Efnafræðileg viðbrögð sem eiga sér stað í rafhlöðum
Rafhlöður eru orðnar ein mikilvægasta nýjung mannkynssögunnar og knýja tæki allt frá úrum til rafmagnsbíla. Lykillinn að virkni rafhlöðu eru efnahvörfin sem eiga sér stað í henni. Í þessari grein verður fjallað um efnahvörfin sem liggja að baki virkni ýmissa gerða rafhlöðu.
Stutt saga rafhlöðu
Fyrsta rafhlaðan var fundin upp af Alessandro Volta árið 1800. Hann bjó til „Voltaic-hrúguna“ sem notaði stafla af kopar- og sinkplötum sem voru aðskildar með klút vættum í saltlausn. Þessi uppfinning ruddi brautina fyrir þróun skilvirkari og flytjanlegri rafhlöðu.
Grunnreglur rafhlöðu
Grunnregla allra rafhlöðu er að framleiða rafmagn með efnahvörfum. Hver rafhlaða samanstendur af þremur meginþáttum: anóðu, katóðu og rafvökva.
– 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.
Alkalísk rafhlaða
Alkalískar rafhlöður eru ein algengasta gerð rafhlöðu. Þær eru yfirleitt notaðar í orkusparandi tækjum eins og fjarstýringum fyrir sjónvarp og vasaljós.
Hluti
– Anoda : Seng (Zn)
– Katoda : Mangan dioksida (MnO₂)
– Elektrolit : Kalium hidroksida (KOH)
Efnafræðileg viðbrögð
Í basískri rafhlöðu á sér stað eftirfarandi viðbrögð:
– 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)
Heildarviðbrögðin sem myndast eru:
Zn(s) + 2 MnO₂(s) → ZnO(s) + Mn₂O₃(s)
Við þessa viðbrögð oxast sink við anóðuna til að framleiða sinkoxíð (ZnO), en mangandíoxíð við katóðuna afoxast í Mn₂O₃.
Blýsýrurafhlaða
Blýsýrurafhlöður eru þekktastar sem sú tegund rafhlöðu sem notaðar eru í bifreiðum sem ræsikraftur. Þessar rafhlöður eru einnig oft að finna í orkugeymslukerfum í UPS (Uninterruptible Power Supplies).
Hluti
– Anoda : Timbal (Pb)
– Katoda : Timbal dioksida (PbO₂)
– Elektrolit : Asam sulfat (H₂SO₄)
Efnafræðileg viðbrögð
Í blýsýrurafhlöðu er viðbrögðin sem eiga sér stað:
– 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)
Heildarviðbrögðin sem myndast eru:
Pb (s) + PbO₂ (s) + 2 H₂SO₄ (aq) → 2 PbSO₄ (s) + 2 H₂O (l)
Asam súlfat 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.
Lithium-Ion rafhlöður
Litíum-jón rafhlöður eru ein vinsælasta gerð nútíma rafhlöðu og eru notaðar í flytjanlegum rafeindatækjum eins og farsímum, fartölvum og rafmagnsbílum.
Hluti
– 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
Efnafræðileg viðbrögð
Í litíum-jón rafhlöðum eru viðbrögðin sem eiga sér stað:
– Anoda (Pengosongan) :
LiC₆ → C₆ + Li⁺ + e⁻
– Katoda (Pengosongan) :
LiCoO₂ + Li⁺ + e⁻ → LiCoO₂
Heildarviðbrögðin sem myndast við útskriftina eru:
C₆Li + LiCoO₂ → C₆ + CoO₂ + Li₂O
Öfug viðbrögð eiga sér stað þegar rafhlaðan er endurhlaðin. Við hleðslu færast litíumjónir aftur frá katóðunni að grafítanóðunni.
Nikkel-kadmíum (NiCd) rafhlaða
Nikkel-kadmíum rafhlöður hafa lengi verið notaðar í forritum sem krefjast tíðra hleðslu- og afhleðsluferla, svo sem í rafmagnsverkfærum og lækningatækjum.
Hluti
– Anoda : Cadmium (Cd)
– Katoda : Nikel oksida hidroksida (NiO(OH))
– Elektrolit : Kalium hidroksida (KOH)
Efnafræðileg viðbrögð
Í nikkel-kadmíum rafhlöðu á sér stað eftirfarandi viðbrögð:
– 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)
Heildarviðbrögðin sem myndast eru:
Cd (s) + 2 NiO(OH) (s) + 2 H₂O (l) → Cd(OH)₂ (s) + 2 Ni(OH)₂ (s)
Í þessari viðbrögðum oxast kadmíum við anóðuna í kadmíumhýdroxíð, en nikkeloxíðhýdroxíð við katóðuna afoxast í nikkelhýdroxíð.
Niðurstaða
Rafhlöður gegna mikilvægu hlutverki í nútímalífi okkar og skilningur á efnahvörfum sem eiga sér stað í þeim er lykillinn að þróun skilvirkari tækni. Hvort sem um er að ræða einfaldar basískar rafhlöður eða háþróaðar litíum-jón rafhlöður, þá treysta allar rafhlöður á grundvallarregluna um oxunar-afoxunarviðbrögð til að framleiða rafmagn. Með framþróun í rannsóknum og tækninýjungum má búast við að framtíðarrafhlöður verði skilvirkari, endingarbetri og umhverfisvænni.
Með því að skilja efnafræðilega grunnþætti þessara rafhlöðu getum við betur metið þá tækni sem knýr marga þætti daglegs lífs okkar.
