De ce se descarcă bateriile?

Probabil ați întâlnit baterii care se descarcă, ceea ce este o pacoste dacă încercați să le utilizați în dispozitivele electronice. Chimia celulară a bateriilor vă poate spune proprietățile modului lor de funcționare, inclusiv modul în care acestea se descompun.

•••Syed Hussain Ather

Când reacția electrochimică a unei baterii epuizează materialele, bateria se descarcă. Acest lucru se întâmplă în general după o perioadă lungă de utilizare a bateriei.

Bateriile folosesc în general celule primare, un tip decelulă galvanicăcare folosește două metale diferite într-un electrolit lichid pentru a permite transferul de sarcină între ele. Încărcăturile pozitive curg dincatod, construite cu cationi sau ioni încărcați pozitiv, cum ar fi cuprul, laanod, cu anioni sau ioni încărcați negativ precum zincul.

• Bateriile se epuizează ca urmare a uscării substanțelor chimice ale electrolitului în interiorul bateriei. În cazul bateriilor alcaline, acesta este momentul în care s-a transformat tot dioxidul de mangan. În acest stadiu, bateria este descărcată.

Pentru a vă aminti această relație, vă puteți aminti cuvântul „OILRIG”. Acest lucru vă spune căoxidarea este pierdere(„ULEIU”) șireducerea este câștig(„RIG”) de electroni.mnemonic pentru anodi și catods este „ANOX REDCAT” pentru a ne aminti că „ANodul” este utilizat cu „OXidare” și „REDUCEREA” are loc la „CAThode”.

Celulele primare pot lucra, de asemenea, cu semicelule individuale din diferite metale într-o soluție ionică conectată printr-o punte de sare sau o membrană poroasă. Aceste celule oferă baterii cu o multitudine de utilizări.

​Baterii alcaline, care utilizează în mod specific reacția dintre un anod de zinc și un catod de magneziu, sunt utilizate pentru lanterne, dispozitive electronice portabile și telecomenzi. Alte exemple de elemente populare ale bateriei includ litiu, mercur, siliciu, oxid de argint, acid crom și carbon.

Proiectele inginerești pot profita de modul în care bateriile se descarcă pentru a economisi și reutiliza energia. Bateriile de uz casnic ieftine utilizează, în general, celule carbon-zinc concepute astfel încât, dacă este supus zinculuicoroziune galvanica, un proces în care un metal se corodează preferențial, bateria poate produce electricitate ca parte a unui circuit de electroni închis.

La ce temperatură explodează bateriile? Chimia celulară a bateriilor litiu-ion înseamnă că aceste baterii declanșează reacții chimice care duc la explozia lor la aproximativ 1.000 ° C. Materialul de cupru din interiorul lor se topește, ceea ce determină ruperea miezurilor interne.

În 1836 chimistul britanic John Frederic Daniell a construitCelula Daniellîn care a folosit doi electroliți, în loc de unul singur, pentru a lăsa hidrogenul produs de unul să fie consumat de celălalt. El a folosit sulfat de zinc în loc de acid sulfuric, practică obișnuită a bateriilor de atunci.

Înainte, oamenii de știință au folosit celule voltaice, un tip de celulă chimică care folosește o reacție spontană, care a pierdut putere la viteze rapide. Daniell a folosit o barieră între plăcile de cupru și zinc pentru a preveni excesul de hidrogen de la barbotare și pentru a opri uzura rapidă a bateriei. Lucrarea sa va duce la inovații în telegrafie și electrometalurgie, metoda utilizării energiei electrice pentru a produce metale.

​Celule secundarepe de altă parte, sunt reîncărcabile. Bateria reîncărcabilă, numită și baterie de stocare, celulă secundară sau acumulator, stochează încărcarea în timp, deoarece catodul și anodul sunt conectați într-un circuit unul cu altul.

La încărcare, metalul activ pozitiv, cum ar fi hidroxidul de nichel oxid, se oxidează, creând electroni și pierderea lor, în timp ce materialul negativ, cum ar fi cadmiul, este redus, captând electroni și câștigând lor. Bateria utilizează cicluri de încărcare-descărcare utilizând o varietate de surse, inclusiv curent alternativ ca sursă externă de tensiune.

Bateriile reîncărcabile se pot descărca în continuare după utilizare repetată, deoarece materialele implicate în reacție își pierd capacitatea de încărcare și reîncărcare. Pe măsură ce aceste sisteme de baterii se uzează, există diferite moduri în care bateriile se descarcă.

Deoarece bateriile sunt utilizate în mod obișnuit, unele dintre ele, cum ar fi bateriile cu plumb-acid, pot pierde capacitatea de reîncărcare. Litiul bateriilor litiu-ion poate deveni reactiv litiu metalic care nu poate intra din nou în ciclul de încărcare-descărcare. Bateriile cu electroliți lichizi pot scădea umezeala lor datorită evaporării sau supraîncărcării.

Aceste baterii sunt utilizate în general la demaror, scaune cu rotile, biciclete electrice, scule electrice și centrale electrice de stocare a bateriilor. Oamenii de știință și inginerii au studiat utilizarea lor în bateriile hibride cu combustie internă și vehiculele electrice pentru a deveni mai eficienți în consumul lor de energie și pentru a rezista mai mult.

Bateria reîncărcabilă plumb-acid sparge moleculele de apă (H₂O) în soluție apoasă de hidrogen (H⁺) și ioni de oxid (O^2-) care produce energie electrică din legătura ruptă pe măsură ce apa își pierde sarcina. Când soluția apoasă de hidrogen reacționează cu acești ioni de oxid, legăturile puternice O-H sunt utilizate pentru a alimenta bateria.

Această energie chimică alimentează o reacție redox care transformă reactanții cu energie ridicată în produse cu energie redusă. Diferența dintre reactanți și produse lasă reacția să se producă și formează un circuit electric atunci când bateria este conectată prin conversia energiei chimice în energie electrică.

Într-o celulă galvanică, reactanții, cum ar fi zincul metalic, au o energie liberă mare care lasă reacția să se producă spontan fără forță externă.

Metalele utilizate în anod și catod au energii de coeziune a rețelei care pot conduce reacția chimică. Energia de coeziune a rețelei este energia necesară separării atomilor care formează metalul unul de celălalt. Zincul metalic, cadmiul, litiul și sodiul sunt adesea utilizate deoarece au energii de ionizare ridicate, energia minimă necesară pentru îndepărtarea electronilor dintr-un element.

Celulele galvanice conduse de ioni din același metal pot folosi diferențe de energie liberă pentru a determina energia liberă a lui Gibbs să conducă reacția.Energie liberă Gibbseste o altă formă de energie utilizată pentru a calcula cantitatea de muncă pe care o folosește un proces termodinamic.

În acest caz, schimbarea energiei standard Gibbs standardG^o antrenează tensiunea sau forța electromotivăE​​^oîn volți, conform ecuației

in carev_eeste numărul de electroni transferați în timpul reacției și F este constanta lui Faraday (F = 96485,33 C mol⁻¹).

Δ_rG^o indică că ecuația folosește schimbarea energiei libere Gibbs (Δ_rG^o =​​G_final -​ ​G_iniţială).Entropia crește pe măsură ce reacția folosește energia liberă disponibilă. În celula Daniell, diferența de energie coezivă a zăbrelii dintre zinc și cupru reprezintă cea mai mare parte a diferenței de energie liberă Gibbs pe măsură ce apare reacția.Δ_rG^o= -213 kJ / mol, care este diferența dintre energia liberă Gibbs a produselor și cea a reactanților.

Dacă separați reacția electrochimică a unei celule galvanice în jumătatea reacțiilor de oxidare și reducere procese, puteți însuma forțele electromotoare corespunzătoare pentru a obține diferența totală de tensiune utilizată în celulă.

De exemplu, o celulă galvanică tipică poate utiliza CuSO₄ și ZnSO₄ cu jumătăți de reacții potențiale standard ca:Cu²⁺ + 2 e⁻ ⇌ Cucu un potențial electromotor corespunzătorE^o = +0,34 VșiZn²⁺ + 2 e⁻ ⇌ Zncu potențialE^o = −0,76 V.​

Pentru reacția generală,Cu²⁺ + Zn ⇌ Cu + Zn²⁺ , puteți „răsturna” ecuația de jumătate a reacției pentru zinc în timp ce întoarceți semnul forței electromotoare pentru a obțineZn ⇌ Zn²⁺ + 2 e⁻ cuE^o = 0,76 V.Potențialul general de reacție, suma forțelor electromotoare, este atunci+0,34 V​ ​- (-0,76 V) = 1,10 V​.