ТИПЫ БАТАРЕЙ, ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕАКЦИИ - ХИМИЯ - 2025

На рынке вы можете получить разные типы аккумуляторов со своими характеристиками . Батареи, которые представляют собой не что иное, как гальванические элементы, дают потребителям возможность брать электричество с собой куда угодно (при условии, что условия не являются суровыми).

Батареи обычно можно купить изолированными; но они также могут быть соединены друг с другом последовательно или параллельно, и их набор представляет собой то, что они называют батареями. И поэтому иногда термины «батареи» и «батареи» используются без разбора, даже если они не совпадают.

Щелочные батарейки: один из самых популярных типов батарей. Источник: Pexels.

Стопки могут быть бесчисленных цветов, форм и размеров, так же как они могут быть сделаны из других материалов. Точно так же, что более важно, его внутренняя структура, в которой происходят химические реакции, генерирующие электричество, служит для их различения.

Например, на изображении выше показаны три щелочные батареи, одна из самых распространенных. Термин «щелочная» относится к тому факту, что среда, в которой происходит высвобождение и поток электронов, является основной; то есть, он имеет pH больше 7 и преобладают анионы OH ^- и другие отрицательные заряды.

Общий рейтинг

Прежде чем рассматривать некоторые из различных типов батарей, необходимо знать, что они во всем мире классифицируются как первичные или вторичные.

Первичный

Первичные батареи - это батареи, которые после использования должны быть утилизированы или переработаны, поскольку химическая реакция, на которой основан электрический ток, необратима. Поэтому их нельзя перезарядить.

Они в основном используются в приложениях, где нецелесообразно перезаряжать электрическую энергию; например, в военных устройствах, посреди поля битвы. Точно так же они предназначены для оборудования, которое потребляет мало энергии, поэтому они служат дольше; например, пульты дистанционного управления или портативные консоли (такие как Gameboy, Tetris и Tamagotchi).

Щелочные батареи, если привести другой пример, также относятся к первичному типу. Обычно они имеют цилиндрическую форму, хотя это не означает, что цилиндрические батареи не могут быть вторичными или перезаряжаемыми.

вузы

В отличие от первичных батарей, вторичные батареи можно перезаряжать, когда они разрядились.

Это связано с тем, что химические реакции, которые происходят внутри них, являются обратимыми, и поэтому после приложения определенного напряжения продукты снова становятся реактивными, что приводит к повторному запуску реакции.

Некоторые вторичные элементы (называемые батареями) обычно имеют небольшие размеры, как и первичные; однако они предназначены для устройств, которые потребляют больше энергии и для которых использование первичных батарей было бы нецелесообразно экономически и энергетически. Например, батареи сотовых телефонов содержат вторичные элементы.

Кроме того, вторичные элементы предназначены для крупногабаритного оборудования или цепей; например, автомобильные аккумуляторы, которые состоят из нескольких батарей или гальванических элементов.

Как правило, они дороже, чем первичные элементы и батареи, но для длительного использования они оказываются более подходящим и эффективным вариантом.

Прочие аспекты

Стеки подразделяются на первичные и вторичные; но коммерчески или популярно они обычно классифицируются в зависимости от их формы (цилиндрическая, прямоугольная, кнопочная), предназначенного устройства (камеры, транспортные средства, калькуляторы), их названий (AA, AAA, C, D, N, A23 и т. д.) ) и их кодами IEC и ANSI.

Кроме того, такие характеристики, как их напряжение (от 1,2 до 12 В), а также срок их полезного использования и цена, определяют их классификацию в глазах потребителя.

Список типов батарей

-Углерод-цинк

Углеродно-цинковые батареи (также известные как элементы Leclanché или солевые батареи) являются одними из самых примитивных и в настоящее время считаются почти неиспользованными по сравнению с другими батареями; особенно по сравнению с щелочными батареями, которые, хотя и немного дороже, но имеют более длительный срок службы и большее напряжение.

Как следует из названия, его электроды состоят из цинковой банки и графитового стержня, соответствующих аноду и катоду соответственно.

В первом электроде, аноде, электроны возникают в результате окисления металлического цинка. Эти электроны затем проходят через внешнюю цепь, которая питает устройство электрической энергией, и затем они попадают на графитовый катод, где цикл завершается восстановлением диоксида марганца, в который он погружен.

Реакции

Химические уравнения для реакций, происходящих на электродах, следующие:

Zn (s) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (анод)

2 MnO ₂ (т.) + 2e ^- + 2 NH ₄ Cl (водн.) → Mn ₂ O ₃ (т.) + 2 NH ₃ (водн.) + H ₂ O (л) + 2 Cl ^- (водн.) (Катод)

Эти батареи очень похожи на щелочные батареи: обе имеют цилиндрическую форму (например, та, что на изображении). Однако угольно-цинковые батареи можно отличить, подробно прочитав характеристики, указанные на внешней стороне, или если перед их кодом IEC стоит буква R. Их напряжение составляет 1,5 В.

-Щелочной

Щелочные батареи очень похожи на угольно-цинковые, с той разницей, что среда, в которой расположены электроды, содержит анионы ОН ^- . Эта среда состоит из сильных электролитов гидроксида калия, KOH, что способствует ОН ^- , которые участвуют и «сотрудничают» в миграции электронов.

Они бывают разных размеров и напряжений, но наиболее распространенным является 1,5 В. Это, пожалуй, самые известные аккумуляторы на рынке (например, Duracell).

На ваших электродах возникают следующие реакции:

Zn (s) + 2OH ^- (водн.) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- (анод)

2MnO ₂ (т) + H ₂ O (л) + 2e ^- → Mn ₂ O ₃ (т) + 2OH ^- (водн.) (Катод)

Чем выше температура, тем быстрее происходят реакции и тем быстрее разряжаются батареи. Интересно, что распространялись популярные слухи, что их кладут в морозилку, чтобы продлить срок их жизни; Однако при охлаждении его содержимое может затвердеть, что может привести к последующим дефектам или рискам.

Меркурий

Вероятна ртутная батарея, которую можно спутать с батареей из оксида серебра. Источник: Multicherry.

Ртутные батарейки очень характерны из-за своеобразной формы серебряных кнопок (изображение выше). Почти каждый узнал бы их с первого взгляда. Они тоже щелочные, но их катод содержит, помимо графита и диоксида марганца, оксид ртути, HgO; которая после восстановления превращается в металлическую ртуть:

Zn (s) + 2OH ^- (водный раствор) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^-

HgO (тв) + H ₂ O + 2e ^- → Hg (тв) + 2OH ^-

Обратите внимание на то, как анионы OH ^- потребляются и регенерируются в этих клеточных реакциях .

Будучи маленькими батареями, он предназначен для небольших устройств, таких как часы, калькуляторы, элементы управления игрушками и т. Д. Любой, кто использовал любой из этих предметов, поймет, что нет необходимости менять батареи почти на «вечность»; что примерно эквивалентно 10 годам.

Оксид серебра

Батареи из оксида серебра. Источник: Lukas A, CZE.

Главный недостаток ртутных батарей заключается в том, что при утилизации они представляют серьезную проблему для окружающей среды из-за токсичных свойств этого металла. Возможно, поэтому в нем отсутствуют коды IEC и ANSI. Для серебряно-оксидных батарей их коду МЭК предшествует буква S.

Один из заменителей ртутных батарей соответствует батареям из оксида серебра, которые намного дороже, но с меньшим воздействием на окружающую среду (верхнее изображение). Изначально они содержали ртуть для защиты цинка от щелочной коррозии.

Он доступен с напряжением 1,5 В и его применение очень похоже на применение ртутных батарей. Фактически, на первый взгляд обе батареи выглядят одинаково; хотя могут быть гораздо большие груды оксида серебра.

Реакции на его электродах следующие:

Zn (s) + 2OH ^- (водн.) → Zn (OH) ₂ (s) + 2 e ^-

Ag ₂ O (т.) + 2H ⁺ (водн.) + 2e ^- → 2Ag (т. Е.) + H ₂ O (л)

Впоследствии вода подвергается электролизу, разлагаясь на ионы H ⁺ и OH ^- .

Обратите внимание, что вместо ртути на катоде образуется металлическое серебро.

-Никель-кадмиевый (NiCad)

NiCd аккумулятор. Источник: LordOider.

С этого момента рассматриваются вторичные элементы или батареи. Как и ртутные батареи, никель-кадмиевые батареи вредны для окружающей среды (для дикой природы и здоровья) из-за металлического кадмия.

Для них характерны высокие электрические токи, и их можно перезаряжать большое количество раз. Фактически, их можно перезарядить всего 2000 раз, что равносильно исключительной прочности.

Его электроды состоят из гидроксида оксида никеля NiO (OH) для катода и металлического кадмия для анода. Химическое обоснование, по сути, остается прежним: кадмий (вместо цинка) теряет электроны, а кадмий NiO (OH) их приобретает.

Полуклеточные реакции:

Cd (s) + 2OH ^- (водн.) → Cd (OH) ₂ (s) + 2e ^-

2NiO (OH) (s) + 2H ₂ O (l) + 2e ^- → 2Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (водн.)

Анионы OH ^- опять же происходят из электролита KOH. Таким образом, никель-кадмиевые аккумуляторы в конечном итоге образуют гидроксиды металлов никеля и кадмия.

Они используются по отдельности или вместе в пакетах (например, желтый, на изображении выше). Так что они бывают большими или маленькими. Маленькие находят применение в игрушках; но большие используются для самолетов и электромобилей.

-Никель-металлогидрид (Ni-HM)

Ni-HM аккумуляторы. Источник: Рамеш Н.Г. с Flickr (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

Другой хорошо известный элемент или аккумулятор, который превосходит NiCad по энергоемкости, - это Ni-HM (никель и металлогидрид). Он может быть цилиндрического типа (обычные батареи, изображение выше) или соединен с батареей.

По химическому составу он имеет почти те же характеристики, что и никель-кадмиевые батареи, с основным отличием от отрицательного электрода: катодом является не кадмий, а интерметаллический сплав редкоземельных элементов и переходных металлов.

Этот сплав отвечает за поглощение водорода, образующегося во время зарядки, с образованием сложного гидрида металла (отсюда и буква H в его названии).

Хотя никель-металлогидридные батареи обеспечивают большую мощность (примерно на 40% больше), они более дороги, быстрее изнашиваются и не могут заряжаться столько же раз, сколько никель-кадмиевые батареи; то есть у них более короткий срок полезного использования. Однако в них отсутствует эффект памяти (потеря производительности батарей из-за неполной разрядки).

По этой причине они не должны использоваться в машинах, которые работают долго; хотя эта проблема была решена с помощью батарей LSD-NiHM. Точно так же Ni-HM элементы или батареи обладают очень стабильными тепловыми характеристиками и могут работать в широком диапазоне температур без риска.

Реакции

На ваших электродах возникают следующие реакции:

Ni (OH) ₂ (s) + OH ^- (водн.) ⇌ NiO (OH) (s) + H ₂ O (l) + e ^-

H ₂ O (l) + M (s) + e ^- ⇌ OH ^- (водн.) + MH (s)

-Ион-литий

Литий-ионный аккумулятор для ноутбука. Источник: Кристоферб из Википедии.

В литиевых элементах и ​​батареях они основаны на миграции ионов Li ⁺ , которые переносятся с анода на катод, что является продуктом электростатического отталкивания из-за увеличения положительного заряда.

Некоторые из них можно перезаряжать, например, батареи ноутбука (верхнее изображение), а другие цилиндрические и прямоугольные батареи (LiSO ₂ , LiSOCl ₂ или LiMnO ₂ ) - нет.

Литий-ионные батареи очень легкие и энергоемкие, что позволяет использовать их во многих электронных устройствах, таких как смартфоны и медицинское оборудование. Точно так же они практически не страдают от эффекта памяти, их плотность заряда превышает таковую у никель-кадмиевых и никель-титановых элементов и батарей, и им требуется больше времени для разряда.

Однако они очень чувствительны к высоким температурам, даже взрывам; кроме того, они обычно дороже по сравнению с другими батареями. Тем не менее литиевые батареи пользуются успехом на рынке, и многие потребители оценивают их как лучшие.

-Кислотный свинец

Типичный свинцово-кислотный аккумулятор для автомобилей. Источник: Tntflash

И, наконец, свинцово-кислые бактерии, как следует из названия, содержат не ионы ОН ^-, а ионы Н ⁺ ; а именно концентрированный раствор серной кислоты. Гальванические элементы находятся внутри своих коробок (верхнее изображение), где три или шесть из них могут быть соединены последовательно, что дает батарею на 6 или 12 В соответственно.

Он способен генерировать большие количества электрического заряда, и, поскольку они очень тяжелые, они предназначены для приложений или устройств, которые нельзя транспортировать вручную; например, автомобили, солнечные батареи и подводные лодки. Этот кислотный аккумулятор является самым старым и до сих пор используется в автомобильной промышленности.

Его электроды сделаны из свинца: PbO ₂ для катода и губчатого металлического свинца для анода. В них возникают следующие реакции:

Pb (s) + HSO ^- ₄ (водн.) → PbSO ₄ (s) + H ⁺ (водн.) + 2e ^-

PbO ₂ (т.) + HSO ^- ₄ (водн.) + 3H ⁺ (водн.) + 2e ^- → PbSO ₄ (т.) + 2H ₂ O (л)

Ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия. (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
2. Odunlade Emmanuel. (24 июля 2018 г.). Различные типы аккумуляторов и их применение. Электронный дайджест. Получено с: circuitdigest.com
3. ТЕСТ. (SF). Типы аккумуляторов. Получено с: prba.org
4. Исидор Бухман. (2019). Какая батарея лучшая? Батарейный университет. Получено с: batteryuniversity.com
5. Компании McGraw-Hill. (2007). Глава 12: Батареи. . Получено с: oakton.edu
6. Шепли Патрисия. (2012). Общие типы батарей. Университет Иллинойса. Получено с: butane.chem.uiuc.edu
7. Экологическое отношение. (22 января 2017 г.). Типы батарей: полное руководство с имеющимися батареями. Получено с: actitudecologica.com