TYPY BATÉRIÍ, VLASTNOSTI A REAKCIE - CHÉMIA - 2025

Na trhu môžete získať rôzne typy batérií s vlastnými vlastnosťami . Batérie, ktoré nie sú ničím iným ako voltickými článkami, poskytujú spotrebiteľom výhodu, že si so sebou môžu vziať elektrinu kdekoľvek (pokiaľ podmienky nie sú drastické).

Batérie je zvyčajne možné zakúpiť izolovane; ale dosahujú sa tiež navzájom spojené do série alebo paralelne, ktorých súprava sa nazýva batériami. A preto sa niekedy pojmy „batérie“ a „batérie“ používajú bez rozdielu, aj keď nie sú rovnaké.

Alkalické batérie: jedna z najpopulárnejších typov batérií. Zdroj: Pexels.

Stohy môžu byť dodávané v nespočetných farbách, tvaroch a veľkostiach, rovnako ako môžu byť vyrobené z iných materiálov. Podobne a čo je dôležitejšie, jej vnútorná štruktúra, kde dochádza k chemickým reakciám, ktoré generujú elektrinu, slúži na ich odlíšenie.

Napríklad vyššie uvedený obrázok zobrazuje tri alkalické batérie, jednu z najbežnejších. Výraz alkalický sa týka skutočnosti, že médium, v ktorom dochádza k uvoľňovaniu a toku elektrónov, je zásadité; to znamená, že má pH väčšie ako 7 a OH ^- anióny a ďalšie záporné náboje prevažujú .

Všeobecné poradie

Pred zameraním sa na niektoré z rôznych typov batérií je potrebné vedieť, že sú globálne klasifikované ako primárne alebo sekundárne.

Primárny

Primárne batérie sú tie, ktoré po spotrebovaní musia byť zlikvidované alebo recyklované, pretože chemická reakcia, na ktorej je elektrický prúd založený, je nevratná. Preto ich nie je možné nabíjať.

Používajú sa hlavne v aplikáciách, kde je nepraktické dobíjať elektrickú energiu; napríklad vo vojenských zariadeniach, uprostred bojiska. Podobne sú navrhnuté pre zariadenia, ktoré spotrebúvajú málo energie, takže vydržia dlhšie; napríklad diaľkové ovládače alebo prenosné konzoly (napríklad Gameboy, Tetris a Tamagotchi).

Alkalické batérie, aby som uviedol ďalší príklad, tiež patria k primárnemu typu. Zvyčajne majú valcové tvary, aj keď to neznamená, že valcové batérie nemôžu byť sekundárne alebo dobíjateľné.

stredné školy

Na rozdiel od primárnych batérií sa sekundárne batérie môžu dobíjať, keď sa im takmer nevybije.

Je to tak preto, že chemické reakcie, ktoré sa v nich vyskytujú, sú reverzibilné, a preto po aplikácii určitého napätia spôsobujú, že druh produktu sa znova stáva reaktívnym, čím sa reakcia začína znova.

Niektoré sekundárne články (nazývané batérie) sú zvyčajne malé, ako tie primárne; sú však určené pre zariadenia, ktoré spotrebúvajú viac energie a pre ktoré by bolo použitie primárnych batérií ekonomicky a energeticky nepraktické. Napríklad batérie mobilného telefónu obsahujú sekundárne články.

Sekundárne články sú tiež navrhnuté pre veľké zariadenia alebo obvody; napríklad autobatérie, ktoré sú vyrobené z niekoľkých batérií alebo z voltických článkov.

Spravidla sú drahšie ako primárne články a batérie, ale na dlhodobé použitie sú vhodnejšou a efektívnejšou možnosťou.

Iné aspekty

Stohy sú klasifikované ako primárne alebo sekundárne; ale komerčne alebo populárno, zvyčajne sa klasifikujú podľa tvaru (valcový, obdĺžnikový, gombíkový), podľa zamýšľaného zariadenia (fotoaparáty, vozidlá, kalkulačky), ich názvov (AA, AAA, C, D, N, A23 atď.) ) a ich kódy IEC a ANSI.

Taktiež charakteristiky, ako je ich napätie (1,2 až 12 voltov), ​​ako aj ich životnosť a ceny, sú zodpovedné za to, aby im bola poskytnutá určitá klasifikácia v očiach spotrebiteľa.

Zoznam typov batérií

Uhlík-zinok

Uhlík-zinkové batérie (známe tiež ako články Leclanché alebo slané batérie) sú jednou z najprimitívnejších a v súčasnosti sa v porovnaní s inými batériami takmer nepoužívajú; najmä v porovnaní s alkalickými batériami, ktoré sú o niečo drahšie, majú dlhšiu životnosť a napätie.

Ako už názov napovedá, jeho elektródy pozostávajú zo zinkovej plechovky a grafitovej tyče zodpovedajúcej anóde a katóde.

V prvej elektróde, anóde, elektróny vznikajú oxidáciou kovového zinku. Tieto elektróny potom prechádzajú cez vonkajší obvod, ktorý napája zariadenie elektrickou energiou, a potom končia na grafitovej katóde, kde je cyklus ukončený redukciou oxidu manganičitého, do ktorého je ponorený.

reakcie

Chemické rovnice pre reakcie, ktoré sa vyskytujú na elektródach, sú:

Zn (s) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (anóda)

2 MnO ₂ (s) + 2e ^- + 2 NH ₄ Cl (aq) → Mn ₂ O ₃ (y) + 2 NH ₃ (aq) + H ₂ O (l) + 2 Cl ^- (aq) (katóda)

Tieto batérie sú veľmi podobné alkalickým batériám: obe sú cylindrické (ako napríklad batéria na obrázku). Uhlíkovo-zinkové batérie sa však dajú rozlíšiť podrobným prečítaním charakteristík označených na vonkajšej strane, alebo ak ich kódu IEC predchádza písmeno R. Ich napätie je 1,5 V.

-alkalické

Alkalické batérie sú veľmi podobné typu uhlík-zinok, s tým rozdielom, že médium, v ktorom sú umiestnené elektródy, obsahuje OH ^- anióny . Toto médium sa skladá zo silných elektrolytov hydroxidu draselného, ​​KOH, ktorý prispieva OH ^- ktoré sa podieľajú a „spolupracujú“ na migrácii elektrónov.

Dodáva sa v rôznych veľkostiach a napätiach, aj keď najbežnejší je 1.5V. Sú to pravdepodobne najznámejšie batérie na trhu (napríklad Duracell).

Reakcie, ktoré sa vyskytujú na vašich elektródach, sú:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- (anóda)

2MnO ₂ (S) + H ₂ O (l) + 2e ^- → Mn ₂ O ₃ (y) + 2OH ^- (aq) (katóda)

Ak teplota stúpa, tým rýchlejšie sa vyskytujú reakcie a rýchlejšie sa vybíjajú batérie. Je zaujímavé, že sa šírili populárne zvesti, aby ich vložili do mrazničky, aby sa zvýšila ich životnosť; Po ochladení však môže dôjsť k jeho tuhnutiu, čo môže viesť k následným chybám alebo rizikám.

ortuť

Pravdepodobná ortuťová batéria, ktorú je možné zameniť s batériou z oxidu strieborného. Zdroj: Multicherry.

Ortuťové batérie sú veľmi charakteristické vďaka svojmu zvláštnemu tvaru strieborných gombíkov (obrázok hore). Takmer všetci by ich poznali na prvý pohľad. Sú tiež zásadité, ale ich katóda obsahuje okrem grafitu a oxidu manganičitého aj oxid ortuti, HgO; ktorý sa po znížení premení na kovovú ortuť:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^-

HgO (y) + H ₂ O + 2e ^- → Hg (y) + 2OH ^-

Všimnite si, ako sa v týchto bunkových reakciách spotrebujú a regenerujú OH ^- anióny .

Keďže ide o malé batérie, je určený pre malé zariadenia, ako sú hodinky, kalkulačky, ovládače hračiek atď. Každý, kto použil ktorýkoľvek z týchto predmetov, si uvedomí, že nie je potrebné vymieňať batérie za takmer „večnosť“; čo by bolo približne 10 rokov, približne.

Oxid strieborný

Batérie oxidu strieborného. Zdroj: Lukas A, CZE.

Hlavnou chybou ortuťových batérií je to, že pri zneškodnení predstavujú vážny problém pre životné prostredie v dôsledku toxických vlastností tohto kovu. Možno práve preto jej chýbajú kódy IEC a ANSI. Pre batérie s oxidom strieborným je pred ich kódom IEC písmeno S.

Jedna z náhrad za ortuťové batérie zodpovedá batérii z oxidu strieborného, ​​oveľa drahšia, ale s menším ekologickým dopadom (horný obrázok). Pôvodne obsahovali ortuť na ochranu zinku pred alkalickou koróziou.

Je k dispozícii s napätím 1,5 V a jeho aplikácie sú veľmi podobné aplikáciám ortuti. V skutočnosti na prvý pohľad vyzerajú obe batérie rovnako; hoci môžu existovať omnoho väčšie hromady oxidu strieborného.

Reakcie na jeho elektródach sú:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → Zn (OH) ₂ (s) + 2e ^-

Ag ₂ O (y) + 2 H ⁺ (aq) + 2e ^- → 2Ag (y) + H ₂ O (l)

Voda následne sa elektrolýza, rozkladajúce sa do H ⁺ a OH ^- ióny .

Všimnite si, že namiesto ortuti sa na katóde vytvára kovové striebro.

-Nickel-kadmium (NiCad)

Batéria NiCd. Zdroj: LordOider.

Od tohto momentu sa zvažujú sekundárne články alebo batérie. Niklové kadmiové batérie, podobne ako ortuťové batérie, sú z dôvodu kovového kadmia škodlivé pre životné prostredie (pre voľne žijúce zvieratá a zdravie).

Vyznačujú sa generovaním vysokých elektrických prúdov a je ich možné mnohokrát nabíjať. V skutočnosti ich možno dobiť celkovo 2000-krát, čo sa rovná mimoriadnej životnosti.

Jeho elektródy pozostávajú z hydroxidu nikelnatého, NiO (OH) pre katódu a kovového kadmia pre anódu. Chemické odôvodnenie v podstate zostáva rovnaké: kadmium (namiesto zinku) stráca elektróny a kadmium NiO (OH) ich získava.

Polbunkové reakcie sú:

Cd (s) + 2OH ^- (aq) → Cd (OH) ₂ (s) + 2e ^-

2NiO (OH) (S) + 2 H ₂ O (l) + 2e ^- → 2Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq)

OH ^- anióny opäť pochádzajú z elektrolytu KOH. NiCad batérie potom nakoniec vytvárajú hydroxidy niklu a kadmia.

Používajú sa jednotlivo alebo spojené v baleniach (ako je to žlté, obrázok hore). Takže prichádzajú vo veľkých alebo malých baleniach. Deti si nájdu uplatnenie v hračkách; ale tie veľké sa používajú pre lietadlá a elektrické vozidlá.

- hydrid nikelnatých kovov (Ni-HM)

Ni-HM batérie. Zdroj: Ramesh NG z Flickr (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

Ďalším dobre známym článkom alebo batériou, ktorý prevyšuje energetické kapacity NiCad, je Ni-HM (nikel a hydrid kovu). Môže byť dodávaný vo valcovom formáte (konvenčné batérie, obrázok vyššie) alebo spojený v batérii.

Chemicky má takmer rovnaké vlastnosti ako NiCad batérie, pričom hlavným rozdielom je záporná elektróda: katóda nie je kadmium, ale intermetalická zliatina vzácnych zemín a prechodných kovov.

Táto zliatina je zodpovedná za absorpciu vodíka, ktorý sa tvorí počas nabíjania, za vzniku komplexného hydridu kovu (odtiaľ písmeno H v jeho názve).

Aj keď Ni-HM batérie poskytujú viac energie (približne o 40% viac), sú drahšie, rýchlejšie sa opotrebujú a nedajú sa opakovane nabíjať rovnakým spôsobom ako batérie NiCad; to znamená, že majú kratšiu životnosť. Chýba im však pamäťový efekt (strata výkonu batérií z dôvodu nedostatočného vybitia).

Z tohto dôvodu by sa nemali používať v strojoch, ktoré fungujú dlhodobo; tento problém sa však zmiernil s batériami LSD-NiHM. Podobne majú Ni-HM články alebo batérie veľmi stabilné tepelné vlastnosti, ktoré sú použiteľné v širokom rozsahu teplôt bez toho, aby predstavovali riziko.

reakcie

Reakcie, ktoré sa vyskytujú na vašich elektródach, sú:

Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (aq) ⇌ NiO (OH) (s) + H ₂ O (l) + e ^-

H ₂ O (l) + M (y) + e ^- ⇌ OH ^- (aq) + MH (y)

-Iónomeniče- - lítium

Lítium-iónová batéria pre notebook. Zdroj: Kristoferb z Wikipédie.

V lítiových článkoch a batériách sú založené na migrácii iónov Li ⁺ , ktoré sa prenášajú z anódy na katódu, čo je produkt elektrostatických odrazov v dôsledku zvyšujúceho sa pozitívneho náboja.

Niektoré sa dajú nabíjať, napríklad batérie pre laptop (horný obrázok), a iné, cylindrické a pravouhlé batérie (LiSO ₂ , LiSOCl ₂ alebo LiMnO ₂ ) nie.

Lítium-iónové batérie sa vyznačujú tým, že sú veľmi ľahké a energické, čo umožňuje ich použitie v mnohých elektronických zariadeniach, ako sú smartfóny a lekárske zariadenia. Rovnako ťažko trpia pamäťovým efektom, ich hustota náboja presahuje hustotu NiCad a Ni-HM článkov a batérií a vybíjanie trvá dlhšie.

Sú však veľmi citlivé na vysoké teploty, dokonca vybuchujú; a navyše majú tendenciu byť drahšie v porovnaní s inými batériami. Napriek tomu sú lítiové batérie na trhu vnímané priaznivo a veľa spotrebiteľov ich hodnotí ako najlepšie.

- Olovo

Typická olovená batéria pre automobily. Zdroj: Tntflash

A nakoniec, olovené kyslé baktérie, ako názov napovedá, neobsahujú OH ^- ale ióny H ⁺ ; konkrétne koncentrovaný roztok kyseliny sírovej. Voltické články sú umiestnené vo vnútri ich boxov (horný obrázok), kde tri alebo šesť z nich môže byť zapojených do série, čo dáva 6 alebo 12 V batériu.

Je schopný generovať veľké množstvo elektrického náboja a pretože je veľmi ťažký, je určený pre aplikácie alebo zariadenia, ktoré sa nedajú prepravovať ručne; napríklad automobily, solárne panely a ponorky. Táto kyslá batéria je najstaršia a je stále v automobilovom priemysle.

Jeho elektródy sú vyrobené z olova: PbO ₂ pre katódu a hubovité kovové vedenie pre anódu. Reakcie, ktoré sa v nich vyskytujú, sú:

Pb (y) + HSO ^- ₄ (aq) → PbSO ₄ (s) + H ⁺ (aq) + 2e ^-

PbO ₂ (s) + HSO ^- ₄ (aq) + 3H ⁺ (aq) + 2e ^- → PbSO ₄ (s) + 2 H ₂ O (l)

Referencie

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Learning.
2. Odunlade Emmanuel. (24. júla 2018). Rôzne typy batérií a ich aplikácie. Okruhový prehľad. Obnovené z: circuitdigest.com
3. TEST. (SF). Druhy batérií. Získané z: prba.org
4. Isidor Buchman. (2019). Aká je najlepšia batéria? Battery University. Obnovené z: batteryuniversity.com
5. Spoločnosti McGraw-Hill. (2007). Kapitola 12: Batérie. , Získané z: oakton.edu
6. Shapley Patricia. (2012). Bežné typy batérií. University of Illinois. Získané z: butane.chem.uiuc.edu
7. Ekologický postoj. (22. januára 2017). Typy batérií: kompletný sprievodca existujúcimi batériami. Obnovené z: actitudecologica.com