المحتوى
- كيمياء الخلايا للبطاريات
- نصائح
- تاريخ الخلية الكيميائية
- كيف بطاريات قابلة للشحن الذهاب شقة
- تطبيقات البطاريات القابلة لإعادة الشحن
- فيزياء تفاعلات البطارية
- جهد خلية كلفانية
ربما واجهت البطاريات مسطحة ، وهو أمر مزعج إذا كنت تحاول استخدامها في الأجهزة الإلكترونية. يمكن أن توضح لك كيمياء الخلايا للبطاريات خصائص كيفية عملها بما في ذلك كيفية تسويتها.
كيمياء الخلايا للبطاريات
نصائح
لتذكر هذه العلاقة ، يمكنك تذكر كلمة "OILRIG". هذا يخبرك بذلك الأكسدة هي الخسارة ("النفط") و الحد هو المكسب ("RIG") من الإلكترونات. ال ذاكري لالأنودات والكاثودs هو "ANOX REDCAT" لتذكر أن "ANode" يستخدم مع "OXidation" و "REDuction" يحدث في "CAThode".
يمكن للخلايا الأولية أيضًا العمل مع خلايا نصف فردية من معادن مختلفة في محلول أيوني متصل بجسر ملح أو غشاء مسامي. هذه الخلايا توفر البطاريات مع عدد لا يحصى من الاستخدامات.
البطاريات القلوية، والتي تستخدم على وجه التحديد رد الفعل بين أنود الزنك وكاثود المغنيسيوم ، وتستخدم للمصابيح الكهربائية والأجهزة الإلكترونية المحمولة وأجهزة التحكم عن بعد. تشمل الأمثلة الأخرى لعناصر البطارية الشائعة الليثيوم والزئبق والسيليكون وأكسيد الفضة وحمض الكروميك والكربون.
يمكن أن تستفيد التصميمات الهندسية من طريقة تثبيت البطاريات للحفاظ على الطاقة وإعادة استخدامها. تستخدم البطاريات المنزلية منخفضة التكلفة عمومًا خلايا الزنك الكربوني المصممة بحيث ، إذا خضع الزنك التآكل كلفاني، وهي عملية يتآكل فيها المعدن بشكل تفضيلي ، قد تنتج البطارية الكهرباء كجزء من دائرة إلكترونية مغلقة.
في أي درجة حرارة تنفجر البطاريات؟ كيمياء خلايا بطاريات الليثيوم أيون تعني أن هذه البطاريات تبدأ تفاعلات كيميائية تؤدي إلى انفجارها عند حوالي 1000 درجة مئوية. المواد النحاسية بداخلها تذوب مما يؤدي إلى كسر النوى الداخلية.
تاريخ الخلية الكيميائية
في عام 1836 شيد الكيميائي البريطاني جون فريدريك دانييل خلية دانييل حيث استخدم إلكتروليت اثنين ، بدلاً من واحد فقط ، للسماح للهيدروجين المنتج من قبل الآخر بأن يستهلكه الآخر. اعتاد كبريتات الزنك بدلا من حمض الكبريتيك ، والممارسة الشائعة للبطاريات في ذلك الوقت.
قبل ذلك ، استخدم العلماء الخلايا الفولتية ، وهي نوع من الخلايا الكيميائية التي تستخدم تفاعلًا عفويًا ، والذي فقد الطاقة بمعدلات سريعة. استخدم دانييل حاجزًا بين صفائح النحاس والزنك لمنع هدر الهيدروجين الزائد من الفقاعات ومنع البطارية من التآكل بسرعة. سيؤدي عمله إلى ابتكارات في التلغراف والمعادن ، طريقة استخدام الطاقة الكهربائية لإنتاج المعادن.
كيف بطاريات قابلة للشحن الذهاب شقة
الخلايا الثانوية، من ناحية أخرى ، قابلة للشحن. تخزن البطارية القابلة لإعادة الشحن ، والتي تُسمى أيضًا بطارية التخزين أو الخلية الثانوية أو المُراكم ، الشحن بمرور الوقت حيث يتم توصيل الكاثود والأنود في دائرة مع بعضها البعض.
عند الشحن ، يتأكسد المعدن الإيجابي الفعال مثل هيدروكسيد أكسيد النيكل ، مما يخلق إلكترونات ويفقدها ، في حين يتم تقليل المواد السلبية مثل الكادميوم ، والتقاط الإلكترونات وكسبها. تستخدم البطارية دورات تفريغ الشحن باستخدام مجموعة متنوعة من المصادر بما في ذلك الكهرباء المتناوبة الحالية كمصدر للجهد الخارجي.
لا تزال البطاريات القابلة لإعادة الشحن مسطحة بعد الاستخدام المتكرر لأن المواد المشاركة في التفاعل تفقد قدرتها على الشحن وإعادة الشحن. نظرًا لأن أنظمة البطاريات هذه تتآكل ، فهناك طرق مختلفة لتسوية البطاريات.
نظرًا لاستخدام البطاريات بشكل روتيني ، فقد يفقد بعضها مثل بطاريات الرصاص الحمضية القدرة على إعادة الشحن. قد يصبح ليثيوم بطاريات الليثيوم أيون معدن ليثيوم تفاعلي لا يمكن أن يدخل مرة أخرى في دورة تفريغ الشحنة. البطاريات ذات الشوارد السائلة قد تنخفض في رطوبتها بسبب التبخر أو الشحن الزائد.
تطبيقات البطاريات القابلة لإعادة الشحن
تستخدم هذه البطاريات بشكل عام في مشغلات السيارات والكراسي المتحركة والدراجات الكهربائية وأدوات الطاقة ومحطات توليد الطاقة لتخزين البطاريات. لقد درس العلماء والمهندسون استخدامها في بطاريات الاحتراق الداخلي الهجين والسيارات الكهربائية لتصبح أكثر فاعلية في استخدامهم للطاقة وتستمر لفترة أطول.
بطارية الرصاص الحمضية القابلة لإعادة الشحن تكسر جزيئات الماء (هيدروجين2O) في محلول الهيدروجين المائي (هيدروجين+) وأيونات الأكسيد (O2-) التي تنتج الطاقة الكهربائية من الرابطة المكسورة حيث يفقد الماء شحنته. عندما يتفاعل محلول الهيدروجين المائي مع أيونات الأكسيد هذه ، يتم استخدام روابط O-H القوية لتشغيل البطارية.
فيزياء تفاعلات البطارية
هذه الطاقة الكيميائية تعمل على تفاعل الأكسدة والاختزال الذي يحول المواد المتفاعلة عالية الطاقة إلى منتجات منخفضة الطاقة. يتيح الفرق بين المواد المتفاعلة والمنتجات حدوث التفاعل وتشكيل دائرة كهربائية عندما يتم توصيل البطارية عن طريق تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.
في الخلية المجلفنة ، تتمتع المواد المتفاعلة ، مثل الزنك المعدني ، بالطاقة الخالية العالية التي تسمح للتفاعل أن يحدث تلقائيًا دون قوة خارجية.
المعادن المستخدمة في الأنود والكاثود لديها طاقات شعرية متماسكة يمكن أن تدفع التفاعل الكيميائي. الطاقة المتماسكة للشبكة هي الطاقة اللازمة لفصل الذرات التي تصنع المعدن عن بعضها البعض. غالبًا ما يستخدم الزنك المعدني ، والكادميوم ، والليثيوم ، والصوديوم لأن لديهم طاقات تأين عالية ، وهي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترونات من عنصر.
يمكن للخلايا الجلفانية التي تحركها أيونات من نفس المعدن أن تستخدم اختلافات في الطاقة الحرة لتسبب طاقة جيبس الحرة في دفع التفاعل. ال جيبس الطاقة الحرة هو شكل آخر من أشكال الطاقة المستخدمة لحساب مقدار العمل الذي تستخدمه العملية الديناميكية الحرارية.
في هذه الحالة ، فإن التغير في طاقة جيبس القياسية المجانية Gس _ يحرك الجهد أو القوة الدافعة الكهربائيةس في فولت ، وفقا للمعادلة Eس = -ΔصGس / (الخامسالبريد س واو) بحيث الخامسالبريد هو عدد الإلكترونات المنقولة أثناء التفاعل و F ثابت في فارادايز (F = 96485.33 C مول−1).
ال ΔصGس يشير إلى المعادلة يستخدم التغير في طاقة جيبس الحرة (_ΔصGس = __Gنهائي - Gمبدئي). يزيد الانتروبيا حيث يستخدم التفاعل الطاقة المجانية المتاحة. في خلية دانييل ، يفسر فرق الطاقة المتماسكة بين شعرية الزنك والنحاس معظم الفرق في طاقة جيبس الحرة عند حدوث التفاعل. ΔصGس = -213 كيلو جول / مول ، وهو الفرق في طاقة جيبس الخالية من المنتجات والمواد المتفاعلة.
جهد خلية كلفانية
إذا قمت بفصل التفاعل الكهروكيميائي لخلية كلفانية في تفاعلات نصف الأكسدة وعمليات الاختزال ، يمكنك جمع القوى الدافعة الكهربائية المقابلة للحصول على فرق الجهد الكلي المستخدم في الخلية.
على سبيل المثال ، قد تستخدم خلية كلفانية نموذجية CuSO4 و ZnSO4 مع ردود الفعل المحتملة نصف القياسية على النحو التالي: النحاس2+ + 2 ه− ⇌ Cu مع إمكانات الكهربائية المقابلة Eس = +0.34 فولت و الزنك2+ + 2 ه− ⇌ Zn مع المحتملة Eس = −0.76 V.
لرد الفعل العام ، النحاس2+ + Zn ⇌ Cu + Zn2+ ، يمكنك "قلب" معادلة التفاعل النصفية للزنك أثناء تقليب علامة القوة الدافعة الكهربائية للحصول عليها Zn ⇌ Zn2+ + 2 ه− مع Eس = 0.76 فولت القدرة الكلية للتفاعل ، مجموع القوى الدافعة الكهربائية ، هي إذن +0.34 فولت - (−0.76 V) = 1.10 V.