რატომ ხდება ბატარეების სიბრტყე?

თქვენ ალბათ შეგექმნათ ბატარეების გაშლა, რაც უსიამოვნოა, თუ ცდილობთ გამოიყენოთ ისინი ელექტრონულ მოწყობილობებში. ელემენტების უჯრედული ქიმია დაგეხმარებათ იმის შესახებ, თუ როგორ მუშაობს ისინი, მათ შორის სიბრტყეზე.

•••საიდ ჰუსეინ ათერი

როდესაც ბატარეის ელექტროქიმიური რეაქცია ამცირებს მასალებს, ბატარეა იშლება. ეს ჩვეულებრივ ხდება ბატარეის დიდი ხნის გამოყენების შემდეგ.

ზოგადად, ელემენტები იყენებენ პირველადი უჯრედების ტიპსგალვანური უჯრედირომელიც თხევად ელექტროლიტში იყენებს ორ განსხვავებულ მეტალს, რათა მათ შორის მუხტის გადაცემა მოხდეს. დადებითი მუხტები მოედინება იქიდანკათოდი, აგებულია კათიონებით ან დადებითად დამუხტული იონებით, როგორიცაა სპილენძი,ანოდი, ანიონებით ან უარყოფითად დამუხტული იონებით, როგორიცაა თუთია.

• ბატარეები ითიშება ელექტროლიტის ქიმიკატების გამოშრობის შედეგად. ტუტე ელემენტების შემთხვევაში, ეს ხდება მაშინ, როდესაც მანგანუმის დიოქსიდი გარდაიქმნება. ამ ეტაპზე აკუმულატორი დგას.

ამ ურთიერთობის დამახსოვრება შეგიძლიათ გახსოვდეთ სიტყვა "OILRIG". ეს გეუბნება ამასდაჟანგვა არის დანაკარგი

პირველადი უჯრედები ასევე შეიძლება იმუშაონ სხვადასხვა მეტალების ინდივიდუალურ ნახევარუჯრედებთან იონურ ხსნარში, რომლებიც დაკავშირებულია მარილის ხიდით ან ფოროვანი გარსით. ეს უჯრედები უზრუნველყოფს აკუმულატორებს უამრავი გამოყენებით.

​ტუტე ბატარეები, რომლებიც სპეციალურად იყენებენ რეაქციას თუთიის ანოდსა და მაგნიუმის კათოდს შორის, გამოიყენება ფანრების, პორტატული ელექტრონული მოწყობილობებისა და დისტანციური მართვისთვის. ბატარეის პოპულარული ელემენტების სხვა მაგალითებია ლითიუმი, ვერცხლისწყალი, სილიციუმი, ვერცხლის ოქსიდი, ქრომჟავა და ნახშირბადი.

ინჟინერიის დიზაინს შეუძლია გამოიყენოს ელემენტების სიბრტყეზე ენერგიის დაზოგვა და ხელახალი გამოყენება. დაბალფასიანი საყოფაცხოვრებო ელემენტები ჩვეულებრივ იყენებენ ნახშირბადის თუთიის უჯრედებს, რომლებიც შექმნილია ისე, რომ თუ თუთია განიცდისგალვანური კოროზია, პროცესი, როდესაც ლითონი უპირატესად კოროზიირდება, ბატარეამ შეიძლება წარმოქმნას ელექტროენერგია, როგორც დახურული ელექტრონული სქემის ნაწილი.

რა ტემპერატურაზე ფეთქდება ბატარეები? ლითიუმ-იონური ელემენტების უჯრედული ქიმია ნიშნავს, რომ ეს ელემენტები იწყებენ ქიმიურ რეაქციებს, რის შედეგადაც ხდება მათი აფეთქება დაახლოებით 1000 ° C ტემპერატურაზე. მათ შიგნით სპილენძის მასალა დნება, რაც იწვევს შიდა ბირთვების გაწყვეტას.

1836 წელს ბრიტანელმა ქიმიკოსმა ჯონ ფრედერიკ დენიელმა ააშენადენიელის უჯრედირომელშიც მან გამოიყენა ორი ელექტროლიტი, მხოლოდ ერთის ნაცვლად, რათა ერთის მიერ წარმოებული წყალბადის სხვისი მოხმარება. მან გოგირდმჟავას ნაცვლად გამოიყენა თუთიის სულფატი, რაც იმდროინდელი ბატარეების ჩვეულებრივი პრაქტიკაა.

მანამდე მეცნიერებმა გამოიყენეს ვოლტაური უჯრედები, ქიმიური უჯრედების ტიპი, რომელიც იყენებს სპონტანურ რეაქციას, რომელმაც ენერგია დაკარგა სწრაფი ტემპებით. დენიელმა გამოიყენა ბარიერი სპილენძისა და თუთიის ფირფიტებს შორის, რათა თავიდან იქნას აცილებული ჭარბი წყალბადის ბუშტუკები და შეაჩეროს ბატარეის სწრაფად ჩაქრობა. მისი ნამუშევრები გამოიწვევს სიახლეებს ტელეგრაფიასა და ელექტრო მეტალურგიაში, ლითონების წარმოებისთვის ელექტრო ენერგიის გამოყენების მეთოდში.

​საშუალო უჯრედებიმეორეს მხრივ, დატენვის საშუალებაა. მრავალჯერადი დატენვის ბატარეა, რომელსაც ასევე ეწოდება საცავის ბატარეა, მეორადი უჯრედი ან აკუმულატორი, მაღაზიები დროთა განმავლობაში იტენება, რადგან კათოდი და ანოდი ერთმანეთთან ჩართულია წრეში.

დატენვისას იჟანგება პოზიტიური აქტიური ლითონი, მაგალითად, ნიკელის ოქსიდის ჰიდროქსიდი, რაც ქმნის ელექტრონებს და მათი დაკარგვა, ხოლო ნეგატიური მასალა, როგორიცაა კადმიუმი, მცირდება, ელექტრონებს იპყრობს და იძენს მათ აკუმულატორი იყენებს დამუხტვის-განმუხტვის ციკლებს სხვადასხვა წყაროს გამოყენებით, მათ შორის ალტერნატიული მიმდინარე ელექტროენერგიით, როგორც გარე ძაბვის წყაროს.

მრავალჯერადი გამოყენების შემდეგ მრავალჯერადი დატენვის ბატარეები შეიძლება გაბრწყინდეს, რადგან რეაქციაში მონაწილე მასალები კარგავს დატენვის და დატენვის უნარს. ამ აკუმულატორების სისტემების გამოფიტვასთან ერთად, ბატარეები ითიშება სხვადასხვა გზით.

ბატარეების ჩვეულებრივ გამოყენებასთან ერთად, ზოგიერთმა მათგანმა, მაგალითად, ტყვიის მჟავე ბატარეებმა შეიძლება დაკარგოს დატენვის უნარი. ლითიუმ-იონური ელემენტების ლითიუმი შეიძლება გახდეს რეაქტიული ლითიუმის ლითონი, რომელსაც აღარ შეუძლია შევიდეს მუხტის გამოყოფის ციკლში. თხევადი ელექტროლიტების მქონე ბატარეებმა შეიძლება შეამცირონ მათი ტენიანობა აორთქლების ან გადატვირთვის გამო.

ეს ელემენტები ზოგადად გამოიყენება ავტომობილების დამწყებებში, ინვალიდის ეტლებში, ელექტრო ველოსიპედებში, დენის ხელსაწყოებსა და კვების ელემენტების შესანახი ელექტროსადგურებში. მეცნიერებმა და ინჟინრებმა შეისწავლეს მათი გამოყენება ჰიბრიდული შიდა წვის ბატარეის და ელექტრომობილებში, რომ უფრო ეფექტური გახდეს მათი ენერგიის გამოყენება და გახანგრძლივება.

დატენვის ტყვიის მჟავა ბატარეა არღვევს წყლის მოლეკულებს (ჰ₂ო) წყალბადის წყალხსნარში (ჰ⁺) და ოქსიდის იონები (ო^2-) რომელიც წარმოქმნის ელექტრულ ენერგიას გატეხილი კავშირისგან, რადგან წყალი კარგავს მუხტს. როდესაც წყალბადის წყალხსნარი რეაგირებს ამ ოქსიდურ იონებთან, მძლავრი O-H კავშირები გამოიყენება ბატარეის ენერგიის მისაცემად.

ეს ქიმიური ენერგია აძლიერებს რედოქს რეაქციას, რომელიც მაღალენერგეტიკულ რეაქტორებს გარდაქმნის ქვედა ენერგიის პროდუქტებზე. რეაქციებსა და პროდუქტებს შორის განსხვავება საშუალებას იძლევა რეაქცია მოხდეს და ქმნის ელექტრულ წრედ, როდესაც აკუმულატორი უკავშირდება ქიმიური ენერგიის ელექტრულ ენერგიად გადაქცევას.

გალვანურ უჯრედში, რეაქციებს, მაგალითად მეტალის თუთიას, აქვთ მაღალი თავისუფალი ენერგია, რაც საშუალებას აძლევს რეაქციას სპონტანურად მოხდეს გარეშე ძალის გარეშე.

ანოდსა და კათოდში გამოყენებულ მეტალებს აქვთ ქსელის შეკრული ენერგია, რომელსაც შეუძლია ქიმიური რეაქციის მართვა. ქსელის შეკრული ენერგია არის ენერგია, რომელიც საჭიროა ატომების გამოყოფისთვის, რომლებიც მეტალს ქმნიან ერთმანეთისგან. ხშირად გამოიყენება მეტალიკი თუთია, კადმიუმი, ლითიუმი და ნატრიუმი, რადგან მათ აქვთ მაღალი იონიზაციის ენერგია, ელემენტისგან ელექტრონების ამოსაღებად მინიმალური ენერგია.

გალვანური უჯრედები, რომლებსაც იმავე ლითონის იონები მართავენ, შეუძლიათ გამოიყენონ თავისუფალი ენერგიის განსხვავებები, რათა გიბსის თავისუფალი ენერგია გამოიწვიოს რეაქციის გასაქანადებლად.გიბსის თავისუფალი ენერგიაენერგიის კიდევ ერთი ფორმაა, რომელიც გამოიყენება თერმოდინამიკური პროცესის მუშაობის ოდენობის გამოსათვლელად.

ამ შემთხვევაში, სტანდარტული გიბსის თავისუფალი ენერგიის ცვლილებაგ^ო მართავს ძაბვას, ან ელექტროძრავასე​​^ოვოლტებში, განტოლების მიხედვით

რომელშიცვ_ეარის რეაქციის დროს გადატანილი ელექტრონების რაოდენობა და F არის ფარადეის მუდმივა (F = 96485,33 C მოლი⁻¹).

Δ_რგ^ო მიუთითებს, რომ განტოლება იყენებს გიბსის თავისუფალი ენერგიის ცვლილებას (Δ_რგ^ო =​​გ_{საბოლოო} -​ ​გ_{საწყისი}).ენტროპია იზრდება, რადგან რეაქცია იყენებს არსებულ თავისუფალ ენერგიას. დანიელის უჯრედში, ქსელში შეკრული ენერგიის სხვაობა თუთიასა და სპილენძს შორის გიბსის თავისუფალი ენერგიის სხვაობის უმეტეს ნაწილს წარმოადგენს, როგორც რეაქცია ხდება.Δ_რგ^ო= -213 კჯ / მოლ, რაც არის განსხვავება გიბსის უფასო ენერგიასა და რეაქტიულ ნივთიერებებში.

თუ გალვანური უჯრედის ელექტროქიმიურ რეაქციას გამოყოფთ დაჟანგვის და შემცირების ნახევარ რეაქციად პროცესებში შეგიძლიათ შეაჯამოთ შესაბამისი ელექტროძრავის ძალები მთლიანი ძაბვის სხვაობის მისაღებად საკანი

მაგალითად, ტიპიურ გალვანურ უჯრედს შეუძლია გამოიყენოს CuSO₄ და ZnSO₄ სტანდარტული პოტენციური ნახევარი რეაქციით:კუ²⁺ + 2 ე⁻ ⇌ Cuშესაბამისი ელექტროძრავის პოტენციალითე^ო = +0,34 ვდაZn²⁺ + 2 ე⁻ N Znპოტენციალითე^ო = .0,76 ვ.​

საერთო რეაქციისთვისკუ²⁺ + Zn ⇌ Cu + Zn²⁺ , თქვენ შეგიძლიათ "გადააბრუნოთ" თუთიის რეაქციის ნახევარი განტოლება ელექტროძრავის ძალის ნიშნის გადატრიალებისასZn ⇌ Zn²⁺ + 2 ე⁻ თანე^ო = 0,76 ვ.საერთო რეაქციის პოტენციალი, ელექტროძრავის ძალების ჯამია+0,34 ვ​ ​- (−0,76 ვ) = 1,10 ვ​.