VRSTE, KARAKTERISTIKE I REAKCIJE BATERIJE - KEMIJA - 2026

Na tržištu možete dobiti različite vrste baterija s vlastitim karakteristikama. Baterije, koje nisu ništa više od voltaičnih ćelija, potrošačima pružaju prednost da električnu energiju ponesu sa sobom, sve dok uvjeti nisu drastični.

Baterije se uglavnom mogu kupiti izolirane; ali, oni se postižu i uzastopno u nizu ili paralelno, čiji je skup ono što nazivaju baterijama. I zato se ponekad izrazi „baterije“ i „baterije“ upotrebljavaju neselektivno, čak i kada nisu isti.

Alkalne baterije: jedna od najpopularnijih vrsta baterija. Izvor: Pexels.

Nizovi mogu biti u raznim bojama, oblicima i veličinama, jednako kao što mogu biti izrađeni od drugih materijala. Isto tako, i što je još važnije, njegova unutarnja struktura u kojoj se odvijaju kemijske reakcije koje stvaraju električnu energiju služi tome da ih razlikuje jedna od druge.

Na primjer, gornja slika prikazuje tri alkalne baterije, jednu od najčešćih. Pojam alkalni odnosi se na činjenicu da je medij u kojem se događa oslobađanje i protok elektrona osnovni; to jest, ima pH veći od 7, a prevladavaju OH ^- anioni i drugi negativni naboji.

Opći poredak

Prije nego što se pozabavite nekim vrstama baterija vani, potrebno je znati da su one globalno klasificirane kao primarne ili kao sekundarne.

osnovni

Primarne baterije su one koje se jednom potroše, moraju se odbaciti ili reciklirati, jer je kemijska reakcija na kojoj temelji električna struja nepovratna. Zbog toga se ne mogu napuniti.

Koriste se uglavnom u aplikacijama gdje je nepraktično napuniti električnu energiju; poput vojnih uređaja, usred bojišta. Isto tako, dizajnirani su za opremu koja troši malo energije, tako da duže traje; na primjer, daljinski upravljači ili prijenosne konzole (kao što su Gameboy, Tetris i Tamagotchi).

Alkalne baterije, navesti još jedan primjer, također pripadaju primarnom tipu. Obično imaju cilindrične oblike, iako to ne znači da cilindrične baterije ne mogu biti sekundarne ili punjive.

srednje škole

Za razliku od primarnih baterija, sekundarne se baterije mogu puniti nakon što potroše više energije.

To je zato što su kemijske reakcije koje se događaju unutar njih reverzibilne i, nakon primjene određenog napona, vrsta proizvoda ponovno postaje reaktivna, čime se reakcija ponovno započinje.

Neke sekundarne ćelije (koje se nazivaju baterije) obično su male, poput primarnih; Međutim, oni su namijenjeni uređajima koji troše više energije i za koje bi upotreba primarnih baterija bila ekonomski i energetski nepraktična. Na primjer, baterije mobilnog telefona sadrže sekundarne ćelije.

Također, sekundarne ćelije dizajnirane su za veliku opremu ili sklopove; na primjer, automobilske baterije koje se sastoje od nekoliko baterija ili voltaičnih ćelija.

Obično su skuplje od primarnih ćelija i baterija, ali za dugotrajnu uporabu na kraju su prikladnija i učinkovitija opcija.

Ostali aspekti

Gomile su klasificirane kao primarne ili sekundarne; ali komercijalno ili popularno ih se klasificira prema obliku (cilindrični, pravokutni, tipkani tip), namijenjenom uređaju (kamere, vozila, kalkulatori), njihovim imenima (AA, AAA, C, D, N, A23, itd.)), te njihove IEC i ANSI kodove.

Također, karakteristike kao što su njihov napon (1,2 do 12 volti), kao i njihov korisni vijek i cijene, odgovorni su za definiranje klasičnosti u očima potrošača.

Popis vrsta baterija

Ugljik-cink

Ugljiko-cinkove baterije (poznate i kao Leclanché-ove ćelije ili slane baterije) su jedne od najprimitivnijih i trenutno se smatraju skoro neupotrebljivima u usporedbi s drugim baterijama; posebno u usporedbi s alkalnim baterijama koje, iako su malo skuplje, imaju dulji vijek i napone.

Kao što mu ime kaže, njegove elektrode sastoje se od limenke cinka i grafitne šipke, koja odgovara anodi i katodi.

U prvoj elektrodi, anodi, elektroni nastaju oksidacijom metalnog cinka. Ti elektroni tada prolaze kroz vanjski krug koji napaja uređaj električnom energijom, a zatim završavaju na grafitnoj katodi, gdje se ciklus dovršava smanjenjem manganovog dioksida u koji je uronjen.

reakcije

Kemijske jednadžbe reakcija koje se događaju na elektrodama su:

Zn (s) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (Anoda)

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

Ove su baterije vrlo slične alkalnim baterijama: obje su cilindrične (poput one na slici). Međutim, ugljiko-cinkove baterije mogu se razlikovati po detaljnom čitanju karakteristika označenih s vanjske strane ili ako im IEC kod prethodi slovo R. Napon im je 1,5 V.

-Alkaline

Alkalne baterije vrlo su slične tipa ugljik-cink, s razlikom što medij u kojem se nalaze elektrode sadrži OH ^- anione. Ovaj medij sastoji se od jakih elektrolita kalijevog hidroksida, KOH, koji doprinose OH ^- koji sudjeluju i "surađuju" u migraciji elektrona.

Dolazi u različitim veličinama i naponima, mada je najčešći 1.5V. Oni su možda najpoznatije baterije na tržištu (na primjer Duracell).

Reakcije koje se događaju kod vaših elektroda su:

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)

Kako se temperatura povećava, brže se odvijaju reakcije i brže se pražnjenje baterija. Zanimljivo je da su se proširile popularne glasine da ih se stavi u zamrzivač kako bi im se povećao životni vijek; Međutim, kad se ohladi, njegov se sadržaj može podvrgnuti skrućivanju što može dovesti do naknadnih oštećenja ili rizika.

Merkur

Vjerojatna živa baterija, koju je moguće zbuniti s baterijom srebrnog oksida. Izvor: Multicherry.

Merkurove baterije vrlo su karakteristične zbog svog osebujnog oblika srebrnih gumba (slika gore). Gotovo svi bi ih prepoznali na prvi pogled. Oni su također alkalni, ali njihova katoda sadrži, osim grafita i manganovog dioksida, živin oksid, HgO; koja se nakon smanjenja pretvara u metalnu živu:

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

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

Primjetite kako se u tim staničnim reakcijama konzumiraju i regeneriraju OH ^- anioni.

Budući da su male baterije, namijenjen je malim uređajima, poput satova, kalkulatora, kontrola igračaka itd. Svatko tko je koristio bilo koji od ovih predmeta shvatit će da nije potrebno mijenjati baterije gotovo "vječnost"; što bi bilo ekvivalentno 10 godina, otprilike.

Srebrni oksid

Baterije iz srebrnog oksida. Izvor: Lukas A, CZE.

Glavna mana živih baterija je što prilikom odbacivanja predstavljaju ozbiljan problem za okoliš, zbog toksičnih karakteristika ovog metala. Možda zato nedostaju IEC i ANSI kodovi. Kod baterija sa srebro-oksidom, njihov IEC kod prethodi slovu S.

Jedna od zamjena za žive žive baterije je baterija srebrnog oksida, puno skuplja, ali s manje ekološkog utjecaja (gornja slika). U izvornom su sadržavanju žive radi zaštite cinka od alkalne korozije.

Dostupan je s naponom od 1,5 V, a njegove su primjene vrlo slične onima na živoj bateriji. Zapravo, na prvi pogled obje baterije izgledaju identično; iako mogu biti puno veće gomile srebro-oksida.

Reakcije na njegovim elektrodama su:

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

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

Voda nakon toga prolazi elektrolizu, raspadajući se u H ⁺ i OH ^- ione.

Imajte na umu da umjesto žive, na katodi se formira metalno srebro.

-Nikal-kadmij (NiCad)

NiCd baterija. Izvor: LordOider.

Od ovog trenutka u obzir dolaze sekundarne ćelije ili baterije. Poput živih baterija, nikl-kadmijeve baterije štetne su za okoliš (za divlje životinje i zdravlje) zbog metalnih kadmija.

Karakterizira ih generiranje velikih električnih struja i mogu se ponovno puniti u većem broju puta. U stvari, mogu se puniti ukupno 2000 puta, što je jednako izuzetnoj trajnosti.

Njegove elektrode sastoje se od niksovog oksida hidroksida, NiO (OH) za katodu i metalnog kadmija za anodu. Kemijsko obrazloženje u osnovi ostaje isto: kadmij (umjesto cinka) gubi elektrone, a kadmij NiO (OH) dobiva ih.

Reakcije u polu-stanici su:

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

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

OH ^- anioni, opet, potječu od KOH-elektrolita. NiCad baterije na kraju stvaraju hidrokside metala nikla i kadmija.

Koriste se pojedinačno ili u paketima (poput onog u žutoj, gornja slika). Tako dolaze u velikim ili malim paketima. Mali pronalaze uporabu u igračkama; ali velike se koriste za zrakoplove i električna vozila.

-Hidrid metal-nikal (Ni-HM)

Ni-HM baterije. Izvor: Ramesh NG iz Flickra (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

Još jedna dobro poznata ćelija ili baterija, koja premašuje NiCad u energetskim kapacitetima, je Ni-HM (nikl i metalni hidrid). Može se isporučiti u cilindričnom formatu (uobičajene baterije, slika gore) ili spajati u bateriju.

Kemijski, on ima gotovo iste karakteristike kao NiCad baterije, s tim da je glavna razlika njegova negativna elektroda: katoda nije kadmij, već intermetalna legura rijetkih zemlja i prijelaznih metala.

Ova legura je odgovorna za apsorpciju vodika nastalog tijekom punjenja, stvarajući složen metalni hidrid (otuda i slovo H u njegovom nazivu).

Iako Ni-HM baterije daju veću snagu (otprilike 40% više), skuplje su, brže se troše i ne mogu ih puniti isto toliko puta kao NiCad baterije; to jest, imaju kraći vijek trajanja. No, nedostaje im memorijski učinak (gubitak performansi baterija zbog neispunjenosti u potpunosti).

Iz tog razloga se ne smiju koristiti dugotrajno u strojevima; iako je ovaj problem ublažen pomoću LSD-NiHM baterija. Isto tako, Ni-HM ćelije ili baterije imaju vrlo stabilne toplinske karakteristike, moguće ih je koristiti u širokom rasponu temperatura bez predstavljanja rizika.

reakcije

Reakcije koje se događaju kod vaših elektroda su:

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-litij

Litij-ionska baterija za laptop. Izvor: Kristoferb iz Wikipedije.

U litijevim ćelijama i baterijama oni se temelje na migraciji iona Li ⁺, koji se prenose iz anode na katodu, proizvod elektrostatičkih odbojnosti uslijed povećanja pozitivnog naboja.

Neke se mogu puniti, poput baterija za prijenosno računalo (gornja slika), a druge, cilindrične i pravokutne baterije (LiSO ₂, LiSOCl ₂ ili LiMnO ₂) ne mogu.

Litij-ionske baterije odlikuju se vrlo laganom i energičnom, što im omogućuje upotrebu u mnogim elektroničkim uređajima, poput pametnih telefona i medicinske opreme. Isto tako, oni teško pate od efekta memorije, gustoća napunjenosti im prelazi vrijednost NiCad i Ni-HM ćelija i baterija, a potrebno im je duže da se isprazne.

Međutim, vrlo su osjetljivi na visoke temperature, čak i eksplodiraju; a osim toga, oni imaju tendenciju skuplje u odnosu na druge baterije. Ipak, na litijske se baterije na tržištu gleda povoljno, a mnogi potrošači ih ocjenjuju kao najbolje.

-Kislinsko olovo

Tipična olovna baterija za automobile. Izvor: Tntflash

I na kraju, bakterije olovne kiseline, kao što mu ime govori, ne sadrže OH ^- već H ⁺ ione; posebno koncentrirana otopina sumporne kiseline. Voltajske ćelije nalaze se unutar njihovih kutija (gornja slika), gdje se tri ili šest njih može spojiti u nizu, što daje 6 ili 12 V bateriju.

Može generirati velike količine električnog naboja, a s obzirom da su vrlo teške, namijenjene su aplikacijama ili uređajima koji se ne mogu ručno prevoziti; na primjer, automobili, solarni paneli i podmornice. Ova kisela baterija je najstarija i još uvijek postoji u automobilskoj industriji.

Njegove elektrode izrađene su od olova: PbO ₂ za katodu, a spužvastog metalnog olova za anodu. Reakcije koje se u njima događaju su:

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)

Reference

1. Whitten, Davis, Peck i Stanley. (2008). Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje.
2. Odunlade Emmanuel. (24. srpnja 2018.). Različite vrste baterija i njihove primjene. Circuit Digest. Oporavilo od: krug
3. TEST. (SF). Vrste baterija. Oporavak od: prba.org
4. Isidor Buchman. (2019). Koja je najbolja baterija? Sveučilište akumulatora. Oporavilo sa: batteryuniversity.com
5. Tvrtke McGraw-Hill. (2007). Poglavlje 12: Baterije., Oporavak od: oakton.edu
6. Shapley Patricia. (2012). Uobičajene vrste baterija. University of Illinois Oporavak od: butane.chem.uiuc.edu
7. Ekološki stav. (22. siječnja 2017.). Vrste baterija: kompletan vodič s postojećim baterijama. Oporavilo sa: actitudecologica.com