Name: primary, rechargeable batteries and fuel cells
Uploaded: 2020-09-24T15:06:52.000Z
Duration: 3 min 12 s
Channel: JoVE

K12 Standards

Pennsylvania State Academic Standards

9-12

Physical Science

Forces and Interactions

3.2.9-12.M

Batteries and Fuel Cells

סוללות הן תאי וולטה והן משמשות כמקורות חשמליים ניידים. הן נחלקות לסוללות ראשיות או בלתי נטענות ומשניות, או נטענות. הסוללה הראשונית הנפוצה היא התא היבש.היא כוללת מארז אבץ המשמש כאנודה וקתודת גרפיט הטבולה במשחה אלקטרוליטית לחה וחומצית של תחמוצת מנגן ואמוניום כלוריד. האבץ מתחמצן לאבץ כלורי ותחמוצת מנגן מחוזרת לתחמוצת מנגן(III)מוצקה ויוצרת פוטנציאל של 1.5 וולט. כשהסוללה פועלת, האלקטרודות מתרוקנות ונוצרות סוללות חד פעמיות מתאים יבשים.סוללות אלקלעליות הן דומות אך משתמשות באלקרוליט אלקלעלי, המאריכך את חיי המדף ואת הפעולה שלהן. סוללות חומצת-עופרת הן סוללות משניות, המשמשות בעיקר בכלי רכב. בדרך כלל יש בהן שישה תאים אלטקרוכימיקליים הקשורים זה לזה בסדרה ויוצרים פוטנציאל כולל של 12 וולט.לכל תא יש אנודת עופרת וקתודת תחמוצת עופרת הטבולות בחומצה גופרתית. במהלך הפריקה, תגובות החמזור משקעות עופרת סולפט מוצקה משני צדי האלקטרודות, שמומרת חזרה באמצעות שימוש במקור כוח חיצוני. סוללות ניקל-קדמיום נטענות מכילות קתודת ניקל אוקסיהידרוקסיד, אנודת קדמיום ואלקטרוליט אשלגן הידרוקסיד.כשהסוללה פועלת, האנודה מחומצנת את הקדמיום הידרוקסיד המוצק, והקתודה מחוזרת לניקל הידרוקסיד מוצק, וכך נוצר פוטנציאל תאי של 1.3 וולט. אך הרעילות של קדמיום גורמת להחלפה של סוללות ניקל-קדמיום בסוללות היברידיות, ידידותיות לסביבה, של ניקל-מתכת. כאן הקתודה לא משתנה, אבל האנודה היא סגסוגת סופגת מימן.התגובה האנודית כוללת היווצרות מים ממימן. סוללות יון-ליתיום הן הסוללות המשניות החדשניות ביותר. ליתיום היא מתכת קלה והופכת את הסוללות האלה לניידות, עם צפיפות אנרגיה גבוהה.סוללת ליתיום-יון מכילה אנודת גרפיט עם ליתיום וקתודה מחומצנת של ליתיום-מתכת מעבר. כשהסוללה טעונה, מתכת המעבר עוברת חמצון, בעוד שיוני הליתיום משתלבים בין שכבות הגרפיט באנודה. במהלך הפריקה, יוני ליתיום זורמים מהאנודה לקתודה, ויוצרים פוטנציאל של 3.7 וולט.לבסוף, תאי דלק הם תאים וולטה הזקוקים להספקה חיצונית מתמידה של מגיבי חמזור לייצור אנרגיה. תא דלק מימן טיפוסי משתמש במימן ובחמצן מהאוויר כדי ליצור זרם תוך פליטת מים. אלטקרודות גרפיט מכילות זרזים מבוססי פלטינה כדי להאיץ את תגובת החמזור.

סוללות ותאי דלק

<div style="direction:rtl">סוללה היא תא גלווני המשמש כמקור חשמל ליישומים ספציפיים. סוללות מודרניות קיימות במגוון צורות כדי להתאים ליישומים שונים, החל מסוללות כפתורים זעירות כמו אלו שמניעות שעוני יד ועד לסוללות הגדולות מאוד המשמשות לאספקת אנרגיית גיבוי לרשתות החשמל העירוניות. חלק מהסוללות מיועדות ליישומים חד-פעמיים ואינן ניתנות לטעינה מחדש (תאים ראשוניים), בעוד שאחרות מבוססות על תגובות תאים הפיכות המאפשרות טעינה על ידי מקור מתח חיצוני (תאים משניים). סוללות לשימוש חד פעמי (ראשי). תא יבש הוא סוללה ראשונית נפוצה המשתמשת באבץ גם כמיכל וגם כאנודה ("מסוף "-") ומוט גרפיט כקתודה ("מסוף "+"). קופסת ה-Zn מלאה במשחת אלקטרוליט המכילה תחמוצת מנגן(IV), אבץ(II) כלוריד, אמוניום כלוריד ומים. מוט גרפיט טובל במשחת האלקטרוליט להשלמת התא. תגובת התא הספונטנית כוללת: <img alt="Eq1" src="/files/ftp_upload/11439/11439_Equation_1.png" style="text-align: center; height: 168px;"> המתח (פוטנציאל התא) של תא יבש הוא בערך 1.5 V (Ecell ~ 1.5 V). תאים יבשים זמינים בגדלים שונים (למשל, D, C, AA, AAA). כל הגדלים של תאים יבשים כוללים את אותם רכיבים ומציגים את אותו מתח, אבל תאים גדולים יותר מכילים כמויות גדולות יותר של מגיבי חמצון-חיזור ולכן מסוגלים להעביר כמויות גדולות יותר של מטען. כמו תאים גלווניים אחרים, תאים יבשים עשויים להיות מחוברים בסדרה כדי להניב סוללות עם תפוקות מתח גדולות יותר, במידת הצורך. סוללות אלקליין תוכננו סביב אותם זוגות חמצון-חיזור כמו התא היבש. כפי שמרמז שמם, סוללות מסוג זה משתמשות באלקטרוליטים אלקליין, לרוב אשלגן הידרוקסיד. התגובות הן <img alt="Eq2" src="/files/ftp_upload/11439/11439_Equation_2.png" style="text-align: center; height: 130px;"> סוללת אלקליין יכולה לספק בערך פי שלושה עד חמישה את האנרגיה של תא יבש בגודל דומה (Ecell = +1.43 V). סוללות אלקליין נוטות לדלוף אשלגן הידרוקסיד, ולכן יש להסיר אותן מהמכשירים לאחסון לטווח ארוך. בעוד שסוללות אלקליין מסוימות נטענות, רובן לא. סוללות נטענות (משניות). סוללות ניקל-קדמיום, או NiCd, מורכבות מקתודה מצופה בניקל, אנודה מצופה בקדמיום ואלקטרודת אשלגן הידרוקסיד. הפלטות החיוביות והשליליות, המונעות קיצור על ידי המפריד, מגולגלות יחד ומוכנסות למארז. עיצוב זה מאפשר לתא NiCd לספק הרבה יותר זרם מאשר סוללת אלקליין בגודל דומה. התגובות הן <img alt="Eq3" src="/files/ftp_upload/11439/11439_Equation_3.png" style="text-align: center; height: 130px;"> כאשר מטופלים כראוי, ניתן להטעין סוללת NiCd כ-1000 פעמים (Ecell ~ 1.3 V). קדמיום היא מתכת כבדה רעילה, ולכן אין לשבור או לשרוף סוללות NiCd, ויש להשליך אותן בהתאם להנחיות הרלוונטיות לפסולת רעילה. סוללות ליתיום-יון הן בין הסוללות הנטענות הפופולריות ביותר ומשמשות במכשירים אלקטרוניים ניידים רבים. התגובות הן <img alt="Eq4" src="/files/ftp_upload/11439/11439_Equation_4.png" style="text-align: center; height: 130px;"> הסטוכיומטריה המשתנה של תגובת התא מובילה לשונות במתחי התא, אך בתנאים טיפוסיים, x הוא בדרך כלל לא יותר מ-0.5, ומתח התא הוא בערך 3.7 V (Ecell ~ 3.7). סוללות ליתיום פופולריות מכיוון שהן יכולות לספק כמות גדולה של זרם, קלות יותר מסוללות דומות מסוגים אחרים, מייצרות מתח כמעט קבוע כשהן מתרוקנות, ורק לאט לאט מאבדות את הטעינה שלהן בעת אחסון. סוללת עופרת חומצה היא גם סוג של סוללה משנית בשימוש נפוץ במכוניות. זה זול ומסוגל לייצר את הזרם הגבוה הנדרש על ידי מנועי המתנע של רכב. התגובות לסוללת עופרת-חומצה הן <img alt="Eq5" src="/files/ftp_upload/11439/11439_Equation_5.png" style="text-align: center; height: 160px;"> כל תא מייצר 2 V (Ecell ~ 2 V), כך שישה תאים מחוברים בסדרה לייצור סוללת 12V לרכב. סוללות עופרת חומצה הן כבדות ומכילות אלקטרוליט נוזל קאוסטי, H2SO4 (aq), אך לרוב הן עדיין הסוללה המועדפת בגלל צפיפות הזרם הגבוהה שלהן. מכיוון שסוללות אלו מכילות כמות משמעותית של עופרת, יש תמיד להשליך אותן כראוי. תאי דלק תא דלק הוא תא גלווני המשתמש בדלקי בעירה מסורתיים, לרוב מימן או מתאן, המוזנים ברציפות לתא יחד עם חומר מחמצן. בתוך התא, הדלק והמחמצן עוברים את אותו תהליך חמצון-חיזור כימי כמו בעת בעירה, אך באמצעות אלקטרוכימיקלים מזורזים יעילים יותר באופן משמעותי. לדוגמה, תא דלק מימן טיפוסי משתמש באלקטרודות גרפיט המוטבעות בזרזים מבוססי פלטינה כדי להאיץ את שתי התגובות של חצאי תא: <img alt="Eq6" src="/files/ftp_upload/11439/11439_Equation_6.png" style="text-align: center; height: 130px;"> סוגים אלה של תאי דלק מייצרים בדרך כלל מתחים של כ-1.23 V (Ecell ~ 1.23 V). בהשוואה למנוע בעירה פנימי, יעילות האנרגיה של תא דלק המשתמש באותה תגובת חמצון-חיזור היא בדרך כלל יותר פי2 (~20%-25% עבור מנוע לעומת ~50%-75% עבור תא דלק). תאי דלק מימן משמשים בדרך כלל במשימות חלל ממושכות, ופותחו אבות טיפוס לכלי רכב אישיים. טקסט זה מותאם מ<a href="https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/17-5-batteries-and-fuel-cells">Openstax, Chemistry 2e, Section 17.5: Batteries, and Fuel Cells.</a></div>

סוללה היא תא גלווני המשמש כמקור כוח חשמלי ליישומים ספציפיים. סוללות מודרניות קיימות במספר רב של צורות כדי ...

Education

JoVE Core

Chemistry

כימיה

אחד

Electrochemistry

אלקטרוכימיה

KEY TERMS AND CONCEPTS

מונחים ומושגים מרכזיים

primary, rechargeable batteries and fuel cells

Batteries and fuel cells are galvanic cells that supply electrical power for many applications. They range from tiny button batteries in wristwatches to large systems that can provide backup energy to municipal power grids. Some are primary cells, which are single-use and cannot be recharged. Others are secondary cells, which use reversible reactions and can be charged again by an external power source.

A common primary battery is the dry cell. It uses zinc as both the container and the anode, or negative terminal, and a graphite rod as the cathode, or positive terminal. The zinc can holds an electrolyte paste with manganese(IV) oxide, zinc(II) chloride, ammonium chloride, and water. A dry cell has a voltage of about 1.5 V. It comes in sizes such as D, C, AA, and AAA. These sizes use the same parts and the same voltage, but larger cells contain more reactants and can transfer more charge. Dry cells can also be connected in series to increase voltage.

Alkaline batteries use the same redox couples as dry cells, but they use an alkaline electrolyte, often potassium hydroxide. They can deliver about three to five times the energy of a dry cell of similar size and have a cell potential of about 1.43 V. These batteries can leak potassium hydroxide, so they should be removed from devices during long-term storage. Some alkaline batteries are rechargeable, but most are not.

Rechargeable batteries include nickel-cadmium, or NiCd, batteries, lithium-ion batteries, and lead-acid batteries. A NiCd battery has a nickel-plated cathode, a cadmium-plated anode, and a potassium hydroxide electrode. The positive and negative plates are rolled together with a separator to keep them from shorting. This design lets a NiCd cell deliver much more current than a similar-sized alkaline battery. When treated properly, it can be recharged about 1000 times, and its cell potential is about 1.3 V. Cadmium is toxic, so NiCd batteries should not be ruptured or burned and must be disposed of as toxic waste.

Lithium-ion batteries are widely used in portable electronic devices. Their reaction has variable stoichiometry, so the voltage can vary, but under typical conditions the cell potential is about 3.7 V. These batteries are popular because they can provide a large amount of current, are lighter than comparable batteries of other types, and keep a nearly constant voltage as they discharge. They also lose charge slowly during storage. Lead-acid batteries are common in automobiles. They are inexpensive and can deliver the high current needed by starter motors. Each cell produces 2 V, so six cells are connected in series to make a 12-V car battery. These batteries are heavy and contain a caustic sulfuric acid electrolyte, and they also contain a significant amount of lead, so they must be disposed of properly.

A fuel cell is also a galvanic cell, but it uses a fuel that is continuously fed into the cell along with an oxidant. The fuel is often hydrogen or methane. Inside the cell, the same redox chemistry that occurs in combustion is carried out by a catalyzed electrochemical process that is much more efficient. A typical hydrogen fuel cell uses graphite electrodes with platinum-based catalysts to speed the half-cell reactions. These fuel cells usually produce about 1.23 V. Compared with an internal combustion engine, a fuel cell using the same redox reaction is typically more than twice as efficient. Hydrogen fuel cells are used on extended space missions, and prototypes for personal vehicles have been developed.

Primary, Rechargeable Batteries and Fuel Cells

primary-rechargeable-batteries-and-fuel-cells

balancing redox equations

Redox Reactions and Half-Reaction Balancing

Redox reactions involve electron transfer and changes in oxidation number. In electrochemistry, these reactions connect chemical changes with electrical energy. They also power technologies such as industrial metal processing and rechargeable batteries used in electric vehicles. Oxidation number is a way to track how an atom's electronic environment changes compared with the pure element, where the oxidation number is zero. For a simple ionic compound, the oxidation number matches the ion...

electromotive force

Cell Voltage and Electron Flow

Electric current is the flow of electric charge through a conducting medium or a solution. In wires, that charge is carried by electrons. In some solutions, ions can also move and carry charge. When electrons move through a wire, they produce an electric current. This idea connects to redox reactions, where electrons are lost and gained. In the spontaneous reaction between zinc and copper ions, zinc is oxidized to zinc ions. Copper ions are reduced to solid copper. Even so, this direct...

voltaic/galvanic cells

Galvanic Cells and Battery Reactions

Galvanic cells use spontaneous redox reactions to produce electric current. A common example is a disposable AA battery, which powers devices by turning chemical energy into electrical energy. Another example is a copper wire placed in silver nitrate solution, where the solution slowly turns bright blue and a grey solid forms on the wire. In the copper and silver reaction, copper is oxidized and silver ions are reduced. Copper forms cuprous ions, which give the solution its blue color. At the...

standard electrode potentials

Using Electrode Potentials to Predict Reactions

Electrode potentials help predict whether a redox reaction will happen on its own. A redox reaction involves electron transfer. In electrochemistry, the measured value is called cell potential or cell voltage. It shows the energy linked to charge transfer and is measured in volts, where 1 volt equals 1 joule per coulomb. A single half-cell cannot be measured by itself because electron transfer needs both a donor and a receiver. For that reason, scientists measure the difference between two...

cell potential and free energy

Redox Cell Potential, ΔG°, and K

Redox cell potential connects chemical energy, free energy change, and the equilibrium constant in an electrochemical cell. In these reactions, chemical energy is converted into electrical energy. That link helps predict whether a reaction is spontaneous and how far it may proceed. Thermodynamics is the study of how heat and other forms of energy are related. In an electrochemical cell, cell potential can also reflect oxidizing strength or reducing strength. A similar idea appears in acid-base...

the nernst equation

Cell Potential Under Changing Conditions

Cell potential changes when a redox reaction does not run at standard conditions. Standard cell potentials connect with standard free energy change, ΔG°, and the equilibrium constant K, but those relationships only hold at 1 M concentration, 298 K, and 1 atmosphere. A zinc(II) and tin(II) redox cell with E°cell = +0.291 V and ΔG° = −56.2 kJ is spontaneous under those standard conditions. As a cell discharges, the reactant concentration changes and the cell potential steadily drops. Many redox...

concentration cells

Cell Potential from Concentration Differences

Concentration cells are voltaic cells that use two almost identical half-cells. The half-cells use the same electrode and the same half-reaction. They differ only in the concentration of one redox species, so the cell potential depends on that concentration difference. In a concentration cell, the Nernst equation can be used to find the cell potential. For the zinc example shown, the calculated cell potential is positive. A positive cell potential means the overall reaction is spontaneous. <br...

batteries and fuel cells

Batteries and fuel cells are galvanic cells that supply electrical power for many applications. They range from tiny button batteries in wristwatches to large systems that can provide backup energy to municipal power grids. Some are primary cells, which are single-use and cannot be recharged. Others are secondary cells, which use reversible reactions and can be charged again by an external power source. A common primary battery is the dry cell. It uses zinc as both the container and the anode,...

corrosion

Rusting and Metal Protection

Corrosion is the natural breakdown of metals through electrochemical reactions. It can appear as rust on iron, tarnish on silver, or a blue-green patina on copper. In each case, the metal is oxidized. Some corrosion products can protect the surface, while others keep damaging the metal. Rusting is the harmful type of corrosion seen in iron. It happens when iron is exposed to oxygen and water. A galvanic cell forms on the iron surface, and this drives oxidation at the anodic region and...

electrolysis

Electrolysis in Batteries and Metal Production

Electrolysis uses electrical energy to drive a nonspontaneous redox reaction. In a galvanic cell, a spontaneous redox reaction does electrical work on the surroundings by sending electrons through an external circuit. In electrolysis, an external circuit does work on the redox system by applying a voltage large enough to force the reaction in the opposite direction. This process is used in several real-world settings. Recharging a battery is one example, because an outside power source drives...

key terms and concepts

Explore dry cells, alkaline batteries, NiCd, lithium-ion, and lead-acid batteries, plus how hydrogen fuel cells turn fuel into electricity more efficiently.

Primary, Rechargeable Batteries and Fuel Cells | JoVE K12

chemistry

JoVE Core Chemistry brings general chemistry concepts to life using concise and easy-to-understand animated video lessons. Plus, in the scientist-in-action videos, we demonstrate classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

Louisiana Student Standards for Science

High School

motion-and-stability-forces-and-interactions

Motion And Stability: Forces And Interactions

HS-PS2-5

Physics

Arizona Science Standards

HS.P1

HS.P1U3.4

HS+Phy.P4

HS+Phy.P4U2.7

HS.P4

HS.P4U3.9

Alabama Course of Study Science

Matter and Its Interactions

9-12.PS.3.4

Next Generation Science Standards

Motion and Stability: Forces and Interactions

Texas Essential Knowledge and Skills

PHYS.6

PHYS.6.D

south-carolina-college-and-career-ready-science-standards

South Carolina College and Career Ready Science Standards

Energy

P-PS3-3

Newton's Second Law

Newton&#39;s second law is closely related to his first law of motion. It mathematically gives the cause-and-effect relationship between force and changes ...

Second Law: Motion under Same Force

Newton&#39;s laws can be applied to bodies at rest and bodies in motion. Newton&#39;s first law is applied to bodies in equilibrium, whereas the second ...

second-law-motion-under-same-acceleration

Second Law: Motion under Same Acceleration

Newton&#39;s second law of motion applies to bodies moving under the same acceleration. For example, when a baggage tractor pulls luggage carts, each cart ...

Students who demonstrate understanding can analyze data to support the claim that Newton's second law of motion describes the mathematical relationship among the net force on a macroscopic object, its mass, and its acceleration.  Clarifying Statement: Examples of data could include tables or graphs of position or velocity as a function of time for objects subject to a net unbalanced force, such as a falling object, an object sliding down a ramp, or a moving object being pulled by a constant force.  Assessment Boundry: Assessment is limited to one-dimensional motion and to macroscopic objects moving at non-relativistic speeds.

3.2.9-12.I

Inertial Frames of Reference

Newton&#8217;s first law is usually considered to be a statement about reference frames. It provides a method for identifying a special type of reference ...

Non-inertial Frames of Reference

A reference frame accelerating or decelerating relative to an inertial frame is a non-inertial frame. To help understand this, consider what taking off in ...

Linear Momentum

The term momentum is used in various ways in everyday language, most of which are consistent with the precise scientific definition. Generally, momentum ...

Conservation of Momentum: Introduction

The total momentum of a system consisting of N interacting objects is constant in time or is conserved. A system must meet two requirements for its ...

Conservation of Momentum: Problem Solving

Solving problems using the conservation of momentum requires four basic steps:

	Identify a closed system, where the total mass is constant, and no net ...

Students who demonstrate understanding can use mathematical representations to support the claim that the total momentum of a system of objects is conserved when there is no net force on the system.  Clarifying Statement: Emphasis is on the quantitative conservation of momentum in interactions and the qualitative meaning of this principle.  Assessment Boundry: Assessment is limited to systems of two macroscopic bodies moving in one dimension.

3.2.9-12.J

Students who demonstrate understanding can apply scientific and engineering ideas to design, evaluate and refine a device that minimizes the force on a macroscopic object during a collision. Clarifying Statement: Examples of evaluation and refinement could include determining the success of the device at protecting an object from damage and modifying the design to improve it. Examples of a device could include a football helmet or a parachute. Assessment Boundry: Assessment is limited to qualitative evaluations and/or algebraic manipulations.

3.2.9-12.K

Gravitation

In the years before Newton, a general belief prevailed that different laws governed objects in the sky than objects on Earth. When Kepler wrote down the ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14716.jpg

Newton's Law of Gravitation

Our everyday observation tells us that all objects close to the Earth naturally tend to fall to the ground. Early philosophers assumed that this downward ...

Electric Charges

From lightning during thunderstorms to electronic devices, the phenomenon of electromagnetism is all around us. The electromagnetic force is one of the ...

sources-and-properties-of-electric-charge

Sources and Properties of Electric Charge

All objects we see around us consist of atoms, which combine to form molecules. The lightest element in the universe is hydrogen, and a hydrogen atom ...

Coulomb's Law

Experiments with electric charges have shown that if two objects each have an electric charge, they exert an electric force on each other. The magnitude ...

the-principle-of-superposition-and-the-gravitational-field

The Principle of Superposition and the Gravitational Field

The principle of superposition applies to gravitational forces of objects that are sufficiently far apart. It states that the net gravitational force on a ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14754.jpg

Electric Field

Consider two point charges, each exerting Coulomb force on the other. It is possible to describe the Coulomb interaction via an intermediate step by ...

Magnetic Fields

A moving charge or a current creates a magnetic field in the surrounding space, in addition to its electric field. The magnetic field exerts a force on ...

Magnetic Field due to Moving Charges

A stationary charge creates and interacts with the electric field, while a moving charge creates a magnetic field.
Consider a point charge moving with a ...

Electromagnetic Fields

Electric fields generated by static charges, often referred to as electrostatic fields, are characteristically different from electric fields created by ...

Students who demonstrate understanding can use mathematical representations of Newton's Law of Gravitation and Coulomb's Law to describe and predict the gravitational and electrostatic forces between objects. Clarifying Statement: Emphasis is on both quantitative and conceptual descriptions of gravitational and electric fields. Assessment Boundry: Assessment is limited to systems with two objects.

3.2.9-12.L

Energy Transfer in Chemical Reactions

Chemical reactions require sufficient energy to cause the matter to collide with enough precision and force that old chemical bonds can be broken and new ...

A battery is a galvanic cell that is used as a source of electrical power for specific applications. Modern batteries exist in a multitude of forms to ...

Students who demonstrate understanding can plan and conduct an investigation to provide evidence that an electric current can produce a magnetic field and that a changing magnetic field can produce an electric current. Clarifying Statement: N/A Assessment Boundry: Assessment is limited to designing and conducting investigations with provided materials and tools.

Primary, Rechargeable Batteries and Fuel Cells

Description

Transcript

More videos by Standards