TYPY BATERIÍ, VLASTNOSTI A REAKCE - CHEMIE - 2025

Na trhu můžete získat různé typy baterií s vlastními vlastnostmi. Baterie, které nejsou ničím jiným než voltickými články, poskytují spotřebitelům výhodu, že si s sebou berou elektřinu kdekoli (pokud podmínky nejsou drastické).

Baterie lze obecně zakoupit izolovaně; ale oni jsou také dosáhl spojený spolu navzájem v sérii nebo paralelně, jehož soubor přijde být co oni volají baterie. A proto se někdy pojmy „baterie“ a „baterie“ používají bez rozdílu, i když nejsou stejné.

Alkalické baterie: jedna z nejpopulárnějších typů baterií. Zdroj: Pexels.

Stohy mohou přijít v nesčetných barvách, tvarech a velikostech, stejně jako mohou být vyrobeny z jiných materiálů. Podobně a co je důležitější, její vnitřní struktura, kde dochází k chemickým reakcím, které generují elektřinu, slouží k jejich odlišení.

Například výše uvedený obrázek ukazuje tři alkalické baterie, jednu z nejběžnějších. Termín alkalický odkazuje na skutečnost, že médium, kde dochází k uvolňování a toku elektronů, je základní; to znamená, že má pH větší než 7 a OH ^- anionty a další záporné náboje převažují.

Obecné pořadí

Než začnete řešit některé z různých typů baterií, je třeba vědět, že jsou celosvětově klasifikovány jako primární nebo sekundární.

Hlavní

Primární baterie jsou ty, které, jakmile jsou spotřebovány, musí být zlikvidovány nebo recyklovány, protože chemická reakce, na které je elektrický proud založen, je nevratná. Proto je nelze dobíjet.

Používají se hlavně v aplikacích, kde je nepraktické dobíjet elektrickou energii; například ve vojenských zařízeních, uprostřed bojiště. Stejně tak jsou navrženy pro zařízení, které spotřebovává málo energie, takže vydrží déle; například dálkové ovladače nebo přenosné konzole (například Gameboy, Tetris a Tamagotchi).

Alkalické baterie, cituji další příklad, také patří k primárnímu typu. Obvykle mají válcové tvary, i když to neznamená, že válcové baterie nemohou být sekundární nebo dobíjecí.

střední školy

Na rozdíl od primárních baterií mohou být sekundární baterie dobíjeny, jakmile dojde baterie.

Je tomu tak proto, že chemické reakce, které se v nich vyskytují, jsou reverzibilní, a proto po aplikaci určitého napětí způsobí, že se druh produktu opět stane reaktivním, čímž se reakce opět zahajuje.

Některé sekundární články (nazývané baterie) jsou obvykle malé, stejně jako primární; Jsou však určeny pro zařízení, která spotřebovávají více energie a pro která by použití primárních baterií bylo ekonomicky a energeticky nepraktické. Například baterie mobilního telefonu obsahují sekundární články.

Sekundární články jsou také určeny pro velká zařízení nebo obvody; například autobaterie, které jsou vyrobeny z několika baterií nebo sopečných článků.

Obvykle jsou dražší než primární články a baterie, ale pro dlouhodobé použití jsou vhodnější a účinnější alternativou.

Jiné aspekty

Zásobníky jsou klasifikovány jako primární nebo sekundární; ale komerčně nebo populárně, oni jsou obvykle roztříděni podle jejich tvaru (válcový, pravoúhlý, knoflíkový typ), zamýšlené zařízení (kamery, vozidla, kalkulačky), jejich jména (AA, AAA, C, D, N, A23 atd.)) a jejich kódy IEC a ANSI.

Také vlastnosti, jako je jejich napětí (1,2 až 12 voltů), jakož i jejich životnost a ceny, jsou odpovědné za to, že jim v očích spotřebitelů poskytne určitou klasifikaci.

Seznam typů baterií

- Uhlík-zinek

Uhlík-zinkové baterie (také známé jako Leclanchéovy buňky nebo slané baterie) jsou jednou z nejprimitivnějších a v současné době se v porovnání s ostatními bateriemi téměř nepoužívají; zejména ve srovnání s alkalickými bateriemi, které jsou sice o něco dražší, mají delší životnost a napětí.

Jak již název napovídá, jeho elektrody se skládají ze zinkové plechovky a grafitové tyče odpovídající anodě a katodě.

V první elektrodě, anodě, elektrony vznikají oxidací kovového zinku. Tyto elektrony pak procházejí vnějším obvodem, který napájí zařízení elektrickou energií, a poté končí na grafitové katodě, kde je cyklus ukončen redukcí oxidu manganičitého, do kterého je ponořen.

Reakce

Chemické rovnice reakcí, ke kterým dochází na elektrodách, jsou:

Zn (s) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (Anoda)

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) (katoda)

Tyto baterie jsou velmi podobné alkalickým bateriím: obě jsou válcové (jako je ta na obrázku). Uhlík-zinkové baterie však lze rozlišit podrobným přečtením charakteristik označených na vnější straně, nebo pokud jejich kódu IEC předchází písmeno R. Jejich napětí je 1,5 V.

- Alkalický

Alkalické baterie jsou velmi podobné typu uhlík-zinek, s tím rozdílem, že médium, kde jsou umístěny elektrody, obsahuje OH ^- anionty. Toto médium se skládá ze silných elektrolytů hydroxidu draselného, ​​KOH, který přispívá OH ^- které se podílejí a „spolupracují“ na migraci elektronů.

Dodává se v různých velikostech a napětích, i když nejběžnější je 1.5V. Jsou to pravděpodobně nejznámější baterie na trhu (například Duracell).

Reakce, ke kterým dochází na elektrodách, jsou:

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

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

S rostoucí teplotou dochází k rychlejším reakcím a rychlejšímu vybíjení baterií. Je zajímavé, že se rozšířily populární zvěsti, aby je vložily do mrazničky, aby se prodloužila jejich životnost; Po ochlazení však jeho obsah může projít možným tuhnutím, které může vést k následným vadám nebo rizikům.

Rtuť

Pravděpodobná rtuťová baterie, kterou lze zaměnit s baterií z oxidu stříbrného. Zdroj: Multicherry.

Rtuťové baterie jsou velmi charakteristické díky svému zvláštnímu tvaru stříbrných knoflíků (obrázek nahoře). Téměř každý by je poznal na první pohled. Jsou také alkalické, ale jejich katoda obsahuje kromě grafitu a oxidu manganičitého i oxid rtuti, HgO; který se po redukci mění na kovovou rtuť:

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

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

Všimněte si, jak jsou anionty OH ^- spotřebovány a regenerovány v těchto buněčných reakcích.

Vzhledem k tomu, že jsou malé baterie, je určen pro malá zařízení, jako jsou hodinky, kalkulačky, ovládání hraček atd. Každý, kdo použil některý z těchto objektů, si uvědomí, že není nutné vyměňovat baterie za téměř „věčnost“; což by odpovídalo přibližně 10 letům.

Oxid stříbrný

Baterie z oxidu stříbrného. Zdroj: Lukas A, CZE.

Hlavní vadou rtuťových baterií je to, že pokud jsou vyřazeny, představují závažný problém pro životní prostředí v důsledku toxických vlastností tohoto kovu. Možná proto chybí kódy IEC a ANSI. U baterií s oxidem stříbrným předchází jejich kód IEC písmeno S.

Jeden z náhrad za rtuťové baterie odpovídá baterii s oxidem stříbrným, mnohem dražší, ale s menším ekologickým dopadem (horní obrázek). Původně obsahovaly rtuť, která chránila zinek před alkalickou korozí.

Je k dispozici s napětím 1,5 V a jeho aplikace jsou velmi podobné aplikacím rtuti. Ve skutečnosti na první pohled vypadají obě baterie stejně; ačkoli tam může být mnohem větší hromada oxidu stříbrného.

Reakce na jeho elektrodách jsou:

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

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

Voda následně podléhá elektrolýze a rozkládá se na ionty H ⁺ a OH ^-.

Všimněte si, že místo rtuti se na katodě vytváří kovové stříbro.

-Nickel-kadmium (NiCad)

NiCd baterie. Zdroj: LordOider.

Od tohoto okamžiku se uvažují sekundární články nebo baterie. Stejně jako rtuťové baterie, nikl-kadmiové baterie jsou škodlivé pro životní prostředí (pro volně žijící zvířata a zdraví) z důvodu kovového kadmia.

Vyznačují se generováním vysokých elektrických proudů a mohou být mnohokrát dobíjeny. Ve skutečnosti je lze dobít celkem 2000krát, což se rovná mimořádné trvanlivosti.

Jeho elektrody se skládají z hydroxidu nikelnatého, NiO (OH) pro katodu a kovového kadmia pro anodu. Chemické odůvodnění v podstatě zůstává stejné: kadmium (místo zinku) ztrácí elektrony a kadmium NiO (OH) je získává.

Polobuněčné reakce jsou:

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 ^- anionty opět pocházejí z KOH elektrolytu. NiCad baterie pak nakonec vytvářejí hydroxidy niklu a kadmia.

Používají se jednotlivě nebo ve svazcích (jako je ta žlutá, obrázek výše). Takže přicházejí ve velkých nebo malých obalech. Malí najdou použití v hračkách; ale ty velké se používají pro letadla a elektrická vozidla.

- hydrid niklu (Ni-HM)

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

Dalším dobře známým článkem nebo baterií, který překračuje NiCad v energetických kapacitách, je Ni-HM (nikl a kovový hydrid). Může přijít ve válcovém formátu (konvenční baterie, výše uvedený obrázek), nebo v baterii.

Chemicky má téměř stejné vlastnosti jako NiCad baterie, přičemž hlavním rozdílem je záporná elektroda: katoda není kadmium, ale intermetalická slitina vzácných zemin a přechodných kovů.

Tato slitina je zodpovědná za pohlcování vodíku vytvářeného během nabíjení a generování komplexního hydridu kovu (odtud písmeno H v názvu).

Ačkoli Ni-HM baterie poskytují více energie (přibližně o 40% více), jsou dražší, rychleji se opotřebují a nemohou být dobíjeny stejným způsobem jako baterie NiCad; to znamená, že mají kratší životnost. Chybí jim však paměťový efekt (ztráta výkonu baterií kvůli nedostatečnému vybití).

Z tohoto důvodu by se neměly používat ve strojích, které fungují dlouhodobě; i když tento problém byl u baterií LSD-NiHM zmírněn. Podobně mají Ni-HM články nebo baterie velmi stabilní tepelné vlastnosti, které jsou funkční při širokém rozsahu teplot, aniž by představovaly riziko.

Reakce

Reakce, ke kterým dochází na elektrodách, jsou:

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)

-Jedno-lithium

Lithium-iontová baterie pro notebook. Zdroj: Kristoferb z Wikipedie.

V lithiových článcích a bateriích jsou založeny na migraci iontů Li ⁺, které jsou přenášeny z anody na katodu, což je produkt elektrostatických odpuzování v důsledku rostoucího kladného náboje.

Některé lze dobíjet, například baterie notebooku (horní obrázek), a jiné, válcové a pravoúhlé baterie (LiSO ₂, LiSOCl ₂ nebo LiMnO ₂) to nelze.

Lithium-iontové baterie se vyznačují velmi lehkou a energetickou energií, což umožňuje jejich použití v mnoha elektronických zařízeních, jako jsou chytré telefony a lékařské vybavení. Stejně tak těžko trpí paměťovým efektem, jejich hustota náboje přesahuje hustotu NiCad a Ni-HM článků a baterií a vybíjení trvá déle.

Jsou však velmi citlivé na vysoké teploty, dokonce explodují; a navíc mají tendenci být dražší ve srovnání s jinými bateriemi. Přesto jsou lithiové baterie na trhu vnímány příznivě a mnoho zákazníků je hodnotí jako nejlepší.

-Kyselé vedení

Typická olověná baterie pro automobily. Zdroj: Tntflash

A konečně, olověné kyselé bakterie, jak název napovídá, neobsahují OH ^- ale H ⁺ ionty; konkrétně koncentrovaný roztok kyseliny sírové. Voltické články jsou umístěny uvnitř jejich krabic (horní obrázek), kde tři nebo šest z nich může být zapojeno do série, což dává 6 nebo 12 V baterii.

Je schopen generovat velké množství elektrického náboje a protože je velmi těžký, je určen pro aplikace nebo zařízení, které nelze přepravovat ručně; například automobily, solární panely a ponorky. Tato kyselá baterie je nejstarší a stále existuje v automobilovém průmyslu.

Jeho elektrody jsou vyrobeny z olova: PbO ₂ pro katodu a houbovité kovové vedení pro anodu. Reakce, které se v nich vyskytují, jsou:

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)

Reference

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chemie. (8. ed.). CENGAGE Učení.
2. Odunlade Emmanuel. (24. července 2018). Různé typy baterií a jejich aplikace. Circuit Digest. Obnoveno z: circuitdigest.com
3. TEST. (sf). Druhy baterií. Obnoveno z: prba.org
4. Isidor Buchman. (2019). Jaká je nejlepší baterie? Battery University. Obnoveno z: batteryuniversity.com
5. Společnosti McGraw-Hill. (2007). Kapitola 12: Baterie.. Obnoveno z: oakton.edu
6. Shapley Patricia. (2012). Běžné typy baterií. University of Illinois. Obnoveno z: butane.chem.uiuc.edu
7. Ekologický přístup. (22. ledna 2017). Typy baterií: kompletní průvodce existujícími bateriemi. Obnoveno z: actitudecologica.com