RODZAJE, CHARAKTERYSTYKA I REAKCJE BATERII - CHEMIA - 2026

Na rynku można kupić różne typy baterii o własnych właściwościach . Baterie, które są niczym innym jak ogniwami galwanicznymi, zapewniają konsumentom przewagę polegającą na przenoszeniu energii elektrycznej w dowolne miejsce (o ile warunki nie są drastyczne).

Baterie można zwykle kupić izolowane; ale są one również osiągane w połączeniu ze sobą szeregowo lub równolegle, których zestaw jest tym, co nazywają bateriami. I dlatego czasami terminy „baterie” i „baterie” są używane bezkrytycznie, nawet jeśli nie są tym samym.

Baterie alkaliczne: jeden z najpopularniejszych typów baterii. Źródło: Pexels.

Stosy mogą mieć niezliczone kolory, kształty i rozmiary, tak jak mogą być wykonane z innych materiałów. Podobnie, co ważniejsze, ich wewnętrzna struktura, w której zachodzą reakcje chemiczne generujące elektryczność, służy do ich wzajemnego rozróżnienia.

Na przykład powyższy obrazek przedstawia trzy baterie alkaliczne, jedną z najpopularniejszych. Termin alkaliczny odnosi się do faktu, że ośrodek, w którym następuje uwalnianie i przepływ elektronów, jest zasadowy; to znaczy ma pH większe niż 7 i przeważają aniony OH ^- oraz inne ładunki ujemne.

Ranking ogólny

Zanim zajmiemy się niektórymi z różnych typów baterii, należy wiedzieć, że są one globalnie klasyfikowane jako pierwotne lub wtórne.

Podstawowy

Akumulatory pierwotne to takie, które po zużyciu należy wyrzucić lub poddać recyklingowi, ponieważ reakcja chemiczna, na której opiera się prąd elektryczny, jest nieodwracalna. Dlatego nie można ich ładować.

Są głównie używane w zastosowaniach, w których ładowanie energii elektrycznej jest niepraktyczne; na przykład w urządzeniach wojskowych, na środku pola bitwy. Podobnie są przeznaczone do sprzętu, który zużywa mało energii, dzięki czemu działają dłużej; na przykład piloty lub przenośne konsole (takie jak Gameboy, Tetris i Tamagotchi).

Baterie alkaliczne, żeby przytoczyć inny przykład, również należą do typu podstawowego. Zwykle mają cylindryczne kształty, chociaż nie oznacza to, że cylindryczne baterie nie mogą być bateriami wtórnymi ani ładowalnymi.

licea

W przeciwieństwie do baterii podstawowych, baterie dodatkowe można ładować po wyczerpaniu się energii.

Dzieje się tak dlatego, że zachodzące w nich reakcje chemiczne są odwracalne, a zatem po przyłożeniu pewnego napięcia powoduje, że gatunki produktu ponownie stają się reaktywne, a tym samym ponownie rozpoczynają reakcję.

Niektóre ogniwa wtórne (zwane bateriami) są zwykle małe, podobnie jak podstawowe; jednakże są one przeznaczone do urządzeń, które zużywają więcej energii i w przypadku których użycie baterii pierwotnych byłoby niepraktyczne pod względem ekonomicznym i energetycznym. Na przykład baterie do telefonów komórkowych zawierają dodatkowe ogniwa.

Ponadto ogniwa wtórne są przeznaczone do dużych urządzeń lub obwodów; na przykład akumulatory samochodowe, które składają się z kilku akumulatorów lub ogniw galwanicznych.

Zwykle są droższe niż ogniwa i baterie pierwotne, ale w przypadku długotrwałego użytkowania stają się bardziej odpowiednią i skuteczną opcją.

Inne aspekty

Stosy są klasyfikowane jako podstawowe lub drugorzędne; ale komercyjnie lub popularnie klasyfikuje się je zazwyczaj ze względu na ich kształt (cylindryczny, prostokątny, guzikowy), przeznaczenie urządzenia (aparaty, pojazdy, kalkulatory), ich nazwy (AA, AAA, C, D, N, A23 itp. ) oraz ich kody IEC i ANSI.

Ponadto cechy, takie jak ich napięcie (od 1,2 do 12 V), a także ich żywotność i ceny, są odpowiedzialne za nadanie im określonej klasyfikacji w oczach konsumenta.

Lista typów baterii

-Węglo-cynk

Baterie węglowo-cynkowe (znane również jako ogniwa Leclanché lub baterie solne) są jednymi z najbardziej prymitywnych i są obecnie uważane za prawie nieużywane w porównaniu z innymi bateriami; zwłaszcza w porównaniu do baterii alkalicznych, które choć są nieco droższe, mają dłuższą żywotność i napięcia.

Jak sama nazwa wskazuje, jego elektrody składają się z puszki cynkowej i pręta grafitowego, odpowiadających odpowiednio anodzie i katodzie.

W pierwszej elektrodzie, anodzie, elektrony powstają w wyniku utleniania metalicznego cynku. Elektrony te następnie przechodzą przez obwód zewnętrzny, który zasila urządzenie energią elektryczną, a następnie trafiają do katody grafitowej, gdzie cykl kończy się redukcją dwutlenku manganu, w którym jest zanurzony.

Reakcje

Równania chemiczne dla reakcji zachodzących na elektrodach są następujące:

Zn (s) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (anoda)

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

Te baterie są bardzo podobne do baterii alkalicznych: obie są cylindryczne (takie jak na zdjęciu). Jednak baterie cynkowo-węglowe można odróżnić, odczytując szczegółowo charakterystykę oznaczoną na zewnątrz lub jeśli ich kod IEC jest poprzedzony literą R. Ich napięcie wynosi 1,5 V.

-Alkaliczny

Baterie alkaliczne są bardzo podobne do typu węglowo-cynkowego, z tą różnicą, że medium, w którym znajdują się elektrody, zawiera aniony OH ^- . Medium to składa się z silnych elektrolitów wodorotlenku potasu, KOH, który dostarcza OH ^- które uczestniczą i „współpracują” w migracji elektronów.

Występuje w różnych rozmiarach i napięciach, chociaż najczęściej jest to 1,5 V. Są to prawdopodobnie najbardziej znane baterie na rynku (na przykład Duracell).

Reakcje, które zachodzą na twoich elektrodach to:

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

2MnO ₂ (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- → Mn ₂ O ₃ (s) + 2OH ^- (aq) (Katoda)

Wraz ze wzrostem temperatury szybciej zachodzą reakcje i szybciej rozładowują się baterie. Co ciekawe, rozpowszechniły się popularne plotki o umieszczeniu ich w zamrażarce w celu przedłużenia ich życia; Jednak po schłodzeniu jego zawartość może ulec zestaleniu, co może prowadzić do późniejszych wad lub zagrożeń.

Rtęć

Prawdopodobna bateria rtęciowa, którą można pomylić z baterią srebrowo-tlenkową. Źródło: Multicherry.

Baterie rtęciowe są bardzo charakterystyczne ze względu na specyficzny kształt srebrnych guzików (zdjęcie powyżej). Niemal każdy rozpoznałby je na pierwszy rzut oka. Są również alkaliczne, ale ich katoda zawiera oprócz grafitu i dwutlenku manganu tlenek rtęci, HgO; która po redukcji przekształca się w metaliczną rtęć:

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

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

Zwróć uwagę, jak aniony OH ^- są zużywane i regenerowane w tych reakcjach komórkowych .

Jako małe baterie jest przeznaczony do małych urządzeń, takich jak zegarki, kalkulatory, kontrolki zabawek itp. Każdy, kto używał któregokolwiek z tych przedmiotów, zorientuje się, że nie ma potrzeby wymiany baterii przez prawie „wieczność”; co odpowiadałoby około 10 latom.

Tlenek srebra

Baterie srebrowo-tlenkowe. Źródło: Lukas A, CZE.

Główną wadą baterii rtęciowych jest to, że po wyrzuceniu stanowią poważny problem dla środowiska ze względu na toksyczne właściwości tego metalu. Być może dlatego brakuje w nim kodów IEC i ANSI. W przypadku baterii z tlenkiem srebra ich kod IEC jest poprzedzony literą S.

Jednym z zamienników baterii rtęciowych jest bateria srebrowo-tlenkowa, znacznie droższa, ale o mniejszym wpływie na środowisko (górne zdjęcie). Pierwotnie zawierały rtęć, aby chronić cynk przed korozją alkaliczną.

Dostępny jest z napięciem 1,5 V, a jego zastosowania są bardzo podobne do tych z baterii rtęciowej. W rzeczywistości na pierwszy rzut oka obie baterie wyglądają identycznie; chociaż mogą występować znacznie większe stosy tlenku srebra.

Reakcje na jego elektrodach to:

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

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

Następnie woda ulega elektrolizie, rozkładając się na jony H ⁺ i OH ^- .

Zauważ, że zamiast rtęci na katodzie tworzy się metaliczne srebro.

-Nikiel-kadm (NiCad)

Bateria NiCd. Źródło: LordOider.

Od tego momentu brane są pod uwagę ogniwa lub baterie wtórne. Podobnie jak baterie rtęciowe, baterie niklowo-kadmowe są szkodliwe dla środowiska (dla dzikiej przyrody i zdrowia) ze względu na metaliczny kadm.

Charakteryzują się wytwarzaniem dużych prądów elektrycznych i można je ładować wielokrotnie. W rzeczywistości można je ładować łącznie 2000 razy, co jest równoznaczne z niezwykłą trwałością.

Jego elektrody składają się z wodorotlenku niklu NiO (OH) na katodzie i metalicznego kadmu na anodzie. Powody chemiczne pozostają zasadniczo takie same: kadm (zamiast cynku) traci elektrony, a kadm NiO (OH) je zyskuje.

Reakcje półogniw to:

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

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

Aniony OH ^- znowu pochodzą z elektrolitu KOH. Baterie niklowo-kadmowe ostatecznie wytwarzają wodorotlenki niklu i kadmu.

Stosowane są pojedynczo lub łączone w paczki (jak żółty, obrazek powyżej). Więc przychodzą w dużych lub małych paczkach. Maluchy znajdują zastosowanie w zabawkach; ale te duże są używane w samolotach i pojazdach elektrycznych.

-Niklowo-wodorek metalu (Ni-HM)

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

Innym dobrze znanym ogniwem lub baterią, która przewyższa NiCad pod względem pojemności energetycznej, jest Ni-HM (nikiel i wodorek metalu). Może mieć format cylindryczny (konwencjonalne baterie, zdjęcie powyżej) lub połączony w baterię.

Pod względem chemicznym ma prawie takie same właściwości jak akumulatory NiCad, z główną różnicą polegającą na ich elektrodzie ujemnej: katodą nie jest kadm, ale międzymetaliczny stop ziem rzadkich i metali przejściowych.

Stop ten jest odpowiedzialny za pochłanianie wodoru powstającego podczas ładowania, tworząc złożony wodorek metalu (stąd w jego nazwie litera H).

Chociaż akumulatory Ni-HM zapewniają większą moc (około 40% więcej), są droższe, szybciej się zużywają i nie można ich ładować tyle razy, co akumulatory NiCad; to znaczy mają krótszy okres użytkowania. Brakuje im jednak efektu pamięci (utrata wydajności akumulatorów z powodu niepełnego rozładowania).

Z tego powodu nie należy ich używać w maszynach, które pracują długo; chociaż ten problem został złagodzony dzięki akumulatorom LSD-NiHM. Podobnie ogniwa lub akumulatory Ni-HM mają bardzo stabilne właściwości termiczne, dzięki czemu mogą działać w szerokim zakresie temperatur bez stwarzania ryzyka.

Reakcje

Reakcje, które zachodzą na twoich elektrodach to:

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

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

-Ion-lit

Bateria litowo-jonowa do laptopa. Źródło: Kristoferb z Wikipedii.

W ogniwach i bateriach litowych opierają się na migracji jonów Li ⁺ , które są przenoszone z anody na katodę, będącą produktem odpychania elektrostatycznego spowodowanego wzrastającym ładunkiem dodatnim.

Niektóre z nich można ładować, jak np. Baterie do laptopów (górne zdjęcie), a innych nie można w przypadku baterii cylindrycznych i prostokątnych (LiSO ₂ , LiSOCl ₂ lub LiMnO ₂ ).

Akumulatory litowo-jonowe charakteryzują się dużą lekkością i energią, co pozwala na zastosowanie ich w wielu urządzeniach elektronicznych, takich jak smartfony czy sprzęt medyczny. Podobnie prawie nie cierpią z powodu efektu pamięci, ich gęstość ładunku jest większa niż w przypadku ogniw i baterii NiCad i Ni-HM, a ich rozładowanie trwa dłużej.

Jednak są bardzo wrażliwe na wysokie temperatury, a nawet wybuchają; a ponadto wydają się być droższe w porównaniu z innymi bateriami. Mimo to baterie litowe są na rynku dobrze oceniane i wielu konsumentów ocenia je jako najlepsze.

-Kwasowy ołów

Typowy akumulator kwasowo-ołowiowy do samochodów. Źródło: Tntflash

I wreszcie bakterie kwasowo-ołowiowe, jak sama nazwa wskazuje, nie zawierają jonów OH ^- ale H ⁺ ; w szczególności stężony roztwór kwasu siarkowego. Ogniwa galwaniczne znajdują się w ich skrzynkach (górne zdjęcie), gdzie trzy lub sześć z nich można połączyć szeregowo, dając odpowiednio baterię 6 lub 12 V.

Jest w stanie generować duże ilości ładunku elektrycznego, a ponieważ są bardzo ciężkie, są przeznaczone do zastosowań lub urządzeń, których nie można transportować ręcznie; na przykład samochody, panele słoneczne i łodzie podwodne. Ten akumulator kwasowy jest najstarszym i nadal istnieje w branży motoryzacyjnej.

Jego elektrody są wykonane z ołowiu: PbO ₂ dla katody i gąbczastego metalicznego ołowiu dla anody. Zachodzące w nich reakcje to:

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

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

Bibliografia

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia. (8th ed.). CENGAGE Learning.
2. Odunlade Emmanuel. (24 lipca 2018). Różne rodzaje baterii i ich zastosowania. Circuit Digest. Odzyskany z: circuitdigest.com
3. TEST. (sf). Rodzaje akumulatorów. Odzyskany z: prba.org
4. Isidor Buchman. (2019). Jaka jest najlepsza bateria? Uniwersytet Baterii. Odzyskane z: batteryuniversity.com
5. Firmy McGraw-Hill. (2007). Rozdział 12: Baterie. . Odzyskany z: oakton.edu
6. Shapley Patricia. (2012). Popularne typy baterii. University of Illinois. Odzyskany z: butane.chem.uiuc.edu
7. Postawa ekologiczna. (22 stycznia 2017). Rodzaje baterii: kompletny przewodnik z istniejącymi bateriami. Odzyskane z: actitudecologica.com