ВИДОВЕ, ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕАКЦИИ НА БАТЕРИЯТА - ХИМИЯ - 2025

На пазара можете да получите различни видове батерии със собствени характеристики. Батериите, които не са нищо повече от волтови клетки, осигуряват на потребителите предимството да вземат електричество със себе си навсякъде (стига условията да не са драстични).

Като цяло батериите могат да бъдат закупени изолирани; но, те също се постигат в съчетание помежду си последователно или паралелно, чийто комплект идва като това, което наричат ​​батерии. И така понякога понятията „батерии“ и „батерии“ се използват безразборно, дори когато не са еднакви.

Алкални батерии: един от най-популярните видове батерии. Източник: Pexels

Стековете могат да се предлагат в безброй цветове, форми и размери, точно както могат да бъдат направени от други материали. По същия начин и по-важното е, че вътрешната му структура, в която протичат химичните реакции, които генерират електричество, служи за разграничаването им една от друга.

Например, изображението по-горе показва три алкални батерии, една от най-често срещаните. Терминът алкален се отнася до факта, че средата, където се случва освобождаването и потока на електрони, е основна; тоест той има рН по-голямо от 7, а OH ^- преобладават аниони и други отрицателни заряди.

Общо класиране

Преди да се обърнете към някои от различните видове батерии, е необходимо да знаете, че те са класифицирани като първични или вторични.

първичен

Първичните батерии са тези, които веднъж консумирани, трябва да бъдат изхвърлени или рециклирани, тъй като химическата реакция, на която се основава електрическият ток, е необратима. Следователно те не могат да бъдат презаредени.

Те се използват главно в приложения, където е непрактично да се презарежда електрическа енергия; като във военните устройства, в средата на бойното поле. По същия начин те са проектирани за оборудване, което използва малко енергия, така че да издържат по-дълго; например, дистанционни управления или преносими конзоли (като Gameboy, Tetris и Tamagotchi).

Алкалните батерии, за да посоча друг пример, също принадлежат към основния тип. Те обикновено имат цилиндрична форма, въпреки че това не означава, че цилиндричните батерии не могат да бъдат вторични или презареждащи се.

гимназии

За разлика от първичните батерии, вторичните батерии могат да бъдат презаредени, след като са изчерпали захранването.

Това е така, защото химичните реакции, които протичат в тях, са обратими и следователно след прилагане на определено напрежение видовете продукт отново стават реактивни, като по този начин отново започва реакцията.

Някои вторични клетки (наречени батерии) обикновено са малки, като първичните; те обаче са предназначени за устройства, които консумират повече енергия и за които използването на първични батерии би било непрактично икономически и енергийно. Например батериите за мобилен телефон съдържат вторични клетки.

Също така вторичните клетки са проектирани за голямо оборудване или вериги; например автомобилни акумулатори, които са съставени от няколко батерии или волтови клетки.

Обикновено са по-скъпи от първичните клетки и батерии, но при дългосрочна употреба те се оказват по-подходящ и ефективен вариант.

Други аспекти

Стековете се класифицират като първични или вторични; но търговски или популярни, те обикновено се класифицират според тяхната форма (цилиндрична, правоъгълна, бутонна), предназначеното устройство (камери, превозни средства, калкулатори), техните имена (AA, AAA, C, D, N, A23 и т.н.)) и техните IEC и ANSI кодове.

Също така характеристики като тяхното напрежение (1,2 до 12 волта), както и техният полезен живот и цени, са отговорни за това, че им се дава определена класификация в очите на потребителя.

Списък на типовете батерии

Въглерод-цинков

Въглерод-цинкови батерии (известни още като Leclanché клетки или солени батерии) са едни от най-примитивните и в момента се считат за почти неизползвани в сравнение с други батерии; особено, в сравнение с алкалните батерии, които, въпреки че са малко по-скъпи, имат по-дълъг живот и напрежения.

Както подсказва името му, неговите електроди се състоят от цинкова консерва и графитна пръчка, съответстваща съответно на анода и катода.

В първия електрод, анода, електроните се пораждат от окисляването на метален цинк. След това тези електрони преминават през външна верига, която захранва устройството с електрическа енергия и след това се озовават при графитния катод, където цикълът се завършва чрез намаляване на мангановия диоксид, в който е потопен.

реакции

Химическите уравнения за реакциите, които възникват при електродите, са:

Zn (s) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (Anode)

2 МпО ₂ (а) + 2е ^- + 2 NH ₄ Cl (вод) → Mn ₂ O ₃ (а) + 2 NH ₃ (воден) + H ₂ O (л) + 2 Cl ^- (вод) (катод)

Тези батерии са много подобни на алкалните батерии: и двете са цилиндрични (като тази на изображението). Въглерод-цинковите батерии обаче могат да бъдат разграничени, като се прочетат подробно характеристиките, отбелязани отвън, или ако техният IEC код е предшестван от буквата R. Напрежението им е 1,5 V.

-Алкална

Алкалните батерии са много подобни на въглерод-цинковия тип, с тази разлика, че средата, където се намират електродите, съдържа OH ^- аниони. Тази среда се състои от силни електролити на калиев хидроксид, KOH, който допринася за ОН ^- които участват и „сътрудничат“ в миграцията на електрони.

Той се предлага в различни размери и напрежения, въпреки че най-често срещаният е 1.5V. Те са може би най-известните батерии на пазара (Duracell, например).

Реакциите, които възникват при вашите електроди са:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → ZnO (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- (Anode)

2MnO ₂ (s) + H ₂ O (l) + 2e ^- → Mn ₂ O ₃ (s) + 2OH ^- (aq) (Катод)

С повишаването на температурата, колкото по-бързо протичат реакциите и по-бързо се разреждат батериите. Интересното е, че популярните слухове се разпространяват, за да ги пуснат във фризера, за да увеличат живота им; Въпреки това, когато се охлади, съдържанието му може да претърпи възможно втвърдяване, което може да доведе до последващи дефекти или рискове.

живак

Вероятна живачна батерия, която може да бъде объркана с батерията със сребърен оксид. Източник: Мултичери.

Живачните батерии са много характерни поради особената им форма на сребърни бутони (изображението отгоре). Почти всеки би ги разпознал от пръв поглед. Те също са алкални, но катодът им включва, освен графит и манганов диоксид, живачен оксид, HgO; който след намаляване се превръща в метален живак:

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

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

Обърнете внимание как се консумират и регенерират OH ^- аниони при тези клетъчни реакции.

Като малки батерии, той е предназначен за малки устройства, като часовници, калкулатори, контроли за играчки и др. Всеки, който е използвал някой от тези обекти, ще разбере, че не е необходимо да сменяте батериите за почти "вечност"; което би било еквивалентно на 10 години, приблизително.

Сребърен оксид

Батерии със сребърен оксид. Източник: Лукас A, CZE.

Основният дефект на живачните батерии е, че когато се изхвърлят, те представляват сериозен проблем за околната среда, поради токсичните характеристики на този метал. Може би затова липсват IEC и ANSI кодове. За батерии със сребърен оксид техният IEC код се предхожда от буквата S.

Един от заместителите на живачни батерии отговаря на батерията със сребърен оксид, много по-скъпа, но с по-малко екологично въздействие (горно изображение). Първоначално съдържаха живак за защита на цинка от алкална корозия.

Предлага се с напрежение 1,5 V, а приложенията му са много сходни с тези на живачната батерия. Всъщност на пръв поглед и двете батерии изглеждат еднакво; въпреки че може да има много по-големи купчини сребърен оксид.

Реакциите на неговите електроди са:

Zn (s) + 2OH ^- (aq) → Zn (OH) ₂ (s) + 2 e ^-

Ag ₂ O (s) + 2H ⁺ (aq) + 2e ^- → 2Ag (s) + H ₂ O (l)

Впоследствие водата претърпява електролиза, разлага се на Н ⁺ и ОН ^- йони.

Обърнете внимание, че вместо живак, върху катода се образува метално сребро.

-Никел-кадмий (NiCad)

NiCd батерия. Източник: LordOider

От този момент се разглеждат вторичните клетки или батерии. Подобно на живачните батерии, никел-кадмиевите батерии са вредни за околната среда (за дивата природа и здравето) поради металния кадмий.

Те се характеризират с генериране на високи електрически токове и могат да бъдат презареждани в голям брой пъти. Всъщност те могат да бъдат презаредени общо 2000 пъти, което е равно на изключителна издръжливост.

Електродите му се състоят от никелов оксид хидроксид, NiO (OH) за катода и метален кадмий за анода. Химическата обосновка по същество остава същата: кадмий (вместо цинк) губи електрони и кадмий NiO (OH) ги печели.

Полуклетъчните реакции са:

Cd (s) + 2OH ^- (aq) → Cd (OH) ₂ (s) + 2e ^-

2NiO (ОН) (S) + 2Н ₂ O (л) + 2е ^- → 2Ni (ОН) ₂ (и) + OH ^- (вод)

OH ^- анионите, отново идват от електролита KOH. След това NiCad батериите генерират хидроксиди на никел и кадмий.

Използват се поотделно или са свързани в пакети (като този в жълто, изображението отгоре). Така те идват в големи или малки опаковки. Малките намират приложение в играчките; но големите се използват за самолети и електрически превозни средства.

-Никел-метален хидрид (Ni-HM)

Ni-HM батерии. Източник: Ramesh NG от Flickr (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

Друга добре позната клетка или батерия, която надвишава NiCad по енергийни мощности, е Ni-HM (никел и метален хидрид). Може да се предлага в цилиндричен формат (конвенционални батерии, изображение по-горе) или да се свързва в батерия.

Химически той има почти същите характеристики като NiCad батериите, като основната разлика е неговият отрицателен електрод: катодът не е кадмий, а интерметална сплав от редки земни и преходни метали.

Тази сплав е отговорна за абсорбирането на водорода, образуван по време на зареждането, като генерира сложен метален хидрид (оттук и буквата Н в името му).

Въпреки че Ni-HM батериите осигуряват по-голяма мощност (приблизително с 40% повече), те са по-скъпи, износват се по-бързо и не могат да се зареждат отново толкова пъти, колкото NiCad батериите; тоест те имат по-кратък полезен живот. Въпреки това им липсва ефект на паметта (загуба на работоспособността на батериите поради това, че не са напълно разредени).

Поради тази причина те не трябва да се използват в машини, които работят дългосрочно; въпреки че този проблем е облекчен с батериите LSD-NiHM. По същия начин Ni-HM клетките или батериите имат много стабилни топлинни характеристики, като могат да работят в широк диапазон от температури, без да представляват риск.

реакции

Реакциите, които възникват при вашите електроди са:

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

H ₂ O (л) + M (S) + Е ^- ⇌ ОН ^- (вод) + М (S)

-Ion-литий

Литиево-йонна батерия за лаптоп. Източник: Кристоферб от Уикипедия.

В литиевите клетки и батерии те се основават на миграцията на Li ⁺ йони, които се прехвърлят от анода към катода, продукт на електростатични отблъсквания поради нарастващия положителен заряд.

Някои могат да бъдат презаредени, като например батерии за лаптоп (горно изображение), а други - цилиндрични и правоъгълни батерии (LiSO ₂, LiSOCl ₂ или LiMnO ₂) не могат.

Литиево-йонните батерии се характеризират с това, че са много леки и енергични, което им позволява да се използват в много електронни устройства, като смартфони и медицинско оборудване. По същия начин те почти не страдат от ефекта на паметта, плътността им на заряд надвишава тази на NiCad и Ni-HM клетките и батериите и им отнема по-дълго време за разреждане.

Те обаче са много чувствителни към високи температури, дори експлодират; и в допълнение, те са по-скъпи в сравнение с други батерии. Все пак литиевите батерии се гледат благоприятно на пазара и много потребители ги оценяват като най-добрите.

-Кислено олово

Типична оловно-кисела батерия за автомобили. Източник: Tntflash

И накрая, оловните киселини, както подсказва името му, не съдържат ОН ^- а Н ⁺ йони; по-специално концентриран разтвор на сярна киселина. Волтовите клетки се намират вътре в техните кутии (горно изображение), където три или шест от тях могат да бъдат свързани в серия, като съответно се получава 6 или 12 V батерия.

Той е в състояние да генерира големи количества електрически заряд и тъй като са много тежки, те са предназначени за приложения или устройства, които не могат да се транспортират ръчно; например автомобили, слънчеви панели и подводници. Тази киселинна батерия е най-старата и все още съществува в автомобилната индустрия.

Неговите електроди са направени от олово: PbO ₂ за катода и спонгиозен метален олово за анода. Реакциите, които се проявяват в тях са:

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

PbO ₂ (s) + HSO ^- ₄ (aq) + 3H ⁺ (aq) + 2e ^- → PbSO ₄ (s) + 2H ₂ O (l)

Препратки

1. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. (2008 г.). Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Обучение.
2. Одунлейд Емануел. (24 юли 2018 г.). Различни видове батерии и техните приложения. Circuit Digest. Възстановена от: circuitdigest.com
3. ТЕСТ. (SF). Видове батерии. Възстановено от: prba.org
4. Исидор Бучман. (2019). Каква е най-добрата батерия? Батериен университет. Възстановено от: batteryuniversity.com
5. Компаниите McGraw-Hill. (2007 г.). Глава 12: Батерии., Възстановено от: oakton.edu
6. Шапли Патрисия. (2012 г.). Чести типове батерии. Университета на Илинойс. Възстановено от: butane.chem.uiuc.edu
7. Екологично отношение. (22 януари 2017 г.). Видове батерии: пълно ръководство за съществуващите батерии. Възстановени от: actitudecologica.com