Čo je elektrochemický článok (batéria): definícia, typy a fungovanie

Objavte definíciu elektrochemického článku (batéria), ako funguje, typy — nabíjateľné vs jednorazové, ich použitia a praktické tipy.

Autor: Leandro Alegsa

Chemický článok premieňa chemickú energiu na elektrickú. Väčšina batérií sú chemické články. Vo vnútri batérie prebieha chemická reakcia, ktorá spôsobuje tok elektrického prúdu.

Elektrochemický článok (často nazývaný jednoducho článok alebo bunka) je základná jednotka batérie. Batéria môže pozostávať z jedného článku alebo z viacerých článkov zapojených za sebou. V článku sú dve elektródy (anóda a katóda) oddelené elektrolytom; pri chemických reakciách na elektródach dochádza k premene látok a k presunu elektrónov cez vonkajší obvod, čo vytvára prúd.

Ako funguje článok (zjednodušene)

  • Anóda – miesto oxidácie, kde sa uvoľňujú elektróny.
  • Katóda – miesto redukcie, kde elektróny prichádzajú a reagujú s iontmi z elektrolytu.
  • Elektrolyt – vodivá látka (kvapalná, gélová alebo pevná), ktorá umožňuje pohyb iónov medzi elektródami a uzatvára vnútorný elektrický okruh.
  • Séparátor – mechanická bariéra, ktorá zabraňuje skratu medzi anódou a katódou, ale prepúšťa ióny.

Rozdiel elektrického potenciálu medzi anódou a katódou určuje napätie článku. Keď sa článok vybíja, prebiehá spontánna redoxná reakcia; pri nabíjaní (u dobíjateľných článkov) sa chemické premenné vratne obnovujú prúdom opačného smeru.

Typy batérií

  • Primárne (nedobíjacie) – určené na jednorazové použitie. Poskytujú elektrickú energiu, kým sa v nich nevyčerpajú chemické látky; potom už nie sú použiteľné ("použi a vyhoď"). Bežné príklady: alkalické a zinok–uhlíkové články.
  • Sekundárne (dobíjateľné) – možno ich opakovane nabíjať prechodom elektrického prúdu v opačnom smere, čím sa obnovia pôvodné chemické zložky. Takéto články vynašiel v roku 1859 francúzsky vedec Gaston Plante (prvý praktický olovený akumulátor).

Rozličné chemické systémy (príklady)

  • Olovené (lead-acid) – používané v automobiloch, odolné voči vysokým prúdom, ale s nižšou energetickou hustotou.
  • NiCd a NiMH – staršie typy dobíjateľných článkov; NiCd má pamäťový efekt, NiMH ponúka vyššiu kapacitu bez výrazného pamäťového efektu.
  • Lítium-iónové (Li-ion) – vysoká energetická hustota, široké použitie v spotrebnej elektronike, elektromobiloch a skladovacích systémoch.
  • Alkalické – bežné primárne články do diaľkových ovládačov, bateriek, hračiek.

Základné parametre batérií

  • Napätie (V) – práce potenciál medzi elektródami (závisí od chemického systému).
  • Kapacita (Ah alebo mAh) – množstvo náboja, ktoré batéria môže dodať pri určitej záťaži.
  • Energetická hustota (Wh/kg alebo Wh/l) – koľko energie na jednotku hmotnosti alebo objemu batéria obsahuje.
  • Vnútorný odpor – ovplyvňuje schopnosť dodávať vysoké prúdové špičky a spôsobuje straty pri vybíjaní/nabíjaní.
  • Životnosť (cykly) – počet nabíjacích a vybíjacích cyklov, po ktorých kapacita významne klesá.

Zapojenie článkov a prax

Pre dosiahnutie vyššieho napätia alebo kapacity sú články zapájané do batériových článkov (packs) v sérii alebo paralelne. Sériové zapojenie zvyšuje napätie, paralelné zvyšuje celkovú kapacitu (Ah). Správne riadenie nabíjania (nabíjacie algoritmy, BMS – battery management system) je kľúčové pre bezpečnosť a dlhovekosť, najmä pri lítium‑iónových batériách.

Bezpečnosť, údržba a recyklácia

  • Bezpečnosť – riziká zahŕňajú prehriatie, skratu, nadmerné nabíjanie alebo poškodenie, ktoré môže viesť k tepelnému úniku (thermal runaway) u niektorých chemických systémov. Používajte odporúčané nabíjačky a ochranné obvody.
  • Údržba – niektoré batérie (napr. olovené) vyžadujú pravidelnú kontrolu elektrolytu; iné majú minimálnu údržbu. Skladujte pri odporúčaných teplotách a nabíjacom stave pre dlhšiu životnosť.
  • Recyklácia – batérie obsahujú materiály, ktoré sú škodlivé pre životné prostredie (olovo, kadmium, niekedy ťažké kovy) a cenné prvky (lítium, kobalt). Recyklácia je dôležitá a často zákonom regulovaná.

Batérie sa vyrábajú v rôznych tvaroch a veľkostiach, od veľmi malých článkov používaných v hračkách a fotoaparátoch až po batérie používané v automobiloch alebo dokonca väčšie batérie. Ponorky vyžadujú veľmi veľké batérie na dlhodobú prevádzku pod vodou.

Pre používateľov: vyberajte batériu podľa požiadaviek na kapacitu, napätie a bezpečnosť; pri dobíjaní používajte doporučené nabíjače a dbajte na ekologickú likvidáciu vybitých batérií.

Typy chemických článkov

Elektrochemické články

Mimoriadne dôležitá trieda oxidačných a redukčných reakcií sa používa na zabezpečenie užitočnej elektrickej energie v batériách. Jednoduchý elektrochemický článok možno vyrobiť z kovov medi a zinku s roztokmi ich síranov. V priebehu reakcie sa môžu elektróny prenášať zo zinku na meď elektricky vodivou cestou ako užitočný elektrický prúd.

Elektrochemický článok možno vytvoriť umiestnením kovových elektród do elektrolytu, kde chemická reakcia buď využíva, alebo vytvára elektrický prúd. Elektrochemické články, ktoré generujú elektrický prúd, sa nazývajú voltové alebo galvanické články a bežné batérie pozostávajú z jedného alebo viacerých takýchto článkov. V iných elektrochemických článkoch sa používa externe dodávaný elektrický prúd na riadenie chemickej reakcie, ktorá by nenastala spontánne. Takéto články sa nazývajú elektrolytické články.

Voltaické články

Elektrochemický článok, v ktorom tečie vonkajší elektrický prúd, možno vytvoriť pomocou dvoch rôznych kovov, pretože kovy sa líšia svojou tendenciou strácať elektróny. Zinok stráca elektróny ľahšie ako meď, takže umiestnenie kovového zinku a medi do roztokov ich solí môže spôsobiť tok elektrónov cez vonkajší vodič, ktorý vedie od zinku k medi. Keďže atóm zinku poskytuje elektróny, stáva sa kladným iónom a prechádza do vodného roztoku, čím sa znižuje hmotnosť zinkovej elektródy. Na strane medi dva prijaté elektróny umožnia premeniť ión medi z roztoku na nenabitý atóm medi, ktorý sa usadí na medenej elektróde, čím sa zvýši jej hmotnosť. Tieto dve reakcie sa zvyčajne zapisujú

Zn(s) --> Zn2+(aq) + 2e

Cu2+(aq) + 2e ---> Cu(s)

Písmená v zátvorkách len pripomínajú, že zinok prechádza z pevného skupenstva (s) do vodného roztoku (aq) a naopak meď. V jazyku elektrochémie je typické označovať tieto dva procesy ako "polreakcie", ktoré prebiehajú na dvoch elektródach.

Zn(s) -> Zn2+(aq) + 2e

Poloreakcia zinku sa klasifikuje ako oxidácia, pretože zinok stráca elektróny. Terminál, na ktorom dochádza k oxidácii, sa nazýva "anóda". V prípade batérie je to záporný pól.

 

Poloreakcia medi sa klasifikuje ako redukcia, pretože získava elektróny. Terminál, na ktorom dochádza k redukcii, sa nazýva "katóda". V prípade batérie je to kladný pól.

Cu2+(aq) + 2e- -> Cu(s)

Aby voltážny článok naďalej produkoval vonkajší elektrický prúd, musí dochádzať k pohybu síranových iónov v roztoku sprava doľava, aby sa vyrovnal tok elektrónov vo vonkajšom obvode. Samotným iónom kovov sa musí zabrániť v pohybe medzi elektródami, takže nejaký druh poréznej membrány alebo iný mechanizmus musí zabezpečiť selektívny pohyb záporných iónov v elektrolyte sprava doľava.

Na presun elektrónov zo zinkovej na medenú elektródu je potrebná energia a množstvo energie na jednotku náboja dostupného z voltového článku sa nazýva elektromotorická sila (emf) článku. Energia na jednotku náboja sa vyjadruje vo voltoch (1 volt = 1 joule/coulomb).

Je zrejmé, že na získanie energie z bunky je potrebné získať viac energie uvoľnenej oxidáciou zinku, ako je potrebné na redukciu medi. Článok môže z tohto procesu získať konečné množstvo energie, pričom proces je obmedzený množstvom dostupného materiálu buď v elektrolyte, alebo v kovových elektródach. Napríklad, ak by bol na strane medi jeden mól sulfátových iónov SO42-, potom je proces obmedzený na prenos dvoch molov elektrónov cez vonkajší obvod. Množstvo elektrického náboja obsiahnutého v jednom móle elektrónov sa nazýva Faradayova konštanta a rovná sa Avogadrovmu číslu krát náboj elektrónov:

Faradayova konštanta = F = ANe = 6,022 x 1023 x 1,602 x 10-19 = 96,485 coulombov/mola

Výťažok energie z voltového článku je daný súčinom napätia článku a počtu molekúl prenesených elektrónov krát Faradayova konštanta.

Výstupná elektrická energia = nFE

Emf článku Ecell možno predpovedať zo štandardných elektródových potenciálov pre dva kovy. Pre zinkovo-medený článok za štandardných podmienok je vypočítaný potenciál článku 1,1 V.

Jednoduchá bunka

Jednoduchý článok má zvyčajne dosky z medi (Cu) a zinku (Zn) v zriedenej kyseline sírovej. Zinok sa rozpúšťa a na medenej platni sa objavujú bublinky vodíka. Tieto vodíkové bubliny bránia priechodu prúdu, takže jednoduchý článok možno používať len krátky čas. Na zabezpečenie stabilného prúdu je potrebný depolarizátor (oxidačné činidlo) na oxidáciu vodíka. V Danielovom článku je depolarizátorom síran meďnatý, ktorý vymieňa vodík za meď. V Leclancheho batérii je depolarizátorom oxid manganičitý, ktorý oxiduje vodík na vodu.

Jednoduchá bunkaZoom
Jednoduchá bunka

Daniel bunka

Anglický chemik John Frederick Daniell vyvinul v roku 1836 voltaický článok, ktorý využíval zinok a meď a roztoky ich iónov.

Kľúč

  • Zinková tyč = záporná svorka
  • 2HSO4 = elektrolyt zriedenej kyseliny sírovej
  • Porézny hrniec oddeľuje dve kvapaliny
  • CuSO4 = depolarizátor síranu meďnatého
  • Medený hrniec = kladná svorka
Schéma Danielovej bunkyZoom
Schéma Danielovej bunky

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to chemická bunka a aký je jej účel?


Odpoveď: Chemický článok je zariadenie, ktoré premieňa chemickú energiu na elektrickú. Jeho účelom je vyrábať elektrický prúd pomocou chemickej reakcie.

Otázka: Čo je to väčšina batérií?


Odpoveď: Väčšina batérií sú chemické články.

Otázka: Čo sa deje vo vnútri batérie, čo spôsobuje tok elektrického prúdu?


Odpoveď: Vo vnútri batérie prebieha chemická reakcia, ktorá spôsobuje tok elektrického prúdu.

Otázka: Koľko druhov batérií existuje a aké sú to batérie?


Odpoveď: Existujú dva hlavné typy batérií - tie, ktoré sa dajú nabíjať, a tie, ktoré sa nedajú nabíjať.

Otázka: Čo sa stane, keď sa nenabíjateľná batéria vybije?


Odpoveď: Nenabíjateľná batéria poskytuje elektrickú energiu, kým sa v nej nevyčerpajú chemické látky. Potom už nie je užitočná a môže sa vyhodiť.

Otázka: Kto a kedy vynašiel nabíjateľné batérie?


Odpoveď: Nabíjateľné batérie vynašiel francúzsky vedec Gaston Plante v roku 1859.

Otázka: Môžu mať batérie rôzne veľkosti a aký je príklad zariadenia, ktoré si vyžaduje veľkú batériu?


Odpoveď: Áno, batérie môžu mať rôzne tvary a veľkosti. Príkladom zariadenia, ktoré si vyžaduje veľkú batériu, je ponorka.


Prehľadať
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3