Химични реакции, които протичат в батериите
Батериите са се превърнали в една от най-значимите иновации в човешката история, захранвайки устройства, вариращи от часовници до електрически автомобили. Ключът към функционалността на батерията са химичните реакции, които протичат в нея. Тази статия ще обсъди химичните реакции, които са в основата на работата на различни видове батерии.
Кратка история на батериите
Първата батерия е изобретена от Алесандро Волта през 1800 г. Той създава „Волтовата купчина“, която използва купчина медни и цинкови плочи, разделени с плат, напоен със солен разтвор. Това изобретение проправя пътя за разработването на по-ефективни и преносими батерии.
Основни принципи на батериите
Основният принцип на всички батерии е генерирането на електричество чрез химическа реакция. Всяка батерия се състои от три основни компонента: анод, катод и електролит.
– Anoda adalah elektroda negatif yang melepaskan elektron selama reaksi elektrokimia.
– Katoda adalah elektroda positif yang menerima elektron.
– Elektrolit adalah medium yang memungkinkan pergerakan ion antara anoda dan katoda, memfasilitasi reaksi kimia.
Reaksi yang terjadi dalam baterai disebut sebagai редокс реакция (reduksi-oksidasi). Di anoda, terjadi reaksi oksidasi, sementara di katoda terjadi reaksi reduksi.
Алкална батерия
Алкалните батерии са едни от най-често използваните видове батерии. Те обикновено се използват в устройства с ниска мощност, като например дистанционни за телевизори и фенерчета.
Компонен
– Anoda : Seng (Zn)
– Katoda : Mangan dioksida (MnO₂)
– Elektrolit : Kalium hidroksida (KOH)
Реакси Кимия
В алкална батерия протича следната реакция:
– Anoda (Oksidasi) :
Zn(s) + 2OH⁻ (aq) → Zn(OH)₂(s) + 2e⁻
– Katoda (Reduksi) :
2 MnO₂ (т) + 2 H₂O (л) + 2 e⁻ → 2 MnO(OH) (т) + 2 OH⁻ (вод)
Общата получена реакция е:
Zn(s) + 2 MnO₂(s) → ZnO(s) + Mn₂O₃(s)
По време на тази реакция, цинкът на анода се окислява, за да се получи цинков оксид (ZnO), докато мангановият диоксид на катода се редуцира до Mn₂O₃.
Оловно-киселинна батерия
Оловно-киселинните батерии са най-известни като вид батерия, използвана в моторните превозни средства като източник на захранване за стартиране. Тези батерии често се срещат и в системи за съхранение на енергия в UPS (непрекъсваеми захранвания).
Компонен
– Anoda : Timbal (Pb)
– Katoda : Timbal dioksida (PbO₂)
– Elektrolit : Asam sulfat (H₂SO₄)
Реакси Кимия
В оловно-киселинна батерия протича следната реакция:
– Anoda (Oksidasi) :
Pb(s) + SO₄²⁻ (воден) → PbSO₄(s) + 2 e⁻
– Katoda (Reduksi) :
PbO₂ (т) + SO₄²⁻ (водн.) + 4 H⁺ (водн.) + 2 e⁻ → PbSO₄ (т) + 2 H₂O (л)
Общата получена реакция е:
Pb (т) + PbO₂ (т) + 2 H₂SO₄ (водн.) → 2 PbSO₄ (т) + 2 H₂O (л)
Асам сулфат bertindak sebagai elektrolit yang memfasilitasi transfer ion antara anoda dan katoda. Ketika baterai diisi ulang, reaksi ini dibalik, mengembalikan Pb dan PbO₂ ke elektroda mereka masing-masing.
Литиево-йонни батерии
Литиево-йонните батерии са едни от най-популярните видове съвременни батерии, използвани в преносими електронни устройства като мобилни телефони, лаптопи и електрически автомобили.
Компонен
– Anoda : Grafit yang diinterkalasi dengan ion lithium (LiC₆)
– Katoda : Padatan berlapis seperti lithium kobalt oksida (LiCoO₂), lithium mangan oksida (LiMn₂O₄), atau lithium besi fosfat (LiFePO₄)
– Elektrolit : Campuran cair polimer yang mengandung garam lithium
Реакси Кимия
В литиево-йонните батерии протичат следните реакции:
– Anoda (Pengosongan) :
LiC₆ → C₆ + Li⁺ + e⁻
– Katoda (Pengosongan) :
LiCoO₂ + Li⁺ + e⁻ → LiCoO₂
Общата реакция, получена по време на разряда, е:
C₆Li + LiCoO₂ → C₆ + CoO₂ + Li₂O
Обратната реакция се случва, когато батерията се презарежда. По време на зареждането литиевите йони се връщат от катода обратно към графитния анод.
Никел-кадмиева (NiCd) батерия
Никел-кадмиевите батерии отдавна се използват за приложения, които изискват чести цикли на зареждане и разреждане, като например електрически инструменти и медицински изделия.
Компонен
– Anoda : Cadmium (Cd)
– Katoda : Nikel oksida hidroksida (NiO(OH))
– Elektrolit : Kalium hidroksida (KOH)
Реакси Кимия
В никел-кадмиева батерия протича следната реакция:
– Anoda (Oksidasi) :
Cd(s) + 2OH⁻ (aq) → Cd(OH)₂(s) + 2e⁻
– Katoda (Reduksi) :
2 NiO(OH)₂ (т) + 2 H₂O (л) + 2 e⁻ → 2 Ni(OH)₂ (т) + 2 OH⁻ (вод)
Общата получена реакция е:
Cd (s) + 2 NiO(OH) (s) + 2 H₂O (l) → Cd(OH)₂ (s) + 2 Ni(OH)₂ (s)
При тази реакция кадмият на анода се окислява до кадмиев хидроксид, докато никеловият оксид-хидроксид на катода се редуцира до никелов хидроксид.
Заключение
Батериите играят жизненоважна роля в съвременния ни живот и разбирането на химичните реакции, които протичат в тях, е ключово за разработването на по-ефективни технологии. Независимо дали става въпрос за прости алкални батерии или за сложни литиево-йонни батерии, всички батерии разчитат на фундаменталния принцип на редокс реакциите, за да генерират електричество. С напредъка в научните изследвания и технологичните иновации можем да очакваме бъдещите батерии да станат по-ефективни, издръжливи и екологични.
Като разберем химическите основи на тези батерии, можем по-добре да оценим технологията, която захранва много аспекти от нашето ежедневие.
