BATTERITYPER, EGENSKABER OG REAKTIONER - KEMI - 2025

På markedet kan du få forskellige typer batterier med deres egne egenskaber. Batterier, der ikke er andet end voltaiceller, giver forbrugerne fordelen ved at tage elektricitet med sig overalt (så længe betingelserne ikke er drastiske).

Batterier kan generelt købes isoleret; men de opnås også koblet med hinanden i serie eller parallelt, hvis sæt kommer til at være det, de kalder batterier. Og det er således, at udtrykket 'batterier' og 'batterier' undertiden bruges uregelmæssigt, selv når de ikke er ens.

Alkaline batterier: en af ​​de mest populære typer batterier. Kilde: Pexels.

Stakke kan fås i utallige farver, former og størrelser, ligesom de kan være lavet af andre materialer. Ligeledes og vigtigere er dens indre struktur, hvor de kemiske reaktioner, der genererer elektricitet, finder sted til at differentiere dem fra hinanden.

For eksempel viser billedet ovenfor tre alkaliske batterier, et af de mest almindelige. Udtrykket alkalisk henviser til det faktum, at mediet, hvor frigivelse og strøm af elektroner forekommer, er grundlæggende; det vil sige, det har en pH på mere end 7, og OH ^- anioner og andre negative ladninger dominerer.

Generel placering

Inden man adresserer nogle af de forskellige typer batterier derude, er det nødvendigt at vide, at disse globalt klassificeres som enten primære eller sekundære.

Primær

Primære batterier er de, der, når de først er forbrugt, skal kasseres eller genanvendes, da den kemiske reaktion, som den elektriske strøm bygger på, er irreversibel. Derfor kan de ikke genoplades.

De bruges hovedsageligt til applikationer, hvor det er upraktisk at genoplade elektrisk energi; såsom i militære enheder midt på slagmarken. Ligeledes er de designet til udstyr, der bruger lidt energi, så de holder længere; for eksempel fjernbetjeninger eller bærbare konsoller (såsom Gameboy, Tetris og Tamagotchi).

Alkaline batterier hører også til den primære type for at nævne et andet eksempel. De har normalt cylindriske former, skønt dette ikke indebærer, at cylindriske batterier ikke kan være sekundære eller genopladelige.

gymnasier

I modsætning til primære batterier kan sekundære batterier oplades, når de er tør for strøm.

Dette skyldes det faktum, at de kemiske reaktioner, der forekommer i dem, er reversible, og derfor, efter at de har påført en bestemt spænding, forårsager det, at produkttyperne bliver reaktive igen og således starter reaktionen igen.

Nogle sekundære celler (kaldet batterier) er normalt små, ligesom de primære; de er dog beregnet til enheder, der bruger mere energi, og som brug af primære batterier vil være upraktisk økonomisk og energisk. For eksempel indeholder mobiltelefonbatterier sekundære celler.

Sekundære celler er også designet til stort udstyr eller kredsløb; for eksempel bilbatterier, der består af flere batterier eller voltaiceller.

De er generelt dyrere end primære celler og batterier, men til langvarig brug ender de med at være en mere passende og effektiv mulighed.

Andre aspekter

Stakke klassificeres som enten primær eller sekundær; men kommercielt eller populært klassificeres de normalt efter deres form (cylindrisk, rektangulær, knap-type), den tilsigtede enhed (kameraer, køretøjer, regnemaskiner), deres navne (AA, AAA, C, D, N, A23 osv.)) og deres IEC- og ANSI-koder.

Egenskaber såsom deres spænding (1,2 til 12 volt) såvel som deres brugstid og priser er ansvarlige for at give dem en bestemt klassificering i forbrugernes øjne.

Liste over batterityper

Carbonatomet-zink

Carbon-zink-batterier (også kendt som Leclanché-celler eller saltbatterier) er en af ​​de mest primitive og betragtes i øjeblikket næsten som ubrugt sammenlignet med andre batterier; især sammenlignet med alkaliske batterier, som selv om de er lidt dyrere, har en længere levetid og spændinger.

Som navnet antyder består dens elektroder af en zinkboks og en grafitstang, svarende til henholdsvis anoden og katoden.

I den første elektrode, anoden, stammer elektroner ved oxidation af metallisk zink. Disse elektroner går derefter gennem et eksternt kredsløb, der fodrer enheden med elektrisk energi, og så ender de ved grafitkatoden, hvor cyklussen afsluttes ved at reducere mangandioxid, hvori den er nedsænket.

Reaktioner

De kemiske ligninger for reaktionerne, der finder sted ved elektroderne, er:

Zn (er) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (Anode)

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

Disse batterier ligner meget alkaliske batterier: begge er cylindriske (som den på billedet). Imidlertid kan carbon-zink-batterier skelnes ved at læse de egenskaber, der er mærket på ydersiden i detaljer, eller hvis deres IEC-kode er efterfulgt af bogstavet R. Deres spænding er 1,5 V.

-Alkaline

Alkaliske batterier ligner meget carbon-zink-typen med den forskel, at mediet, hvor elektroderne er placeret, indeholder OH ^- anioner. Dette medium består af stærke elektrolytter af kaliumhydroxid, KOH, som bidrager med OH ^- der deltager og "samarbejder" i migrationen af ​​elektroner.

Den findes i forskellige størrelser og spændinger, selvom den mest almindelige er 1,5V. Det er måske de mest kendte batterier på markedet (Duracell, for eksempel).

Reaktionerne, der opstår på dine elektroder, er:

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

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

Når temperaturen stiger, desto hurtigere forekommer reaktionerne, og desto hurtigere tømmes batterierne. Interessant nok spredte populære rygter sig for at sætte dem i fryseren for at øge deres levetid; Når det afkøles, kan dets indhold dog muligvis blive størknet, hvilket kan føre til efterfølgende mangler eller risici.

Kviksølv

Sandsynligt kviksølvbatteri, som kan forveksles med sølvoxidbatteriet. Kilde: Multicherry.

Kviksølbatterier er meget karakteristiske på grund af deres særegne form af sølvknapper (billede ovenfor). Næsten alle kunne genkende dem ved første øjekast. De er også basiske, men deres katode indeholder foruden grafit og mangandioxid kviksølvoxid, HgO; som efter reduktion omdannes til metallisk kviksølv:

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

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

Bemærk, hvordan OH ^- anioner indtages og regenereres i disse cellereaktioner.

Som små batterier er det beregnet til små enheder, såsom ure, regnemaskiner, legetøjskontroller osv. Enhver, der har brugt nogen af ​​disse objekter, har indset, at det ikke er nødvendigt at skifte batterier i næsten en "evighed"; hvilket svarer til ca. 10 år.

Sølvoxid

Sølvoxidbatterier. Kilde: Lukas A, CZE.

Den største mangel ved kviksølvbatterier er, at når de kasseres, udgør de et alvorligt problem for miljøet på grund af dette metalls giftige egenskaber. Måske er det derfor, at det mangler IEC- og ANSI-koder. For sølvoxidbatterier forud for deres IEC-kode med bogstavet S.

En af erstatningerne for kviksølvbatterier svarer til sølvoxidbatteriet, meget dyrere, men med mindre økologisk påvirkning (øverste billede). De indeholdt oprindeligt kviksølv for at beskytte zink mod alkalisk korrosion.

Den fås med en spænding på 1,5 V, og dens applikationer ligner meget kviksølvbatteriets. Faktisk ser begge batterier ved første øjekast identiske; skønt der kan være meget større sølvoxidbunker.

Reaktionerne ved dens elektroder er:

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

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

Vandet gennemgår derefter elektrolyse og nedbrydes i H ⁺ og OH ^- ioner.

Bemærk, at i stedet for kviksølv, dannes metallisk sølv på katoden.

-Nickel-cadmium (NiCad)

NiCd-batteri. Kilde: LordOider.

Fra dette tidspunkt overvejes de sekundære celler eller batterier. Som kviksølv er nikkel-cadmium-batterier skadelige for miljøet (for dyreliv og sundhed) på grund af metalcadmium.

De er kendetegnet ved at generere høje elektriske strømme og kan genoplades et stort antal gange. Faktisk kan de genoplades i alt 2000 gange, hvilket er lig med ekstraordinær holdbarhed.

Dets elektroder består af nikkeloxidhydroxid, NiO (OH), til katoden og metallisk cadmium til anoden. Den kemiske rationale forbliver i det væsentlige den samme: cadmium (i stedet for zink) mister elektroner, og cadmium NiO (OH) får dem.

Halvcellereaktionerne er:

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

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

OH ^- anionerne kommer igen fra KOH-elektrolytten. NiCad-batterier ender med at generere nikkel- og cadmiummetalhydroxider.

De bruges enkeltvis eller koblet i pakker (som den i gult, billedet ovenfor). Så de kommer i store eller små pakker. Små børn finder anvendelse i legetøj; men de store bruges til fly og elektriske køretøjer.

-Nikkel-metalhydrid (Ni-HM)

Ni-HM batterier. Kilde: Ramesh NG fra Flickr (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

En anden velkendt celle eller batteri, der overstiger NiCad i energikapaciteter, er Ni-HM (nikkel og metalhydrid). Det kan komme i cylindrisk format (konventionelle batterier, billede ovenfor) eller koblet til et batteri.

Kemisk set har den næsten de samme egenskaber som NiCad-batterier, hvor den største forskel er dens negative elektrode: katoden er ikke cadmium, men en intermetallisk legering af sjældne jordarter og overgangsmetaller.

Denne legering er ansvarlig for at absorbere det dannede brint under opladning og generere et komplekst metalhydrid (deraf bogstavet H i dens navn).

Selvom Ni-HM-batterier leverer mere strøm (ca. 40% mere), er de dyrere, slides hurtigere og kan ikke genoplades samme antal gange som NiCad-batterier; de har en kortere brugstid. De mangler dog hukommelseseffekten (tab af ydeevne for batterier, fordi de ikke er helt afladet).

Det er af denne grund, at de ikke bør bruges i maskiner, der fungerer langsigtet; skønt dette problem er blevet afhjulpet med LSD-NiHM-batterier. Ligeledes har Ni-HM-celler eller batterier meget stabile termiske egenskaber, idet de kan betjenes i et bredt temperaturområde uden at udgøre en risiko.

Reaktioner

Reaktionerne, der opstår på dine elektroder, er:

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

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

-Ion-lithium

Lithium-ion-batteri til en bærbar computer. Kilde: Kristoferb fra Wikipedia.

I lithiumceller og batterier er de baseret på migrationen af ​​Li ⁺ -ioner, der overføres fra anoden til katoden, et produkt af elektrostatiske frastødninger på grund af den stigende positive ladning.

Nogle kan oplades, såsom bærbare batterier (øverste billede), og andre kan ikke cylindriske og rektangulære batterier (LiSO ₂, LiSOCl ₂ eller LiMnO ₂).

Lithium-ion-batterier er kendetegnet ved at være meget lette og energiske, hvilket gør det muligt for dem at blive brugt i mange elektroniske enheder, såsom smartphones og medicinsk udstyr. På samme måde lider de næppe af hukommelseseffekten, deres ladetæthed overstiger den for NiCad- og Ni-HM-celler og batterier, og det tager længere tid at udlade.

De er imidlertid meget følsomme over for høje temperaturer og eksploderer endda; og derudover har de en tendens til at være dyrere sammenlignet med andre batterier. Stadig ses lithium-batterier positivt på markedet, og mange forbrugere vurderer dem som de bedste.

-Syret bly

Typisk blybatteri til biler. Kilde: Tntflash

Og endelig indeholder blysyrebakterier, som navnet antyder, ikke OH ^- men H ⁺ -ioner; specifikt en koncentreret opløsning af svovlsyre. De voltaiske celler findes inde i deres bokse (øverste billede), hvor tre eller seks af dem kan kobles i serie, hvilket giver et henholdsvis 6 eller 12 V batteri.

Det er i stand til at generere store mængder elektrisk ladning, og fordi de er meget tunge, er de beregnet til applikationer eller enheder, der ikke kan transporteres manuelt; for eksempel biler, solpaneler og ubåde. Dette sure batteri er det ældste og findes stadig i bilindustrien.

Dets elektroder er lavet af bly: PbO ₂ til katoden og svampet metallisk bly til anoden. Reaktionerne, der forekommer i dem, er:

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)

Referencer

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemi. (8. udgave). CENGAGE Læring.
2. Odunlade Emmanuel. (24. juli 2018). Forskellige typer batterier og deres anvendelser. Circuit Digest. Gendannes fra: circuitdigest.com
3. PRØVE. (Sf). Typer af batterier. Gendannet fra: prba.org
4. Isidor Buchman. (2019). Hvad er det bedste batteri? Battery University. Gendannes fra: batteryuniversity.com
5. McGraw-Hill-selskaberne. (2007). Kapitel 12: Batterier.. Gendannes fra: oakton.edu
6. Shapley Patricia. (2012). Almindelige batterityper. University of Illinois. Gendannes fra: butane.chem.uiuc.edu
7. Økologisk holdning. (22. januar 2017). Batterityper: komplet guide med de eksisterende batterier. Gendannes fra: actitudecologica.com