Reaccions químiques que es produeixen a les bateries
Les bateries s'han convertit en una de les innovacions més importants de la història de la humanitat, alimentant dispositius que van des de rellotges fins a cotxes elèctrics. La clau de la funcionalitat d'una bateria són les reaccions químiques que s'hi produeixen. Aquest article tractarà les reaccions químiques que subjauen al funcionament de diversos tipus de bateries.
Una breu història de les bateries
La primera pila va ser inventada per Alessandro Volta el 1800. Va crear la "pila voltaica", que utilitzava una pila de plaques de coure i zinc separades per tela amarada en una solució salina. Aquesta invenció va obrir el camí per al desenvolupament de bateries més eficients i portàtils.
Principis bàsics de les bateries
El principi bàsic de totes les bateries és generar electricitat mitjançant una reacció química. Cada bateria consta de tres components principals: un ànode, un càtode i un electròlit.
– 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 reaksi redoks (reduksi-oksidasi). Di anoda, terjadi reaksi oksidasi, sementara di katoda terjadi reaksi reduksi.
Pila alcalina
Les piles alcalines són un dels tipus de piles més utilitzats. Normalment s'utilitzen en dispositius de baix consum com ara comandaments a distància de televisió i llanternes.
Component
– Anoda : Seng (Zn)
– Katoda : Mangan dioksida (MnO₂)
– Elektrolit : Kalium hidroksida (KOH)
Reacció química
En una pila alcalina, la reacció que es produeix és:
– Anoda (Oksidasi) :
Zn (s) + 2 OH⁻ (aq) → Zn(OH)₂ (s) + 2 e⁻
– Katoda (Reduksi) :
2 MnO₂ (s) + 2 H₂O (l) + 2 e⁻ → 2 MnO(OH)₂ (s) + 2 OH⁻ (aq)
La reacció total produïda és:
Zn(s) + 2 MnO₂(s) → ZnO(s) + Mn₂O₃(s)
Durant aquesta reacció, el zinc a l'ànode s'oxida per produir òxid de zinc (ZnO), mentre que el diòxid de manganès al càtode es redueix a Mn₂O₃.
Bateria de plom-àcid
Les bateries de plom-àcid són més conegudes com el tipus de bateria que s'utilitza en vehicles de motor com a font d'energia d'arrencada. Aquestes bateries també es troben sovint en sistemes d'emmagatzematge d'energia en SAI (fonts d'alimentació ininterrompuda).
Component
– Anoda : Timbal (Pb)
– Katoda : Timbal dioksida (PbO₂)
– Elektrolit : Asam sulfat (H₂SO₄)
Reacció química
En una bateria de plom-àcid, la reacció que es produeix és:
– Anoda (Oksidasi) :
Pb(s) + SO₄²⁻ (aq) → PbSO₄(s) + 2 e⁻
– Katoda (Reduksi) :
PbO₂ (s) + SO₄²⁻ (aq) + 4 H⁺ (aq) + 2 e⁻ → PbSO₄ (s) + 2 H₂O (l)
La reacció total produïda és:
Pb (s) + PbO₂ (s) + 2 H₂SO₄ (aq) → 2 PbSO₄ (s) + 2 H₂O (l)
Sulfat d'Asam 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.
Bateries de ions de liti
Les bateries de liti-ió són un dels tipus més populars de bateries modernes, utilitzades en dispositius electrònics portàtils com ara telèfons mòbils, ordinadors portàtils i cotxes elèctrics.
Component
– 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
Reacció química
En les bateries de liti-ió, les reaccions que es produeixen són:
– Anoda (Pengosongan) :
LiC₆ → C₆ + Li⁺ + e⁻
– Katoda (Pengosongan) :
LiCoO₂ + Li⁺ + e⁻ → LiCoO₂
La reacció total resultant durant la descàrrega és:
C₆Li + LiCoO₂ → C₆ + CoO₂ + Li₂O
La reacció inversa es produeix quan es recarrega la bateria. Durant la càrrega, els ions de liti tornen a l'ànode de grafit des del càtode.
Bateria de níquel-cadmi (NiCd)
Les bateries de níquel-cadmi s'han utilitzat durant molt de temps per a aplicacions que requereixen cicles de càrrega i descàrrega freqüents, com ara eines elèctriques i dispositius mèdics.
Component
– Anoda : Cadmium (Cd)
– Katoda : Nikel oksida hidroksida (NiO(OH))
– Elektrolit : Kalium hidroksida (KOH)
Reacció química
En una bateria de níquel-cadmi, la reacció que es produeix és:
– Anoda (Oksidasi) :
Cd (s) + 2 OH⁻ (aq) → Cd(OH)₂ (s) + 2 e⁻
– Katoda (Reduksi) :
2 NiO(OH)₂ (s) + 2 H₂O (l) + 2 e⁻ → 2 Ni(OH)₂ (s) + 2 OH⁻ (aq)
La reacció total produïda és:
Cd (s) + 2 NiO(OH) (s) + 2 H₂O (l) → Cd(OH)₂ (s) + 2 Ni(OH)₂ (s)
En aquesta reacció, el cadmi a l'ànode s'oxida a hidròxid de cadmi, mentre que l'hidròxid d'òxid de níquel al càtode es redueix a hidròxid de níquel.
Conclusió
Les bateries tenen un paper vital en les nostres vides modernes, i comprendre les reaccions químiques que s'hi produeixen és clau per desenvolupar tecnologies més eficients. Tant si es tracta de simples piles alcalines com de sofisticades bateries d'ions de liti, totes les bateries es basen en el principi fonamental de les reaccions redox per generar electricitat. Amb els avenços en la recerca i la innovació tecnològica, podem esperar que les bateries del futur siguin més eficients, duradores i respectuoses amb el medi ambient.
Si entenem els fonaments químics que hi ha darrere d'aquestes bateries, podem apreciar millor la tecnologia que impulsa molts aspectes de la nostra vida quotidiana.
