Батерия (химическа клетка): определение, видове и принцип на работа

Научете как химическата клетка (батерия) преобразува енергията, разликите между акумулаторни и неакумулаторни, основните видове, размери и принцип на работа.

Автор: Leandro Alegsa

Химическата клетка преобразува химическата енергия в електрическа. Повечето батерии са химически клетки. В батерията протича химическа реакция, която предизвиква протичане на електрически ток. В основата стоят два електрода (анод и катод) и електролит — веществото, което позволява преноса на йони вътре в клетката, докато електроните преминават през външната верига и захранват потребителите.

Видове батерии

Съществуват два основни вида батерии - акумулаторни и неакумулаторни (первични).

  • Неакумулаторни (первични) батерии — не могат да се презареждат. Те доставят енергия, докато активните химикали се изразходват, след което се изхвърлят. Чести типове: цинк-въглеродни, алкални, някои литиеви одноразови клетки. Подходящи за устройства с нисък ток на разряд или когато презареждането не е практично.
  • Акумулаторни (вторични) батерии — могат да се зареждат повторно чрез обратен ток, който възстановява първоначалните химични състави. Типични примери: оловно-киселинни (lead-acid), никел-кадмиеви (NiCd), никел-металхидридни (NiMH), литиево-йонни (Li-ion). Тези батерии са предпочитани за автомобилни акумулатори, преносими устройства, електромобили и стационарни системи за съхранение на енергия.

Кратка история

Първите практични акумулатори са разработени в средата на XIX век. Французинът Гастон Планте (Gaston Planté) е известен с изобретяването и усъвършенстването на оловно-киселинния акумулатор през 1859 г., който остава в основата на автомобилните батерии до днес.

Принцип на работа

Батерията работи чрез окислително-редукционни (редокс) реакции между електродите и електролита. При разреждане:

  • На анода протича окисление — електрони се освобождават и текат през външната верига към натоварването.
  • На катода протича редукция — електроните се приемат след преминаване през външната верига.
  • Вътрешно, йони в електролита компенсират заряда, като мигрират между електродите.

При акумулаторните клетки, при подаване на външен ток в обратна посока, химическите реакции могат да се обърнат и батерията да бъде възстановена (заредена).

Основни характеристики

  • Номинално напрежение на клетка: например 1,5 V (алкални), 1,2 V (NiCd/NiMH), 2,0 V (оловно-киселинни), 3,6–3,7 V (Li-ion).
  • Капацитет: измерва се в ампер-часове (Ah) или милиампер-часове (mAh) и показва колко заряд може да достави батерията при определени условия.
  • Енергийна плътност: количество енергия на единица маса или обем — важна за преносими устройства и електромобили.
  • Вътрешно съпротивление: влияе на способността за подаване на високи токове и загубите при протичане на ток.
  • Саморазряд: постепенна загуба на заряд при съхранение — различава се в зависимост от химията (алкални по-нисък саморазряд, NiCd високо, Li-ion ниско).
  • Живот в цикли: броят на пълни зареждания/разреждания, които батерията може да понесе преди значително снижаване на капацитета.

Приложения

  • Малки джаджи: часовници, дистанционни, фотоапарати.
  • Преносима електроника: телефони, лаптопи (често Li-ion).
  • Автомобили: стартови оловно-киселинни батерии; електромобили използват големи Li-ion пакети.
  • Индустриални и военни приложения: резервно захранване, подводници — Подводниците често имат много големи акумулатори за подводно плаване.
  • Съхранение на енергия в мрежата: големи стелажи батерии за балансиране на възобновяеми източници.

Съединяване на клетки

За постигане на по-високо напрежение или капацитет, клетки се свързват:

  • Последователно (series) — напреженията се сумират.
  • Паралелно (parallel) — капацитетът (Ah) се увеличава, а напрежението остава същото.

Грижа, безопасност и зареждане

  • Използвайте правилен заряден режим и зарядни устройства, предназначени за конкретната химия (напр. Li-ion зареждащи устройства поддържат специфични напрежения и защити).
  • Избягвайте презареждане и пълно разреждане — те съкращават живота на акумулатора. Някои технологии (например NiCd) са чувствителни към "memory effect", при който капацитетът намалява при повтарящи се частични зареждания; NiMH и Li-ion имат по-малък или нулев този ефект.
  • Дръжте батериите далеч от високи температури и огън — при някои типове (особено повредени Li-ion) е възможно термично бягство (thermal runaway) и пожар.
  • Не късайте полюсите и не използвайте повредени батерии.
  • При оловно-киселинни акумулатори с течен електролит проверявайте нивото и използвайте защитни средства при обслужване.

Околна среда и рециклиране

Много батерии съдържат материали, които са вредни за околната среда (олово, кадмий, литий и др.). Затова е важно правилното им изхвърляне и рециклиране. Оловно-киселинните батерии, например, имат добре развита система за рециклиране, докато за литиево-йонните се работи усилено да се подобри рециклирането и възстановяването на материали.

Заключение

Батериите са ключов компонент на модерната техника — от малки еднократни клетки до големи акумулаторни системи за автомобили и подводници. Правилният избор на тип батерия, правилната експлоатация и рециклиране са важни за дълъг живот, безопасност и опазване на околната среда.

Видове химически клетки

Електрохимични клетки

Изключително важен клас реакции на окисление и редукция се използват за осигуряване на полезна електрическа енергия в батериите. Проста електрохимична клетка може да се направи от метали мед и цинк с разтвори на техните сулфати. В процеса на реакцията електроните могат да се прехвърлят от цинка към медта по електропроводим път като полезен електрически ток.

Електрохимична клетка може да се създаде чрез поставяне на метални електроди в електролит, където химична реакция използва или генерира електрически ток. Електрохимичните клетки, които генерират електрически ток, се наричат волтаични или галванични клетки, а обикновените батерии се състоят от една или повече такива клетки. В други електрохимични клетки се използва външен електрически ток, за да се задвижи химична реакция, която не протича спонтанно. Такива клетки се наричат електролитни клетки.

Волтаични клетки

Електрохимична клетка, в която протича външен електрически ток, може да бъде създадена с помощта на два различни метала, тъй като металите се различават по склонността си да губят електрони. Цинкът губи електрони по-лесно от медта, така че поставянето на цинк и мед в разтвори на техните соли може да предизвика протичане на електрони през външен проводник, който води от цинка към медта. Тъй като цинковият атом осигурява електрони, той се превръща в положителен йон и преминава във воден разтвор, като намалява масата на цинковия електрод. От страна на медта получените два електрона ѝ позволяват да превърне меден йон от разтвора в незареден меден атом, който се отлага върху медния електрод, увеличавайки масата му. Двете реакции обикновено се записват

Zn(s) --> Zn2+(aq) + 2e

Cu2+(aq) + 2e- --> Cu(s)

Буквите в скоби само напомнят, че цинкът преминава от твърдо вещество (s) във воден разтвор (aq) и обратно - медта. Характерно за езика на електрохимията е тези два процеса да се наричат "полуреакции", които протичат на двата електрода.

Zn(s) -> Zn2+(aq) + 2e

"Полуреакцията" на цинка се класифицира като окисление, тъй като той губи електрони. Терминалът, в който се извършва окислението, се нарича "анод". При батериите това е отрицателният полюс.

 

Медната "полуреакция" се класифицира като редукция, тъй като придобива електрони. Терминалът, в който се извършва редукцията, се нарича "катод". При батериите това е положителният полюс.

Cu2+(aq) + 2e- -> Cu(s)

За да може волтовият елемент да продължи да произвежда външен електрически ток, трябва да има движение на сулфатните йони в разтвора отдясно наляво, за да се балансира електронният поток във външната верига. Самите метални йони трябва да бъдат възпрепятствани да се движат между електродите, така че някакъв вид пореста мембрана или друг механизъм трябва да осигури селективно движение на отрицателните йони в електролита отдясно наляво.

Необходима е енергия, за да се принудят електроните да се придвижат от цинковия към медния електрод, а количеството енергия за единица заряд, което се получава от волтовия елемент, се нарича електродвижеща сила (ЕДН) на елемента. Енергията за единица заряд се изразява във волтове (1 волт = 1 джаул/кулон).

Ясно е, че за да се получи енергия от клетката, трябва да се освободи повече енергия от окислението на цинка, отколкото е необходима за редуциране на медта. Клетката може да получи крайно количество енергия от този процес, като процесът е ограничен от количеството наличен материал в електролита или в металните електроди. Например, ако от страната на медта има един мол сулфатни йони SO42-, тогава процесът е ограничен до прехвърлянето на два мола електрони през външната верига. Количеството електрически заряд, съдържащо се в един мол електрони, се нарича константа на Фарадей и е равна на числото на Авогадро, умножено по заряда на електрона:

Константа на Фарадей = F = ANe = 6,022 x 10 23x 1,602 x 10-19 = 96,485 кулометра/мол

Добивът на енергия от волтаична клетка се определя от напрежението на клетката, умножено по броя на моловете пренесени електрони, умножен по константата на Фарадей.

Изходна електрическа енергия = nFE

Клетъчното ел. напрежение E може cellда се предвиди от стандартните електродни потенциали за двата метала. За клетка от цинк и мед при стандартни условия изчисленият потенциал на клетката е 1,1 волта.

Обикновена клетка

Обикновената клетка обикновено има пластини от мед (Cu) и цинк (Zn) в разредена сярна киселина. Цинкът се разтваря и върху медната пластина се появяват мехурчета водород. Тези мехурчета водород пречат на протичането на тока, така че простата клетка може да се използва само за кратко време. За да се осигури постоянен ток, е необходим деполяризатор (окислител), който да окисли водорода. В клетката на Даниел деполяризаторът е меден сулфат, който обменя водорода с мед. В батерията на Лекланш деполяризаторът е манганов диоксид, който окислява водорода до вода.

Обикновена клеткаZoom
Обикновена клетка

Даниел клетка

През 1836 г. английският химик Джон Фредерик Даниел разработва волтаична клетка, която използва цинк и мед и разтвори на техните йони.

Ключ

  • Цинков прът = отрицателен терминал
  • 2HSO4 = електролит с разредена сярна киселина
  • Порестият съд разделя двете течности
  • CuSO4 = деполяризатор на меден сулфат
  • Медно гърне = положителна клема
Схема на клетка DanielZoom
Схема на клетка Daniel

Въпроси и отговори

В: Какво представлява химичната клетка и какво е нейното предназначение?


О: Химическата клетка е устройство, което преобразува химическата енергия в електрическа. Предназначението му е да произвежда електрически ток чрез химична реакция.

В: Какви са повечето батерии?


О: Повечето батерии са химически клетки.

В: Какво се случва в батерията, за да протича електрически ток?


О: В батерията протича химическа реакция, която предизвиква протичането на електрически ток.

В: Колко вида батерии има и какви са те?


О: Има два основни вида батерии - акумулаторни и такива, които не могат да се презареждат.

Въпрос: Какво се случва, когато една батерия, която не може да се презарежда, се изтощи?


О: Непрезареждаемата батерия ще дава електричество, докато химикалите в нея не се изразходват. Тогава тя вече не е полезна и може да се изхвърли.

В: Кой и кога е изобретил акумулаторните батерии?


О: Акумулаторните батерии са изобретени от Гастон Плант, френски учен, през 1859 г.

В: Батериите могат да бъдат с различни размери и какъв е примерът за устройство, което изисква голяма батерия?


О: Да, батериите могат да бъдат с различни форми и размери. Пример за устройство, което изисква голяма батерия, е подводница.


обискирам
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3