Jūs tikriausiai susidūrėte su išsikrovusiais akumuliatoriais, o tai yra nemalonus dalykas, jei bandote juos naudoti elektronikos prietaisuose. Ląstelių chemija gali parodyti, kaip jos veikia, taip pat ir apie tai, kaip jos išsenka.
Baterijų ląstelių chemija
•••Syedas Hussainas Atheris
Kai akumuliatoriaus elektrocheminė reakcija sunaudoja medžiagas, baterija išsenka. Tai paprastai įvyksta po ilgo akumuliatoriaus naudojimo.
Baterijose paprastai naudojami pirminiai elementaigalvaninis elementaskuris naudoja du skirtingus metalus skystame elektrolite, kad būtų galima perkelti krūvį tarp jų. Teigiami krūviai teka iškatodas, pastatytas katijonais arba teigiamai įkrautais jonais, tokiais kaip varis, įanodas, su anijonais arba neigiamai įkrautais jonais, tokiais kaip cinkas.
Patarimai
Baterijos išsenka dėl to, kad elektrolito cheminės medžiagos išdžiūsta akumuliatoriuje. Šarminių baterijų atveju tada visas mangano dioksidas paverčiamas. Šiame etape akumuliatorius išsikrovęs.
Norėdami prisiminti šiuos santykius, galite prisiminti žodį „OILRIG“. Tai jums tai sako
Pirminės ląstelės taip pat gali dirbti su atskiromis skirtingų metalų pusės ląstelėmis joniniame tirpale, sujungtame druskos tiltu arba porėta membrana. Šie elementai akumuliatoriams suteikia begalę panaudojimo galimybių.
Šarminės baterijos, kurie specialiai naudoja cinko anodo ir magnio katodo reakciją, naudojami žibintuvėliams, nešiojamiesiems elektroniniams prietaisams ir nuotolinio valdymo pultams. Kiti populiarių akumuliatorių elementų pavyzdžiai yra ličio, gyvsidabrio, silicio, sidabro oksido, chromo rūgšties ir anglies.
Inžineriniai projektai gali pasinaudoti akumuliatorių išsikrovimo pranašumais, kad būtų taupoma ir pakartotinai naudojama energija. Nebrangiose buitinėse baterijose paprastai naudojami anglies-cinko elementai, suprojektuoti taip, kad, jei cinkas būtų naudojamasgalvaninė korozija, procesas, kurio metu metalas dažniausiai korozuoja, akumuliatorius gali gaminti elektrą kaip uždaros elektronų grandinės dalį.
Kokioje temperatūroje sprogsta baterijos? Ličio jonų baterijų ląstelių chemija reiškia, kad šios baterijos pradeda chemines reakcijas, dėl kurių jie sprogsta maždaug 1 000 ° C temperatūroje. Jų viduje esanti vario medžiaga ištirpsta, todėl vidinės šerdys lūžta.
Cheminės ląstelės istorija
1836 m. Britų chemikas Johnas Fredericas Daniellas pastatėDaniell ląstelėkuriame jis naudojo du elektrolitus, o ne tik vieną, kad vienas pagamintą vandenilį galėtų sunaudoti kitas. Jis vietoj sieros rūgšties naudojo cinko sulfatą - įprasta to meto baterijų praktika.
Prieš tai mokslininkai naudojo voltaicines ląsteles - tam tikros rūšies chemines ląsteles, kuriose naudojama spontaniška reakcija, kuri greitai prarado galią. Daniell naudojo barjerą tarp vario ir cinko plokščių, kad išvengtų burbuliukų pertekliaus ir kad baterija greitai nenusidėvėtų. Jo darbas paskatintų telegrafijos ir elektrometalurgijos - metodo, kaip naudoti elektrą metalams gaminti, naujoves.
Kaip išsikrauna įkraunamos baterijos
Antrinės ląstelės, kita vertus, yra įkraunami. Įkraunama baterija, dar vadinama akumuliatoriumi, antriniu elementu ar akumuliatoriumi, laikui bėgant kaupia įkrovą, nes katodas ir anodas sujungiami grandinėje.
Įkraunant, teigiamas aktyvus metalas, pavyzdžiui, nikelio oksido hidroksidas, oksiduojasi, sukurdamas elektronus ir jų praradimas, tuo tarpu neigiama medžiaga, tokia kaip kadmis, sumažėja, gaudant elektronus ir gaunant juos. Baterija naudoja įkrovimo ir iškrovimo ciklus, naudodama įvairius šaltinius, įskaitant kintamosios srovės elektros energiją kaip išorinį įtampos šaltinį.
Pakartotinai naudojant, įkraunamos baterijos vis tiek gali išsikrauti, nes reakcijoje dalyvaujančios medžiagos praranda galimybę įkrauti ir įkrauti. Kai šios baterijų sistemos susidėvi, baterijos išsenka.
Kadangi baterijos naudojamos įprastai, kai kurios iš jų, pavyzdžiui, rūgštinės švino baterijos, gali prarasti galimybę įkrauti. Ličio jonų akumuliatorių ličio gali tapti reaktyviu ličio metalu, kuris negali vėl patekti į įkrovimo-iškrovimo ciklą. Baterijų su skystais elektrolitais gali sumažėti drėgmė dėl garavimo ar per didelio įkrovimo.
Įkraunamų baterijų taikymas
Šios baterijos paprastai naudojamos automobilių starteriuose, neįgaliųjų vežimėliuose, elektriniuose dviračiuose, elektriniuose įrankiuose ir akumuliatorių saugyklose. Mokslininkai ir inžinieriai ištyrė jų naudojimą hibridinėse vidaus degimo baterijose ir elektrinėse transporto priemonėse, kad būtų efektyviau naudojama energija ir tarnautų ilgiau.
Įkraunama švino rūgšties baterija suskaido vandens molekules (H2O) į vandeninį vandenilio tirpalą (H+) ir oksido jonai (O2-), kuris gamina elektros energiją iš nutrūkusio ryšio, kai vanduo praranda savo krūvį. Kai vandeninis vandenilio tirpalas reaguoja su šiais oksido jonais, akumuliatoriui maitinti naudojamos stiprios O-H jungtys.
Baterijos reakcijų fizika
Ši cheminė energija skatina redoksinę reakciją, kuri paverčia daug energijos turinčius reagentus mažesnės energijos produktais. Reagentų ir produktų skirtumas leidžia įvykti reakcijai ir sudaro elektros grandinę, kai akumuliatorius yra prijungtas, cheminę energiją paverčiant elektros energija.
Galvaninėje ląstelėje reagentai, tokie kaip metalinis cinkas, turi didelę laisvą energiją, leidžiančią reakcijai vykti savaime be išorinės jėgos.
Metaluose, naudojamuose anode ir katode, yra grotelių sujungimo energijos, galinčios paskatinti cheminę reakciją. Tinklinė rišamoji energija yra energija, reikalinga atskirti atomus, kurie gamina metalą vienas nuo kito. Dažnai naudojamas metalinis cinkas, kadmis, liitis ir natris, nes jie pasižymi didele jonizacijos energija - mažiausia energija, reikalinga elektronams pašalinti iš elemento.
Galvaninės ląstelės, varomos to paties metalo jonų, gali naudoti laisvos energijos skirtumus, kad paskatintų laisvą Gibso energiją paskatinti reakciją. TheGibso laisva energijayra dar viena energijos forma, naudojama termodinaminio proceso darbo kiekiui apskaičiuoti.
Šiuo atveju standartinės Gibbso laisvos energijos pokytisGo lemia įtampą arba elektromotorinę jėgąEovoltais, pagal lygtį
E ^ {\ text {o}} = \ frac {- \ Delta_rG ^ {\ text {o}}} {v_eF}
kuriameveyra reakcijos metu perduodamų elektronų skaičius, o F yra Faradėjaus konstanta (F = 96485,33 C mol−1).
TheΔrGo rodo, kad lygtis naudoja Gibbso laisvosios energijos pokytį (ΔrGo =Ggalutinis - Gpradinis).Entropija didėja, kai reakcija naudoja turimą laisvą energiją. „Daniell“ ląstelėje grotelių darnus energijos skirtumas tarp cinko ir vario sudaro didžiąją dalį Gibbso laisvosios energijos skirtumo, kai vyksta reakcija.ΔrGo= -213 kJ / mol, tai yra produktų ir reagentų laisvosios Gibbso energijos skirtumas.
Galvaninės ląstelės įtampa
Jei atskirsite galvaninio elemento elektrocheminę reakciją į pusines oksidacijos ir redukcijos reakcijas procesus, galite susumuoti atitinkamas elektrovaros jėgas, kad gautumėte bendrą įtampos skirtumą, naudojamą ląstelė.
Pvz., Tipiškoje galvaninėje ląstelėje gali būti naudojamas CuSO4 ir ZnSO4 su standartinėmis galimomis pusinėmis reakcijomis:Cu2+ + 2 e− ⇌ Cuturintis atitinkamą elektromotorinį potencialąEo = +0,34 VirZn2+ + 2 e− ⇌ Znsu potencialuEo = −0,76 V.
Dėl bendros reakcijosCu2+ + Zn ⇌ Cu + Zn2+ , galite „apversti“ pusinę cinko reakcijos lygtį, apversdami elektromotorinės jėgos ženklą, kad gautumėteZn ⇌ Zn2+ + 2 e− suEo = 0,76 V.Tada yra bendras reakcijos potencialas, elektromotorinių jėgų suma+0,34 V - (−0,76 V) = 1,10 V.