Prečo sa batérie vybijú?

Pravdepodobne ste sa stretli s vybitím batérií, čo je nepríjemné, pokiaľ sa ich snažíte použiť v elektronických zariadeniach. Bunková chémia batérií vám môže povedať vlastnosti ich fungovania vrátane toho, ako sa vybijú.

•••Syed Hussain Ather

Keď elektrochemická reakcia batérie vyčerpá materiály, batéria sa vybije. Spravidla sa to stane po dlhšej dobe používania batérie.

Batérie zvyčajne používajú primárne články, typgalvanický článokktorá používa dva rôzne kovy v kvapalnom elektrolyte na umožnenie prenosu náboja medzi nimi. Pozitívne náboje prúdia zkatóda, postavené z katiónov alebo kladne nabitých iónov, ako je meď, doanóda, s aniónmi alebo negatívne nabitými iónmi, ako je zinok.

• Batérie sa vybijú v dôsledku vyschnutia chemikálií elektrolytu v batérii. V prípade alkalických batérií dôjde k premene všetkého oxidu manganičitého. V tomto štádiu je batéria vybitá.

Aby ste si tento vzťah pamätali, môžete si spomenúť na slovo „OILRIG“. Toto ti hovoríoxidácia je strata(„OLEJ“) a

Primárne bunky môžu tiež pracovať s jednotlivými poločlánkami rôznych kovov v iónovom roztoku spojenom soľným mostíkom alebo poréznou membránou. Tieto články poskytujú batérie s nespočetným využitím.

​Alkalické batérie, ktoré špecificky využívajú reakciu medzi zinkovou anódou a horčíkovou katódou, sa používajú pre baterky, prenosné elektronické zariadenia a diaľkové ovládače. Medzi ďalšie príklady populárnych prvkov batérie patria lítium, ortuť, kremík, oxid strieborný, kyselina chrómová a uhlík.

Inžinierske návrhy môžu využiť spôsob vybitia batérií na šetrenie a opätovné použitie energie. Lacné batérie pre domácnosť spravidla používajú články z uhlíka a zinku navrhnuté tak, aby v prípade, že zinok prejdegalvanická korózia, proces, pri ktorom prednostne koroduje kov, môže batéria vyrábať elektrinu ako súčasť uzavretého elektrónového obvodu.

Pri akej teplote explodujú batérie? Bunková chémia lítium-iónových batérií znamená, že tieto batérie spúšťajú chemické reakcie, ktoré vedú k ich výbuchu pri teplote okolo 1 000 ° C. Medený materiál v ich vnútri sa topí, čo spôsobuje prasknutie vnútorných jadier.

V roku 1836 skonštruoval britský chemik John Frederic DaniellDaniell bunkav ktorej použil namiesto jedného iba dva elektrolyty, aby nechal vodík vyrobený jedným spotrebovať druhý. Namiesto kyseliny sírovej používal síran zinočnatý, čo bola vtedajšia batéria bežná prax.

Pred tým vedci používali bunky voltaické, čo je typ chemickej bunky, ktorá využíva spontánnu reakciu a rýchlo strácala energiu. Daniell použil bariéru medzi medenými a zinkovými platňami, aby zabránil prebublávaniu prebytočného vodíka a zabránil rýchlemu opotrebovaniu batérie. Jeho práca by viedla k inováciám v telegrafii a elektrometalurgii, metóde využívania elektrickej energie na výrobu kovov.

​Sekundárne bunky, na druhej strane, sú nabíjateľné. Nabíjateľná batéria, ktorá sa tiež nazýva akumulačná batéria, sekundárny článok alebo akumulátor, akumuluje nabíjanie v čase, keď sú katóda a anóda vzájomne prepojené v obvode.

Pri nabíjaní dochádza k oxidácii pozitívneho aktívneho kovu, ako je hydroxid nikelnatý, za vzniku elektrónov a ich stratou, zatiaľ čo negatívny materiál ako je kadmium sa redukuje, zachytáva elektróny a priberá ich. Batéria využíva cykly nabíjania a vybíjania pomocou rôznych zdrojov, vrátane striedavého prúdu ako externého zdroja napätia.

Nabíjateľné batérie sa môžu po opakovanom použití vybiť, pretože materiály zapojené do reakcie strácajú schopnosť nabíjať a nabíjať. Pretože sa tieto systémy batérií opotrebovávajú, existujú rôzne spôsoby vybitia batérií.

Pri bežnom používaní batérií môžu niektoré z nich, napríklad olovené batérie, stratiť schopnosť dobíjania. Lítium lítium-iónových batérií sa môže stať reaktívnym kovom lítia, ktorý sa nemôže znovu dostať do cyklu nabíjania a vybíjania. Batérie s tekutými elektrolytmi môžu znižovať svoju vlhkosť v dôsledku odparovania alebo prebíjania.

Tieto batérie sa zvyčajne používajú v štartéroch automobilov, invalidných vozíkoch, elektrických bicykloch, elektrickom náradí a elektrárňach na skladovanie batérií. Vedci a inžinieri študovali ich použitie v hybridných spaľovacích batériách a elektrických vozidlách, aby boli efektívnejšie pri ich využívaní energie a aby vydržali dlhšie.

Nabíjateľná olovená batéria rozbíja molekuly vody (H₂O) do vodného roztoku vodíka (H⁺) a oxidové ióny (O^2-), ktorý vyrába elektrickú energiu z prerušenej väzby, keď voda stráca náboj. Keď vodný roztok vodíka reaguje s týmito oxidovými iónmi, používajú sa na napájanie batérie silné väzby O-H.

Táto chemická energia poháňa redoxnú reakciu, ktorá premieňa vysokoenergetické reaktanty na nízkoenergetické produkty. Rozdiel medzi reaktantmi a produktmi umožňuje, aby reakcia prebehla a vytvorí elektrický obvod, keď je batéria zapojená premenou chemickej energie na elektrickú.

V galvanickom článku majú reaktanty, ako je kovový zinok, vysokú voľnú energiu, ktorá umožňuje reakciu spontánne bez vonkajšej sily.

Kovy použité v anóde a katóde majú mriežkové súdržné energie, ktoré môžu riadiť chemickú reakciu. Mriežková súdržná energia je energia potrebná na oddelenie atómov, ktoré tvoria kov od seba. Kovový zinok, kadmium, lítium a sodík sa často používajú, pretože majú vysokú ionizačnú energiu, minimálnu energiu potrebnú na odstránenie elektrónov z prvku.

Galvanické články poháňané iónmi toho istého kovu môžu pomocou rozdielov vo voľnej energii spôsobiť, že Gibbsova voľná energia riadi reakciu. TheGibbsova voľná energiaje ďalšia forma energie použitej na výpočet množstva práce, ktorú využíva termodynamický proces.

V tomto prípade zmena štandardnej Gibbsovej voľnej energieG^o poháňa napätie alebo elektromotorickú siluE​​^ovo voltoch, podľa rovnice

v ktoromv_eje počet elektrónov prenesených počas reakcie a F je Faradayova konštanta (F = 96485,33 C mol⁻¹).

TheΔ_rG^o označuje, že rovnica využíva zmenu Gibbsovej voľnej energie (Δ_rG^o =​​G_konečné -​ ​G_{počiatočné}).Entropia sa zvyšuje, keď reakcia využíva dostupnú voľnú energiu. V Daniellovej bunke predstavuje rozdiel mriežkovej kohéznej energie medzi zinkom a meďou väčšinu Gibbsovho rozdielu voľnej energie, keď dôjde k reakcii.Δ_rG^o= -213 kJ / mol, čo je rozdiel v Gibbsovej voľnej energii produktov a reaktantov.

Ak rozdelíte elektrochemickú reakciu galvanického článku na polovičné reakcie oxidácie a redukcie procesov, môžete sčítať príslušné elektromotorické sily a získať tak celkový rozdiel napätia použitý v bunka.

Napríklad typický galvanický článok môže používať CuSO₄ a ZnSO₄ so štandardnými potenciálnymi polovičnými reakciami ako:Cu²⁺ + 2 e⁻ ⇌ Cuso zodpovedajúcim elektromotorickým potenciálomE^o = +0,34 VaZn²⁺ + 2 e⁻ ⇌ Zns potenciálomE^o = -0,76 V.​

Pre celkovú reakciuCu²⁺ + Zn ⇌ Cu + Zn²⁺ , môžete „preklopiť“ polovičnú reakčnú rovnicu pre zinok a zároveň preklopiť znamienko elektromotorickej sily na získanieZn ⇌ Zn²⁺ + 2 e⁻ sE^o = 0,76 V.Celkový reakčný potenciál, súčet elektromotorických síl, je potom+0,34 V​ ​- (- 0,76 V) = 1,10 V​.