Zakaj se baterije izpraznijo?

Verjetno ste že naleteli na prazne baterije, kar je moteče, če jih poskušate uporabljati v elektronskih napravah. Celična kemija baterij vam lahko pove lastnosti, kako delujejo, vključno s tem, kako gredo ravno.

•••Syed Hussain Ather

Ko elektrokemijska reakcija baterije izprazni materiale, se baterija izprazni. To se običajno zgodi po daljšem času uporabe baterije.

Baterije običajno uporabljajo primarne celice, vrstogalvanska celicaki uporablja dve različni kovini v tekočem elektrolitu, da omogoča prenos naboja med njima. Pozitivni naboji tečejo izkatoda, zgrajena s kationi ali pozitivno nabitimi ioni, kot je baker, naanodaz anioni ali negativno nabitimi ioni, kot je cink.

• Zaradi izsušitve kemikalij elektrolita v bateriji se baterije izpraznijo. Pri alkalnih baterijah se takrat pretvori ves manganov dioksid. Na tej stopnji je baterija prazna.

Če si želite zapomniti to zvezo, si lahko zapomnite besedo "OILRIG." To vam poveoksidacija je izguba("OIL") inzmanjšanje je dobiček

Primarne celice lahko delujejo tudi s posameznimi polcelicami različnih kovin v ionski raztopini, povezani s solnim mostom ali porozno membrano. Te celice zagotavljajo baterijam nešteto uporab.

​Alkalne baterije, ki posebej uporabljajo reakcijo med cinkovo ​​anodo in magnezijevo katodo, se uporabljajo za svetilke, prenosne elektronske naprave in daljinske upravljalnike. Drugi primeri priljubljenih baterijskih elementov vključujejo litij, živo srebro, silicij, srebrni oksid, kromovo kislino in ogljik.

Inženirski projekti lahko izkoristijo način, kako se baterije izpraznijo, da prihranijo in ponovno uporabijo energijo. V poceni gospodinjskih baterijah se običajno uporabljajo ogljikovo-cinkove celice, zasnovane tako, da če je cink podvržengalvanska korozija, postopek, pri katerem kovina prednostno korodira, lahko baterija proizvaja elektriko kot del zaprtega elektronskega kroga.

Pri kateri temperaturi eksplodirajo baterije? Kemija celic litij-ionskih baterij pomeni, da te baterije začnejo s kemičnimi reakcijami, ki povzročijo eksplozijo pri približno 1.000 ° C. Bakren material v njih se stopi, zaradi česar se notranja jedra lomijo.

Leta 1836 je britanski kemik John Frederic Daniell zgradilCelica Daniellpri katerem je uporabil dva elektrolita, namesto samo enega, da je drug vodiku omogočil, da ga je proizvedel eden. Namesto žveplove kisline je uporabljal cinkov sulfat, običajna praksa baterij tistega časa.

Pred tem so znanstveniki uporabljali voltaične celice, vrsto kemičnih celic, ki uporabljajo spontano reakcijo, ki je hitro izgubljala moč. Daniell je uporabil pregrado med bakreno in cinkovo ​​ploščo, da bi preprečil brbotanje odvečnega vodika in preprečil hitro obrabo baterije. Njegovo delo bi vodilo k novostim v telegrafiji in elektrometalurgiji, načinu uporabe električne energije za proizvodnjo kovin.

​Sekundarne celice, po drugi strani pa so polnilne. Akumulatorska baterija, imenovana tudi akumulatorska baterija, sekundarna celica ali akumulator, shrani polnjenje skozi čas, ko sta katoda in anoda medsebojno povezana v vezje.

Pri polnjenju pozitivna aktivna kovina, kot je hidrogen oksid nikljevega oksida, oksidira in tvori elektrone in jih izgublja, medtem ko se negativni material, kot je kadmij, zmanjša, zajame elektrone in pridobi njim. Baterija uporablja cikle polnjenja in praznjenja, pri čemer uporablja različne vire, vključno z izmeničnim tokom, kot zunanji vir napetosti.

Akumulatorske baterije se po večkratni uporabi še vedno lahko pokvarijo, ker materiali, ki sodelujejo v reakciji, izgubijo sposobnost polnjenja in ponovnega polnjenja. Ker se ti baterijski sistemi obrabljajo, obstajajo različni načini, kako se baterije izpraznijo.

Ker se baterije uporabljajo redno, lahko nekatere od njih, na primer svinčene kisline, izgubijo sposobnost polnjenja. Litij litij-ionskih baterij lahko postane reaktivna litijeva kovina, ki ne more ponovno vstopiti v cikel praznjenja naboja. Baterije s tekočimi elektroliti lahko zaradi izhlapevanja ali prekomernega polnjenja zmanjšajo vlago.

Te baterije se običajno uporabljajo v avtomobilskih zaganjalnikih, invalidskih vozičkih, električnih kolesih, električnih orodjih in elektrarnah za shranjevanje baterij. Znanstveniki in inženirji so preučevali njihovo uporabo v hibridnih akumulatorjih z notranjim zgorevanjem in električnih vozilih, da bi postali učinkovitejši pri rabi energije in trajali dlje.

Polnilna svinčeno-akumulatorska baterija razbija molekule vode (H₂O) v vodno raztopino vodika (H⁺) in oksidni ioni (O^2-), ki proizvaja električno energijo iz pretrgane vezi, ko voda izgubi naboj. Ko vodna raztopina vodika reagira s temi oksidnimi ioni, se močne vezi O-H uporabljajo za napajanje akumulatorja.

Ta kemična energija poganja redoks reakcijo, ki pretvori visokoenergijske reaktante v nižjeenergijske produkte. Razlika med reaktanti in produkti omogoča reakcijo in tvori električni tokokrog, ko je baterija priključena s pretvorbo kemične energije v električno energijo.

V galvanski celici imajo reaktanti, kot je kovinski cink, veliko proste energije, zaradi česar lahko pride do spontane reakcije brez zunanje sile.

Kovine, ki se uporabljajo v anodi in katodi, imajo energijo kohezijske mreže, ki lahko vodi do kemične reakcije. Kohezijska energija rešetke je energija, potrebna za ločevanje atomov, ki tvorijo kovino, drug od drugega. Pogosto se uporabljajo kovinski cink, kadmij, litij in natrij, ker imajo visoke energije ionizacije, najmanjšo energijo, potrebno za odstranjevanje elektronov iz elementa.

Galvanske celice, ki jih poganjajo ioni iste kovine, lahko uporabljajo razlike v prosti energiji, da povzročijo Gibbsovo prosto energijo, da vodi reakcijo. TheGibbsova prosta energijaje druga oblika energije, ki se uporablja za izračun količine dela, ki ga uporablja termodinamični proces.

V tem primeru sprememba standardne Gibbsove proste energijeG^o poganja napetost ali elektromotorno siloE​​^ov voltih, v skladu z enačbo

v kateriv_eje število elektronov, prenesenih med reakcijo, F pa Faradayeva konstanta (F = 96485,33 C mol⁻¹).

TheΔ_rG^o pomeni, da enačba uporablja spremembo Gibbsove proste energije (Δ_rG^o =​​G_dokončno -​ ​G_začetno).Entropija se poveča, ko reakcija porabi razpoložljivo prosto energijo. V Danielovi celici razlika v kohezijski energiji med cinkom in bakrom predstavlja večino Gibbsove proste energijske razlike, ko pride do reakcije.Δ_rG^o= -213 kJ / mol, kar je razlika v Gibbsovi prosti energiji izdelkov in reaktantov.

Če ločite elektrokemično reakcijo galvanske celice na polovične reakcije oksidacije in redukcije procese, lahko seštejete ustrezne elektromotorne sile, da dobite skupno napetostno razliko, uporabljeno v celica.

Na primer, tipična galvanska celica lahko uporablja CuSO₄ in ZnSO₄ s standardnimi potencialnimi polovičnimi reakcijami kot:Cu²⁺ + 2 e⁻ ⇌ Cuz ustreznim elektromotornim potencialomE^o = +0,34 VinZn²⁺ + 2 e⁻ ⇌ Zns potencialomE^o = -0,76 V.​

Za celotno reakcijo,Cu²⁺ + Zn ⇌ Cu + Zn²⁺ , lahko med obračanjem znaka elektromotorne sile "preklopite" polovično reakcijsko enačbo cinka, da dobiteZn ⇌ Zn²⁺ + 2 e⁻ sE^o = 0,76 V.Takrat je celotni reakcijski potencial, vsota elektromotornih sil+0,34 V​ ​- (−0,76 V) = 1,10 V​.