Почему разряжаются батареи?

Вы, вероятно, сталкивались с разряженными батареями, что является неприятностью, если вы пытаетесь использовать их в электронных устройствах. Химический состав батарей может рассказать вам о том, как они работают, в том числе о том, как они разряжаются.

•••Сайед Хуссейн Атер

Когда электрохимическая реакция батареи истощает материалы, батарея разряжается. Обычно это происходит после длительного использования батареи.

Батареи обычно используют первичные элементы, типгальванический элементкоторый использует два разных металла в жидком электролите для передачи заряда между ними. Положительные заряды текут изкатод, построенный с катионами или положительно заряженными ионами, такими как медь, канод, с анионами или отрицательно заряженными ионами, такими как цинк.

• Батареи разряжаются в результате высыхания химикатов электролита внутри батареи. В случае щелочных батарей это когда весь диоксид марганца был преобразован. На этом этапе аккумулятор разряжен.

Чтобы запомнить эти отношения, вы можете вспомнить слово «ОЙЛРИГ». Это говорит вам, что

Первичные ячейки также могут работать с отдельными полуячейками из разных металлов в ионном растворе, соединенными солевым мостиком или пористой мембраной. Эти элементы предоставляют батареям множество применений.

​Щелочные батареи, которые специально используют реакцию между цинковым анодом и магниевым катодом, используются для фонарей, портативных электронных устройств и пультов дистанционного управления. Другие примеры популярных элементов батарей включают литий, ртуть, кремний, оксид серебра, хромовую кислоту и углерод.

Инженерные разработки могут использовать преимущества разрядки батарей для сохранения и повторного использования энергии. В недорогих бытовых батареях обычно используются угольно-цинковые элементы, сконструированные таким образом, что если цинк подвергаетсягальваническая коррозия, процесс, при котором металл преимущественно корродирует, батарея может вырабатывать электричество как часть замкнутой электронной цепи.

При какой температуре взрываются батареи? Химический состав литий-ионных батарей означает, что эти батареи начинают химические реакции, которые приводят к их взрыву при температуре около 1000 ° C. Медь внутри них плавится, что приводит к поломке внутренних сердечников.

В 1836 году британский химик Джон Фредерик Дэниелл сконструировалКлетка Даниэляв котором он использовал два электролита вместо одного, чтобы водород, произведенный одним, потреблялся другим. Он использовал сульфат цинка вместо серной кислоты, что было обычной практикой для батарей того времени.

До этого ученые использовали гальванические элементы, тип химических элементов, которые используют спонтанную реакцию, которая быстро теряет мощность. Даниэлл использовал барьер между медной и цинковой пластинами, чтобы предотвратить образование пузырьков водорода и быстрый износ батареи. Его работа привела к инновациям в телеграфии и электрометаллургии, методе использования электроэнергии для производства металлов.

​Вторичные клетки, с другой стороны, перезаряжаемые. Перезаряжаемая батарея, также называемая аккумуляторной батареей, вторичным элементом или аккумулятором, накапливает заряд с течением времени, поскольку катод и анод соединены в цепи друг с другом.

При зарядке положительный активный металл, такой как гидроксид никеля, окисляется, создавая электроны. и теряя их, в то время как отрицательный материал, такой как кадмий, восстанавливается, захватывая электроны и приобретая их. В аккумуляторе используются циклы зарядки-разрядки с использованием различных источников, включая электричество переменного тока в качестве внешнего источника напряжения.

Перезаряжаемые батареи могут разряжаться после многократного использования, потому что материалы, участвующие в реакции, теряют способность заряжаться и перезаряжаться. По мере того, как эти аккумуляторные системы изнашиваются, аккумуляторы разряжаются по-разному.

Поскольку батареи используются регулярно, некоторые из них, например свинцово-кислотные, могут потерять способность перезаряжаться. Литий литий-ионных аккумуляторов может стать реактивным металлическим литием, который не может повторно войти в цикл заряда-разряда. В аккумуляторах с жидкими электролитами может снизиться влажность из-за испарения или перезарядки.

Эти батареи обычно используются в автомобильных стартерах, инвалидных колясках, электрических велосипедах, электроинструментах и ​​аккумуляторных электростанциях. Ученые и инженеры изучили их использование в гибридных батареях внутреннего сгорания и электромобилях, чтобы они стали более эффективными в использовании энергии и прослужили дольше.

Перезаряжаемый свинцово-кислотный аккумулятор разрушает молекулы воды (ЧАС₂О) в водный раствор водорода (ЧАС⁺) и оксид-ионы (О^2-), который производит электрическую энергию из разорванной связи, поскольку вода теряет свой заряд. Когда водный раствор водорода вступает в реакцию с этими оксидными ионами, сильные связи O-H используются для питания батареи.

Эта химическая энергия поддерживает окислительно-восстановительную реакцию, которая преобразует высокоэнергетические реагенты в низкоэнергетические продукты. Разница между реагентами и продуктами позволяет реакции происходить и при подключении батареи образует электрическую цепь, преобразуя химическую энергию в электрическую.

В гальваническом элементе реагенты, такие как металлический цинк, обладают высокой свободной энергией, что позволяет реакции происходить самопроизвольно без внешней силы.

Металлы, используемые в аноде и катоде, обладают энергией сцепления решетки, которая может управлять химической реакцией. Энергия когезии решетки - это энергия, необходимая для разделения атомов, составляющих металл. Металлический цинк, кадмий, литий и натрий часто используются, потому что они имеют высокую энергию ионизации, минимальную энергию, необходимую для удаления электронов из элемента.

Гальванические элементы, управляемые ионами одного и того же металла, могут использовать разницу в свободной энергии, чтобы заставить свободную энергию Гиббса управлять реакцией. ВСвободная энергия Гиббсаэто еще одна форма энергии, используемая для расчета количества работы, затрачиваемой термодинамическим процессом.

В этом случае изменение стандартной свободной энергии Гиббсаграмм^о управляет напряжением или электродвижущей силойE​​^ов вольтах, согласно уравнению

в которомv_е- число электронов, перенесенных в ходе реакции, а F - постоянная Фарадея (F = 96485,33 Кл моль⁻¹).

ВΔ_рграмм^о указывает, что уравнение использует изменение свободной энергии Гиббса (Δ_рграмм^о =​​грамм_{окончательный} -​ ​грамм_{исходный}).Энтропия увеличивается, поскольку реакция использует доступную свободную энергию. В ячейке Даниэля разность энергий когезии решетки между цинком и медью составляет большую часть разницы свободной энергии Гиббса при протекании реакции.Δ_рграмм^о= -213 кДж / моль, что является разницей в свободной энергии Гиббса продуктов и реагентов.

Если разделить электрохимическую реакцию гальванического элемента на половинные реакции окисления и восстановления процессов, вы можете суммировать соответствующие электродвижущие силы, чтобы получить общую разность напряжений, используемую в клетка.

Например, в типичном гальваническом элементе может использоваться CuSO.₄ и ZnSO₄ со стандартными потенциальными половинными реакциями как:Cu²⁺ + 2 е⁻ ⇌ Cuс соответствующим электродвижущим потенциаломE^о = +0,34 Ва такжеZn²⁺ + 2 е⁻ ⇌ Znс потенциаломE^о = −0,76 В.​

Для общей реакцииCu²⁺ + Zn ⇌ Cu + Zn²⁺ , вы можете "перевернуть" уравнение половины реакции для цинка, меняя знак электродвижущей силы, чтобы получитьZn ⇌ Zn²⁺ + 2 е⁻ с участиемE^о = 0,76 В.Общий потенциал реакции, сумма электродвижущих сил, тогда+0,34 В​ ​- (−0,76 В) = 1,10 В​.