Γιατί οι μπαταρίες είναι επίπεδες;

Πιθανότατα αντιμετωπίσατε τις μπαταρίες να εξαντλούνται, κάτι που ενοχλεί εάν προσπαθείτε να τα χρησιμοποιήσετε σε ηλεκτρονικές συσκευές. Η κυτταρική χημεία των μπαταριών μπορεί να σας πει ιδιότητες για το πώς λειτουργούν, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο πηγαίνουν.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

Όταν η ηλεκτροχημική αντίδραση μιας μπαταρίας εξαντλεί τα υλικά, η μπαταρία εξαντλείται. Αυτό συμβαίνει γενικά μετά από μεγάλο χρονικό διάστημα χρήσης της μπαταρίας.

Οι μπαταρίες χρησιμοποιούν γενικά πρωτογενή κελιά, έναν τύπογαλβανικό κύτταροπου χρησιμοποιεί δύο διαφορετικά μέταλλα σε έναν υγρό ηλεκτρολύτη για να επιτρέψει τη μεταφορά φορτίου μεταξύ τους. Τα θετικά φορτία ρέουν από τοκάθοδος, χτισμένο με κατιόντα ή θετικά φορτισμένα ιόντα όπως ο χαλκόςάνοδος, με ανιόντα ή αρνητικά φορτισμένα ιόντα όπως ψευδάργυρο.

• Οι μπαταρίες εξαντλούνται ως αποτέλεσμα του ότι οι χημικές ουσίες του ηλεκτρολύτη στεγνώνουν εντός της μπαταρίας. Στην περίπτωση αλκαλικών μπαταριών, αυτό συμβαίνει όταν όλο το διοξείδιο του μαγγανίου έχει μετατραπεί. Σε αυτό το στάδιο η μπαταρία είναι άδεια.

  instagram story viewer

Για να θυμάστε αυτήν τη σχέση, μπορείτε να θυμηθείτε τη λέξη "OILRIG." Αυτό σας λέειη οξείδωση είναι απώλεια("ΛΑΔΙ") καιη μείωση είναι κέρδος(«RIG») ηλεκτρονίων. οmnemonic για άνοδοι και κάθοδοs είναι "ANOX REDCAT" για να θυμάστε ότι το "ANode" χρησιμοποιείται με το "OXidation" και το "REDuction" εμφανίζεται στο "CAThode".

Τα πρωτογενή κύτταρα μπορούν επίσης να εργαστούν με μεμονωμένα ημικύτταρα διαφορετικών μετάλλων σε ένα ιοντικό διάλυμα που συνδέεται με μια γέφυρα αλατιού ή μια πορώδη μεμβράνη. Αυτά τα κύτταρα παρέχουν μπαταρίες με πολλές χρήσεις.

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

Τα τεχνικά σχέδια μπορούν να επωφεληθούν από τον τρόπο με τον οποίο οι μπαταρίες αδειάζουν για εξοικονόμηση και επαναχρησιμοποίηση ενέργειας. Οι οικιακές μπαταρίες χαμηλού κόστους χρησιμοποιούν γενικά στοιχεία άνθρακα-ψευδαργύρου σχεδιασμένα έτσι ώστε, εάν υποστεί ψευδάργυρογαλβανική διάβρωση, μια διαδικασία κατά την οποία ένα μέταλλο διαβρώνει κατά προτίμηση, η μπαταρία μπορεί να παράγει ηλεκτρισμό ως μέρος ενός 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 στους 1.000 ° C περίπου. Το χαλκό υλικό μέσα τους λιώνει που προκαλεί το σπάσιμο των εσωτερικών πυρήνων.

Το 1836 ο Βρετανός χημικός John Frederic Daniell κατασκεύασε τοΝτάνιελ κελίστον οποίο χρησιμοποίησε δύο ηλεκτρολύτες, αντί για έναν μόνο, για να αφήσει το υδρογόνο που παράγεται από το ένα να καταναλωθεί από τον άλλο. Χρησιμοποίησε θειικό ψευδάργυρο αντί θειικού οξέος, συνήθης πρακτική των μπαταριών της εποχής.

Πριν από αυτό, οι επιστήμονες χρησιμοποιούσαν τα ηλιακά κύτταρα, έναν τύπο χημικών κυττάρων που χρησιμοποιεί μια αυθόρμητη αντίδραση, η οποία έχασε τη δύναμη με γρήγορους ρυθμούς. Η Daniell χρησιμοποίησε ένα φράγμα μεταξύ των πλακών χαλκού και ψευδαργύρου για να αποτρέψει το υπερβολικό διογκώσιμο υδρογόνου και να σταματήσει η φθορά της μπαταρίας γρήγορα. Το έργο του θα οδηγούσε σε καινοτομίες στην τηλεγραφία και την ηλεκτρομεταλλουργία, τη μέθοδο χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας για την παραγωγή μετάλλων.

​Δευτερεύοντα κελιά, από την άλλη πλευρά, είναι επαναφορτιζόμενες. Η επαναφορτιζόμενη μπαταρία, που ονομάζεται επίσης μπαταρία αποθήκευσης, δευτερεύον κελί ή συσσωρευτής, αποθηκεύει φορτίο με την πάροδο του χρόνου καθώς η κάθοδος και η άνοδος συνδέονται μεταξύ τους σε κύκλωμα.

Κατά τη φόρτιση, το θετικό ενεργό μέταλλο όπως το υδροξείδιο του οξειδίου του νικελίου οξειδώνεται, δημιουργώντας ηλεκτρόνια και την απώλεια τους, ενώ το αρνητικό υλικό όπως το κάδμιο μειώνεται, συλλαμβάνει ηλεκτρόνια και κερδίζει τους. Η μπαταρία χρησιμοποιεί κύκλους φόρτισης-αποφόρτισης χρησιμοποιώντας μια ποικιλία πηγών, συμπεριλαμβανομένου του εναλλασσόμενου ρεύματος ως εξωτερική πηγή τάσης.

Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες μπορούν ακόμα να αδειάσουν 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 φθάνουν, υπάρχουν διαφορετικοί τρόποι με τους οποίους οι μπαταρίες εξαντλούνται.

Καθώς οι μπαταρίες χρησιμοποιούνται τακτικά, μερικές από αυτές, όπως οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος, ενδέχεται να χάσουν την ικανότητα επαναφόρτισης. Το λίθιο των μπαταριών ιόντων λιθίου μπορεί να γίνει αντιδραστικό μέταλλο λιθίου που δεν μπορεί να επανέλθει στον κύκλο φόρτισης-εκφόρτισης. Οι μπαταρίες με υγρούς ηλεκτρολύτες ενδέχεται να μειώσουν την υγρασία τους λόγω εξάτμισης ή υπερφόρτισης.

Αυτές οι μπαταρίες χρησιμοποιούνται γενικά σε εκκινητές αυτοκινήτων, αναπηρικές καρέκλες, ηλεκτρικά ποδήλατα, ηλεκτρικά εργαλεία και σταθμούς τροφοδοσίας μπαταρίας. Επιστήμονες και μηχανικοί έχουν μελετήσει τη χρήση τους σε υβριδική μπαταρία εσωτερικής καύσης και ηλεκτρικά οχήματα για να γίνουν πιο αποτελεσματικά στη χρήση ισχύος τους και να διαρκέσουν περισσότερο.

Η επαναφορτιζόμενη μπαταρία μολύβδου-οξέος σπάζει μόρια νερού (Η₂Ο) σε υδατικό διάλυμα υδρογόνου (Η⁺) 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.

Αυτή η χημική ενέργεια ενεργοποιεί μια αντίδραση οξειδοαναγωγής που μετατρέπει τα αντιδραστήρια υψηλής ενέργειας σε προϊόντα χαμηλότερης 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 επιτρέπει την αντίδραση να συμβεί αυθόρμητα χωρίς εξωτερική δύναμη.

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

Τα γαλβανικά κύτταρα που οδηγούνται από ιόντα του ίδιου μετάλλου μπορούν να χρησιμοποιήσουν διαφορές στην ελεύθερη ενέργεια για να προκαλέσουν την ελεύθερη ενέργεια Gibbs για να οδηγήσει την αντίδραση. οΧωρίς ενέργεια Gibbsείναι μια άλλη μορφή ενέργειας που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του ποσού εργασίας που χρησιμοποιεί μια θερμοδυναμική διαδικασία.

Σε αυτήν την περίπτωση, η αλλαγή της τυπικής ενέργειας χωρίς Gibbsσολ^ο οδηγεί την τάση, ή την ηλεκτροκινητική δύναμημι​​^οσε βολτ, σύμφωνα με την εξίσωση

στο οποίοβ_μιείναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μεταφέρθηκαν κατά τη διάρκεια της αντίδρασης και το F είναι η σταθερά του Faraday (F = 96485,33 C mol⁻¹).

οΔ_ρσολ^ο δηλώνει ότι η εξίσωση χρησιμοποιεί την αλλαγή στην ενέργεια χωρίς Gibbs (Δ_ρσολ^ο =​​σολ_{τελικός} -​ ​σολ_{αρχικός}).Η εντροπία αυξάνεται καθώς η αντίδραση χρησιμοποιεί τη διαθέσιμη ελεύθερη ενέργεια. Στο κελί Daniell, η συνεκτική ενεργειακή διαφορά πλέγματος μεταξύ ψευδαργύρου και χαλκού αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος της διαφοράς ελεύθερης ενέργειας Gibbs καθώς συμβαίνει η αντίδραση.Δ_ρσολ^ο= -213 kJ / mol, που είναι η διαφορά στην ελεύθερη ενέργεια Gibbs των προϊόντων και εκείνης των αντιδρώντων.

Εάν διαχωρίσετε την ηλεκτροχημική αντίδραση ενός γαλβανικού κυττάρου στις μισές αντιδράσεις οξείδωσης και μείωσης διαδικασίες, μπορείτε να αθροίσετε τις αντίστοιχες ηλεκτροκινητικές δυνάμεις για να λάβετε τη συνολική διαφορά τάσης που χρησιμοποιείται στο κύτταρο.

Για παράδειγμα, ένα τυπικό γαλβανικό στοιχείο μπορεί να χρησιμοποιεί CuSO₄ και ZnSO₄ με τυπικές πιθανές μισές αντιδράσεις όπως:Κου²⁺ + 2 ε⁻ ⇌ Cuμε αντίστοιχο ηλεκτροκινητικό δυναμικόμι^ο = +0,34 VκαιΖν²⁺ + 2 ε⁻ ⇌ Znμε δυναμικόμι^ο = −0.76 V.​

Για τη συνολική αντίδραση,Κου²⁺ + Zn ⇌ Cu + Zn²⁺ , μπορείτε να "αναστρέψετε" την εξίσωση μισής αντίδρασης για τον ψευδάργυρο ενώ αναστρέφετε το σημάδι της ηλεκτροκινητικής δύναμης που πρέπει να αποκτήσετεZn ⇌ Zn²⁺ + 2 ε⁻ μεμι^ο = 0,76 V.Το συνολικό δυναμικό αντίδρασης, το άθροισμα των ηλεκτροκινητικών δυνάμεων, είναι τότε+0.34 V​ ​- (−0,76 V) = 1,10 V​.