ТИПИ АКУМУЛЯТОРІВ, ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА РЕАКЦІЇ - ХІМІЯ - 2025

На ринку можна придбати акумулятори різних типів зі своїми характеристиками . Акумулятори, що є не що інше, як вольтаїчні клітини, надають споживачам перевагу брати з собою електроенергію де завгодно (доки умови не будуть різкими).

Батареї, як правило, можна придбати ізольованими; але вони також досягаються в поєднанні між собою послідовно або паралельно, набір яких стає тим, що вони називають акумуляторами. Таким чином, іноді терміни «батареї» та «батареї» вживаються без розбору, навіть коли вони не однакові.

Лужні батареї: один з найпопулярніших типів акумуляторів. Джерело: Пікселі.

Склади можуть бути різноманітних кольорів, форм і розмірів, так само як їх можна виготовити з інших матеріалів. Так само, і що ще важливіше, його внутрішня структура, де відбуваються хімічні реакції, що генерують електрику, служить для того, щоб відрізняти їх один від одного.

Наприклад, на зображенні вище показані три лужні батареї, одна з найпоширеніших. Термін лужний означає те, що середовище, де відбувається вивільнення та потік електронів, є основним; тобто він має pH більше 7, а OH ^- переважають аніони та інші негативні заряди.

Загальний рейтинг

Перш ніж звертатися до деяких типів акумуляторів, які знаходяться там, необхідно знати, що вони глобально класифікуються як первинні чи вторинні.

Первинний

Первинні батареї - це ті, які після їх споживання повинні бути викинуті або перероблені, оскільки хімічна реакція, на якій базується електричний струм, незворотна. Тому їх не можна заряджати.

В основному вони використовуються в додатках, де недоцільно заряджати електричною енергією; наприклад, у військових пристроях, посеред поля бою. Так само вони розроблені для обладнання, яке використовує мало енергії, щоб вони довше прослужили; наприклад, пульт дистанційного керування або портативні консолі (наприклад, Gameboy, Tetris і Tamagotchi).

Лужні батареї, щоб навести ще один приклад, також належать до основного типу. Зазвичай вони мають циліндричну форму, хоча це не означає, що циліндричні батареї не можуть бути вторинними або перезаряджатися.

середні школи

На відміну від первинних акумуляторів, вторинні батареї можна заряджати, коли вони закінчуються.

Це пояснюється тим, що хімічні реакції, що відбуваються всередині них, є оборотними, а тому після прикладання певної напруги види продукту знову стають реактивними, тим самим запускаючи реакцію знову.

Деякі вторинні комірки (звані батареї) зазвичай невеликі, як первинні; однак вони призначені для пристроїв, які споживають більше енергії, і для яких використання первинних акумуляторів було б недоцільно економічно та енергетично. Наприклад, батареї стільникового телефону містять вторинні комірки.

Також вторинні комірки призначені для великого обладнання або схем; наприклад, автомобільні акумулятори, які складаються з декількох батарей або вольтаїчних комірок.

Вони, як правило, дорожчі, ніж первинні батареї та батареї, але для тривалого використання вони в кінцевому підсумку є більш підходящим та ефективним варіантом.

Інші аспекти

Стеки класифікуються як первинні або вторинні; але комерційно чи популярно їх класифікують за формою (циліндричний, прямокутний, кнопковий), призначеним пристроєм (камери, транспортні засоби, калькулятори), назвами (AA, AAA, C, D, N, A23 тощо). ) та їх коди IEC та ANSI.

Також такі характеристики, як їх напруга (від 1,2 до 12 вольт), а також їх термін корисної експлуатації та ціни, є відповідальними за те, щоб дати їм певну класифікацію в очах споживача.

Список типів акумуляторів

-Вуглець-цинк

Вуглецево-цинкові батареї (також відомі як клітини Leclanché або сольові батареї) є одними з найпримітивніших і в даний час вважаються майже непридатними порівняно з іншими батареями; особливо, порівняно з лужними батареями, які хоч і трохи дорожчі, але мають більший термін експлуатації та напруги.

Як випливає з назви, його електроди складаються з цинкової банки та графітового стрижня, відповідного аноду та катоду відповідно.

У першому електроді, аноді, електроні виникають шляхом окислення металевого цинку. Потім ці електрони проходять через зовнішній ланцюг, який живить прилад електричною енергією, а потім вони закінчуються на графітовому катоді, де цикл завершується зменшенням діоксиду марганцю, в який він занурений.

Реакції

Хімічні рівняння реакцій, що виникають на електродах, є:

Zn (s) → Zn ²⁺ (ac) + 2e ^- (анод)

2 MnO ₂ (s) + 2e ^- + 2 NH ₄ Cl (aq) → Mn ₂ O ₃ (s) + 2 NH ₃ (aq) + H ₂ O (l) + 2 Cl ^- (aq) (Катод)

Ці батареї дуже схожі на лужні батареї: обидва мають циліндричну форму (таку, як на зображенні). Однак вуглецево-цинкові батареї можна розрізнити, якщо детально ознайомитись з маркованими на зовнішній стороні характеристиками або якщо їх код IEC передує букві R. Їх напруга становить 1,5 В.

-Щелочний

Лужні батареї дуже схожі на вуглецево-цинковий тип, з тією різницею, що середовище, де знаходяться електроди, містить ОН ^- аніони . Згадане середовище складається з сильних електролітів гідроксиду калію, KOH, що сприяє ОН ^- які беруть участь та «співпрацюють» у міграції електронів.

Він поставляється в різних розмірах і напругах, хоча найпоширеніший - 1,5 В. Вони, мабуть, найвідоміші акумулятори на ринку (наприклад, Duracell).

Реакції, які виникають у ваших електродів:

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

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

Зі збільшенням температури тим швидше відбуваються реакції і тим швидше розряджаються акумулятори. Цікаво, що популярні чутки поширюють їх у морозильну камеру, щоб збільшити їх тривалість життя; Однак при охолодженні його вміст може зазнати можливого затвердіння, що може призвести до наступних дефектів або ризиків.

Ртуть

Ймовірна ртутна батарея, яку можна сплутати з батареєю оксиду срібла. Джерело: Мультичері.

Ртуть-акумулятори дуже характерні завдяки своєрідній формі срібних кнопок (зображення вгорі). Майже кожен впізнав би їх з першого погляду. Вони також лужні, але в їх катоді крім графіту та діоксиду марганцю входить оксид ртуті, HgO; який після зменшення перетворюється на металеву ртуть:

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

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

Зауважте, як споживаються та регенеруються ОН ^- аніони в цих клітинних реакціях .

Будучи невеликими акумуляторами, він призначений для невеликих пристроїв, таких як годинник, калькулятори, управління іграшками тощо. Кожен, хто використовував будь-який з цих об'єктів, зрозумів, що не потрібно міняти батареї майже на «вічність»; що було б рівно 10 років.

Оксид срібла

Сріблясті акумулятори. Джерело: Лукас А, CZE.

Основний дефект ртутних акумуляторів полягає в тому, що при їх викиданні вони становлять серйозну проблему для навколишнього середовища через токсичні характеристики цього металу. Можливо, саме тому не вистачає кодів IEC та ANSI. Для акумуляторів оксиду срібла їх коду IEC передує літера S.

Один із замінників ртутних батарей відповідає батареї оксиду срібла, набагато дорожчій, але з меншим екологічним впливом (верхнє зображення). Спочатку вони містили ртуть для захисту цинку від лужної корозії.

Він доступний з напругою 1,5 В, а його застосування дуже схожі з тими ртутного акумулятора. Насправді, на перший погляд, обидва батареї виглядають однаково; хоча можуть бути набагато більші палі оксиду срібла.

Реакції на його електродах:

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

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

Вода згодом піддається електролізу, що розкладається в Н ⁺ і ОН ^- іони .

Зверніть увагу, що замість ртуті на катоді утворюється металеве срібло.

-Нікель-кадмій (NiCad)

Акумулятор NiCd. Джерело: LordOider

З цього моменту розглядаються вторинні елементи або батареї. Як і ртутні батареї, нікелеві кадмієві батареї шкідливі для навколишнього середовища (для дикої природи та здоров'я) через металевий кадмій.

Вони характеризуються генерацією високих електричних струмів і можуть бути заряджені у великій кількості разів. Насправді їх можна заряджати загалом у 2000 разів, що дорівнює надзвичайній міцності.

Його електроди складаються з гідроксиду оксиду нікелю, NiO (OH) для катода та металевого кадмію для анода. Хімічне обґрунтування, по суті, залишається колишнім: кадмій (замість цинку) втрачає електрони, а кадмій NiO (OH) отримує їх.

Півклітинні реакції:

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

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

ОН ^- аніони , знову ж таки, походять від електроліту КОН. Отже, акумулятори NiCad утворюють гідроксиди металів нікелю та кадмію.

Вони використовуються окремо або з'єднані в пакети (наприклад, жовтий, зображення вгорі). Тож вони надходять великими або малими пакетами. Маленькі знаходять застосування в іграшках; але великі використовуються для літальних апаратів та електромобілів.

-Гідрид нікелю-металу (Ni-HM)

Ni-HM акумулятори. Джерело: Рамеш НГ з Flickr (https://www.flickr.com/photos/rameshng/5645036051)

Інший відомий елемент або акумулятор, що перевищує NiCad за енергетичною потужністю, - це Ni-HM (нікель і гідрид металів). Він може поставлятися в циліндричному форматі (звичайні батареї, зображення вище) або з'єднуватися в акумуляторі.

Хімічно він має майже ті ж характеристики, що і батареї NiCad, головна відмінність - його негативний електрод: катод - це не кадмій, а інтерметалічний сплав рідкісних земель і перехідних металів.

Цей сплав відповідає за поглинання водню, що утворюється під час зарядки, утворюючи складний гідрид металу (звідси літера Н у його назві).

Хоча акумулятори Ni-HM забезпечують більше енергії (приблизно на 40% більше), вони дорожчі, швидше зношуються і не можуть заряджатися стільки ж разів, скільки батареї NiCad; тобто вони мають коротший термін корисного використання. Однак їм не вистачає ефекту пам’яті (втрата працездатності акумуляторів через неповний розряд).

Саме з цієї причини їх не слід використовувати в машинах, що працюють довго; хоча ця проблема була усунена з акумуляторами LSD-NiHM. Так само Ni-HM-осередки або батареї мають дуже стійкі теплові характеристики, вони можуть працювати в широкому діапазоні температур, не представляючи небезпеки.

Реакції

Реакції, які виникають у ваших електродів:

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

H ₂ O (l) + M (s) + e ^- ⇌ OH ^- (aq) + MH (s)

-Іон-літій

Літій-іонний акумулятор для ноутбука. Джерело: Крістоферб з Вікіпедії.

У літієвих клітинах і батареях вони засновані на міграції іонів Li ⁺ , які переносяться з анода на катод - продукт електростатичних відштовхувань за рахунок зростаючого позитивного заряду.

Деякі можуть бути заряджені, наприклад, батареї для ноутбуків (верхнє зображення), а інші - циліндричні та прямокутні акумулятори (LiSO ₂ , LiSOCl ₂ або LiMnO ₂ ) не можуть.

Літій-іонні акумулятори характеризуються тим, що вони дуже легкі та енергійні, що дозволяє використовувати їх у багатьох електронних пристроях, таких як смартфони та медичне обладнання. Так само вони майже не страждають від ефекту пам’яті, їх щільність заряду перевищує щільність NiCad та Ni-HM комірок та акумуляторів, і їм потрібно довше розряджатися.

Однак вони дуже чутливі до високих температур, навіть вибухають; і крім того, вони, як правило, дорожчі порівняно з іншими батареями. І все-таки літієві батареї сприймаються сприятливо на ринку, і багато споживачів оцінюють їх як найкращі.

-Вкислий свинець

Типовий свинцево-кислотний акумулятор для автомобілів. Джерело: Tntflash

І нарешті, свинцевокислі бактерії, як випливає з назви, не містять ОН ^- а йони Н ⁺ ; конкретно, концентрований розчин сірчаної кислоти. Вольтові клітини знаходяться всередині їхніх коробок (верхнє зображення), де три або шість з них можуть бути з'єднані послідовно, даючи відповідно 6 або 12 В акумулятор.

Він здатний генерувати велику кількість електричного заряду, і оскільки вони дуже важкі, вони призначені для додатків або пристроїв, які не можна транспортувати вручну; наприклад, автомобілі, сонячні батареї та підводні човни. Цей кислотний акумулятор є найдавнішим і все ще існує в автомобільній промисловості.

Його електроди виготовлені зі свинцю: PbO ₂ для катода та губчастий металевий відвід для анода. Реакції, що в них відбуваються, такі:

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)

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія. (8-е видання). CENGAGE Навчання.
2. Одунлайд Еммануїл. (24 липня 2018 р.). Різні типи акумуляторів та їх застосування. Circuit Digest. Відновлено з: circuitdigest.com
3. ТЕСТ. (sf). Види акумуляторів. Відновлено з: prba.org
4. Ісідор Бухман. (2019). Який найкращий акумулятор? Університет акумуляторів. Відновлено з: batteryuniversity.com
5. Компанії McGraw-Hill. (2007). Розділ 12: Батареї. . Відновлено з: oakton.edu
6. Шаплі Патрісія. (2012 р.). Поширені типи акумуляторів. Університет Іллінойсу. Відновлено з: butane.chem.uiuc.edu
7. Екологічне ставлення. (22 січня 2017 р.). Типи акумуляторів: Повна інструкція з існуючими батареями. Відновлено з: actitudecologica.com