Батерейд явагддаг химийн урвалууд
Батерей нь хүн төрөлхтний түүхэн дэх хамгийн чухал шинэчлэлүүдийн нэг болж, цагнаас цахилгаан машин хүртэлх бүх төрлийн төхөөрөмжийг ажиллуулдаг болсон. Батерейны үйл ажиллагааны түлхүүр нь түүний дотор явагддаг химийн урвалууд юм. Энэ нийтлэлд янз бүрийн төрлийн батерейны ажиллагааны үндэс суурь болдог химийн урвалуудын талаар авч үзэх болно.
Батерейны товч түүх
Анхны батерейг 1800 онд Алессандро Вольта зохион бүтээжээ. Тэрээр давсны уусмалд дэвтээсэн даавуугаар тусгаарлагдсан зэс, цайрын хавтангийн овоолго ашиглан "Вольтаик овоолго"-г бүтээжээ. Энэхүү шинэ бүтээл нь илүү үр ашигтай, зөөврийн батерейг хөгжүүлэх замыг нээж өгсөн юм.
Батерейны үндсэн зарчим
Бүх батерейны үндсэн зарчим нь химийн урвалаар цахилгаан үүсгэх явдал юм. Батерей бүр нь гурван үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгээс бүрдэнэ: анод, катод, электролит.
– Анод нь электрохимийн урвалын үед электрон ялгаруулдаг сөрөг электрод юм.
– Катод нь электрон хүлээн авдаг эерэг электрод юм.
– Электролит гэдэг нь анод ба катодын хооронд ионуудын хөдөлгөөнийг хангаж, химийн урвалыг хөнгөвчилдөг орчин юм.
Батерейд явагддаг урвалуудыг исэлдэн ангижрах (буурах-исэлдүүлэх) урвал гэж нэрлэдэг. Анод дээр исэлдэлтийн урвал явагддаг бол катод дээр буурах урвал явагддаг.
Шүлтлэг батерей
Шүлтлэг батерей нь хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг батерейны нэг юм. Эдгээрийг ихэвчлэн телевизийн удирдлага, гар чийдэн зэрэг бага чадалтай төхөөрөмжүүдэд ашигладаг.
Бүрэлдэхүүн хэсэг
– Анод: Цайр (Zn)
– Катод: Манганы давхар исэл (MnO₂)
– Электролит: Калийн гидроксид (KOH)
Химийн урвал
Шүлтлэг батерейд дараах урвал явагдана.
– Анод (Исэлдэлт):
Zn (s) + 2 OH⁻ (aq) → Zn(OH)₂ (s) + 2 e⁻
– Катод (Бууралт):
2 MnO₂ (с) + 2 H₂O (л) + 2 e⁻ → 2 MnO(OH) (с) + 2 OH⁻ (aq)
Үүссэн нийт урвал нь:
Zn(s) + 2 MnO₂(s) → ZnO(s) + Mn₂O₃(s)
Энэ урвалын үед анод дахь цайр нь исэлдэж цайрын исэл (ZnO) үүсгэдэг бол катод дахь манганы давхар исэл нь Mn₂O₃ болж буурдаг.
Хар тугалганы хүчлийн батерей
Хар тугалганы хүчлийн батерейг автомашинд эх үүсвэрийн эрчим хүчний эх үүсвэр болгон ашигладаг батерейны төрөл гэж нэрлэдэг. Эдгээр батерейг мөн UPS (Тасралтгүй Цахилгаан Хангамж)-ын эрчим хүч хадгалах системд ихэвчлэн ашигладаг.
Бүрэлдэхүүн хэсэг
– Анод: Хар тугалга (Pb)
– Катод: Хар тугалганы давхар исэл (PbO₂)
– Электролит: Хүхрийн хүчил (H₂SO₄)
Химийн урвал
Хар тугалганы хүчлийн батерейд дараах урвал явагдана.
– Анод (Исэлдэлт):
Pb(s) + SO₄²⁻ (aq) → PbSO₄(s) + 2 e⁻
– Катод (Бууралт):
PbO₂ (s) + SO₄²⁻ (aq) + 4 H⁺ (aq) + 2 e⁻ → PbSO₄ (s) + 2 H₂O (l)
Үүссэн нийт урвал нь:
Pb(s) + PbO₂(s) + 2 H₂SO₄ (aq) → 2 PbSO₄(s) + 2 H₂O (l)
Хүхрийн хүчил нь электролитийн үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд анод ба катодын хооронд ионуудын шилжилтийг хөнгөвчилдөг. Батерейг цэнэглэхэд энэ урвал эсрэгээрээ явагдаж, Pb ба PbO₂ нь тус тусын электродууд руугаа буцдаг.
Лити-ион батерей
Лити-ион батерей нь орчин үеийн хамгийн түгээмэл батерейны нэг бөгөөд гар утас, зөөврийн компьютер, цахилгаан машин зэрэг зөөврийн электрон төхөөрөмжид ашиглагддаг.
Бүрэлдэхүүн хэсэг
– Анод: Литийн ионуудтай холилдсон бал чулуу (LiC₆)
– Катод: Лити кобальтын исэл (LiCoO₂), литийн манганы исэл (LiMn₂O₄), эсвэл литийн төмрийн фосфат (LiFePO₄) зэрэг давхаргатай хатуу бодис
– Электролит: Литийн давс агуулсан полимерүүдийн шингэн холимог.
Химийн урвал
Лити-ион батерейд дараах урвал явагдана.
– Анод (Цэнэглэлт):
LiC₆ → C₆ + Li⁺ + e⁻
– Катод (Услах):
LiCoO₂ + Li⁺ + e⁻ → LiCoO₂
Цэвэрлэх явцад үүссэн нийт урвал нь:
C₆Li + LiCoO₂ → C₆ + CoO₂ + Li₂O
Батерейг цэнэглэх үед урвуу урвал явагддаг. Цэнэглэх үед лити-ионууд катодоос бал чулуун анод руу буцаж шилждэг.
Никель-Кадми (NiCd) Батерей
Никель-кадми батерейг цахилгаан хэрэгсэл, эмнэлгийн хэрэгсэл гэх мэт байнга цэнэглэх, цэнэггүйжүүлэх цикл шаарддаг хэрэглээнд удаан хугацаанд ашиглаж ирсэн.
Бүрэлдэхүүн хэсэг
– Анод: Кадми (Cd)
– Катод: Никель ислийн гидроксид (NiO(OH) )
– Электролит: Калийн гидроксид (KOH)
Химийн урвал
Никель-кадми батерейд дараах урвал явагдана.
– Анод (Исэлдэлт):
Cd(s) + 2 OH⁻ (aq) → Cd(OH)₂(s) + 2 e⁻
– Катод (Бууралт):
2 NiO(OH) (s) + 2 H₂O (l) + 2 e⁻ → 2 Ni(OH)₂ (s) + 2 OH⁻ (aq)
Үүссэн нийт урвал нь:
Cd (s) + 2 NiO(OH) (s) + 2 H₂O (l) → Cd(OH)₂ (s) + 2 Ni(OH)₂ (s)
Энэ урвалд анод дахь кадми нь кадмийн гидроксид болж исэлддэг бол катод дахь никель оксидын гидроксид нь никель гидроксид болж буурдаг.
Дүгнэлт
Батерей нь бидний орчин үеийн амьдралд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд тэдгээрийн дотор явагддаг химийн урвалыг ойлгох нь илүү үр ашигтай технологийг хөгжүүлэхэд гол түлхүүр юм. Энгийн шүлтлэг батерей эсвэл нарийн төвөгтэй лити-ион батерей байсан ч бүх батерей нь цахилгаан үйлдвэрлэхийн тулд исэлдэн ангижрах урвалын үндсэн зарчимд суурилдаг. Судалгаа, технологийн шинэчлэлийн дэвшлийн ачаар ирээдүйн батерейнууд илүү үр ашигтай, бат бөх, байгаль орчинд ээлтэй болно гэж бид найдаж байна.
Эдгээр батерейны химийн үндсийг ойлгосноор бид өдөр тутмын амьдралынхаа олон талыг эрчимжүүлдэг технологийг илүү сайн үнэлж чадна.
