Baterie i ogniwa paliwowe

Bateria to ogniwo galwaniczne, które jest wykorzystywane jako źródło energii elektrycznej do określonych zastosowań. Nowoczesne baterie występują w wielu formach, aby dostosować się do różnych zastosowań, od maleńkich baterii guzikowych, takich jak te, które zasilają zegarki na rękę, po bardzo duże baterie używane do dostarczania energii rezerwowej do miejskich sieci energetycznych. Niektóre akumulatory są przeznaczone do zastosowań jednorazowego użytku i nie można ich ładować (ogniwa pierwotne), podczas gdy inne opierają się na wygodnie odwracalnych reakcjach ogniw, które umożliwiają ładowanie przez zewnętrzne źródło zasilania (ogniwa wtórne).

Baterie jednorazowego użytku (pierwotne)

Suche ogniwo to powszechna bateria pierwotna, która wykorzystuje zarówno jako pojemnik, jak i anodę (zacisk “–”), a pręt grafitowy jako zacisk “+”). Puszka Zn jest wypełniona pastą elektrolitową zawierającą tlenek manganu(IV), chlorek(II), chlorek amonu i wodę. Pręt grafitowy jest zanurzony w paście elektrolitowej, aby uzupełnić ogniwo. Spontaniczna reakcja komórkowa obejmuje:

Napięcie (potencjał ogniwa) suchego ogniwa wynosi około 1,5 V (_ogniwo E ~ 1,5 V). Suche ogniwa są dostępne w różnych rozmiarach (np. D, C, AA, AAA). Wszystkie rozmiary suchych ogniw składają się z tych samych składników i wykazują to samo napięcie, ale większe ogniwa zawierają większe ilości reagentów redoks i dlatego są w stanie przenosić odpowiednio większe ilości ładunku. Podobnie jak inne ogniwa galwaniczne, suche ogniwa mogą być łączone szeregowo, aby w razie potrzeby uzyskać akumulatory o większych napięciach wyjściowych.

Baterie alkaliczne zostały zaprojektowane w oparciu o te same pary redoks, co suche ogniwo. Jak sama nazwa wskazuje, tego typu baterie wykorzystują elektrolity alkaliczne, często wodorotlenek potasu. Reakcje są następujące

Bateria alkaliczna może dostarczyć około trzy do pięciu razy więcej energii niż suche ogniwo o podobnej wielkości (_ogniwo E = +1,43 V). Baterie alkaliczne są podatne na wycieki wodorotlenku potasu, dlatego należy je wyjąć z urządzeń w celu długotrwałego przechowywania. Podczas gdy niektóre baterie alkaliczne można ładować, większość nie.

Baterie wielokrotnego ładowania (wtórne)

Akumulatory niklowo-kadmowe lub NiCd składają się z niklowanej katody, kadmowanej anody i elektrody wodorotlenku potasu. Płyty dodatnie i ujemne, które separator zabezpiecza przed zwarciem, są zwijane razem i wkładane do obudowy. Taka konstrukcja pozwala ogniwu NiCd dostarczać znacznie więcej prądu niż bateria alkaliczna o podobnej wielkości. Reakcje są następujące

Przy odpowiednim traktowaniu akumulator NiCd może być ładowany około 1000 razy (_ogniwo E ~ 1,3 V). Kadm jest toksycznym metalem ciężkim, dlatego baterie niklowo-kadmowe nigdy nie powinny być pękane ani spalane i powinny być utylizowane zgodnie z odpowiednimi wytycznymi dotyczącymi odpadów toksycznych.

Akumulatory litowo-jonowe należą do najpopularniejszych akumulatorów i są stosowane w wielu przenośnych urządzeniach elektronicznych. Reakcje są następujące

Zmienna stechiometria reakcji ogniwa prowadzi do zmian napięć ogniwa, ale w typowych warunkach x zwykle nie przekracza 0,5, a napięcie ogniwa wynosi około 3,7 V (_ogniwo E ~ 3,7). Baterie litowe są popularne, ponieważ mogą dostarczać dużą ilość prądu, są lżejsze niż porównywalne baterie innych typów, wytwarzają prawie stałe napięcie podczas rozładowywania i tylko powoli tracą ładunek podczas przechowywania.

Akumulator kwasowo-ołowiowy jest również rodzajem akumulatora wtórnego powszechnie stosowanego w samochodach. Jest niedrogi i zdolny do wytwarzania wysokiego prądu wymaganego przez rozruszniki samochodowe. Reakcje dla akumulatora kwasowo-ołowiowego są następujące

Każde ogniwo wytwarza 2 V (ogniwo E ~ 2 V), więc sześć ogniw jest połączonych szeregowo, aby wytworzyć akumulator samochodowy 12 V. Akumulatory kwasowo-ołowiowe są ciężkie i zawierają ciekły elektrolit_H2SO4 (aq), ale często nadal są akumulatorami z wyboru ze względu na ich wysoką gęstość prądu. Ponieważ baterie te zawierają znaczną ilość ołowiu, należy je zawsze odpowiednio zutylizować.

Ogniwa paliwowe

Ogniwo paliwowe to ogniwo galwaniczne, które wykorzystuje tradycyjne paliwa palne, najczęściej wodór lub metan, które są w sposób ciągły wprowadzane do ogniwa wraz z utleniaczem. W ogniwie paliwo i utleniacz przechodzą tę samą chemię redoks, co podczas spalania, ale za pośrednictwem katalizowanej elektrochemii, która jest znacznie bardziej wydajna. Na przykład typowe wodorowe ogniwo paliwowe wykorzystuje elektrody grafitowe osadzone w katalizatorach na bazie platyny w celu przyspieszenia dwóch reakcji półogniw:

Tego typu ogniwa paliwowe zazwyczaj wytwarzają napięcie około 1,23 V (_ogniwo E ~ 1,23 V). W porównaniu z silnikiem spalinowym, efektywność energetyczna ogniwa paliwowego wykorzystującego tę samą reakcję redoks jest zwykle ponad dwukrotnie wyższa (~20%-25% w przypadku silnika w porównaniu z ~50%-75% w przypadku ogniwa paliwowego). Wodorowe ogniwa paliwowe są powszechnie stosowane w przedłużonych misjach kosmicznych, opracowano prototypy pojazdów osobowych.

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 17.5: Baterie i Ogniwa Paliwowe.