Bateria alkaliczna jest akumulator, w którym wartość pH od jego składu elektrolitu jest proste. To jest główna różnica między tym akumulatorem a wieloma innymi, w których elektrolity są kwaśne; tak jak w przypadku akumulatorów cynkowo-węglowych, które wykorzystują sole NH 4 Cl lub nawet stężony kwas siarkowy w akumulatorach samochodowych.
Jest to również ogniwo suche, ponieważ elektrolity podstawowe są w postaci pasty o niskim procencie wilgotności; ale wystarczająco dużo, aby umożliwić migrację jonów uczestniczących w reakcjach chemicznych w kierunku elektrod, a tym samym zakończyć obwód elektronowy.
Źródło: Mike Mozart przez Flickr.
Na zdjęciu powyżej znajduje się bateria Duracell 9 V, jeden z najbardziej znanych przykładów baterii alkalicznych. Im większy akumulator, tym dłuższa jego żywotność i zdolność do pracy (zwłaszcza jeśli są używane do urządzeń energochłonnych). W przypadku małych urządzeń masz baterie AA i AAA.
Inną różnicą, poza pH ich składu elektrolitów, jest to, że bez względu na to, czy można je ładować, czy nie, zwykle działają dłużej niż akumulatory kwasowe.
Elementy baterii alkalicznych
W baterii cynkowo-węglowej znajdują się dwie elektrody: jedna cynkowa, a druga grafitowo-węglowa. W swojej „podstawowej wersji” jedna z elektrod zamiast być grafitem, składa się z tlenku manganu (IV), MnO 2 zmieszanego z grafitem.
Powierzchnie obu elektrod są zużywane i pokrywane ciałami stałymi powstałymi w wyniku reakcji.
Źródło: posiadacz wiodący, z Wikimedia Commons
Ponadto zamiast puszki z jednorodną powierzchnią cynku jako pojemnika na kuwety znajduje się seria płyt kompaktowych (górne zdjęcie).
Pośrodku wszystkich dysków znajduje się pręt z MnO 2 , na którego górnym końcu wystaje podkładka izolacyjna i oznacza biegun dodatni (katodę) akumulatora.
Zwróć uwagę, że dyski są pokryte porowatą i metaliczną warstwą; ta ostatnia może być również cienką folią z tworzywa sztucznego.
Podstawą komórki jest biegun ujemny, w którym cynk utlenia się i uwalnia elektrony; ale te wymagają zewnętrznego obwodu, aby dotrzeć do górnej części akumulatora, jego dodatniego bieguna.
Powierzchnia cynku nie jest gładka, jak w przypadku ogniw Leclanché, ale szorstka; to znaczy mają wiele porów i dużą powierzchnię, co zwiększa aktywność baterii.
Elektrolity podstawowe
Kształt i struktura baterii zmienia się w zależności od typu i konstrukcji. Jednak wszystkie baterie alkaliczne mają wspólne podstawowe pH składu elektrolitu, które wynika z dodania NaOH lub KOH do pasty.
Właściwie to jony OH - te, które biorą udział w reakcjach odpowiedzialnych za energię elektryczną dostarczaną przez te obiekty.
Funkcjonowanie
Po podłączeniu baterii alkalicznej do urządzenia i włączeniu cynku natychmiast reaguje z OH - z pasty:
Zn (s) + 2OH - (aq) => Zn (OH) 2 (s) + 2e -
2 elektrony uwolnione podczas utleniania cynku wędrują do obwodu zewnętrznego, gdzie są odpowiedzialne za uruchomienie elektronicznego mechanizmu urządzenia.
Następnie powracają do akumulatora przez biegun dodatni (+), czyli katodę; to znaczy przechodzą przez elektrodę grafitową MnO 2 . Ponieważ makaron ma pewną wilgotność, zachodzi następująca reakcja:
2MnO 2 (s) + 2H 2 O (l) + 2e - => 2MnO (OH) (s) + 2OH - (aq)
Teraz MnO 2 jest redukowany lub zyskuje elektrony Zn. Z tego powodu zacisk ten odpowiada katodzie, w której następuje redukcja.
Należy zauważyć, że OH - jest regenerowany pod koniec cyklu, aby wznowić utlenianie Zn; innymi słowy, dyfundują do środka pasty, aż ponownie wejdą w kontakt ze sproszkowanym cynkiem.
Podobnie, gazowe produkty nie są uformowane, jak to ma miejsce w komórce cynk-węgiel, w którym: NH 3 i H 2 są generowane .
Nadejdzie moment, w którym cała powierzchnia elektrody zostanie pokryta ciałami stałymi Zn (OH) 2 i MnO (OH), kończąc żywotność baterii.
Akumulatory
Opisana bateria alkaliczna nie nadaje się do ponownego naładowania, więc gdy jest „martwa”, nie ma możliwości jej ponownego użycia. Nie dzieje się tak w przypadku akumulatorów, które charakteryzują się odwracalnymi reakcjami.
Aby zamienić produkty w reagenty, prąd elektryczny musi być przyłożony w przeciwnym kierunku (nie od anody do katody, ale od katody do anody).
Przykładem baterii alkalicznej wielokrotnego ładowania jest NiMH. Składa się z anody NiOOH, która traci elektrony na rzecz katody niklowo-wodorkowej. Kiedy bateria jest używana, rozładowuje się i stąd pochodzi dobrze znana fraza „ładuj baterię”.
Dzięki temu w razie potrzeby można go ładować setki razy; jednak czasu nie można całkowicie odwrócić i osiągnąć pierwotnych warunków (co byłoby nienaturalne).
Nie można go również ładować w dowolny sposób: należy przestrzegać zaleceń producenta.
Dlatego prędzej czy później te baterie również giną i tracą skuteczność. Jednak ma tę zaletę, że nie można go szybko wyrzucić, co w mniejszym stopniu przyczynia się do zanieczyszczenia.
Inne akumulatory to baterie niklowo-kadmowe i litowe.
Aplikacje
Źródło: Pxhere.
Niektóre warianty baterii alkalicznych są tak małe, że można je stosować w zegarkach, pilotach, zegarach, radiach, zabawkach, komputerach, konsolach, latarkach itp. Inne są większe niż figurka klona Gwiezdnych Wojen.
W rzeczywistości to te na rynku przeważają nad innymi typami baterii (przynajmniej do użytku domowego). Działają dłużej i generują więcej energii elektrycznej niż konwencjonalne baterie Leclanché.
Chociaż bateria cynkowo-manganowa nie zawiera substancji toksycznych, inne baterie, takie jak baterie rtęciowe, otwierają debatę na temat ich możliwego wpływu na środowisko.
Z drugiej strony baterie alkaliczne działają bardzo dobrze w szerokim zakresie temperatur; Mogą pracować nawet poniżej 0 ° C, są więc dobrym źródłem energii elektrycznej dla tych urządzeń, które są otoczone lodem.
Bibliografia
- Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia. (8th ed.). CENGAGE Learning.
- Konstabl. (10 maja 2014). Dowiedz się więcej o najbardziej niezawodnych bateriach alkalicznych. Odzyskany z: upsbatterycenter.com
- Duracell. (2018). Często zadawane pytania: nauka. Odzyskany z: duracell.mx
- Boyer, Timothy. (19 kwietnia 2018). Jaka jest różnica między bateriami alkalicznymi i niealkalicznymi? Nauka. Odzyskany z: sciencing.com
- Michael W. Davidson i The Florida State University. (2018). Bateria alkaliczno-manganowa. Odzyskany z: micro.magnet.fsu.edu