Back to chapter

18.8:

Piller ve Yakıt Hücreleri

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Batteries and Fuel Cells

Languages

Share

Piller, taşınabilir elektrik kaynağı olarak kullanılan voltaik hücrelerdir. Birincil veya şarj edilemeyen ve ikincil veya şarj edilebilir piller olarak kategorize edilirler. Ortak birincil pil kuru pildir.Anot olarak bir çinko kılıf ve manganez oksit ve amonyum klorürden oluşan nemli, asidik bir elektrolit pastasına batırılmış bir grafit katot içerir. Çinko, çinko klorüre oksitlenir ve manganez oksit, 1, 5 voltluk bir potansiyel oluşturan katı manganez okside indirgenir. Çalıştırıldığında, elektrotlar tükenerek kuru hücreler tek kullanımlık piller haline gelir.Alkalin piller benzerdir ancak raflarını ve çalışma ömürlerini uzatan bir alkalin elektrolit kullanırlar. Kurşun asitli aküler, ağırlıklı olarak otomobillerde kullanılan ikincil akülerdir. Bunlar tipik olarak seri bağlı altı elektrokimyasal hücreye sahiptir ve toplam 12 voltluk bir potansiyel oluşturur.Her hücrede, sülfürik aside batırılmış bir kurşun anot ve bir kurşun oksit katodu bulunur. Deşarj sırasında, redoks reaksiyonları, harici bir güç kaynağı kullanılarak yeniden şarj sırasında geri dönüştürülen her iki elektrotta katı kurşun sülfat bırakır. Nikel-kadmiyum şarj edilebilir piller bir nikel oksihidroksit katot, bir kadmiyum anot ve bir potasyum hidroksit elektrolit içerir.Çalıştırıldığında, anot katı kadmiyum hidroksite oksitlenir ve katot katı nikel hidroksite indirgenerek 1, 3 voltluk bir hücre potansiyeli oluşturur. Ancak kadmiyum toksisitesi, nikel-kadmiyum pillerin çevre dostu nikel-metal hidrit pillerle değiştirilmesine neden olmuştur. Burada katot aynı kalır, ancak anot hidrojen emici bir alaşımdır.Anodik reaksiyon, hidrojenden su oluşumunu içerir. Lityum iyon piller en yeni ikincil pillerdir. Hafif lityum metal, bu pilleri yüksek enerji yoğunluğu ile taşınabilir hale getirir.Bir lityum iyon pil, lityumlanmış bir grafit anot ve bir lityum geçiş metal oksit katodu içerir. Yüklendiğinde, geçiş metali oksitlenirken, lityum iyonları anodik grafit tabakaları arasına dahil edilir. Boşalmanın ardından, lityum iyonları anottan katoda akarak 3, 7 Voltluk bir potansiyel oluşturur.Son olarak, yakıt hücreleri, enerji üretimi için sürekli bir harici redoks reaktant kaynağı gerektiren voltaik hücrelerdir. Tipik bir hidrojen yakıt hücresi, su yayarken bir akım oluşturmak için havadan hidrojen ve oksijeni kullanır. Grafit elektrotlar, redoks reaksiyonunu hızlandırmak için platin bazlı katalizörler içerir.

18.8:

Piller ve Yakıt Hücreleri

Pil, belirli uygulamalar için bir elektrik kaynağı olarak kullanılan bir galvanik hücredir. Modern piller, kol saatlerine güç verenler gibi küçük düğme pillerden belediye elektrik şebekelerine yedek enerji sağlamak için kullanılan çok büyük pillere kadar çeşitli uygulamaları barındırmak için çok sayıda formda bulunur. Bazı piller tek kullanımlık uygulamalar için tasarlanmıştır ve şarj edilemez (birincil hücreler), diğerleri ise harici bir güç kaynağı (ikincil hücreler) tarafından şarj edilmesine izin veren uygun şekilde geri dönüşümlü hücre reaksiyonlarına dayanır.

Tek Kullanımlık (Birincil) Piller

Kuru hücre, hem kap hem de anot (“–” terminal) olarak çinko ve katot (“+” terminali) olarak grafit çubuk kullanan yaygın bir birincil pildir. Zn kutusu, manganez(IV) oksit, çinko(II) klorür, amonyum klorür ve su içeren bir elektrolit macunu ile doldurulur. Hücreyi tamamlamak için elektrolit macununa bir grafit çubuk batırılır. Spontan hücre reaksiyonu şunları içerir:

Eq1

Kuru bir hücrenin voltajı (hücre potansiyeli) yaklaşık 1,5 V’dir (Ehücre ~ 1,5 V). Kuru hücreler çeşitli boyutlarda mevcuttur (örneğin, D, C, AA, AAA). Tüm kuru hücre boyutları aynı bileşenleri içerir ve aynı voltajı gösterir, ancak daha büyük hücreler daha fazla miktarda redoks reaktanları içerir ve bu nedenle buna bağlı olarak daha fazla miktarda yük aktarabilir. Diğer galvanik hücreler gibi, kuru hücreler de gerekirse daha büyük voltaj çıkışlarına sahip piller elde etmek için seri olarak bağlanabilir.

Alkalin piller, kuru hücre ile aynı redoks çiftleri etrafında tasarlanmıştır. Adından da anlaşılacağı gibi, bu tür piller genellikle potasyum hidroksit olan alkalin elektrolitler kullanır. Reaksiyonları şunlardır

Eq2

Bir alkalin pil, benzer boyuttaki kuru bir hücrenin yaklaşık üç ila beş katı enerji sağlayabilir (Ehücre  = +1,43 V). Alkalin piller potasyum hidroksit sızıntısına eğilimlidir, bu nedenle uzun süreli depolama için cihazlardan çıkarılmalıdır. Bazı alkalin piller şarj edilebilir olsa da, çoğu değildir.

Şarj Edilebilir (İkincil) Piller

Nikel-kadmiyum veya NiCd piller, nikel kaplı bir katot, kadmiyum kaplı anot ve bir potasyum hidroksit elektrotundan oluşur. Ayırıcı tarafından kısa devre yapılmasını önleyen pozitif ve negatif plakalar bir araya getirilir ve kasaya konur. Bu tasarım, NiCd hücresinin benzer büyüklükteki bir alkalin pilden çok daha fazla akım vermesini sağlar. Reaksiyonları şunlardır

Eq3

Uygun şekilde muamele edildiğinde, bir NiCd pil yaklaşık 1000 kez şarj edilebilir (Ehücre ~ 1,3 V). Kadmiyum toksik bir ağır metaldir, bu nedenle NiCd piller asla yırtılmamalı veya yakılmamalı ve ilgili toksik atık yönergelerine uygun olarak atılmalıdır.

Lityum-iyon piller en popüler şarj edilebilir piller arasındadır ve birçok taşınabilir elektronik cihazda kullanılır. Reaksiyonları şunlardır

Eq4

Hücre reaksiyonunun değişken stokiyometrisi, hücre voltajlarında değişime yol açar, ancak tipik koşullar için, x genellikle 0,5’ten fazla değildir ve hücre voltajı yaklaşık 3,7 V’tur (Ehücre ~ 3,7). Lityum piller popülerdir, çünkü büyük miktarda akım sağlayabilirler, diğer tipteki benzer pillerden daha hafiftirler, boşaldıkça neredeyse sabit bir voltaj üretirler ve depolandığında şarjlarını yavaş yavaş kaybederler.

Kurşun-asit akü aynı zamanda otomobillerde yaygın olarak kullanılan bir ikincil akü türüdür. Ucuzdur ve otomobil marş motorlarının ihtiyaç duyduğu yüksek akımı üretebilir. Bir kurşun-asit batarya için reaksiyonlar şunlardır

Eq5

Her hücre 2 V (Ehücre ~ 2 V) üretir, bu nedenle 12 V’luk bir araç aküsü üretmek için altı hücre seri olarak bağlanır. Kurşun-asit piller ağırdır ve kostik bir sıvı elektrolit, H2SO4 (aq) içerir, ancak yüksek akım yoğunluğu nedeniyle genellikle hala tercih edilen pillerdir. Bu piller önemli miktarda kurşun içerdiğinden, her zaman düzgün bir şekilde atılmalıdır.

Yakıt Hücreleri

Bir yakıt hücresi, bir oksidan ile birlikte hücreye sürekli olarak beslenen geleneksel yanıcı yakıtları, çoğunlukla hidrojen veya metanı kullanan bir galvanik hücredir. Hücre içinde, yakıt ve oksidan, yandıklarında olduğu gibi aynı redoks kimyasına maruz kalırlar, ancak önemli ölçüde daha verimli olan katalize edilmiş bir elektrokimyasal vasıtasıyla gerçekleşir. Örneğin, tipik bir hidrojen yakıt hücresi, iki yarım hücre reaksiyonunu hızlandırmak için platin bazlı katalizörlerle gömülü grafit elektrotları kullanır:

Eq6

Bu tip yakıt hücreleri genellikle yaklaşık 1,23 V (Ehücre ~ 1,23 V) voltaj üretir. Bir içten yanmalı motorla karşılaştırıldığında, aynı redoks reaksiyonunu kullanan bir yakıt hücresinin enerji verimliliği tipik olarak iki kattan fazladır (bir motor için ~20%–25%, bir yakıt hücresi için ~50%–75%). Hidrojen yakıt hücreleri, genişletilmiş uzay görevlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır ve kişisel araçlar için prototipler geliştirilmiştir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 17.5: Batteries, and Fuel Cells.