Patareides toimuvad keemilised reaktsioonid
Patareidest on saanud inimkonna ajaloo üks olulisemaid uuendusi, mis toidavad seadmeid alates kelladest kuni elektriautodeni. Patareide funktsionaalsuse võti peitub selles toimuvates keemilistes reaktsioonides. See artikkel käsitleb keemilisi reaktsioone, mis on erinevat tüüpi patareide töö aluseks.
Patareide lühiajalugu
Esimese patarei leiutas Alessandro Volta 1800. aastal. Ta lõi "Voltaic Pile'i", mis kasutas vask- ja tsinkplaatide virna, mis olid eraldatud soolalahuses leotatud riidega. See leiutis sillutas teed tõhusamate ja kaasaskantavamate patareide väljatöötamisele.
Patareide põhiprintsiibid
Kõigi akude põhiprintsiip on elektrienergia tootmine keemilise reaktsiooni abil. Iga aku koosneb kolmest põhikomponendist: anoodist, katoodist ja elektrolüüdist.
– 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.
Leeliseline patarei
Leelispatareid on ühed enimkasutatavad patareitüübid. Neid kasutatakse tavaliselt väikese energiatarbega seadmetes, näiteks teleripultides ja taskulampides.
Komponent
– Anoda : Seng (Zn)
– Katoda : Mangan dioksida (MnO₂)
– Elektrolit : Kalium hidroksida (KOH)
Keemiline reaktsioon
Leelispatareis toimub reaktsioon järgmiselt:
– 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)
Kogu tekkiv reaktsioon on:
Zn(s) + 2 MnO₂(s) → ZnO(s) + Mn₂O₃(s)
Selle reaktsiooni käigus oksüdeerub tsink anoodil tsinkoksiidiks (ZnO), samal ajal kui mangaandioksiid katoodil redutseerub Mn₂O₃-ks.
Pliiaku
Pliiakud on tuntud eelkõige mootorsõidukite käivitusvooluallikana kasutatavate akude tüübina. Neid akusid leidub sageli ka katkematu toite allikate (UPS) energiasalvestussüsteemides.
Komponent
– Anoda : Timbal (Pb)
– Katoda : Timbal dioksida (PbO₂)
– Elektrolit : Asam sulfat (H₂SO₄)
Keemiline reaktsioon
Pliiaku puhul toimub reaktsioon järgmiselt:
– 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)
Kogu tekkiv reaktsioon on:
Pb (s) + PbO₂ (s) + 2 H₂SO₄ (vesilahus) → 2 PbSO₄ (s) + 2 H₂O (l)
Asam sulfaat 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.
Liitiumioonakud
Liitiumioonakud on üks populaarsemaid tänapäevaseid akutüüpe, mida kasutatakse kaasaskantavates elektroonikaseadmetes, nagu mobiiltelefonid, sülearvutid ja elektriautod.
Komponent
– 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
Keemiline reaktsioon
Liitiumioonakudes toimuvad reaktsioonid on järgmised:
– Anoda (Pengosongan) :
LiC₆ → C₆ + Li⁺ + e⁻
– Katoda (Pengosongan) :
LiCoO₂ + Li⁺ + e⁻ → LiCoO₂
Tühjendamise ajal tekkiv kogureaktsioon on:
C6Li + LiCoO₂ → C₆ + CoO2 + Li2O
Aku laadimisel toimub vastupidine reaktsioon. Laadimise ajal liiguvad liitiumioonid katoodilt tagasi grafiitanoodile.
Nikkel-kaadmiumi (NiCd) aku
Nikkel-kaadmiumakusid on pikka aega kasutatud rakendustes, mis vajavad sagedasi laadimis- ja tühjendustsükleid, näiteks elektrilised tööriistad ja meditsiiniseadmed.
Komponent
– Anoda : Cadmium (Cd)
– Katoda : Nikel oksida hidroksida (NiO(OH))
– Elektrolit : Kalium hidroksida (KOH)
Keemiline reaktsioon
Nikkel-kaadmiumakus toimub järgmine reaktsioon:
– 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)
Kogu tekkiv reaktsioon on:
Cd (s) + 2 NiO(OH) (s) + 2 H2O (l) → Cd(OH)2 (s) + 2 Ni(OH)2 (s)
Selles reaktsioonis oksüdeerub kaadmium anoodil kaadmiumhüdroksiidiks, samal ajal kui nikkeloksiidhüdroksiid katoodil redutseerub nikkelhüdroksiidiks.
Järeldus
Akudel on meie tänapäeva elus oluline roll ning nendes toimuvate keemiliste reaktsioonide mõistmine on tõhusamate tehnoloogiate väljatöötamise võti. Olenemata sellest, kas tegemist on lihtsate leelispatareide või keerukate liitiumioonakudega, tuginevad kõik akud elektri tootmiseks redoksreaktsioonide põhiprintsiibile. Teadusuuringute ja tehnoloogilise innovatsiooni edusammudega võime eeldada, et tulevased akud muutuvad tõhusamaks, vastupidavamaks ja keskkonnasõbralikumaks.
Nende akude keemilisi põhitõdesid mõistes saame paremini hinnata tehnoloogiat, mis annab jõudu paljudele meie igapäevaelu aspektidele.
