Miksi paristot tyhjenevät?

Olet todennäköisesti törmännyt paristojen tyhjentymiseen, mikä on haittaa, jos yrität käyttää niitä elektroniikkalaitteissa. Paristojen solukemia voi kertoa sinulle, miten ne toimivat, mukaan lukien miten ne menevät tyhjiksi.

•••Syed Hussain Ather

Kun akun sähkökemiallinen reaktio kuluttaa materiaaleja, akku tyhjenee. Tämä tapahtuu yleensä pitkän akun käytön jälkeen.

Paristoissa käytetään yleensä primäärikennoja, eräänlaisiagalvaaninen kennojoka käyttää kahta erilaista metallia nestemäisessä elektrolyytissä varauksen siirtymisen mahdollistamiseksi niiden välillä. Positiiviset varaukset virtaavatkatodi, rakennettu kationeilla tai positiivisesti varautuneilla ioneilla, kuten kuparilla,anodi, anioneilla tai negatiivisesti varautuneilla ioneilla, kuten sinkillä.

• Paristot tyhjenevät seurauksena elektrolyytin kemikaalien kuivumisesta akussa. Alkaliparistojen tapauksessa koko mangaanidioksidi on muunnettu. Tässä vaiheessa paristo on tyhjä.

Muistaaksesi tämän suhteen, muista muistaa sana "OILRIG". Tämä kertoo sinulle

Primaarisolut voivat toimia myös yksittäisten eri metallien puolisolujen kanssa ioniliuoksessa, joka on yhdistetty suolasillalla tai huokoisella kalvolla. Nämä kennot tarjoavat paristoille lukemattomia käyttötarkoituksia.

​Alkaliparistot, joka käyttää erityisesti sinkkianodin ja magnesiumkatodin välistä reaktiota, käytetään taskulamppuihin, kannettaviin elektronisiin laitteisiin ja kaukosäätöihin. Muita esimerkkejä suosituista paristoelementeistä ovat litium, elohopea, pii, hopeaoksidi, kromihappo ja hiili.

Suunnittelumallit voivat hyödyntää paristojen tyhjentymistä energian säästämiseksi ja uudelleenkäytämiseksi. Edullisissa kotitalouksien paristoissa käytetään yleensä hiili-sinkkikennoja, jotka on suunniteltu siten, että jos sinkki käy läpigalvaaninen korroosio, prosessi, jossa metalli syöpyy ensisijaisesti, akku voi tuottaa sähköä osana suljettua elektronipiiriä.

Missä lämpötilassa paristot räjähtävät? Litiumioniakkujen solukemia tarkoittaa, että nämä paristot aloittavat kemialliset reaktiot, jotka johtavat niiden räjähdykseen noin 1000 ° C: ssa. Niiden sisällä oleva kuparimateriaali sulaa, mikä aiheuttaa sisäisten ytimien rikkoutumisen.

Vuonna 1836 brittiläinen kemisti John Frederic Daniell rakensiDaniell-solujossa hän käytti kahta elektrolyyttiä vain yhden sijasta, jotta toinen tuotti vetyä toisen kuluttamaan. Hän käytti sinkkisulfaattia rikkihapon sijasta, joka on tavallinen paristojen käytäntö.

Ennen sitä tutkijat käyttivät voltaattisia soluja, eräänlaista kemiallista solua, joka käyttää spontaania reaktiota, joka menetti voiman nopeasti. Daniell käytti kupari- ja sinkkilevyjen välistä estettä estääkseen ylimääräisen vedyn kuplimisen ja pysäyttäen akun kulumisen nopeasti. Hänen työnsä johtaisi innovaatioihin sähkeessä ja sähkömetallurgiassa, menetelmässä, jolla sähköenergiaa käytetään metallien tuottamiseen.

​Toissijaiset solutovat toisaalta ladattavia. Ladattava akku, jota kutsutaan myös varastointiparistoksi, toissijaiseksi kennoksi tai akuksi, varaa varauksen ajan myötä, kun katodi ja anodi on kytketty piiriin toistensa kanssa.

Latauksen aikana positiivinen aktiivimetalli, kuten nikkelioksidihydroksidi, hapetetaan, mikä luo elektroneja ja menettää ne, kun taas negatiivinen materiaali, kuten kadmium, vähenee, sieppaamalla elektroneja ja saamalla niitä. Akku käyttää lataus- ja purkusyklejä käyttämällä erilaisia ​​lähteitä, kuten vaihtovirta-sähköä ulkoisena jännitelähteenä.

Ladattavat akut voivat silti tyhjentyä toistuvan käytön jälkeen, koska reaktiossa mukana olevat materiaalit menettävät kykynsä ladata ja ladata uudelleen. Kun nämä akkujärjestelmät kuluvat, paristot tyhjenevät eri tavoin.

Koska paristoja käytetään rutiininomaisesti, jotkut niistä, kuten lyijyakut, saattavat menettää kykynsä ladata. Litiumioniakkujen litiumista voi tulla reaktiivinen litiummetalli, joka ei pääse takaisin lataus-purkausjaksoon. Nestemäisiä elektrolyyttejä sisältävien paristojen kosteus saattaa heikentyä haihtumisen tai ylikuormituksen vuoksi.

Näitä akkuja käytetään yleensä autojen käynnistimissä, pyörätuoleissa, sähköpolkupyörissä, sähkötyökaluissa ja paristojen varastointilaitteissa. Tutkijat ja insinöörit ovat tutkineet niiden käyttöä hybridipolttoakkuissa ja sähköajoneuvoissa tehostamaan virrankäyttöään ja kestävän pidempään.

Ladattava lyijyakku rikkoo vesimolekyylit (H₂O) vesipitoiseen vesiliuokseen (H⁺) ja oksidi-ionit (O^2-), joka tuottaa sähköenergiaa rikkoutuneesta sidoksesta, kun vesi menettää varauksensa. Kun vesipitoinen vesiliuos reagoi näiden oksidi-ionien kanssa, voimakkaita O-H-sidoksia käytetään akun virtalähteeseen.

Tämä kemiallinen energia saa aikaan redoksireaktion, joka muuntaa suurenergiset reaktantit matalamman energian tuotteiksi. Reagenssien ja tuotteiden välinen ero antaa reaktion tapahtua ja muodostaa sähköisen piirin, kun akku kytketään muuntamalla kemiallinen energia sähköenergiaksi.

Galvaanikennossa reaktanteilla, kuten metallisinkillä, on korkea vapaa energia, joka antaa reaktion tapahtua spontaanisti ilman ulkoista voimaa.

Anodissa ja katodissa käytetyillä metalleilla on ristikkokohesiiviset energiat, jotka voivat ajaa kemiallista reaktiota. Säleiden yhtenäinen energia on energia, jota tarvitaan metallin muodostavien atomien erottamiseen toisistaan. Metallisinkkiä, kadmiumia, litiumia ja natriumia käytetään usein, koska niillä on korkea ionisaatioenergia, pienin energia, joka tarvitaan elektronien poistamiseen elementistä.

Saman metallin ionien käyttämät galvaaniset solut voivat käyttää vapaan energian eroja saadakseen Gibbsin vapaan energian ohjaamaan reaktiota.Gibbsin vapaa energiaon toinen energiamuoto, jota käytetään termodynaamisen prosessin käyttämän työn määrän laskemiseen.

Tässä tapauksessa muutos standardissa vapaassa Gibbs-energiassaG^o käyttää jännitettä tai sähkömoottoriaE​​^ovoltteina yhtälön mukaan

jossav_eon reaktion aikana siirtyneiden elektronien lukumäärä ja F on Faradayn vakio (F = 96485,33 C mol⁻¹).

Δ_rG^o osoittaa, että yhtälö käyttää muutosta Gibbsin vapaassa energiassa (Δ_rG^o =​​G_lopullinen -​ ​G_alkukirjain).Entropia lisääntyy, kun reaktio käyttää käytettävissä olevaa vapaata energiaa. Daniell-solussa sinkin ja kuparin välinen hilan koheesioenergiaero muodostaa suurimman osan Gibbsin vapaasta energiaerosta reaktion tapahtuessa.Δ_rG^o= -213 kJ / mol, mikä on tuotteiden Gibbs-vapaan energian ja reagoivien aineiden ero.

Jos erotat galvaanisen kennon sähkökemiallisen reaktion hapetuksen ja pelkistyksen puolireaktioihin prosesseissa, voit laskea yhteen vastaavat sähkömoottorivoimat saadaksesi kokonaisjännite-eron, jota käytetään solu.

Esimerkiksi tyypillinen galvaaninen kenno voi käyttää CuSO: ta₄ ja ZnSO₄ normaalit mahdolliset puolireaktiot kuten:Cu²⁺ + 2 e⁻ ⇌ Cuvastaavalla sähkömoottoripotentiaalillaE^o = +0,34 VjaZn²⁺ + 2 e⁻ ⇌ Znpotentiaalin kanssaE^o = −0,76 V.​

Kokonaisreaktion vuoksiCu²⁺ + Zn ⇌ Cu + Zn²⁺ , voit "kääntää" sinkin puolireaktioyhtälön kääntämällä samalla sähkömoottorin voiman merkkiä saadaksesiZn ⇌ Zn²⁺ + 2 e⁻ kanssaE^o = 0,76 V.Tällöin kokonaisreaktiopotentiaali, sähkömoottorivoimien summa, on+0,34 V​ ​- (−0,76 V) = 1,10 V​.