastnosti njihovega delovanja, vključno z ravnanjem.
Celična kemija baterij
Nasveti
Če se želite spomniti tega razmerja, se lahko spomnite besede "OILRIG". To vam pove to oksidacija je izguba ("OLJE") in zmanjšanje je dobiček ("RIG") elektronov. The mnemonsko za anode in katodos je "ANOX REDCAT", ki si zapomni, da se "ANode" uporablja z "OXidation", "REDuction" pa pri "CAThode".
Primarne celice lahko delujejo tudi s posameznimi polovičnimi celicami različnih kovin v ionski raztopini, povezani s solnim mostom ali porozno membrano. Te celice omogočajo baterijam nešteto načinov uporabe.
Alkalne baterije, ki posebej uporabljajo reakcijo med cinkovo anodo in magnezijevo katodo, se uporabljajo za bliskavice, prenosne elektronske naprave in daljinske upravljalnike. Drugi primeri priljubljenih baterijskih elementov vključujejo litij, živo srebro, silicij, srebrni oksid, kromovo kislino in ogljik.
Inženirski dizajni lahko izkoristijo način, kako baterije porabijo energijo za varčevanje in ponovno uporabo energije. Poceni baterije za gospodinjstvo običajno uporabljajo ogljikovo-cinkove celice, ki so zasnovane tako, da če je cink izpostavljen galvanska korozija, postopek, pri katerem kovinsko prednostno korodira, lahko baterija proizvaja električno energijo kot del zaprtega elektronskega tokokroga.
Pri kateri temperaturi eksplodirajo baterije? Čelična kemija litij-ionskih baterij pomeni, da te baterije začnejo kemične reakcije, ki povzročijo eksplozijo pri okoli 1.000 ° C. Bakren material znotraj njih se topi, zaradi česar se notranje jedre zlomijo.
Zgodovina kemijske celice
Leta 1836 je britanski kemik John Frederic Daniell zgradil Danielova celica v katerem je namesto enega uporabljal dva elektrolita, da je pustil vodik, ki ga proizvaja eden, da ga porabi drugi. Uporabljal je cinkov sulfat namesto žveplove kisline, ki je običajna baterija takrat.
Pred tem so znanstveniki uporabljali voltaične celice, vrsto kemične celice, ki uporablja spontano reakcijo, ki je hitro izgubljala moč. Daniell je uporabil pregrado med bakreno in cinkovo ploščo, da prepreči, da bi odvečni vodik mehurčil in preprečil, da se baterija hitro obrabi. Njegovo delo bi vodilo do inovacij v telegrafiji in elektrometalurgiji, metodi uporabe električne energije za proizvodnjo kovin.
Kako se polnilne baterije izpraznijo
Sekundarne celicena drugi strani so polnilne. Polnilna baterija, ki jo imenujemo tudi shranjevalna baterija, sekundarna celica ali akumulator, shranjuje napolnjenost sčasoma, saj sta katoda in anoda povezana v vezju drug z drugim.
Pri polnjenju se pozitivna aktivna kovina, kot je hidroksid nikljevega oksida, oksidira, kar ustvari elektrone in jih izgubi, medtem ko se negativni material, kot je kadmij, zmanjša, zajame elektrone in jih pridobi. Baterija uporablja cikle polnjenja in praznjenja z uporabo različnih virov, vključno z električno energijo z izmeničnim tokom kot zunanjim napetostnim virom.
Po večkratni uporabi se polnilne baterije še vedno lahko izpraznijo, ker materiali, ki sodelujejo v reakciji, izgubijo sposobnost polnjenja in ponovnega polnjenja. Ko se ti baterijski sistemi obrabijo, obstajajo različni načini, kako se baterije izpraznijo.
Ker se baterije uporabljajo rutinsko, nekatere od njih, na primer svinčeve baterije, lahko izgubijo možnost ponovnega polnjenja. Litijeve litij-ionske baterije lahko postanejo reaktivne litijeve kovine, ki ne morejo ponovno vstopiti v cikel napolnjenosti in praznjenja. Baterije s tekočimi elektroliti lahko zmanjšajo svojo vlago zaradi izhlapevanja ali prekomernega polnjenja.
Uporaba baterij za ponovno polnjenje
Te baterije se običajno uporabljajo v avtomobilskih zaganjalnikih, invalidskih vozičkih, električnih kolesih, električnem orodju in v baterijah za shranjevanje akumulatorjev. Znanstveniki in inženirji so preučevali njihovo uporabo v hibridnih baterijah in električnih vozilih, da bi postali bolj učinkoviti pri uporabi energije in trajali dlje.
Akumulatorska baterija za ponovno polnjenje razbija molekule vode (H2O) v vodno raztopino vodika (H+) in oksidnih ionov (O2-), ki iz porušene vezi proizvaja električno energijo, ko voda izgubi naboj. Ko vodna raztopina vodika reagira s temi oksidnimi ioni, se za napajanje baterije uporabljajo močne O-H vezi.
Fizika reakcij akumulatorja
Ta kemijska energija povzroča redoks reakcijo, ki pretvori visokoenergijske reaktante v produkte z nižjo energijo. Razlika med reaktanti in produkti omogoči, da se reakcija zgodi in tvori električni tokokrog, ko se akumulator priklopi s pretvorbo kemijske energije v električno.
V galvanski celici imajo reaktanti, kot je kovinski cink, veliko proste energije, ki omogoča, da se reakcija odvija spontano brez zunanje sile.
Kovine, ki se uporabljajo v anodi in katodi, imajo kohezivne energije rešetke, ki lahko vodijo v kemijsko reakcijo. Kohezijska energija rešetke je energija, ki je potrebna za ločitev atomov, zaradi katerih je kovina drug od drugega. Kovinski cink, kadmij, litij in natrij se pogosto uporabljajo, ker imajo visoke ionizacijske energije, minimalno energijo, potrebno za odstranjevanje elektronov iz nekega elementa.
Galvanske celice, ki jih poganjajo ioni iste kovine, lahko uporabijo razlike v prosti energiji, da povzročijo Gibbsovo brezplačno energijo, da sproži reakcijo. The Gibbs brezplačno energijo je druga oblika energije, ki se uporablja za izračun količine dela, ki ga termodinamični postopek porabi.
V tem primeru je sprememba standardne Gibbsove brezplačne energije Go _izvaja napetost ali elektromotorno silo _E__o v voltih, glede na enačbo Eo = -ΔrGo / (ve x F) v kateri ve je število elektronov, prenesenih med reakcijo, in F je Faradayeva konstanta (F = 96485,33 C mol−1).
The ΔrGo _ pomeni, da enačba uporablja spremembo Gibbsove proste energije (_ΔrGo = __Gkončna - Gzačetni). Entropija se poveča, ko reakcija porabi razpoložljivo brezplačno energijo. V Daniell-ovi celici je razlika v energijski koheziji med cinkom in bakrom posledica večine Gibbsove razlike v energiji, ko se reakcija pojavi. ΔrGo = -213 kJ / mol, kar je razlika v Gibbsovi energiji produktov in energije reaktantov.
Napetost galvanske celice
Če ločite elektrokemično reakcijo galvanske celice na polovične reakcije oksidacijskih in redukcijskih procesov, lahko seštejete ustrezne elektromotorne sile, da dobite skupno napetostno razliko, uporabljeno v celici.
Na primer, običajna galvanska celica lahko uporablja CuSO4 in ZnSO4 s standardnimi potencialnimi polovičnimi reakcijami kot: Cu2+ + 2 e− ⇌ Cu z ustreznim elektromotornim potencialom Eo = +0,34 V in Zn2+ + 2 e− ⇌ Zn s potencialom Eo = −0,76 V.
Za celotno reakcijo oz. Cu2+ + Zn ⇌ Cu + Zn2+ lahko enačite polovično reakcijsko enačbo za cink, medtem ko držite znak elektromotorne sile, da dobite Zn ⇌ Zn2+ + 2 e− s Eo = 0,76 V Skupni reakcijski potencial je vsota elektromotornih sil +0,34 V - (–0,76 V) = 1,10 V.